JPH0820832A - 高強度高靱性鋳造アルミニウム合金及びその製造方法 - Google Patents

高強度高靱性鋳造アルミニウム合金及びその製造方法

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JPH0820832A
JPH0820832A JP15593894A JP15593894A JPH0820832A JP H0820832 A JPH0820832 A JP H0820832A JP 15593894 A JP15593894 A JP 15593894A JP 15593894 A JP15593894 A JP 15593894A JP H0820832 A JPH0820832 A JP H0820832A
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JP
Japan
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weight
strength
toughness
aluminum alloy
cast
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JP15593894A
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Yukio Okochi
幸男 大河内
Tetsuya Suganuma
徹哉 菅沼
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】非熱処理型のアルミニウム合金鋳造材におい
て、鋳放しで高強度と高靱性を両立させる。 【構成】Mg:3〜5重量%、Zn:3〜5重量%、M
n:0.3〜1.0重量%、B:0.005〜0.06
重量%、Ti,Zr,Cr及びVから選ばれる元素0.
05〜0.8重量%、残部Alとなるように材料の組成
を調整し、その溶湯を金型に注湯し、その後液相と固相
の間の最大冷却速度が50〜300℃/秒となる冷却速
度で凝固させて鋳造することを特徴とする。急冷により
硼化物と金属間化合物が微細化されるので、α−Al相
が微細化され固溶強化が促進されるため強度・靱性が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、硼化物が分散したアル
ミニウム合金とその製造方法に関し、詳しくは鋳造材で
ありながら展伸材なみの強度と靱性が得られるアルミニ
ウム合金とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミニウム合金は板や押出形材などの
展伸材と、ダイカストなどの鋳造材に大別され、それぞ
れ熱処理により析出硬化する熱処理型合金と非熱処理型
合金に分類される。鋳造材の非熱処理型合金は、鋳造後
切削などの後加工が施されるだけで製品となる。そのた
めα−Al相結晶粒と晶出した金属間化合物の両方とも
粗大であり、強度・靱性ともに低くなってしまう。これ
は合金組成を検討することによりある程度改善できる
が、その場合でも高強度と高靱性を両立させることは困
難であった。一方、鋳造材であっても熱処理型合金であ
れば、熱処理(溶体化→時効)により微細析出物を析出
させることができる。したがって高強度高靱性となる
が、コストが高いという欠点がある。
【0003】一方、展伸材は、押出・圧延などの塑性加
工を施すことにより展伸して用いられる。そのため非熱
処理型合金であっても、粗大な鋳造組織が塑性加工時に
破壊されて微細化するため高強度高靱性となる。しかし
展伸材では押出・圧延などの工数が多大となり、やはり
コスト面で問題がある。また、例えば特開平3−166
335号公報には、Alなどの金属素地に耐火性硼化物
の超微細粒子を均一に分散させることにより、高温強度
などの諸特性に優れた分散強化材料が開示されている。
しかしこの分散強化材料は展伸材に相当し、押出・圧延
などの塑性加工工数が多大となるという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような事
情に鑑みてなされたものであり、非熱処理型の鋳造材に
おいて高強度と高靱性を両立させることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の高強度高靱性鋳造アルミニウム合金は、Mg:3〜
5重量%、Zn:3〜5重量%、Mn:0.3〜1.0
重量%、B:0.005〜0.06重量%、Ti,Z
r,Cr及びVから選ばれる元素0.05〜0.8重量
%、残部Al及び不可避の不純物からなり、マトリクス
中にTi,Zr,Cr及びVから選ばれる元素の微細な
硼化物粒子が0.01〜0.1体積%均一に分散してい
ることを特徴とする。
【0006】また第2発明の上記高強度高靱性鋳造アル
ミニウム合金を製造するための製造方法は、Mg:3〜
5重量%、Zn:3〜5重量%、Mn:0.3〜1.0
重量%、B:0.005〜0.06重量%、Ti,Z
r,Cr及びVから選ばれる元素0.05〜0.8重量
%、残部Alとなるように材料の組成を調整し、この組
成の材料を溶解し、その溶湯を金型に注湯し、その後液
相と固相の間の最大冷却速度が50〜300℃/秒とな
る冷却速度で凝固させて鋳造することを特徴とする。
【0007】
【作用】Mg及びZnは一部がα−Al相中に固溶し、
残りが微細な金属間化合物を形成して強度を向上させる
効果があるが、3重量%未満ではその効果が小さく、5
重量%を超えると金属間化合物量が多くなりすぎて靱性
が大幅に低下し、強度も頭打ちになる。したがってMg
及びZnは3〜5重量%とした。
【0008】Mnは大半がα−Al相中に固溶し、残り
が微細な金属間化合物を形成してα−Al相の微細化と
強度向上の効果があるが、0.3重量%未満ではその効
果が小さく、1.0重量%を超えると金属間化合物が粗
大化して靱性が低下する。したがってMnは0.3〜
1.0重量%とした。Ti,Zr,Cr及びVはそれぞ
れ一部がBと反応して硼化物を形成し、それが凝固核と
なってα−Al相を微細化する効果があり、残りは金属
間化合物を形成して強度を向上させる効果がある。添加
合計量が0.05重量%未満ではその効果がなく、0.
8重量%を超えると金属間化合物が粗大化して靱性が低
下する。そのため合計添加量を0.05〜0.8重量%
とした。
【0009】BはTi,Zr,Cr及びVから選ばれる
元素と反応して微細な硼化物を形成しα−Al相を微細
化するが、0.005重量%未満ではその効果が小さ
く、0.06重量%を超えても硼化物が粗大化してα−
Al相を微細化する効果が小さくなる。Ti,Zr,C
r及びVから選ばれる元素の硼化物は、溶湯中で反応生
成され、微細であるので凝固核となってα−Al相の微
細化に効果があるが、合計量で0.01体積%未満では
その効果が小さく、0.1体積%を超えると効果が飽和
する。したがって0.01〜0.1体積%とした。な
お、硼化物の粒径が0.1μmを超えると上記効果が小
さくなるので、0.1μm以下であるのが望ましい。
【0010】上記各元素を溶解した溶湯からの凝固によ
り、硼化物及びMg32(AlZn) 49,MgZn,Al
Znなどの金属間化合物が晶出する。そして液相と固相
の間の最大冷却速度が50〜300℃/秒であれば、硼
化物及び金属間化合物の晶出物が微細化され、それによ
りα−Al相が微細化されるので、固溶強化が促進され
強度・靭性が向上する。もし最大冷却速度が50℃/秒
より小さいと、その効果が得られず、300℃/秒より
大きくなると固溶が過度に促進されて靭性が低下する。
【0011】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 (実施例1)表1にも示すように、Mg:4.0重量
%、Zn:4.0重量%、Mn:0.6重量%、B:
0.02重量%、Ti:0.2重量%、Zr:0.1重
量%、残部Alとなるように材料の組成を調整し、その
150gを窒素ガス中で800℃に加熱して溶解した
後、C2Cl60.45gを溶湯中に挿入脱ガスし、75
0℃で図3に示すような直径60mm、高さ130mm
の円柱状の純銅製金型1に注湯して鋳造した。
【0012】この金型1では、キャビティ10の最深部
11が3方向に型面をもつので、最深部11の溶湯が最
も冷却速度が大きくなる。そこで最深部11から試験片
を取り出すこととした。そして熱電対によりキャビティ
の最深部11における凝固時の温度を測定し、それによ
って求められた液相と固相の間の最大冷却速度は100
℃/秒であった。
【0013】得られた図4に示す鋳造品2の最深部11
で形成された部分から引張試験片20を切り出し、引張
試験により引張強度と破断伸びを測定した。また内部組
織を電子顕微鏡で調査し、生成した硼化物の種類を同定
するとともに、その硼化物の体積率を算出した。それぞ
れの結果を表1に示す。また、得られた鋳造品の結晶構
造を示す光学顕微鏡写真(270倍)を図1に示す。 (実施例2〜5・比較例1〜10)各元素の組成比率を
表1のように変更したこと、及び金型の材質として鉄を
用いたり水冷したりすることによって最大冷却速度を表
1のように変更したこと以外は実施例1と同様にして鋳
造した。そして実施例1と同様にして引張強度と破断伸
びを測定した。また同様に生成した硼化物の種類を同定
するとともに、その硼化物の体積率を算出した。それぞ
れの結果を表1に示す。
【0014】なお、比較例9の鋳造品の結晶構造を示す
光学顕微鏡写真(270倍)を図2に示す。
【0015】
【表1】
【0016】(評価)表1より、実施例のアルミニウム
合金では引張強度及び破断伸びともに大きく、強度・靭
性に優れていることが明らかである。一方、比較例1で
はMgが2.3重量%と少ないため、引張強度が小さく
なっている。また比較例2ではMgが6.0重量%と多
いため、破断伸びが小さくなっている。
【0017】比較例3ではZnが2.2重量%と少ない
ため、引張強度が小さくなっている。また比較例4では
Znが5.8重量%と多いため、破断伸びが小さくなっ
ている。比較例5ではMnが0.2重量%と少ないた
め、引張強度が小さくなっている。また比較例6ではM
nが1.2重量%と多いため、破断伸びが小さくなって
いる。
【0018】比較例7ではBとTi及びVがそれぞれ
0.002重量%,0.02重量%及び0.01重量%
であって、硼化物が0.008重量%と少ないため、引
張強度及び破断伸びともに低い。比較例8ではBとZr
及びCrがそれぞれ0.10重量%,0.5重量%及び
0.4重量%であって、硼化物が0.15重量%と多い
ため、引張強度及び破断伸びともに低い。
【0019】比較例9では、凝固時の最大冷却速度が3
0℃/秒と小さいため、図2より明らかに図1の実施例
1に比べて結晶粒が粗大化し、その結果引張強度及び破
断伸びともに低い。そして比較例10では、凝固時の最
大冷却速度が350℃/秒と大きいため、破断伸びが著
しく低くなっている。
【0020】また実施例1と比較例9では、各元素組成
はほとんど同等であるが冷却速度が実施例1は100℃
/秒であるのに対し比較例9は30℃/秒と小さい。一
方、図1と図2を比較すると、図1の実施例1の方が図
2の比較例9に比べて結晶粒が細かく図2は結晶粒が粗
大化していることがわかる。つまり、冷却速度により結
晶粒の大きさが大きく異なることが明らかであり、冷却
速度が大きいほど微細な結晶が得られていることが明ら
かである。
【0021】
【発明の効果】すなわち本発明の鋳造アルミニウム合金
によれば、金型内にて所定の冷却速度で冷却するだけ
で、鋳造した鋳放し状態のままで展伸材なみの高強度・
高靭性となるので、塑性加工や熱処理が不要となり極め
て安価である。そして本発明の鋳造アルミニウム合金の
製造方法によれば、各元素の組成比率を特定範囲とし、
最大冷却速度を特定の範囲に調節して鋳造するだけでよ
いので、極めて容易にかつ確実に高強度・高靭性の鋳造
品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1の鋳造アルミニウム合金の
結晶構造を示す光学顕微鏡写真図である。
【図2】 本発明の比較例9の鋳造アルミニウム合金の
結晶構造を示す光学顕微鏡写真図である。
【図3】 本発明の一実施例で用いた金型の断面図であ
る。
【図4】 本発明の一実施例で鋳造された鋳造品からの
試験片取り出し位置を示す説明図である。
【符号の説明】
1:金型 2:鋳造品 1
0:キャビティ 11:最深部 21:引張試験片

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マグネシウム(Mg)3〜5重量%、亜
    鉛(Zn)3〜5重量%、マンガン(Mn)0.3〜
    1.0重量%、硼素(B)0.005〜0.06重量
    %、チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),クロム
    (Cr)及びバナジウム(V)から選ばれる元素0.0
    5〜0.8重量%、残部アルミニウム(Al)及び不可
    避の不純物からなり、マトリクス中にチタン(Ti),
    ジルコニウム(Zr),クロム(Cr)及びバナジウム
    (V)から選ばれる元素の微細な硼化物粒子が0.01
    〜0.1体積%均一に分散していることを特徴とする高
    強度高靱性鋳造アルミニウム合金。
  2. 【請求項2】 マグネシウム(Mg)3〜5重量%、亜
    鉛(Zn)3〜5重量%、マンガン(Mn)0.3〜
    1.0重量%、硼素(B)0.005〜0.06重量
    %、チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),クロム
    (Cr)及びバナジウム(V)から選ばれる元素0.0
    5〜0.8重量%、残部アルミニウム(Al)となるよ
    うに材料の組成を調整し、 該組成の材料を溶解し、その溶湯を金型に注湯し、その
    後液相と固相の間の最大冷却速度が50〜300℃/秒
    となる冷却速度で凝固させて鋳造することを特徴とする
    高強度高靱性鋳造アルミニウム合金の製造方法。
JP15593894A 1994-07-07 1994-07-07 高強度高靱性鋳造アルミニウム合金及びその製造方法 Pending JPH0820832A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100703130B1 (ko) * 2005-06-24 2007-04-06 한국기계연구원 비열처리형 고연성 알루미늄 주조합금 및 그 제조방법
CN102328065A (zh) * 2011-07-20 2012-01-25 辽宁忠旺集团有限公司 Φ582mm的7075铝合金圆棒的热顶铸造工艺

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KR100703130B1 (ko) * 2005-06-24 2007-04-06 한국기계연구원 비열처리형 고연성 알루미늄 주조합금 및 그 제조방법
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