JPH0890152A - 高強度アルミニウム合金鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 航空機、自動車等に利用される回転ファン用
翼、機器部品等に使用される高強度のアルミニウム合金
鋳物の製造法に関するもので、ピンホール等の鋳造欠陥
を防ぎ引張強さ、疲労強度が優れ、軽量化を図ったアル
ミニウム合金鋳造を得ることを目的としている。 【構成】 冷却水が循環可能の金属板製容器１内に消失
模型又は木型５を設置し、これに接する部分に純銅粒６
を充填し、さらに同銅粒６と容器１との間にアルミニウ
ム粒７を充填して鋳型を構成し、該鋳型中にアルミニウ
ム合金溶湯を注湯する。そして冷却水注入管３より容器
１に冷却水を供給して鋳型を急冷する。アルミニウム合
金溶湯の凝固区間の冷却速度は０．５℃／ｓｅｃ以上に
なるよう供給水量を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機、自動車等に幅広
く利用される回転ファン用翼、機器部品等に使用される
高強度のアルミニウム合金鋳物の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金は比強度が銅合金、鉄
鋼、Ｎｉ合金等に対して高く、チタン合金より安価なた
め航空機から自動車部品迄構造部材として多く使用され
ている。

【０００３】しかし、その使用材は鍛造品が多く、その
次にダイカスト、低圧鋳造、溶湯鍛造等金型に鋳造する
製品で通常の砂型鋳物製品は少なかった。

【０００４】その原因として、従来の砂型アルミニウム
合金鋳物はピンホール等の微細欠陥が多いため引張強
さ、耐力、疲労強度が低く、使用者側の要請に充分に応
えることは困難であった。

【０００５】図３は従来のアルミニウム合金鋳物の鋳造
法における鋳型断面図を示し、図４は同鋳型による鋳造
後の鋳型断面図である。

【０００６】これらの図において９は鋼板製の鋳型枠、
１０は該鋳型枠９内に充填される鋳物砂、１１は鋳物に
相当する空間で、該空間内にアルミニウム合金溶湯が注
入される。１２は鋳造後のアルミニウム合金鋳物を示
す。

【０００７】しかし従来のアルミニウム合金鋳物は、鋳
物を製造する鋳型材を熱伝導率の非常に小さい鋳物砂１
０（熱伝導率０．００２ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃ）を
使用しているため冷却速度が著しく遅くなり、融液−固
体間の水素溶解量が著しく差があるアルミニウム合金で
は水素による微細欠陥を生じ、機械的性質を著しく劣化
させるため冷却速度を早くする必要があった。

【０００８】又、従来鋳型では木型を設置し鋳物砂を酸
性又はアルカリ性の粘結剤で硬化して使用している。

【０００９】そのため、溶湯注湯後に、鋳物を取出す場
合、鋳型材を粉砕して、砂再生材を使用しても廃砂は使
用砂量の約５％に相当し、その廃棄が環境保護上問題と
なっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで一般に、鋳造
は鍛造と比較して、大型鍛造機、および金型を必要とせ
ず、複雑形状なものを大型から小型迄、安価に製造でき
る特徴がある。

【００１１】又、生産個数が少ない場合、金型を必要と
する鍛造、ダイカスト、溶湯鍛造は金型費が高価にな
り、実用的でない。

【００１２】本発明は上述の事情を考慮して、従来のア
ルミニウム合金鋳物の鋳造欠陥をなくして引張強さ、疲
労強さ等の機械的性質を著しく向上させ、小品種生産の
ため金型利用が困難な部品や複雑形状部品その他大型部
品等鍛造材が適用出来なかった部材に高強度アルミニウ
ム合金鋳物材を提供することを目的としている。

【００１３】従来のアルミニウム合金鋳物の機械的性質
の低下原因は、冷却速度が遅いための水素欠陥であり、
これを防止するために本発明では熱伝導率の小さい鋳物
砂（熱伝導率０．００２ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃ）に
代えて熱伝導率の大きい純銅粒（熱伝導率＝０．９４ｃ
ａｌ／ｃｍ・℃）とアルミニウム粒（熱伝導率＝０．５
７ｃａｌ／ｃｍ・℃）を併用して使用しようとするもの
である。

【００１４】近年、鋳物砂より熱伝導率の良い金属粒を
用いる鋳型が注目され、鉄粒を磁力で結合するマグネッ
ト・モールド、金属粒を水溶性化合物粘結剤により硬化
させた水溶性鋳型等が公表されている。

【００１５】これ等鋳型で使用される鉄合金、ステンレ
ス鋼、銅、銅合金粒では現用の鋳物砂（密度１．５〜３
ｇ／ｃｍ³ ）より密度が７〜８ｇ／ｃｍ³ と大きく、鋳
型が大型化すると鋳型崩壊が生じやすく実用化の隘路と
なっている。

【００１６】しかし、アルミニウム粒は密度は小さく、
熱伝導率も良好な利点はあるものの融点が６６０℃と低
いため、大型アルミニウム合金鋳物注湯の場合の溶湯に
接する鋳型材としては溶湯による溶融浸蝕を生ずるため
好ましくない。

【００１７】したがって本発明においては、アルミニウ
ム合金溶湯に接する部分には純銅粒を使用して、溶湯の
浸食を防止すると共に純銅粒使用厚さを制限して重量増
加を抑制し他の部分にはアルミニウム粒を使用して、純
銅粒、アルミニウム粒それぞれの特徴を活用した。

【００１８】又、鋳物砂の代りに純銅粒＋アルミニウム
粒を使用するだけでは鋳物が大型化した場合、両金属粒
の温度が上昇し、溶湯からの熱吸収が十分でなく十分な
急冷が得られない。

【００１９】そこで本発明においては、水が循環する様
に金属板で構成した容器内に鋳物を形成するための消失
模型又は木型を設置し、消失模型又は木型に接する部分
に純銅粒、その周囲にアルミニウム粒を充填し、これに
より形成された鋳型内にアルミニウム合金溶湯を注湯し
たのち、冷却水を金属板容器に供給して凝固区間の冷却
速度を０．５℃／ｓｅｃ以上に急冷し、水素による微細
欠陥の発生を防いだものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の構成として本発明の高強度アルミニウム合金鋳物の製
造方法は、冷却水が循環するように構成した金属板製容
器の内部にポリスチレン製等の消失模型又は木型を設置
し、該模型又は木型と接する部分に熱伝導率の高い純銅
粒を充填し、さらに該銅粒充填層と、前記金属板製容器
の内壁との間にアルミニウム粒を充填し、これにより形
成される鋳型内にアルミニウム合金溶湯を注湯したの
ち、前記金属板製容器に冷却水を供給し、該冷却水の水
量を調節して凝固区間の冷却速度を０．５℃／ｓｅｃ以
上に急冷したことを特徴としている。

【００２１】

【作用】本発明の高強度アルミニウム合金鋳物の製造方
法によれば、従来アルミニウム合金鋳物にみられる鋳巣
（空洞）の微細欠陥を防止して高い機械的性質を得るた
めに、アルミニウム合金製造時に使用されていた熱伝導
率（λ）の低い鋳物砂（λ＝０．００２ｃａｌ／℃・ｃ
ｍ・ｓｅｃ）の代りに、溶湯に接する部分には熱伝導率
の高い純銅粒（λ＝０．９４ｃａｌ／ｃｍ・℃・ｓｅ
ｃ）を使用し、他の部分には密度（Ｐ）が小さくて軽い
アルミニウム粒（λ＝０．５７ｃａｌ／ｃｍ・℃・ｓｅ
ｃ）を使用して、鋳型に高い熱伝導率と軽量性を具備さ
せたものである。

【００２２】又、大型鋳物になっても十分な熱伝達が保
持される様に水の循環出来る金属板製容器内に消失模型
又は木型を設置し、その周囲に純銅粒、アルミニウム粒
を充填したものである。

【００２３】消失模型は例えば通常消失模型に使用され
る発泡ポリスチレンから製作されたものである。消失模
型を使用したのは従来鋳型材では鋳造後、型崩壊、砂再
生等の後処理が必要なためこれ等を必要としない消失模
型を使用したものである。

【００２４】しかし、消失模型が大型になると強度が不
足するので純銅粒、アルミニウム粒を従来使用されてい
る粘結剤で硬化させることもある。

【００２５】アルミニウム合金溶湯を本発明鋳型に注湯
後、その冷却速度をアルミニウム合金凝固区間で０．５
℃／ｓｅｃ以上になる様に金属板製容器内を流れる冷却
水量を調節する。

【００２６】その結果熱伝導率の不良な従来鋳物の冷却
速度０．０８℃／ｓｅｃに比較して冷却速度を０．５℃
／ｓｅｃ以上に急冷でき、ピンホール状の微細欠陥の低
減ができる。

【００２７】冷却速度０．５℃／ｓｅｃ以下では水素に
よる微細欠陥の発生を防止出来ず機械的性質、特に伸び
の低下が顕著である。

【００２８】容器の金属板としては鋼板が使用される
が、アルミニウム粒に接する板には鋼板より熱伝導率が
優れたアルミニウム青銅板が使用されることもある。ア
ルミニウム青銅板は鋼板との溶接が可能なためである。

【００２９】鋳型材としては純銅粒は粒径約０．５〜
２．０ｍｍで０．５ｍｍ以下は再使用に不便でまた２．
０ｍｍ以上は溶湯のさし込みが生ずる。

【００３０】純銅の化学成分は約１％程度の通常の不純
物を含有しても熱伝導率は大きく低下しないので許容さ
れる。

【００３１】アルミニウム粒も粒径約０．５〜２．０ｍ
ｍで粒径制限理由は純銅粒と同様である。アルミニウム
の化学成分も約１％の通常の不純物を含有してもよい。

【００３２】溶湯に接する純銅粒の鋳型層としての厚さ
は冷却速度向上の立場からは厚い程望ましいが、重量面
からは密度が８．９ｇ／ｃｍ³ と大きいため、その厚さ
には限界があり、通常、その厚さは約３０ｍｍ以内であ
る。

【００３３】又、アルミニウム合金注湯後の排ガス除去
や冷却速度向上のため容器内を鋳造後真空ポンプで排気
することがある。

【００３４】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の１実施例につい
て説明する。図１は本発明のアルミニウム合金鋳造前の
鋳型の断面図、図２は同鋳型の鋳造後の状態を示す断面
図である。

【００３５】これらの図において、１は冷却水が循環で
きるよう構成した金属板製の容器、２は同容器に設けた
冷却水排水管、３は同冷却水注入管、４は容器１内を真
空ポンプで排気する排気管である。

【００３６】５は例えばポリスチレン製模型等の消失模
型又は木型で、前記金属板製容器１内に設置され、同容
器内で該消失模型又は木型５に接する部分には熱伝導率
の高い純銅粒６が充填されると共に、該鋼粒６の充填層
と、金属板製容器１との間の空隙部にはアルミニウム粒
７が充填される。

【００３７】そして純銅粒６とアルミニウム粒７とで構
成される鋳型中にアルミニウム合金溶湯を注湯したの
ち、金属板製容器１に冷却水注入管３より冷却水を供給
して鋳型を急冷する。そして冷却水は冷却水排水管２よ
り排出される。

【００３８】アルミニウム合金溶湯の凝固区間の冷却速
度は、冷却水の供給水量の調節により０．５℃／ｓｅｃ
以上になるよう急冷する。

【００３９】図２に示す８は鋳造後のアルミニウム合金
鋳物である。

【００４０】アルミニウム合金注湯後に生ずる排ガスの
排気及び冷却速度向上のために、容器１内に鋳造後図示
していない真空ポンプにより排気管４を介して排気す
る。

【００４１】本発明鋳型によりアルミニウム合金を鋳造
した結果および従来鋳造法で鋳造した結果を表１に示
す。

【００４２】

【表１】

【００４３】又、試験材はＪＩＳ規格のアルミニウム合
金鋳物１種でその化学成分を表２に示す。

【００４４】

【表２】

【００４５】表１の供試材Ｎｏ１，Ｎｏ２は本発明製造
法で製造したアルミニウム合金で、Ｎｏ３，Ｎｏ４は比
較材としての従来鋳造法で製造したものである。Ｎｏ
１，Ｎｏ２，Ｎｏ３およびＮｏ４供試材はいずれも表２
に示す化学成分の溶湯で重油炉で溶解後フラックスによ
る脱ガス処理を実施後、溶湯温度７２０℃で本発明鋳造
法、従来鋳造法により製造した。溶湯中の水素分析結果
は０．１１ｃｃ／１００ｇである。

【００４６】本発明鋳造法のＮｏ１，Ｎｏ２供試材は従
来鋳造試験片にみられるピンホール状の微細欠陥は認め
られず引張強さも４４ｋｇｆ／ｍｍ² と従来材Ｎｏ３，
Ｎｏ４の２６〜２８ｋｇｆ／ｍｍ² に比較すると優れて
いた。

【００４７】これ等機械的性質の差は微細欠陥の低減お
よび結晶粒微細化によるもので、本発明の純銅粒−アル
ミニウム粒−水冷による急冷効果に基づくものである。

【００４８】以上本発明の１実施例につき縷々説明した
が本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明
技術思想の範囲内において種々変更が可能であり、それ
らは何れも本発明の技術的範囲に属する。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば次に示
す効果を奏する。

【００５０】１．本発明鋳造法によって得られたアルミ
ニウム合金鋳物は従来方法で製造されたアルミニウム合
金鋳物に比較して急冷されるためピンホール等の鋳造欠
陥がなく引張強さ、疲労強度が優れている。

【００５１】２．又、大型鋳物になっても水冷されるの
で質量効果による機械的性質の低下が少ない。

【００５２】３．従って本発明鋳造法で製造されたアル
ミニウム合金鋳物は回転ファン用翼、機器部品等に使用
することが出来、これら機器の小型軽量化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法によるアルミニウム合金鋳造前の鋳
型の断面図である。

【図２】同方法による鋳造後の鋳型の状態を示す断面図
である。

【図３】従来のアルミニウム合金鋳物の鋳造法における
鋳型の断面図である。

【図４】図３の鋳型による鋳造後の鋳型の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 金属板製容器 ２ 冷却水排水管 ３ 冷却水注入管 ４ 排気管 ５ 消失模型又は木型 ６ 純銅粒 ７ アルミニウム粒 ８ 鋳造後のアルミニウム合金鋳物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却水が循環するように構成した金属板
   製容器の内部にポリスチレン製等の消失模型又は木型を
   設置し、該模型又は木型と接する部分に熱伝導率の高い
   純銅粒を充填し、さらに該銅粒充填層と、前記金属板製
   容器の内壁との間にアルミニウム粒を充填し、これによ
   り形成される鋳型内にアルミニウム合金溶湯を注湯した
   のち、前記金属板製容器に冷却水を供給し、該冷却水の
   水量を調節して凝固区間の冷却速度を０．５℃／ｓｅｃ
   以上に急冷したことを特徴とする高強度アルミニウム合
   金鋳物の製造方法。