JPWO2019186740A1

JPWO2019186740A1 - 鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金

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Publication number: JPWO2019186740A1
Application number: JP2018535196A
Authority: JP
Inventors: 勝己深谷; 堀川　宏; 宏堀川; 祐太郎木滝; 大塚　真; 真大塚; 益田　勉; 勉益田; 山本　直彰; 直彰山本
Original assignee: Nikkei MC Aluminium Co Ltd
Current assignee: Nikkei MC Aluminium Co Ltd
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: US20210010108A1; MX2020010101A; EP3778945A1; CN112119172A; CN112119172B; WO2019186740A1; US11649530B2; EP3778945A4; JP6471269B1

Abstract

Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を提供する。Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、５質量％以上１０質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｇと、０．０３質量％以上０．５質量％以下のＳｂと、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅと、を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなる。そして、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、表面の明度を示すＬ^＊値が５５以上である。

Description

本発明は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金に関する。本発明は、特に自動車部品に利用されるような大型の鋳物材に適している。

シリコン（Ｓｉ）を含有するアルミニウム（Ａｌ）合金であって、鋳造性の良いＡｌ-Ｓｉ系アルミニウム合金の機械的特性を向上させるためにマグネシウム（Ｍｇ）を添加した鋳物用合金（ＡＳＴＭ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）に規定された記号Ａ３５６の合金等）が知られている。強度向上のため添加されたＭｇは、溶融状態において酸化され減耗し、酸化物の生成やガス吸収が促進される可能性がある。そこで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金にベリリウム（Ｂｅ）を添加してＭｇの減耗を抑制することが知られている。

また、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、例えばＪＩＳ（ＪａｐａｎｅｓｅＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｔａｎｄａｒｄｓ）Ｈ５２０２に規定された記号ＡＣ４Ｃの合金又は記号ＡＣ４Ａの合金にアンチモン（Ｓｂ）を添加すると、共晶組織中のＳｉ相が改良（微細化）し、伸びが向上することも知られている（特許文献１参照）。

ところで、Ｓｂを添加したＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、溶体化処理等の高温での熱処理を行うと表面が黒色化し、外観を損ねてしまう可能性がある。そこで、表面の黒色化を抑制するために、Ｓｂを添加したＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金へのＢｅの多量添加や、Ｂｅ及びＣａの複合添加等が提案されている（特許文献２、特許文献３参照）。

特開昭５２−１５６１１７号公報特開昭６３−１６２８３２号公報特開昭５９−０６４７３６号公報

特許文献２のように、０．０５質量％以上であると黒色化が抑制される。Ｂｅは、レアメタルであるため、高価であるとともに、Ｂｅの粉塵には強い毒性があるため、Ｂｅの取扱いには十分に注意が必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Ｂｅの含有量が少なく、かつ表面の黒色化が抑制されるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を提供することを目的とする。

本態様のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、５質量％以上１０質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｇと、０．０３質量％以上０．５質量％以下のＳｂと、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅと、を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなり、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、表面の明度を示すＬ^＊値が５５以上である。

望ましい態様として、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、標準色（７７．４１，０．３９，−０．７８）に対する色差ΔＥが、２５以下である。

本発明に係る態様によれば、Ｂｅの含有量が少なく、合金表面の黒色化が抑制された、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を提供することができる。

図１は、鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金のＢｅ含有量に対しての色差と、Ｍｇ減耗量との関係を説明する説明図である。図２は、熱処理後の鋳物外観の側面の例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、以下で説明する実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

（合金組成）
本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、５質量％以上１０質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｇと、０．０３質量％以上０．５質量％以下のＳｂと、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅと、を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなる。

Ｓｉは、鋳造性、機械的特性に寄与する。Ｓｉの含有量が５質量％以上になると鋳造性の向上が顕著となる。自動車部品のような大きな鋳物を鋳造する場合、鋳造性は重要である。Ｓｉの添加によりＳｉ系晶出物が粗大化しやすくなり、伸びが低下しやすくなるため、Ｓｉの含有量は、１０質量％以下に抑える必要がある。また、Ｓｉは、時効処理した際に、ＭｇとともにＭｇ−Ｓｉ系化合物として析出し、強度向上に寄与する。

本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金において時効処理を行うと、ＭｇはＳｉとともにＭｇ−Ｓｉ系化合物として析出するので、Ｍｇは強度を向上させる作用を有する。この作用は、Ｍｇの含有量が０．２質量％以上、より好ましくは０．３質量％以上で顕著となる。逆にＭｇの含有量が１．０質量％よりも多くなると伸びの低下や酸化物の生成を促進し、ハードスポット等、不具合の原因にもなる。このため、Ｍｇの含有量が０．３質量％以上０．５質量％以下であると、強度が向上し、伸びの低下や酸化物の生成が抑制されるので、より好ましい。

Ｓｂは、共晶組織中のＳｉを微細化し、伸びを向上させる作用を有する。この作用は、Ｓｂの含有量が０．０３質量％以上で顕著となり、０．５質量％よりも多くなると、粗大なＭｇ−Ｓｂ化合物をつくり、伸びの低下を招く可能性がある。

上述した特許文献２のように、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金へのＢｅ含有量が多くなければ、表面の黒色化を抑制できないと思われていた。本願発明者等が鋭意研究を重ねた結果、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金へのＢｅの含有量と表面の黒色化とには、単純な逆比例の関係があるわけではないことがわかった。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金へのＢｅの含有量が、所定の閾値までは表面の黒色化がおこりにくく、所定の閾値よりもＢｅの含有量が増えると黒色化しやすくなり、さらにＢｅの含有量が増え、例えば０．０５質量％以上であると黒色化が抑制されることを見出した。

具体的に説明すると、Ｂｅはアルミニウム合金の溶湯表面に緻密な不動態の酸化皮膜を形成し、アルミニウム合金溶湯の酸化を抑制する。また、Ｂｅはアルミニウム合金中のＭｇの減耗を抑制する。より効果を高めるには、０．０００４質量％以上のＢｅの含有が必要である。しかし、Ｂｅ含有量が０．００２６質量％より多い場合、溶体化処理、水焼き入れ、時効処理等の一連の熱処理、いわゆるＪＩＳＨ０００１に規定された質別記号Ｔ６の熱処理（以下、Ｔ６熱処理という。）が鋳塊に施されると、鋳物表面が黒色化しやすくなる。これは、Ｔ６熱処理により鋳物表面の酸化アルミニウム層が厚くなり、鋳物表面が黒色化するのではないかと推測される。本実施形態においては、Ｂｅの含有量が０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下であるので、Ｔ６熱処理による鋳物表面の黒色化が抑制される。

本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金には、チタン（Ｔｉ）及びホウ素（Ｂ）の少なくとも１種の元素から選ばれる元素群を鋳造組織の微細化材として、Ｔｉ≦０．１５質量％、Ｂ≦０．０１質量％で含有しても良い。

また、本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金には、不可避的に混入する不純物も許容されるが、混入しやすい鉄（Ｆｅ）は、０．１５％以下、その他の不可避不純物の元素は０．０５％以下に抑制することが好ましい。

また、本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金には、不可避的に混入するカルシウム（Ｃａ）も許容されるが、Ｃａの含有量が０．０１質量％以上となるとガス吸収が激しくなり、湯流れが悪くなる。このため、本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｃａの含有量を０質量％以上０．０１質量％未満、より好ましくは、Ｃａの含有量を０質量％以上０．００５質量％以下に抑制することが好ましい。

［製造方法］
以下に、上述した本実施態様の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を用いて、鋳物材を製造する製造方法の一例を説明する。

（溶解工程）
５質量％以上１０質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｇと、０．０３質量％以上０．５質量％以下のＳｂと、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅと、を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなる合金組成のアルミニウム合金が既知の方法で溶製される。

得られたアルミニウム合金溶湯は、成分調整、除滓、脱ガス処理等の溶湯処理が施される。Ｔｉ、Ｂが微細化材として含有される場合、例えば、Ａｌ−Ｔｉ―Ｂ合金で形成されたロッドハードナー（微細化材）が鋳造前にアルミニウム合金溶湯に添加される。

（鋳造工程）
鋳型に、溶解工程で得られたアルミニウム合金溶湯が注湯され、鋳塊が得られる。

（Ｔ６熱処理）
鋳造工程で得られた鋳塊には、Ｔ６熱処理が施され、本実施形態のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材が得られる。Ｔ６熱処理は、鋳塊に対し、溶体化処理、焼き入れ処理、時効処理を順に施す熱処理である。

溶体化処理の条件としては、２時間以上１２時間以下の範囲内で５００℃以上５５０℃以下の溶体化処理温度を保持する。溶体化処理の条件例としては、５３５℃の溶体化処理温度を４時間保持する。溶体化処理温度が５００℃未満の温度であったり、温度保持時間が２時間未満であったりすると、溶体化の効果が小さい。溶体化処理温度が５５０℃より高温になると局部溶融（バーニング）が発生する可能性がある。また、温度保持時間が１２時間を超えても、Ｍｇ、Ｓｉの元素の固溶量の変化は見られず、コスト増となる。

焼き入れ処理として、溶体化処理された鋳塊を水冷する。焼き入れ処理において、水冷に使用する水は温水でも良い。

焼き入れ処理後、時効処理を行い、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物を析出させ、鋳物材の機械的特性を向上させる。時効処理の条件としては、２時間以上１２時間以下の範囲内で１２０℃以上１８０℃以下の時効処理温度を保持する。時効処理の条件例としては、１５０℃の時効処理温度を６時間保持する。

Ｔ６熱処理された本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材は、熱処理後の黒色化が抑制され外観に優れる。本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材においては、溶湯中のＭｇの減耗量が少なくＭｇが機械的強度に寄与するとともに、ＪＩＳＨ０００１に規定された質別記号Ｔ６の調質が施されているので、例えば、引張強さ３００ＭＰａ以上、伸び１０％以上となる。例えば、Ｔ６熱処理された本実施形態のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材が、自動車部品として製造される。

［実施例］
次に、本発明に係る実施例について説明する。実施例１、実施例２又は比較例１では、表１の合金組成の各元素であって残部がＡｌであるアルミニウム合金を溶解して評価用の溶湯を製造した。製造した各評価用の溶湯の温度を８５０℃にそれぞれ保持し、２４時間後及び４８時間後のＭｇの含有量をそれぞれ計測した。計測したＭｇの含有量をそれぞれ溶解直後のＭｇの含有量から減算して、２４時間（ｈ）後及び４８時間（ｈ）後における溶湯中のＭｇ減耗量を算出し、結果を表１に示す。

実施例１及び実施例２は、０．０００１質量％よりＢｅ含有量が少ない比較例１よりも、明らかに溶湯中のＭｇ減耗量が少ないことが確認された。このため、実施例１及び実施例２は、比較例１よりも、強度向上のため添加されたＭｇが溶湯において酸化減耗されにくく、酸化物の生成やガス吸収が促進される可能性が抑制されている。その結果、実施例１及び実施例２は、比較例１よりも溶融状態の影響を受けにくく、強度が向上した鋳物材を安定して製造することができる。

比較例２、実施例３から実施例７、比較例３では、表２の合金組成の各元素であって残部がＡｌであるアルミニウム合金となるように、上述した製造方法で各鋳造材を製造した。各鋳物材は、同じ金型の重力金型鋳造にて舟形形状に鋳造された。また、各鋳物材は、水冷後、保持温度５３５℃で４時間保持する溶体化処理、焼き入れ処理、保持温度１５０℃で６時間保持する時効処理の順に、Ｔ６熱処理されている。

次に、ＪＩＳＺ８７２２に基づき、色彩色差計（コニカミノルタジャパン株式会社製ＣＲ−４００）を用いて、得られた鋳物材表面の物体色を測定した。得られた物体色をＪＩＳＺ８７３０に基づき、Ｂｅが０．０００１質量％未満の比較例２の物体色を基準として、色差ΔＥを算出した。なお、標準光源は、Ｄ６５であり、物体色は、ＣＩＥ（国際照明委員会）Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系で表されている。

本実施形態では、比較例２の表面の物体色を標準色としており、比較例２の表面の物体色は、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、（７７．４１，０．３９，−０．７８）である。比較例２の標準色に対する、実施例３から実施例７及び比較例３の色差ΔＥの結果を表２に示す。図１は、鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金のＢｅ含有量に対しての色差と、Ｍｇ減耗量との関係を説明する説明図である。図２は、熱処理後の鋳物外観の側面の例を示す図である。

図１に示すように、鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材は、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅ含有量とすることで、溶湯中のＭｇ減耗量を抑制しつつ、ＪＩＳＨ０００１に規定された質別記号Ｔ６の調質が施された表面の黒色化を抑制していることがわかる。

図２に示すように、比較例２及び実施例６は、銀白色と視認され、比較例３は、黒色と視認される。比較例３は、Ｂｅ含有量が０．００２６質量％より多く、図２に示すように黒色化していることがわかる。

表２に示すように、比較例３の明度を示すＬ^＊値は、５３．６８である。明度を示すＬ^＊値は、５５以上であると、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材の表面は、銀白色に視認される。実施例７は、実施例６と同様に、銀白色と視認された。

図２に示すように、比較例２との色差ΔＥが大きいほど、黒色化する。図２及び表２によれば、比較例２との色差ΔＥが２５以下となると、表面の黒色が認識されにくくなることがわかった。

このように、本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材は、０．０００５質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅ含有量であると、上述した標準色に対する色差ΔＥが２１以下となり、比較例３よりも色差ΔＥが小さく、表面の黒色が抑制される。

本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材は、０．０００５質量％以上０．００２１質量％以下のＢｅ含有量であると、上述した標準色に対する色差ΔＥが１６以下となり、比較例３よりも色差ΔＥが小さく、表面の黒色が抑制される。

また、図２及び表２に示すように、本実施形態の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳物材は、０．０００５質量％以上０．００１１質量％以下のＢｅ含有量であると、上述した標準色に対する色差ΔＥが８以下となり、表面がより銀白色に視認されやすくなる。

以上、本実施形態の種々の有用な実施例を示し、かつ、説明を施した。本実施形態は、上述した種々の実施例や変形例に限定されること無く、この実施形態の要旨や添付する請求の範囲に記載された内容を逸脱しない範囲で種々変形可能であることはいうまでも無い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Ｂｅの含有量が少なく、かつ表面の黒色化が抑制される鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を提供することを目的とする。

本態様の鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、５質量％以上１０質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｇと、０．０３質量％以上０．５質量％以下のＳｂと、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅと、を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなり、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、表面の明度を示すＬ^＊値が５５以上である。

本発明に係る態様によれば、Ｂｅの含有量が少なく、合金表面の黒色化が抑制された、鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を提供することができる。

Claims

５質量％以上１０質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｇと、０．０３質量％以上０．５質量％以下のＳｂと、０．０００４質量％以上０．００２６質量％以下のＢｅと、を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなり、
Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、表面の明度を示すＬ^＊値が５５以上であるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金。
Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系において、標準色（７７．４１，０．３９，−０．７８）に対する色差ΔＥが、２５以下である、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金。