(57)【要約】      （修正有）【課題】合金中のＳｉ量およびＳｒ量の低減を図りつつ鋳造割れの発生が低減され、鋳放しの状態でも高い強度および高い延性(高靭性)を兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金と、係る合金からなり自動車などの構造部材に好適なアルミニウム合金鋳物とを提供する。【解決手段】本発明の鋳造用アルミニウム合金は、重量％で、４．００％≦Ｍｇ≦６．００％、０．０１％≦Ｓｉ≦０．４０％、０．５０％≦Ｍｎ≦１．５０％、０．００％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．０１％≦Ｔｉ≦０．０９％、０．０００１％≦Ｂ≦０．０４００％、０．００４０％≦Ｓｒ≦０．００９０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、４．００％≦Ｍｇ≦６．００％、０．０１％≦Ｓｉ≦０．４０％、０．５０％≦Ｍｎ≦１．５０％、０．００％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．０１％≦Ｔｉ≦０．０９％、０．０００１％≦Ｂ≦０．０４００％、０．００４０％≦Ｓｒ≦０．００９０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる、ことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
【請求項２】
請求項１の鋳造用アルミニウム合金において、
更にＢｅを合金全体の重量に対して０．００１０〜０．００５０重量％となるように添加した、ことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１または２の鋳造用アルミニウム合金において、
更にＣｒを合金全体の重量に対して０．１０〜０．４０重量％となるように添加した、ことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかの鋳造用アルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム合金鋳物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造割れ感受性の小さい鋳造用のアルミニウム合金と、その合金を利用したアルミニウム合金鋳物とに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの輸送機器全般において軽量化が求められており、アルミニウム合金鋳物の適用が拡大している。従来より、この種の用途において、例えばトランスミッションのケースやエンジン部品などに、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２合金が多用されているが、軽量化に対する要求は依然として高く、現在では構造部材にも適用できる高い延性(高靭性)の鋳造用アルミニウム合金が求められている。
【０００３】
そこで、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２合金では対応が困難な構造部材の用途に対応するため、例えば、下記の特許文献１(日本国・特許第６２２９１３０号公報)には、鋳放しの状態で高延性及び高強度が得られるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の特徴を活かしつつ、耐鋳造割れ性に優れた鋳造用アルミニウム合金として、質量％で、Ｓｒ：０．０１５〜０．１２％，Ｍｇ：２．０〜７．５％，Ｓｉ：１．６５〜５．０％を含有し、鋳造後の金属組織中に晶出したＭｇ2Ｓｉが微細な塊状になることを特徴とするものが開示されている。
この技術によれば、鋳造割れ性を改善することができると共に、内部品質に優れ、鋳放しの状態で高延性及び高強度を有するアルミニウム合金鋳物を得ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６２２９１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、鋳造割れ性を改善できるものの、Ａｌ−Ｍｇ系合金に比べてＳｉ量が多いため、構造部材に必要な伸びをＡｌ−Ｍｇ系合金ほど確保できているとは言い切れず、また、Ｓｒ量が多くなると酸化物が増え、溶湯の流動性や合金の伸びの低下にもつながると言ったおそれがある。
それゆえに、本発明の主たる目的は、合金中のＳｉ量およびＳｒ量の低減を図りつつ鋳造割れの発生を低減させ、鋳放しの状態でも高い強度および高い延性(高靭性)を兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金と、係る合金からなり自動車などの構造部材に好適なアルミニウム合金鋳物とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鋭意研究の結果、Ｓｉ量およびＳｒ量のみならず、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金を構成する全ての化学組成を見直すことによって、鋳造割れの発生を低減させ、鋳放しの状態でも高強度と高延性とを兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金を得ることができるのを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明における第１の発明は、「重量％で、４．００％≦Ｍｇ≦６．００％、０．０１％≦Ｓｉ≦０．４０％、０．５０％≦Ｍｎ≦１．５０％、０．００％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．０１％≦Ｔｉ≦０．０９％、０．０００１％≦Ｂ≦０．０４００％、０．００４０％≦Ｓｒ≦０．００９０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる」ことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金である。
【０００７】
この発明では、Ｓｉを０．０１重量％以上で且つ０．４０重量％以下の範囲内で、また、Ｓｒを０．００４０重量％以上で且つ０．００９０％重量以下の範囲内で含有させると共に、Ｔｉを０．０１重量％〜０．０９重量％の範囲内で含有させ、更にはＢを０．０００１重量％〜０．０４００重量％の範囲内で含有させているので、鋳造割れを効果的に防止することができる。加えて、所定量のＦｅおよびＭｎを含有させることにより鋳造時の焼付きを防止することができる。
以上のように、本発明では、Ｍｇを加えた上記の７種類の元素成分を所定の割合で含有させるだけで、それらの相互的作用によって、鋳造割れの発生を低減させ、鋳放しの状態でも高い強度および高い延性を兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金を得ることができる。
【０００８】
なお、本発明の鋳造用アルミニウム合金では、更にＢｅを合金全体の重量に対して０．００１０〜０．００５０重量％となるように添加するのが好ましい。こうすることにより、合金の酸化を防止できる。
【０００９】
また、本発明の鋳造用アルミニウム合金では、更にＣｒを合金全体の重量に対して０．１０〜０．４０重量％となるように添加するのが好ましい。こうすることにより、結晶粒を微細化してアルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
【００１０】
本発明における第２の発明は、上記第１の発明に記載の鋳造用アルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム合金鋳物である。
本発明の鋳造用アルミニウム合金からなるアルミニウム合金鋳物は、鋳造割れが低減されており鋳造性よく量産できると共に、鋳放しの状態でも高強度と高延性とを兼ね備えているため、例えば自動車などの構造部材として好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、合金中のＳｉ量およびＳｒ量の低減を図りつつ鋳造割れの発生が低減され、鋳放しの状態でも高い強度および高い延性を兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金と、係る合金からなり自動車などの構造部材に好適なアルミニウム合金鋳物とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】鋳造割れ性の評価に用いたＩビーム鋳型を示す模式図(平面図)である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について具体例を示しながら詳述する。
本発明の鋳造用アルミニウム合金(以下、単に「アルミニウム合金」とも言う。)は、重量％で、４．００％≦Ｍｇ≦６．００％、０．０１％≦Ｓｉ≦０．４０％、０．５０％≦Ｍｎ≦１．５０％、０．００％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．０１％≦Ｔｉ≦０．０９％、０．０００１％≦Ｂ≦０．０４００％、０．００４０％≦Ｓｒ≦０．００９０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とで大略構成されている。以下、各元素の特性について説明する。
【００１４】
Ｍｇ(マグネシウム)は、主としてアルミニウム合金中のＡｌ母材に固溶した状態又はＭｇ２Ｓｉとして存在し、アルミニウム合金に耐力および硬さを付与する一方で、過大量の含有によって伸びが著しく低下すると共に鋳造性や耐食性にも悪影響を及ぼす成分である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＭｇの含有割合は、上述したように４．００重量％以上で且つ６．００重量％以下の範囲であることが好ましい。Ｍｇの含有割合が４．０重量％未満の場合には、鋳放しでの強度、とりわけ０．２％耐力を確保するのが困難になり、逆に、Ｍｇの含有割合が６．００重量％を超える場合には、合金の伸びが著しく低下するようになるからである。
【００１５】
Ｓｉ（ケイ素）は、アルミニウム合金溶融時における流動性を確保し、鋳造性を向上させる重要な元素である。また、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金においては、ＳｉはＭｇとの金属間化合物である硬質なＭｇ2Ｓｉを晶出して強度、とりわけ耐力の向上に寄与する。しかしながら、Ｍｇ2Ｓｉの晶出が過剰になると延性の著しい低下を招く。
アルミニウム合金全体の重量に対するＳｉの含有割合は、上述したように０．０１重量％以上で且つ０．４０重量％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．０３重量％以上で且つ０．２０重量％未満の範囲内である。Ｓｉの含有割合が０．０１重量％未満の場合には、溶湯の流動性を確保することが難しく、また、Ｍｇ2Ｓｉによる強度向上の効果が十分に発揮されない。逆に、Ｓｉの含有割合が０．４０重量％を超える場合には、鋳造性は向上するが合金の伸び(延性)が著しく低下するようになるからである。
【００１６】
Ｍｎ（マンガン）は、例えばダイカストなどの鋳造を行う際に、アルミニウム合金と金型との焼付きを防止する効果を有していることが知られている。しかしながら、このＭｎを大量に含有させると、適温での溶解が困難になると共に、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物が針状に晶出してアルミニウム合金の延性が低下する。
アルミニウム合金全体の重量に対するＭｎの含有割合は、上述したように０．５０重量％以上で且つ１．５０重量％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．７０重量％以上で且つ１．２０重量％以下の範囲内である。Ｍｎの含有割合が０．５０重量％未満の場合には、金型への焼付き防止効果が十分に発揮されず、逆に、Ｍｎの含有割合が１．５０重量％を超える場合には、金型への焼付き防止効果は向上するが合金の延性が著しく低下するようになるからである。
【００１７】
Ｆｅ（鉄）は、上述したＭｎと同様に、主としてダイカストなどの鋳造時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するためのものである。このＦｅもＭｎと同様に、大量に含有させると適温での溶解が困難になると共に、Ａｌ-Ｓｉ-Ｆｅからなる針状晶を晶出し、アルミニウム合金の靱性(伸び)を低下させる。
アルミニウム合金全体の重量に対するＦｅの含有割合は、上述したように０．００重量％以上で且つ０．５０重量％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．０７重量％以上で且つ０．３０重量％以下の範囲内である。Ｆｅの含有割合が高すぎると、上記の通りＡｌ-Ｓｉ-Ｆｅからなる針状晶を晶出し、合金の伸びが低下するため、その上限は上述したように０．５０重量％以下であることが好ましい。
【００１８】
Ｔｉ（チタン）は、結晶粒を微細化させる効果を有しており、一般的には鋳造割れの抑制や機械的性質のうち特に伸びを向上させることができる元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するこのＴｉの含有割合は、上述したように０．０１重量％以上で且つ０．０９重量％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．０３重量％以上で且つ０．０９重量％未満の範囲内である。Ｔｉの含有割合が０．０１重量％未満の場合には、鋳造割れの抑制効果や合金の伸び向上効果が十分に発揮されず、逆に、Ｔｉの含有割合が０．０９重量％を超える場合には、鋳造割れの抑制効果や合金の伸び向上効果が頭打ちとなるのに加え、アルミニウム合金の溶解が難しくなり、溶け残りの生じる可能性が出てくるからである。
【００１９】
Ｂ（ホウ素）は、鋳造組織の微細化に作用し、鋳造割れを抑制することができるものである。
アルミニウム合金全体の重量に対するＢの含有割合は、上述したように０．０００１重量％以上で且つ０．０４００重量％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．００１０重量％以上で且つ０．０４００重量％未満の範囲内である。Ｂの含有割合が０．０００１重量％未満の場合には、鋳造割れの抑制効果が十分に発揮されず、逆に、Ｂの含有割合が０．０４００重量％を超える場合には、鋳造割れの抑制効果が頭打ちになるからである。
【００２０】
Ｓｒ（ストロンチウム）は、Ｍｇ2Ｓｉの粒子を微細化させることによって、鋳造割れを抑制すると共に、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させるためのものである。
アルミニウム合金全体の重量に対するＳｒの含有割合は、上述したように０．００４０重量％以上で且つ０．００９０重量％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．００４４重量％以上で且つ０．００８０重量％未満の範囲内である。Ｓｒの含有割合が０．００４０重量％未満の場合には、鋳造割れの抑制効果や合金の靭性や強度の向上効果が十分に発揮されず、逆に、Ｓｒの含有割合が０．００９０重量％を超える場合には、鋳造割れの抑制効果は十分に発揮されるが、酸化物が増え、溶湯の流動性の低下や合金の伸びの低下が生じるようになるからである。
【００２１】
以上の含有割合に従って、アルミニウム合金中のＭｇ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｔｉ，ＢおよびＳｒの含有割合を調整すると、鋳造割れの発生を低減させ、鋳放しの状態でも高い強度および高い延性を兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金を得ることができる。
【００２２】
なお、上述した各元素成分のほかに、Ｂｅ（ベリリウム）を添加するようにしてもよい。このＢｅは、鋳造時における溶湯の酸化を防止して溶湯の流動性を更に改善すると共に、合金の靭性をより一層向上させることができる元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するこのＢｅの含有割合は、０．００１０〜０．００５０重量％の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．００２０〜０．００４０重量％の範囲内である。Ｂｅの含有割合が０．００１０重量％未満の場合には、上述したＢｅの添加効果が十分に発揮されず、逆に、Ｂｅの含有割合が０．００５０重量％を超える場合には、アルミニウム合金の伸びの低下が生じるようになるからである。
【００２３】
また、上述した各元素成分のほかに、更にＣｒ（クロム）を添加するようにしてもよい。このＣｒは、上述したＦｅやＭｎと同様にダイカストなどの鋳造時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するのに加え、合金の耐食性を向上させる効果を有する元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＣｒの含有割合は、０．１０〜０．４０重量％の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．１５〜０．３０重量％の範囲内である。Ｃｒの含有割合が０．１０重量％未満の場合には、上述の効果を十分に得ることができなくなり、逆に、Ｃｒの含有割合が０．４０重量％を超える場合には、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。
【００２４】
本発明のアルミニウム合金を製造する際には、まず、Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｔｉ，ＢおよびＳｒの各元素成分が上述した所定の割合となるように含有させた原料を準備する（必要に応じて上記のＢｅやＣｒ等も添加。）。続いて、この原料を前炉付溶解炉や密閉溶解炉などの溶解炉に投入し、これらを溶解させる。溶解させた原料すなわちアルミニウム合金の溶湯は、必要に応じて脱水素処理および脱介在物処理などの精製処理が施される。そして、精製された溶湯を所定の鋳型などに流し込み、固化させることによって、アルミニウム合金の溶湯を合金地金インゴットなどに成形する。
【００２５】
また、本発明のアルミニウム合金を用いて、ダイカストや重力鋳造などの金型鋳造法，砂型鋳造法或いは精密鋳造法と言った様々な鋳造方法でアルミニウム合金鋳物を鋳造した後、必要に応じて溶体化処理及び時効処理などが施してもよい。本発明のアルミニウム合金は、鋳放しの状態でも高強度と高延性とを兼ね備えているが、鋳造したアルミニウム合金鋳物に対して溶体化処理および時効処理などを施すことによって当該鋳物の機械的特性を改良することもできる。
【実施例】
【００２６】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
本発明に係る鋳造用アルミニウム合金の鋳造割れ性を評価すべく、下表１に示した合金組成(化学組成)の溶湯を調整し、Ｉビーム鋳型を用いてＩビーム試験用の試験片を鋳造した。
ここで、図１および図２に、鋳造に用いたＩビーム鋳型１０を示す。本実施例では、拘束長さＬ＝９５ｍｍ、キャビティ部１２の深さ２５ｍｍの鋳型を用いた。このＩビーム鋳型１０では、最終凝固部に収縮応力が集中し、割れの発生位置を一定にするため、キャビティ部１２内壁の長手方向中央部に、厚さ０．５ｍｍ、長さｌ＝２０ｍｍの断熱材１４が接着されている。なお、図１および図２における符号１６は、厚さ１２．５ｍｍの断熱材である。図示しないが、キャビティ部１２の上面も、同じく厚さ１２．５ｍｍの断熱材であって、キャビティ部１２の長手方向両端部それぞれに通じる一対の湯道が貫通された断熱材で被覆されている。
【００２７】
以上のようなＩビーム鋳型１０を用いてＩビーム試験用の試験片を鋳造する際には、まず始めに、溶湯中の水素含有量を低減させるため、アルゴンガスによる約１０分のバブリングを行った。そして、約１５分間の鎮静後、溶湯をＩビーム鋳型１０のキャビティ部１２に注湯した。注湯時の金型温度は２００℃、注湯温度は７２０℃で鋳造を行った。
【００２８】
上記の方法で鋳造したＩビーム鋳物(試験片)について、最終凝固部に生じた割れの長さを計測し、鋳造割れ性を数値的に評価するため、下式（１）により鋳造割れ性の指標(％)を算出した。
鋳造割れ性(％)＝［割れの長さの合計(ｍｍ)／試験片の外周(ｍｍ)］×１００  …（１）
【００２９】
表１は、合金成分が本発明範囲内および範囲外にある１０種類の鋳造用アルミニウム合金についてＩビーム鋳造法で試験片を鋳造し、その成分組成と鋳造割れ性(％)との関係を示したものである。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
この表１が示すように、鋳造用アルミニウム合金の合金組成が本発明範囲内にある合金１から合金３では、鋳造割れ性が５０％未満であるのに対し、合金組成が本発明範囲外にある合金４〜合金１０では、鋳造割れ性が５０％を大きく超えるものとなった。
【００３２】
本実施形態のアルミニウム合金によれば、Ｓｉを０．０１重量％以上で且つ０．４０重量％以下の範囲内で、また、Ｓｒを０．００４０重量％以上で且つ０．００９０％重量以下の範囲内で含有させると共に、Ｔｉを０．０１重量％〜０．０９重量％の範囲内で含有させ、更にはＢを０．０００１重量％〜０．０４００重量％の範囲内で含有させているので、鋳造割れを効果的に防止することができる。加えて、所定量のＦｅおよびＭｎを含有させることにより鋳造時の焼付きを防止することができる。つまり、本実施形態のアルミニウム合金では、Ｍｇを加えた７種類の元素成分を所定の割合で含有させるだけで、それらの相互的作用によって、鋳造性に優れ、鋳放しの状態でも高い強度および高い延性を兼ね備えた鋳造用アルミニウム合金を得ることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０：Ｉビーム鋳型，１２：キャビティ部，１４：断熱材，１６：断熱材．
【図１】
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【図２】
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