(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム母材中に少なくともＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むアルミニウム合金の鋳造体であって、
α相中の同一位置にＳｉとＣｕとＭｇとの析出相を備えることを特徴とするアルミニウム合金鋳造体。
【請求項２】
請求項１記載のアルミニウム合金鋳造体において、前記ＳｉとＣｕとＭｇとの析出相は、それぞれ７００ｎｍ以下の粒子径を備えることを特徴とするアルミニウム合金鋳造体。
【請求項３】
アルミニウム母材中に少なくともＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むアルミニウム合金を溶融して該アルミニウム合金の溶湯を得る工程と、
該溶湯に振動子を浸漬し、該アルミニウム合金の融点以上の温度で、該溶湯に該振動子により１００〜１０００Ｈｚの周波数を備える振動を付与する工程と、
前記振動が付与された溶湯を鋳型に鋳込み、該鋳型中で冷却する工程とを備えることを特徴とするアルミニウム合金鋳造体の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載のアルミニウム合金鋳造体の製造方法において、前記アルミニウム合金は、固溶量を超える量のＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むことを特徴とするアルミニウム合金鋳造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金鋳造品及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、アルミニウム合金の鋳造凝固では、溶湯から最初に生成する固体はαＡｌ結晶である。前記αＡｌ結晶は、溶湯の温度の降下に従って数が増えると共に、それぞれが大きく成長する。
【０００３】
この結果、前記溶湯中のＡｌ濃度が低下する一方、相対的に合金元素の濃度が高くなる。前記合金濃度が共晶組成に達すると、残液から共晶相が生成する。そして、残液が無くなることにより、凝固が完了する。
【０００４】
前記鋳造凝固において、最初に生成するαＡｌ結晶の中心部では、前記合金元素の濃度は著しく低く、外周部では該合金元素の濃度が非常に高くなる。このようにして偏析と呼ばれる前記合金元素の濃淡が生じる。前記偏析を有する鋳造体では、引張強度が低くなるばかりか、伸び、衝撃値等の靭性も非常に低くなる。
【０００５】
そこで、前記共晶相とＡｌ結晶内に固溶している合金元素の分布を均一にし、かつ大量に固溶するために、前記鋳造体の溶体化が行われる。前記溶体化は、前記鋳造体を前記アルミニウム合金の溶解開始温度直下の高温（例えば４８０℃以上の温度）に加熱し、長時間保持することにより行われ、前記合金元素が拡散され、多量に固溶される。前記鋳造体は、この後、急冷されることにより、室温までの温度範囲では、前記合金元素が均一に拡散され過飽和固溶になる。しかし、室温では前記合金元素が均一に拡散された状態（過飽和固溶状態）が不安定になる。
【０００６】
そこで、さらに、前記鋳造体に時効処理を施すことにより、室温における前記合金元素の不安定な状態（過飽和固溶状態）を解消する。前記時効処理は室温よりやや高い温度（例えば８０〜２７０℃の範囲の温度）に長時間保持することにより行われる。この結果、引張強度及び靭性に優れたアルミニウム合金の鋳造体を得ることができる。
【０００７】
また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金板の製造方法として、該アルミニウム合金の鋳造体を冷間圧延した後、溶体化処理し、その後、溶体化温度から２００℃までの温度域で急冷する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。前記製造方法は、前記溶体化処理を５２０℃以上の温度に５分以下の時間で保持することにより行うと共に、前記急冷を１５℃／秒を超える冷却速度で行う。
【０００８】
この結果、前記製造方法によれば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ等が析出するＧＰゾーンを形成して、前記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金板の強度を向上させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−０２００２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の製造方法では、厳格な温度条件で長時間の熱処理を必要とする上、鋳造体の過時効や該鋳造体内部の部分溶融等に留意しなければ、優れた強度を備える鋳造体を得ることができないという不都合がある。また、前記熱処理に当たっては、炉内雰囲気を均一化する等のために特殊な設備を必要とするという不都合もある。
【００１１】
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた強度を備え、簡便な方法で製造することができる鋳造体を提供することを目的とする。また、本発明の目的は、前記鋳造体の製造方法を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するために、本発明は、アルミニウム母材中に少なくともＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むアルミニウム合金の鋳造体であって、α相中の同一位置にＳｉとＣｕとＭｇとの析出相を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明のアルミニウム合金鋳造体は、アルミニウムのα相中の同一位置にＳｉとＣｕとＭｇとの析出相を備えるので、該析出相により転位の移動を妨げることができ、これにより高硬度等の優れた強度を得ることができる。
【００１４】
本発明のアルミニウム合金鋳造体において、前記ＳｉとＣｕとＭｇとの析出相は、それぞれ７００ｎｍ以下の粒子径を備えることが好ましい。前記析出相は、前記範囲の粒子径を備えることにより、転位の移動を効果的に妨げることができる。
【００１５】
本発明のアルミニウム合金鋳造体は、アルミニウム母材中に少なくともＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むアルミニウム合金を溶融して該アルミニウム合金の溶湯を得る工程と、該溶湯に振動子を浸漬し、該アルミニウム合金の融点以上の温度で、該溶湯に該振動子により１００〜１０００Ｈｚの周波数を備える振動を付与する工程と、前記振動が付与された溶湯を鋳型に鋳込み、該鋳型中で冷却する工程とを備える製造方法により有利に製造することができる。
【００１６】
本発明の製造方法では、前記アルミニウム合金の溶湯に前記振動子を浸漬し、前記範囲の周波数を備える振動を付与することにより、該振動子の表面で多数の結晶核が生成する。そして、前記溶湯の冷却に伴って前記結晶核が成長することにより、鋳造体のアルミニウムα相中の同一位置にＳｉとＣｕとＭｇとの析出相を得ることができる。
【００１７】
本発明の製造方法において、前記溶湯に前記振動を付与するために、該溶湯はアルミニウム合金の融点以上の温度に保持されている必要がある。前記溶湯は、前記アルミニウム合金の融点未満の温度に冷却されると凝固するので、前記振動により前記結晶核を生成させることができなくなる。
【００１８】
また、本発明の製造方法において、前記振動の周波数が１００Ｈｚ未満では前記結晶核を生成させることができない。一方、前記振動の周波数が１０００Ｈｚを超えると、溶湯中の結晶核数は多くなるものの、振幅が小さく単位時間当たりのサイクル数が多いため、生成した核が成長しきれずＡｌ溶湯中に再溶融してしまうとの不都合がある。
【００１９】
本発明の製造方法によれば、前記溶湯に前記振動子を浸漬して前記範囲の周波数の振動を付与することにより、厳格な温度条件で長時間の熱処理を必要とすることなく、優れた強度を備えるアルミニウム合金鋳造体を容易に得ることができる。
【００２０】
本発明の製造方法は、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むものであればどのようなアルミニウム合金にも適用することができる。しかし、本発明の製造方法において、前記アルミニウム合金は、鋳造体のアルミニウムα相中の同一位置にＳｉとＣｕとＭｇとの析出相を得るために、αＡｌ中への固溶量を超える量のＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のアルミニウム合金鋳造体の製造方法を示す説明的断面図。
【図２】本発明の製造方法により得られたアルミニウム合金鋳造体における析出相を示す透過型電子顕微鏡の画像。
【図３】透過型電子顕微鏡を用いるエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）法により、図２に示す析出相中のＳｉの位置を示す画像。
【図４】透過型電子顕微鏡を用いるエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）法により、図２に示す析出相中のＣｕの位置を示す画像。
【図５】透過型電子顕微鏡を用いるエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）法により、図２に示す析出相中のＭｇの位置を示す画像。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２３】
本実施形態のアルミニウム合金鋳造体の製造方法では、まず、アルミニウム母材中に少なくともＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むアルミニウム合金を溶融して該アルミニウム合金の溶湯を得る。前記アルミニウム合金は、アルミニウム母材中に少なくともＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むものであればどのような組成のものであってもよい。このようなアルミニウム合金として、例えば、ＪＩＳに規定されるＡＤＣ１、ＡＤＣ３、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６、ＡＤＣ７、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１１、ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１２Ｚ、ＡＤＣ１４等の合金を挙げることができる。
【００２４】
前記アルミニウム合金のうち、例えばＡＤＣ１２合金は、Ｓｉ９．６〜１２．０質量％、Ｃｕ１．５〜３．５質量％、Ｍｇ０．３質量％以下、Ｚｎ１．０質量％以下、Ｆｅ１．３質量％以下、Ｍｎ０．５質量％以下、Ｎｉ０．５質量％以下、Ｓｎ０．２質量％以下を含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる組成を備えている。また、ＡＤＣ１２系合金として、例えば、Ｓｉ１１．５２質量％、Ｃｕ１．８１質量％、Ｍｇ０．２４質量％、Ｚｎ１．７８質量％、Ｆｅ０．８２質量％、Ｍｎ０．１６質量％、Ｎｉ０．０６質量％、Ｔｉ０．０６質量％、Ｃｒ０．０８質量％を含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる組成を備えるものが知られている。
【００２５】
本実施形態では、例えばＡＤＣ１２系合金であって、固溶量を超える量のＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇを含むアルミニウム合金を好適に用いることができる。このようなアルミニウム合金として、Ｓｉ１０．００〜１２．００質量％、Ｃｕ２．００〜２．５０質量％、Ｍｇ０．３５〜０．５５質量％、Ｚｎ１．０質量％未満、Ｆｅ２．００〜３．００質量％、Ｍｎ１．００〜１．５０質量％、Ｎｉ０．１質量％未満、Ｔｉ０．２質量％未満、Ｃｒ０．１質量％未満を含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる組成を備えるものを挙げることができる。
【００２６】
本実施形態では、例えば、Ｓｉ１０．５質量％、Ｃｕ２．５質量％、Ｍｇ０．５質量％、Ｚｎ１．０質量％未満、Ｆｅ２．０質量％、Ｍｎ１．０質量％、Ｎｉ０．１質量％未満、Ｔｉ０．２質量％未満、Ｃｒ０．１質量％未満を含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる組成を備えるアルミニウム合金を用いることができる。
【００２７】
本実施形態のアルミニウム合金鋳造体の製造方法では、次に、図１に示すように、前記アルミニウム合金の溶湯１をルツボ２に供給し、溶湯１に振動子装置３を浸漬する。
【００２８】
振動子装置３は、基板３１上に備えられた発振器３２と、発振器３２に電圧を印加する導線３３と、発振器３２により生成される所定周波数の振動により振動する振動子３４とを備え、振動子３４は基板３１の下面から下方に突出している。また、振動子装置３は、基板３１に冷媒を流通することにより、振動子３４を介してルツボ２内の溶湯１を冷却できるようになっている。
【００２９】
本実施形態のアルミニウム合金鋳造体の製造方法では、次に、溶湯１に浸漬した振動子３４を振動させることにより、溶湯１に１００〜１０００Ｈｚの周波数の振動を付与する。また、同時に、基板３１に冷媒を流通して溶湯１を冷却する。但し、溶湯１は液状である必要があり、前記冷却によっても前記アルミニウム合金の融点以上の温度に保持されている。
【００３０】
前記振動を付与すると、溶湯１に浸漬されている振動子３４が異質核として作用し、振動子３４の表面付近に多数の結晶核が生成する。そして、前記結晶核は、前記アルミニウム合金の冷却に伴って次第に成長する。
【００３１】
本実施形態のアルミニウム合金鋳造体の製造方法では、次に、溶湯１が前記アルミニウム合金の融点以上の温度に保持されている間に、前記振動の付与を終了し、溶湯１を所定の鋳型（図示せず）に鋳込む。前記鋳込みは、例えば、前記鋳型として金型を用い、重力鋳造（ＧＤＣ）法により行うことができる。そして、溶湯１を前記鋳型中で冷却して凝固させることにより、鋳造体を得ることができる。
【００３２】
次に、本実施形態で得られた鋳造体におけるアルミニウムα相中の析出相を透過型電子顕微鏡により撮影した。画像を図２に示す。図２において、前記析出相は楔形の形状を備える析出物として観察される。
【００３３】
また、前記析出相を、透過型電子顕微鏡を用いるエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）法により解析した。前記ＥＤＳ分析法により解析したＳｉの位置を示す画像を図３に、Ｃｕの位置を示す画像を図４に、Ｍｇの位置を示す画像を図５に、それぞれ示す。
【００３４】
図３〜５から、本実施形態で得られた鋳造体において、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇの析出相はいずれも楔形の形状を備える析出物として観察され、図２に示す析出相と同一位置に存在することが明らかである。また、図３〜５から、前記Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇの析出相はいずれも７００ｎｍ以下の粒子径を備えることが明らかである。
【００３５】
次に、本実施形態で得られた鋳造体から試験片を切り出し、該試験片のビッカース硬度を測定した。また、比較例として、振動子３４による振動を全く付与しなかった以外は、本実施形態と全く同一にして製造した鋳造体から、本実施形態と全く同一にして試験片を切り出し、該試験片のビッカース硬度を測定し、本実施形態で得られた鋳造体と比較した。
【００３６】
この結果、本実施形態で得られた鋳造体は、比較例の鋳造体に対し、２０％高いビッカース硬度を備えており、優れた強度を得ることができた。
【符号の説明】
【００３７】
１…溶湯、  ２…ルツボ、  ３４…振動子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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