(57)【要約】【課題】Al-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品に関し、高い引張強度を有することに加えて延性も向上させることのできるAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法を提供する。【解決手段】Al-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法であって、Al-Si-Cu系共晶合金を液相線温度以上として共晶合金の溶湯を生成し、液相線温度以上の温度から共晶温度に低下するまで該溶湯に超音波を照射する第１のステップ、共晶温度を維持しながら溶湯への超音波の照射を継続する第２のステップ、第２のステップで得られた溶湯を鋳造して鋳造品前駆体を製造する第３のステップ、鋳造品前駆体を時効処理して鋳造品を製造する第４のステップからなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Al-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法であって、
Al-Si-Cu系共晶合金を液相線温度以上として該共晶合金の溶湯を生成し、液相線温度以上の温度から共晶温度に低下するまで該溶湯に超音波を照射する第１のステップ、
共晶温度を維持しながら前記溶湯への超音波の照射を継続する第２のステップ、
第２のステップで得られた溶湯を鋳造して鋳造品前駆体を製造する第３のステップ、
前記鋳造品前駆体を時効処理して鋳造品を製造する第４のステップからなるAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Al-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種金属からなる溶湯へ超音波を照射することにより、溶湯内に音響流や超音波キャビテーションを発生させて溶湯に振動を加え、凝固組織の微細化を図る方法が一般におこなわれている。
【０００３】
そして特許文献１には、過共晶のAl-Si系合金溶湯の冷却過程において該溶湯に超音波振動を付与して初晶α-Alを晶出させる鋳物の鋳造方法が開示されている。
【０００４】
ところで、Al-SiにさらにCuが合金化されたAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品は、Al-Si系合金からなる鋳造品に比してその引張強度が向上することが知られている。
【０００５】
しかしながら、合金にCuが含まれることで、Al-Si-Cu系共晶合金（亜共晶合金、過共晶合金も含むものとする）からなる鋳造品ではCuAl2が生成され、このCuAl2によって鋳造品の延性（もしくは伸び率）が低下することが課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−４５９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、Al-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品に関し、高い引張強度を有することに加えて延性も向上させることのできるAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明によるAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法は、Al-Si-Cu系共晶合金を液相線温度以上として該共晶合金の溶湯を生成し、液相線温度以上の温度から共晶温度に低下するまで該溶湯に超音波を照射する第１のステップ、共晶温度を維持しながら前記溶湯への超音波の照射を継続する第２のステップ、第２のステップで得られた溶湯を鋳造して鋳造品前駆体を製造する第３のステップ、前記鋳造品前駆体を時効処理して鋳造品を製造する第４のステップからなるものである。
【０００９】
本発明の鋳造方法は、Al-Si-Cu系共晶合金からなる溶湯の冷却過程で液相線温度以上の温度から共晶温度に低下するまでの間に超音波を照射することのみならず、共晶温度を一定時間維持しながら溶湯への超音波の照射を継続することに一つ目の特徴があり、得られた溶湯から鋳造品前駆体を製造した後、この鋳造品前駆体に時効処理をおこなって鋳造品を製造することに二つ目の特徴がある。なお、「共晶温度に低下するまで」とは、厳密に共晶温度であることのみならず、共晶温度付近（たとえば570℃が共晶温度の場合に、570〜580℃程度）をも含む意味である。
【００１０】
上記する一つ目の特徴により、まず、溶湯が液相線温度以上の温度状態から超音波照射を実施することで、初晶Siの微細粒状化を図ることができる。この超音波照射にて溶湯中にキャビテーションを発生させたり、あるいは高圧化を図ることにより、合金を非平衡化して結晶析出形態を制御することができる。
【００１１】
そして、溶湯が共晶温度まで低下し、さらにこの共晶温度を一定時間維持している過程で超音波の照射が継続されることにより、非平衡粒状α-Alを晶出させることができる。仮に共晶温度到達後に超音波照射を停止してしまうと、非平衡α-Alと初晶Siの晶出が抑制され、この停止直後に共晶として晶出することとなり、共晶合金における初晶Si晶出が少ないことで鋳造品の耐摩耗性の向上を図ることが難しくなる。
【００１２】
また、過共晶の場合に初晶Siが増えすぎた状態で共晶温度にて超音波照射を停止してしまうと、非平衡化して高温で晶出した初晶Siの保温効果によって初晶Si間の共晶が徐冷する結果、共晶Siが粗大化するといった問題もあるが、本発明の第２のステップにてこの問題は生じ得ない。
【００１３】
なお、この「一定時間」の一例として1分程度を挙げることができる。
【００１４】
ここで、冷却過程にある金属の溶湯に超音波を照射して振動を付与しながらその凝固を図ることを「ソノ凝固」と称することができる。
【００１５】
なお、本発明者等の検証によれば、溶湯が共晶温度まで低下しない段階で急冷して鋳造工程に移行してしまうと、デンドライト状のα-Alが確認されるものの、非平衡粒状α-Alが晶出しないことが特定されている。
【００１６】
このようにソノ凝固によって初晶Siが微細化されることで最終的に製造される鋳造品の引張強度が向上する。
【００１７】
しかしながら、このソノ凝固によって粒状α-Alが晶出しているにも関わらず、最終的に製造される鋳造品の延性（伸び率、破断伸び）が改善されないこともまた本発明者等によって特定されている。
【００１８】
これは、合金成分がCuを含んでいるためにCuAl2が生成され、これが延性低下の要因となっているためである。
【００１９】
そこで、上記する二つ目の特徴である、鋳造品前駆体に時効処理をおこなって鋳造品を製造するものである。
【００２０】
一般に、時効処理をおこなうことで鋳造品の機械的特性、特に硬さが高くなるものであるが、本発明者等の検証によれば、鋳造品前駆体に時効処理をおこなうことで、共晶組織中に偏析したCuAl2を消滅させることができ、もって粒状α-Alによる延性効果を得ることができ、鋳造品の延性を向上できることが特定されている。
【００２１】
ここで、時効処理としては、溶体化処理を施した後に進んで冷間加工をおこなうことなく、人工時効硬化処理をおこなうT6処理を挙げることができる。
【００２２】
このように、本発明による第１のステップ〜第４のステップを実行してAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品を製造することにより、高い引張強度と延性の双方を備えたAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品を製造することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上の説明から理解できるように、本発明のAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法によれば、Al-Si-Cu系共晶合金からなる溶湯の冷却過程で液相線温度以上の温度から共晶温度に低下するまでの間に超音波を照射するとともに、共晶温度を一定時間維持しながら溶湯への超音波の照射を継続し、得られた溶湯から鋳造品前駆体を製造した後にこの鋳造品前駆体に時効処理をおこなって鋳造品を製造することにより、高い引張強度と延性の双方を備えたAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の製造方法で適用する鋳造装置を模擬した図である。
【図２】溶湯の時間−温度グラフであって、本発明の製造方法を説明した図である。
【図３】実験１（通常凝固の場合とソノ凝固の場合）で使用する合金組成と温度−固相率グラフを示した図である。
【図４】実験１における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【図５】実験２（微細な初晶Si晶出条件）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【図６】実験３（非平衡α-Al晶出条件）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【図７】実験４（通常凝固とソノ凝固の比較）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【図８】実験４における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【図９】実験５（CuAl2による破断伸びへの影響検討）における組織写真図を示した図である。
【図１０】実験５における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【図１１】実験６（ソノ凝固による共晶Siの変化確認）における組織写真図を示した図である。
【図１２】実験７（共晶Siの形態による引張特性の変化確認）における組織写真図と引張強度および破断伸びの測定結果を示した図である。
【図１３】実験８（共晶温度における一定時間の超音波照射の有無による効果検討）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【図１４】実験８における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【図１５】実験９（初晶Si量と引張特性の関係特定）における組織写真図である。
【図１６】実験９における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【図１７】実験１０（低Si濃度合金を用いたヘテロ構造の創成）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【図１８】実験１０における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明のAl-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法の実施の形態を製造装置とともに説明する。
【００２６】
（製造装置について）
図１は本発明の製造方法で適用する鋳造装置を模擬した図である。図示する鋳造装置１０は、冷却過程にある金属溶湯に超音波を照射して超音波加振しながら凝固させるための装置であり、超音波発生部１、処理容器２、処理容器固定部３、熱電対４、上下プレート５、６、図示しない溶湯温度調整部を備えている。
【００２７】
超音波発生部１は、超音波伝達部である超音波ホーン７と、この超音波ホーン７の底部に連接される超音波振動子８から大略構成される。超音波ホーン７は、超音波振動子８で発生させた所定方向（本実施形態においては図１に示す矢印方向）の振動エネルギーを被伝達物に伝達する金属製（Ti-6Al-4V(mass%)合金製）の共鳴体である。
【００２８】
超音波ホーン７の上端面は被伝達物である処理容器２の底部を当接して載置することが可能な形状を有し、その外周面はホーン自身の空冷効果を高めるためにフィン形状に加工されている。また、超音波振動子８は、図示しない超音波発振器を介して高周波電源に接続されており、所定の振動条件の超音波振動を発生させることが可能である。ここでは、超音波振動の周波数帯は、17kH〜25kHにあることが好ましい。
【００２９】
処理容器２はコップ状の金属製るつぼ（上部内径40mm、底部内径30mm、有効深さ33mmのSUS304製容器）であり、本実施形態ではAl-Si-Cu系合金溶湯が貯留される。
【００３０】
処理容器固定部３は上下方向に伸縮可能であるロッド３ａを有するエアシリンダであり、ロッド３ａの先端にはロッド３ａが下方（処理容器２側）に伸長して処理容器２の上端部を押えるための緩衝材３ｂを備える。処理容器固定部３は、エアシリンダのロッド３ａを下方に伸長し、緩衝材３ｂの下面を処理容器２の上端部に当接し、処理容器２の上端部を超音波ホーン７側に所定圧にて押圧することで処理容器２が動かないように固定することが可能である。
【００３１】
熱電対４は溶湯温度を計測する手段であり、処理容器２内に貯留した溶湯内に浸漬して、溶湯内の所定位置における溶湯温度を測定することが可能である。熱電対４は、図示しない計測記録部に接続されており、計測記録部は計測された溶湯温度を連続してモニターしながら記録することが可能である。また、熱電対４にて計測される溶湯温度により溶湯の冷却過程において形成される結晶組織状態を把握することが可能となり、その結果、所望の結晶組織を有する素材を得ることができる。
【００３２】
上プレート５は、処理容器固定部３であるエアシリンダを固定支持するための板状部材である。また、下プレート６は、超音波ホーン７と超音波振動子８とを固定支持するための板状部材である。さらに、上下プレート５、６は、所定間隔を保持した状態で配置されるとともに、超音波加振を行った際に、下プレート６の位置が超音波振動子８の共振の腹の部分となるように配置されている。
【００３３】
溶湯温度調整部は、溶湯を加熱または冷却することによって溶湯を所望温度に調整するための手段である。溶湯温度調整部は、溶湯に対して所定の条件（温度・時間）にて温度調整をおこなうことが可能であり、例えば、溶湯が冷却工程において共晶温度に到達したときに、溶湯を共晶温度に保持することが可能なように調節することができる。
【００３４】
次に、以下、上記製造装置を用いた鋳造品の製造方法を説明する。
【００３５】
（製造方法について）
図２は溶湯の時間−温度グラフであって、本発明の製造方法を説明した図である。
【００３６】
図示する製造方法は、Al-Si-Cu系共晶合金からなる鋳造品の製造方法である。まず、Al-Si-Cu系共晶合金を液相線温度（660℃）以上として共晶合金の溶湯を生成し、液相線温度（660℃）以上の温度から共晶温度に低下するまで該溶湯に超音波を照射する（第１のステップ）。
【００３７】
次に、共晶温度（570℃）を維持しながら、溶湯への超音波の照射を継続する（第２のステップ）。
【００３８】
次に、溶湯を急冷してダイカスト（鋳造）し、鋳造品前駆体を製造する（第３のステップ）。
【００３９】
最後に、鋳造品前駆体を時効処理して鋳造品を製造するものである（第４のステップ）。
【００４０】
第１のステップにより、溶湯が液相線温度以上の温度状態から超音波照射を実施することで、初晶Siの微細粒状化を図ることができる。
【００４１】
そして、溶湯が共晶温度まで低下し、さらに第２のステップにてこの共晶温度を一定時間維持している過程で超音波の照射が継続されることにより、非平衡粒状α-Alを晶出させることができる。
【００４２】
しかし、合金成分がCuを含んでいるためにCuAl2が生成され、最終的に得られる鋳造品の延性を低下させる要因となるため、このCuAl2を消滅させることが肝要である。
【００４３】
そこで、第３のステップにてダイカストを実施して鋳造品前駆体を製造した後、第４のステップにてT6処理等の時効処理を実施して鋳造品を製造することにより、この鋳造品においては、共晶組織中に偏析したCuAl2を消滅させることができ、もって粒状α-Alによる延性効果を得ることができ、鋳造品の延性を向上できることができる。
【００４４】
[実験１]
本発明者等は、ソノ凝固により、ミクロ組織を変化させる実験をおこなった。ここで、図３は実験１（通常凝固の場合とソノ凝固の場合）で使用する合金組成と温度−固相率グラフを示した図であり、図４は実験１における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【００４５】
図４で示すように、ソノ凝固によって初晶Siの微細化と非平衡粒状α-Alの晶出を確認することができた。
【００４６】
また、570℃で急冷するパターンと565℃で急冷するパターンを比較した場合に、共晶温度である563℃に近い温度までソノ凝固をおこなうことにより、α-Al晶出量が増加することが確認された。
【００４７】
[実験２]
本発明者等は、微細な初晶Si晶出条件を検証する実験をおこなった。ここで、図５は実験２（微細な初晶Si晶出条件）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【００４８】
まず、700℃〜660℃の間に超音波照射をおこなった後に急冷するパターンでは、液相線温度（655℃）以上で急冷したにも関わらず、微細な初晶Siが多量に晶出している。このことより、液相線温度以上でも超音波照射をおこなうことで、初晶Si晶出が促進され、初晶Siの微細化が図られることが確認された。
【００４９】
また、600℃〜570℃の間に超音波照射をおこなった後に急冷するパターンでは、粗大な初晶Siと微細な初晶Siがともに晶出していることが確認された。この粗大に晶出した初晶Siは、超音波照射によっても破砕されないことが確認された。
【００５０】
[実験３]
本発明者等は、非平衡α-Alの晶出条件を検証する実験をおこなった。ここで、図６は実験３（非平衡α-Al晶出条件）における時間−温度条件と組織写真図を示した図である。
【００５１】
まず、600℃で1分間超音波照射保持した後に急冷するパターンでは、急冷時に確認されるデンドライト状のα-Alが確認された。なお、600℃では、非平衡粒状α-Alは晶出しない。
【００５２】
また、570℃で1分間超音波照射保持した後に急冷するパターンでは、一部α-Alの晶出が確認された。このことより、共晶温度付近で一定時間超音波照射をおこなうことが非平衡粒状α-Al晶出に有効であることが確認された。
【００５３】
[実験４]
本発明者等は、通常凝固とソノ凝固による鋳造品の引張強度と破断伸びを検証する実験をおこなった。ここで、図７は実験４（通常凝固とソノ凝固の比較）における時間−温度条件と組織写真図を示した図であり、図８は実験４における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【００５４】
図８より、ソノ凝固による初晶Siが微細化された結果、引張強度が向上している。
【００５５】
また、ソノ凝固によって粒状α-Alが晶出したにも関わらず、破断伸びは改善されていない。
【００５６】
この実験結果より、破断伸びが改善されていない理由として共晶組織中に晶出するCuAl2が影響していると考えられる。
【００５７】
[実験５]
本発明者等は、CuAl2による破断伸びへの影響を確認するべく、Al-Si系合金とAl-Si-Cu系合金からなる鋳造品の引張強度と破断伸びを検証する実験をおこなった。ここで、図９は実験５（CuAl2による破断伸びへの影響検討）における組織写真図を示した図であり、図１０は実験５における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【００５８】
図１０より、粒状α-Alが大量に晶出しても、Cuが含まれていることで破断伸びが著しく低下することが確認された。
【００５９】
これに対し、T6処理を実施することでCuAl2が消滅し、破断伸びが改善することが確認された。これは、CuAl2が消滅することでα-Alの延性効果が得られた結果であると考えられる。
【００６０】
[実験６]
本発明者等は、ソノ凝固による共晶Siの変化を確認する実験をおこなった。ここで、図１１は実験６（ソノ凝固による共晶Siの変化確認）における組織写真図を示した図である。
【００６１】
図１１より、ソノ凝固により、微細な初晶Siが多数晶出し、共晶Siは粗く晶出することが確認された。
【００６２】
[実験７]
本発明者等は、共晶Siの形態による引張特性の変化を確認する実験をおこなった。ここで、図１２は実験７（共晶Siの形態による引張特性の変化確認）における組織写真図と引張強度および破断伸びの測定結果を示した図である。
【００６３】
図１２より、共晶Siの粗さは、引張強度にも破断伸びにも影響を及ぼし、微細な共晶Siが好ましいことが確認された。なお、ソノ凝固によって共晶Siは粗くなり易いため、引張強度を低下させることから、共晶Siの微細化や共晶Siを減らす必要がある。
【００６４】
[実験８]
本発明者等は、共晶温度における一定時間の超音波照射の有無による効果を確認する実験をおこなった。ここで、図１３は実験８（共晶温度における一定時間の超音波照射の有無による効果検討）における時間−温度条件と組織写真図を示した図であり、図１４は実験８における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【００６５】
図１４より、570℃での超音波照射保持により、α-Alが増加して破断伸びが向上した。ただし、照射保持しない場合に比して引張強度が若干低下した。初晶Siの増加（保持0sでは13.2area%、保持45sでは18.2area%）の影響であると考えられる。
【００６６】
[実験９]
本発明者等は、初晶Si量と引張特性の関係を特定する実験をおこなった。ここで、図１５は実験９（初晶Si量と引張特性の関係特定）における組織写真図であり、図１６は実験９における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【００６７】
図１５，１６より、初晶Si量（面積率）の増加に伴い、引張強度、破断伸びはともに低下することが確認された。また、ソノ凝固による初晶Si量の増加は引張強度を低下させていると考えられる。
【００６８】
この実験より、初晶Siを減らすために、低Si濃度の過共晶Al-Si-Cu系合金の利用が好ましいことが特定された。さらに、初晶Siが良好な影響を及ぼす耐摩耗性との比較による、適切なSi量の検討が必要である。
【００６９】
[実験１０]
本発明者等は、低Si濃度合金を用いたヘテロ構造の創成を試みた。ここで、図１７は実験１０（低Si濃度合金を用いたヘテロ構造の創成）における時間−温度条件と組織写真図を示した図であり、図１８は実験１０における鋳造品の引張強度と破断伸びの測定結果を示した図である。
【００７０】
図１８より、低Si合金を使用することで、初晶Siを抑制できることが確認された。
【００７１】
また、初晶Siが抑制されることで、引張強度は改善し、破断伸びも僅かに改善することが確認された。
【００７２】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７３】
１…超音波発生部、２…処理容器、３…処理容器固定部、４…熱電対、５…上プレート、６…下プレート、７…超音波ホーン、８…超音波振動子、１０…鋳造装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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