(57)【要約】      （修正有）【課題】被成形素材であるＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを、安価に、かつ均一に、しかも温度精度良く加熱して半溶融成形する。【解決手段】共晶相と、分断して塊状に成長させたα−Ａｌ相を有する組織としたＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを、セラミックス赤外線加熱源により当該Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金の共晶温度から液相線の間の温度に再加熱して前記Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを半溶融状態した後に、所定の加圧成形を施す。セラミックスを利用した赤外線加熱源により加熱することにより、表層部及び中央部の温度差がなく、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを均一に加熱することができる。しかも温度制御が行いやすい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共晶相と、分断して塊状に成長させたα−Ａｌ相を有する組織としたＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを、セラミックス赤外線加熱源により当該Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金の共晶温度から液相線の間の温度に再加熱して前記Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを半溶融状態した後に、所定の加圧成形を施すことを特徴とするアルミニウム合金ビレットの成形方法。
【請求項２】
加圧成形方法としては、低速充填ダイカスト法を用いる請求項1に記載のアルミニウム合金ビレットの成形方法。
【請求項３】
金型温度：１７０℃以上，ラム速度：０．６ｍ／ｓ以下の条件で低速充填ダイカストする請求項２に記載のアルミニウム合金ビレットの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金ビレットを再加熱し、半溶融状態で加圧成形する、いわゆる半溶融成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルミニウム合金を鋳造する際に電磁力や機械的な攪拌力により溶湯を強制的に攪拌して晶出したα−Ａｌ相のデンドライトを分断し、分断されたα−Ａｌ相を個々に成長させて塊状とし、その間を共晶相で埋めた組織をもつ鋳造ビレットを得た後、このビレットを高周波誘導加熱炉やガス燃焼炉等で当該合金の液相線と共晶線の間の温度まで再加熱して、半溶融状態とした状態で加圧成形する方法が、半溶融成形方法として多用されるようになっている。
加圧成形方法としては、ダイカスト法や鍛造法が一般的である。
【０００３】
アルミニウム合金ビレットを液相線と共晶線の間の温度域まで再加熱すると、共晶は溶融しているが初晶は固体のままである、いわゆる半溶融状態となる。このとき、初晶がデンドライト（樹枝）形状であると、成形圧力を加えても樹枝状の初晶同士が絡み合って変形し難いが、デンドライトが分断されてα−Ａｌ相が個々に成長して塊状となった組織になっていると、塊状の初晶同士が互いに絡み合うことがないので加圧変形されやすい。加圧成形の際にあたかも液体のように流動して層流状態で成形型内に充満されるため、ガスの巻き込みが少ないばかりでなく偏析も少ない。また凝固組織も均一になるため、機械的特性のバラツキが小さく、肉厚による差も小さい鍛造品並の特性が得られると言う利点がある。さらに内蔵ガスが少ないために熱処理も可能である。
【０００４】
共晶相を有し、かつ分断したα−Ａｌ相を塊状に成長させた組織を有するＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを半溶融成形しようとする場合、当該ビレットを液相線と共晶線の間の温度域で加熱して半溶融状態にする必要がある。
この加熱は、例えば特許文献１，２等で紹介されているように、誘導加熱で行うのが一般的である。また、ガス等の燃料を用いた燃焼炉で加熱することも行われている。
【特許文献１】特開２０００−１７６６２２号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、加圧成形の前の加熱処理は、被成形体の表面から内部まで均一に温度精度良く行われる必要がある。温度分布にバラツキがあると、加圧成形品の組織が不均一になり、特性のバラツキを招くことがある。また温度精度は成形性に影響を及ぼし、不良品発生の原因となる。
特許文献１，２等でみられる誘導加熱は、加熱速度が速いためにアルミニウム合金ビレットの内部温度がバラツキやすく、加圧成形する際に材料流動が不均一になって、得られた成形品の組織が不均一になる。このため得られた製品の特性も不均一になりやすい。
【０００６】
また、被加熱体中央部よりも表層部の方が誘導電流が流れやすいと言う誘導加熱の性質上、ビレットの表層部が高温になりやすいので、中央部が半溶融状態になるまで加熱すると、表層部に割れが発生する場合がある。逆に、ビレットの表層部が溶融しない程度に加熱すると、中央部は半溶融状態になっていない場合がある。
このように、誘導加熱で、内外部均一に半溶融状態に制御することは難しい。
さらに、誘導加熱炉は装置が大型化し、しかもランニングコストも高くなる。
【０００７】
ガス等の燃料を用いた燃焼炉は、気温等の外部要因によって炉内温度が変化しやすい。このため、半溶融状態を造りだすように微妙な温度制御を必要とされるものに対して、精度良く温度制御することは難しい。オペレータが頻繁に温度チェックを行いながら燃焼制御を行う必要がある。また、加熱に時間がかかるといった問題点もある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、被成形素材を、安価に、かつ均一に、しかも温度精度良く加熱して半溶融成形する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】
本発明のアルミニウム合金ビレットの成形方法は、その課題を達成するため、共晶相と、分断して塊状に成長させたα−Ａｌ相を有する組織としたＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを、セラミックス赤外線加熱源により当該Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金の共晶温度から液相線の間の温度に再加熱して前記Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを半溶融状態した後に、所定の加圧成形を施すことを特徴とする。
加圧成形としては、低速充填ダイカスト法、殊に金型温度を１７０℃以上とし、ラム速度０．６ｍ／ｓ以下とした低速充填ダイカスト法が用いられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを、セラミックスを放熱面に利用した赤外線加熱源により加熱することにより、表層部及び中央部の温度差がなく、被加熱ビレットを均一に加熱することができる。しかも温度制御が行いやすい。このため、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを表層部及び中央部は均一な半溶融状態になる。したがって、その後に行う加圧成形で材料流動を均等に行うことができ、組織及び特性が均一な加圧成形品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者等は、被加熱物、特に半溶融成形しようとするアルミニウム合金ビレットを再加熱する際に、表層部及び中央部の温度差を小さくする加熱方法について種々検討を重ねてきた。
その結果、従来、高くても３００℃くらいまでの加熱にしか用いられなかったセラミックスを放熱面に利用した赤外線加熱源による加熱が、５００℃を超える温度域までのアルミニウム合金ビレットの加熱に利用でき、しかも均一に精度良く温度制御できることを見出し、本発明に到った。
【００１１】
赤外線は、アルミニウム合金に照射されると一部は反射されるものの、その他の大部分はアルミニウム合金内部に吸収される。吸収された赤外線はアルミニウム合金の原子を振動させる。その結果、アルミニウム合金が加熱される。
赤外線加熱は、誘導加熱のように被加熱物の表層部に過剰な誘導電流を発生させることがなく、また誘導加熱よりも加熱速度が遅い。このため、赤外線加熱をアルミニウム合金ビレットの加熱に利用すると、ビレットの表層部と中央部の温度差が小さく、全体を均一に加熱することができる。したがって、赤外線加熱により、当該アルミニウム合金の共晶線と液相線の間の温度に再加熱され、半溶融状態にされたアルミニウム合金ビレットに加圧成形を施すと、表層部及び中央部ともに均一な材料流動が起こり、組織が均一で結果的に特性も均一な加圧成形品が得られる。加熱の際に表面に割れが生じることもない。
【００１２】
放熱面にセラミックスを利用した赤外線加熱炉は、外部要因による温度のバラツキが少ないので、一旦加熱条件を決めてしまえば、所定の安定した温度が容易に得られる。ガス等の燃料を用いた燃焼加熱炉のように、頻繁に温度を看視しながら、制御する必要はない。さらに、赤外線加熱炉は、赤外線を放射するセラミックスと、当該セラミックスを加熱する発熱体を備えていればよく、装置自体が低コストで構築できるとともに、ランニングコストも安価である。そしてセラミックスと発熱体とは、セラミックスの温度分布や温度制御が可能な範囲で、できるだけ近接させることが好ましい。
赤外線を放射するセラミックスの材質としては、窒化ケイ素，炭化ケイ素質のもの等が好ましい。発熱体には、通常のニクロム線等を用いて電気エネルギーで発熱させたものが好ましい。ガス等の燃料を燃焼させてセラミックス製赤外線放射体を加熱する方法も想定されるが、細かな温度制御が難しくなる。
【００１３】
セラミックスを利用した赤外線加熱は、誘導加熱よりも昇温速度が遅いために、共晶温度に達した直後に成形加工を行うと成形性が悪い場合がある。共晶相が十分に溶融していないために、材料の流動性が成形圧に対して十分でないためである。このため、共晶温度に達した後、しばらく保持して共晶相を十分に溶融させてから圧力成形することが好ましい。
【００１４】
アルミニウム合金ビレットを、放熱面にセラミックスを利用した赤外線加熱炉に装入し、アルミニウム合金ビレットのセラミックス製放熱面に面した部位と中央部の温度変化を測定してみると、図１に示すように変化している。なお、図１は、放熱体として窒化ケイ素質のセラミックスを使用し、炉内温度を９００℃に設定した加熱炉に、７５φ×１５０ｍｍのアルミニウム合金ビレットを装入した場合のデータである。
放熱面に面した部位と中央部の温度は、共晶相溶融領域ではほとんど差異はない。共晶相溶融領域に達するまでの間では若干の温度差はあるが、その差も例えば誘導加熱した場合と比較すると格段に小さくなっている。
【００１５】
共晶相と、分断して塊状に成長させたα−Ａｌ相を有する組織としたＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットの場合には、共晶温度に達すると共晶相の溶融が始まる。そして加熱を続けてもしばらく温度上昇が行われない時間がある。投入された熱が共晶相の溶融に費やされていると考えられる。共晶相の溶融が終了すると再び温度が上昇するようになる。α−Ａｌ相の溶融が始まったものと思われる。
【００１６】
そこで、共晶温度に達してから再び温度が上昇するまでの時間を予め測定しておき、共晶温度に達してから再び温度上昇を開始するまでの間の時点でビレットを取り出し、加圧成形すると、成形性良く成形することができる。再び温度上昇が始まった後では、溶融が進みすぎ、却って成形し難くなる。共晶温度に達した後の時間に応じて固液共存状況が変わるので、被成形品形状や成形圧力に応じて所望の固液共存割合を予め見極め、それに応じて加熱炉からの取り出し時を設定することが好ましい。このような温度制御、時間設定は、放熱面にセラミックスを利用した赤外線加熱炉では容易に行い得る。
【００１７】
セラミックスを利用した赤外線加熱の場合、誘導加熱よりも加熱に時間がかかるために、表面が酸化されやすい。成形の際に表面の酸化物が成形品の内部に入り込むと、破断する際に起点となるので、成形品の強度が低下してしまう。
成形品の内部への酸化物の巻き込みを抑制する成形法として、低速充填ダイカスト法が挙げられる。低速充填ダイカスト法は、キャビティ内への材料の圧入速度が通常のダイカスト法よりも遅いので、酸化した表面層が製品内部に入り込み難い。したがってセラミックスによる赤外線で加熱した半溶融材料の圧力成形に適していると言える。
【００１８】
次に本発明方法をより具体的に説明する。
本発明では、共晶相と、分断して塊状に成長させたα−Ａｌ相を有する組織としたＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを素材としている。半溶融状態にした際、溶融する共晶部が少ないと材料の十分な流動性は得られない。このため、Ｓｉ含有量を３．０質量％以上としたＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金とすることが好ましい。
【００１９】
上記所定の組織を備えたアルミニウム合金ビレットとしては、鋳造時に溶湯を電磁的若しくは機械的に強制攪拌し、晶出したα−Ａｌ相のデンドライトを分断させ、それぞれのα−Ａｌ相を個々に成長させて塊状となし、その間を共晶相が埋めている組織としたものが好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットに押出加工等の塑性加工を加えてデンドライト組織を破壊させた後、熱処理を施して再結晶させ、塊状のα−Ａｌ相とその間を生める共晶相からなる組織としたものでも良い。
【００２０】
α−Ａｌ相を塊状にしたアルミニウム合金ビレットを、内面にセラミックス製の放熱体を貼り付けた赤外線加熱炉に装入する。赤外線加熱炉としては、加熱時の表面酸化を抑制するために、真空又は不活性ガス雰囲気にできる密閉型のものを用いても良いが、作業効率を考慮するとトンネル型の加熱炉を使用することが好ましい。
トンネル型の赤外線加熱炉を通過させる場合には、ビレットに均一に赤外線が照射されるように、ビレットを回転させながら通過させることが好ましい。また、加熱されるビレットを、所定温度で加熱しても軟化することのない缶等の容器に入れて加熱すると、成形装置への搬送が行いやすくなる。その際、容器として、赤外線を吸収しやすい材質のもの、或いは表面に赤外線を吸収しやすい塗料を塗布したものを利用すると、加熱効率が良くなる。
なお、赤外線加熱炉を通過させる前に、酸化した表面層を切削等により除去しておくことも有効である。
【００２１】
所望の半溶融状態を得るには、共晶温度近傍でのセラミックス温度の制御と加熱時間を設定することが重要になってくる。
共晶温度に満たない、例えば５００℃以下の温度領域は他の誘導加熱や燃焼ガス加熱を行っても良い。共晶温度近傍以降は、セラミックスを用いた赤外線加熱を行う。加熱時間は、前記したように、予め被成形品形状や成形圧力に応じて求められる固液共存割合を満たすように設定された時間とする。通常は、共晶相の溶融が開始して終了するまでの時間の１／２以上の時間、共晶温度域に保持した後、低圧充填ダイカストマシーンに搬送し、圧力成形する。
【００２２】
低速充填ダイカストする際、金型は予め１７０℃以上に余熱しておくことが好ましい。金型温度が低いと被成形材料の温度を低下させ、成形する際に材料の流動性が悪くなる。１７０℃以上であれば問題はない。しかし、金型温度が高くなりすぎると金型自身の損耗が大きくなるので、金型の温度は３００℃を超えないようにすることが好ましい。
【００２３】
低速充填ダイカスト法とは、通常、金型への材料の供給速度が１ｍ／ｓ前後以下のダイカスト法を称している。例えば、特開２０００−２４７６８号公報や、特開２０００−２４６４１７号公報に見られるように、方法自体は良く知られている。
本発明でも、金型内への空気の巻き込みや表層酸化物の巻き込みを抑制して所望の機械的特性を発揮させるため、ラム速度の遅い低速充填ダイカスト法を採用することが好ましい。空気の巻き込みを極力抑えるためには、ラム速度は０.６ｍ／ｓ以下に、さらに好ましくは０.３ｍ／ｓ以下にすることが好ましい。しかし、遅くしすぎると被成形材料の温度が低くなりすぎて半溶融状態を維持できなくなり、成形性を低下させることになるので、０.１ｍ／ｓを超える速度とすることが好ましい。
【実施例】
【００２４】
次に、実際にセラミックス赤外線加熱を行った後に低速充填ダイカストした例について説明する。
〔実施例１〕
ＪＩＳ  ＡＣ４ＣＨ合金（凝固時共晶温度約５７０℃）を、６０Ｈｚの商用高周波で電磁攪拌を行いながら半連続鋳造を行い、直径７５φの円柱状鋳造材を得た。得られた鋳造材の金属組織は、図２に示すようにα−Ａｌ相が塊状化しているものであった。
【００２５】
この鋳造材を長さ１５０ｍｍに裁断し、その１０個を窒化ケイ素製セラミックスを放熱体としたバッチ式赤外線加熱炉に入れた。共晶温度に達してから１０分後に、金型を２２０℃に加熱・保持していた低速充填ダイカストマシーンを用い、ラム速度０.２ｍ／ｓでＪＩＳ４号引張試験片形状に鋳造した。
得られた半溶融成形品の機械的強度，伸び及び密度を測定した。
その結果を表１に示す。
【００２６】
比較例として、誘導加熱で半溶融状態にして、同じ条件で低速充填ダイカストを行った半溶融成形品の機械的強度，伸び及び密度を測定した。その結果も併せて表１に示す。
なお、誘導加熱したものは、低速充填ダイカストマシーンに搬送する際、表面を観察したところ、１０個中４個に表面クラックが観察された。一方、本発明によりセラミックス赤外線加熱を行ったものにあっては、いずれも表面クラックは観察されなかった。
表１の結果より、セラミックス赤外線加熱を行った本発明例では、強度，伸び及び密度は高く、そのバラツキも小さいことがわかる。
【００２７】
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【００２８】
〔実施例２〕
実施例１と同じ条件で製造したα−Ａｌ相を塊状化した半溶融成形用材料を、実施例１で用いた炉と同じセラミックス赤外線加熱炉に入れた。共晶温度まで加熱し、共晶温度に達してから１０分後に、表２に示す条件で、各条件毎に５個ずつ図３に示す試験片形状に低速充填ダイカストを行った。
得られた試験片について、実施例１と同じように、機械的強度，伸び及び密度を測定した。また外観も目視で検査した。
その結果を表３に示す。
【００２９】
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【００３０】
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【００３１】
表３の結果からもわかるように、金型温度及びラム速度を適切に設定した低速充填ダイカストを行なうと、引張強度，伸び及び密度の高い半溶融成形品が得られている。
一方、ラム速度が速くなると（試験No.9）、引張強度や伸び及び密度が低くなっている。ラム速度が速いほど、ダイカストの際に空気の巻き込みが多くなったためと思われる。またラム速度が遅すぎたり（試験No.5）、金型温度が低すぎたりすると（試験No.4，6）、被成形材料の流入速度が遅すぎて十分な圧力が加わらなかったために湯まわり不良等の外観不良が増加する傾向にあることがわかった。ダイカスト時の材料流動が不十分であったためと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】加熱時間と被加熱体の温度の関係を示す図
【図２】実施例で使用したα−Ａｌ相が塊状化した組織を有するアルミニウム合金ビレットの組織を説明する図
【図３】実施例２でダイカストした成形品形状を示す図
【図１】
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【図３】
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【図２】
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