(57)【要約】【課題】溶体化処理及び焼き入れを不要化し得るアルミニウム合金の鋳造方法を提供する。【解決手段】アルミニウム合金から成る溶湯を成形型のキャビティに注湯して冷却し、前記成形型から鋳造製品を取り出す際に、該アルミニウム合金として、前記アルミニウム合金の状態図において、純アルミニウムの近傍の固相領域を形成するアルミニウムから成るα晶に固溶する固溶成分が、純アルミニウムに対して５重量％以上添加され、且つ前記固溶成分の添加量が、前記α晶から成るα晶領域と、前記α晶と固溶成分から成るβ晶とが共晶する共晶領域との境界を形成する固溶度線に対応する範囲内であるアルミニウム合金を用い、前記成形型に充填した溶湯の冷却速度を８００℃／分以上とすることを特徴とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金から成る溶湯を成形型のキャビティに注湯して冷却し、前記成形型から鋳造製品を取り出す際に、
該アルミニウム合金として、前記アルミニウム合金の状態図において、純アルミニウムの近傍の固相領域を形成するアルミニウムから成るα晶に固溶する固溶成分が、純アルミニウムに対して５重量％以上添加され、且つ前記固溶成分の添加量が、前記α晶から成るα晶領域と、前記α晶と固溶成分から成るβ晶とが共晶する共晶領域との境界を形成する固溶度線に対応する範囲内であるアルミニウム合金を用い、
前記成形型での冷却速度を、前記鋳造製品の樹枝状結晶の間隔が平均で２０μｍ以下となるように調整することを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項２】
前記成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度を、８００℃／分以上とする請求項１記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項３】
前記α晶に固溶する固溶成分を、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇ及びＣｕから成る群から選ばれた一種とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項４】
前記成形型から取り出した鋳造製品に、溶体化処理用の熱処理を施すことなく時効処理用の熱処理を施す請求項１〜３のいずれか一項記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項５】
前記成形型として、強制冷却手段が設けられた成形型を用いる請求項１〜４のいずれか一項記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項６】
前記成形型のキャビティ内に注湯した溶湯の表面の酸化皮膜を、前記キャビティ内に在る還元性化合物によって還元しつつ、前記キャビティ内に充填した溶湯を強制冷却する請求項１〜５のいずれか一項記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【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の鋳造方法に関し、更に詳細にはアルミニウム合金から成る溶湯を成形型のキャビティに注湯して冷却し、前記成形型から鋳造製品を取り出すアルミニウム合金の鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、先に下記特許文献１において、成形型のキャビティ内にアルミニウム合金の溶湯を注湯して鋳造する際に、キャビティ内に存在させた還元性化合物によって溶湯表面の酸化皮膜を還元しつつ、キャビティ内に溶湯を充填するアルミニウム合金の鋳造方法を提案した。
【特許文献１】特開２００２−２１９５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１に提案された鋳造方法によれば、キャビティ内での溶湯の流動性を著しく向上でき、内壁面に塗型剤を塗布することなくキャビティに溶湯を充分に充填できるため、キャビティに充填された溶湯の急速冷却を可能にでき、良好な外観の鋳造製品を得ることができる。
しかし、得られた鋳造製品には、従来の鋳造製品と同様に、その強度や硬さを調質すべく、溶体化処理、焼き入れ、時効処理等の各種熱処理が施される。
かかる各種熱処理のうち、溶体化処理及び焼き入れは、鋳造製品を４９０〜５３０℃に加熱した状態を約３時間ほど保持しなくてはならず、処理時間が長く且つ冷却速度等に熟練が必要であるため、鋳造製品の生産性向上にネックとなっている。
そこで、本発明の課題は、溶体化処理及び焼き入れを不要化し得るアルミニウム合金の鋳造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、前記課題を解決すべく検討したところ、成形型のキャビティに充填されたアルミニウム合金からなる溶湯を、１０００℃／分の冷却速度で急速冷却した後、成形型を型開きして得られた鋳造製品は、溶体化処理及び焼き入れを施さなくても、所定の硬度、伸びや強度を有していることを知り、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、アルミニウム合金から成る溶湯を成形型のキャビティに注湯して冷却し、前記成形型から鋳造製品を取り出す際に、該アルミニウム合金として、前記アルミニウム合金の状態図において、純アルミニウムの近傍の固相領域を形成するアルミニウムから成るα晶に固溶する固溶成分が、純アルミニウムに対して５重量％以上添加され、且つ前記固溶成分の添加量が、前記α晶から成るα晶領域と、前記α晶と固溶成分から成るβ晶とが共晶する共晶領域との境界を形成する固溶度線に対応する範囲内であるアルミニウム合金を用い、前記成形型での冷却速度を、前記鋳造製品の樹枝状結晶の間隔が平均で２０μｍ以下となるように調整することを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法にある。
【０００５】
かかる本発明において、成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度を、８００℃／分以上（更に好ましくは１０００℃／分以上）とすることによって、樹枝状結晶の間隔が平均で２０μｍ以下（更に好ましくは１７μｍ以下）の鋳造製品を容易に得ることができる。
この様に、成形型のキャビティに充填された溶湯を急速冷却するには、強制冷却手段が設けられた成形型を用いることが好ましい。
特に、成形型のキャビティ内に注湯した溶湯の表面の酸化皮膜を、前記キャビティ内に在る還元性化合物によって還元しつつ、前記キャビティ内に充填した溶湯を強制冷却することによって、キャビティの内壁面に塗型剤を塗布することを要せず、キャビティに充填された溶湯の急速冷却を容易に行なうことができる。
また、α晶に固溶する固溶成分としては、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇ及びＣｕから成る群から選ばれた一種を好適に用いることができる。
更に、成形型から取り出した鋳造製品に、溶体化処理用の熱処理を施すことなく時効処理用の熱処理を施すことによって、鋳造製品の物性を更に向上できる。
【発明の効果】
【０００６】
従来の溶体化処理及び焼き入れは、アルミニウム合金の状態図において、アルミニウムから成るα晶によって形成されているα晶領域と、α晶と添加された固溶成分から成るβ晶とが共晶する共晶領域との境界を形成する固溶度線よりも高温となるように鋳造製品を昇温し、昇温した温度に対応した固溶成分が固溶された状態のα晶を形成する。
かかる状態の鋳造製品を水等で急速に冷却することによって、α晶に固溶された固溶成分がβ晶として晶出することなく冷却されるため、冷却された鋳造製品の温度においては、α晶に過剰の固溶成分が固溶された過飽和状態を形成する。
この点、本発明によれば、成形型のキャビティに充填されたアルミニウム合金から成る溶湯を急速冷却することによって、アルミニウム合金の状態図において、高温下でα晶領域のα晶に固溶している固溶成分がβ晶として晶出することなく冷却され、冷却された鋳造製品の温度下では、α晶に過剰の固溶成分が固溶された過飽和状態を形成する。このため、成形型を型開きして取り出された鋳造製品は、溶体化処理及び焼き入れたものと略同等なものである。
その結果、成形型から取り出された鋳造製品に対し、再度、熟練を要する溶体化処理及び焼き入れを施すことを要しないため、鋳造製品の生産性を向上でき、且つ熟練者でなくても良好な品質の鋳造製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】
【０００７】
本発明で用いるアルミニウム合金の状態図を図１に示す。図１に示す状態図は、横軸に添加物量（重量％）を示すと共に、縦軸に温度を示す。
この図１において、横軸の添加物量がゼロのところがアルミニウム１００％（純アルミニウム）であることをを示し、Ｌ領域はアルミニウム及び添加物が溶融している液相領域である。
更に、（Ｌ＋α）領域は液相Ｌ中にアルミニウムから成るα晶が晶出している領域を示し、（Ｌ＋β）領域は液相Ｌ中に添加物から成るβ晶が晶出している領域を示す。このα晶には添加物が固溶されており、β晶にはアルミニウムが固溶されている。
また、α領域はα晶によって形成されている領域であり、（α＋β）領域はα晶とβ晶とが共晶されている共晶領域である。
かかるα領域と（α＋β）領域との境界を形成する線は固溶度線Ａであり、固溶度線Ａと交差し、（Ｌ＋α）領域及び（Ｌ＋β）領域と（α＋β）領域との境界を形成する線は共晶線Ｄである。
本発明で用いるアルミニウム合金は、純アルミニウムの近傍に位置するα晶領域を形成するα晶に固溶する固溶成分（以下、α晶固溶成分と称することがある）が添加物として添加されたアルミニウム合金である。この添加物としては、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇ及びＣｕから成る群から選ばれた一種を上げることができる。
【０００８】
本発明では、かかる添加物の添加量は、純アルミニウムに対して５重量％以上であって、固溶度線Ａの領域内、すなわち固溶度線Ａと共晶線Ｄとが交差する添加物量Ｃ0以下であることが必要である。
ここで、添加物の添加量が、純アルミニウムに対して５重量％未満である場合、溶湯の急速冷却の効果が発現し難く、得られた鋳造製品に溶体化処理及び焼き入れを施すことが必要となり易い。一方、添加物の添加量が、固溶度線Ａの領域を越えた場合、すなわち固溶度線Ａと共晶線Ｄとが交差する添加物の添加量Ｃ0を越えた場合にも、溶湯を冷却すると、α晶領域を経由することなく直ちに共晶領域に達し、固溶成分から成るβ晶が晶出し易いため、溶湯の急速冷却の効果が発現し難く、得られた鋳造製品に溶体化処理及び焼き入れを施すことが必要となり易い。
【０００９】
この様なアルミニウム合金から成る溶湯を成形型のキャビティに充填した後、キャビティ内の溶湯を急速冷却する。かかる溶湯の冷却速度は、得られる鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で２０μｍ以下、好ましくは１７μｍ以下となるように調整する必要がある。
鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で２０μｍを越える場合は、溶湯の冷却速度が遅く、成形型から取り出した鋳造製品に溶体化処理及び焼き入れを施すことが必要と成り易い。
かかる鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔と溶湯の冷却速度との関係を図２に示す。この図２は、実験室的に溶湯の冷却速度を種々変更することによって、得られた鋳造製品の一部分を採取し、電子顕微鏡によって樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を測定して得たものである。図２において、測定して得られた樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を「ＤＡＳII値」として縦軸に示し、横軸に溶湯の冷却速度を示した。
【００１０】
図２から明らかな様に、鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で２０μｍ以下となる溶湯の冷却速度は８００℃／分以上の領域であり、鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で１７μｍ以下となる溶湯の冷却速度は１０００℃／分以上の領域である。
この様な高速の冷却速度を呈し得る成形型としては、強制冷却手段を具備する成形型、例えば水冷用のジャケットを具備する成形型を好適に用いることができる。
更に、成形型のキャビティの内壁に塗型剤を塗布すると、冷却速度が低下するため、塗型剤を塗布しないことが好ましい。
また、冷却速度が著しく速い成形型を用いて鋳造する際には、成形型のキャビティ内に溶湯を可及的に迅速に充填することが必要である。しかし、溶湯の表面には酸化皮膜が形成されており、内壁面に塗型剤が塗布されていないキャビティには、溶湯を迅速に充填することが困難である場合が多い。
【００１１】
かかる場合には、溶湯の表面に形成された酸化皮膜を、キャビティ内に在る還元性化合物によって還元しつつ、成形型のキャビティに溶湯を充填することが好ましい。還元性化合物によって酸化皮膜が還元されてなくなった溶湯の流動性は向上され、塗型剤が内壁面に塗布されていないキャビティ内にも迅速に溶湯を充填できる。
この還元性化合物としては、マグネシウムガスと窒素ガスとの反応によって形成できるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を好適に用いることができる。かかるマグネシウムガスと窒素ガスとの各々を別々に成形型のキャビティに導入することによって、キャビティ内でマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を生成できる。
【００１２】
この様にして成形型のキャビティ内に充填されたアルミニウム合金から成る溶湯を急速冷却し、成形型を型開きして取り出した鋳造製品は、その硬度や伸び等が溶体化処理及び焼き入れを施した鋳造製品と略同等であるため、再度、溶体化処理及び焼き入れを施すことを要しない。
尚、かかる鋳造製品であっても、更に鋳造製品の伸びや強度等を調質すべく、１４０〜１８０℃に昇温して約３時間ほど保持する時効処理を施してもよい。
本発明に係るアルミニウム合金の鋳造方法によれば、従来の鋳造製品の製造工程では必要とされていた溶体化処理及び焼き入れを施す工程を省略でき、鋳造製品の生産性を向上できる。
更に、溶体化処理及び焼き入れを施す設備を不要にでき、鋳造製品の製造設備の設備投資も低減できる。
【実施例１】
【００１３】
アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓｉ―Ｍｇ系のアルミニウム合金（Ａ３５６）の溶湯を用いて鋳造した。このアルミニウム合金には、α晶固溶成分としてのＳｉ成分が、純アルミニウムに対して７．０wt％添加されていると共に、α晶固溶成分に含まれない添加物として、Ｍｇ成分が純アルミニウムに対して０．４０wt％添加されている。
成形型としては、水冷用のジャケットを具備し且つキャビティの内壁に塗型剤を塗布しなかった成形型を用いた。
このジャケットに水を流して強制冷却する成形型のキャビティ内に、マグネシウムガスと窒素とを送り込み、キャビティ内に還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を生成させた後、アルミニウム合金の溶湯を注湯して冷却した。
成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度は、１５００℃／分であり、冷却後に成形型を型開きして取り出した鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で約１４μｍであった。
更に、得られた鋳造製品を２００℃の雰囲気中に３時間保持してから冷却する時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の物性及び時効処理を施した鋳造製品の物性を、下記表１に示す。
【００１４】
比較例として、成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度を２５０℃／分とした他は、実施例１と同様にして鋳造し成形型から取り出した鋳造製品では、その樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で約３０μｍであった。この鋳造製品についても、実施例１と同様にして時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の物性及び時効処理を施した鋳造製品の物性を下記表１に併せて示す。
更に、参考例として、比較例の成形型から取り出した鋳造製品を、２００℃の雰囲気中に３時間保持してから急冷する溶体化処理及び焼き入れを施した後、実施例１と同様な時効処理を施した鋳造製品の物性も下記表１に併せて示す。
【表１】
2006104537.tif 000002
表１から明らかな様に、実施例１の成形型から取り出した鋳造製品に時効処理を施した鋳造製品の物性は、参考例の溶体化処理及び焼き入れを施した後、時効処理を施した鋳造製品の物性並であった。
【実施例２】
【００１５】
アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｃｕ系のアルミニウム合金の溶湯を用いて鋳造した。このアルミニウム合金中のα晶固溶成分は、Ｃｕ成分であって、その添加量は純アルミニウムに対して５．６５wt％であった。
成形型としては、水冷用のジャケットを具備し且つキャビティの内壁に塗型剤を塗布しなかった成形型を用いた。
このジャケットに水を流して強制冷却する成形型のキャビティ内に、マグネシウムガスと窒素とを送り込み、キャビティ内に還元性化合物であるマグネシウムチ窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を生成させた後、アルミニウム合金の溶湯を注湯して冷却した。
成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度は、１０００℃／分であり、冷却後に成形型を型開きして取り出した鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が平均で約１７μｍであった。この鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は３５であった。
更に、得られた鋳造製品を２００℃の雰囲気中に３時間保持してから徐冷する時効処理を施した。この時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は５３であった。
比較例として、成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度を２５０℃／分とした他は、実施例２と同様に鋳造し、時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は１０であり、時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は３０であった。
【実施例３】
【００１６】
実施例２において、アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金（α晶固溶成分としてのＭｇ成分が純アルミニウムに対して１４．９％添加されている）の溶湯を用いて鋳造した他は、実施例２と同様に鋳造し、時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は３８であり、時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は５７であった。
比較例として、成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度を２５０℃／分とした他は、実施例３と同様に鋳造し、時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は１２であり、時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は３３であった。
【実施例４】
【００１７】
実施例２において、アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｚｎ系のアルミニウム合金（α晶固溶成分としてのＺｎ成分が純アルミニウムに対して７１％添加されている）の溶湯を用いて鋳造した他は、実施例２と同様に鋳造し、時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は４６であり、時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は６０であった。
比較例として、成形型のキャビティに充填された溶湯の冷却速度を２５０℃／分とした他は、実施例４と同様に鋳造し、時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は２２であり、時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は４２であった。
【比較例１】
【００１８】
実施例２において、アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金（α晶固溶成分としてのＳｉ成分が純アルミニウムに対して１．６５％添加されている）の溶湯を用いて鋳造した他は、実施例２と同様に鋳造し、時効処理を施した。
成形型から取り出した鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）は１０であり、実施例２〜実施例４の鋳造製品が呈する硬度よりも劣るものである。
また、時効処理後の鋳造製品の硬度（ＨＲＢ）も４０であり、実施例２〜実施例４の時効処理後の鋳造製品が呈する硬度よりも劣るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】アルミニウム合金の状態図を説明するための説明図である。
【図２】冷却速度と鋳造製品の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔との関係を示すグラフである。
【図１】
2006104537.tif 000003
【図２】
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