(57)【要約】【課題】Ｆｅの形状を制御することにより、凝固後のアルミニウム合金の機械的特性を向上することができるアルミニウム合金の凝固方法を提供する。【解決手段】アルミニウムに含有する成分のうち最も多い成分がＳｉであり、その他の成分として、Ｆｅを含有するアルミニウム合金の溶湯を、冷却して凝固させる際に、前記溶湯の温度が７５０℃以上から前記溶湯に対して超音波を付与し、前記溶湯の温度が６１０℃以下になるまで、前記超音波への溶湯の付与を継続して行う。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムに含有する成分のうち最も多い成分がＳｉであり、その他の成分として、Ｆｅを含有するアルミニウム合金の溶湯を、冷却して凝固させる際に、前記溶湯の温度が７５０℃以上から前記溶湯に対して超音波を付与し、前記溶湯の温度が６１０℃以下になるまで、前記超音波への溶湯の付与を継続して行うことを特徴とするアルミニウム合金の溶湯の凝固方法。
【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溶湯の凝固方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アルミニウム合金の機械的性質の向上のために、溶体化処理を行う。例えば、非特許文献１に記載の技術では、アルミニウムに含有する成分のうち最も多い成分がＳｉであり、その他の成分として、ＦｅおよびＳｒを含有するアルミニウム合金の製造方法が提案されている。
【０００３】
この技術では、アルミニウム合金にＳｒを含有することにより、溶体化処理において、アルミニウム合金に対して、共晶珪素を球体化するとともに、アルミニウム合金に含有するＦｅにより、アスペクト比の小さい棒状または不定形のＦｅ系化合物を生成させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】軽金属  ＶＯＬ．４０  ＮＯ．３（１９９０年３月）、清水吉広、粟野洋司、中村元志著、社団法人軽金属学会発行、１８８〜１９４頁
【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、アルミニウム合金にＦｅが含有している場合、アルミニウム合金の凝固時に生成されるＦｅの形状を制御することは容易ではなく、Ｆｅの形状によっては、凝固後のアルミニウム合金の強度を含む機械的特性が低下することがあった。
【０００６】
前記課題を鑑みて、本発明の目的とするところは、Ｆｅの形状を制御することにより、凝固後のアルミニウム合金の機械的特性を向上することができるアルミニウム合金の凝固方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を鑑みて、本発明に係るアルミニウム合金の溶湯の凝固方法は、アルミニウムに含有する成分のうち最も多い成分がＳｉであり、その他の成分として、Ｆｅを含有するアルミニウム合金の溶湯を、冷却して凝固させる際に、前記溶湯の温度が７５０℃以上から前記溶湯に対して超音波を付与し、前記溶湯の温度が６１０℃以下になるまで、前記超音波への溶湯の付与を継続して行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
通常、上述した成分のアルミニウム合金の溶湯を、単に冷却して凝固させた場合には、アルミニウム合金に針状または板状のＦｅ系化合物（β−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）が晶出する。しかしながら、本発明によれば、溶湯の温度が７５０℃以上の温度領域から、６１０℃以下の温度領域まで、溶湯に超音波を継続して付与するので、粒状のＦｅ系化合物（α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ）を晶出することができる。これにより、凝固後のアルミニウム合金の機械的特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金の溶湯に超音波振動を付与して凝固を行うための鋳造装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】（ａ）は、比較例３に係る試験片の組織断面の写真であり、（ｂ）は、実施例３に係る試験片の組織断面の写真である。
【図３】（ａ）は、比較例３に係る試験片のマイクロＸＲＤ分析結果であり、（ｂ）は、実施例３に係る試験片のマイクロＸＲＤ分析結果である。
【図４】比較例１〜４に係る試験片の断面の組織写真である。
【図５】実施例３〜５および比較例５〜７に係る試験片の断面の組織写真である。
【図６】実施例３、５および比較例３、５、７に係る試験片の引張強さを示したグラフである。
【図７】実施例３、５および比較例３、５、７に係る試験片の伸びを示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の本実施形態に係るアルミニウム合金の溶湯の凝固方法について説明する。本実施形態では、冷却過程にあるアルミニウム合金の溶湯を超音波加振しながら凝固させ、アルミニウム合金を鋳造する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金の溶湯に超音波振動を付与して凝固を行うための鋳造装置の全体構成を示す側面図である。なお、本実施形態においては、アルミニウム合金を実験的に製造する鋳造装置を用いて本発明の実施形態を説明するが、特にこの装置構成のみに限定するものでなく、本実施形態に係る鋳造装置の構成と同様となるように鋳造装置等を構成することで本発明と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００１２】
鋳造装置１０は、冷却過程にある金属溶湯を超音波加振しながら凝固させるための装置である。鋳造装置１０は、図１に示すように、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。
【００１３】
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、当該超音波ホーン７の底部に連接される超音波振動子８から構成される。超音波ホーン７は、超音波振動子８により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。
【００１４】
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であり、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。
【００１５】
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、本実施形態ではアルミニウム合金の溶湯が貯留される。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、前記超音波ホーン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。また、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、前記下プレート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。
【００１９】
溶湯温度調整部は、溶湯を加熱または冷却をすることにより、溶湯を溶湯温度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）にて温度調整を行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。しかしながら、溶湯が共晶温度に到達したときは、凝固時における潜熱により、共晶温度は保持されるため、特に溶湯温度調整部は用いなくてもよい。
【００２０】
以下に本実施形態に係るアルミニウム合金の溶湯の凝固方法を説明する。本実施形態では、アルミニウムに含有する成分のうち、最も多い成分がＳｉであり、Ｓｉは、アルミニウム合金全体に対して、２〜２５質量％含有していることが好ましく、より好ましくは５〜１３質量％含有している。後述する温度範囲でアルミニウム合金の溶湯に超音波を継続して付与することにより、粒状のα−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉを晶出することができる。ここで、Ｓｉの含有量が２質量％未満であると、Ｓｉが十分でないため粒状のα−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉが晶出し難いおそれがある。一方、Ｓｉの含有量が２５質量％を超えた場合には、α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ（α相）が晶出する温度で凝固が始まり、超音波を照射することができない。
【００２１】
さらに、アルミニウム合金には、その他の成分として、少なくともＦｅを含有する。ここで、Ｆｅは、０．５〜２質量％以下が好ましく、この範囲にすることにより、アルミニウム合金に粒状のα−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉを晶出することができる。アルミニウム合金に対してＦｅの含有量は少ない方が本来は好ましいが、Ｆｅの含有量が０．５質量％以上であると、α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ（α相内）にＦｅが固溶しきれず、針状または板状のβ−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２が晶出してしまう。
【００２２】
本実施形態では、上述したアルミニウム合金を素材として用いる。まず、アルミニウム合金の素材を溶融してアルミニウム合金からなる溶湯を得る（溶融工程）。次に、溶湯の冷却過程の際に、溶湯に超音波振動を付与する。具体的には、上述した鋳造装置１０を用いて、溶湯に超音波振動を付与する。まず、処理容器２内に所定量の溶湯を注湯して超音波ホーン７の上端部に載置する。載置後、エアシリンダを駆動して緩衝材３ｂにて処理容器２の上端面を押えて固定する。
【００２３】
この状態で、図示しない超音波発振器により、超音波振動子８を所定の振動条件にて振動させる。具体的には、溶湯を、冷却して凝固させる際に、溶湯の温度が７５０℃以上から溶湯に対して超音波を付与し、溶湯の温度が６１０℃以下になるまで、超音波への溶湯の付与を継続して行う。
【００２４】
これにより、溶湯に超音波振動が非接触（溶湯と超音波ホーン７とが直接触れない状態）で付与（印加）され、処理容器２内の溶湯中に超音波キャビテーション（気泡）と音響流を発生させることができる。
【００２５】
すなわち、鋳造装置１０は、超音波ホーン７の上端面に押しつけられた処理容器２の底面が超音波振動することで、処理容器２内に注湯した溶湯に下方から超音波振動を伝播させることが可能である。こうして、鋳造装置１０は、溶湯に超音波振動を非接触で印加することが可能となる。
【００２６】
通常、上述した成分のアルミニウム合金の溶湯を、単に冷却して凝固させた場合には、アルミニウム合金に針状または板状のβ−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２が晶出する。しかしながら、本実施形態によれば、溶湯の温度が７５０℃以上の温度領域から６１０℃以下の温度領域まで、溶湯に超音波を継続して付与するので、粒状のα−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉを晶出することができる。これにより、凝固後のアルミニウム合金の機械的特性を向上させることができる。
【００２７】
ここで、発明者らの実験によれば、溶湯への超音波の付与を開始する超音波開始温度が開始温度７５０℃未満の場合（例えば後述する比較例５参照）には、アルミニウム合金に針状または板状のβ−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２が晶出する。なお、より好ましい超音波開始温度は、７５０〜８００℃である。超音波開始温度が、８００℃を超えた場合には、溶湯へのガスの吸入が増加するおそれがある。
【００２８】
さらに、発明者らの実験によれば、溶湯への超音波の付与を終了する超音波終了温度が終了温度６１０℃超えの場合（例えば後述する比較例７参照）にも、アルミニウム合金に針状または板状のβ−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２が晶出する。より好ましい超音波終了温度は、６１０〜５５０℃である。超音波終了温度が、５５０℃未満である場合には、固相となり、超音波の効果の発現がなくなる。
【実施例】
【００２９】
以下に本実施形態を実施例により説明する。
〔実施例１〕
実施例１では、表１の試料１に示す成分を含有するアルミニウム合金を用いた。なお、表１に示す試料１〜４の成分は、アルミニウム合金に含有する成分であり、残部は、アルミニウムおよび不可避不純物からなる。
【００３０】
表１に示す試料１のアルミニウム合金を、黒鉛るつぼ内に投入し、これを溶融炉内に投入して、８００℃まで加熱して、アルミニウム合金を溶融した。離型材として、ＢＮ（ボロンナイトライド）が塗布された、底面直径４５ｍｍ、開口部直径５８ｍｍの処理容器（ＳＵＳ製カップ）内に、溶湯深さ５４ｍｍになるまで注入した（鋳込み重量１７０ｇ）。なお、補強のために、処理容器の底部に底板として１ｍｍの厚さのＳＵＳプレートをスポット溶接した。
【００３１】
次に、図１に示す装置を用いて、溶湯に超音波振動を付与した（超音波を付与した）。具体的には、表２に示すように、溶湯の温度が７５０℃になった時点で、溶湯への超音波の付与を開始し、溶湯の温度が５９０℃になった時点で、溶湯への超音波の付与を終了した。すなわち、実施例１では、超音波開始温度が７５０℃であり、超音波終了温度が５９０℃であり、溶湯の温度が７５０〜５９０℃にまで溶湯が冷却して凝固が促進される間、超音波を継続して溶湯に付与した。なお、超音波振動の周波数は２０ｋＨｚとした。
【００３２】
〔実施例２〜４〕
実施例１と同じようにしてアルミニウム合金を鋳造した。実施例２〜４が、実施例１と相違する点は、実施例２〜４のアルミニウム合金として、表１に示す試料２〜試料４を順次用いた点である。
【００３３】
〔実施例５〕
実施例１と同じようにしてアルミニウム合金を鋳造した。実施例５が、実施例１と相違する点は、実施例５のアルミニウム合金として、表１に示す試料３を用いた点と、超音波終了温度を６１０℃にした点である。
【００３４】
〔比較例１〜４〕
実施例１と同じようにしてアルミニウム合金を鋳造した。比較例１〜４が実施例１と相違する点は、溶湯に超音波を照射していない点である。さらに、比較例２〜４が、実施例１と相違する点は、比較例２〜４のアルミニウム合金として、表１に示す試料２〜試料４を順次用いた点である。
【００３５】
〔比較例５〕
実施例１と同じようにしてアルミニウム合金を鋳造した。比較例５が、実施例１と相違する点は、比較例５のアルミニウム合金として、表１に示す試料３を用いた点と、超音波開始温度を６４０℃にした点である。
【００３６】
〔比較例６〕
実施例１と同じようにしてアルミニウム合金を鋳造した。比較例６が、実施例１と相違する点は、比較例６のアルミニウム合金として、表１に示す試料３を用いた点と、超音波開始温度を６８０℃にした点である。
【００３７】
〔比較例７〕
実施例１と同じようにしてアルミニウム合金を鋳造した。比較例７が、実施例１と相違する点は、比較例７のアルミニウム合金として、表１に示す試料３を用いた点と、超音波終了温度を６４０℃にした点である。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
【表２】
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【００４０】
＜顕微鏡観察＞
実施例１〜５およびその比較例１〜７に係る試験片に対して顕微鏡観察を行った。この結果を、図２〜５に示す。
【００４１】
図２（ａ）は、比較例３に係る試験片の組織断面の写真であり、図２（ｂ）は、実施例３に係る試験片の組織断面の写真である。図４は、比較例１〜４に係る試験片の断面の組織写真であり、図５は、実施例３〜５および比較例５〜７に係る試験片の断面の組織写真である。また、実施例１〜５およびその比較例１〜７の試験片に晶出した鉄系化合物の形状を表２に示す。
【００４２】
＜マイクロＸＲＤ分析＞
実施例３およびその比較例３に係る試験片に対して、マイクロＸＲＤ分析を行った。この結果を図３（ａ）および図３（ｂ）に示す。図３（ａ）は、比較例３に係る試験片のマイクロＸＲＤ分析結果であり、図３（ｂ）は、実施例３に係る試験片のマイクロＸＲＤ分析結果である。
【００４３】
＜引張試験＞
実施例３、５および比較例３、５、７に係る試験片に対して、引張試験を行った。この結果を図６および図７に示す。図６は、実施例３、５および比較例３、５、７に係る試験片の引張強さを示したグラフである。図７は、実施例３、５および比較例３、５、７に係る試験片の伸びを示したグラフである。
【００４４】
＜結果１＞
図２（ａ）に示すように、比較例３に係るアルミニウム合金には、針状のＦｅ系化合物が晶出していたが、実施例３に係るアルミニウム合金には、粒状のＦｅ系化合物が晶出していた。
【００４５】
そして、図３（ａ）に示すように、比較例３に係るアルミニウム合金に晶出した針状のＦｅ系化合物は、β−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２であり、図３（ｂ）に示すように、実施例３に係るアルミニウム合金に晶出したα−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉであることがわかった。したがって、針状のＦｅ系化合物は、β−Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２であり、粒状のＦｅ系化合物は、α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉであると推定される。
【００４６】
図４、図５および表１に示すように、実施例１〜４に係るアルミニウム合金には、粒状のＦｅ系化合物が晶出していたが、比較例１では、板状または針状のＦｅ系化合物は晶出しておらず、比較例２〜７では、板状または針状のＦｅ系化合物が晶出していた。
【００４７】
また、図５に示すように、比較例５および６の如く、超音波開始温度が６４０℃、６８０℃では、超音波開始温度が低いため針状または板状のＦｅ系化合物が晶出すると考えられる。また、図５に示すように、比較例７の如く、超音波終了温度が６４０℃では、超音波終了温度が高いため針状または板状のＦｅ系化合物が晶出すると考えられる。
【００４８】
以上のことから、実施例１〜５の範囲を満たす、超音波開始温度が７５０℃以上、超音波終了温度が６１０℃以下で、継続して溶湯に超音波を付与（照射）することで、Ｆｅを含有するアルミニウム合金は、板状または針状のＦｅ系化合物の晶出が抑えられ、粒状のＦｅ系化合物（α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ）を晶出することができる。
【００４９】
ここで、α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉの晶出には、溶湯の温度が７１０℃近傍で冷却速度を大きくすることが有効であり、超音波により音響キャビテーション気泡が溶湯内に発生し、超急速冷却発生させることできため、超音波開始温度が７５０℃以上から超音波を付与すると、Ｆｅ系化合物が粒状化するものと推定される。
【００５０】
さらに、図６および図７に示すように、実施例３および実施例５の試験片は、比較例３、５、および７の試験片に比べて、引張強さも高く、伸びも大きかった。これは、実施例３および５の試験片は、アルミニウム合金に粒状のＦｅ系化合物（α−Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ）が晶出したからであると考えられる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本考案は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１：超音波発生部、２：処理容器（るつぼ）、３：処理容器固定部、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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