(57)【要約】【課題】溶湯状態を維持している間に、核生成元素の発現を増大させ、その核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制することで、合金性能の向上を図ることが可能な合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置を提供する。【解決手段】合金の析出物微細化方法は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯１１の冷却過程で析出物を微細化する方法であり、過共晶合金の液相線温度ＴＬよりも、その２〜１０％の範囲内で高く設定した温度Ｔ１から、過共晶合金の固相線温度ＴＳよりも高く、かつ、液相線温度ＴＬよりも、その１０％以下の範囲内で低く設定した温度Ｔ２まで、溶湯１１を撹拌する。合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置１０は、溶湯１１中に浸漬させて溶湯１１を撹拌する撹拌手段１２を有している。【選択図】図１
2015205340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯の冷却過程で析出物を微細化する方法であって、
前記過共晶合金の液相線温度ＴＬよりも、該液相線温度ＴＬの２％以上１０％以下の範囲内で高く設定した温度Ｔ１から、
前記過共晶合金の固相線温度ＴＳよりも高く、かつ、前記液相線温度ＴＬよりも、該液相線温度ＴＬの１０％以下の範囲内で低く設定した温度Ｔ２まで、
前記溶湯を撹拌することを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項２】
請求項１記載の合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＡｌ合金であることを条件として、合金元素にＳｉを用いることを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項３】
請求項２記載の合金の析出物微細化方法において、前記Ａｌ合金のＳｉ濃度は１３質量％以上であることを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項４】
請求項１記載の合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＡｌ合金であることを条件として、合金元素にＦｅ及びＳｉを用いることを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項５】
請求項１記載の合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＭｇ合金であることを条件として、合金元素にＣａを用いることを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の合金の析出物微細化方法において、前記溶湯の撹拌は、機械的及び電磁的のいずれか一方又は双方を用いて行うことを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置であって、前記溶湯中に浸漬させて該溶湯を撹拌する撹拌手段を有することを特徴とする析出物微細化装置。
【請求項８】
請求項７記載の析出物微細化装置において、前記撹拌手段は、軸心方向に振動可能な複数本の撹拌棒を有していることを特徴とする析出物微細化装置。
【請求項９】
請求項７記載の析出物微細化装置において、前記撹拌手段は、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根を有していることを特徴とする析出物微細化装置。
【請求項１０】
請求項９記載の析出物微細化装置において、前記撹拌手段は更に、前記撹拌羽根の周囲に間隔を有して設けられ、軸心方向に振動可能な複数本の撹拌棒を有していることを特徴とする析出物微細化装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１項に記載の析出物微細化装置において、前記溶湯の湯面における前記撹拌手段の占有面積は、前記溶湯の湯面の面積の３０％以上６０％以下であることを特徴とする析出物微細化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ（アルミニウム）又はＭｇ（マグネシウム）の過共晶合金を対象とした製造技術に係り、更に詳細には、合金性能の向上を図るための合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
合金は、結晶粒を微細化することで、強度や伸び率等の材料特性を向上できることが知られている。この結晶粒の微細化は、例えば、主要元素以外の添加物を添加する方法により行われている。
しかし、上記した方法を用いても、近年更に高性能な合金を求める市場の要求には対応できず、添加物の添加のみに頼らない新たな方法の模索が続いている。
【０００３】
例えば、固化された状態物（大きく生成されてしまった結晶粒）を、加圧（押出、鍛造、圧延）や熱処理することで、結晶粒の微細化（二次析出物）を図る方法がある。これは、添加元素の発達と共に一般的に行われてきた技術である。
【０００４】
また、液化状態の溶湯を急速に冷却して結晶粒の成長を抑制し、結晶粒の微細化を図る方法等も、近年知られるようになり、実用化され始めている。
成形に用いる金型は、成形品の良品率向上のみならず、合金性能の向上に向けて温度管理する必要性が周知されはじめた。近年では、金型の加温のみならず金型への冷却ラインの設置等により、金型の温度管理を行うことで、溶湯の急速冷却等が可能となった。例えば、機械的性質である強度の向上等を目指した高Ｓｉ（ケイ素）含有のＡｌ合金の成形等がある。
【０００５】
この他、液相線直上の温度から固相線直上の温度までの冷却過程において、液化状態の溶湯に撹拌等の外部作用を与え、固液共存（半凝固）状態の金属スラリーを製造し、結晶粒の微細化を図ろうとする技術も、近年周知され始めた。
例えば、上記した温度領域で溶湯を撹拌し、主合金化合物の結晶粒を丸くかつ小さく形成させ、成形（固化）するまでに付与された機械的圧力で、固相粒と固相粒との間に介在する液相が潤滑の役割を担う半凝固状態としたものを流動させて変形し、結晶粒を微細化させた状態で固化させることで、強度等の特性を向上させようとする技術である。
【０００６】
上記したように、合金の機械的性質の向上を図る方法として、主要元素の選定そのものを見直す場合を除き、結晶粒の微細化等の改質を行う技術の研究が多く行われているが、以上に記載の方法を用いても、以下の問題があった。
【０００７】
まず、固化された状態物の結晶粒を改質する方法は、結晶数が決まった状態からの改質であることから、結晶粒を微細化するには限界がある。
【０００８】
また、液化状態から固化するまでの間で、液化している溶湯を急速冷却する方法は、結晶粒を溶湯状態から微細化しようとする技術であるため、結晶粒を微細化するには有効な手段である。
しかし、溶湯を製品形状となる金型に注湯する場合、溶湯を金型内全域に行き渡らせることが必要であり、この間冷却を行えず、生成された初晶や共晶が成長してしまうこととなるため、また、砂型成形等の場合、冷却作業が更に困難となるため、結晶粒（一次析出物）の微細化には限界がある。
【０００９】
そして、液化状態の溶湯に撹拌等の外部作用を与え、固液共存状態の金属スラリーを製造する半凝固法にあっては、固相と液相を混在させるため、固相数を増大させて結晶粒の成長を抑制するには、十分な方法であると考えられる。
しかし、固相率が高くなるに伴って金属スラリーの粘性が増えるため、使用可能な鋳造方法が制限されること等から、固相率の管理が極めて難しく、安定的な品質確保が難しい。
【００１０】
結晶粒の微細化を考慮していなかった時代のＡｌ合金の結晶状態を、顕微鏡等で確認すると、例えば、図１１に示すように、結晶は肥大化し緻密とはいえない状態にあった。
このため、近年では、Ｔｉ（チタン）やＢ（ホウ素）を添加する添加元素を用いた材料技術と、上記した加工プロセスとの併用により、図１２に示すように、結晶の緻密化が一定程度可能となってきている。
【００１１】
特に、添加元素の作用による改質技術では、様々な用途向きに添加元素が考案され実用されてきた。
例えば、Ａｌ合金であるＡＤＣ１２と呼ばれるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ（銅）系合金は、主原料となるＡｌの他に、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｚｎ（亜鉛）、及びＦｅ（鉄）等の元素を含有させることで構成されている。このＡｌ合金は、機械的性質、被切削性、及び鋳造性が良いとされ、広く汎用されているが、中でもＳｉは、機械的性質である強度を向上させる元素として、重要な役割を担っている。
【００１２】
上記したＡｌ合金は、Ｓｉを１２．７質量％程度含有している。
このＡｌ合金が、温度降下によって液化状態から固化に至る過程で、図１３に示すように、一次析出物として初生α（Ａｌ）と共晶Ｓｉが生成され、図１４に示す共晶Ｓｉの微細化により、その効果が増大する。なお、適正な微細化を行うことで、微細化を行っていない状態と比較して、機械的性質である引張強度はおおよそ２０％以上、伸びは約２〜３倍程度、それぞれ増加する。
【００１３】
旧来、一次析出物の微細化を目指した一般的に行われてきた技術では、添加元素自体が機械的性質の向上には繋がらないものの、合金を構成する含有元素の役割を増大させることを目的とした元素を更に添加する技術が広く用いられている。
上記したＡＤＣ１２のＡｌ合金の場合を例示すると、構成元素であるＳｉは強度向上を目的とした元素であるが、図１５に示す状態図によると、通常ＡＤＣ１２が含有するＳｉ量（≒１２．７質量％）では、共晶点（温度５７７℃）での共晶反応により共晶（針状物の生成）が生まれる。この共晶Ｓｉが針状に長く成長すると、割れ易くなる等のデメリットが発生するため、通常はＮａ（ナトリウム）やＳｒ（ストロンチウム）を添加することで、共晶Ｓｉの成長を抑制し、微細化が図られている。
この場合、Ａｌの核生成元素はＴｉやＢであり、Ｓｉの核生成元素はＰ（リン）である。
【００１４】
この他、半凝固状態としたものに対し、含有合金である微細なＳｉ粒子を更に添加するような、前記した加工プロセスと添加物とを組み合わせることで、結晶粒を微細化しようとする新技術等も生まれ始めている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１２−１２６９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
合金性能として更なる強度向上を目指し、Ｓｉ濃度（Ｓｉ含有量又はＳｉ含有率）を、例えば、１３質量％以上に増やした高含有Ｓｉ合金（過共晶合金）では、図１５に示すように、更に高い温度域から核が形成され、初晶Ｓｉ（尖った粒状物）が生成されて、成長を始める。
特に、Ｓｉ含有率が２０質量％の場合、核が形成されて初晶Ｓｉの生成が始まる温度は約６５０℃とされ、以降成長を始めて、その後、図１６に示すように、共晶Ｓｉが生成されることとなる。
【００１７】
この場合の結晶粒の微細化方法としては、例えば、Ｐの添加を増やし、図１７に示すように、核形成を多く（一つずつの結晶を小さく）する方法があるが、Ｐは燃え易く、そのままの状態では溶湯中に添加できない。このため、Ｃｕとの混合物として添加を行うが、溶湯中に含まれるＮａとの反応（Ｐ＋３Ｎａ：Ｎａ３Ｐ）により、一定以上の添加は効力を失うことから、Ｐの投入には限度がある。
即ち、上記した方法を用いても、結晶の微細化には限界があり、完全な微細化に至ることができない。
【００１８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶湯（液化）状態を維持している間に、核生成元素の発現を増大させ、その核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制することで、合金性能の向上を図ることが可能な合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置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】
【００１９】
前記目的に沿う第１の発明に係る合金の析出物微細化方法は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯の冷却過程で析出物を微細化する方法であって、
前記過共晶合金の液相線温度ＴＬよりも、該液相線温度ＴＬの２％以上１０％以下の範囲内で高く設定した温度Ｔ１から、
前記過共晶合金の固相線温度ＴＳよりも高く、かつ、前記液相線温度ＴＬよりも、該液相線温度ＴＬの１０％以下の範囲内で低く設定した温度Ｔ２まで、
前記溶湯を撹拌する。
【００２０】
第１の発明に係る合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＡｌ合金であることを条件として、合金元素にＳｉを用いることが好ましい。
ここで、前記Ａｌ合金のＳｉ濃度は１３質量％以上であることが好ましい。
【００２１】
第１の発明に係る合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＡｌ合金であることを条件として、合金元素にＦｅ及びＳｉを用いることもできる。
【００２２】
第１の発明に係る合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＭｇ合金であることを条件として、合金元素にＣａを用いることが好ましい。
【００２３】
第１の発明に係る合金の析出物微細化方法において、前記溶湯の撹拌は、機械的及び電磁的のいずれか一方又は双方を用いて行うことが好ましい。
【００２４】
前記目的に沿う第２の発明に係る析出物微細化装置は、第１の発明に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置であって、前記溶湯中に浸漬させて該溶湯を撹拌する撹拌手段を有している。
【００２５】
第２の発明に係る析出物微細化装置において、前記撹拌手段は、軸心方向に振動可能な複数本の撹拌棒を有していることが好ましい。
【００２６】
第２の発明に係る析出物微細化装置において、前記撹拌手段は、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根を有していることが好ましい。
ここで、前記撹拌手段は更に、前記撹拌羽根の周囲に間隔を有して設けられ、軸心方向に振動可能な複数本の撹拌棒を有していることが好ましい。
【００２７】
第２の発明に係る析出物微細化装置において、前記溶湯の湯面における前記撹拌手段の占有面積は、前記溶湯の湯面の面積の３０％以上６０％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯の冷却過程において、過共晶合金の液相線温度を跨ぐ温度Ｔ１から温度Ｔ２までの範囲で、溶湯の撹拌を行うので、溶湯状態を維持している間に、核生成元素の発現を増大させることができる。これにより、核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制できるため、結晶粒の微細化が図れ、その結果、合金性能の向上が図れる。
【００２９】
特に、合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置は、溶湯中に浸漬させて溶湯を撹拌する撹拌手段を有するので、簡単な構成で、合金性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置の斜視図である。
【図２】同析出物微細化装置の撹拌手段の撹拌棒の内部構造を示す説明図である。
【図３】同析出物微細化装置の使用時における溶湯の流れを示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置の斜視図である。
【図５】同析出物微細化装置の使用時における溶湯の流れを示す説明図である。
【図６】実施例１に係る合金の析出物微細化方法を適用して製造した高Ｓｉ含有Ａｌ合金（初晶Ｓｉ）の模式図である。
【図７】同合金の析出物微細化方法を適用して製造した高Ｓｉ含有Ａｌ合金（初晶Ｓｉ及び共晶Ｓｉ）の模式図である。
【図８】（Ａ）は従来例に係る高Ｓｉ含有（Ｓｉ：１４質量％）Ａｌ合金のダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×５００）、（Ｂ）は同ダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×２００）、である。
【図９】（Ａ）は実施例２に係る合金の析出物微細化方法を適用して製造した高Ｓｉ含有（Ｓｉ：１４質量％）Ａｌ合金のダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×５００）、（Ｂ）は同ダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×２００）、である。
【図１０】鋳造方法が合金の引張強さに及ぼす影響を示すグラフである。
【図１１】Ａｌ合金（結晶）の模式図である。
【図１２】Ａｌ合金（緻密化された結晶）の模式図である。
【図１３】Ａｌ合金（ＡＤＣ１２：Ｓｉ濃度１２．７質量％）の模式図である。
【図１４】Ａｌ合金（ＡＤＣ１２：微細化された共晶Ｓｉ）の模式図である。
【図１５】Ｓｉ含有Ａｌ合金の状態図の説明図である。
【図１６】高Ｓｉ含有のＡｌ合金（初晶Ｓｉ及び結晶Ｓｉ）の模式図である。
【図１７】高Ｓｉ含有のＡｌ合金（微細化された初晶Ｓｉ及び結晶Ｓｉ）の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
まず、図１〜図３を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置（以下、単に微細化装置ともいう）１０について説明する。
【００３２】
析出物微細化装置１０は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金（以下、単に合金ともいう）の溶湯１１中に浸漬させて、溶湯１１を撹拌する撹拌手段１２を有している。
撹拌手段１２は、板材１３に、下方へ突出した状態で取付け固定され、軸心方向に振動可能な複数本（ここでは、３本）の撹拌棒１４を有している。
各撹拌棒１４は、外周面に螺旋状突起１５が設けられた有底の管１６を備えている。なお、複数本の撹拌棒１４のうち、１本の撹拌棒の管１６内には、温度管理を行うためのヒータ１７と熱電対１８が挿入され配置されている。
【００３３】
この管１６の材質は、溶湯１１となった合金との反応等を考慮した（溶湯１１への溶出を抑制、更には防止可能な）高融点かつ高強度のもの（例えば、ステンレスやセラミックス）を選定することが好ましい。
なお、管１６は、予め管状に製造されたものでもよく、また、中実の棒材に対し、前記したヒータ１７及び熱電対１８を挿入可能な穴を、機械加工等により形成したものでもよい。なお、撹拌棒は、管状とすることなく棒材とすることもでき、この場合、ヒータ及び熱電対は別途設ける。
【００３４】
また、管１６の外周面に設けた螺旋状突起１５の材質も、上記管１６と同質のものを使用することが好ましい。
この螺旋状突起１５は、管１６に別途取付けるものでもよく、また、管１６と一体的に構成されるものでもよい。
ここで、螺旋状突起を管に別途取付ける場合、管と同質の線材又は板材を、溶接等により管の外周面に取付け固定するのがよく、また、螺旋状突起を管と一体的に構成する場合、棒材の外周部を、螺旋状又は筍状に加工するのがよい。
【００３５】
板材１３の側部には、振動の発生源となる振動用モータ１９が設置されている。
これにより、振動用モータ１９を作動させることで、振幅等の運動エネルギー（振動運動）が、板材１３を介して撹拌棒１４へ伝達されるため、撹拌棒１４の振動運動により、運動エネルギーを溶湯１１へ直接付与し、溶湯１１を撹拌することができる（図３中の矢印参照）。
【００３６】
なお、螺旋状突起１５は、管１６の周面から外側へ、幅広く張り出した形状とすることで、前記した運動効果を、より効率的に溶湯１１へ伝達できる。
しかし、高温度域で、かつ、比重の重い合金の溶湯中での振動運動には、螺旋状突起に高い負荷がかかり、破損の原因となるため、管の周面からの螺旋状突起の張り出し量を、少なくする（例えば、０．５〜２ｍｍ程度、好ましくは、下限を１ｍｍ程度、上限を１．５ｍｍ程度とする）ことが好ましい。
【００３７】
このように、管１６の周面に設けられた螺旋状突起１５の張り出し量には、強度的な制約があるため、幅広い容器２０内に貯留されている溶湯１１全域に、撹拌棒１４による運動エネルギーを十分に与えることができないおそれがある。
このため、溶湯１１の表面積に応じて、撹拌棒１１を複数本使用し、溶湯１１の撹拌を行うことが好ましい。
【００３８】
例えば、溶湯１１の湯面２１位置における撹拌手段１２、即ち全撹拌棒１４の占有面積が、溶湯１１の湯面２１の面積の３０％以上６０％以下となるように、撹拌棒１４の本数を調整することが好ましい。
ここで、全撹拌棒の占有面積が、溶湯の湯面の面積の３０％未満の場合、占有面積が狭過ぎて、上記したように、溶湯全域に、撹拌棒による運動エネルギーを十分に付与できないおそれがある。一方、全撹拌棒の占有面積が６０％超の場合、占有面積が広過ぎて、一度に撹拌可能な溶湯量が少なくなるため、作業効率の低下を招き、また、撹拌棒の本数が多くなるため、装置構成が複雑になると共に、コストがかかって不経済である。
従って、溶湯１１の湯面２１における全撹拌棒１４の占有面積を、溶湯１１の湯面２１の面積の３０％以上６０％以下としたが、下限を４０％、更には４５％、上限を５５％とすることが好ましい。
【００３９】
なお、一度に行われる鋳造に必要な溶湯量が多く、湯面の面積が広くなる場合には、図４、図５に示す析出物微細化装置３０を使用することもできる。
この析出物微細化装置３０も、前記した析出物微細化装置１０と同様、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯中に浸漬させて、溶湯を撹拌するものであるため、同一部材には同一番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００４０】
析出物微細化装置３０は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯１１中に浸漬させて、溶湯１１を撹拌する撹拌手段３１を有している。
撹拌手段３１は、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根３２と、撹拌羽根３２の周囲に間隔を有して設けられ、軸心方向に振動可能な複数本（ここでは、２本）の撹拌棒１４を有している。なお、各撹拌棒１４は、板材３３に、下方へ突出した状態で取付け固定されている。
板材３３の中央部には、上下方向に貫通した孔３４が形成され、この孔３４に、板材３３とは接触しないように、撹拌羽根３２が配置されている。
【００４１】
これにより、撹拌羽根３２は、その上端部に設けられた撹拌用モータ３５によって、回転運動のみを溶湯１１に伝達できるため、撹拌羽根３２で掻き混ぜられた溶湯１１は、撹拌羽根１１の外側に配置された各撹拌棒１４に強制的に接触する（図５中の白抜き矢印参照）。また、各撹拌棒１４を軸心方向に振動させることで、各撹拌棒１４に接触した溶湯１１に、前記した運動エネルギーを伝達し、溶湯１１を撹拌できる（図５中の矢印参照）。
従って、溶湯１１の湯面２１の表面積が大きい場合にも対応可能である。なお、図４、図５中の番号３６は、溶湯１１を入れる容器（カップ）である。
上記した析出物微細化装置３０についても、前記した析出物微細化装置１０と同様、溶湯１１の湯面２１位置における撹拌手段３１、即ち撹拌羽根３２と全撹拌棒１４の合計の占有面積が、溶湯１１の湯面２１の面積の３０％以上６０％以下となるように、撹拌羽根３２及び撹拌棒１４のいずれか一方又は双方の本数を調整することが好ましい。
なお、撹拌手段として、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根のみを、１本又は複数本用いてもよい。
【００４２】
以上に示したように、溶湯の撹拌は、機械的に行うことができるが、電磁的に行うこともできる。なお、電磁的な撹拌は、単独で行ってもよく、また、機械的な撹拌と組み合わせて行ってもよい。
例えば、溶湯を、合金の溶解保持炉（以下、単に保持炉ともいう）から圧力で汲み上げ、配管等を介して給湯するような場合には、保持炉で、又は、配管等で、高周波、低周波、マイクロ波、又は、モーターコイル等を用いた電磁的なエネルギーを溶湯に付与し、溶湯を撹拌することもできる。
【００４３】
続いて、本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法について説明する。
まず、実際の鋳造工程の一例について説明する。
合金の溶湯を溶解保持炉から鋳造機に給湯する方法としては、給湯機に取付けられた汲み取りカップを用いる方法や、圧力等を用いて保持炉から汲み出した溶湯を配管等を介して鋳造機に直接給湯する方法等があるが、いずれも鋳造機側の動きに合わせて給湯するタイミングを調整するため、一時的に貯留する工程（以下、貯留工程ともいう）が存在する。
【００４４】
上記した汲み取りカップを用いる方法のほとんどは、貯留工程で溶湯の温度管理が行われておらず、保持炉から鋳造機へ給湯する間の時間管理により、溶湯の流動性が著しく損なわれない（固相が発現しない）程度の温度が保たれる間に貯留工程が終了するように、作業が計画されている。
この貯留工程での溶湯は、放熱によって温度が降下し、かつ、静止状態にあるため、溶湯中の核形成は緩慢となり、数少ない核を中心に、初晶や共晶物が生成され、成長していることとなる。つまり、あらゆる合金の成形過程には、温度域によって液状から結晶粒として安定化する前に、核形成、析出相の形成、及び、析出相の成長、の各過程がある。
【００４５】
そこで、本発明者等は、上記した貯留工程において、予め選択した温度で溶湯の温度管理（加温）を行いながら、運動エネルギーを溶湯に与え、流動性を保った溶湯（液化）状態のまま、析出物の成長を抑制しつつ、核となる物質（核生成元素）の発現を促し、この溶湯を鋳造に用いることで、より高品質な合金製品を製造できることに想到した。即ち、溶湯状態を維持している間に、核生成元素を発現させて増やし、その核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制することで、合金性能の向上を図る方法であり、以下の構成を特徴とするものである。
【００４６】
本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯の冷却過程で析出物を微細化する方法であり、過共晶合金の液相線温度ＴＬよりも、液相線温度ＴＬの２％以上１０％以下の範囲内で高く設定した温度Ｔ１から、過共晶合金の固相線温度ＴＳよりも高く、かつ、液相線温度ＴＬよりも、液相線温度ＴＬの１０％以下の範囲内で低く設定した温度Ｔ２まで、前記した析出物微細化装置１０や析出物微細化装置３０等を用いて、溶湯を撹拌する方法である。なお、上記した撹拌の温度領域は、従来の固液混在状態を目論む温度領域とは全く異なる基準で選定された温度領域であることから、固相の形成を行うことを目的とした従来技術とは、全く異なる技術といえる。
以下、詳しく説明する。
【００４７】
合金の溶湯の撹拌に際し、溶湯の撹拌開始を前記した温度Ｔ１に設定したのは、核生成元素の発現が、液相線温度ＴＬ以下の温度であることによる。
従って、溶湯の撹拌開始の温度Ｔ１の下限値を、液相線温度ＴＬよりも、この液相線温度ＴＬの２％（好ましくは４％、更に好ましくは５％）高い温度とした。
一方、溶湯の撹拌開始の温度Ｔ１の上限値を、液相線温度ＴＬよりも、この液相線温度ＴＬの１０％（好ましくは７％）高い温度としたのは、これより高い温度から溶湯の撹拌を行っても、撹拌の効果が小さく、エネルギーコストもかかることによる。
【００４８】
また、溶湯の撹拌終了を前記した温度Ｔ２に設定したのは、核生成元素の発現数の増加を図り続けるためである。
従って、溶湯の撹拌終了の温度Ｔ２の上限値を、液相線温度ＴＬよりも低い温度としたが、液相線温度ＴＬに近づくに伴い、その後の冷却過程で、核生成元素が凝集した状態で発現し、核生成元素の発現数の減少を招くおそれがあるため、この液相線温度ＴＬの２％、更には５％とすることが好ましい。
一方、溶湯の撹拌終了の温度Ｔ２の下限値は、当然のことながら、固相線温度ＴＳよりも高くする必要がある。しかし、固相線温度ＴＳに近づくに伴い、核生成元素の発現数の顕著な増加が見込めなくなるため、温度Ｔ２の下限値を、液相線温度ＴＬよりも、液相線温度ＴＬの１０％（好ましくは７％）低い温度とした。
【００４９】
上記した温度Ｔ１から温度Ｔ２までの温度領域（鋳造機への給湯を開始するまでの間）で、溶湯を撹拌することにより、核生成元素の発現数の増加を図り続けることができる。
これにより、結晶の肥大化が抑制可能な状態とされた溶湯を、鋳造機へ給湯し鋳造することで、微細化された結晶粒により、高強度等の合金性質を向上させた合金の成形が可能となる。
【００５０】
また、前記したように、溶湯を、合金の溶解保持炉から圧力で汲み上げ、配管等を介して給湯する場合は、例えば、以下の方法で鋳造を行う。
まず、溶解炉又は溶解保持炉において、含有元素が核を形成し始め初晶が生成される温度より高い状態で、溶解作業を実施する。
次に、溶解保持炉内に充填された溶湯そのものに、電磁的等の撹拌で運動エネルギーを与えながら、前記した温度範囲で核生成元素の発現や析出物の微細化を行う。
そして、この状態を継続的に維持しながら、必要量を適時汲み出し、鋳造を行う。
【００５１】
ここで、対象となる過共晶合金の一例を、以下に示す。
Ａｌの過共晶合金としては、合金元素にＳｉを用いたＡｌ−Ｓｉの合金がある。
このように、ここでは、Ａｌの過共晶合金を対象としているため、Ｓｉの濃度は１２．７質量％超（図１４参照）であるが、本発明の効果を得るには、Ｓｉ濃度は１３質量％以上が好ましく、更には、１８質量％以上が好ましい。
一方、Ｓｉ濃度が高くなるに伴い、本発明の効果が顕著となるため、上限値については規定していないが、現状では、３０質量％程度と考えられる。
【００５２】
また、他のＡｌの過共晶合金としては、合金元素にＦｅ及びＳｉを用いたＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉの合金（ＦｅとＳｉが共に、Ａｌとの三元共晶点よりも多量に含まれる合金）がある。
この合金は、Ａｌ合金の中でも高強度を目指した合金であり、上記した溶湯の温度管理と、前記した析出物微細化装置１０等による溶湯の撹拌により、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉの化合物の結晶を微細化することができ、その結果、更に高強度な合金を作製できる。
【００５３】
そして、Ｍｇ（マグネシウム）の過共晶合金としては、合金元素にＣａ（カルシウム）を用いたＭｇ−Ｃａの合金がある。なお、合金中のＣａ濃度は１６．２質量％超である。
この合金は、Ｍｇの燃焼点を上昇させるため、Ｃａを添加材として利用する合金であるが、Ｃａの添加により、合金が脆くなり易くなる欠点がある。そこで、上記した溶湯の温度管理と、前記した析出物微細化装置１０等による溶湯の撹拌により、ＣａＭｇ２化合物の結晶の微細化を図ることが可能となるため、上記したＣａの添加による欠点が払拭され、機械的性質を維持、更には、向上させることが可能となる。
【００５４】
ここでは、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金として、上記した組成の合金を例示した。
しかし、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金であれば、上記組成の合金に限定されるものではなく（例えば、必要に応じて他の添加元素が含まれてもよい）、上記した溶湯の温度管理と、前記した析出物微細化装置１０等による溶湯の撹拌による効果が得られる合金であれば、本発明の権利範囲に含まれる。
【実施例】
【００５５】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、高Ｓｉ含有Ａｌ合金（Ｓｉ濃度：２０質量％）の溶湯を、ダイカストマシンで鋳造した試験結果について説明する（実施例１）。
上記した高Ｓｉ含有Ａｌ合金は、液相線によると、核の形成及び結晶化の始まる温度が６５０℃であることから、溶湯保持炉内で６８０℃（初晶が生成される温度より約５％高い温度）に保持した溶湯を、給湯装置の先端に取付けられた汲み取り容器で一定量汲み取り、鋳造機の手前で待機させた。
次に、前記した析出物微細化装置１０の撹拌棒１４を、待機した状態の容器内の溶湯中に浸漬させ、溶湯の温度が６３０℃以上（液相線より約３％低い温度）を保つよう、溶湯の温度を管理しながら、振動等の運動エネルギーを溶湯に付与した。
【００５６】
容器内の溶湯（６８０℃）は、撹拌棒１４内に配置されたヒータ１７（６３０℃）及び熱電対１８による温度管理下で、運動エネルギーを与えられながら、徐々に温度が降下した。そして、溶湯の温度が６５０℃に達する時点で、Ｐを核生成元素として核生成化合物（ＡｌＰ）の形成が行われ、発現した核により、図６に示すように、溶湯内のＳｉから初晶Ｓｉが生成され始めた。核生成元素の発現中に与えられている運動エネルギーにより、核生成化合物は大量に生成されるため、大量に生成された核を中核とする初晶Ｓｉの成長は抑制され、更に多くの核の発現により、初晶Ｓｉは極めて小さく、かつ、大量に、生成された。
【００５７】
このように、初晶Ｓｉが大量かつ微細な状態を保っている溶湯を、鋳造機に投入し鋳造型への充填を行うことで、溶湯温度は急激に降下した。
これにより、ＡｌはＴｉ及びＢを核生成元素としてＴｉＢ２の核生成化合物を形成し、また残されたＳｉは、図７に示すように、微細化された共晶Ｓｉとなり、微細化された結晶粒をもつ高性能な合金製品として成形された。
【００５８】
次に、高Ｓｉ含有Ａｌ合金（Ｓｉ濃度：１４質量％）の溶湯を、ダイカストマシンで鋳造した試験結果について説明する。
溶湯への運動エネルギーの付与を行わない通常のダイカスト方法（鋳造方法）を用いて作製したＡｌ合金の製品では、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、初晶Ｓｉと共晶Ｓｉが共に大きく成長していた（従来例）。
一方、前記した溶湯の温度管理下において、溶湯への運動エネルギーの付与を行って、微細化を図ったＡｌ合金の製品では、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、初晶Ｓｉと共晶Ｓｉが共に微細化されていた（実施例２）。
【００５９】
また、これらＡｌ合金を用いて引張強さの比較を行ったところ、図１０に示すように、通常の鋳造方法によるＡｌ合金と比較し、結晶の微細化を図ったＡｌ合金は、２０％以上上昇することが確認された。
【００６０】
なお、他のＡｌの過共晶合金（例えば、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉの合金）や、Ｍｇの過共晶合金（Ｍｇ−Ｃａの合金）についても、上記と同様の傾向が得られた。
【００６１】
以上のことから、本発明の合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置により、Ａｌ（又はＭｇ）の過共晶合金の合金性能を、従来よりも向上できることを確認できた。
【００６２】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、溶湯の撹拌を、液相線温度ＴＬを跨ぐ温度Ｔ１から温度Ｔ２までの温度範囲のみで行った。しかし、少なくともこの温度範囲で溶湯の撹拌を行っていれば、温度Ｔ１よりも高い温度から、溶湯の撹拌を開始してもよく、また、温度Ｔ２よりも低い温度（固相線温度ＴＳよりも高い温度）で、溶湯の撹拌を終了することもできる。
【符号の説明】
【００６３】
１０：析出物微細化装置、１１：溶湯、１２：撹拌手段、１３：板材、１４：撹拌棒、１５：螺旋状突起、１６：管、１７：ヒータ、１８：熱電対、１９：振動用モータ、２０：容器、２１：湯面、３０：析出物微細化装置、３１：撹拌手段、３２：撹拌羽根、３３：板材、３４：孔、３５：撹拌用モータ、３６：容器
【図１】
2015205340.tif 000003
【図２】
2015205340.tif 000004
【図３】
2015205340.tif 000005
【図４】
2015205340.tif 000006
【図５】
2015205340.tif 000007
【図６】
2015205340.tif 000008
【図７】
2015205340.tif 000009
【図１０】
2015205340.tif 000010
【図１１】
2015205340.tif 000011
【図１２】
2015205340.tif 000012
【図１３】
2015205340.tif 000013
【図１４】
2015205340.tif 000014
【図１５】
2015205340.tif 000015
【図１６】
2015205340.tif 000016
【図１７】
2015205340.tif 000017
【図８】
2015205340.tif 000018
【図９】
2015205340.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月28日(2014.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ濃度が１３質量％以上であるＡｌの過共晶合金の溶湯の冷却過程で析出物を微細化する方法であって、
前記過共晶合金の液相線温度をＴＬ（℃）とし、
ＴＬ×１．０２以上ＴＬ×１．１０以下の範囲内の温度Ｔ１（℃）から、
前記過共晶合金の固相線温度ＴＳ（℃）よりも高く、かつ、ＴＬ×０．９０以上ＴＬ×０．９８以下の範囲内の温度Ｔ２（℃）まで、
前記過共晶合金の液相線温度ＴＬ（℃）を跨いで、前記溶湯を撹拌するに際し、
外周面に螺旋状の突起が設けられた撹拌棒を前記溶湯中に浸漬させ、該撹拌棒を軸心方向に振動させて前記溶湯を撹拌することを特徴とする合金の析出物微細化方法。
【請求項２】
請求項１記載の合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置であって、前記撹拌棒を備えた撹拌手段を有することを特徴とする析出物微細化装置。
【請求項３】
請求項２記載の析出物微細化装置において、前記溶湯の湯面における前記撹拌手段の占有面積は、前記溶湯の湯面の面積の３０％以上６０％以下であることを特徴とする析出物微細化装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ（アルミニウム）の過共晶合金を対象とした製造技術に係り、更に詳細には、合金性能の向上を図るための合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
合金は、結晶粒を微細化することで、強度や伸び率等の材料特性を向上できることが知られている。この結晶粒の微細化は、例えば、主要元素以外の添加物を添加する方法により行われている。
しかし、上記した方法を用いても、近年更に高性能な合金を求める市場の要求には対応できず、添加物の添加のみに頼らない新たな方法の模索が続いている。
【０００３】
例えば、固化された状態物（大きく生成されてしまった結晶粒）を、加圧（押出、鍛造、圧延）や熱処理することで、結晶粒の微細化（二次析出物）を図る方法がある。これは、添加元素の発達と共に一般的に行われてきた技術である。
【０００４】
また、液化状態の溶湯を急速に冷却して結晶粒の成長を抑制し、結晶粒の微細化を図る方法等も、近年知られるようになり、実用化され始めている。
成形に用いる金型は、成形品の良品率向上のみならず、合金性能の向上に向けて温度管理する必要性が周知されはじめた。近年では、金型の加温のみならず金型への冷却ラインの設置等により、金型の温度管理を行うことで、溶湯の急速冷却等が可能となった。例えば、機械的性質である強度の向上等を目指した高Ｓｉ（ケイ素）含有のＡｌ合金の成形等がある。
【０００５】
この他、液相線直上の温度から固相線直上の温度までの冷却過程において、液化状態の溶湯に撹拌等の外部作用を与え、固液共存（半凝固）状態の金属スラリーを製造し、結晶粒の微細化を図ろうとする技術も、近年周知され始めた。
例えば、上記した温度領域で溶湯を撹拌し、主合金化合物の結晶粒を丸くかつ小さく形成させ、成形（固化）するまでに付与された機械的圧力で、固相粒と固相粒との間に介在する液相が潤滑の役割を担う半凝固状態としたものを流動させて変形し、結晶粒を微細化させた状態で固化させることで、強度等の特性を向上させようとする技術である。
【０００６】
上記したように、合金の機械的性質の向上を図る方法として、主要元素の選定そのものを見直す場合を除き、結晶粒の微細化等の改質を行う技術の研究が多く行われているが、以上に記載の方法を用いても、以下の問題があった。
【０００７】
まず、固化された状態物の結晶粒を改質する方法は、結晶数が決まった状態からの改質であることから、結晶粒を微細化するには限界がある。
【０００８】
また、液化状態から固化するまでの間で、液化している溶湯を急速冷却する方法は、結晶粒を溶湯状態から微細化しようとする技術であるため、結晶粒を微細化するには有効な手段である。
しかし、溶湯を製品形状となる金型に注湯する場合、溶湯を金型内全域に行き渡らせることが必要であり、この間冷却を行えず、生成された初晶や共晶が成長してしまうこととなるため、また、砂型成形等の場合、冷却作業が更に困難となるため、結晶粒（一次析出物）の微細化には限界がある。
【０００９】
そして、液化状態の溶湯に撹拌等の外部作用を与え、固液共存状態の金属スラリーを製造する半凝固法にあっては、固相と液相を混在させるため、固相数を増大させて結晶粒の成長を抑制するには、十分な方法であると考えられる。
しかし、固相率が高くなるに伴って金属スラリーの粘性が増えるため、使用可能な鋳造方法が制限されること等から、固相率の管理が極めて難しく、安定的な品質確保が難しい。
【００１０】
結晶粒の微細化を考慮していなかった時代のＡｌ合金の結晶状態を、顕微鏡等で確認すると、例えば、図１１に示すように、結晶は肥大化し緻密とはいえない状態にあった。
このため、近年では、Ｔｉ（チタン）やＢ（ホウ素）を添加する添加元素を用いた材料技術と、上記した加工プロセスとの併用により、図１２に示すように、結晶の緻密化が一定程度可能となってきている。
【００１１】
特に、添加元素の作用による改質技術では、様々な用途向きに添加元素が考案され実用されてきた。
例えば、Ａｌ合金であるＡＤＣ１２と呼ばれるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ（銅）系合金は、主原料となるＡｌの他に、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｚｎ（亜鉛）、及びＦｅ（鉄）等の元素を含有させることで構成されている。このＡｌ合金は、機械的性質、被切削性、及び鋳造性が良いとされ、広く汎用されているが、中でもＳｉは、機械的性質である強度を向上させる元素として、重要な役割を担っている。
【００１２】
上記したＡｌ合金は、Ｓｉを１２．７質量％程度含有している。
このＡｌ合金が、温度降下によって液化状態から固化に至る過程で、図１３に示すように、一次析出物として初生α（Ａｌ）と共晶Ｓｉが生成され、図１４に示す共晶Ｓｉの微細化により、その効果が増大する。なお、適正な微細化を行うことで、微細化を行っていない状態と比較して、機械的性質である引張強度はおおよそ２０％以上、伸びは約２〜３倍程度、それぞれ増加する。
【００１３】
旧来、一次析出物の微細化を目指した一般的に行われてきた技術では、添加元素自体が機械的性質の向上には繋がらないものの、合金を構成する含有元素の役割を増大させることを目的とした元素を更に添加する技術が広く用いられている。
上記したＡＤＣ１２のＡｌ合金の場合を例示すると、構成元素であるＳｉは強度向上を目的とした元素であるが、図１５に示す状態図によると、通常ＡＤＣ１２が含有するＳｉ量（≒１２．７質量％）では、共晶点（温度５７７℃）での共晶反応により共晶（針状物の生成）が生まれる。この共晶Ｓｉが針状に長く成長すると、割れ易くなる等のデメリットが発生するため、通常はＮａ（ナトリウム）やＳｒ（ストロンチウム）を添加することで、共晶Ｓｉの成長を抑制し、微細化が図られている。
この場合、Ａｌの核生成元素はＴｉやＢであり、Ｓｉの核生成元素はＰ（リン）である。
【００１４】
この他、半凝固状態としたものに対し、含有合金である微細なＳｉ粒子を更に添加するような、前記した加工プロセスと添加物とを組み合わせることで、結晶粒を微細化しようとする新技術等も生まれ始めている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１２−１２６９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
合金性能として更なる強度向上を目指し、Ｓｉ濃度（Ｓｉ含有量又はＳｉ含有率）を、例えば、１３質量％以上に増やした高含有Ｓｉ合金（過共晶合金）では、図１５に示すように、更に高い温度域から核が形成され、初晶Ｓｉ（尖った粒状物）が生成されて、成長を始める。
特に、Ｓｉ含有率が２０質量％の場合、核が形成されて初晶Ｓｉの生成が始まる温度は約６５０℃とされ、以降成長を始めて、その後、図１６に示すように、共晶Ｓｉが生成されることとなる。
【００１７】
この場合の結晶粒の微細化方法としては、例えば、Ｐの添加を増やし、図１７に示すように、核形成を多く（一つずつの結晶を小さく）する方法があるが、Ｐは燃え易く、そのままの状態では溶湯中に添加できない。このため、Ｃｕとの混合物として添加を行うが、溶湯中に含まれるＮａとの反応（Ｐ＋３Ｎａ：Ｎａ３Ｐ）により、一定以上の添加は効力を失うことから、Ｐの投入には限度がある。
即ち、上記した方法を用いても、結晶の微細化には限界があり、完全な微細化に至ることができない。
【００１８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶湯（液化）状態を維持している間に、核生成元素の発現を増大させ、その核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制することで、合金性能の向上を図ることが可能な合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置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】
【００１９】
前記目的に沿う第１の発明に係る合金の析出物微細化方法は、Ｓｉ濃度が１３質量％以上であるＡｌの過共晶合金の溶湯の冷却過程で析出物を微細化する方法であって、
前記過共晶合金の液相線温度をＴＬ（℃）とし、
ＴＬ×１．０２以上ＴＬ×１．１０以下の範囲内の温度Ｔ１（℃）から、
前記過共晶合金の固相線温度ＴＳ（℃）よりも高く、かつ、ＴＬ×０．９０以上ＴＬ×０．９８以下の範囲内の温度Ｔ２（℃）まで、
前記過共晶合金の液相線温度ＴＬ（℃）を跨いで、前記溶湯を撹拌するに際し、
外周面に螺旋状の突起が設けられた撹拌棒を前記溶湯中に浸漬させ、該撹拌棒を軸心方向に振動させて前記溶湯を撹拌する。
【００２０】
【００２１】
なお、第１の発明に係る合金の析出物微細化方法において、前記過共晶合金がＡｌ合金であることを条件として、合金元素にＦｅ及びＳｉを用いることもできる。
【００２２】
【００２３】
第１の発明に係る合金の析出物微細化方法において、前記溶湯の撹拌は、機械的及び電磁的のいずれか一方又は双方を用いて行うこともできる。
【００２４】
前記目的に沿う第２の発明に係る析出物微細化装置は、第１の発明に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置であって、前記撹拌棒を備えた撹拌手段を有している。
【００２５】
【００２６】
第２の発明に係る析出物微細化装置において、前記撹拌手段は、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根を有してもよい。
ここで、前記撹拌手段は更に、前記撹拌羽根の周囲に間隔を有して設けられ、軸心方向に振動可能な複数本の撹拌棒を有してもよい。
【００２７】
第２の発明に係る析出物微細化装置において、前記溶湯の湯面における前記撹拌手段の占有面積は、前記溶湯の湯面の面積の３０％以上６０％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置は、Ｓｉ濃度が１３質量％以上であるＡｌの過共晶合金の溶湯の冷却過程において、過共晶合金の液相線温度を跨ぐ温度Ｔ１（℃）から温度Ｔ２（℃）までの範囲で、溶湯の撹拌を行うので、溶湯状態を維持している間に、核生成元素の発現を増大させることができる。これにより、核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制できるため、結晶粒の微細化が図れ、その結果、合金性能の向上が図れる。
【００２９】
特に、合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置は、溶湯中に浸漬させて溶湯を撹拌する撹拌手段を有するので、簡単な構成で、合金性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置の斜視図である。
【図２】同析出物微細化装置の撹拌手段の撹拌棒の内部構造を示す説明図である。
【図３】同析出物微細化装置の使用時における溶湯の流れを示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置の斜視図である。
【図５】同析出物微細化装置の使用時における溶湯の流れを示す説明図である。
【図６】実施例１に係る合金の析出物微細化方法を適用して製造した高Ｓｉ含有Ａｌ合金（初晶Ｓｉ）の模式図である。
【図７】同合金の析出物微細化方法を適用して製造した高Ｓｉ含有Ａｌ合金（初晶Ｓｉ及び共晶Ｓｉ）の模式図である。
【図８】（Ａ）は従来例に係る高Ｓｉ含有（Ｓｉ：１４質量％）Ａｌ合金のダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×５００）、（Ｂ）は同ダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×２００）、である。
【図９】（Ａ）は実施例２に係る合金の析出物微細化方法を適用して製造した高Ｓｉ含有（Ｓｉ：１４質量％）Ａｌ合金のダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×５００）、（Ｂ）は同ダイカスト合金断面の顕微鏡写真（×２００）、である。
【図１０】鋳造方法が合金の引張強さに及ぼす影響を示すグラフである。
【図１１】Ａｌ合金（結晶）の模式図である。
【図１２】Ａｌ合金（緻密化された結晶）の模式図である。
【図１３】Ａｌ合金（ＡＤＣ１２：Ｓｉ濃度１２．７質量％）の模式図である。
【図１４】Ａｌ合金（ＡＤＣ１２：微細化された共晶Ｓｉ）の模式図である。
【図１５】Ｓｉ含有Ａｌ合金の状態図の説明図である。
【図１６】高Ｓｉ含有のＡｌ合金（初晶Ｓｉ及び結晶Ｓｉ）の模式図である。
【図１７】高Ｓｉ含有のＡｌ合金（微細化された初晶Ｓｉ及び結晶Ｓｉ）の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
まず、図１〜図３を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法に用いる析出物微細化装置（以下、単に微細化装置ともいう）１０について説明する。
【００３２】
析出物微細化装置１０は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金（以下、単に合金ともいう）の溶湯１１中に浸漬させて、溶湯１１を撹拌する撹拌手段１２を有している。
撹拌手段１２は、板材１３に、下方へ突出した状態で取付け固定され、軸心方向に振動可能な複数本（ここでは、３本）の撹拌棒１４を有している。
各撹拌棒１４は、外周面に螺旋状突起１５が設けられた有底の管１６を備えている。なお、複数本の撹拌棒１４のうち、１本の撹拌棒の管１６内には、温度管理を行うためのヒータ１７と熱電対１８が挿入され配置されている。
【００３３】
この管１６の材質は、溶湯１１となった合金との反応等を考慮した（溶湯１１への溶出を抑制、更には防止可能な）高融点かつ高強度のもの（例えば、ステンレスやセラミックス）を選定することが好ましい。
なお、管１６は、予め管状に製造されたものでもよく、また、中実の棒材に対し、前記したヒータ１７及び熱電対１８を挿入可能な穴を、機械加工等により形成したものでもよい。なお、撹拌棒は、管状とすることなく棒材とすることもでき、この場合、ヒータ及び熱電対は別途設ける。
【００３４】
また、管１６の外周面に設けた螺旋状突起１５の材質も、上記管１６と同質のものを使用することが好ましい。
この螺旋状突起１５は、管１６に別途取付けるものでもよく、また、管１６と一体的に構成されるものでもよい。
ここで、螺旋状突起を管に別途取付ける場合、管と同質の線材又は板材を、溶接等により管の外周面に取付け固定するのがよく、また、螺旋状突起を管と一体的に構成する場合、棒材の外周部を、螺旋状又は筍状に加工するのがよい。
【００３５】
板材１３の側部には、振動の発生源となる振動用モータ１９が設置されている。
これにより、振動用モータ１９を作動させることで、振幅等の運動エネルギー（振動運動）が、板材１３を介して撹拌棒１４へ伝達されるため、撹拌棒１４の振動運動により、運動エネルギーを溶湯１１へ直接付与し、溶湯１１を撹拌することができる（図３中の矢印参照）。
【００３６】
なお、螺旋状突起１５は、管１６の周面から外側へ、幅広く張り出した形状とすることで、前記した運動効果を、より効率的に溶湯１１へ伝達できる。
しかし、高温度域で、かつ、比重の重い合金の溶湯中での振動運動には、螺旋状突起に高い負荷がかかり、破損の原因となるため、管の周面からの螺旋状突起の張り出し量を、少なくする（例えば、０．５〜２ｍｍ程度、好ましくは、下限を１ｍｍ程度、上限を１．５ｍｍ程度とする）ことが好ましい。
【００３７】
このように、管１６の周面に設けられた螺旋状突起１５の張り出し量には、強度的な制約があるため、幅広い容器２０内に貯留されている溶湯１１全域に、撹拌棒１４による運動エネルギーを十分に与えることができないおそれがある。
このため、溶湯１１の表面積に応じて、撹拌棒１１を複数本使用し、溶湯１１の撹拌を行うことが好ましい。
【００３８】
例えば、溶湯１１の湯面２１位置における撹拌手段１２、即ち全撹拌棒１４の占有面積が、溶湯１１の湯面２１の面積の３０％以上６０％以下となるように、撹拌棒１４の本数を調整することが好ましい。
ここで、全撹拌棒の占有面積が、溶湯の湯面の面積の３０％未満の場合、占有面積が狭過ぎて、上記したように、溶湯全域に、撹拌棒による運動エネルギーを十分に付与できないおそれがある。一方、全撹拌棒の占有面積が６０％超の場合、占有面積が広過ぎて、一度に撹拌可能な溶湯量が少なくなるため、作業効率の低下を招き、また、撹拌棒の本数が多くなるため、装置構成が複雑になると共に、コストがかかって不経済である。
従って、溶湯１１の湯面２１における全撹拌棒１４の占有面積を、溶湯１１の湯面２１の面積の３０％以上６０％以下としたが、下限を４０％、更には４５％、上限を５５％とすることが好ましい。
【００３９】
なお、一度に行われる鋳造に必要な溶湯量が多く、湯面の面積が広くなる場合には、図４、図５に示す析出物微細化装置３０を使用することもできる。
この析出物微細化装置３０も、前記した析出物微細化装置１０と同様、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯中に浸漬させて、溶湯を撹拌するものであるため、同一部材には同一番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００４０】
析出物微細化装置３０は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯１１中に浸漬させて、溶湯１１を撹拌する撹拌手段３１を有している。
撹拌手段３１は、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根３２と、撹拌羽根３２の周囲に間隔を有して設けられ、軸心方向に振動可能な複数本（ここでは、２本）の撹拌棒１４を有している。なお、各撹拌棒１４は、板材３３に、下方へ突出した状態で取付け固定されている。
板材３３の中央部には、上下方向に貫通した孔３４が形成され、この孔３４に、板材３３とは接触しないように、撹拌羽根３２が配置されている。
【００４１】
これにより、撹拌羽根３２は、その上端部に設けられた撹拌用モータ３５によって、回転運動のみを溶湯１１に伝達できるため、撹拌羽根３２で掻き混ぜられた溶湯１１は、撹拌羽根１１の外側に配置された各撹拌棒１４に強制的に接触する（図５中の白抜き矢印参照）。また、各撹拌棒１４を軸心方向に振動させることで、各撹拌棒１４に接触した溶湯１１に、前記した運動エネルギーを伝達し、溶湯１１を撹拌できる（図５中の矢印参照）。
従って、溶湯１１の湯面２１の表面積が大きい場合にも対応可能である。なお、図４、図５中の番号３６は、溶湯１１を入れる容器（カップ）である。
上記した析出物微細化装置３０についても、前記した析出物微細化装置１０と同様、溶湯１１の湯面２１位置における撹拌手段３１、即ち撹拌羽根３２と全撹拌棒１４の合計の占有面積が、溶湯１１の湯面２１の面積の３０％以上６０％以下となるように、撹拌羽根３２及び撹拌棒１４のいずれか一方又は双方の本数を調整することが好ましい。
なお、撹拌手段として、軸心を中心として回転可能な撹拌羽根のみを、１本又は複数本用いてもよい。
【００４２】
以上に示したように、溶湯の撹拌は、機械的に行うことができるが、電磁的に行うこともできる。なお、電磁的な撹拌は、単独で行ってもよく、また、機械的な撹拌と組み合わせて行ってもよい。
例えば、溶湯を、合金の溶解保持炉（以下、単に保持炉ともいう）から圧力で汲み上げ、配管等を介して給湯するような場合には、保持炉で、又は、配管等で、高周波、低周波、マイクロ波、又は、モーターコイル等を用いた電磁的なエネルギーを溶湯に付与し、溶湯を撹拌することもできる。
【００４３】
続いて、本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法について説明する。
まず、実際の鋳造工程の一例について説明する。
合金の溶湯を溶解保持炉から鋳造機に給湯する方法としては、給湯機に取付けられた汲み取りカップを用いる方法や、圧力等を用いて保持炉から汲み出した溶湯を配管等を介して鋳造機に直接給湯する方法等があるが、いずれも鋳造機側の動きに合わせて給湯するタイミングを調整するため、一時的に貯留する工程（以下、貯留工程ともいう）が存在する。
【００４４】
上記した汲み取りカップを用いる方法のほとんどは、貯留工程で溶湯の温度管理が行われておらず、保持炉から鋳造機へ給湯する間の時間管理により、溶湯の流動性が著しく損なわれない（固相が発現しない）程度の温度が保たれる間に貯留工程が終了するように、作業が計画されている。
この貯留工程での溶湯は、放熱によって温度が降下し、かつ、静止状態にあるため、溶湯中の核形成は緩慢となり、数少ない核を中心に、初晶や共晶物が生成され、成長していることとなる。つまり、あらゆる合金の成形過程には、温度域によって液状から結晶粒として安定化する前に、核形成、析出相の形成、及び、析出相の成長、の各過程がある。
【００４５】
そこで、本発明者等は、上記した貯留工程において、予め選択した温度で溶湯の温度管理（加温）を行いながら、運動エネルギーを溶湯に与え、流動性を保った溶湯（液化）状態のまま、析出物の成長を抑制しつつ、核となる物質（核生成元素）の発現を促し、この溶湯を鋳造に用いることで、より高品質な合金製品を製造できることに想到した。即ち、溶湯状態を維持している間に、核生成元素を発現させて増やし、その核生成元素を中心に成長する析出物の成長を抑制することで、合金性能の向上を図る方法であり、以下の構成を特徴とするものである。
【００４６】
本発明の一実施の形態に係る合金の析出物微細化方法は、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金の溶湯の冷却過程で析出物を微細化する方法であり、過共晶合金の液相線温度ＴＬよりも、液相線温度ＴＬの２％以上１０％以下の範囲内で高く設定した温度Ｔ１から、過共晶合金の固相線温度ＴＳよりも高く、かつ、液相線温度ＴＬよりも、液相線温度ＴＬの１０％以下の範囲内で低く設定した温度Ｔ２まで、前記した析出物微細化装置１０や析出物微細化装置３０等を用いて、溶湯を撹拌する方法である。なお、上記した撹拌の温度領域は、従来の固液混在状態を目論む温度領域とは全く異なる基準で選定された温度領域であることから、固相の形成を行うことを目的とした従来技術とは、全く異なる技術といえる。
以下、詳しく説明する。
【００４７】
合金の溶湯の撹拌に際し、溶湯の撹拌開始を前記した温度Ｔ１に設定したのは、核生成元素の発現が、液相線温度ＴＬ以下の温度であることによる。
従って、溶湯の撹拌開始の温度Ｔ１の下限値を、液相線温度ＴＬよりも、この液相線温度ＴＬの２％（好ましくは４％、更に好ましくは５％）高い温度とした。
一方、溶湯の撹拌開始の温度Ｔ１の上限値を、液相線温度ＴＬよりも、この液相線温度ＴＬの１０％（好ましくは７％）高い温度としたのは、これより高い温度から溶湯の撹拌を行っても、撹拌の効果が小さく、エネルギーコストもかかることによる。
【００４８】
また、溶湯の撹拌終了を前記した温度Ｔ２に設定したのは、核生成元素の発現数の増加を図り続けるためである。
従って、溶湯の撹拌終了の温度Ｔ２の上限値を、液相線温度ＴＬよりも低い温度としたが、液相線温度ＴＬに近づくに伴い、その後の冷却過程で、核生成元素が凝集した状態で発現し、核生成元素の発現数の減少を招くおそれがあるため、この液相線温度ＴＬの２％、更には５％とすることが好ましい。
一方、溶湯の撹拌終了の温度Ｔ２の下限値は、当然のことながら、固相線温度ＴＳよりも高くする必要がある。しかし、固相線温度ＴＳに近づくに伴い、核生成元素の発現数の顕著な増加が見込めなくなるため、温度Ｔ２の下限値を、液相線温度ＴＬよりも、液相線温度ＴＬの１０％（好ましくは７％）低い温度とした。
【００４９】
上記した温度Ｔ１から温度Ｔ２までの温度領域（鋳造機への給湯を開始するまでの間）で、溶湯を撹拌することにより、核生成元素の発現数の増加を図り続けることができる。
これにより、結晶の肥大化が抑制可能な状態とされた溶湯を、鋳造機へ給湯し鋳造することで、微細化された結晶粒により、高強度等の合金性質を向上させた合金の成形が可能となる。
【００５０】
また、前記したように、溶湯を、合金の溶解保持炉から圧力で汲み上げ、配管等を介して給湯する場合は、例えば、以下の方法で鋳造を行う。
まず、溶解炉又は溶解保持炉において、含有元素が核を形成し始め初晶が生成される温度より高い状態で、溶解作業を実施する。
次に、溶解保持炉内に充填された溶湯そのものに、電磁的等の撹拌で運動エネルギーを与えながら、前記した温度範囲で核生成元素の発現や析出物の微細化を行う。
そして、この状態を継続的に維持しながら、必要量を適時汲み出し、鋳造を行う。
【００５１】
ここで、対象となる過共晶合金の一例を、以下に示す。
Ａｌの過共晶合金としては、合金元素にＳｉを用いたＡｌ−Ｓｉの合金がある。
このように、ここでは、Ａｌの過共晶合金を対象としているため、Ｓｉの濃度は１２．７質量％超（図１４参照）であるが、本発明の効果を得るには、Ｓｉ濃度は１３質量％以上が好ましく、更には、１８質量％以上が好ましい。
一方、Ｓｉ濃度が高くなるに伴い、本発明の効果が顕著となるため、上限値については規定していないが、現状では、３０質量％程度と考えられる。
【００５２】
また、他のＡｌの過共晶合金としては、合金元素にＦｅ及びＳｉを用いたＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉの合金（ＦｅとＳｉが共に、Ａｌとの三元共晶点よりも多量に含まれる合金）がある。
この合金は、Ａｌ合金の中でも高強度を目指した合金であり、上記した溶湯の温度管理と、前記した析出物微細化装置１０等による溶湯の撹拌により、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉの化合物の結晶を微細化することができ、その結果、更に高強度な合金を作製できる。
【００５３】
そして、Ｍｇ（マグネシウム）の過共晶合金としては、合金元素にＣａ（カルシウム）を用いたＭｇ−Ｃａの合金がある。なお、合金中のＣａ濃度は１６．２質量％超である。
この合金は、Ｍｇの燃焼点を上昇させるため、Ｃａを添加材として利用する合金であるが、Ｃａの添加により、合金が脆くなり易くなる欠点がある。そこで、上記した溶湯の温度管理と、前記した析出物微細化装置１０等による溶湯の撹拌により、ＣａＭｇ２化合物の結晶の微細化を図ることが可能となるため、上記したＣａの添加による欠点が払拭され、機械的性質を維持、更には、向上させることが可能となる。
【００５４】
ここでは、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金として、上記した組成の合金を例示した。
しかし、Ａｌ又はＭｇの過共晶合金であれば、上記組成の合金に限定されるものではなく（例えば、必要に応じて他の添加元素が含まれてもよい）、上記した溶湯の温度管理と、前記した析出物微細化装置１０等による溶湯の撹拌による効果が得られる合金であれば、本発明の権利範囲に含まれる。
【実施例】
【００５５】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、高Ｓｉ含有Ａｌ合金（Ｓｉ濃度：２０質量％）の溶湯を、ダイカストマシンで鋳造した試験結果について説明する（実施例１）。
上記した高Ｓｉ含有Ａｌ合金は、液相線によると、核の形成及び結晶化の始まる温度が６５０℃であることから、溶湯保持炉内で６８０℃（初晶が生成される温度より約５％高い温度）に保持した溶湯を、給湯装置の先端に取付けられた汲み取り容器で一定量汲み取り、鋳造機の手前で待機させた。
次に、前記した析出物微細化装置１０の撹拌棒１４を、待機した状態の容器内の溶湯中に浸漬させ、溶湯の温度が６３０℃以上（液相線より約３％低い温度）を保つよう、溶湯の温度を管理しながら、振動等の運動エネルギーを溶湯に付与した。
【００５６】
容器内の溶湯（６８０℃）は、撹拌棒１４内に配置されたヒータ１７（６３０℃）及び熱電対１８による温度管理下で、運動エネルギーを与えられながら、徐々に温度が降下した。そして、溶湯の温度が６５０℃に達する時点で、Ｐを核生成元素として核生成化合物（ＡｌＰ）の形成が行われ、発現した核により、図６に示すように、溶湯内のＳｉから初晶Ｓｉが生成され始めた。核生成元素の発現中に与えられている運動エネルギーにより、核生成化合物は大量に生成されるため、大量に生成された核を中核とする初晶Ｓｉの成長は抑制され、更に多くの核の発現により、初晶Ｓｉは極めて小さく、かつ、大量に、生成された。
【００５７】
このように、初晶Ｓｉが大量かつ微細な状態を保っている溶湯を、鋳造機に投入し鋳造型への充填を行うことで、溶湯温度は急激に降下した。
これにより、ＡｌはＴｉ及びＢを核生成元素としてＴｉＢ２の核生成化合物を形成し、また残されたＳｉは、図７に示すように、微細化された共晶Ｓｉとなり、微細化された結晶粒をもつ高性能な合金製品として成形された。
【００５８】
次に、高Ｓｉ含有Ａｌ合金（Ｓｉ濃度：１４質量％）の溶湯を、ダイカストマシンで鋳造した試験結果について説明する。
溶湯への運動エネルギーの付与を行わない通常のダイカスト方法（鋳造方法）を用いて作製したＡｌ合金の製品では、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、初晶Ｓｉと共晶Ｓｉが共に大きく成長していた（従来例）。
一方、前記した溶湯の温度管理下において、溶湯への運動エネルギーの付与を行って、微細化を図ったＡｌ合金の製品では、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、初晶Ｓｉと共晶Ｓｉが共に微細化されていた（実施例２）。
【００５９】
また、これらＡｌ合金を用いて引張強さの比較を行ったところ、図１０に示すように、通常の鋳造方法によるＡｌ合金と比較し、結晶の微細化を図ったＡｌ合金は、２０％以上上昇することが確認された。
【００６０】
なお、他のＡｌの過共晶合金（例えば、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉの合金）や、Ｍｇの過共晶合金（Ｍｇ−Ｃａの合金）についても、上記と同様の傾向が得られた。
【００６１】
以上のことから、本発明の合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置により、Ａｌ（又はＭｇ）の過共晶合金の合金性能を、従来よりも向上できることを確認できた。
【００６２】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の合金の析出物微細化方法及びこれに用いる析出物微細化装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、溶湯の撹拌を、液相線温度ＴＬを跨ぐ温度Ｔ１から温度Ｔ２までの温度範囲のみで行った。しかし、少なくともこの温度範囲で溶湯の撹拌を行っていれば、温度Ｔ１よりも高い温度から、溶湯の撹拌を開始してもよく、また、温度Ｔ２よりも低い温度（固相線温度ＴＳよりも高い温度）で、溶湯の撹拌を終了することもできる。
【符号の説明】
【００６３】
１０：析出物微細化装置、１１：溶湯、１２：撹拌手段、１３：板材、１４：撹拌棒、１５：螺旋状突起、１６：管、１７：ヒータ、１８：熱電対、１９：振動用モータ、２０：容器、２１：湯面、３０：析出物微細化装置、３１：撹拌手段、３２：撹拌羽根、３３：板材、３４：孔、３５：撹拌用モータ、３６：容器