(57)【要約】【課題】金型に適した高い硬さを備え、かつ粗大晶出物を含まない金型用アルミニウム合金素材を提供する。【解決手段】Ｍｇ：２．０〜７．０％、Ｍｎ：１．０を超え１．７％以下、残部：Ａｌおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうちＣｒの含有量を０．００７％以下としたアルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造し、または鋳造後更に圧延してなる金型用アルミニウム合金素材。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ：２．０〜７．０％、Ｍｎ：１．０を超え１．７％以下、残部：Ａｌおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうちＣｒ：０．００７％以下である組成を有するアルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造しまたは鋳造後更に圧延してなることを特徴とする金型用アルミニウム合金素材。
【請求項２】
Ｃｒ：０．００４％以下であることを特徴とする請求項１記載の金型用アルミニウム合金素材。
【請求項３】
更に、Ｓｉ：１．０％以下、Ｆｅ：１．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｚｎ：５．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下およびＺｒ：１．０％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の金型用アルミニウム合金素材。
【請求項４】
更に、Ｔｉ：０．１％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金型用アルミニウム合金素材。
【請求項５】
更に、Ｂ：０．０２％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金型用アルミニウム合金素材。
【請求項６】
更にＢｅ：０．０１％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金型用アルミニウム合金素材。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載した組成を有するアルミニウム合金の溶湯を半連続鋳造法により鋳塊とする工程と、該鋳塊を４００〜６００℃に４ｈ以上保持する工程とを含むことを特徴とする金型用アルミニウム合金素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂成形やプレス成形等の金型用に適した形彫切削性および耐久性の高いアルミニウム合金素材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
旧来から、前記金型の素材としては耐久性の高い鉄が使用されてきたが、多品種少量生産の場合、形彫切削が容易で生産に速やかに入れるような金型素材が求められている。
【０００３】
このような良好な形彫切削性を有する金型素材として特開平４−２１８６４０号公報には、Ｍｇ、Ｍｎ等の元素を特定量含有するアルミニウム合金素材が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記提案されたアルミニウム合金素材は形彫切削は容易であるが、耐久性の面で更に向上が求められていた。
【０００５】
本発明者は素材の硬さが高ければ金型としての耐久性も向上することに着目し、Ｍｎの含有量を多くすることを試みた。しかし、半連続鋳造法で大型の鋳塊を製造し、形彫切削したところ、Ｍｎ含有量が１．０％を超えると、鋳塊の中央部近傍に１〜１０ｍｍの粗大な第２相晶出物（以下、単に「晶出物」と呼ぶ）が多数生成し、金型面に疵が発生して美麗な仕上げ面が得られないことが判明した。（本明細書中で成分含有量を表示する「％」は「ｍａｓｓ％」の意である。）
すなわち本発明は、金型に適した高い硬さを備え、かつ粗大晶出物を含まない金型用アルミニウム合金素材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は更に詳細な検討を行なった結果、特定量のＭｇを含有するアルミニウム合金にＭｎを１．０％を超えて含有させ、更に不可避的不純物としてのＣｒの含有量を極力低減することにより、鋳塊中に粗大晶出物が晶出しないことを見出して本発明を完成した。
【０００７】
即ち第１の発明は、Ｍｇ：２．０〜７．０％、Ｍｎ：１．０を超え１．７％以下、残部：Ａｌおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうちＣｒの含有量を０．００７％以下としたアルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造してなることを特徴とする金型用アルミニウム合金素材である。
【０００８】
本発明の金型用アルミニウム合金素材は、Ｍｎを１．０％を超えて含有させ、Ｃｒ量を０．００７％以下、好ましくは０．００４％以下としたことによって、金型の耐久性に必要な高い硬さを確保しつつ、粗大晶出物の晶出を防止して美麗な金型面が得られる。
【０００９】
本発明の金型用アルミニウム合金素材は、上記組成に加えて、Ｓｉ：１．０％以下、Ｆｅ：１．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｚｎ：５．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下およびＺｒ：１．０％以下の一種または二種以上を含有させることにより、更に強度を高めることができる。
【００１０】
更に、Ｔｉ：０．１％以下を含有させることにより、鋳塊の結晶粒が微細化し、特に鋳塊サイズが大きい場合に発生し易い鋳造割れを防止できる。
【００１１】
更に、Ｂ：０．０２％以下を含有させることにより、鋳塊の結晶粒が微細化し、特に鋳塊のサイズが大きい場合に発生し易い鋳造割れを防止できる。
【００１２】
更に、Ｂｅ：０．０１％以下を含有させることにより、溶製時および鋳造時にＭｇの酸化が防止され、Ｍｇの歩留りが高まると共にＭｇ酸化物系介在物の生成が防止される。
【００１３】
第２の発明は、本発明のアルミニウム合金素材を得る際に、上記の組成を有するアルミニウム合金の溶湯を半連続鋳造法により鋳塊とし、この鋳塊を４００〜６００℃に４ｈ以上保持することを特徴とする金型用アルミニウム合金素材の製造方法である。半連続鋳造法を採用したことによって、合金溶湯の凝固冷却速度が早く晶出物の小さい金型用アルミニウム合金素材を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の金型用アルミニウム合金素材において、成分およびその含有量を限定した理由を説明する。
〔Ｍｇ：２．０〜７．０％〕
〔Ｍｎ：１．０を超え１．７％以下〕
ＭｇおよびＭｎは、本発明の金型用アルミニウム合金素材に硬さと形彫切削性を付与するために必須の合金成分である。Ｍｇはマトリックスに固溶することによって硬さを向上させる。ＭｎはＡｌ、Ｆｅ、Ｓｉ等の元素と微細な金属間化合物を形成し、硬さを向上させる。Ｍｇ含有量が下限値未満またはＭｎ含有量が下限値以下であると、金型として必要な硬さおよび形彫切削性が得られない。Ｍｇ含有量が上限値を超えると、鋳造性が低下し半連続鋳造法で健全な鋳塊が製造し難くなる。また、Ｍｎ含有量が上限値を超えると、粗大な晶出物が晶出し、形彫切削後の金型面の美麗さが低下する。Ｍｎ含有量の好ましい範囲は、１．５％以下であり、特に高い硬さを必要とする場合はＭｎ含有量を１．１％以上、更に１．２％以上と順次増加させることにより所要硬さに調整することができる。
〔Ｃｒ：０．００７％以下〕
本発明の金型用アルミニウム合金素材においては、形彫切削により金型面の美麗な仕上がりを確保するために、Ｃｒ含有量を制限する必要がある。Ｍｎを１．０％を超える含有量で含有する合金にＣｒが存在していると、溶湯を半連続鋳造法で鋳造した際に、鋳塊中に第２相として３ｍｍφ程度の粗大なＭｎ含有晶出物が生成する場合がある。このような粗大晶出物は、形彫切削時に疵を発生させ、金型面の美麗な仕上りを妨げる。本発明者は、Ｃｒ含有量を０．００７％以下に制限すれば晶出物が生成してもサイズが微細になり、金型面の仕上がりに影響を及ぼす粗大な晶出物は生成しないことを見出した。好ましくは、Ｃｒ含有量を０．００５％未満とする。Ｃｒ含有量を更に低減して０．００４％以下に制限すると、晶出物は実質的に生成しない。
【００１５】
硬さを高める必要がある場合は、Ｍｎ量を順次増加させることになるが、その場合はＭｎ含有量に応じて、Ｃｒ含有量を０．００５％未満、０．００４％以下、０．００３％以下と順次少なくすることが好ましい。Ｃｒは不可避的不純物として合金中に存在するので、本発明のアルミニウム合金素材の製造に用いる原料地金、返材等を厳しく峻別して、Ｃｒ含有量を低減する必要がある。
【００１６】
以上の成分限定は本発明の金型用アルミニウム合金素材において必須の構成である。本発明においては、以下の成分を必要に応じて任意に添加することができる。
【００１７】
〔Ｓｉ：１．０％以下、Ｆｅ：１．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｚｎ：５．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下およびＺｒ：１．０％以下の一種または二種以上〕
Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、ＮｉおよびＺｒの一種または二種以上を添加することにより、本発明のアルミニウム合金素材の強度が更に高まり、金型の耐久性が一層向上する。ただし、各元素が上限値を超えて存在すると、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｒの場合は各々の元素を含む粗大な晶出物が生成し易くなり、金型面の美麗な仕上がりを妨げ、Ｃｕ、Ｚｎの場合はむしろ金型の強度が低下し耐久性が低下する。
〔Ｔｉ：０．１％以下〕
Ｔｉは鋳塊の結晶粒を微細化して鋳造割れを防ぐ効果があり、同時に、金型面を美麗にする効果もある。上限値を超えるとＴｉを含む粗大な晶出物が生成し易くなる。
〔Ｂ：０．０２％以下〕
Ｂは鋳塊の結晶粒を微細化して鋳造割れを防ぐ効果があり、同時に、金型面を美麗にする効果もある。上限値を超えるとＢを含む粗大な晶出物が生成し易くなる。
〔Ｂｅ：０．０１％以下〕
Ｂｅ：０．０１％以下を含有させると、溶製時および鋳造時にＭｇの酸化が防止され、Ｍｇの歩留りが向上し、かつＭｇ酸化物系介在物の生成が防止される。上限値を超えても添加しても上記効果の顕著な向上はなく、単に不経済である。
【００１８】
不可避的不純物とは、溶製に際して原料から不可避的に混入されるものであって、本発明においてはＳｉ：０．１％以下、Ｆｅ：０．２％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｚｎ：０．２％以下、Ｎｉ：０．０５％、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００１％以下、Ｂ：０．０００５％以下、Ｂｅ：０．０００１％以下が不可避的に混入されてくる含有量である。これら不可避的不純物は、無制限に含有されると本発明の金型用アルミニウム合金素材の特性に悪影響を及ぼすことがあるが、上述の制限範囲内に含有量を制御して添加することにより、必要な特性を更に向上させることができる。なお、請求項１〜６において規定した元素以外の元素は少ない方が好ましいが、各々０．０５％以下、合計で０．１５％までの含有は許容される。
【００１９】
次に、本発明の金型用アルミニウム合金素材の好ましい製造方法を説明する。
【００２０】
まず合金組成の配合に際しては、Ｃｒ含有量が０．００７％以下、好ましくは０．００５％未満、更に好ましくは０．００４％以下になるように原料地金、返材を厳選する。
【００２１】
溶湯の溶製は公知の方法で行なえばよく、脱ガス処理、脱滓、鎮静、フィルターを通して介在物を除去した後、半連続鋳造法により鋳造し鋳塊とすることにより、または鋳塊を更に圧延することにより金型用アルミニウム合金素材を得る。
【００２２】
半連続鋳造法は公知の方法でよい。すなわち、金型下部周縁から冷却水が吐出される形式の水冷金型内に、上記の処理を施した溶湯を注湯し、金型の底部を鋳塊と共に徐々に下方に移動させ、金型下部から出現した高温の鋳塊を、金型下部周縁から吐出している冷却水により急速に冷却し、所定長さの鋳塊が得られた時点で鋳造を終了する。このように半連続鋳造法においては、金型下部から出現した直後の鋳塊は、外皮部分（殻、シェル）は凝固完了しているが内部は未凝固であり、この状態で吐出冷却水で急冷され急速凝固するので、凝固中の第２相の晶出が抑制される。
【００２３】
本発明の金型用アルミニウム合金素材は、半連続鋳造法で鋳造する鋳塊の断面サイズを３５０〜５６０ｍｍ×１０００〜１８００ｍｍと大きいサイズとしても粗大な晶出物は生成しないから、特に大型の合金素材を得るような場合に有効である。
【００２４】
半連続鋳造法は上記のように高速凝固が行なわれるので、晶出物が小さくて固溶元素が多く、かつ断面サイズの大きい金型用アルミニウム合金素材が得られる。鋳造ままで金型用素材として供することができるが、得られた金型用アルミニウム合金素材は、鋳塊を４００〜６００℃に４時間以上保持する熱処理で硬さを増すことができる。これはこの熱処理で固溶元素の一部が微細に析出し、析出強化によって鋳塊の硬さが向上するものと考えられる。熱処理の温度が下限値未満または保持時間が下限値未満で有ると硬さの最高値は得られない。上限値を超えると析出物の一部が固溶し始め、硬さが低下し始める。好ましい保持時間は１０時間以下であり、これ以上保持すると硬さが低下する傾向が見られる。無熱処理鋳塊を金型用素材に供してもよく、熱処理鋳塊を圧延して金型用素材に供してもよい。
【００２５】
【実施例】
表１に分析値を示した種々の組成のアルミニウム合金溶湯を、脱ガス、脱滓し、セラミックフィルターを通した後、断面サイズ５００ｍｍ×１１００ｍｍの水冷鋳型を用いて半連続鋳造法で鋳造した。鋳造速度は鋳型底部の引出速度で３０〜４０ｍｍ／分であった。冷却水量は０．９ｍ３／分であった。
【００２６】
得られた鋳塊について、引張強さ、粗大晶出物、硬さを実測した。結果を表２に示す。各測定条件は下記のとおりであった。
【００２７】
（１）引張強さ
試験条件はＪＩＳ　Ｚ２２０１に準じた。
【００２８】
（２）粗大晶出物
鋳造方向に直角の断面を光学顕微鏡にて観察し、３０ｍｍ×３０ｍｍの視野内において最長径０．２ｍｍ以上の粗大晶出物の個数を数えた。
【００２９】
（３）硬さ
上記（２）と同じ断面のブリネル硬さを測定した。
【００３０】
【表１】
2004076042.tif 000002
【００３１】
【表２】
2004076042.tif 000003
【００３２】
表２の結果から、本発明による試料（試料番号１〜１７）は硬さおよび引張強さが高く、しかもＭｎ含有量が高いにもかかわらず粗大晶出物が存在しないことが判る。また熱処理により硬さが向上することが判る（試料番号６と１６を比較）。また熱処理温度が低ければ硬さ向上の効果が低く、高すぎれば逆に硬さが低下することが判る（試料番号６と１７を比較）。
【００３３】
一方、比較例の試料は、Ｍｎ含有量が低すぎる場合（試料番号２０）は硬さが低く、Ｍｎ含有量が高すぎる場合（試料番号１９）はＣｒ量を低く押さえても粗大晶出物が多数生成することが判る。またＭｎ含有量が本発明の範囲内にあってもＣｒ量が適切でないと粗大晶出物が生成することが判る（試料番号２１）。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る金型用アルミニウム合金素材は、強度（硬さ、引張強さ）が高く、しかも粗大晶出物が生成していないため、形彫切削した場合に金型面が美麗でしかも耐久性の高い金型が得られる。なお形彫切削した金型面には更に硬さを増加させるために各種表面処理、例えば硬質アルマイト処理、イオンプレーティング法、スパッタリング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等で硬質皮膜を形成して長寿命化を図ることもできる。