(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、０．７５％≦Ｃｕ≦１．２５％、７．５％≦Ｓｉ≦８．５％、０．５０％＜Ｍｇ≦０．８０％、０．２０％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．３０％≦Ｍｎ≦０．５０％、０．１０％≦Ｃｒ≦０．３０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる、ことを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項２】
請求項１のアルミニウム合金において、
合金全体の重量に対して更にＴｉを０．３０重量％以下含有する、ことを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１又は２のアルミニウム合金において、
更にＮａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種を合金全体の重量に対して３０〜２００ｐｐｍとなるように添加した、ことを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかのアルミニウム合金において、
更にＳｂを合金全体の重量に対して０．０５〜０．２０重量％となるように添加した、ことを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかのアルミニウム合金において、
更にＢを合金全体の重量に対して１〜５０ｐｐｍとなるように添加した、ことを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかのアルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム合金鋳物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的特性に優れたアルミニウム合金および当該合金を利用したアルミニウム合金鋳物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自転車や自動車などの輸送機器全般において軽量化が求められており、アルミニウム合金鋳物品の適用が拡大している。従来より、この種の用途には、ＪＩＳ  ＡＤＣ３合金が多用されているが、かかる適用の拡がりに伴い、この従来材では機械的性質を満足できない用途も顕在化している。【０００３】
そこで、ＪＩＳ  ＡＤＣ３合金のような従来材では対応できない用途に対応するため、例えば、下記の特許文献１(日本国・特開２００３−２７１６９号公報)には、機械的強度と靭性とを高めたアルミニウム合金として、重量基準で８．５〜９．５％のＳｉと、０．２０％以下のＣｕと、０．２０〜０．４０％のＭｇと、０．６％以下のＦｅと、０．３０〜０．５０％のＭｎと、０．０５〜０．１５％のＴｉと、０．０１〜０．０２５％のＳｒと、０．１５％以下のＺｎとを含むと共に、残部にＡｌを含むアルミニウム合金が開示されている。
この技術によれば、（従来材の使用環境よりも）過酷な使用環境においても破壊に耐えられるよう、強度が高く、且つ靭性の高いアルミニウム合金を提供することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７１６９号公報
【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、合金の耐食性を維持するためにＣｕを不純物扱いとし、その含有割合を上述のように０．２０％以下に制限すれば、実質的にスクラップ原料の使用が不可能となり、アルミニウム合金を経済的に製造できなくなるのに加え、循環型社会を構築していく上での律速ともなる。また、Ｃｕはアルミニウム合金に対して引張強さや０．２％耐力と言った機械的性質を向上させる効果を有しているが、そのＣｕの含有割合を０．２０％以下に制限すれば、かかる効果も限定的となる。
それゆえに、本発明は、機械的特性、とりわけ引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さを高い次元でバランスさせ、主として輸送機器全般において拡大する用途にも対応できるアルミニウム合金であって、スクラップなどのリサイクル原料を使用して経済的且つ持続可能に生産することが可能なアルミニウム合金と、当該合金からなるアルミニウム合金鋳物品と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】
【０００６】
本発明における第１の発明は、「重量％で、０．７５％≦Ｃｕ≦１．２５％、７．５％≦Ｓｉ≦８．５％、０．５０％＜Ｍｇ≦０．８０％、０．２０％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．３０％≦Ｍｎ≦０．５０％、０．１０％≦Ｃｒ≦０．３０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる」ことを特徴とするアルミニウム合金である。【０００７】
この発明では、Ｃｕを０．７５重量％以上で且つ１．２５重量％以下の範囲内で含有させると共に、Ｍｇも０．５０重量％超から０．８０重量％以下の範囲内で含有させているので、スクラップなどのリサイクル原料の使用が可能となるのみならず、引張強さや０．２％耐力や硬さと言った機械的性質を向上させることもできる。また、耐食性を悪化させる虞のあるＣｕの含有割合を上記範囲内に抑える一方で、耐食性改善効果のあるＣｒを０．１０重量％以上で且つ０．３０重量％以下含有するようにしているので、Ｃｕの含有に伴うアルミニウム合金の耐食性の低下を最低限に抑えることができる。
以上のように、本発明では、主として上記の６種類の元素成分を所定の割合で含有させるだけで、それらの相互的作用によって、鋳造性や機械的性質に優れたアルミニウム合金のインゴットを、リサイクル原料を用いて経済的且つ簡便に製造することができる。【０００８】
なお、本発明のアルミニウム合金では、合金全体の重量に対して更にＴｉを０．３０重量％以下含有させるのが好ましい。こうすることにより、当該合金の結晶粒を微細化させて鋳造割れをより一層効果的に抑制できると共、機械的性質とりわけ伸びを向上させることができる。【０００９】
また、本発明のアルミニウム合金では、更に、Ｎａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種を合金全体の重量に対して３０〜２００ｐｐｍとなるように添加することや、Ｓｂを合金全体の重量に対して０．０５〜０．２０重量％となるように添加するのが好ましい。こうすることにより、共晶Ｓｉの粒子を細かくすることができ、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
更に、Ｂを合金全体の重量に対して１〜５０ｐｐｍとなるように添加することも好ましい。こうすることにより、特にＳｉ量が少ない場合や冷却速度の遅い鋳造方法を用いる場合であってもアルミニウム合金の結晶粒を微細化させることができ、その結果、当該アルミニウム合金の伸びを向上させることができる。【００１０】
本発明における第２の発明は、上記第１の発明に記載のアルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム合金鋳物品である。
本発明のアルミニウム合金からなるアルミニウム合金鋳物品は、鋳造性よく量産できると共に、機械的特性、とりわけ引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さが高い次元でバランスされているため、例えばアルミニウム合金鋳物品の適用が拡大している輸送機器全般において、軽量化が必要な鋳物品の新規用途で好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、機械的特性、とりわけ引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さを高い次元でバランスさせ、主として輸送機器全般において拡大する用途にも対応できるアルミニウム合金であって、スクラップなどのリサイクル原料を使用して経済的且つ持続可能に生産することが可能なアルミニウム合金と、当該合金からなるアルミニウム合金鋳物品とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｃｕの含有割合と非熱処理のアルミニウム合金各物性との関係を示すグラフである。
【図２】Ｃｕの含有割合とＴ６処理後のアルミニウム合金各物性との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について具体例を示しながら詳述する。
本発明のアルミニウム合金は、重量％で、０．７５％≦Ｃｕ≦１．２５％、７．５％≦Ｓｉ≦８．５％、０．５０％＜Ｍｇ≦０．８０％、０．２０％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．３０％≦Ｍｎ≦０．５０％、０．１０％≦Ｃｒ≦０．３０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とで大略構成されている。以下、各元素の特性について説明する。
【００１４】
Ｃｕ(銅)は、アルミニウム合金の耐摩耗性や機械的強度や硬さを向上させるために重要な元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＣｕの含有割合は、上述したように０．７５重量％以上で且つ１．２５重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｃｕの含有割合が０．７５重量％未満の場合には、上述の機械的性質改善効果を得ることができなくなり、逆に、Ｃｕの含有割合が１．２５重量％を超える場合には、主にＴ６処理材(詳しくは後述)において引張強度や伸びが不十分なものとなるからである。
【００１５】
Ｓｉ（ケイ素）は、アルミニウム合金溶融時における流動性を確保し、鋳造性を向上させる重要な元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＳｉの含有割合は、上述したように７．５重量％以上で且つ８．５重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｓｉの含有割合が７．５重量％未満の場合には、溶湯の流動性を確保することが難しく、その鋳造方法として一般的に多用されている通常のダイカストでの成形を考えた場合、大型部品への適用の妨げとなり、逆に、Ｓｉの含有割合が８．５重量％を超える場合には、鋳造性は向上するが合金の伸びが著しく低下するようになるからである。
【００１６】
Ｍｇ（マグネシウム）は、主としてアルミニウム合金中のＡｌ母材に固溶した状態又はＭｇ２Ｓｉとして存在し、アルミニウム合金に耐力および硬さを付与する一方で、過大量の含有によって伸びが著しく低下すると共に鋳造性や耐食性にも悪影響を及ぼす成分である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＭｇの含有割合は、上述したように０．５０重量％超で且つ０．８０重量％以下の範囲であることが好ましい。Ｍｇの含有割合が０．５重量％以下の場合には、熱処理の有無にかかわらず合金の０．２％耐力と硬さとを確保することが可能となる一方、Ｍｇの含有割合が０．８重量％を超える場合には、合金の伸びが著しく低下するようになるからである。
【００１７】
Ｆｅ（鉄）は、例えばダイカストなどの鋳造を行う際に、金型の焼付きを防止する効果を有していることが知られている。しかしながら、このＦｅは、Ａｌ-Ｓｉ-Ｆｅからなる針状晶を晶出し、アルミニウム合金の靱性(伸び)を低下させると共に、大量に添加すると適温での溶解を困難にする。
アルミニウム合金全体の重量に対するＦｅの含有割合は、リサイクルの観点から原料の一部にスクラップなどのリサイクル原料を用いることを考慮すれば、上述したように０．２０重量％以上であることが好ましい。その一方で、Ｆｅの含有割合が高すぎると、上記の通りＡｌ-Ｓｉ-Ｆｅからなる針状晶を晶出し、合金の伸びが低下するため、その上限は上述したように０．５０重量％以下であることが好ましい。
【００１８】
Ｍｎ（マンガン）は、上述したＦｅと同様に、主としてダイカストなどの鋳造時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するためのものである。このＭｎもＦｅと同様に、大量に含有させると適温での溶解が困難になることから、本発明では、アルミニウム合金全体の重量に対するＭｎの含有割合の上限を０．５０重量％以下に抑えている。
なお、このＭｎの含有割合の下限については、上記焼付き防止効果を顕著に発揮させるためには、上述したように０．３０重量％以上含有させるのが好ましい。
【００１９】
Ｃｒ（クロム）は、上述したＦｅやＭｎと同様に、ダイカストなどの鋳造時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するのに加え、合金の耐食性を向上させる効果を有する元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＣｒの含有割合は、上述したように０．１０重量％以上で且つ０．３０重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｃｒの含有割合が０．１０重量％未満の場合には、上述の効果を十分に得ることができなくなり、逆に、Ｃｒの含有割合が０．３０重量％を超える場合には、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。
【００２０】
以上の含有割合に従って、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ及びＣｒの含有割合を調整すると、機械的特性、とりわけ引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さを高い次元でバランスさせたアルミニウム合金をリサイクル原料を用いて経済的且つ持続可能に生産することができる。
【００２１】
なお、上述した各元素成分のほかに、Ｔｉ（チタン）を添加するようにしてもよい。このＴｉは、結晶粒を微細化させる効果を有しており、一般的には鋳造割れの抑制や機械的性質のうち特に伸びを向上させることができる元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するこのＴｉの含有割合は、０．３０重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｔｉの含有割合が０．３０重量％を超える場合には、アルミニウム合金の溶解が難しくなり、溶け残りの生じる可能性が出てくるからである。
【００２２】
また、上述した各元素成分のほかに、Ｎａ（ナトリウム），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｃａ（カルシウム）およびＳｂ（アンチモン）から選ばれる少なくとも１種を改良処理材として添加するようにしてもよい。このような改良処理材を添加することによって共晶Ｓｉの粒子を細かくすることができ、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
ここで、アルミニウム合金全体の重量に対する改良処理材の添加割合は、当該改良処理材がＮａ，ＳｒおよびＣａの場合には３０〜２００ｐｐｍ、Ｓｂの場合には０．０５〜０．２０重量％の範囲であることが好ましい。改良処理材の添加割合が３０ｐｐｍ(Ｓｂの場合には０．０５重量％)未満の場合には、アルミニウム合金中の共晶Ｓｉの粒子を微細化するのが困難となり、逆に、改良処理材の添加割合が２００ｐｐｍ(Ｓｂの場合には０．２０重量％)より多い場合には、アルミニウム合金中の共晶Ｓｉの粒子は十分に微細化されており、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。
【００２３】
また、上記改良処理材に代えて、或いは改良処理材と共に、Ｂ（硼素）を添加するようにしてもよい。このようにＢを添加することによってアルミニウム合金の結晶粒が微細化され、当該合金の伸びを向上させることができる。なお、かかる効果は、特にＳｉ量が少ない場合や冷却速度の遅い鋳造方法を用いる場合に顕著となる。
アルミニウム合金全体の重量に対するＢの添加割合は、１〜５０ｐｐｍの範囲であることが好ましい。Ｂの添加割合が１ｐｐｍ未満の場合には、アルミニウム合金中の結晶粒を微細化するのが困難となり、逆に、Ｂの添加割合が５０ｐｐｍより多い場合には、アルミニウム合金中の結晶粒は十分に微細化されており、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。
【００２４】
本発明のアルミニウム合金を製造する際には、まず、Ａｌ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ及びＣｒの各元素成分が上述した所定の割合となるように含有させた原料を準備する（必要に応じて上記のＴｉや改良処理材等も添加）。続いて、この原料を前炉付溶解炉や密閉溶解炉などの溶解炉に投入し、これらを溶解させる。溶解させた原料すなわちアルミニウム合金の溶湯は、必要に応じて脱水素処理および脱介在物処理などの精製処理が施される。そして、精製された溶湯を所定の鋳型などに流し込み、固化させることによって、アルミニウム合金の溶湯を合金地金インゴットなどに成形する。
【００２５】
また、本発明のアルミニウム合金を用いて、ダイカストや重力鋳造などの金型鋳造法，砂型鋳造法或いは精密鋳造法と言った様々な鋳造方法でアルミニウム合金鋳物品を鋳造した後、必要に応じて溶体化処理及び時効処理などが施される。このようにアルミニウム合金鋳物品に溶体化処理および時効処理などを施すことによってアルミニウム合金鋳物品の機械的特性を改良することができる。
【実施例】
【００２６】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
なお、下記の各種合金における機械的特性のうち、引張強さ，伸び及び０．２％耐力は、次の方法で測定した。すなわち、型締力１３５トンの通常のダイカストマシン(東芝機械(株)社製・ＤＣ１３５ＥＬ)を用いて、射出速度１．０ｍ／秒、鋳造圧力６０ＭＰａでダイカスト鋳造し、ＡＳＴＭ(American  Society  for  Testing  and  Material)規格に準拠した丸棒試験片を作製した。そして、鋳放しの状態及びＴ６処理後のかかる丸棒試験片について、(株)島津製作所社製の万能試験機(ＡＧ−ＩＳ  １００ｋＮ)を用いて、引張強さ，伸び，０．２％耐力を測定した。ここで、Ｔ６処理とは、溶体化処理を行った後、再加熱して人工時効処理する熱処理方法である。本実施例では、このＴ６処理として５１０℃で３時間加熱した後に水冷(溶体化処理)し、さらに１８０℃で３時間加熱した後に空冷(人工時効処理)した。
また、硬さについては、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ０２０２に準拠したロックウェル硬さ試験にて評価を行なった。すなわち、上記と同じ条件で鋳造した平板試験片の表面を１ｍｍ切削後、研磨したものについてロックウェル硬さ試験機で試験を行った。かかる試験機での測定を３回行い、その平均値をロックウェル硬さ試験の測定値とした。
さらに、各種合金の合金成分は、固体発光分光分析機（サーモフィッシャーサイエンティフィック社製  Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ＡＲＬ４４６０）を用いて測定した。【００２７】
Ｃｕのアルミニウム合金物性に対する影響
表１は、Ｃｕ以外の合金成分が本発明範囲内における或る一定の割合となるように調整すると共に、Ｃｕの含有割合を変化させて製造したアルミニウム合金の成分組成と各機械的特性(引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さ)との関係を示したものである。【００２８】
【表１】
0006267408.tif 000002
【００２９】
この表１および図１，２に示すように、アルミニウム合金のＣｕの含有割合が０．７５重量％以上になると、機械的特性、とりわけ引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さを高い次元でバランスさせるのに十分な引張強さを得ることができるようになり、１．２５重量％までは、非熱処理材・Ｔ６処理材共にその含有割合が増えるに従って引張強さの向上することが窺える。そして、Ｔ６処理材ではＣｕの含有割合が１．２５重量％を超えると引張強さが低下するようになる。このような傾向は、０．２％耐力や硬さでも窺える。
一方、当該合金の伸びは、Ｃｕの含有割合が増えるに従って漸減するようになり、特にＴ６処理材ではＣｕの含有割合が１．２５重量％を超えると伸びが５．０％を下回るようになり伸びに優れたものとは言い難くなる。
このため、本発明のアルミニウム合金では、Ｃｕの含有割合を０．７５重量％以上で且つ１．２５重量％以下の範囲内としている。
なお、表１中の合金１及び２は、本発明範囲内の合金組成すなわち実施例合金であり、合金９は、従来材を代表するＪＩＳ  ＡＤＣ３合金である。【００３０】
Ｍｇのアルミニウム合金物性に対する影響
表２は、Ｍｇ以外の合金成分が本発明範囲内における或る一定の割合となるように調整すると共に、Ｍｇの含有割合を変化させて製造したアルミニウム合金の成分組成と各機械的特性(引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さ)との関係を示したものである。【００３１】
【表２】
0006267408.tif 000003
【００３２】
この表２が示すように、アルミニウム合金のＭｇの含有割合が０．２９重量％の合金１０と０．６６重量％の合金１及び２とを比較した場合、Ｍｇの含有割合が多いと、当該合金の０．２％耐力及び硬さが向上する一方で伸びは減少する。このため、本発明のアルミニウム合金では、上述したように、他の元素成分とのバランスも考慮し、Ｍｇの含有割合を０．５０重量％超で且つ０．８０重量％以下の範囲内としている。
なお、表２中の合金１及び２は、本発明範囲内の合金組成すなわち実施例合金である。【００３３】
本実施形態のアルミニウム合金によれば、Ｃｕを０．７５重量％以上で且つ１．２５重量％以下の範囲内で含有させると共に、Ｍｇも０．５０重量％超から０．８０重量％以下の範囲内で含有させているので、スクラップなどのリサイクル原料の使用が可能となるのみならず、引張強さや０．２％耐力や硬さと言った機械的性質を向上させることもできる。また、耐食性を悪化させる虞のあるＣｕの含有割合を上記範囲内に抑える一方で、耐食性改善効果のあるＣｒを０．１０重量％以上で且つ０．３０重量％以下含有するようにしているので、Ｃｕの含有に伴うアルミニウム合金の耐食性の低下を最低限に抑えることができる。
【要約】
機械的特性、とりわけ引張強さ，伸び，０．２％耐力及び硬さを高い次元でバランスさせ、主として輸送機器全般において拡大する用途にも対応できるアルミニウム合金であって、スクラップなどのリサイクル原料を使用して経済的且つ持続可能に生産することが可能なアルミニウム合金と、当該合金からなるアルミニウム合金鋳物品とを提供する。
すなわち、本発明は、重量％で、０．７５％≦Ｃｕ≦１．２５％、７．５％≦Ｓｉ≦８．５％、０．５０％＜Ｍｇ≦０．８０％、０．２０％≦Ｆｅ≦０．５０％、０．３０％≦Ｍｎ≦０．５０％、０．１０％≦Ｃｒ≦０．３０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなることを特徴とするアルミニウム合金およびそのアルミニウム合金鋳物品である。【図１】
0006267408.tif 000004
【図２】
0006267408.tif 000005