(57)【要約】【課題】  延性を好適に確保しつつ、強度も向上させることができる半凝固成形用アルミニウム合金及び成形体の製造方法を提供する。【解決手段】半凝固成形用アルミニウム合金は、４．５〜６．５質量％の珪素、０．４〜０．８質量％のマグネシウム、０．０５〜０．２質量の％鉄、０．０１〜０．２質量％のチタン、残部アルミニウム（Ａｌ）及び不可避不純物等の成分を含有してなるものである。また、成形体は、前記半凝固成形用アルミニウム合金を半凝固成形法により成形して中間成形体とし、次いでこの中間成形体に溶体化処理（４９０〜５５０℃で１〜５時間）及び時効処理（１５０〜１９０℃で１〜１０時間）を施すことにより製造される。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素：４．５〜６．５質量％、マグネシウム：０．４〜０．８質量％、鉄：０．０５〜０．２質量％、チタン：０．０１〜０．２質量％、残部アルミニウム及び不可避不純物よりなることを特徴とする半凝固成形用アルミニウム合金。
【請求項２】
請求項１に記載の半凝固成形用アルミニウム合金において、
銅：０．０５〜０．６質量％、ストロンチウム：０．００１〜０．０４質量％、ホウ素：０．００１〜０．０１質量％のうち少なくとも１種を含有してなることを特徴とする半凝固成形用アルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半凝固成形用アルミニウム合金を半凝固状態とし、これを金型内で成形し、次いで４９０〜５５０℃の温度範囲で１〜５時間の溶体化処理を行った後、これを急冷し、１５０〜１９０℃の温度範囲で１〜１０時間の時効処理を行うことを特徴とする成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用部品等を形成する半凝固成形用アルミニウム合金及び成形体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用部品においては、車両軽量化の要請に応じてアルミニウム製部品への移行が進みつつある。アルミニウム合金からなる成形体の製造方法としては、溶融状態のアルミニウム合金を所定温度まで冷却して球状結晶を含む半凝固状態とし、これを金型内で加圧成形する、いわゆる半凝固成形法が知られている。この半凝固成形法により高延性の成形体を製造する場合、通常、ＪＩＳ鋳物用合金であるＡＣ４ＣＨが用いられる。しかし、このＡＣ４ＣＨの引張強度は凡そ３００ＭＰａであり、好適な機械的物性が要求される成形体の強度としては不十分なものであった。
【０００３】
そこで、好適な機械的物性を有する成形体を得るべく、特許文献１では、アルミニウム合金に対するＳｉ含有率を低下させるとともに、半凝固状態のアルミニウム合金の固相率、溶体化処理温度及び人工時効処理温度を適宜調整したものが開示されている。また、特許文献２では、アルミニウム合金に対するＳｉ含有率を低下させるとともに、溶融状態のアルミニウム合金の冷却速度を適宜調整したものが開示されている。
【特許文献１】特許第３３３２８８５号公報
【特許文献２】特開２００３−２５３３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載のアルミニウム合金では、不純物として必然的に混在される鉄の含有率が過剰であるため、好適な強度を有する成形体が得られるものの十分な延性が確保できない可能性があった。一方、特許文献２に記載のアルミニウム合金では、好適な延性を有する成形体が得られるものの十分な強度が確保できない可能性があった。即ち、これら両文献とも、強度及び延性それぞれの好適な確保という点においてなお改善の余地を残すものとなっていた。
【０００５】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、延性を好適に確保しつつ、強度も向上させることができる半凝固成形用アルミニウム合金及び成形体の製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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の半凝固成形用アルミニウム合金は、珪素：４．５〜６．５質量％、マグネシウム：０．４〜０．８質量％、鉄：０．０５〜０．２質量％、チタン：０．０１〜０．２質量％、残部アルミニウム及び不可避不純物よりなることを要旨とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明の半凝固成形用アルミニウム合金は、請求項１に記載の発明において、銅：０．０５〜０．６質量％、ストロンチウム：０．００１〜０．０４質量％、ホウ素：０．００１〜０．０１質量％のうち少なくとも１種を含有してなることを要旨とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明の成形体の製造方法は、請求項１又は２に記載の半凝固成形用アルミニウム合金を半凝固状態とし、これを金型内で成形し、次いで４９０〜５５０℃の温度範囲で１〜５時間の溶体化処理を行った後、これを急冷し、１５０〜１９０℃の温度範囲で１〜１０時間の時効処理を行うことを要旨とする。
【０００９】
（作用）
請求項１及び２に記載の発明によれば、半凝固成形用アルミニウム合金に含有される所定量の珪素、マグネシウム、鉄、チタン等の合金元素により、半凝固成形法を用いて得られる成形体の延性が好適に確保され、強度も向上される。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、金型内で成形されて得られる中間成形体に、適当な条件下で溶体化処理及び時効処理が施されるため、成形体の好適な強度及び延性が確保される。なお、溶体化処理とは、中間成形体を高温に加熱して合金元素を十分に固溶化する処理である。急冷は、合金元素の析出を阻止して過飽和固溶体をつくる処理である。また、時効処理とは、溶体化処理及び急冷によって得られた過飽和固溶体を適当な温度で保持することにより、第２相を析出させて硬化させる処理である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、成形体の延性を好適に確保しつつ、強度も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態における半凝固成形用アルミニウム合金は、珪素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、残部アルミニウム（Ａｌ）及び不可避不純物等の成分を含有してなるものである。また、本実施形態における成形体は、半凝固成形用アルミニウム合金を半凝固成形法により成形して中間成形体とし、次いでこの中間成形体に所定条件で溶体化処理及び時効処理（Ｔ６処理）を施すことにより製造されるものである。この成形体は、軽量性の他に高強度及び高延性が要請される部品（例えば自動車用部品）に適用することができる。この部品としては、ロアアーム、アッパーアーム、コントロールロッド等の車両のサスペンションアームや、ナックルステアリング、アクチュエータボディ、デリバリーパイプ等が挙げられる。
【００１３】
以下に、半凝固成形用アルミニウム合金に含有される各成分について説明する。Ｓｉは、半凝固成形用アルミニウム合金の半凝固成形用や成形体の機械的物性（強度及び延性）を向上させるものである。半凝固成形用アルミニウム合金に対するＳｉの成分含有率は、４．５〜６．５質量％が好ましく、５．０〜６．０質量％が特に好ましい。Ｓｉの成分含有率が４．５質量％未満の場合には、半凝固成形法に適した温度範囲が狭くなり、半凝固成形用が低下するとともに、成形体の十分な強度が得られない可能性がある。一方、Ｓｉの成分含有率が６．５質量％を超える場合には、成形体の十分な延性が得られない可能性がある。
【００１４】
Ｍｇは、Ｍｇ2Ｓｉの微細析出により成形体の機械的物性を向上させるものである。半凝固成形用アルミニウム合金に対するＭｇの成分含有率は、０．４〜０．８質量％が好ましく、０．４９〜０．７８質量％が特に好ましい。Ｍｇの成分含有率が０．４質量％未満の場合には、成形体の十分な強度が得られない可能性がある。一方、Ｍｇの成分含有率が０．８質量％を超える場合には、Ｍｇが偏析してＭｇ2Ｓｉの粗大化合物が晶出し、成形体の十分な延性が得られない可能性がある。
【００１５】
Ｆｅは、Ａｌの精錬及び鋳造の過程で混入し易い不純物であり、成形体の強度を向上させるものの延性を低下させるものである。そのため、成形体の強度を確保しつつ、好適な延性を得ることを重視すれば、半凝固成形用アルミニウム合金に対するＦｅの成分含有率は、０．０５〜０．２質量％が好ましく、０．０９〜０．１９質量％が特に好ましい。Ｆｅの成分含有率が０．０５質量％未満の場合には、製造時において純アルミのＦｅ含有率を著しく抑える必要があり、製造コストを高くする可能性がある。一方、Ｆｅの成分含有率が０．２質量％を超える場合には、成形体の十分な機械的物性が得られない可能性がある。
【００１６】
Ｔｉは、鋳造組織を微細化させるものである。半凝固成形用アルミニウム合金に対するＴｉの成分含有率は、０．０１〜０．２質量％が好ましく、０．１〜０．１７質量％が特に好ましい。Ｔｉの成分含有率が０．０１質量％未満の場合には、結晶粒が粗大化する可能性がある。一方、Ｔｉの成分含有率が０．２質量％を超える場合には、粗大な不溶性Ｔｉ化合物が形成され、成形体の十分な機械的物性が得られない可能性がある。
【００１７】
該半凝固成形用アルミニウム合金の残部はＡｌと不可避不純物とで構成されている。また、本実施形態の半凝固成形用アルミニウム合金には、銅（Ｃｕ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びホウ素（Ｂ）のうち少なくとも１種が含有されてもよい。
【００１８】
Ｃｕは、中間成形体の固溶強化に寄与し、成形体の強度を向上させるものである。半凝固成形用アルミニウム合金に対するＣｕの成分含有率は、０．０５〜０．６質量％が好ましく、０．０６〜０．５６質量％がより好ましく、０．１５〜０．５６質量％が最も好ましい。Ｃｕの成分含有率が０．０５質量％未満の場合には、成形体の十分な強度が得られない可能性がある。一方、Ｃｕの成分含有率が０．６質量％を超える場合には、成形体の耐食性が低下する可能性がある。
【００１９】
Ｓｒは、Ｓｉ粒子改良元素として作用する。即ち該Ｓｒは、共晶Ｓｉを微細化し、成形体の強度及び延性を向上させるものである。半凝固成形用アルミニウム合金に対するＳｒの成分含有率は、０．００１〜０．０４質量％が好ましく、０．０１７〜０．０３質量％が特に好ましい。Ｓｒの成分含有率が０．００１質量％未満の場合には、成形体の十分な強度及び延性が得られない可能性がある。一方、Ｓｒの成分含有率が０．０４質量％を超える場合には、粗大な不溶性Ｓｒ化合物が形成され、成形体の十分な機械的物性が得られない可能性がある。
【００２０】
Ｂは、Ｔｉと共存することにより（Ｔｉ−Ｂの形で）、鋳造組織を微細化させるものである。半凝固成形用アルミニウム合金に対するＢの成分含有率は、０．００１〜０．０１質量％が好ましく、０．００２〜０．００６質量％が特に好ましい。Ｂの成分含有率が０．００１質量％未満の場合には、結晶粒が粗大化する可能性がある。一方、Ｂの成分含有率が０．０１質量％を超える場合には、効果が頭打ちになり、上記作用効果を十分に発揮できない可能性がある。
【００２１】
ここで、本実施形態で採用し得る半凝固成形法の概要について説明する。半凝固成形法は、半凝固成形用アルミニウム合金を半凝固状態として半凝固金属を製造する工程と、該半凝固金属を金型内で成形して中間成形体を製造する工程とを備えている。半凝固金属を製造する方法としては、溶融状態の半凝固成形用アルミニウム合金（アルミニウム合金溶湯）を保持容器内に注湯し、これを冷却する方法や、高圧鋳造機のスリーブ内又はプレス機に設置した金型内に前記アルミニウム合金溶湯を注湯し、これを冷却する方法等が挙げられる。さらに、半凝固金属の製造において、固相を晶出させる際には、機械攪拌、電磁攪拌を用いたり、傾斜冷却板上でアルミニウム合金溶湯を流動させたりしてもよい。この場合、凝固組織のさらなる微細化を図ることができる。
【００２２】
また、中間成形体を製造する方法としては、得られた半凝固金属を高圧鋳造機にて金型内に注入してこれを加圧成形する、いわゆるレオキャスト法や、金型内の半凝固金属をプレス加工する又は鍛造加工する方法等が挙げられる。
【００２３】
さて、本実施形態の成形体を製造する場合には、まず、半凝固成形用アルミニウム合金を加熱溶融することにより得られたアルミニウム合金溶湯を保持容器内に注湯し、これを所定の半凝固温度まで冷却して半凝固金属を製造する。なお、本実施形態において半凝固温度とは、半凝固成形法に適した固相率（５０〜６０％）が得られる温度である。
【００２４】
アルミニウム合金溶湯の冷却温度が前記半凝固温度より低い場合には、固相率が増加し、半凝固金属の成形性が低下する可能性がある。一方、アルミニウム合金溶湯の冷却温度が前記半凝固温度より高い場合、即ち液相線温度に近い場合には、固相率が低下し、各成分の偏析が生じて凝固組成が不均一となる可能性がある。加えて、成形の際にガス巻込み等の鋳造欠陥が生じる可能性もある。また、半凝固金属の固相率が５０％未満の場合には、該半凝固金属の流動性が極度に大きくなり、加工がし難くなる可能性がある。一方、半凝固金属の固相率が６０％を超える場合には、流動性が低下し、成形性が低下する可能性がある。
【００２５】
次に、得られた半凝固金属を所定の成形法（加圧成形又はプレス加工）により金型内で成形し、中間成形体を成形する。そして、上記中間成形体について、４９０〜５５０℃の温度範囲で１〜５時間の溶体化処理を行った後、急冷し、１５０〜１９０℃の温度範囲で１〜１０時間の時効処理を行う。これにより、所定形状の成形体が得られる。
【００２６】
ここで、溶体化処理の温度が４９０℃未満の場合には、中間成形体中の合金元素が十分に固溶しない可能性がある。一方、溶体化処理の温度が５５０℃を超える場合には、粒界が部分的に溶解し、成形体の機械的物性が低下する可能性がある。溶体化処理の時間が１時間未満の場合には、中間成形体中の合金元素が十分に固溶されない可能性がある。一方、溶体化処理の時間が５時間を超える場合には、効果が頭打ちになり、成形体の機械的物性に関して何ら改善がみられない可能性がある。
【００２７】
また、溶体化処理後の中間成形体を急冷する場合には、水焼入れや温水焼入れ等が採用され、特に限定されるものではない。時効処理の温度が１５０℃未満の場合には、成形体の十分な強度が得られない可能性がある。一方、時効処理の温度が１９０℃を超える場合には、過時効状態となり、成形体の強度が低下する可能性がある。時効処理の時間が１時間未満の場合には、硬化時間が不十分となり、成形体の強度が低下する可能性がある。一方、時効処理の時間が１０時間を超える場合には、効果が頭打ちになり、成形体の機械的物性に関して何ら改善がみられない可能性がある。
【００２８】
前記の実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・  本実施形態の半凝固成形用アルミニウム合金は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、残部アルミニウムＡｌ及び不可避不純物等の成分を所定量含有してなるものである。これらの成分のうち、Ｓｉ、Ｍｇ及びＦｅにより成形体の好適な強度及び延性が確保され、Ｔｉにより鋳造組織の微細化が図られる。この鋳造組織の微細化により、成形体の強度をさらに向上させることができる。また、本実施形態の半凝固成形用アルミニウム合金に対するＦｅ含有率は０．０５〜０．２質量％である。そのため、半凝固成形用アルミニウム合金に対するＦｅ含有率がこの範囲を超えるものである従来例に比べて、成形体の強度及び延性をそれぞれバランス良く効果的に向上させることができる。即ち、成形体の延性を好適に確保しつつ、強度も向上させることができる。
【００２９】
・  本実施形態の半凝固成形用アルミニウム合金では、Ｃｕ、Ｓｒ及びＢのうち少なくとも１種を含有させるのが好ましい。こうした場合、Ｃｕ及びＳｒにより成形体の十分な機械的物性が得られ、Ｂにより鋳造組織の微細化が図られる。即ちこれらの成分を含有させることにより、成形体の強度をさらに好適に向上することができる。
【実施例】
【００３０】
次に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１〜９、比較例１〜７）
下記の表１に示す各成分からなる半凝固成形用アルミニウム合金を７００℃で溶融することにより得られたアルミニウム合金溶湯を、２００℃に加熱した保持容器内に注湯し、これを同表に示す半凝固温度まで冷却して半凝固金属（固相率：５０〜６０％）を作製した。またここでは、半凝固成形性に関し、液相線温度から半凝固温度までの温度差が３０℃以上のものを、半凝固成形性が良好（○）、３０℃未満２０℃以上のものを半凝固成形性がやや良好（△）、２０℃未満のものを半凝固成形性が不良（×）と評価した。
【００３１】
【表１】
2005272966.tif 000002
表１に示すように、各実施例では、半凝固成形性に多大な影響を及ぼすＳｉが適量含有されているため、半凝固成形性に関して良好な結果が得られた。一方、比較例６、７では、半凝固成形用アルミニウム合金に対するＳｉ含有率が所定範囲より少ないため、半凝固成形性が低下したのが確認された。
（成形体の機械的物性の評価）
上記の半凝固金属を表２に示す成形法を用いて金型内で成形し、中間成形体を製造した。次に、この中間成形体について、５３５℃で３時間溶体化処理を行った後、急冷し、１８０℃で２時間の時効処理を行うことにより成形体を得た。そして、この成形体からＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の１４Ａ号試験片（平行部径：６ｍｍ）を機械加工により採取した。次いで、この試験片に対し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠した引張試験を行い、その引張強度、０．２％耐力及び伸び率（延性）を測定した。これらの測定結果を表２に示す。なお、同表中の成形法に関し、半凝固金属を金型内に注入してこれを加圧成形したものを金型注入と称し、半凝固金属を金型内に注入してこれをプレス加工したものを金型プレスと称す。また、表中の引張強度及び０．２％耐力を示す単位はＭＰa、伸び率を示す単位は％である。
【００３２】
【表２】
2005272966.tif 000003
表２に示すように、各実施例では、３２０ＭＰa以上の引張強度、２５０ＭＰa以上の０．２％耐力、１０％以上の伸び率が得られ、いずれも高強度及び高延性を有する成形体が製造された。なお、これらの各物性値を以下において基準値と称す。一方、比較例１、４では、半凝固成形用アルミニウム合金に対するＭｇ含有率が所定範囲より少ないため成形体の強度が低下し、また比較例３では同Ｍｇ含有率が所定範囲より多いため成形体の伸び率が低下したのが確認された。加えて、比較例２、４、５では、半凝固成形用アルミニウム合金に対するＳｉ含有率が所定範囲より多いため成形体の伸び率が低下したのが確認された。
（時効処理条件の評価）
上記実施例２及び比較例１の半凝固成形用アルミニウム合金から得られた中間成形体について、５３５℃で３時間の溶体化処理を行った後、急冷し、温度及び時間の各条件を変えて時効処理を行うことにより成形体を得た。そして、各成形体について、上記と同様に引張強度、０．２％耐力及び伸び率を測定した。これらの測定結果を図１に示す。なお、時効処理条件を１８０℃×２時間とした場合の各機械的物性値は、表２から引用したものである。
【００３３】
図１から明らかなように、１４０℃で４時間の時効処理を行った場合では、各機械的物性について実施例２と比較例１とでは差が少なく、実施例２の引張強度及び０．２％耐力の値もそれぞれ基準値に満たず十分なものではなった。一方、１８０℃で２時間の時効処理を行った場合では、引張強度及び０．２％耐力に関して実施例２と比較例１との間に顕著な差がみられ、実施例２の各機械的物性値も全て基準値を十分に満たすものとなった。即ち、１８０℃で２時間の時効処理条件が、成形体の機械的物性の向上の点で最適であることが確認された。
（成形法の評価）
実施例１、２及び比較例１、２の半凝固成形用アルミニウム合金の溶湯を完全溶解状態（固相率：０％）でスクイズキャストし、成形体を製造した。次いでこの成形体について、５３５℃で３時間溶体化処理を行った後、急冷し、１８０℃で２時間の時効処理を行うことによって成形体を得た。そして、上記と同様に、この成形体の各機械的物性を測定した。これらの測定結果を図２に示す。なお、半凝固成形法を用いて得られた各例の機械的物性値は、表２から引用したものである。
【００３４】
図２から明らかなように、引張強度及び０．２％耐力に関しては、各例とも成形法による違いはみられなかった。一方、伸び率に関しては、各例ともスクイズキャストより半凝固成形法を用いて得られた成形体が良好なものとなった。特に、実施例１及び実施例２では、比較例１及び比較例２に比べ、半凝固成形法により得られた成形体の伸び率が顕著に向上したのが確認された。
【００３５】
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・  本実施形態の半凝固成形用アルミニウム合金には、結晶粒微細化材としてジルコニウム（Ｚｒ）及びスカンジウム（Ｓｃ）のうち少なくとも１種が適宜含有されてもよい。
【００３６】
・  本実施形態の半凝固成形用アルミニウム合金には、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、アンチモン（Ｓｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）及び亜鉛（Ｚｎ）のうち少なくとも１種が適宜含有されてもよい。ここで、Ｃｒ、Ｍｎ及びＶは中間成形体の溶体化処理に際して、その結晶粒が粗大化するのを抑制するとともに、成形体の強度を向上させるものである。Ｓｂ、Ｎａ及びＣａは共晶Ｓｉを微細化して成形体の強度及び延性を向上させるものである。また、Ｚｎも、成形体の強度を向上させるものである。
【００３７】
・  溶体化処理を施した中間成形体を常温で長時間放置することにより時効処理を行うようにしてもよい。
さらに、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
【００３８】
（１）  請求項１又は２に記載の半凝固成形用アルミニウム合金を半凝固状態とし、これを金型内で成形し、次いで５３５℃で３時間の溶体化処理を行った後、これを急冷し、１８０℃で２時間の時効処理を行うことを特徴とする成形体の製造方法。この製造方法によれば、成形体の強度を好適に向上させることができる。
【００３９】
（２）  請求項３に記載の成形体の製造方法により製造されていることを特徴とする成形体。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】時効処理条件と各機械的物性との関係を示すグラフ。
【図２】成形法と各機械的物性との関係を示すグラフ。
【図１】
2005272966.tif 000004
【図２】
2005272966.tif 000005