(57)【要約】【課題】永久成長が少なく、寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られる鋳造アルミニウム合金を提供する。【解決手段】本発明の鋳造アルミニウム合金は、Ｓｉを含み、主たる残部がＡｌである鋳造アルミニウム合金であって、さらに、その鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を、全体を１００質量％としたときに合計で０．０００１〜０．５質量％含み、鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする。固溶Ｓｉ抑制元素の添加によって、Ａｌ基マトリックス中の固溶Ｓｉ量を低減させ、寸法変化を生じさせる永久成長の原因である析出Ｓｉ量を低減させることで、アルミニウム合金鋳物の寸法安定性を高めた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素（Ｓｉ）を含み、主たる残部がアルミニウム（Ａｌ）である鋳造アルミニウム合金であって、
さらに、該鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、該合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を、全体を１００質量％としたときに合計で０．０００１〜０．５質量％含み、
鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする鋳造アルミニウム合金。
【請求項２】
前記固溶Ｓｉ抑制元素は、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）およびナトリウム（Ｎａ）の少なくとも１種からなる請求項１に記載の鋳造アルミニウム合金。
【請求項３】
前記固溶Ｓｉ抑制元素は、全体を１００質量％としたときに、０．０００１〜０．１質量％のリン（Ｐ）を含む請求項１に記載の鋳造アルミニウム合金。
【請求項４】
全体を１００質量％としたときに、前記Ｓｉを０．１〜１３質量％含む亜共晶組成または共晶組成からなる請求項１に記載の鋳造アルミニウム合金。
【請求項５】
さらに、全体を１００質量％としたときに、
銅（Ｃｕ）：１〜４質量％、マグネシウム（Ｍｇ）：０．０１〜１質量％、ニッケル（Ｎｉ）：０．０１〜１質量％、マンガン（Ｍｎ）：０．０１〜１質量％、鉄（Ｆｅ）：０．０１〜２質量％、亜鉛（Ｚｎ）：０．０１〜２質量％、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜１質量％、チタン（Ｔｉ）：０．０１〜０．３質量％、ストロンチウム（Ｓｒ）：０．００１〜０．１質量％およびカルシウム（Ｃａ）：０．０００１〜０．１質量％の少なくとも１種以上を含む請求項４に記載の鋳造アルミニウム合金。
【請求項６】
全体を１００質量％としたときに、
Ｓｉ：９〜１２質量％と、
Ｃｕ：１〜４質量％と、
該鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、該合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を０．０００１〜０．５質量％と、
残部がＡｌおよび不可避不純物とからなり、
鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする鋳造アルミニウム合金。
【請求項７】
前記不可避不純物は、Ｍｇ：１質量％以下、Ｚｎ：２質量％以下、Ｆｅ：２質量％以下、Ｍｎ：１質量％以下、Ｎｉ：１質量％以下およびスズ（Ｓｎ）：０．５質量％以下である請求項６に記載の鋳造アルミニウム合金。
【請求項８】
全体を１００質量％としたときに、
Ｓｉ：９〜１２質量％と、
Ｃｕ：１〜４質量％と、
Ｍｇ：０．０１〜１質量％と、
Ｎｉ：０．０１〜１質量％と、
Ｍｎ：０．０１〜１質量％と、
Ｆｅ：０．０１〜２質量％と、
Ｚｎ：０．０１〜２質量％と、
該鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、該合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を０．０００１〜０．５質量％と、
残部がＡｌおよび不可避不純物とからなり、
鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする鋳造アルミニウム合金。
【請求項９】
前記固溶Ｓｉ抑制元素は、Ｐ：０．０００１〜０．１質量％、Ｓｂ：０．０００１〜０．１質量％、Ｚｒ：０．０００１〜０．１質量％、Ｖ：０．０００１〜０．１質量％およびＮａ：０．０００１〜０．１質量％の少なくとも１種以上からなる請求項６または８に記載の鋳造アルミニウム合金。
【請求項１０】
請求項１、６または８に記載の鋳造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。
【請求項１１】
鋳造後に熱処理を施していない鋳放し状態である請求項１０に記載のアルミニウム合金鋳物。
【請求項１２】
請求項１、６または８に記載の鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を調製する溶湯調製工程と、
該合金溶湯を鋳型のキャビティに入れて冷却凝固させる凝固工程とからなり、
該凝固工程後の鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法。
【請求項１３】
前記溶湯調製工程は、前記合金溶湯の主たる組成を構成するベース溶湯に前記固溶Ｓｉ抑制元素を微量添加して該合金溶湯とする工程である請求項１２に記載のアルミニウム合金鋳物の製造方法。
【請求項１４】
前記凝固工程の冷却速度は、５〜３０００℃／秒である請求項１２に記載のアルミニウム合金鋳物の製造方法。
【請求項１５】
前記凝固工程は、ダイキャスト鋳造工程である請求項１４に記載のアルミニウム合金鋳物。
【請求項１６】
前記凝固工程後さらに、加熱温度：１００〜３００℃で加熱時間：０．１〜２０時間の時効処理を施してアルミニウム合金鋳物の強度を向上させる強化工程を備える請求項１２に記載のアルミニウム合金鋳物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳放し状態でも寸法安定性に優れるアルミニウム合金鋳物が得られる鋳造アルミニウム合金と、それからなるアルミニウム合金鋳物およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種製品は、その軽量化が強く求められて、従来の鋳鉄製等から軽量なアルミニウム合金製に急速に移行しつつある。例えば自動車部品を軽量化した場合、自動車の運動性能等のみならず、燃費も向上して環境改善にも役立つ。
【０００３】
アルミニウム合金製品の多くは鋳造品であり、特に量産品には、コスト、鋳肌、寸法精度等に優れるダイキャスト鋳物が多い。ダイキャスト鋳造を効率的に行うには、優れた鋳造性、特に、高い溶湯の流動性が求められるところ、その原料としてＳｉ系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）が多用されている。
【０００４】
Ａｌ−Ｓｉ系合金の代表例として、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２やＡＤＣ１２Ｚ等がある。例えば、ＡＤＣ１２合金は、主にＳｉ：９．６〜１２質量％、Ｃｕ：１．５〜３．５質量％および残部Ａｌからなり、その他に少量のＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、ＮｉおよびＳｎの含有が許容される。このＡＤＣ１２は、溶湯の流動性、補給性、耐鋳造割性等に優れると共に鋳造引け量も少なく、非常に高い鋳造性を発現する。しかも、ＡＤＣ１２を使用すると、加工性や機械的強度にも優れた鋳物が得られるので、ＡＤＣ１２はダイキャスト用アルミニウム合金として広く利用されている。
【０００５】
ところで、Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いてダイキャスト鋳造した場合、その溶湯は鋳型である金型によって急速に冷却されて凝固する。この際、初晶または共晶Ａｌ相からなるＡｌ基マトリックス中に、Ｓｉが本来の固溶限を超えて多量に固溶したまま凝固が完了することが多い。こうして得られたダイキャスト鋳物を鋳放し状態で使用すると、その過剰に固溶していたＳｉ（以下、適宜「過固溶Ｓｉ」という。）が、その使用中等に徐々に析出してくる。そして、析出してきたＳｉは、その周囲にあるＡｌ基マトリックスと結晶構造が相違することから、ダイキャスト鋳物の体積膨張を生じさせることが知られている。この体積膨張は、経時的にダイキャスト鋳物の寸法を変化させることとなる。つまり、ダイキャスト鋳物の寸法安定性が低下する。
【０００６】
特に、そのダイキャスト鋳物がエンジンのシリンダブロックやピストン等の場合、その使用中の加熱によりＳｉの析出が促進されて、ダイキャスト鋳物の寸法も変化し易くなる。シリンダブロックやピストン等は、ボア径や外径が厳しく管理される重要部品である。このような部品の寸法が経時的に大きく変化すると、エンジン性能やその信頼性が低下し得ることとなる。そこで、下記の非特許文献１にもあるように、ダイキャスト鋳物の寸法安定性を確保するために、鋳造後のダイキャスト鋳物に熱処理を施して過固溶Ｓｉを十分に析出させることが行われる。
【０００７】
ちなみに、このような寸法変化は、鋳物が加熱後に冷却されても元に戻らないことから永久成長と呼ばれている。この永久成長に関して下記の非特許文献１は、「Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイキャスト鋳物は、Ａｌマトリックス中に固溶していたＳｉが徐々に析出して約０．１６％の永久成長を生じるため、２００〜２３０℃で１０〜２０時間の熱処理を施すのが良い」旨を記載している。
【非特許文献１】Principles of Metal Casting Heine著(1955), P318
【特許文献１】特開平１０−２２６８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ダイキャスト鋳物中の過固溶Ｓｉを十分に析出させるには長時間の熱処理が必要となる。この熱処理は、ダイキャスト鋳物の生産コストを上昇させ、また、その生産に要するリードタイムを増加させる。永久成長の抑制のために、わざわざ熱処理を加えるまでもなく、鋳放し状態であっても寸法変化の少ない鋳物が得られるような組成の合金や製造方法があれば、鋳物の生産性を向上させ、そのコストを従来よりも低減することが可能となる。特に、鋳造性、加工性、機械的強度といった、従来からある鋳造アルミニウム合金の優れた特性を犠牲にすることなく、さらには、鋳物のリサイクル性等も考慮しつつ、鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られるような合金組成やその製造方法が望まれていた。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、鋳放し状態であっても優れた寸法安定性を示すアルミニウム合金鋳物が得られる鋳造アルミニウム合金およびそのアルミニウム合金鋳物とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
なお、上記特許文献１には、Ｓｉ量が１２．７％以上の過共晶領域で微量のＰ（０．００２〜０．０２質量％）が存在すると、初晶Ｓｉ粒が微細化される旨の記載がある。しかし、ここでいうＰは、初晶Ｓｉ粒粗大化の抑制作用をもつだけであって、後述する本発明でいうような永久成長の抑制作用を発現するものではない。そもそも過共晶組成のＡｌ−Ｓｉ系合金の場合、多くのＳｉが最初に初晶として晶出するため、固溶体量も少なく、Ｓｉ析出に起因した永久成長があまり問題とならないからである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、アルミニウム合金鋳物の寸法変化の原因が過固溶Ｓｉの析出にあることを踏まえて、Ａｌ基マトリックス中へのＳｉの過剰な固溶を抑制できる固溶Ｓｉ抑制元素を新たに見い出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
（鋳造アルミニウム合金）
（１）すなわち、本発明の鋳造アルミニウム合金は、Ｓｉを含み、主たる残部がＡｌである鋳造アルミニウム合金であって、さらに、該鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、該合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を、全体を１００質量％としたときに合計で０．０００１〜０．５質量％含み、鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする。
【００１３】
本発明者は、種々の試験を通じて、少量の固溶Ｓｉ抑制元素を含有したＡｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を用いて鋳造すると、固溶Ｓｉ抑制元素を含有しない場合に比べて、得られたアルミニウム合金鋳物の寸法変化（すなわち、永久成長）が著しく低減されることを見いだした。この固溶Ｓｉ抑制元素の存在によって、アルミニウム合金鋳物の永久成長が抑制される理由は必ずしも定かではないが、現状次のように考えられる。
【００１４】
固溶Ｓｉ抑制元素を含む合金溶湯が冷却凝固される際、固溶Ｓｉ抑制元素はＳｉ晶出の核サイトとなって、Ｓｉの晶出を促進し、その反作用としてＡｌ基マトリックス中へに過剰に固溶されるＳｉ量が低減したと考えられる。つまり、凝固工程でＳｉを予め積極的に晶出させることで、Ａｌ基マトリックス中の過固溶Ｓｉ量を低減した結果、その後にアルミニウム合金鋳物中から析出する析出Ｓｉ量も低下して、アルミニウム合金鋳物の体積膨張（永久成長）が著しく抑止されたと考えられる。
【００１５】
もっとも、固溶Ｓｉ抑制元素によって永久成長の抑制効果が発現される理由は、次のようにも考えられる。なお、ここでは量産に適したダイキャスト鋳造を行う場合を例にとり説明するが、このことが本発明の鋳造アルミニウム合金の対象となる鋳造方法を限定するものではないことを断っておく。
【００１６】
ダイカスト鋳造を行う場合、合金溶湯は金型へ注湯された後に急速に冷却されて極短時間のうちに凝固する。従来組成のＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯であれば、本来の凝固温度よりも低い温度までその温度が低下した後にその凝固を完了すると考えられる。このような過冷却現象を生じると、Ｓｉは、Ａｌ−Ｓｉ系状態図から定る本来の固溶限以上にＡｌ基マトリックス中に固溶し易くなる。つまり、Ａｌ基マトリックス中の過固溶Ｓｉ量が増加する傾向となる。ところが、本発明の鋳造アルミニウム合金によれば、この過冷却現象が固溶Ｓｉ抑制元素の存在によって抑制され、ＳｉがＡｌ基マトリックス中へ過剰に固溶しにくくなったとも考えられる。少なくとも、Ａｌ−Ｓｉ系状態図から定る本来の固溶限を大きく超えてＳｉがＡｌ基マトリックスへ固溶することは抑止されたと考えられる。勿論、このような固溶Ｓｉ抑制元素による過冷却の抑制は、前述したＳｉの晶出促進と密接に関連しているとも考えられる。つまり、固溶Ｓｉ抑制元素がＳｉの晶出を促進する結果、合金溶湯の過冷却現象が抑制されるとも考えられる。
【００１７】
このような固溶Ｓｉ抑制元素のメカニズムはともかくとして、固溶Ｓｉ抑制元素を含む合金溶湯を鋳造してできたアルミニウム合金鋳物の体積膨張つまり永久成長が抑制されることは確かである。本発明の鋳造アルミニウム合金によれば、従来必要と考えられていた時効処理や溶体化処理等の熱処理を施すまでもなく、アルミニウム合金鋳物の永久成長を抑制できる。このため、熱処理なしの鋳放し状態のアルミニウム合金鋳物をそのまま製品として使用することもでき、アルミニウム合金鋳物製品の低コスト化や生産性の向上を図れる。
【００１８】
なお、本明細書でいう「永久成長」とは、温度変化に伴う熱膨張等と異なり、アルミニウム合金鋳物を加熱後に冷却しても残存する恒久的な寸法変化である。この永久成長が生じると、鋳物製品の固定部分や運動部分に無理な変形や応力が作用することとなり、種々の障害を生じ得る。本発明の鋳造アルミニウム合金によれば、鋳放し状態の鋳物製品であったとしても、永久成長が少なく、そのような不具が十分に抑止され得る。
【００１９】
本発明でいうＡｌ基マトリックスは、主にＡｌ相らなる。それは初晶としてのＡｌでも共晶としてのＡｌでも良い。そのＡｌ基マトリックスには、Ｓｉは勿論のこと、その他の合金元素が固溶していても良い。
【００２０】
永久成長の原因となる析出Ｓｉは主に、そのＡｌ基マトリックス中に固溶していたＳｉが鋳造後に析出するものである。鋳造後のＳｉの析出量は、Ａｌ基マトリックス中に固溶していたＳｉ量とＡｌ−Ｓｉ系状態図から定る固溶限との差から理論的には求まる。しかし、例えば、鋳造アルミニウム合金全体に占めるＳｉ量がその固溶限以下であったとしても、Ｓｉの析出によって永久成長が生じる場合もある。これは、合金組成全体としてのＳｉ量が少量であるとしても、鋳放し後のアルミニウム合金鋳物の組織全体でＳｉ濃度が均一であるとは限らないからである。具体的には、合金溶湯が凝固する最終段階で、偏析によってＳｉの濃縮された部分が生じて、Ａｌ基マトリックス中に過剰にＳｉの固溶した凝固部分も出現し得るからである。このような鋳放し状態のアルミニウム合金鋳物は、全体組成としてＳｉ量が少量であったとしても、部分的に存在するＳｉが過剰に固溶したＡｌ基マトリックス中からＳｉが析出して、やはり永久成長を生じる結果となり得る。
【００２１】
そこで、本発明の鋳造アルミニウム合金では、そこに含まれるＳｉ量の多少を問題とはしていない。すなわち、全体組成に占めるＳｉ量が少なくても多くても、本発明でいう固溶Ｓｉ抑制元素の存在は有意義であり、これによりアルミニウム合金鋳物の永久成長が従来よりも抑制される。
【００２２】
Ｓｉは、良好な溶湯の流動性、引け性を維持すると共にアルミニウム合金鋳物の剛性や耐磨耗性等の向上に有効な元素である。Ｓｉ量が０．１質量％未満と過少ではこのような効果が乏しい。また、アルミニウム合金鋳物中の共晶Ｓｉ量も少なくなり、優れた機械特性が得られない。一方、Ｓｉ量が１３質量％を超えるような過共晶組成になると、初晶Ｓｉが大きく成長して、アルミニウム合金鋳物の機械加工性等も低下する。また、Ｓｉ量が過多になると、合金溶湯の融点も高くなり、鋳造性も悪化する。さらに、過共晶組成のＡｌ−Ｓｉ系合金の場合、初晶としてＳｉが晶出して、Ａｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量も少なくなるので、鋳造後にＳｉが析出して生じる永久成長は比較的少ない。そこで本発明の鋳造アルミニウム合金は、特に、全体を１００質量％としたときに、Ｓｉが０．１〜１３質量％さらには１〜１２質量％含まれる亜共晶組成または共晶組成からなると場合に効果的である。
【００２３】
なお、亜共晶組成、共晶組成および過共晶組成の境となる共晶点の組成は、他の合金元素の存在によって変化する。このため、共晶点でのＳｉ量や亜共晶組成の上限値を明確に特定することは困難であるが、共晶点でのＳｉ量は、概ね１２．１〜１３質量％の範囲内であるから、Ｓｉ量の上限値を上記のように１３質量％さらには１２質量％とした。
【００２４】
ところで、本発明の固溶Ｓｉ抑制元素は、全体を１００質量％としたときに、合計で０．０００１〜０．５質量％（１〜５０００ｐｐｍ）と、少量で十分な効果を発揮する。固溶Ｓｉ抑制元素が０．０００１質量％未満では固溶Ｓｉの抑制効果が十分ではない。一方、固溶Ｓｉ抑制元素を０．５質量％を超えて含有させても、効果は飽和するので経済的ではない。この固溶Ｓｉ抑制元素は、０．０００１〜０．５質量％さらには０．００１〜０．３質量％であると好適である。
【００２５】
本発明の鋳造アルミニウム合金は、固溶Ｓｉ抑制元素量の必要量が高々０．５質量％と極少量である。このため、従来の鋳造アルミニウム合金に少量の固溶Ｓｉ抑制元素を添加するだけで、容易に永久成長の少ないアルミニウム合金鋳物が得られる。その際、従来の鋳造アルミニウム合金がもつ特性を犠牲にすることもないので、本発明の鋳造アルミニウム合金は、従来のＡｌ−Ｓｉ系合金からベース材を適当に選択することで様々なアルミニウム合金鋳物製品への応用が可能であって、非常に汎用性が高い。
【００２６】
さらに、本発明の鋳造アルミニウム合金の場合、固溶Ｓｉ抑制元素の含有量が僅かであるので、その鋳造アルミニウム合金からなる鋳物をリサイクル材として使用しても、固溶Ｓｉ抑制元素による特性の劣化等は生じ難い。すなわち、本発明の鋳造アルミニウム合金はリサイクル性にも優れたものである。
【００２７】
（２）本発明の鋳造アルミニウム合金は、ベースとなるＡｌ−Ｓｉ系合金の組成を問わず、そこへ少量の固溶Ｓｉ抑制元素を含有させることで、得られたアルミニウム合金鋳物の永久成長を抑制することができる。もっとも、固溶Ｓｉ抑制元素を含有させるベースとして、鋳造性のみならず機械的特性等にも優れたＪＩＳ  ＡＤＣ１２等のダイカスト鋳造アルミニウム合金を使用すると好適である。
【００２８】
そこで本発明は、全体を１００質量％としたときに、Ｓｉ：９〜１２質量％と、Ｃｕ：１〜４質量％と、該鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、該合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を０．０００１〜０．５質量％と、残部がＡｌおよび不可避不純物とからなり、鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする鋳造アルミニウム合金であると好適である。
【００２９】
上記不可避不純物の種類やその量には特に問わないが、上記ＪＩＳ  ＡＤＣ１２やＪＩＳ  ＡＤＣ１２Ｚ等と同程度であると好ましい。具体的には、Ｍｇ：１質量％以下、Ｚｎ：２質量％以下、Ｆｅ：２質量％以下さらには１．３質量％以下、Ｍｎ：１質量％さらには０．５質量％以下、Ｎｉ：１質量％以下さらには０．５質量％以下およびＳｎ：０．３質量％以下であると好ましい。
【００３０】
さらに本発明は、全体を１００質量％としたときに、Ｓｉ：９〜１２質量％と、Ｃｕ：１〜４質量％と、Ｍｇ：０．０１〜１質量％と、Ｎｉ：０．０１〜１質量％と、Ｍｎ：０．０１〜１質量％と、Ｆｅ：０．０１〜２質量％と、Ｚｎ：０．０１〜２質量％と、該鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を冷却して凝固させる冷却凝固工程で、該合金溶湯中からＳｉの晶出を促進してＡｌ基マトリックス中に固溶するＳｉ量を低減する固溶Ｓｉ抑制元素を０．０００１〜０．５質量％と、残部がＡｌおよび不可避不純物とからなり、鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする鋳造アルミニウム合金であると好適である。
【００３１】
ここで、Ｓｉの作用は上述した通りであるが、特にＳｉが上記下限以上であると、凝固温度が低く、流動性、引け性、熱間割れの面で特に優れる。Ｓｉの上限については上述した通りである。この場合のＳｉは９．６〜１２質量％であるとより好適である。
【００３２】
Ｃｕは、金属間化合物であるＣｕ−Ａｌ化合物（例えば、ＣｕＡｌ2等）を生成させ、アルミニウム合金鋳物の引張強さを向上させる。Ｃｕが過少では、Ｃｕ−Ａｌ化合物が十分に形成されず、それによる強化作用が不十分となる。Ｃｕが過多では、アルミニウム合金鋳物の靱性が低下して好ましくない。Ｃｕは１．５〜３．５質量％であるとより好適である。その他、本発明の鋳造アルミニウム合金に好適な合金元素については後述する。
【００３３】
なお、本明細書でいう「鋳造アルミニウム合金」はその形態や状態を問わない。インゴットのような原材料（鋳造アルミニウム合金）であっても良いし、鋳造後のアルミニウム合金鋳物であっても良い。また、固相である必要はなく、合金溶湯のような液相であっても良い。要するに、本発明の鋳造アルミニウム合金は、鋳造を前提にして、固溶Ｓｉ抑制元素を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であれば良い。
【００３４】
（アルミニウム合金鋳物）
本発明は、上記鋳造アルミニウム合金の一形態であるアルミニウム合金鋳物としても把握できる。本発明では、アルミニウム合金鋳物に熱処理を施すことを必ずしも排除しないが、そのアルミニウム合金鋳物が鋳造後に熱処理を施していない鋳放し状態であると、鋳物製品の低コスト化や生産性の向上を図れて好ましい。上述した固溶Ｓｉ抑制元素等に関する記述は、鋳造して得られたアルミニウム合金鋳物についても同様である。
【００３５】
（アルミニウム合金鋳物の製造方法）
本発明は、上記アルミニウム合金鋳物としてのみならず、その製造方法としても把握できる。
すなわち、本発明は、上述した鋳造アルミニウム合金からなる合金溶湯を調製する溶湯調製工程と、該合金溶湯を鋳型のキャビティに入れて冷却凝固させる凝固工程とからなり、該凝固工程後の鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法としても把握できる。
【００３６】
ここでいう鋳型は、砂型でも金型でも良いし、鋳造方法は、重力鋳造でも加圧鋳造でも良いが、アルミニウム合金鋳物を量産する場合、金型のキャビティに合金溶湯を加圧注入するダイキャスト鋳造が多用される。
【００３７】
ダイキャスト鋳造を行った場合、冷却速度が大きくて合金溶湯が急冷されるため、本来ならば、Ａｌ基マトリックス中にＳｉが多量に固溶し易い。しかし、本発明のようなダイキャスト鋳造を行った場合、固溶Ｓｉ抑制元素の存在により、Ａｌ基マトリックス中へ固溶するＳｉ量が少なく、鋳放し状態の鋳物でもその後の永久成長が著しく抑制される。
【００３８】
従って、本発明の製造方法では、前記凝固工程がダイキャスト鋳造工程であっても、寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られる。
【００３９】
ちなみに、砂型鋳造を行った場合、冷却速度が一般的に遅いため、Ａｌ基マトリックス中へのＳｉの固溶が抑制されか、一旦固溶したＳｉが凝固過程中に再び析出する傾向を示す。このため、ダイカスト鋳造の場合よりも砂型鋳造の場合の方が永久成長がより小さくなり易い。但し、砂型鋳造した場合のように、凝固工程中の冷却速度が遅いと、組織が粗大で強度が不十分な鋳物となり易い。そこで砂型鋳造等をした鋳物には、鋳造後に溶体化処理等の熱処理が施されることも多い。このような熱処理を施すと、組織の微細化や機械的強度の向上のみならず、その熱処理中に、Ａｌ基マトリックス中に固溶していたＳｉがＡｌ基マトリックスから析出してしまい、その熱処理中に永久成長を終える。従って、このような場合は、結果的に永久成長による寸法変化を問題とすることは少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
発明の実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る鋳造アルミニウム合金（以下、適宜単に「アルミニウム合金」という。）のみならず、それからなるアルミニウム合金鋳物およびその製造方法にも、適宜適用できるものであることを断っておく。また、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なり、特に、本明細書に挙げた各合金元素の組成は、任意に組合わされることを断っておく。
【００４１】
（１）固溶Ｓｉ抑制元素
本発明でいう固溶Ｓｉ抑制元素は、合金溶湯が凝固する際に、Ｓｉの晶出を促進されてＡｌ基マトリックスへのＳｉの固溶を抑制するものである。このような作用のある元素である限り、その種類は問わない。本発明者が検討した固溶Ｓｉ抑制元素の一例として、Ｐ、Ｓｂ、Ｚｒ、ＶおよびＮａ等がある。本発明でいう固溶Ｓｉ抑制元素は、これらの各元素の１種でも複数種でも良い。つまり、固溶Ｓｉ抑制元素がそれらのの少なくとも１種からなると良い。
【００４２】
Ｐは、Ａｌ−Ｓｉ系合金の共晶および初晶Ｓｉの不均質核生成作用を有する。すなわち、合金溶湯の凝固時にＰが存在すると、合金溶湯の過冷却が抑制されて、初晶Ａｌおよび共晶Ａｌ相（Ａｌ基マトリックス）中におけるＳｉの過固溶度を低下させる。このような作用は極少量のＰにより発揮される。一方、Ｐが過多になると、共晶Ｓｉがそのアスペクト比が増大させて粗大化するので好ましくない。そこで、Ｐは０．０００１〜０．１質量％（１〜１０００ｐｐｍ）さらには０．０００５〜０．０５質量％（５〜５００ｐｐｍ）であると好ましい。
【００４３】
Ｓｂ、Ｚｒ、ＶおよびＮａは、鋳造時の凝固工程で、Ａｌ−Ｓｉ系合金の合金溶湯の過冷却を抑制する作用がある。これらの元素は、極微量で上記効果を発揮し、多くなってもその効果が飽和する。そこで、Ｓｂ、Ｚｒ、ＶおよびＮａのいずれも、０．０００１〜０．１質量％さらには０．０００５〜０．０５質量％であると好ましい。なお、上記の各固溶Ｓｉ抑制元素の内で、特にＰの効果が高い。従って、固溶Ｓｉ抑制元素は、Ｐ単独またはＰとＳｂ、Ｚｒ、ＶまたはＮａの１種以上との組合せからなると好ましい。
【００４４】
（２）アルミニウム合金組成
本発明のアルミニウム合金は、少なくともＳｉおよび上記の固溶Ｓｉ抑制元素を含有するが、アルミニウム合金鋳物製品の仕様に応じて、さらに多種多様な合金元素を含有しても良い。このような合金元素として、上述したＣｕ以外に、以下に説明するようなＭｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｃａなどがある。
【００４５】
Ｍｇは、Ｃｕと同様にＡｌ−Ｍｇ化合物（さらにはＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ化合物）を形成して、アルミニウム合金鋳物の引張強度を向上させる。Ｍｇが過少ではその効果が乏しく、Ｍｇが過多になるとアルミニウム合金鋳物はその伸びが低下して脆くなる。そこでＭｇは０．０１〜１質量％さらには０．０５〜０．３質量％であると好ましい。
【００４６】
Ｎｉは、アルミニウム合金鋳物の高温強度および耐摩耗性を向上させる。Ｎｉが過少ではその効果が乏しく、Ｎｉが過多になるとアルミニウム合金鋳物は脆くなる。そこでＮｉは０．０１〜１質量％さらには０．０１〜０．５質量％であると好ましい。
【００４７】
Ｍｎは、Ａｌ−Ｍｎ化合物（さらにはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ化合物）を形成して、アルミニウム合金鋳物の高温硬さの低下を抑制する。Ｍｎが過少ではその効果が乏しく、Ｍｎが過多になると鋳造性が低下してアルミニウム合金鋳物の伸びも減少する。そこでＭｎは０．０１〜１質量％さらには０．０５〜０．５質量％であると好ましい。
【００４８】
Ｆｅは、アルミニウム合金鋳物の高温強度を向上させると共にダイキャスト鋳造の際に生じるアルミニウム合金鋳物と金型との焼き付きを抑止する。Ｆｅが過少ではその効果が乏しく、Ｆｅが過多になるとアルミニウム合金鋳物の靱性が低下する。そこでＦｅは０．０１〜２質量％さらには０．１〜１．３質量％であると好ましい。
【００４９】
Ｚｎは、アルミニウム合金鋳物の強度を向上させる。Ｚｎが過少ではその効果が乏しいが、Ｚｎが増加するとその効果は飽和する。そこでＺｎは０．０１〜２質量％さらには０．０５〜２質量％であると好ましい。
【００５０】
ＣｒおよびＴｉは、いずれも初晶Ａｌの結晶粒を微細化して、アルミニウム合金鋳物の靱性を高める。それらの元素が過少ではその効果が乏しく、それらの元素が過多になるとそれ以上の微細化作用は期待できず、特にＴｉはＡｌと粗大化合物を形成して靱性を低下させるので好ましくない。そこでＣｒは０．０１〜１質量％さらには０．０１〜０．５質量％であると好ましい。また、Ｔｉは０．０１〜０．３質量％さらには０．０１〜０．２質量％であると好ましい。
【００５１】
Ｓｒは、共晶Ｓｉを球状に微細化して、アルミニウム合金鋳物の靭性を高める。Ｓｒが過少ではその効果が乏しく、Ｓｒが過多になるとＡｌやＳｉとＳｒとが化合物を形成して、靱性を低下させるので好ましくない。そこでＳｒは０．００１〜０．１質量％さらには０．０１〜０．０５質量％であると好ましい。
【００５２】
Ｃａは、初晶Ａｌを微細化して、アルミニウム合金鋳物の靱性を高める。Ｃａが過少ではその効果が乏しく、Ｃａが過多になると鋳造性が低下するので好ましくない。そこでＣａは０．００１〜０．１質量％さらには０．００１〜０．０５質量％であると好ましい。
【００５３】
（３）アルミニウム合金鋳物の製造方法
本発明のアルミニウム合金鋳物の製造方法は溶湯調製工程と凝固工程とからなる。溶湯調製工程は、上述したアルミニウム合金組成の合金溶湯が得られるように、原材料を溶解する工程である。凝固工程は調製された合金溶湯を鋳型のキャビティに注湯または射出して、その合金溶湯を鋳型内で冷却、凝固させて所望形状の鋳物とする工程である。
【００５４】
ここで、本発明の溶湯調製工程は、前記合金溶湯の主たる組成を構成するベース溶湯に前記固溶Ｓｉ抑制元素を微量添加して合金溶湯とする工程であっても良い。つまり、固溶Ｓｉ抑制元素を予め含むインゴットを溶解して合金溶湯を調製しても良いが、この他に、従来からある組成のＡｌ−Ｓｉ系合金やリサイクル材合金等の溶湯をベース溶湯として、そこへ適量の固溶Ｓｉ抑制元素を微量添加して、本発明の合金溶湯としても良い。固溶Ｓｉ抑制元素の添加量は微量であるので、固溶Ｓｉ抑制元素の添加によってベース溶湯の組成が実質的に変化することもない。その結果、ベース溶湯の主たる組成から定まる鋳造性やそれを鋳造して得られたアルミニウム合金鋳物の機械的特性等も、固溶Ｓｉ抑制元素の添加によって殆ど影響を受けることもない。すなわち、本発明の上記製造方法によれば、固溶Ｓｉ抑制元素の微量添加によって、ベースとなる鋳造アルミニウム合金の特性を犠牲にすることなく、アルミニウム合金鋳物の永久成長の抑制という効果を容易に付加できる。
【００５５】
本発明の製造方法の場合、前述したように、使用する鋳型や鋳造方法等はいずれでも良い。ここでは、代表的なダイキャスト鋳造を行う場合について説明する。この場合、前記凝固工程の冷却速度は、５〜３０００℃／秒さらには１００〜１０００℃／秒となる。冷却速度がこのように早いと、通常は、Ａｌ基マトリックス中に多量のＳｉが固溶したアルミニウム合金鋳物が得られ易い。しかし、本発明の場合、上述したように、固溶Ｓｉ抑制元素の存在により、Ａｌ基マトリックス中へのＳｉの固溶が抑制され、鋳放し状態のアルミニウム合金鋳物であっても永久成長が抑制される。
【００５６】
ちなみに、砂型鋳造の場合の一般的な冷却速度は１０℃／秒以下である。この場合、Ａｌ基マトリックス中に固溶する固溶Ｓｉ自体が少なくなるか、または、一旦Ａｌ基マトリックス中に固溶したＳｉが凝固工程の完了前に析出する。このため、実質的にアルミニウム合金鋳物の永久成長は小さくなり易い。
【００５７】
なお、上述した冷却速度は、冷却過程において、冷却曲線が高温側からアルミニウム合金の液相線温度に近づくときに、その冷却曲線の液相線温度における傾きとして定義される。
【００５８】
本発明では、鋳放し状態でも寸法安定性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られるが、鋳造後に熱処理を施すことを排除するものではない。アルミニウム合金鋳物の強度向上を図る観点から溶体化処理と時効処理を加えても良いし、アルミニウム合金鋳物の均質性を向上させるために均質化処理を施しても良い。さらには、鋳造組織を安定化させ寸法安定性を一層高めるために、時効処理を施しても良い。特に、時効処理は、アルミニウム合金鋳物が高温雰囲気で使用される場合に有効である。時効処理の条件は、アルミニウム合金鋳物の使用環境を考慮して決定すれば良いが、例えば、加熱温度：１００〜３００℃で加熱時間：０．５〜２０時間の時効処理を施す強化工程を前記凝固工程後に施すと良い。
【００５９】
なお、いうまでもないが、本発明のアルミニウム合金鋳物にこのような熱処理を付加的に施すことで、アルミニウム合金鋳物製品の永久成長を実質的に零に近づけることも可能となる。
【００６０】
（４）アルミニウム合金鋳物の用途
本発明のアルミニウム合金鋳物は、適宜機械加工等が施された後、種々の用途に利用される。例えば、自動車や二輪車の分野では、ボディ構造用部材、シャシ部材、ホイール、スペースフレーム、ステアリングホイール（芯金）、シートフレーム、サスペンションメンバー、エンジンブロック、ミッションケース、プーリ、オイルパン、シフトレバー、インスツルメントパネル、ドアインパクトパネル、吸気用サージタンク、ペダルブラケット、フロントシュラウドパネル等に本発明のアルミニウム合金鋳物は利用される。そして本発明のアルミニウム合金鋳物は鋳放し状態でも寸法安定性に優れるので、各部材の低コスト化を図り易い。
【実施例】
【００６１】
実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
（第１実施例）
（１）試験片の製作
ＪＩＳ  ＡＤＣ１２合金をベース材として調製したベース溶湯に、適当な合金元素等を適量添加して、表１に示すような種々の組成の合金溶湯を調製した（溶湯調製工程）。これらの各合金溶湯を用いてダイキャスト鋳造を行った（凝固工程またはダイキャスト鋳造工程）。ダイキャスト鋳造は、１３０ｔダイキャスト鋳造機を用いて行い、射出温度：６４０℃、鋳造圧力：６０ＭＰａとした。鋳物形状（または金型のキャビティ）は、１００ｘ１００ｘ１０ｍｍの板状とした。合金溶湯が凝固する際の冷却速度は、３０〜１０００℃／秒程度であった。こうして得られた各種のアルミニウム合金鋳物から、４０ｘ１０ｘ１０ｍｍの試験片を切り出して、永久成長評価用試験片とした。
【００６２】
（２）評価試験
上記の各永久成長評価用試験片を用いて、永久成長を測定し、永久成長率を求めた。その結果を表１に併せて示した。
【００６３】
この永久成長率は次のようにして求めた。先ず、永久成長評価用試験片の表面に、約３５ｍｍ間隔の２つの圧痕をつけ、圧痕間の距離（ｌ0）を室温（２０℃）で正確に測定する。次に、この圧痕を付けた試験片を大気雰囲気の加熱炉に入れて、１５０℃ｘ１５０時間（９０００分間）加熱する。加熱後の永久成長評価用試験片の圧痕間の距離（ｌ1）を、同じく室温（２０℃）で再び正確に測定する。そして、加熱前後の圧痕間の距離から永久成長評価用試験片の寸法変化（Δｌ＝ｌ0−ｌ1）を算出して、永久成長率（Δｌ／ｌ0 ｘ１００％）を求めた。
【００６４】
（３）評価
表１の結果から明らかなように、本発明の固溶Ｓｉ抑制元素であるＰ、Ｓｂ、Ｚｒ、ＶおよびＮａを適量含む試験片の場合、その永久成長率が全て０．１％以下となっている。さらには、永久成長率が０．０７％以下、０．０６％以下、０．０５％以下および０．０４％以下のものもある。そして、本発明に係る実施例の永久成長率は、比較例に示した従来のベース合金（ＡＤＣ１２相当）の永久成長率と比較して、約１／２以下となっていた。このように実施例の各試験片では、比較例の各試験片に比べて、永久成長が非常に小さかった。
【００６５】
（第２実施例）
第１実施例と同じようにして製造した各種の永久成長評価用試験片（４０ｘ１０ｘ１０ｍｍ）を用意して、加熱時間と永久成長率との関係を調べた。その結果を図１に示した。ここで用意した試験片の組成は、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２合金をベースとしたものに、Ｐ等の固溶Ｓｉ抑制元素を微量添加したものである。具体的には、Ｐ：０．００５質量％（５０ｐｐｍ）、Ｐ：０．５質量％（５０００ｐｐｍ）、Ｓｂ：０．０５質量％（５００ｐｐｍ）、Ｎａ：０．００５質量％（５０ｐｐｍ）である。また、Ｓｒを０．０４質量％添加したものも併せて示した。なお、Ｎａの添加には、Ｎａ系フラックスを使用した。
【００６６】
図１の結果から、次のことが分かる。先ず、Ｐ、ＳｂまたはＮａといった固溶Ｓｉ抑制元素を含有する試験片（アルミニウム合金鋳物）は、ベースとなるＡＤＣ１２の試験片やＳｒを含有する試験片と比べて、永久成長率が０．１２％程度から０．１％以下に低下していることが分かる。特に、Ｐは０．００５質量％（５０ｐｐｍ）程度の少量でも十分な永久成長率の低減効果があることが確認された。一方、Ｐが０．５質量％（５０００ｐｐｍ）と多くなっても、その効果に変化がなく、飽和することも分かった。
【００６７】
このような永久成長率の低減効果は、ＳｂやＮａといった他の固溶Ｓｉ抑制元素でも同様であるが、Ｓｒではその効果がないことが確認された。
【００６８】
さらに、永久成長率は、約５０００〜６０００分間（８０〜１００時間）程度の加熱で最大となり、それ以降は飽和状態となることも確認された。この点から、第１実施例の１５０時間は、的確で安定した永久成長率を判断するのに十分な加熱時間であったといえる。
【００６９】
【表１】
2005264301.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第２実施例に係る永久成長率と加熱時間との関係を示すグラフである。
【図１】
2005264301.tif 000004