(57)【要約】【課題】  主要なＡｌの温度および最終的な形態学（モフォロジー）が制御され得る従来技術またはレオキャスティング技術によって鋳造されるＡｌ-Ｓｉ合金鋳造品を生産する半固体金属鋳造方法を提供する。【解決手段】  第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を第１の温度まで加熱し、第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金に第２の温度で化合させて半固体金属を形成し、決められた時間で、該時間はゼロでありえる、化合した第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を冷却し、半固体金属を鋳造する。
2006525123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半固体金属（ＳＳＭ）鋳造方法は、
第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を第１の温度まで加熱し、
第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金に第２の温度で化合させて半固体金属を形成し、
決められた時間で、該時間はゼロでありえる、前記化合した第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を冷却し、
前記半固体金属を鋳造することを特徴とする半固体金属鋳造方法。
【請求項２】
さらに前記第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金に第３のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を化合させることを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項３】
前記亜共晶合金の各々が同じ化学組成を有することを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項４】
前記亜共晶合金のうちの１つが約６パーセントから約８パーセントまでの範囲のＳｉを含むことを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項５】
前記亜共晶合金のうちの１つが約７パーセントのＳｉであることを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項６】
さらに前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を液体状態になるまで加熱することを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項７】
さらに前記第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を加熱することを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項８】
前記第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の間に温度差を生じるように、前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の温度を前記第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の温度より高くすることを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項９】
前記温度差は、決まった冷却速度が得られるように選択されることを特徴とする請求項８記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１０】
前記第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の温度が室温であることを特徴とする請求項８記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１１】
前記第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金が同じ化学組成を有することを特徴とする請求項８記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１２】
より熱いＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を加熱することと比べてより熱いＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を冷却することのほうがより速い速度が得られるように、前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金と第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金との温度差が選択され、より熱いＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を室温にて独立に冷却させておくことを特徴とする請求項８記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１３】
前記温度差は、従来の半固体金属鋳造方法によって製造される鋳造品よりも均一に分散させる主要なＡｌ結晶粒を有する鋳造品が得られるように選択されることを特徴とする請求項８記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１４】
前記温度差は、平均粒径が約４０ミクロンから約６０ミクロンまでの範囲にあるＳｉ粒子を有する鋳造品が得られるように選択されることを特徴とする請求項８記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１５】
前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金が約６９０℃から約７１５℃までの範囲の温度に加熱されることを特徴とする請求項１記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１６】
前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金が約６４０℃まで加熱されることを特徴とする請求項１５記載の半固体金属鋳造方法。
【請求項１７】
前記第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金が約２２℃から約６６０℃までの範囲の温度に加熱されることを特徴とする請求項７記載の半固体金属鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、名称「亜共晶アルミニウム合金の半固体金属鋳造方法」、2003年5月1日に出願された出願番号第１０／４２６，７９９号の非仮特許出願に優先権を主張し、この開示を引用することにより本願に包含するものとする。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に金属合金を鋳造する方法に関する。より詳しくは、本発明はアルミニウム-シリコン合金の半固体金属鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ダイカスト、重力永久鋳型キャスティング（gravity permanent mold casting）およびスクイズキャスティングのような従来の鋳造方法が、アルミニウム-シリコン（Ａｌ-Ｓｉ）合金のためにこれまで長く利用されてきた。しかし、Ａｌ-Ｓｉ合金材料の半固体金属（ＳＳＭ）鋳造は一筋縄ではいかない複雑なものであったために、従来の方法は現在に至るまでうまく用いられなかった。レオキャスティング及びチクソキャスティングは、従来の鋳造手段をＳＳＭ鋳造に変換する試みにおいて開発された鋳造方法である。しかし、これらのＳＳＭ方法は、従来の鋳造機械に追加の改造を必要とし、また鋳造作業を改善するために鋳造部品に主要なＡｌおよび／またはＳｉの微細構造を操作するための能力へのチャレンジが残る。
【０００４】
したがって、所望の機械的性質を与えることができる従来の手段およびレオキャスティング手段の両方を用いるＳＳＭ Ａｌ-Ｓｉ合金の鋳造方法を提供することが望ましい。特に、大きい主要なＡｌ結晶粒の形成を制限するために、亜共晶のＡｌ-Ｓｉ合金の主要なＡｌ結晶粒の核形成を制御する方法のニーズがある。更にまだ、半固体スラリーの温度が制御され得る従来技術またはレオキャスティング技術によって、Ａｌ-Ｓｉ合金鋳造品を生産する方法を提供することが要望されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明による範囲は前述のニーズに合致する。本発明の一実施形態によれば、主要なＡｌの温度および最終的な形態学（モフォロジー）が制御され得る従来技術またはレオキャスティング技術によって鋳造されるＡｌ-Ｓｉ合金鋳造品を生産するＳＳＭ鋳造方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に従って、ＳＳＭ鋳造方法は、第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を第１の温度まで加熱し、第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を前記第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金に第２の温度で化合させて半固体金属を形成し、決められた時間で、該時間はゼロでありえる、前記化合した第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を冷却し、前記半固体金属を鋳造することを特徴とする。これらの合金は、化学組成が同じであってもよいし、あるいは異なっていてもよい。また、これらの合金は、同じ温度まで加熱されてもよいし、異なる温度まで加熱されてもよい。
【０００７】
本発明の他の実施形態によれば、第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の温度を第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の温度より高くし、それにより温度差が第１および第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金の温度の間にあるようにする半固定金属鋳造方法が提供される。その温度差は、最終的な鋳造製品の主要なＡｌ結晶粒サイズが制御され得る冷却の決定された速度が得られるように選択されうる。いくらかの実施形態によれば、亜共晶Ａｌ-Ｓｉ鋳造製品は、平均粒径が約４０ミクロンから約６０ミクロンまでの範囲にあるＡｌ結晶粒を有することができる。また、第１のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金と第２のＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金との温度差は、より熱いＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を加熱することと比べてより熱いＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を冷却することのほうがより速い速度が得られるように選択される。そして、より熱いＡｌ-Ｓｉ亜共晶合金を室温にて独立に冷却させておくことができる。
【０００８】
このような概要であるが、以下の詳細な説明において、本発明のより広く、より重要な特徴について、よりよく理解されることができ、技術に対する現在の貢献がよりよくてもよいということを認めることができる。もちろん、以下に後述する本発明の追加の特徴は本発明の請求項の主題を形成する。
【０００９】
この点で、詳細に本発明の少なくとも一つの実施の形態を説明する前に、本発明が構造の詳細に対する、そして、以下の説明に記載される部品の配置に対するその応用において制限されないかまたは図面において例示されないと理解されることになっている。本発明は、他の実施形態の中で実践されることができて、多様な方法で実施される。また、要約と同様に、本願明細書において用いられる言葉遣いと用語は説明の目的であって、これらに限定されるものではないと理解される。
【００１０】
このように、当業者は、本発明のいくつかの目的を遂行するために、この開示が基礎を形成される概念が他の構造の設計、方法および外へ持ち運ぶシステムの根拠として容易に利用されることができると認める。したがって、それらが本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、請求項がこの種の等価構造を含むことと考えられることは、重要である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法は、形態学、サイズおよび所望の機械的性質を得るために亜共晶のＡｌ-Ｓｉ液体と亜共晶のＡｌ-Ｓｉ固体粒子とを混ぜ合わせる亜共晶Ａｌ-Ｓｉの主要なＡｌを分配する制御部を提供する。
【００１２】
本発明は、第２の処理ステップを必要とすることなく、亜共晶合金の中で形成することで他のレオキャスティング方法と関連させた半固体金属を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、最終鋳造製品の機械的性質を制御する試みのために、ＳＳＭ鋳造の前に成分組成、温度およびＡｌ-Ｓｉ合金のミクロ組織を制御するための方法を提供する。通常、これは少なくとも２つの亜共晶Ａｌ-Ｓｉ合金を混合することによって達成される。定義によれば、約１１．７質量％未満のＳｉを有するアルミニウム合金は「亜共晶（hypoeutectic）」と定義され、約１１．７質量％を超えるＳｉを有するアルミニウム合金は「過共晶（hypereutectic）」と定義される。全ての例において、用語「約（about）」は、技術において公知の化学的重量および大きさと関連する固有の不正確さを説明するためにこの開示に取り入れられるものとした。
【００１４】
現在のＳＳＭ鋳造の方法に用いられる合金の金属組成は、出発材料の入手可能性および組成物に限られる。これに対して、本発明によれば、出発材料または半固体スラリーの組成と質量を制御することによって、Ａｌ-Ｓｉ合金中のＳｉの最終的な濃度の操作が単一の亜共晶合金中への亜共晶合金の組合せをなしうるという理由から、同じ出発材料から金属組成の幅広い範囲がなし遂げられる。
【００１５】
混合亜共晶合金組成物は、アルミニウム中に約１１．７％未満のＳｉを含む少なくとも２つ又はそれ以上のアルミニウム合金を化合させることによって形成することができる。ある１つの実施の形態では、混合亜共晶合金を形成するために２つのＡｌ-Ｓｉ合金が化合される。出発材料の１つは、Ａｌ-Ｓｉ合金である必要はないが、その代わりに純粋なアルミニウムとする点に注意されたい。らに他の実施の形態では、２つ又はそれ以上の同じＡｌ-Ｓｉ化学組成（例えば、同じ質量パーセントＳｉ）を有する亜共晶合金の組合せを本願明細書において開示している。約７％のＳｉを有する亜共晶合金の１つの実施形態として、エルケム（Elkem;シブロイ（SIBLOY）の登録商標の下）によって開発されたものがある。
【００１６】
特有の物理的性質を最終製品に付与することに加えて、アルミニウム中のＳｉ濃度は、いかなる与えられた温度でもいかなる与えられた合金でも相プロファイル（フェーズ・プロファイル）の必然的な結果をもたらす。例えば、亜共晶Ａｌ-Ｓｉ合金は、液相線の下方で、かつＳＳＭ範囲内で冷え始めるようにするので、大きいＡｌ結晶粒が発達し始める。好適な実施例では、混合は遷移半固体相に費やす時間の量が最小にされるために、本発明は異なる温度で２つのＡｌ-Ｓｉ合金を混合する方法を教示する。
【００１７】
これらの合金の温度制御は、本発明に記載の２つ又はそれ以上の亜共晶合金を混合することによって達成できる。通常、１つの合金は、液体の状態まで加熱され、それからＳＳＭ範囲内で化合された溶融物をもたらすためにクーラー温度の合金と混合した。
【００１８】
クーラー合金は、より熱いホッター合金が、クーラー合金とともに化合されるときに、ヒートシンクとして作用する。それから、従来のクーラー又は空気冷却を用いるよりもより迅速に半固体の体制に化合合金の混合をもたらされる。若干の実施例において、１つ又はそれ以上の亜共晶合金は、固体の状態に維持される。
【００１９】
好ましくは、より熱いホッター合金であるか又は液状の合金は、通常、クーラー合金又は固体合金のなかに注ぎ込まれる。しかし、より熱いホッター合金に対してクーラー合金を加えるようにすることも可能である。固体相合金は、公知技術のいかなる形態にもおいて提示されることができ、それは粒、チップおよび／またはペレットを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
一実施形態では、スクイズキャスティングを必要とするときに、合金を約６９０℃から約７１５℃までの範囲に加熱するようにしてもよい。他の実施形態では、ＳＳＭが精製された（例えば、精製されたか又は電磁撹拌された粒）ときに、合金を約５７７℃から約５８０℃までの範囲に概して加熱するようにしてもよい。さらに他の実施形態では、化合される合金のうちの１つは、まったく加熱されることがなく、例えばそれが周囲の室温で使用されるようにしてもよい。
【００２１】
本発明の好適な実施の形態において、ホッター合金はクーラー合金と組み合わせられ、好ましくは、ホッター合金は約６４０℃まで昇温され、クーラー合金は周囲温度または室温の状態にしておかれる。この大きい温度勾配は、従来のクーラーで冷却するよりもホッター親合金から熱を迅速に奪い、半固体／スラリー処理温度までの温度降下に要する時間を減少させる。主要なＡｌ相のこの種の速い核形成は、材料の全体にわたってより均一なミクロ組織になると考えられる。
【００２２】
このように、現在の発明は、第二の処理設備（例えば外部の冷却メカニズムまたは誘導加熱装置）が無い状態で、レオキャスト法を通して亜共晶合金のＳＳＭ鋳造を可能にできる。
【００２３】
例えば、一実施形態では、現在のスクイズキャスティング法は、上述した追加の装置で処理するよりもＳＳＭ範囲に対するクーラー亜共晶Ａｌ-Ｓｉ合金に本願明細書において述べられる教示を使用することによってコストをかなり減少させる点でＳＳＭ鋳造プロセスに変換させることができる。
【００２４】
図１は、スクイズキャスティングに使用される本発明の一実施例に従うスクイズキャスティング・プロセスのグラフィック表示図である。当業者は代替の実施形態がまた、したがって、本発明の範囲および趣旨およびそれの範囲内で可能であると認める。そして、本発明はそうしてはならない構造または本願明細書において記載されている部品の配置の詳細に限定されるものではない。
【００２５】
図１の実施の形態によれば、先ず最初に鋳造装置のショットスリーブが、そこにおいて注入サイクルを開始する注入位置に到達している。ショットスリーブは、ダイ・キャビティに後に変形する液体／スリーブ材料の測定された量を含む容器である。クーラー亜共晶合金の固体塊をショットスリーブに加える。その後、ホッター亜共晶合金の溶融金属をショットスリーブに注入し、固体塊と混合した。本実施例における組み合せは、溶融金属への固体材料の速い消滅を促進し、そのようにして溶融金属の初期温度を降下させる。いったんＳＳＭ範囲になると、ダイ・キャビティに公知技術の種々の方法の１つによってスラリーを射出注入して、鋳造を続ける。
【００２６】
上述のように、半固体相のＡｌ結晶粒の成長は、鋳造前の合金の初期温度と冷却時間とは直接の相関関係がある。合金が半固体相のなかにより長く残留すると、大きいＡｌ結晶粒の望ましくない成長の可能性が増加する。また、合金が鋳造前のＳＳＭ相のなかで費やす時間を短くすることは、核の発生の数を最大にすることによって大きいＡｌ結晶粒の成長を最小にし、より小さいサイズでより多くのＡｌ結晶粒を生成させる。図２に本願明細書に記載した本発明の工程により製造された鋳造品のミクロ組織を示す。
【００２７】
図２はそれらの鋳造品を急冷した後の鋳造合金のミクロ組織を示す。提示される特定の実施例において、３５７合金（ほぼ７％Ｓｉの市販の入手可能な合金）を６４０℃まで加熱し、それから室温で３５７合金チップと化合させた。３５７合金チップは平均サイズが約０．２５in3（立方インチ）であった。化合された液状の混合物は異なる温度の２つの合金の中で混合されることによって５８７℃に冷えて温度降下し、その後に、最終的には急冷した。鋳造品の３つの別々の横断面を、エッジ（端）、半径の半ば（中間区域）および中心（中央）でとった。鋳造品の種々の断面のミクロ分析は、主要なＡｌ結晶粒が最小限度に凝集した形態で比較的均一に分散していることを証明している。ミクロ組織のなかでは明るい色の粒子としてＡｌ結晶粒が見られる。その背景は共晶（例えば、Ａｌ-Ｓｉの混合物）である。鋳造品のエッジであるにもかかわらず、鋳造品の中心から直径で約４０ミクロンから約６０ミクロンまでのサイズの範囲でＡｌ結晶粒が見られた。Ａｌ結晶粒の稠密性は、完全球体粒子に対して相対的に評価され、（２πｒ）2/４πｒ2の比率として表わされる。したがって、完全球体のＡｌ結晶粒は１の比率を持ち、顕微鏡写真上に環状に表れる。これより大きい比率になるとそこから逸脱することを示す。鋳造品の中心の稠密比（compactness ratio）は約１．６から１．８までの範囲であったが、鋳造品のエッジの稠密比は約２．２から約３．０までの範囲であった。
【００２８】
図２のエッジ横断面の分析は、主要なＡｌの形態学がより均一でなく、与えられた位置（星型の）からわずかに放射していることを示す。これは、通常、溶融した液体またはスラリーがダイカストの冷えた表面と直接接触して来るところが鋳造品の外側のエッジで観察される。
【００２９】
より速い温度降下は、徐々に温度降下させる場合よりもより大きい核となることの結果をもたらす。これは、サイズ（幅および長さ）においてより小さいが、また、通常、合金から一様に分散した多数のＡｌ結晶粒を生成する望ましい効果を有する。
【００３０】
図２に示すように、Ａｌ結晶粒の一様な分散は、機械的欠陥のより少ない可能性をもつ機械的性質がより良くなることを予測させ、実質的にＡｌ結晶粒の平均の成長を制限して、球体の凝集の可能性を低減させる効果がある。
【００３１】
このようにして本発明の多くの特徴と効果は本願明細書の詳細な説明から明らかである。そして、それは全てのこの種の特徴をカバーする添付の請求の範囲によって示され、また本発明の真の精神および範囲内に入る本発明の効果が示される。さらに、多数の変更態様と変形例を当業者が容易になしうるので、それが本発明を例示されて、記載されている正確な構造および作動に制限するために所望でなくてそれに応じて全く適切な変更態様で、かつその均等物にもさらに適用することができ、本発明の範囲内に入るものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の方法を実施することができる手段の一実施形態のグラフィック表示図である。
【図２】図２は、図１の方法により製造される鋳造品の範囲内で、異なる部位から代表するミクロ組織をそれぞれ示す顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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