(57)【要約】【課題】金属Na部材又は金属Na合金部材により過共晶Al-Si合金溶湯中にNaを00massppm〜1000massppm含有させ、Pを１massppm〜50massppm、Siを15mass%〜30mass%で過共晶Al-Si合金溶湯中に含有させることにより、Pの減少を抑制して初晶Si粒子２を微細化できるとともに、Pが有している初晶Si粒子２の微細化効果を促進し、さらに初晶Si粒子２を丸みを帯びた形状にできる。かくして、本発明による過共晶Al-Si合金１は、従来よりも、高強度、高伸び、高機械加工性及び耐熱衝撃性を有するとともに、平滑な加工面を形成できる。【選択図】図１
2012062501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Al、Si及びPを所定の組成比で含有した過共晶Al-Si合金溶湯を作製し、該過共晶Al-Si合金溶湯を冷却させることにより、初晶Si粒子が分散した過共晶Al-Si合金を製造する製造方法において、
前記過共晶Al-Si合金溶湯中のP含有量を1massppm以上、50massppm以下に調整するとともに、金属Na又は金属Naを含む金属Na合金部材を前記過共晶Al-Si合金溶湯に添加する添加ステップを備える
ことを特徴とする過共晶Al-Si合金の製造方法。
【請求項２】
前記過共晶Al-Si合金溶湯中のSi含有量を15mass%以上、30mass%以下に調整するSi含有量調整ステップを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の過共晶Al-Si合金の製造方法。
【請求項３】
前記添加ステップは、前記過共晶Al-Si合金のNa含有量を200massppm以上、1000massppm以下にすることを想定して前記金属Na又は前記金属Na合金部材を、前記過共晶Al-Si合金溶湯に添加する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の過共晶Al-Si合金の製造方法。
【請求項４】
初晶Si粒子がアルミニウムマトリクス中に分散している過共晶Al-Si合金において、
前記初晶Si粒子は、平均粒径が100μm未満であり、丸みを帯びた外郭形状に形成されている
ことを特徴とする過共晶Al-Si合金。
【請求項５】
Si含有量が15mass%以上、30mass%以下である
ことを特徴とする請求項４に記載の過共晶Al-Si合金。
【請求項６】
前記初晶Si粒子が20μm以下である
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の過共晶Al-Si合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過共晶Al-Si合金の製造方法及び過共晶Al-Si合金に関し、例えば、鋳造法により過共晶Al-Si合金を製造する際に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
Al-Si 合金は軽量で強度に優れることから、自動車やオートバイ、産業機械などに多用されてきた。特に、その亜共晶合金はNaやSrによるSiの改良処理が発達し、共晶Siの形態を変化させることで機械的性質が大幅に改善され、その用途を拡大してきた。しかし、構造材の主流である鋼に比べて熱膨張係数が大きく、耐摩耗性に劣るなどの問題点があり、これらの特性を改善するため、近年、過共晶Al-Si合金が注目されている。
【０００３】
過共晶Al-Si合金の製造方法としては、例えば、Al-23%Si合金を溶解させたAl-23%Si合金溶湯に所定の添加剤を添加して添加合金溶湯を作製し、この添加合金溶湯を冷却することにより過共晶Al-Si合金を製造する鋳造法が知られている。
【０００４】
図８（Ａ）は、このような従来の鋳造法により製造された過共晶Al-Si合金10を示す。ここで、過共晶Al-Si合金10の内部には、複数の初晶Si粒子11が分散するようにして生成されており、この初晶Si粒子11は、大きさが200μm以上でなり、かつ複数の角部を有した板状の塊で形成されている。
【０００５】
しかしながら、このような過共晶Al-Si合金10では、初晶Si粒子11の平均粒径が大きいので、機械加工性が低くなるという問題が生じてしまうため、初晶Si粒子11の平均粒径を小さくすることが望まれている。また、この過共晶Al-Si合金10では、初晶Si粒子11が角部を有していることから、外力が印加された際に、当該初晶Si粒子11の角部が破壊の起点となり易く、その結果、引張り強度や、伸び易さ、機械加工性が劣化し、また平滑な加工面も形成し難いという問題が生じてしまう。
【０００６】
因みに、このような従来の鋳造法では、冷却速度を速くすることにより初晶Si粒子11を微細化できることが知られているが、冷却速度を速くした場合であっても、図８（Ｂ）に示すように、初晶Si粒子11の平均粒径が100μmより大きくなるとともに、角部を有する板状の初晶Si粒子11が生成されてしまう。
【０００７】
そこで、このような問題点を解決するために、製造過程において、Al-Si合金溶湯に微量のPを添加して、初晶Si粒子11の平均粒径を従来よりも微細化する製造方法が用いられるようになった。このような従来の鋳造法にPを添加する工程を追加した製造方法については、非特許文献１に示されており、例えばAl-20%Si合金溶湯に所定量のPを添加することで、図９に示すように、過共晶Al-Si合金20内に20μm程度の初晶Si粒子21を生成できることが報告されている。
【０００８】
また、他の過共晶Al-Si合金の製造方法としては、PをAl-Si合金溶湯に添加した後に、Naを溶剤に溶解させて液相状態としたまま、Al-Si合金溶湯に添加する処理（フラックス処理）を行い、初晶Si粒子を微細化する製造方法も知られている（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】山縣  裕、「過共晶Al-20mass％Si合金を用いたダイカストエンジンブロックの開発」、軽金属 54(2004)298
【非特許文献２】WU Shu-sen et.al, "Modification Mechanism of Hypereutectic Al-Si Alloy with P-Na Addition", Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 13, pp.1285-1289, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１のような製造方法では、初晶Si粒子21に複数の角部を有した外郭形状に形成されてしまうため、従来と同様に、外力が印加された際に、初晶Si粒子21が破壊の起点となり易く、その結果、引張り強度や、伸び易さ、機械加工性が劣化し、また平滑な加工面を形成し難いという問題があった。
【００１１】
また、非特許文献２のような製造方法でも、初晶Si粒子に複数の角部を有した外郭形状に形成されてしまうことから、非特許文献１と同様に、外力が印加された際に、初晶Si粒子が破壊の起点となり易く、引張り強度や、伸び易さ、機械加工性が劣化し、また平滑な加工面を形成し難いという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来よりも、高機械加工性及び耐熱衝撃性を向上させるとともに、平滑な加工面を形成できる過共晶Al-Si合金の製造方法及び過共晶Al-Si合金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】
【００１３】
本発明の請求項１では、Al、Si及びPを所定の組成比で含有した過共晶Al-Si合金溶湯を作製し、該過共晶Al-Si合金溶湯を冷却させることにより、初晶Si粒子が分散した過共晶Al-Si合金を製造する製造方法において、前記過共晶Al-Si合金溶湯中のP含有量を1massppm以上、50massppm以下に調整するとともに、金属Na又は金属Naを含む金属Na合金部材を前記過共晶Al-Si合金溶湯に添加する添加ステップを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項２では、前記過共晶Al-Si合金溶湯中のSi含有量を15mass%以上、30mass%以下に調整するSi含有量調整ステップを備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項３では、前記添加ステップは、前記過共晶Al-Si合金のNa含有量を200massppm以上、1000massppm以下にすることを想定して前記金属Na又は前記金属Na合金部材を、前記過共晶Al-Si合金溶湯に添加することを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項４では、初晶Si粒子がアルミニウムマトリクス中に分散している過共晶Al-Si合金において、前記初晶Si粒子は、平均粒径が100μm未満であり、丸みを帯びた外郭形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項５では、Si含有量が15mass%以上、30mass%以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項６では、前記初晶Si粒子が20μm以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１によれば、金属Na又は前記金属Naを含む合金を過共晶Al-Si合金材料の溶湯に添加するようにしたことにより、Pの減少を抑制して初晶Si粒子を微細化できるとともに、Pが有している初晶Si粒子の微細化効果を促進し、さらに初晶Si粒子を丸みを帯びた形状にできることから、従来よりも、高機械加工性及び耐熱衝撃性を向上させるとともに、平滑な加工面を有する過共晶Al-Si合金を製造できる。
【００２０】
本発明の請求項２によれば、Si濃度を高くしたことで、従来よりも、高強度、高伸びの過共晶Al-Si合金を製造できる。
【００２１】
本発明の請求項４によれば、初晶Si粒子を微細化し、かつ丸みを帯びた外郭形状に形状することで、従来よりも、高機械加工性及び耐熱衝撃性を向上させるとともに、平滑な加工面を有する過共晶Al-Si合金を提供することができる。
【００２２】
本発明の請求項５によれば、Si濃度を高くしたことで、従来よりも、高強度、高伸びの過共晶Al-Si合金を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の過共晶Al-Si合金の断面構成を示す拡大写真である。
【図２】Siの結晶構造とAlP（リン化アルミニウム）の結晶構造とを示す概略図である。
【図３】本発明による過共晶Al-Si合金の製造工程を示す概略図である。
【図４】実施例１〜６の各試料の断面箇所を光学顕微鏡により観察したときの光学顕微鏡写真である。
【図５】実施例１〜３の各試料の断面箇所を電子顕微鏡により観察したときの電子顕微鏡写真である。
【図６】図５における実施例３の初晶Si粒子の拡大写真である。
【図７】実施例１９、実施例２０及び比較例８の試料の断面箇所を光学顕微鏡により観察したときの光学顕微鏡写真である。
【図８】従来の鋳造法を用いて製造された過共晶Al-Si合金の断面構成を示す電子顕微鏡写真である。
【図９】Pを添加して製造された従来の過共晶Al-Si合金の初晶Si粒子の光学顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
【００２５】
（１）過共晶Al-Si合金の全体構成
図１において、１は本発明の製造方法により製造された過共晶Al-Si合金を示し、この過共晶Al-Si合金は、微細化された初晶Si粒子２がアルミニウムマトリクス３（図面内の暗部）内に疎に分散し、初晶Si粒子２よりも微細化された共晶Si粒子４（暗部内の白く小さな点状物）がアルミニウムマトリクス３内に密に分散した構成を有する。この初晶Si粒子２は、丸みを帯びた外郭形状を有しており、平均粒径が100μm未満、好ましくは20μm以下の微粒子状に形成され、さらに製造条件によっては10μm程度の微粒子状にも形成され得る。
【００２６】
なお、ここで平均粒径とは、顕微鏡組織写真から確認できた初晶Si粒子２の面積を計測して、各初晶Si粒子２の形状を円と仮定して粒径を算出し、これら初晶Si粒子２の粒径から平均径を算出したものである。
【００２７】
アルミニウムマトリクス３は、そのほとんどがAlで形成されており、少量の不純物が含有されている。また、共晶Si粒子４は、大きさが初晶Si粒子２よりも非常に小さく、棒状や針状の形状に形成されている。
【００２８】
（２）過共晶Al-Si合金の製造方法
次に、上述した過共晶Al-Si合金１の製造方法について、以下説明する。先ず、粉末状又は塊状の金属Naと、Al及びSiが所定の組成比でなるAl-Si母合金とを準備する。次いで、このAl-Si母合金を坩堝内で加熱して溶解させAl-Si母合金溶湯を作製し、アルミ箔で包んだ金属NaをこのAl-Si母合金溶湯に浸漬する。次いで、浸漬後、Al-Si母合金溶湯と金属Naとが反応するため、反応が沈静化するまで放置し、その後、一定時間、坩堝を攪拌して、金属Naを多量に含有するAl-Si-Na母合金を作製する。
【００２９】
また、これとは別に、Al及びSiが所定の組成比でなるAl-Si合金材料を、別の坩堝に入れて炉内で加熱し、当該Al-Si合金材料を溶解させることによりAl-Si合金溶湯を作製する。次いで、予め作製したAl-Si-Na母合金をこのAl-Si合金溶湯に添加した後攪拌し、Naを含有する過共晶Al-Si合金溶湯を作製する。本発明では、このようにして作成した過共晶Al-Si合金溶湯を冷却することにより製造される過共晶Al-Si合金の製造方法及び過共晶Al-Si合金に関する提案である。
【００３０】
また、この際、過共晶Al-Si合金溶湯は、必要に応じてSi及びPも添加され、Si及びPの含有量がそれぞれ所定の値に調整されている。最後に、この過共晶Al-Si合金溶湯を、所定の鋳型に注湯して冷却させることで、平均粒径が100μm未満に微細化され、かつ丸みを帯びた外郭形状に形成された初晶Si粒子２が、アルミニウムマトリクス３に分散した過共晶Al-Si合金１を作製できる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態においては、金属Naを添加したAl-Si-Na母合金（金属Na合金部材）を、Al-Si合金溶湯に添加して、過共晶Al-Si合金溶湯中のNa含有量を調整する金属Na添加処理法について述べたが、本発明はこれに限らず、金属Na自体をAl-Si合金溶湯に直接添加して、過共晶Al-Si合金溶湯内のNa含有量を調整する金属Na添加処理法や、若しくは、粉末状又は塊状のAl-Si-Na母合金を溶解させたAl-Si-Na母合金溶湯（金属Na合金部材）を、Al-Si合金溶湯に添加して過共晶Al-Si合金溶湯中のNa含有量を調整する金属Na添加処理法を適用してもよい。
【００３２】
また、上述した実施の形態においては、純度の高いPをAl-Si合金溶湯に添加する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、PだけでなくAlも含有しているAlP（リン化アルミニウム）をAl-Si合金溶湯に添加するようにしてもよい。
【００３３】
（３）過共晶Al-Si合金溶湯中におけるSi、P及びNaの含有量
過共晶Al-Si合金溶湯におけるSi、P及びNaの含有量について、以下説明する。Siは、過共晶Al-Si合金溶湯中に、15mass%〜30mass%含有させることが好ましい。Si含有量が15mass%より少ないと、初晶Si粒子２の晶出量が低下し、初晶Si粒子２の数が低減してしまい、過共晶Al-Si合金１の引張り強度や伸び易さ等の機械的性質の向上効果がみられないので好ましくない。また、Si含有量が30mass%より多くなると、Siを完全に溶解するのに高温を要し、かつ、固相の大量の晶出した溶湯は湯流れが悪く、実用に適さない。さらに、Si含有量が30mass%より多くなると、晶出する初晶Si粒子２が錨のような働きをする（アンカー効果）ため、切削性の低下や、切断面を研磨して平滑にすることが困難となり、過共晶Al-Si合金１の加工性が低下し好ましくない。
【００３４】
次いで、Pは、過共晶Al-Si合金溶湯中に、１massppm〜50massppm含有させることが好ましい。P含有量が１massppmより少ないと、初晶Si粒子２の核となるAlPの量が少なくなり、初晶Si粒子２の平均粒径が大きくなって（100μm以上）好ましくない。また、P含有量が50massppmより多いと、AlPの結晶粒の粒子サイズが大きくなり、それに伴って初晶Si粒子２の平均粒径も大きくなる（100μm以上）ことから好ましくない。
【００３５】
因みに、このAlPは、図２（Ａ）に示すように、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有し、格子状数が5.462（Å）となっている。また、Siは、図２（Ｂ）に示すように、ダイヤモンド型の結晶構造を有し、格子状数が5.429（Å）となっている。これらAlPの閃亜鉛鉱型と、Siのダイヤモンド型とは、原子の配置位置が同じで、さらに格子状数も互いに近い数値となっていることから、過共晶Al-Si合金材料の溶湯を冷却する際に、AlPの周りにSiが結晶成長し易く、AlPを核とした初晶Si粒子が生成され得る。
【００３６】
次いで、Naは、過共晶Al-Si合金中のNa含有量が200massppm〜1000massppmとなることを想定して、過共晶Al-Si合金溶湯にAl-Si-Na母合金が添加されることが好ましい。想定されるNa含有量が200massppmより少ないと、初晶Si粒子２の外郭形状が丸みを帯びた形状とならず、また平均粒径が大きくなる（100μm以上）ことから好ましくない。想定されるNa含有量が1000massppmより多いと、Naの取り扱いが困難となり、また炉材や注湯容器等が溶損し易くなることから好ましくない。また、想定されるNa含有量が多い程、初晶Si粒子２の平均粒径が小さくなり、Na含有量が600massppm〜1000massppmの場合は、初晶Siの平均粒径を20μm以下にできる。
【００３７】
（４）実施例
（４−１）P含有量のNa添加方法依存性
本発明に先立って、P減少のNa添加方法依存性に関する実験をAl-13%Si合金を用いて検討した結果を表１に示す（表１中では、Al-13%Si合金を溶解したままの、何も添加していない試料を「無処理」と表記）ような、商用純度の過共晶Al-13%Si合金材料（以下、単に商用純度Al-Si合金材料と呼ぶ）と、高純度の過共晶Al-13%Si合金材料（以下、これを高純度Al-Si合金材料と呼ぶ）を用意し、商用純度Al-Si合金材料を溶融させた商用純度合金溶湯と、高純度Al-Si合金材料を溶融させた高純度合金溶湯を作製した。当該作成した商用純度合金溶湯及び高純度合金溶湯に、本願発明の金属Na添加処理法を用いたNa添加方法と、従来技術のフラックス処理法によるNa添加方法を行った。製造した過共晶Al-Si合金のGDマス分析による元素濃度解析結果についても表１に示す（表１中では、各々「Na(metal)」と「Na(flux)」と表記した）。
【００３８】
【表１】
2012062501.tif 000003
表１より、本願発明の金属Na添加処理法を用いたNa添加方法を実施した場合、商用純度Al-Si合金材料及び高純度Al-Si合金材料を用いて形成した過共晶Al-Si合金は、いずれも、無処理のP濃度に比較してP濃度が減少していないことがわかる。これに対して、従来技術のフラックス処理法によるNa添加方法を実施した場合、商用純度Al-Si合金材料及び高純度Al-Si合金材料を用いて形成した過共晶Al-Si合金は、いずれも、無処理のP濃度に比較してP濃度が減少している。
【００３９】
以上より、本願発明の金属Na添加処理法を用いたNa添加方法を実施した場合は、当該処理によるP濃度の減少がないこと、つまり、P添加量が、そのまま過共晶Al-Si合金のP含有量となることが確認できた。従って、以下の実験では、本願発明の金属Na添加処理法を用いたNa添加方法を実施した場合は、P添加量と過共晶Al-Si合金のP含有量は等しいとして説明する。
【００４０】
（４−２）実証実験１
次に、上述した表１に示すような、商用純度Al-Si合金材料と、高純度Al-Si合金材料を用意し（表１中「無処理」と表記）、商用純度Al-Si合金材料を溶融させた商用純度合金溶湯と、高純度Al-Si合金材料を溶融させた高純度合金溶湯を作製した。
【００４１】
次いで、上述した製造方法に従って、商用純度合金溶湯と、高純度合金溶湯におけるNaの添加量を調整し、複数の過共晶Al-Si合金を作製した。そして、これら複数の過共晶Al-Si合金について、内部の組成状態の様子を観察し、初晶Si粒子２の平均粒径や、外郭形状について検証した。
【００４２】
ここでは、先ず、表１に示す商用純度Al-Si合金材料500gを用意し、これを図３に示すようなアルミナ坩堝５に入れ、約800℃で加熱して商用純度合金溶湯を複数作製した。ここで、金属Na合金部材として、Al-20%Si-1%Naの組成でなり金属Naを含有させたAl-20%Si-1%Na母合金を、予め作製して用意した。
【００４３】
次いで、商用純度Al-Si合金材料500gと、この商用純度Al-Si合金材料500gに添加するAl-20%Si-1%Na母合金との質量の合計に対して、Naの含有量が200massppmとなるAl-20%Si-1%Na母合金の添加量を特定し、この特定した添加量のAl-20%Si-1%Na母合金を、商用純度合金溶湯に添加して、第１の商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。
【００４４】
また、商用純度Al-Si合金材料500gと、この商用純度Al-Si合金材料500gに添加するAl-20%Si-1%Na母合金との質量の合計に対して、Naの含有量が500massppmとなるAl-20%Si-1%Na母合金の添加量を特定し、この特定した添加量のAl-20%Si-1%Na母合金を、商用純度合金溶湯に添加して、第２の商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。
【００４５】
さらに、商用純度Al-Si合金材料500gと、この商用純度Al-Si合金材料500gに添加するAl-20%Si-1%Na母合金との質量の合計に対して、Naの含有量が800massppmとなるAl-20%Si-1%Na母合金の添加量を特定し、この特定した添加量のAl-20%Si-1%Na母合金を、商用純度合金溶湯に添加して、第３の商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。
【００４６】
次いで、水冷銅板６上に設置された有底円筒形状の断熱鋳型７を用意し、これら第１〜第３の商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を別の断熱鋳型７にそれぞれ個別に注湯した。次いで、第１〜第３の商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７によって冷却して凝固させた後、断熱鋳型７から取り出した。
【００４７】
このようにして、Naの含有量を200massppm、500massppm、800massppmとさせるためにそれぞれ理論的に特定した添加量のAl-20%Si-1%Na母合金をそれぞれ添加した３つの商用純度過共晶Al-Si合金を、円柱状に形成した試料1aを作製した。
【００４８】
なお、断熱鋳型７は、下記の表２に示すように、水冷銅板６上から約10mmの部位（以下、これを単に10mm部という）で約200K/minの冷却速度で冷却でき、また水冷銅板６上から約100mmの部位（以下、これを単に100mm部という）で約20K/minの冷却速度で冷却できるものを用いた。
【００４９】
【表２】
2012062501.tif 000004
また、これとは別に、高純度Al-Si合金材料500gを用意し、これを別のアルミナ坩堝５に入れ、約800℃で加熱して高純度合金溶湯を複数作製した。次いで、Naの含有量を200massppm、500massppm、800massppmとさせるためにそれぞれ理論的に特定した添加量のAl-20%Si-1%Na母合金を、第１〜第３の高純度合金溶湯にそれぞれ添加して３つの高純度過共晶Al-Si合金溶湯とを作製した。
【００５０】
次いで、これら３つの高純度過共晶Al-Si合金溶湯を別の断熱鋳型７にそれぞれ個別に注湯し、これら高純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７によって冷却して凝固させた後、断熱鋳型７から取り出した。このようにして、Naの含有量を200massppm、500massppm、800massppmとさせるためにそれぞれ理論的に特定した添加量のAl-20%Si-1%Na母合金をそれぞれ添加した３つの高純度過共晶Al-Si合金を、円柱状に形成した試料1aを作製した。
【００５１】
次いで、これら６種類の試料1aについて、水冷銅板６上から10mmの位置となる部位（10mm部）と、100mmの位置となる部位（100mm部）とをそれぞれ切断して、１つの試料1aから２つの試料片を採取した。採取された各試料片の切断面を研磨した後、光学顕微鏡を用いて切断面の状態を観察した。
【００５２】
ここで、Na含有量を200massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された商用純度過共晶Al-Si合金において、冷却速度200K/minで冷却した10mm部を実施例１とし、冷却速度約20K/minで冷却した100mm部を実施例４とした。また、Na含有量を500massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された商用純度過共晶Al-Si合金において、10mm部を実施例２とし、100mm部を実施例５とした。さらに、Na含有量を800massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された商用純度過共晶Al-Si合金において、10mm部を実施例３とし、100mm部を実施例６とした。
【００５３】
また、Na含有量を200massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された高純度過共晶Al-Si合金において、冷却速度200K/minで冷却した10mm部を比較例７とし、冷却速度約20K/minで冷却した100mm部を比較例１０とした。また、Na含有量を500massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された高純度過共晶Al-Si合金において、10mm部を比較例８とし、100mm部を比較例１１とした。さらに、Na含有量を800massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された高純度過共晶Al-Si合金において、10mm部を比較例９とし、100mm部を比較例１２とした。
【００５４】
このような実施例１〜６及び比較例７〜１２について纏めると、下記の表３のようになる。
【００５５】
【表３】
2012062501.tif 000005
実施例１及び４の試料切断面は、光学顕微鏡により観察したところ、図４（Ａ）及び（Ｄ）に示すような状態となっており、実施例２及び５の試料切断面は、光学顕微鏡により観察したところ、図４（Ｂ）及び（Ｅ）に示すような状態となっており、実施例３及び６の試料切断面は、光学顕微鏡により観察したところ、図４（Ｃ）及び（Ｆ）に示すような状態となっていた。
【００５６】
また、これとは別に、実施例１〜３における各試料片の研磨された切断面に、苛性ソーダ水溶液をそれぞれ滴下し、切断面のアルミニウムマトリクス３を腐食させて、切断面の初晶Si粒子２や共晶Si粒子４を立体的に浮き上がらせ、この切断面の立体形状を電子顕微鏡にて観察し、その観察結果をまとめて図５（Ａ）〜（Ｆ）に示した。
【００５７】
実施例１の試料切断面は、電子顕微鏡により観察したところ、図５（Ａ）に示すような状態となっており、さらに図５（Ａ）の一部を拡大したところ、図５（Ｄ）に示すような状態となっていた。実施例２の試料切断面は、電子顕微鏡により観察したところ、図５（Ｂ）に示すような状態となっており、さらに図５（Ｂ）の一部を拡大したところ、図５（Ｅ）に示すような状態となっていた。実施例３の試料切断面は、電子顕微鏡により観察したところ、図５（Ｃ）に示すような状態となっており、さらに図５（Ｃ）の一部を拡大したところ、図５（Ｆ）に示すような状態となっていた。
【００５８】
これら図４（Ａ）〜（Ｆ）と図５（Ａ）〜（Ｆ）の結果から、実施例１〜６については、いずれも従来に比べて初晶Si粒子２が微細化されており、かつ外郭形状が従来よりも角部が少なく丸みを帯びていることが確認できた。
【００５９】
また、商用純度過共晶Al-Si合金溶湯のNa含有量が多いほど、商用純度過共晶Al-Si合金中の初晶Si粒子２が一段と微細化され、かつ外郭形状についても更に丸みを帯びて球状に形成されることが確認できた。
【００６０】
さらに、図４（Ａ）〜（Ｆ）において、いずれの試料においても100mm部より冷却速度が速い10mm部のほうが、初晶Si粒子２の平均粒径が小さくなっていることが確認できた。なお、試料を５mm部で観察すると更に微細化された初晶Si粒子２及び共晶Si粒子４が観察できた。
【００６１】
このとから、冷却速度を速くすることで、一段と平均粒径が小さく、かつ球状に形成された初晶Si粒子２を生成できることが確認できた。また、これら図４（Ａ）〜（Ｆ）と図５（Ａ）〜（Ｆ）から、初晶Si粒子２が細かくなると同時に、共晶Si粒子４も改良されており、冷却速度を速くすることで、初晶Si粒子２及び共晶Si粒子４ともに平均粒径を一段と小さくできることが確認できた。
【００６２】
ここで、図５（Ｆ）に示した部位を電子顕微鏡により拡大し、初晶Si粒子２及び共晶Si粒子４を観察したところ、図６に示すような結果が得られた。この結果からも、初晶Si粒子２は、平均粒径が小さく、かつ丸みを帯びて滑らかな外郭形状を有した球状でなることが確認できた。また、共晶Si粒子４についても、微細化されていることが確認でき、アルミニウムマトリクス３全体に密に拡散していることも確認できた。
【００６３】
ここで、比較例７〜１２については、図示していないが、生成された初晶Si粒子について平均粒径や外郭形状について光学顕微鏡により観察したところ、初晶Si粒子が十分に微細化されていないことが確認できた。
【００６４】
このように、商用純度Al-Si合金材料に比較して、例えばP含有量が少ない高純度Al-Si合金材料では、Na含有量を同じとしても、初晶Si粒子を微細化し得ないことが分かる。このことから、Al及びSi以外の他の元素の含有量が非常に少なく、特に後述するP含有量が少ないと、初晶Si粒子を微細化し得ないことが分かる。なお、このP含有量についての具体的な数値の限定に関しては、後述する検証試験にて説明する。
【００６５】
次に、これら図４（Ａ）〜（Ｃ）及び図５（Ａ）〜（Ｆ）を基に、上述した平均粒径の求め方に従って、10mm部における初晶Si粒子２の平均粒径を計測した。その結果、実施例１では、初晶Si粒子２の平均粒径が60μm、実施例２では、初晶Si粒子２の平均粒径が40μm、実施例３では、初晶Si粒子２の平均粒径が10μmとの計測結果が得られた。
【００６６】
以上、図４（Ａ）〜（Ｆ）及び図５（Ａ）〜（Ｆ）の観察結果から、Naの添加量が増加するに従って初晶Si粒子２の平均粒径が微細化されるとともに、共晶Si粒子４も微細化されることが確認できた。また、Naの添加量が増加するに従って初晶Si粒子２の外郭形状が丸みを帯びて球状に形成されてゆくことが確認できた。
【００６７】
ここで、これとは別に、Na含有量を200massppm未満にすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製し、これを断熱鋳型７により冷却して商用純度過共晶Al-Si合金を作製した。この商用純度過共晶Al-Si合金について、上述と同様に切断してその切断面を観察し、初晶Si粒子の平均粒径を計測したところ、初晶Si粒子２の平均粒径を従来よりも微細化できるものの、実施例１〜６に比べて、初晶Si粒子２の平均粒径が大きくなることが確認できた。
【００６８】
ところで、このような、Naについては、Na含有量が1000massppmを超えると、炉材や注湯容器等の溶損とNa取扱いの困難性が高くなる。そこで、本発明では、Na含有量を1000massppm以下にすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された過共晶Al-Si合金が望ましく、かくして、Na含有量を200massppm以上1000massppm以下（200massppm〜1000massppm）にすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加されると、初晶Si粒子の平均粒径を一段と小さくして微細化させることができる。
【００６９】
因みに、上述した実験で用いた試料1aとは別にフラックス処理法によりNaを添加した試料を作製した。ここでは、商用純度Al-Si合金材料500gのNa含有量が200massppm、500massppm、800massppmとなるようにフラックス内のNaの量を調整し、当該商用純度Al-Si合金材料500gに対しフラックス処理法によりNa添加を行った。
【００７０】
これらフラックス処理法によりNa添加を行った商用純度合金溶湯を、上述と同様に、断熱鋳型７により冷却してAl-Si合金からなる円柱状の試料1aを作製した。そして、フラックス処理法により200massppmのNa添加を行ったAl-Si合金について、上述と同様に、10mm部及び100mm部の切断面を作製し、表３に示すように、これを比較例１３及び１６とした。同様に、フラックス処理法により500massppmのNa添加を行ったAl-Si合金について10mm部及び100mm部の切断面を比較例１４及び１７とし、フラックス処理法により800massppmのNa添加を行ったAl-Si合金について10mm部及び100mm部の切断面を比較例１５及び１８として、これら比較例１３〜１８について光学顕微鏡により観察した。その結果、初晶Si粒子の平均粒径が100μm以上となり、金属Na合金部材を添加した実施例１〜６に比べて、初晶Si粒子２が十分微細化されていないことが確認できた。これにより、過共晶Al-Si合金材料へのNaの添加は、フラックス処理法では初晶Si粒子を微細化し得ず、本発明による金属Na添加処理法を用いることで十分な初晶Si粒子２の微細化が達成されることが確認できた。
【００７１】
（４−３）実証実験２
次に、Na含有量を500massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された高純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した後、表４に示すように、この高純度過共晶Al-Si合金溶湯に対してAlPによりPを30massppm添加して、P含有量を調整した高純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。
【００７２】
【表４】
2012062501.tif 000006
次いで、この高純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７にそれぞれ個別に注湯して、高純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７によって冷却して凝固させた後、断熱鋳型７から取り出し、円柱状の試料1aを作製した。このようにしてP含有量を調整した高純度過共晶Al-Si合金からなる試料1aについて、10mm部及び100mm部で試料片を採取し、10mm部を実施例１９とし、100mm部を実施例２０とした。
【００７３】
次いで、これら実施例１９及び２０についても、上述した「（４−１）実証実験１」と同様に、それらの切断面を研磨した後、研磨された切断面を光学顕微鏡により観察したところ、実施例１９では図７（Ａ）に示すような結果が得られ、実施例２０では図７（Ｂ）に示すような結果が得られた。
【００７４】
なお、図７（Ｃ）は、上述した比較例８の切断面について光学顕微鏡により観察した結果を示す。また、図７（Ｄ）は、上述した比較例１１の切断面について光学顕微鏡により観察した結果を示す。このように、比較例８及び比較例１１では、初晶Si粒子2aの平均粒径が100μm以上であることが計測できた。
【００７５】
これに対して、図７（Ａ）から、実施例１９では初晶Si粒子2aの平均粒径が40μmであることが確認できた。これら図７（Ａ）及び（Ｂ）から、高純度過共晶Al-Si合金溶湯でもP含有量を調整することで、初晶Si粒子２が微細化され、かつ丸みを帯びた外郭形状に形成できることが確認できた。
【００７６】
次に、高純度過共晶Al-Si合金に含有させるP含有量について検証を行った。ここでは、Na含有量を500massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された高純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。次いで、表５に示すように、この高純度過共晶Al-Si合金溶湯に対しAlPによりPを0.3massppm〜100massppmまでの範囲で添加して、P含有量を調整した高純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。
【００７７】
【表５】
2012062501.tif 000007
次いで、この高純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７にそれぞれ個別に注湯して、高純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７によって冷却して凝固させた後、断熱鋳型７から取り出し、円筒状の試料1aを作製した。このようにしてP含有量を0.3massppm〜100massppmまでの範囲で調整した高純度過共晶Al-Si合金からなる複数種類の試料1aを作製した。次いで、各資料1aについて、10mm部で試料片を採取し、P含有量を0.3massppm〜100massppmまでの範囲で比較例２１、実施例２２〜２６、比較例２７及び２８として（表５）、初晶Si粒子２の状態を検証した。その結果、高純度過共晶Al-Si合金でも、P含有量が１massppm〜50massppmとすることで、初晶Si粒子が微細化され、かつ外郭形状に丸みを帯びた形状に形成できることが確認できた。
【００７８】
（４−４）実証実験３
次に、Na含有量を800massppmにすることを想定してAl-20%Si-1%Na母合金が添加された商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した後、下記の表６に示すように、この商用純度過共晶Al-Si合金溶湯に対してSiを13mass%〜30mass%の範囲で添加し、Si含有量を調整した商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を作製した。
【００７９】
【表６】
2012062501.tif 000008
次いで、この商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７にそれぞれ個別に注湯して、商用純度過共晶Al-Si合金溶湯を断熱鋳型７によって冷却して凝固させた後、断熱鋳型７から取り出し、円筒状の試料1aを複数作製した。次いで、このようにしてSi含有量を13mass%〜30mass%の範囲とした商用純度過共晶Al-Si合金からなる各試料1aについて、それぞれ10mm部で試料片を採取し、各試料片を実施例２９〜３７とした。
【００８０】
そして、これら実施例２９〜３７について、光学顕微鏡及び電子顕微鏡を用いて各切断面を観察したところ、Si含有量13mass%〜30mass%の全ての範囲において、初晶Si粒子２が微細化され、かつ外郭形状が丸みを帯びていることが確認できた。
【００８１】
また、商用純度過共晶Al-Si合金では、Si含有量が15mass%以上になると、Si含有量が15mass%未満の場合に比べて、アルミニウムマトリクス３中における初晶Si粒子２の晶出量が多くなり、初晶Si粒子２の数が増えることが確認できた。このことから、商用純度過共晶Al-Si合金では、Si含有量が15mass%以上のとき、初晶Si粒子２の晶出量が多くなり、初晶Si粒子２の数が増えることから、その分だけ、Si含有量が15mass%未満の場合に比べて、引張り強さ及び伸びの機械的性質の改善が良くなることが確認できた。
【００８２】
（５）作用及び効果
以上の構成において、本発明による製造方法では、Al-Si-Na母合金をAl-Si合金溶湯に添加することにより過共晶Al-Si合金溶湯を作製し、当該過共晶Al-Si合金溶湯を冷却して凝固させることで過共晶Al-Si合金１を作製する。
【００８３】
これにより、本発明による製造方法では、製造過程において、Al-Si-Na母合金に含まれるNaによって、過共晶Al-Si合金溶湯中におけるP含有量の減少を抑制することができ、初晶Si粒子２の微細化に必要なPを共晶Al-Si合金溶湯中に残すことができる。
【００８４】
また、本発明による製造方法では、１massppm〜50massppmの範囲でPを過共晶Al-Si合金溶湯中に含有させることにより、AlとPとが結合して、初晶Si粒子２の核になるAlPが生成され、初晶Si粒子２を微細化することができる。
【００８５】
また、本発明による製造方法では、200massppm〜1000massppmの範囲でNaを過共晶Al-Si合金溶湯中に含有させることにより、Pによる初晶Si粒子２の微細化効果を促進して初晶Si粒子２を微細化できるとともに、初晶Si粒子２の外郭形状を、角部を有した形状から丸みを帯びた粒子状に形成できる。
【００８６】
本発明による製造方法により製造された過共晶Al-Si合金１では、初晶Si粒子２を微細化することができるので、初晶Si粒子２のアンカー効果を低減することができる。
【００８７】
また、本発明による製造方法において、さらに、15mass%〜30mass%の範囲でSiを過共晶Al-Si合金溶湯中に含有させることにより、微細化された初晶Si粒子２の晶出量が多くなり、初晶Si粒子２の微細化による機械的性質の向上ができるとともに、Si添加の特性である耐熱衝撃性を有することができる。
【００８８】
なお、従来の製造方法では、商用純度合金材料にフラックス処理法でNaを添加して作製した過共晶Al-Si合金中、Pの含有量が著しく減少していることから、初晶Si粒子の核となるAlPの生成量不足により、初晶Si粒子が微細化しない。これに対して、本発明の製造方法では、金属Na添加処理法を用いることで、商用純度合金材料にNaを添加させることができ、その結果、Pの減少を抑制させることができる。
【００８９】
このように本発明の製造方法では、商用純度合金材料に金属Na添加処理法を用いてNaを添加することにより、平均粒径が小さく、丸みを帯びた外郭形状でなる初晶Si粒子２が作製できる。かくして、本発明による製造方法により作成された過共晶Al-Si合金１では、初晶Si粒子２が従来よりも角部を有していない分、外力が印加された際に、初晶Si粒子２が破壊の起点となり難くなり、機械加工性及び熱衝撃性が従来よりも向上し、また平滑な加工面を形成し得る。
【００９０】
また、Si含有量を15mass%以上、30mass%以下としてSi濃度を高くしたことで、従来よりも、高強度、高伸びの過共晶Al-Si合金１を提供できる。
【符号の説明】
【００９１】
１      過共晶Al-Si合金
２      初晶Si粒子
３      アルミニウムマトリクス
４      共晶Si粒子
【図２】
2012062501.tif 000009
【図３】
2012062501.tif 000010
【図１】
2012062501.tif 000011
【図４】
2012062501.tif 000012
【図５】
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【図６】
2012062501.tif 000014
【図７】
2012062501.tif 000015
【図８】
2012062501.tif 000016
【図９】
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