(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散粒子を均等に分散して特性を強化したＡｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法において、溶解原料のすべて、または少なくとも一部に粒子含有率不明の分散粒子を含むリターン材を使用して溶解し、溶解した溶湯を撹拌して分散粒子を均等に拡散した後にその比重を測定し、あらかじめ作成した該粒子分散型Ａｌ合金特有の比重と粒子含有率の回帰式に当てはめて現在の粒子含有率、および目標粒子含有率との乖離を検知し、前記溶湯を保温したまま静置して比重差によって分散粒子を母材のＡｌ合金溶湯から分離沈降させた後、上層のＡｌ合金溶湯から算出した所望量だけ汲み出し除去して目標の粒子含有率と一致するように濃縮し、再度、前記溶湯を撹拌して前記粒子を均等に分散させた後、鋳型へ注湯することを特徴とする粒子含有率不明のリターン材を使用した粒子分散型Ａｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法。
【請求項２】
分散粒子を均等に分散して特性を強化したＡｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法において、溶解原料のすべて、または少なくとも一部に粒子含有率不明の分散粒子を含むリターン材を使用して溶解し、溶解した溶湯を撹拌して分散粒子を均等に拡散した後にその比重を測定し、あらかじめ作成した該粒子分散型Ａｌ合金特有の比重と粒子含有率の回帰式に当てはめて現在の粒子含有率、および目標粒子含有率との乖離を検知し、前記溶湯を保温したまま静置して比重差によって分散粒子を母材のＡｌ合金溶湯から分離沈降させた後、上層のＡｌ合金溶湯から算出した所望量だけ新たにＡｌ合金材を加えて目標の粒子含有率と一致するように希釈し、再度、前記溶湯を撹拌して前記粒子を均等に分散させた後、鋳型へ注湯することを特徴とする粒子含有率不明のリターン材を使用した粒子分散型Ａｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法。
【請求項３】
請求項１または２において、比重の測定はアルキメデス法により、また粒子含有率の測定は試料のミクロ組織をコンピューターによる画像解析法に基づいて前記回帰式を作成することを特徴とする粒子含有率不明のリターン材を使用した粒子分散型Ａｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかにおいて、Ａｌ合金がＡｌ−Ｓｉ系合金であり、分散粒子がＳｉＣであることを特徴とする粒子含有率不明のリターン材を使用した粒子分散型Ａｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法。
【請求項５】
請求項４において比重と粒子含有率の回帰式は
ＳｉＣ＝｛（１．７３±α）×比重−（４．６０±β）｝×１００
但し、α及びβはＡｌ−Ｓｉ合金の比重、及び分散粒子の比重によって決まる定数
であることを特徴とする粒子含有率不明のリターン材を使用した粒子分散型Ａｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粒子分散型のＡｌ合金鋳物の製造方法、特に含有率の不明な分散粒子を含むリターン材を使用した溶湯の分散粒子含有率の調整技術に係る。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ合金鋳物は鉄、鋼鋳物に比べて同形状、同一サイズでも格段に軽く、自動車用、産業車両、鉄道用をはじめ電気、通信機器、日用品など広く用いられている。近来はたとえばＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ系などを基本とするＡｌ合金に、さらにセラミックスなどを配合した複合材として特定の性質を一層強化して、特定の目的に供する開発も進んでいる。
【０００３】
複合Ａｌ合金鋳物には、セラミックスなどの成形体（一般にはプリフォームと呼ばれる）をＡｌ合金溶湯に含浸させた繊維強化型Ａｌ合金鋳物や、セラミックスなどの粒子をＡｌ合金溶湯内に均一に分散して強化した粒子分散型Ａｌ合金鋳物がある。通常、繊維強化型Ａｌ合金鋳物は、個別に用意されたプリフォーム及びＡｌによって、あらかじめその複合化率は決定されて鋳造される。また、粒子分散型Ａｌ合金鋳物は、予めＡｌ合金中に一定量の粒子（例えば、セラミックス粒子など）が調整された原料を溶湯化して粒子を均一分散させて鋳造するか、若しくは個別に用意されたＡｌ合金溶湯に一定量の粒子を添加して製造する。粒子分散型Ａｌ合金鋳物の製造方法としては、２種のセラミックス粒子を均一分散させる方法を開示した特開平４-２９７５３５号や粒子を最適分散させる装置及び方法を開示した特開平７-９０４２３号などがあるが、これらの方法はＡｌ合金に一定の複合材を混入・分散させ、目的物たる完成品を製造することを主たる目的としたものである。
【０００４】
粒子分散型Ａｌ合金鋳物の一例として自動車や鉄道車両のブレーキディスクへの適用がある。従来の鋳鉄材に代わり高速化が一段と進むＪＲ新幹線用の車両などは、摩擦特性のさらなる向上と車両の軽量化という命題に応えるべくＡｌ合金鋳物への材質転換が指向され、摩擦特性の一段の強化を目指してＡｌベースの母合金にセラミックスを均等に分散強化する開発が進められている。特開平３-４７９４５号のようにＡｌ−Ｍｇ合金にＡｌ2Ｏ3粒子またはＳｉＣ粒子を分散した、また特開平５-２７９７７０号のようにＡｌ−Ｓｉ合金にＳｉＣ粒子を５〜３０％均等に分散したブレーキディスクを提起するなど、特定の部材に要求される特性を強化する有効な手段としては注目を集める分野となっている。
【０００５】
ところでＡｌ合金溶湯中へ特定の分散粒子を添加する工程は、双方の溶融点の差、比重差、イオン化傾向、濡れ性など複雑な反応要素が絡み合って物理的、化学的に特有の技術的困難性を伴ない、分散粒子自体の事前の製造と、これに適合したＡｌ合金成分、その添加手法と特定の装置など一貫した管理体制の下に関連付けて進めることが望ましく、現在ではＡｌ合金原料メーカーが特殊な技法を駆使してＡｌ母合金に一定含有率のＳｉＣ粒子をあらかじめ分散した粒子分散型Ａｌ合金のインゴットを製造し、これを鋳物メーカに提供するという分業体制を敷くことが経済的にも品質上にも最も合理的な方法であるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鋳物メーカが鋳造品を製作する場合には、溶解原料として新規購入の粒子分散型Ａｌ合金インゴットの他、耐用限度を使い切った製品の戻り、不良品、鋳造時の湯口、湯道、押湯などがリターン材として循環再使用される点は材質を問わず共通する。しかしながら粒子分散型Ａｌ合金鋳物について言えば、鋳造工程においては溶解中にＡｌの酸化減耗があり、不良品の中にも粒子含有率の過不足が不良原因となった場合もあって、さまざまの粒子含有率の異なるリターン材を一つの炉にまとめて再溶解するのであるから、果たして所望の含有率で粒子が分散した鋳物を鋳造できるのか甚だ疑問である。
【０００７】
粒子分散型Ａｌ合金鋳物製のブレーキディスクを高速車両に適用するためには、摩擦係数の定常化という分散粒子による強化作用が重要な前提であり、かつ、その品質管理上の数値的基準としては当然分散粒子の含有率が主体となる。従ってＡｌと粒子の定率関係が前記のように事前に確定することが不可能なリターン材を使用すれば、現実の粒子含有率が不明な溶湯をそのまま鋳造せざるを得ず、品質の保証上、到底許されないことである。しかも一方では、リターン材のリサイクルは、資源の確保や経済性の点からも絶対避けては通れない社会的要請でもある。
【０００８】
本発明は以上の課題を解決するため、正確な粒子含有率が不明な各所発生のリターン材を使用して鋳造するに当たり、所望の粒子含有率を維持できるように炉前で簡単迅速に調整するようにした粒子分散型Ａｌ合金鋳物の製造方法を提供することが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る粒子分散型Ａｌ合金鋳物の粒子含有率調整方法は、溶解原料のすべて、または少なくとも一部に粒子含有率不明の分散粒子を含むリターン材を使用して溶解し、溶解した溶湯を撹拌して分散粒子を均等に拡散した後にその比重を測定し、あらかじめ作成した該粒子分散型Ａｌ合金特有の比重と粒子含有率の回帰式に当てはめて現在の粒子含有率、および目標粒子含有率との乖離を検知し、前記溶湯を保温したまま静置して比重差によって分散粒子を母材のＡｌ合金溶湯から分離沈降させた後、上層のＡｌ合金溶湯から算出した所望量だけ汲み出し除去して目標の粒子含有率と一致するように濃縮するか、新たにＡｌ合金材を所望量加えて分散粒子の目標粒子含有率と一致するように稀釈し、再度、前記溶湯を前記粒子が均等に分散するように撹拌した後、鋳型へ注湯する手順によって前記の課題を解決した。
【００１０】
また、より具体的には前記粒子含有率調整方法において、比重の測定はアルキメデス法により、また粒子含有率の測定は試料のミクロ組織をコンピューターによる画像解析法に基づいて前記回帰式を作成することが好ましい実施形態であり、さらにＡｌ合金がＡｌ−Ｓｉ系合金であり、分散粒子がＳｉＣであることが望ましい。なお、この場合においては、比重と粒子含有率の回帰式は、
ＳｉＣ＝｛（１．７３±α）×比重−（４．６０±β）｝×１００
で示される。
但し、α及びβはＡｌ合金の比重、及び分散粒子の比重によって決まる定数。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実操業に入る前に種々の粒子含有率と比重との関係を組み合わせて当該Ａｌ合金と分散粒子に適合できる回帰式を作成する手順を先行する。即ち、さまざまな含有率の分散粒子を含むリターン材１００％の溶解原料を溶落ち後、該溶湯を十分に撹拌して含有する粒子を完全に均等に分散させた後、該溶湯の一部を試料として採取して比重とミクロ組織を検査する。
【００１２】
具体的には、比重Ｓはアルキメデス法に従い、試料の大気中の重量Ｗ1、ヒモ重量Ｗ2、水中の重量（ヒモ付き）Ｗ3、を測定して次式で計算する。
Ｓ＝Ｗ1／｛Ｗ1−（Ｗ3−Ｗ2）｝
ミクロ組織は顕微鏡下の視野でＡｌが白い領域として、ＳｉＣが黒い斑点として顕れるから、全領域に占める黒色部分の面積％をコンピュータによる画像処理によってＳｉＣの含有率として特定する。
【００１３】
引き続いて前記溶湯に分散粒子を含まないＡｌ合金材、または近似的には純Ａｌを添加して分散粒子を希釈し、撹拌、均等化の後に再び試料を採取して同様に比重とＳｉＣ含有率との相関データを採る。この作業を繰り返してその都度、比重〜ＳｉＣ含有率を検知する。図２、図３はこの検定手順の一例を示した画像であり、白地がＡｌ、黒部がＳｉＣの存在を表わし、図２は比重が２．７６の試料の組織がＳｉＣ：１６．３０％、図３は比重が２.７９の試料の組織がＳｉＣ：２３．１０％と画像処理によって算定された例である。図１はこのように比重とＳｉＣ含有率のデータをプロットし、さらにこの相関を最小二乗法による近似線で代表した線図とし、この近似線を中心として実験上のバラツキを吸収した一次関数の回帰式で示すと、
ＳｉC＝｛（１．７３±α）×比重−（４．６０±β）｝×１００  （数式１）で示される。但し、α及びβはＡｌ−Ｓｉ合金の比重、及び分散粒子の比重によって決まる定数であり、中心の近似線においてはα、βが共に０である。
この実施例の場合には前記の線図のバラツキを吸収する数式として経験的には、ＳｉC＝｛（１．７３±０．５）×比重−（４．６０±１．５）｝×１００    （数式２）
で特定される。（図１の斜線範囲）
【００１４】
前記回帰式および近似式が作成された後、実操業に入る。少なくとも一部にリターン材を使用した未知の含有率の分散粒子を含む溶解材料は、溶落ち後、撹拌して含有する分散粒子を均等に分散した上で試料を採取する。試料の比重を測定すれば前記図１の線図、または数式化した回帰式（たとえば前記数式２）に当てはめて現在の粒子含有率を検知して調整のベース値とする。
【００１５】
粒子含有率の調整としては、このベース値から計算して粒子含有率の不足するときは粒子を追加し、粒子含有率が過大であるときはＡｌ合金材または純Ａｌ材を追加して稀釈する方法もあるが、先に述べたように粒子の新たな添加は原料メーカの特殊な技術に依存せざるを得ず、鋳物メーカの溶解作業中に組込むことは品質上、必ずしも適当ではないから、Ａｌ合金材または純Ａｌ材の新たな追加による稀釈、または溶融Ａｌ合金のみを除去して濃縮することにより、粒子含有率を調整する方法が最も合理的である。溶融Ａｌ合金のみを除去するためには、撹拌によって一旦、均等に分散した分散粒子を比重差によって下方へ沈降分離するように温度を保持したまま一定時間鎮静する必要がある。一定時間は母合金の性質、分散粒子の含有率や材質によって経験的に知得する。鎮静した上方のＡｌ合金溶湯から必要量だけ汲み出して分散粒子含有率を目標値まで上げる。なお、図４は鎮静状態を確認するために採取した試験片のミクロ組織であり、黒部で表れるＳｉＣ粒子がほとんど存在せず、ほぼ完全なＡｌ合金単体の状態に分離していることを示している。
【００１６】
本発明の実施形態として、リターン材１００％を再溶解した溶解Ａと、インゴットとリターン材を組み合わせて配合し溶解した溶解Ｂのケースを表１に基づいて説明する。
なお、前記インゴット（母合金）はＡｌ−Ｓｉ系合金、分散粒子としてはＳｉＣを適用し、基準粒子含有率は２０％、比重は２．７７の粒子分散型Ａｌ合金インゴットを使用した。
【００１７】
【表１】
表１
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【００１８】
表１において、両溶解Ａ、Ｂともこれらの原料を溶解し、溶落ち後試料ＴＰ１を採取する。この試料ＴＰ１は参考値程度であり、図示しない公知の撹拌装置にて直ちに溶湯を十分撹拌して含有する粒子が均等に溶湯内に分散した後、該溶湯から試料ＴＰ２を採取し、溶湯全体の比重とミクロ組織とを検査する。
この撹拌の際に付加的に、Ａｒガスを吹き込んでバブリングし、溶湯中に含まれる酸化物、ごみなどの不純物を除去する。
この均等分散状態の比重測定値を数式２に当てはめてＳｉＣ含有率を検知し、目標粒子含有率に達するためのＡｌ合金溶湯の汲み出し量または追加量を算出する。
【００１９】
汲み出すＡｌ合金溶湯は粒子を含まない純粋な母合金に近いほど正確さが保てるから、試料ＴＰ２を採取後、比重差によってＳｉＣ粒子が沈降するまで静置する時間が必要で、経験的に決定する。ＳｉＣ粒子が十分沈降分離した後、上層のＡｌ合金から所望量の上澄み液を汲み出して粒子濃度を濃縮し、または粒子を含まないＡｌ合金材（インゴット）若しくは近似的に純Ａｌ材を追加して粒子濃度を稀釈し、調整が終われば再び溶湯を撹拌しＳｉＣ粒子を全体に均等分散させ、確認用に試料ＴＰ３を採取すると共に鋳造を開始する。表１の右欄には各手順毎に採取した試料ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３の比重と、数式から算出されたＳｉＣ含有率の変遷をまとめたものであり、測定誤差などを考慮に入れると両ケースとも目標であるＳｉＣ含有率２０％をほぼ満足する範囲に調整されている。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は以上に述べた通り、粒子分散によって特定の性質を強化したＡｌ合金鋳物を製造するに当って、鋳造上、不可避となるリターン材のリサイクルを、品質を完全に保証した上で容易に実施する現実的な方法を提供したから、鋳造技術上の難点を解消し、目的とする粒子分散作用を確実に具現化する効果がある。今後、高速運動を担持する部材の軽量化は世界的な趨勢であり、粒子分散型Ａｌ合金鋳物はますます広い分野で多くの種類に適用されることが必須の傾向であるから、その分野の発展をバックアップする素材技術の一環として貴重な役割を果す効果が予見される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す比重〜ＳｉＣ含有率の相関図である。
【図２】同じ相関図のベースとなる試料の顕微鏡組織を画像処理した解析図（Ａ）とその拡大図（Ｂ）である。
【図３】同じ相関図のベースとなる別の粒子含有率の試料における顕微鏡組織を画像処理した解析図（Ａ）とその拡大図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施形態において鎮静、粒子分離後のＡｌ合金試料の顕微鏡組織を画像処理した解析図（Ａ）とその拡大図（Ｂ）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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