(57)【要約】  【課題】アルミニウム合金（ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０）の機械的特性を向上させることのできる鋳造方法を提供する。  【解決手段】本実施形態に係るアルミニウム合金の鋳造方法は、ＡＤＣ１０又はＡＤＣ１２のアルミニウム合金を鋳造する鋳造方法において、溶融状態のアルミニウム合金を、凝固速度が１５０〜６００Ｋ／ｓとなるように冷却して凝固させる冷却工程を備えることを特徴とする。【選択図】図５
2016040043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＤＣ１０又はＡＤＣ１２のアルミニウム合金を鋳造する鋳造方法において、
溶融状態の前記アルミニウム合金を、凝固速度が１５０〜６００Ｋ／ｓとなるように冷却して凝固させる冷却工程を備えることを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項２】
ＡＤＣ１０又はＡＤＣ１２のアルミニウム合金の連続鋳型片を鋳造する加熱鋳型式の連続鋳造方法において、
加熱鋳型から引き出された溶湯を、凝固速度が１５０〜６００Ｋ／ｓとなるように冷却して凝固させる冷却工程を備えることを特徴とするアルミウム合金の連続鋳造方法。
【請求項３】
前記冷却工程は、前記凝固速度が２００〜４００Ｋ／ｓとなるように冷却する冷却工程であることを特徴とする請求項２記載のアルミニウム合金の連続鋳造方法。
【請求項４】
ＡＤＣ１０又はＡＤＣ１２のアルミニウム合金を鋳造する加熱鋳型式の連続鋳造装置において、
加熱鋳型と、
前記加熱鋳型の鋳型出口の下流側に設置され、前記鋳型出口から引き出された半凝固状態の溶湯を冷却するための冷却装置と、
前記溶湯を前記鋳型出口から引き出すための引き出し駆動装置と、
前記半凝固状態の溶湯の凝固速度が１５０〜６００Ｋ／ｓとなるように前記冷却装置及び前記引き出し駆動装置の駆動制御を行う制御装置と、
を備えることを特徴とする連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金の鋳造方法に関し、特に、ＡＤＣ１２及びＡＤＣ１０の鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳物材料として、種々のアルミニウム合金が従来から用いられており、自動車部品等の素材としてよく利用されている。ＪＩＳ（日本工業規格）では、機械的性質、被削性、鋳造性の良いアルミニウム合金ダイカストとして、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のアルミニウム合金ダイカスト１０種（ＡＤＣ１０）やアルミニウム合金ダイカスト１２種（ＡＤＣ１２）の規格が定まっている。
【０００３】
鋳物材料として、ＡＤＣ１２やＡＤＣ１０を用いることは、例えば、下記特許文献１，２に開示されている。一方、従来から鋳物の機械的特性を向上させるために、鋳造方法を改良する等の種々の取り組みが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０９２１１７号公報
【特許文献２】特開２００１−０２００４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来、ＡＤＣ１２やＡＤＣ１０の鋳物材料に関して、鋳造方法における凝固速度等の鋳造条件と、得られる鋳物の機械的特性との関係を詳細に検討して、最適な鋳造条件を見出すことはあまり行われていない。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０）の機械的特性を向上させることのできる鋳造方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るアルミニウム合金の鋳造方法は、ＡＤＣ１０又はＡＤＣ１２のアルミニウム合金を鋳造する鋳造方法において、溶融状態の前記アルミニウム合金を、凝固速度が１５０〜６００Ｋ／ｓとなるように冷却して凝固させる冷却工程を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るアルミニウム合金の鋳造方法によれば、強度や延性等の機械的特性に優れたアルミニウム合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る連続鋳造装置の構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る試験結果である凝固速度と鋳物片の組織状態の関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る試験結果である凝固速度と鋳物片の結晶の大きさとの関係の測定結果を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る試験結果である凝固速度と鋳物片の組織の結晶方位の関係を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る試験結果である凝固速度と鋳物片の機械的特性との関係の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るアルミニウム合金の鋳造方法について説明する。本実施形態では、凝固速度を変えながら鋳造を行い、凝固速度（冷却速度）と鋳物片の特性との関係を測定・解析する試験を行った。なお、本実施形態では、加熱鋳型式の連続鋳造方法により鋳造を行った。
【００１１】
まず、本実施形態で使用する加熱鋳型式の連続鋳造装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る連続鋳造装置の構成を概略的に示す模式図であり、一部断面で示している。
【００１２】
連続鋳造装置１は、電気炉のるつぼ１０と、加熱鋳型２０と、冷却装置４０と、ピンチロール４５と、連続鋳造装置１の動作を制御する制御装置５０とを備えている。本実施形態では、鋳物金属材料として、日本工業規格（ＪＩＳ）で定められた、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のアルミニウム合金であるＡＤＣ１２を用いた。
【００１３】
ＪＩＳでは、ＡＤＣ１２の化学成分は、質量％で、Ｃｕ：1.5〜3.5、Ｓｉ：9.6〜12.0、Ｍｇ：0.3以下、Ｚｎ：1.0以下、Ｆｅ：1.3以下、Ｍｎ：0.5以下、Ｎｉ：0.5以下、Ｔｉ：0.30以下、Ｐｂ：0.20以下、Ｓｎ：0.2以下、Ａｌ：残部と定められている。本実施形態で用いたＡＤＣ１２の化学成分は、質量％で、Ｃｕ：1.89、Ｓｉ：10.99、Ｍｇ：0.24、Ｚｎ：0.82、Ｆｅ：0.82、Ｍｎ：0.19、Ｎｉ：0.06、Ｔｉ：0.04、Ｐｂ：0.02、Ｓｎ：0.01、Ａｌ：残部である。
【００１４】
るつぼ１０内には、加熱溶融された金属材料である溶湯５が入っている。るつぼ１０内の溶湯５は、その融点よりも約20℃高い温度となるように加熱されている。るつぼ１０は、湯面調節ブロック１５を備えており、制御装置５０により、湯面調節ブロック１５が適宜湯面調節のために上昇又は下降するよう駆動制御される。
【００１５】
加熱鋳型２０は、ヒーター２２を備え、鋳型の内壁温度を鋳物金属材料（ＡＤＣ１２）の融点以上に加熱している。本実施形態では、制御装置５０は、加熱鋳型２０の内壁温度がＡＤＣ１２の融点よりも約10℃高い温度となるように加熱制御している。
【００１６】
加熱鋳型２０の鋳型出口２０ａの形状は円形であり、るつぼ１０内の溶湯５は、鋳型出口２０ａから円柱形状に引き出され、るつぼ１０の外に出た後は急速に凝固し始め、半凝固状態の溶湯６となる。
【００１７】
冷却装置４０は、鋳型出口２０ａから引き出された半凝固状態の溶湯６を水冷により完全に凝固させて連続鋳物片７を形成するための装置である。冷却装置４０は、例えば、上方からのみ冷却水を半凝固状態の溶湯６に対して垂らす構成でも良いし、柱状体の軸周りの複数の方向（例えば、四方向）から柱状体に対して冷却水を噴射する構成でも良い。冷却装置４０は、冷却水の放出量を変えることで、冷却速度、すなわち、半凝固状態の溶湯６の凝固速度を変更することができる。
【００１８】
ピンチロール４５は、冷却装置４０により冷却されて凝固した角柱形状の連続鋳物片７（溶湯５，６）を引き出しながら下流側へ搬送するための引き出し駆動装置である。制御装置５０は、るつぼ１０、加熱鋳型２０、冷却装置４０、ピンチロール４５と接続されており、これらの部材の動作を制御する。
【００１９】
続いて、上記連続鋳造装置１を用いて、凝固速度を変えながら鋳造した鋳物片の特性を測定・解析した試験結果について、図２〜図５を参照しながら説明する。本試験では、複数の凝固速度[K/s]、5.2K/s（0.1mm/s）、8.6K/s（0.4mm/s）、26.9K/s（0.8mm/s）、99.0K/s（1.9mm/s）、167K/s（2.7mm/s）、201K/s（3.5mm/s）、221K/s（4.5mm/s）、258K/s（5.5mm/s）、566K/s（6.5mm/s）及び1064K/s（7.5mm/s）で鋳物片を鋳造し、これらの鋳物片の特性を測定・解析した。なお、本実施形態では、凝固速度が1000K/sを大きく超えてくると、引き出し速度が非常に速くなってしまい、連続鋳物片７が途中で破断したりするといった問題が出てくる。
【００２０】
上記凝固速度の後のカッコ内の数値[mm/s]は、ピンチロール４５による連続鋳物片７の引き出し速度を示している。このように、本実施形態では、ピンチロール４５による引き出し速度を変えながら凝固速度を変えており、凝固速度を速くするに連れて、引き出し速度を速くするように試験を行っている。これは、凝固速度を速くすると、鋳型出口２０ａから出た溶湯５，６が直ぐに固まるようになるため、早く引き抜かないと引き出せなくなるからである。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る試験結果である凝固速度と鋳物片の組織状態の関係を示す図であり、凝固速度（SR: Solidification Rate）毎の鋳造合金の結晶組織の顕微鏡写真を示している。
【００２２】
図２（ａ）は5.2K/s、図２（ｂ）は8.6K/s、図２（ｃ）は26.9K/s、図２（ｄ）は99.0K/s、図２（ｅ）は167K/s、図２（ｆ）は201K/s、図２（ｇ）は221K/s、図２（ｈ）は258K/s、図２（ｉ）は566K/s、図２（ｊ）は1064K/sの凝固速度により連続鋳造した鋳物片の結晶組織の状態を示している。
【００２３】
図２の顕微鏡写真において、白い部分はα相アルミニウム（Ａｌ）の結晶であり、黒やグレーの針状部分は共晶相シリコン（Ｓｉ）又は共晶相鉄（Ｆｅ）の結晶である。図２を参照すると、凝固速度が速くなるにつれて、α相の結晶が小さくなっており、共晶相の結晶もある速度までは凝固速度が速くなるにつれて小さくなっている。
【００２４】
続いて、図３を参照しながら、凝固速度と鋳物片の結晶の大きさとの関係について解析する。図３は、凝固速度と鋳物片の結晶の大きさとの関係の測定結果を示す図であり、図３（ａ）は、凝固速度とα相の結晶の大きさとの関係を示す図、図３（ｂ）は、凝固速度と共晶相の結晶の大きさとの関係を示す図である。
【００２５】
図３（ａ）では、横軸が凝固速度[K/s]、縦軸がα相アルミニウムの二次デンドライトアーム間隔（SDAS：Secondary Dendrite Arm Spacing）[μm]を示している。凝固後のα相の結晶粒の大きさは、このＳＤＡＳの大きさに依存する。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、凝固速度が速くなるにつれて、全ての領域でα相のアルミニウム結晶は小さくなっている。ここで、α相アルミニウム結晶は、結晶粒が小さくなると強度は増す一方、脆くなって延性は低下する。よって、本試験において、鋳物片のα相アルミニウム結晶は、凝固速度が速くなるにつれて、強度が増すが、延性は低下していると考えられる。
【００２７】
図３（ｂ）では、横軸が凝固速度[K/s]、縦軸が共晶相シリコン又は共晶相鉄の粒径[μm]を示している。図３（ｂ）に示すように、凝固速度が速くなるにつれて、共晶相シリコン又は共晶相鉄の結晶粒径は小さくなるが、凝固速度が約200K/sに達すると、それ以上凝固速度が速くなっても粒径はほとんど変化していない。
【００２８】
ここで、共晶相は、結晶が小さくなるにつれ、強度が増すと共に、延性も高くなる。上述したα相アルミニウムの場合と異なり、共晶相では結晶が小さくなるにつれて延性も高くなるのは、共晶相の結晶は元々固くて脆いが、結晶が小さくなると応力が分散されるからである。
【００２９】
よって、本試験において、鋳物片の共晶相結晶は、凝固速度が約200K/sに達するまでは、凝固速度が速くなるにつれて強度及び延性の双方が向上し、約200K/sを過ぎると、共晶相結晶の強度及び延性はあまり変化しなくなると考えられる。
【００３０】
続いて、図４は、本実施形態の試験結果である凝固速度と鋳物片組織の結晶方位の関係を示す図である。図４では、溶湯の引き抜き方向と直交する鋳物片断面での凝固速度（SR）毎の鋳物片の結晶方位を示している。
【００３１】
図４（ａ）は5.2K/s、図４（ｂ）は8.6K/s、図４（ｃ）は26.9K/s、図４（ｄ）は99.0K/s、図４（ｅ）は167K/s、図４（ｆ）は201K/s、図４（ｇ）は221K/s、図４（ｈ）は258K/s、図４（ｉ）は566K/s、図４（ｊ）は1064K/sの凝固速度により連続鋳造した鋳物片の結晶方位を示している。
【００３２】
図４を参照すると、凝固速度が変わっても基本的に結晶方位が略一方向[001]に揃っていることが分かる。結晶方位が一方向に揃うと、原子が規則正しく並んでいるため、外部応力による原子の移動（すなわち塑性変形）がし易くなる。よって、破断伸びが増加して、延性特性が向上した鋳物片を得ることができる。
【００３３】
但し、図４（ｉ）及び図４（ｊ）では、若干[001]からずれている結晶も見られる。よって、結晶方位を揃えるためには、凝固速度を500k/sよりも小さくするのが望ましいと考えられる。なお、このように結晶方位が揃った鋳物片が得られたのは、本実施形態において加熱鋳型式の連続鋳造法を採用したことも大きな要因の一つである。
【００３４】
次に、図５は、本実施形態の試験結果である凝固速度と鋳物片の機械的特性との関係の測定結果を示す図であり、図５（ａ）は、凝固速度と引張強度との関係を示す図、図５（ｂ）は、凝固速度と破断伸びとの関係を示す図である。
【００３５】
図５（ａ）では、横軸が凝固速度[K/s]、縦軸が引張強度[MPa]を示している。同図に示すように、凝固速度が速くなるにつれて、鋳物片の引張強度が強くなっている。特に、約200K/sまでは、急激に引張強度が上昇し、それを過ぎると緩やかに引張強度が向上している。よって、強度特性の観点からは、凝固速度は、約150K/s以上であることが望ましく、さらに望ましくは、約200K/s以上であることが望ましい。
【００３６】
ここで、上述した図２及び図３に開示された凝固速度と鋳物片の結晶の大きさとの関係に基づいて解析した結果によれば、鋳物片の強度特性については、凝固速度が約200K/sに上昇するまでは、α相と共晶相の双方の強度が増しているのに対して、約200K/s付近を過ぎると、共晶相の強度はほとんど変わらなくなり、α相の強度が増すだけである。
【００３７】
この解析は、図５（ａ）に示した鋳物片の強度特性と凝固速度との関係において、凝固速度が約200K/sまでは急激に引張強度が上昇し、それを超えると、引張強度の上昇が緩やかになることを裏付けている。
【００３８】
続いて、図５（ｂ）では、横軸が凝固速度[K/s]、縦軸が破断伸び[％]を示している。同図に示すように、約200K/s程度まで凝固速度が速くなるにつれて、破断伸び性能が上昇し、約400K/sを超えた辺りから凝固速度が速くなるにつれて低下している。
【００３９】
よって、延性特性の観点からは、凝固速度は、150K/s以上600K/s以下であることが望ましく、さらに望ましくは、200K/s以上400K/s以下であることが望ましい。
【００４０】
ここで、上述した図２及び図３に開示された凝固速度と鋳物片の結晶の大きさとの関係に基づいて解析した結果によれば、鋳物片の延性特性については、凝固速度が速くなるにつれて、α相の延性特性は右肩下がりであるが、共晶相は凝固速度が約200K/sに上昇するまでは延性も向上し、その後はあまり変化しない。
【００４１】
この解析は、図５（ｂ）に示した鋳物片の延性特性と凝固速度との関係において、凝固速度が約200K/sまでは延性特性が上昇し、その後、約400K/sを超えた辺りから低下していることを裏付けている。
【００４２】
なお、図５（ｂ）に示した破断伸び性能に関して、従来、ＡＤＣ１２の破断伸びは2%程度と言われているのに対して、本実施形態に係る鋳造条件で製造されたＡＤＣ１２は、10%以上の破断伸びを示しているケースもあり、従来と比べて格段に延性特性が向上している。
【００４３】
ここで、本実施形態において、上述した凝固速度（ＳＲ）は、鋳造された鋳物片のα相アルミニウムの二次デンドライトアーム間隔（ＳＤＡＳ）と凝固速度（ＳＲ）との関係を示す下記式１に基づいて算出した。
ＳＲ＝２×１０４（ＳＤＡＳ）−２．６７    （式１）
【００４４】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、上述した試験結果によれば、強度特性及び延性特性の優れた鋳物片を鋳造するためには、凝固速度は、150〜600K/sであることが望ましく、さらに望ましくは、200〜400K/sであることが望ましい。
【００４５】
このような凝固速度を実現するためには、制御装置５０の制御により、冷却装置４０が放出する冷却水の量、ピンチロール４５による連続鋳造片（溶湯）の引き出し速度を所望の値に調整するようにすれば良い。このような凝固速度条件を満たして鋳造されたアルミニウム合金の連続鋳物片は、優れた強度特性及び延性特性を示す。
【００４６】
なお、本発明の実施の形態は、上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、加熱鋳型式の連続鋳造法により鋳型片の鋳造を行ったが、本発明に係る鋳造方法はこれに限定されるものではなく、適宜他の鋳造方法、例えば、重力鋳造法や圧力鋳造法（ダイキャスト法、差圧鋳造法等）等、全ての鋳造法に適用することができる。
【００４７】
但し、加熱鋳型式の連続鋳造法により製造した鋳物片の結晶方位が最も揃いやすいため、延性特性を考慮すれば、加熱鋳型式の連続鋳造法を採用するのが望ましい。
【００４８】
また、上記実施形態では、鋳物金属材料として、ＡＤＣ１２を採用した場合について説明したが、ＡＤＣ１２と類似した化学成分であるＡＤＣ１０を採用した場合でも同様の凝固速度条件が得られる。なお、ＪＩＳでは、ＡＤＣ１０の化学成分は、質量％で、Ｃｕ：2.0〜4.0、Ｓｉ：7.5〜9.5、Ｍｇ：0.3以下、Ｚｎ：1.0以下、Ｆｅ：1.3以下、Ｍｎ：0.5以下、Ｎｉ：0.5以下、Ｔｉ：0.30以下、Ｐｂ：0.20以下、Ｓｎ：0.2以下、Ａｌ：残部と定められている。
【符号の説明】
【００４９】
１      連続鋳造装置
１０    るつぼ
１５    湯面調節ブロック
２０    加熱鋳型
２０ａ  鋳型出口
２２    ヒーター
４０    冷却装置
４５    ピンチロール
５０    制御装置
５      溶湯
６      半凝固状態の溶湯
７      連続鋳物片
【図１】
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【図３】
2016040043.tif 000004
【図５】
2016040043.tif 000005
【図２】
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【図４】
2016040043.tif 000007