溶湯直接圧延法によるリサイクルアルミニウム合金板のプレス成形性の向上
大阪工業大学 工学部 機械工学科教授 羽賀俊雄
（平成 16 年度研究開発助成 AF‐2004008）
キーワード：溶湯直接圧延，アルミニウム合金板，リサイクル

１．緒言が高い銅製のロールを用いた．ロールの表面には，薄板地球環境の保護を目的とし自動車の軽量化による燃の固着防止用の離型剤を噴霧していない．薄板の固着に費向上が進められている．自動車の軽量化は，車体のアはロール面温度が影響し，銅製ロールでは鋼製ロールほルミニウム合金化が中心である．アルミニウム合金は高ど表面温度が高くならず，薄板の固着が起こらないこと価であり，安価なリサイクル材の使用は避けられない．

が実験により明らかになったためである．離型剤は溶湯

アルミニウム合金製のボディをリサイクルする場合，鋼（薄板）とロール間の熱抵抗になり，薄板の冷却速度をの締結部品が混入することが懸念される．鋼の部品の混低下させるため，使用しない方がよい．

入によりリサイクルアルミニウム合金中の不純物 Fe 量使用しているため，従来のアルミニウム合金用溶湯直接が増加することが予想される．Fe 量が増加すると延性，圧延機（以後，従来の溶湯直接圧延機と記す）のように特に曲げ性が劣化し，ヘム加工が困難になる．ヘム加工

鋳造と共に 20％以上の高圧下で熱間圧延を行うことはが困難であることは，自動車のボディーシート材として不可能である．しかし，圧下を全く加えないわけではな適切ではない．つまり，リサイクル材は，自動車のボく，ロールと薄板間の熱伝達を良好にするために，単位ディーシート材として使用不可能であることを意味する．

幅あたり 0.1～1.0ｋN／mm の荷重を加えている．一方の不純物 Fe を取り除くことは不可能であり，Fe の影響をロールは固定し，他のロールにはバネにより荷重を加えできるだけ小さくする，つまり無害化が必要になる．

る．板厚は圧下により調節するのではなく，ロール周速銅製ロールを

本研究では，高速・高冷却能の溶湯直接圧延法によりと凝固距離によって調節する．ロール周速を速くする，AlSiFe 金属間化合物を微細化し，リサイクル材の曲げ性または，凝固距離を短くすると凝固時間が短くなるのでの改善を検討した．

板は薄くなり，逆の操作を行うと凝固時間が長くなるので板は厚くなる．鋳造開始時は，ロール間隙を板厚より２．高速溶湯直接圧機

薄い 0.5～2mm に設定しておく．鋳造中は，ロール間隙は溶湯直接圧延機を試作するに際してロール周速の目板厚まで広がる．所定の速度でロールを回転させた後に標を“～ｍ／分”から“～ｍ／秒”の領域，つまり 60m注湯を開始する．ロール間隙が狭いためロール間隙から／min 以上と設定した．試作した高速溶湯直接圧延機の溶湯が漏れたりすることはないので鋳造のスタートは大中で 4 型にあたる縦型高速溶湯直接圧延機（以後，高速変容易である．ロールはバネにより押されているため板溶湯直接圧延機と記す）の概要を図１に示す．従来の溶厚の変動に追従し，ブレークアウトも起こりにくい．

湯直接圧延機は横型であるが，高速溶湯直接圧延機ではノズルを用いることで，溶湯ヘッドによりノズル先端縦型を採用した．この理由は以下のような点である．凝の溶湯圧力を高めることができる．従来の溶湯直接圧延

固距離を長くしても板の上下面で表面状態や鋳造組織に機では，ノズル（チップ）先端の圧力は，レベルライン差違が発生し難い．ノズルの構造を簡略化できる．ノズの発生を防ぐため極力低く設定されている．しかし，高ル内で溶湯が凝固して詰まる恐れが少ない．鉄鋼用の溶速溶湯直接圧延機では，溶湯とロール間の熱伝達を改善

湯直接圧延機も縦型であるがノズルを装着しておらず，するため，溶湯圧力を高くするようにしている．溶湯がこの点で高速溶湯直接圧延機と異なる．

漏れるのを防ぐため，ノズルの先端とロールは接触して高速溶湯直接圧延機は，ロール，ノズルおよび傾斜冷いる．ノズル先端の位置で，凝固距離を設定することが却板から構成されている．高ロール周速化と固液相線間できる．また，溶湯ヘッドがある値以上であれば，湯面の温度差が広い合金の鋳造を可能にするため，熱伝導率が変動しても溶湯とロールの接触状態（ノズル先端のメニスカス）には影響しない．したがって，ノズルを使用球状化した初晶を得る事が目的ではなく，冷却速度をすることで，正確な湯面レベル制御が必要でなくなる．

高めることが目的であるため，５％以下の固相率を目安

ノズルは，各２枚のノズルプレートとサイドダムプレーとした．低温鋳造の場合は，スーパーヒートは 5℃以下トから構成されている．４枚のプレートは機械的に結合を目安とした．Al-Si や Al-Mg-Si などの合金は半凝固鋳しており，1 枚ずつ交換可能である．凝固距離は,ノズル造，Al-Mg や Al-Mn などの合金では低温鋳造を行った．

プレートの位置で調節可能である．凝固距離を変える場

従来の溶湯直接圧延機と高速溶湯直接圧延機の比較を合，新たにノズルを作製する必要はなく，ノズルプレー表１に示した．

トの位置を変えればよい．サイドダム方式であるため，板幅はロール幅と等しい．

低温溶湯

ノズルプレートは，厚さ 3mm 程度の鋼板に厚さ 2mm の耐熱ペーパーを接着しただけの簡単なものである．同様にサイドダムプレートは，鋼板に耐熱クロスを巻き付けただけの簡単な構造である．ノズルは，熱衝撃による破壊を考慮する必要がなく，ロールと接触したときに先端が破壊したりすることも無く，取り扱いは大変容易であ半凝固スラリー
溶湯ヘッド

傾斜冷却板

100mm

傾斜角 60°，長さ 300mm

凝固距離

ノズル60～100mm

る．耐熱ペーパーと耐熱クロスは消耗するため交換するが，鋼板は複数回使用可能である．鋼板であるため，折曲や溶接ができるので形状の選択の自由度が高く，ボル成形荷重

トなどにより機械的に溶湯直接圧延機に取り付けること0.1～1.0kN/mm(単位幅)ができる．図２にノズルの周辺部を示す．
ノズル内で溶湯が凝固することを防ぐために，注湯前

図１

縦型高速溶湯直接圧延機の概略図にノズルを余熱する必要はない．これは，溶湯のノズルを通過する時間が短いこと，およびノズルの熱容量が小さいために溶湯の温度低下が低いためである．

サイドダムプレート

鋳造速度の高速化を目的として低温鋳造または半凝固鋳造を行うため，傾斜冷却板を装着した．傾斜冷却板は，構造が簡単でコンパクトであり，注湯用の樋の変わりにノズルプレート設置して注湯するだけで半凝固鋳造が行える．
一般の半凝固加工の固相率は 50％程度であるが，高速ロール

溶湯直接圧延機の固相率は 5％以下を目安とした．固相率が 20％以下の場合，半凝固金属は流体の挙動を示すとされている．ノズル内を半凝固金属がスムースに流れるためには，固相率は 20％以下がよい．また，表面クラックを防ぐためにも固相率は高くない方がよい．

図２
表１

比較項目
型式

溶湯直接圧延機の比較

従来の溶湯直接圧延機
横型

ロール材質

ロールとノズルの周辺部

縦型高速溶湯直接圧延機
縦型

鋼

銅

離型剤

使用する

使用しない

成形荷重

1～10 kN/mm(単位幅)0.1～1.0 kN/mm(単位幅)

ロールスピード

1～15 m/min

60～150 m/min

注湯温度

一般的な温度で鋳造低温鋳造，半凝固鋳造

薄板の厚さ

4～7 mm

2～3.5 mm

傾斜冷却

３．A6063 および AC4C リサイクル材への適用低下することが報告されている．Fe の添加量が 0.75％程A6063 と AC4C に不純物を想定して Fe を添加して薄度まで伸びが低下しなかったことは，リサイクル材に対板を鋳造した．基礎的な研究であるため，実際のリサイする高速溶湯直接圧延の有効性を示していると考えられクルで想定されるより多量の Fe を添加した条件においる．Fe を添加した AC4C の 180°曲試験では，T4 処理のても板を鋳造した．Fe を 4％まで添加したが，Fe の添加場合は，Fe の添加量が 0.5％までは外表面にクラックがはロールキャスト性には影響を及ぼさず，連続的に薄板発生しなかった．引張試験の結果と合わせて判断する，を鋳造することができた． Fe を添加することにより板AC4C においては Fe 添加量が 0.5％までは，高速溶湯直表面の金属光沢は乏しくなる傾向がみられたが，表面欠接圧延機を使用することで延性の低下を防ぐことができ陥は発生しなかった．Fe 添加量が増すにしたがい，板はそうである．Fe を 2％以上添加すると破断してしまった．

薄くなる傾向を示した．融点が高くなることと，よりマッ同様の 180°曲試験を A6063 に Fe 添加した場合にも行っシー状態になることが原因であると考えられる．Fe を添たが， Si 量が少ないため Fe を４％添加し場合でも T4加したものでは中央部の粒状組織がデンドライト組織に処理材では外表面にクラックは発生しなかった．

変わった．これが Fe の添加の影響であるか，鋳造条件がA6063 に Fe を 2％添加した場合の組織は，断熱材の鋳不適切あるためか今後調査する予定である．Fe の添加量

型で鋳造した場合は，長さ 100μm 以上の針状の Fe を含が 1％以上では，板厚方向の中央部に Fe を含む金属間化む金属間化合物が晶出した．しかし，高速溶湯直接圧延合物が晶出 していた．この金属間化合物は針状であるが，機で鋳造した薄板には，このような粗大な金属間化合物粗大なものは観察されなかった．急冷効果により金属間は確認できなかった．また，Fe を添加したことで初晶が化合物は微細に晶出したと考えられる．表面近傍では，微細化した．A6063 と A6063 に Fe を添加場合の T6 材の中央部に見られたような金属間化合物の晶出物は無かっ

引張試験では，Fe を 0.35％添加した場合は，機械的性質た．これは，表面近傍の方が内部より冷却速度が高いたは劣化せず A6063 より引張強さと伸びが向上した．結晶めと考えられる．Fe を 4％添加した場合も 0.5mm まで冷粒の微細化と金属間化合物が微細分散したことが原因で間圧延を行うことができた．Fe を添加した場合も鋳造板機械的性質が向上したと推測される．高速溶湯直接圧延に見られた板厚方向の不均一な組織は改善され，ほぼ均機を使用した場合，リサイクル材の機械的性質の低下防一な組織になった．板厚方向の中央部に晶出した金属間ぐだけでなく，逆に向上できる可能性があることが明ら化合物は，冷間圧延により分断されたようである．急冷かになった．Fe を 1％添加した場合は時効効果が得られ効果と塑性加工により金属間化合物を微細化できる可能ず，T6 処理後も引張強さと耐力が向上しなかった．Si が性がある．従来の溶湯直接圧延機で鋳造した Fe を 2％添金属間化合物に含まれたため，Mg2Si として析出すべき加した AC4C の薄板の断面は，板厚方向の中央部に FeSi が不足したため時効効果が得られなかったと考えられを含む金属間化合物が連続的に晶出していた．この板にる．AC4C の場合は Si が十分に存在したため，時効効果均質化処理の後に冷間圧延を行ったが，板の中央部で鰐が得られた．

口割れを起こし，圧延は不可能であった．高速溶湯直接Fe を添加することにより金属光沢は乏しくなる傾向

圧延機で鋳造した薄板は，Fe を４％添加した場合でも鰐がみられたが，表面欠陥は発生しなかった．板厚に対し口割れを起こさずに冷間圧延を行うことができた．これて Fe 添加量の影響し，Fe 添加量が増すにしたがい，板は，金属間化合物が微細であり，また金属間化合物は板は薄くなる傾向を示した．融点が高くなることと，より厚中央部のバンド状の部分に分散して存在したためであマッシー状態になることが原因であると考えられる．

ると考えられる．リサイクル材に対しても従来の溶湯直Fe を添加したものでは中央部の粒状組織がデンドラ接圧延機と比較して高速溶湯直接圧延機が有利であるこイト組織に変わった．これが Fe の添加の影響であるか，と示す結果であると考えられる．

鋳造条件が不適切あるためか今後調査する予定である．

Fe を添加した AC4C の T6 材の引張試験の結果は，FeFe の添加量が 1％以上では，板厚方向の中央部に Fe を含の添加量が 0.75％までは，伸びは低下せず AC4C とほぼむ金属間化合物が晶出 していた．この金属間化合物は針同じ値を示した．添加量が 0.75％を超えると Fe の増加に状であるが，粗大なものは観察されなかった．急冷効果

従い伸びは徐々に低下した．引張強さと耐力は，Fe 添加により金属間化合物は微細に晶出したと考えられる．表

量が 0.75％を超えると徐々に増すが，伸びの低下ほど変面近傍では，中央部に見られたような金属間化合物の晶化の割合は大きくなかった．通常の鋳造では Fe 量が出物は無かった．これは，表面近傍の方が内部より冷却0.5％以下においても Fe の増加と共に伸びと引張強さが速度が高いためと考えられる．均質化処理，0.5mm まで

の冷間圧延後に T6 処理を行った薄板の断面組織も調査

では，Fe を 0.35％添加した場合は，機械的性質は劣化せした．Fe を 4％添加した場合も 0.5mm まで冷間圧延を行ず A6063 より引張強さと伸びが向上した．結晶粒の微細うことができた．Fe を添加した場合も鋳造板に見られた化と金属間化合物が微細分散したことが原因で機械的性

板厚方向の不均一な組織は改善され，ほぼ均一な組織に質が向上したと推測される．高速溶湯直接圧延機を使用なった．板厚方向の中央部に晶出した金属間化合物は，した場合，リサイクル材の機械的性質の低下防ぐだけで冷間圧延により分断されたようである．急冷効果と塑性なく，逆に向上できる可能性があることが明らかになっ加工により金属間化合物を微細化できる可能性がある．

た．Fe を 1％添加した場合は時効効果が得られず，T6 処

従来の直接圧延機で鋳造した Fe を 2％添加した AC4C の理後も引張強さと耐力が向上しなかった．Si が金属間化

薄板の断面組織は，板厚方向の中央部に Fe を含む金属間合物に含まれたため，Mg2Si として析出すべき Si が不足化合物が連続的に晶出していた．この板に均質化処理のしたため時効効果が得られなかったと考えられる．

後に冷間圧延を行ったが，板の中央部で鰐口割れを起こ

AC4C の場合は Si が十分に存在したため，時効効果が得し，圧延は不可能であった．高速溶湯直接圧延機で鋳造られた．

した薄板は，Fe を４％添加した場合でも鰐口割れを起こさずに冷間圧延を行うことができた．これは，金属間化

４．自動車用ボディーシート材への適用合物が微細であり，また金属間化合物は板厚中央部のバ自動車用ボディーシート材として広く使用されているンド状の部分に分散して存在したためであると考えられA6016 のリサイクル材についても，高速溶湯直接圧延にる．リサイクル材に対しても従来の溶湯直接圧延機と比よる延性の向上を調査した．Fe 量は，0.18，0.5，0.75，較して高速溶湯直接圧延機が有利であること示す結果で1.0mass ％ と し た ． オ リ ジ ナ ル の A6016 の Fe 量 はあると考えられる．

0.18mass％であり，リサイクルを想定してこれに Fe を添Fe を添加した AC4C の T6 材の引張試験では，Fe の添加して上記の Fe 量とした．図 3 に鋳造まま材の表面状態

加量が 0.75％までは，伸びは低下せず AC4C とほぼ同じを示す．全て薄板に鋳造することができた．Fe 量が増加値を示した．添加量が 0.75％を超えると Fe の増加に従いしたことが原因と思われる表面欠陥は発生しなかった．

伸びは徐々に低下した．引張強さと耐力は，Fe 添加量がまた，連続性は Fe 量が増加するに従い，改善された．

0.75％を超えると徐々に増すが，伸びの低下ほど変化の割合は大きくなかった．通常の鋳造では Fe 量が 0.5％以(a)0.18%(b)0.5%(b)0.75%(d)1.0%F下においても Fe の増加と共に伸びと引張強さが低下することが報告されている５）．Fe の添加量が 0.75％程度ま高速ロールキャスティングの有効性を示していると考えられる．Fe を添加した AC4C の 180°曲試験を行った．

100mmで伸びが低下しなかったことは，リサイクル材に対するT4 処理の場合は，Fe の添加量が 0.5％までは外表面にクラックが発生しなかった．引張試験の結果と合わせて判断する，AC4C においては Fe 添加量が 0.5％までは，高速溶湯直接圧延機を使用することで延性の低下を防ぐこ

図３

A6016 および Fe を添加した A6016 板の表面状態とができそうである．Fe を 2％以上添加すると破断してしまった．同様の 180°曲試験を A6063 に Fe 添加した場

図４に Fe 量が 0.18％と 1.0％の鋳造まま材の断面組織合にも行ったが， Si 量が少ないため Fe を４％添加し場の光学顕微鏡による観察結果を示す．中央部は粒状化し合でも T4 処理材では外表面にクラックは発生しなかっておりその両側（ロール接触面側）がデンドライト組織た．

であることは，AC4C や A6016 と同様である．

A6063 に Fe を 2％添加した場合，断熱材の鋳型で鋳造

図５に 180°曲げ試験の後の表面状態を示す．１mm

した場合は，長さ 100μm 以上の針状の Fe を含む金属間まで冷間圧延後に T4 処理を行った．Fe 量が 0.18％から化合物が晶出した．しかし，高速溶湯直接圧延機で鋳造1.0％まで増加した場合も表面にクラックは発生しなした薄板には，このような粗大な金属間化合物は確認でかった．

きなかった．また，Fe を添加したことで初晶が微細化し図６には断面組織を示す．断面状態からも 180°曲げた．A6063 と A6063 に Fe を添加場合の T6 材の引張試験によりクラックが発生していないことは明らかである．

0.18％Fe 中央部

50um
1.0％Fe 表面近傍

Tensile stress
Proof stress
Elongation

30030303020020202010010101000

図６50um404040040

10.18%Fe

20.5%Fe

30.75%Fe

41.0%FeElongation [%]

[MPa]
50um

Tensile stress, Proof stress

0.18％Fe 表面近傍

00A6016 および Fe を添加した A6016 板の引張試験．

1mm まで冷間圧延後 T４処理．
リサイクル材を自動車のボディーシート材と使用する

1.0％Fe 中央部

場合に最も問題となる，ヘム加工時に発生するクラックを防ぐことができる可能性があることが明らかになった．
50um

また，鋳造まま材では板厚方向の組織は不均一であったが，冷間圧延と T4 処理により不均一は緩和された．ま図４A6016 および Fe を添加した A6016 板の断面組織0.18%Feた，粗大な AlSiFe 系の金属間化合物の晶出は見られなかった．これは，高冷却速度の結果と思われる．
図６に引張試験の結果を示す．Fe 量の増加は引張強さと 0.2％耐力に影響を与えていないようである．伸びはFe 量が 0.75％までは 20％以上の値を示した．また，Fe

1.0%Fe量が 0.5％のときは 0.18％より大きな伸びの値を示した．
Fe 量が増加による結晶粒の微細化などが影響していると考えられる．

図４

A6016 および Fe を添加した A6016 板の 180°曲げ後の表面状態．1mm まで冷間圧延後 T４処理．

５．まとめ
縦型高速溶湯直接圧延機によりリサイクルアルミニウ
ム合金の曲げ性の改善を検討した．自動車用ボディー

0.18%Feシート材として使用されている A6016 においては，Fe 量が 1mass％の場合においても 180°曲げが可能で合った．
これは AlSiFe 系の金属間化合物が，縦型高速溶湯直接圧延機の急冷効果により微細に晶出したためと考えられる．

謝辞
1.0%Fe

本研究の一部は㈶天田金属加工機械技術振興財団研究助成によるものであることを記し，感謝の意を表します．

参考文献[1] T. Haga, J.Mater.Process.Technol.,133(2003)103-107.
[2] T. Haga, J.Mater.Process.Technol.,143(2003)895-900.
[3] T. Haga, J.Mater.Process.Technol.,153(2004)42-47.
図５

A6016 および Fe を添加した A6016 板の 180°曲げ後の断面組織．1mm まで冷間圧延後 T４処理．