JP4551995B2 - 鋳物用アルミニウム合金 - Google Patents

Description

この出願の発明は、鉄を含む鋳物用アルミニウム合金とその凝固結晶組織を制御して行う製造方法に関する。

鋳物用アルミニウム合金に少量の鉄を添加することによって、鋳物用アルミニウム合金の高温強度性が改善されることはよく知られている。そして、この方法を利用して鋳物用アルミニウム合金から高温での強度性を必要とする、シリンダブロックやアルミニウム系ダイキャスト等を成形することも知られている。

しかしながら、鉄が鋳物用アルミニウム合金に不純物として混入されている場合には、その鉄を除去することが難しいだけでなく鋳物用アルミニウム合金が凝固する場合に、針状の金属間化合物（
主にＡｌ３Ｆｅ）が初晶として生成される。

また、鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金の製造方法においても、凝固時に針状の金属間化合物（主にＡｌ３Ｆｅ）の初晶が発生することは不可避であるとされている。

そして、このように生成される針状の金属間化合物の初晶は、硬度が高く切り欠き効果があるため、圧延成形や押し出し成形等の二次加工をする場合に大きな障害になるとされている。

このような成形不良を防ぐために、従来はアルミニウム材の中に鉄（Ｆｅ）が１ｗｔ％を超えるような場合には、そのアルミニウム材を廃棄するか大量の純アルミニウムインゴットで薄めて再生する等の方法が主に採用されている。

しかしながら、このような方法は貴重な資源を無駄にすることになるため、成形時に粗大な初晶が破壊されても鋭利な劈開面のエッジが生じないように、リン（Ｐ）やジルコニウム（Ｚｒ）あるいはバナジウム（Ｖ）等の微細化剤を添加して初晶を約４０μｍ程度にしたり、これにクロム（Ｃｒ）を添加して初晶のケイ素（Ｓｉ）を均質分散する等の改良法が提案されている。ところが、鋳物用アルミニウム合金に、このような第３元素を混入することは鋳物用アルミニウム合金を再利用（リサイクル化）する場合に不純物として残るという問題が生じる。

このような微細化剤を使用しないで初晶を微細粒状化する方法として超音波を利用する方法が開発されている（たとえば、引用文献１および２を参照）。

特公昭６０−４８５７５号公報 特開平０７−２７８６９２号公報 しかしながら、引用文献１ に記載の方法は合金を製造するために超音波を利用するものであり本願発明のように初晶を微細粒状化するために使用されているわけではない。また、引用文献２に記載の発明は粗大なケイ素（Ｓｉ）からなる針状初晶を微細に粉砕して分散するために超音波振動を利用する方法が記載されている。

しかしながら、引用文献２に記載の方法は、Ｓｉ量が２０〜４０％と高いＡｌ−Ｓｉ合金において針状にのびるＳｉを７００〜８００℃
の溶融状態で超音波振動を付加して微細塊状にした。しかし、ホーン材質の記述はなく、当時一般的には金属ホーンを使用している。金属ホーンは溶融金属からの侵食が激しく、アルミニウム合金にＴｉのホーンではＴｉそのものが微細化効果を持つ金属のため超音波振動の効果が疑問である。またＴｉが添加されることでリサイクルを阻害する。

超音波振動は溶融域で温度を保持して付加した場合微細化効果は少ない。凝固時の付加が重要となる。そして、凝固時の初晶の金属間化合物が硬く脆いため加工性を阻害するので微細化が重要となる。この文献では微細粒状化したＳｉは１００〜３００μｍと粗大であり、凝固時の付加では３０μｍと微細化が可能となる。

この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の限界と問題点を解消して、高濃度のＦｅを含有した鋳物用アルミニウム合金を提供するものである。

この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、発明１の鋳物用アルミニウム合金は、Ｆｅを２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、又はＦｅを２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉを４ｍａｓｓ％以上３０ｍａｓｓ％以下含まれている鋳物用アルミニウム合金であって、その初晶のＦｅ-Ａｌ系金属間化合物の粒径が１０〜８０μｍの多角形の微細粒状であることを特徴とする。

発明１は、従来は使用不能とされていた高濃度のＦｅを含む鋳物用アルミニウム合金の高温強度性、耐磨耗性および摺動特性等の機能性をダイキャスト（ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、シリンダブロック、コンロッド（連結棒）や蒸気タービンブレードへの適応を可能とした。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつ鋳物用アルミニウム合金の凝固結晶組織を制御する方法およびその装置を提供するものであるが、以下にその実施の形態について詳しく説明する。

この出願の発明は、主として二次加工を伴う成型品に割れを生じさせる金属間化合物（Ａ
ｌ３Ｆｅ）の初晶を生成する鋳物用アルミニウム合金に超音波振動を付与することによって初晶を微細粒状化することにある。

このように初晶を微細粒状化することは、加工時に初晶が破壊されることによって生ずる鋭利な劈開面を有するエッジの発生が抑制されて加工性を向上するだけでなく、エッジへの応力集中が抑制されるので成型品の高温強度性、耐磨耗性および摺動特性等が改良されて鋳物用アルミニウム合金の用途を拡大するものである。

この出願の発明は加熱溶解した鉄などの不純物を含む鋳物用アルミニウム合金の溶湯へ超音波振動を直接付与することによって、金属間化合物（主にＡｌ３Ｆｅ）初晶を微細粒状化する点に特徴を有するものである。

この出願の発明は鋳物用アルミニウム合金に超音波振動を与えるための超音波振動ホーン（
ｈｏｒｎ）を溶融金属中に挿入して超音波振動を直接付加することが重要である。このため超音波振動ホーン（ｈｏｒｎ）が金属製の場合には、溶融金属に侵食されるため超音波振動ホーンの表面をセラミックコーティングすることが必要になる。また、超音波振動ホーン（ｈｏｒｎ）自体をセラミックで作製する場合には金属溶湯、すなわち鋳物用アルミニウム合金の溶湯と反応せず、高温強度に優れ、しかも耐熱衝撃性の高い、サイアロンセラミック（Ｓｉ３Ｎ４＋Ａｌ２Ｏ３）や窒化珪素セラミック（Ｓｉ３Ｎ４）等を使用することが好ましい。

この出願の発明は溶融している鋳物用アルミニウム合金が凝固する時に超音波振動を直接付与することによって、金属間化合物（主にＡｌ３Ｆｅ）の初晶を粒径数１０μｍ程度の多角形の塊状にするものであるが、超音波振動は結晶が凝固し始める凝固初期の核生成時に液相線を中心に付与することによって初晶は充分に微細粒状化される。このため、結晶が完全凝固終了する固相線まで超音波振動を付与する必要はない。

この出願の発明において対象となる鋳物用アルミニウム合金としては、スクラップ材（リサイクル用成形材）のように不純物の鉄（Ｆｅ）が多量に含有される鋳物用アルミニウム合金になる。たとえば、鋳物用Ａｌ−Ｆｅ系合金（Ｆｅ量が２〜２０ｍａｓｓ％
含有）または鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金（Ｓｉ量が４〜３０ｍａｓｓ％、Ｆｅ量が２〜２０ｍａｓｓ％含有）等のアルミニウム系鋳造合金等である。もちろん、鋳物用アルミニウム合金のスクラップ材（リサイクル用成形材）は、鉄（Ｆｅ）以外にも銅（Ｃｕ），マグネシウム（Ｍｇ），ニッケル（Ｎ
ｉ）等の不純物が混入されており、このような不純物を含有した鋳物用アルミニウム合金の凝固結晶組織を制御する方法に適用できることはいうまでもない。

鋳物用Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金（Ｓｉを６ｍａｓｓ％、Ｆｅを２〜５ｍａｓｓ％含有した合金）を作製した。

工業用純アルミニウム、Ａｌ−２５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金、Ａｌ−５０ｍａｓｓ％Ｆｅ合金を使用して電気炉中で４００ｇを内径４０ｍｍ、高さ９０ｍｍのアルミナるつぼ（３）内で７５０℃
で溶解した。このアルミナるつぼ（３）を超音波発振器、振動子、２段の水冷ブースタ（１）、超音波振動ホーン（２）、振幅測定器、温度測定用熱電対（４）を持つ温度計測器および水冷銅板から構成されている超音波凝固組織制御装置にセットして超音波振動を付加した。

この装置の超音波振動は、電歪型振動子が高周波電流で振動するものであり、この振動を拡大器で増幅した後、ブースタ（１）および超音波振動ホーン（２）へ伝達するため超音波振動ホーン（２）は縦振動する構造になっている。

超音波振動ホーン（２）は高温溶湯へ直接挿入するためファインセラミックのサイアロンを選定した。このサイアロンからなる超音波振動ホーン（２）はストレート形で直径２０ｍ
ｍのものを使用した。

図１に超音波振動ホーンと鋳型の位置関係を示す。超音波振動ホーン（２）をアルミナるつぼ（３）内の溶融金属の表面から１０ｍｍの深さに挿入し、振動が付加されている溶融金属の温度を温度測定用熱電対（４）で測定しながら、所定の温度に達した時に超音波振動ホーン（２）を引き抜いた。

振動を付加する時の温度は液相線温度を中心として完全凝固までが望ましく、本実施例では７００℃から完全凝固の直前である６００℃の範囲で行った。

図２および図３は鋳物用Ａｌ−６ｍａｓｓ％Ｓｉ−５ｍａｓｓ％Ｆｅ合金の超音波振動処理の有無による組織の変化を示した拡大写真である。

一般に、鋳物用Ａｌ−Ｓｉ系合金に鉄が１．５ｍａｓｓ％ 以上混入されると初晶の粗大な針状Ａｌ３Ｆｅが発生するとされているが、図２は超音波振動処理をしない時の写真であり、図３は超音波振動を付与した時の写真である。図３の写真から明らかなように初晶のＡｌ３Ｆ
ｅは微細粒状になっており、１０〜１００μｍに微細化されたＡｌ３Ｆｅが均一に分散されていることが確認された。

本発明による、高温強度、耐磨耗性および摺動特性等の高機能性が要求されるシリンダブロック、コンロッド（連結棒）や蒸気タービンブレード等の成形材料に改質する方法およびその装置等に使用される。

凝固時の組織制御のための超音波振動付加装置である。 鋳物用Ａｌ−６ｍａｓｓ％Ｓｉ−５ｍａｓｓ％Ｆｅ合金の凝固時に組織制御のため超音波振動付与しない場合の粗大な初晶針状Ａｌ３Ｆｅが晶出している組織を示す。 鋳物用Ａｌ−６ｍａｓｓ％Ｓｉ−５ｍａｓｓ％Ｆｅ合金の凝固時に組織制御のため超音波振動付加した場合の初晶のＡｌ３Ｆｅが微細粒状化している組織を示す。

１ ブースタ
２ 超音波振動ホーン
３ アルミナるつぼ
４ 温度測定用熱電対

Claims (1)

1. アルミニウム合金スクラップを原料とし、Ｆｅを２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、又はＦｅを２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉを４ｍａｓｓ％以上３０ｍａｓｓ％以下を含む鋳物用アルミニウム合金であって、その初晶のＦｅ-Ａｌ系金属間化合物の粒径が１０〜８０μｍの多角形の微細粒状であることを特徴とする鋳物用アルミニウム合金。