特許 6852146 ダイカスト用アルミニウム合金およびこれを用いたアルミニウム合金ダイカスト

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6852146

(24)【登録日】2021年3月12日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】ダイカスト用アルミニウム合金およびこれを用いたアルミニウム合金ダイカスト

(51)【国際特許分類】

   C22C 21/02 20060101AFI20210322BHJP

   C22F 1/043 20060101ALI20210322BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20210322BHJP

【ＦＩ】

   C22C21/02

   C22F1/043

   !C22F1/00 604

   !C22F1/00 611

   !C22F1/00 630A

   !C22F1/00 630C

   !C22F1/00 640A

   !C22F1/00 630K

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2019-512133(P2019-512133)

(86)(22)【出願日】2017年4月13日

(86)【国際出願番号】JP2017015176

(87)【国際公開番号】WO2018189869

(87)【国際公開日】20181018

【審査請求日】2019年10月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000148966

【氏名又は名称】株式会社大紀アルミニウム工業所

(74)【代理人】

【識別番号】100082429

【弁理士】

【氏名又は名称】森 義明

(74)【代理人】

【識別番号】100162754

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 真樹

(72)【発明者】

【氏名】鏑木 敦夫

(72)【発明者】

【氏名】宮尻 聡

(72)【発明者】

【氏名】大城 直人

【審査官】 瀧澤 佳世

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−１４９９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０３５４０３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００４５６３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／１６６７７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０４８７８２５６（ＣＮ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０５１７７３７０（ＣＮ，Ａ）

【文献】 團野瑛章、外３名，高延性ダイカスト用Ａｌ合金に及ぼすＣｕおよびＣｒの影響，第167回全国講演大会講演概要集，日本鋳造工学会，２０１５年１０月 ５日，１１９頁

【文献】 鏑木敦夫、外２名，高延性ダイカスト用Ａｌ合金の機械的性質に及ぼすＣｕの影響，第168回全国講演大会講演概要集，日本鋳造工学会，２０１６年 ９月 ５日，２９頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ２１／０２

Ｃ２２Ｆ １／０４３

Ｃ２２Ｆ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

重量％で、０．０５％≦Ｃｕ≦０．７０％、４．０％≦Ｓｉ≦１１．０％、０．５０％＜Ｍｇ≦１．０％、０．０５％≦Ｆｅ≦０．６０％、Ｍｎ≦０．８０％、０．１０％≦Ｃｒ≦０．４０％、Ｔｉ≦０．３０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなり、鋳放し状態での伸びが９．０％以上である、ことを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。

【請求項2】

請求項１のダイカスト用アルミニウム合金において、
Ｎａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種を３０〜２００ｐｐｍ添加した、ことを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。

【請求項3】

請求項１又は２のダイカスト用アルミニウム合金において、
Ｓｂを０．０５〜０．２０重量％添加した、ことを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。

【請求項4】

請求項１乃至３の何れかのダイカスト用アルミニウム合金において、
Ｂを１〜５０ｐｐｍ添加した、ことを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れかのダイカスト用アルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム合金ダイカスト。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、機械的特性と耐食性とに優れたダイカスト用アルミニウム合金および当該合金を利用したアルミニウム合金ダイカストに関する。

【背景技術】

【0002】

アルミニウム合金は、軽量であると共に、成形性や量産性に優れることから、自動車や産業機械、航空機、家庭電化製品その他各種分野において、その構成部品素材として広く使用されている。
このうち、例えば自動車用途においては、車体の軽量化やそれに伴う省燃費を目的に、ボディや足回り部品などへのアルミニウム合金ダイカストの適用が拡大している。このように近年、アルミニウム合金を用いた部品が数多く採用されて来ているが、その一方で、これらの部品の多くは重要保安部品であるため、耐力や延性と言った機械的性質のみならず、必要耐用年数や使用環境などの観点から、長期間の使用に耐え得るだけの耐食性が要求される。このため、既存合金では、かかる部品に要求される機械的特性は充足できるものの、耐食性を満足できない事態が生じ始めている。

【0003】

そこで、そのような問題を解決する技術の一つとして、例えば、下記の特許文献１には、自動車のホイール（車輪）などの安全構成要素に好適な材料として、９．５〜１１．５重量％の珪素（Ｓｉ），０．１〜０．５重量％のマグネシウム(Ｍｇ)，０．５〜０．８重量％のマンガン(Ｍｎ)，最大０．１５重量％の鉄(Ｆｅ)，最大０．０３重量％の銅(Ｃｕ)，最大０．１０重量％の亜鉛(Ｚｎ)，最大０．１５重量％のチタン(Ｔｉ)を含み、残部がアルミニウム(Ａｌ)及び永続的微粒化剤としての３０〜３００ｐｐｍのストロンチウム(Ｓｒ)で構成されたダイカスト用アルミニウム合金が開示されている。
この技術によれば、電池作用によってアルミニウム合金を腐食させるＣｕの含有割合を最大で０．０３重量％に抑えているので、高い耐食性を有するダイカスト用アルミニウム合金を提供することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３２５５５６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、耐食性を向上させるため、上述のようにＣｕの含有割合を制限すれば、実質的にスクラップ原料の使用が不可能となり、アルミニウム合金を経済的に製造できなくなるばかりでなく、循環型社会を構築する上での律速となる。また、Ｃｕはアルミニウム合金に対して引張強さや０．２％耐力と言った機械的性質を向上させる効果を有しているが、Ｃｕの含有割合を０．０３重量％以下に制限すれば、かかる効果も期待できなくなる。
さらに、ＣｕのみならずＭｇについても事情は同様である。すなわち、合金中のＭｇの含有割合を上述のように制限した場合、例えばサッシ屑やアルミ缶などのＭｇ含有割合の高い材料で構成されたスクラップ原料を使用するためには、溶かしたスクラップ原料に塩素ガスを吹き込んだり塩素系フラックスを使用してスクラップ溶湯中のＭｇを塩化マグネシウムとして分離し、再生後合金のＭｇ含有割合が上記範囲内となるように調整しなければならない。しかしながら、スクラップ溶湯からのＭｇの分離にはこのように塩素が使用されるので排ガス中にダイオキシン類が生成するなど別の問題が生じ得る。したがって、合金中のＭｇの含有割合を上述のように制限した場合、実質的にはスクラップ原料の使用が難しくなる場合がある。また、Ｍｇはアルミニウム合金に対して０．２％耐力を向上させる効果を有しているが、Ｍｇの含有割合を０．５重量％以下に制限すれば、かかる効果も期待できなくなる。
それゆえに、この発明の主たる課題は、リサイクル原料を使用して経済的且つ持続可能に生産することができるのに加え、耐食性を損なうことなく機械的性質を向上させた自動車の重要保安部品などに好適なダイカスト用アルミニウム合金と、当該合金からなるアルミニウム合金ダイカストとを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明における第１の発明は、「重量％で、０．０５％≦Ｃｕ≦０．７０％、４．０％≦Ｓｉ≦１１．０％、０．５０％＜Ｍｇ≦１．０％、０．０５％≦Ｆｅ≦０．６０％、Ｍｎ≦０．８０％、０．１０％≦Ｃｒ≦０．４０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる」ことを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金である。
この発明では、Ｃｕを０．０５重量％以上で且つ０．７０重量％以下の範囲内で含有させると共にＭｇを０．５０重量％超から１．０重量％以下の範囲内で含有させることができるので、リサイクル原料の使用が可能となるのに加え、引張強さや０．２％耐力と言った機械的性質を向上させることができる。また、耐食性を悪化させる虞のあるＣｕの含有割合を上記範囲内に抑える一方で、耐食性改善効果のあるＣｒを０．１０重量％以上で且つ０．４０重量％以下含有するようにしているので、ダイカスト用アルミニウム合金の耐食性の悪化を防止することができる。
以上のように、本発明では、６種類の元素成分を所定の割合で含有させるだけで、それらの相互的作用によって、鋳造性や機械的性質のみならず、耐食性にも優れたダイカスト用アルミニウム合金のインゴットを経済的に安全且つ簡便に製造することができる。

【0007】

なお、本発明のダイカスト用アルミニウム合金では、Ｔｉを０．３０重量％以下含有させるのが好ましい。こうすることにより、当該合金の結晶粒を微細化させて鋳造割れをより一層効果的に抑制できると共に、機械的性質とりわけ伸びを向上させることができる。

【0008】

また、本発明のダイカスト用アルミニウム合金では、Ｎａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種を３０〜２００ｐｐｍ添加することや、Ｓｂを０．０５〜０．２０重量％添加するのが好ましい。こうすることにより、共晶Ｓｉの粒子を細かくすることができ、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
さらに、Ｂを１〜５０ｐｐｍ添加することも好ましい。こうすることにより、特にＳｉ量が少ない場合や冷却速度の遅い鋳造方法を用いる場合であってもアルミニウム合金の結晶粒を微細化させることができ、その結果、当該アルミニウム合金の伸びを向上させることができる。

【0009】

本発明における第２の発明は、上記第１の発明に記載のダイカスト用アルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム合金ダイカストである。
本発明のダイカスト用アルミニウム合金からなるアルミニウム合金ダイカストは、鋳造性よく量産できると共に、引張強さや硬さと言った機械的特性のみならず耐食性にも優れているため、例えば自動車の重要保安部品などの用途に好適である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、リサイクル原料を使用して経済的且つ持続可能に生産することができるのに加え、耐食性を損なうことなく機械的性質を向上させた自動車の重要保安部品などに好適なダイカスト用アルミニウム合金と、当該合金からなるアルミニウム合金ダイカストとを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ダイカスト用アルミニウム合金におけるＣｕの含有割合と機械的性質との関係を示すグラフである。

【図2】ダイカスト用アルミニウム合金におけるＭｇの含有割合と機械的性質との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について具体例を示しながら詳述する。
本発明のダイカスト用アルミニウム合金(以下、単に「アルミニウム合金」とも云う。)は、重量％で、０．０５％≦Ｃｕ(銅)≦０．７０％、４．０％≦Ｓｉ(ケイ素)≦１１．０％、０．５０％＜Ｍｇ(マグネシウム) ≦１．０％、０．０５％≦Ｆｅ(鉄)≦０．６０％、Ｍｎ(マンガン)≦０．８％、０．１０％≦Ｃｒ(クロム)≦０．４０％を含有し、残部がＡｌ(アルミニウム)と不可避不純物とで大略構成されている。以下、各元素の特性について説明する。

【0013】

Ｃｕ(銅)は、アルミニウム合金の耐摩耗性や機械的強度や硬さを向上させるために重要な元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＣｕの含有割合は、上述したように０．０５重量％以上で且つ０．７０重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｃｕの含有割合が０．０５重量％未満の場合には、上述の機械的性質改善効果を得ることができなくなり、逆に、Ｃｕの含有割合が０．７０重量％を超える場合には、耐食性の著しい低下、伸びの低下、比重の増大などの問題が生じるようになるからである。

【0014】

Ｓｉ（ケイ素）は、アルミニウム合金溶融時における流動性を確保し、鋳造性を向上させる重要な元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＳｉの含有割合は、上述したように４．０重量％以上で且つ１１．０重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｓｉの含有割合が４.０重量％未満の場合には、溶湯の流動性を確保することが難しく、一般的に多用されている通常のダイカストでの成形を考えた場合、大型部品への適用の妨げとなり、逆に、Ｓｉの含有割合が１１．０重量％を超える場合には、合金の伸びが低下するようになるからである。

【0015】

Ｍｇ（マグネシウム）は、主としてアルミニウム合金中のＡｌ母材に固溶した状態又はＭｇ_２Ｓｉとして存在し、アルミニウム合金に耐力および引張強さを付与する一方で、過大量の含有により鋳造性や耐食性に悪影響を及ぼす成分である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＭｇの含有割合は、上述したように０．５０重量％超で且つ１．０重量％以下の範囲であることが好ましい。Ｍｇの含有割合が０．５重量％以下の場合には、上述の効果に加え、熱処理を行うことなく合金の０．２％耐力を確保することが可能となり、逆に、Ｍｇの含有割合が１．０重量％を超える場合には、合金の伸びや耐食性が著しく低下するようになるからである。

【0016】

Ｆｅ（鉄）は、ダイカスト時の焼付き防止効果を有することが知られている。しかしながら、このＦｅは、Ａｌ-Ｓｉ-Ｆｅからなる針状晶を晶出し、アルミニウム合金の靱性(伸び)を低下させると共に、大量に添加すると適温での溶解を困難にする。
アルミニウム合金全体の重量に対するＦｅの含有割合は、上述したように０．０５〜０．６０重量％の範囲内であることが好ましい。Ｆｅの含有割合が０．０５重量％未満の場合には、ダイカスト時の焼き付き防止効果が十分ではなく、逆に、Ｆｅの含有割合が０．６重量％より多い場合にも、上記焼き付き防止効果は十分なものになるが、当該合金の靱性が低下すると共に溶解温度が上昇して鋳造性が悪化するようになるからである。

【0017】

Ｍｎ（マンガン）は、上述したＦｅと同様に、主としてダイカスト時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するためのものである。このＭｎもＦｅと同様に、大量に含有させると適温での溶解が困難になることから、本発明では、アルミニウム合金全体の重量に対するＭｎの含有割合を０．８重量％以下に抑えている。
なお、このＭｎの含有割合の下限については特に限定する必要はないが、上記焼付き防止効果を顕著に発揮させるためには、Ｍｎを０．２重量％以上含有させるのが好ましい。

【0018】

Ｃｒ（クロム）は、上述したＦｅやＭｎと同様に、ダイカスト時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するのに加え、合金の耐食性を向上させる効果を有する元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＣｒの含有割合は、上述したように０．１０重量％以上で且つ０．４０重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｃｒの含有割合が０．１０重量％未満の場合には、上述の効果を十分に得ることができなくなり、逆に、Ｃｒの含有割合が０．４０重量％を超える場合には、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。

【0019】

以上の含有割合に従って、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ及びＣｒの含有割合を調整すると、安全性の高い簡単な処方で有りながら、鋳造性や機械的性質のみならず、耐食性にも優れたダイカスト用アルミニウム合金地金を経済的に得ることができる。

【0020】

なお、上述した各元素成分のほかに、Ｔｉ（チタン）を添加するようにしてもよい。このＴｉは、結晶粒を微細化させる効果を有しており、一般的には鋳造割れの抑制や機械的性質のうち特に伸びを向上させることができる元素であると言われている。
アルミニウム合金全体の重量に対するこのＴｉの含有割合は、０．３０重量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｔｉの含有割合が０．３０重量％を超える場合には、アルミニウム合金の溶解が難しくなり、溶け残りの生じる可能性が出てくるからである。

【0021】

また、上述した各元素成分のほかに、Ｎａ（ナトリウム），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｃａ（カルシウム）およびＳｂ（アンチモン）から選ばれる少なくとも１種を改良処理材として添加するようにしてもよい。このような改良処理材を添加することによって共晶Ｓｉの粒子を細かくすることができ、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
ここで、アルミニウム合金全体の重量に対する改良処理材の添加割合は、当該改良処理材がＮａ，ＳｒおよびＣａの場合には３０〜２００ｐｐｍ、Ｓｂの場合には０．０５〜０．２０重量％の範囲であることが好ましい。改良処理材の添加割合が３０ｐｐｍ(Ｓｂの場合には０．０５重量％)未満の場合には、アルミニウム合金中の共晶Ｓｉの粒子を微細化するのが困難となり、逆に、改良処理材の添加割合が２００ｐｐｍ(Ｓｂの場合には０．２０重量％)より多い場合には、アルミニウム合金中の共晶Ｓｉの粒子は十分に微細化されており、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。

【0022】

また、上記改良処理材に代えて、或いは改良処理材と共に、Ｂ（硼素）を添加するようにしてもよい。このようにＢを添加することによってアルミニウム合金の結晶粒が微細化され、当該合金の伸びを向上させることができる。なお、かかる効果は、特にＳｉ量が少ない場合や冷却速度の遅い鋳造方法を用いる場合に顕著となる。
アルミニウム合金全体の重量に対するＢの添加割合は、１〜５０ｐｐｍの範囲であることが好ましい。Ｂの添加割合が１ｐｐｍ未満の場合には、アルミニウム合金中の結晶粒を微細化するのが困難となり、逆に、Ｂの添加割合が５０ｐｐｍより多い場合には、アルミニウム合金中の結晶粒は十分に微細化されており、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。

【0023】

本発明のダイカスト用アルミニウム合金を製造する際には、まず、Ａｌ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ及びＣｒの各元素成分が上述した所定の割合となるように含有させた原料を準備する（必要に応じて上記のＴｉや改良処理材等も添加。）。続いて、この原料を前炉付溶解炉や密閉溶解炉などの溶解炉に投入し、これらを溶解させる。溶解させた原料すなわちアルミニウム合金の溶湯は、必要に応じて脱水素処理および脱介在物処理などの精製処理が施される。そして、精製された溶湯を所定の鋳型などに流し込み、固化させることによって、アルミニウム合金の溶湯を合金地金インゴットなどに成形する。

【0024】

また、本発明のダイカスト用アルミニウム合金を用いてアルミニウム合金ダイカストを鋳造した後、必要に応じて溶体化処理及び時効処理などが施される。このようにアルミニウム合金ダイカストに溶体化処理および時効処理などを施すことによってアルミニウム合金鋳物の機械的特性を改良することができる。

【実施例】

【0025】

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
なお、下記の各種合金における機械的特性(具体的には、引張強さ，伸び，０．２％耐力)は、次の方法で測定した。すなわち、型締力１３５トンの通常のダイカストマシン(東芝機械(株)社製・ＤＣ１３５ＥＬ)を用いて、射出速度１．０ｍ／秒、鋳造圧力６０ＭＰａでダイカスト鋳造し、ＡＳＴＭ(American Society for Testing and Material)規格に準拠した丸棒試験片を作製した。そして、鋳放しの状態のかかる丸棒試験片について、(株)島津製作所社製の万能試験機(ＡＧ−ＩＳ １００ｋＮ)を用いて、引張強さ，伸び，０．２％耐力を測定した。
また、各種合金の合金成分は、固体発光分光分析機（サーモフィッシャーサイエンティフィック社製 Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＡＲＬ４４６０）を用いて測定した。

【0026】

Ｃｕのダイカスト用アルミニウム合金物性に対する影響
表１は、Ｃｕ以外の合金成分が本発明範囲内における或る一定の割合となるように調整すると共に、Ｃｕの含有割合を変化させて製造したダイカスト用アルミニウム合金の成分組成及び各機械的特性(引張強さ，伸び，０．２％耐力)を示したものである。

【0027】

【表1】

【0028】

この表１および図１が示すように、ダイカスト用アルミニウム合金のＣｕの含有割合が増えるに従って当該合金の引張強さ（図１−１参照）が向上することが窺える。
これに対し、当該合金の伸びは、Ｃｕの含有割合が０．７０重量％を超えると著しく低下するような傾向が窺える（図１-２参照）。このため、本発明のダイカスト用アルミニウム合金では、Ｃｕの含有割合を０．０５重量％以上で且つ０．７０重量％以下の範囲内とするのが好ましい。
なお、表１中の合金１〜３は、本発明範囲内の合金組成、すなわち実施例合金である。

【0029】

Ｍｇのダイカスト用アルミニウム合金物性に対する影響
表２は、Ｍｇ以外の合金成分が本発明範囲内における或る一定の割合となるように調整すると共に、Ｍｇの含有割合を変化させて製造したダイカスト用アルミニウム合金の成分組成及び各機械的特性(引張強さ，伸び，０．２％耐力)を示したものである。

【0030】

【表2】

【0031】

この表２および図２が示すように、ダイカスト用アルミニウム合金のＭｇの含有割合が増えるに従って当該合金の０．２％耐力が向上し、Ｍｇの含有割合が０．５０重量％を超えた辺りから当該合金の０．２％耐力が１６０ＭＰａを超えるようになることが窺える（図２−１参照）。
一方、当該合金の伸びは、Ｍｇの含有割合が増えるに従って漸減し、Ｍｇの含有割合が１．０重量％を超えた辺りから当該合金の伸びが７％を下回るようになる傾向が窺える（図２−２）。このため、本発明のダイカスト用アルミニウム合金では、Ｍｇの含有割合を０．５０重量％超で且つ1．０重量％以下の範囲内とするのが好ましい。
なお、表２中の合金６〜８は、本発明範囲内の合金組成、すなわち実施例合金である。

【0032】

本実施形態のダイカスト用アルミニウム合金によれば、Ｃｕを０．０５重量％以上で且つ０．７０重量％以下の範囲内で含有させると共にＭｇを０．５０重量％超から１．０重量％以下の範囲内で含有させることができるので、リサイクル原料の使用が可能となるのに加え、伸びの低下を抑えつつ引張強さや０．２％耐力と言った機械的性質を向上させることができる。また、耐食性を悪化させる虞のあるＣｕの含有割合を上記範囲内に抑える一方で、耐食性改善効果のあるＣｒを０．１０重量％以上で且つ０．４０重量％以下含有するようにしているので、ダイカスト用アルミニウム合金の耐食性の悪化を防止することができる。

【図1】

【図2】