ホーム > 特許ランキング > ＭＫＮアルミニウム株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022131546
(43)【公開日】2022-09-07
(54)【発明の名称】アルミニウム合金鋳塊及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 21/10 20060101AFI20220831BHJP
C22F 1/053 20060101ALI20220831BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20220831BHJP
【ＦＩ】
C22C21/10
C22F1/053
C22F1/00 611
C22F1/00 624
C22F1/00 630A
C22F1/00 630C
C22F1/00 630K
C22F1/00 630J
C22F1/00 631B
C22F1/00 682
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/00 602
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021030545
(22)【出願日】2021-02-26
(71)【出願人】
【識別番号】521115476
【氏名又は名称】ＭＫＮアルミニウム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002136
【氏名又は名称】特許業務法人たかはし国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小池 敦
(72)【発明者】
【氏名】珠坪 雅雄
(72)【発明者】
【氏名】池田 拓
(57)【要約】
【課題】厚みが必要とされる用途に使用されるアルミニウム合金鋳塊において、その中心部の強度と伸度に優れたアルミニウム合金鋳塊を提供する
【解決手段】厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊であって、前記アルミニウム合金が、Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記アルミニウム合金鋳塊の中心部の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ2以上、伸びが５％以上である、アルミニウム合金鋳塊。
【選択図】なし
【解決手段】厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊であって、前記アルミニウム合金が、Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記アルミニウム合金鋳塊の中心部の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ2以上、伸びが５％以上である、アルミニウム合金鋳塊。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊であって、前記アルミニウム合金が、Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記アルミニウム合金鋳塊の中心部の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ2以上、伸びが５％以上である、アルミニウム合金鋳塊。
【請求項2】
前記Ｍｇの含有量が１．５～１．８質量％である請求項１記載のアルミニウム合金鋳塊。
【請求項3】
前記Ｃｕの含有量が１．０～１．７質量％である請求項１又は請求項２に記載のアルミニウム合金鋳塊。
【請求項4】
Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミ合金溶湯を鋳造し、厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊とする鋳造工程、前記アルミニウム合金鋳塊を、４７０～４８０℃で２～２４時間、溶体化させる溶体化処理工程、前記溶体化処理後に、１０５～１１５℃で０～２４時間、時効処理を行う時効処理工程、を含むアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
【請求項5】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金鋳塊からなる金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、樹脂成型用の金型等に使用されるアルミニウム合金鋳塊、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
アルミニウム合金鋳塊は、切削加工等を行い、樹脂の射出成型に使用される金型等の製造に利用される。特に、高圧の射出成型用の金型は、厚みのあるアルミニウム合金鋳塊が必要とされる。また、圧延、押出、鍛造などの塑性加工用としても、厚みのあるアルミニウム合金鋳塊が必要とされている。
【0003】
例えば、特許文献１には、金型用の厚みのあるアルミニウム合金鋳塊のブロックが記載されている。また、特許文献２には、塑性加工用の厚みのあるアルミニウム合金鋳塊が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表２０１４―５０５７８６号公報
【特許文献2】特開２０１０－１７９３６３号公報
【発明の概要】
【0005】
アルミニウム合金鋳塊は、厚さが厚くなると、アルミニウム合金鋳塊の製造課程で鋳塊の表面と中心部の冷却速度の差により構造が不均一となり、鋳塊の中心部において強度等が不足しやすい。
【0006】
特許文献１には、特定組成のアルミニウム合金を溶体化処理する、厚みのあるアルミニウム合金鋳塊が記載されているが、特許文献１に記載のアルミニウム合金の組成では、鋳塊の中心部の強度が不十分となる。
【0007】
また、特許文献２に記載のアルミニウム合金鋳塊は、電磁攪拌等により結晶粒径を微細化しているが、鋳塊の中心部の強度が不十分となる。
【0008】
本願発明は、厚みが必要とされる用途に使用されるアルミニウム合金鋳塊において、その中心部の強度と伸度に優れたアルミニウム合金鋳塊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】
【0009】
本発明の第１の要旨は、厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊であって、前記アルミニウム合金鋳塊が、Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記アルミニウムニウム合金鋳塊の、中心部の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ2以上、伸びが５％以上である、アルミニウムニウム合金鋳塊にある。
【0010】
本発明の第２の要旨は、Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミ溶湯を鋳造し、厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊とする鋳造工程、前記アルミニウム合金鋳塊を、４７０～４８０℃で２～２４時間、溶体化させる溶体化処理工程、前記溶体化処理後に、１０５～１１５℃で０～２４時間、時効処理を行う時効処理工程、を含むアルミニウム合金鋳塊の製造方法にある。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、厚みが必要とされる用途に使用されるアルミニウム合金鋳塊において、その中心部において十分な強度と伸度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】引張強度、伸度を測定する試験片の切り出し位置を示した説明図である。
【図2】「ＪＩＳ１４Ａ号」の試験片を示した説明図である。
【図3】舟形形状のアルミニウム合金鋳塊を示した説明図である。
【図4】「ＡＳＴＭ」の試験片を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明のアルミニウム合金鋳塊は、直方体（長さＬ、幅Ｗ、厚さＴ）の形状のブロックである。本発明のアルミニウム合金鋳塊は、厚さが３００ｍｍ以上である。厚さが３００ｍｍ以上あることで、高圧射出成型用の金型等の、鋳塊の厚みが必要とされる用途に使用できる。
【0014】
本発明のアルミニウム合金鋳塊は、Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる。この組成を満足することで、溶体化処理工程での冷却速度が遅くても中心部の強度が高くなる。
【0015】
＜Ｚｎ＞
ＺｎはＭｇと共に存在することで機械的性質の向上に寄与する。
Ｚｎの含有量は、５．７～６．７質量％である。
ＺｎはＭｇと共に存在することで機械的性質の向上に寄与する。
Ｚｎの含有量は、５．７～６．７質量％である。
【0016】
＜Ｍｇ＞
ＭｇはＺｎと共に存在することで更なる機械的性質の向上に寄与する。
Ｍｇの含有量は、１．３～２．１質量％である。Ｍｇの含有量が１．３質量％未満では機械的性質が低くなり、２．１質量％を超えると焼入れ感受性が高くなり、また伸びが低下する。
前記Ｍｇの含有量の下限値は１．５質量％以上が好ましく、上限値は１．８質量％以下が好ましい。
ＭｇはＺｎと共に存在することで更なる機械的性質の向上に寄与する。
Ｍｇの含有量は、１．３～２．１質量％である。Ｍｇの含有量が１．３質量％未満では機械的性質が低くなり、２．１質量％を超えると焼入れ感受性が高くなり、また伸びが低下する。
前記Ｍｇの含有量の下限値は１．５質量％以上が好ましく、上限値は１．８質量％以下が好ましい。
【0017】
＜Ｃｕ＞
Ｃｕは機械的性質の向上に寄与する。Ｃｕの含有量は、０．５～２．４質量％である。
Ｃｕの含有量が０．５質量％未満では機械的性質が低くなり、２．４質量％を超えると焼入れ感受性が高くなり、また伸びが低下する。
前記Ｃｕの含有量の下限値は１．０質量％以上が好ましく、上限値は１．７質量％以下が好ましい。
なお下限値は１．６質量％以上とすることが、アルミニウム合金鋳塊の中心部と周辺部の物性の差が小さくなることから、より好ましい。
Ｃｕは機械的性質の向上に寄与する。Ｃｕの含有量は、０．５～２．４質量％である。
Ｃｕの含有量が０．５質量％未満では機械的性質が低くなり、２．４質量％を超えると焼入れ感受性が高くなり、また伸びが低下する。
前記Ｃｕの含有量の下限値は１．０質量％以上が好ましく、上限値は１．７質量％以下が好ましい。
なお下限値は１．６質量％以上とすることが、アルミニウム合金鋳塊の中心部と周辺部の物性の差が小さくなることから、より好ましい。
【0018】
＜残部＞
本発明のアルミニウム合金鋳塊の残部は、Ａｌ及び不可避不純物からなる。不可避不純物としては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ等が挙げられる。
靭性の観点からＳｉの含有量は０．１０質量％以下、好ましくは０．０８質量％以下、Ｆｅの含有量は０．１３質量％以下、好ましくは０．１１質量％以下である。また、焼入れ感受性の観点からＭｎ、Ｃｒの含有量は０．０４質量％以下、好ましくは０．０２質量％以下である。
本発明のアルミニウム合金鋳塊の残部は、Ａｌ及び不可避不純物からなる。不可避不純物としては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ等が挙げられる。
靭性の観点からＳｉの含有量は０．１０質量％以下、好ましくは０．０８質量％以下、Ｆｅの含有量は０．１３質量％以下、好ましくは０．１１質量％以下である。また、焼入れ感受性の観点からＭｎ、Ｃｒの含有量は０．０４質量％以下、好ましくは０．０２質量％以下である。
【0019】
＜引張強度、伸度＞
本発明のアルミニウム合金鋳塊の、中心部の引張強度は４００Ｎ／ｍｍ2以上、伸びは５％以上である。
中心部の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ2以上であれば、高圧射出成型等の強度が必要とされる金型用途に使用可能となり、伸びが５％以上であれば、金型の凸部に対する設計の自由度が増す（高さを高くできる、底部にＲが不要等）。
なお、前記引張強度、伸びは、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に準拠して測定を行った。試験片は、図１に示すように、鋳塊の中心から１５ｍｍの位置１から、図２に示す「ＪＩＳ１４Ａ号」の試験片を切り出し、測定を行った。
また、アルミニウム合金鋳塊の表面部と中心部の、引張強度、伸度の差が小さく、均質な構造が好ましい。なお、アルミニウム合金鋳塊の表面部の引張強度、伸びは、図１に示すアルミニウム合金鋳塊の表面から５５ｍｍの位置２から切り出したサンプルを用いて測定した値である。
本発明のアルミニウム合金鋳塊の、中心部の引張強度は４００Ｎ／ｍｍ2以上、伸びは５％以上である。
中心部の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ2以上であれば、高圧射出成型等の強度が必要とされる金型用途に使用可能となり、伸びが５％以上であれば、金型の凸部に対する設計の自由度が増す（高さを高くできる、底部にＲが不要等）。
なお、前記引張強度、伸びは、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に準拠して測定を行った。試験片は、図１に示すように、鋳塊の中心から１５ｍｍの位置１から、図２に示す「ＪＩＳ１４Ａ号」の試験片を切り出し、測定を行った。
また、アルミニウム合金鋳塊の表面部と中心部の、引張強度、伸度の差が小さく、均質な構造が好ましい。なお、アルミニウム合金鋳塊の表面部の引張強度、伸びは、図１に示すアルミニウム合金鋳塊の表面から５５ｍｍの位置２から切り出したサンプルを用いて測定した値である。
【0020】
＜硬度＞
本発明のアルミニウム合金鋳塊の、中心部のブリネル硬さは金型寿命の点から１２０以上が好ましい。
本発明のアルミニウム合金鋳塊の、中心部のブリネル硬さは金型寿命の点から１２０以上が好ましい。
【0021】
＜製造方法＞
本発明のアルミニウム合金鋳塊の製造方法は以下の工程を含む。
本発明のアルミニウム合金鋳塊の製造方法は以下の工程を含む。
【0022】
（鋳造工程）
Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミ溶湯を鋳造し、厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊とする。本発明のアルミニウム合金鋳塊は、この組成を満足することで、溶体化処理工程での冷却速度が遅くても中心部の強度が高くなる。
Ｚｎを５．７～６．７質量％、Ｍｇを１．３～２．１質量％、Ｃｕを０．５～２．４質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミ溶湯を鋳造し、厚さ３００ｍｍ以上のアルミニウム合金鋳塊とする。本発明のアルミニウム合金鋳塊は、この組成を満足することで、溶体化処理工程での冷却速度が遅くても中心部の強度が高くなる。
【0023】
鋳造は、フロート鋳造法やホットトップ鋳造法等のＤＣ鋳造（Direct Chill Casting）で脱ガス装置・フィルター（セラミックチューブフィルター）を使用する公知の条件下で行えばよい。
【0024】
（溶体化処理工程）
前記鋳造工程で得られたアルミニウム合金鋳塊を、圧延、鍛造等の塑性加工を行わず、前記アルミニウム合金鋳塊の溶体化処理を行う。
前記鋳造工程で得られたアルミニウム合金鋳塊を、圧延、鍛造等の塑性加工を行わず、前記アルミニウム合金鋳塊の溶体化処理を行う。
【0025】
溶体化処理は４７０～４８０℃で２～２４時間行う。溶体化処理の時間は、アルミニウム合金鋳塊の厚さ等、熱容量により選択するのが好ましい。アルミニウム合金鋳塊の厚さが厚いほど、溶体化処理時間を長くする。
【0026】
溶体化処理の昇温速度は、１１℃／ｍｉｎ未満が好ましい。溶体化処理後の冷却方法は、噴霧式・浸漬式等が挙げられ、アルミニウム合金鋳塊の目標とする引張強度等の機械的性質により選択するのが好ましい。
【0027】
（時効処理工程）
前記溶体化工程を行った後、アルミニウム合金鋳塊を再度加熱し、時効処理を行う。時効処理は１０５～１１５℃で０～２４時間行う。時効処理の時間は、アルミニウム合金鋳塊の目標とする引張強度等の機械的性質により選択するのが好ましい。時効処理時間が長いほど引張強度は低下し、伸びが大きくなる。
前記溶体化工程を行った後、アルミニウム合金鋳塊を再度加熱し、時効処理を行う。時効処理は１０５～１１５℃で０～２４時間行う。時効処理の時間は、アルミニウム合金鋳塊の目標とする引張強度等の機械的性質により選択するのが好ましい。時効処理時間が長いほど引張強度は低下し、伸びが大きくなる。
【0028】
＜金型＞
本発明のアルミニウム合金鋳塊は切削加工等を行い、射出成型等に使用される金型の製造に利用される。本発明の金型は中心部の引張強度、伸びに優れ、金型寿命が長く、高圧射出成型等の強度が必要とされる用途に使用できる。
本発明のアルミニウム合金鋳塊は切削加工等を行い、射出成型等に使用される金型の製造に利用される。本発明の金型は中心部の引張強度、伸びに優れ、金型寿命が長く、高圧射出成型等の強度が必要とされる用途に使用できる。
【実施例0029】
以下実施例により本発明を説明する。なお、本発明のアルミニウム合金鋳塊の評価は以下の方法によって行った。
【0030】
（引張強度・伸び）
引張強度、伸びは、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に準拠して測定を行った。
試験片は、図１に示すように、鋳塊の中心から１５ｍｍの位置１から、図２に示す「ＪＩＳ１４Ａ号」の試験片を切り出し、測定を行った。
引張強度、伸びは、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に準拠して測定を行った。
試験片は、図１に示すように、鋳塊の中心から１５ｍｍの位置１から、図２に示す「ＪＩＳ１４Ａ号」の試験片を切り出し、測定を行った。
【0031】
測定は、オートグラフＡＧ－１００ＫＮＸ(株式会社島津製作所)を用いて、耐力測定までの応力増加速度が２～２０ＭＰａ／ｓ、以降の試験速度０．００８ｓ-1以下の条件で実施した。
【0032】
なお、アルミニウム合金鋳塊の表面部の引張強度、伸びは、図１に示すアルミニウム合金鋳塊の表面から５５ｍｍの位置２から切り出したサンプルを用いて測定した値である。
【0033】
（硬度）
ブリネル硬さは、ＪＩＳＺ２２４４「ビッカース硬さ試験」に準拠して行った測定値をブリネル硬さに換算した。試験片は引張試験に供した試験片の一部を切り出し、測定を行った。測定は、ビッカース硬度計ＡＶＫ（株式会社アカシ）を用いて、室温で、規定の試験力に到達するまでの所要時間２～８ｓ、試験力の保持時間１０～１５ｓの条件で実施した。
ブリネル硬さは、ＪＩＳＺ２２４４「ビッカース硬さ試験」に準拠して行った測定値をブリネル硬さに換算した。試験片は引張試験に供した試験片の一部を切り出し、測定を行った。測定は、ビッカース硬度計ＡＶＫ（株式会社アカシ）を用いて、室温で、規定の試験力に到達するまでの所要時間２～８ｓ、試験力の保持時間１０～１５ｓの条件で実施した。
【0034】
（実施例１）
フロートを用いたＤＣ鋳造法で、表１に示す組成で、長さＬ：２６００ｍｍ、幅Ｗ：５１０ｍｍ、厚さＴ：３５０ｍｍのアルミニウム合金鋳塊を鋳造した。得られたアルミニウム合金鋳塊を、４７５℃で２４時間、溶体化処理を行った。
フロートを用いたＤＣ鋳造法で、表１に示す組成で、長さＬ：２６００ｍｍ、幅Ｗ：５１０ｍｍ、厚さＴ：３５０ｍｍのアルミニウム合金鋳塊を鋳造した。得られたアルミニウム合金鋳塊を、４７５℃で２４時間、溶体化処理を行った。
【0035】
溶体化処理後、噴霧式冷却装置を使用して室温に冷却した後、時効処理を行った。時効処理は１１０℃で２４時間行った。
得られたアルミニウム合金鋳塊の評価結果を表１に示す。
得られたアルミニウム合金鋳塊の評価結果を表１に示す。
【0036】
（比較例１）
表１に示す組成に変更した以外は、実施例１と同様の処理を行い、アルミニウム合金鋳塊を鋳造した。得られたアルミニウム合金鋳塊の評価結果を表１に示す。
表１に示す組成に変更した以外は、実施例１と同様の処理を行い、アルミニウム合金鋳塊を鋳造した。得られたアルミニウム合金鋳塊の評価結果を表１に示す。
【0037】
（実施例２、３、比較例２～８）
表１に示す組成で、実施例１と同様の方法で、図３に示す舟形形状のアルミニウム合金鋳塊を鋳造した。得られたアルミニウム合金鋳塊を、４７５℃で２時間、溶体化処理を行った。
表１に示す組成で、実施例１と同様の方法で、図３に示す舟形形状のアルミニウム合金鋳塊を鋳造した。得られたアルミニウム合金鋳塊を、４７５℃で２時間、溶体化処理を行った。
【0038】
加熱炉内で、冷却速度が０．１℃／Ｓで冷却をおこない（噴霧式冷却装置で３００ｍｍ以上の厚さのアルミニウム合金鋳塊を冷却したときの、中心部の冷却速度に相当）アルミニウム合金鋳塊中心部の引張強度・伸びの測定サンプルとした。なお、冷却速度が１．０℃／Ｓで空冷したものを、表面部の引張強度・伸びの測定サンプルとした。
【0039】
時効処理は実施例１と同様に実施した。得られたアルミニウム合金鋳塊の底部から、図４に示す「ＡＳＴＭ」の試験片を切り出し、引張強度、伸びの測定を行った。
【0040】
【表1】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
