特開 2023-167781 結晶粒微細化剤及びその製造方法

(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】P2023167781

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】結晶粒微細化剤及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 1/10 20230101AFI20231116BHJP

   C22C 32/00 20060101ALN20231116BHJP

【ＦＩ】

C22C1/10 G

C22C32/00 T

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022079240

(22)【出願日】2022-05-13

(71)【出願人】

【識別番号】304021277

【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 義見

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 尚

(72)【発明者】

【氏名】成田 麻未

(72)【発明者】

【氏名】玉川 晴基

【テーマコード（参考）】

4K020

【Ｆターム（参考）】

4K020AA22

4K020AA27

4K020AC01

4K020BB22

(57)【要約】

【課題】リサイクル材を金属母材とした結晶粒微細化剤の製造方法と、添加時に合金組成の変動がない結晶粒微細化剤を提供すること。
【解決手段】リサイクル材と異質核粒子を巨大ひずみ加工により固化して結晶粒微細化剤を製造する方法であり、リサイクル材は機械加工により発生した切削屑などである。結晶粒微細化剤は、微細化させる合金（超々ジュラルミン）と同一組成の母材金属（超々ジュラルミン）と異質核粒子（ＴｉＣ粒子）とを含む。異質核粒子は、母材金属よりも高い融点を有し、かつ、所定の式で表されるパラメータＭが１０×１０^－３以下である。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材金属の中に少なくとも一種類以上の異質核粒子を含み、その母材金属がリサイクル材であることを特徴とする結晶粒微細化剤。

【請求項2】

前記リサイクル材として、機械加工により発生する切削屑を利用することを特徴とする請求項１に記載の結晶粒微細化剤。

【請求項3】

前記リサイクル材として、機械加工により発生するアルミニウム合金切削屑を利用することを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金用の結晶粒微細化剤。

【請求項4】

前記リサイクル材として、機械加工により発生する超々ジュラルミン合金切削屑を利用することを特徴とする請求項３に記載の超々ジュラルミン合金用の結晶粒微細化剤。

【請求項5】

母材金属の中に少なくとも一種類以上の異質核粒子を含み、その母材金属がリサイクル材であることを特徴とする結晶粒微細化剤であり、前記異質核粒子は、前記母材金属よりも高い融点を有し、かつ、式（１）で表されるパラメータＭが１０×１０^－３以下である結晶粒微細化剤。

【数1】

（式中、ε_ｘ及びε_ｙはそれぞれ異質核相の格子と凝固相の格子の各々で直交する主軸ｘ及びｙに沿った主軸ひずみであり、ε_ｘ及びε_ｙは以下の式（２）及び式（３）で算出される。）

【数2】

【数3】

（式中、ｘ^ｉ、ｙ^ｉ及びｘ^ｊ、ｙ^ｊはそれぞれ物質ｉ及び物質ｊの主軸ひずみ方向であり、ａ_ｉ及びａ_ｊはそれぞれ物質ｉ及び物質ｊの格子定数である。）

【請求項6】

前記異質核粒子は、ＴｉＣ、Ａｌ_３ＴｉおよびＴｉＢ_２から選択される１種又は複数種の化合物粒子である、請求項１～４のいずれか１項に記載の結晶粒微細化剤。

【請求項7】

前記異質核粒子は、ＴｉＣ粒子である、請求項６に記載の結晶粒微細化剤。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の結晶粒微細化剤の製造方法であって、リサイクル材を巨大ひずみ加工により加熱すること無く固化することを特徴とする結晶粒微細化剤の製造方法。

【請求項9】

前記巨大ひずみ加工が圧縮ねじり加工であることを特徴とする請求項８に記載の結晶粒微細化剤の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リサイクルに有効な鋳造アルミニウム用材料及び結晶粒微細化剤及びそれらの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般にリサイクルは３種類に分類され、それらはクローズド・リサイクル、カスケード・リサイクル及びサーマル・リサイクルと呼ばれる。クローズド・リサイクルとはスクラップを厳密に分別・回収し、それらを合金毎に再利用することで、成分の変化が少なく再生地金を得るリサイクル法である。アルミニウムでは、アルミ缶のｃａｎ ｔｏ ｃａｎリサイクルが代表される。このリサイクル方法では、比較的高品質な再生地金を得ることができるが、アルミ缶のように特定の合金を特別に回収し分別する必要があるため、その他工業製品に適用される例は少ない（非特許文献１）。

【0003】

カスケード・リサイクルは、異種合金の混在などにより一定の品質低下を認めつつ、再生地金を得る方法である。現在アルミニウムのリサイクルで主に用いられている方法は、このカスケード・リサイクルである。クローズド・リサイクルに比べ品質低下が大きいため、このカスケード・リサイクルによって得られた二次地金は強度などが低く、食器などの強度があまり求められない材料として利用される。そのため、輸送用機器のボディ材などの高強度、高品質が求められる部材には適用できず、これがアルミニウムのリサイクル率を低下させる主な要因となっている。３番目のサーマル・リサイクルは、廃材の燃焼時に得られる熱エネルギーを回収する手法であり、主にプラスチックなどのリサイクルに用いられている。

【0004】

アルミニウムのリサイクル技術として、様々な手法が報告されているが、再溶解リサイクル過程での不純物の除去法と、スクラップの再溶解を経ない再生法（非特許文献２）に大別できる。中でも再溶解を経ない、巨大ひずみ加工を用いたスクラップの固化成形技術は、不純物の混入が少なく、また省エネルギーで再生できるため、新たなリサイクル技術として期待されている。ここで、巨大ひずみ加工とは、変形を加えても試料形状が変化しない形状不変変形を主に利用した加工法であり、繰り返し加工が可能であるため大量の塑性ひずみが導入できる。しかしながら、巨大ひずみ加工法では、通常非常に大きな圧力が必要であり、一度の加工で得られる二次地金の量は乏しい。少量だが高品質、高強度を求められる部材には適用できるが、サイズの大きな部材の地金を得ることができない。

【0005】

例えば、超高強度を有する２０００系や７０００系アルミニウム合金、特に超ジュラルミンや超々ジュラルミンといったアルミニウム合金の中で最も強度の高い合金は、一体削り出し加工を用いることが多いため、この得られる二次地金が小さいという問題は致命的である。ここで、超ジュラルミンは銅を３．８～４．９％、マグネシウムを１．２～１．８％含有したＪＩＳ記号でＡ２０２４にて表されるアルミニウム合金で、航空機材料などに用いられている。また、超々ジュラルミンは亜鉛を５．５％、マグネシウムを２．５％、銅を１．６％含有したＪＩＳ記号でＡ７０７５にて表されるアルミニウム合金で、航空機やスキーなどのスポーツ用品に使われている。そのため、未だに再溶解を経るリサイクル過程が一般に行われており、その過程で得られる二次地金の品質向上も求められている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】高杉篤美：軽金属 第５９巻 第２号（２００９），８７

【非特許文献2】千野靖正、馬渕守：軽金属 第５７巻 第６号（２００７），２５０

【非特許文献3】加藤雅治：鉄と鋼 第７８巻 第２号 （１９９２），２０９

【非特許文献4】森中真行：鋳造工学 第８５巻 第８号 （２０１３），５０８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

超々ジュラルミンに代表される高強度アルミニウム合金は、非常に合金成分に敏感な合金であり、少量の不純物や異種合金の混入で強度が大きく低下してしまう。また、一体削り出し加工による成形が用いられることが多く、地金のうちの多くが切削屑などのスクラップとして排出される。そのスクラップを再生するとき、通常の再溶解リサイクル過程では、不純物の混入が避けられないため、大きく劣化した廉価な二次地金しか得ることができない。

【0008】

本発明は、超ジュラルミンや超々ジュラルミンをはじめとしたアルミニウム合金のリサイクル技術に関する。超ジュラルミンや超々ジュラルミンをはじめとしたアルミニウム合金の切削屑を用いることにより、母相が添加される合金と同一組成の結晶粒微細化剤製造法を提供し、添加により合金成分が変化しない結晶粒微細化剤を提供する。アルミニウム及びアルミニウム合金を溶融プロセスに供する際、溶湯中に凝固の異質核サイトとなる微細粒子を投入すると溶湯中の核生成サイト数が増加し、凝固組織の等軸晶化、微細化及び均質化が達成できるが、結晶粒微細化剤とは、この異質核サイトとなる微細粒子（異質核粒子）を含む合金であり、鋳造アルミニウム合金のみならず、展伸アルミニウム合金の溶解時にも添加されている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一の態様である結晶粒微細化剤は、アルミニウム合金の溶融プロセス時に用いられる。結晶粒微細化剤は、母材合金と異質核粒子とを含む。母材合金は、アルミニウム合金である。異質核粒子は、母材合金よりも高い融点を有し、かつ、式（１）で表されるパラメータＭが１２×１０^－３以下である。

【数1】

（式中、ε_ｘ及びε_ｙはそれぞれ異質核相の格子と凝固相の格子の各々で直交する主軸ｘ及びｙに沿った主軸ひずみであり、ε_ｘ及びε_ｙは以下の式（２）及び式（３）で算出される。）

【数2】

【数3】

（式中、ｘ^ｉ、ｙ^ｉ及びｘ^ｊ、ｙ^ｊはそれぞれ物質ｉ及び物質ｊの主軸ひずみ方向であり、ａ_ｉ及びａ_ｊはそれぞれ物質ｉ及び物質ｊの格子定数である。）

【0010】

上記結晶粒微細化剤において、母材合金に対する異質核粒子の体積率は、２０％以下であってもよい。

【0011】

また、母材合金はアルミニウム合金であってもよい。

【0012】

また、母材合金は、ジュラルミン、超ジュラルミン、超々超ジュラルミンであってもよい。

【0013】

また、異質核粒子は、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、Ａｌ_３Ｔｉ及び第三元素Ｍｅを添加して結晶構造をＬ１_２化した（Ａｌ_１－ｘＭｅ_ｘ）_３Ｔｉから選択される１種又は複数種の化合物粒子であってもよい。

【0014】

また、異質核粒子は、ＴｉＣ粒子であっても特によい。

【0015】

本発明の他の態様である結晶粒微細化剤の製造方法は、廃材であるスクラップを巨大ひずみ加工にて固化成形する技術を用い、固化成形過程で異質核粒子を添加することによって、母相が鋳造する合金と同一組成の結晶粒微細化剤を製造する手法である。

【発明の効果】

【0016】

本発明の結晶粒微細化剤を用いて鋳造を行えば、結晶粒の等軸晶化、微細化及び均質化が達成でき、鋳造材の強度を高めることができる。また、この結晶粒微細化剤を用いることで、添加による成分変動なく、結晶粒の等軸晶化、微細化及び均質化した鋳造材が得られ、高強度の鋳造材の製造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】重力鋳造法による結晶粒微細化剤添加の手法を示す模式図である．

【図2】圧縮ねじり加工を示す模式図である。

【図3】統合型熱力学計算ソフトウェアにより計算した（Ａｌ－５．８％Ｚｎ－２．６％Ｍｇ－０．２ｍａｓｓ％Ｃｒ）－Ｃｕ擬二元系状態図である。

【図4】使用した超々ジュラルミン切削屑の写真である。

【図5】超々ジュラルミン切削屑により成形したプリフォームとＴｉＣ粒子からなる予備成形体の模式図である。

【図6】ＴｉＣ粒子を５体積分率含有させて製造した結晶粒微細化剤の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【図7】ＴｉＣ粒子を２０体積分率含有させて製造した結晶粒微細化剤の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【図8】（ａ）結晶粒微細化剤を添加せずに鋳造を行った試料の組織を示す図である。（ｂ）１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を１ｇ添加して鋳造を行った試料の組織を示す図である。（ｃ）１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を２ｇ添加して鋳造を行った試料の組織を示す図である。（ｄ）１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を３ｇ添加して鋳造を行った試料の組織を示す図である。（ｅ）１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を４ｇ添加して鋳造を行った試料の組織を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の結晶粒微細化剤は、例えば、鋳造用アルミニウム合金及び展伸用アルミニウム合金による添加剤として用いられ、母相合金と異質核粒子とを含む。母材合金は、アルミニウム合金である。異質核粒子は、母材合金よりも高い融点を有し、かつ、後述する式（１）で表されるパラメータＭが１０×１０^－３以下である。

【0019】

本発明において、異質核生成理論に基づき、添加される合金よりも高い融点を有し、かつ、微細化する合金の初晶となる相に対して原子配列の整合性の良い異質核粒子を予め混合した結晶粒微細化剤を提供する。

【0020】

合金の鋳造をこの結晶粒微細化剤を添加して行うと、結晶粒微細化剤の母材合金が溶融し、その後の冷却過程で凝固する際に異質核粒子が結晶成長の核として働くことになる。また、結晶粒微細化剤の母材合金の組成と溶解鋳造する合金の組成は等しいため、添加により合金成分の変動はない。かつ、溶融した母材合金に対して濡れ性が良好な場合、異質核粒子のサイズや分布を最適化することで、同一条件において鋳造した場合と比較し、様々な場所における均一な凝固が促進される。これにより、内部欠陥の少ない鋳造材を製造することができ、粗大かつ不均一な内部組織の発達を抑制することができる。

【0021】

上述した本発明の効果を発揮する異質核粒子を選定、評価する指標として、弾性ひずみに近似的に比例するパラメータＭ（非特許文献３）がある。パラメータＭは、以下の式（１）で算出され、この値が小さいほど核生成に必要なエネルギーが小さくなるため、有効な異質核として働くとみなされている。

【数4】

式中、ε_ｘ及びε_ｙは、それぞれ異質核相の格子と凝固相の格子の各々で直交する主軸ｘ及びｙに沿った主軸ひずみである。

【0022】

また、ε_ｘ及びε_ｙは、以下の式（２）及び式（３）で算出される。

【数5】

【数6】

式中、ｘ^ｉ、ｙ^ｉ及びｘ^ｊ、ｙ^ｊは、それぞれ物質ｉ及び物質ｊの主軸ひずみ方向である。また、ａ_ｉ及びａ_ｊは、それぞれ物質ｉ及び物質ｊの格子定数である。

【0023】

パラメータＭは、低指数面・方位だけでなく、すべての結晶方位関係に対して考慮することができる。また、パラメータＭは異相界面に導入されるミスフィットひずみによる弾性ひずみエネルギーに近似的に比例することから、物理的意味合いをもつパラメータとなる。

【0024】

本発明では、融点とパラメータＭで表される原子配列の整合性評価パラメータとの２種類の要素に基づいて、母材金属に対する有効な異質凝固核となる異質核粒子を選定し、これを母材金属に混合した結晶粒微細化剤を提供する。この際、母材合金の初晶であるα―アルミニウムに対して、高い融点を有し、かつ、パラメータＭが１０×１０^－３以下となる物質を異質核として選定する。

【0025】

母材金属と異質核の界面における結晶方位関係は無数に考え得るが、本発明では、例えば、このうち低指数面を考慮し、その中で値が最小のものを母材金属に対するその物質のパラメータＭとすることができる。

【0026】

結晶粒微細化剤において、母材合金に対する異質核粒子の体積分率は、１０％以上であることが好ましく、望むらくは２０％であることが好ましい。この場合には、溶湯合金に結晶粒微細化剤を１体積分率添加した場合、溶湯合金中には０．２体積分率の異質核粒子が存在することになり、この異質核粒子が鋳造合金の結晶成長の核として有効に働く。すなわち、微細化剤全体を１００体積％とした場合に、異質核粒子が１０体積％以上であることが好ましい。この場合には、溶湯合金に結晶粒微細化剤を１体積分率添加した場合、溶湯合金中には０．１体積分率の異質核粒子が存在することになり、この異質核粒子が鋳造合金の結晶成長の核として有効に働く。体積分率を高めることにより、添加量を少なくすることが達成でき、例えば母材合金に対する異質核粒子の体積分率が２０％の場合、母材合金に対する異質核粒子の体積分率が１０％の微細化剤の１／２の量の添加で同等の微細化能を発現することになる。

【0027】

結晶粒微細化剤製造過程の母材合金は、どのような形態であってもよく、例えば、切削屑状であってもよいし、破砕粉などの粉末状であってもよい。したがって、巨大ひずみ加工による固化が可能であれば、母材合金はどのような形態であってもよい。
また、母材金属はリサイクル材として提供されるため、粉末化する必要が無く、省エネルギーかつ安価に入手できる。

【0028】

母材合金を構成する材料であるアルミニウム合金としては、例えば、ジュラルミン、超ジュラルミン、超々ジュラルミン、１０００系合金、２０００系合金、３０００系合金、４０００系合金、５０００系合金、６０００系合金、７０００系合金及び８０００系合金の他、ＡＣ１Ａ、ＡＣ１Ｂ、ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ５Ａなどの鋳造合金、ＡＤＣ１、ＡＤＣ３、ＡＤＣ１２などのダイカスト合金などを用いることができる。

【0029】

異質核粒子としては、母材合金（アルミニウム合金）よりも高い融点を有し、かつ、パラメータＭが１０×１０^－３以下である物質を用いることができる。このような物質としては、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、Ａｌ_３Ｔｉ及び第三元素Ｍｅを添加して結晶構造をＬ１_２化した（Ａｌ_１－ｘＭｅ_ｘ）_３Ｔｉから選択される１種又は複数種の化合物粒子を用いることができる。この中でも、パラメータＭが小さく、母相金属との整合性が高いという点からＴｉＣ粒子が好ましい。

【0030】

異質核粒子は、上述したように、１種又は複数種の物質で構成することができる。また、異質核粒子は、異質核粒子による効果を十分に発揮するために、結晶粒微細化剤製造過程において母材合金中に均一に分布するように製造されることが好ましい。

【0031】

結晶粒微細化剤には、上述した本発明の効果を十分に発揮できる程度であれば、母材合金及び異質核粒子以外の材料、例えば、鋳造アルミニウム合金のＳｉ粒子の形状変化や微細化を目的として用いられているＳｒやＮａなど（非特許文献４）が含まれていてもよい。

【0032】

上述した結晶粒微細化剤を用いた鋳造方法は、通常の重力鋳造法の他、ダイキャスト法、連続鋳造法、遠心鋳造法、低圧鋳造法、フルモールド法、ロストワックス法、シェルモールド法、鋳ぐるみ鋳造法などの特殊鋳造にも用いることができる。また、巨大ひずみ加工として、圧縮ねじり変形、高圧ねじり変形、繰返し押出し加工、多軸鍛造法、繰返し重ね圧延法など、非バルク状材料の固化が可能な手法ならば何れを用いても構わない。

【0033】

鋳造方法の一例として、図１に基づいて、重力鋳造法による結晶粒微細化剤添加の手法の説明を行う。まず、図１（ａ）に示すように電気炉１にるつぼ２を配し、その中にアルミニウム合金インゴット３を充填する。そして、発熱体に通電することにより加熱し、アルミニウム合金インゴット３を溶融する。この時の温度を熱電対４にて計測すると同時に、アルゴンガス５により酸化を防ぐ。その後、結晶粒微細化剤６をアルミニウム合金溶湯７に添加し、熱電対４にて撹拌する（図１（ｂ））。この様にして得られた溶湯を耐熱レンガ８の上に置かれた鋳型９に注入し、鋳造を行う。

【0034】

巨大ひずみ加工の一例として、図２に基づいて、圧縮ねじり変形の説明を行う。上下のダイス１０の間に試料１１を挿入し、圧縮負荷１２の印加と同時に、互いに逆回転となるねじり負荷１３の印加を行う。上下のダイス１０には、ねじり負荷の伝達が効率よく達成できるよう、１ｍｍの凹凸を設けてある。

【0035】

（実施例）
以下、本発明について実施例により説明する。
ここでは、結晶粒微細化剤の母相を構成する母材金属として、７０００系アルミニウム合金である超々ジュラルミンを用いる。母材金属に選定した超々ジュラルミンは、航空機やスキーなどのスポーツ用品の材料として用いられる重要な合金である。航空機部品を製造する場合、通常は大きなバルク材より機械加工により削り出して製造する。超々ジュラルミンを選定した理由は、この時に発生する切削屑を利用することを目的としたためであり、本発明の域を脱しない限り、如何なる合金を使用しても問題ない。

【0036】

超々ジュラルミンは、Ａｌ－５．５％Ｚｎ－２．５％Ｍｇ－１．６％Ｃｕの化学組成を有する。超々ジュラルミン、図３に示すように、統合型熱力学計算ソフトウェアＴｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃの構成元素がアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、銅およびクロムであるとして作成した（Ａｌ－５．５％Ｚｎ－２．５％Ｍｇ－０．２ｍａｓｓ％Ｃｒ）－Ｃｕ擬二元系状態図によると、１．６％Ｃｕの組成では液相１４を冷却するとおよそ６８０℃にて液相の中にα－Ａｌ相が初晶として晶出し、液相＋α－Ａｌ相１５の状態になる。

【0037】

したがって、超々ジュラルミンを結晶粒微細化剤の母材金属すなわち微細化させたい合金として選択した場合、超々ジュラルミンに対して融点が高く、超々ジュラルミンの初晶α－Ａｌ相に対して原子配列の整合性が高い異物質を異質核物質として選定することができる。

【0038】

次に、結晶粒微細化剤を構成する異質核粒子を選定する。
表１に、幾つかの化合物（ＴｉＢ_２、ＴｉＣおよびＡｌ_３Ｔｉ）の融点および表記した方位関係における上述した式（１）、式（２）及び式（３）を用いて算出したパラメータＭを示す。なお、結晶格子の大きさは温度によって変化するため、室温（２０℃）におけるパラメータＭの値のみならず、アルミニウムの融点である６６０℃における値も併記している。

【0039】

【表1】

【0040】

ここで、パラメータＭによる評価について、例を挙げて説明する。例えば、面心立方格子（ｆｃｃ）を有する超々ジュラルミンの初晶α－Ａｌ相に対し、異質核としてＮａＣｌ構造を有するＴｉＣを考えた場合、それぞれの格子定数は、α－Ａｌ相が０．４０４９６ｎｍ、ＴｉＣが０．４３２９ｎｍである。

【0041】

凝固の際のα－Ａｌ相とＴｉＣの界面がそれぞれの（１００）面で平行となり、かつα－Ａｌ相の［０１１］方向とＴｉＣの［０１１］方向が平行となる結晶方位関係が成り立つことを考慮すると、上述の式（１）、式（２）及び式（３）からε_ｘ及びε_ｙは共に７．００×１０^－２となる。これにより、室温でのパラメータＭの値は１２．５×１０^－３となる。アルミニウム格子の温度依存性は

【数7】

によって得られ、ＴｉＣの線膨張係数が７．７６×１０^－６であるので、６６０℃における格子定数を求めることができ、これにより、６６０℃におけるパラメータＭの値、７．８９×１０^－３という値を得る。

【0042】

表１に示すように、結晶構造がＮａＣｌ構造を有するＴｉＣは、アルミニウム合金よりも融点が高く、６６０℃におけるパラメータＭが１０×１０^－３以下を示しているため、異質核として有効に働くものと考えられる。そこで、本実施例では異質核物質としてＴｉＣを選択した。

【0043】

次に、結晶粒微細化剤を作製する。
まず、母材金属である超々ジュラルミン切削屑と、異質核粒子として選定したＴｉＣ粒子とを準備する。

【0044】

超々ジュラルミン切削屑は、図４に示すものを選択した。超々ジュラルミン切削屑は、縦型マシニングセンターによるフライス加工によって発生した荒加工の切削屑で、超々ジュラルミンの鍛造素材を機械加工して製品加工する過程で発生したものである。なお、フライス加工とは、円筒形で複数の刃が付いたエンドミルとよばれる切削工具を高速に回転させ、工作物を切削する金属加工方法の一つである。ＴｉＣ粒子は、粒径が２～５μｍのものを選択した。ＴｉＣ粒子は多角形の粒子である。

【0045】

そして、超々ジュラルミン切削屑を圧縮試験機にて直径４０ｍｍ、厚さ約２ｍｍの大きさになるよう２００ＭＰａの圧力を印加して圧縮し、プリフォームを作製した。図５に示すように、プリフォーム１６でＴｉＣ粒子１７を挟み、予備成形体とした。結晶粒微細化剤は異質核粒子であるＴｉＣが５体積分率、１０体積分率および２０体積分率となるように作製した。切削屑を圧縮して作製したプリフォームの枚数は、超々ジュラルミンの重量によって増減させている。製造した結晶粒微細化剤を表２にまとめる。

【0046】

【表2】

【0047】

この予備成形体を、図２に示した圧縮ねじり加工機に設置し、圧縮ねじり加工を施した。この時の加工条件は印加圧力１００ＭＰａ、回転回数５０回転および回転速度５．０ｒｐｍである。加工開始温度は室温である。

【0048】

図６に、ＴｉＣ粒子を５体積分率含有させて製造した結晶粒微細化剤の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。同図から、母材金属である超々ジュラルミン１８の中に、異質核物質であるＴｉＣ粒子１９が埋め込まれている結晶粒微細化剤を観察することができる。切削屑により成形した結晶粒微細化剤の形状や寸法は次のようであった。円筒形状であり、その直径は４０ｍｍで高さは約１４ｍｍである。
また、図６において厚さ方向とは、圧縮ねじり加工における圧縮方向であり、径方向とは、圧縮ねじり加工におけるねじり回転面に対する径のことである。そして、厚さ方向下部とは、鉛直方向に印加する圧縮方向において重力方向の下の部分、中央部とは、圧縮軸方向に対する中央の部分、厚さ方向上部とは、圧縮方向において重力方向とは逆の部分のことである。そして、径方向については、ねじりを最大に受ける位置が径方向外周部であり、ねじり回転軸部分が径方向中央部であり、径方向外周部と径方向中央部の中間の部分が径方向中間部である。試料形状が直径の４０ｍｍの円筒の場合、中心からの距離が０ｍｍの部分が径方向中央部、中心からの距離が２０ｍｍの部分が径方向外周部、中心からの距離が１０ｍｍの部分が径方向中間部となる。

【0049】

同様に、ＴｉＣ粒子を２０体積分率含有させて製造した結晶粒微細化剤の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図７に示す。同図から、母材金属である超々ジュラルミン２０の中に、異質核物質であるＴｉＣ粒子２１が埋め込まれている結晶粒微細化剤を観察することができる。さらに、ＴｉＣ粒子を５体積分率含有させて製造した結晶粒微細化剤と比べて、より多くのＴｉＣ粒子が製造した結晶粒微細化剤内に確認される。この様に、切削屑により成形したプリフォームと異質核粒子からなる予備成形体における異質核粒子の含有量を変化させることにより、異なる体積分率の異質核粒子を有する結晶粒微細化剤の製造に成功した。

【0050】

次に、この結晶粒微細化剤を用いて超々ジュラルミンの鋳造を行い、製造した結晶粒微細化剤の評価を行う。
上述した図１に示した一連の鋳造法により、製造した結晶粒微細化剤の添加及び無添加による鋳造実験を行い、各種評価を行う。これにより、本発明のリサイクルにより発生した金属を母材とした結晶粒微細化剤の有用性について示す。

【0051】

鋳造実験手順として、るつぼ２に微細化剤の母相と同一組成のアルミニウム合金インゴット３を入れ、電気炉１を用いてアルゴンガス５雰囲気下で７５０℃まで昇温した。７５０℃で３００秒保持した後、アルミニウム合金溶湯７に製造した結晶粒微細化剤６を投入後、熱電対４にて攪拌を３０秒間実施した。この攪拌は、結晶粒微細化剤６を添加していないアルミニウム合金インゴット３のみを溶解したときのアルミニウム合金溶湯７にも施している。その後、速やかに鉄鋼製の鋳型９に注湯し、十分に空冷した後に鋳型９から試料を取り出した。表３はそれぞれの鋳造材の造塊と微細化剤の重量を示す。結晶粒微細化剤６としては、製造した何れの結晶粒微細化剤でも何ら問題ないが、本実施例では１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた実施例のみにて説明する。

【0052】

【表3】

【0053】

図８（ａ）に結晶粒微細化剤を添加せずに鋳造を行った試料、図８（ｂ）に１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を１ｇ添加して鋳造を行った試料、図８（ｃ）に１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を２ｇ添加して鋳造を行った試料、図８（ｄ）に１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を３ｇ添加して鋳造を行った試料および図８（ｅ）に１０体積分率のＴｉＣ粒子を含有させた結晶粒微細化剤を４ｇ添加して鋳造を行った試料のマクロ写真を示す。添加せずに鋳造した試料に比べ、本発明で得られた結晶粒微細化剤を添加することにより、結晶粒が細かくなっていることが分かる。

【0054】

上述した図８の組織写真より、切片法により平均結晶粒径を算出し、その結果を表４に示す。結晶粒微細化剤を添加した鋳造材の平均結晶粒径は、結晶粒微細化剤を添加していないものと比較して、約４分の１にまで微細化されていた。この結果から、製造した結晶粒微細化剤は高い微細化能を有することが確認できた。また、結晶粒微細化剤を１ｇ添加した試料と４ｇ添加した試料を比較しても、結晶粒径に有意な差は見られなかった。このことより、本発明で得られた結晶粒微細化剤は、少量の添加でも十分な微細化能を有することが見いだされた。このことから、切削屑を用いて圧縮ねじり加工法により製造した結晶粒微細化剤は、他の作製法で作製した結晶粒微細化剤に比べ、鋳造時に少量の添加でも最大の微細化能を得ることができ、資源を節約できる。

【0055】

【表4】

【0056】

また、上述した実施例では、異質核粒子としてＴｉＣ粒子を用いたが、表１に示したようにパラメータＭが１０×１０^－３以下であるＡｌ_３Ｔｉ粒子や１０×１０^－３程度であるＴｉＢ_２粒子を用いた場合であっても、同様の結果が得られるものと考えられる。また、結晶粒微細化剤の母材金属すなわち鋳造材として超々ジュラルミンを用いたが、例えば、超ジュラルミンやジュラルミンを用いた場合であっても、同様の異質核粒子（ＴｉＣ、Ａｌ_３Ｔｉ粒子、ＴｉＢ_２粒子）を用いることができ、同様の結果が得られるものと考えられる。また、結晶粒微細化剤の母材金属すなわち鋳造材として他のアルミニウム合金を用いることもできる。

【0057】

本発明は、上記実施形態（実施例）に何ら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。例えば、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換などしてもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

【符号の説明】

【0058】

１…電気炉、２…るつぼ、３…アルミニウム合金インゴット、４…熱電対、５…アルゴンガス、６…結晶粒微細化剤、７…アルミニウム合金溶湯、８…耐熱レンガ、９…鋳型、１０…１ｍｍの凹凸を設けたダイス、１１…試料、１２…圧縮負荷、１３…互いに逆回転となるねじり負荷、１４…液相、１５…液相＋α－Ａｌ相、１６…（切削屑により成形した）プリフォーム、１７…ＴｉＣ粒子、１８…超々ジュラルミン母相、１９…ＴｉＣ異質核粒子、２０…超々ジュラルミン母相、２１…ＴｉＣ異質核粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】