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特開2024-110605鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及びその合金を用いた鋳物の製造方法
(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】P2024110605
(43)【公開日】2024-08-16
(54)【発明の名称】鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及びその合金を用いた鋳物の製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 21/02 20060101AFI20240808BHJP
C22C 21/00 20060101ALI20240808BHJP
B22D 11/06 20060101ALI20240808BHJP
【ＦＩ】
C22C21/02
C22C21/00 N
B22D11/06 360A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023015282
(22)【出願日】2023-02-03
(71)【出願人】
【識別番号】000004743
【氏名又は名称】日本軽金属株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001885
【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰＲコンサルタント
(72)【発明者】
【氏名】織田 和宏
(72)【発明者】
【氏名】望月 鉄矢
(72)【発明者】
【氏名】下村 眞美
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼買 瑞樹
(72)【発明者】
【氏名】鍋田 汐南
【テーマコード（参考）】
4E004
【Ｆターム（参考）】
4E004SD03
(57)【要約】
【課題】ダイカスト法と比較して鋳造速度が遅く、過冷却状態を起こしにくい重力鋳造等を用いた場合であっても、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制される過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及びＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制された過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の簡便かつ効率的な製造方法を提供する。
【解決手段】Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％、Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％、ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％、を含有し、不可避不純物としてのＰが１５ｐｐｍ以下に規制されていること、を特徴とする鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
【選択図】なし
【解決手段】Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％、Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％、ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％、を含有し、不可避不純物としてのＰが１５ｐｐｍ以下に規制されていること、を特徴とする鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％、
Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％、
ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％、を含有し、
不可避不純物としてのＰが１５ｐｐｍ以下に規制されていること、
を特徴とする鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％、
ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％、を含有し、
不可避不純物としてのＰが１５ｐｐｍ以下に規制されていること、
を特徴とする鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
【請求項2】
Ｍｎ：０．５～１．０ｗｔ％を含有し、
残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有すること、
を特徴とする請求項１に記載の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有すること、
を特徴とする請求項１に記載の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
【請求項3】
初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高いこと、
を特徴とする請求項１又は２に記載の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
を特徴とする請求項１又は２に記載の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金。
【請求項4】
請求項１に記載の組成を有するアルミニウム溶湯を用いた過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法であって、
前記アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加し、
前記ＡｌＰ化合物の添加に起因する前記過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすること、
を特徴とする過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法。
前記アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加し、
前記ＡｌＰ化合物の添加に起因する前記過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすること、
を特徴とする過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法。
【請求項5】
前記アルミニウム溶湯に前記ＡｌＰ化合物を含むＡｌ－Ｐ合金リボンを添加すること、
を特徴とする請求項４に記載の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法。
を特徴とする請求項４に記載の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物に関するものである。
【背景技術】
【0002】
Ａｌ－Ｓｉ系合金は優れた鋳造性と機械的性質を有していることから、鋳物用合金として幅広く用いられている。しかしながら、Ａｌには不可避不純物としてＦｅが混入しやすく、原料におけるスクラップ材の割合が高くなるとその影響が顕著になる。
【0003】
特に、環境保護の観点から、近年では再生地金から製造されるアルミニウム合金鋳物が増加しているところ、再生地金から製造されるＡｌ－Ｓｉ系合金鋳物には不純物としてＦｅが混入されやすく、Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質に及ぼすＦｅの影響が問題となっている。
【0004】
ＦｅはＡｌ合金のヤング率等の機械的性質を向上させる作用や、金型の焼き付きを防止する作用を有しているが、Ａｌ－Ｓｉ系合金中に含まれると粗大な針状のＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を形成し、当該Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が破壊の起点となる。
【0005】
これに対し、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を粗大化させない方法として、過冷却を利用することが知られており、Ａｌ－Ｓｉ系合金の鋳造法としては、過冷却状態を起こしやすいダイカスト法等の冷却速度の速い鋳造方法が選択されていた。
【0006】
例えば、特許文献１（特開平８－１３４５７８号公報）においては、「Ｃｕ：１～７重量％，Ｓｉ：１０～１６重量％，Ｍｇ：０．３～２重量％，Ｆｅ：０．５～２重量％，Ｍｎ：０．１～４重量％，Ｔｉ：０．０１～０．３重量％，Ｐ：０．０１重量％以下及びＣａ：０．００１～０．０２重量％を含み、Ｐ／Ｃａが重量比で０．５以下の範囲に調整されている高温強度及び靭性に優れたダイカスト用アルミニウム合金。」が開示されている。
【0007】
上記特許文献１に記載のダイカスト用アルミニウム合金においては、「本発明に従ったダイカスト用アルミニウム合金は、前述した組成をもつアルミニウム合金溶湯を冷却速度２０℃／秒以上で鋳造し、晶出物の平均長径を２０μｍ以下及び共晶Ｓｉの平均長径を１０μｍ以下に抑制している。」とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平８－１３４５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ダイカスト法は、冷却速度は速いものの、高圧を加えながら金型に溶湯を充填するため、空気の巻き込み等の鋳造欠陥が発生しやすいという問題が存在する。加えて、ダイカスト装置そのものが高額であるという問題も存在する。
【0010】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、ダイカスト法と比較して鋳造速度が遅く、過冷却状態を起こしにくい重力鋳造等を用いた場合であっても、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制される過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及びＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制された過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の簡便かつ効率的な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金の組成について鋭意研究を重ねた結果、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金に適量のミッシュメタルを添加することにより、過冷状態を起こすことができ、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制されることを見出した。加えて、Ｐの含有量を１５ｐｐｍ以下に規制することで、当該過冷状態の形成が促進され、初晶Ｓｉの微細化に加えてＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化抑制効果が顕著になることも見出して、本発明に到達した。
【0012】
即ち、本発明は、
Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％、
Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％、
ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％、を含有し、
不純物としてＰが１５ｐｐｍ以下に規制されていること、
を特徴とする鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金、を提供する。
Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％、
Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％、
ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％、を含有し、
不純物としてＰが１５ｐｐｍ以下に規制されていること、
を特徴とする鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金、を提供する。
【0013】
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金においては、０．０１５ｗｔ％以上のミッシュメタルを添加することで、重力鋳造のように冷却速度が遅い場合であっても、初晶Ｓｉを過冷却することができる。その結果、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の組成的過冷却が生じ、初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を共に微細化することができる。
【0014】
加えて、Ｐの含有量を１５ｐｐｍ以下に規制することで、共晶改良元素とＰの化合物生成が低減することで過冷却を維持し、初晶Ｓｉの粗大化を抑制することができる。更に、Ｐの含有量を１５ｐｐｍ以下に規制することで、過冷状態の形成が促進され、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化抑制効果を顕著にすることができる。
【0015】
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金においては、０．６ｗｔ％以上のＦｅを含有することで過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のヤング率を向上させることができ、金型への焼き付きを防止することができる。また、Ｆｅの含有量を１．９ｗｔ％以下とすることで、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化を確実に抑制することができる。
【0016】
また、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金においては、
Ｍｎ：０．５～１．０ｗｔ％を含有し、
残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有すること、が好ましい。
Ｍｎを適量添加することで、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させることができる。
Ｍｎ：０．５～１．０ｗｔ％を含有し、
残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有すること、が好ましい。
Ｍｎを適量添加することで、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させることができる。
【0017】
更に、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金においては、初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高いこと、が好ましい。初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高いことで、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化をより確実に抑制することができる。
【0018】
また、本発明は、
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなるアルミニウム溶湯を用いた過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法であって、
前記アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加し、
前記ＡｌＰ化合物の添加に起因する前記過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすること、
を特徴とする過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法、も提供する。
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなるアルミニウム溶湯を用いた過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法であって、
前記アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加し、
前記ＡｌＰ化合物の添加に起因する前記過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすること、
を特徴とする過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法、も提供する。
【0019】
本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法においては、アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加し、前記ＡｌＰ化合物の添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすることで、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が顕著に抑制された過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物を得ることができる。
【0020】
Ｐは初晶Ｓｉを微細化する作用を有するが、不純物あるいはＡｌ－Ｃｕ－Ｐとして添加されると過冷却を阻害し、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を効果的に微細化することができない。これに対し、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物として添加された場合、過冷却を阻害せず、初晶Ｓｉの晶出核として作用することで初晶Ｓｉが微細化される。初晶Ｓｉを微細化する作用は、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量が５ｐｐｍ以上で顕著となり、４０ｐｐｍを超えて添加されてもそれ以上の効果は殆ど期待できない。
【0021】
本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法においては、前記アルミニウム溶湯に前記ＡｌＰ化合物を含むＡｌ－Ｐ合金リボンを添加すること、が好ましい。液体急冷法等によって急速冷却鋳造されたＡｌ－Ｐ合金リボンを用いることで、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を簡便かつ効率的にアルミニウム溶湯に添加することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、ダイカスト法と比較して鋳造速度が遅く、過冷却状態を起こしにくい重力鋳造等を用いた場合であっても、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制される過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及びＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が抑制された過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の簡便かつ効率的な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】実施例におけるＡｌ－Ｐ合金リボンの外観写真である。
【図2】実施例におけるＡｌ－Ｐ合金リボンの断面のＳＥＭ観察結果である。
【図3】実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１のミクロ組織である。
【図4】実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物２のミクロ組織である。
【図5】実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物３のミクロ組織である。
【図6】実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物４のミクロ組織である。
【図7】実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物５のミクロ組織である。
【図8】比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１のミクロ組織である。
【図9】比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物２のミクロ組織である。
【図10】比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物３のミクロ組織である。
【図11】比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物４のミクロ組織である。
【図12】実施例１の組成を有する実施鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金の冷却曲線である。
【図13】比較例１の組成を有する比較鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金の冷却曲線である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及び過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【0025】
１．鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金は、適量のＦｅとミッシュメタルを含有し、不純物としてのＰの含有量が規制されていることを特徴としている。以下、各成分について詳細に説明する。
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金は、適量のＦｅとミッシュメタルを含有し、不純物としてのＰの含有量が規制されていることを特徴としている。以下、各成分について詳細に説明する。
【0026】
（１）添加元素
（１－１）必須の添加元素
Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％
Ｓｉは鋳造性を向上させる元素であると共に、初晶Ｓｉや共晶Ｓｉとして晶出し、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量が１８．０ｗｔ％を超えて添加されると、破壊の起点となる粗大な初晶ＳｉやＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を形成しやすくなる。Ｓｉの含有量は１４．０～１８．０ｗｔ％とすることが好ましく、１６．０～１８．０ｗｔ％とすることがより好ましい。
（１－１）必須の添加元素
Ｓｉ：１２．０～１８．０ｗｔ％
Ｓｉは鋳造性を向上させる元素であると共に、初晶Ｓｉや共晶Ｓｉとして晶出し、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量が１８．０ｗｔ％を超えて添加されると、破壊の起点となる粗大な初晶ＳｉやＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を形成しやすくなる。Ｓｉの含有量は１４．０～１８．０ｗｔ％とすることが好ましく、１６．０～１８．０ｗｔ％とすることがより好ましい。
【0027】
Ｆｅ：０．６～１．９ｗｔ％
Ｆｅは過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のヤング率を向上させる作用を有すると共に、金型への焼き付きを防止する作用を有する。当該作用は０．６ｗｔ％以上の添加で顕著となるが、１．９ｗｔ％を超えるとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が粗大化しやすくなる。Ｆｅの含有量は０．８～１．９ｗｔ％とすることが好ましく、１．０～１．９ｗｔ％とすることがより好ましく、１．７～１．９ｗｔ％とすることが最も好ましい。
Ｆｅは過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のヤング率を向上させる作用を有すると共に、金型への焼き付きを防止する作用を有する。当該作用は０．６ｗｔ％以上の添加で顕著となるが、１．９ｗｔ％を超えるとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が粗大化しやすくなる。Ｆｅの含有量は０．８～１．９ｗｔ％とすることが好ましく、１．０～１．９ｗｔ％とすることがより好ましく、１．７～１．９ｗｔ％とすることが最も好ましい。
【0028】
ミッシュメタル：０．０１５～０．５００ｗｔ％
ミッシュメタルは鋳造の際にＡｌ－Ｓｉ系合金に過冷却を起こす作用がある。０．０１５ｗｔ％以上のミッシュメタルを添加することで当該作用を発現させることができ、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化を抑制することができるが、０．５００ｗｔ％を超えて添加されてもそれ以上の効果は殆ど期待できない。なお、ミッシュメタルとは、セリウムの含有率が４０～５０重量％、ランタンの含有率が２０～４０重量％で残部としてプラオジム（Ｐｒ）やネオジムなどを含む希土類金属の混合物を意味している。
ミッシュメタルは鋳造の際にＡｌ－Ｓｉ系合金に過冷却を起こす作用がある。０．０１５ｗｔ％以上のミッシュメタルを添加することで当該作用を発現させることができ、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化を抑制することができるが、０．５００ｗｔ％を超えて添加されてもそれ以上の効果は殆ど期待できない。なお、ミッシュメタルとは、セリウムの含有率が４０～５０重量％、ランタンの含有率が２０～４０重量％で残部としてプラオジム（Ｐｒ）やネオジムなどを含む希土類金属の混合物を意味している。
【0029】
（１－２）任意の添加元素
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金には、適量のＭｎを添加してもよい。
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金には、適量のＭｎを添加してもよい。
【0030】
Ｍｎ：０．５～１．０ｗｔ％
Ｍｎは、Ｆｅと同様にヤング率を向上させる作用や金型への焼き付き防止の作用を有すると共に、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の形状を針状から塊状に変化させる作用を有する。Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の形状を針状から塊状とすることで、当該Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物への応力集中が緩和され、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の強度や信頼性を向上させることができる。当該効果は０．５ｗｔ％以上のＭｎを添加することで顕著となるが、１．０ｗｔ％を超えて添加されると粗大なＡｌ－Ｍｎ系化合物が形成されやすくなる。Ｍｎの添加量は０．８～１．０ｗｔ％とすることが好ましい。
Ｍｎは、Ｆｅと同様にヤング率を向上させる作用や金型への焼き付き防止の作用を有すると共に、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の形状を針状から塊状に変化させる作用を有する。Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の形状を針状から塊状とすることで、当該Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物への応力集中が緩和され、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の強度や信頼性を向上させることができる。当該効果は０．５ｗｔ％以上のＭｎを添加することで顕著となるが、１．０ｗｔ％を超えて添加されると粗大なＡｌ－Ｍｎ系化合物が形成されやすくなる。Ｍｎの添加量は０．８～１．０ｗｔ％とすることが好ましい。
【0031】
その他の元素
Ｃｕは、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物、初晶Ｓｉの粗大化に影響を与える元素ではなく、固溶強化や析出強化（時効処理）により、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させる作用を有しているため、鋳物用、ダイカスト用アルミニウム合金ＪＩＳ規格の添加元素としての上限５．０ｗｔ％までは、含有を許容される。Ｃｕの含有量が５．０ｗｔ％を超えると粗大なＡｌ－Ｃｕ系化合物が形成されやすくなることに加え、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の耐食性が低下する。機械的性質を向上させるためには、Ｃｕの含有量は０．３～５．０ｗｔ％とすることが好ましい。更に好ましい含有量は、０．８～５．０ｗｔ％である。
Ｃｕは、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物、初晶Ｓｉの粗大化に影響を与える元素ではなく、固溶強化や析出強化（時効処理）により、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させる作用を有しているため、鋳物用、ダイカスト用アルミニウム合金ＪＩＳ規格の添加元素としての上限５．０ｗｔ％までは、含有を許容される。Ｃｕの含有量が５．０ｗｔ％を超えると粗大なＡｌ－Ｃｕ系化合物が形成されやすくなることに加え、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の耐食性が低下する。機械的性質を向上させるためには、Ｃｕの含有量は０．３～５．０ｗｔ％とすることが好ましい。更に好ましい含有量は、０．８～５．０ｗｔ％である。
【0032】
ＭｇはＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物、初晶Ｓｉの粗大化に影響を与える元素ではなく、固溶強化や析出強化（時効処理）により、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の機械的性質を向上させる作用を有しているため、鋳物用、ダイカスト用アルミニウム合金ＪＩＳ規格の添加元素としての上限１．５ｗｔ％までは、含有を許容される。Ｍｇの含有量が１．５ｗｔ％を超えると粗大なＡｌ－Ｍｇ系化合物が形成されやすくなる。機械的性質を向上させるためには、Ｍｇの含有量は０．４～１．５ｗｔ％とすることが好ましい。更に好ましい含有量は、０．４～０．７ｗｔ％である。
【0033】
（１－３）不可避不純物
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金には再生原料が使用されることが多いため、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及び過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の特性を阻害しない範囲での不可避不純物の含有が許容される。
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金には再生原料が使用されることが多いため、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及び過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の特性を阻害しない範囲での不可避不純物の含有が許容される。
【0034】
ここで、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金においては不可避不純物としてのＰの含有量が厳格に規制されており、１５ｐｐｍ以下となっている。Ｐの含有量を１５ｐｐｍ以下に規制することで、共晶改良元素とＰの化合物生成が低減し、初晶Ｓｉの粗大化を抑制することができる。更に、Ｐの含有量を１５ｐｐｍ以下に規制することで、過冷状態の形成が促進され、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化抑制効果を顕著にすることができる。
【0035】
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金は、上記の組成を有し、初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高いこと、が好ましい。初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高いことで、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化をより確実に抑制することができる。なお、初晶Ｓｉ及びＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度は実験的に求めてもよく、組成を基にした熱力学シミュレーション等によって推定してもよい。
【0036】
２．過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法
本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法は、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金を用い、微細なＡｌＰ化合物をアルミニウム溶湯に添加すると共に、当該添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすることを特徴としている。
本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法は、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金を用い、微細なＡｌＰ化合物をアルミニウム溶湯に添加すると共に、当該添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすることを特徴としている。
【0037】
アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加し、当該ＡｌＰ化合物の添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を５～４０ｐｐｍとすることで、初晶Ｓｉの微細化に加えて、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が顕著に抑制された過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物を得ることができる。
【0038】
Ｐは初晶Ｓｉを微細化する作用を有するが、不純物あるいはＡｌ－Ｃｕ－Ｐとして添加されると過冷却を阻害し、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を効果的に微細化することができない。これに対し、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物として添加された場合、過冷却を阻害せず、初晶Ｓｉの晶出核として作用することで初晶Ｓｉが微細化される。初晶Ｓｉを微細化する作用は、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量が５ｐｐｍ以上で顕著となり、４０ｐｐｍを超えて添加されてもそれ以上の効果は殆ど期待できない。
【0039】
本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法においては、アルミニウム溶湯にＡｌＰ化合物を含むＡｌ－Ｐ合金リボンを添加すること、が好ましい。液体急冷法等によって急速冷却鋳造されたＡｌ－Ｐ合金リボンを用いることで、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を簡便かつ効率的にアルミニウム溶湯に添加することができる。
【0040】
ここで、例えば、０．００１～０．０１０ｗｔ％のＰを含有するＡｌ－Ｐ合金を原料として液体急冷法により厚さ５０～１５０μｍのＡｌ－Ｐ合金リボンを作製することで、ＡｌＰ化合物の粒径を１μｍ以下とすることができる。
【0041】
ＡｌＰ化合物の添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量が５～４０ｐｐｍとなるように、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加したアルミニウム合金溶湯を鋳造することにより、本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物を好適に得ることができる。ここで、本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法においては、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を微細化するために冷却速度が大きなダイカスト法を用いる必要がなく、冷却速度が小さい重力鋳造等を好適に用いることができる。
【0042】
重力鋳造等を用いることで、空気の巻き込み等の鋳造欠陥を抑制しつつ、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が微細化された過共晶Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物鋳物を簡便かつ効率的に得ることができる。また、重力鋳造はダイカストのように高価な装置が不要であり、製造装置の導入コストを低減することができる。
【0043】
その他の鋳造条件については本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の鋳造方法及び鋳造条件を用いることができる。
【0044】
３．過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなる過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物は、本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法によって好適に得ることができるが、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を溶湯に添加することなく、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなる溶湯を原料とし、各種鋳造法を用いて鋳造してもよい。ここで、採用する鋳造法は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、空気の巻き込み等の鋳造欠陥を抑制するために重力鋳造等を用いることが好ましい。
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなる過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物は、本発明の過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の製造方法によって好適に得ることができるが、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を溶湯に添加することなく、本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなる溶湯を原料とし、各種鋳造法を用いて鋳造してもよい。ここで、採用する鋳造法は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、空気の巻き込み等の鋳造欠陥を抑制するために重力鋳造等を用いることが好ましい。
【0045】
本発明の鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金からなる過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物は、初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が共に微細化されており、特に、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が顕著に微細化されていることを最大の特徴としている。
【0046】
Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粒径は５０μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以下であることが最も好ましい。また、初晶Ｓｉの粒径は５０μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以下であることが最も好ましい。
【0047】
Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物及び初晶Ｓｉの粒径を測定する方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の組織観察手法を用いることができ、例えば、光学顕微鏡観察やＳＥＭ観察を用いればよい。より具体的には、例えば、過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の断面における微細組織を観察し、観察像において確認される初晶Ｓｉ及びＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物をそれぞれ大きい方から単位面積当たり１０個選定し、初晶Ｓｉについてはこれらの平均粒径を、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物についてはこれらの最大長の平均を算出すればよい。
【0048】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例0049】
≪実施例≫
表１の実施例１～５として示す組成となるように配合した原料を黒鉛坩堝に挿入し、７５０℃で大気溶解した後、７５０℃で回転式脱ガス装置による脱ガス処理を施した。次に、重力鋳造法により舟型形状（ＪＩＳ Ｈ ５２０２）に鋳造し、本発明の実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～５を得た（鋳型温度：１５０℃）。表１には各組成における初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度も示しているが、全ての組成において、初晶Ｓｉの晶出温度はＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高くなっている。ここで、各晶出温度は鋳造時の冷却曲線から求めた。具体的には、舟型の底面から１３ｍｍの位置に熱電対の測温接点が来るように熱電対を固定し、鋳造時に熱電対を鋳ぐるみながら、冷却曲線を測定し、得られた冷却曲線における変曲点（晶出に伴い冷却速度が遅くなる点）での温度を晶出温度とした。
表１の実施例１～５として示す組成となるように配合した原料を黒鉛坩堝に挿入し、７５０℃で大気溶解した後、７５０℃で回転式脱ガス装置による脱ガス処理を施した。次に、重力鋳造法により舟型形状（ＪＩＳ Ｈ ５２０２）に鋳造し、本発明の実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～５を得た（鋳型温度：１５０℃）。表１には各組成における初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度も示しているが、全ての組成において、初晶Ｓｉの晶出温度はＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも高くなっている。ここで、各晶出温度は鋳造時の冷却曲線から求めた。具体的には、舟型の底面から１３ｍｍの位置に熱電対の測温接点が来るように熱電対を固定し、鋳造時に熱電対を鋳ぐるみながら、冷却曲線を測定し、得られた冷却曲線における変曲点（晶出に伴い冷却速度が遅くなる点）での温度を晶出温度とした。
【0050】
【表1】
【0051】
ここで、実施例４については、アルミニウム溶湯に粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を添加して、当該ＡｌＰ化合物の添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を０．００４ｗｔ％（４０ｐｐｍ）とした。なお、表１の実施例及び比較例１と４において「Ｐ（不可避不純物）」としているのは、不可避不純物として混入したＰの含有量であり、「Ｐ（微細ＡｌＰ化合物添加）」としているのはＡｌＰ化合物の添加に起因するＰの含有量である。なお、比較例２と３の「Ｐ（不可避不純物）」量は、不可避的に混入したＰとＡｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金により、添加されたＰの合計である。Ａｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金は、過共晶Ａｌ―Ｓｉ合金において、初晶Ｓｉ微細化用Ｐの添加のため一般的に用いられている。
【0052】
ＡｌＰ化合物の添加には液体急冷法で作製したＡｌ－Ｐ合金リボンを用いた。当該Ａｌ－Ｐ合金リボンの外観写真を図１に示す。Ａｌ－Ｐ合金リボンの幅は１０～２０ｍｍ、厚さは約１００μｍである。また、Ａｌ－Ｐ合金リボンの組成はＡｌ－０．０７ｗｔ％Ｐである。
【0053】
Ａｌ－Ｐ合金リボン断面のＳＥＭ観察結果を図２に示す。極めて微細なＡｌＰ化合物が分散しており、当該ＡｌＰ化合物の平均粒径は０．２μｍであった。
【0054】
得られた実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物の底面から１３ｍｍの位置を中心として、１ｃｍ角の立方体を切り出し、断面にバフ研磨を施して組織観察用試料とした。実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～５に関して、光学顕微鏡で観察されたミクロ組織を図３～７にそれぞれ示す。また、これらの観察結果から測定された初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の平均粒径を表１に示す。初晶Ｓｉについては、観察像において確認される初晶Ｓｉを大きい方から１０個選定し、これらの初晶Ｓｉの平均粒径を算出した。Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物については、観察像において確認されるＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を大きい方から単位面積当たり１０個選定し、これらのＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の最大長の平均を算出した。
【0055】
表１に示されている初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粒径から、全ての実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物において、初晶Ｓｉの粒径が５０μｍ以下、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粒径が５０μｍ以下となっており、初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が共に微細化されていることが分かる。
【0056】
また、実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物３と実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物４を比較することで、同一組成のアルミニウム溶湯に対するＡｌ－Ｐ合金リボン添加の影響を確認することができる。Ａｌ－Ｐ合金リボンを添加しない場合（実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物３）の初晶Ｓｉの粒径は４０μｍ、Ａｌ－Ｐ合金リボンを添加した場合（実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物４）の初晶Ｓｉの粒径は３０μｍとなっており、Ａｌ－Ｐ合金リボン（粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物）の添加によって、初晶Ｓｉが微細化されていることが分かる。
【0057】
また、実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物５のＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粒径は１０μｍとなっており、顕著な微細化が認められる。実施過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物５においては不可避不純物であるＰの含有量が０．０００８ｗｔ％と少ないことに加え、適量のミッシュメタルが添加されたことに起因していると考えらえる。
【0058】
≪比較例≫
表１の比較例１～４として示す組成とし、比較例２及び比較例３においてはＡｌ－Ｐ合金リボンではなく、Ａｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金を用いてＰを添加したこと以外は実施例と同様にして、比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～４を得た。なお、Ａｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金を添加した比較例２及び比較例３中のＡｌ－Ｐ化合物の平均粒径は２μｍであった。表１には、実施例と同様にして求めた各組成における初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度も示しているが、比較例１、２及び４の組成では初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度が同じ値となっており、比較例３の組成では初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも低い値となっている。ここで、比較例４については、実施例４と同様にしてアルミニウム溶湯にＡｌ－Ｐ合金リボンを添加し、当該ＡｌＰ化合物の添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を０．０００５ｗｔ％（５ｐｐｍ）とした。
表１の比較例１～４として示す組成とし、比較例２及び比較例３においてはＡｌ－Ｐ合金リボンではなく、Ａｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金を用いてＰを添加したこと以外は実施例と同様にして、比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～４を得た。なお、Ａｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金を添加した比較例２及び比較例３中のＡｌ－Ｐ化合物の平均粒径は２μｍであった。表１には、実施例と同様にして求めた各組成における初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度も示しているが、比較例１、２及び４の組成では初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度が同じ値となっており、比較例３の組成では初晶Ｓｉの晶出温度がＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の晶出温度よりも低い値となっている。ここで、比較例４については、実施例４と同様にしてアルミニウム溶湯にＡｌ－Ｐ合金リボンを添加し、当該ＡｌＰ化合物の添加に起因する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物のＰの含有量を０．０００５ｗｔ％（５ｐｐｍ）とした。
【0059】
また、実施例と同様にして、比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～４のミクロ組織を観察した。光学顕微鏡で観察された比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物１～４のミクロ組織を図８～１１にそれぞれ示す。これらの観察結果から測定された初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の最大粒径を表１に示す。
【0060】
全ての比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物においてＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が粗大化しており、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粒径が５０μｍを超えている。特に、Ａｌ－１９ｗｔ％Ｃｕ－１．２ｗｔ％Ｐ合金として、平均粒径２μｍのＡｌＰ化合物を添加した比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物２及びＦｅの含有量が多い比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物３では、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化が顕著である。
【0061】
不可避不純物としてのＰの含有量が１５ｐｐｍ以下であり、Ａｌ－Ｐ合金リボン（粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物）を添加した比較過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金鋳物４では初晶Ｓｉが微細化されているが、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粒径が６０μｍとなっており、適量のミッシュメタルを添加していないことから、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の粗大化を十分に抑制することができていない。
【0062】
実施例１の組成を有する本発明の実施鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金及び比較例１の組成を有する比較鋳物用過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金の冷却曲線を図１２及び図１３にそれぞれ示す。これらの冷却曲線は、舟型の底面から１３ｍｍの位置に熱電対の測温接点が来るように熱電対を固定し、鋳造時に熱電対を鋳ぐるみながら測定した。実施例１と比較例１の組成は、ミッシュメタル添加の有無以外は殆ど同じであるが、実施例１の場合は凝固時間が短くなっており、この間に晶出するＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が微細化する。これに対し、比較例１の場合は過冷が抑制されており、凝固時間が長くなることでＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が粗大化したものと考えられる。
【0063】
以上の結果より、比較的大量のＦｅを含有する過共晶Ａｌ－Ｓｉ系合金であっても、適量のミッシュメタルを添加すると共に不可避不純物としてのＰを１５ｐｐｍ以下に規制することで、冷却速度が大きなダイカスト法を用いることなく、初晶ＳｉとＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物を共に微細化できることが分かる。また、粒径が１μｍ以下のＡｌＰ化合物を適量添加することで、初晶Ｓｉの微細化が促進されることが分かる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
