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特許7580215ダイカスト鋳造用アルミニウム合金及びそれを用いた鋳造製品の製造方法
(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】
(24)【登録日】2024-10-31
(45)【発行日】2024-11-11
(54)【発明の名称】ダイカスト鋳造用アルミニウム合金及びそれを用いた鋳造製品の製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 21/02 20060101AFI20241101BHJP
C22F 1/043 20060101ALI20241101BHJP
B22D 17/00 20060101ALI20241101BHJP
B22D 17/32 20060101ALI20241101BHJP
B22D 21/04 20060101ALI20241101BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20241101BHJP
【ＦＩ】
C22C21/02
C22F1/043
B22D17/00 B
B22D17/32 A
B22D21/04 A
C22F1/00 602
C22F1/00 611
C22F1/00 630A
C22F1/00 630B
C22F1/00 630K
C22F1/00 681
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020121010
(22)【出願日】2020-07-15
(65)【公開番号】P2021021138
(43)【公開日】2021-02-18
【審査請求日】2023-07-11
(31)【優先権主張番号】P 2019136522
(32)【優先日】2019-07-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000100791
【氏名又は名称】アイシン軽金属株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100114074
【弁理士】
【氏名又は名称】大谷 嘉一
(72)【発明者】
【氏名】西川 知志
【審査官】宮脇 直也
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－２３２０８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１８９８６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／１６６７７９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ２１／００ － ２１／１８
Ｃ２２Ｆ １／０４ － １／０５７
Ｂ２２Ｄ １７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
以下全て質量％にて、Ｓｉ：７．０～９．０％，Ｍｇ：０．４～０．６％，Ｃｕ：０．４～０．７％，Ｃｒ：０．１～０．５％，Ｍｎ：０．５％以下，［Ｃｒ＋Ｍｎ］：０．１～０．８％，Ｆｅ：０．１０～０．２５％，Ｓｒ：０．００５～０．０２％，Ｔｉ：０．０１～０．２％含有し、残部がＡｌと不純物であるダイカスト鋳造用アルミニウム合金を用いて、
ダイカスト鋳造により金型に対してゲート速度１ｍ／ｓｅｃ以下にて層流充填し、
ダイカスト鋳造後に、１６０℃～２００℃にて２～８時間の熱処理を行うことを特徴とする鋳造製品の製造方法。
【請求項2】
引張強さ２８０Ｎ／ｍｍ２以上，０．２％耐力１８０Ｎ／ｍｍ２以上，伸び４％以上及びシャルピー衝撃値３Ｊ／ｃｍ２以上の高強度及び高靱性であることを特徴とする請求項１記載の鋳造製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ダイカストマシンによるダイカスト鋳造に適したアルミニウム合金及びそれを用いたダイカスト鋳造による鋳造製品の製造方法に関し、特に高強度と高靱性の両立を図ることができる。
【背景技術】
【0002】
ダイカスト鋳造は、金型のキャビティ内に金属の溶湯を高速で高圧充填する鋳造方法であり、生産性が高く、自動車部品や機械部品等に広く採用されている。
このようなダイカスト鋳造用のアルミニウム合金には、金型への湯流れ性が要求されることからＡｌ－Ｓｉ系の合金が使用されているが、近年は軽量化のニーズから、より高強度のアルミニウム合金が要求されているが、靭性が不充分となりやすく高強度で且つ、高靱性のアルミニウム合金が期待されている。
このようなダイカスト鋳造用のアルミニウム合金には、金型への湯流れ性が要求されることからＡｌ－Ｓｉ系の合金が使用されているが、近年は軽量化のニーズから、より高強度のアルミニウム合金が要求されているが、靭性が不充分となりやすく高強度で且つ、高靱性のアルミニウム合金が期待されている。
【0003】
特許文献１には、Ｓｉ：３．５～７．５％，Ｍｇ：０．４５～０．８％，Ｃｒ：０．０５～０．２５％，Ｃｕ：０～０．０１％のアルミニウム合金を開示するが、引張強度３２０ＭＰａ以上得るのに溶体化処理後に熱処理、いわゆるＴ６処理が必要と記載されている。
しかし、Ｔ６処理はＴ５処理に比較して工程が長く、生産性が劣る点及びＣｕ成分が０～０．０１％と低いことからＴ５処理にて充分な強度が得られないものと推定される。
しかし、Ｔ６処理はＴ５処理に比較して工程が長く、生産性が劣る点及びＣｕ成分が０～０．０１％と低いことからＴ５処理にて充分な強度が得られないものと推定される。
【0004】
特許文献２には、高耐力及び高延性を得る目的でＳｉ：６．００～６．５０％，Ｍｇ：０．１０～０．５０％，Ｆｅ：０．３０％以下，Ｍｎ：０．３０～０．６０％，Ｃｒ：０．１０～０．３０％を含有する合金を開示し、更にはＳｒ：３０～２００ｐｐｍ，Ｂ：１～５０ｐｐｍ，Ｓｂ：０．０５～０．２０％，Ｔｉ：０．０５～０．３０％を含有することが記載されているが、Ｓｉの含有量が少なく湯流れ性が低い恐れがあるとともに、Ｃｕ成分が僅かしか添加されてないので、Ｔ５処理にて充分な強度が得られないものと推定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第５５７５０２８号公報
【文献】特許第５７９７３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、高強度で且つ高靱性を有するアルミダイカスト鋳造製品を得るのに適したアルミニウム合金及びそれを用いた鋳造製品の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係るダイカスト鋳造用アルミニウム合金は、以下全て質量％にて、Ｓｉ：７．０～９．０％，Ｍｇ：０．４～０．６％，Ｃｕ：０．４～０．７％，Ｃｒ：０．１～０．５％，Ｍｎ：０．５％以下，［Ｃｒ＋Ｍｎ］：０．１～０．８％，Ｆｅ：０．１０～０．２５％，Ｓｒ：０．００５～０．０２％含有し、残部がＡｌと不純物であることを特徴とする。
さらに、必要に応じてＴｉが０．２％以下の範囲にて含有していてもよい。
ここで、不純物とは製造工程にて混入する恐れがある不可避的な不純物をいう。
さらに、必要に応じてＴｉが０．２％以下の範囲にて含有していてもよい。
ここで、不純物とは製造工程にて混入する恐れがある不可避的な不純物をいう。
【0008】
本発明において、成分範囲を選定した理由を説明する。
＜Ｓｉ成分＞
Ｓｉはダイカスト鋳造において、湯流れ性を確保するには７．０質量％以上（以下、単に％と表現する）必要であり、９．０％を超えると粗大な初晶Ｓｉが析出しやすくなり、伸びが低下する恐れがあることからＳｉ：７．０～９．０％の範囲とした。
好ましくは、Ｓｉ：７．１０～８．５０％の範囲である。
＜Ｍｇ，Ｃｕ成分＞
Ｍｇ及びＣｕは、鋳造製品の強度を向上させるのに有効な成分であり、本発明においては鋳造後の熱処理（Ｔ５処理）にて高強度が得られるようにＭｇ：０．４％以上，Ｃｕ：０．４％以上とした。
但し、伸びが必要以上に低下するのを抑えるべく、Ｍｇ：０．４～０．６％，Ｃｕ：０．４～０．７％の範囲とした。
＜Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ成分＞
ダイカスト鋳造において、Ｆｅ成分は混入しやすい成分の１つであり、Ｆｅが０．２５％を超えると晶出物が粗大化し、伸びが低下するので本発明においてはＦｅ：０．１０～０．２５％の範囲に設定するとともにＣｒの添加により、Ｆｅ系の晶出物の微細化を図った。
Ｃｒ成分が０．５％を超えると逆に粗大化した晶出物が晶出する恐れがあるので、Ｃｒ：０．１～０．５％の範囲とした。
本発明は、Ｍｎを添加することでもＦｅ系の晶出物を微細化することができ、Ｍｎを添加する場合には０．５％以下が好ましい。
Ｍｎが０．５％を超えると粗大な晶出物が晶出しやすくなり、伸びが低下する。
また、ＣｒとＭｎの両方を添加する場合には合計の値を制御する必要があり、ＣｒとＭｎの合計［Ｃｒ＋Ｍｎ］は０．１～０．８％の範囲がよい。
＜Ｓｒ，Ｔｉ成分＞
Ｓｒは少量の添加にて共晶Ｓｉの微細化に効果があり、Ｓｒ：０．００５～０．０２％の範囲とした。
また、Ｔｉは本発明において必須の成分ではないが、添加するとアルミニウム合金の結晶粒の微細化に効果があり、添付する場合には０．０１～０．２％の範囲が好ましい。
＜Ｓｉ成分＞
Ｓｉはダイカスト鋳造において、湯流れ性を確保するには７．０質量％以上（以下、単に％と表現する）必要であり、９．０％を超えると粗大な初晶Ｓｉが析出しやすくなり、伸びが低下する恐れがあることからＳｉ：７．０～９．０％の範囲とした。
好ましくは、Ｓｉ：７．１０～８．５０％の範囲である。
＜Ｍｇ，Ｃｕ成分＞
Ｍｇ及びＣｕは、鋳造製品の強度を向上させるのに有効な成分であり、本発明においては鋳造後の熱処理（Ｔ５処理）にて高強度が得られるようにＭｇ：０．４％以上，Ｃｕ：０．４％以上とした。
但し、伸びが必要以上に低下するのを抑えるべく、Ｍｇ：０．４～０．６％，Ｃｕ：０．４～０．７％の範囲とした。
＜Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ成分＞
ダイカスト鋳造において、Ｆｅ成分は混入しやすい成分の１つであり、Ｆｅが０．２５％を超えると晶出物が粗大化し、伸びが低下するので本発明においてはＦｅ：０．１０～０．２５％の範囲に設定するとともにＣｒの添加により、Ｆｅ系の晶出物の微細化を図った。
Ｃｒ成分が０．５％を超えると逆に粗大化した晶出物が晶出する恐れがあるので、Ｃｒ：０．１～０．５％の範囲とした。
本発明は、Ｍｎを添加することでもＦｅ系の晶出物を微細化することができ、Ｍｎを添加する場合には０．５％以下が好ましい。
Ｍｎが０．５％を超えると粗大な晶出物が晶出しやすくなり、伸びが低下する。
また、ＣｒとＭｎの両方を添加する場合には合計の値を制御する必要があり、ＣｒとＭｎの合計［Ｃｒ＋Ｍｎ］は０．１～０．８％の範囲がよい。
＜Ｓｒ，Ｔｉ成分＞
Ｓｒは少量の添加にて共晶Ｓｉの微細化に効果があり、Ｓｒ：０．００５～０．０２％の範囲とした。
また、Ｔｉは本発明において必須の成分ではないが、添加するとアルミニウム合金の結晶粒の微細化に効果があり、添付する場合には０．０１～０．２％の範囲が好ましい。
【0009】
ダイカスト鋳造に用いられる金型は固定型に対して開閉制御された可動型からなり、この固定型と可動型とが閉じた際に形成されるキャビティ内に、スリーブに注湯したアルミニウム合金の溶湯をプランジャーにて高速，高圧条件で射出して鋳造される。
この射出条件は、金型のキャビティ内に層流充填されるようにゲート速度が１ｍ／ｓｅｃ以下になるように設定するのが好ましい。
本発明に用いる金型は、溶湯を中心部から放射状に射出できるセンターゲート型を用いるのが好ましい。
この射出条件は、金型のキャビティ内に層流充填されるようにゲート速度が１ｍ／ｓｅｃ以下になるように設定するのが好ましい。
本発明に用いる金型は、溶湯を中心部から放射状に射出できるセンターゲート型を用いるのが好ましい。
【0010】
本発明に係るアルミニウム合金を用いると、ダイカスト鋳造後に、１６０℃～２００℃にて２～８時間の熱処理（Ｔ５処理）を行うことにより、引張強さ２８０Ｎ／ｍｍ２以上，０．２％耐力１８０Ｎ／ｍｍ２以上，伸び４％以上及びシャルピー衝撃値３Ｊ／ｃｍ２以上の高強度及び高靱性を有する鋳造製品が得られる。
なお、このような鋳造製品の金属組織は光学顕微鏡で共晶Ｓｉを除いた晶出物の平均面積を測定すると、２μｍ２以下になっている。
なお、このような鋳造製品の金属組織は光学顕微鏡で共晶Ｓｉを除いた晶出物の平均面積を測定すると、２μｍ２以下になっている。
【発明の効果】
【0011】
本発明に係るアルミニウム合金を用いてダイカスト鋳造すると、その後のＴ５処理にて高強度でありながら靭性に優れたダイカスト鋳造製品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
図１の表に示した各化学組成のアルミニウム合金の溶湯を調整し、センターゲート型の金型を用いて鋳造製品をダイカスト鋳造をした。
鋳造条件は、溶湯温度約７００℃，射出ゲート速度０．８ｍ／ｓｅｅである。
鋳造後に１９０℃にて３時間の熱処理（Ｔ５）を行った。
図２に、機械的性質及び共晶Ｓｉを除く晶出物の平均面積（平均晶出物面積）の測定結果を示す。
図３に、実施例１と比較例１の光学顕微鏡写真の例を示す。
鋳造条件は、溶湯温度約７００℃，射出ゲート速度０．８ｍ／ｓｅｅである。
鋳造後に１９０℃にて３時間の熱処理（Ｔ５）を行った。
図２に、機械的性質及び共晶Ｓｉを除く晶出物の平均面積（平均晶出物面積）の測定結果を示す。
図３に、実施例１と比較例１の光学顕微鏡写真の例を示す。
【0014】
試験項目及び試験方法は、次のとおりである。
＜引張強さ、０．２％耐力及び伸び＞
ＪＩＳ－Ｚ２２４１に基づいて、鋳造品よりＪＩＳ－４号試験片を切り出し、ＪＩＳ規格に準拠した引張試験機にて引張試験を実施し、引張強さ（ＭＰａ），０．２％耐力（ＭＰａ）及び、伸び（％）を測定した。
＜シャルピー衝撃試験＞
ＪＩＳ－Ｚ２２４２に基づいて鋳造品よりＪＩＳ－４号シャルピー衝撃試験片を切り出し、ＪＩＳ規格に準拠したシャルピー衝撃試験機にて測定した。
＜平均晶出物面積＞
鋳造品の切断面を鏡面研磨仕上げし、光学顕微鏡にて観察及び計測した。
倍率１０００倍における測定面積０．１６６ｍｍ２の範囲で画像処理を行い、共晶Ｓｉを除いた部分における晶出物の面積を計測し、平均値を出した。
＜引張強さ、０．２％耐力及び伸び＞
ＪＩＳ－Ｚ２２４１に基づいて、鋳造品よりＪＩＳ－４号試験片を切り出し、ＪＩＳ規格に準拠した引張試験機にて引張試験を実施し、引張強さ（ＭＰａ），０．２％耐力（ＭＰａ）及び、伸び（％）を測定した。
＜シャルピー衝撃試験＞
ＪＩＳ－Ｚ２２４２に基づいて鋳造品よりＪＩＳ－４号シャルピー衝撃試験片を切り出し、ＪＩＳ規格に準拠したシャルピー衝撃試験機にて測定した。
＜平均晶出物面積＞
鋳造品の切断面を鏡面研磨仕上げし、光学顕微鏡にて観察及び計測した。
倍率１０００倍における測定面積０．１６６ｍｍ２の範囲で画像処理を行い、共晶Ｓｉを除いた部分における晶出物の面積を計測し、平均値を出した。
【0015】
図１の化学組成及び図２の評価結果から次のことが分かる。
なお、本発明においては引張強さ２８０ＭＰａ以上，０．２％耐力１８０ＭＰａ以上の高強度を目標とし、伸び４％以上でシャルピー衝撃値３Ｊ／ｃｍ２以上の高靱性を目標とした。
実施例１～１１はいずれも設定した範囲の合金組成であり、Ｔ５処理に全ての目標をクリアーしている。
これらに対して比較例１は、Ｃｒ：０．８５％と０．５％を超えているので粗大なＣｒ系の晶出物が晶出し、伸びが目標以下でシャルピー衝撃値も目標未達であった。
比較例２は、逆にＣｒが添加されていないためにＦｅ系の晶出物が粗大化し、伸びが低い値になった。
比較例３はＣｕ成分が少なく、比較例４はＳｉ成分が少なく、比較例５はＭｇ成分が少ないため、引張強度は０．２％耐力が目標未達であった。
比較例６はＣｕ成分が多く、比較例７はＭｇ成分が多く、比較例８はＦｅ成分が多く、伸びが低くなった。
比較例９はＳｒが添加されていないため、伸びが悪くなった。
比較例１０～１４は、Ｆ材であるため強度が低い。
比較例１５は［Ｃｒ＋Ｍｎ］の合計が０．９８％と０．８％を超えていたので、晶出物が粗大化し、平均晶出物面積が５．６μｍ２と２μｍ２を超えたので伸びが低くなった。
なお、本発明においては引張強さ２８０ＭＰａ以上，０．２％耐力１８０ＭＰａ以上の高強度を目標とし、伸び４％以上でシャルピー衝撃値３Ｊ／ｃｍ２以上の高靱性を目標とした。
実施例１～１１はいずれも設定した範囲の合金組成であり、Ｔ５処理に全ての目標をクリアーしている。
これらに対して比較例１は、Ｃｒ：０．８５％と０．５％を超えているので粗大なＣｒ系の晶出物が晶出し、伸びが目標以下でシャルピー衝撃値も目標未達であった。
比較例２は、逆にＣｒが添加されていないためにＦｅ系の晶出物が粗大化し、伸びが低い値になった。
比較例３はＣｕ成分が少なく、比較例４はＳｉ成分が少なく、比較例５はＭｇ成分が少ないため、引張強度は０．２％耐力が目標未達であった。
比較例６はＣｕ成分が多く、比較例７はＭｇ成分が多く、比較例８はＦｅ成分が多く、伸びが低くなった。
比較例９はＳｒが添加されていないため、伸びが悪くなった。
比較例１０～１４は、Ｆ材であるため強度が低い。
比較例１５は［Ｃｒ＋Ｍｎ］の合計が０．９８％と０．８％を超えていたので、晶出物が粗大化し、平均晶出物面積が５．６μｍ２と２μｍ２を超えたので伸びが低くなった。
【図1】
【図2】
【図3】
