JP6637421B2 - アルミニウム合金鋳造材用の組織微細化剤 - Google Patents

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本出願は、２０１４年７月２５日に出願された日本国特許出願第２０１４−１５１３９３号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容は、この明細書中に参照により援用されている。本明細書は、アルミニウム合金鋳造材の組織を微細化し、強度を向上させる組織微細化剤に関する。

純アルミニウム鋳造材およびアルミニウム合金鋳造材は、冷却速度に起因して、粗大な柱状組織を有することが多い。粗大な柱状組織を有する鋳造材は、強度が低く、鋳造材内の強度分布も不均一である。よって、純アルミニウム鋳造材およびアルミニウム合金鋳造材は、結晶粒などの組織を微細化することが求められている。

純アルミニウム鋳造材の結晶粒を微細化する方法の一つとして、結晶粒微細化剤をアルミニウム溶湯中に添加する技術が知られている。一般的に、結晶粒微細化剤として、Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金，Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ−１ｍａｓｓ％Ｂ合金などが用いられている。これらの微細化剤に含まれるＡｌ_３Ｔｉ，ＴｉＢ_２などが、アルミニウムに対する異質核物質として作用し、アルミニウム鋳造材の結晶粒が微細化する。純アルミニウムに対する組織微細化剤について、「Ａ．Ｃｉｂｕｌａ：Ｊ． Ｉｎｓｔ． Ｍｅｔ．，７６ （１９４０−１９５０），１−１６．」，「神尾彰彦：軽金属，３１ （１９８１）， １３６−１４７．」，「渡辺義見，佐藤尚：軽金属，６４ （２０１４）， １５７−１６３．」に開示されている。

また、特開２００５−３２９４５９号公報には、上記した結晶粒微細化剤に対して加工を施し、異質核物質の数密度を増加させる技術が開示されている。さらに、国際公開ＷＯ２０１２／１０２１６２Ａ１には、アルミニウム母相中に、異質核物質としてＡｌ_５ＣｕＴｉ_２，Ａｌ_２２Ｆｅ_３Ｔｉ_８，Ａｌ_６７Ｎｉ_８Ｔｉ_２５等を分散させた結晶粒微細化剤が開示されている。

アルミニウム合金鋳造材は、アルミニウム以外の元素を含むことにより、特性（例えば強度）を純アルミニウム鋳造材より向上させることができる。上記した純アルミニウムで使用される結晶粒微細化剤をアルミニウム合金鋳造材で用いると、アルミニウム合金鋳造材の組成が変化し、目的とする特性が得られない。そのため、アルミニウム合金鋳造材の組成が変化することを防止しつつアルミニウム合金鋳造材の組織を微細化するために、新たな微細化剤が必要とされる。本明細書は、組成変化を抑制しつつ、アルミニウム合金鋳造材の組織を微細化する組織微細化剤を提供する。

本明細書で開示する組織微細化剤は、アルミニウム合金鋳造材の組織を微細化するために用いる。その組織微細化剤は、アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相を有し、その母相中にアルミニウム合金鋳造材を構成する組織を微細化する組織微細化物質が含まれている。

上記の組織微細化剤は、母相がアルミニウム合金鋳造材と同じ組成で構成される。そのため、上記の組織微細化剤をアルミニウム合金鋳造材に加えても、アルミニウム合金鋳造材の組成は大きく変化しない。また、母相中に組織微細化物質が含まれているので、アルミニウム合金鋳造材を構成する組織を微細化することができる。なお、母相は、アルミニウム合金鋳造材の組成に基づいて選択する。すなわち、目的とするアルミニウム合金鋳造材によって、母相の組成は異なる。

本明細書で開示するアルミニウム合金鋳造材は、Ａｌ相と、ＡｌとＭｇとＳｉを含む共晶組織を含む。このアルミニウム合金鋳造材では、Ａｌ相の粒径が２０μｍ以上８０μｍ以下であり、共晶組織のラメラ間隔が９μｍ以下である。共晶組織のラメラ間隔を小さくするに従い、アルミニウム合金鋳造材の強度は大きくなる。本明細書で開示するアルミニウム合金鋳造材は、共晶組織のラメラ間隔が９μｍ以下であり、高強度である。なお、共晶組織のラメラ間隔を５μｍ以下に抑制すると、アルミニウム合金鋳造材の強度がさらに大きくなる。

本明細書では、アルミニウム合金鋳造用の組織微細化剤の製造方法も提供する。その製造方法は、混合粉体を作製する工程と、その混合粉体を焼成する工程を備える。混合粉体を製造する工程では、アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相物質と、アルミニウム合金鋳造材を構成する組織を微細化する組織微細化物質とを混合する。混合粉体を焼成する工程では、混合粉末を、９ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下、１５０℃以上５５０℃以下の環境下で焼結する。これにより、アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相中に組織微細化物質が含まれる組織微細化剤を製造することができる。

Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金微細化添加剤の微細組織を示す走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。 鋳造試験にて用いた金型を模式的に描いた図である。 微細化剤を添加しないで作製したＡＣ４Ａ鋳造材（試料１）の光学顕微鏡写真である。 Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金微細化剤を添加して作製したＡＣ４Ａ鋳造材（試料２）の光学顕微鏡写真である。 ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤の微細組織を示す走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。 ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料３）の微細組織を示す光学顕微鏡写真である。 ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤の微細組織を示す走査型電子顕微鏡写真の反射電子組成像である。 ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料４）の微細組織を示す光学顕微鏡写真である。 ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料３）の共晶組織を示す走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。 ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料４）の共晶組織を示す走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。 ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤の微細組織を示す走査型電子顕微鏡写真の反射電子組成像である。 ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料５）の微細組織を示す光学顕微鏡写真である。 ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料５）の共晶組織を示す走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。 未添加ＡＣ４Ａ鋳造材および微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材の初晶Ａｌの平均粒径である。 未添加ＡＣ４Ａ鋳造材および微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材の共晶組織の平均ラメラ間隔である。 未添加ＡＣ４Ａ鋳造材および微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材のビッカース硬さである。

まず、本明細書で開示する組織微細化剤の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

本明細書で開示する組織微細化剤は、アルミニウム合金鋳造材の組織を微細化するために用いられる。組織を微細化することにより、高強度のアルミニウム合金鋳造材を得ることができる。好ましくは、本明細書で開示する組織微細化剤は、ＡＣ４Ａ合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金）の組織を微細化するために用いる。ＡＣ４Ａ合金は、工業用金型や自動車用部品等、幅広い分野で用いることができる。

組織微細化剤は、組織を微細化する対象の鋳造材（アルミニウム合金鋳造材）と同じ組成の母相を有している。また、その母相中に鋳造材を構成する組織を微細化する組織微細化物質が含まれている。組織微細化物質は、組織微細化物質と母相が反応していない状態で母相に含まれていることが好ましい。また、複数の組織微細化物質が母相に含まれている場合、各組織微細化物質同士が、互いに反応していない状態で母相に含まれていることが好ましい。なお、アルミニウム合金鋳造材は、初晶Ａｌと共晶組織を有する。初晶Ａｌを微細化するための異質核物質（以下、初晶Ａｌ微細化物質と称することがある）と共晶組織を微細化するための物質（以下、共晶組織微細化物質と称することがある）の少なくとも一方が、母相に含まれていればよい。好ましくは、組織微細化剤は、初晶Ａｌ微細化物質と共晶組織微細化物質の双方を母相に含む。初晶Ａｌ微細化物質と共晶組織微細化物質の双方が母相に含まれていれば、アルミニウム合金鋳造材を構成する結晶組織全体での微細化効果が得られる。

初晶Ａｌを微細化させるための異質核物質（初晶Ａｌ微細化物質）として、Ａｌ_３Ｔｉ，ＴｉＢ_２，ＴｉＣ，Ａｌ_２Ｂ，Ａｌ_５ＣｕＴｉ_２が好ましい。また、異質核物質として、Ａｌ_２２Ｆｅ_３Ｔｉ_８、Ａｌ_６７Ｎｉ_８Ｔｉ_２５のようなＬ１_２構造を有する物質も好ましい。なお、初晶Ａｌ微細化物質として、Ａｌ_３Ｔｉ（Ａｌ_３Ｔｉ粒子）が特に好ましい。組織微細化剤の母相に対する異質核物質（初晶Ａｌ微細化物質）の体積比は、１１ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。

共晶組織を微細化するための物質（共晶組織微細化物質）は、Ｎａ，ＳｂあるいはＳｒのいずれか元素を含むことが好ましい。共晶組織微細化物質は、Ｎａ，ＳｂあるいはＳｒのいずれかを構成元素とするフラックスであってよい。例えば、Ｎａフラックスの一例としてＮａＦが挙げられる。アルミニウム合金鋳造材がＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金（例えば、ＡＣ４Ａ合金）の場合、組織微細化剤の母相がＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金であり、共晶組織微細化物質がＮａフラックスであることが好ましい。また、上記元素を含むフラックスを、組織微細化剤に対して５０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下の割合で複合化させることが好ましい。

本明細書に開示する組織微細化剤を用いるアルミニウム合金鋳造材として、ＡＣ１Ａ，ＡＣ１Ｂ，ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ，ＡＣ３Ａ，ＡＣ４Ａ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ４Ｃ，ＡＣ４ＣＨ，ＡＣ４Ｄ，ＡＣ５Ａ，ＡＣ７Ａ，ＡＣ７Ｂ，ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃ，ＡＣ９Ａ，ＡＣ９Ｂなどのアルミニウム合金鋳物、ＡＤＣ１，ＡＤＣ３，ＡＤＣ５，ＡＤＣ６，ＡＤＣ１０，ＡＤＣ１２などのアルミニウム合金ダイカストが挙げられる。本明細書で開示する組織微細化剤は、上記したアルミニウム合金鋳物，アルミニウム合金ダイカスト等の組織を微細化することができる。なお、組織微細化剤は、アルミニウム合金鋳造材に対して０．５％ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下の割合で添加されていることが好ましい。また、組織微細化剤は、アルミニウム合金鋳造材のインゴットを５８０℃以上８００℃以下で溶融した状態（溶湯となっている状態）で、溶湯に投入することが好ましい。また、必須ではないが、組織微細化剤を溶湯に投入した後に、金型に投入する前に、所定時間（例えば６０秒以下）保持してもよい。組織微細化剤を溶湯内によく分散させることができる。

アルミニウム合金鋳造材の一例として、Ａｌ相（初晶Ａｌ）と、ＡｌとＭｇとＳｉを含む共晶組織を含むものが挙げられる（例えばＡＣ４Ａ合金）。この場合、Ａｌ相の粒径が２０μｍ以上８０μｍ以下であり、共晶組織のラメラ間隔が９μｍ以下であることが好ましい。高強度のアルミニウム合金鋳造材が得られる。特に好ましくは、共晶組織のラメラ間隔は５μｍ以下である。なお、本明細書でいう「粒径」は、結晶粒あるいは初晶Ａｌの平均的な大きさのことである。結晶粒の場合、顕微鏡写真上に任意の長さの線を引き、線の長さを線が引かれている結晶粒の数で割ることにより平均値を算出する（切片法）。また、初晶Ａｌの粒径は，顕微鏡写真で面積を算出し、初晶Ａｌが円と仮定した場合の直径を算出する。すなわち、初晶Ａｌの平均結晶粒径は、初晶Ａｌの一つあたりの平均面積を算出し、円と仮定した初晶Ａｌの直径を算出するものである。

組織微細化剤は、混合粉末を作製する工程と、混合粉末を焼結する工程を経て製造することができる。混合粉末は、アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相物質と、アルミニウム合金鋳造材を構成する組織を微細化する組織微細化物質を混合して作製する。焼結工程では、混合粉末を、９ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下、１５０℃以上５５０℃以下の環境下で焼結することが好ましい。焼成時間は、１分以上２０分以下であることが好ましい。なお、焼結は、放電プラズマ焼結装置で実施することができる。より具体的には、組織微細化剤は、母相合金粉末，異質核物質粉末（初晶Ａｌ微細化物質），共晶組織を微細化するための元素を有するフラックス（共晶組織微細化物質）からなる混合粉末を、放電プラズマ焼結装置などを用いることによって、母相合金粉末と異質核物質、あるいは、母相合金粉末とフラックスの間で反応が生じないように焼結することが好ましい。

Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の一つであるＡＣ４Ａ鋳造材を、種々の組織微細化剤を用いて製造した。鋳造試験は、アルゴン雰囲気で実施した。図１は、従来の組織微細化剤を示している。図２は、ＡＣ４Ａ鋳造材を鋳造した金型１２を示す。ＡＣ４Ａ鋳造材は、耐火レンガ１０に上に配置した金型１２内にＡＣ４Ａ溶湯を投入し、冷却することにより製造した。金型１２は、内径５０ｍｍ，高さ６０ｍｍのものを用いた。

図１の組織微細化剤は、Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金である。Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金は、純アルミニウム鋳造材の結晶粒を微細化する結晶粒微細化剤として用いられる。この組織微細化剤を用いて、ＡＣ４Ａ鋳造材（アルミニウム合金鋳造材）の鋳造試験を行った。まず、ＡＣ４Ａ合金インゴット１４７．６ｇを溶解炉にて７３０℃で溶解し、Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金微細化剤２．４ｇを、ＡＣ４Ａ溶湯中に添加した。組織微細化剤を添加した後、ＡＣ４Ａ溶湯を３０秒攪拌し、さらに１２０秒間溶湯を保持した。その後、ＡＣ４Ａ溶湯を図２に示す金型に流し込み冷却した。なお、比較として、組織微細化剤を添加していないＡＣ４Ａ鋳造材も作製した。以下、組織微細化剤を添加していないで作製したＡＣ４Ａ鋳造材を試料１と称し、Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金微細化剤を添加して作製したＡＣ４Ａ鋳造材を試料２と称す。

図３は試料１の光学顕微鏡写真を示し、図４は試料２の光学顕微鏡写真を示している。すなわち、図３および図４は、それぞれ微細化剤を添加していないＡＣ４Ａ鋳造材および従来の微細化剤（Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｔｉ合金）を添加したＡＣ４Ａ鋳造材の微細組織を示す顕微鏡写真である。図３及び図４に示すように、両者のＡＣ４Ａ鋳造材の微細組織は、初晶Ａｌ２と共晶組織４にて構成されている。図３及び図４について、初晶Ａｌ２の平均粒径および共晶組織４の平均ラメラ間隔を測定した。

微細化剤を添加していないＡＣ４Ａ鋳造材（試料１）の初晶Ａｌの平均粒径および共晶組織の平均ラメラ間隔は、それぞれ６０ミクロン（μｍ）および６．３μｍであった。従来のＡｌ−５ｍａｓｓ％合金微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料２）の初晶Ａｌの平均粒径および共晶組織のラメラ間隔は、それぞれ５４μｍおよび５．９μｍであった。Ａｌ−５ｍａｓｓ％合金微細化剤を添加することにより、初晶Ａｌは１０％程度微細化されているが、共晶組織のラメラ間隔は微細化されていない。また、微細化剤を添加していないＡＣ４Ａ鋳造材および従来の微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材のビッカース硬さはそれぞれ６５ＨＶおよび６７ＨＶであり、微細化剤の添加による硬さの向上は小さかった。

次に、ＡＣ４Ａ鋳造材と同じ組成を有する母相に組織微細化物質が含まれる組織微細化剤を用いてＡＣ４Ａ鋳造材（試料３）を製造した。組織微細化物質は、Ａｌ_３Ｔｉを用いた。まず、以下の製造方法で組織微細化剤（ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤）を製造した。母相粉末であるＡＣ４Ａ合金粉末に、粒子径７５〜１５０μｍの球状Ａｌ_３Ｔｉ粉末を、微細化剤全体に対する体積比で１１％混合した混合粉末を作製した。次に、混合粉末を放電プラズマ焼結装置にて焼結し、ＡＣ４Ａを母相としてＡｌ_３Ｔｉ粒子が複合化されたＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を作製した。焼結条件は、焼結圧力４５ＭＰａ、焼結温度５００℃、焼結時間３００秒とした。

図５は、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤の走査型電子顕微鏡写真である。ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤には、ＡＣ４Ａ母相中に球状Ａｌ_３Ｔｉ粒子が分散していた。また、ＡＣ４Ａ母相とＡｌ_３Ｔｉ粒子との界面には第２相が生成していなく、両者の間での反応は生じていない。すなわち、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤では、Ａｌ_３Ｔｉ粒子が、ＡＣ４Ａと反応しない状態でＡＣ４Ａ内に含まれている。

図５に示す組織微細化剤を用いて試料３を製造した。まず、溶解炉にてＡＣ４Ａ合金インゴット１４７．６ｇを７３０℃で溶解し、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤（組織微細化剤）２．４ｇを、ＡＣ４Ａ溶湯中に添加した。組織微細化剤を添加した後、ＡＣ４Ａ溶湯を３０秒間攪拌し、さらに３０秒間溶湯を保持した。その後、ＡＣ４Ａ溶湯を図２に示す金型に流し込み冷却した。

図６は、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料３）の微細組織を示す光学顕微鏡写真である。試料３のＡＣ４Ａ鋳造材の微細組織も初晶Ａｌ２と共晶組織４で構成されていた。また、試料３のＡＣ４Ａ鋳造材の初晶Ａｌの平均粒径および共晶組織のラメラ間隔は、それぞれ５１μｍおよび６．２μｍであった。試料３の結果と、微細化剤を添加していないＡＣ４Ａ鋳造材における微細組織（試料１）の寸法を比較すると、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤の添加によって初晶Ａｌが微細化していることが分かる。さらに、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤は、試料２を作製する際に用いたＡｌ−５ｍａｓｓ％合金微細化剤に比べ、初晶Ａｌに対する微細化性能に優れていた。また、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材のビッカース硬さは６７ＨＶであり、Ａｌ−５ｍａｓｓ％合金微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材と同じ硬さであった。

次に、ＡＣ４Ａ鋳造材と同じ組成を有する母相に組織微細化物質が含まれる組織微細化剤を用いてＡＣ４Ａ鋳造材（試料４）を製造した。試料４は、試料３に対して組織微細化物質の種類が異なる。試料４の製造では、組織微細化物質は、Ａｌ_３ＴｉとＮａフラックスを用いた。組織微細化剤（ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤）は、以下の方法で製造した。まず、母相粉末であるＡＣ４Ａ合金粉末６．４５ｇに、粒子径７５〜１５０μｍの球状Ａｌ_３Ｔｉ粉末２．１９ｇ（微細化剤全体に対する体積比で１１％）と、Ｎａフラックス８．６４ｇを混合した混合粉末を作製した。次に、混合粉末を放電プラズマ焼結装置にて焼結し、ＡＣ４Ａを母相としてＡｌ_３Ｔｉ粒子とＮａフラックスが複合化されたＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を作製した。焼結条件は、焼結圧力４５ＭＰａ、焼結温度５００℃、焼結時間３００秒とした。

図７は、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤の走査型電子顕微鏡写真である。ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤には、ＡＣ４Ａ母相中に球状Ａｌ_３Ｔｉ粒子およびＮａフラックスが分散していた。また、ＡＣ４Ａ母相とＡｌ_３Ｔｉ粒子の界面、及び、ＡＣ４Ａ母相とＮａフラックスの界面には第２相が生成していなく、両者の間での反応は生じていない。Ａｌ_３Ｔｉ粒子及びＮａフラックスは、ＡＣ４Ａと反応しない状態でＡＣ４Ａ内に含まれている。

図７に示す組織微細化剤を用いて試料４を製造した。まず、溶解炉にてＡＣ４Ａ合金インゴット１４７．６ｇを７３０℃で溶解し、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤（組織微細化剤）２．４ｇを、ＡＣ４Ａ溶湯中に添加した。組織微細化剤を添加した後、ＡＣ４Ａ溶湯を３０秒間攪拌し、さらに２０秒間溶湯を保持した。その後、ＡＣ４Ａ溶湯を図２に示す金型に流し込み冷却した。

図８は、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料４）の微細組織を示す光学顕微鏡写真である。試料４のＡＣ４Ａ鋳造材の微細組織も初晶Ａｌ２と共晶組織４で構成されていた。試料４のＡＣ４Ａ鋳造材は、試料２のＡＣ４Ａ鋳造材（組織微細化剤が添加されていない）に比べ、より微細な共晶組織を有していた。また、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料４）の初晶Ａｌの平均粒径および共晶組織のラメラ間隔は、それぞれ４９μｍおよび３．０μｍであった。試料４の結果と、微細化剤を添加しないＡＣ４Ａ鋳造材（試料１）および他の微細化剤を用いて作製したＡＣ４Ａ鋳造材（試料２，試料３）における各組織の寸法と比較すると、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤は初晶Ａｌと共晶組織の両方を微細化できていることが分かる。さらに、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材のビッカース硬さは７１ＨＶであり、Ａｌ−５ｍａｓｓ％合金微細化剤あるいはＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料２，試料３）に比べて高い硬さであった。

図９および図１０は、それぞれＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料３）およびＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料４）の共晶組織を示した走査型電子顕微鏡写真である。図９および図１０の写真からも、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材は、より微細な共晶組織を持つことが分かる。

次に、ＡＣ４Ａ鋳造材と同じ組成を有する母相に組織微細化物質が含まれる組織微細化剤を用いてＡＣ４Ａ鋳造材（試料５）を製造した。試料５の製造では、組織微細化物質は、Ａｌ_３ＴｉとＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒを用いた。試料は、Ｎａフラックスに代えてＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒを用いている点が試料４と異なる。まず。母相粉末であるＡＣ４Ａ合金粉末１４．７９ｇに、粒子径７５〜１５０μｍの球状Ａｌ_３Ｔｉ粉末２．１９ｇ（微細化剤全体に対する体積比で１１％）と、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒ０．３ｇ（ＡＣ４Ａ鋳造材に対して０．２ｍａｓｓ％）を混合した混合粉末を作製した。次に、混合粉末を放電プラズマ焼結装置にて焼結し、ＡＣ４Ａを母相としてＡｌ_３Ｔｉ粒子とＡｌ−Ｓｒ粒子が複合化されたＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を作製した。焼結条件は、焼結圧力４５ＭＰａ、焼結温度５００℃、焼結時間３００秒である。

図１１は、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤の走査型電子顕微鏡写真である。ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤には、ＡＣ４Ａ母相中に球状Ａｌ_３Ｔｉ粒子およびＡｌ―Ｓｒ粒子が分散していた。また、ＡＣ４Ａ母相とＡｌ_３Ｔｉ粒子の界面、及び、ＡＣ４Ａ母相とＡｌ―Ｓｒ粒子の界面には第２相が生成していなく、両者の間での反応は生じていない。Ａｌ_３Ｔｉ粒子及びＡｌ―Ｓｒ粒子は、ＡＣ４Ａと反応しない状態でＡＣ４Ａ内に含まれている。

図１１に示す組織微細化剤を用いて試料５を製造した。まず、溶解炉にてＡＣ４Ａ合金インゴット１４７．６ｇを７３０℃で溶解し、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤（組織微細化剤）２．４ｇを、ＡＣ４Ａ溶湯中に添加した。組織微細化剤を添加したＡＣ４Ａ溶湯を３０秒間攪拌した後、ＡＣ４Ａ溶湯を図２に示す金型に流し込み冷却した。なお、試料５の製造では、ＡＣ４Ａ溶湯を攪拌した後、保持を行わなかった（保持時間０秒）。

図１２は、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料５）の微細組織を示す光学顕微鏡写真である。試料５のＡＣ４Ａ鋳造材の微細組織も初晶Ａｌ２と共晶組織４で構成されていた。試料５のＡＣ４Ａ鋳造材は、試料２のＡＣ４Ａ鋳造材（組織微細化剤が添加されていない）に比べて微細な共晶組織を有していた。また、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料５）の初晶Ａｌの平均粒径および共晶組織のラメラ間隔は、それぞれ４８μｍおよび５．４μｍであった。試料５の初晶Ａｌの平均粒径は、試料４とほぼ同一であった。試料５の結果と、微細化剤を添加しないＡＣ４Ａ鋳造材（試料１）および他の微細化剤を用いて作製したＡＣ４Ａ鋳造材（試料２，試料３）における各組織の寸法と比較すると、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤は初晶Ａｌと共晶組織の両方を微細化できていることが分かる。さらに、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材のビッカース硬さは６９ＨＶであり、Ａｌ−５ｍａｓｓ％合金微細化剤あるいはＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料２，試料３）に比べて高い硬さであった。

図１３は、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材（試料５）の共晶組織を示した走査型電子顕微鏡写真である。図１３の写真からも、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ―Ｓｒ微細化剤を添加したＡＣ４Ａ鋳造材は、微細な共晶組織を持つことが分かる。

図１４は試料１〜５における初晶Ａｌの平均粒径（μｍ）を示し、図１５は試料１〜５における共晶組織の平均ラメラ間隔（μｍ）を示し、図１６は試料１〜５のビッカース硬さ（ＨＶ）を示している。図１４及び図１５のグラフからも、ＡＣ４Ａ鋳造材と同じ組成を有する母相に組織微細化物質が含まれる組織微細化剤を用いることにより、ＡＣ４Ａ鋳造材の組織が微細化することが示される（試料３，４及び５）。

ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｎａ微細化剤及びＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｓｒ微細化剤は、初晶Ａｌに対して高い微細化性能を持つことが分かる（試料４及び５）。また、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｎａ微細化剤及びＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｓｒ微細化剤は、共晶組織を微細化する効果も確認できる。特に、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｎａ微細化剤は、初晶Ａｌおよび共晶組織の双方に対して、高い微細化性能を持つことが分かる。さらに、図１６に示すＡＣ４Ａ鋳造材のビッカース硬さのグラフからも分かるように、ＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｎａ微細化剤及びＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｓｒ微細化剤は、ＡＣ４Ａ鋳造材の組織が微細化され、硬さを向上させている。

以上より、ＡＣ４Ａ鋳造材と同じ組成を有する母相に組織微細化物質が含まれる組織微細化剤は、ＡＣ４Ａ鋳造材の組成変化を抑制しつつ、さらに、ＡＣ４Ａ鋳造材の組織微細化剤として有用であるということができる。特に、ＡＣ４Ａ―Ａｌ_３Ｔｉ―Ｎａ微細化剤及びＡＣ４Ａ−Ａｌ_３Ｔｉ−Ｓｒ微細化剤（試料４及び５）は、ＡＣ４Ａ鋳造材の組織微細化剤として優れた効果を示すといえる。

なお、上記実施例（試料４，５）では、組織微細化物質として、Ａｌ_３ＴｉとＮａフラックス（試料４），Ａｌ_３ＴｉとＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒ（試料５）を用いた。図１４〜図１６に示すように、Ａｌ_３Ｔｉは主に初晶Ａｌの微細化に寄与する。また、Ｎａフラックス及びＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒは、主に共晶組織の微細化に寄与する。実際には、Ｎａ元素及びＳｒ元素が共晶組織の微細化に寄与している。そのため、例えば、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒに代えて、Ｓｒフラックスを用いても同様の効果が得られる。あるいは、Ｎａフラックス又はＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｒに代え、共晶組織を微細化する物質として知られているＳｂフラックス等を用いることもできる。また、Ａｌ−Ｓｂ合金を用いても、共晶組織を微細化する効果が得られる。Ａｌ−Ｓｂ合金は、Ｓｒ元素を含む材料（合金）の中で入手が比較的容易な材料である。重要なことは、アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相中に、アルミニウム合金鋳造材を構成する組織を微細化する組織微細化物質が含まれていることである。そのため、組織微細化物質として、初晶Ａｌを微細化する物質（初晶Ａｌ微細化物質）と、共晶組織を微細化する物質（Ｎａ，Ｓｂ，Ｓｒ等の元素を含む物質：共晶組織微細化物質）の双方を用いることが好ましいが、初晶Ａｌ微細化物質と共晶組織微細化物質の少なくとも一方が含まれていればよい。

本発明は、自動車用部品、航空機用部品、船舶用部品、産業機械部品、電気機器部品、建築部品および各種金型などに用いられているアルミニウム合金の組織微細化剤などに利用できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (6)

1. アルミニウム合金鋳造用であり、溶融した状態のアルミニウム合金鋳造材に加えるための組織微細化剤であって、
   アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相を有し、その母相中に、アルミニウム合金鋳造材の初晶Ａｌを微細化する初晶Ａｌ微細化物質と、アルミニウム合金鋳造材の共晶組織を微細化する共晶組織微細化物質と、が含まれており、
   前記母相、初晶Ａｌ微細化物質及び共晶組織微細化物質が、互いに反応しない状態で組織微細化剤を構成しており、
   前記母相に対する初晶Ａｌ微細化物質の体積比が１１ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下であり、
   組織微細化剤中の共晶組織微細化物質の割合が５０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下である組織微細化剤。
2. 初晶Ａｌ微細化物質がＡｌ₃Ｔｉ粒子であり、共晶組織微細化物質がＮａ、ＳｂあるいはＳｒのいずれかの元素を含む、請求項１に記載の組織微細化剤。
3. 共晶組織微細化物質がフラックスである、請求項２に記載の組織微細化剤。
4. 前記母相がＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金であり、共晶組織微細化物質がＮａフラックスである、請求項３に記載の組織微細化剤。
5. アルミニウム合金鋳造用であり、溶融した状態のアルミニウム合金鋳造材に加えるための組織微細化剤の製造方法であって、
   アルミニウム合金鋳造材と同じ組成を有する母相物質と、母相物質に対する体積比が１１ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下の初晶Ａｌ微細化物質と、組織微細化剤の全体に対して５０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下の共晶組織微細化物質と、を混合して混合粉末を作製する工程と、
   前記混合粉末を、９ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下、１５０℃以上５５０℃以下の環境下で、前記母相、初晶Ａｌ微細化物質及び共晶組織微細化物質が互いに反応しない状態で組織微細化剤を構成するように焼結する工程と、を備える製造方法。
6. 前記焼結は、放電プラズマ焼結装置で実施される請求項５に記載の製造方法。