JP7238545B2

JP7238545B2 - アルミニウム合金及び鋳造部品の製造方法

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Publication number: JP7238545B2
Application number: JP2019067908A
Authority: JP
Inventors: 充潤豊田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP2020164944A

Description

本発明は、アルミニウム合金及びそれを用いて形成された鋳造部品に関する。

例えば自動車等の機械分野において、各種部品の軽量化等の目的でアルミニウム合金が用いられている。例えば特開２０１５－１０７４９２号公報（特許文献１）には、所定組成のアルミニウム合金の溶湯を鋳造用金型に流し込んで形成された鋳造部品が開示されている。このアルミニウム合金は、１～３重量％のＳｉと、４～６重量％のＭｇと、１重量％以下のＦｅと、１重量％以下のＭｎと、０．１～０．２重量％のＴｉ及び０．００１５～０．００３重量％のＢｅの少なくとも一方と、０．５重量％以下のＣｕとを含有している。

特開２０１５－１０７４９２号公報

特許文献１には、アルミニウム合金中のＣｕの含有量に関して、その上限値を設けることの技術的意義は明らかにはされておらず、加えて、「０．５重量％以下とする」ことしか開示されていない。しかし、本発明者らの検討によれば、Ｃｕの含有量が特許文献１で規定されているような０．５重量％以下であっても、そのアルミニウム合金を用いて鋳造部品を形成した際に、十分な耐食性が得られない場合があることが明らかになった。また、鋳造部品を得るにあたっては、一般的な要求事項として、熱処理時間はできるだけ短く済むことが好ましい。

耐食性の向上と熱処理時間の短縮とを両立し得るアルミニウム合金の実現が望まれる。

本開示に係るアルミニウム合金は、
１～３重量％のＳｉと、４～６重量％のＭｇと、１．１重量％以下のＦｅと、１．１重量％以下のＭｎと、０．１～０．２重量％のＴｉと、０．００１～０．００５重量％のＢｅと、０．０５～０．１５重量％のＣｕと、を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。

本発明者らの検討によれば、アルミニウム合金中に０．０５重量％以上のＣｕを含有させることで、そのアルミニウム合金を用いて鋳造部品を形成する際のピーク時効までの時間を短縮できることが明らかになった。また、本発明者らの検討によれば、Ｃｕの含有量を次第に増加させていって０．１５重量％を超えると、そのアルミニウム合金から得られる鋳造部品の耐食性が悪化することが明らかになった。すなわち、Ｃｕの含有量を０．１５重量％以下に抑えることで、鋳造部品の耐食性を向上できることが明らかになった。以上より、１～３重量％のＳｉと、４～６重量％のＭｇと、１．１重量％以下のＦｅと、１．１重量％以下のＭｎと、０．１～０．２重量％のＴｉと、０．００１～０．００５重量％のＢｅと、Ｃｕとを含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金において、Ｃｕの含有量を０．０５～０．１５重量％とすることで、耐食性の向上と熱処理時間の短縮とを両立することが可能となる。

本開示に係る技術のさらなる特徴と利点は、図面を参照して記述する以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。

熱処理時間と硬さとの関係を示すグラフ試験例１のアルミニウム合金から得られる鋳造部品の断面写真試験例２のアルミニウム合金から得られる鋳造部品の断面写真試験例３のアルミニウム合金から得られる鋳造部品の断面写真Ｃｕ含有量と腐食性との関係を示すグラフバルブボディを示す模式図

アルミニウム合金の実施形態について、図面を参照して説明する。

なお、以下の説明においては、特に明記しない限り、２つの数値（下限値・上限値）を“～”で結んで示す数値範囲は、「（下限値）以上（上限値）以下」の範囲を示すものとする。また、特に明記しない限り、「％」は「重量％」を示すものとする。例えば「０．０５～０．１５％」は、「０．０５重量％以上０．１５重量％以下」を表す。

本実施形態のアルミニウム合金は、Ｓｉ（ケイ素）と、Ｍｇ（マグネシウム）と、Ｆｅ（鉄）と、Ｍｎ（マンガン）と、Ｔｉ（チタン）と、Ｂｅ（ベリリウム）と、Ｃｕ（銅）とを含有する。これらの成分を除いた残部は、Ａｌ（アルミニウム）であり、微量の不可避的不純物が含まれていても良い。

アルミニウム合金は、１～３％のＳｉと４～６％のＭｇとを含有する。ＳｉとＭｇとを含んだアルミニウム合金は、α―Ａｌ相とＭｇ_２Ｓｉ相の共晶を形成するため、これらの共晶を形成することで湯流れ性、耐凝固割れ性、及び引け性等の鋳造性に優れたものとしている。ＳｉはＭｇとＭｇ_２Ｓｉ相を形成することから、Ｓｉは後述するＭｇの含有量に応じて適切に配合される。

アルミニウム合金は、Ｍｇ含有量が４％未満であるとＭｇ_２Ｓｉがあまり晶出せず共晶の微細化が限定的となる。一方、Ｍｇ含有量が６％超となると、その酸化物が合金中に残留する可能性が高くなって酸化物が鋳造性を阻害し、或いは、鋳造後の形状加工（例えば切削等）において工具を損傷させる恐れが生じる。Ｍｇ含有量を４～６％とすることで、加工時に不都合を生じさせることなく、共晶を微細化することができる。ＳｉとＭｇとの含有量の比は、特に限定されないが、例えばＳｉ：Ｍｇ＝１：２～１：３程度が好ましく、Ｓｉ：Ｍｇ＝２：５がより好ましい。

アルミニウム合金は、１．１％以下のＦｅを含有する。また、アルミニウム合金は、１．１％以下のＭｎを含有する。Ｆｅ及びＭｎは、溶湯を鋳型に流し込んで鋳造する際の焼き付きを防止するために含有されている。ＦｅとＭｎとの含有量の比は、特に限定されないが、Ｍｎの含有量がＦｅの含有量よりも多いことが好ましく、Ｍｎの含有量がＦｅの含有量の２倍以上であることがより好ましい。また、Ｆｅ及びＭｎ量が多くなると、初晶Ａｌ_１５(Ｆｅ，Ｍｎ)_３Ｓｉ_２相が初晶として晶出する。初晶はα―Ａｌが靭性確保のため都合が良いため、初晶Ａｌ_１５(Ｆｅ，Ｍｎ)_３Ｓｉ_２相は晶出させるべきではない。そのため、Ｍｎ含有量を低く抑えることが望ましい。しかし、Ｍｎは焼き付きを防止する元素でもあるため、ある一定量が必要となる。よって、Ｍｎの含有量は０．６％程度であることが好ましく、総合的に考えると、Ｆｅ含有量は０．２５％未満であることが好ましい。

アルミニウム合金は、Ｔｉを含有する。Ｔｉは初晶α―Ａｌ相を微細化するために含有されている。初晶α―Ａｌ相の微細化効果を効率良く得るには、Ｔｉ含有量は０．１～０．２％が適当とされる。

アルミニウム合金は、Ｂｅを含有する。Ｂｅは犠牲酸化元素として，０．００１～０．００５％程度添加することが必要である．Ｂｅは０．００３％程度が望ましい。また、溶湯状態において、例えば１時間毎に，少量のＡｌ－２．５％Ｂｅ母合金を添加することが望ましい。Ｂｅには共晶の微細化効果も期待される。

アルミニウム合金は、０．０５～０．１５％のＣｕを含有する。Ｃｕは、機械的性質を向上させるために含有されている。Ｃｕ含有量が０．０５％未満であるとピーク時効までの時間が大幅に長くなり、Ｃｕ含有量が０．１５％超となると、ＣｕとＡｌとの大きな電位差に起因して、得られる鋳造部品の耐食性が悪化する。Ｃｕ含有量を０．０５～０．１５％とすることで、耐食性の向上と熱処理時間の短縮とを両立することができる。

不可避的不純物は、原料中に含まれる不純物や製造時に混入する不純物等であって、技術的又はコスト的な理由（例えば、除去することが技術的に不可能、又は、除去することに著しく過大な経済的支出や時間を要する等の理由）により、除去することが困難な成分である。不可避的不純物としては、例えばＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｚｎ（亜鉛）、及びＰ（リン）が例示される。これらは、鋳造性に好ましくない影響を与える可能性があるため、低含有量に規制されていることが好ましい。特に、Ｐに関しては、その含有量は０．００１％以下に抑えられていることが好ましい。Ｐ含有量を０．００１％以下とすることで、結晶を微細化することができる。

本実施形態のアルミニウム合金は、例えば、グラファイト製、ハイアルミナ製（例えばＡｌ_２Ｏ_３を９０％以上含有し、アルミナセメントをバインダとして用いたもの）、石英製、陶磁製、又は金属製等のるつぼに各成分元素の原料（例えば高純度のインゴット又は他の合金）を投入し、るつぼ内で原料を溶解することによって得ることができる。また、上述したアルミニウム合金を用いて製造される鋳物（鋳造部品）は、上記のようにして溶解させたアルミニウム合金（溶湯）を、例えば砂型や金型等の鋳型に流し込んで凝固させることによって得ることができる。

得られた鋳物（鋳造部品）は、熱処理を施さなくても十分な耐力が発揮されるが、鋳物に生じる永久成長の防止のために熱処理を施されることが好ましい。この熱処理は、１６０～２００℃の温度で３～７時間維持することによって実施することができる。

以下、本実施形態のアルミニウム合金について、複数の試験例の結果を示しつつより詳細に説明する。

下記の表１に示す各組成の材料を無塗装の黒鉛るつぼ内において７２０℃で加熱して溶解させ、鋳造用の溶湯を用意した。酸化抑止のため、大気式よりもＡｒガスやＮ_２ガスによる不活性元素による置換式が好ましい。１５０℃に予熱した鋳型に７００℃の溶湯を注入し、５分後に鋳型から鋳物を取り出して自然放冷した。その後、大気式電気炉で熱処理を行った。１０分間かけて常温から１８０℃まで昇温させ、所定時間（５時間～２０時間）、１８０℃に維持させた。耐食性の確認は、塩水噴霧試験機を用いて常温にて４％ＮａＣｌ水溶液を７２時間噴霧し、脱錆後に腐食減量を求めることにより行った。引張試験は、鋳型の底面から１０ｍｍの位置から採取した試験片をＪＩＳ１４Ａ号に規定される比例試験片形状に加工し、ロードセルの速度を０．１ｍｍ／ｍｉｎとして最終破断まで行った。

図１に、試験例１及び試験例２の各試験片についての熱処理時間と硬さとの関係を示す。この図に示されるグラフ（熱処理時間と硬さとの関係を示すグラフ）から、Ｃｕを０．１％含有させた試験例２の試験片は、Ｃｕを実質的に含有しない試験例１の試験片に比べて、ピーク時効までの時間が大幅に短くなっていることが分かる。

図２～図４に、試験例１～試験例３の各試験片の断面の電子顕微鏡写真を示す。図２に示すように、Ｃｕを実質的に含有しない試験例１では、当然ながら、腐食の原因となるＡｌ_２Ｃｕの析出は見られない。図３に示すように、Ｃｕ含有量を０．１％とした試験例２の試験片でも、Ａｌ_２Ｃｕの析出は見られなかった。一方、図４に示すように、Ｃｕ含有量を０．２％まで増加させた試験例３の試験片では、いくつかのＡｌ_２Ｃｕが析出していることが確認された。

Ｃｕ含有量が腐食性（耐食性）に与える影響をより詳細に検証するため、下記の表２に示す各組成の材料を用いて、さらに試験を行った。

図５に、Ｃｕ含有量と腐食性との関係を示す。なお、縦軸は腐食減量であり、この値が小さいほど耐食性が高いことを示す。この図に示されるグラフ（Ｃｕ含有量と腐食性との関係を示すグラフ）から、少なくともＣｕ含有量が０．２％未満では耐食性が維持されており、Ｃｕ含有量が０．２％程度でやや耐食性が悪化し始め、少なくともＣｕ含有量が０．５％以上で耐食性が大幅に悪化していることが分かる。

このことは、先の図１の結果及び図２～図４の結果とも合わせて、Ｃｕを０．１％含有させることで、耐食性の向上と熱処理時間の短縮とが両立し得ることを実証している。ここで、Ｃｕを含有することによる熱処理時間の短縮効果は、図１のグラフの横軸が対数目盛であることを考慮すれば、Ｃｕ含有量が０．０５％であっても十分に達成されることが理解できる（試験例４の結果も参照）。また、Ｃｕ含有量が０．２％では、Ａｌ_２Ｃｕが析出し始めるものの（図４を参照）、耐食性が悪化するとまでは言い切れない程度である（図５を参照）。このことは、Ｃｕ含有量０．２％付近に臨界点が存在し、その臨界点の前後で急激に耐食性が悪化する可能性が高いことを示唆している。

逆に言えば、上記の各試験の結果は、本実施形態のアルミニウム合金は０．０５～０．１５％のＣｕを含有することで耐食性の向上と熱処理時間の短縮とを両立するという、公知技術からは予測し得ない質的に顕著な効果を奏することを示唆していると言える。

本実施形態のアルミニウム合金は、例えば輸送機器（自動車・船舶・鉄道車両・飛行機等）、産業機器（設備機器・生産ラインシステム等）、又は民生機器（家電製品・電子機器・通信機器等）等の用途に利用することができる。より具体的な用途の一例としては、例えばエンジン用構造部材（シリンダブロック・シリンダヘッド等）やケース部材（トランスミッションケース・ポンプボディ（図６を参照）・ポンプカバー・バルブボディ等）等の自動車関連部品が例示される。

〔実施形態の概要〕
以上をまとめると、本開示に係るアルミニウム合金は、好適には、以下の各構成を備える。

アルミニウム合金であって、
１～３重量％のＳｉと、４～６重量％のＭｇと、１．１重量％以下のＦｅと、１．１重量％以下のＭｎと、０．１～０．２重量％のＴｉと、０．００１～０．００５重量％のＢｅと、０．０５～０．１５重量％のＣｕと、を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。

一態様として、
前記不可避的不純物の一種としてＰを含有する場合における当該Ｐの含有量が０．００１０重量％以下であることが好ましい。

この構成によれば、アルミニウム合金の結晶を良好に微細化することができる。

一態様として、
Ｍｎの含有量がＦｅの含有量よりも多いことが好ましい。

この構成によれば、アルミニウム合金の溶湯を鋳型に流し込んで鋳造する際の焼き付きを良好に防止することができる。

また、本開示に係る鋳造部品は、好適には、以下の構成を備える。

上述した各構成のアルミニウム合金を用いて形成された、鋳造部品であって、
溶湯を鋳型に流し込んで鋳造した後、得られた鋳物を３～７時間、１６０～２００℃に維持して得られる。

この構成によれば、上述したアルミニウム合金を用い、ピーク時効までの時間が短いという特性を活かして、３～７時間という比較的短時間の熱処理で、耐食性に優れた鋳造部品を効率良く得ることができる。

本開示に係るアルミニウム合金及び鋳造部品は、上述した各効果のうち、少なくとも１つを奏することができれば良い。

Claims

１～３重量％のＳｉと、４～６重量％のＭｇと、１．１重量％以下のＦｅと、１．１重量％以下のＭｎと、０．１～０．２重量％のＴｉと、０．００１～０．００５重量％のＢｅと、０．０５～０．１５重量％のＣｕと、を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である、アルミニウム合金。
Ｍｎの含有量がＦｅの含有量よりも多い、請求項１に記載のアルミニウム合金。
Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂｅ、Ｃｕ、及びＡｌを、Ｓｉが１～３重量％、Ｍｇが４～６重量％、Ｆｅが１．１重量％以下、Ｍｎが１．１重量％以下、Ｔｉが０．１～０．２重量％、Ｂｅが０．００１～０．００５重量％、Ｃｕが０．０５～０．１５重量％、残部がＡｌ及び不可避的不純物となるように容器内に投入して加熱し、溶湯を得る工程と、
前記溶湯を鋳型に流し込んで鋳造し、鋳物を得る工程と、
を含む、鋳造部品の製造方法。
前記鋳物を３～７時間、１６０～２００℃に維持する工程をさらに含む、請求項３に記載の鋳造部品の製造方法。