JPH0678576B2

JPH0678576B2 - 過共晶Ａｌ―Ｓｉ合金用初晶Ｓｉ微細化剤

Info

Publication number: JPH0678576B2
Application number: JP22819590A
Authority: JP
Inventors: 哲夫神田; 昭男橋本
Original assignee: NIKKEI GIKEN KK
Current assignee: NIKKEI GIKEN KK
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPH03207828A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）過共晶Al−Si合金鋳造体の初晶Siを微細化するための微
細化剤であって、アルミニウムまたはアルミニウム合金
材の表面に、Ｐ含有合金メッキ層を形成させた事を特徴
とする過共晶Al−Si合金用初晶Si微細化剤に係るもので
ある。

（従来の技術） Al−Si系合金は流動性において優れているところから複
雑な形状、構造を有する鋳造体を得る目的において広く
採用されている。殊に重量％（以下単に％という）でSi
が11.7％以上を含有した過共晶Al−Si系合金は熱膨張係
数が小さく、耐熱性においても優れていて、しかも溶湯
凝固の際に初晶Siが晶出し、この初晶Siは硬度が高くて
耐摩耗性に優れていることからピストンなどの内燃機関
材料として広く利用されている。ところでこの初晶Siの
粒径が大きいと鋳造体の切削性および機械的性質が低下
するのでその粒径を可及的に微細化することが強く要望
されており、このために合金溶湯を急冷凝固させたり
（例えば特開昭52−129607）、合金溶湯中にＰを添加し
てＰ処理をしてから鋳造し、切晶Siを微細化しているが
一般的である。

そして、Ｐの添加法としてはヘキサメタリン酸ナトリウ
ムなどのフラックスによる方法（例えば、特開昭52−15
3817）やCu−８％Ｐなどのリン含有合金を添加する方法
（例えば、特開昭60−204843）が開示されている。

（発明により解決しようとする課題）然しこの溶湯にＰを添加して初晶Siを微細化する場合に
おいても実際の鋳造に際して困難な問題点を有してい
る。即ち実際の鋳造体においては肉厚の大なる部分と薄
い部分とが一体となっていることが一般的であって、こ
のような鋳造体を得る場合に、冷却速度の遅い肉厚部分
の初晶Siを微細化するためにＰの添加量を増加すること
が必要で、斯うしてＰの添加量を増加してゆくと溶湯の
流動性が低下し、肉厚の薄い部分においては湯廻り不良
を発生する。そこでこのような湯廻り不良を発生するよ
うな場合に溶湯の鋳造温度を高くして鋳造することも行
われているが、この場合には肉厚の厚い部分において
は、凝固収縮量が大きくなり、ピンホールを発生して不
良品となる等の欠点を伴う。

そして、Cu−Ｐ合金などの合金系微細化剤では、Ｐ処理
温度にもよるがＰの歩留が30％〜50％と低いため添加量
の増大にともない不純物としての金属、たとえばCuなど
が溶湯中に増加し、品質上問題となることもある。

一方、フラックス系微細化剤においてはＰの歩留が合金
系よりもさらに低く、10〜30％のため、大量のフラック
スを必要とし、反応時、不快な臭気を発生するため作業
性が悪く、かつ、発生した滓が鋳造体に巻込まれ、品質
上問題となることも多い。

本発明は、これらの課題を解決するために創案された微
細化剤である。

すなわち、ピンホール防止のため、溶湯への添加温度を
低くすることを可能とし、かつ、不純物の混入を最少に
させるためにＰの歩留を向上させ、鋳造体の機械的性質
の向上もはかるために、初晶Siの最大粒径を従来品より
もさらに小さくし得るよう開発した初晶Si微細化剤に関
するものである。

（課題を解決するための手段）過共晶Al−Si合金における初晶Siの微細化法として鋳造
前の溶湯へのＰ添加が、すでに述べたように一般的であ
るが、Ｐ添加による初晶Siの微細化現象について種々実
験した結果、初晶Siを微細化させるにはアルミニウム溶
湯中に、遊離のＰが必要で、そのＰがAlと反応して、Al
−Ｐ化合物を形成し、それが初晶Siの結晶核となり、従
って結晶核が多数あるほど初晶Siが微細化されると推定
された。それゆえ、アルミニウム溶湯中へ遊離のＰを多
量に存在させる事が、初晶Si微細化のポイントとなるわ
けである。そして、アルミニウム又はアルミニウム合金
素材の表面にNi−Ｐ合金メッキを行って製造した微細化
剤が従来よりも60℃も低温でＰ処理が可能であり、Ｐの
歩留も90％以上と、Cu−Ｐ合金添加の場合よりも50％も
良く、かつ初晶Siの最大結晶粒径も20μｍも小さくな
り、従って、鋳造体の機械的性質を向上させる微細化剤
であることを見出したのである。

以下、アルミニウム又はアルミニウム素材にNi−Ｐ合金
メッキした微細化剤が過共晶Al−Si合金の初晶Si微細化
剤として有効に効く理由を説明する。

（１）初晶Siの微細化に関するNi−Ｐ合金メッキ中のＰ
の役割についてフラックス系のＰ添加剤よりも合金系のＰ添加剤の方
が、Ｐの歩留および作業性、炉滓などの反応生成物の鋳
造体への混入の点ではるかに有利であることは言うまで
も無いが、課題はＰ含有合金を製造するところにある。

Al−Ｐ系合金の製造は高温反応等のため、工業的には非
常にむづかしく、Cu−P,Fe−P,Mn−ＰなどのＰ含有合金
などが反応温度を下げるため、共晶点を利用して製造さ
れている。そして、出来上ったＰ含有合金は当然のこと
ながら、Ｐの形態として遊離のＰ、すなわち固溶してい
るＰは少なく、ほとんどがＰと金属の融点の高い金属間
化合物、例えばCu₃P,Fe₂P,Mn₃Pなどになっている。それ
ゆえ、これらのＰ含有合金を過共晶Al−Si合金の溶湯中
へ添加し、微細化処理を行う場合、得られた知見による
と、遊離のＰとAlの反応生成物が初晶Siの結晶核として
必要ゆえ、溶湯の温度を上げて、Ｐの金属間化合物を分
解し、遊離のＰを生じさせなければならない。この事は
アルミニウム溶湯のガスの吸収などの点で不都合であ
り、逆に温度を上げなければ、Ｐの歩留を低下させ、十
分な初晶Siの微細化が行なわれない。ところが、このＰ
含有合金の製造をメッキ法にて行うと、メッキ皮膜中の
Ｐが皮膜合金中に固溶された状態、すなわち遊離の状態
で多量に存在し、従って、これがアルミニウム溶湯中に
溶けた場合、ＰとAlの反応がすみやかに行なわれて、初
晶Siの結晶核となるAl−Ｐ化合物が多量に生成する。そ
して、処理温度も、Ｐの金属間化合物を分解する必要が
無いため高温にしなくても良いゆえ、ガス吸収も少なく
なり、Ｐの歩留も良い。

メッキによるＰ含有合金の製造法では、Ni−Ｐ以外にNi
−Cu−P,Mn−P,Fe−P,Co−Ｐ等も知られているが、全く
同じ事が言える。

無電解メッキしたNi−11％Ｐメッキ皮膜のＸ線チャート
図によると、Niの（111）面のピークがブロードでNi−
Ｐ金属間化合物のピークは明瞭ではない。

電解メッキしたNi−２％Ｐメッキ皮膜のＸ線チャート図
によると、Niの（111）面およびNiの（200）面のピーク
が明瞭でNi−Ｐ金属間化合物のピークは明瞭ではない。
いずれの皮膜も400℃以上に加熱するとNi₃P等の金属間
化合物のピークが明瞭になるゆえ、メッキしたままの皮
膜中のＰは、大部分が金属間化合物を形成せず、Niに固
溶している事を示している。

（２）被メッキ体についてＰ含有メッキされる被メッキ体は、金属であれば何んで
も良いわけであるが、アルミニウム合金へ添加される微
細化剤としての用途ゆえアルミニウム又はアルミニウム
合金材が最も好ましい。そして、形状は板、線、箔、粉
など特に限定する必要は無いが、アルミニウム合金材と
言えども添加量は少ない方が好ましいゆえ、重量あたり
の表面積が大きい方が良い。かつ表面積が大きければ、
Ｐ含有メッキ皮膜が、すみやかにアルミニウム溶湯に溶
ける。従って細線、箔、粉などが良いが、メッキ方法
や、経済的効果を考えると、圧延板くず、線引くず、箔
くず、切削くずなどを、バレルメッキする方法が微細化
剤として最も安価に製造出来る。

（３）Ni−Ｐメッキについてメッキの方法としては電気を使う電気メッキ方法と、電
気を使わない無電解メッキ方法の２種類が一般的であ
る。そして、微細化の効果に対しては、どちらの方法も
大差ない、被メッキ体上へメッキされる皮膜厚さは、メ
ッキ時間に依存しているが、厚い方が溶湯への添加量が
少なくて済むゆえ取扱いやすいが、厚さに関する限定は
不要である。しかし、生産性の点では無電解法では条件
にもよるが１時間で生成する皮膜厚さは３μｍ〜20μｍ
位いであるが、電気法では無電解法の約10倍の生産性が
ある。皮膜中のＰの含有量は、メッキ方法、液組成に依
存しているが、微細化効果に対しては変りない。

従って、Ｐ含有量を特に限定する必要は無い。しかし、
Ｐ含有量が多い方が、当然のことながら微細化剤の添加
量は少なくて済むし、Niの増加も防止出来る。無電解法
では５％〜15％位いのＰ含有量であるのに対し、電気法
では２％〜６％位いのＰ含有量である。電気メッキ法の
一例をあげると以下の様である。基本浴組成はスルファ
ミン酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸、次亜リン酸で
あり、陽極には消耗電極であるNiを使用した。無電解メ
ッキ法の一例をあげると以下の様である。基本浴組成は
塩化ニッケル、次亜リン酸ナトリウム、こはく酸ナトリ
ウム、りんご酸である。経済性から見ると、アルミニウ
ム製品の耐食性、耐摩耗性用にメッキした無電解Ni−Ｐ
液の廃液にてアルミニウム素材のくずを無電解Ni−Ｐメ
ッキすることが廃液からのNiやＰの回収にもなり従って
原材料代が安価で済み、最も好ましい。もちろん、アル
ミニウム製品の耐食性や耐摩耗性等の目的のためにNi−
Ｐメッキした時発生した不良材や使用済材を初晶Si用微
細化剤として利用出来ることは言うまでも無い。

（実施例１） 1.2mm厚さの1100合金のアルミニウム板へ、無電解法で
４時間Ni−Ｐ合金メッキを行った。得られたメッキ皮膜
厚さは16μｍであり、皮膜中のＰ含有量は11.2％であっ
た。これを第１表に示すような配合目標値になるように
計量し、Al−23％Si−1.5％Cuの790℃溶湯中に添加し
て、20分間保持後試料の厚さが2cmになるような金型へ
鋳造した。

比較試料としてＰを無添加の試料および微細化剤とし
て、Cu−8.4％Ｐ合金を添加した試料も作成した。各試
料のＰの分析結果およびＰの歩留を第１表に示す。第１
表を見れば判るように本発明品で微細化した場合は、Ｐ
の歩留が93％以上であるのに対し、比較品のCu−8.4％
Ｐ合金で微細化した場合は、Ｐの歩留が30％〜36％と低
い。

第１図にＰ無添加の場合、本発明品を0.01％Ｐ目標添加
した場合およびCu−8.4％Ｐで0.01％Ｐ目標添加した場
合の鋳造体のミクロ組織を示す。初晶Siは、Ｐ無添加の
場合には最大粒子径で100μｍ以上の大きさのものがあ
るのに対し、本発明品添加では約20μと微細化されてい
る。比較品のCu−8.4％Ｐ添加では最大粒子径約80μｍ
でありＰの歩留も悪く、微細化能力は劣っている。0.02
％Ｐ目標、0.03％Ｐ目標添加したものでも同様であっ
た。

次に、電気メッキ法で1.2mm厚さの1100合金のアルミニ
ウム板へNi−Ｐ合金メッキを行った。

液の基本浴組成として、スルファミン酸ニッケル、塩化
ニッケルおよび次亜リン酸を用いた。メッキ時間は60分
であり、得られたメッキ皮膜厚さは、約60μｍであっ
た。皮膜中のＰ含有量は、2.0％であった。

これを0.01％Ｐ目標になるようにAl−23％Si−1.5％Cu
の790℃溶湯中に添加して、20分間保持後試料の厚さが2
cmになるような金型へ鋳造した。

得られた鋳造体のミクロ組織を第１図に示す。無電解Ni
−11.2％Ｐの場合と比較し、初晶Siは平均30μｍとやや
大きいが、Cu−8.4％Ｐと比較すれば、はるかに細かく
均一に微細化されている。

（実施例２） Al−23％Si−1.5％Cu合金の溶湯へ、Ｐの歩留りを考慮
して、鋳造試料中のＰの含有量が0.02％となるように、
微細化剤として無電解メッキしたNi−11.2％Ｐの1.2mmt
のアルミニウム板を添加し、Ｐ処理温度で20分間保持し
て試料の厚さが2cmになるような金型へ鋳造した。Ｐ処
理温度は、730℃から850℃まで変化させた。比較材とし
て、Cu−8.4％Ｐ合金を添加した試料も作成した。

得られた試料の初晶Siの最大粒径を測定した。結果を第
２図に示す。

本発明品を用いた場合、760℃のＰ処理温度で、すでに
初晶Siの最大粒径が約30μｍと微細化されており、微細
化能が大きいことが判る。当然の事ながらCu−8.4％Ｐ
合金は歩留が悪いゆえ、Ｐ量としては、Ni−11.2％Ｐメ
ッキ板よりも多く投入している。

同様に、電気メッキしたNi−2.0％Ｐについての結果を
第２図に示す。

無電解Ni−11.2％Ｐよりは、効果は劣るものの、Cu−8.
4％Ｐよりは微細化効果は大きい。

次に、790℃でＰ含有量0.02％となるように添加し、20
分間保持して鋳造し、T7処理した試料の機械的性質は第
２表のようであった。

無電解Ni−11.2％Ｐメッキの本発明品の微細化剤を用い
た場合、初晶Siの最大粒径が20μｍと比較品よりも20μ
ｍも小さくなっているため、常温強度、高温強度等の著
るしい向上が認められ、同じＰ含有量で初晶Siがさらに
微細化されている効果が大きく現われている。

（実施例３） Al−23％Si−1.5％Cu合金の760℃の溶湯へ微細化剤とし
て無電解メッキしたNi−11.2％Ｐの1.2mmtのアルミニウ
ム板をＰの歩留りを考慮して鋳造試料中のＰ量が0.02％
となるように添加し、保持時間を10分間から60分間変化
させて、試料の厚さが2cmになるような金型へ鋳造し
た。比較材としてCu−8.4％Ｐ合金を添加した試料も作
成した。得られた試料の初晶Siの最大粒径を測定した。
結果を第３図に示す。

本発明品を用いた場合保持時間10分間で初晶Siの最大粒
径が約30μｍとなっており、添加後微細化剤がすみやか
に溶解し初晶Siの結晶核を生成している事が分る。

電気メッキしたNi−2.0％Ｐの場合を同じく第３図に示
す。

無電解Ni−11.2％Ｐよりは効果は劣るものの、Cu−8.4
％Ｐよりは良い。

（発明の効果）以上詳細に説明したようにアルミニウム又はアルミニウ
ム合金素材の表面にNi−Ｐ合金メッキした微細化剤はメ
ッキ皮膜中のＰが遊離の状態になっているゆえ、過共晶
Al−Si合金溶湯中へ添加された時、初晶Siの最大粒径が
30μｍを合格点とすれば、比較品のCu−8.4％Ｐ合金よ
りも60℃も低温度で添加が可能になる。また、790℃で
微細化剤が添加された場合、Ｐの歩留が比較品のCu−8.
4％Ｐよりも50％も良い。かつＰの含有量を0.02％にな
るよう790℃で添加すれば、微細化された初晶Siの最大
粒径は比較品のCu−8.4％Ｐ添加の場合よりも20μｍも
小さい。従って鋳造された鋳造体の機械的性質も向上
し、強度で２割以上良くすることが出来る。又、添加後
の保持時間もすみやかに溶解するため短くて済む。この
ように本発明品は実用上極めてすぐれた効果を奏する。
微細化剤製造コストの面では、アルミニウムくずやNi−
Ｐメッキ廃液が利用出来るゆえ、安価に製造出来る。

なお、Ni以外の金属のＰ合金メッキ品を過共晶Al−Si合
金の微細化剤として用いても、微細化原理は全く同じゆ
えNiの場合と同様の効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Al−23％Si−1.5％Cu合金のミクロ組織を示
す金属組織写真を示す。第２図は、Al−23％Si−1.5％Cu合金の初晶Si最大粒径
におよぼすＰ処理温度の影響を示すグラフを示す。第３図は、Al−23％Si−1.5％Cu合金の初晶Si最大径粒
におよぼすＰ処理後の保持時間の影響を示すグラフを示
す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムまたはアルミニウム合金材の
表面に、Ｐ含有合金メッキをして得られた過共晶Al−Si
合金用初晶Si微細化剤。