JPH09228010A - 熱処理可能なアルミニウム合金鋳物の簡易製造方法及び装置 - Google Patents
熱処理可能なアルミニウム合金鋳物の簡易製造方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱処理可能なアルミニウム合金を硬化する熱
処理の改良型の方法および簡易装置に関し、鋳物を型か
ら取り外した直後に直接焼入れして、従来の「溶体化」
処理の段階を経ずに優れたアルミニウム鋳物を獲得し、
それによって高価な装置およびそれに関連するエネルギ
ーおよび製造時間を除去する。 【解決手段】 液体アルミニウム合金が４００℃より下
に冷める前に（および好ましくは型から取り外した直後
に）直接焼入れをし、その焼入れ金属鋳物を時効硬化さ
せる。
処理の改良型の方法および簡易装置に関し、鋳物を型か
ら取り外した直後に直接焼入れして、従来の「溶体化」
処理の段階を経ずに優れたアルミニウム鋳物を獲得し、
それによって高価な装置およびそれに関連するエネルギ
ーおよび製造時間を除去する。 【解決手段】 液体アルミニウム合金が４００℃より下
に冷める前に（および好ましくは型から取り外した直後
に）直接焼入れをし、その焼入れ金属鋳物を時効硬化さ
せる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム鋳
物、特に、好ましくは銅を含む３００シリーズのよう
に、たとえば自動車および航空機の内燃機関の製造に使
用されるタイプのアルミニウム部品、つまりシリンダ・
ヘッド、エンジン・ブロックなどを鋳造するのに使用す
るものなど、熱処理可能なアルミニウム合金を硬化する
熱処理の改良型の方法および簡易装置に関し、本発明に
よると、鋳物を型から取り外した直後に直接焼入れし
て、従来の「溶体化」処理の段階（以前は、優れた品質
の鋳物の製造に必要と考えられていた）を経ずに優れた
アルミニウム鋳物を獲得し、それによって高価な装置お
よびそれに関連するエネルギーおよび製造時間が除去さ
れる。
物、特に、好ましくは銅を含む３００シリーズのよう
に、たとえば自動車および航空機の内燃機関の製造に使
用されるタイプのアルミニウム部品、つまりシリンダ・
ヘッド、エンジン・ブロックなどを鋳造するのに使用す
るものなど、熱処理可能なアルミニウム合金を硬化する
熱処理の改良型の方法および簡易装置に関し、本発明に
よると、鋳物を型から取り外した直後に直接焼入れし
て、従来の「溶体化」処理の段階（以前は、優れた品質
の鋳物の製造に必要と考えられていた）を経ずに優れた
アルミニウム鋳物を獲得し、それによって高価な装置お
よびそれに関連するエネルギーおよび製造時間が除去さ
れる。
【０００２】より広い観点からは、本発明は「溶体化」
処理による有意の利点がある、重大な析出硬化を有する
すべてのアルミニウム合金系に適用できる。溶体化処理
が有用であると証明された場合、先行技術によると、適
切に硬化させるには鋳造の仕上げプロセスにこの段階が
必要である。それには、亜鉛、または銅をマグネシウム
と組み合わせるか、この３種すべて、あるいはシリコン
を有するアルミニウム合金が含まれる。これらのアルミ
ニウム合金を「熱処理可能な」合金と呼び、溶液を加熱
してもそれほど強化されない合金から区別する。このよ
うな熱処理可能でない合金に関してのみ、先行技術は、
事前に溶体化処理しない析出熱処理を容認する（後者は
薄い押出合金６０６１、６０６３、６４６３および７０
０５を含み、これは明らかに鋳物合金ではない）。
処理による有意の利点がある、重大な析出硬化を有する
すべてのアルミニウム合金系に適用できる。溶体化処理
が有用であると証明された場合、先行技術によると、適
切に硬化させるには鋳造の仕上げプロセスにこの段階が
必要である。それには、亜鉛、または銅をマグネシウム
と組み合わせるか、この３種すべて、あるいはシリコン
を有するアルミニウム合金が含まれる。これらのアルミ
ニウム合金を「熱処理可能な」合金と呼び、溶液を加熱
してもそれほど強化されない合金から区別する。このよ
うな熱処理可能でない合金に関してのみ、先行技術は、
事前に溶体化処理しない析出熱処理を容認する（後者は
薄い押出合金６０６１、６０６３、６４６３および７０
０５を含み、これは明らかに鋳物合金ではない）。
【０００３】本発明は、このような鋳物の製造を大幅に
簡易化して、その資本および運転費を減少させるプロセ
スを提供する。鋳物の熱処理を簡易化する本発明のプロ
セスは、前記鋳物の従来の溶体化処理をしないので、思
いがけず、シリコンの球状化を防止するという追加の利
点を有し、合金の改質構造を維持し、その結果、加工特
性が改善される。
簡易化して、その資本および運転費を減少させるプロセ
スを提供する。鋳物の熱処理を簡易化する本発明のプロ
セスは、前記鋳物の従来の溶体化処理をしないので、思
いがけず、シリコンの球状化を防止するという追加の利
点を有し、合金の改質構造を維持し、その結果、加工特
性が改善される。
【０００４】
【従来の技術】金属鋳物は、熱処理して、固体状態で存
在する相のタイプおよび割合と、微小成分の形態と、結
晶欠陥の濃度および分布とを変化させることにより、機
械的特性を変化させる。
在する相のタイプおよび割合と、微小成分の形態と、結
晶欠陥の濃度および分布とを変化させることにより、機
械的特性を変化させる。
【０００５】本明細書の記述は、主に銅を含むアルミニ
ウム合金に関するものであるが、適宜（たとえば、Ｃｕ
Ａｌ２ではなくＭｇ２ＳｉまたはＭｇＺｎ２から強度を
得る析出硬化系もある）、より広範囲に適用できると理
解される。
ウム合金に関するものであるが、適宜（たとえば、Ｃｕ
Ａｌ２ではなくＭｇ２ＳｉまたはＭｇＺｎ２から強度を
得る析出硬化系もある）、より広範囲に適用できると理
解される。
【０００６】このようなアルミニウム合金（たとえば、
通常は最高５％のオーダーの銅を含むことがある）は現
在、溶体化および時効処理シーケンスを伴う析出硬化に
よって、その機械特性を改善するために熱処理される。
通常は最高５％のオーダーの銅を含むことがある）は現
在、溶体化および時効処理シーケンスを伴う析出硬化に
よって、その機械特性を改善するために熱処理される。
【０００７】硬化し、アルミニウム銅合金の他の特性を
開発するには、銅をアルミニウム基質内で固溶体状態に
維持するような状態で、鋳造およびそれに関連する熱処
理プロセスを管理する必要がある。鋳物を型から取り出
した後、鋳物を通常は４７０℃を十分下回るまで（大抵
は周囲温度まで）自然冷却してから、次の溶体化処理段
階に進む（この後者の段階には、銅の原子を再度アルミ
ニウム分子の基質内に取り入れて、銅が無制限かつ過度
にＣｕＡｌ２として析出するのを防止するという目的が
ある。というのは、銅は、液体アルミニウム中に十分溶
解していると、通常は温度が約５００℃から周囲温度ま
で低下するにつれ、アルミニウムから析出する傾向があ
るからである）。
開発するには、銅をアルミニウム基質内で固溶体状態に
維持するような状態で、鋳造およびそれに関連する熱処
理プロセスを管理する必要がある。鋳物を型から取り出
した後、鋳物を通常は４７０℃を十分下回るまで（大抵
は周囲温度まで）自然冷却してから、次の溶体化処理段
階に進む（この後者の段階には、銅の原子を再度アルミ
ニウム分子の基質内に取り入れて、銅が無制限かつ過度
にＣｕＡｌ２として析出するのを防止するという目的が
ある。というのは、銅は、液体アルミニウム中に十分溶
解していると、通常は温度が約５００℃から周囲温度ま
で低下するにつれ、アルミニウムから析出する傾向があ
るからである）。
【０００８】溶解した銅を、既定のレベルの硬度および
強度を得るのに適切な量、必要な形状で合金内に維持す
るため、このような熱処理可能なアルミニウム鋳物は一
般に、４７０℃を上回る温度（通常は４８０℃と４９５
℃との間の範囲）で特定の時間、従来の溶体化処理にか
けられる。この時間は通常、少なくとも２時間から７時
間の間の範囲である。この熱処理段階の明白な目的は、
合金中に微小な銅の析出物を均質に分布させることであ
る。しかし、この溶体化処理は偶発的に、逆にシリコン
の球状化を促進し、その結果、生成される鋳物の機械的
特性を多少低下させる（当産業では多くの目的で、容認
しなければならない状態）。
強度を得るのに適切な量、必要な形状で合金内に維持す
るため、このような熱処理可能なアルミニウム鋳物は一
般に、４７０℃を上回る温度（通常は４８０℃と４９５
℃との間の範囲）で特定の時間、従来の溶体化処理にか
けられる。この時間は通常、少なくとも２時間から７時
間の間の範囲である。この熱処理段階の明白な目的は、
合金中に微小な銅の析出物を均質に分布させることであ
る。しかし、この溶体化処理は偶発的に、逆にシリコン
の球状化を促進し、その結果、生成される鋳物の機械的
特性を多少低下させる（当産業では多くの目的で、容認
しなければならない状態）。
【０００９】次の製造段階は、即座に前記鋳物を中断な
く、たとえば約４８０℃の温度から８５℃前後の温度ま
で焼き入れ、これによって銅の析出物を適切な量に維持
し、固溶体内に均質に分布させることである。焼入れの
急冷は一般に、最終的に強調される合金の特性によっ
て、様々な温度まで様々な速度で実施することができる
（ＡＳＭハンドブック第４巻（１９９）の８５１ページ
以下で検討している”Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ（焼入れ）”
を参照。これは周囲温度まで焼き入れるには冷水、１０
０℃には熱湯、さらに高温にはポリアルカリン・グリコ
ール、強制空冷または霧の使用を開示している）。
く、たとえば約４８０℃の温度から８５℃前後の温度ま
で焼き入れ、これによって銅の析出物を適切な量に維持
し、固溶体内に均質に分布させることである。焼入れの
急冷は一般に、最終的に強調される合金の特性によっ
て、様々な温度まで様々な速度で実施することができる
（ＡＳＭハンドブック第４巻（１９９）の８５１ページ
以下で検討している”Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ（焼入れ）”
を参照。これは周囲温度まで焼き入れるには冷水、１０
０℃には熱湯、さらに高温にはポリアルカリン・グリコ
ール、強制空冷または霧の使用を開示している）。
【００１０】この焼入れ段階で、過飽和固溶体が生成さ
れ、これは時間の経過とともに合金を自然硬化させる。
最後に、硬化を加速し、改良するために、鋳物を「時効
硬化」炉内で約２００℃の温度に維持する。「時効硬
化」炉内で費やした時間によって、合金の構造の少なく
とも一部が凝集し、必要な硬度および強度特性を与え
る。
れ、これは時間の経過とともに合金を自然硬化させる。
最後に、硬化を加速し、改良するために、鋳物を「時効
硬化」炉内で約２００℃の温度に維持する。「時効硬
化」炉内で費やした時間によって、合金の構造の少なく
とも一部が凝集し、必要な硬度および強度特性を与え
る。
【００１１】先行技術の方法の詳細については、ＡＳＭ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌが出版している”Ｐｒｏ
ｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ：Ｎｏｎ
ｆｅｒｒｏｕｓ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉａ
ｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（特性と選
択：非鉄合金と特殊用途材）”と題したＡＳＭハンドブ
ック第２巻（１９９０）、および”Ｈｅａｔ Ｔｒｅａ
ｔｉｎｇ（熱処理）”と題した第４巻（１９９１）（特
に８２４〜８７９ページ）のいずれも第１０版を参照の
こと。その内容は、参照によって本明細書に組み込まれ
ている。「必要な溶体化処理」について述べた８３３ペ
ージ、「溶体化処理」についての検討で「析出硬化反応
を利用するには、最初に固溶体を生成する必要がある。
これを達成するプロセスを溶体化処理と呼ぶ」と述べて
いる８４４ページ、および「事前に溶体化処理をしない
析出熱」で唯一指示された例外が検討され、特定の薄い
押出合金は「最終的な高温加工作業から直接空冷または
水で急冷された後は」、「別個の溶体化処理作業を加え
て得られるのとほぼ同等の強度を生じる」と述べている
８５１ページを参照のこと（下線は本出願人による）。
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌが出版している”Ｐｒｏ
ｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ：Ｎｏｎ
ｆｅｒｒｏｕｓ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉａ
ｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（特性と選
択：非鉄合金と特殊用途材）”と題したＡＳＭハンドブ
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ｔｉｎｇ（熱処理）”と題した第４巻（１９９１）（特
に８２４〜８７９ページ）のいずれも第１０版を参照の
こと。その内容は、参照によって本明細書に組み込まれ
ている。「必要な溶体化処理」について述べた８３３ペ
ージ、「溶体化処理」についての検討で「析出硬化反応
を利用するには、最初に固溶体を生成する必要がある。
これを達成するプロセスを溶体化処理と呼ぶ」と述べて
いる８４４ページ、および「事前に溶体化処理をしない
析出熱」で唯一指示された例外が検討され、特定の薄い
押出合金は「最終的な高温加工作業から直接空冷または
水で急冷された後は」、「別個の溶体化処理作業を加え
て得られるのとほぼ同等の強度を生じる」と述べている
８５１ページを参照のこと（下線は本出願人による）。
【００１２】本発明は、型から取り出した後に熱処理可
能なアルミニウム鋳物を直接焼入れすることによって、
事前に冷却したアルミニウム鋳物を溶体化処理炉内で熱
処理するという現在の方法と異なり、基本的に等しい硬
度および強度特性を獲得できる、という出願人の発見に
基づいている。改良される特性もあり、わずかに低下す
る特性もあるが、通常は、ある特性特徴を他の特性より
強化するよう溶体化処理を調整した（このような処理で
は、所望の特性同士のバランスが最適になるよう、通常
は兼ね合いをとる）結果生じる変化ほどではない。多少
低下することがあっても、これは最終製品に通常必要な
普通の公差レベル内であることが、判明している。
能なアルミニウム鋳物を直接焼入れすることによって、
事前に冷却したアルミニウム鋳物を溶体化処理炉内で熱
処理するという現在の方法と異なり、基本的に等しい硬
度および強度特性を獲得できる、という出願人の発見に
基づいている。改良される特性もあり、わずかに低下す
る特性もあるが、通常は、ある特性特徴を他の特性より
強化するよう溶体化処理を調整した（このような処理で
は、所望の特性同士のバランスが最適になるよう、通常
は兼ね合いをとる）結果生じる変化ほどではない。多少
低下することがあっても、これは最終製品に通常必要な
普通の公差レベル内であることが、判明している。
【００１３】このように、本発明により、溶体化処理炉
への資本投資およびその維持費、そのような処理の作業
エネルギー費が数百万ドル節約される。したがって、鋳
物工場が大幅に単純化される。このように、この新しい
簡易熱処理プロセスは、熱処理アルミニウム合金鋳物の
技術にとって重大な進歩となる。
への資本投資およびその維持費、そのような処理の作業
エネルギー費が数百万ドル節約される。したがって、鋳
物工場が大幅に単純化される。このように、この新しい
簡易熱処理プロセスは、熱処理アルミニウム合金鋳物の
技術にとって重大な進歩となる。
【００１４】本発明で省かれた先行技術の熱処理段階の
一例として、Ｃｒａｆｔｏｎその他に帰される米国特許
第５，２９４，０９４号を参照する。この特許の図１で
は「溶体化処理炉」を数字１１で示し、そのように述べ
ている。これは幾つかのゾーンからなり、工場で最大の
装置であり、多大な資本がかかる。この特許は、砂型の
中子を取り出すことにより、このような熱処理炉を改良
したとされ、その結果、本発明とは異なり、このような
炉の削除を示唆していない。
一例として、Ｃｒａｆｔｏｎその他に帰される米国特許
第５，２９４，０９４号を参照する。この特許の図１で
は「溶体化処理炉」を数字１１で示し、そのように述べ
ている。これは幾つかのゾーンからなり、工場で最大の
装置であり、多大な資本がかかる。この特許は、砂型の
中子を取り出すことにより、このような熱処理炉を改良
したとされ、その結果、本発明とは異なり、このような
炉の削除を示唆していない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の「溶
体化処理炉」を削除し、先行技術と同様の硬度および強
度特性を有するアルミニウム合金鋳物を生成するプロセ
スを提供する。本発明のもう一つの利点は、シリコンの
球状化を回避し、鋳物の機械特性を改良することであ
る。それは、本発明により製造された鋳物が、アルミニ
ウム合金の部類でクラスＢからクラスＡに改善される、
ということである。アルミニウム合金はＡからＥに分類
され、この順にチップの長さが長くなり、仕上げの品質
が低下する。クラスＡは快削性で、破損したチップが非
常に小さく、仕上げが優秀であることを特徴とする。ク
ラスＢは、カール状または容易にチップが破損し、仕上
げは良好から優秀であることを特徴とする。
体化処理炉」を削除し、先行技術と同様の硬度および強
度特性を有するアルミニウム合金鋳物を生成するプロセ
スを提供する。本発明のもう一つの利点は、シリコンの
球状化を回避し、鋳物の機械特性を改良することであ
る。それは、本発明により製造された鋳物が、アルミニ
ウム合金の部類でクラスＢからクラスＡに改善される、
ということである。アルミニウム合金はＡからＥに分類
され、この順にチップの長さが長くなり、仕上げの品質
が低下する。クラスＡは快削性で、破損したチップが非
常に小さく、仕上げが優秀であることを特徴とする。ク
ラスＢは、カール状または容易にチップが破損し、仕上
げは良好から優秀であることを特徴とする。
【００１６】鋳物中のシリコンの形態は機械特性を左右
する。シリコンは、自然に固化した合金中では板状の形
をとるが、合金を溶解温度まで加熱し、その後冷却する
と、シリコンは連続するカール状のチップを生じる球状
に変化する。合金を、溶体化処理段階を実施せず、本発
明にしたがって焼き入れて、時効硬化処理すると、シリ
コンは繊維構造を維持し、これは短いチップを生成する
ので有利である。
する。シリコンは、自然に固化した合金中では板状の形
をとるが、合金を溶解温度まで加熱し、その後冷却する
と、シリコンは連続するカール状のチップを生じる球状
に変化する。合金を、溶体化処理段階を実施せず、本発
明にしたがって焼き入れて、時効硬化処理すると、シリ
コンは繊維構造を維持し、これは短いチップを生成する
ので有利である。
【００１７】Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｓのＶｏｌｕｍｅ ２、Ｎｏ．１１（１９８６年１１
月）にあるＭ．Ｈ．ＬａｖｉｎｇｔｏｎのＴｈｅ Ｃｏ
ｓｗｏｒｔｈ Ｐｒｏｃｅｓｓ−ａ ｎｅｗ ｃｏｎｃ
ｅｐｔ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｓ
ｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ （コスワース・プロ
セス−アルミニウム合金鋳物製造の新しい概念）による
と、銅の溶液の熱処理にかかる時間は、従来の８〜１２
時間から約四分の一、たとえば２〜３時間に短縮されて
いるが、溶体化処理は省略されていない。本出願人の関
知するところでは、アルミニウム鋳物技術のいずれの供
給業者からも、あるいは現在稼働しているいずれの工場
からも、本発明のように、つまり前記鋳物を溶体化処理
炉にかけずに、先行技術の専門技術とは異なり、鋳物を
型から取り出した直後に、あるいは少なくともこのよう
な鋳物の温度を４００℃より上に維持した後に（つまり
前記温度を４００℃より下に下がらせずに）、周囲温度
近くまで直接焼き入れるという熱処理プロセスを示唆し
たり実践したりするような提案はない。
ｓのＶｏｌｕｍｅ ２、Ｎｏ．１１（１９８６年１１
月）にあるＭ．Ｈ．ＬａｖｉｎｇｔｏｎのＴｈｅ Ｃｏ
ｓｗｏｒｔｈ Ｐｒｏｃｅｓｓ−ａ ｎｅｗ ｃｏｎｃ
ｅｐｔ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｓ
ｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ （コスワース・プロ
セス−アルミニウム合金鋳物製造の新しい概念）による
と、銅の溶液の熱処理にかかる時間は、従来の８〜１２
時間から約四分の一、たとえば２〜３時間に短縮されて
いるが、溶体化処理は省略されていない。本出願人の関
知するところでは、アルミニウム鋳物技術のいずれの供
給業者からも、あるいは現在稼働しているいずれの工場
からも、本発明のように、つまり前記鋳物を溶体化処理
炉にかけずに、先行技術の専門技術とは異なり、鋳物を
型から取り出した直後に、あるいは少なくともこのよう
な鋳物の温度を４００℃より上に維持した後に（つまり
前記温度を４００℃より下に下がらせずに）、周囲温度
近くまで直接焼き入れるという熱処理プロセスを示唆し
たり実践したりするような提案はない。
【００１８】したがって、特性を改良したアルミニウム
合金鋳物を、より少ない資本および運転費で製造するプ
ロセスを提供することが、本発明の目的である。
合金鋳物を、より少ない資本および運転費で製造するプ
ロセスを提供することが、本発明の目的である。
【００１９】本発明のその他の目的は、以下で一部は明
白になり、一部は指摘される。
白になり、一部は指摘される。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明によると、その目
的は、新しく形成されてまだ高温の熱処理可能なアルミ
ニウム合金金属を直接焼入れし、その後、（溶体化処理
せずに）時効硬化させることからなる、硬化アルミニウ
ム合金鋳物の製造方法を提供することによって達成され
る。これは通常、液体状の熱処理可能なアルミニウム合
金を型に充填する段階と、固化した鋳物を形成するのに
十分なだけ冷却する段階と、好ましくは４９０℃と５０
０℃との間の範囲の温度で前記型から前記鋳物を抽出す
る段階と、任意で前記鋳物の表面温度を４９０℃と５０
０℃との間の範囲、およびその溶体化処理より低い温度
またはそれより短い時間、あるいはその両方（たとえば
４７０℃未満および／または０ないし２時間）に維持す
る段階と、即座に前記鋳物を、好ましくは水でおおむね
６５℃と９０℃との間の範囲に急冷する段階と、前記型
抽出段階と前記焼入れ段階との間に何も熱処理段階を入
れず、好ましくは１４０℃と２５０℃との間の温度の時
効硬化炉内で２ないし５時間、前記鋳物を時効硬化処理
する段階とを含む。本明細書では、「時効硬化」は、周
囲温度での自然の時効ばかりでなく、時効硬化炉内での
加速時効も含み、幅広い（区別するために、後者を析出
硬化と呼ぶこともある）。
的は、新しく形成されてまだ高温の熱処理可能なアルミ
ニウム合金金属を直接焼入れし、その後、（溶体化処理
せずに）時効硬化させることからなる、硬化アルミニウ
ム合金鋳物の製造方法を提供することによって達成され
る。これは通常、液体状の熱処理可能なアルミニウム合
金を型に充填する段階と、固化した鋳物を形成するのに
十分なだけ冷却する段階と、好ましくは４９０℃と５０
０℃との間の範囲の温度で前記型から前記鋳物を抽出す
る段階と、任意で前記鋳物の表面温度を４９０℃と５０
０℃との間の範囲、およびその溶体化処理より低い温度
またはそれより短い時間、あるいはその両方（たとえば
４７０℃未満および／または０ないし２時間）に維持す
る段階と、即座に前記鋳物を、好ましくは水でおおむね
６５℃と９０℃との間の範囲に急冷する段階と、前記型
抽出段階と前記焼入れ段階との間に何も熱処理段階を入
れず、好ましくは１４０℃と２５０℃との間の温度の時
効硬化炉内で２ないし５時間、前記鋳物を時効硬化処理
する段階とを含む。本明細書では、「時効硬化」は、周
囲温度での自然の時効ばかりでなく、時効硬化炉内での
加速時効も含み、幅広い（区別するために、後者を析出
硬化と呼ぶこともある）。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、たとえばシリ
ンダ・ヘッド、エンジン・ブロックなどの中空のアルミ
ニウム鋳物のアルミニウム部品を鋳造する従来の方法
は、１）液体状アルミニウムを、通常は鋳鉄でできて鋳
物の内面を形成する砂の中子を有する適切な型に鋳込
み、２）アルミニウム合金が固化した後、４９０℃から
５００℃の温度で鋳物を型から取り出し、３）通常は、
鋳物を自然に（通常は周囲温度まで）冷まし、その後、
砂の中子を取り出し（この取出しは、鋳物の冷却後、ま
たは次の熱処理段階中に実施することができる）、４）
溶体化処理液炉として知られるトンネル状炉内で熱処理
し、ある時間（通常は、鋳物の塊１個について少なくと
も２時間）だけ４７０℃を上回る既定の温度に鋳物を加
熱する。当技術分野で周知のように、より高い温度で処
理することにより時間を短縮することができるが、通常
は全体的な所望の特性が多少犠牲になる（費用を節約す
るために、このような特性が最終的な使用の際にそれほ
ど重要ではない場合）。この熱処理は、合金を徐々に冷
却した（たとえば大気状態に露出して自然に冷却した）
場合に自然に生じる大きいＣｕＡｌ２の粒子が制御され
ずに析出するのを防止するか（冷却しない場合）逆行さ
せるためのものである。５）溶体化処理した鋳物を、通
常は６５゜から９５℃の間の水溶液で焼き入れ、この急
速な温度低下で、原子レベルでアルミニウム合金内に銅
の過飽和溶液を生成させ、６）鋳物を時効硬化処理し、
これは自然に行うことができるか、あるいはこのような
鋳物を２０００℃のオーダーの温度に数時間で既定の速
度で冷却するため、適切な炉内で行うことが好ましい。
このように時効硬化炉内で人工的に熟成すると、鋳物を
前記処理にかけている間の時効硬化温度と時間とを組み
合わせることにより、鋳物の所望の特性が提供される。
原子レベルで溶解した銅は、ＣｕＡｌ２として析出する
が、合金中に小さい原子未満の粒子が形成される。７）
たとえば最終製品の出荷のために、必要に応じて昇水路
の切削、キュービング、中子の取り出し、機械加工、ば
り除去、クリーニングなどで鋳物を仕上げる。
ンダ・ヘッド、エンジン・ブロックなどの中空のアルミ
ニウム鋳物のアルミニウム部品を鋳造する従来の方法
は、１）液体状アルミニウムを、通常は鋳鉄でできて鋳
物の内面を形成する砂の中子を有する適切な型に鋳込
み、２）アルミニウム合金が固化した後、４９０℃から
５００℃の温度で鋳物を型から取り出し、３）通常は、
鋳物を自然に（通常は周囲温度まで）冷まし、その後、
砂の中子を取り出し（この取出しは、鋳物の冷却後、ま
たは次の熱処理段階中に実施することができる）、４）
溶体化処理液炉として知られるトンネル状炉内で熱処理
し、ある時間（通常は、鋳物の塊１個について少なくと
も２時間）だけ４７０℃を上回る既定の温度に鋳物を加
熱する。当技術分野で周知のように、より高い温度で処
理することにより時間を短縮することができるが、通常
は全体的な所望の特性が多少犠牲になる（費用を節約す
るために、このような特性が最終的な使用の際にそれほ
ど重要ではない場合）。この熱処理は、合金を徐々に冷
却した（たとえば大気状態に露出して自然に冷却した）
場合に自然に生じる大きいＣｕＡｌ２の粒子が制御され
ずに析出するのを防止するか（冷却しない場合）逆行さ
せるためのものである。５）溶体化処理した鋳物を、通
常は６５゜から９５℃の間の水溶液で焼き入れ、この急
速な温度低下で、原子レベルでアルミニウム合金内に銅
の過飽和溶液を生成させ、６）鋳物を時効硬化処理し、
これは自然に行うことができるか、あるいはこのような
鋳物を２０００℃のオーダーの温度に数時間で既定の速
度で冷却するため、適切な炉内で行うことが好ましい。
このように時効硬化炉内で人工的に熟成すると、鋳物を
前記処理にかけている間の時効硬化温度と時間とを組み
合わせることにより、鋳物の所望の特性が提供される。
原子レベルで溶解した銅は、ＣｕＡｌ２として析出する
が、合金中に小さい原子未満の粒子が形成される。７）
たとえば最終製品の出荷のために、必要に応じて昇水路
の切削、キュービング、中子の取り出し、機械加工、ば
り除去、クリーニングなどで鋳物を仕上げる。
【００２２】本発明は、先行技術のプロセスと比較し
て、図２に示したように大幅に投資および運転費を節約
して、熱硬化したアルミニウム合金鋳物を製造する簡易
方法を提供し、この方法は１）銅を含む所望の成分の液
体状の熱処理可能なアルミニウム合金を型に投入して鋳
物を生成し、２）鋳物が固化するのに十分なだけ冷めた
後に、これを前記型から取り出し、３）先行技術の溶体
化処理を行わずに、合金の表面温度が３５０℃より上に
ある間に、前記鋳物を焼き入れる。つまり、大きいＣｕ
Ａｌ２の析出物が形成しないよう、焼入れの開始前には
前記温度を３５０℃より下に下げない。この焼入れは、
先行技術と同じ方法で、６５℃から９５℃までの温度の
水溶液で実施する。４）前記鋳物を、通常は先行技術で
必要とされる時間より短い時間（しかし、本明細書では
２ないし５時間の範囲で示す）、１４０℃から２５℃の
温度で時効硬化処理し、５）砂の中子を取り出す。この
段階は、時効硬化処理の後に実行できるので、都合が良
い。というのは、硬化プロセスを中断せずに合金を冷却
することができるからである。６）たとえば最終製品の
出荷のために、必要に応じて昇水路の切削、キュービン
グ、中子の取り出し、機械加工、ばり除去、クリーニン
グなどで鋳物を仕上げる。
て、図２に示したように大幅に投資および運転費を節約
して、熱硬化したアルミニウム合金鋳物を製造する簡易
方法を提供し、この方法は１）銅を含む所望の成分の液
体状の熱処理可能なアルミニウム合金を型に投入して鋳
物を生成し、２）鋳物が固化するのに十分なだけ冷めた
後に、これを前記型から取り出し、３）先行技術の溶体
化処理を行わずに、合金の表面温度が３５０℃より上に
ある間に、前記鋳物を焼き入れる。つまり、大きいＣｕ
Ａｌ２の析出物が形成しないよう、焼入れの開始前には
前記温度を３５０℃より下に下げない。この焼入れは、
先行技術と同じ方法で、６５℃から９５℃までの温度の
水溶液で実施する。４）前記鋳物を、通常は先行技術で
必要とされる時間より短い時間（しかし、本明細書では
２ないし５時間の範囲で示す）、１４０℃から２５℃の
温度で時効硬化処理し、５）砂の中子を取り出す。この
段階は、時効硬化処理の後に実行できるので、都合が良
い。というのは、硬化プロセスを中断せずに合金を冷却
することができるからである。６）たとえば最終製品の
出荷のために、必要に応じて昇水路の切削、キュービン
グ、中子の取り出し、機械加工、ばり除去、クリーニン
グなどで鋳物を仕上げる。
【００２３】この教示を考慮して、当業者には、「溶体
化処理」炉を除外しながら同じ製品特性を獲得すると、
アルミニウム鋳造のプロセスが大幅に簡易化され、その
製造費が削減されることが容易に理解される。
化処理」炉を除外しながら同じ製品特性を獲得すると、
アルミニウム鋳造のプロセスが大幅に簡易化され、その
製造費が削減されることが容易に理解される。
【００２４】図３を参照すると、合金鋳物の温度対時間
の図で、先行技術に対する本発明の利点を、容易に理解
することができる。先行技術の方法を点線で示し、本発
明の好ましい実施例の方法を黒い実線で示す。図から分
かるように、本発明は少なくとも２ないし７時間の範囲
の時間、アルミニウム合金の製造プロセスを短縮する。
これは、鋳物が従来の溶液炉内にある時間である。しか
し、鋳物の特性は以下の例で例証するように、Ａｍｅｒ
ｉｃａｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ
によってＴ６として知られる従来の熱処理方法で必要な
範囲内である。以下の条件で、アルミニウム合金Ａ−３
１９で試験を実施した。 試験条件 単位 本発明 先行技術 急冷前の鋳物の表面温度 （℃） ４３０ ４８０ 熟成時間 （時間） ２ ４ 熟成温度 （℃） ２４０ ２４０ 試験結果（特性） ブリネル硬度 （Ｂ） １０９ １００ 極限引張応力 （ＭＰａ） ２３０ ２４０ 伸び率 （％） １．４ １．８ 引張降伏 （ＭＰａ） ２０７ ２０５ 圧縮降伏 （ＭＰａ） ２０３ ２１０
の図で、先行技術に対する本発明の利点を、容易に理解
することができる。先行技術の方法を点線で示し、本発
明の好ましい実施例の方法を黒い実線で示す。図から分
かるように、本発明は少なくとも２ないし７時間の範囲
の時間、アルミニウム合金の製造プロセスを短縮する。
これは、鋳物が従来の溶液炉内にある時間である。しか
し、鋳物の特性は以下の例で例証するように、Ａｍｅｒ
ｉｃａｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ
によってＴ６として知られる従来の熱処理方法で必要な
範囲内である。以下の条件で、アルミニウム合金Ａ−３
１９で試験を実施した。 試験条件 単位 本発明 先行技術 急冷前の鋳物の表面温度 （℃） ４３０ ４８０ 熟成時間 （時間） ２ ４ 熟成温度 （℃） ２４０ ２４０ 試験結果（特性） ブリネル硬度 （Ｂ） １０９ １００ 極限引張応力 （ＭＰａ） ２３０ ２４０ 伸び率 （％） １．４ １．８ 引張降伏 （ＭＰａ） ２０７ ２０５ 圧縮降伏 （ＭＰａ） ２０３ ２１０
【００２５】図３に示す線は、そのままで明白であり、
言うまでもなく例証のためのみに引いたものである。
言うまでもなく例証のためのみに引いたものである。
【００２６】大規模な溶体化処理炉の削除による熱処理
プロセスの簡易化は、非常に有利であるので、本発明
は、型から取り出した後に鋳物を保持するために小型の
炉を使用する場合でも、なお重大な改善である（その唯
一の目的は、加工ラインの遅れに対応したり、短期間の
保守などのために、鋳物の温度が４００℃より下がるの
を防止することである）。（本発明とは異なり、直接析
出焼入れ段階を経ずに）鋳物の温度が４００℃より下が
ると、大きいＣｕＡｌ２の粒子が析出し、次に、この析
出を逆行させて原子レベルでアルミニウム中の銅の固溶
体にするため、鋳物を通常の溶体化処理段階にかける必
要がある。
プロセスの簡易化は、非常に有利であるので、本発明
は、型から取り出した後に鋳物を保持するために小型の
炉を使用する場合でも、なお重大な改善である（その唯
一の目的は、加工ラインの遅れに対応したり、短期間の
保守などのために、鋳物の温度が４００℃より下がるの
を防止することである）。（本発明とは異なり、直接析
出焼入れ段階を経ずに）鋳物の温度が４００℃より下が
ると、大きいＣｕＡｌ２の粒子が析出し、次に、この析
出を逆行させて原子レベルでアルミニウム中の銅の固溶
体にするため、鋳物を通常の溶体化処理段階にかける必
要がある。
【００２７】アルミニウム鋳物産業における本発明の重
要性を説明するため、本発明で削除される溶体化処理炉
が、数百万ドルかかる装置であることを指摘することが
できる。これを削除すると、鋳物工場への資本が約５０
％削減される。さらに、このような炉を運転しないこと
によって節約されるエネルギーは、たとえば１個約３０
ｋｇの重量がある鋳物を年間８００，０００個、さらに
鋳物を保持するバスケットの重量が２０ないし３０ｋｇ
を、周囲温度つまり２５℃ないし３５℃から、約４８０
℃の溶液温度まで加熱し、その温度に数時間維持するこ
とを考慮すると、膨大な量である。
要性を説明するため、本発明で削除される溶体化処理炉
が、数百万ドルかかる装置であることを指摘することが
できる。これを削除すると、鋳物工場への資本が約５０
％削減される。さらに、このような炉を運転しないこと
によって節約されるエネルギーは、たとえば１個約３０
ｋｇの重量がある鋳物を年間８００，０００個、さらに
鋳物を保持するバスケットの重量が２０ないし３０ｋｇ
を、周囲温度つまり２５℃ないし３５℃から、約４８０
℃の溶液温度まで加熱し、その温度に数時間維持するこ
とを考慮すると、膨大な量である。
【００２８】本発明は、Ａｌ−Ｃｕ合金系の好ましい実
施例では示していないが、言うまでもなく、以上の説明
は例証的なものにすぎず、説明した系の構造およびその
運転状態には、添付の特許請求の範囲で規定したような
本発明の精神から逸脱することなく、無数の変更が可能
であることが理解される。たとえば、特定のアルミニウ
ム・銅系について上記で挙げた温度とはわずかに異なる
臨界温度を示す位相図を有する、他の開示されたアルミ
ニウム合金径から製造された鋳物に、利点を広く適用す
ることができる。また、通常は型から取り出した後に即
座に直接焼入れすることが好ましいが、型から取り出し
た後に鋳物を保持するため、小型の炉を用いる簡易装置
を使用することができる（その唯一の目的は、鋳物が即
座に焼入れされるための特定の待機時間の間、たとえば
減速中、単位の保守中などに、鋳物の温度が４００℃よ
り下がるのを防止することである）。前述のように、本
発明は、（この教示をいったん有すれば容易に決定でき
るように）溶体化処理炉の段階が通常用いられるが、こ
のような溶体化処理段階がなくても所望の特性を獲得で
きる場合は、広い意味で、他のアルミニウム合金および
熱処理プロセスに適用することができる。
施例では示していないが、言うまでもなく、以上の説明
は例証的なものにすぎず、説明した系の構造およびその
運転状態には、添付の特許請求の範囲で規定したような
本発明の精神から逸脱することなく、無数の変更が可能
であることが理解される。たとえば、特定のアルミニウ
ム・銅系について上記で挙げた温度とはわずかに異なる
臨界温度を示す位相図を有する、他の開示されたアルミ
ニウム合金径から製造された鋳物に、利点を広く適用す
ることができる。また、通常は型から取り出した後に即
座に直接焼入れすることが好ましいが、型から取り出し
た後に鋳物を保持するため、小型の炉を用いる簡易装置
を使用することができる（その唯一の目的は、鋳物が即
座に焼入れされるための特定の待機時間の間、たとえば
減速中、単位の保守中などに、鋳物の温度が４００℃よ
り下がるのを防止することである）。前述のように、本
発明は、（この教示をいったん有すれば容易に決定でき
るように）溶体化処理炉の段階が通常用いられるが、こ
のような溶体化処理段階がなくても所望の特性を獲得で
きる場合は、広い意味で、他のアルミニウム合金および
熱処理プロセスに適用することができる。
【００２９】Ａｌ−Ｃｕの合金系を有する好ましい実施
例で考慮したことを逆にすると、本発明は、特に、鋳造
アルミニウムに関するＡＡＡ分類の３００シリーズのア
ルミニウム合金（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ
Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に特に適している。本発明
の好ましい実施例の特徴は、鋳物の特性が、（Ａｍｅｒ
ｉｃａ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎの
既定によると）Ｔ６のテンパーを有する鋳物に必要な範
囲内であるが、Ｔ６の等級を満たす鋳物に必要な溶体化
処理なしで達成されることである。通常、本発明により
製造されるアルミニウム合金は、有意の量の（たとえば
約５．５％を上回る）シリコンがなければ、少なくとも
０．５ｗｔ％の銅を含有する。本プロセスで有効な典型
的な３００シリーズの成分は、以下の範囲内にあるよう
な成分である。 Ｍｇ ０．０５〜０．１ｗｔ％ Ｓｉ ５．５〜６．５ Ｃｕ ２．０〜４．０ Ｆｅ １．０〜１．２
例で考慮したことを逆にすると、本発明は、特に、鋳造
アルミニウムに関するＡＡＡ分類の３００シリーズのア
ルミニウム合金（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ
Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に特に適している。本発明
の好ましい実施例の特徴は、鋳物の特性が、（Ａｍｅｒ
ｉｃａ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎの
既定によると）Ｔ６のテンパーを有する鋳物に必要な範
囲内であるが、Ｔ６の等級を満たす鋳物に必要な溶体化
処理なしで達成されることである。通常、本発明により
製造されるアルミニウム合金は、有意の量の（たとえば
約５．５％を上回る）シリコンがなければ、少なくとも
０．５ｗｔ％の銅を含有する。本プロセスで有効な典型
的な３００シリーズの成分は、以下の範囲内にあるよう
な成分である。 Ｍｇ ０．０５〜０．１ｗｔ％ Ｓｉ ５．５〜６．５ Ｃｕ ２．０〜４．０ Ｆｅ １．０〜１．２
【００３０】本明細書および添付の図では、本発明の幾
つかの好ましい実施例を図示して説明し、その様々な変
更および修正について示唆してきたが、本発明の範囲内
でこのような変更および修正が可能であることが理解さ
れる。本明細書で示唆した内容は、当業者が本発明およ
びその原理をより十分に理解し、それによって特定の用
途の条件に最適になるように、それぞれ様々な形で変更
できるため、例証を目的に選択し、本明細書に含めた。
つかの好ましい実施例を図示して説明し、その様々な変
更および修正について示唆してきたが、本発明の範囲内
でこのような変更および修正が可能であることが理解さ
れる。本明細書で示唆した内容は、当業者が本発明およ
びその原理をより十分に理解し、それによって特定の用
途の条件に最適になるように、それぞれ様々な形で変更
できるため、例証を目的に選択し、本明細書に含めた。
【図１】アルミニウム合金を製造する従来の先行技術の
方法による、プロセスの段階の順序を示す流れ図であ
る。
方法による、プロセスの段階の順序を示す流れ図であ
る。
【図２】熱処理可能な合金から硬化アルミニウム鋳物を
製造する本発明の方法の、プロセスの段階の順序を示す
流れ図である。
製造する本発明の方法の、プロセスの段階の順序を示す
流れ図である。
【図３】先行技術の熱処理および本発明の熱処理が時間
とともに辿る、様々な温度の経路を示すグラフ（両方法
による鋳物の温度対時間を示す、重ね合わせたプロッ
ト）である。
とともに辿る、様々な温度の経路を示すグラフ（両方法
による鋳物の温度対時間を示す、重ね合わせたプロッ
ト）である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フアン フランシスコ モジカ−ブリセー ニョ メキシコ国 ヌエボ レオン モンテレー コル．コントリー ジェミニス 132 (72)発明者 オスカー ガルザ−オンダルザ メキシコ国 ヌエボ レオン サン ニコ ラス デ ロス ガルザ コル．アナフア ック レオポルド ルゴネス 745
Claims (18)
- 【請求項１】 熱処理可能なアルミニウム合金から形成
される金属鋳物の製造方法で、液体アルミニウム合金を
４００℃以上まで冷却して高温の固化金属鋳物を形成す
る段階と、前記高温固化金属鋳物を直接焼入れ急冷する
段階と、前記焼入れ金属鋳物を時効硬化させる段階とか
らなる製造方法。 - 【請求項２】 前記アルミニウム合金が、ＡＡＡ分類の
３００シリーズからなる、請求項１記載のアルミニウム
合金鋳物の製造方法。 - 【請求項３】 前記鋳物が、４００℃と４７０℃との間
の範囲に抽出された後に即座に冷却され、その後に前記
範囲内の温度から開始される焼入れに先だって、その温
度でしばらく維持される、請求項１記載のアルミニウム
合金鋳物の製造方法。 - 【請求項４】 基本的に、液体アルミニウム合金を４０
０℃以上の温度に冷却して高温の固化金属を形成する段
階と、前記高温金属を直接焼入れ急冷する段階と、前記
金属を時効硬化させる段階とからなる、熱処理硬化可能
なアルミニウム合金から形成される金属の製造方法。 - 【請求項５】 液体アルミニウム合金を冷却して高温の
固化金属鋳物を形成する段階と、金属の温度が、溶液の
熱処理が必要となる点より下に降下する前に、前記高温
固化金属鋳物を直接焼入れ急冷する段階と、前記焼入れ
金属鋳物を時効硬化させる段階とからなる、熱処理可能
なアルミニウム合金から形成する金属鋳物の製造方法。 - 【請求項６】 さらに、前記高温固体鋳物を４００℃以
上の温度に維持して、溶液中の合金要素を維持し、その
後に直接焼入れする段階からなる、請求項５記載の方
法。 - 【請求項７】 焼入れに先立って、固化鋳物が、前記鋳
物の表面温度を４００℃と４９０℃との間の範囲に維持
される、請求項５記載の方法。 - 【請求項８】 抽出が、約４９０℃と５００℃との間の
範囲の温度である、請求項５記載の方法。 - 【請求項９】 前記焼入れが前記抽出の直後に開始さ
れ、水を使用して実施されて、鋳物を６５℃と９０℃と
の間の範囲の温度に下げる、請求項８記載の方法。 - 【請求項１０】 前記焼入れが、６５℃と９０℃との間
の範囲の温度まで下げる、請求項８記載の方法。 - 【請求項１１】 前記焼入れが約８５℃の温度まで下げ
る、請求項９記載の方法。 - 【請求項１２】 さらに、液体の熱処理可能なアルミニ
ウム合金で型を充填することにより高温の固化金属鋳物
を形成し、十分に冷却して固化鋳物を形成し、前記型か
ら前記高温鋳物を抽出することからなる、請求項５記載
の方法。 - 【請求項１３】 焼入れ段階が、銅の沈殿の進行をおお
むね防止して、アルミニウム基質内の過飽和溶液の銅を
維持するのに十分な速度で前記高温鋳物を急速冷却する
ことからなる、請求項１２記載の方法。 - 【請求項１４】 前記時効硬化処理が、２ないし５時間
の期間、１４０℃と２５℃との間の温度で時効炉内で行
われる、請求項９記載の方法。 - 【請求項１５】 焼入れを３５℃を上回る温度で開始す
る、請求項１０記載の方法。 - 【請求項１６】 焼入れを４００℃を上回る温度で開始
する、請求項１０記載の方法。 - 【請求項１７】 前記合金がＭｇを含む、請求項４記載
の方法。 - 【請求項１８】 前記アルミニウム合金鋳物が、Ｔ６の
テンパーに同等の特性を有する、請求項１記載の方法。
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| US44440095A | 1995-05-19 | 1995-05-19 | |
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