JPH1143727A - 重力鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｔｉの活性化温度（７５０℃程度）より低い
鋳造温度でも、Ｔｉのゲッター効果を発現させて重力下
で粉末成形体に金属溶湯を含浸させることができる重力
鋳造方法を提供する。 【解決手段】 ＡｌまたはＡｌ基合金粉末と、Ｔｉ粉末
と、脱酸・脱窒のためのＴｉの活性化温度よりも低温で
Ａｌと発熱反応を起こす反応物質の粉末０．０５〜３０
vol％とから成る成形体に、金属または合金の溶湯を重
力下で含浸させる。反応物質としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａ
ｇ等を用いることができる。含浸させる金属または合金
の溶湯は、典型的にはＡｌ、Ｍｇ等の軽金属および軽合
金である。この重力鋳造方法により、一般には軽合金等
の合金を製造することができ、特に成形体中に更に強化
材を添加することにより、分散強化型金属基複合材料を
製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末成形体に金属
または合金の溶湯を重力下で含浸させる重力鋳造法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】粉末成形体に金属溶湯を含浸させて合金
または金属基複合材料を製造する方法が知られている。
この方法を用いると、一般の鋳造法では均一な組織を得
難い組成の合金の製造、粉末の形で金属溶湯に添加した
のでは混合し難いような強化材を均一に分散させた金属
基複合材料の製造、更に強化対象部位に粉末成形体を配
置して金属溶湯で鋳ぐるむ局所的な複合強化等ができ
る。

【０００３】粉末成形体に金属溶湯を含浸させるには、
成形体の微小な空隙に金属溶湯を十分に浸透させる必要
があるため、一般には高圧鋳造が行われる。しかし、高
圧鋳造法によらず通常の重力鋳造により含浸を行うこと
ができれば、生産性および製造コストの面で非常に有利
である。本出願人は、特願平８−３２１６２６号におい
て、ＡｌまたはＡｌ合金粉末、Ｆｅ合金粉末およびＴｉ
粉末から成る粉末成形体を用いることにより、Ｔｉのゲ
ッター効果を利用して重力鋳造によってＡｌ溶湯を含浸
させることを提案した。すなわち、成形体中に含まれる
Ｔｉの脱酸・脱窒反応により空隙内の空気が除去され、
空隙内の内圧が大きく低下して真空状態に近くなり、溶
湯に対する吸引作用が生じる。その結果、特に高圧鋳造
によらず通常の重力鋳造によっても空隙内へ溶湯を十分
に浸透させることができる。

【０００４】しかし、Ｔｉのゲッター効果を利用するに
は、Ｔｉの脱酸・脱窒作用が容易に起きるようにＴｉが
活性化する温度で鋳造を行う必要がある。このＴｉの活
性化温度は７５０℃程度であり、これより低温での重力
鋳造では、含浸が十分に行われず、例えばＡｌ基複合材
料の場合にＡｌマトリクスの高温強度が低下する等の不
具合が生ずる。

【０００５】このようにＴｉをゲッターとして利用して
含浸を行う重力鋳造法は、Ｔｉの活性化温度以下での鋳
造には適用できないという限界があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、Ｔｉの活性
化温度（７５０℃程度）以下の低温でも、重力下で粉末
成形体に金属溶湯を十分に含浸させることができる重力
鋳造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の重力鋳造方法は、ＡｌまたはＡｌ基合金
粉末と、Ｔｉ粉末と、脱酸・脱窒反応のためのＴｉの活
性化温度よりも低温でＡｌと発熱反応を起こす反応物質
の粉末０．０５〜３０ vol％とから成る成形体に、金属
または合金の溶湯を重力下で含浸させることを特徴とす
る。

【０００８】本発明の重力鋳造方法においては、脱酸・
脱窒のためのＴｉの活性化温度よりも低温でＡｌと発熱
反応を起こす反応物質が存在するので、溶湯と接触した
粉末成形体が溶湯からの熱により上記発熱反応の起きる
温度に昇温すれば、その反応熱により反応系の温度をＴ
ｉの活性化温度以上にまで昇温させることができる。し
たがって、注湯される溶湯温度（鋳造温度）自体はＴｉ
の活性化温度以下であっても、Ｔｉのゲッター効果を発
現させることができるので、粉末成形体の微小な空隙に
も重力下で溶湯を十分に浸透させることができ、重力鋳
造により良好な含浸を行うことができる。

【０００９】Ｔｉの活性化温度以上に昇温させる発熱反
応を起こすには、成形体中に上記反応物質が０．０５ v
ol％以上存在する必要がある。ただし、反応物質が３０
vol％以上存在しても鋳造物の脆化を助長するだけであ
り発熱効果の増大は見込めない。本発明においては、粉
末成形体中にＴｉと、Ａｌと、反応物質とが共存しさえ
すれば、Ａｌと反応物質との発熱反応によりＴｉの活性
化温度に到達させてＴｉのゲッター効果を発現させるこ
とができる。すなわち、金属または合金の溶湯であれ
ば、溶湯の種類にはよらず重力鋳造により含浸させるこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】含浸させる溶湯は上記のとおり特
に限定する必要はないが、本発明の重力鋳造方法に用い
る代表的な溶湯は、ＡｌやＭｇ等の軽金属および軽合金
の溶湯である。Ｔｉの活性化温度よりも低温でＡｌと発
熱反応を起こす反応物質の含有量は、熱発生と脆化抑制
の両方の観点から、０．５〜１０ vol％の範囲内である
ことが望ましく、１〜５ vol％の範囲内であることが最
も望ましい。

【００１１】Ｔｉの活性化温度よりも低温でＡｌと発熱
反応を起こす典型的な反応物質として、Ｎｉ、Ｃｕおよ
びＡｇから成る群から選択された１種を単独で、または
２種以上を組み合わせて用いることができる。例えば、
反応物質としてＮｉを用いた場合、溶湯と接触して加熱
された成形体が昇温する過程においてＮｉ＋３Ａｌ→Ｎ
ｉＡｌ₃ という発熱反応が優先的に起きて、成形体およ
びその近傍の温度が上昇してＴｉが活性化され、Ｔｉの
ゲッター反応（脱酸・脱窒反応）が起きて成形体空隙へ
の溶湯吸引作用が誘起され、重力鋳造が促進される。

【００１２】発熱反応の生成物であるＮｉＡｌ₃ 等の金
属間化合物は、製造された鋳造物中に微細に分散して高
温強度等の機械的特性の向上にも寄与する。高圧鋳造に
比べて、重力鋳造による含浸の利点は、生産性向上とコ
スト低減という製造面での利点ばかりでなく、成形体の
空隙内への吸引作用により溶湯が浸透するので高圧鋳造
時のような外圧負荷による成形体の亀裂発生も無くなる
という製品の品質面での利点も得られる。

【００１３】本発明の重力鋳造方法は、一般には、粉末
成形体の構成成分であるＡｌまたはＡｌ合金、Ｔｉ、お
よび反応物質（Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ等）と、含浸溶湯の構
成成分である金属または合金とから成る合金を製造する
ことができるし、特別な形態として、成形体に更に強化
材を含ませると、分散強化型金属基複合材料を製造する
ことができる。強化材としては、金属基複合材料に分散
強化材として用いられるものであればどのような種類の
ものでもよく、特に限定する必要はない。すなわち、材
質は金属、金属間化合物、酸化物、窒化物、炭化物、炭
窒化物、硼化物、その他のセラミックス等でよいし、形
態は粒状、繊維状等のいずれでもよい。一つの典型例と
しては、含浸溶湯をＡｌ合金としてＡｌ基複合材料を製
造する際に、成形体中に強化材としてＦｅ合金粉末等を
添加して耐磨耗性等を向上させることができる。

【００１４】本発明の粉末成形体の典型例においては、
ＡｌまたはＡｌ基合金粉末の含有量は１０〜８５ vol
％、Ｔｉ粉末の含有量は１〜３０ vol％である。Ａｌま
たはＡｌ基合金粉末は、反応物質との発熱反応によりＴ
ｉを活性化するために１０ vol％以上存在することが望
ましく、Ｔｉ量、反応物質量、空隙率を必要な値に確保
するために一般に８５ vol％以下とするのが適当であ
る。

【００１５】Ｔｉ粉末は、ゲッター効果を発現するため
に１ vol％以上存在することが望ましいが、３０ vol％
より多量に存在しても更にゲッター効果が向上すること
はなく鋳造物の脆化を助長する傾向が現れる。このよう
に、上記範囲の含有量とすることにより、適度な空隙率
で成形体を容易に成形でき、Ｔｉによるゲッター効果を
発現させて重力鋳造による成形体中への含浸を容易に行
うことができる。

【００１６】一般に、成形体は空隙率が１０ vol％〜６
０ vol％の範囲内であることが望ましい。空隙率が１０
vol％未満になると、大きい成形力が必要になる上、空
隙内への溶湯浸透に対する抵抗力が大きくなり含浸が困
難になる。空隙率が６０ vol％より大きくなると、成形
体の構造自体を維持することが困難になる。

【００１７】

【実施例】

〔実施例１〕２０２４−３７Ｓｉ合金粉末（東洋アルミ
ニウム製、−１００メッシュ）、Ｔｉ粉末（住友シチッ
クス製、−３２５メッシュ）、および本発明による反応
物質としてのＮｉ粉末（ＩＮＣＯ社製、ｔｙｐｅ２５
５）から成る粉末成形体（形状：φ３０×１０ｍｍ）を
作成した。成形体中での粉末の体積率は、Ｔｉ粉末は１
０ vol％で一定とし、２０２４−３７Ｓｉ合金粉末を４
０〜７０ vol％の範囲で、Ｎｉ粉末を０〜３０ vol％の
範囲でそれぞれ表１に示す種々の値として、粉末全体の
総体積率が８０ vol％（すなわち空隙率２０ vol％）に
なるようにした。

【００１８】

【表１】

【００１９】この成形体をＡｌ合金溶湯（組成：ＪＩＳ
−ＡＣ８Ａ、温度：６５０℃）中に３０秒間浸漬した
後、取り出して凝固させた。この方法は重力下で含浸を
行う通常の重力鋳造に対応しており、小さい試料と少な
い溶湯量で金型も要らずに実行できるため、条件を種々
変化させて実験を行うのに適した方法である。得られた
鋳造物に２２０℃×６時間のＴ６処理を施した後、光学
顕微鏡により組織を観察した。これによる含浸状態の判
定結果を表１に示す。判定の方法は、◎（特に良好：ポ
ア量が０．１ vol％以下）、○（良好：ポア量が０．１
vol％を超え１ vol％以下）、×（不良：ポア量が１ v
ol％を超える）とした。

【００２０】表１に示したように、本発明により０．０
５ vol％〜３０ vol％の範囲でＮｉ粉末を添加すること
により、ポア量が１ vol％以下の良好な含浸状態が得ら
れる。更にＮｉ粉末の体積率を１ vol％〜３０ vol％の
範囲内に限定すると、ポア量が０．１ vol％以下の特に
良好な含浸状態が得られる。表１には示していないが、
Ｎｉ粉末の体積率を３０ vol％より多量にしても、含浸
状態が更に向上することはなく、ＮｉＡｌ₃ 等の金属間
化合物が多量に生成して脆化の傾向が現れる。したがっ
て、Ｎｉ粉末の添加量は３０ vol％を上限とすることが
適当である。 〔実施例２〕実施例１と同様に、粉末成形体の作成、溶
湯中への浸漬、Ｔ６処理を行った。ただし、Ｔｉ粉末の
体積率は５ vol％で一定とし、２０２４−３７Ｓｉ合金
粉末を４５〜７５ vol％の範囲で、Ｎｉ粉末を０〜３０
vol％の範囲でそれぞれ表２に示す種々の値として、粉
末全体の総体積率が８０ vol％になるようにした。

【００２１】Ｔ６処理後に、光学顕微鏡観察を行い実施
例１と同じ方法で含浸状態を判定した結果、表２に示し
たように、Ｎｉ粉末の体積率と含浸状態との関係は実施
例１と同様であった。

【００２２】

【表２】

【００２３】〔実施例３〕実施例１と同様に、粉末成形
体の作成、溶湯中への浸漬、Ｔ６処理を行った。ただ
し、本発明による反応物質としてＮｉに代えてＣｕおよ
びＡｇをそれぞれ単独または両者を組み合わせて用い
た。成形体中での各粉末の体積率は、Ｔｉ粉末は１０ v
ol％で一定とし、総体積率が８０ vol％となるように２
０２４−３７Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末の各体
積率を表３に示すように種々に組み合わせた。Ｔ６処理
後に、光学顕微鏡観察を行い実施例１と同じ方法で含浸
状態を判定した結果を表３に示す。表３に示したよう
に、本発明の規定範囲内の体積率で反応物質としてＣｕ
粉末および／またはＡｇ粉末を添加することにより、重
力鋳造によって十分良好な含浸状態が得られた。

【００２４】

【表３】

【００２５】〔実施例４〕２０２４−３７Ｓｉ合金粉末
（東洋アルミニウム製、−１００メッシュ）７０vol
％、Ｔｉ粉末（住友シチックス製、−３２５メッシュ）
５ vol％、および本発明による反応物質としてのＮｉ粉
末（ＩＮＣＯ社製、ｔｙｐｅ２５５）５ vol％から成る
粉末成形体（形状：φ３０×１０ｍｍ）を作成した。成
形体中での粉末全体の総体積率は８０ vol％である。

【００２６】この成形体を、表４に示した種々の温度に
保持したＪＩＳ−ＡＣ８Ａ合金溶湯中に３０秒間浸漬し
た後、取り出して凝固させた。得られた鋳造物に実施例
１と同じくＴ６処理を施した後、光学顕微鏡観察を行い
実施例１と同じ方法で含浸状態を判定した結果を表４に
示す。表４に示したように、溶湯温度が６５０℃以上で
十分良好な含浸状態が得られた。従来の重力鋳造では、
Ｔｉを活性化してゲッター効果を発現させ良好な含浸状
態を得るには、鋳造時の溶湯温度（鋳造温度）を７５０
℃以上にする必要があった。これに対して、本発明によ
れば従来より１００℃低温でも十分良好な含浸が可能に
なる。

【００２７】

【表４】

【００２８】〔実施例５〕Ｆｅ−６３wt％Ｃｒ−７Ｃ合
金粉末（福田金属製、−２５０メッシュ）２０ vol％お
よびＴｉ粉末（住友シチックス製、−３２５メッシュ）
５ vol％に、Ａｌ−３８wt％Ｓｉ合金粉末（東洋アルミ
ニウム製、−１００メッシュ）とＮｉ粉末（ＩＮＣＯ社
製、ｔｙｐｅ２５５）を、各々４５ vol％と１０ vol
％、または５４ vol％と１ vol％、または５５ vol％と
０ vol％になるように秤量混合し、粉末成形体（形状：
φ３０×１０ｍｍ）を作成した。

【００２９】この成形体をＡｌ合金溶湯（組成：ＪＩＳ
−ＡＣ８Ａ、温度：６５０℃）中に３０秒間浸漬した
後、取り出して凝固させた。得られた鋳造物に２２０℃
×６時間のＴ６処理を施した後、光学顕微鏡により組織
を観察した。Ｎｉ粉末無添加（０ vol％）の場合には、
成形体にＡｌ合金溶湯は含浸されておらず、成形体の空
隙がほぼそのままポアとして鋳造物中に存在していた。

【００３０】Ｎｉ粉末を１０ vol％または１ vol％添加
した場合には、マイクロポアを含めてどのようなポアも
存在せず、成形体への含浸が十分に行われていた。この
ように、本発明によりＮｉ粉末を添加することにより、
単に合金溶湯中に浸漬することにより重力下で十分に含
浸が行われていており、重力鋳造による含浸が成されて
いた。

【００３１】比較のために、Ｎｉ粉末無添加（０ vol
％）の場合と同じ配合組成の粉末成形体に、上記と同じ
くＪＩＳ−ＡＣ８Ａ合金溶湯を高圧鋳造にて含浸させ
た。これは、高圧鋳造用の金型内に成形体を配置して５
００℃×１時間の余熱を行った後に、鋳造温度８００
℃、金型温度２８０℃、加圧条件１３０ＭＰａ×３０秒
で行った。鋳造後は直ちに７０℃の温水中に焼き入れ、
次に上記と同じＴ６処理を施した。

【００３２】本発明によりＮｉ粉末を１０ vol％または
１ vol％添加して重力鋳造した前述の試料と、上記Ｎｉ
粉末無添加で高圧鋳造した試料とについて、耐凝着性試
験を行った。その結果、本発明による重力鋳造材は高圧
鋳造材と同等の耐凝着性を示した。耐凝着性試験は、図
１に示すようにヒータ１０を内蔵し互いに対向する台１
１、１２から成る試験機により行った。台１１には試験
片Ｗ（φ９０×厚さ１０ｍｍ）を、台１２には相手材と
してエンジンのピストンリングを想定して１７wt％Ｃｒ
ステンレス鋼窒化リング１３を、それぞれ装着し、台１
２を矢印Ｙ方向に往復運動させてリング１３を試験片Ｗ
の表面に叩きつける。これを、温度２８０℃、面圧０．
１ＭＰａにて１０分間行った後、試験片Ｗ表面の凝着面
積を測定した。

【００３３】更に、Ｎｉ粉末を増量して、Ａｌ−３８wt
％Ｓｉ合金粉末２５ vol％、Ｎｉ粉末３０ vol％とした
以外は上記と同じ条件で重力鋳造により溶湯含浸を行っ
て鋳造物を作成し、上記と同じくＴ６処理後に組織を観
察した。Ｎｉ粉末１０ vol％および１ vol％の場合と同
様にポアは無かった。ただし、ＮｉＡｌ₃ 等の金属間化
合物が多量に析出したために体積膨張が起きており、若
干脆化の傾向が認められた。 〔実施例６〕Ｆｅ−６３wt％Ｃｒ−７Ｃ合金粉末（福田
金属製、−２５０メッシュ）１０ vol％およびＴｉ粉末
（住友シチックス製、−３２５メッシュ）１０ vol％
に、Ａｌ−３８wt％Ｓｉ合金粉末（東洋アルミニウム
製、−１００メッシュ）とＮｉ粉末（ＩＮＣＯ社製、ｔ
ｙｐｅ２５５）を、各々５０ vol％と１０ vol％、また
は５９ vol％と１ vol％、または６０ vol％と０ vol％
になるように秤量混合し、粉末成形体（形状：φ３０×
１０ｍｍ）を作成し、この成形体を実施例５と同じく重
力鋳造による溶湯含浸およびＴ６処理を行った。

【００３４】光学顕微鏡観察による含浸状態の判定結果
は実施例５と同様であった。すなわち、Ｎｉ粉末無添加
（０ vol％）の場合には、成形体にＡｌ合金溶湯は含浸
されておらず、成形体の空隙がほぼそのままポアとして
鋳造物中に存在していた。これに対して、Ｎｉ粉末を１
０ vol％または１ vol％添加した場合には、マイクロポ
アを含めてどのようなポアも存在せず、成形体への含浸
が十分に行われていた。このように、本発明によりＮｉ
粉末を添加することにより、単に合金溶湯中に浸漬する
ことにより重力下で十分に含浸が行われていており、重
力鋳造による含浸が成されていた。

【００３５】また、本発明によりＮｉ粉末を１０ vol％
または１ vol％含有する上記の成形体を、約３００℃に
余熱した金型（ＪＩＳ船金型）内に配置し、Ａｌ合金溶
湯（組成：Ａｌ−１２wt％Ｓｉ−５wt％Ｍｇ、温度：７
００℃）を注湯した。得られた鋳造物に実施例５と同じ
Ｔ６処理を施した後、組織観察したところ、マイクロポ
ア等の無い良好な含浸状態であることが確認された。

【００３６】更に、Ａｌ−３８wt％Ｓｉ合金粉末に代え
て２０２４合金粉末を用いた以外は上記と同じ条件で重
力鋳造による含浸およびＴ６処理を行った場合にも、本
発明によりＮｉ粉末を１０ vol％または１ vol％添加し
た試料については上記と同様に良好な含浸状態が得られ
た。また、２０２４合金粉末の体積率を６５ vol％と
し、Ｆｅ−６３wt％Ｃｒ−７Ｃ合金粉末は添加せずに
（０ vol％）、Ｔｉ粉末を１０ vol％、Ｎｉ粉末を５ v
ol％とした場合にも、マイクロポア等の無い良好な含浸
状態が得られた。ただしこの場合には耐凝着性の向上よ
りも強度特性の向上が顕著であり、Ａｌ−３８wt％Ｓｉ
を用いた場合に比べて約５０％の強度向上が認められ
た。 〔実施例７〕Ａｌ−３８wt％Ｓｉ合金粉末（東洋アルミ
ニウム製、−１００メッシュ）７０vol％、Ｔｉ粉末
（住友シチックス製、−３２５メッシュ）５ vol％、Ｎ
ｉ粉末（ＩＮＣＯ社製、ｔｙｐｅ２５５）５ vol％を秤
量混合し、粉末成形体（形状：７０ｍｍ×２０ｍｍ×２
０ｍｍ）を作成した。成形体における粉末全体の総体積
率は８０ vol％（空隙率２０ vol％）である。

【００３７】この成形体をＡｌ合金溶湯（組成：ＪＩＳ
−ＡＣ８Ａ、温度：６５０℃）中に３０秒間浸漬した
後、取り出して凝固させた。得られた鋳造物に２２０℃
×６時間のＴ６処理を施した後、機械加工して引張試験
片を作製した。比較のために、上記のＡｌ−３８wt％Ｓ
ｉ合金粉末（東洋アルミニウム製、−１００メッシュ）
８０ vol％から成る粉末成形体（空隙率２０ vol％）を
作製し、上記と同じくＪＩＳ−ＡＣ８Ａ合金溶湯を高圧
鋳造にて含浸させた。これは、高圧鋳造用の金型内に成
形体を配置して５００℃×１時間の余熱を行った後に、
鋳造温度８００℃、金型温度２８０℃、加圧条件１３０
ＭＰａ×３０秒で行った。鋳造後は直ちに７０℃の温水
中に焼き入れ、次に上記と同じＴ６処理を施した後、機
械加工して引張試験片を作製した。

【００３８】上記の各試験片を２００℃において引張試
験した結果、本発明による重力鋳造材は引張強さが約２
２０ＭＰａであり、高圧鋳造材の約２５０ＭＰａとほぼ
同等の引張強さが得られた。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｔｉの活性化温度（７５０℃程度）より低い鋳造温度で
も、Ｔｉのゲッター効果を発現させて重力下で粉末成形
体に金属溶湯を含浸させることができる重力鋳造方法が
提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、耐凝着性試験機の断面図である。

【符号の説明】

１０…ヒータ １１，１２…台 １３…相手材（１７wt％Ｃｒステンレス鋼窒化リング） Ｗ…試験片（円板） Ｙ…往復運動の方向

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡｌまたはＡｌ基合金粉末と、Ｔｉ粉末
   と、脱酸・脱窒反応のためのＴｉの活性化温度よりも低
   温でＡｌと発熱反応を起こす反応物質の粉末０．０５〜
   ３０ vol％とから成る成形体に、金属または合金の溶湯
   を重力下で含浸させることを特徴とする重力鋳造方法。
2. 【請求項２】 前記反応物質が、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇ
   から成る群から選択された１種以上の物質であることを
   特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記成形体が、更に強化材を含んで成る
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。