JPS6364508B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐摩耗性および強靭性のアルミニウ
ム―ケイ素系合金（以下Al―Si合金という）鋳
物の製造方法に関するものである。

従来、耐摩耗性のAl―Si合金鋳物として初晶
ケイ素粒子が分散した過共晶Al―Si合金が使用
されている。該過共晶Al―Si合金は、初晶ケイ
素粒子Al―Si合金鋳物の内部のみならず表面に
も晶出している。従つて該Al―Si合金鋳物は、
該初晶ケイ素粒子を晶出しないAl―Si合金を用
いた場合と比べ、耐摩耗性に優れる。

しかし上記初晶ケイ素粒子が分散したAl―Si
合金を用いた鋳物はその表面のみならず内部にも
該粒子を比較的多量に含むので、該母材は硬くて
もろくなる。従つて該鋳物の靭性、被削性、鋳造
性、および機械的強度が悪くなる。また上記の靭
性等を向上せしめるために母材中の上記初晶ケイ
素粒子の濃度を低下させると、上記鋳物の耐摩耗
性が悪くなる。

以上のように従来知られている初晶ケイ素粒子
が分散したAl―Si合金鋳物の製造方法において
は、耐摩耗性および靭性がともに優れたAl―Si
合金鋳物を製造することは困難であつた。

本発明は上記問題点を克服するものであり、耐
摩耗性と強靭性、高被削性等を同時に具備する
Al―Si合金鋳物の製造方法を提供することを目
的とする。

即ち本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法は、
鋳造金型中のキヤビテイの内部に濾過材を固定す
る工程と、 過共晶Al―Si合金溶湯を該キヤビテイに入れ、
上記溶湯の一部を上記濾過材に導き、該濾過材表
面上に初晶ケイ素粒子を集積させて凝固する工程
と、 得られた鋳物より上記濾過材を取り除き、上記
集積した高濃度の初晶ケイ素粒子を有する集積層
を表出させる工程とからなることを特徴とするも
のである。

本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法の第一工
程は、鋳造金型中のキヤビテイの内部に濾過材を
固定するものである。

上記鋳造金型は、Al―Si合金鋳物の製造に通
常用いられるものを用いることができる。また上
記キヤビテイは、目的とする鋳物の形状に応じて
種々のものを選択することができる。なお濾過材
が固定される部分のキヤビテイの表面形状および
溶積等が、以下に述べるように、鋳物表面におけ
る硬化層の形状およびその厚さ等に関係するの
で、目的とする鋳物の種類によつて、該濾過材が
固定される部分のキヤビテイの表面形状等は、任
意に選択される。

上記濾過材は第１図に示すように上記キヤビテ
イ４の内部に固定される。なお該濾過材は、第１
図のように濾過材が固定される部分のキヤビテイ
の一部を充填するものであつてもよいし、その全
部を充填するものであつてもよい、該濾過材５
は、炭化ケイ素繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、
アルミナ―シリカ繊維、ガラス繊維、炭化ケイ素
ウイスカ、窒化ケイ素ウイスカ、透過性セラミツ
クス等の少なくとも一種で構成される。該濾過材
は上記繊維をフエルト状に集積したもの、あるい
は布、不織布のようにシート状にしたもの等、
種々の形態のものが使用できる。そして該濾過材
は、初晶ケイ素粒子を集積させるとともに溶湯の
重力またはプランジヤーによる圧力に耐えうる形
状とする必要がある。また該濾過材の孔径は通常
50μm以下であるのが好ましい。

上記濾過材の表面に初晶ケイ素粒子を集積させ
るためには、溶湯を濾過材表面より内部に浸透、
通過させることが必要である。このため溶湯に圧
力をかけ高圧下に溶湯を濾過材に浸透させると
か、溶湯のぬれを利用し、濾過材の材料に溶湯と
ぬれ性の良い材料を選び、溶湯を濾過材中に浸透
させることが望ましい。そして炭化ケイ素は該溶
湯とのぬれ性が良いので、該濾過材には主に炭化
ケイ素の繊維又はウイスカを用いるのが望まし
い。

以上を考慮すると該濾過材には、炭化ケイ素ウ
イスカの集積体さらに濾過材表面側には炭化ケイ
素長繊維クロスおよび最表面層には炭素繊維クロ
ス又はガラス繊維を集積したものが好ましい。な
お該炭素繊維クロス又はガラス繊維は濾過材等を
取り除くのに便利なように最表面に位置させるも
のである。

本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法の第二工
程は、初晶ケイ素粒子を含有するAl―Si合金溶
湯を該キヤビテイに入れ、上記溶湯の一部を上記
濾過材に導き、該濾過材表面に初晶ケイ素粒子を
集積させて凝固する工程である。

上記Al―Si合金は、アルミニウム合金のマト
リツクス中に初晶ケイ素粒子が分散した金属組織
をもつもの、即ち該合金マトリツクスと初晶ケイ
素粒子との混合物をいう。この代表的なAl―Si
合金材料としてはアルジル合金として知られてい
るようにケイ素含有量が13〜30重量％程度の高い
ケイ素含有率をもち、金属組織中に初晶ケイ素粒
子を有するものである。従つて該Al―Si合金は
共晶組成以上のケイ素を含有する。なお、ここで
マトリツクスとは初晶ケイ素粒子の周囲に存在す
る金属相をいう。マトリツクスは主としてアルミ
ニウム合金で形成されている。なお、アルミニウ
ム合金中にみられる比較的小さな共晶ケイ素等の
結晶はマトリツクスの成分と考えることができ
る。

上記Al―Si合金溶湯は、上記Al―Si合金の溶
湯であつて、溶融したAl―Si合金中に上記初晶
ケイ素粒子を含むものである。初晶ケイ素粒子と
はビツカース硬化（以下Hvという）900〜1200で
平均粒径が10μ以上、より好ましくは平均粒径が
20〜100μのものをいう。

Al―Si合金の溶湯の場合、ケイ素の含有量は、
通常13〜30重量％程度であるが、それ以上とする
こともできる。そして共晶組成以上のケイ素が粗
大粒子である初晶ケイ素として上記溶湯中に晶出
する。上記ケイ素の濃度が大きい程、上記溶湯中
に晶出する初晶ケイ素粒子の濃度が増大し、該ケ
イ素の濃度が小さい程、該溶湯中に晶出する初晶
ケイ素粒子の濃度が濃度が減少する。そしてケイ
素の含有量および晶出する初晶ケイ素粒子の濃度
は、本発明の方法により製造されるAl―Si合金
鋳物の種々の目的に応じて適当なものを選択する
ことができる。本発明の鋳物表面の少なくとも一
部を形成する硬化層は、溶湯中に含まれる初晶ケ
イ素粒子が集積したものである。従つて極めて耐
摩耗性の優れたAl―Si合金鋳物とするためには、
即ち硬化層中の初晶ケイ素粒子の濃度を極めて高
くするためには、上記溶湯中のケイ素の含有量を
多くするのが良い。逆に耐摩耗性を確保するとと
もに該鋳物の靭性、被削性および鋳造性等を良く
するためには、上記溶湯中のケイ素等の含有量を
少なくするのがよい。

次いで初晶ケイ素粒子が晶出したAl―Si合金
の溶湯の一部を、該初晶ケイ素粒子の径よりも小
さな孔径を有する上記濾過材に導くと、該濾過材
表面に該初晶ケイ素粒子が集積される。そして、
該溶湯を冷却させるとそれが固化し、上記Al―
Si合金からなる母材と、その上層に位置する上記
初晶ケイ素粒子の集積層と、濾過材を含む濾過材
層とから成る鋳物が形成される。

上記集積層は、上記母材中の初晶ケイ素粒子よ
りも高濃度の初晶ケイ素粒子を有するものであ
り、該母材層よりも硬度が高い。該集積層中の初
晶ケイ素粒子の濃度は、上記Al―Si合金溶湯中
の該ケイ素粒子の濃度、該溶湯の単位面積あたり
の濾過量および該初晶ケイ素粒子の濾過に対する
歩留り等により異なる。

そして集積層の厚さは、以下にのべるようにそ
れを表出させて鋳物の硬化表面層を形成させるも
のであればよく、特に限定されないが、おおむね
0.1mm〜1.0mm程度が好ましい。該厚さは、溶湯温
度、注湯してから加圧を開始するまでの時間、濾
過材の種類または濾過材層の厚さ等をかえること
により、容易にかえることができる。即ち溶湯温
度が低い程、または注湯から加圧開始までの時間
が長い程、ぬれ性の良い濾過材を用いる程、該厚
さは厚くなる。例えば濾過材をアルミナ―シリカ
系繊維を用いた場合において、溶湯温度が約850
℃、注湯後加圧開始までの時間が５秒の場合の該
厚さは0.2mmであり、該温度が850℃、注湯の後加
圧開始までの時間が20秒の場合の該厚さは1.1mm
にもある。

本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法の第三工
程は、上記により得られた鋳物より上記濾過材の
部分の取り除き、上記集積した高濃度の初晶ケイ
素粒子を有する集積層を表出させる工程である。

上記濾過材の部分を取り除く方法には、Al合
金鋳物を切断する方法等の、Al合金鋳物におい
て通常用いられる方法を用いることができる。そ
して表出させられた表面層は、上記の高濃度の初
晶ケイ素粒子の集積層であつて硬化層である。従
つて過共晶Al―Si合金（例えばA390）を上記の
溶湯として用いた場合、上記の表面層は、該母材
中に含まれる初晶ケイ素濃度よりも高濃度の初晶
ケイ素を含む硬化層とすることができる。また、
上記硬化層中の初晶ケイ素濃度を上記のA390の
Al―Si合金中の初晶ケイ素濃度とほぼ同じとす
る場合、本発明の方法に使用されるAl―Si合金
中の初晶ケイ素濃度を、上記A390の合金よりも
小さくすることができる。従つて本発明の方法に
より製造される鋳物の母材中の初晶ケイ素濃度
は、上記A390合金の母材中のものよりも小さく
することができる。

母材よりも高濃度の初晶ケイ素粒子を有する硬
化層の表面は、上記鋳物表面の少なくとも一部に
形成されていればよい。従つて該硬化層の表面
は、上記鋳物表面の全面であつてもその一部に形
成されていてもよい。そして一部に形成される場
合、濾過材層の固定位置および形状をかえること
により、その形成される位置および形状は任意に
選択できる。即ち該硬化層を鋳物表面の中間部で
も端部でも、また種々の形状のものをも形成する
ことができる。

従来の耐摩耗性過共晶Al―Si合金鋳物は該表
面層と同様に該母材中にも比較的高濃度の初晶ケ
イ素粒子を含んでいる。一方、本発明の方法によ
り製造されたAl―Si合金鋳物が、上記の従来の
鋳物と同じAl―Si合金を用いて製造された場合
には、従来のものと比べ、本発明の方法により製
造された鋳物の母材中の初晶ケイ素粒子の濃度は
同じであるが該鋳物の硬化層中の該濃度は大き
い。従つて本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法
によれば、上記の従来の鋳物と比べて、極めて耐
摩耗性に優れた過共晶Al―Si合金鋳物を製造す
ることができる。

また上記の従来の鋳物の表面層と本発明の方法
により製造された鋳物の硬化層中の初晶ケイ素粒
子濃度をほぼ同じとする場合には、本発明の方法
により製造された鋳物の母材中の該濃度は、従来
の母材中のものと比べて小さくなる。従つて本発
明のAl―Si合金鋳物の製造方法によれば、上記
の従来の鋳物と比べて、耐摩耗性を維持しつつ、
極めて靭性、被削性、および鋳造性に優れた過共
晶Al―Si合金鋳物を製造することができる。ま
たかかる場合は上記鋳物の母材中のケイ素含有量
が低いので、本発明のAl―Si合金鋳物の製造方
法によれば、初晶ケイ素粒子の微細化処理をする
までもなく、機械的強度に優れた鋳物を製造する
ことができる。

以上より本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法
によれば、極めてバランスのとれた耐摩耗機能お
よび機械的特性を有する上記鋳物を製造すること
ができる。

しかも本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法は、
所定の濾過材により過共晶Al―Si合金溶湯を濾
過することに特徴がある簡便な方法である。また
本発明のAl―Si合金鋳物の製造方法によれば、
Al―Si合金鋳物の表面の必要部分に上記硬化層
を形成することができる。本発明のAl―Si合金
鋳物の製造方法によれば、単に溶湯温度、注湯後
加圧開始までの時間、濾過材の種類等をかえるこ
とにより上記硬化層の厚さを容易にかえることが
できる。

以下、試験例により本発明を説明する。

試験例 第１図に示すように鋳造金型１，２（温度300
℃）中のキヤビテイ４の内部に濾過材５を固定し
た。この濾過材５はアルミナ―シリカ系繊維で構
成されている。なお濾過材が固定されない部分の
キヤビテイの形状は円柱状（直径80mm、高さ50
mm）であり、濾過材が固定される部分のキヤビテ
イの形状も円柱状（直径50mm、100cm³）である。
また濾過材の孔径は20μm、その表面形状は円形
（直径50mm）である。

次いでケイ素の含有量が17重量％であるAl―
Si合金（A390）の溶湯（温度850℃）を上記キヤ
ビテイに入れ、プランジヤー３により初晶ケイ素
が晶出した該溶湯の一部を上記濾過材に導く、こ
の場合の初晶ケイ素の径は20μm程度である。そ
して上記濾過材表面に初晶ケイ素を集積させて後
凝固させる。この凝固された鋳物の初晶ケイ素集
積層付近の断面の顕微鏡写真（写真倍率×100）
を第２図に示した。第２図において、黒色の糸状
物は濾過材、灰色物は初晶ケイ素であり、該濾過
材からなる濾過材層６の上層は初晶ケイ素集積層
７、さらにその上層は母材層８である。即ち第２
図は、初晶ケイ素が濾過材層６の上部に集積さ
れ、該集積層７の厚さが約0.2mmである状態を示
している。なお第２図は母材中にも初晶ケイ素が
分散して保持されていることも示している。なお
溶湯温度が850℃、注湯後加圧開始までの時間が
20秒の場合の上記鋳物の初晶ケイ素集積層付近の
断面の顕微鏡写真（写真倍率×100）を第３図に
示した。第３図は、第２図と同様に濾過材層６
１、初晶ケイ素集積層７１、母材層８１からな
り、該集積層の厚さが1.0〜1.1mmという大きな厚
さであることを示している。

次いで上記により得られた、第２図に示した鋳
物より濾過材の部分を取り除き、上記集積した高
濃度の初晶ケイ素を有する集積層を表出させる。
この表出させる方法としては、一般的な機械加工
によつた。

上記により製造されたAl―Si合金鋳物は、そ
の形状が円柱状（直径80mm、高さ50mm）であり、
初晶シリコンの集積層である硬化層は上記鋳物の
表面の中央部に位置している。該鋳物のうち、硬
化層以外は母材である。第４図に該鋳物の一部で
あつて該集積層付近の断面状態を示した。該図
は、上記集積層７２が初晶ケイ素９の集積からな
る状態を表わしている。なお母材層８２中にも初
晶ケイ素９１が分散保持されている。該硬化層の
厚さは0.2mmであり、該層のケイ素含有量は30％
である。また上記硬化層の硬度はHv120である。
なお該硬化層の形成前の、Al―Si合金母材表面
層の硬度は、Hv90であつた。硬度測定方法は、
いわゆるビツカース硬さ試験法を用いた。

本試験例の方法により製造されたAl―Si合金
鋳物の硬化層は、ケイ素濃度が約30％と大きいの
で、その硬度が大きい。従つて上記鋳物は、ケイ
素濃度が17％である従来の鋳物と比べ極めて耐摩
耗性に優れる。故に本試験例の方法によれば、従
来の鋳物と比べ極めて耐摩耗性に優れた鋳物を製
造することができる。

また従来の過共晶Al―Si合金鋳物が本試験例
と同等の高耐摩耗性を確保するためには、上記の
従来の鋳物の母材中のシリコン濃度も約30％とな
り、一方本試験例の場合は、それが17％で足り
る。従つて本試験例の方法によれば、上記の従来
の鋳物と比べ靭性、被削性、鋳造性に優れた鋳物
を製造することができる。以上により本試験例の
方法によれば、耐摩耗性および靭性等に優れた、
バランスのとれた性能を有するAl―Si合金鋳物
を製造することができる。

本試験例の方法によれば、注湯後加圧開始まで
の時間を５から20秒にかえることにより、初晶シ
リコン集積層の厚さを約0.2から1.1mmに容易にか
えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図に鋳造金型中のキヤビテイの内部に濾過
材を固定した状態を表わした図、第２図および第
３図は過共晶Al―Si合金を濾過し固化後の鋳物
であつて、初晶シリコンの集積層付近の断面の顕
微鏡写真図（倍率×100）、第４図は耐摩耗部材の
一部であつて初晶ケイ素の集積層である硬化層付
近の断面図である。 １……鋳造金型の上型、２……鋳造金型の下
型、３……プランジヤー、４……キヤビテイ、５
……濾過材、６，６１……濾過材層、７，７１，
７２……初晶シリコン集積層、８，８１，８２…
…母材層、９，９１……初晶ケイ素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳造金型中のキヤビテイの内部に濾過材を固
   定する工程と、 過共晶アルミニウム―ケイ素系合金溶湯を該キ
   ヤビテイに入れ、上記溶湯の一部を上記濾過材に
   導き、該濾過材表面上に初晶ケイ素粒子を集積さ
   せて凝固する工程と、 得られた鋳物より上記濾過材を取り除き、上記
   集積した高濃度の初晶ケイ素粒子を有する集積層
   を表出させる工程とからなることを特徴とするア
   ルミニウム―ケイ素系合金鋳物の製造方法。 ２ 濾過材は、炭化ケイ素繊維、炭素繊維、アル
   ミナ繊維、アルミナ―シリカ繊維、ガラス繊維、
   炭化ケイ素ウイスカ、窒化ケイ素ウイスカ、透過
   性セラミツクス等の少なくとも一種で構成される
   特許請求の範囲第１項記載のアルミニウム―ケイ
   素系合金鋳物の製造方法。 ３ 濾過材の孔径は、50μm以下である特許請求
   の範囲第２項記載のアルミニウム―ケイ素系合金
   鋳物の製造方法。