キャスト アルミニウム 合金は自動車において極めて重要な材料です, 航空宇宙, 産業機械, およびコンシューマーエレクトロニクス, 軽量な特性が高く評価されている (密度 2.5 ～ 2.8 g/cm3), 優れたキャスティブ可能性, 調整可能な機械的性能.
主な合金元素に基づく, 鋳造アルミニウム合金は国際的に 4 つのコアシステムに分類されています: アルシ (アルミニウム-シリコン), アル銅 (アルミニウム銅), al-mg (アルミニウム-マグネシウム), そして Al-Zn (アルミニウム-亜鉛).
各システムは、特定のアプリケーション要件に合わせた異なる特性を示します。, 高強度の航空宇宙部品から耐食性の海洋部品まで.
この記事では、それらの分類の包括的な分析を提供します。, キープロパティ, 合金化のメカニズム, および産業用アプリケーション - ASTM B179 に準拠, ISO 3116, およびその他の国際規格.
1. 分類: 鋳造アルミニウム合金の 4 つの主要なファミリー
| 家族 | 代表的な構成 (wt％) | 主要なプロパティ | 典型的なアプリケーション |
| al-はい (アルミニウム – シリコン) | そして ≈ 7–12％; + 微量マグネシウム (≈0.2～0.6%), オプション付き (最大 ~4%) | 流動性に優れ、凝固収縮率が低い; 優れたキャスティブ性と機械性; 優れた摩耗性と熱安定性 (特に過共晶); Mg が存在すると時効硬化可能 | エンジンブロック, シリンダーヘッド, トランスミッションハウジング, 構造鋳物, ダイカスト部品, ピストン (低熱膨張のための過共晶) |
| al-cu (アルミニウム-銅) | 銅 ≈ 3–10％; シロー (≤ ~2%); Mg/Mn添加可能 | 鋳放し強度と熱処理強度が高い; 優れた高温強度と耐クリープ性 (Al₂Cuによる析出強化) | ホットエンドエンジンコンポーネント, バルブシート, 高温で動作する高負荷構造鋳物および部品 |
| al – mg (アルミニウム-マグネシウム) | Mg ≈ 3–6％; シ小 (≈0.5～1.0%) キャスタビリティを向上させるためのオプション | 非常に優れた耐食性 (海水に優れた); 密度が低く、靭性が良い; 単相または単相に近い微細構造が可能 | マリンハードウェア, 海底ハウジング, 耐食性と低質量が重要な軽量構造部品 |
| Al – Zn / Al – Zn – Mg (亜鉛含有システム) | Zn 数 wt%、Mg 存在 (ZnとMgを組み合わせて析出硬化させたもの) | 溶体化処理後に得られる非常に高い強度 + エージング (T6); 良好な比強度 | 精度, 溶体化処理および時効処理が施される高強度部品および構造部品 (最大の静的強度が必要な場合に使用されます) |
2. 鋳造における主要なファミリー - Al-Si 合金
代表的な構成 & 微細構造
- そして: 通常 7–12重量% 多くの鋳造グレードで; 近共晶 (~12.6 wt% Si) 組成物は最高の流動性と最低の鋳造収縮を示します。.
- その他の意図的な追加: mg (A356 では ≈0.3 ～ 0.6%) 時効硬化用 (mg₂si沈殿); cu (ピストンまたは高温合金で) 高温強度用;
で 高温使用および過共晶合金でシリコンの脆性を制御. - 鋳放しの微細構造: 主要な α-Al デンドライトと共晶シリコン (a + そして).
未改質合金では、共晶Siは粗大で板状です。; 改質後のSiは細かく繊維状になります.
共晶改質 (目的とエージェント)
ゴール: 粗く変換する, 板状Siを微細な繊維状形態にし、延性を向上させます。, 機械加工性と耐疲労性.
- ナトリウム (Na) — 非常に効果的な修飾子ですが、不安定です; 密封された投与と慎重な制御が必要.
- ストロンチウム (sr) — 最も広く使用されている商用修飾語; 典型的な投与量 0.015–0.03重量%; 過剰摂取は効果がなく、有害になる可能性があります.
- アンチモン (SB) — 修飾を安定させるために一部のシステムで Sr と組み合わせて使用されます。.
- 希土類 — 少量の添加により、一部の合金の改質効果を安定させ、延長させることができます。.
有害な不純物とその制御
- 鉄 (fe) — 硬く形成される一般的な浮浪者不純物, 脆性金属間化合物 (例えば。, FeAl₃, Al₉Fe₂Si₂) 鋳物を脆化させ、表面仕上げと耐食性を低下させます。.
緩和: 追加 Mn (≈0.3～0.5%) または cr (≈0.1～0.2%) 鉄相をより害の少ない形態に修正する (アル₆(fe,Mn)), スクラップ原料を管理する. - リン (p) — Naと反応し、修飾を分解します。; 炉の装入量 P 含有量を厳密に制御.
- 錫/鉛 — 低融点共晶を形成し、高温ショートやバーンスルーを引き起こします; 保つ < 可能であれば ~0.05%.
- カルシウム (ca) — 流動性を低下させ、収縮を促進する高融点化合物を形成する可能性があります; Caコントロール < ~0.05% で良好な鋳造性を実現.
代表的なAl-Si鋳造合金と用途
- A356.0 / およびac-alsi7mg (≒Si 7.0～7.5%, マグネシウム 0.3 ～ 0.5%) — 広く使用されている砂 & パーマネントモールド合金; 熱処理可能 (T6); アプリケーション: エンジンブロック, 構造住宅, ホイール.
- A357 — A356 に似ていますが、Fe をより厳密に制御し、機械的特性を高めています。.
- A319 / A380 (ダイカストファミリー) — 自動車のポンプハウジングに使用されるAl-Si-Cuダイカスト合金, ホイールハブ, ギアボックスハウジング.
- 過共晶Al-Si (そして > 12%) — 熱膨張が非常に低く、摩耗挙動が良好なため、ピストンやスライド用途に使用されます。 (脆性を軽減するために、Ni/希土類と合金化されることが多い). 構成例: AlSi12Cu2Mg 高温ピストン合金用.
3. Al-Cu 鋳造合金 - 高強度と高温耐性
冶金 & パフォーマンス
- 強さの由来は al₂cu (th) 老化により形成される沈殿物; Cu は、鋳放しおよび熱処理後の高い強度と、高温での優れた耐クリープ性を促進します。.
- トレード・オフ: Cuは高温ショート傾向を増加させる, 凝固時の偏析と収縮; キャスティングの練習ではこれらに対処する必要があります.
代表的な組成 & 用途
- 高銅鋳造合金 (例えば。, Al–Cu と 3–10% Cu): バルブに使用される, 座席, 高温での熱安定性と機械的強度を必要とするコンポーネント.
- 多成分強化 (Mnの添加, mg, 等) 強度と熱間加工性の両方を向上させる複雑な分散を生成できます.
4. Al-Mg 鋳造合金 — 耐食性と軽量化
主要な属性
- Mg 3～6 wt% 鋳造品では Al₃Mg₂ 相が生成されます; 適切に処理された場合, 多くの Al-Mg 鋳造合金は優れた耐食性を示します (特に海洋で, 塩化物を含む環境) 一般的な Al-Si 鋳造合金よりも密度が低い.
- 表面仕上げと酸化物の品質が重要; Mg は溶解中に酸化しやすいため、溶解制御が重要です.
典型的なアプリケーション
- 海洋成分, 浮力のある構造物, 高い比耐食性と適度な強度が必要な耐食性ハウジングおよび軽量部品.
処理メモ
- 制御された雰囲気またはフラックスを使用する, 乱流を最小限に抑えてドロスと水素の付着を低減します, 鋳造性を向上させるために少量の Si を添加することがよくあります。.
5. Al – Zn (Al-Zn-Mgを含む) 鋳造合金 - 熱処理後の高強度
特性
- Zn (Mgと組み合わせることが多い) 溶体化処理や老化によく対応する合金システムを提供します (T6) 生産 非常に高い降伏強度と引張強度.
- 鋳放しの製造性はあまり高くありません (多孔性と熱間引き裂きの傾向が大きくなる) そのため、慎重なゲート制御と凝固制御が必要です.
アプリケーション
- 精度, 鋳造後の熱処理が許容される高強度部品 - 航空宇宙用継手および一部の精密計器部品.
6. キャスタビリティの比較と選択ガイド
| 合金族 | キャスト性 | 代表的な強度 (as-cast / T6) | 腐食 | 典型的な最適な用途 |
| al-はい | 素晴らしい (最高) | 中→良好 (T6 が改善) | 良い | 一般鋳物, エンジンブロック, ハウジング, ホイール |
| al-cu | 公正→挑戦的 | 高い; 優れたエレベーテッド T 強度 | 適度 | エンジンコンポーネント, バルブ, 高温で作動する部品 |
| al – mg | 適度 (溶融制御が必要) | 適度 | 素晴らしい (海兵隊) | 海兵隊, 軽量, 耐食部品 |
| Al – Zn / Al – Zn – Mg | 中程度から劣ったキャスト時の状態; 熱処理後の方が良い | T6 以降は非常に高い | 変数; 多くの場合、Al-Mg よりも低い | 精度, 時効後の高強度部品 |
7. 鋳造アルミニウムの熱処理 - 実務上のルール
熱処理は、鋳放しのアルミニウム微細構造を制御された状態に変換するための主要なツールです。, 使用可能な状態.
鋳造合金用, 共通の目標は:
(1) 溶体化処理により強度を高める + クエンチ + エージング (T トリートメント);
(2) 均質化により偏析と化学的不均一性を軽減します;
(3) 鋳造応力を緩和し、焼きなましにより延性を回復します。;
(4) 使用中の寸法安定性のために微細構造を安定化します.
典型的な治療期間 (実用的な参考資料)
(価値観はエンジニアリングの指針です; 正確な状況については、合金サプライヤーおよび製品規格に確認してください。)
| 処理 | 典型的な温度 (°C) | 通常の浸漬時間 | 典型的な合金 / メモ |
| 均質化 | 420–520°C | 2–12 h (厚さ依存) | 大型のAl-Cu鋳物および一部のAl-Si高Cu合金に有用 |
| 溶液処理 | 480–520°C | 1–6時間 (セクションに依存する) | Al-Si-Mg (A356/A357): ～495℃; Al-Cu 合金は多くの場合約 495 ～ 505 °C |
| クエンチ | 水 (～20～40℃) またはポリマークエンチ | すぐに; 炉から急冷までの時間を最小限に抑える | T6 応答にとって重要なクエンチ強度; 重いセクションにはクエンチモデリングが必要です |
人工老化 (T6) |
150–185 °C | 4–12 h (合金によって異なります & 望ましい特性) | A356 T6: 典型的には 160 ～ 180 °C、4 ～ 8 時間; Al-Zn-Mg 合金はさまざまです - 仕様に従ってください |
| 安定化 / T7 (高齢者) | 170–200°C | より長い老化 (例えば。, 8–24時間) | 熱安定性の高い場所で使用 > サービス温度優先 (ピーク強度が低い, より安定した) |
| アニール / ストレス緩和 | 300–400°C (低い) | 0.5–2 h | 延性回復と応力緩和に; シグマ形成範囲にとどまることを避ける (ほとんどの Al には適用されない) |
重要: 浸漬時間はセクションサイズに応じてスケールされます. 熱質量計算またはサプライヤーのグラフを使用して、特定の鋳造断面の保持時間を決定します.
よくある熱処理の欠陥とその予防
- 不十分な解決策 (低温 / 短時間) → 可溶相の溶解が不完全; その結果、経年反応が低下し、機械的特性が低下します.
防止: 切片サイズに合わせて調整された時間と温度のプロファイルに従います; 熱電対またはシミュレーションを使用して浸漬を検証します. - 過剰解決 (温度が高すぎる / 時間が長すぎます) → 低融点共晶相の初期融解 (特に高Cu合金の場合) そして粒子の粗大化.
防止: 最大温度を遵守し、過熱を避けてください; 炉制御を使用する & チャート. - 焼割れ / ねじれ → 焼入れ中の過度の熱勾配または拘束.
防止: デザイン器具, 非常に大きな部品には段階的焼入れまたはポリマー焼入れを使用します; 制御された熱抽出を可能にする. - 使用中の経年変化 → 使用が老化温度に近づいた場合, 早期軟化が起こる.
防止: T7/過老化状態を選択してください, または、より熱的に安定した合金を選択してください (Ni安定化) 高めの T の場合. - 熱処理後の表面腐食 → 急冷塩や汚染水からの残留物はアルミニウムを攻撃する可能性があります.
防止: すぐに徹底的な掃除をする (脱イオン水), クエンチ塩を中和する, 保護加工やコーティングを施します.
合金族ごとの特別な考慮事項
- Al-Si-Mg (例えば。, A356/A357): 共通T6: 溶液 ~495 °C, クエンチ, 年齢 160 ～ 180 °C.
多孔性の影響を受けやすい; 熱処理により強度は向上しますが、閉じ込められたガスは機械効率を低下させる可能性があります. - Al-Cu合金: 大型の鋳物では、溶体化する前に偏析を減らすために均質化が必要です; 低融点成分の初期融解を避けるための慎重な制御.
- Al-Zn-Mg合金: T6 に対して非常に応答性が高いが、クエンチに非常に敏感; 不適切な時効/焼入れシーケンスと残留応力が存在する場合の応力腐食割れのリスク - 不純物レベルと応力除去を制御.
- Al-Mg合金: 多くは析出硬化性ではありません (または最小限のみ); 熱処理は、T6 強化ではなく、焼きなまし/応力除去に重点を置いています。.
8. 実用合金例と用途へのマッチング
- 一般的な構造, 熱処理可能な鋳物: A356/A357 (Al-Si-Mg) — エンジンハウジング, 歯車, ホイール部品.
- ダイカスト構造部品 (自動車): A380 / A319ファミリー (Al-Si-Cuダイキャスト) — ポンプハウジング, ギアボックスケース, ホイールハブ.
- 高温ピストン / 低膨張部品: 過共晶Al-Si (Si 12～18 wt%) Ni/RE添加物 - ピストン, 精密ベアリング.
- 海兵隊 / 腐食クリティカル: Al-Mg 鋳造のバリエーション (Mg 3～6 wt%) — 海水用継手およびハウジング.
- 高強度, 熱処理された部品: Al-Zn-Mg鋳造合金 (T6処理の対象となる) — 高い静的強度を必要とする精密部品.
9. 結論
鋳造アルミニウム合金は、幅広い機械的特性にわたって調整できる多用途の製品です。, 賢明な合金選択による熱性能と腐食性能, 溶融練習, 修正, 熱処理と成形.
Al-Si合金 優れた鋳造性と良好な機械的性能および熱処理応答性を兼ね備えているため、鋳造アルミニウムの世界の根幹となっています。.
al-cu そして Al – Zn このシステムは、鋳造性を犠牲にして、より高い強度と耐熱性を提供します。; al – mg 耐食性と低密度が最重要視される場合、合金はかけがえのないものです.
信頼性の高いコンポーネントのパフォーマンスのために, 適切な合金の選択を組み合わせる (などの国際的に認められた呼称を使用します。 A356/A357, A319/A380, AlSi12Cu2Mg 等) 厳格な不純物管理, Al-Si 系の正しい修正方法 (さん/な) 適切な鋳造/熱処理ルート.
FAQ
最も広く使用されている鋳造アルミニウム合金は何ですか?
A356.0 (Alシリーズ) 最も一般的です, バランスの取れた鋳造性により、世界の鋳造アルミニウム生産量の約 40% を占めています。, 強さ, および腐食抵抗.
海洋用途に最適な鋳造アルミニウム合金はどれですか?
535.0 (Al-Mgシリーズ) 優れた海水耐食性を提供します (腐食率 <0.005 MM/年) および軽量プロパティ, 船舶用機器に最適です.
Al-Cu合金は複雑な鋳造に使用できますか?
いいえ - Al-Cu 合金は鋳造性に劣ります (流動性が低い, 高い収縮) 複雑な形状には適していません. 高強度が必要な複雑な部品には A356.0 または A380.0 を使用してください.
Al-Zn-Mg合金に必要な熱処理とは?
Al-Zn-Mg合金 (例えば。, 712.0) T6熱処理が必要 (溶液処理 + 人工老化) 高い強度を得るには、鋳放し状態での強度が低すぎる (～180MPa) 実際の用途には適していません.
Al-Mg合金の鋳造性を改善する方法?
0.5～1.0%のSiを添加して共晶相を形成, 流動性を高める, 溶解中に不活性ガスを遮断して Mg の酸化を防止します。.
