中空アルミニウム合金とその製造方法
【課題】低コストかつ簡便な方法で得られ、広範な車両部位への適用に好適な密度を有する中空アルミニウム合金を提供する。
【解決手段】Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする中空アルミニウム合金である。
【解決手段】Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする中空アルミニウム合金である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空アルミニウム合金およびその製造方法に関する。より詳細には、自動車用衝撃吸収部材、防音部材などに好適な中空アルミニウム合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷を低減する取り組みの一環として、自動車の燃費向上のための車両の軽量化が進められている。一方、自動車衝突時の乗員保護や歩行者保護の観点からは安全性の向上が求められる。このように、自動車の軽量化および安全性の確保の両立は自動車の材料開発において重要な技術課題となっている。しかし、一般に車両の軽量化は剛性の低下や衝突エネルギー吸収性の低下を伴うため、軽量化と安全性の確保とを両立させることは容易ではない。したがって、軽量かつ十分な機械的強度を有する材料の開発が切望されている。
【０００３】
かかる状況下、軽量でエネルギー吸収特性に優れる部材として、中空アルミニウム合金が注目されている。中空アルミニウム合金は、アルミニウム等の軽金属中に多数の空孔（セル）を含む構造を有する。この中空アルミニウム合金は軽量である上、圧縮変形の際にプラトー領域が現れるため衝撃吸収性に優れる。さらに、断熱・吸音特性にも優れる。このため、衝突安全性、軽量化、快適性の観点から、バンパ、クラッシュボックス、ボンネットなどの自動車用衝撃吸収部材やフロントピラー、センタピラー、フード、トランクリッド、サンルーフ、ファイアウォールなどの多くの部位への適用が期待されている。
【０００４】
かような中空アルミニウム合金の代表的なものとして発泡アルミニウムがあり、その製造方法として、発泡剤を用いた溶湯法が知られている（特許文献１を参照）。この方法は、溶融アルミニウムに増粘剤としてＣａ等を添加した後に、発泡剤としてＴｉＨ２を添加する。このＴｉＨ２粒子が溶湯中で分解してＨ２ガスを放出することにより気孔が生じ、アルミニウム合金発泡体を得るというものである。そして、この方法で得られるアルミニウム合金発泡体の密度は０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３程度であると報告されている。
【特許文献１】特開２００７−７７４８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載されるような中空アルミニウム合金の製造方法は、発泡剤として高価なＴｉＨ２を添加するため、発泡剤のコストがかさみ、大量生産される量産車への実用化には至っていない。
【０００６】
一方、一般に発泡アルミニウム合金の密度が大きいほど高強度化および高剛性化が図られるため、高密度化することでより強度や剛性が求められる衝撃吸収材以外の車体（サイドシル等）の部位への適用が期待できる。しかし、特許文献１のような発泡剤を用いた溶湯法ではこれ以上の高密度化は困難であり、その他の方法でも低コストで空孔密度の比較的小さい発泡アルミニウム合金を得るのは困難である。このように、現状の発泡アルミニウム合金では、車体等のより広範囲な車両材料への適用を可能とするような比較的高い密度を実現することは難しいという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、低コストかつ簡便な方法で得られ、広範な車両部位への適用に好適な密度を有する中空アルミニウム合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記課題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、アルミニウムおよびカルシウムを含む初晶化合物を制御することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の中空アルミニウム合金は、Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低コストかつ簡便な方法により、中空アルミニウム合金が得られる。さらに、本発明の中空アルミニウム合金は従来の発泡アルミニウムに比べて比較的高い密度を有する。このため、衝撃吸収材以外の広範な部位への適用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい形態を説明する。
【００１２】
本発明の代表的な一形態は、Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする中空アルミニウム合金である。
【００１３】
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、本発明者らによって作製された中空アルミニウム合金の断面を写した光学顕微鏡写真である。詳細には、図１Ａは、中空アルミニウム合金のマクロな断面写真であり、図１Ｂは図１Ａの中空アルミニウム合金の断面の一部をより拡大したミクロな断面写真であり、図１Ｃは図１Ｂの中空アルミニウム合金の断面の一部をさらに拡大したミクロな断面写真である。図中、１は中空領域であり、２はＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相であり、３はＡｌマトリックスである。図１Ａに示すように、本発明の中空アルミニウム合金は合金の内部に中空領域１が均一に形成された構造を有する。より詳細には、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、本発明の中空アルミニウム合金はＡｌマトリックス３中に初晶化合物相２を有する。そして、図１Ｂに示すように、この初晶化合物相２は粗大な針状の組織が３次元ネットワーク状に分散した構造を有し、当該初晶化合物２同士の間の一部に中空領域１が均質に存在している。
【００１４】
以下、本発明の中空アルミニウム合金について、詳細に説明する。
【００１５】
［合金組成］
本発明の中空アルミニウム合金は、Ａｌを主成分としたＣａ含有アルミニウム合金からなる。本発明の中空アルミニウム合金において、Ａｌは残部であって、その含有量が限定されるものではない。例えば、質量比率で考えたときに、含有元素中でもっとも多い元素がＡｌであればよい。特に、Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ａｌ含有量が５０質量％以上、好ましくは５５質量％以上、より好ましくは６０質量％以上のＡｌ基合金であると、低密度化を図る上で好ましい。また、当然に不可避不純物は存在し得る。
【００１６】
（Ｃａ）
本発明の中空アルミニウム合金におけるＣａの含有量は、後述するＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相が得られる限り、特に制限されない。ただし、アルミニウム合金におけるＣａの含有量は７．７質量％以上２７質量％以下であることが好ましく、１１質量％以上２０質量％以下であることがより好ましい。Ｃａを７．７重量％以上含む場合には、中空構造の生成に好適な初晶化合物相が得られる。Ｃａを１１質量％以上含む場合には、初晶化合物相がネットワーク状に広がる上で十分な量となるため、より低密度な中空体を得ることが可能となる。一方、Ｃａの含有量が２７質量％以下である場合には、後述するＡｌマトリックスが主にＡｌおよびＡｌ４Ｃａの共晶から構成され、マトリックスに延性があるため所望の中空体を得ることができる。また、Ｃａの含有量が２０質量％以下である場合には、初晶化合物の過剰な生成が抑制され、中空体の脆性化を防止することができ、十分な強度が確保される。
【００１７】
（第３元素）
本発明の中空アルミニウム合金においては、本発明の中空アルミニウム合金の趣旨を逸脱しない範囲内で上記Ｃａ以外にも、以下のような元素（以下、第３元素ともいう）を含有していてもよい。例えば、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等の第２族元素；Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等の第４〜１１族元素（遷移金属元素）；Ｚｎなどの１２族元素（亜鉛族元素）；Ｓｉ等の第１４族元素；Ｐ等の第１５族元素等の元素を含有していてもよい。また、これらの元素のうち１種のみを含有してもよいし、２種以上を組み合わせて含有してもよい。
【００１８】
（Ｚｎ）
これらの中でも、本発明の中空アルミニウム合金は１２族元素（亜鉛族元素）であるＺｎをさらに含むことが好ましい。アルミニウム合金がＺｎを含む場合にはアルミニウム合金の中空域を増大させ、低密度化することができる上、耐食性を向上させることができる。アルミニウム合金中のＺｎの含有量は０．１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。Ｚｎの含有量が０．１質量％以上であれば、耐食性や低密度化の効果が得られる。一方、Ｚｎの含有量が１０質量％以下であれば、過剰な初晶化合物の生成による中空領域の減少を防止でき、適度な中空領域を確保することができる。
【００１９】
（Ｔｉ、Ｚｒ）
また、本発明の中空アルミニウム合金は、Ｔｉおよび／またはＺｒをさらに含むことが好ましい。アルミニウム合金において、ＴｉやＺｒは核生成サイトとして機能でき、この核生成サイトであるＴｉやＺｒの近傍において多数の初晶化合物相を生成することができる。したがって、本発明のアルミニウム合金においてＴｉやＺｒは微細化剤として機能し、合金の中空部をより微細均質化することが可能となる。このため、Ｔｉおよび／またはＺｒをさらに含む場合にはより均質で低密度な中空アルミニウム合金が得られ、微小部品への適用に有効な合金材料が得られる。アルミニウム合金中のＴｉおよび／またはＺｒの含有量の合計は０．０１質量％以上１質量％以下であることが好ましく、０．０１質量％以上０．５質量％以下であることがより好ましく、０．１質量％以上０．３質量％以下であることが特に好ましい。Ｔｉおよび／またはＺｒの含有量の合計が０．３質量％を超えると核生成サイトとなる晶出物が粗大化し、機械的特性に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、０．１質量％に満たない場合は核生成サイトの数が少ないため十分な微細化効果が得られないおそれがある。
【００２０】
また、上記に例示したＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉ以外の第３元素（例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃｒなど）の場合でも、本発明の中空アルミニウム合金の趣旨を逸脱しない範囲内で適量（好ましくは、微量）含有していてもよい。
【００２１】
［初晶化合物相］
本発明の中空アルミニウム合金はＡｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有する。本発明において「ＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相」とは、ＡｌおよびＣａを含む合金を冷却した際の液相から晶出する化合物の結晶相を意味する。また、「ＡｌおよびＣａを含む」とは、初晶化合物相がＡｌおよびＣａを少なくとも含んでおり、さらに他の元素を含みうるということを意味する。初晶化合物相はＡｌおよびＣａ、ならびに場合によっては他の元素からなる単一組成の化合物から構成されていてもよいし、これらの元素からなる複数の異なる組成の化合物から構成されていてもよい。
【００２２】
本発明の中空アルミニウム合金において、ＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相は粗大な針状の組織が三次元のネットワーク状に均一に分散した形態を有する。かような形態を有することにより、所望の中空構造を有するアルミニウム合金を簡便に製造することができる。
【００２３】
（初晶化合物）
以下、本発明の中空アルミニウム合金に含まれる初晶化合物相を構成する化合物について説明する。初晶化合物相は、Ａｌと、Ｃａと、場合によっては第３元素からなる金属間化合物で構成される。ここで、金属間化合物とは２種以上の金属元素から形成される化合物をいい、成分原子比は必ずしも化学量論比でなく、広い組成範囲を持つことが多い。
【００２４】
図２にＡｌ−ＣａのＡｌ側の二次元状態図を示す。Ｃａを７．７重量％以上含む過共晶Ａｌ−Ｃａ系合金においては、合金の溶湯を冷却した際に初晶化合物としてＡｌ４ＣａまたはＡｌ２Ｃａの金属間化合物が晶出し、中空構造の生成に好適な初晶化合物相が得られる。具体的には、Ｃａを７．７質量％以上１４．２質量％以下含む場合には初晶化合物相はＡｌ４Ｃａ相であり、Ｃａを１４．２質量％以上２７質量％以下含む場合には初晶化合物相はＡｌ４Ｃａ相およびＡｌ２Ｃａ相の混晶である。
【００２５】
Ｚｎをさらに含有する場合には、Ａｌ−Ｃａ系合金における初晶化合物であるＡｌ４ＣａまたはＣａＡｌ２のＡｌサイトがＺｎにより部分置換される。このため、初晶化合物量を増加させ、低密度化することができる。
【００２６】
一方、Ｚｒ、Ｔｉ等を含む場合には、ＺｎのようにＡｌサイトに部分置換するのではなく、Ａｌ−Ｃａ系合金において説明したのと同様に初晶化合物相はＡｌ４Ｃａ相および／またはＡｌ２Ｃａ相である。
【００２７】
本発明の合金は、ＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有することにより、発泡剤を使用することなく中空構造を有するアルミニウム合金を低コストかつ簡便に得ることが可能となる。以下、本発明の中空アルミニウムの製造メカニズムについて説明するが、本発明によるメカニズムは下記によって限定されるものではない。
【００２８】
本発明では、ＡｌおよびＣａを含む溶湯を冷却することにより、粗大な針状の三次元ネットワーク構造を有するＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相が形成される。そして、より冷却が進むと、溶湯がこれらの初晶化合物の間に流れ込み、共晶反応により凝固され、Ａｌマトリックスとなる。しかし、Ｃａを含む溶湯は粘性が高いため、溶湯の初晶化合物間への流動が抑制され、その結果、初晶化合物の間に中空領域が生じ、中空構造を有するアルミニウム合金が得られる。このように本発明では、Ａｌ−Ｃａ系合金において初晶化合物相の組織形成条件を制御することにより、低コストかつ均一な中空アルミニウム合金を開発するに至ったものである。また、合金成分を制御することにより、密度や中空領域の大きさを制御することができ、用途に適した所望の中空アルミニウム合金を得ることができる。
【００２９】
［中空領域］
本発明の中空アルミニウム合金において、初晶化合物相同士の間に中空領域が存在している。そして、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、中空アルミニウム合金中には複数の中空領域が均一に分散されている。このため、軽量であるとともに、安定した品質が得られる面で優れている。
【００３０】
中空領域の形状は特に限定されるものではなく、球状、略球状、楕円球状、角体状などの様々な形状であってよい。中空領域のサイズや分散形態も特に限定されないが、微細なサイズで均一に分散されていることが好ましい。
【００３１】
［Ａｌマトリックス］
Ａｌマトリックスは少なくともＡｌを含む相から構成され、その相の組成は特に制限されない。例えば、図２に示すように、Ｃａの含有量が７．７質量％以上２７質量％以下であるＡｌ−Ｃａ系合金においては、溶湯が６１６℃以下に冷却されるとＡｌとＡｌ４Ｃａとの共晶相が生成する。この共晶相がＡｌマトリックスを構成する。したがって、本発明の中空アルミニウム合金において、Ａｌマトリックスは主にＡｌおよびＡｌ４Ｃａの共晶から構成される。ただし、マトリックスはＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相のみから構成される２相組織であってもよいし、Ａｌ相およびＡｌ４Ｃａ相に加えて他の相を含む３相組織またはそれ以上の多相組織であってもよい。例えば、中空アルミニウム合金がＺｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどの第３元素を含む場合にはＡｌ、Ｃａ、第３元素との金属間化合物の相が含まれる多層組織となりうる。また、Ａｌマトリックス組織の形態や形状は特に限定されるものではないし、当然に不可避不純物は存在し得る。
【００３２】
なお、上記の初晶化合物相、Ａｌマトリクス、中空領域の存在は、光学顕微鏡等による組織観察により確認することができる。
【００３３】
また、本発明の効果を損なわない範囲で、本発明の中空アルミニウム合金は発泡剤などの添加剤を含んでもよい。
【００３４】
［密度］
本発明の中空アルミニウム合金の密度（嵩密度）は、好ましくは０．５ｇ／ｃｍ３より大きく２．５ｇ／ｃｍ３以下であり、より好ましくは１．０ｇ／ｃｍ３以上２．５ｇ／ｃｍ３以下であり、さらに好ましくは１．５ｇ／ｃｍ３以上２．３ｇ／ｃｍ３以下であり、特に好ましくは１．７ｇ／ｃｍ３以上２．０ｇ／ｃｍ３以下である。本発明の中空アルミニウム合金は従来実現が困難であった、純アルミニウム金属の密度（２．７ｇ／ｃｍ３）と従来の発泡アルミニウムの密度（０．２ｇ／ｃｍ３〜０．５ｇ／ｃｍ３）との間の中間領域の密度を有する。すなわち、純アルミニウム金属に比べて低密度であり、部材の軽量化が図られる。一方、従来の発泡アルミニウムに比べてより高密度を実現することができる、これによりプラトー応力が高く小さい変位量でエネルギーを吸収することができるとともに、高強度化および高剛性化が図られる。
【００３５】
［製造方法］
本発明の他の一形態によれば、中空アルミニウム合金の製造方法が提供される。この製造方法は、ＡｌおよびＣａを含む溶湯を得る工程（（１）溶湯調製工程）と、前記溶湯を１０−３℃／秒以上１０３℃／秒以下の冷却速度で冷却凝固させる工程（（２）冷却凝固工程）と、を有する。
【００３６】
本発明の製造方法によれば、ＡｌおよびＣａを含む溶湯を冷却凝固させる際の冷却速度を所定の範囲とすることにより、Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相が生成される。そして、前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域が分散した構造を有する中空アルミニウム合金を得ることができる。本発明の方法は、従来の溶湯法による発泡アルミのような発泡剤を必要としないうえ、溶湯の制御も容易であり、簡便に所望の中空アルミニウム合金を製造することができる。
【００３７】
本発明の製造方法は上記の冷却速度が実現される方法であれば特に制限されない。具体的には、砂型鋳造法、金型鋳造法、低圧鋳造法、スクイズキャスティング法を用いることができる。以下、上記工程（１）、（２）による中空アルミニウム合金の製造方法について、工程ごとに説明する。
【００３８】
（１）溶湯調製工程
まず、所望の合金組成を有する溶湯を調製する。溶湯を調製する方法は特に制限されず、従来公知の方法に基づいて行えばよい。例えば、まず、ＡｌおよびＣａを含む合金を製造する場合には、Ａｌの純金属に対し、Ｃａの純金属を所望の組成となるように添加し、大気中またはＡｒなどの不活性ガス雰囲気下、大気圧の条件下で、７００℃〜１０００℃の温度に昇温して溶融金属を調製する。そして、溶融金属を７００℃〜１０００℃の温度下で５分〜１時間の間、電磁誘導、超音波振動、または高周波振動により攪拌させる。
【００３９】
Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどの第３元素を含む場合にも、ＡｌおよびＣａの純金属に加えて、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどの添加元素の純金属を所望の組成比率となるように添加し、上記と同様の方法により溶融金属を調製、攪拌する。
【００４０】
これにより中心部と外周部の温度差が緩和され温度分布を均一化させることができるため、結晶粒子が均一に分散して安定した特性の合金が得られる。
【００４１】
上記手順により、所望の組成を有するアルミニウム合金の溶湯が得られる。本工程において、溶湯における合金成分を制御することにより、アルミニウム合金の密度や中空領域のサイズを制御することができ、所望の中空アルミニウム合金を簡便に得ることができる。
【００４２】
（２）冷却凝固工程
続いて、上記で得た溶湯を冷却して凝固させ、中空構造を有するアルミニウム合金を形成する。溶湯の冷却速度は１０−３℃／秒以上１０３℃／秒以下、好ましくは１０−３℃／秒以上１０℃／秒以下である。
【００４３】
かような冷却速度で冷却する場合には、ＡｌおよびＣａを含む粗大な初晶化合物相を十分に晶出させることができ、アルミニウム合金中に所望の中空領域を形成させることができる。１０３℃／秒を超える冷却速度を用いた場合には、初晶化合物が十分に晶出できず、ネットワーク構造を形成できないおそれがあるため好ましくない。一方、１０−３℃／秒未満の冷却速度を用いた場合には、初晶が粗大化するため好ましくない。
【００４４】
冷却凝固の方法はかような冷却速度が実現される方法であれば特に制限されない。好適な実施形態において、冷却凝固工程は、前記溶湯を鋳型に注入する工程と、前記溶湯を大気中で凝固させる工程とを有する。本実施形態による製造方法によれば、複雑な工程処理や装置を必要とすることなく、上記で作製した溶湯を鋳型に注入するという非常に簡便な方法で中空アルミニウム合金を得ることができる。
【００４５】
溶湯を鋳型に注入する際の条件は特に制限されないが、例えば、大気中またはＡｒ雰囲気中、温度６５０℃〜９００℃の条件下で行えばよい。
【００４６】
また、溶湯を大気中で凝固させる際の条件も特に制限されないが、例えば、大気中（２５℃）で１〜１０時間放置すればよい。
【００４７】
冷却後、鋳型から中空アルミニウム合金を取り出すことにより、中空アルミニウム合金が得られる。得られた中空アルミニウム合金に対して、適宜、仕上げ加工や機械加工等の各種処理を施すことで、多様な製品を製造することができる。
【００４８】
また、所望の形状を有する鋳型を用いることで、特に後処理工程を行うことなく、所望の形状を有する中空体を得ることが可能となる。
【００４９】
以上のように本発明の中空アルミニウム合金は、単に大気中で鋳型に流し込むだけで均質な中空金属部材を得ることができるため、非常に低コストであり、以下に示すようなさまざま用途への適用が見込まれる。
【００５０】
［衝撃吸収材料］
本発明の他の一形態は、中空アルミニウム合金を含む衝撃吸収材料を提供するものである。本発明の中空アルミニウム合金は従来の発泡アルミニウム合金に比べてプラトー応力が高く、小さい変位量でエネルギーを吸収することができる。なお、本発明でいう「中空アルミニウム合金を含む衝撃吸収材料」は、種々の形態を含む。具体的には、素材（例えば、鋳塊、スラブ、ビレット、焼結体、圧延品、鍛造品、線材、板材、棒材等）に限らず、それを加工したアルミニウム合金部材（例えば、中間加工品、最終製品、それらの一部等）などをも意味する。本発明の衝撃吸収材料はフロントピラー、センタピラー、フード、トランクリッド、サンルーフ、ファイアウォールなどの車体の多くの部位に好適に用いることができる。
【００５１】
［その他の用途］
また、本発明の中空アルミニウム合金は、従来の発泡アルミニウムに比べて密度が大きく、これにより高強度および高剛性（特に、ねじり剛性）を有するため、車体骨格構成部材の内部に充填することで車体の高剛性化を図ることができる。
【００５２】
この他、本発明の中空アルミニウム合金においては一定の熱伝導および電気伝導が確保されるため、各種電子機器の実装部品としても用いることができる。さらに本発明の中空アルミニウム合金は、各種吸音、防音材、建材等へも好適に適用可能なほか、低い弾性率を有し軽量であることを生かして、人工骨等への適用も可能である。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明による二次電池の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜１０および比較例１］
（中空アルミニウム合金の作製）
表１に示す組成の中空アルミニウム合金を以下のようにして作製した。
【００５４】
純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉの純金属を用い、表１に示す組成比率となるように混合し、８００℃程度に昇温して溶湯を調製した。この溶湯を約８００℃のＡｒ雰囲気中で３０分間高周波溶解により攪拌し合金化した。
【００５５】
次いで、これを大気中に坩堝ごと取り出し、深さ２．５ｃｍ、幅４ｃｍ、長さ２２ｃｍの舟形の鉄製鋳型に流し込み冷却した。これらの操作により中空アルミニウム合金のインゴットを得た。
（評価）
上記の方法で作製した各中空アルミニウム合金のインゴットについて、以下の評価を行った。
【００５６】
１．密度
上記で得たインゴットを鋳型から取り出し、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１００ｍｍのサイズの直方体に切り出した。切り出した試験片の密度をアルキメデス法により測定した。測定結果を表１に示す。
【００５７】
２．組織観察
上記で得たインゴットの長手方向（長さ方向）に対して垂直の断面を光学顕微鏡により観察した。観察結果を図１および３〜１２に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
（評価結果）
１．密度
表１に示すように、実施例１〜１０により得られた中空アルミニウム合金は密度が０．５ｇ／ｃｍ３より大きく２．５ｇ／ｃｍ３以下であった。すなわち、本発明の中空アルミニウム合金においてはいずれも、純アルミニウム金属（２．７ｇ／ｃｍ３）や一般的なアルミニウム合金の密度と従来の発泡アルミニウムの密度（０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３）との間の中間領域の密度を実現することができた。
【００６０】
一方、比較例１で得られたアルミニウム合金の密度は純アルミニウム金属や一般的なアルミニウム合金の密度と同程度の値を有し、十分な軽量化が図れていないことが確認された。
【００６１】
また、Ｃａの含有量が１１質量％以上である実施例２および３の中空アルミニウム合金は、Ｃａの含有量が１１質量％未満である実施例３の中空アルミニウム合金に比べて低密度化することができた。
【００６２】
第３元素としてＺｎを含む実施例４〜実施例８の中空アルミニウム合金は、同程度のＣａの含有量を有する実施例１〜３の中空アルミニウム合金に比べて、密度を低減できることがわかった。また、第３元素としてＴｉまたはＺｒを含む実施例９、実施例１０の中空アルミニウム合金は、同程度のＣａの含有量を有する実施例３の中空アルミニウム合金に比べて、同程度かより小さい密度を有していた。
【００６３】
２．組織観察
図４、図１、図５〜図１２はそれぞれ実施例２〜１０で得られた中空アルミニウム合金の断面写真である。また、図３は比較例１で得られた中空アルミニウム合金の断面写真である。なお、図１Ｂ、図３Ｂ、図９Ｂ、図１１Ｂ、および図１２Ｂはそれぞれ図１Ａ、図３Ａ、図９Ａ、図１１Ａ、および図１２Ａのアルミニウム合金の断面の一部をより拡大したミクロな断面写真である。そして、図１Ｃおよび図３Ｃは図１Ｂおよび図３Ｂのアルミニウム合金の断面の一部をさらに拡大したミクロな断面写真である。
【００６４】
光学顕微鏡による観察により、実施例１〜１０で得られたアルミニウム合金では、Ａｌマトリックス中に針状の組織がネットワーク状に分散した初晶化合物が存在することを確認した。また、複数の中空領域がこの初晶化合物同士の間に均質に分散していることがわかった（図１、図４〜図１２を参照）。
【００６５】
一方、比較例１で得られたアルミニウム合金においては、初晶としてＡｌが晶出しており、実施例１〜１０において観察されるような初晶化合物は存在しないことが確認された。また、均質な中空領域（空隙）も存在せず、引け巣程度の空隙しか存在しないことが確認された（図３を参照）。
【００６６】
また、Ｃａの含有量が１１質量％以上である実施例２および３の中空アルミニウム合金（図１、図５を参照）はＣａの含有量が１１％未満である実施例１の中空アルミニウム合金（図４）に比べて、多数の中空領域を均質に有しており、軽量な材料とできることがわかった。
【００６７】
さらに、第３元素としてＺｎを含む実施例４〜８の中空アルミニウム合金（図６〜１０）は同程度のＣａの含有量を有する実施例１〜３（図１、４、５）の中空アルミニウム合金に比べて、より中空領域（空隙）を増大させることができることがわかった。実施例７で得られた中空アルミニウム合金のミクロな断面図（図９Ｂ）に示されるように、Ｚｎを添加することにより、初晶化合物量が増加しており、これにより中空領域の生成量が増加したと推定される。
【００６８】
さらに、第３元素としてＴｉまたはＺｒを含む実施例９、実施例１０の中空アルミニウム合金（図１１、図１２）は同程度のＣａ含有量を有する実施例２および３（図１、図５）に比べて中空領域（空隙）がより微細均質化したことが確認できた。実施例９および１０の中空アルミニウム合金においては、図１１Ｂおよび図１２Ｂのミクロな断面図に示されるように初晶化合物が緻密化しており、これにより中空領域が微細均質化されたと考えられる。
【００６９】
以上から、本発明によれば、発泡剤を用いる従来の方法に比べて非常に低コストで簡便な方法により、所望の密度を有する中空アルミニウム合金が得られることがわかった。さらにＺｎやＴｉおよびＺｒなどの第３元素を合金成分として添加することにより、中空合金の密度や中空領域のサイズを制御できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】実施例２で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】実施例２で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１Ｃ】実施例２で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図２】Ａｌ−Ｃａ系のＡｌ側の二次元状態図である。
【図３Ａ】比較例１で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】比較例１で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図３Ｃ】比較例１で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図４】実施例１で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図５】実施例３で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図６】実施例４で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図７】実施例５で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図８】実施例６で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図９Ａ】実施例７で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図９Ｂ】実施例７で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１０】実施例８で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１１Ａ】実施例９で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１１Ｂ】実施例９で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１２Ａ】実施例１０で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１２Ｂ】実施例１０で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 中空領域、
２ 初晶化合物相、
３ Ａｌマトリックス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空アルミニウム合金およびその製造方法に関する。より詳細には、自動車用衝撃吸収部材、防音部材などに好適な中空アルミニウム合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷を低減する取り組みの一環として、自動車の燃費向上のための車両の軽量化が進められている。一方、自動車衝突時の乗員保護や歩行者保護の観点からは安全性の向上が求められる。このように、自動車の軽量化および安全性の確保の両立は自動車の材料開発において重要な技術課題となっている。しかし、一般に車両の軽量化は剛性の低下や衝突エネルギー吸収性の低下を伴うため、軽量化と安全性の確保とを両立させることは容易ではない。したがって、軽量かつ十分な機械的強度を有する材料の開発が切望されている。
【０００３】
かかる状況下、軽量でエネルギー吸収特性に優れる部材として、中空アルミニウム合金が注目されている。中空アルミニウム合金は、アルミニウム等の軽金属中に多数の空孔（セル）を含む構造を有する。この中空アルミニウム合金は軽量である上、圧縮変形の際にプラトー領域が現れるため衝撃吸収性に優れる。さらに、断熱・吸音特性にも優れる。このため、衝突安全性、軽量化、快適性の観点から、バンパ、クラッシュボックス、ボンネットなどの自動車用衝撃吸収部材やフロントピラー、センタピラー、フード、トランクリッド、サンルーフ、ファイアウォールなどの多くの部位への適用が期待されている。
【０００４】
かような中空アルミニウム合金の代表的なものとして発泡アルミニウムがあり、その製造方法として、発泡剤を用いた溶湯法が知られている（特許文献１を参照）。この方法は、溶融アルミニウムに増粘剤としてＣａ等を添加した後に、発泡剤としてＴｉＨ２を添加する。このＴｉＨ２粒子が溶湯中で分解してＨ２ガスを放出することにより気孔が生じ、アルミニウム合金発泡体を得るというものである。そして、この方法で得られるアルミニウム合金発泡体の密度は０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３程度であると報告されている。
【特許文献１】特開２００７−７７４８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載されるような中空アルミニウム合金の製造方法は、発泡剤として高価なＴｉＨ２を添加するため、発泡剤のコストがかさみ、大量生産される量産車への実用化には至っていない。
【０００６】
一方、一般に発泡アルミニウム合金の密度が大きいほど高強度化および高剛性化が図られるため、高密度化することでより強度や剛性が求められる衝撃吸収材以外の車体（サイドシル等）の部位への適用が期待できる。しかし、特許文献１のような発泡剤を用いた溶湯法ではこれ以上の高密度化は困難であり、その他の方法でも低コストで空孔密度の比較的小さい発泡アルミニウム合金を得るのは困難である。このように、現状の発泡アルミニウム合金では、車体等のより広範囲な車両材料への適用を可能とするような比較的高い密度を実現することは難しいという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、低コストかつ簡便な方法で得られ、広範な車両部位への適用に好適な密度を有する中空アルミニウム合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記課題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、アルミニウムおよびカルシウムを含む初晶化合物を制御することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の中空アルミニウム合金は、Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低コストかつ簡便な方法により、中空アルミニウム合金が得られる。さらに、本発明の中空アルミニウム合金は従来の発泡アルミニウムに比べて比較的高い密度を有する。このため、衝撃吸収材以外の広範な部位への適用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい形態を説明する。
【００１２】
本発明の代表的な一形態は、Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする中空アルミニウム合金である。
【００１３】
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、本発明者らによって作製された中空アルミニウム合金の断面を写した光学顕微鏡写真である。詳細には、図１Ａは、中空アルミニウム合金のマクロな断面写真であり、図１Ｂは図１Ａの中空アルミニウム合金の断面の一部をより拡大したミクロな断面写真であり、図１Ｃは図１Ｂの中空アルミニウム合金の断面の一部をさらに拡大したミクロな断面写真である。図中、１は中空領域であり、２はＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相であり、３はＡｌマトリックスである。図１Ａに示すように、本発明の中空アルミニウム合金は合金の内部に中空領域１が均一に形成された構造を有する。より詳細には、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、本発明の中空アルミニウム合金はＡｌマトリックス３中に初晶化合物相２を有する。そして、図１Ｂに示すように、この初晶化合物相２は粗大な針状の組織が３次元ネットワーク状に分散した構造を有し、当該初晶化合物２同士の間の一部に中空領域１が均質に存在している。
【００１４】
以下、本発明の中空アルミニウム合金について、詳細に説明する。
【００１５】
［合金組成］
本発明の中空アルミニウム合金は、Ａｌを主成分としたＣａ含有アルミニウム合金からなる。本発明の中空アルミニウム合金において、Ａｌは残部であって、その含有量が限定されるものではない。例えば、質量比率で考えたときに、含有元素中でもっとも多い元素がＡｌであればよい。特に、Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ａｌ含有量が５０質量％以上、好ましくは５５質量％以上、より好ましくは６０質量％以上のＡｌ基合金であると、低密度化を図る上で好ましい。また、当然に不可避不純物は存在し得る。
【００１６】
（Ｃａ）
本発明の中空アルミニウム合金におけるＣａの含有量は、後述するＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相が得られる限り、特に制限されない。ただし、アルミニウム合金におけるＣａの含有量は７．７質量％以上２７質量％以下であることが好ましく、１１質量％以上２０質量％以下であることがより好ましい。Ｃａを７．７重量％以上含む場合には、中空構造の生成に好適な初晶化合物相が得られる。Ｃａを１１質量％以上含む場合には、初晶化合物相がネットワーク状に広がる上で十分な量となるため、より低密度な中空体を得ることが可能となる。一方、Ｃａの含有量が２７質量％以下である場合には、後述するＡｌマトリックスが主にＡｌおよびＡｌ４Ｃａの共晶から構成され、マトリックスに延性があるため所望の中空体を得ることができる。また、Ｃａの含有量が２０質量％以下である場合には、初晶化合物の過剰な生成が抑制され、中空体の脆性化を防止することができ、十分な強度が確保される。
【００１７】
（第３元素）
本発明の中空アルミニウム合金においては、本発明の中空アルミニウム合金の趣旨を逸脱しない範囲内で上記Ｃａ以外にも、以下のような元素（以下、第３元素ともいう）を含有していてもよい。例えば、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等の第２族元素；Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等の第４〜１１族元素（遷移金属元素）；Ｚｎなどの１２族元素（亜鉛族元素）；Ｓｉ等の第１４族元素；Ｐ等の第１５族元素等の元素を含有していてもよい。また、これらの元素のうち１種のみを含有してもよいし、２種以上を組み合わせて含有してもよい。
【００１８】
（Ｚｎ）
これらの中でも、本発明の中空アルミニウム合金は１２族元素（亜鉛族元素）であるＺｎをさらに含むことが好ましい。アルミニウム合金がＺｎを含む場合にはアルミニウム合金の中空域を増大させ、低密度化することができる上、耐食性を向上させることができる。アルミニウム合金中のＺｎの含有量は０．１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。Ｚｎの含有量が０．１質量％以上であれば、耐食性や低密度化の効果が得られる。一方、Ｚｎの含有量が１０質量％以下であれば、過剰な初晶化合物の生成による中空領域の減少を防止でき、適度な中空領域を確保することができる。
【００１９】
（Ｔｉ、Ｚｒ）
また、本発明の中空アルミニウム合金は、Ｔｉおよび／またはＺｒをさらに含むことが好ましい。アルミニウム合金において、ＴｉやＺｒは核生成サイトとして機能でき、この核生成サイトであるＴｉやＺｒの近傍において多数の初晶化合物相を生成することができる。したがって、本発明のアルミニウム合金においてＴｉやＺｒは微細化剤として機能し、合金の中空部をより微細均質化することが可能となる。このため、Ｔｉおよび／またはＺｒをさらに含む場合にはより均質で低密度な中空アルミニウム合金が得られ、微小部品への適用に有効な合金材料が得られる。アルミニウム合金中のＴｉおよび／またはＺｒの含有量の合計は０．０１質量％以上１質量％以下であることが好ましく、０．０１質量％以上０．５質量％以下であることがより好ましく、０．１質量％以上０．３質量％以下であることが特に好ましい。Ｔｉおよび／またはＺｒの含有量の合計が０．３質量％を超えると核生成サイトとなる晶出物が粗大化し、機械的特性に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、０．１質量％に満たない場合は核生成サイトの数が少ないため十分な微細化効果が得られないおそれがある。
【００２０】
また、上記に例示したＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉ以外の第３元素（例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃｒなど）の場合でも、本発明の中空アルミニウム合金の趣旨を逸脱しない範囲内で適量（好ましくは、微量）含有していてもよい。
【００２１】
［初晶化合物相］
本発明の中空アルミニウム合金はＡｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有する。本発明において「ＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相」とは、ＡｌおよびＣａを含む合金を冷却した際の液相から晶出する化合物の結晶相を意味する。また、「ＡｌおよびＣａを含む」とは、初晶化合物相がＡｌおよびＣａを少なくとも含んでおり、さらに他の元素を含みうるということを意味する。初晶化合物相はＡｌおよびＣａ、ならびに場合によっては他の元素からなる単一組成の化合物から構成されていてもよいし、これらの元素からなる複数の異なる組成の化合物から構成されていてもよい。
【００２２】
本発明の中空アルミニウム合金において、ＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相は粗大な針状の組織が三次元のネットワーク状に均一に分散した形態を有する。かような形態を有することにより、所望の中空構造を有するアルミニウム合金を簡便に製造することができる。
【００２３】
（初晶化合物）
以下、本発明の中空アルミニウム合金に含まれる初晶化合物相を構成する化合物について説明する。初晶化合物相は、Ａｌと、Ｃａと、場合によっては第３元素からなる金属間化合物で構成される。ここで、金属間化合物とは２種以上の金属元素から形成される化合物をいい、成分原子比は必ずしも化学量論比でなく、広い組成範囲を持つことが多い。
【００２４】
図２にＡｌ−ＣａのＡｌ側の二次元状態図を示す。Ｃａを７．７重量％以上含む過共晶Ａｌ−Ｃａ系合金においては、合金の溶湯を冷却した際に初晶化合物としてＡｌ４ＣａまたはＡｌ２Ｃａの金属間化合物が晶出し、中空構造の生成に好適な初晶化合物相が得られる。具体的には、Ｃａを７．７質量％以上１４．２質量％以下含む場合には初晶化合物相はＡｌ４Ｃａ相であり、Ｃａを１４．２質量％以上２７質量％以下含む場合には初晶化合物相はＡｌ４Ｃａ相およびＡｌ２Ｃａ相の混晶である。
【００２５】
Ｚｎをさらに含有する場合には、Ａｌ−Ｃａ系合金における初晶化合物であるＡｌ４ＣａまたはＣａＡｌ２のＡｌサイトがＺｎにより部分置換される。このため、初晶化合物量を増加させ、低密度化することができる。
【００２６】
一方、Ｚｒ、Ｔｉ等を含む場合には、ＺｎのようにＡｌサイトに部分置換するのではなく、Ａｌ−Ｃａ系合金において説明したのと同様に初晶化合物相はＡｌ４Ｃａ相および／またはＡｌ２Ｃａ相である。
【００２７】
本発明の合金は、ＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有することにより、発泡剤を使用することなく中空構造を有するアルミニウム合金を低コストかつ簡便に得ることが可能となる。以下、本発明の中空アルミニウムの製造メカニズムについて説明するが、本発明によるメカニズムは下記によって限定されるものではない。
【００２８】
本発明では、ＡｌおよびＣａを含む溶湯を冷却することにより、粗大な針状の三次元ネットワーク構造を有するＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相が形成される。そして、より冷却が進むと、溶湯がこれらの初晶化合物の間に流れ込み、共晶反応により凝固され、Ａｌマトリックスとなる。しかし、Ｃａを含む溶湯は粘性が高いため、溶湯の初晶化合物間への流動が抑制され、その結果、初晶化合物の間に中空領域が生じ、中空構造を有するアルミニウム合金が得られる。このように本発明では、Ａｌ−Ｃａ系合金において初晶化合物相の組織形成条件を制御することにより、低コストかつ均一な中空アルミニウム合金を開発するに至ったものである。また、合金成分を制御することにより、密度や中空領域の大きさを制御することができ、用途に適した所望の中空アルミニウム合金を得ることができる。
【００２９】
［中空領域］
本発明の中空アルミニウム合金において、初晶化合物相同士の間に中空領域が存在している。そして、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、中空アルミニウム合金中には複数の中空領域が均一に分散されている。このため、軽量であるとともに、安定した品質が得られる面で優れている。
【００３０】
中空領域の形状は特に限定されるものではなく、球状、略球状、楕円球状、角体状などの様々な形状であってよい。中空領域のサイズや分散形態も特に限定されないが、微細なサイズで均一に分散されていることが好ましい。
【００３１】
［Ａｌマトリックス］
Ａｌマトリックスは少なくともＡｌを含む相から構成され、その相の組成は特に制限されない。例えば、図２に示すように、Ｃａの含有量が７．７質量％以上２７質量％以下であるＡｌ−Ｃａ系合金においては、溶湯が６１６℃以下に冷却されるとＡｌとＡｌ４Ｃａとの共晶相が生成する。この共晶相がＡｌマトリックスを構成する。したがって、本発明の中空アルミニウム合金において、Ａｌマトリックスは主にＡｌおよびＡｌ４Ｃａの共晶から構成される。ただし、マトリックスはＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相のみから構成される２相組織であってもよいし、Ａｌ相およびＡｌ４Ｃａ相に加えて他の相を含む３相組織またはそれ以上の多相組織であってもよい。例えば、中空アルミニウム合金がＺｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどの第３元素を含む場合にはＡｌ、Ｃａ、第３元素との金属間化合物の相が含まれる多層組織となりうる。また、Ａｌマトリックス組織の形態や形状は特に限定されるものではないし、当然に不可避不純物は存在し得る。
【００３２】
なお、上記の初晶化合物相、Ａｌマトリクス、中空領域の存在は、光学顕微鏡等による組織観察により確認することができる。
【００３３】
また、本発明の効果を損なわない範囲で、本発明の中空アルミニウム合金は発泡剤などの添加剤を含んでもよい。
【００３４】
［密度］
本発明の中空アルミニウム合金の密度（嵩密度）は、好ましくは０．５ｇ／ｃｍ３より大きく２．５ｇ／ｃｍ３以下であり、より好ましくは１．０ｇ／ｃｍ３以上２．５ｇ／ｃｍ３以下であり、さらに好ましくは１．５ｇ／ｃｍ３以上２．３ｇ／ｃｍ３以下であり、特に好ましくは１．７ｇ／ｃｍ３以上２．０ｇ／ｃｍ３以下である。本発明の中空アルミニウム合金は従来実現が困難であった、純アルミニウム金属の密度（２．７ｇ／ｃｍ３）と従来の発泡アルミニウムの密度（０．２ｇ／ｃｍ３〜０．５ｇ／ｃｍ３）との間の中間領域の密度を有する。すなわち、純アルミニウム金属に比べて低密度であり、部材の軽量化が図られる。一方、従来の発泡アルミニウムに比べてより高密度を実現することができる、これによりプラトー応力が高く小さい変位量でエネルギーを吸収することができるとともに、高強度化および高剛性化が図られる。
【００３５】
［製造方法］
本発明の他の一形態によれば、中空アルミニウム合金の製造方法が提供される。この製造方法は、ＡｌおよびＣａを含む溶湯を得る工程（（１）溶湯調製工程）と、前記溶湯を１０−３℃／秒以上１０３℃／秒以下の冷却速度で冷却凝固させる工程（（２）冷却凝固工程）と、を有する。
【００３６】
本発明の製造方法によれば、ＡｌおよびＣａを含む溶湯を冷却凝固させる際の冷却速度を所定の範囲とすることにより、Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相が生成される。そして、前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域が分散した構造を有する中空アルミニウム合金を得ることができる。本発明の方法は、従来の溶湯法による発泡アルミのような発泡剤を必要としないうえ、溶湯の制御も容易であり、簡便に所望の中空アルミニウム合金を製造することができる。
【００３７】
本発明の製造方法は上記の冷却速度が実現される方法であれば特に制限されない。具体的には、砂型鋳造法、金型鋳造法、低圧鋳造法、スクイズキャスティング法を用いることができる。以下、上記工程（１）、（２）による中空アルミニウム合金の製造方法について、工程ごとに説明する。
【００３８】
（１）溶湯調製工程
まず、所望の合金組成を有する溶湯を調製する。溶湯を調製する方法は特に制限されず、従来公知の方法に基づいて行えばよい。例えば、まず、ＡｌおよびＣａを含む合金を製造する場合には、Ａｌの純金属に対し、Ｃａの純金属を所望の組成となるように添加し、大気中またはＡｒなどの不活性ガス雰囲気下、大気圧の条件下で、７００℃〜１０００℃の温度に昇温して溶融金属を調製する。そして、溶融金属を７００℃〜１０００℃の温度下で５分〜１時間の間、電磁誘導、超音波振動、または高周波振動により攪拌させる。
【００３９】
Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどの第３元素を含む場合にも、ＡｌおよびＣａの純金属に加えて、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどの添加元素の純金属を所望の組成比率となるように添加し、上記と同様の方法により溶融金属を調製、攪拌する。
【００４０】
これにより中心部と外周部の温度差が緩和され温度分布を均一化させることができるため、結晶粒子が均一に分散して安定した特性の合金が得られる。
【００４１】
上記手順により、所望の組成を有するアルミニウム合金の溶湯が得られる。本工程において、溶湯における合金成分を制御することにより、アルミニウム合金の密度や中空領域のサイズを制御することができ、所望の中空アルミニウム合金を簡便に得ることができる。
【００４２】
（２）冷却凝固工程
続いて、上記で得た溶湯を冷却して凝固させ、中空構造を有するアルミニウム合金を形成する。溶湯の冷却速度は１０−３℃／秒以上１０３℃／秒以下、好ましくは１０−３℃／秒以上１０℃／秒以下である。
【００４３】
かような冷却速度で冷却する場合には、ＡｌおよびＣａを含む粗大な初晶化合物相を十分に晶出させることができ、アルミニウム合金中に所望の中空領域を形成させることができる。１０３℃／秒を超える冷却速度を用いた場合には、初晶化合物が十分に晶出できず、ネットワーク構造を形成できないおそれがあるため好ましくない。一方、１０−３℃／秒未満の冷却速度を用いた場合には、初晶が粗大化するため好ましくない。
【００４４】
冷却凝固の方法はかような冷却速度が実現される方法であれば特に制限されない。好適な実施形態において、冷却凝固工程は、前記溶湯を鋳型に注入する工程と、前記溶湯を大気中で凝固させる工程とを有する。本実施形態による製造方法によれば、複雑な工程処理や装置を必要とすることなく、上記で作製した溶湯を鋳型に注入するという非常に簡便な方法で中空アルミニウム合金を得ることができる。
【００４５】
溶湯を鋳型に注入する際の条件は特に制限されないが、例えば、大気中またはＡｒ雰囲気中、温度６５０℃〜９００℃の条件下で行えばよい。
【００４６】
また、溶湯を大気中で凝固させる際の条件も特に制限されないが、例えば、大気中（２５℃）で１〜１０時間放置すればよい。
【００４７】
冷却後、鋳型から中空アルミニウム合金を取り出すことにより、中空アルミニウム合金が得られる。得られた中空アルミニウム合金に対して、適宜、仕上げ加工や機械加工等の各種処理を施すことで、多様な製品を製造することができる。
【００４８】
また、所望の形状を有する鋳型を用いることで、特に後処理工程を行うことなく、所望の形状を有する中空体を得ることが可能となる。
【００４９】
以上のように本発明の中空アルミニウム合金は、単に大気中で鋳型に流し込むだけで均質な中空金属部材を得ることができるため、非常に低コストであり、以下に示すようなさまざま用途への適用が見込まれる。
【００５０】
［衝撃吸収材料］
本発明の他の一形態は、中空アルミニウム合金を含む衝撃吸収材料を提供するものである。本発明の中空アルミニウム合金は従来の発泡アルミニウム合金に比べてプラトー応力が高く、小さい変位量でエネルギーを吸収することができる。なお、本発明でいう「中空アルミニウム合金を含む衝撃吸収材料」は、種々の形態を含む。具体的には、素材（例えば、鋳塊、スラブ、ビレット、焼結体、圧延品、鍛造品、線材、板材、棒材等）に限らず、それを加工したアルミニウム合金部材（例えば、中間加工品、最終製品、それらの一部等）などをも意味する。本発明の衝撃吸収材料はフロントピラー、センタピラー、フード、トランクリッド、サンルーフ、ファイアウォールなどの車体の多くの部位に好適に用いることができる。
【００５１】
［その他の用途］
また、本発明の中空アルミニウム合金は、従来の発泡アルミニウムに比べて密度が大きく、これにより高強度および高剛性（特に、ねじり剛性）を有するため、車体骨格構成部材の内部に充填することで車体の高剛性化を図ることができる。
【００５２】
この他、本発明の中空アルミニウム合金においては一定の熱伝導および電気伝導が確保されるため、各種電子機器の実装部品としても用いることができる。さらに本発明の中空アルミニウム合金は、各種吸音、防音材、建材等へも好適に適用可能なほか、低い弾性率を有し軽量であることを生かして、人工骨等への適用も可能である。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明による二次電池の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜１０および比較例１］
（中空アルミニウム合金の作製）
表１に示す組成の中空アルミニウム合金を以下のようにして作製した。
【００５４】
純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉの純金属を用い、表１に示す組成比率となるように混合し、８００℃程度に昇温して溶湯を調製した。この溶湯を約８００℃のＡｒ雰囲気中で３０分間高周波溶解により攪拌し合金化した。
【００５５】
次いで、これを大気中に坩堝ごと取り出し、深さ２．５ｃｍ、幅４ｃｍ、長さ２２ｃｍの舟形の鉄製鋳型に流し込み冷却した。これらの操作により中空アルミニウム合金のインゴットを得た。
（評価）
上記の方法で作製した各中空アルミニウム合金のインゴットについて、以下の評価を行った。
【００５６】
１．密度
上記で得たインゴットを鋳型から取り出し、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１００ｍｍのサイズの直方体に切り出した。切り出した試験片の密度をアルキメデス法により測定した。測定結果を表１に示す。
【００５７】
２．組織観察
上記で得たインゴットの長手方向（長さ方向）に対して垂直の断面を光学顕微鏡により観察した。観察結果を図１および３〜１２に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
（評価結果）
１．密度
表１に示すように、実施例１〜１０により得られた中空アルミニウム合金は密度が０．５ｇ／ｃｍ３より大きく２．５ｇ／ｃｍ３以下であった。すなわち、本発明の中空アルミニウム合金においてはいずれも、純アルミニウム金属（２．７ｇ／ｃｍ３）や一般的なアルミニウム合金の密度と従来の発泡アルミニウムの密度（０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３）との間の中間領域の密度を実現することができた。
【００６０】
一方、比較例１で得られたアルミニウム合金の密度は純アルミニウム金属や一般的なアルミニウム合金の密度と同程度の値を有し、十分な軽量化が図れていないことが確認された。
【００６１】
また、Ｃａの含有量が１１質量％以上である実施例２および３の中空アルミニウム合金は、Ｃａの含有量が１１質量％未満である実施例３の中空アルミニウム合金に比べて低密度化することができた。
【００６２】
第３元素としてＺｎを含む実施例４〜実施例８の中空アルミニウム合金は、同程度のＣａの含有量を有する実施例１〜３の中空アルミニウム合金に比べて、密度を低減できることがわかった。また、第３元素としてＴｉまたはＺｒを含む実施例９、実施例１０の中空アルミニウム合金は、同程度のＣａの含有量を有する実施例３の中空アルミニウム合金に比べて、同程度かより小さい密度を有していた。
【００６３】
２．組織観察
図４、図１、図５〜図１２はそれぞれ実施例２〜１０で得られた中空アルミニウム合金の断面写真である。また、図３は比較例１で得られた中空アルミニウム合金の断面写真である。なお、図１Ｂ、図３Ｂ、図９Ｂ、図１１Ｂ、および図１２Ｂはそれぞれ図１Ａ、図３Ａ、図９Ａ、図１１Ａ、および図１２Ａのアルミニウム合金の断面の一部をより拡大したミクロな断面写真である。そして、図１Ｃおよび図３Ｃは図１Ｂおよび図３Ｂのアルミニウム合金の断面の一部をさらに拡大したミクロな断面写真である。
【００６４】
光学顕微鏡による観察により、実施例１〜１０で得られたアルミニウム合金では、Ａｌマトリックス中に針状の組織がネットワーク状に分散した初晶化合物が存在することを確認した。また、複数の中空領域がこの初晶化合物同士の間に均質に分散していることがわかった（図１、図４〜図１２を参照）。
【００６５】
一方、比較例１で得られたアルミニウム合金においては、初晶としてＡｌが晶出しており、実施例１〜１０において観察されるような初晶化合物は存在しないことが確認された。また、均質な中空領域（空隙）も存在せず、引け巣程度の空隙しか存在しないことが確認された（図３を参照）。
【００６６】
また、Ｃａの含有量が１１質量％以上である実施例２および３の中空アルミニウム合金（図１、図５を参照）はＣａの含有量が１１％未満である実施例１の中空アルミニウム合金（図４）に比べて、多数の中空領域を均質に有しており、軽量な材料とできることがわかった。
【００６７】
さらに、第３元素としてＺｎを含む実施例４〜８の中空アルミニウム合金（図６〜１０）は同程度のＣａの含有量を有する実施例１〜３（図１、４、５）の中空アルミニウム合金に比べて、より中空領域（空隙）を増大させることができることがわかった。実施例７で得られた中空アルミニウム合金のミクロな断面図（図９Ｂ）に示されるように、Ｚｎを添加することにより、初晶化合物量が増加しており、これにより中空領域の生成量が増加したと推定される。
【００６８】
さらに、第３元素としてＴｉまたはＺｒを含む実施例９、実施例１０の中空アルミニウム合金（図１１、図１２）は同程度のＣａ含有量を有する実施例２および３（図１、図５）に比べて中空領域（空隙）がより微細均質化したことが確認できた。実施例９および１０の中空アルミニウム合金においては、図１１Ｂおよび図１２Ｂのミクロな断面図に示されるように初晶化合物が緻密化しており、これにより中空領域が微細均質化されたと考えられる。
【００６９】
以上から、本発明によれば、発泡剤を用いる従来の方法に比べて非常に低コストで簡便な方法により、所望の密度を有する中空アルミニウム合金が得られることがわかった。さらにＺｎやＴｉおよびＺｒなどの第３元素を合金成分として添加することにより、中空合金の密度や中空領域のサイズを制御できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】実施例２で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】実施例２で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１Ｃ】実施例２で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図２】Ａｌ−Ｃａ系のＡｌ側の二次元状態図である。
【図３Ａ】比較例１で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】比較例１で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図３Ｃ】比較例１で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図４】実施例１で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図５】実施例３で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図６】実施例４で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図７】実施例５で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図８】実施例６で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図９Ａ】実施例７で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図９Ｂ】実施例７で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１０】実施例８で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１１Ａ】実施例９で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１１Ｂ】実施例９で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１２Ａ】実施例１０で作製された中空アルミニウム合金のマクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【図１２Ｂ】実施例１０で作製された中空アルミニウム合金のミクロな断面を写した光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 中空領域、
２ 初晶化合物相、
３ Ａｌマトリックス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、
かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする、中空アルミニウム合金。
【請求項２】
前記初晶化合物相は針状の組織が３次元ネットワーク状に分散した構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項３】
Ｃａの含有量が７．７質量％以上２７質量％以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項４】
Ｃａの含有量が１１質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項５】
Ｚｎをさらに含み、前記Ｚｎの含有量が０．１質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項６】
Ｔｉおよび／またはＺｒをさらに含み、前記Ｔｉおよび／またはＺｒの含有量の合計が０．０１質量％以上１質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項７】
密度が０．５ｇ／ｃｍ３より大きく２．５ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項８】
ＡｌおよびＣａを含む溶湯を得る工程と、
前記溶湯を１０−３℃／秒以上１０３℃／秒以下の冷却速度で冷却凝固させる工程と、
を有することを特徴とする、中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項９】
ＡｌおよびＣａを含む溶湯を得る工程と、
前記溶湯を鋳型に注入する工程と、
前記溶湯を大気中で凝固させる工程と、
を有することを特徴とする、請求項８に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１０】
前記溶湯はＣａを７．７質量％以上２７質量％以下含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１１】
前記溶湯はＣａを１１質量％以上２０質量％以下含むことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１２】
前記溶湯はＺｎをさらに含み、前記Ｚｎの含有量が０．１質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１３】
前記溶湯はＴｉおよび／またはＺｒをさらに含み、前記Ｔｉおよび／またはＺｒの含有量の合計が０．０１質量％以上１質量％未満であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金または請求項８〜１３のいずれか１項に記載の製造方法により製造された中空アルミニウム合金を含む衝撃吸収材料。
【請求項１】
Ａｌマトリックス中にＡｌおよびＣａを含む初晶化合物相を有し、
かつ前記初晶化合物相同士の間の一部に中空領域を有することを特徴とする、中空アルミニウム合金。
【請求項２】
前記初晶化合物相は針状の組織が３次元ネットワーク状に分散した構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項３】
Ｃａの含有量が７．７質量％以上２７質量％以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項４】
Ｃａの含有量が１１質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項５】
Ｚｎをさらに含み、前記Ｚｎの含有量が０．１質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項６】
Ｔｉおよび／またはＺｒをさらに含み、前記Ｔｉおよび／またはＺｒの含有量の合計が０．０１質量％以上１質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項７】
密度が０．５ｇ／ｃｍ３より大きく２．５ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金。
【請求項８】
ＡｌおよびＣａを含む溶湯を得る工程と、
前記溶湯を１０−３℃／秒以上１０３℃／秒以下の冷却速度で冷却凝固させる工程と、
を有することを特徴とする、中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項９】
ＡｌおよびＣａを含む溶湯を得る工程と、
前記溶湯を鋳型に注入する工程と、
前記溶湯を大気中で凝固させる工程と、
を有することを特徴とする、請求項８に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１０】
前記溶湯はＣａを７．７質量％以上２７質量％以下含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１１】
前記溶湯はＣａを１１質量％以上２０質量％以下含むことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１２】
前記溶湯はＺｎをさらに含み、前記Ｚｎの含有量が０．１質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１３】
前記溶湯はＴｉおよび／またはＺｒをさらに含み、前記Ｔｉおよび／またはＺｒの含有量の合計が０．０１質量％以上１質量％未満であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の中空アルミニウム合金または請求項８〜１３のいずれか１項に記載の製造方法により製造された中空アルミニウム合金を含む衝撃吸収材料。
【図２】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−１２６７４１（Ｐ２０１０−１２６７４１Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９９０９（Ｐ２００８−２９９９０９）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
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