アルミニウムダイカスト用NaCl-Na2CO3混合塩除去可能中子の高温機械的特性

本紹介論文は、「[The Japan Institute of Metals and Materials]」によって発行された論文「[High-Temperature Mechanical Properties of NaCl-Na2CO3 Salt-Mixture Removable Cores for Aluminum Die-Casting]」に基づいています。

1. 概要:

  • タイトル: アルミニウムダイカスト用NaCl-Na2CO3混合塩除去可能中子の高温機械的特性 (High-Temperature Mechanical Properties of NaCl-Na2CO3 Salt-Mixture Removable Cores for Aluminum Die-Casting)
  • 著者: Katsunari Oikawa, Kazuhiro Sakakibara, Youji Yamada and Koichi Anzai
  • 発行年: 2019
  • 発行学術誌/学会: Materials Transactions (The Japan Institute of Metals and Materials)
  • キーワード: salt mixture, removable core, mechanical property, compression test, Vickers hardness, lamellar structure, high temperature

2. 抄録:

NaCl-Na2CO3混合塩は、アルミニウムダイカストプロセス用の水溶性中子材料として提案されている。重力鋳造によって作製されたNaCl-Na2CO3試料の機械的特性と微細構造が調査された。混合塩は純粋な塩と比較して優れた特性を示した。共晶領域が層状構造から粒状構造に変化したため、高温での圧縮試験中に塑性変形が発生した。NaCl初晶相と共晶領域を持つ混合塩が最も適した中子材料であることが見出された。

3. 緒言:

ダイカストアルミニウム部品は、高い生産性と優れた機械的特性により、自動車産業で広く使用されている。部品の性能を向上させ、コストを削減するためには、内部にキャビティを持つ複雑な形状の部品を鋳造する必要があり、これは中子の使用によって達成される。金属または砂中子がアルミニウムダイカストプロセスに一般的に使用されるが、水溶性塩中子は機械的クリーニングが不可能なキャビティから容易に除去できるため、中子材料としてより魅力的である。NaCl粉末の高圧圧縮によって形成される塩中子は最も一般的に使用されるタイプであるが、強度が不足しているため、重力鋳造または低圧鋳造にしか使用できない。

したがって、高圧ダイカストで使用するための多くの高強度塩中子が提案されてきた。例えば、Yaokawaらは塩とセラミックスの複合材料を提案し、JelínekとAdámkováはアルカリシリケートを用いた高圧スクイーズによるNaClまたはKCl中子を提案した。我々の研究グループは以前、重力鋳造によって作製されたKCl–NaCl–K2CO3-Na2CO3系の高強度混合塩中子を発表した。ダイカストマシンで鋳造された開発された中子材料は、高い寸法精度、滑らかな表面、および重力鋳造のものよりも高い強度を示し、高圧ダイカストプロセスによってADC12合金クローズドデッキタイプシリンダーブロックを成功裏に鋳造した。我々はこの塩混合物をKBr-NaBr-K2CO3-Na2CO3系にさらに発展させ、水中での溶解度が高いため除去性が向上した。しかし、これらの塩混合物の機械的特性は室温でのみ試験された。塩混合物の高温機械的特性は、ダイカストプロセス中に塩中子が高速度のアルミニウム合金溶湯にさらされるため、鋳造設計上の考慮事項として有用な知識である。しかし、開発された塩中子の高温での高温機械的特性はまだ不明である。

単結晶および多結晶NaClの高温機械的特性は多くの研究者によって調査されてきた。単結晶NaClは室温でも塑性変形を示すが、多結晶NaClは融点の約半分以上に加熱されるまでは脆性であり、その後塑性挙動も示し始める。多結晶NaClの機械的強度は約200–350°Cで最大に達する。しかし、高温での塩混合物の機械的特性はまだ文書化されていない。本研究では、NaCl-Na2CO3系の鋳造混合塩中子の高温機械的特性を調査した。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

本研究は、アルミニウムダイカスト、特に高圧プロセス用の堅牢な水溶性中子材料の必要性に取り組んでいる。既存のNaCl粉末中子は強度が不十分であり、溶湯との相互作用中に経験する高温での塩中子の性能は、塩混合物については十分に調査されていない重要な設計上の考慮事項である。

先行研究の状況:

高強度塩中子を開発するための先行研究には、塩-セラミック複合材料や加圧スクイーズ塩中子が含まれる。著者らのグループは、良好な室温特性を持つ多成分塩混合物を開発していた。しかし、ダイカスト中に経験する高温でのこれらの塩混合物の機械的挙動に関する知識のギャップが存在した。純粋なNaClに関する研究は高温での脆性-延性遷移を示したが、塩混合物に関するデータは不足していた。

研究の目的:

本研究の主な目的は、NaCl-Na2CO3系の鋳造混合塩中子の高温機械的特性を調査することであった。この調査は、これらのコアの設計およびアルミニウムダイカストプロセスへの応用、特に溶融金属への暴露を考慮した必須データを提供することを目的とした。

核心的研究内容:

研究の核心は、重力鋳造により様々な組成のNaCl-Na2CO3混合塩を作製することであった。これらの試料を次に、室温から250°Cまでの範囲の温度で圧縮試験に供し、最大応力や破断ひずみを含む機械的特性を評価した。室温での微小ビッカース硬さ測定が行われた。さらに、鋳放し状態および高温圧縮後の試料の微細構造を走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて分析し、変形メカニズム、特に共晶構造内の変化に焦点を当てて理解を深めた。

5. 研究方法論

研究設計:

本研究は、NaCl-Na2CO3塩混合物の高温機械的性能を評価するように設計された。共晶および非共晶組成を含む様々な組成物を、予熱された鋼製鋳型に重力鋳造することによって調製した。次いで、円筒状試料を温度スペクトル全体にわたって圧縮試験に供した。観察された機械的挙動を構造的特徴および熱的・機械的負荷下でのそれらの変化と関連付けるために、微細構造解析が用いられた。

データ収集・分析方法:

  • 試料作製: 高純度NaCl（99.5%）とNa2CO3（99.5%）を電気炉で溶解し、重力鋳造して塩混合物を作製した。溶解温度は各組成の液相線温度より10°C高くした。Table 1に詳述するように、7つの異なる組成物が調製された。
  • 機械的試験:
    • 圧縮試験: 円筒状試料（直径5 mm、高さ12 mm）について、室温から250°Cまでの温度で、空気中、クロスヘッド速度5 mm/sで実施した。真応力-真ひずみ（σ-ε）曲線が記録された（Fig. 4）。これらの曲線から、最大応力（σmax）と破断ひずみ（εf）が決定された（Fig. 5）。
    • ビッカース硬さ: 鋳放し試料表面について、室温で4.9 Nの荷重を30秒間負荷して測定した。結果をFig. 6に示す。
  • 微細構造解析:
    • SEM分析: 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、鋳放し試料および250°Cで0.15または0.2のひずみまで圧縮した後の試料の微細構造を調べた（Figs. 8, 9, 10）。
    • 熱処理効果: 温度と圧縮の効果を区別するために、6CO3試料を250°Cで1時間アニールし、その微細構造を鋳放し試料および圧縮試料と比較した（Fig. 7）。
    • 表面処理: 微細構造観察用の試料は、#4000グレードのSiC紙で注意深く研磨した後、メタノール（99.8%）でエッチングした。

研究対象と範囲:

  • 材料: 研究はNaCl-Na2CO3塩混合物に焦点を当てた。組成はNa2CO3モル分率が0.2から1.0の範囲で変化させた。これには、共晶組成（ECO3、Na2CO3モル分率0.454）、NaClリッチ組成（2CO3）、Na2CO3リッチ組成（6CO3、8CO3、9CO3）、および純粋なNa2CO3が含まれた（Table 1参照）。
  • 調査特性:
    • 圧縮下での高温機械的挙動、具体的には真応力-ひずみ応答、最大応力、および破断ひずみ。
    • 構成相（初晶NaCl、初晶Na2CO3、共晶）の室温ビッカース硬さ。
    • 微細構造のキャラクタリゼーションと進化、特に高温圧縮下での共晶構造の変態。
  • 温度範囲: 圧縮試験は室温から250°Cまで実施された。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • 機械的特性 (Fig. 4 および Fig. 5 より要約):
    • 室温では、塩混合物は一般に脆性破壊を示した。しかし、高温では塑性変形を示した。
    • 初晶NaCl相を持つ試料2CO3は、50°Cを超える温度で延性の改善を示した。他の混合物（ECO3、6CO3、8CO3、9CO3）は150°C以上で延性の向上が見られた。
    • 2CO3およびECO3試料の最大応力（σmax）は50°Cで観察された。試料6CO3、8CO3、および9CO3については、σmaxは一般に150°C以上で測定され、破断ひずみ（εf）の増加を伴った。
    • 純粋なNa2CO3試料は非常に低いσmaxとεfを示した。
    • 全体として、塩混合物は純粋な構成塩（NaClおよびNa2CO3）と比較して著しく高い最大応力と破断ひずみを示した。
  • ビッカース硬さ (Fig. 6 より要約):
    • 室温では、初晶NaCl相は初晶Na2CO3相よりもかなり軟らかいことがわかった。
    • 共晶領域は中間的な硬さの値を示した。
  • 微細構造 (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, および Fig. 10 より要約):
    • 6CO3試料を圧縮せずに250°Cで1時間アニールした結果、鋳放し状態と比較して有意な微細構造の変化は見られなかった（Fig. 7）。これは、圧縮試験後に観察された微細構造の変化が、主に温度の影響ではなく変形プロセスによるものであることを示している。
    • 2CO3試料（初晶NaClと共晶）では、250°Cでの圧縮により初晶NaCl領域にわずかな歪みが生じた。より注目すべきは、共晶領域のラメラ構造が粒状構造へと劇的に変化したことである（Fig. 8）。
    • ECO3試料（主に共晶）の場合、250°Cでの圧縮により、微細なラメラ共晶構造の一部が粗大化し、これも粒状構造に変化した（Fig. 9）。
    • 8CO3試料（初晶Na2CO3と共晶）では、初晶Na2CO3相は圧縮後もほとんど変化しなかった。しかし、他の混合物と同様に、ラメラ共晶構造は粒状構造に変化した（Fig. 10）。
    • 共晶領域で観察されたこれらの微細構造変化、具体的にはラメラ形態から粒状形態への遷移が、高温での塩混合物の塑性増加の原因であると考えられる。

図の名称リスト:

  • Fig. 1 Appearance of (a) permanent die and (b) cast salt mixture.
  • Fig. 2 Calculated phase diagram of NaCl-Na2CO3 with liquidus temperatures of specimens.
  • Fig. 3 Typical appearance of sample after compressive test.
  • Fig. 4 True stress-true strain (σ-ε) curves at various temperatures.
  • Fig. 5 Temperature dependence of the maximum stress and fracture strain.
  • Fig. 6 Micro-vickers hardness at room temperature.
  • Fig. 7 Microstructure of sample 6CO3: (a), (b) as-cast condition and (c), (d) after annealing at 250°C for 1 h.
  • Fig. 8 Microstructure of sample 2CO3: (a), (b) as-cast condition and (c), (d) after compression test at 250°C.
  • Fig. 9 Microstructure of ECO3: (a) as-cast condition and (b) after compression test at 250°C.
  • Fig. 10 Microstructure of sample 8CO3: (a) as-cast condition and (b) after compression test at 250°C.

7. 結論:

重力鋳造によって調製され、圧縮試験によって評価されたNaCl-Na2CO3塩混合物に関する研究から、以下の主な結論が得られた。
(1) 塩混合物は、その純粋な構成塩と比較して著しく大きな最大応力と破断ひずみを示す。高温で観察される塑性変形は、共晶領域内の微細構造がラメラ構造から粒状構造へと変化することに起因する。
(2) 初晶相と共晶領域を含む塩混合物は、純粋な共晶塩混合物よりも優れた高温機械的強度を示す。特に、初晶NaClを含む塩混合物は、初晶Na2CO3を含む混合物よりも低温で優れた延性を示すため、中子材料としてより適していると考えられる。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

  • 本資料は、「Katsunari Oikawa, Kazuhiro Sakakibara, Youji Yamada and Koichi Anzai」による論文「アルミニウムダイカスト用NaCl-Na2CO3混合塩除去可能中子の高温機械的特性 (High-Temperature Mechanical Properties of NaCl-Na2CO3 Salt-Mixture Removable Cores for Aluminum Die-Casting)」に基づいています。
  • 論文の出典: https://doi.org/10.2320/matertrans.MG201804

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Tags: aluminum alloy; ,CAD; ,Die casting; ,IGS; ,Mechanical Property; ,Microstructure; ,Salt Core; ,금형; ,알루미늄 다이캐스팅; ,자동차 산업