本紹介論文は、「NADCA 2015 Die Casting Congress & Exposition (North American Die Casting Association)」により発行された論文「The High Fluidity (HF) Zinc Alloy: Process-Property and Ageing Characteristics」に基づいています。
1. 概要:
- タイトル: The High Fluidity (HF) Zinc Alloy: Process-Property and Ageing Characteristics
- 著者: F.E. Goodwin, L.H. Kallien, W. Leis
- 発行年: 2015年1月
- 発行学術誌/学会: NADCA 2015 Die Casting Congress & Exposition (North American Die Casting Association)
- キーワード: high fluidity zinc die casting alloys, mechanical properties, die casting process variables, wall thickness, room temperature ageing, artificial ageing (抄録より引用)
2. 抄録:
2005年から2014年にかけて、米国エネルギー省およびNADCA技術管理グループからの資金提供により、新しい高流動性亜鉛ダイカスト合金が開発されました。この合金は、標準規格ASTM B989に従って商業生産に入り、0.4mmから3mmの肉厚で使用されています。本論文では、機械的特性と最も重要なダイカストプロセス変数との関係を肉厚と共に記述します。また、室温時効と人工時効の両方が機械的特性に及ぼす影響についても記述し、その挙動を従来の亜鉛ダイカスト合金について以前に開発された結果と比較します。
3. 序論:
亜鉛-4%アルミニウム組成をベースとする従来の亜鉛ホットチャンバーダイカスト合金は、他の多くの競合する鋳造材料やプロセスでは達成できない1mm（0.04インチ）未満の薄肉で、大小さまざまな部品を鋳造するために使用されてきました。ここ数年、亜鉛-4.5%アルミニウム組成をベースとするHF合金は、従来の合金よりも高い鋳造流動性を示すことが示され、0.25mm（0.01インチ）という薄肉の部品製造に使用されてきました。他のほとんどの合金と同様に、HF合金は、合金元素の溶解度が一次固相よりも液体溶湯中ではるかに高いため、鋳造物が凝固した後に時効効果を受けることが予想されます。特に亜鉛合金は、他の合金系と比較して融点が低いため、室温で時効する能力を持っています。この時効は、過飽和状態にある一次相から既存の第二相または新しい相の生成へと合金元素が拡散することに基づいていることが知られています。拡散が起こる速度は、さまざまな固相間の合金元素の濃度勾配、およびこれらの相の濃度中心間の距離に依存します。過去の研究では、従来の亜鉛合金における時効現象の詳細が示されています。¹,² 本研究プロジェクトの目的は、本論文に初期結果が記述されており、一般的なダイカストプロセス変数がHF合金の機械的特性に及ぼす影響、ならびに自然時効および人工時効の両方の影響を調べることです。
4. 研究の概要:
研究トピックの背景:
従来の亜鉛ホットチャンバーダイカスト合金（Zn-4%Al）は薄肉鋳造が可能ですが、高流動性（HF）合金（Zn-4.5%Al）はさらに高い鋳造流動性を示し、0.25mmという薄肉を可能にします。他の合金と同様に、HF合金は、液体溶湯中の合金元素の溶解度が固相中よりも高いために時効を起こし、過飽和一次相から第二相への拡散、または新しい相の生成を引き起こします。亜鉛合金は室温で時効することで知られています。
従来の研究状況:
従来の研究（References 1, 2）では、従来の亜鉛合金における時効現象が詳細に記述されています。本研究は、より新しいHF合金に焦点を当てることで、その理解を深めるものです。
研究の目的:
主な目的は、一般的なダイカストプロセス変数（肉厚、ゲート速度、金型温度など）がHF合金の機械的特性に及ぼす影響を調べることです。さらに、本研究は、自然（室温）時効と人工時効の両方がこれらの特性に及ぼす影響を調査することを目的としています。
研究の核心:
本研究は、HF亜鉛合金のプロセス-特性関係および時効特性を調査します。これには以下が含まれます。
- さまざまなダイカストプロセス条件（ゲート速度、金型温度）下で、さまざまな厚さ（0.4mmから3mm）の試験片を鋳造する。
- HF合金の機械的特性（引張強さ、降伏強さ、伸び、弾性係数）を評価する。
- HF合金の微細構造を研究する。
- 自然時効（本報告段階では室温で最大6ヶ月）および人工時効（65°C、85°C、105°Cで24時間）が機械的特性に及ぼす影響を分析する。
- HF合金の挙動を従来の亜鉛ダイカスト合金（Alloys 2, 3, 5, およびZA-8）と比較する。
5. 研究方法論
研究デザイン:
実験計画法（DOE）アプローチを採用し、特にStat-EaseによるDesign-Expert 7を適用して、鋳造回数を最小限に抑えました。DOEには、肉厚1.5mm、金型温度160°C、ゲート速度40m/sのセンターポイント条件が含まれていました。平板試験片は、0.4、0.8、1.5、および3mmの厚さで高圧ダイカストされました。
データ収集および分析方法:
- 材料準備: 使用したHF合金はASTM specification B989に準拠していました。その組成は、比較用の従来の合金と共に詳細に示されています（標準はTable 1、実際の鋳造組成はTable 2）。試験用HF合金のMgレベルは仕様よりも高かったもののAlloy 3と同程度であり、機械的特性や時効挙動に大きな影響を与えるとは予想されませんでしたが、鋳造流動性には影響を与える可能性がありました。
- 鋳造: 試験片（DIN 50125 Form E）は、Frech DAW 80ホットチャンバーダイカストマシンで製造されました。鋳造セクションの厚さ、ゲート速度、金型温度についてそれぞれ3つずつ、合計9つの鋳造パラメータが使用されました。機械内および金型内の圧力および温度センサーを使用して、試験片製造中のプロセスを制御しました。
- 時効: 試験片は、室温での自然時効（結果は最大6ヶ月まで報告）または人工時効（65、85、および105°Cで24時間処理）に供されました。
- 機械的試験: -35°C、室温、および+85°Cで引張試験を実施し、降伏強さ、引張強さ、破断伸び、および弾性係数を決定しました。本論文では、利用可能な引張試験結果のみが報告されています。
- 微細構造分析: 鋳造合金の微細構造を調査しました（Figures 1 and 2に示されています）。
研究トピックと範囲:
- 合金: 高流動性（HF）亜鉛合金（ASTM B989）。Alloys 2, 3, 5, およびZA-8と比較。
- プロセス変数:
- 鋳造セクションの厚さ: 0.4, 0.8, 1.5, および3 mm。
- ゲート速度: 可変（例: Table 3およびTable 5に従い、25 m/s, 40 m/s, 55 m/s）。
- 金型温度: 可変（例: Table 4およびTable 5に従い、120°C, 160°C, 200°C）。
- 時効条件:
- 自然時効: 鋳造直後、3週間、2ヶ月、6ヶ月（より長期間を計画）。
- 人工時効: 65°C、85°C、105°Cで24時間処理。
- 調査特性: 機械的特性（報告された結果では主に引張強さ）および微細構造。充填時間、凝固時間（Chvorinov equation）、および鋳造品質の関係も考慮されました。
6. 主要な結果:
主要な結果:
- 微細構造: HF合金は、亜鉛ダイカスト合金に典型的な層状微細構造を示します。表面近傍では、微結晶表面スキンの下に柱状一次相構造が観察されます。内部は、樹枝状微細構造を持つ亜鉛リッチ一次相と共晶を示します。微細構造は非常に微細であり、時効中の拡散距離が短いことを示唆しています（Figures 1, 2）。
- 室温時効:
- 引張強さは、薄肉セクションおよび低い金型温度（例: 120°C）で高くなります。
- 引張強さは、一般に自然時効時間の増加とともに減少します（Figures 3, 4）。
- プロセス変数の影響は、薄肉サンプル（0.8mm）と比較して厚肉サンプル（1.5mm）ではそれほど顕著ではありません。
- 人工時効:
- HF合金の引張強さは、Alloy 5の銅含有量が高いため、Alloy 5のそれよりも一貫して低くなります（Figure 5）。
- HF合金は、Alloy 3と同様の方法で時効すると予測されます（Figure 6）。
- 1.5mmの厚さの場合、約100日間の自然時効時間は、65°Cで24時間の人工時効によって達成できます（Figure 6）。
- プロセス変数が引張強さに及ぼす影響（鋳放し状態）:
- セクションの厚さ: 最大の影響を与えます。セクションの厚さを半分にすると、引張強さが約10%増加します。
- ゲート速度: ゲート速度を中間点（40m/s）からより高い値に増加させると、引張強さが約3.5%増加します。25m/sに減少させると、引張強さが約3.5%減少します。
- 金型温度: 金型温度を中間点（160°C）から200°Cに増加させると、引張強さが約4.5%減少します。120°Cに減少させると、引張強さが約4.5%増加します。
- これらの効果は、Chvorinov equationによる局所凝固時間、充填時間、および熱伝達が微細構造に影響を与えることに関連しています。0.4mm厚の高品質な鋳物は、充填時間が凝固時間を超える有利な条件下でのみ得られました。
図のリスト:
- Figure 1. Microstructure of HF alloy at the surface, thickness 0.4 mm, casting conditions 160°C / 55 m/s
- Figure 2. Microstructure of HF alloy in the center of the casting, thickness 0.4 mm, casting conditions 160°C / 55 m/s
- Figure 3. Tensile strength as a function of production parameters through the natural ageing process of HF alloy, wall thickness 0.8 mm, average of 5 specimens
- Figure 4. Tensile strength as a function of production parameters through the natural ageing process of HF alloy, wall thickness 1.5 mm, average of 5 specimens
- Figure 5. Tensile strength as a function of wall thickness through the natural and artificial ageing process of HF alloy, wall thickness 0.8 and 1.5 mm compared with the natural ageing of alloy 5 (Z410)
- Figure 6. Comparison of natural and artificial ageing behavior of the 4 conventional hot chamber zinc die casting
7. 結論:
入手可能な結果は、HF合金が従来のホットチャンバー亜鉛ダイカスト合金と同様の方法で時効に反応することを示しています。HF合金の引張強さも、セクションの厚さ、ゲート速度、金型温度の変化に同様に反応します。達成可能な引張強さは合金含有量に影響されます。HF合金の銅含有量が低くアルミニウム含有量が高いことは、鋳造または時効条件に関わらず、従来の亜鉛合金と比較して鋳放し状態の引張強さを低下させることがわかります。しかし、この低い強度は、HF合金の鋳造性が大幅に向上し、はるかに薄いセクションを達成できることによって相殺されます。これは、携帯用電子機器の筐体や同様の用途のように、鋳造物の質量削減が機械的特性の懸念よりも優先される場合や、ダイカストヒートシンクのように薄いセクションが他の目的で使用される場合に利点となり得ます。
8. 参考文献:
- 1. F. E. Goodwin, "Ageing Properties of Zinc,” NADCA 2011 Congress, Columbus, OH, September 19-21, 2011.
- 2. F. E. Goodwin, L. H. Kallien, W. Leis, “New Mechanical Properties Data for Zinc Casting Alloys, Proceedings NADCA 2014 Die Casting Congress, Sept. 22-24, 2014, Milwaukee, WI, USA, paper T14-032.
- 3. Friebel, V.R. and Roe, W.P., "Fluidity of Zinc-Aluminum Alloy”, Modern Castings, September 1962, pp. 117-120.
- 4. N. Chvorinov, Giesserei, v. 27, p. 177, 1940
9. 著作権:
- 本資料は、「F.E. Goodwin, L.H. Kallien, W. Leis」による論文です。「The High Fluidity (HF) Zinc Alloy: Process-Property and Ageing Characteristics」に基づいています。
- 論文の出典: https://www.researchgate.net/publication/283726224
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