冷却効率158%向上：銅合金チルベントが高圧ダイカストのサイクルタイムを劇的に短縮する理由

この技術概要は、Duoc T Phan氏らが執筆し、International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research Vol. 9, No. 7, July 2020で発表された学術論文「Development of High Performance Copper Alloy Chill Vent for High Pressure Die Casting」に基づいています。高圧ダイカスト（HPDC）の専門家のために、CASTMANの専門家がGemini、ChatGPT、GrokなどのLLM AIの支援を受けて分析・要約しました。

キーワード

• プライマリーキーワード: 高圧ダイカスト チルベント
• セカンダリーキーワード: 銅合金, MoldMAX, 熱伝導率, 冷却速度, 鋳造欠陥, ポロシティ, 有限要素解析

エグゼクティブサマリー

• 課題: 高圧ダイカスト（HPDC）プロセスにおいて、従来の工具鋼製チルベントは熱伝導率が低いため、金型キャビティ内のガスや空気の迅速な排出、および鋳造品の急速な凝固を妨げ、ポロシティなどの鋳造欠陥の原因となっていました。
• 手法: 研究チームは、高強度・高熱伝導率を持つ銅合金（MoldMAX）を用いた高性能チルベントを開発。有限要素解析（FEA）を用いて熱伝達モデルを構築し、実際の鋳造実験結果と比較検証することで、従来の工具鋼（H13）製チルベントとの性能を比較しました。
• 重要なブレークスルー: 銅合金製チルベントは、従来の鋼製チルベントと比較して、凝固したアルミニウム合金の冷却効率を約158%向上させることが確認されました。
• 結論: 高強度銅合金をチルベントに採用することで、熱伝達が促進され、ガスの排出が迅速化し、HPDCプロセスの効率と有効性が大幅に向上します。これにより、ポロシティやバリといった欠陥を削減できることが示唆されました。

課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか

高圧ダイカスト（HPDC）は、自動車産業をはじめとする多くの分野で、軽量なアルミニウム合金部品を製造するために不可欠な技術です。このプロセスでは、溶融金属を高速・高圧で金型キャビティに射出しますが、その際にキャビティ内に残留する空気やガスを効率的に排出することが、高品質な製品を製造する上での長年の課題でした（Ref. [1], [2]）。

このガス排出のために一般的に使用されるのが「チルベント」です。チルベントは、ガスは通すが溶融金属は通さないように設計された部品で、鋳造欠陥、特にポロシティを減少させる重要な役割を担います（Ref. [3]）。しかし、従来から使用されてきた工具鋼（H13鋼など）製のチルベントは、熱伝導率が低いという根本的な問題を抱えています。このため、チルベントを通過しようとする溶湯が凝固しにくく、ガス排出経路を塞いでしまう「バリ」が発生しやすいという問題がありました。

この研究は、チルベントの材質そのものを見直すことで、この根本的な課題を解決し、HPDCプロセスの生産性と品質を飛躍的に向上させることを目指しています。

アプローチ：研究方法の解明

この課題を解決するため、研究チームは従来とは異なるアプローチを取りました。彼らは、工具鋼よりも約6倍高い熱伝導率と優れた強度を併せ持つベリリウム銅合金「MoldMAX」に着目しました（Ref. [4]）。

研究の核心は、有限要素解析（FEA）ソフトウェアANSYS® Workbenchを用いた数値熱伝達モデルの開発です。

1. まず、ジグザグ形状のガス排出経路を持つチルベントの3D CADモデルを作成しました（Figure 2）。
2. 次に、このモデルを用いて、従来の工具鋼（H13）製チルベントと、新しく提案する銅合金（MoldMAX）製チルベントの熱挙動をシミュレーションしました。
3. シミュレーションの信頼性を確保するため、800トンの業務用HPDCマシンと赤外線カメラを用いた実際の鋳造実験を行い、その測定データとシミュレーション結果を比較検証しました。

この体系的なアプローチにより、チルベントの材質変更が冷却時間、冷却速度、金型内温度分布に与える影響を正確に評価することが可能になりました。

ブレークスルー：主要な研究結果とデータ

本研究のシミュレーションと実験により、チルベントの材質を銅合金に変更することが、冷却性能に劇的な改善をもたらすことが明らかになりました。

• 冷却時間の大幅な短縮: シミュレーション結果によると、鋳造品の表面温度が突き出し可能な温度（約98.7℃）まで下がるのに要した時間は、従来のH13鋼製チルベントでは15.9秒でした。一方、MoldMAX銅合金製チルベントでは、わずか6.70秒で同じ温度に到達しました。これは、冷却時間を半分以下に短縮できることを意味します（Figure 6, Figure 7）。
• 冷却速度の飛躍的な向上: 溶融アルミニウムが突き出し温度まで冷却される際の平均冷却速度を比較したところ、H13鋼では32.5℃/sであったのに対し、MoldMAX銅合金では77℃/sに達しました。
• 冷却効率158%向上: これらの結果から、MoldMAX銅合金製チルベントは、従来の鋼製チルベントに比べて冷却効率を約158%も向上させることが結論付けられました。Figure 7のグラフは、両者の温度履歴を明確に示しており、MoldMAX（青線）がいかに迅速に熱を除去しているかが一目瞭然です。
• モデルの妥当性: シミュレーションで得られた鋼製チルベントの最高表面温度（98.67℃、Figure 4）は、赤外線カメラによる実測値（94℃、Figure 5）と5%未満の誤差であり、開発された熱伝達モデルの高い信頼性が確認されました。

HPDC製品への実践的な影響

この研究結果は、実際のHPDC製造現場に直接的な利益をもたらす可能性を秘めています。

• プロセスエンジニアへ: 本研究の結論は、チルベントの材質をMoldMAX銅合金に変更するだけで、サイクルタイムを大幅に短縮できる可能性を示唆しています。冷却時間が15.9秒から6.7秒に短縮されることは、生産性の飛躍的な向上に直結します。
• 金型設計へ: 高い熱伝導率により、チルベント周辺の熱を効果的に除去できるため、より積極的な冷却設計が可能になります。また、結論で述べられているように、ガスの迅速な排出はポロシティ欠陥の低減に貢献し、製品品質の安定化につながります。
• 品質管理へ: 論文では、銅合金チルベントがバリの発生を抑制し、ガス排出経路を清浄に保つ効果も示唆されています（Introductionセクション）。これにより、メンテナンス頻度の低減と、より安定した品質の維持が期待できます。

論文詳細

Development of High Performance Copper Alloy Chill Vent for High Pressure Die Casting

1. 概要:

• Title: Development of High Performance Copper Alloy Chill Vent for High Pressure Die Casting
• Author: Duoc T Phan, Syed H Masood*, Syed H Riza, and Harsh Modi
• Year of publication: 2020
• Journal/academic society of publication: International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research Vol. 9, No. 7, July 2020
• Keywords: High pressure die casting; Chill vents; Thermal analysis; Copper alloy; Thermal conductivity; Cooling rates

2. Abstract:

高圧ダイカスト（HPDC）プロセスにおいて、チルベントは残留する空気やガスを金型キャビティから排出するために使用されます。本稿の目的は、従来の工具鋼と比較して高強度かつ高熱伝導率を持つ新しいタイプの銅合金材料を使用し、高圧ダイカスト用の高性能チルベントを設計・開発することです。有限要素解析を用いてチルベントの数値熱伝達モデルを開発し、実験結果によって検証しました。このモデルを用いて、銅合金チルベントと従来の鋼製チルベントの性能を比較しました。チルベントの材料変更が、冷却時間、冷却速度、および内部の金型温度分布に著しい改善をもたらすことがわかりました。結果として、銅製チルベントは、凝固するアルミニウム合金の冷却効率を従来の鋼製チルベントと比較して約158%向上させることが示されました。高強度銅合金チルベントの使用は、迅速な熱伝達とガスの高速放出によりHPDCプロセスの効率と有効性を高め、それによって部品のポロシティやバリ欠陥を減少させると結論付けられます。

3. Introduction:

高圧ダイカスト（HPDC）は、自動車産業で軽量金属部品を製造するために広く使用されています。多くのメーカーは、従来鋼や鋳鉄で作られていた部品に、ADC12などの軽量アルミニウム合金鋳物の使用を増やす方向に徐々に移行しています。高圧ダイカストプロセスでは、溶融金属が高圧で工具鋼の金型またはダイキャビティに射出され、望ましい形状の製品が成形されます[1,2]。HPDCプロセスの概略図をFigure 1に示します。チルベントは、高圧ダイカストで金型キャビティから空気を除去するための一般的な方法です。チルベントは、一般的に0.5 mmの隙間を持つジグザグの通気経路を備えた一対の鋼製金属ブロックで構成され、空気の流れを確保します（Figure 1）。2つのブロックの表面に形成されたシステムは、金型に取り付けられ、キャビティ内の閉じ込められた空気が容易に脱出できるようにします[3]。チルベントは、製品品質に影響を与える可能性のある鋳物のポロシティのような欠陥を減らすのに役立ちます。従来の鋼製チルベントでは、鋼の熱伝導率が低いため、溶融金属も通気面から流出することがあり、これを防ぐのが困難になることがあります。

4. 研究の要約:

研究トピックの背景:

チルベントの機能は、金型キャビティから空気とガスを最短時間で除去し、鋳物の凝固速度を高めることです。そのため、その製造には高強度で高い熱伝導率を持つ材料がより適しています。そのような材料の一つが、MoldMAXとしても知られるベリリウム銅合金であり、鋼よりも高い強度を持つだけでなく、鋼と比較して6倍高い熱伝導率を示します[4]。これらの特性により、MoldMAX合金は、従来の工具鋼に代わってチルベントを製造するための適切な候補となります。

過去の研究の状況:

これまでシミュレーションを用いた多くの研究が行われてきましたが、HPDCプロセスにおけるチルベントの設計開発やガス抜き問題に焦点を当てた研究はほとんどありませんでした。

研究の目的:

本研究は、この研究ギャップを埋め、従来の工具鋼の代わりにMoldMAXを使用した新しいチルベント構成の性能を調査することを目的としています。

研究の核心:

本研究では、工具鋼製チルベントの数値熱伝達モデルを開発し、そのシミュレーション結果をベリリウム銅合金製チルベントの結果と比較します。シミュレーションモデルは、商用の800トンダイカスト機で実施されたアルミニウム合金鋳造のリアルタイム実験テストで検証されています。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、チルベントの3Dコンピュータ支援設計（CAD）モデル（Figure 2）を使用しました。このモデルを有限要素解析パッケージANSYS® Workbenchにインポートし、メッシュ化して熱伝達モデリングと熱解析を行いました。

データ収集と分析方法:

• 境界条件: 鋳造材料はアルミニウム合金ADC12で、注入温度は約615℃。突き出し時の鋳造品とチルベント表面の平均温度は94℃（突き出し時間15.9秒後）。これらの初期条件は、800トンダイカスト機での実験から得られました。
• 熱伝達計算: Dittus-Boetlerの相関式を用いて冷却水路の熱伝達係数を計算し、鋳造品の冷却曲線は指数関数的挙動を示すと仮定してモデル化しました。
• モデル検証: シミュレーション結果を、FLIR PM850高速赤外線カメラで撮影した実際の鋳造実験の温度分布データと比較し、検証しました。

研究対象と範囲:

研究対象は、従来の工具鋼（H13）製チルベントと、高機能材料であるベリリウム銅合金（MoldMAX）製チルベントの性能比較です。冷却時間、冷却速度、表面温度分布を評価指標としました。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• モデル検証: シミュレーションによる鋼製チルベントの最高表面温度は98.67℃（Figure 4）であり、赤外線カメラによる実測値94℃（Figure 5）と良好に一致し、モデルの妥当性が確認されました。
• 冷却時間の比較: 銅合金チルベントの表面が約98.7℃まで冷却されるのに要した時間はわずか6.70秒であったのに対し、H13鋼製チルベントでは15.9秒かかりました（Figure 6）。
• 冷却速度の比較: 鋳造品の冷却速度は、鋼製チルベントで32.5℃/s、銅合金チルベントで77℃/sでした。
• 冷却効率の向上: MoldMAX材料タイプのチルベントは、冷却効率を約158%向上させることが示されました。
• 熱履歴の比較: Figure 7は、MoldMAXとH13チルベント表面の典型的な熱履歴を示しており、銅合金がピーク温度を大幅に低減し、迅速に冷却することを示しています。

図の名称リスト:

• Figure 1. Schematic diagram of a typical HPDC process.
• Figure 2. A CAD model of the chill vent used in HPDC
• Figure 3. Heat generation rate and Heat flux values used for thermal analysis.
• Figure 4. Temperature distribution at the surface of moving block - Steel chill vent.
• Figure 5. Experimental temperature distribution on the chill vent surface measured by infrared camera
• Figure 6. Temperature distribution at the surface of moving block - MoldMAX copper alloy chill vent
• Figure 7. Comparison of cooling time curves during casting process using the steel and copper chill vents.

7. 結論:

本研究では、有限要素解析を用いてHPDCで使用される工具鋼製チルベントの熱伝達シミュレーションモデルを開発し、実際のアルミニウム合金HPDCの実験測定によって検証しました。検証された熱伝達モデルを用いて、ベリリウム銅合金製チルベントの性能を鋼製チルベントと比較して調査しました。結果は、高強度・高熱伝導性の銅合金をチルベント材料として使用することが、冷却時間、冷却速度、および内部の金型温度分布に著しい改善をもたらすことを示しました。鋼製チルベント表面が溶融アルミニウムの注入温度から突き出し温度まで冷却するのに15.9秒かかったのに対し、ベリリウム銅合金MoldMAX材料では、同様の温度まで冷却するのにわずか6.70秒しかかかりませんでした。鋼製および銅合金製チルベントで鋳造品を冷却するための計算された冷却速度は、それぞれ32.5℃/sおよび77℃/sであり、銅合金チルベントの冷却効率が158%向上したことを示しています。この研究は、高強度銅合金をチルベントに使用することが、高圧ダイカストにおける永久金型鋳造ダイの性能と冷却能力を向上させることを確立しました。

8. 参考文献:

• [1] A Kaye, A Street. Die Casting Metallurgy. Butterworth and Co Ltd., 1982
• [2] F. Bonollo, N. Gramegna, and G. Timelli, "High-pressure die-casting: contradictions and challenges," The Minerals, Metals & Materials Society, JOM, vol. 67, no. 5, pp. 901-908, 2015.
• [3] L. H. Wang. "Mathematical modelling of air evacuation in die casting process via CASTvac and other venting devices," Int Journal of Cast Metals Research, vol. 20 pp. 191-197, 2007.
• [4] MoldMAX HH Material Property Data, Materion Performance Alloys, Materion Corporation 2017.
• [5] I. Rosindale and K. Davey, "Steady state thermal model for the hot chamber injection system in the pressure die casting process," Journal of Materials Processing Technology, vol. 82, no. 1, pp. 27-45, 1998.
• [6] M. T. A. Rasgado, "Bi-metallic dies for rapid die casting," Journal of Materials Processing Technology vol. 175, pp. 109-116, 2006.
• [7] S. R. Ahmed, K. D. Devi, and S. V. S. Himathejeswini, "Design & analysis of heat sink high-pressure die casting component," International Journal of Current Engineering and Technology, 2016
• [8] H. J. Kwon, H. K. Kwon, "Computer Aided Engineering (CAE) simulation for the design optimization of gate system on high pressure die casting (HPDC) process," Robotics and Computer-Integrated Manufacturing vol. 55 pp. 147-153, 2018.
• [9] W. B. Yu, Y. Y. Cao, X. B. Li et al, "Determination of interfacial heat transfer behavior at the metal/shot sleeve of high pressure die casting process of AZ91D alloy," Journal of Materials Science & Technology vol. 33 pp. 52-58, 2017
• [10] S. I. Jeong, C. K. Jin, H. Y. Seo et al, "Mould design for clutch housing parts using a casting simulation of high pressure die casting," International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing, vol. 17, no. 11, pp. 1523-1531, 2016
• [11] R. W. R. W. Jeppson, Analysis of Flow in Pipe Networks, Butterworth Publications, 1976
• [12] MatWeb Material Property Data, Aluminum ADC12 Die Casting Alloy, Automation Creations, Inc 2009.
• [13] K. N. Prabhu, "Casting/mold thermal contact heat transfer during solidification of Al-Cu-Si alloy (LM 21) plates in thick and thin molds," Journal of Materials Engineering and Performance, ASM International vol. 14, no. 5, pp. 604-609, 2005.

専門家Q&A：あなたの疑問にお答えします

Q1: なぜ従来の鋼製チルベントでは不十分なのですか？
A1: 従来の工具鋼（H13など）製チルベントは、熱伝導率が低いという根本的な欠点があります。これにより、溶融金属からの熱除去が遅れ、チルベントの通気経路内で溶湯が固まりにくくなり、バリが発生しやすくなります。また、ガスの排出効率が低下し、製品内部にポロシティ（巣）が発生する原因となります（Introductionセクション）。

Q2: 銅合金チルベントの具体的な性能向上はどの程度ですか？
A2: 本研究によれば、MoldMAX銅合金製チルベントは、従来のH13鋼製チルベントと比較して、冷却効率を158%向上させました。具体的には、突き出し可能温度までの冷却時間が15.9秒から6.70秒へと半分以下に短縮され、冷却速度も32.5℃/sから77℃/sへと倍以上に向上しています（Conclusionセクション、Figure 7）。

Q3: この研究のシミュレーション結果は信頼できますか？
A3: はい、信頼性は高いと考えられます。研究チームは、シミュレーションで得られた鋼製チルベントの表面温度（98.67℃）を、実際の800トンHPDCマシンでの鋳造実験中に高速赤外線カメラで測定した温度（94.0℃）と比較しました。両者の差は5%未満であり、シミュレーションモデルが実際の物理現象を非常によく再現していることが検証されています（Figure 4、Figure 5）。

Q4: 銅合金チルベントを使用する最大の利点は何ですか？
A4: 最大の利点は、サイクルタイムの劇的な短縮と製品品質の向上を同時に実現できる点です。高い熱伝導率により冷却が高速化するため、生産性が直接的に向上します。同時に、迅速な熱除去とガス排出により、ポロシティやバリといった主要な鋳造欠陥を削減できるため、不良率の低減と安定した品質確保に貢献します（Conclusionセクション）。

Q5: この技術はどのような鋳造欠陥の削減に貢献しますか？
A5: 本論文の結論によれば、この技術は特にポロシティ（porosity）とバリ（flashing defects）の削減に貢献します。高い冷却能力によりチルベント近傍の溶湯が素早く凝固し、ガス排出経路を塞ぐバリの発生を防ぎます。また、これによりガスが効率的に排出されるため、製品内部にガスが残留して生じるポロシティ欠陥を低減する効果が期待できます。

結論と次のステップ

本研究は、チルベントの材質を従来の工具鋼から高機能な銅合金へ変更するという、シンプルかつ効果的なアプローチにより、HPDCプロセスの効率と品質を大幅に向上させるための貴重なロードマップを提示しています。データに裏付けられたこの発見は、品質改善、欠陥削減、そして生産最適化を目指す上で、明確な道筋を示しています。

CASTMANでは、業界の最新研究を応用し、お客様が抱える最も困難なダイカストの課題を解決することに専念しています。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と共鳴するものであれば、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご連絡ください。これらの先進的な原理をお客様の部品製造にどのように活かせるか、共に検討させていただきます。

著作権

• この資料は、"Duoc T Phan" らによる論文に基づいています。論文タイトル: "Development of High Performance Copper Alloy Chill Vent for High Pressure Die Casting".
• 論文の出典: https://doi.org/10.18178/ijmerr.9.7.943-948

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