局所加圧を併用した低圧鋳造法により製造されたA356合金ホイールの微細組織と特性

この紹介資料は、「Journal of Materials Engineering and Performance (JMEPEG), ASM International」によって発行された論文「Microstructure and Properties of A356 Alloy Wheels Fabricated by Low-Pressure Die Casting with Local Squeeze」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: 局所加圧を併用した低圧鋳造法により製造されたA356合金ホイールの微細組織と特性 (Microstructure and Properties of A356 Alloy Wheels Fabricated by Low-Pressure Die Casting with Local Squeeze)
• 著者: Jia-Min Huang, Hai-Dong Zhao, and Zhen-Ming Chen
• 発行年: 2019年 (オンライン公開日: 2019年3月29日)
• 発行学術誌/学会: Journal of Materials Engineering and Performance (JMEPEG), ASM International
• キーワード: A356, 低圧鋳造 (low-pressure die casting), 局所加圧 (local squeeze), ホイール (wheel)

2. 抄録:

低圧鋳造プロセス（LPDC）は、アルミニウム合金製自動車ホイールの製造に広く用いられており、A356合金はその良好な鋳造性と機械的特性から、LPDCホイールの重要かつ一般的な材料です。しかし、実際の鋳造プロセスでは、特にホイールの厚肉部（例：スポーク）において、不十分なデンドライト間供給に起因する欠陥、特にポロシティ（鋳巣）がしばしば発生し、機械的特性を著しく低下させます。本研究では、この問題に対処するため、従来のLPDCに局所加圧（LS）を追加し、デンドライト間供給を強化しました。実際のA356合金ホイール鋳物を、異なるLS速度と時間で製造しました。LSの有無によるα-Alセル、Si粒子、およびポロシティの定量的特性を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、および3D X線CTを用いて分析・比較しました。これらの特性が引張特性および衝撃特性に及ぼす影響について議論しました。結果は、LSがスポーク部の冷却速度を高め、収縮を供給することで、より微細な結晶粒とより緻密な微細組織をもたらすことを示しています。結果として、LSによりスポーク部の特性が改善されました。

3. 緒言:

現在、アルミニウム合金ホイールの約80%は、性能、生産コスト、複雑な構造の要求を満たす比較的単純で自動化されたプロセスである低圧鋳造（LPDC）プロセスによって製造されています。LPDCホイールにおいて、A356合金は、その優れた鋳造性、耐食性、および機械的特性により、最も使用される材料です。合金の微細組織はα-Alセルと共晶から構成され、それらの特性は合金の機械的特性に重要な影響を与えます。しかし、鋳造欠陥、特にLPDC A356ホイールの厚肉部（すなわち、スポーク、スポークとリムの接合部）におけるポロシティ欠陥は発生しやすく、機械的特性、特に疲労寿命（Ref 5, 6）に有害です（Ref 9）。これらの欠陥は、凝固中の供給の問題に起因します。したがって、これらの重要な部分の特性を改善するための新しい方法を開発することが非常に望まれています。凝固中に特定の厚肉部に高圧を加える特殊技術である局所加圧（LS）は、ポロシティを効果的に低減または除去し、密度を高めることで特性を改善する可能性のある解決策を提供します（Ref 10, 11, 12）。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

LPDCはA356自動車ホイールの標準的なプロセスですが、スポークのような厚肉部でのポロシティ形成は、性能に影響を与える重要な制約として残っています。

先行研究の状況:

先行研究では、冷却速度がA356の微細組織と特性に及ぼす影響（Ref 1, 2, 3, 4）、および鋳造欠陥（ポロシティ）が疲労寿命と強度に及ぼす有害な影響（Ref 5, 6, 7, 8）が確立されています。ポロシティはLPDCホイールの厚いスポーク/接合部領域に集中することが知られています（Ref 9）。LS技術は、様々な鋳造プロセス（Ref 10, 11, 12）および高圧ダイカスト（Ref 13）において、ポロシティを軽減し特性を向上させるために検討されてきました。著者らは以前、自動車ホイール用にLPDCとLSを組み合わせる方法を提案しました（Ref 14, 15）。

研究の目的:

本研究は、A356自動車ホイールを製造するための従来のLPDCプロセスに局所加圧（LS）ステップを追加することの効果を体系的に評価することを目的としました。主な目標は、特に厚いスポーク部分におけるデンドライト間供給を強化し、ポロシティを低減し、結果としてホイールの機械的特性を改善することでした。

中核研究:

研究の中核は、従来のLPDCと、様々な加圧パラメータ（速度と時間）下でLSを組み合わせたLPDCの両方を用いてA356合金ホイールを製造することでした。LSの有無で製造されたホイールのハブ、スポーク、リム部分から採取したサンプルの微細組織（α-Alセル、Si粒子、ポロシティ分布と特性）と機械的特性（引張強度、伸び、衝撃エネルギー）を詳細に比較しました。

5. 研究方法論

研究設計:

実験的な比較研究が実施されました。特定のA356合金自動車ホイール設計（Fig 2）が、主に2つのプロセスバリエーションを用いて製造されました：

1. 従来のLPDC（対照群、7#）。
2. ハブ中心に局所加圧（LS）を適用したLPDC（実験群、1#-6#）。
   Table 1に詳述されているように、異なるLSパラメータ（加圧速度V1/V2、時間T1/T2、結果として異なる総ストローク）が調査されました。全ての鋳物は標準的なT6熱処理（540°C/6時間焼入れ+140°C/5時間時効処理）を受けました。

データ収集と分析方法:

• シミュレーション: AnyCastingソフトウェア（Ref 17）を使用してLPDCプロセスをシミュレーションし、LS適用の最適な開始時間（充填後90秒）を決定しました。
• 微細組織分析: ハブ、スポーク、リム部分からサンプルを抽出しました。光学顕微鏡（Leica DMI 5000 M）を使用してα-AlセルとAl-Si共晶相を観察し（Fig 4）、二次デンドライトアーム間隔（SDAS）を測定しました。
• ポロシティ特性評価: 3D X線コンピュータ断層撮影（YXLONマイクロフォーカスCT、5 µm分解能）を使用してスポークサンプルの微小ポロシティを検査しました（Fig 3a）。Volume Graphics 2.0ソフトウェアがCTデータを分析し、ポロシティ特性（体積分率、数、最大体積、平均体積、球形度、数密度）を定量化しました（Fig 5, Table 2）。
• 機械的試験: スポークおよびリム部分から引張および衝撃試験片（寸法はFig 3b参照）を機械加工しました（各部品タイプあたり5個）。引張試験はSHIMADZ AG-X 100 KN試験機を使用して1 mm/minの速度で実施しました（Table 3, Fig 6）。衝撃試験はJBN-300試験機を使用して実施しました（Fig 9）。
• 破面解析: 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、引張（Fig 7, Fig 8）および衝撃（Fig 10）サンプルの破面を観察し、破壊メカニズムと欠陥タイプ（ポロシティ、酸化膜、金属間化合物）を特定しました。エネルギー分散型X線分光法（EDS）を相識別に用いました（Fig 8c, Fig 10g）。

研究テーマと範囲:

この研究は、A356ホイールのLPDCプロセスにLS（様々な速度と時間で）を追加することの影響に焦点を当てました。範囲には以下が含まれます：

• 異なるホイール位置（ハブ、スポーク、リム）における微細組織（SDASによる結晶粒微細化、ポロシティ低減）に対するLSの影響の特性評価。
• スポークおよびリム部分の機械的特性（引張強度、伸び、衝撃エネルギー）に対するLSの影響の評価。
• 破壊挙動と機械的性能に対する欠陥（ポロシティ、酸化膜）の役割の分析。
• LPDC+LSの結果と従来のLPDCとの比較。

6. 主要な結果:

主要な結果:

1. 微細組織の改質: LSの適用は、従来のLPDCと比較して、ハブおよびスポーク部分の微細組織を著しく微細化し、より小さなα-Al結晶粒（SDASの減少）とより少ないAl-Si共晶相によって特徴づけられました（Fig 4a, b, d, e vs Fig 4c, f）。スポークのSDASは51.6 µm（LSなし）から平均48.95 µm（LSあり）に減少しました。LSは、加圧位置からの距離と早期の凝固のため、リムの微細組織には最小限の影響しか与えませんでした（Fig 4g, h, i）。
2. ポロシティの低減: LSはスポーク部分のポロシティの量とサイズを効果的に低減しました（Fig 5）。定量的なCT分析（Table 2）は、LS適用により総ポロシティ数（例：S7: 3731 vs S1: 694）と最大ポロシティ体積（S7: 55.5 mm³ vs S1: 0.76 mm³）が劇的に減少したことを示しました。より高い加圧速度（S4 vs S1）は、湯口から遠い位置への供給を改善しました（Fig 5d vs 5b）。
3. 引張特性の向上: LSで製造されたスポーク部分は、LSなしで製造されたものと比較して、引張強度と伸びが向上しました（Table 3, Fig 6a）。この改善は、LSによって達成されたポロシティの低減（Fig 7a, b vs 7c）と微細な結晶粒構造に起因します。リムの引張特性はLSによってわずかに改善されましたが、酸化膜欠陥にも大きく影響されました（Fig 8b, c）。
4. 衝撃特性の挙動: リム部分は、一般的にその微細な微細組織（より小さなSDAS）のため、スポーク部分よりも高い衝撃エネルギーを示しました（Fig 9）。スポークとリム部分の両方の衝撃特性は、破面で観察された欠陥（ポロシティと酸化膜）の総面積分率と逆線形の関係を示しました（Fig 11）。短い時間よりも適切で長いLS適用時間が、衝撃特性にとって有益であることがわかりました（#1-#4 vs #5, #6 in Fig 9）。衝撃破面は、破壊に寄与するポロシティおよび/または酸化膜を明らかにしました（Fig 10）。

図のリスト:

• Fig. 1 A356合金ホイール用LSを適用した低圧鋳造の概略図
• Fig. 2 ホイール鋳物の三次元形状
• Fig. 3 (a) X線CT検査用スポーク部から得られたサンプル；(b) 引張および衝撃サンプルの形状と寸法(mm)
• Fig. 4 T6処理後のハブ、スポーク、リム部の微細組織；(a)-(c)はそれぞれH1, H4, H7から；(d)-(f)はそれぞれS1, S4, S7から；(g)-(i)はそれぞれR1, R4, R7から
• Fig. 5 3D X線CTで検査したスポーク部の微小ポロシティ：S1における湯口近傍(a)と湯口遠方(b)のサンプル；S4における湯口近傍(c)と湯口遠方(d)のサンプル；S7における湯口近傍(e)と湯口遠方(f)のサンプル
• Fig. 6 (a) スポーク部から採取したT6処理サンプルの引張特性；(b) リム部から採取したT6処理サンプルの引張特性
• Fig. 7 スポーク部およびリム部サンプルの破面の代表的なSEM像；(a)-(c)はそれぞれS1, S4, S7から；(d)-(f)はそれぞれR1, R4, R7から
• Fig. 8 S2(最高伸び)およびR5(最低伸び)の破面の代表的なSEM像；(a)はS2から、(b)はR5から；(c) 酸化膜のEDS結果
• Fig. 9 スポーク部およびリム部から採取したT6処理サンプルの衝撃エネルギー(J/cm²)
• Fig. 10 スポーク部およびリム部から採取したT6処理衝撃サンプルの破面形態；(a)-(c)はそれぞれS1, S4, S7から；(d)-(f)はそれぞれR1, R4, R7から；(g) Fe系金属間化合物のEDS結果((f)の矢印で示す)
• Fig. 11 破面欠陥の面積分率が衝撃靭性に及ぼす影響

7. 結論:

1. A356ホイールの低圧鋳造（LPDC）中に局所加圧（LS）を適用すると、ハブおよびスポークセクション内のα-Al結晶粒が微細化され、内部ポロシティが効果的に低減されます。しかし、距離による圧力伝達の制限のため、LSは加圧位置から遠いリム部分の微細組織には最小限の影響しか与えません。
2. 従来のLPDCと比較して、LSで製造されたスポーク部分の引張特性は向上します。破面解析によると、ポロシティがスポーク部分の引張特性を支配する主要因である一方、リム部分の特性はポロシティと酸化膜の両方の影響を受けます。
3. 衝撃エネルギーは、リム部分と比較してスポーク部分でより大きなばらつきを示しました。リムは一般的に、より微細な結晶粒構造のため、優れた耐衝撃性を示しました。決定的に、スポークとリムセクションの両方の衝撃特性は、破面で測定された欠陥（ポロシティと酸化膜）の分率と逆線形の関係を示します。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

• この資料は「Jia-Min Huang, Hai-Dong Zhao, and Zhen-Ming Chen」による論文です。「Microstructure and Properties of A356 Alloy Wheels Fabricated by Low-Pressure Die Casting with Local Squeeze」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.1007/s11665-019-03993-5

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