機械振動印加によるJIS ADC12アルミニウム合金半凝固スラリー作製技術

この入門記事は、"[マテリアルトランザクション]"によって発行された論文「[機械振動印加によるJIS ADC12アルミニウム合金半凝固スラリー作製技術]」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: 機械振動印加によるJIS ADC12アルミニウム合金半凝固スラリー作製技術
• 著者: Yuichiro Murakami, Kenji Miwa, Masayuki Kito, Takashi Honda and Naoki Omura
• 発行年: 2024年
• 発行ジャーナル/学会: マテリアルトランザクション、日本鋳造工学会
• キーワード: ADC12アルミニウム合金, 半凝固プロセス, 半凝固スラリー, 固相率, 固相粒子形態, 機械振動

2. 抄録:

半凝固高圧ダイカストは、高品質製品を成形できるプロセスとして知られています。JIS ADC12アルミニウム合金は高圧ダイカストに広く使用されていますが、この合金は半凝固温度範囲が狭いため、半凝固プロセスを適用することが困難です。本研究では、機械振動を印加することによるADC12アルミニウム合金スラリーの作製を試みました。ADC12合金の液相から半凝固状態への凝固中に機械振動を印加し、機械振動のパラメータと注湯温度がスラリーの形態に及ぼす影響を調査しました。
機械振動の印加は、加速振幅と速度振幅の増加に伴い、スラリー中の固相を樹枝状から微細球状に変形させました。その結果、液相に分散した固形粒子を有するスラリーを得ることができました。さらに、微細な球状固形粒子を有するスラリーを得るためには、ある値以上の高い周波数と変位振幅が必要であることがわかりました。スラリーの固相率は、注湯温度と振動印加時間の両方の影響を受け、注湯温度が低下し、振動時間が増加するにつれて増加しました。その結果、周波数50Hz、加速振幅および速度振幅がそれぞれ49.0m/s²および0.19m/sを超える機械振動を印加することにより、十分に微細な球状粒子を有するスラリーを得ることができました。このようにして、注湯温度と振動時間を制御することにより、ADC12合金スラリーの固相率を制御することができました。

3. 序論:

半凝固高圧ダイカスト (SS-HPDC) は、固液共存状態の金属を高速で金型に射出する成形方法です。HPDC は通常、完全に液体の状態の金属を使用しますが、これは高速で金型に射出されます。このプロセスは、複雑な形状の金属を効率的に製造できますが、金属は空気巻き込みによって欠陥が発生しやすくなります。対照的に、半凝固金属は高粘度を示すため、SS-HPDC プロセスは射出中の空気巻き込みによって引き起こされる欠陥を低減できます。さらに、より小さい凝固収縮は、収縮欠陥を低減し、寸法精度を向上させ、プロセス温度を下げることによって金型の寿命を延ばすことができます 1-6)。このプロセスは、従来の HPDC 7) と比較してエネルギーをあまり必要としないため、非常に環境に優しいです。ただし、SS-HPDC プロセスは、従来の HPDC よりも成形性が劣ります。金型内の流動性を高めるためには、固形粒子が液体の状態に分散した半凝固スラリーを利用する必要があります。さらに、一般的な流動性を向上させるためには、より微細でより球形の固形粒子が望ましいです。

JIS ADC12 Al-Si-Cu ベースのアルミニウム合金は、日本の HPDC 8) で使用される材料の 90% 以上を占めています。この合金は、Al-Si 共晶組成に近い組成を示し、固液共存温度範囲と皮膜形成凝固 7) 範囲が狭いことを保証します。この特徴は、融点が低く加圧が容易なため、良好な流動性に関して HPDC にメリットをもたらしますが、SS-HPDC プロセスでは複雑さを引き起こします。SS-HPDC プロセスに有利な多孔性を低減するためには、0.3〜0.5 の固相率 9) のスラリーを使用することが重要ですが、この温度範囲は ADC12 合金では非常に狭いです (5 度未満) 10)。その結果、ADC12 合金は半凝固プロセス 4) に一般的に適しておらず、低固相率 (0.15 未満) 11) 条件下でのガス誘導半凝固法などの成形方法の報告はごくわずかです。この限られた材料の選択肢は、SS-HPDC が広く採用されていない理由の 1 つです。

我々は以前に、機械振動 12) を印加することによって半凝固スラリーを調製する方法を開発しました。本研究では、微細に分散した球状固相粒子を有するスラリーを得るための方法と条件を評価し、成形 13,14) 中に剪断応力を印加することによって十分な流動性を達成できることを確認しました。機械振動は、約 0.5 15) の固相率を有するスラリーを得て、ADC12 合金にも適用されました。逆に、微細で球形の固相相、および安定した固相率を得るための振動条件は明らかにされていません。

4. 研究の概要:

研究課題の背景:

半凝固高圧ダイカスト (SS-HPDC) は、従来の HPDC よりも欠陥の低減や環境性能の向上など、多くの利点を提供します。JIS ADC12 アルミニウム合金は HPDC で一般的な材料ですが、その狭い半凝固温度範囲は SS-HPDC アプリケーションに課題をもたらします。

先行研究の状況:

先行研究は、機械振動を印加することが半凝固スラリーの調製に有望な方法であることを示唆しています。しかし、ADC12 合金において、微細で球形の固相相と安定した固相率を有するスラリーを製造するために必要な特定の振動条件は、完全には明らかにされていませんでした。

研究の目的:

本研究は、凝固中に機械振動を印加することによる ADC12 アルミニウム合金スラリーの調製を調査することを目的としています。主な目的は、機械振動パラメータ (周波数、加速振幅、速度振幅、変位振幅) および注湯温度がスラリーの形態と固相率に及ぼす影響を決定することです。

コア研究:

コア研究では、冷却中に正弦波機械振動を印加することにより、ADC12 アルミニウム合金スラリーを調製します。振動条件、注湯温度 (T)、および振動時間 (t) が固相粒子の形態と固相率に及ぼす影響を調査するために実験を実施しました。周波数 (f)、変位振幅 (d)、速度振幅 (V)、および加速振幅 (A) を含む機械振動パラメータを体系的に変更しました。微細構造分析および画像分析を使用して、調製されたスラリー中の固相粒子の形態およびサイズを特性評価しました。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、機械振動を用いた半凝固 ADC12 アルミニウム合金スラリーの調製に焦点を当てた実験計画法を採用しました。正弦波機械振動を、凝固プロセス中にステンレス鋼容器に水平方向に印加しました。実験では、スラリー特性への影響を観察するために、機械振動パラメータとプロセス温度を体系的に変化させました。

データ収集と分析方法:

• 微細構造観察: 試料を切断、研磨し、0.5% フッ化水素酸溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で観察して固相の形態を分析しました。
• 画像分析: Image-Pro Plus 7.0 ソフトウェアを使用して、顕微鏡写真から α-Al 相の粒子径 (dp) および粒子円形度 (R) を測定しました。面積加重平均値 (dps、Rs) を計算しました。固相率は、顕微鏡写真の総面積に対する α-Al 相の面積比率を計算することによって決定しました。

研究テーマと範囲:

本研究では、以下のテーマを調査します。

• 固相形状に及ぼす振動パラメータの影響: 周波数 (f)、加速振幅 (A)、速度振幅 (V)、および変位振幅 (d) を変化させて、固相粒子の形態に及ぼす影響を決定しました。
• 固相率と固相粒子形状に及ぼす注湯温度と振動時間の影響: 注湯温度 (T) と振動時間 (t) を変化させて、固相率と固相粒子の形態に及ぼす影響を評価しました。

6. 主な結果:

主な結果:

• 形態に及ぼす振動パラメータの影響:
  • 機械振動を印加すると、固相形状が樹枝状から球状に変化しました。
  • 加速振幅 (A) と速度振幅 (V) が増加すると、より微細でより球形の固相粒子が生成されました。
  • 微細な球状固相粒子を有するスラリーを得るためには、特定の閾値を超える高い周波数と変位振幅が必要でした。
  • 一定の速度振幅 (V) で、周波数 (f) が高いほど加速振幅 (A) が大きくなり、変位振幅 (d) が小さくなり、粒子形態に影響を与えました。
• 固相率に及ぼす注湯温度と振動時間の影響:
  • 固相率は、注湯温度 (T) と振動時間 (t) の両方の影響を受けました。
  • 注湯温度 (T) を下げ、振動時間 (t) を長くすると、一般的に固相率が増加しました。
  • 短い振動時間の場合、注湯温度が高いほど固相率が低くなりました。
  • 振動時間が 20〜25 秒に達した後、固相率が一定になりました。
• 最適な振動条件:
  • 周波数 50Hz、加速振幅および速度振幅がそれぞれ 49.0m/s² および 0.19m/s を超える機械振動を印加することにより、微細な球状粒子を有するスラリーを得ました。

Fig. 2 Microstructures of ADC12 alloy slurry. Without vibration and applied mechanical vibration with fixed frequency f = 50 Hz.

Fig. 3 Microstructures of ADC12 alloy slurry vibrated at same velocity amplitude, but different frequencies and acceleration amplitudes.

Fig. 4 Microstructures of ADC12 alloy slurry made at various pouring temperatures and vibration times. Vibration frequency and acceleration amplitude 50 Hz, 78.4 m/s².

Fig. 6 Effects of acceleration amplitude on mean particle diameter and roundness of Al particles at same velocity amplitude.

Fig. 7 Effects of displacement amplitude on mean particle diameter and roundness of Al particles at same velocity amplitude.

図表名リスト:

• Fig. 1 実験装置の概略図
• Fig. 2 ADC12 合金スラリーの微細構造。振動なしおよび固定周波数 f = 50 Hz で機械振動を印加。
• Fig. 3 同じ速度振幅で振動するが、異なる周波数と加速振幅で振動する ADC12 合金スラリーの微細構造。
• Fig. 4 さまざまな注湯温度と振動時間で作成された ADC12 合金スラリーの微細構造。振動周波数と加速振幅 50 Hz、78.4 m/s²。
• Fig. 5 周波数 50 Hz における平均粒子径と円形度に及ぼす振動条件の影響。
• Fig. 6 同一速度振幅における平均粒子径と Al 粒子の円形度に及ぼす加速振幅の影響。
• Fig. 7 同一速度振幅における平均粒子径と Al 粒子の円形度に及ぼす変位振幅の影響。
• Fig. 8 α-Al 粒子の面積率に及ぼす注湯温度と振動時間の影響。
• Fig. 9 ADC12 合金のモルエンタルピーまたは温度と固相率の関係。
• Table 1 本研究で使用した JIS ADC12 アルミニウム合金の化学組成。
• Table 2 固形粒子形状に及ぼす機械振動の影響を調査するための実験条件。

7. 結論:

本研究では、ADC12 アルミニウム合金の半凝固スラリーを調製するために、冷却中に正弦波機械振動を印加することが効果的であることを実証しました。主な知見は、機械振動パラメータ、特に加速振幅、速度振幅、周波数、および変位振幅が、固相粒子の形態に大きな影響を与えることを示しています。具体的には、より高い加速振幅と速度振幅、および最適化された周波数と変位は、微細で球形の固相粒子の形成を促進します。さらに、スラリーの固相率は、注湯温度と振動時間を調整することによって制御できます。本研究は、機械振動が、皮膜形成凝固合金である ADC12 のような合金であっても、SS-HPDC に適した ADC12 アルミニウム合金半凝固スラリーを製造するための実行可能な技術であると結論付けました。本研究では、望ましいスラリー特性を達成するための最適な振動条件 (f = 50 Hz、A ≥ 49.0 m/s²、V ≥ 0.19 m/s) を特定しました。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

• この資料は、"[Yuichiro Murakami, Kenji Miwa, Masayuki Kito, Takashi Honda and Naoki Omura]"による論文です。「[機械振動印加によるJIS ADC12アルミニウム合金半凝固スラリー作製技術]」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.2320/matertrans.F-M2024810

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