炭酸塩と塩化物の混合塩で成形したソルト中子の機械的性質

本紹介論文は、「鋳造工学 第78巻(2006)第10号」に掲載された論文「炭酸塩と塩化物の混合塩で成形したソルト中子の機械的性質」に基づいています。

Fig. 2 Photographs of specimens at room temperature. (a) A lot of cracks are found in KCI-30 mol%NaCl specimen. (b) K2CO3-50 mol%Na2CO3 specimen shows very brittle behavior.
Fig. 2 Photographs of specimens at room temperature. (a) A lot of cracks are found in KCI-30 mol%NaCl specimen. (b) K2CO3-50 mol%Na2CO3 specimen shows very brittle behavior.

1. 概要:

  • 論文名: 炭酸塩と塩化物の混合塩で成形したソルト中子の機械的性質 (Mechanical Properties of Salt Core Comprised of Alkali Carbonate and Alkali Chloride)
  • 著者: 八百川 盾, 三浦 大介, 安斎 浩一, 山田 養司, 吉井 大
  • 発行年: 2006
  • 発行学術誌/学会: 鋳造工学 (J. JFS, Journal of the Japan Foundry Engineering Society)
  • キーワード: salt core, expendable core, carbonate, chloride, die casting, strength, microstructure

2. Abstract:

The strength of salt core comprised of NaCl-Na2CO3, KCI-K2CO3, KC1-NaCl and K2CO3-Na2CO3 binary salt systems was investigated in order to develop expendable core for high pressure die casting using 4-point bending test, Vickers hardness measurement, and SEM observation of solidification structures and fracture surfaces. Bending specimens were fabricated from 10 K superheated molten salts by the permanent mold method. The results of the bending test showed that the KCI-K2CO3 binary system offers quite high strength exceeding about 20 MPa. Moreover, especially high strength was obtained for the NaCl-Na2CO3 system whose strength value is higher than that of the KCI-K2CO3 system. Also, the Vickers hardness of the NaCl-Na2CO3 system is higher than that of KCI-K2CO3 system. In contrast to these binary systems, salt cores made of KC1-NaCl and K2CO3-Na2CO3 binary salt systems could not be strengthened by mixing salt, due to phase separation of the solid solution phase crystallized from molten salt.
In the solidification structures of NaCl-Na2CO3 system, dendritic or elliptic shaped primary phase and fine eutectic phase were found. As crack propagation is deflected by both the primary phase and fine eutectic phase, salt cores can be strengthened.

3. Introduction:

ダイカスト法は重力鋳造法や低圧鋳造法に比べ生産性に優れており、鋳肌が美しく寸法精度も高いため、アルミニウム合金鋳物の製造法として最も多く用いられている。また、ダイカスト法では溶湯を金型に高速充填するので薄肉製品の成形も可能である。しかし、クローズドデッキシリンダブロックのような複雑なアンダーカット形状を有する製品の成形は、崩壊性中子の利用が不可欠なためダイカストでは困難である。特に大きな問題として、崩壊性中子が高速射出された溶湯による激しい衝撃により破壊され、形状を保持することができないことが挙げられる。対策として中子の強化が考えられるが、これにより崩壊性が悪くなり、製品からの除去に膨大な労力を要することにつながる。このため、強度と除去性を併せ持つ崩壊性中子の開発が切望されている。本研究では、ダイカスト用ソルト中子の開発のための基礎的検討として、アルカリ炭酸塩とアルカリ塩化物の混合塩で成形したソルト中子の機械的性質を調査する。

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

ダイカスト法における複雑なアンダーカット形状を有する製品の成形には崩壊性中子の利用が不可欠であるが、高速充填時の溶湯衝撃による中子の破壊や、強化した場合の除去性の低下といった課題がある。

Status of previous research:

これまで実用化されている崩壊性中子には、焼結法で作製したソルト中子1)、特殊な処理をした砂中子2,3)、金属置き中子4)などがあるが、それぞれ一長一短があり、射出速度や形状自由度、コストに問題があった。著者らのグループではセラミックをソルトに複合化した溶融成形によるソルト中子を提案し、ホウ酸アルミニウムウィスカで強化したアルカリハライド類の中子が20~30 MPaという高い強度を持つことを示したが、融点が高い、ウィスカの凝集、リサイクル工程の煩雑さといった問題があった5,6)。混合塩を利用した低融点ソルト中子7)や強化材を用いないソルト中子8)も特許公開されているが、実用化例は少ない。

Purpose of the study:

本研究では塩化カリウム、塩化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムの4種類のソルトのうち2種類を混合して得られる2元系混合塩について、その強度や硬さ、さらにミクロ組織を調査し、ダイカスト用ソルト中子の開発のための基礎的検討を行うことを目的とする。

Core study:

NaCl-Na2CO3, KCI-K2CO3, KCI-NaCl, K2CO3-Na2CO3の4種類の2元系混合塩の機械的性質（抗折強度、ビッカース硬さ）と凝固組織を調査する。

5. Research Methodology

Research Design:

供試材として99.5%の塩化カリウム (KCI), 塩化ナトリウム (NaCl), 炭酸カリウム (K2CO3), 炭酸ナトリウム (Na2CO3)を用意し、Table 1に示す組成の混合塩を180g秤量し、緻密質のアルミナ製タンマン管に入れ電気炉で大気溶解した。試験片作製用のJIS-SCM440製金型は373Kに予熱し、過熱度10Kの溶融塩を流し込んだ。注湯開始から60s後に試験片を取り出し、大気中で空冷した。抗折試験片の鋳造方案をFig. 1に示す。

Data Collection and Analysis Methods:

  • 抗折強度: 4点曲げ抗折試験により求めた。試験条件は下部支点間隔50mm, 上部支点間隔10mm, 支点の直径4mm, 試験速度1.6×10⁻²mm·s⁻¹ (1mm·min⁻¹)である。抗折強度σ [Pa]は(1)式にて算出した。
    σ = 3LP / BH² (1)
    ここで、Lは支点間隔から求められる値で20mm、Bは試験片幅18mm、Hは試験片高さ20mmとした。
  • ビッカース硬さ: 抗折試験後に試験片を切断し、破断面付近の断面のビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ計で測定した。
  • 組織観察: 断面を#4000番の耐水研磨紙で乾式研磨し、超音波洗浄後カーボンを蒸着し、凝固組織を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。同時にエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により局所分析を行い凝固組織中の各相の成分を調査した。
  • 相特定: 破断面付近をX線回折法(XRD)で定性分析し、凝固組織中に存在する相を特定した。
  • 破面観察: 破断面にもカーボンを蒸着しSEM観察, EDXによる分析を行い、破壊・強化メカニズムを検討した。

Research Topics and Scope:

本研究では、4種類の2元系混合塩（NaCl-Na2CO3, KCI-K2CO3, KCI-NaCl, K2CO3-Na2CO3）について、組成と機械的性質（抗折強度、ビッカース硬さ）の関係、凝固組織、および破壊メカニズムを調査する。

6. Key Results:

Key Results:

  • 試験片に発生した鋳造欠陥: KCI-30mol%NaClの試験片では表面に割れや凹凸が観察された (Fig. 2a)。K2CO3-50mol%Na2CO3の試験片は非常に脆かった (Fig. 2b)。KCI-80mol%K2CO3の試験片断面には内部引け巣や割れが見られた (Fig. 3)。
  • NaCl-Na2CO3系およびKCI-K2CO3系混合塩の強度と硬さ (Fig. 4):
    • 純NaClや純Na2CO3の強度は3~5MPaと低いが、混合により強度が著しく増加し、NaCl-70mol%Na2CO3では29~34MPaとなった。これは従来の砂中子の強度(約6MPa)の約5倍である。
    • KCI-K2CO3系混合塩でも同様に高強度が得られ、特にKC1-50~60mol%K2CO3では25MPa以上であった。
  • KCI-NaCl系およびK2CO3-Na2CO3系混合塩の強度と硬さ (Fig. 5):
    • KCI-NaCl系混合塩およびK2CO3-Na2CO3系混合塩では、どの組成でも強度は極めて低く、一部の試料では0MPaに近かった。これは、溶融塩から晶出する固相が全率固溶体であり、室温まで冷却されると2相分離し、格子サイズのミスフィットにより極めて脆くなるためと考えられる。
  • ビッカース硬さ (Fig. 6):
    • NaCl-Na2CO3系混合塩の方がKCI-K2CO3系混合塩よりも全組成範囲で硬かった。
    • 純Na2CO3は純NaCl, 純KCI, 純K2CO3よりも硬かった。
    • 硬さの傾向は強度の傾向と一致した。
  • NaCl-Na2CO3混合塩の凝固組織と破断面 (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9):
    • NaCl-10mol%Na2CO3混合塩では、初晶NaClがデンドライト状に成長し、デンドライト間にはNaClとファセット状のNa2CO3からなる共晶組織が観察された (Fig. 7a, b)。
    • NaCl-70mol%Na2CO3混合塩では、楕円状の初晶Na2CO3が晶出し、それを取り囲むようにNa2CO3とNaClの共晶が晶出していた (Fig. 7c, d)。
    • SEM-EDXおよびXRD (Fig. 8) の結果、NaCl相およびNa2CO3相は固溶限がゼロに近く、ほぼ純粋なNaClおよびNa2CO3であった。
    • NaCl-10mol%Na2CO3混合塩の破断面では、初晶NaClのへき開面と共晶組織の破面が見られた (Fig. 9a)。共晶組織中の亀裂進展が初晶によって偏向されるため、強度が増加したと考えられる。
    • NaCl-70mol%Na2CO3混合塩の破断面でも初晶Na2CO3と共晶組織が見られ、同様の強化メカニズムが働いたと考えられる (Fig. 9b)。微細な共晶組織も応力集中の低減に寄与する。

Figure Name List:

Fig. 4 Strength and phase diagrams of NaCl-Na2CO3 and KCI-K2CO3 binary systems10).
Fig. 4 Strength and phase diagrams of NaCl-Na2CO3 and KCI-K2CO3 binary systems10).
Fig. 7 SEM secondary electron images of solidified structure. (a) and (b): NaCl - 10mol% Na2CO3. (c) and (d): NaCl -70mol% Na2CO3.
Fig. 7 SEM secondary electron images of solidified structure. (a) and (b): NaCl - 10mol% Na2CO3. (c) and (d): NaCl -70mol% Na2CO3.
  • Fig. 1 Casting design of bending test specimens.
  • Fig. 2 Photographs of specimens at room temperature. (a) A lot of cracks are found in KCI-30 mol%NaCl specimen. (b) K2CO3-50 mol%Na2CO3 specimen shows very brittle behavior.
  • Fig. 3 Cross section of KCI-80 mol%K2CO3 specimen.
  • Fig. 4 Strength and phase diagrams of NaCl-Na2CO3 and KCI-K2CO3 binary systems10).
  • Fig. 5 Strength and phase diagrams of KCI-NaCl and K2CO3-Na2CO3 binary systems10).
  • Fig. 6 Vickers hardness of NaCl-Na2CO3 and KCI-K2CO3 binary systems. Solid and dotted lines connect average hardness value of each composition, respectively.
  • Fig. 7 SEM secondary electron images of solidified structure. (a) and (b): NaCl - 10mol% Na2CO3. (c) and (d): NaCl -70mol% Na2CO3.
  • Fig. 8 X-ray diffraction pattern of NaCl-70 mol% Na2CO3.
  • Fig. 9 SEM images of broken surface. (a): NaCl-10 mol% Na2CO3. (b): NaCl-70 mol% Na2CO3.

7. Conclusion:

(1) NaCl-Na2CO3, KCI-K2CO3, KCl-NaCl, K2CO3-Na2CO3の4種類の2元系混合塩の強度を評価した結果、NaCl-Na2CO3混合塩ならびにKCI-K2CO3混合塩において20MPa以上の高強度を得られた。また、NaCl-Na2CO3混合塩の方がKCI-K2CO3混合塩よりも全組成にわたり高い強度を示した。特にNaCl-70mol%Na2CO3では、従来の砂中子の約5倍となる約30MPaという極めて高い強度となった。一方KCI-NaCl混合塩ならびにK2CO3-Na2CO3混合塩は非常に脆く強度は低かった。これは、晶出した全率固溶体が2相分離し、脆化や割れが生じたためと考えられる。
(2) ビッカース硬さを調査した結果、NaCl-Na2CO3混合塩の方がKCI-K2CO3混合塩よりも全組成範囲で硬いことがわかった。
(3) NaCl-Na2CO3混合塩の凝固組織は、状態図から推測できるように、共晶組成を挟んでNaClリッチ側では初晶NaClと共晶組織からなり、Na2CO3リッチ側では初晶Na2CO3と共晶組織からなることがわかった。EDXならびにXRDの結果、NaCl相及びNa2CO3相は固溶度がほとんどないほぼ純粋なNaClとNa2CO3であった。
(4) NaCl-10mol%Na2CO3の破断面には、初晶NaClのへき開面と共晶組織が見られた。共晶組織中の亀裂進展が初晶によって偏向されるため、強度が増加したものと考えられる。同様にNaCl-70mol%Na2CO3の破断面にも初晶Na2CO3と共晶組織が見られたので、同様の強化メカニズムが働いたものと考えられる。

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9. Copyright:

  • This material is a paper by "八百川 盾, 三浦 大介, 安斎 浩一, 山田 養司, 吉井 大". Based on "炭酸塩と塩化物の混合塩で成形したソルト中子の機械的性質".
  • Source of the paper: https://doi.org/10.11279/jfes.78.516

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Tags: aluminum alloy; , Applications; , CAD; , Die casting; , High pressure die casting; , Microstructure; , Salt Core; , 金型