自動車用ダイカストアルミニウム合金の射出パラメータ最適化と人工時効処理

この紹介論文は、「Materials and Manufacturing Processes」によって発行された論文「Injection Parameters Optimization and Artificial Aging of Automotive Die Cast Aluminum Alloy」に基づいています。

1. 概要：

• 論文名: Injection Parameters Optimization and Artificial Aging of Automotive Die Cast Aluminum Alloy
• 著者: Zuqi Hu
• 発行年: 2015
• 学術雑誌/発行学会: Materials and Manufacturing Processes
• キーワード: 時効(Aging); アルミニウム(Aluminum); 自動車(Automobile); 鋳造(Casting); 射出(Injection); 最適化(Optimization)

2. 要旨：

高圧ダイカストは、近い将来、自動車産業において高負荷構造部品として使用されることが期待されています。したがって、本研究では、ダイカストパラメータと時効処理が高性能ダイカストアルミニウム合金の引張特性に及ぼす影響を調査しました。我々の結果は、HPDC AlMg5Si2Mn試験片（射出圧力100 MPa、高レベル高速射出速度、速度切替点位置220 mmで形成）が、良好な内部品質と優れた引張特性（351.1 MPa、200.7 MPa、13.77%）を有することを示しています。試料密度は、圧力損失により金型充填方向に沿って減少しました。250°Cで3時間時効処理後、引張強さと降伏強さは、それぞれ351.1 MPaおよび200.7 MPaから380.5 MPaおよび246.9 MPaへと大幅に増加しました。伸びは、1時間時効処理後に13.77%から5.5%に初期的に減少し、その後11.48%に回復しました。さらに、冷却方法が機械的特性に及ぼす影響はごくわずかであることがわかりました。

3. 緒言：

軽量化は、燃料危機の負の影響により、現代の自動車開発において不可欠な要素です。ダイカストは、その良好な寸法精度、表面品質、および健全性により、自動車産業のニーズに適しており、車体への使用が増加しています[1]。さらに、高性能ダイカストアルミニウム合金は、内部気孔やFeリッチ金属間化合物によって引き起こされる低い延性を補うために必要とされています[2]。
必然的に、様々な超強靭ダイカストアルミニウム合金が開発されており、その中でもMagsimal-59®（AlMg5Si2Mn）は優れた延性を特徴としています。良好な延性は、Mgの添加とFe含有量の低減（≤0.2%）の結果であり、これらはいずれもFeリッチ金属間化合物の負の影響を最小限に抑えます[3]。さらに、Hielscherら[4]、Kochら[5]、およびFrankeら[6]は、AlMg5Si2Mnが鍛造、レオキャスティング、スクイズキャスティング、およびダイカストのプロセスに適しており、したがって展伸アルミニウム合金と共にリサイクル可能であり、自動車産業において有望な材料であると報告しています。一方、射出パラメータはダイカストの内部品質を決定し、適切な射出パラメータは望ましくない欠陥（例えば、介在物、フローラインクラック、湯じわ）を排除することができます[7]。ADC12[8]やA380[9]などの様々なダイカスト合金の機械的性能に対する射出パラメータの影響の最適化は、したがって、ダイカストの内部品質と表面品質の両方にとって重要です。
これまでの研究は、主にダイカストAlMg5Si2Mn合金の微細構造形成、引張特性、疲労抵抗、および腐食挙動に焦点を当ててきました。例えば、Jiら[10]は、時効処理がAlMg5Si1.5MnFe0.25Ti0.2ダイカストの降伏強度を改善し、これは焼付硬化のみに起因すると報告しました。Otarawannaらは、AlMg5Si2Mnダイカストの表面層形成[11]、欠陥帯[12]、および湯流れ・凝固機構[13]を解明しました。さらに、Huら[14]は、重力金型鋳造とダイカストAlMg5Si2Mn板の耐食性を比較し、後者がより微細な結晶粒径のために優れていると結論付けました。しかし、AlMg5Si2Mnダイカストの内部品質と機械的特性に対する射出パラメータの影響に関する研究はほとんど行われていません。

4. 研究の概要：

研究背景：

高圧ダイカストは、自動車分野における高負荷構造部品としてますます考慮されています。AlMg5Si2Mn合金は、その高性能と延性により有望な候補です。このようなダイカストの内部品質は、射出パラメータによって著しく影響を受けます。

先行研究の状況：

AlMg5Si2Mn合金に関する先行研究は、微細構造、引張特性、疲労、腐食、および類似合金の時効処理効果などの側面に焦点を当てていました。AlMg5Si2Mnダイカストにおける表面層、欠陥帯、および湯流れ・凝固機構の形成が調査されてきました。他のダイカスト合金（例：ADC12、A380）については射出パラメータの最適化が行われてきましたが、AlMg5Si2Mnダイカストの内部品質と機械的特性に対する射出パラメータの影響を具体的に扱った研究は不足していました。

研究目的：

本研究は、ダイカスト射出パラメータ（射出圧力、高速射出速度、速度切替点位置）およびその後の人工時効処理が、高性能AlMg5Si2Mnダイカストアルミニウム合金の引張特性と内部品質に及ぼす影響を調査することを目的としました。

研究の核心：

本研究の核心は、主要な射出パラメータ、具体的には射出圧力、高速射出速度、および速度切替点の位置の変動が、高圧ダイカスト（HPDC）AlMg5Si2Mn合金の機械的特性（引張強さ、降伏強さ、伸び）および密度にどのように影響するかを体系的に調査することでした。これには、観察された変化を理解するための微細構造解析が含まれていました。さらに、本研究は、人工時効処理（250°Cで1、2、および3時間）および異なる冷却方法（空冷、炉冷）が、最適に鋳造された合金の機械的特性に及ぼす影響を調べました。

5. 研究方法論

研究設計：

• A型HPDC標準引張試験片は、280トン横型コールドチャンバーダイカストマシンを使用して製造されました。
• 射出パラメータの最適化には単一因子試験法が採用されました。これは、他の2つのパラメータを一定に保ちながら1つのパラメータを変化させることを意味します。
• 調査された射出パラメータは次のとおりです。
  • 射出圧力（P）：60、80、100、120 MPa。
  • 高速射出速度（v）：低、中、高レベル。
  • 速度切替点の位置（S）：190、220、250 mm（高速射出段階開始時のプランジャーの移動距離）。
• 人工時効処理は250°Cで1、2、および3時間行われました。
• 時効後の2つの冷却方法（空冷および炉冷）が調査されました。

データ収集および分析方法：

• 20kg以上のAlMg5Si2Mn鋳造インゴットが溶解され、目標組成を達成するために純粋なマグネシウムが添加されました（Mgの約5%の質量損失を補償）。溶湯はアルゴンガスで20分間脱ガス処理されました。
• 溶湯は700〜710°Cでショットスリーブに注入され、金型は200°Cに予熱されました。
• 合金の化学組成（Table 1）は、発光分光分析によって確認されました。
• 3つのグループの密度試料が、引張試験片のゲージ長さから充填方向に沿って切り出されました（Fig. 1(b)）。
• 引張試験が実施され、結果は各パラメータグループについて5つの試験片の平均として報告されました。
• ダイカストの微細構造は、機械的特性およびプロセスパラメータと相関させるために分析されました。

研究対象と範囲：

• 材料: AlMg5Si2Mnアルミニウム合金（化学組成はTable 1に詳述）。
• プロセス: 高圧ダイカスト（HPDC）。
• 調査変数:
  • 射出圧力：60 MPa、80 MPa、100 MPa、125 MPa。
  • 高速射出速度：低、中、高。
  • 速度切替点位置：190 mm、220 mm、250 mm。
  • 人工時効：250°Cで1、2、および3時間。
  • 時効後冷却方法：空冷、炉冷。
• 測定出力:
  • 機械的特性：引張強さ（στ）、降伏強さ（σ0.2）、伸び。
  • 物理的特性：試料密度。
  • 微細構造：α1-Al結晶粒、α2-Al結晶粒、および[Al+Mg2Si]共晶領域の特性。

6. 主要な結果：

主要な結果：

• 射出圧力の影響：
  • 射出圧力を60 MPaから100 MPaに増加させると、引張強さ（στは303.52 MPaから353.58 MPaへ）、降伏強さ（σ0.2は187.08 MPaで安定）、および伸び（5.9%から13.77%へ）が大幅に改善されました。100 MPaを超えるさらなる増加は、ごくわずかな向上しか示しませんでした。
  • 試料密度は、射出圧力が100 MPaまで増加するにつれて増加し、気孔率の減少を示しました。最高密度は100 MPaで達成されました。
  • 密度は一般に金型充填方向に沿って減少しました。
  • より高い射出圧力は、微細なα2-Al結晶粒の体積分率の増加をもたらしました。
• 高速射出速度の影響：
  • 引張強さと降伏強さは、高速射出速度の増加に伴いわずかな変動（<10 MPa）を示しました。
  • 伸びは、高速射出速度が増加するにつれて9.73%から13.77%へと大幅に増加しました。
  • 平均試料密度は、より高い高速射出速度で増加しました。
  • 高速射出速度の増加は、粗大なα1-Al結晶粒のサイズと体積分率を減少させ、微細なα2-Al結晶粒の体積分率を大幅に増加させ、より球状のα-Al結晶粒を持つより緻密な構造をもたらしました。
• 速度切替点位置の影響：
  • 機械的特性（στ、σ0.2、伸び）は、速度切替点位置に伴い初期に増加し、その後減少しました。最適位置は220 mmであることがわかり、στ 351.1 MPa、σ0.2 200.65 MPa、伸び13.77%が得られました。
  • 密度は、速度切替点が220 mmの場合にのみ充填方向に沿って減少しました。
  • 早い高速射出（S=190 mm）はα2-Al結晶粒を増加させましたが、空気の巻き込みを引き起こしました。遅い高速射出（S=250 mm）は、予備充填により粗大なα1-Al結晶粒と非緻密な構造をもたらしました。
• 最適射出パラメータ：
  • 最適射出パラメータは、射出圧力100 MPa、高レベル高速射出速度、および速度切替点位置220 mmとして特定されました。
  • これらのパラメータは、良好な内部品質と優れた引張特性（στ 351.1 MPa、σ0.2 200.7 MPa、伸び13.77%）をもたらしました。
• 人工時効の影響（250°Cにて）：
  • 250°Cで3時間時効処理後、引張強さと降伏強さは、それぞれ351.1 MPaおよび200.7 MPaから380.5 MPaおよび246.9 MPaへと大幅に増加しました。
  • 伸びは、1時間時効処理後に13.77%から約5.5%に初期的に減少し、その後3時間時効処理後に11.48%に回復しました。
  • 時効後の冷却方法（空冷対炉冷）は、機械的特性にごくわずかな影響しか与えませんでした。
  • 鋳放し材と時効処理材の微細構造は類似していることがわかりました。

図のリスト：

• FIGURE 1.-(a) Profile of die casting samples; part within broken line was adopted in this work; (b) schematic of the rounded tensile specimens and locations of density samples (groups 1, 2, 3).
• FIGURE 2.-Effect of injection pressure on (a) mechanical properties and (b) density of the sample.
• FIGURE 3.-Microstructure of specimens formed by varying injection pressure: (a) 60 MPa, (b) 80 MPa, (c) 100 MPa, (d) 125 MPa. Brighter regions are α-Al grains and the darker regions are a mixture of empty and [Al + Mg2Si] eutectic regions.
• FIGURE 4.-Effect of fast-shot velocity on (a) mechanical properties and (b) density.
• FIGURE 5.-Microstructure of specimens formed by varying fast-shot velocity: (a) Low, (b) medium, (c) high. Coarse α1-Al dendrites and spaces between grains are respectively enclosed by solid and dotted lines in (a) and (b).
• FIGURE 6.-Effect of speed transition point locations on (a) mechanical properties and (b) density.
• FIGURE 7.-Morphology of the microstructure formed at varying speed transition points: (a) 190 mm, (b) 220 mm, (c) 250 mm.
• FIGURE 8.-Effects of aging under different cooling methods on mechanical properties: (a) air cooling, (b) furnace cooling.

7. 結論：

AlMg5Si2Mnダイカストの微細構造と機械的特性に及ぼす射出パラメータと時効処理の影響が体系的に研究され、主な結論が以下に要約されます。
最適な射出パラメータは、圧力100 MPa、高レベル高速射出速度、および速度切替点220 mmであり、これらのパラメータ下で最高の内部品質と機械的特性（351.1 MPa、200.7 MPa、および13.77%）が得られました。試料密度は金型充填方向に沿って減少し、効果的な圧力伝達プロセスを示しています。250°Cで3時間時効処理し、空冷した後、極限引張強さと降伏強さは、それぞれ351.1 MPaおよび200.7 MPaから380.5 MPaおよび246.9 MPaへと徐々に増加しましたが、伸びは1時間時効処理後に13.77%から5.5%に減少し、その後11.48%に増加しました。

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9. 著作権：

• この資料は「Zuqi Hu」による論文です。「Injection Parameters Optimization and Artificial Aging of Automotive Die Cast Aluminum Alloy」に基づいています。
• 論文の出典：https://doi.org/10.1080/10426914.2015.1004706

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