自動車用途における信頼性を達成するためのマグネシウムダイカストプロセスの最適化

この紹介記事は、"[Optimizing the Magnesium Die Casting Process to Achieve Reliability in Automotive Applications]"という論文に基づいて、"[SAE International ]"によって公開されたものです。

1. 概要:

• タイトル: Optimizing the Magnesium Die Casting Process to Achieve Reliability in Automotive Applications
• 著者: Haavard Gjestland, Stian Sannes, Jørild Svalestuen, Håkon Westengen
• 発表年: 2005年
• 掲載ジャーナル/学会: SAE International (SAE Technical Paper 2005-01-0333)
• キーワード: マグネシウムダイカスト、自動車用途、信頼性、凝固速度、微細組織、機械的特性、ショットスリーブ、予備凝固、外部凝固結晶 (ESCs)、AZ91D、AM60B、熱管理

2. 概要:

高圧ダイカストは、高速の金型充填とそれに続く金型内の溶融金属の急速冷却によって特徴付けられます。これらの特性は、マグネシウムダイカスト合金にとって有利です。高い冷却速度は、微細なデンドライト組織と結晶粒組織の形成を促進し、それが実質的な硬化につながります。この微細化は、延性の向上にもつながります。金属の冷却速度は、プロセスパラメータと部品の形状の両方に大きく依存するため、後者の要因に関連する3次元的な柔軟性は、冷却速度が均一にならないことを意味します。この冷却速度の差は、ダイカスト部品の幾何学的に異なる部分間で機械的特性にばらつきが生じる可能性があります。このばらつきは、ミクロポロシティ、非金属介在物、充填不良、熱間割れなどの鋳造欠陥とは対照的に、材料固有の特性です。鋳物の機械的特性は、ショットスリーブ内の金属の予備凝固によっても影響を受けます。本論文では、プロセスにおける熱条件と、鋳物における結果としての微細組織および機械的特性との相関関係について考察します。特性の予測に関連する重要な要素は、溶解炉から計量ユニット、ショットスリーブ、そして最終的な金型充填に至るまでのプロセスにおける熱条件です。これらの要素すべての熱履歴が特性に与える影響を知ることによってのみ、ダイカストプロセスを最適化することが可能になります。現在の調査では、まず、金属の凝固速度と、結果として得られる微細組織、および機械的特性との間の基本的な相関関係について説明します。このような一般的な相関関係は、すべての合金に当てはまります。本論文では、合金AZ91Dに関する調査結果を紹介します。次に、ショットスリーブに異なる熱条件で注湯された熱い金属の一般的な挙動について説明します。本論文では、合金AM60Bに関する調査結果を紹介します。

3. 緒言:

マグネシウムダイカストの用途の拡大は、技術の進歩によって可能になっています。いくつかの要因の中でも、高純度合金、フラックスレス溶解、改良されたダイカスト技術、およびバーチャル設計の導入は非常に重要です。これらの改良の複合効果は、最新の大量生産の要件を満たす複雑で軽量な部品の高度に自動化された、コスト競争力のある生産の可能性を提供します。軽量構造用途の設計と製造は、ダイカスト業者にとって困難な課題です。なぜなら、材料特性とロバストな製造性能の向上が常に求められているからです。ダイカスト部品の特性は、まず第一に部品内の局所的な凝固速度によって制御されます。第二に、鋳造プロセス中に形成された欠陥は、理論的に最適な特性を低下させます。特性の予測に関連する重要な要素は、溶解炉から計量ユニット、ショットスリーブ、そして最終的な金型充填に至るまでのプロセスにおける熱条件です。これらの要素すべての熱履歴が特性に与える影響を知ることによってのみ、ダイカストプロセスを最適化することが可能になります。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

マグネシウムダイカストは、軽量性から自動車用途での利用が増加しています。しかし、複雑な形状で大量生産される部品において、信頼性の高い機械的特性を確保することが重要です。高圧ダイカストは急速凝固を伴い、これが微細組織と特性に影響を与えます。部品の形状やプロセスパラメータによる冷却速度のばらつきは、特性の不均一性につながる可能性があります。さらに、金型充填前にショットスリーブ内で発生する予備凝固などの現象は、最終的な鋳造品の品質と信頼性に大きな影響を与える可能性があります。

従来の研究状況:

AZ91Dなどのマグネシウム合金において、凝固速度が結晶粒径（GS）や二次デンドライトアーム間隔（DAS）などの微細組織特性を決定することが確立されています。凝固が速いほど、微細組織は微細になります（図1）。機械的特性は微細組織と強く関連しており、引張耐力は結晶粒径との間にホール・ペッチの関係を示し（図2）、延性（伸び）は一般的に結晶粒径が微細になるにつれて向上します（図3）。射出前のショットスリーブ内での金属の予備凝固は、外部凝固結晶（ESCs）と呼ばれる破片を形成することが知られています。これらのESCsは、射出中に鋳造品に取り込まれ、機械的特性に影響を与える可能性があります。

研究の目的:

本研究は、ダイカストプロセス全体、特にショットスリーブ内の熱条件と、マグネシウム合金鋳物の結果として得られる微細組織（特にESCsの存在と分布）および機械的特性との相関関係を解明し、定量化することを目的としています。最終的な目標は、自動車部品において、特に伸びに関する信頼性を向上させるためのダイカストプロセスを最適化するための戦略を特定することです。

中核となる研究:

本研究では、主に2つの側面を調査しています。

1. AZ91D合金のデータを用いて、凝固速度、微細組織（GS、DAS）、および機械的特性（耐力、伸び）の間の基本的な関係。
2. ショットスリーブ内の予備凝固がESCsの形成に及ぼす影響、およびAM60B合金鋳物の微細組織と機械的特性へのその後の影響。これには以下が含まれます。
   • 異なるショットスリーブ熱条件下での予備凝固金属の体積率を推定するためのコンピュータシミュレーション（表1）。
   • 標準的なH13鋼、窒化ホウ素コーティングされたH13、金属マトリックス複合材料（MMC）ライナー付きH13、およびカートリッジ加熱されたH13の4つの異なるショットスリーブ構成を用いたAM60B引張試験片の実験的高圧ダイカスト。
   • ショットスリーブ条件とESCsの存在および特性のばらつき、特に伸びとその統計的分布との相関関係を明らかにするための、鋳造された試験片の機械試験および微細組織分析。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、以下を組み合わせた多面的なアプローチを採用しました。

1. AZ91Dにおける凝固パラメータと微細組織/特性の関係に関する既存データのレビューと分析。
2. さまざまな熱境界条件におけるショットスリーブ内の熱伝達と予備凝固をモデル化するための数値流体力学（CFD）シミュレーション。
3. 工業用ダイカストマシン（420メートルトン ビューラーエボリューション）を用いた制御された実験的ダイカスト試験。
4. 機械試験および金属組織学的検査による、得られた鋳造品の系統的な特性評価。
5. プロセス変更が特性分布と信頼性に与える影響を評価するための実験データの統計分析。

データ収集と分析方法:

• シミュレーション: コンピュータシミュレーションを使用して、ショットスリーブ（直径60 mm、長さ365 mm、充填率50％）内のAM60B合金の予備凝固体積率を、異なるスリーブ材料、コーティング、および温度を表す4つの定義された熱シナリオ下で計算しました（表1）。
• 実験: 標準的なASTM引張試験片（ゲージ長75 mm、直径6 mm）を、シミュレーションされた4つのショットスリーブ条件下でAM60B合金を用いてダイカストしました。
• 機械試験: ASTM 557B規格に従って引張試験を実施し、耐力（Rp0.2）、引張強さ（Rm）、伸び（A）を測定しました。統計的有意性を確保するために、多数のサンプルを試験しました（例：条件1で200サンプル、条件3で93サンプル）。
• 金属組織学: 引張試験片の断面を作製し、光学顕微鏡を用いて微細組織、特に異なる鋳造条件下でのESCsの存在、分布、および形態を観察しました。
• 統計分析: 平均機械的特性と標準偏差を計算しました。頻度分布（棒グラフ）と2パラメータワイブル解析を用いて、異なるショットスリーブ条件における伸び値のばらつきと信頼性を評価しました。

研究テーマと範囲:

本研究は、自動車用途で一般的に使用されるマグネシウム合金（AZ91DおよびAM60B）の高圧ダイカストに焦点を当てています。具体的には、以下の影響を調査しています。

• 凝固速度が微細組織（結晶粒径、DAS）および機械的特性（耐力、伸び）に及ぼす影響。
• ショットスリーブ内の熱条件（熱伝達係数、熱伝導率、温度）が予備凝固の程度と外部凝固結晶（ESCs）の形成に及ぼす影響。
• ESCsの存在と分布が、ダイカスト部品の機械的特性（特に伸び）とその統計的ばらつき（ばらつき/信頼性）に及ぼす影響。
  範囲には、シミュレーション、制御された条件下での実験的鋳造試験、材料特性評価、および統計的評価が含まれており、プロセスの最適化に関する実用的なガイドラインを提供することを目指しています。

6. 主な結果:

主な結果:

• AZ91Dの微細組織（結晶粒径GS、二次デンドライトアーム間隔DAS）は凝固速度に強く依存しており、冷却が速いほど微細組織は微細になります（図1）。一般的なダイカストの冷却速度（10〜1000℃/秒）では、結晶粒径は5〜100μmになります。
• AZ91Dの引張耐力（TYS）はホール・ペッチの関係を示し、結晶粒径が小さくなるにつれて増加します（図2）。
• 伸び破壊までの伸びは、AZ91Dと純粋なMgの両方で一般的に結晶粒径が小さくなるにつれて増加します（図3）。これは、延性のために微細組織が重要であることを示しています。
• 予備凝固は、射出前の比較的低温のショットスリーブ内で発生し、外部凝固結晶（ESCs）として知られるα-マグネシウムデンドライト破片を形成します（図4）。
• ESCsは溶融金属の流れに取り込まれ、最終的な鋳造品内に見られ、ゲート付近やゲートから離れたコア領域に集中していることがよくあります（図5a、5b）。ESCsは、より大きく、明確な微細組織の特徴として現れます。
• ESCsと関連するポーラスバンド（図6）は、引張荷重下での破壊の開始点として機能し、材料全体の延性と強度を制限します（図7）。
• シミュレーションでは、標準的なH13工具鋼ショットスリーブ（200℃）では、約14％の予備凝固AM60B分率が生じると予測されました。熱条件を変更すると、これが大幅に減少します。窒化ホウ素コーティング（600 W/m²Kの熱伝達）では0％、MMCライナー（7.4 W/m℃の熱伝導率）では5％、H13スリーブを440℃に加熱すると2.5％になりました（表1）。
• 実験的な鋳造により、微細組織への影響が確認されました。標準的なH13スリーブでは、断面全体にESCsが顕著に存在することが鋳造品で示されました（図9a）。修正されたスリーブでは、予備凝固が大幅に減少またはほぼ完全に除去されていることが示されました（図9b、9c、9d）。
• 修正されたショットスリーブによる予備凝固の低減は、標準的なH13スリーブと比較して、平均機械的特性、特に伸びの向上につながりました（図8）。
• 重要なことに、ESCsを減らすことで、伸び値のばらつきが大幅に減少しました。標準的なH13スリーブは、低い伸び値に偏った分布を示しましたが、MMCライナーおよび加熱されたスリーブは、ばらつきが少なく、最小値が高い分布をもたらしました（図10a、10b、10c）。
• ワイブル解析により、MMCライナーおよび加熱されたスリーブの信頼性（ばらつきの低減）が、標準的なH13スリーブよりも優れていることが確認されました。これは、より高いワイブル係数（図11のベータ値）によって示されています。

図のリスト:

• Figure 1. Grain size and secondary dendrite arm spacing as a function of the solidification rate for AZ91D. Operating window for die casting indicated by dashed rectangle [1]
• Figure 2. Tensile yield strength as a function of grain size in an AZ91D alloy [1]
• Figure 3. Elongation to fracture as a function of grain size in an AZ91D alloy and in pure-Mg [1]
• Figure 4. Illustration of computer simulation of pre-solidification in the shot sleeve
• Figure 5a. Locations (A and B) for the micrographs in Figure 5b
• Figure 5b. ESCs in AM60B (large grains with bright contrast) in a U-profile type of casting. A) Close to the gate, B) Far from the gate. Arrows indicate flow direction [3]
• Figure 6. The dark 'lines' are the pore bands, alloy AM690B.
• Figure 7. Cracks initiated in the pore bands of a tensile bar during tension, alloy AM60B.
• Figure 8. Bar graphs showing the average mechanical properties and one standard deviation in tensile bars cast with different thermal conditions in the shot sleeve, alloy AM60B
• Figure 9a. Micrograph of tensile barin AM60B cast with a H13 shot sleeves. The 'white particles' are the ESCs
• Figure 9b. Micrograph of tensile bar in AM60B cast with a H13 shot sleeve coated with boron nitride. The 'white particles' are the ESCs
• Figure 9c. Micrograph of tensile bar in AM60B cast with a MMC-lined shot sleeve. The 'white particles' are the ESCs
• Figure 9d. Micrograph of tensile bar cast in AM60B with a heated H13 shot sleeve. The 'white particles' are the ESCs
• Figure 10a. Frequency bar graphs for the elongation in tensile specimens cast with a H13 shot sleeve (200 specimens of AM60B)
• Figure 10b. Frequency bar graphs for the elongation in tensile specimens cast with a MMC-lined shot sleeve (93 specimens of AM60B)
• Figure 10c. Frequency bar graphs for the elongation in tensile specimens cast with a heated H13 shot sleeves (34 specimens of AM60B)
• Figure 11. 2-dimensional Weibull analysis of the elongation in tensile bars cast with different shot sleeve conditions
• Table 1. Computer calculation of fraction pre-solidified AM60B as a function of thermal conditions in the shot sleeve

7. 結論:

• 従来のH13工具鋼製のショットスリーブを使用すると、射出前の金属の熱損失により、スリーブ内に予備凝固材料がかなりの体積率で生成されます。
• 外部凝固結晶（ESCs）は、α-マグネシウムデンドライトの破片です。液体金属中に分散し、金型キャビティに射出されると、これらのESCsは鋳造部品の機械的特性の低下につながります。
• ショットスリーブ内の予備凝固は、a）内側スリーブ壁を断熱して金属からスリーブ壁への熱伝達を減らす、b）スリーブ壁の熱伝導率を減らす、c）スリーブ壁の温度を高く維持して熱伝達を減らすことによって減少させることができます。これらの取り組みは、鋳造における機械的特性の向上につながります。
• 熱損失の低減は、キャビティに射出される溶融金属の温度上昇につながります。これにより、所定の金型を充填するための流動性が向上し、より複雑な金型のより良い充填につながる可能性もあります。流動性向上の負の側面は、所定の金型での湯漏れの傾向が大きくなることです。
• マグネシウムダイカストにおいて、最も信頼性の高い特性を部品で得るためのベストプラクティスには、以下が含まれる必要があります。
  • 部品のすべての部分で可能な限り高い凝固速度を実現するための部品および金型設計。
  • 射出前の金属の熱損失を低減するショットスリーブとプロセスパラメータの使用。

8. 参考文献:

• [1] H. Gjestland, S. Sannes, H. Westengen and D. Albright, Effects of Casting Temperature, Section Thickness, and Die Filling Sequence Concerning Microstructure and Mechanical Properties of High Pressure Die castings, NADCA conference, Indianapolis, September 2003.
• [2] H. I. Laukli, High Pressure Die Casting of Aluminium and Magnesium Alloys – Grain Structure and Segregation Characteristics, Doctoral Theses, Norwegian University of Science and Technology, 2004.
• [3] H. I. Laukli, O. Lohne, S. Sannes, H. Gjestland and L. Arnberg, Grain Size Distribution in a Complex AM60B Magnesium Alloy Die Casting, Int. J. of Cast Metals Research, 2003, vol. 16, no. 6, pp. 515-521.
• [4] Crack initiation and crack propagation in HPDC tensile bars, Hydro Magnesium Competence Centre, Internal report, August 2003.

9. 著作権:

• この資料は、"[Haavard Gjestland, Stian Sannes, Jørild Svalestuen and Håkon Westengen]"による論文です。 "[Optimizing the Magnesium Die Casting Process to Achieve Reliability in Automotive Applications]"に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.4271/2005-01-0333

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