高熱伝導率鋼とそのダイカスト工具への応用

この論文は、高熱伝導率鋼とそのダイカスト工具への応用 (High Thermal Conductivity Steel and its Application to Die Casting Tools)に関する詳細な分析を提供します。

1. 概要:

タイトル: 高熱伝導率鋼とそのダイカスト工具への応用 (High Thermal Conductivity Steel and its Application to Die Casting Tools)
著者: K. Namiki, Masamichi. Kawano (大同特殊鋼株式会社), Thomas Schade (International Mold Steel Inc. ヘブロン、ケンタッキー)
発表年: 2012年
発表ジャーナル/学会: NADCAダイカスト会議・展示会 (North American Die Casting Association Die Casting Congress & Exposition) / 北米ダイカスト協会 (North American Die Casting Association)
キーワード: 高熱伝導率鋼, ダイカスト工具, サイクルタイム短縮, 耐ヒートチェック性, DHA-THERMO, H13鋼, ダイカスト金型

Figure 9 A part of Al die cast product where internal soundness was improved by the application of DHA-THERMO core pins

2. 研究背景:

研究トピックの社会的/学術的背景:
- ダイカスト業界では、高い製品品質とサイクルタイムの短縮の両立が求められています。
- 自動車産業を中心に、軽量化ニーズからダイカスト部品の需要が増加しており、サイクルタイム短縮は重要な課題となっています。
- サイクルタイムを短縮するためには、金型の冷却効率向上が不可欠であり、高熱伝導率材料の適用や、金型内部冷却の強化が有効です。
- 自動車部品の多様化に伴い、ダイカスト製品には、より微細な組織で内部欠陥の少ない高品質なものが、より短いサイクルタイムで求められています。
既存研究の限界:
- W（タングステン）合金は熱伝導率が高いものの、価格が高いため、ダイカスト工具への適用は限定的です。
- 低合金鋼は、一般的なダイカスト金型鋼である5%Cr-1%Mo鋼（H13鋼）よりも熱伝導率が高いことが知られていますが、一般的に焼入れ焼戻し鋼として供給され、硬度は通常40HRC程度が上限です。
- Cu-Be（銅ベリリウム）合金やW合金などの非鉄金属は、さらに高い熱伝導率を示しますが、Cu-Be合金は主にプラスチック射出成形金型に使用され、W合金（例：アンビロイ）はH13鋼の約3倍の熱伝導率を持つものの、高価で脆く、粉末冶金材料であるなどの課題があります。
- 従来の低合金工具鋼は、炭素量とCr（クロム）含有量が低いため、硬度が40HRC以下と低く、適用可能な工具は熱応力がそれほど高くない小型金型に限定されていました。
研究の必要性:
- サイクルタイム短縮と製品品質向上のためには、従来の材料に代わる、より高熱伝導率で高硬度なダイカスト工具材料の開発が求められています。
- 高熱伝導率鋼をダイカスト工具に適用することで、金型からの熱を効率的に除去し、凝固時間を短縮し、製品の微細組織化、欠陥低減、耐ヒートチェック性向上、金型寿命延長が期待されます。

3. 研究目的と研究課題:

研究目的:
- 新開発の高熱伝導率鋼「DHA-THERMO」を紹介し、そのダイカスト工具への適用事例を示すこと。
- DHA-THERMOの基本的な特性を評価し、従来のダイカスト工具材料であるH13鋼と比較することで、その優位性を明らかにすること。
- DHA-THERMOをダイカスト工具に適用した場合の、品質向上、サイクルタイム短縮、コスト削減効果を実証すること。
主要な研究課題:
- DHA-THERMOの熱伝導率は、H13鋼と比較してどの程度優れているか？特に、ダイカスト金型の表面温度と推定される500℃における熱伝導率の差は？
- DHA-THERMOは、焼入れ焼戻しによってどの程度の硬度が得られるか？また、その硬度はH13鋼と比較してどうか？
- DHA-THERMOの焼入れ性は、H13鋼と比較してどうか？
- 実際のダイカスト試験において、DHA-THERMOをスプルコアに適用した場合、H13鋼と比較して、スプルコア表面温度、凝固したビスケットの組織、耐ヒートチェック性はどのように異なるか？
- DHA-THERMOをダイカスト工具に適用することで、品質向上、サイクルタイム短縮、コスト削減にどのような効果があるか？
研究仮説:
- DHA-THERMOは、H13鋼よりも大幅に高い熱伝導率を示すため、ダイカスト金型からの熱を効率的に除去できる。
- DHA-THERMOは、適切な焼入れ焼戻し処理により、ダイカスト工具に必要な高硬度（48HRC程度）を達成できる。
- DHA-THERMOをダイカスト工具に適用することで、凝固時間の短縮、製品の微細組織化、耐ヒートチェック性の向上、サイクルタイムの短縮、金型寿命の延長が実現する。
- DHA-THERMOは、一部の用途において、高価なW合金の代替材料として、コスト削減に貢献できる。

4. 研究方法:

研究デザイン:
- 実験的研究。DHA-THERMOの材料特性評価試験と、ダイカスト工具としての性能評価試験を実施。
- DHA-THERMOと、従来のダイカスト工具材料であるH13鋼、および一部W合金（アンビロイ）との比較評価を行う。
データ収集方法:
- 材料特性試験:
  - 熱伝導率測定: 室温および高温における熱伝導率を測定し、DHA-THERMOとH13鋼の熱伝導能力を比較。
  - 硬度試験: 各焼戻し温度におけるDHA-THERMOとH13鋼の硬度を測定し、比較。
  - 焼入れ性評価: CCT（連続冷却変態）図を作成し、DHA-THERMOとH13鋼の焼入れ性を評価。また、真空ガス焼入れ後の丸棒の硬度分布を測定。
- ダイカスト試験:
  - スプルコア温度測定: 135tダイカストマシンを使用し、DHA-THERMOとH13鋼をスプルコアとして適用し、スプルコア表面温度を放射温度計で測定。
  - 組織観察: DHA-THERMOとH13鋼のスプルコアと接触したビスケット部分の組織を光学顕微鏡で観察。
  - 耐ヒートチェック性試験: DHA-THERMOとH13鋼製の可動金型を用いて10,000ショットのダイカストを行い、金型表面のヒートチェック発生状況を観察。
分析方法:
- 比較分析: DHA-THERMOとH13鋼の熱伝導率、硬度、焼入れ性を比較。
- 温度分布分析: DHA-THERMOとH13鋼のスプルコア表面温度分布を比較。
- 組織分析: DHA-THERMOとH13鋼のスプルコアで凝固させたビスケットの組織を比較し、結晶粒の微細化効果を評価。
- ヒートチェック観察: DHA-THERMOとH13鋼の金型表面のヒートチェック発生状況を比較。
- ダイカスト工具への応用事例評価: DHA-THERMOをセンターピン、コアピン、スプリットインサート、ディストリビューター、スクイズブッシュに適用した事例について、品質向上（歩留まり率、収縮低減、表面温度低下など）、サイクルタイム短縮効果を分析。
研究対象と範囲:
- 材料: DHA-THERMO高熱伝導率鋼, H13熱間ダイス鋼, W合金 (アンビロイ)
- ダイカスト工具: スプルコア, センターピン, コアピン, ディストリビューター, スプリットインサート, スクイズブッシュ
- ダイカストプロセス: ADC12アルミニウム合金ダイカスト
- 機械: 135t 東芝ダイカストマシン

5. 主な研究成果:

主要な研究成果:
- 熱伝導率: DHA-THERMOは、H13鋼よりも大幅に高い熱伝導率を示す。室温では、DHA-THERMOの熱伝導率はH13鋼の約1.6倍である。温度上昇に伴い差は縮小するものの、ダイカスト金型表面温度と推定される500℃においても、H13鋼よりも高い熱伝導率を維持する。
- 焼戻し硬度: DHA-THERMOは、300～600℃の焼戻し温度範囲ではH13鋼よりも低い硬度を示すが、600℃を超える焼戻し温度ではH13鋼よりも高い硬度を維持する。610～680℃の焼戻し温度範囲を選択することで、40～47HRCの目標硬度が得られる。
- 焼入れ性: CCT図に基づくベイナイト焼入れ性において、DHA-THERMOはH13鋼よりもわずかに劣る。しかし、直径200mmの丸棒の焼入れ試験では、DHA-THERMOの硬度分布は許容範囲であり、大型棒材の中心部でもわずかな硬度低下に留まる。
- ダイカスト試験 - スプルコア温度: ダイカスト試験において、DHA-THERMO製スプルコアは、H13鋼製スプルコアと比較して、表面温度が120℃低い値を示した。
- ダイカスト試験 - 組織: DHA-THERMO製スプルコアと接触したビスケット表面の光学顕微鏡組織は、H13鋼製スプルコアの場合よりも微細であり、熱伝導率向上による凝固促進効果が示唆された。
- ダイカスト試験 - 耐ヒートチェック性: 10,000ショット後、DHA-THERMO製金型は、H13鋼製金型と比較して、ヒートチェックの発生が軽微であり、特に中央部ではほとんど発生が見られなかった。H13鋼製金型では、ゲート側と中央部に顕著なヒートチェックが観察された。
- 応用事例: DHA-THERMOを様々なダイカスト工具に適用した結果、品質向上、サイクルタイム短縮、コスト削減効果が確認された。センターピン、コアピンへの適用では、収縮が低減し歩留まり率が向上。ディストリビューターへの適用では、チル層が深くなり、組織が微細化。スプルコアへの適用では、サイクルタイムが18%短縮、表面温度が45～80℃低下。コアピンへの適用では、W合金（アンビロイ）と同等の寿命を、より低コストで実現。
統計的/定量的分析結果:
- 図1: 「室温におけるDHA-THERMOの熱伝導率は、H13鋼の1.6倍である。」
- 図2: 「DHA-THERMOは、300～600℃の焼戻し温度ではH13鋼よりも低い硬度を示すが、600℃を超えるとH13鋼よりも高い硬度を維持する。」
- 図6: 「DHA-THERMO製スプルコアは、H13鋼製スプルコアよりも120℃低い温度を示した。」
- 図7: 「DHA-THERMO製スプルコアと接触したビスケット中央表面の光学顕微鏡組織は、H13鋼製スプルコアの場合よりも微細であった。」
- 表3: 適用例は、「歩留まり率向上（収縮低減）」、「サイクルタイム18%短縮」、「W合金と同等の寿命」を示す。
データ解釈:
- DHA-THERMOの高い熱伝導率は、ダイカスト金型からの熱をより効率的に除去することを可能にする。
- これにより、金型表面温度が低下し、溶融アルミニウムの凝固が促進され、鋳造製品の結晶粒が微細化される。
- 金型温度の低下と放熱性の向上は、耐ヒートチェック性の向上と、金型寿命の延長に寄与する可能性がある。
- 実用的な応用例は、DHA-THERMOがダイカストの品質向上、サイクルタイム短縮、および特定の用途における高価な材料であるW合金の費用対効果の高い代替材料として有効であることを示している。
図のリスト:
- 図1 熱伝導率 vs. 試験温度
- 図2 硬度 vs. 焼戻し温度
- 図3 CCT線図
- 図4 4Barガス焼入れ焼戻し丸棒の硬度例
- 図5 ダイカスト試験におけるDHA-THERMOの適用
- 図6 スプルコア表面温度
- 図7 ビスケット表面から採取した光学顕微鏡写真
- 図8 10,000ショット後の可動金型表面に観察されたヒートチェック
- 図9 DHA-THERMOコアピンの適用により内部健全性が向上したAlダイカスト製品の一部
- 図10 コアピンと破損箇所の例

Figure 5 Application of DHA-THERMO in die casting

Figure 6 Surface temperature of sprue core.

Figure 7 Optical micrographs taken from biscuit surface.

Figure 8 Heat checking observed on the surface of movable molds as of 10,000 shots.

Figure 10 An example of core pin and failed area.

6. 結論と考察:

主な結果の要約:
- DHA-THERMOは、ダイカスト工具用途向けに開発された、従来のH13鋼よりも大幅に優れた高熱伝導率鋼である。
- DHA-THERMOは、優れた熱伝導率を示し、金型からの熱をより迅速に除去できる。
- DHA-THERMOは、焼入れ焼戻しにより、ダイカスト工具に適した高硬度を実現する。
- ダイカスト試験と応用例から、DHA-THERMOは以下の効果をもたらすことが示された。
  - ダイカスト製品の品質向上（収縮低減、組織微細化、内部健全性向上）。
  - 凝固時間短縮によるサイクルタイム短縮。
  - 耐ヒートチェック性の向上、金型寿命の延長の可能性。
  - 特定の用途における高価なW合金の代替としてのコスト削減。
研究の学術的意義:
- 本研究は、ダイカスト用途に特化した新しい高熱伝導率鋼DHA-THERMOを紹介し、その特性を明らかにした。
- DHA-THERMOの材料特性と、様々なダイカスト条件下でのH13鋼との性能比較に関する貴重な実験データを提供した。
- 本研究の知見は、ダイカストにおける高熱伝導率材料の利点に関する理解を深め、業界の効率と品質を向上させるための実用的なソリューションを提供する。
実用的な意義:
- DHA-THERMOは、生産性と製品品質の向上を目指すダイカスト工具メーカーおよびユーザーに、実用的な材料ソリューションを提供する。
- DHA-THERMOをダイカスト工具に使用することで、サイクルタイムを大幅に短縮し、生産性の向上と製造コストの削減が可能になる。
- 特に自動車部品などの重要な用途において、ダイカスト部品の品質向上は、製品性能と信頼性の向上に貢献する。
- DHA-THERMOは、高い熱伝導率が求められる用途において、高価なW合金の費用対効果の高い代替材料となり、ダイカスト工具設計における材料選択肢を広げる。
研究の限界:
- 本論文は、オリジナル発表のアブストラクト版であり、研究の特定側面に関する詳細情報が不足している可能性がある。
- 本論文では説得力のある結果が示されているが、DHA-THERMOの長期的な性能を完全に特性評価し、多様なダイカスト環境や異なる合金での適用を最適化するためには、さらなる詳細な研究が必要となる可能性がある。

7. 今後のフォローアップ研究:

今後の研究方向:
- 実際のダイカスト生産現場におけるDHA-THERMO工具の長期性能評価。耐摩耗性、疲労寿命、長期使用におけるヒートチェックの進展などを評価。
- DHA-THERMO工具の優れた熱伝導率を最大限に活用するための、ダイカストプロセスパラメータ（冷却戦略、射出パラメータなど）の最適化。
- ADC12アルミニウム合金以外の、マグネシウム合金や亜鉛合金などのダイカストにおけるDHA-THERMOの性能調査。
さらなる探求が必要な分野:
- DHA-THERMOの詳細な材料特性評価。正確な化学組成、組織、様々な運転条件下での機械的特性など。
- 材料コスト、工具製造コスト、生産効率向上、工具寿命などを考慮した、DHA-THERMOとH13鋼およびW合金の使用における総合的な費用対効果分析。
- より過酷なダイカスト用途におけるDHA-THERMO工具の性能と耐久性をさらに向上させるための、表面処理およびコーティングの研究。

8. 参考文献:

K. Bungardt, W. Spyra: Archiv fur das Eisenhuttenswesen, vol. 36, p 257 (1965)
M. Ayabe, K. Shibata, H. Koyama, K. Ozaki, M. Kawano and T. Yanagisawa: SAE Technical Paper Series, 07M-113 (2007)
M. Kawano and K. Inoue: Materia Japan, vol.48, p32, (2009)

9. 著作権:

この資料は、K. Namiki, Masamichi. Kawano, Thomas Schade氏らの論文「高熱伝導率鋼とそのダイカスト工具への応用 (High Thermal Conductivity Steel and its Application to Die Casting Tools)」に基づき作成されました。
論文出典: NADCA DIE CASTING CONGRESS & EXPOSITION, (2012), Transaction No. T12-071

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Tags: ADC12; ,Aluminum Die casting; ,Applications; ,AUTOMOTIVE Parts; ,CAD; ,Die casting; ,Die Casting Congress; ,Efficiency; ,Microstructure; ,금형; ,알루미늄 다이캐스팅; ,자동차 산업