コスト削減の罠：AZ91合金の自家発生スクラップがダイカスト金型寿命を半減させる
本技術概要は、[Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska]によって執筆され、[ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING]（[2018]年）に掲載された学術論文「[Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy]」に基づいています。
キーワード
- 主要キーワード: AZ91合金スクラップ
- 副次キーワード: 高圧ダイカスト、金型寿命、マグネシウム合金、リサイクル、鋳造セット、摩耗
エグゼクティブサマリー
- 課題: コスト削減のために自家発生スクラップを再利用することは一般的ですが、そのスクラップ含有率がダイカストマシンの重要部品の寿命にどの程度影響を与えるかは明確ではありませんでした。
- 手法: AZ91合金の溶湯における自家発生スクラップの含有率を0%から100%まで5段階に分け、ホットチャンバー式ダイカストマシンを使用して、サイフォンやプランジャーなどの「鋳造セット」部品が損傷するまでの射出回数を記録・比較しました。
- 重要なブレークスルー: 自家発生スクラップの含有率が50%を超えると、鋳造セット部品の摩耗が急激に増加し、100%スクラップを使用した場合、部品寿命が新品地金のみの場合と比較して平均で半分以下にまで短縮されることが明らかになりました。
- 結論: スクラップのリサイクルによる材料費削減は魅力的ですが、その含有率を管理しなければ、設備の摩耗増加によるメンテナンスコストやダウンタイムの増大が、コスト削減効果を上回ってしまうリスクがあります。
課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか
マグネシウム合金、特にAZ91はその軽量性と優れた機械的特性から、自動車や電子機器の部品に広く利用されています。量産工程で発生するランナーや不良品などの自家発生スクラップを再利用することは、コスト削減と環境負荷低減の観点から非常に重要です。しかし、このリサイクル材には酸化物などの不純物が含まれやすく、溶湯の品質に影響を与える可能性があります。特に、溶湯と直接接触するサイフォン、プランジャー、ノズルといったホットチャンバーマシンの重要部品（「鋳造セット」）の摩耗を促進させ、その寿命を縮めるのではないかという懸念がありました。この摩耗が生産コストやダウンタイムに直結するため、スクラップ含有率と設備寿命の関係を定量的に明らかにすることが、業界にとって急務の課題でした。
アプローチ：研究方法の解明
本研究では、スクラップ含有率が鋳造設備の摩耗に与える影響を定量的に評価するため、以下の手法が用いられました。
方法1: 溶湯組成の管理 AZ91合金を使用し、自家発生スクラップの配合率が異なる5種類の溶湯を準備しました。 - A1: 新品地金 100% - A2: 新品地金 70%、スクラップ 30% - A3: 新品地金 50%、スクラップ 50% - A4: 新品地金 30%、スクラップ 70% - A5: スクラップ 100%
方法2: 鋳造条件の標準化 全ての実験は、型締力6300kNのホットチャンバー式高圧ダイカストマシンを使用し、同一の条件下で実施されました。溶湯温度は903K、保護ガス（0.5% SO2 + 99.5% 乾燥空気）を使用し、プランジャー速度（第一速0.15 m/s、第二速2.5 m/s）、増圧時間（1.5 s）などのパラメータは一定に保たれました。
方法3: 摩耗の定量的評価 各溶湯条件で鋳造を行い、鋳造セット（サイフォン、プランジャー、スライディングリング、ノズル、射出成形ノズル）の各部品が、交換または再生が必要になるレベルの損傷に至るまでの最大射出回数を記録しました。これにより、スクラップ含有率と部品寿命の直接的な関係を数値化しました。
ブレークスルー：主要な研究結果とデータ
本研究により、自家発生スクラップの含有率が鋳造設備の寿命に与える深刻な影響が、具体的なデータとして示されました。
発見1：スクラップ含有率の増加は設備寿命を劇的に短縮させる
Table 1に示されるように、鋳造セットの全部品において、スクラップ含有率の増加に伴い、事故なく稼働できる最大射出回数が一貫して減少しました。特に、100%スクラップ（A5）を使用した場合、新品地金のみ（A1）の場合と比較して、サイフォンの寿命は12万回から4.5万回へ、プランジャーは8万回から3.5万回へと、半分以下にまで落ち込みました。この摩耗の主な原因は、スクラップに多く含まれる硬質の非金属介在物（酸化アルミニウムや酸化マグネシウム）によるアブレシブ摩耗であると特定されました。
発見2：鋳造品の機械的特性への影響は一様ではない
興味深いことに、スクラップの添加は必ずしも鋳造品の機械的特性を低下させるわけではありませんでした。Figure 3が示すように、引張強さはスクラップ含有率が50%に達するまでむしろ向上し、その後低下する傾向が見られました。これは、硬質なMg17Al12相の増加によるものと考えられます。しかしその一方で、Figure 4が示すように、伸び（延性）はスクラップ含有率の増加とともに一貫して低下しました。これは、製品の靭性が要求される場合に注意すべき点です。
研究開発および生産現場への実践的示唆
本研究結果は、日々の生産活動における意思決定に直接的な示唆を与えます。
- プロセスエンジニア向け: この研究は、自家発生スクラップの含有率が50%を超えるあたりから設備の摩耗が急激に加速することを示唆しています。材料コストとメンテナンスコストのバランスを取るため、スクラップの配合率を50%以下に管理することが、安定生産とコスト最適化に寄与する可能性があります。
- 品質管理チーム向け: 論文のFigure 3およびFigure 4のデータは、スクラップ含有率が引張強さと伸びに異なる影響を与えることを示しています。リサイクル材を使用する際は、引張強さだけでなく、伸びの値も品質検査基準に含め、製品に求められる機械的特性を総合的に評価することが重要です。
- 設計エンジニア向け: スクラップ由来の硬質介在物が溶湯の流れによって設備の摩耗を引き起こすという発見は、金型やノズルの設計にも影響を与えます。溶湯が激しく衝突する部分や、高い流速が求められるゲート付近の設計において、耐摩耗性を考慮した材料選定や形状の工夫が、金型寿命の延長につながる可能性があります。
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論文詳細
Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy
1. 概要:
- タイトル: Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy
- 著者: Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska
- 発行年: 2018
- 掲載誌/学会: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 18, Issue 2/2018
- キーワード: Innovative materials and casting technologies, Mechanization and automation of casting processes, Guard of environment, Casthouse Rigging, Magnesium alloys
2. 抄録:
本稿では、AZ91合金のホットチャンバー式高圧ダイカスト技術において、自家発生スクラップの添加が鋳造設備の耐久性と摩耗寿命に与える影響を評価した結果を提示する。評価対象は、サイフォン、プランジャー、スライディングリング、ノズル、射出成形ノズルからなる「鋳造セット」と呼ばれる鋳造設備の構成要素である。摩耗は、異なる装入条件において、要素の損傷が確認されるまでの金型射出回数を記録することにより定量的に評価された。損傷は、要素をそれ以上の利用から除外し、新品への交換または再生が必要となるレベルのものとした。最終的な結果として、使用された溶湯の種類に応じて、適用された装置要素の耐久性を詳細に決定することが可能となった。装入における自家発生スクラップの割合が増加するにつれて、圧力機械の装置要素の摩耗が増加することが認められる。
3. 序論:
マグネシウム合金製の圧力鋳造品は、低密度と有利な特性の組み合わせにより、ますます広い用途が見出されている。マグネシウム合金鋳物は、高い耐食性や高温での良好な機械的特性といった非常に優れた性質を持つ。これらの鋳物は、輸送産業、電子機器、建築など多岐にわたる分野で応用されている。圧力鋳造品の大量生産は、金属が主要な位置を占める多くの材料の再循環を伴う。汚染度に応じて、自家発生スクラップは2つのカテゴリーに分類可能である。本稿では、装入における自家発生スクラップと金属リサイクルが、スリーブ、プランジャー、スライディングリング、さらにはバーや金型インサートの摩耗と寿命に与える影響の評価を試みる。
4. 研究の概要:
研究トピックの背景:
マグネシウム合金の高圧ダイカストにおける生産コストと環境負荷を低減するため、自家発生スクラップの再利用が広く行われている。しかし、このスクラップには酸化物などの不純物が含まれており、溶湯と接触する鋳造設備の摩耗を促進させる可能性がある。
従来の研究の状況:
従来の研究では、スクラップのリサイクルが鋳造品の機械的特性や気孔率に与える影響については報告されているが、鋳造設備、特に「鋳造セット」と呼ばれる消耗部品の寿命に与える影響を定量的に評価した研究は十分ではなかった。
研究の目的:
本研究の目的は、AZ91合金の高圧ダイカストにおいて、装入における自家発生スクラップの含有率が、鋳造セット（サイフォン、プランジャー、スライディングリング、ノズル等）の摩耗と寿命に与える影響を定量的に評価し、最適なスクラップ使用率のレベルを明らかにすることである。
研究の核心:
研究の核心は、スクラップ含有率を0%から100%まで変化させた5種類の溶湯を用い、実際の生産条件下で各鋳造セット部品が使用不能になるまでの射出回数を測定することにある。これにより、スクラップ含有率と設備寿命の間の直接的な相関関係を明らかにした。
5. 研究方法
研究デザイン:
本研究は、3年間の鋳造生産期間中に実施された。AZ91合金を用い、自家発生スクラップの含有率が異なる5種類の溶湯（A1: 0%, A2: 30%, A3: 50%, A4: 70%, A5: 100%）を準備した。これらの溶湯を用いて、ホットチャンバー式高圧ダイカストマシンでペン型鋳物を生産し、鋳造セットの各要素の寿命を比較評価する実験計画である。
データ収集と分析方法:
データ収集は、各溶湯条件において、鋳造セットの各要素（サイフォン、プランジャー、リング、ノズル、射出成形ノズル）が、交換が必要となる損傷に至るまでの最大射出回数を記録することによって行われた。装置要素の摩耗の定性的評価は、各要素を分解した後の監督によって行われた。表面の状態と壁の厚さが評価され、摩耗の種類と程度、そしてその信頼できる起源が特定された。
研究の対象と範囲:
研究対象は、型締力6300kNのホットチャンバー式高圧ダイカストマシンで使用されるAZ91合金およびその鋳造セットである。鋳造条件は、溶湯温度903K、保護ガス雰囲気下、プランジャー速度（V₁=0.15 m/s, V₂=2.5 m/s）、増圧時間1.5秒に固定された。
6. 主要な結果:
主要な結果:
- 装入における自家発生スクラップの割合の増加は、鋳造設備のすべての要素の摩耗を増加させる。
- 100%自家発生スクラップから再溶解された溶湯からの鋳造生産は、平均してすべての装置要素の寿命を半分に減少させた。
- 摩耗の主な原因は、金属中の硬質非金属介在物（アルミニウムおよびマグネシウムの酸化物など）の含有量の増加である。これらの介在物は摩擦係数を大幅に増加させ、アブレシブ摩耗を増大させる。
- スクラップ含有率の増加は、鋳造品の組織を変化させ、硬質相であるMg17Al12の割合を増加させ、合金の機械的特性を向上させる。引張強度はスクラップ含有率50%まで増加するが、伸びは一貫して減少する。
- 約50%のスクラップ含有率までは、設備の寿命は新品地金のみの場合と同等であるが、それ以上の含有率では摩耗が著しくなる。
図の名称リスト:
- Fig. 1 Microstructure of casting obtained from a pig, but after previous melted (A1)
- Fig. 2 Microstructure of casting obtained from 100% home scrap in charge (A5)
- Fig. 3. The tensile strength of AZ91 alloy castings with the home scrap in the charge
- Fig. 4. The elongation of AZ91 alloy castings with the home scrap in the charge.
7. 結論:
全体として、装入における自家発生スクラップの割合の増加は、鋳造設備の摩耗に負の影響を与える。約50%のスクラップ含有率までの条件での鋳造生産に使用されるすべての装置要素の寿命は、スクラップの参加なしで金属を鋳造する場合に適用されるこの装置の寿命に匹敵する。より高いリサイクル材の含有率は、「鋳造セット」の著しい摩耗を引き起こす。得られた結果は、AZ91合金の高圧ダイカストにおける装入中の自家発生スクラップの最適な参加レベルを決定する。AZ91自家発生スクラップのリサイクルの経済的効果の詳細な評価は、鋳造品の特性に対する自家発生スクラップの正の影響と、装置要素の寿命の短縮との効果を比較検討する必要がある。
8. 参考文献:
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専門家Q&A：あなたの疑問に答えます
Q1: なぜこの研究では、特に「鋳造セット」（サイフォン、プランジャーなど）が評価対象として選ばれたのですか？ A1: 論文によれば、これらの部品は溶湯と直接接触し、高温下で潤滑なしに作動するため、急速に摩耗する消耗部品です。特にサイフォンとプランジャーは最も高価な部品であり、これらの寿命は生産コストに直接的な影響を与えます。そのため、スクラップ使用の影響を評価する上で最も重要かつ代表的な指標として選ばれました。
Q2: スクラップ含有率の増加が摩耗を促進させる主な物理的メカニズムは何ですか？ A2: 論文では、摩耗の主な原因は、スクラップを再溶解する過程で増加する硬質の非金属介在物、特に酸化アルミニウム（Al₂O₃）や酸化マグネシウム（MgO）であると指摘しています。これらの硬い粒子が溶湯中に浮遊し、プランジャーの摺動やノズル内の高速な溶湯の流れによって、設備の表面を削り取るアブレシブ摩耗を引き起こします。
Q3: 研究では、スクラップを50%まで添加すると引張強さが向上するという結果が出ています。これは摩耗の増加というネガティブな発見と矛盾しませんか？ A3: 矛盾しません。これは、コストと品質のトレードオフを明確に示しています。引張強さの向上は、スクラップの再溶解によって鋳造組織が変化し、硬質な金属間化合物（Mg17Al12）の割合が増加するためです。しかし、この機械的特性の向上と引き換えに、設備の摩耗が著しく増加し、生産コストを押し上げるという代償が伴います。また、同時に伸び（延性）は低下しており、総合的な品質評価が必要です。
Q4: この研究結果から、生産現場で推奨される自家発生スクラップの最適な含有率はどのくらいだと考えられますか？ A4: 論文は、スクラップ含有率が約50%までは、設備の寿命が新品地金のみを使用した場合と「同等（comparable）」であると述べています。しかし、50%を超えると摩耗が「著しく（expressive）」なると結論付けています。このことから、材料コストの削減効果と、設備のメンテナンスコストやダウンタイム増加のリスクを天秤にかけた場合、スクラップ含有率を50%以下に抑えることが、一つの実用的な上限値であると示唆されます。
Q5: この研究はAZ91合金に限定されていますが、他のマグネシウム合金やアルミニウム合金のダイカストにも同様の傾向が当てはまると考えられますか？ A5: 論文は、この研究が他のマグネシウム合金にもこの鋳造法を適用する可能性を示唆する「指標的なシグナル」であると述べています。酸化物を形成しやすい他の合金（例えばアルミニウム合金）でも、リサイクル材を使用する際には同様に硬質介在物が増加し、設備の摩耗を促進させる傾向があると考えられます。ただし、具体的な摩耗の程度や最適なスクラップ含有率は、合金の種類や鋳造条件によって異なるため、個別の検証が必要です。
結論：より高い品質と生産性の道を切り拓く
本研究は、AZ91合金スクラップの再利用が、コスト削減というメリットをもたらす一方で、鋳造設備の寿命を著しく短縮させるという重大なリスクを伴うことを定量的に明らかにしました。特にスクラップ含有率50%が、生産性とコストのバランスを左右する重要な閾値であることが示唆されました。この知見は、材料費だけでなく、メンテナンス、ダウンタイム、交換部品のコストまで含めた総所有コスト（TCO）の観点から、リサイクル戦略を見直す必要性を示しています。
CASTMANでは、最新の業界研究を応用し、お客様がより高い生産性と品質を達成できるよう支援することをお約束します。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と一致する場合、これらの原則をお客様の部品にどのように実装できるか、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。
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出典: [https://doi.org/10.24425/122523]
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