Quality of automotive sand casting with different wall thickness from progressive secondary alloy

薄肉化、高強度化、軽量化：二次アルミ合金による薄肉鋳造の可能性を解き放つ

この技術概要は、[Lucia Pastierovičová氏ら]が執筆し、[PRODUCTION ENGINEERING ARCHIVES]（[2022]年）に掲載された学術論文「[Quality of automotive sand casting with different wall thickness from progressive secondary alloy]」に基づいています。CASTMANが技術専門家向けに分析・要約しました。

キーワード

• 主要キーワード: 薄肉アルミ鋳造
• 副次キーワード: 二次アルミ合金, AlSi6Cu4, 鋳造品質, ブリネル硬さ, ミクロ組織, 自動車部品

エグゼクティブサマリー

• 課題: 自動車産業における軽量化の要求に応えるため、コスト効率と持続可能性に優れた二次（再生）アルミ合金を使用して、高品質な薄肉鋳造品を製造すること。
• 手法: 二次AlSi6Cu4合金を、肉厚が段階的に変化する金型（ステップキャスティング）に重力鋳造し、異なる肉厚部分のミクロ組織と機械的特性（ブリネル硬さ）を定量的に評価した。
• 主要なブレークスルー: 鋳造品の肉厚が薄いほど、冷却速度が速まることでミクロ組織が微細化し、特にCuリッチ相の量と分布が最適化され、ブリネル硬さが大幅に向上することが実証された。
• 結論: 適切な金型設計とプロセス制御により、二次アルミ合金は薄肉で軽量かつ高強度な自動車部品の製造に高いポテンシャルを持ち、コスト削減と環境負荷低減に貢献できる。

課題：この研究がHPDC専門家にとって重要な理由

自動車産業では、燃費向上と排出ガス削減のために、部品の軽量化が最重要課題となっています。アルミニウム合金は、その優れた比強度から広く採用されていますが、一次（バージン）アルミニウムの生産には莫大なエネルギーを消費します。そこで注目されるのが、スクラップをリサイクルして作られる二次アルミニウム合金です。二次合金は、一次合金に比べて最大95%のエネルギー削減と85%のCO2排出量削減を実現できるため、経済的かつ環境的に極めて有利です。

しかし、二次合金にはFe（鉄）などの不純物が混入しやすく、これが針状の金属間化合物を形成して、強度や延性といった機械的特性を低下させるという課題がありました。特に、複雑な形状を持つ薄肉鋳造品では、溶湯の充填性や凝固時の欠陥が問題となりやすく、品質の安定化が困難でした。本研究は、この課題に対し、二次AlSi6Cu4合金を金型に鋳造した際の「肉厚」がミクロ組織と硬さにどのような影響を与えるかを解明し、高品質な薄肉鋳造品を実現するための科学的根拠を提供することを目的としています。

アプローチ：研究手法の解明

本研究では、Confal Ltd.から供給された二次AlSi6Cu4合金（Si: 6.34%, Cu: 3.21%, Fe: 0.449%）のインゴットを実験材料として使用しました。

• 鋳造プロセス: インゴットを電気抵抗炉で溶解し、AlCuAB6リファイニングソルトで溶湯処理を行った後、720±5℃の温度で標準化された金型に重力鋳造しました。
• 実験用金型: 鋳造品は、肉厚が2mm、3mm、5mm、6mm、8mm、15mmと段階的に変化するステップキャスティング形状で、これにより同一の鋳造条件下で異なる冷却速度を再現しました。
• 分析手法: 各肉厚部分からサンプルを切り出し、金属組織学的評価を実施しました。光学顕微鏡（NEOPHOT 32）および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてミクロ組織を観察し、エネルギー分散型X線分析（EDX）で構成相の化学組成を特定しました。さらに、画像解析ソフト（NIS Elements）を用いて、α相のデンドライトアーム間隔、共晶Si粒子、金属間化合物の面積とサイズを定量的に測定しました。
• 機械的特性評価: 各肉厚部分について、ブリネル硬さ試験（STN EN ISO 6506-1）を行い、機械的特性の変化を評価しました。

この体系的なアプローチにより、鋳造品の肉厚（＝冷却速度）と、その結果として生じるミクロ組織および硬さとの間の明確な相関関係を明らかにしました。

ブレークスルー：主要な研究結果とデータ

本研究は、二次アルミ合金製薄肉鋳造品の品質を左右する重要な知見を明らかにしました。

発見1：肉厚がミクロ組織の微細化を決定づける

鋳造品の肉厚が薄いほど、冷却速度が速くなり、結果としてミクロ組織が著しく微細化することが確認されました。

• α相デンドライト: 画像解析の結果、α相の平均デンドライトアーム間隔は、肉厚が最も薄い2mmで16.51 µmであったのに対し、最も厚い15mmでは27.15 µmに増大しました（図7）。これは、肉厚が薄いほど凝固が速く進み、デンドライトの成長が抑制されることを示しています。
• 共晶Si粒子: 同様に、共晶Si粒子の平均面積も肉厚に大きく依存しました。2mm厚の領域では平均41 µm²であったのに対し、肉厚が増加するにつれて増大し、8mm厚では110.98 µm²に達しました（図9）。微細で分散した共晶Siは、機械的特性の向上に寄与します。

発見2：ブリネル硬さは肉厚と明確な負の相関を示す

機械的特性の指標であるブリネル硬さは、肉厚と直接的に関連していました。

• 硬さの測定結果: 最も薄い2mm厚の鋳造部分では108.67 HBWという最高の硬さを示しました。一方、肉厚が増加するにつれて硬さは単調に減少し、最も厚い15mm厚では92.73 HBWまで低下しました（図13）。
• 硬さと組織の関係: この硬さの変化は、ミクロ組織の変化と強く相関しています。特に、強度向上に寄与するCuリッチ相（Al2Cuなど）の平均面積は、2mm厚で最も大きく（図11a）、肉厚が増すにつれて減少しました（図10）。薄肉部での高い硬さは、微細なα相と共晶Siに加え、多量に存在する微細なCuリッチ相によるものと結論付けられます。

研究開発および製造現場への実践的示唆

本研究の結果は、二次アルミ合金を用いた鋳造品の設計、製造、品質管理に携わる専門家にとって、具体的な指針となります。

• プロセスエンジニア向け: この研究は、冷却速度の制御が二次合金の機械的特性を最大化する鍵であることを示唆しています。金型温度や鋳造温度などのプロセスパラメータを調整することで、特に重要な薄肉部分の冷却を促進し、組織の微細化と硬さの向上を図ることが可能です。
• 品質管理チーム向け: 論文の図13のデータは、同一の鋳造品内であっても、肉厚によってブリネル硬さが最大15%近く変動することを示しています。これは、製品の異なる部位で要求される品質基準を策定する際の重要な情報となります。非破壊検査の基準設定や、サンプリング位置の標準化に役立ちます。
• 設計エンジニア向け: この知見は、部品設計の初期段階で、性能と製造性の両立を可能にします。強度が必要な部分を意図的に薄肉設計にすることで、材料を削減し軽量化を図りつつ、凝固プロセスの恩恵を受けて局所的に高い機械的特性を得られる可能性があります。

論文詳細

Quality of automotive sand casting with different wall thickness from progressive secondary alloy

1. 概要:

• Title: Quality of automotive sand casting with different wall thickness from progressive secondary alloy
• Author: Lucia Pastierovičová, Lenka Kuchariková, Eva Tillová, Mária Chalupová, Richard Pastirčák
• Year of publication: 2022
• Journal/academic society of publication: PRODUCTION ENGINEERING ARCHIVES
• Keywords: Quality of castings, Secondary aluminum alloy, Wall thickness, Quantitative analysis, Higher Fe content

2. Abstract:

This paperwork is focused on the quality of AlSi6Cu4 casting with different wall thicknesses cast into the metal mold. Investigated are structural changes (the morphology, size, and distribution of structural components). The quantitative analysis is used to numerically evaluate the size and area fraction of structural parameters (a-phase, eutectic Si, intermetallic phases) between delivered experimental material and cast with different wall thicknesses. Additionally, the Brinell hardness is performed to obtain the mechanical property benefits of the thin-walled alloys. This research leads to the conclusion, that the AlSi6Cu4 alloy from metal mold has finer structural components, especially in small wall thicknesses, and thus has better mechanical properties (Brinell hardness). These secondary Al-castings have a high potential for use in the automotive industry, due to the thin thicknesses and thus lightweight of the construction.

3. Introduction:

Aluminum cast alloys are a widely used material in the engineering industry, mainly due to their excellent combination of mechanical, tribological, and corrosion resistance properties. The dominant type in the production of automotive castings is Al-Si-Cu alloy, with various combinations of silicon, copper, and other alloying elements including magnesium and zinc. The alloys are hypoeutectic (exceptionally eutectic) with a content of 6 to 13% Si and 1 to 5% Cu. The addition of silicon maintains lower melting temperature and at the same time increases the melt fluidity. This is the most important factor in ensuring high-pressure die casting (HPDC) productivity. The presence of copper in these alloys contributes to better strength, hardness, and improves machinability and thermal conductivity. It also significantly increases heat strength up to 200 °C by the Al2Cu intermetallic phase or the eutectic (Al + Al2Cu) phase. The alloy has a very low tendency to shrink and heat crack. The corrosion resistance is affected by the Cu phase (inter-crystalline corrosion tendency) but is sufficient for castings in the automotive industry. Moreover, in many countries, is research focused on making wrought aluminum alloys using scrap aluminum recycling technologies, as recycling has become a very important part of the sustainable development of an advanced industrial society from an economic, technical, and ecological point of view. Recycling of aluminum scrap is characterized by a great benefit in electricity consumption, where up to 95% of the electricity needed to produce primary alloys is saved. The main purpose is to save a significant amount of energy, which is an important aspect of environmental management. With regard to electrical power, it takes approximately 750 kWh to melt aluminum scrap to produce one metric ton of aluminum, which is nearly 20 times less energy than it takes to make primary aluminum. Not only saving energy consumption but also 85% less CO2 emissions are produced and also can save up the usage of chemical products in comparison to primary aluminum production. The result of recycling is possible contamination of secondary alloys with impurities and trace amounts of chemical elements.

4. 研究の要約:

研究トピックの背景:

自動車産業における軽量化の要求から、アルミニウム鋳造合金、特にAl-Si-Cu系合金が広く使用されている。二次（リサイクル）アルミニウム合金は、エネルギー消費とCO2排出量を大幅に削減できるため、持続可能性の観点から非常に重要である。しかし、二次合金はFeなどの不純物を含み、機械的特性を損なう金属間化合物を形成する可能性がある。

従来研究の状況:

Fe含有量が高いと、脆い板状のβ-Al5FeSi相が形成され、鋳造品の品質を低下させることが知られている。また、鋳造法（砂型、金型）や凝固速度がミクロ組織や欠陥に影響を与えることも報告されている。しかし、二次合金を用いた薄肉鋳造品において、肉厚の違いが組織と機械的特性にどのように具体的に影響するかについての定量的な研究は十分ではなかった。

研究の目的:

本研究の目的は、Fe含有量が比較的に高い二次AlSi6Cu4合金を金型に鋳造し、異なる肉厚が鋳造品の品質（ミクロ組織の形態、サイズ、分布、およびブリネル硬さ）に与える影響を調査することである。これにより、二次合金の自動車産業における薄肉・軽量部品への適用可能性を評価する。

研究の核心:

研究の核心は、ステップキャスティング法を用いて、同一の鋳造条件下で異なる冷却速度（肉厚）が二次AlSi6Cu4合金の凝固組織に及ぼす影響を定量的に評価し、その結果をブリネル硬さという機械的特性と関連付けた点にある。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究は、実験的アプローチを採用している。二次AlSi6Cu4合金を、肉厚が2mmから15mmまで段階的に変化する金型に重力鋳造した。その後、各肉厚部分からサンプルを採取し、金属組織学的評価と機械的特性評価を行った。

データ収集と分析方法:

データ収集は、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）、エネルギー分散型X線分析（EDX）を用いて行われた。画像解析ソフトウェア（NIS Elements）を使用して、α相のデンドライトアーム間隔、共晶Si、金属間化合物（Cuリッチ相、Feリッチ相）の面積やサイズを40回以上の測定から算出し、定量化した。ブリネル硬さ試験機を用いて、各肉厚部分の硬さを測定した。

研究対象と範囲:

研究対象は、自動車部品に広く使用される二次AlSi6Cu4合金である。研究範囲は、金型鋳造における肉厚（2mm, 3mm, 5mm, 6mm, 8mm, 15mm）が、ミクロ組織の構成要素（α相、共晶Si、金属間化合物）の形態、サイズ、分布、およびブリネル硬さに与える影響に限定されている。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• 肉厚が薄いほど、α相のデンドライトアーム間隔は狭くなり、共晶Si粒子は微細化する。2mm厚の鋳造品は、15mm厚のものと比較して、α相は約27%小さく、共晶Siは約85%小さい。
• ブリネル硬さは肉厚が薄いほど高くなる。2mm厚の硬さは15mm厚よりも約12%高い。
• この高い硬さは、薄肉部における微細な組織と、強度向上に寄与するCuリッチ相の量とサイズに起因する。Cuリッチ相のサイズは、2mm厚の方が15mm厚よりも約65%小さい。
• 一方、Feリッチ相は、2mm厚の方が15mm厚よりも約135%大きいという逆の傾向が見られたが、急速冷却により有害な針状晶の形成が抑制され、硬さへの悪影響は限定的であった。

図の名称リスト:

• Fig. 1. Supplied experimental material in form of ingots
• Fig. 2. AlSi6Cu4 step-casting from the metal mold
• Fig. 3. Microstructure of delivered ingots from AlSi6Cu4, etch. Dix-Keller.
• Fig. 4. EDX analysis of structural components in delivered ingots of AlSi6Cu4 cast alloy, etch. Dix-Keller.
• Fig. 5. The microstructure changes in step-casting, etch. Dix-Keller
• Fig. 6. Quantitative analysis of α-phase in step-casting, etch. Dix Keller
• Fig. 7. Results of the average distance of α-phase considering wall thickness from NIS Elements
• Fig. 8. Quantitative analysis of eutectic Si in step-casting, etch. Dix-Keller
• Fig. 9. Results of the average area of eutectic Si considering wall thickness from NIS Elements
• Fig. 10. Results of the average area of intermetallic phases considering wall thickness from NIS Elements
• Fig. 11. Quantitative analysis of Cu-rich phases in stepcasting, etch. 0.5% HF
• Fig. 12. Quantitative analysis of eutectic Si in step-casting, etch. Dix-Keller.
• Fig. 13. Average Brinell hardness values for AlSi6Cu4 casting with different wall thickness

7. 結論:

本研究は、二次AlSi6Cu4合金を金型に鋳造した場合、肉厚が品質に大きな影響を与えることを結論付けた。肉厚が薄いほど、冷却速度が速まるため、より微細なミクロ組織（α相、共晶Si）と、より微細な組織構成要素が得られる。これにより、ブリネル硬さをはじめとする機械的特性が向上する。これらの結果から、二次アルミ鋳造合金は、その薄さと軽量構造により、自動車産業において高い利用ポテンシャルを持つことが示された。

8. 参考文献:

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専門家Q&A：技術的な疑問にお答えします

Q1: なぜこの研究では砂型ではなく金型が使われたのですか？

A1: 本論文では、金型が砂型に比べて優れた熱放散能力を持つため、より速い凝固とデンドライトセルの微細化を促進できると述べています。特に、薄肉構造における急速冷却の影響を正確に評価することが研究の目的であったため、熱伝導率の高い金型が選択されました。これは、HPDC（高圧ダイカスト）のように極めて速い冷却速度を伴うプロセスを理解する上でも重要な前提条件となります。

Q2: 論文ではFeリッチ相が有害である可能性に言及していますが、結果として高い硬さが得られたのはなぜですか？

A2: 良い質問です。論文の図4にあるEDX分析では、Feリッチ相が骨格状のAl15(FeMn)3Si2であることが示されています。これは、一般的に最も有害とされる板状（断面では針状）のβ-Al5FeSi相とは形態が異なります。金型による急速冷却が、より有害なβ相の晶出を抑制し、比較的害の少ない形態のFeリッチ相を形成させたと考えられます。そのため、Fe含有量が高めであっても、硬さへの悪影響が最小限に抑えられたと推測されます。

Q3: 肉厚が厚くなるにつれてCuリッチ相の面積が減少する（図10）ことの重要性は何ですか？

A3: これは非常に重要なポイントです。論文では、薄肉部での高い硬さが「特にCuリッチ相と共晶Siのサイズと量に関係している」と結論付けています。図10は、薄肉部（2mm、3mm）の方が厚肉部よりもCuリッチ相の面積率が高いことを示しています。これは、急速冷却によって、強度向上に寄与するAl2CuなどのCuリッチ相が、より微細に、かつ広範囲に晶出・分散した結果と考えられます。この微細な強化相の存在が、薄肉部の硬さを大きく向上させる主要因となっています。

Q4: この研究は重力鋳造で行われていますが、HPDC（高圧ダイカスト）にはどのように応用できますか？

A4: 本研究の知見はHPDCに直接的に応用可能です。HPDCは、金型への重力鋳造よりもさらに速い冷却速度を特徴とします。したがって、本研究で観察された「冷却速度の増加（＝肉厚の減少）がミクロ組織の微細化と機械的特性の向上をもたらす」という原理は、HPDCではさらに顕著に現れると期待されます。この研究は、HPDC部品の設計において、特定の領域を薄肉化することが、軽量化だけでなく、局所的な強度向上にもつながる可能性を科学的に裏付けています。

Q5: 論文では、Feリッチ相の面積が薄肉部（2mm）で最も大きい（図10）とされていますが、これは硬さに悪影響を与えないのでしょうか？

A5: 鋭い指摘です。図10では、Feリッチ相の面積が2mm厚で最大値を示しており、一見すると矛盾しているように見えます。しかし、これは測定された「面積」であり、個々の粒子の「サイズ」や「形態」を直接反映しているわけではありません。前述の通り、急速冷却によってFeリッチ相の形態が無害化されていることに加え、薄肉部では硬さに寄与する他の要因（α相の微細化、共晶Siの微細化、Cuリッチ相の増加）の影響が支配的であったため、結果として最高の硬さが得られたと解釈できます。Feリッチ相の総面積が大きくても、その悪影響を上回る強化メカニズムが働いていたことを示唆しています。

結論：より高い品質と生産性への道筋

本研究は、薄肉アルミ鋳造において、二次合金が持つ大きな潜在能力を明確に示しました。鋳造品の肉厚、すなわち冷却速度を制御することで、ミクロ組織を最適化し、結果として機械的特性を大幅に向上させることが可能です。特に、薄肉部では微細な組織と強化相の形成が促進され、軽量でありながら高い硬度を持つ部品の製造が実現できることが実証されました。

この知見は、コストと環境負荷を意識しながら、より高性能な部品を求める自動車産業にとって、極めて価値のあるものです。

CASTMANでは、最新の業界研究を応用し、お客様の生産性と品質の向上を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、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご連絡ください。これらの原理をお客様のコンポーネントにどのように実装できるか、共に探求してまいります。

著作権情報

• このコンテンツは、[Lucia Pastierovičová氏ら]による論文「[Quality of automotive sand casting with different wall thickness from progressive secondary alloy]」に基づく要約および分析です。
• 出典: [https://doi.org/10.30657/pea.2022.28.20]

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