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高圧ダイカスト金型の寿命延長に関する研究

This paper introduction was written based on the [‘Increasing the lifespan of high-pressure die cast molds subjected to severe wear’] published by [‘Surface & Coatings Technology’]. 1. 概要: 2. 概要または序論 自動車部品への複合材料の組み込みが増加しているにもかかわらず、高圧ダイカストは依然として複雑な形状の自動車部品を費用対効果の高い方法で得るための最も有用な製造技術の1つです。自動車産業は高い生産ケイデンスと高品質の製品を必要とすることは周知の事実です。したがって、生産と管理のあらゆる側面を最適化するための体系的なアプローチが常に取られています。 燃料ポンプ本体、スロットルボディ、EGRバルブ、サポートブラケットなど、自動車部品に一般的に使用されるアルミニウム合金には、通常、高い研磨性を示すシリコンが含まれています。高温および高速でのアルミニウムの流れは、摩耗、時にはアブレージョンとエロージョン効果の組み合わせにより、深刻な摩耗を引き起こします。 本研究では、典型的な深刻な摩耗問題のある2つの金型を選択し、関連する摩耗メカニズムを詳細に調査しました。その後、この目的に最適なコーティングを慎重に選択し、コーティング適用による有効な利点を試験するために金型の最も重要な部分のいくつかをコーティングし、耐摩耗挙動と関連する摩耗メカニズムを分析しました。並行して、実験室試験と工業試験の間に相関関係を描けるかどうかを調査するために、トライボロジー試験も実施しました。走査型電子顕微鏡（SEM）とエネルギー分散型分光法（EDS）を積極的に使用して、コーティングと観察された摩耗メカニズムを特性評価しました。実験室トライボロジー試験では、それぞれ接触部に低荷重と中荷重を課すことを試みるボールスキャッタリング試験とブロックオンリング試験を実施しました。有望な結果が得られ、特定のコーティングがこの応用分野で他のコーティングよりも優れた挙動を示すと結論付けることができました。 3. 研究背景: 研究トピックの背景: 自動車部品への複合材料の組み込みが増加しているにもかかわらず、高圧ダイカストは依然として複雑な形状の自動車部品を費用対効果の高い方法で得るための最も有用な製造技術の1つです。しかし、これらの部品を製造するために使用される金型は、高圧、急速な温度変動、および高速で移動する溶融金属からのエロージョンなどの非常に厳しい条件に常にさらされています。高圧ダイカストプロセスでは、ショットスリーブの充填、高速キャビティ充填、補助的な高圧の適用、冷却と凝固、金型開閉と部品の突き出し、金型冷却、および新しい射出サイクルに対応する潤滑という手順が考えられます[1]。通常の溶融金属の投入速度は20〜60 m/sであり、アルミニウム合金の種類に応じて温度は約700℃です[2]。これらの金型のメンテナンスまたは交換には多大なコストがかかり、製造業者は寿命を延ばすための最良の解決策を見つける必要があります。工業環境および作業条件は、エロージョン、腐食、摩耗、熱疲労などの熱間工具鋼のいくつかの破損メカニズムを誘発する能力を高めます[3]。 既存研究の現状: 近年、さまざまなタイプの破損メカニズムを理解するためにいくつかの研究が行われてきました[2, 4-7]。ダイへのアルミニウム射出は、アルミニウムはんだ付けメカニズムにより、最も過酷なプロセスの1つです。溶融アルミニウムは金型表面と化学反応を起こし、アルミニウムダイカストの破損メカニズムにつながります[4, 8]。このため、金型寿命を短縮するメカニズムを防ぐためのコーティングを構築するために、多くの研究が行われてきました[1, 3, 9-16]。セラミックコーティングは、通常、特定の破損メカニズム、特にヒートチェックの発生を回避するために使用されます。ただし、他のコーティングも金型寿命の改善に貢献する可能性があり、コストはこの種の用途で最も重要な要素ではない可能性があります[11]。 1997年、Wang [14]は、当時の現在のコーティング、すなわちTiN、TiAlN、CrNについて、さまざまな熱間工具鋼とマレージング鋼を使用して、溶融アルミニウム腐食、靭性抵抗、硬度、熱変化などのさまざまな側面を分析し、コーティングが金型寿命をどのように改善できるかについて広範な研究を発表しました。この研究により、TiNは酸化温度が低いため適切なソリューションではないことがわかり、H13またはMarlok鋼は、コーティングされている場合、高圧射出成形に考慮でき、特に衝撃靭性と腐食およびエロージョン挙動の改善が望ましい場合に考慮できると結論付けています。この研究はParkとKim [16]によって裏付けられており、彼らはTiNが500℃で酸化し始め、他の研究されたコーティング（TiAlNとTiSiN）は700℃までの酸化抵抗がはるかに優れていると結論付けています。さらに、TiNは600℃を超える温度で解離する傾向があることは周知の事実です[17, 18]。これらの最後のコーティングは優れた機械的特性も示しましたが、TiSiNは中温に適しており、TiAlNコーティングは高温に最適です。しかし、Dobrzanskiら[10]が行った試験では、TiNコーティングは、室温での同じピンオンディスク試験条件下で、X37CrMoV5-1型熱間工具鋼よりも5倍優れた耐摩耗性を達成することがわかりました。また、500℃で行われた同じ試験でも同様でした。Tentardiniら[8]も、アルミニウムダイカストに関して同じTiNおよびCrNコーティングを使用して同様の研究を実施しましたが、今回はH13鋼とAnviloy® 1150を基板として使用しました。これらの研究者は、CrNコーティングが鋳造プロセスにおけるアルミニウム合金とのはんだ付けメカニズムに関してTiNコーティングよりも優れた挙動を示すことを発見しました。さらに、Guziliaら[1]もはんだ付け現象を調査し、TiN、CrN、TiCnコーティングを使用すると、アルミニウム合金と鋼金型の間のはんだ付けを回避でき、鋳造アルミニウム合金の堆積層を観察できると結論付けました。これにより、金型への損傷が軽減され、急速な劣化が回避されます。これは、コーティングが溶融アルミニウムと金型鋼表面間の反応を防ぐ物理的バリアとして機能するためです。さらに、Heimら[12]もアルミニウムダイカストにおけるはんだ付け現象を研究し、TiN、TiCN、TiBN、TiAlCNなどのコーティングもその厄介な問題を防止すると結論付けています。 同じコーティングに基づいて、いくつかの新しいコーティングアーキテクチャがテストされており、具体的には多層コーティング[19]を使用しています。異なる層は、熱バリア（外層–希土類酸化物コーティング）、拡散バリア（中間層–TiAlNコーティング）、薄い接着層（内層Tiコーティング）など、異なる役割を担うことを意図しています。このようにして、基板の熱疲労抵抗は大幅に向上し、液体アルミニウムを使用した4000回の熱サイクル後に観察できます。同様のアプローチはBobzinら[20]によって実施され、AISI H11鋼基板上で多層CrN/AlN/Al2O3コーティングをテストし、Al2O3を最上層としています。また、2つの工業用コーティングが、アルミニウムダイカストマシンでの5884回のアルミニウムショットを含む、同じ試験条件下でその研究で使用されました。CrN/AlN/Al2O3は、他のコーティングと比較して興味深い挙動を示し、金型寿命を大幅に改善しました。コーティングの相変態は、金型内で到達した温度に起因すると報告されています。ただし、わずかに異なるアプローチもMuller [15]によって研究されており、彼は金型表面のプラズマ窒化前処理を使用し、続いてTiBN、CrN、W-C:H膜などのPVDまたはPACVDコーティングを使用し、プラズマ窒化前処理が表面マクロ硬度と臨界荷重を同じPVDまたはPACVDコーティングを施した表面に対して相対的に改善すると結論付けています。一方、Rodríguez-Baracaldo [21]は、窒化前処理と（Ti0.7Al0.3）Nコーティングの組み合わせを研究し、2つの窒化前処理鋼と（Ti0.6Al0.4）Nコーティングのみを提供した他の鋼と比較し、室温および高温（600℃）で摩耗試験を実施しました。室温では摩耗挙動に有意差は見られませんでしたが、高温ではそうではなく、窒化前処理鋼は（Ti0.6Al0.4）Nコーティングを提供し、最良の耐摩耗挙動を示し、（Ti0.6Al0.4）Nコーティングでコーティングされた前処理鋼および非前処理鋼と比較して、最後に最悪の耐摩耗挙動を示しました。また、Tomaslewskiら[22]によって異なるアプローチが調査され、AISI M2相当の高速鋼を基板として使用して、MoとTiAlNを共堆積させました。得られた準多層膜はTiAlN/(TiAl)1-x –

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