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アルミニウムダイカストにおける金型溶損のメカニズム

本要約の内容は、「China Foundry」によって発行された論文「Mechanism of die soldering during aluminum die casting」に基づいています。 1. 概要: 2. 抄録 (Abstract): 溶損（Soldering）は、アルミニウム合金のダイカストまたは金型鋳造に関連する特有の鋳造欠陥である。これは、溶融アルミニウムが金型鋼の表面に付着または溶着し、鋳物の突き出し後もそこに残り、鋳物の表面欠陥や寸法不正確さを引き起こし、機械のダウンタイムを増加させる現象である。溶損は、無処理の金型鋼金型を使用してアルミニウム合金をダイカストする場合に容易に発生する。溶融アルミニウムが臨界温度よりも高い温度で金型鋼と接触すると、鉄とアルミニウムの原子が互いに拡散し、一連の金属間化合物相と液体のアルミニウムリッチなfcc相を形成する。この液相は金属間化合物相の間に存在する。冷却時に、液体のfcc相は金属間化合物相上で凝固し、鋳物内部に成長して溶損を引き起こす。臨界温度は、相図のアルミニウムコーナー付近の共晶温度である。金型が非反応性のセラミックコーティングで保護されている場合、溶損は局所的なコーティング破壊が発生する場所から始まる。溶融アルミニウムはコーティング破壊箇所を通じて金型鋼と接触し、鋼マトリックスを侵食して小さなピットを形成する。これらの小さなピットが成長するにつれて、コーティングは徐々に除去され、溶損はより深刻になる。無処理の鋼製金型およびコーティングされた金型材料における金型溶損のステップの詳細について議論する。 3. 緒言 (Introduction): ダイカスト（Die casting）、または高圧ダイカスト（HPDC）は、高圧を用いて溶融金属を鋼製の金型に射出する100年の歴史を持つプロセスである。この費用対効果の高いプロセスは、迅速な生産速度と高い金型あたり金属収率でネットシェイプ製品を生産することができる。他の金属鋳造プロセスでは、これほど多様な形状、微細なデザインの複雑さ、または厳密な寸法公差を許容するものはない。今日、ダイカストプロセスは全金属鋳物の3分の1以上を生産するために使用されており、そのほとんどがアルミニウム鋳物である[1]。 アルミニウムダイカストの生産性を制限する主要な問題の1つは、金型溶損（die soldering）である。溶損または焼付き（die sticking）は、溶融アルミニウムが金型表面に「溶接」される現象である。深刻な条件下では、金型溶損はわずか数回の鋳造サイクル後に発生し、機械のダウンタイム増加、鋳物の表面品質および圧力または漏れ気密性に関連するスクラップ、そして金型は一般的に高価でありダウンタイムは生産損失をもたらすためコスト増加を引き起こす。金型溶損は、低圧永久鋳型鋳造を含む他の金属金型鋳造プロセスにも関連している。 溶融金属に囲まれた金型の小さな形状部は、ダイカストプロセスの各実行中に金型本体よりも通常高い温度に加熱されるため、溶損形成が起こりやすい。鋳物に小さな穴を形成するために使用されるコアピン（Core pins）は、ダイカストプロセス中に溶損が発生しやすい金型のそのような形状部である。コアピンの使用は、鋳物に穴を開ける必要性を減らし、鋳造プロセスをより費用対効果の高いものにする。典型的なダイカストマシンは約10から100本のピンを使用する。ダイカスト業界は、H-13鋼がヒートチェックと摩耗に耐性があるという事実のために、金型とコアピンの製造にH-13鋼を使用している。 ダイカスト業界では2種類の溶損が主張されている。1つは、溶融アルミニウム合金と金型との間の化学的/冶金学的反応により高温で発生し[2]、もう1つは機械的相互作用により低温で発生する[3]。北米のダイカスト業界が厳しい国際競争に直面した1990年代まで、金型溶損を調査するための体系的な研究は限られていた。ダイカスターが生き残るためにはダウンタイムを最小限に抑え、生産性を向上させることが不可欠となったが、北米のほとんどのダイカスターは研究資源が不足している中小企業である。その結果、金型溶損に関する研究は、産業団体や政府機関によって後援されてきた。化学反応によって発生する金型溶損の理解には大きな進展があった。機械的相互作用による溶損についてはほとんど理解されていない。 本稿では、化学的相互作用の結果として発生する金型溶損について議論する。このタイプの溶損は、金型表面の保護膜の「ウォッシュアウト」と密接に関連していると一般的に認識されている[2]。ウォッシュアウトは、溶融アルミニウム合金が金型の保護膜（コーティングまたは潤滑剤）を破壊するときに発生する。その後、溶融アルミニウムは金型表面と接触し、通常H-13鋼である金型材料と反応する。金型潤滑剤は溶融金属によって容易に破壊される可能性があるが、コーティング、特に物理蒸着（PVD）プロセスを使用して作られたコーティングは、多くの鋳造サイクルの間、金型上に留まることができる。金型潤滑剤の大部分が除去されると、溶損は溶融金属と無処理の金型鋼との間の直接的な化学反応によって制御される。金型に強力なPVDコーティングがある場合、溶損はコーティングの局所的な破壊によって制御される。本稿では、無処理の鋼製金型およびコーティングされた金型またはコアピンにおける溶損について説明する。 4. 研究の概要 (Summary of the study): 研究テーマの背景 (Background of the research topic): 溶融アルミニウムが金型表面に付着する金型溶損は、アルミニウム高圧ダイカスト（HPDC）の生産性に対する重大な障害である。これは、鋳造欠陥（表面欠陥、寸法不正確さ）、金型メンテナンスのための機械ダウンタイム増加、スクラップ率の上昇、高価な金型および生産損失に関連するコスト増加につながる。通常H-13鋼で作られるコアピンのような形状部は、より高い動作温度のため特に影響を受けやすい。 先行研究の状況 (Status of previous research): 金型溶損に関する体系的な調査は1990年代まで限られていた。研究では、化学的/冶金学的反応による高温溶損と機械的相互作用による低温溶損が区別されている。溶融アルミニウム合金による保護膜（潤滑剤またはコーティング）の「ウォッシュアウト」または破壊としばしば関連付けられる化学反応メカニズムの理解には大きな進展があった[2]。PVDコーティングのような耐久性のあるコーティングが溶損を軽減する役割は認識されているが、局所的なコーティング破壊時には依然として溶損が発生する可能性がある。機械的溶損に関する理解は依然として限られている。 研究の目的 (Purpose of the study): 本研究は、溶融アルミニウム合金と金型鋼（特にH-13）との間の化学的相互作用の結果として発生する金型溶損のメカニズムを解明することを目的とする。無処理の鋼表面と非反応性セラミックコーティングで保護された表面の両方について、溶損を引き起こす条件と金型損傷の進行プロセスを詳述する。 中核研究 (Core study):

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