Tag Archives: Permanent mold casting

Effects of microstructure and casting defects on the fatigue behavior of the high-pressure die-cast AlSi9Cu3(Fe) alloy

高圧ダイカストAlSi9Cu3(Fe)合金の疲労挙動に及ぼすミクロ組織と鋳造欠陥の影響

This paper summary is based on the article [‘Effects of microstructure and casting defects on the fatigue behavior of the high-pressure die-cast AlSi9Cu3(Fe) alloy’] presented at the [‘Procedia Structural Integrity’] 1. Overview: 2. Research Background: Background of the Research Topic: (研究背景) 近年、高圧ダイカスト(HPDC)部品は、「優れた柔軟性と高い生産性」により、自動車産業を中心に大量生産部品への適用が拡大しています。HPDCプロセスは、「金型の急速充填と高い冷却速度」を特徴とするため、本質的に「気孔率や酸化皮膜」、「冷間凝着(cold joints)」など、「PD CEN/TR 16749:2014規格およびFioreseら(2015年)によって定義される」多種多様な鋳造欠陥が発生しやすいという課題があります。これらの鋳造欠陥は、機械的特性に悪影響を及ぼし、「疲労亀裂の起点となり、鋳物の疲労挙動を劣化させる」可能性があります。したがって、自動車部品のような複雑形状の鋳物の性能評価において、ダイカストアルミニウム合金の疲労挙動を理解することは非常に重要です。 Status of Existing Research: (既存研究の状況) ダイカストアルミニウム合金部品の静的機械特性に関する研究は広範囲に実施されていますが、「高圧ダイカスト欠陥が疲労特性に及ぼす影響を調査した研究は非常に少ない」のが現状です。既存研究では、鋳造欠陥が静的強度に及ぼす影響はケースによって異なり、破断伸びにおいては大きな変動が見られることが報告されています。Avalleら(2002年)は、HPDC AlSi9Cu3(Fe) 材の静的特性が気孔率の増加とともに低下することを報告しました。疲労特性に関する研究では、Avalleら(2002年)やMayerら(2003年)の研究で、HPDC AlSi9Cu3(Fe) 合金やMg合金において、気孔や冷間凝着が疲労強度低下の要因となること、亀裂が気孔から発生することが示されています。Huら(2014年)のAlMg5Si2Mn合金の研究では、金型鋳造材と比較してHPDC材の方が疲労限度が高いことが示唆されています。砂型鋳造、金型鋳造、低圧ダイカストに関する研究でも、欠陥を含む材料の疲労強度は低下し、欠陥のサイズや表面からの距離が疲労寿命に影響を与えることが確認されています。これらの研究では主に、破壊表面解析や金属組織学的特性評価によって鋳造欠陥の疲労挙動への影響が調査されています。

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Figure 1 Bar permanent casting

熱処理不要の有望な鋳造アルミニウム合金

この紹介資料は、[‘METAL 2019 Conference Proceedings’]に掲載された[“‘熱処理不要の有望な鋳造アルミニウム合金'”]論文の研究内容です。 1. 概要: 2. 概要 (Abstract) Al-Zn-Mg系をベースとし、Ca、Ni、Ceをドープした3種類のアルミニウム合金を研究しました。高温割れ傾向、相組成、組織形成の調査を実施しました。Ca、Ni、Ceグループの元素による合金化は、市販のA206合金よりも優れた鋳造特性を向上させるのに効果的です。砂型鋳造中の徐冷後の組織は、主に針状のAl3Feを含んでいます。しかし、金型鋳造後の鉄含有相は、三元相Al10CaFe2、Al9FeNi、Al10CeFe2のみです。ZnおよびMg含有量のほとんどは、鋳造の結果としてアルミニウム固溶体中に存在し、as-cast状態で適切な機械的特性をもたらします。さらに、鉄含有量が高いと、新しい合金をリサイクルタイプに含めることができ、低品位アルミニウムまたはスクラップを使用して製造できる可能性があります。 3. 研究背景: 研究テーマの背景: ほとんどの鋳造アルミニウム合金は、共晶成分とリサイクル性により鋳造性に優れたAl-Si (4xx)合金です[1, 2]。しかし、非熱処理Al-Si合金は、通常、as-cast状態での極限引張強さ(UTS)が限られているか、延性が低い[2, 4, 5]。Al-Mg (5xx)合金は高い延性を達成できますが、多くの場合、降伏強さ(YS)が低い[2, 6-8]。通常、鍛造製品に使用されるAl-Zn-Mg (7xxx)合金は、時効後に高い強度を提供しますが、共晶液相がないため鋳造性が低い[1]。 先行研究の現状: 以前の研究では、Al-Zn-Mg合金に共晶形成元素と鉄を添加する方法が検討されてきました[10, 11]。Al-Zn-Mg-Ni-Fe合金は、T6状態で高いUTSを達成し、有望性を示しています[11]。Al-Zn-Mg合金へのカルシウム添加は、耐食性を改善し、密度を低下させることができ[12]、いくつかの研究ではAl-Zn-Mg-Ca-Fe合金に焦点を当てています[10]。セリウムはアルミニウム合金中で共晶相を形成しますが[14]、Al-Zn-Mg合金での使用は限られており、いくつかの研究ではAl-Zn-Mg-Cu合金中で粗大なAl8Cu4Ce形成が示されています[15]。 研究の必要性: 熱処理を必要とせず、as-cast状態で高い強度と延性を示し、潜在的にリサイクル材料を利用できる鋳造アルミニウム合金の必要性があります。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: as-cast状態での使用を目的としたAl-Zn-Mg-Ni(Ca, Ce)-Fe系に基づく、有望な新しい高強度アルミニウム合金を得るための主要な機会を実証すること。 主要な研究: 鋳造特性、微細構造、機械的特性の調査の決定。 5. 研究方法 この研究には、Al-5.5% Zn-1.5% Mgマトリックスをベースとし、0.5% Feと、それぞれ1% Ni、1% Ca、1% Ceをドープした3つの実験用アルミニウム合金の作成が含まれていました。合金は、純粋な材料と母合金を溶融することによって製造されました。溶湯精製は、C2Cl6粉末注入を使用して行われました。化学組成は、ARL3460発光分光計を使用して分析されました(Table 1)。高温割れ試験は、ペンシル型鋳物を使用して実施されました。微細構造分析は、SEM (TESCAN VEGA 3)および電子マイクロプローブ分析(Oxford AZtec)を使用して実行されました。試料は電解エッチングされました。徐冷(砂型)および金型鋳物(Figure 1)が製造されました。引張試験は、Z250 Zwick/Roellマシンを使用してas-castサンプルで実施されました。 6. 主要な研究結果: 主要な研究結果と提示されたデータ分析: 高温割れ試験(Figure 2)では、実験合金(A1、A2、A3)が市販のA206合金よりも優れた鋳造特性を持つことが示されました。徐冷後の微細構造分析(Figure 3)では、主に針状のAl3Fe相が明らかになりました。金型鋳物は、より微細な微細構造を示しました(Figure

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igure 11. A short-shot experiment by using the double PIG-nozzle units for PIG die-casting. (a) Aluminum melt flow into the rectangular die cavity, (b) solidified aluminum melts

PIGダイカストとホットスタンピングによるリサイクル原料からのアルミニウム合金部品の製造

本紹介資料は、[MDPI] が発行した [“Manufacturing of Aluminum Alloy Parts from Recycled Feedstock by PIG Die-Casting and Hot Stamping”] 論文の研究内容です。 1. 概要: 2. 要約 PIG (Pin-Injection-Gate) ダイカストとホットスタンピングは、リサイクル原料から小型および薄肉のアルミニウム合金部品を製造するために開発されました。 純アルミニウムおよびアルミニウム合金顆粒が、リサイクル材料の供給原料モデルとして利用されました。 製品の3D-CAD (Computer Aided Design) から推定された重量で測定された顆粒の質量は、射出前にPIGノズルに投入されました。 PIGノズルユニット内で誘導加熱によって急速に溶融した後、アルミニウム溶湯はPIGノズルを通ってダイキャビティに射出されました。 従来のダイカストシステムとは異なり、溶融アルミニウムストックを保管するための炉やるつぼは必要ありませんでした。 大型のローディングマシンを備えたクランプ機構も必要ないため、鋳造時のエネルギー消費を大幅に削減できました。 これらのプロセスでは、廃棄物が大幅に削減されました。 製品対廃棄物の比率、つまり材料効率はほぼ100%でした。 窒素過飽和とTiAlNコーティングは、アルミニウム溶湯からの激しい付着からPIGノズルとスタンピングダイ表面を保護するために使用されました。 純アルミニウム歯車と薄肉の携帯電話ケースがこのプロセスで製造されました。 X線トモグラフィーにより、両製品とも内部に空洞、気孔、収縮がないことが確認されました。 ホットスタンピングユニットを使用して、微細柱状の純アルミニウムヒートシンクを製造し、微細柱の高さと幅のアスペクト比に対する保持温度の影響を調査しました。 3. 研究背景: 研究テーマの背景: カーボンニュートラルな持続可能な社会において、環境に配慮した製造の必要性が高まっています[1]。 固体リサイクルは、再溶解せずに使用済みアルミニウム合金を再処理する方法を提供します[2]。 先行研究の現状: 以前の研究には、アルミニウム合金スクラップの温間および熱間押出などの固体リサイクル方法が含まれます[3]。 従来のダイカスト[4]は、ネットシェイプ成形に効果的ですが、エネルギーを大量に消費します。 既存のPIGダイカストシステムは、特に小型および薄肉部品について、従来のダイカストのいくつかの制限に対処しています[5-7]。 研究の必要性: 従来のダイカストでは、大型の炉とかなりの型締め力が必要となり、エネルギー消費量と材料の無駄が多くなります。 特にアルミニウムのリサイクルには、より効率的なプロセスが必要です。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: リサイクル原料からアルミニウム合金部品を効率的に生産するために、ホットスタンピングと統合された高度なPIGダイカストシステムを開発すること。

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Figure 4.5: Tensile bar die casting in which hot shear specimens were taken from the middle of the reduced section of the tensile bars.

アルミニウム高圧ダイカストにおける高温強度がはんだ付けを低減する

この紹介論文は、[Open Access Dissertation] が発行した [“High Temperature Strength Reduces Soldering In Aluminum High Pressure Die Casting”] 論文の研究内容です。 1. 概要: 2. 概要 高圧ダイカスト (HPDC) の欠陥であるダイはんだは、鋳造材の局所的な部分が金型表面に付着し、時間の経過とともに蓄積する局所的な付着現象です。これにより、金型を修理する必要があり、プロセスに追加コストが発生し、部品価格に転嫁されます。歴史的には、はんだ付けは潤滑剤、コーティング、および合金の化学組成の変更によって緩和されてきましたが、依然として発生しています。 トレスカ摩擦熱機械モデルは、鋳物と金型表面の間の局所的な界面せん断応力が鋳物の局所せん断強度を超えると、はんだ付けが発生することを示唆しています。温度の関数としてのこれらのせん断強度の比率は、はんだを予測することが示されています。これまでの研究は、摩擦係数を低減し、それによって界面せん断強度を低減することに焦点を当てており、はんだ付けに関する鋳物の強度を高める作業は行われていませんでした。合金の化学組成は、はんだ付け挙動に影響を与えることが示されていますが、Al-Fe金属間化合物が一般的に受け入れられているはんだ付けメカニズムであるため、間違った理由です。 トレスカ摩擦モデルをサポートするために、化学組成を変更することによって高温強化メカニズムを調査しました。まず、マグネシウムの添加により、いくつかのアルミニウムHPDC合金の固溶強化およびオロワン強化メカニズムの改善を定量化し、合金の高温せん断強度を向上させました。次に、改善された合金せん断強度をトレスカモデルに適用し、はんだ付けを誘発するように設計された実験室規模のパーマネントモールドと実規模のHPDC生産試験を使用して試験し、その結果は新しいはんだ付けメカニズムを示しています。最後に、はんだと鋳造表面のチルゾーンまたは「スキン」との関係を調査し、議論します。 3. 研究背景: 研究テーマの背景: アルミニウム高圧ダイカスト (HPDC) は、高強度、薄肉鋳物を製造するために広く使用されているプロセスですが、鋳造合金が金型表面に付着するダイはんだ付けに悩まされています。これにより、費用のかかる金型メンテナンスが必要になり、生産性が低下します。 先行研究の状況: 研究の必要性: 既存のはんだ付け緩和戦略は不十分です。合金組成、高温機械的特性、およびはんだ付け現象の関係をより深く理解して、より効果的なソリューションを開発する必要があります。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: 高温強化メカニズムとトレスカ摩擦モデルへの影響に焦点を当てて、HPDC アルミニウム合金の強度が接着とはんだ形成に及ぼす影響を調査すること。 主要な研究: 5. 研究方法 6. 主要な研究結果: 主要な研究結果と提示されたデータ分析: 図のリスト: 7. 結論: 主要な調査結果の要約: この研究は、合金組成とプロセス パラメータを慎重に制御することで、はんだを軽減できることを示しました。 今後の研究の可能性のある分野: 8. 参考文献: 9.

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Fig. 7.1.7 Exploded View of Assembly

単一キャビティ圧力ダイカスト金型の設計:自動車部品用アルミニウム合金(AlSi-12)のCADツールとHPDC技術による製造

この紹介記事は、[Journal Publication of International Research for Engineering and Management (JOIREM)]によって発行された論文[“単一キャビティ圧力ダイカスト金型の設計:自動車部品用アルミニウム合金(AlSi-12)のCADツールとHPDC技術による製造”]の研究内容を紹介するものです。 1. 概要: 2. 概要 / はじめに 概要「製造業者は、高圧ダイカスト技術で説明される製造プロセスを使用して、金属部品のシャープで明確なテクスチャまたは滑らかな表面を作成できます。この技術のメカニズムは、溶融金属を27〜45 m/sの速度で再利用可能な金属ダイに強制的に注入します。製造業者は、部品を製造するために選択された金属の種類に基づいて、ホットチャンバー法またはコールドチャンバー法を使用して金属をダイに注入します。設計者は、経済的に成功する鋳物を製造するために、多数の製造性関連の要素をダイの設計に組み込む必要があります。この全体的な設計目標を達成するために、ダイは溶融金属で完全に満たされ、溶融金属の迅速かつ一貫した凝固、部品は損傷することなくダイから容易に排出され、部品は最小限のダイ構造とダイメンテナンスの困難さを必要とし、部品は顧客の公差要件を満たします。部品製造の適切な見積もりは、入札調達と製造リードタイムの短縮に不可欠です。このプロジェクトでは、単一キャビティ圧力ダイカスト金型の製造における設計上の考慮事項について簡単に紹介します。PDCツールの見積もりから出荷までのプロセスフローについて説明します。UNIGRAPHICS NXソフトウェアは、設計で行われる作業に使用されます。」 はじめに本稿では、単一キャビティ圧力ダイカスト金型の設計と製造に関する考察を詳述し、アルミニウム合金(AlSi-12)製の自動車部品製造への応用を強調しています。金属金型に加圧溶融金属を射出成形するダイカストは、重力に依存する永久金型鋳造とは対照的に、高速金属流動により複雑な形状を製造できる能力が強調されています。プロセスには、金型の閉鎖とロック、プランジャーまたはポンプによる溶融金属の供給、および完全な金型充填とベントからの空気排出を確実にするための制御された射出速度が含まれます。凝固中は圧力が維持され、その後、金型が開かれ、鋳物が排出されます。サイクル的な金型洗浄と潤滑はプロセスに不可欠です。圧力ダイカスト(PDC)ツールの見積もりから出荷までの設計プロセスは、UNIGRAPHICS NXソフトウェアによって促進されます。 3. 研究背景: 研究トピックの背景: 本研究は、特に複雑な形状を必要とする部品の大量生産における高圧ダイカスト(HPDC)の重要な役割に取り組んでいます。従来の砂型鋳造は大量生産には非効率的であると見なされ、HPDCのようなプロセスが必要となります。HPDCの金型設計は、最適な設計構成を得るために金型レイアウトと流れシミュレーションを最適化するために、CADとCAEの専門知識を必要とする、重要かつ複雑なタスクとして特定されています。 既存研究の現状: 既存の製造プロセス(永久金型鋳造など)はダイカストと比較され、圧力によって誘導される高速金属流動による複雑な形状の製造におけるダイカストの利点が強調されています。本稿では、特定の用途向けの設計プロセスを最適化することに焦点を当てながら、ダイカスト技術の確立された性質を暗黙のうちに認めています。 研究の必要性: 本研究は、ダイカストの効率的かつ経済的な生産の必要性に動機付けられています。成功する鋳物を実現するために、金型設計における製造性関連の要素を考慮することの重要性を強調しています。適切な設計により、完全な金型充填、迅速かつ一貫した凝固、容易な部品排出、最小限の金型構造とメンテナンス、および顧客の公差要件の遵守が保証されます。正確な製造見積もりは、費用対効果の高い入札調達と製造リードタイムの短縮に不可欠です。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: 本研究の主な目的は以下のとおりです。 主な研究課題: 本研究は、単一キャビティ圧力ダイカスト金型設計に関連する主要な課題に取り組むことを目的としており、以下が含まれます。 5. 研究方法 研究デザイン: 本研究では、単一キャビティ圧力ダイカスト金型の設計と製造プロセスに焦点を当てた設計ベースのアプローチを採用しています。UNIGRAPHICS NXソフトウェアを使用したCADモデリングを統合し、自動車部品(カバーCJ 145 mm LEFT & RIGHT)用の金型を設計します。設計プロセスは、部品仕様の理解からプロセス検証まで、構造化されたアプローチに従います。 データ収集方法: データ収集は設計プロセスに暗黙的に含まれており、主に部品仕様(「部品名:カバーCJ 145 mm LEFT & RIGHT」、「129500 & 129520」)、材料選択(「材料:アルミニウム合金」)、および運用パラメータ(「作業指示番号:1023005」、「顧客名:Akar Industries

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Figura 1: rappresentazione in sezione di una macchina da pressocolata

INVESTIGATION ON THE EFFECTS OF INNOVATIVE MELT TREATMENTS ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL BEHAVIOUR OF DIECAST AL ALLOYS

この記事では、UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA and AALEN HOCHSCHULE FÜR TECHNIK UND WIRTSCHAFTが発行した論文「INVESTIGATION ON THE EFFECTS OF INNOVATIVE MELT TREATMENTS ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL BEHAVIOUR OF DIECAST AL ALLOYS」を紹介します。 1. 概要: 2. 概要または序論 革新的で高性能な材料の研究は、多くの分野の開発において重要な役割を果たしています。材料特性を向上させるための一般的な戦略の1つは、相補的な材料を組み合わせて優れた性能を達成することであり、これは複合材料研究の根底にある原則です。金属基複合材料(MMC)は、その性能と加工の多様性から特に興味深いものです。本研究では、溶融アルミニウムに対する革新的な溶湯処理を調査し、溶融アルミニウム中に酸化アルミニウム(Al2O3)粒子をその場生成し、溶融物中に分散させて凝固金属に組み込むことを目的としています。Al2O3を強化材として使用することの二重の利点、すなわち、アルミニウム合金の硬度、強度、弾性率を向上させる機械的強化と、より微細な微細組織を得ることによって合金性能を向上させる結晶粒微細化剤としての利点について検討します。本研究では、純アルミニウムおよびAl-Cu合金に対する処理の効果を調べ、パーマネント金型鋳造と高圧ダイカスト(HPDC)の両方で試験を実施しました。HPDCプロセスは、Al、Mg、Zn基合金部品の製造に不可欠であり、特に自動車やその他の大量生産産業で用いられています。真空や半凝固金属鋳造などのHPDCにおける最近の進歩は、鋳造品質を向上させています。Al-Cu合金は、その強度と延性で知られており、析出硬化によって強化され、展伸材と鋳造材の両方で広く使用されています。しかし、熱間割れ感受性や腐食の問題も抱えています。溶湯処理は、溶融アルミニウムにアルゴンと酸素を注入し、Al2O3粒子を生成および分散させ、合金特性と微細組織を向上させることを目的としています。 3. 研究背景: 研究テーマの背景: 革新的な材料の開発は工学において重要であり、金属基複合材料(MMC)は、その強化された特性と多様な加工性により、ますます重要性を増しています。アルミニウム合金、特にAl-Cu合金は、展伸材と鋳造材の両方で不可欠であり、高い強度と靭性を提供します。高圧ダイカスト(HPDC)は、Al、Mg、Zn基合金部品の製造に不可欠なプロセスであり、特に自動車産業やその他の大量生産産業で広く用いられています。ダイカストアルミニウム合金の機械的特性を向上させ、欠陥を低減することは、現在も研究が進められている分野です。 既存研究の現状: 材料科学における既存の研究は、複合材料における材料の組み合わせなどの手法を通じて材料特性を向上させることに焦点を当てています。金属基複合材料、特にAl2O3のようなセラミック相で強化されたものは、強度、硬度、高温性能の向上について十分に文書化されています。先行研究では、インサイチュ法およびエクスサイチュ法で製造されたAl2O3強化MMCが検討されています。また、Al2O3粒子はAl-Cu合金において結晶粒微細化剤として作用し、熱間割れを低減する可能性があることも研究で示されています。真空アシストHPDCや半凝固HPDCなどのHPDCの革新は、欠陥を低減し、部品品質を向上させることを目的としています。しかし、金属マトリックス中にナノスケールの強化材を生成および分散させるための費用対効果が高く、工業的に拡張可能な方法の開発には課題が残っています。 研究の必要性: HPDCとAl-Cu合金の進歩にもかかわらず、熱間割れ感受性、多孔性、耐食性などの限界が依然として存在します。機械的特性が向上した金属マトリックスナノコンポジット(MMNC)を製造し、低い破壊靭性や被削性などの限界を克服することが重要な研究分野となっています。既存のMMC製造法の多くは、費用がかかり、従来の製造環境での使用が複雑です。ダイカストアルミニウム合金の特性を向上させるための、費用対効果の高い効果的な方法、特に強度を向上させ、微細組織を微細化し、HPDCのようなプロセスにおける熱間割れ感受性を低減する可能性のあるAl2O3のような強化粒子のその場生成と分散が求められています。本研究は、より要求の厳しい構造用途に適したダイカストアルミニウム合金の性能を向上させるための、革新的で費用対効果の高い溶湯処理の必要性に取り組むものです。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: 主な研究目的は、溶融アルミニウム中にAl2O3粒子をその場生成する革新的な溶湯処理の実現可能性を調査し、この処理がダイカストアルミニウム合金の微細組織と機械的挙動に及ぼす影響を評価することです。これには、生成されたAl2O3粒子が凝固金属中に保持されるかどうか、およびそれらが機械的特性にどのように影響するかを評価することが含まれます。 主な研究内容: 5. 研究方法 研究デザイン: 本研究では、革新的な溶湯処理がアルミニウム合金に及ぼす影響を評価するために実験計画法を採用しました。溶湯処理は、攪拌しながら溶融アルミニウムにアルゴンと酸素ガス混合物を注入することからなります。実験は、誘導炉と脱ガスユニットを用いた小規模および大規模のセットアップで実施されました。処理時間、ガス流量、インペラーサイズ、および鋳造方法(パーマネント金型およびHPDC)を系統的に変化させ、それらの影響を評価しました。 データ収集方法: 分析方法: 研究対象と範囲: 研究対象は、4種類のアルミニウム合金でした。 研究の範囲は以下を含みます。

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Application of Aluminum Alloy Semi-Solid Processing Technology in Automobile: A Review

アルミニウム合金半凝固加工技術の自動車への応用:レビュー

この論文の紹介は、[‘International Journal of Automotive Manufacturing and Materials’]誌に掲載された[‘アルミニウム合金半凝固加工技術の自動車への応用:レビュー’]に基づいて作成されました。 1. 概要: 2. 抄録または序論 概要:「半凝固加工技術は、複雑な形状の高品質部品を製造する上で利点のあるアルミニウム合金部品の新しい成形技術です。過去50年間に、いくつかの半凝固金属の準備および成形方法が開発されてきました。いくつかの方法は、自動車分野で高品質部品を提供したり、鋳物の品質を向上させるために適用されています。本論文では、半凝固加工技術の開発と応用をレビューし、その将来の応用展望について議論します。」 序論:「近年、自動車メーカー、特に新エネルギー自動車メーカーは、省エネルギー、排気ガス削減、および包括的な製造コストの削減に有益であるため、自動車の軽量化にますます注目しています。鉄鋼部品をアルミニウム合金部品に置き換えることは、アルミニウム合金の密度が鉄鋼の約1/3に過ぎないため、車両の車体重量を大幅に削減できます。しかし、自動車におけるアルミニウム消費量を増やす上での課題は、アルミニウム合金の強度と弾性率の両方が通常、鉄鋼よりも低く、それが鉄鋼部品よりもアルミニウム合金部品に対するより高い品質要求につながることです。アルミニウム合金部品は通常、塑性変形プロセス(例:圧延、押出し、打ち抜き、鍛造)または鋳造プロセス(例:砂型鋳造、金型鋳造、ロストフォーム鋳造、および高圧ダイカスト)によって製造されます。塑性成形部品は優れた品質と性能を備えており、高応力条件下で使用できます。しかし、塑性成形プロセスは複雑な形状の部品を製造するために使用できません。鋳造プロセスは複雑な形状の部品を製造するために使用できますが、鋳造部品の品質と性能は、鋳造欠陥の発生により、通常、塑性成形部品よりも劣ります。したがって、高品質で複雑な形状のアルミニウム合金部品を開発および製造することは、自動車部品サプライヤーにとって依然として大きな課題です。半凝固加工技術は、1970年代にマサチューセッツ工科大学で生まれたアルミニウム合金部品の新しい成形技術です[1,2]。このプロセスでは、合金は半凝固金属と呼ばれる固液混合状態に調製されます。半凝固金属では、球形またはほぼ球形の固体粒子が液体金属中に懸濁しています。液体金属と比較して、半凝固金属は特殊なレオロジー特性、流動挙動、および凝固挙動を持っています[3,4]。せん断応力下では、半凝固金属は液体のように流れ、半凝固金属の流体粘度はせん断応力が増加するにつれて減少します。」 3. 研究背景: 研究トピックの背景: 自動車産業は、エネルギー効率、排気ガス削減、製造コスト削減のために、車両の軽量化にますます注力しています。鉄鋼部品をアルミニウム合金部品に置き換えることは、アルミニウムの密度が鉄鋼の約3分の1であるため、車両重量を大幅に削減する効果的な戦略です。しかし、アルミニウム合金は鉄鋼に比べて強度と弾性率が低いため、自動車用途におけるアルミニウム合金部品には、より高い品質基準が求められます。 既存研究の現状: アルミニウム合金部品の従来の製造方法には、塑性変形プロセス(圧延、押出し、鍛造など)と鋳造プロセス(砂型鋳造、金型鋳造、高圧ダイカスト(HPDC)など)があります。塑性変形は、高応力用途に適した優れた品質と性能の部品を提供しますが、複雑な形状の製造には限界があります。鋳造プロセスは、複雑な形状に対してより高い設計自由度を提供しますが、塑性成形部品と比較して、固有の鋳造欠陥により、通常、品質が劣ります。したがって、高品質で複雑な形状のアルミニウム合金部品の製造は、自動車サプライヤーにとって依然として大きな課題です。 研究の必要性: 従来の製造方法の限界に対処するために、半凝固加工技術がアルミニウム合金の新しい成形技術として登場しました。1970年代にMITの研究から生まれた[1,2]この技術は、半凝固金属と呼ばれる金属の固液混合状態を利用しています。半凝固金属では、球形またはほぼ球形の固体粒子が液体マトリックス中に懸濁しています。半凝固金属は、独自のレオロジー特性、流動挙動、および凝固特性を示します[3,4]。特に、せん断応力下では、粘度がせん断応力の増加とともに減少する液体のように振る舞います。この特性により、従来の鋳造と比較して品質が向上し、塑性成形部品に匹敵する複雑な形状の成形が可能になります。その結果、半凝固加工技術は、自動車、オートバイ、自転車、電気通信[5-7]など、さまざまな分野で高品位鋳物の製造と鋳造品質の向上に採用されています。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: 本レビュー論文は、特に自動車分野におけるアルミニウム合金の半凝固加工技術の進歩と応用を包括的に調査することを目的としています。さらに、この技術の将来の可能性と展望を探ります。 主な研究内容: 本論文で調査する主な研究分野は次のとおりです。 研究仮説: 明示的な仮説としては述べられていませんが、本論文は、半凝固加工技術が、従来の鋳造および塑性変形法の限界に対処し、自動車産業における高品質で複雑なアルミニウム合金部品の製造のための実行可能で有利な代替案を提供するという前提を暗黙的に調査しています。また、レオHPDCが自動車用途向けの半凝固加工における主流プロセスになりつつあるという仮説も探求しています。 5. 研究方法 研究デザイン: 本研究では、既存の文献と産業応用を統合して、自動車産業におけるアルミニウム合金半凝固加工技術の包括的な概要を提供するレビューベースの研究デザインを採用しています。 データ収集方法: データ収集方法には、アルミニウム合金の半凝固加工に関連する公開された研究論文、技術レポート、および産業事例研究の徹底的なレビューが含まれます。文献検索は、プロセス開発、応用、および性能特性に関する情報を収集するために、科学データベースと業界出版物を網羅しています。 分析方法: 分析方法は定性的であり、収集されたデータを要約および統合することに焦点を当てています。 研究対象と範囲: 研究対象は、材料準備法と部品成形法の両方を含む、アルミニウム合金半凝固加工技術です。範囲は、自動車産業におけるこれらの技術の応用に特に焦点を当てており、部品品質、製造効率、および将来の応用展望などの側面を考慮しています。 6. 主な研究成果: 主な研究成果: レビューでは、半凝固金属準備の2つの主要なルート、チクソルートとレオルートが強調されています。固体金属の部分溶融を伴うチクソルートは、さらに、磁気流体力学的攪拌(MHD)[8-10]、溶射成形(Ospray)[11,12]、および冷却傾斜(SC)[13]などの特殊な溶融凝固技術を利用するタイプIと、ひずみ誘起溶融活性化(SIMA)[14-17]、再結晶および部分溶融(RAP)[9,13,18]、および等チャンネル角プレス(ECAP)[19]などの塑性変形プロセスを採用するタイプIIに分類されます。液体金属の部分凝固を伴うレオルートには、スワールエンタルピー平衡化装置(SEED)[20-23]、エンタルピー制御プロセス(ECP)[24,25]、ガス誘起半凝固(GISS)[26-30]、高速スラリー形成(RSF/RheoMetal)[31-33]、冷却傾斜(CS)[34-36]、および空冷攪拌棒装置(ACSR)[37-39]などの技術が含まれます。 チクソルートは通常、50%を超える固相率に適しており、レオルートは50%未満の固相率に適しています。レオルート法は一般的にエネルギー効率とコスト効率が高いため、2000年代初頭から半凝固金属準備開発の焦点となっています。SEED、GISS、RSF、およびACSRは、自動車用アルミニウム合金部品の製造に顕著に使用されています。 半凝固金属成形技術は大幅に進歩しており、鍛造、押出し、HPDC、砂型鋳造、および金型鋳造を網羅しています。チクソ鍛造、レオ鍛造、チクソHPDC、およびレオHPDCは、産業用途を実現しています。チクソプロセスは通常、50〜70%の固相率(チクソルート)の半凝固金属を使用し、レオプロセスは50%未満の固相率(レオルート)を使用します。HPDCは、鍛造よりも部品形状の複雑さと生産効率において利点があり、半凝固HPDCは自動車部品に特に適しています。半凝固金属のアディティブマニュファクチャリングは、最近の研究ホットスポットとして特定されています。 自動車における半凝固加工の商業的採用は、1990年代に米国とイタリアで始まり、1990年代から2000年代にかけてチクソ鍛造とチクソHPDCが普及しました。2010年以降、中国では応用が急速に成長し、レオHPDCが主流プロセスになっています。応用は、高品質部品の製造と鋳造品質の向上に分類されます。半凝固加工部品は欠陥が少なく、熱処理が可能になり、鉄鋼に匹敵する機械的特性を実現し、軽量化(鉄鋼/鋼部品と比較して35〜55%の削減)を促進します。例としては、Sliver Bases Die-Casting [43]が製造したトーションサポート、コントロールアーム、ブレーキキャリパー、シャーシブラケット、Kovolis Hedvikov [44]が製造したエンジンブラケット、SAG Fueltech Sweden [33]が製造したCABマウントとマフラーブラケットなどがあります。鋳造品質の向上に関しては、半凝固HPDCは、気泡、収縮、引張割れなどの欠陥を低減します。GISSCO [45]とRunxingtai

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Figure 3. Radio filter produced by means of the RSF/RheoMetalTM process. A unique feature of this product is the weight reduction of 1.6 kg facilitated by wall thicknesses as low as 0.4 mm at 40 mm height (aspect ratio 100). High conductivity low Si alloys were used, and thermal transport properties further increased by up to 20% depending on the alloy composition by means of heat treatments, as depicted in the top right diagram by means of arrows denoting the course of the latter (images provided by Comptech AB, Skillingaryd, Sweden).

金属鋳造技術の進歩:最先端、課題、トレンドのレビュー—パート II:新技術と再活性化技術

この論文の要約は、MDPI発行の「Advances in Metal Casting Technology: A Review of State of the Art, Challenges and Trends—Part II: Technologies New and Revived」に基づいて作成されました。 1. 概要: 2. 抄録または序論 本稿は、Special Issue「Advances in Metal Casting Technology」のために書かれた社説の第2部であり、2022年11月に発表されたパートIを基にしています。パートIでは、グローバルな金属鋳造産業の概要を示し、e-モビリティやギガキャスティング技術の出現、鋳造産業への環境負荷低減圧力など、市場と製品の変化を強調しました。パートIIでは、視点を変え、業界内の技術開発を検討し、一般的なトレンドまたは先行する課題への対応として分類し、「新規技術と再活性化技術の両方」を網羅的に議論します。網羅的な記述は不可能であることを認めつつも、本レビューは「読者にさらなる研究のための出発点を提供する」ことを目指しています。最終章では、Special Issueへの寄稿を、議論された技術分野の文脈において位置づけます。パートIと同様に、著者の専門分野である「アルミニウム合金の高圧ダイカスト(HPDC)」に偏っている可能性があることをご了承ください。 3. 研究背景: 研究トピックの背景: 金属鋳造業界は、「e-モビリティ、ギガキャスティング技術の出現、鋳造業界への環境負荷低減圧力[1]」など、市場と製品の変化によって変化の時代を迎えています。これらの進化する要求は、分野における技術進歩の再検討を必要としています。「ガー Gartner hype cycle [2-4]」のような技術中心のモデルや、「コンドラチエフ波とその関連[5]」のような経済レベルの観察など、技術進化の周期的な性質は、新規技術と再活性化技術の両方を定期的に再評価することの重要性を強調しています。 既存研究の現状: 以前に発表された本論説のパートIでは、鋳造業界に影響を与える「変化する市場と境界条件」についてすでに「本稿のパートIで議論」しています。既存の研究には、グローバルな金属鋳造のトレンドの概要や、ギガキャスティングのような特定の技術の分析が含まれます。「半凝固金属加工」のような特定の技術への学術的および産業界の関心は、「図2」に示すように、Google ScholarやScopusのようなデータベースの出版トレンドによって証明されています。しかし、特に現在の業界の課題の文脈において、新規技術と再活性化技術の両方に焦点を当てた包括的なレビューが必要です。 研究の必要性: 「鋳造業界への環境負荷低減圧力の増大[1]」と、e-モビリティのような新しい市場の要求への適応は、鋳造所が高度な技術を探求し採用する「必要性」を生み出しています。本レビューは、この必要性に対応するために、「新規技術と再活性化技術の両方」の概要を提供し、「読者にさらなる研究のための出発点を提供」し、戦略的な技術採用の意思決定を支援することを目的としています。さらに、「新しいアイデア、新しい市場ニーズ、または制限特許の失効」により「技術の再出現」の可能性と技術の周期的な性質を理解することは、長期的な業界競争力にとって重要です。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: 本レビューの主な「目的」は、「業界内の技術開発を、一般的なトレンドまたは先行する課題への対応として見ることができる技術開発、言い換えれば、本稿では新規技術と再活性化技術の両方について議論する」ことを検討し、要約することです。専門家レベルのハンドブック概要をこれらの技術について提供し、金属鋳造における現在の最先端技術の文脈において位置づけることを目指しています。第二の目的は、Special Issue「Advances in Metal Casting Technology」への寄稿を、議論されたより広範な技術的展望の中に位置づけることです。 主な研究: 本レビューで探求される「主な研究」分野は以下の通りです。

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Fig. 2. Micrograph of Al-8%Si Alloy Sand Cast at a Pouring Temperature of 700o C (x125); white patches are primary α while dark patches are eutectic, α + Si.

異なる鋳造方法で製造されたAl-Si合金部品の結晶粒径と機械的特性の比較分析

この論文は、[‘AU J.T.’発行の「A Comparative Analysis of Grain Size and Mechanical Properties of Al-Si Alloy Components Produced by Different Casting Methods」に基づいて作成されました。 1. 概要: 2. 抄録または序論 抄録 本研究は、様々な鋳造方法で製造されたアルミニウムシリコン合金部品の鋳造組織と機械的特性を比較するために実施されました。この目的のために、砂型鋳造、チル鋳造、およびスクイズ鋳造法を用いて、Al-8%Si合金から同じ形状とサイズの同様の製品を製造しました。鋳造品の微細組織の結晶粒径は、スクイズ鋳造、チル鋳造、砂型鋳造の順に大きくなることが観察されました。逆に、鋳造品の機械的特性は、砂型鋳造、チル鋳造、スクイズ鋳造の順に向上しました。したがって、スクイズ鋳造品は、高品質部品を必要とする工学用途において、鋳造肌のままの状態で使用でき、チル鋳造品および砂型鋳造品は、非工学用途またはより低い品質部品を必要とする工学用途において、鋳造肌のままの状態で使用できます。 序論 鋳造または金属鋳造は、紀元前2000年に遡る最も初期の金属成形法の一つであり、当時使用されていたプロセスは、今日使用されているものと原理的にほとんど変わりません(Amstead et al. 1979)。Wright (1990) と Rao (1992) は、金属鋳造はもっと早くから存在していたと考えています。Rao (1992) は紀元前3500年、Wright (1990) は鋳造の起源を約6000年前と見ています。彼はさらに、鋳造における多くの発展は東洋から来たものであり、紀元前1000年以前に中国人は鉄の鋳造方法を開発し、るつぼ鋼の鋳造方法は後にインドで発明されたと指摘しました。東洋の鋳造技術は中東とヨーロッパに輸出され、最初の鋳鉄製大砲は1500年頃にイングランドで製造されました。アメリカで作られた最初の既知の鉄鋳物は、1642年に作られた鋳鉄製調理鍋でした(Jain 1992)。この質素な始まりから、現代の鋳造産業は成長しました。今日、長年にわたって進化してきた数多くの鋳造プロセスが存在します。これらの鋳造プロセスは、一般的に砂型鋳造と特殊鋳造の2つの広範なクラスに分類できます。特殊鋳造には、ダイカスト、重力鋳造、インベストメント鋳造、遠心鋳造、加圧鋳造などが含まれ、それぞれに独自の特徴的な利点と欠点があります。砂型鋳造は、製造される鋳物の約80%を占めています(Mikhailov 1989)。1979年には、英国で製造される鋳物の80%がグリーンサンドモールド(Williams 1979)であり、連邦ドイツでは1986年の鋳造生産量の67%がグリーンサンドモールドであったと推定されています(Weiss and Kleinheyer 1987)。エンジニアリング製品や消費財は、砂型鋳造やダイカストなど、多くの技術によって製造されています。それぞれの代替技術は、独自の明確な能力と関連コストによって特徴付けられ、特定の用途分野を決定します。良好な比較のために、スクイズ鋳造、加圧ダイカスト、チル鋳造、砂型鋳造による製品の製造について検討します。砂型鋳造とスクイズ鋳造の比較を行う中で、Lynch et al. (1975) は、砂型鋳造部品は表面仕上げが粗いものの、砂型鋳造はアンダーカットやチャンネルを部品に鋳込むことができ、多くの小型部品を同時に同じ鋳型で鋳造できるため、生産性が向上するという安価な製造手段を提供すると指摘しました。一方、スクイズ鋳造は、収縮や微細孔のない完全密度の部品と、砂型鋳造よりも滑らかな表面仕上げとより近い公差を実現できます。さらに、高い生産速度と高い金属利用効率により、費用対効果の高い製造プロセスです。スクイズ鋳造で得られる最大重量は、アルミニウム基合金で19kgです(Clegg 1991; Yue and Chadwick 1996)。しかし、チル鋳造で得られる最大重量は、アルミニウム基合金、マグネシウム基合金、鋳鉄、銅基合金でそれぞれ70kg、25kg、13.6kg、9kgです(West and

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Figure 9a:The Prefil curve demonstrates improved fluidity with the filter compared with

ダイカスト溶湯品質と鋳造結果の改善:溶湯品質分析とろ過

This paper introduction was written based on the ‘Improving Die Casting Melt Quality and Casting Results with Melt Quality Analysis and Filtration’ published by ‘Proceedings, 4th International Conference on Molten Aluminum Processing, AFS’. 1. 概要: 2. 概要または序論 概要 自動車用途におけるアルミニウム鋳物の使用は、著しいペースで拡大し続けています。大量生産の要求は、高圧、低圧、永久金型、精密砂型鋳造プロセスによって満たされています。これらの用途に対する技術的要件は、アルミニウム合金溶湯の状態に始まる、高度な鋳造健全性を要求しています。 本論文では、特に介在物に関する溶湯品質の清浄度を評価するためのいくつかの現場および実験室的方法、ならびにボンド粒子フィルターを用いた持続使用型炉内ろ過システムから得られる利点について紹介します。 ボンド粒子ろ過を利用することで、機械加工不良の削減、表面仕上げの向上、伸びの増加、リーカーの減少、および全体的なスクラップ削減において、最小限のコスト、労力、リスクで大幅な改善が可能です。 序論 アルミニウム鋳造の生産量とプロセス技術の成長は、過去10年間で非常に著しいものでした。エンジン部品、構造部品、ホイール、その他の機能部品への自動車用途の拡大は、この成長の主要な要因です。このような鋳物のより高い特性要求は、より厳格な金属清浄度管理、すなわち多孔性/微細孔隙率を最小限に抑えるための介在物と水素含有量の管理を可能にする優れた金属品質と溶湯処理プロセスを要求してきました。清浄な金属を製造するための溶湯処理には、フラックス処理および/またはフラックス注入、脱ガス、ろ過が含まれます。ろ過プロセスは現在、事実上すべてのアルミニウム形状鋳造作業で採用されています。期待され、達成される典型的な利点には、(1)鋳造プロセス中の金属流動性と湯回り性の向上、(2)鋳造特性の向上、(3)被削性の向上、(4)表面仕上げの向上、(5)スクラップおよび不良鋳物の全体的な削減が含まれます。 圧力ダイカスト、特定の重力ダイカストまたは永久金型プロセス、および大量の生砂または化学結合砂型鋳造プロセスでは、絶対的な注湯点、すなわち金型内ろ過を提供することは現実的ではありません。したがって、残された選択肢は、溶解/再溶解炉および鋳造炉に、可能な限り注湯点に近い位置にフィルターを設置することです。ボンド粒子フィルターは、ほとんどの場合、このような炉内用途に最適なフィルターとして登場しました(Neff、1995)。このフィルターは、溶融アルミニウム中で長期間にわたって劣化しない独自のセラミックバインダーで結合された炭化ケイ素の凝集体です。炭化ケイ素材料は、非常に耐久性があり、熱伝導性にも優れているため、長期間の連続使用に最適です。ボンド粒子フィルターの低い多孔性、内部構造の曲がりくねり、および介在物を捕捉および保持するバインダーシステムの親和性は、全体的な介在物除去効率を高めます。 一般的な構成には、鋳造炉または「ボックスフィルター」(図1b)の炉床とディップアウトウェルを分離する垂直ゲートフィルター(図1a)が含まれます。後者は、炉の形状と取鍋のサイズに合わせてさまざまな幾何学的形状とサイズに構成でき、より大きな表面積を提供するという利点があります。鋳造される金属は、保持炉またはるつぼ炉に設置されたフィルター容器の内部から自動取鍋または手動ディップされます。 3. 研究背景: 研究トピックの背景: アルミニウム鋳造業界、特に自動車用途では、大幅な成長を遂げてきました。この拡大は、高圧ダイカスト、低圧ダイカスト、永久金型鋳造、精密砂型鋳造などのプロセスを使用した複雑な部品の大量生産の需要によって推進されています。これらの用途に対する技術的要件は、アルミニウム合金溶湯の品質に根本的に依存する、優れた鋳造健全性を必要としています。高い鋳造健全性を達成するには、特に溶湯の清浄度に関して、溶湯状態を綿密に管理する必要があります。 既存研究の現状: フラックス処理、脱ガス、ろ過などの溶湯処理プロセスは、清浄なアルミニウム溶湯を製造するために不可欠です。特にろ過は、事実上すべてのアルミニウム形状鋳造作業における標準的な慣行となっています。ボンド粒子フィルターは、炉内ろ過用途に最適な技術となっています。独自のセラミックバインダーで結合された炭化ケイ素凝集体で構成されるこれらのフィルターは、溶融アルミニウム中での劣化に対する耐性を提供し、持続的かつ継続的な使用のために設計されています。低い多孔性や曲がりくねりなどの構造的特徴と、バインダーの介在物親和性と相まって、介在物除去効率の向上に貢献しています。 研究の必要性: ろ過が広く採用されている一方で、その有効性と結果として得られる溶湯品質の向上を定量化することは依然として重要です。ダイカストメーカーは、巨視的な観察を超えて、ろ過性能を評価する方法を必要としています。生産規模の実験と継続的な生産環境の両方で、ボンド粒子ろ過によって達成された溶湯清浄度の向上を評価するために、定量的および半定量的な手法が必要です。この評価は、鋳造プロセスを最適化し、欠陥を削減し、ダイカスト部品の全体的な品質を向上させるために不可欠です。 4. 研究目的と研究課題:

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