JP5020889B2 - Al合金ダイカスト鋳物およびその製造方法 - Google Patents
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また、下記の特許文献1にも、Al合金ダイカスト鋳物の金属組織の微細化に関する記載がある。この特許文献1は、比較的粗い金属組織の両側を、緻密な金属組織をもつチル層でサンドイッチした構造のAl−Mg系合金からなる薄肉ダイカスト鋳物が、高延性を発揮することを記載している。
(1)先ず本発明のAl合金ダイカスト鋳物は、金型のキャビティへ注湯したアルミニウム(Al)合金の溶湯を冷却凝固させてなるAl合金ダイカスト鋳物であって、前記金型の内壁に接触して形成される鋳物表層の少なくとも一部は、前記溶湯から晶出した初晶の二次デンドライトアーム間隔(DAS2)が2μm以下である微細凝固組織チル層であることを特徴とする。
本発明のAl合金ダイカスト鋳物では、この点で従来のダイカスト鋳物とは異なり、その表層部分の凝固組織がDAS2で2μm以下と、非常に超微細である。そして、このような超微細な凝固組織が鋳物表層に形成されることで、本発明のAl合金ダイカスト鋳物では従来のダイカスト鋳物とは大きく異なる特性を示すようになったと考えられる。
すなわち、焼付きは、鋳物取り出し時に金型との間に生じる摩擦抵抗に基づく剪断力によって、表層の鋳物が破断され、金型側に付着して生じると考えられる。鋳物表層の金属組織を微細化することにより、鋳物の機械的特性(破断のび)が向上したため、取り出し時の表層部の破断がなくなり、耐焼付き性が向上したと考えられる。
本発明は、Al合金ダイカスト鋳物自体としてのみならず、その製造方法としても把握される。
すなわち、本発明は、金型のキャビティへAl合金の溶湯を注湯する注湯工程と、該注湯された溶湯を急冷凝固させる凝固工程とを備えるAl合金ダイカスト鋳物の製造方法であって、
前記キャビティを構成する金型の壁面の少なくとも一部は、下式によって表される熱拡散率(β)が1.5x104(J・m-2・s-1/2・K-1)以上の高伝熱型からなり、本発明のAl合金ダイカスト鋳物が得られることを特徴とするAl合金ダイカスト鋳物の製造方法としても良い。
β = (λ・ρ・c)1/2
λ:熱伝導率(W・m-1・K-1)
ρ:密度 (kg・m-3 )
c:比熱 (J・kg-1・K-1)
(1)本発明のAl合金ダイカスト鋳物は、通常、製品の最終形状に近いことが多いが、具体的な形態自体は本発明にとって問題ではない。例えば、本発明のAl合金ダイカスト鋳物は、最終的な製品でなくても、棒状、管状、板状等の素材形状であっても良い。
なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係るAl合金ダイカスト鋳物のみならずその製造方法にも適宜適用できるものであることを断っておく。また、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なることを断っておく。
(1)本発明のAl合金ダイカスト鋳物では、先ず、金型の内壁に接触して形成される鋳物表層の少なくとも一部が超微細な凝固組織、つまり微細凝固組織チル層(以下、適宜、単に「チル層」という。)となっている。
一般的にいわれるチル層は、鋳物本体部の比較的粗い凝固組織に対して、鋳物表面付近の比較的細かい急冷凝固組織である。このような凝固組織の粗さは、鋳物断面を顕微鏡観察してなされ、凝固組織の晶出相や晶出物のサイズに基づき判断される。
シング(DAS2)、(iii)共晶組織寸法などを測定することが考えられる。この内で最も定義や測定方法が明確であり、使用が推奨されているのは(ii)初晶の二次デンドライトアームスペーシング(DAS2)である。そこで、本明細書では、DAS2を用いて本発明に係る微細凝固組織チル層を特定することとした。
従って本発明のようにDAS2を2μm以下としたAl合金ダイカスト鋳物は、従来存在せず、当然に、本発明のような作用効果を示すダイカスト鋳物も存在しなかった。
本発明者が鋭意調査したところ、微細凝固組織チル層の厚さが金型に接していたところ(鋳物の最表面)から20μm以上、25μm以上、30μmさらには40μm以上であると、安定した耐焼付き性が得られる。
チル層の厚さが過小であるときに耐焼付き性が劣るのは、チル層がある程度の深さまで形成されていないと、鋳物最表面部の強度が不足するためと考えられる。勿論、本発明に係るチル層が薄くなる程、ダイカスト鋳物の表面強度などが低下し得ることはいうまでもない。
Al合金の組成によってAl合金ダイカスト鋳物の凝固組織は影響を受けるものの、本発明の基本的な概念そのものはAl合金の組成によっては影響されない。ただし、ダイカスト鋳造用Al合金として、例えば、ADC10(Z)、ADC12(Z)などの一般的な材料を用いることで、本発明でいう微細凝固組織チル層が形成され易く、さらにはコスト、入手性等の利点も多い。
(1)本発明のダイカスト鋳物は、溶湯をプランジャー等で加圧しつつキャビティへ注湯する注湯工程と、その溶湯を急冷凝固させる凝固工程を行える限り、一般的なダイカスト方法やダイカスト装置を用いて製造され得る。
もっとも、本発明に係る微細凝固組織チル層の形成を所望する部分については、ダイカスト鋳造時の冷却速度を、少なくともその部分について従来よりも相当大きくすることが好ましい。
例えば、Al合金ダイカスト鋳物に中空または凹部を形成するために設ける鋳抜き型のように、焼付きを起こし易い部分に高伝熱型を用いると好適である。このような鋳抜き型として、例えば、型の消耗等により適宜交換される鋳抜きピンなどがある。
金型の内壁面への表面処理や離型剤の塗布なども、ダイカスト鋳物と金型との間の熱伝達が阻害されない範囲であれば、従来通り行えばよい。また仮に、その表面処理層が高伝熱型よりも低伝熱性の材質であっても、厚さが薄い範囲(例えば、20μm以下程度)であれば問題とはならない。逆に表面処理層を設けることで、高伝熱型の効果と併せて、より耐焼付き性が向上する場合もある。
離型剤の金型(特に高伝熱型)壁面への塗布も少ない方が好ましい。また、その離型剤の塗布を少なくしても、少なくとも高伝熱型の表面については耐焼付き性を生じ難い。ちなみに、離型剤としては水溶性離型剤、粉末離型剤、油性離型剤など、いずれを用いることもできる。
本発明のダイカスト鋳物はその仕様に応じて、適宜、熱処理がなされても良い。本発明のダイカスト鋳物の形態や用途は問わない。用途の一例を挙げると、シリンダブロック、クラッチハウジング、オイルポンプボディ、アンダーカバー、トランスミッションケース、タイミングギアカバーなどがある。
〈Al合金ダイカスト鋳物の製造〉
(1)金型
図1に示す金型10(鋳造方案)を横型ダイカスト機に設置して、図2に示すAl合金ダイカスト鋳物(試験片)を製造した。
金型10は、可動型1と、固定型2と、可動型1に取り付けられた鋳抜きピン3(鋳抜き型)とからなる。可動型1には肉厚14mmの製品部キャビティ4とランナー及びゲート部5が設けられてある。
固定型2にはスリーブ穴6がある。スリーブに注湯された溶湯は、プランジャ(図示せず)で加圧されて、矢印で示す方向へ流動し、製品部キャビティ4へ充填(注湯)される。
上記の金型を用いてダイカスト鋳造を行った。用意したAl合金は、ADC12(JIS)である。このAl合金の組成を表2に示した。鋳造条件は次の通りである。
溶湯温度は650℃、溶湯を充填する直前の鋳抜きピン3の金型温度は25〜48℃、プランジャによる加圧は50MPaとした。ダイタイム(溶湯充填から製品取り出しまでの時間)は、6sとした。このダイタイムは、例えば、4〜300sの範囲で調整可能である。
上記のダイカスト鋳造により得られた3種の試験片を、鋳抜き穴8付近でそれぞれ切断し、その切断面を研磨した。こうして得た試験片の表層部分(鋳物表層)の凝固組織を光学顕微鏡で観察し、そのDAS2を測定した。この測定は、「ダイカスト鋳物のデンドライトアームスペ−シング分布に関する調査(ダイカスト研究部会共同研究結果報告)」(社団法人日本鋳物協会ダイカスト研究部会編:1990年、9ページ)に記載されている二次技法により行った。
(1)鋳抜きピン3の材質としてSKD61を用いた試験片(以下、「試験片C1」という。)の鋳物表層の顕微鏡写真を図3に、鋳抜きピン3の材質としてクロムチタン銅(以下、「試験片1」という。)を用いた試験片の鋳物表層の顕微鏡写真を図4にそれぞれ示した。図中、「A」はチル層を示し、「B」は鋳物主体を示す。また、これらの試験片の鋳物表面から測定した距離と、DAS2との相関を図5に示した。なお、図5には、上記文献「ダイカスト鋳物のデンドライトアームスペ−シング分布に関する調査」に記載されていた鋳物表面からの距離とDAS2との関係を併せて示した。
図6から明らかなように、熱拡散率βが1.5x104(J・m-2・s-1/2・K-1)未満であると、DAS2が2μm以上となるチル層は得られなかった。一方、熱拡散率βが1.5x104(J・m-2・s-1/2・K-1)から大きくなる程、DAS2が2μm以下となるチル層の厚さが次第に増加した。
2 固定型
3 鋳抜きピン
8 鋳抜き穴
Claims (5)
- 金型のキャビティへ注湯したアルミニウム(Al)合金の溶湯を冷却凝固させてなるAl合金ダイカスト鋳物であって、
前記金型の内壁に接触して形成される鋳物表層の少なくとも一部は、前記溶湯から晶出した初晶の二次デンドライトアーム間隔(DAS2)が2μm以下である微細凝固組織チル層であることを特徴とするAl合金ダイカスト鋳物。 - 前記微細凝固組織チル層の厚さは、最表面から20μm以上である請求項1に記載のAl合金ダイカスト鋳物。
- 金型のキャビティへAl合金の溶湯を注湯する注湯工程と、
該注湯された溶湯を急冷凝固させる凝固工程とを備えるAl合金ダイカスト鋳物の製造方法であって、
前記キャビティを構成する金型の壁面の少なくとも一部は、下式によって表される熱拡散率(β)が1.5x104(J・m-2・s-1/2・K-1)以上の高伝熱型からなり、
請求項1〜3のいずれかに記載のAl合金ダイカスト鋳物が得られることを特徴とするAl合金ダイカスト鋳物の製造方法。
β = (λ・ρ・c)1/2
λ:熱伝導率(W・m-1・K-1)
ρ:密度 (kg・m-3 )
c:比熱 (J・kg-1・K-1) - 前記高伝熱型の材質は、クロムチタン銅またはベリリウム銅のいずれかである請求項3に記載のAl合金ダイカスト鋳物の製造方法。
- 前記高伝熱型は、前記Al合金ダイカスト鋳物に中空または凹部を形成する鋳抜き型である請求項3または4に記載のAl合金ダイカスト鋳物の製造方法。
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