JP2021512191A - ダイカスト用潤滑剤組成物、該組成物の使用方法、および該組成物を用いて製造された製品 - Google Patents
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Abstract
潤滑剤組成物と該潤滑剤組成物を適用したダイカスト製品の製造方法が提供される。該潤滑剤組成物で、金型内に射出された溶湯（溶融金属）から製品が鋳造される前に、前記金型の当たり面をコーティングする。前記潤滑剤組成物は、前記金型と製品との間で潤滑剤として機能するとともに、ダイカスト工程において前記金属の酸化物と反応し、前記溶湯（溶融金属）の表面に形成される酸化物の層を除去する少なくとも１つの活性成分を含有する。
Description
本発明は、ダイカストに関する。特に、本発明は、鋳造前に金型の当たり面に塗布される潤滑剤に関する。
ダイカストは、複雑な形状を有する多くの金属部品を大量生産するために広く使用されている。ダイカストに一般的に使用される金属には、亜鉛、マグネシウム、アルミニウム、およびこれらの各種合金が含まれる。これらの工程においては、高圧および高温を用いて、液体金属（溶湯）を金型内に注入する。金型は、例外もあるが一般的にはスチール製である。溶湯との反応や溶湯による劣化から金型を保護して、金型の耐用年数を延長させるために、通常、鋳造サイクル前および鋳造サイクル間において金型潤滑剤（金型離型流体）を金型の当たり面（例えば、鋳造中に溶湯が接触する表面）に噴霧する。当該技術分野において周知である市販の潤滑剤は、一般的には油性または水性である。
金型の当たり面に潤滑剤が存在することにより、ダイカストの工程において問題が生じる。例えば、従来の金型潤滑剤は、１回以上の鋳造サイクル後に金型の当たり面に残留物を生じさせる可能性があり、これを除去する必要がある。このため、稼働時間が短縮され、生産性が低下する。さらに、従来の金型潤滑剤は、一般的には、潤滑剤の蒸発に伴い比較的大量のガスを発生させる。金型内における大量のガスは、ダイカスト製品に好ましくない介在物や空隙を形成させる原因となり、スクラップ率の増加および／または製品の早期故障につながる可能性がある。さらに、介在物や空隙が存在することにより、ダイカスト製品がその後の熱処理（例えば、時効硬化処理）に適応しなくなる可能性が生じる。例えば、介在物や空隙は、微小な亀裂および／またはブリスター膨れを形成することにより、加熱中にダイカスト製品を劣化させる可能性がある。このようなダイカスト製品は、その延性が非常に低く、所定の延性が必須となる、あるいは、要求される構造用途、例えば、これらに限定されないが、乗用車のフロントクロスメンバーおよびフロントコントロールアームなどには適用することができない。
ダイカストにおけるガスの生成を抑制するために、より高い射出温度とより高い圧力を用いて、射出速度の向上や金型充填の改善（すなわち、溶湯の低い流動性を向上させる）といった努力がなされてきた。しかしながら、鋳造の温度および圧力を上昇させることは、金型の摩耗の増加や金型の寿命の短縮に繋がるため、コストを増大させることになる。その他、特にアルミニウム製のダイカスト製品に対しては、溶湯の鉄含有量を低減させることが試みられている。しかしながら、アルミニウム合金の鉄含有量を低減させると、溶湯とスチール製の金型との反応が促進され、金型の寿命が短縮してしまう。熱処理が施されたダイカスト製品の需要が増大するにつれ、ダイカストに使用される合金において、鉄などの不純物の許容量が低下している。また、このような合金は、他の合金元素を添加した場合に、溶湯の流動性を低下させるため、ダイカストがより困難となる。
以上の観点から、介在物や空隙の形成の可能性を低減しつつ、改善された金型充填を提供することで、より熱処理可能性に優れたダイカスト製品の生産を可能とする、金型潤滑剤に対する継続的な需要がある。
本発明は、従来の金型潤滑剤を使用して製造されたダイカスト製品と比較して、介在物や空隙が少ないことを特徴とするダイカスト製品の製造を可能とする、潤滑剤組成物およびダイカスト方法を提供する。
本発明の一態様によれば、ダイカスト工程において溶融金属を含む溶湯と接触する金型の当たり面をコーティングする潤滑剤組成物が提供される。該組成物は、キャリア流体と、前記金属の酸化物と反応して、前記溶湯の表面に形成される前記酸化物の層を除去する少なくとも１つの活性成分とを含む。
本発明の別の態様によれば、溶融金属を含む溶湯を鋳造するための金型を準備し、少なくとも１つの活性成分を含有する潤滑剤組成物で前記金型の当たり面をコーティングし、所定量の前記溶湯を前記金型に射出し、前記溶湯を前記当たり面に接触させ、前記少なくとも１つの活性成分を前記金属の酸化物と反応させて、前記溶湯の表面に形成される前記酸化物の層を除去させて、および、前記金型内で前記溶湯を固化させて前記ダイカスト製品を生産することを含む、ダイカスト製品の製造方法が提供される。
本発明のその他の態様には、前記潤滑剤組成物および前記方法を用いて製造されたダイカスト製品がある。
前記潤滑剤組成物および前記方法の技術的効果として、従来の潤滑剤を用いて製造されたダイカスト製品と比較して介在物や空隙が少ないダイカスト製品を生産することができる。このため、当該ダイカスト製品にその後に熱処理を施して、該ダイカスト製品の延性などの特性を変更することが可能となる。
本発明のその他の特徴および効果は、以下の詳細な説明により明らかにされる。
アルミニウムやアルミニウム合金などの種々の金属および金属合金（以下、単に「金属」と称する）のダイカストへの使用に適した潤滑剤組成物について説明する。「金属」という用語は、溶湯および該溶湯から製造されたダイカスト製品を説明するために使用され、これらの溶湯およびダイカスト製品の組成は、純金属または金属合金からなる、あるいは、少なくとも純金属または金属合金を含む。前記潤滑剤組成物は、ダイカスト前に金型の当たり面に塗布され，前記溶湯に対する前記当たり面の濡れ性を増大させ、前記金型への充填を改善し、表面仕上げを改善し、および、最終的に得られる前記ダイカスト製品における空隙および介在物を低減させる。介在物や空隙が低減することにより、前記潤滑剤組成物を用いた工程によって製造されたダイカスト製品は、好ましくは熱処理可能であるため、構造用途など特定の用途に適した、改善された機械的特性を示すことができる。本発明の潤滑剤組成物は、さまざまなタイプの公知の金型およびダイカストマシンに適用することが可能であるが、本明細書では、これらの公知の金型およびダイカストマシンに関する詳細な説明は省略される。
本発明の１つの実施形態において、潤滑剤組成物は、キャリア流体と、少なくとも１つの活性成分とを備える。本明細書において、「活性成分」という用語は、金属の酸化物と反応して、溶湯の表面に形成される前記酸化物の層を除去することができる、前記潤滑剤組成物の添加剤を意味する。そして、前記活性成分により、溶湯の金型への充填の改善や介在物や空隙の低減などを含む、ダイカスト法の１つ以上の特性または効果を向上させることができ、熱処理可能なダイカスト製品を生産することが可能となる。
前記潤滑剤組成物のキャリア流体としては、従来から工業用のダイカスト法に使用される、公知の油性および水性の金型潤滑剤（金型離型流体）を含む、１つ以上の種々の潤滑剤を挙げることができる。このようなキャリア流体は、液体と１つ以上の他の材料成分との混合物でもよく、例えば、水を含有するエマルジョンでもよい。非限定的な例として、アルミニウム、マグネシウム、および亜鉛のダイカストに好適であると報告されている、Ｃｒｏｓｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｉｎｃ．の「ＣａｓｔＲｉｔｅ（登録商標） ＡＭＺ ＩＩＩ」の名称で市販されている、合成水溶性金型離型流体を挙げることができる。
前記潤滑剤組成物の活性成分としては、溶湯との接触により、例えば溶湯が酸素（空気）と接触することによって、ダイカスト作業中に形成される溶湯中の１つ以上の金属の１つ以上の酸化物と反応または相互作用する、ハロゲン塩化合物の混合物を挙げることができる。このような酸化物の非限定的な例としては、ダイカスト中にアルミニウムを含む溶湯において形成される酸化アルミニウム（アルミナ、Ａｌ２Ｏ３）を挙げることができる。前記活性成分は、特に酸化物と反応して、溶湯の表面に形成される酸化物の層を除去し、および／または、溶湯の表面に酸化物層が形成される可能性を低減させる。製造されるダイカスト製品への酸化物の混入量を低減させることに加えて、酸化物層を除去することにより、溶湯の表面張力が低下して、その流動性が向上し、溶湯の金型当たり面への濡れ性が向上するため、金型への溶湯の充填が促進される。その結果、前記潤滑剤組成物は、溶湯の乱流が減少して、ダイカスト製品中の空隙および酸化物の混入を低減させることができる。ダイカスト製品中の空隙および介在物を、製品を熱処理して機械的特性を向上させることができる程度まで、低減させることができる。例えば、上述した潤滑剤組成物を用いた工程によって製造されたダイカスト製品は、熱処理によりその延性を向上させることができるため、自動車のエンジンクレードルやステアリングアーム（通常はアルミニウム合金製）などの構造用途に適した特性を備えることができる。
潤滑剤組成物用の活性成分は、ダイカスト工程中に溶融できるものであることが好ましい。このような特性を備えた活性成分としては、種々のフッ化物塩の混合物が挙げられる。これらに限定されないが、このような化合物としては、例えば、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＡｌＦ３、ＫＦ、ＴｉＦ４、ＢＦ３、ＺｒＦ４、およびＣａＦ２などの１つ以上のフッ素化合物を挙げることができる。特に、このような化合物として、これらに限定されないが、ＫＡｌＦ４（ＫＦとＡｌＦ３の化合物）、Ｋ２ＴｉＦ６（ＫＦとＴｉＦ４の化合物）、およびＫＢＦ４（ＫＢとＢＦ３の化合物）などの錯塩を挙げることができる。代替的あるいは付加的に、潤滑剤組成物は、その活性成分として、他のハロゲン塩（例えば、臭化物および塩化物）を含む１つ以上の混合物を含むことができる。活性成分は、キャリア流体に固体として添加され、攪拌により、懸濁液または溶液を形成することにより、キャリア流体に取り込まれる。活性成分がキャリア流体に懸濁する場合には、金型の当たり面に潤滑剤組成物を噴霧する際に使用するスプレーノズルを詰まらせるリスクを低減するため、活性成分の好適な粒径を３０μｍ未満とすることが好ましい。
前記キャリア流体と混合される活性成分の量は、該キャリア流体の組成に応じて変化する。活性成分の必要量は、金型のサイズおよび溶湯の容量に応じて、溶湯の露出表面上の酸化物層を完全には除去しないまでも効果的に除去できるように、実験的に決定することができる。実際上、上記の１つ以上のハロゲン塩化合物は、最大で約１ｇ／ガロン（約０．２６ｇ／Ｌ）までの量で、例えば、約０．５〜１ｇ／ガロン（約０．１３〜０．２６ｇ／Ｌ）の量で、キャリア流体と組み合わせることができると考えられる。
活性成分に加えて、本発明の潤滑剤組成物は、該組成物または製造されるダイカスト製品の様々な特性を向上させるための他の添加剤を含むことができる。例えば、ＴｉＢ２の不活性ナノ粒子などの金型プロテクタを潤滑剤組成物に添加することで、ダイカスト製品が金型の当たり面に付着することを防止することにより、金型を保護し、金型の耐用年数を延長させることができる。前記金型プロテクタおよび／または添加剤は、キャリア流体に添加される前に活性成分と混合することができ、あるいは、キャリア流体に個別に混合することができる。活性成分と同様に、金型プロテクタおよび他の添加剤の粒径は、金型の当たり面に潤滑剤組成物を噴霧する際に使用するスプレーノズルを詰まらせることがないよう、十分に小さくなければならない。ＴｉＢ２などの金型プロテクタの好ましい粒径は１００ｎｍ未満であり、より好ましくは数ｎｍである。
図１および図２は、同様の金型とダイカスト工程により製造されたダイカスト製品での空隙の分布および形状を示す光学画像であり、図１は、金型が市販の潤滑剤で予めコーティングした場合のものであり、図２は、金型が活性成分としてハロゲン塩の混合物を含有する潤滑剤組成物で予めコーティングした場合のものである。図示したように、活性成分を含有する潤滑剤組成物を用いて製造されたダイカスト製品においては、空隙の大きさが大幅に低減されている。
このように、本発明の潤滑剤組成物を使用したダイカスト製品の製造方法は、対象となる特定の金属組成物からなる製品を鋳造するのに好適な金型を提供すること、前記潤滑剤組成物で前記金型の金型キャビティの当たり面をコーティングすること、前記金型キャビティに所定湯量の前記金属組成物（溶湯）を射出して、前記溶湯を前記金型の当たり面と接触させ、前記活性成分が前記金属組成物を構成する金属の酸化物と反応して、前記溶湯の表面に形成される前記酸化物の層を除去すること、および、前記金型内の前記溶湯を固化して、ダイカスト製品を製造することを含む。この工程により、様々な金属組成物を鋳造することができる。金属組成物の非限定的な例としては、アルミニウムおよびアルミニウム合金が挙げられる。
上述したように、本明細書で説明した方法によって製造されたダイカスト製品は、好ましくは、介在物および／または空隙の存在が十分に低いレベルとなっており、例えば、より高い延性などの所望の機械的特性を実現するための熱処理に適した製品となっている。適切な熱処理としては、これに限定されないが、時効硬化処理を挙げることができる。
このように、ダイカスト工程において上述したタイプの潤滑剤組成物を使用することの利点としては、射出温度の低下による金型の耐用年数の延長、金型充填に要する力／圧力の低減、製造されるダイカスト製品における空隙および介在物の低減、熱処理可能な製品の提供、および、これに限定されないが、構造用途に適したダイカストアルミニウム部品などの、比較的高い延性を示すダイカスト製品の提供などの１つ以上を挙げることができる。
本発明について特定の実施形態を示したが、当該技術分野における当業者により他の実施形態も採用することができることは明らかである。例えば、潤滑剤組成物中の成分および成分量は、例えば、成分や意図した用途によって異なり、上述した以外の材料や工程または方法を用いることも可能である。さらに、本発明は、異なる開示された実施形態の１つ以上の特徴または態様が削除された、あるいは組み合わされた、さらなる実施形態を包含する。したがって、本発明の範囲は本願の特許請求の範囲のみによって限定される。
Claims (20)
- ダイカスト工程において、溶融金属を含む溶湯と接触する金型の当たり面をコーティングするための潤滑剤組成物であって、
キャリア流体と、および、
前記金属の酸化物と反応して、前記溶湯の表面に形成される前記酸化物の層を除去することができる、少なくとも１つの活性成分と、
を備える、潤滑剤組成物。 - 前記キャリア流体は、金型潤滑剤からなる、請求項１に記載の潤滑剤組成物。
- 前記少なくとも１つの活性成分は、前記キャリア流体中において懸濁する固体からなる、請求項１または２に記載の潤滑剤組成物。
- 前記少なくとも１つの活性成分は、３０μｍ未満の粒径を有する、請求項３に記載の潤滑剤組成物。
- 前記少なくとも１つの活性成分は、ハロゲン塩化合物の混合物からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の潤滑剤組成物。
- 前記ハロゲン塩化合物は、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＡｌＦ３、ＫＦ、ＴｉＦ４、ＢＦ３、ＺｒＦ４、およびＣａＦ２から選択される１つ以上を含む、請求項５に記載の潤滑剤組成物。
- 前記ハロゲン塩化合物の前記混合物は、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＴｉＦ６、およびＫＢＦ４から選択される、請求項６に記載の潤滑剤組成物。
- 前記金型の前記当たり面へのダイカスト製品の付着を抑制する金型プロテクタを含有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の潤滑剤組成物。
- 前記金型プロテクタは、ＴｉＢ２のナノ粒子を含む、請求項８に記載の潤滑剤組成物。
- ダイカスト製品の製造方法であって、
溶融金属を含有する溶湯を鋳造するための金型を提供し、
少なくとも１つの活性成分を含有する潤滑剤組成物で、前記金型の当たり面をコーティングし、
所定量の前記溶湯を前記金型に射出し、前記溶湯が前記当たり面と接触した際に、前記少なくとも１つの活性成分を前記金属の酸化物と反応させて、前記溶湯の表面に形成される前記酸化物の層を除去し、および、
前記金型内で前記溶融金属を固化させて、前記ダイカスト製品を生産する、
ことを含む、ダイカスト製品の製造方法。 - キャリア流体中に、前記少なくとも１つの活性成分を含むように前記潤滑剤組成物を生産することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記キャリア流体は、金型潤滑剤からなる、請求項１１に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの活性成分は、前記キャリア流体中で懸濁する固体からなる、請求項１１または１２に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの活性成分は、３０μｍ未満の粒径を有する、請求項１３に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの活性成分は、ハロゲン塩化合物の混合物からなる、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ハロゲン化物塩化合物は、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＡｌＦ３、ＫＦ、ＴｉＦ４、ＢＦ３、ＺｒＦ４、およびＣａＦ２から選択される１つ以上を含む、請求項１５に記載の方法。
- 前記潤滑剤組成物は、前記金型の作業面への前記ダイカスト製品の付着を抑制する金型プロテクタを備える、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ダイカスト製品の延性を増大させるための前記ダイカスト製品に熱処理を施す工程を備える、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記ダイカスト製品は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製である、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
- 請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の方法によって製造されたダイカスト製品。
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