JP3875604B2 - 亜鉛基合金の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（所謂、ＺＡＳ合金）等の亜鉛基合金は、低融点であるとともに、アルミニウムに比べて酸化の進行が遅く、さらに強度および硬度が低いという性質を有している。このため、亜鉛基合金を鋳造材料として使用し、試作用の金型の他、複雑形状の鍵や鍵シリンダ等が製造されている。
【０００３】
ところが、亜鉛基合金の強度や硬度が低いため、金型や鍵等の鋳造品の耐用性が低く、不経済であるという問題が指摘されている。そこで、亜鉛基合金の表面を硬化処理するために、例えば、特許第２８３２２２４号公報に開示されている製造方法が知られている。
【０００４】
この従来技術では、亜鉛基合金からなる金型の表面に直接無電解ニッケルめっきを施すに際し、前記金型を有機酸ニッケル塩等を含有する無電解ニッケルめっき液に浸漬している。これにより、ニッケル被覆を直接亜鉛基合金に施すため、皮膜剥離が生じることがなく、しかも緻密でクラックの発生がないため、耐摩耗性および耐食性が良好となる、としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、亜鉛基合金の表面にめっき層を設けるだけであり、硬化層（めっき層）が表層部のみに限られてしまう。これにより、亜鉛基合金の表層部には、十分な強度、硬度および耐熱性を付与することができないという問題がある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、鋳造性に優れるとともに、表層部に所望の強度、硬度および耐熱性を確実に付与することが可能な亜鉛基合金の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る亜鉛基合金の製造方法では、亜鉛または亜鉛合金の溶湯を用いて鋳造成形を行う際に、少なくとも銅またはマンガンの１種が接種材として前記溶湯に添加される。このため、鋳造成形処理を施された表層は、接種により添加された高強度化金属を介して母層よりも強度、硬度および耐熱性に優れた合金層が設けられる。
【０００８】
従って、予め合金層が設けられた亜鉛基合金を所望の形状に加工する場合に比べ、鋳造により容易に成形することができ、良好な成形性を維持することが可能になる。一方、予め銅またはマンガン等の金属を母材金属に混在させた材料を用いて鋳造成形を行う場合に比べ、溶融温度を低下させることができ、エネルギ消費量を有効に低減することが可能になる。
【０００９】
また、前記溶湯に接種材の添加を行った後、１０秒〜３０秒の間で鋳造成形を開始するようにしている。１０秒未満では、接種した金属が十分に拡散しないため、必要な硬度が得られない。一方、３０秒を超えると、結晶粒が成長して硬度が低下してしまう。
【００１０】
さらに、少なくとも銅またはマンガンの粒径が、１０μｍ〜５０μｍの粉末状である。粒径が１０μｍ未満では、合金化が進行し過ぎて拡散が進み過ぎ、十分な効果が得られない。一方、粒径が５０μｍを超えると、鋳肌の荒れや欠陥が生じ易くなる。
【００１１】
さらにまた、少なくとも銅またはマンガンの粒径が、より好ましくは１０μｍ〜２０μｍの粉末状であるため、接種した金属を介して合金層の物性の向上が確実に図られる。
【００１２】
また、接種材の主体をなす銅の接種量は、亜鉛基合金全体の１重量％〜１８重量％である。１重量％未満では、拡散し過ぎて十分な効果が得られない一方、１８重量％を超えると、溶湯の冷却が著しくなって鋳造性の低下が惹起される。なお、銅の接種量が３重量％〜７重量％であると、良好な効果が得られる。この範囲では、鋳造物の表面近傍に数ｍｍ〜数１０ｍｍの深さまで合金化し、亜鉛乃至Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金の結晶粒が観測されず、良好な状態となる。
【００１３】
さらに、マンガンの接種量は、接種材の３重量％〜３０重量％である。３重量％未満では、十分な効果が得られない一方、３０重量％を超えると、未反応物が凝集してしまい、物性が低下して欠陥の要因となるおそれがある。
【００１４】
上記の亜鉛基合金の製造方法について、より詳細に説明すると、母材金属の主体である亜鉛（Ｚｎ）は、その表面および表面近傍を真鍮化することができる。真鍮は、銅（Ｃｕ）と亜鉛との合金であり、亜鉛に比べて２倍以上の融点、強度および硬度を有するとともに、耐食性も高い。さらに、銅は、ＡｌやＳｎとも合金化して青銅を形成する。
【００１５】
Ｃｕ−Ｚｎ合金の機械的性質は、引張強度が１ＧＰａを超えるとともに、硬度がＨＲＣ４８程度となって、強度および硬度が非常に高いという特徴がある。通常の亜鉛基合金（Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金）の強度が２００ＭＰａ〜２５０ＭＰａで、硬度がＨＶ１１０程度であり、Ｃｕ−Ｚｎ合金とは特性が大きく異なっている。また、青銅でも、亜鉛基合金の１．５倍〜２倍程度の強度および硬度となっている。
【００１６】
この場合、銅を母材金属に添加した混合材を用意し、この混合材を溶融して鋳造成形することが考えられる。ところが、銅の添加により融点が上昇してしまい、実際上、亜鉛の融点の２倍以上の高温となり、鋳造性が損なわれるとともに、消費エネルギが増加してしまう。
【００１７】
そこで、高強度化金属を接種材として添加することにより、亜鉛基合金の鋳造性の特性を損なわずに、高強度化および高硬度化を図ることが可能になる。その際、銅の接種時にマンガンを同時に添加すると、凝固速度が変化して巣の形成や偏析を減少させることができる。さらに、マンガンは、母材金属やＡｌの他、添加した銅等とも反応し、合金化するとともに、熱処理により析出させてマンガンが固溶した部材全体を強化することが可能になる。例えば、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金の強度が２００ＭＰａ〜２５０ＭＰａであるのに対し、３５０ＭＰａ程度に強度が向上する。
【００１８】
これによって、亜鉛基合金は、全体構成が亜鉛または亜鉛合金である一方、表面が銅合金と同様の性質を有しており、機械的性質が約２倍程度に向上する。しかも、表面近傍が銅を主体とする構成となるため、表面に生成され易く接合性や溶接性を妨げていた因子が除去され、接合が容易に行われる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る亜鉛基合金の製造方法により製造（鋳造）された金型等の鋳造品１０の断面概略説明図である。
【００２０】
鋳造品１０は、母層１２を設けるとともに、表層に前記母層１２より硬質な合金層１４が形成される。母層１２を構成する母材金属は、亜鉛または亜鉛合金であり、具体的にはＺｎ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ、またはＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が使用される。
【００２１】
合金層１４は、少なくとも銅（Ｃｕ）またはマンガン（Ｍｎ）の１種を含有している。この合金層１４は、Ｚｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｍｎ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−ＣｕまたはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕから選択された真鍮層を構成する。
【００２２】
図２は、鋳造品１０を鋳造成形するための鋳造装置２０の概略説明図である。
【００２３】
鋳造装置２０は、亜鉛または亜鉛合金の溶融金属からなる溶湯２２を保持する溶湯保持炉２４と、この溶湯保持炉２４内から所定量（１ショット分）の溶湯２２を汲み出す溶湯汲み出し機構２６と、前記溶湯汲み出し機構２６を構成するラドル２７により汲み出された前記溶湯２２に接種材２８を添加する接種材添加機構３０と、前記接種材２８を添加した該溶湯２２が注湯されて所定の形状に成形する鋳型３２とを備える。
【００２４】
接種材２８は、少なくとも銅またはマンガンの１種、本実施形態では、銅およびマンガンを含有する。銅およびマンガンは、それぞれの粒径が１０μｍ〜５０μｍ、より好ましくは１０μｍ〜２０μｍの粉末状に構成される。銅の接種量は、亜鉛基合金全体の１重量％〜１８重量％に設定されるとともに、マンガンの接種量は、接種材２８の３重量％〜３０重量％に設定される。
【００２５】
このように構成される鋳造品１０を製造する方法について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００２６】
まず、図２に示すように、溶湯保持炉２４には、亜鉛または亜鉛合金の溶融金属からなる溶湯２２が保持されている（ステップＳ１）。そこで、溶湯汲み出し機構２６が駆動される。この溶湯汲み出し機構２６では、ラドル２７が溶湯保持炉２４内に挿入され、このラドル２７が傾動することにより１ショット分の溶湯２２が該ラドル２７により汲み出される（ステップＳ２）。
【００２７】
溶湯２２を汲み出したラドル２７は、接種材添加機構３０の添加位置に移動され、この接種材添加機構３０から前記ラドル２７内の前記溶湯２２に、接種材２８が所定量だけ供給される（ステップＳ３）。溶湯汲み出し機構２６は、接種材２８の添加を行った後、１０秒〜３０秒の間で鋳型３２の注湯口３４に注湯を開始する（ステップＳ４）。これにより、鋳型３２内の図示しないキャビティでは、接種材２８が混在された溶湯２２が充填され、所定の冷却処理が施されることにより、鋳造品１０が得られる（ステップＳ５）。
【００２８】
この場合、本実施形態では、亜鉛または亜鉛合金の溶湯２２を用いて鋳造成形を行う際に、銅およびマンガンを含有する接種材２８が前記溶湯２２に添加される。このため、鋳造成形処理により得られる鋳造品１０は、接種により鋳造直前に添加された高強度化金属を介して、表層に母層１２よりも強度、硬度および耐熱性に優れた合金層１４が設けられる（図１参照）。
【００２９】
従って、予め合金層が設けられた亜鉛基合金を所望の形状に加工する場合に比べ、鋳造成形により鋳造品１０を容易に成形することができ、良好な成形性を維持することが可能になる。一方、予め銅またはマンガン等の金属を母材金属に混在させた材料を用いて鋳造成形を行う場合に比べ、溶融温度を低下させることができ、エネルギ消費量を有効に低減することが可能になる。
【００３０】
また、溶湯２２に接種材２８の添加を行った後、１０秒〜３０秒の間で前記溶湯２２が鋳型３２に注湯される。これにより、溶湯２２に接種材２８が十分に拡散され、鋳造品１０の表層には、表面から数ｍｍ〜２５ｍｍ程度の範囲に合金層１４が設けられる。なお、溶湯２２の注湯が、接種から１０秒未満では、接種した金属（銅および／またはマンガン）が十分に拡散しないため、必要な硬度が得られない。一方、接種から３０秒を超えると、結晶粒が成長して硬度が低下してしまう。
【００３１】
さらに、銅およびマンガンは、粒径が１０μｍ〜５０μｍの粉末状である。粒径が１０μｍ未満では、合金化が進行し過ぎて拡散が進み過ぎ、十分な効果が得られない。一方、粒径が５０μｍを超えると、鋳造品１０の鋳肌の荒れや欠陥が生じ易くなる。その際、銅およびマンガンの粒径は、より好ましくは１０μｍ〜２０μｍであるため、接種した金属を介して合金層１４の物性の向上が確実に図られる。
【００３２】
さらにまた、接種材２８の主体をなす銅の接種量は、母材金属の１重量％〜１８重量％である。１重量％未満では、拡散し過ぎて十分な効果が得られない一方、１８重量％を超えると、溶湯２２の冷却が著しくなって鋳造性の低下が惹起される。なお、銅の接種量が３重量％〜７重量％であると、良好な効果が得られる。この範囲では、鋳造品１０の表面近傍に数ｍｍ〜数１０ｍｍの深さまで合金化し、亜鉛乃至Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金の結晶粒が観測されないため、良好な状態となる。
【００３３】
さらに、マンガンの接種量は、接種材２８の３重量％〜３０重量％である。３重量％未満では、十分な効果が得られない一方、３０重量％を超えると、未反応物が凝集してしまい、合金層１４の物性が低下して欠陥の要因となるおそれがある。
【００３４】
なお、本実施形態では、溶湯２２を汲み出したラドル２７が、接種材添加機構３０の添加位置に移動され、この接種材添加機構３０から前記ラドル２７内の前記溶湯２２に接種材２８が所定量だけ供給されているが、前記接種材２８を、鋳型３２に設けられ湯口乃至湯道に連通する鋳型経路に直接供給するようにしてもよい。
【００３５】
【実施例】
亜鉛合金としてＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（ＺＡＳ材）を用い、６００℃まで温度を上げて溶湯２２が用意された。この溶湯２２は、ガス抜き等の処理が施された後、５５０℃で鋳型３２に注湯されるように設定された。
【００３６】
まず、接種タイミングを検討するために、時間を溶湯中、ラドル中および注湯中に設定し、それぞれの分散の均質性を観察するとともに、それぞれの効果を検証した（図４参照）。この接種タイミングは、鋳型３２の注湯口３４に溶湯２２が接触する時間を基準とし、接種材２８を添加した時間からの秒数でカウントした。
【００３７】
接種材２８は、銅およびマンガンの粉末混合物であり、鋳造品１０を構成する鋳物量全体の５％の量に設定されるとともに、それぞれの粒径が１０μｍ〜２０μｍの範囲内に設定された。
【００３８】
そこで、鋳造装置２０により鋳造成形された各試料は、中央断面で切断されて研磨処理および鏡面仕上げ処理が施された後、表面にアルカリ腐食処理が施された。次に、それぞれの結晶組織の変化を観察するとともに、表面から２ｍｍの部位におけるＨＶ硬さを測定した。その結果が、図４に示されている。
【００３９】
一方、接種を行わずに試料を鋳造した場合、結晶がデントライド状であるとともに、その粒径が涙滴状であり、長径が６００μｍ〜８００μｍで、短径が１５０μｍ〜２００μｍであった。また、硬度は、ＨＶ１１０〜１２０であった。
【００４０】
図４から諒解されるように、接種タイミングにより結晶組織の変化が明確に視認されるとともに、その結晶粒径および硬度に差違が発生した。組織変化は、接種タイミングが長くなるのに従ってその層自体が大きくなるものの、添加した接種材２８が拡散してしまい、硬度や結晶粒径の向上にはあまり寄与しなかった。一方、接種タイミングが１秒および５秒と短い場合には、接種材２８が十分に拡散されず、さらに硬度の向上も図られなかった。
【００４１】
また、銅とマンガンは、同時に接種したにも関わらず、それぞれの拡散幅が異なり、マンガンでは、銅に比べて内部に２倍〜３倍まで浸透していた。接種タイミングが３０秒の場合においても、その合金化部位が２７ｍｍ〜３０ｍｍ程度まで明瞭に確認された。その間の硬度変化は、図５に示されている。
【００４２】
以上のことから、接種タイミングは、１０秒〜３０秒の間が最も好ましく、結晶の微細化が、接種しない場合に比べて１／２０に改善されるとともに、硬度が２倍程度に向上した。その際、接種タイミングが１０秒の試料と３０秒の試料とを引張試験試料とし、表面近傍の結晶変化部位を基準として切り出し測定を行った。この結果、接種しない場合の強度が２３０ＭＰａであったのに対し、それぞれの強度が４８０ＭＰａ、４２０ＭＰａと大きく向上した。従って、亜鉛または亜鉛合金の鋳造性を維持しつつ、組織、硬度および強度を改善することが可能であることが実証された。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る亜鉛基合金の製造方法では、亜鉛または亜鉛合金の溶湯を用いて鋳造成形を行う際に、少なくとも銅またはマンガンの１種が接種材として添加されるため、接種により添加された高強度化金属を介して、表層に母層よりも強度、硬度および耐熱性に優れた合金層が設けられる。
【００４４】
従って、予め合金層が設けられた亜鉛基合金を所望の形状に加工する場合に比べ、鋳造により容易に成形することができ、良好な成形性を維持することが可能になる。一方、予め銅またはマンガン等の金属を母材金属に混在させた材料を用いて鋳造成形を行う場合に比べ、溶融温度を低下させることができ、エネルギ消費量を有効に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る亜鉛基合金の製造方法により製造された金型等の鋳造品の断面概略説明図である。
【図２】前記鋳造品の製造方法に使用される鋳造装置の概略説明図である。
【図３】前記鋳造品の製造方法を説明するフローチャートである
【図４】接種タイミングと物性の変化との関係説明図である。
【図５】接種タイミングが３０秒の場合において、表面からの距離と硬度変化との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…鋳造品 １２…母層
１４…合金層 ２０…鋳造装置
２２…溶湯 ２４…溶湯保持炉
２６…溶湯汲み出し機構 ２７…ラドル
２８…接種材 ３０…接種材添加機構
３２…鋳型 ３４…注湯口

Claims (5)

1. 表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金の製造方法であって、
   亜鉛または亜鉛合金の溶湯を用いて鋳造成形を行う際に、少なくとも銅またはマンガンの１種を接種材として前記溶湯に添加し、
   前記接種材の添加を行った後、１０秒〜３０秒の間で鋳造成形を開始することを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、少なくとも前記銅またはマンガンの粒径が、１０μｍ〜５０μｍの粉末状であることを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。
3. 請求項２記載の製造方法において、少なくとも前記銅またはマンガンの粒径が、１０μｍ〜２０μｍの粉末状であることを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。
4. 請求項１記載の製造方法において、前記銅の接種量は、亜鉛基合金全体の１重量％〜１８重量％であることを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。
5. 請求項１記載の製造方法において、前記マンガンの接種量は、前記接種材の３重量％〜３０重量％であることを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。

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