JP4505657B2 - ダイカスト用Ｚｎ合金及びＺｎ合金ダイカスト製品 - Google Patents

Description

本発明は、ダイカスト用Ｚｎ合金に関し、更に、該合金を用いて製造されたＺｎ合金ダイカスト製品に関する。

Ｚｎ合金は、優れた機械的性質と鋳造性を有し、薄肉で複雑な形状や精密な寸法が得られるため、Ａｌ合金に次いで、ダイカスト用の合金として広く利用されている。また、ダイカスト用Ｚｎ合金は、幅広い表面処理が可能で耐食性に優れ、融点が低いためにホットチャンバーでのダイカストが可能で、金型の価格が安くて済み、寿命も長くできるので経済的であるといった利点を兼ね備えている。このためダイカスト用Ｚｎ合金は、自動車関連部品、機械部品、建築金具、装飾品等に幅広く利用されている。

ＪＩＳ化されているダイカスト用Ｚｎ合金として、ＺｎにＡｌとＭｇを添加したダイカスト用Ｚｎ合金塊２種と、これに更に１質量％前後のＣｕを添加したダイカスト用Ｚｎ合金塊１種がある。また、ＪＩＳ化はされていないが、ダイカスト用Ｚｎ合金塊２種に３質量％前後のＣｕを添加した金型用合金３種も知られている。更に、特許第２６９１４８８号公報には、Ａｌ添加量を増やすことによって流動性を改善させたダイカスト用Ｚｎ合金が開示されている。また、特公平８−１４０１１公報には、Ｃｕその他の元素を添加することにより、強度改善を図ったダイカスト用Ｚｎ合金が開示されている。

特許第２６９１４８８号公報 特公平８−１４０１１公報

一方、Ｚｎ合金は、Ａｌ合金やＭｇ合金といった他のダイカスト合金や、樹脂材料などに比べて比重が大きいといった欠点がある。このため、自動車や機械等の軽量化による影響で、ダイカスト用Ｚｎ合金のシェアが圧迫されつつある。このような欠点を補うためには、なるべく薄肉のＺｎ合金ダイカスト製品を製造し、軽量化することが必要となる。

しかしながら、ダイカスト製品は、“巣”と呼ばれる空洞欠陥が内部に発生しやすい。その結果、機械的強度や伸びが低下してしまう。また、空洞欠陥が製品の表面に発生することによる歩留りの低下や、製品薄肉部に発生した空洞欠陥によるフクレ欠陥を引起こす。Ｚｎ合金ダイカスト製品の場合、一般に１ｍｍ以下の厚さになると、空洞欠陥による表面異常が目立つようになり、また、流動性不足による湯ジワが発生し、生産性を低下させてしまう。

本発明は、空洞欠陥の発生を抑制でき、薄肉化が可能なダイカスト用Ｚｎ合金を提供し、更に、該合金を用いて製造されたＺｎ合金ダイカスト製品を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、従来から知られているダイカスト用Ｚｎ合金塊１種やダイカスト用Ｚｎ合金塊２種、金型用合金３種などのダイカスト用Ｚｎ合金に、適量の希土類元素を添加することにより、Ｚｎ合金ダイカスト製品中の空洞欠陥を著しく減少できることを見出した。

かかる知見のもと、本発明によれば、Ａｌ：３〜５質量％、Ｍｇ：０．０３〜０．０６質量％、Ｃｕ：０．５〜５質量％、一種又は２種以上の希土類元素：０．０１質量％を超え０．０２質量％以内を含有し、残部がＺｎと不可避の不純物からなることを特徴とする、ダイカスト用Ｚｎ合金が提供される。

前記希土類元素として、例えばミッシュメタルを含有しても良い。

また、本発明によれば、これらのダイカスト用Ｚｎ合金を用いて、ダイカスト法により製造されたことを特徴とする、Ｚｎ合金ダイカスト製品が提供される。

本発明によれば、ダイカスト時における溶湯の流動性（湯流れ性）に優れたダイカスト用Ｚｎ合金を提供することができる。本発明のダイカスト用Ｚｎ合金を用いて製造されたＺｎ合金ダイカスト製品は、空洞欠陥が著しく減少し、表面不良やフクレ欠陥が少なくなり、強度や伸び、ヤング率といった機械的特性も向上する。このため、生産性が向上し、歩留りが良くなり、従来の製品以上に薄肉化ができるようになる。よって、製品の軽量化も可能となる。

本発明のダイカスト用Ｚｎ合金における各組成成分の意義は以下の通りである。
Ａｌは、ダイカスト時における溶湯の流動性を改善する。但し、ダイカスト用Ｚｎ合金はホットチャンバーが可能な合金であり、Ａｌの含有量が増加すると、融点が高くなってホットチャンバーが困難になる場合があるので、Ａｌの添加量は３〜５質量％が好ましい。

Ｍｇは、粒間腐食を抑制させるために含有させる。含有量が少ないと抑制効果が低いが、多くなると、Ｚｎ合金ダイカスト製品の衝撃強度が低下する場合があるので、添加量は０．０３〜０．０６質量％が好ましい。

Ｃｕを添加することにより、より一層の強度向上を図ることができる。但し、添加量が多くなると、流動性や衝撃強度を低下させる場合があるので、Ｃｕを添加する場合、その添加量は０．５〜５質量％の範囲である。

希土類元素は、ＬａからＬｕまでの１５元素であり、これら希土類元素の一種又は２種以上を添加することにより、空洞欠陥である“巣”の発生を抑制し、Ｚｎ合金ダイカスト製品の機械的特性を向上させることができる。希土類元素としては、例えばミッシュメタルを添加することが好ましい。

希土類元素の含有量は、０．０１〜１．０質量％であり、希土類元素の含有量は、０．２質量％未満であることが好ましい。例えばミッシュメタルを添加する場合のように、２種以上の希土類元素を添加する場合は、それら２種以上の希土類元素（例えばミッシュメタル）の含有量の合計が、０．０１〜１．０質量％であり、より好ましくは、それら２種以上の希土類元素（例えばミッシュメタル）の含有量の合計が、０．２質量％未満である。更に、それら２種以上の希土類元素（例えばミッシュメタル）の含有量の合計を０．０１〜０．１５質量％までの低含有量とすれば、空洞欠陥の減少効果とともに湯流れ性の改善も顕著である。希土類元素の含有量が０．２質量％以上となると、ダイカストに用いる合金インゴットを製造する時の溶解時間が長くなり、経済的でない。希土類元素の含有量が１．０質量％を超えると、そのような不利益が更に顕著となる。

希土類元素を添加する場合、例えばミッシュメタルなどの希土類元素：約１０質量％、Ａｌ：約９０質量％からなる母合金を添加することによって、ダイカスト用Ｚｎ合金中にＡｌと希土類元素を含有せしめても良い。

このように希土類元素を含有する本発明のダイカスト用Ｚｎ合金は、ダイカスト時における溶湯の流動性（湯流れ性）に優れ、湯ジワなどの発生を抑制できる。そして、このダイカスト用Ｚｎ合金を用いて製造された本発明のＺｎ合金ダイカスト製品にあっては、空洞欠陥が著しく減少し、表面不良やフクレ欠陥が少なくなり、強度や伸び、ヤング率といった機械的特性も向上する。このため、生産性が向上し、歩留りが良くなり、従来の製品以上に薄肉化ができるようになる。よって、製品の軽量化も可能となる。本発明のＺｎ合金ダイカスト製品は、例えば自動車関連部品、機械部品、建築金具、装飾品等に好適に利用される。

黒鉛ルツボに電気Ｚｎと所定量のＡｌ及びＭｇと必要に応じてＣｕを添加し、更に、これにミッシュメタル：約１０質量％、Ａｌ：約９０質量％からなる母合金（希土類元素Ａｌ合金）を添加し、６００℃で溶解させてから、４５０℃の溶湯温度で１５０℃に予熱した金型に鋳造し、比較例３〜５と本発明の実施例１である希土類元素を含むダイカスト用Ｚｎ合金としての各合金インゴットを、それぞれ作成した。また、ミッシュメタル：約１０質量％、Ａｌ：約９０質量％からなる母合金（希土類元素Ａｌ合金）を添加しない点以外は同様にして、希土類元素を含まないダイカスト用Ｚｎ合金としての比較例１、２の各合金インゴットを、それぞれ作成した。表１に、実施例１と比較例１〜５のダイカスト用Ｚｎ合金における各成分の配合を示す。

（流動長測定）
比較例３と比較例１、２の各インゴットを溶解し、４１０〜４６０℃における溶体の流動長をそれぞれ測定した。測定にはＭＩＴ式流動性試験機を使用した。ＭＩＴ試験装置の条件は、真空ポンプ差圧設定値：１００Ｔｏrｒ、吸引用パイレックス管（「パイレックス」は登録商標）：内径φ５ｍｍ、外径φ７ｍｍ（Ｌ字管）、試験本数：１本／回である。測定結果を表２及び図１に示す。比較例３においては、比較例１よりも流動長が短い結果であるが、比較例２よりは優れていることわかる。比較例１は実際のダイカスト操業時には、４１０℃〜４２０℃が適温とされ、これは流動長が２００〜３００ｍｍに相当する。これに対し、比較例３の温度範囲は４１０℃〜４３０℃で比較例１と同じ流動長が確保され、操業時のダイカスト温度範囲が穏やかにとれると考えられる。

次に、これら実施例１と比較例１〜５の合金インゴットを用いて、溶湯温度４２０℃、型温度１５０℃の条件でホットチャンバーダイカストにより、Ｚｎ合金ダイカスト製品の特性を調べるための、長さ８０ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍ、平行部直径φ７ｍｍで取手部がφ１０ｍｍの引張試験片と、５０ｍｍ×７０ｍｍ×３ｍｍの板状の試験プレート片を、それぞれ作成した。そして、これらの引張試験片と試験プレート片を用いて各試験を行った。以下、実施例１と比較例１〜５を比較して本発明の特性を説明する。

（示差熱分析）
実施例１と比較例１〜５の各合金インゴットについて示差熱分析を行った。その結果、比較例３〜５と比較例１の比較においては、ミッシュメタルの含有量が特に０．０５〜０．１０質量％の範囲で、また、実施例１と比較例２の比較においては、ミッシュメタルの含有量が０．０２質量％の場合に、固相線温度（凝固終了温度）が低下していた。これがダイカスト時における湯流れ性の改善に結びついていると考えられる。

（硬度試験）
マイクロビッカース硬度計を用いて、比較例３〜５と比較例１の試験プレート片の断面硬さをそれぞれ測定した。試験荷重は、２００ｇ×１０ｓとした。その結果、図２を得た。ミッシュメタルの含有量が増えるほど、硬さが高くなることが分った。

（断面観察）
比較例３〜５と比較例１の試験プレート片の断面を撮影し、画像解析した。比較例３〜５と比較例１の各画像を図３〜６にそれぞれ示す。画像解析ソフトとしてＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓを用いて、引け巣部分の面積と、良好部分（引け巣の無い部分）の面積割合を演算したところ、表３のようになった。ミッシュメタルを添加することにより、引け巣面積が５０〜８０％程度減少した。

（引張試験）
比較例３、実施例１と比較例１、２の引張試験片を、インストロン型の引張試験機で引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎの試験条件でそれぞれ引張試験し、各引張試験片について引張破壊強度と破壊までの変位量（伸び）を測定した。比較例３、実施例１の引張試験片については、アニール後のものについても、同様に引張破壊強度と伸びを測定した。その結果、図７、８を得た。比較例３、実施例１ともに、ミッシュメタルを含有していない場合に比べて、引張強度が２０〜３０％増加し、伸びが４０〜６０％増加することが分った。また、アニールした場合は、アニール前に比べて引張強度が１０％程度減少するものの、伸びが更に２０〜３０％増加することが分った。なお、ミッシュメタルの含有量が増加すると、ヤング率も増加する傾向にあることが分った。

（破断面観察）
引張試験によって破断した比較例３、実施例１と比較例１、２の引張試験片について、その破断面をそれぞれ観察した。各破断面の写真を図９〜１２にそれぞれ示す。その結果、ミッシュメタルを含有していない比較例１、２の引張試験片は、引け巣が起点となって破断しているように見受けられた。一方、比較例３、実施例１は大きな引け巣が無く、これにより引張強度や伸びが上昇するものと考えられる。

次に、Ａｌ：４質量％、Ｍｇ：０．０４質量％、ミッシュメタル：０．２質量％を含有し、残部がＺｎと不可避の不純物からなるダイカスト用Ｚｎ合金としての比較例６の合金インゴットを作成した。しかし、ミッシュメタル添加時のロス率を１０％以下に小さくするためには、この比較例６の合金インゴットを製造する時の溶解時間は、比較例４の合金インゴット（Ａｌ：４質量％、Ｍｇ：０．０４質量％、ミッシュメタル：０．１質量％を含有し、残部がＺｎと不可避の不純物からなるダイカスト用Ｚｎ合金）を製造する時の溶解時間のほぼ２倍の時間が必要となった。なお、比較例６について、比較例４の合金インゴットを製造する時の溶解時間と同じとするためには、攪拌力を強化する必要があるが、そうすると、ミッシュメタル添加時のロス率が６０％（配合値は０．５質量％ミッシュメタル）程度となり、経済的でない。

溶体の流動長測定の結果を示すグラフである。 硬度試験の結果を示すグラフである。 比較例１の試験プレート片の断面を撮影した写真である。 比較例３の試験プレート片の断面を撮影した写真である。 比較例４の試験プレート片の断面を撮影した写真である。 比較例５の試験プレート片の断面を撮影した写真である。 引張試験における引張破壊強度を示すグラフである。 引張試験における変位量（伸び）を示すグラフである。 比較例１の破断面を撮影した写真である。 比較例３の破断面を撮影した写真である。 比較例２の破断面を撮影した写真である。 実施例１の破断面を撮影した写真である。

Claims (3)

1. Ａｌ：３〜５質量％、Ｍｇ：０．０３〜０．０６質量％、Ｃｕ：０．５〜５質量％、一種又は２種以上の希土類元素：０．０１質量％を超え０．０２質量％以内を含有し、残部がＺｎと不可避の不純物からなることを特徴とする、ダイカスト用Ｚｎ合金。
2. 前記希土類元素として、ミッシュメタルを含有することを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト用Ｚｎ合金。
3. 請求項１又は２に記載のダイカスト用Ｚｎ合金を用いて、ダイカスト法により製造されたことを特徴とする、Ｚｎ合金ダイカスト製品。