JP4774883B2 - 亜鉛基合金ショット - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛基合金からなる新規な亜鉛基合金ショットに関する。特に、アルミニウム鋳物など軽合金鋳物（鋳造品）の表面仕上げに好適な亜鉛基合金ショットに係る発明である。

ここで、鋳物には、溶湯の重力を利用して鋳造する鋳物ばかりでなく、溶湯に圧力を加えて鋳造するダイカスト、鋳型を回転させながら遠心力で溶湯を鋳型に注湯する遠心鋳造等の特殊鋳物も含む。

なお、本明細書及び特許請求の範囲における濃度単位「％」は、通常の意味通り「質量百分率」を意味する。

アルミニウム鋳物は、通常、離型後の表面処理を、その表面に金属球（ショット）を、空気圧力やインペラーブレードの回転力などにより衝突させて行っていた。離型後に鋳物に発生したバリ、カエリ等の除去や、スケール（鋳物砂）落としを行うためである。

しかし、通常の鋼球ショットでは、硬さが高すぎて、被処理面を磨耗させたり変形させたりするおそれがある。このため、軟質金属で、粉塵爆発の危険性がほとんどない亜鉛基合金ショットが使用されている。亜鉛は爆発感度０．６と、アルミニウムのそれ７．５に比してきわめて低い。（特許文献１段落０００３参照）
ところが、亜鉛基合金ショットは、アルミニウム鋳物等の被処理品における素材の色が損なわれて全体的に灰色状の黒ずんだ状態になりやすく、商品価値を損なう。

そこで、亜鉛にＣｕを０．０５〜２．０％（望ましくは、０．１０〜１．０％）を含有させた亜鉛基合金でショットを形成する技術が特許文献１に提案されている。

他方、生産性を向上、すなわち、ブラスト時間の短縮及びショット寿命の延長の要請から、硬さが大きい（硬度が高い）ショットの出現が要望されている。

そこで、ショットの硬さを大きくするために、亜鉛にＭｎを０．３〜５．０質量％を含有させ、ビッカース硬さが６０〜１３０ＨＶである亜鉛基合金ショットを形成する技術が特許文献２に提案されている。

なお、亜鉛基合金ショットの硬さを増大させる関連参考文献として、特許文献３が存在する。

しかし、昨今、表面意匠性の更なる要求から、全く黒ずみが発生しない（変色しない）ことが要求され、さらには、生産性の要求から、硬さを増大させても、ブラスト後製品に微細・全体磨耗が発生せず、ほとんど面の荒れも生じないものが要求されるようになってきている。
特許２８８７２２８号公報 特開２００１−１６２５３８号公報 特開平１１−３２０４１６号公報

本発明は、上記にかんがみて、上記要望を満足させることができる亜鉛基合金ショットを提供することを目的とする。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、銅（Ｃｕ）とマンガン（Ｍｎ）を併用し、ＣｕをＭｎより多量に添加すれば、上記課題を解決できることを見出して、下記構成の本発明に想到した。

亜鉛基合金からなるショットにおいて、前記亜鉛基合金が、溶質金属としての銅（Ｃｕ）及びマンガン（Ｍｎ）が、Ｃｕ／Ｍｎ質量比＞１の関係で、かつ、ビッカース硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）５５〜１８０ＨＶを示すよう添加されてなることを特徴とする。

銅及びマンガンを前者＞後者の関係で添加すると、後述の実施例で示す如く、銅及びマンガンの合計添加量（Ｃｕ＋Ｍｎ）を、それぞれ単独で添加した場合より大きな硬さのショットが得られ、かつ、ブラスト加工により被処理品に変色（黒ずみ）もほとんど発生しない（後述の実施例２と比較例３、実施例３群と比較例４）。銅又はマンガンのみの添加では、当然、本発明の硬さは得難く、それらを過剰に配合すると、脆くなる（特許文献１段落０００９、特許文献２段落００１５参照）。すなわち、銅又はマンガンで大きな硬さのショットを得ようとすると、銅又はマンガンを多量に配合する必要があり、亜鉛の有する靱性が低下してショット寿命が低下する（損耗しやすい）。他方、従来と同程度の硬さのショットを本発明の銅＞マンガンの関係にあるときは、少量の銅及びマンガンの添加量ですみ、靱性の高いショットを得ることができる（ショットの損耗が少なくなりショット寿命の延長に寄与する。）。

そして、Ｃｕ／Ｍｎ（質量）比は、Ｃｕ／Ｍｎ比≒１．５〜６、望ましくは、２〜３とする。当該Ｃｕ／Ｍｎ比は、絶対的なものではなく、本発明者らが行った試験例及び経験則から推測できる範囲を規定したもので「≒」は、その意味が含まれている。

銅比が高すぎると、硬さを増大させるために、マンガンの絶対添加量を増やす必要があり、逆に、銅比が低すぎると、黒ずみをなくすために、銅の絶対添加量を増やす必要がある。したがって、両溶質合金元素の合計絶対量が増大して、相対的に安定した品質（硬さ等）のショットを得難くなる。（特許文献２段落００１０第１２〜１３行参照）。

上記構成において、前記銅及びマンガンは、ビッカース硬さ約６０〜１６０ＨＶとなるように添加することが望ましい。本硬さ範囲は、汎用のアルミダイカスト等をブラスト処理する場合により望ましい範囲を示すもので、被処理品の硬さ・要求仕上げにより、また、母材〈マトリックス）である亜鉛の種類（硬さ）等により変動するもので、絶対的なものではない。その意味が「約」に含まれている。

ショット（亜鉛基合金）のビッカース硬さが約６０ＨＶ未満では、バリ取り、スケール落としに時間がかかり、本発明の目的の一つであるブラスト時間の短縮を図り難い。他方、約１６０ＨＶ以上のものを得ようとして、銅及びマンガンを多量に添加すると、脆くなり（靱性が無くなり）、却ってショット寿命が短くなる（実施例４・５参照）。

上記ショットの粒径は、ショット可能なものなら特に限定されないが、約０．０５〜５ｍｍ、さらには、約０．３〜４ｍｍとすることが望ましい。この範囲も、ショット及び被処理品の一方又は双方の硬さやブラスト条件により異なり、本発明者らが行った試験例および経験則から帰納したもので、絶対的なものではない。数値の前の「約」は、その意味が含まれている。

ショット粒径が小さすぎると、同様の硬さでも、ブラスト加工時間が嵩み、バリの取り残しが発生しやすい（実施例３−１参照）。他方、ショット粒径が大きすぎると、同様の硬さでも、被処理品に表面に微細磨耗及び全体磨耗・変形が発生し易い（実施例３−６参照）。

そして、各溶質金属の添加量は、通常、銅を約０．８〜６％（望ましくは約１．５〜４．０％）、前記マンガンを約０．２〜５％（望ましくは約１．０〜３．０％）及び銅・マンガン合計量約１．０〜１０．０％とする。この銅及びマンガンの添加量およびそれらの合計量も前述と同様、絶対的なものではなく、母材亜鉛の種類（グレード）、銅及びマンガンのグレードにより異なり、後述の試験例及び経験則から帰納したものであり、数値の前の「約」にその意味を含むものである。さらに、銅、マンガン以外の溶質金属（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ等）を少量添加する場合は、変動する。なお、本亜鉛基合金の組成において、銅（Ｃｕ）及びマンガン（Ｍｎ）以外の元素の残部は、当然のことながら、亜鉛（Ｚｎ）及び不可避不純物からなる（実質的にＺｎのみからなる）。

銅の添加量が過少では、黒ずみ発生を確実になくすことが困難で、他方、マンガンの添加量が過少では、硬さの向上が望めず、また、銅及びマンガンの一方・双方又は合計添加量過多では、ショットの靱性が低下してショット損耗が増大し、ショット寿命が短くなる。

なお、本発明のショットで使用する亜鉛、銅及びマンガンとしては、特に限定されず、市販されているものから適宜選定して使用可能である。

また、母材とする亜鉛は、通常、ビッカース硬さ４０〜５０ＨＶの範囲のものが市販されていて、相対的に硬さの小さいものが、靱性を得易いが、逆に硬さが小さいと、バリ取りなどの研掃作業性が低下する。本発明の試験例において、銅やマンガンの添加量が同じでも、相対的にショット硬さが低いのは、本試験例では、母材である亜鉛として、硬さの低いグレードを使用していると共に、特許文献１で示す如く、銅とともに鉄を少量添加しているためである。

そして、ショットの製造は、慣用の方法で行うことができる。以下に、特許文献１の段落０００８、特許文献２の段落０００９等から、適宜本発明に合わせて表現を変えて引用する。

「亜鉛中に銅及びマンガンを所定量、所定比で添加して得られる混合物を、還元雰囲気下で加熱融解（溶湯温度４５０〜６５０℃）して、溶湯とする。そして、該溶湯を、水等の冷却媒体中へ流下させ、この冷却媒体中で、凝固・堆積させた球状の粒状体を得る。該粒状体を、回収、乾燥後、篩い分け等により分級・形選して、粒度別に区分してショットとする。」

表１に示す各亜鉛基合金組成の混合物を、底部に所定口径のノズルを有する不活性雰囲気において加熱して溶湯（溶湯温度を６００〜６２０℃）を調製する。該溶湯を所定径流下穴を底部に有する黒鉛るつぼに入れ、溶湯上面から加圧して、水中に流下させて、得られた凝集球状化物を、回収・乾燥し分級して表示の粒径・ビッカース硬さの各実施例・比較例のショットを得た。

こうして得た各ショットを用いて、アルミホイール（ダイカスト品）（外径：４３．２ｍｍ、平均肉厚１０ｍｍ）を被加工物として、ブラスト装置（５ＨＰの遠心投射型）によって、ブラスト加工（バリ取り、スケール落とし）を行った。

そのときの、加工条件は、ショット投射速度：４５ｍ／ｓ、ショット投射量：５０ｋｇとした。

そして、下記各項目の評価を行った。

１）バリ取り：
目視により「バリ」が除去されたか否かを判断し、そのバリ取り完了時間による４段階評価を行った。

３０秒以内：◎、３０秒超６０秒以内：〇、６０秒超９０秒以内：△
９０秒以上：×
２）加工後色調：
被加工物の加工後表面における色調を目視により判定して下記基準により４段階評価を行った。なお、ブラスト加工前の被加工物の表面は、色調が銀白色で、鋳物スケールが付着している状態である。

全面が銀白色：◎、若干の銀白色：〇、若干の黒ずみ：△
全面が黒ずみ：×
３）表面状況：
加工後の被加工物の表面における研磨状況を総合的に判断するために、「スケール除去」、「面の荒れ」、「微細形状部の磨耗」及び「全体の磨耗・変形」を評価項目として、下記４段階評価を行った。

スケール除去（ＯＫ）、面の荒れ（無し）、微細形状部の磨耗（無し）、全体の磨耗・変形（無し）・・・◎
スケール除去（ＯＫ）、面の荒れ（若干有り）、微細形状部の磨耗（無し）、全体の磨耗・変形（無し）・・・〇
スケール除去（ＯＫ）、面の荒れ（有り）、微細形状部の磨耗（若干有り）、全体の磨耗・変形（無し）・・・△
スケール除去（ＯＫ）、面の荒れ（有り）、微細形状部の磨耗（有り）、全体の磨耗・変形（若干有り）・・・×
４）ショットの損耗：
ショットの投射時間を８ｈとし、ショットが損耗して微細化した量を測定して、下記基準のより４段階評価を行った。

０．０８ｋｇ／（ｈ・ＨＰ）以下：◎、
０．０８ｋｇ／（ｈ・ＨＰ）超０．０９ｋｇ／（ｈ・ＨＰ）以下：〇、
０．０９ｋｇ／（ｈ・ＨＰ）超０．１２ｋｇ／（ｈ・ＨＰ）以下：△
０．１２ｋｇ／（ｈ・ＨＰ）超：×
５）総合評価：
上記１〜４の各評価項目を総合判断して、４段階評価とした。

極めて良好：◎、良好：〇、やや不良：△、不良：×
それらの結果を示す表２から、下記のことが分かる。

１）銅又はマンガン単独では（比較例１・２）、銅比の高いものは、銅／マンガン合計添加量が同じ場合（実施例２：Ｃｕ／Ｍｎ＝４．０、Ｃｕ＋Ｍｎ＝２．５％）は勿論、合計添加量が少なくても（実施例１：Ｃｕ＋Ｍｎ＝１．５％）、それらより硬さの大きいショットが得られて、バリ取り性に優れて、かつ、色調変化もほとんどない。

なお、マンガン比が高い場合（比較例４：Ｃｕ／Ｍｎ＝０．６７）は、上記同様、合計添加量が同じ、銅比が高い場合に比して（実施例２：Ｃｕ／Ｍｎ＝４．０）、硬さが大きいものを得難く、加工後表面に黒ずみが発生し易いことが分かる。また、銅比が高くてもマンガン添加量が過少の場合（比較例３：Ｃｕ／Ｍｎ＝１０．０、Ｍｎ＝０．１％）、実用的な硬さのショットを得難く、所要のバリ取り性、良好な色調を得難い。

そして、同じ配合組成で、ショット硬さが同じ（１１０ＨＶ）でも、粒径が、従来と同様の適宜範囲（０．３〜４．０ｍｍ）の場合（実施例３−２〜３−５）、表面状況では◎では無いものの（〇）、他の項目は全て◎である。

なお、ショット粒径が過小（実施例３−１）の場合はバリ取り性において若干問題が発生するものの、被加工物によっては使用可能であると考えられる。逆に、ショット粒径が過大（実施例３−６）の場合は、加工後表面状況が良好でなく、ショット寿命も若干短いが、ブラスト条件（投射速度等）の変更及び被加工物の種類（硬さ）により実用使用可能と考えられる。

さらに、銅・マンガン合計添加量を増大して、ショット硬さが１８０ＨＶ近くの大きさとなると（実施例５）、ショット寿命が短くなる傾向になるが、上記同様、ブラスト条件、被加工物の種類の変更により、実用使用可能と考えられる。

Claims (6)

1. 亜鉛（Ｚｎ）基合金からなるショットにおいて、前記亜鉛基合金が、溶質金属としての銅（Ｃｕ）及びマンガン（Ｍｎ）を含有し、Ｃｕ＝０．８〜６％、Ｍｎ＝０．２〜５％、Ｃｕ＋Ｍｎ＝１．０〜１０．０％、かつ、Ｃｕ／Ｍｎ質量比＞１の関係を満たし、Ｚｎ＝残部である組成であって、ビッカース硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４４；以下同じ。）５５〜１８０ＨＶを示すものであることを特徴とする亜鉛基合金ショット。
2. Ｃｕ＝１．５〜４．０％、Ｍｎ＝１．０〜３．０％であることを特徴とする請求項１記載の亜鉛基合金ショット。
3. 前記Ｃｕ／Ｍｎ質量比＝１．５〜６であることを特徴とする請求項１又は２記載の亜鉛基合金ショット。
4. 前記Ｃｕ／Ｍｎ質量比＝２〜３であることを特徴とする請求項３記載の亜鉛基合金ショット。
5. 前記ビッカース硬さ６０〜１６０ＨＶを示すものであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の亜鉛基合金ショット。
6. 粒径が０．０５〜５．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の亜鉛基合金ショット。