JP7322611B2 - 亜鉛合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛合金及びその製造方法に関する。

亜鉛合金は、寸法精度が高く、衝撃にも強い性質を持つため、精密機器の部品、携帯電子機器の部品、玩具、自動車部品、建築金物、事務器具、アクセサリー等の構成材料として使用されている。

特許文献１には、高強度で、優れた靭性及び耐摩耗性を有する亜鉛合金として、Ｃａを０．００５重量％以上０．１重量％以下の範囲で含有し、Ｓｒを０．００５重量％以上０．１重量％以下の範囲で含有し、Ａｌ、Ｃｕ及びＭｇを、それぞれ所定の含有率で含有する亜鉛合金が記載されている。

特開２０１１－１６２８２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、硬さに優れる亜鉛合金を得ることについて、改善の余地が残されている。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬さに優れる亜鉛合金及びその製造方法を提供することである。

本発明の例示的な亜鉛合金は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａを、それぞれ以下に示す含有率で含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物である。前記Ａｌの含有率は３．５質量％以上４．３質量％以下である。前記Ｍｇの含有率は０．０２質量％以上０．０６質量％以下である。前記Ｓｒの含有率は０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。前記Ｃａの含有率は０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。

本発明の例示的な亜鉛合金の製造方法は、溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、注湯された前記溶湯を冷却する冷却工程とを備える。前記溶湯は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａを、それぞれ以下に示す含有率で含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物である。前記Ａｌの含有率は３．５質量％以上４．３質量％以下である。前記Ｍｇの含有率は０．０２質量％以上０．０６質量％以下である。前記Ｓｒの含有率は０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。前記Ｃａの含有率は０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。

例示的な本発明によれば、硬さに優れる亜鉛合金及びその製造方法を提供できる。

図１は、実施例１の亜鉛合金の走査型電子顕微鏡写真である。 図２は、比較例１の亜鉛合金の走査型電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合がある。

まず、本明細書中で使用される用語について説明する。亜鉛合金を構成する各元素の含有率（単位：質量％）は、亜鉛合金の全質量に対する各元素の含有率である。溶湯を構成する各元素の含有率（単位：質量％）は、溶湯の全質量に対する各元素の含有率である。また、溶湯を構成する各元素の含有率は、溶湯を冷却して得られた亜鉛合金を構成する各元素の含有率にそれぞれ等しい。

「硬さ」とは、ビッカース硬さ試験機で測定されるビッカース硬さ（単位：ＨＶ）を指す。

＜第１実施形態：亜鉛合金＞
第１実施形態に係る亜鉛合金は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａを、それぞれ以下に示す含有率で含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物である。

第１実施形態に係る亜鉛合金中のＡｌの含有率は、３．５質量％以上４．３質量％以下である。第１実施形態に係る亜鉛合金中のＭｇの含有率は、０．０２質量％以上０．０６質量％以下である。第１実施形態に係る亜鉛合金中のＳｒの含有率は、０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。第１実施形態に係る亜鉛合金中のＣａの含有率は、０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。

第１実施形態に係る亜鉛合金は、硬さに優れる。その理由は、以下のように推測される。

亜鉛合金は、一般に、初晶からなる相（以下、α相と記載することがある）と、共晶からなる相（以下、β相と記載することがある）とを有する。α相は、例えば、α－Ｚｎ相である。また、β相は、例えば、α－Ｚｎ相と、Ｚｎ及びＺｎ以外の金属を含む金属間化合物相とを有する。

第１実施形態に係る亜鉛合金は、Ｓｒを０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下の含有率で含有すると共に、Ｃａを０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下の含有率で含有するため、β相が細分化する。β相が細分化すると応力集中が抑制されるため、第１実施形態に係る亜鉛合金は、硬さに優れる。

第１実施形態に係る亜鉛合金は、例えば鋳造により得られる。第１実施形態に係る亜鉛合金を得るための鋳造法としては、特に限定されず、例えば、金型重力鋳造法、ダイカスト法、及び砂型鋳造法が挙げられる。なお、鋳造により得られた第１実施形態に係る亜鉛合金は、亜鉛合金製部材の構成材料として使用できる他、亜鉛合金製鋳物を製造するための原料として使用することもできる。

以下、第１実施形態に係る亜鉛合金の組成について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態に係る亜鉛合金を、特定亜鉛合金と記載することがある。

［Ａｌ（アルミニウム）］
特定亜鉛合金は、Ａｌを３．５質量％以上４．３質量％以下の含有率で含有する。Ａｌの含有率が３．５質量％以上４．３質量％以下であることにより、特定亜鉛合金の融点が低下するため、特定亜鉛合金の鋳造性が向上する。特定亜鉛合金の鋳造性をより向上させるためには、Ａｌの含有率は、３．７質量％以上４．１質量％以下であることが好ましく、３．８質量％以上４．０質量％以下であることがより好ましい。

［Ｍｇ（マグネシウム）］
特定亜鉛合金は、Ｍｇを０．０２質量％以上０．０６質量％以下の含有率で含有する。Ｍｇの含有率が０．０２質量％以上０．０６質量％以下であることにより、特定亜鉛合金の粒間腐食を抑制することができる。特定亜鉛合金の粒間腐食をより抑制するためには、Ｍｇの含有率は、０．０３質量％以上０．０５質量％以下であることが好ましい。

［Ｓｒ（ストロンチウム）及びＣａ（カルシウム）］
特定亜鉛合金は、Ｓｒを０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下の含有率で含有すると共に、Ｃａを０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下の含有率で含有する。Ｓｒの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、かつＣａの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であることにより、特定亜鉛合金のβ相が細分化する。

β相をより細分化して、硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、Ｓｒの含有率は、０．０００９質量％以上０．００４７質量％以下であることが好ましく、０．０００９質量％以上０．００４６質量％以下であることがより好ましい。

β相をより細分化して、硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、Ｃａの含有率は、０．０００９質量％以上０．００４７質量％以下であることが好ましく、０．００１０質量％以上０．００４６質量％以下であることがより好ましい。

β相を更に細分化して、硬さに更に優れる特定亜鉛合金を得るためには、ＳｒとＣａとの合計含有率は、０．００１８質量％以上０．００９３質量％以下であることが好ましく、０．００１９質量％以上０．００９２質量％以下であることがより好ましく、０．００２０質量％以上０．００９１質量％以下であることが更に好ましい。

また、β相を更に細分化して、硬さに更に優れる特定亜鉛合金を得るためには、Ｓｒの含有率に対するＣａの含有率の比（Ｃａの含有率／Ｓｒの含有率）は、０．９９以上１．１３以下であることが好ましい。

β相をより一層細分化して、硬さにより一層優れる特定亜鉛合金を得るためには、ＳｒとＣａとの合計含有率が０．００２０質量％以上０．００９１質量％以下であり、かつＳｒの含有率に対するＣａの含有率の比（Ｃａの含有率／Ｓｒの含有率）が０．９９以上１．１３以下であることが好ましい。

［Ｚｎ（亜鉛）及び不可避不純物］
特定亜鉛合金は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａ以外の残部がＺｎ及び不可避不純物である。Ｚｎは、特定亜鉛合金中に質量基準で最も多く含まれる成分である。不可避不純物としては、例えば、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｂ（鉛）、Ｃｄ（カドミウム）及びＳｎ（スズ）が挙げられる。硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、不可避不純物の含有量が少ないほど好ましい。硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、不可避不純物としてのＣｕの含有率は、０．２５質量％以下であることが好ましい。硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、不可避不純物としてのＦｅの含有率は、０．１０質量％以下であることが好ましい。硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、不可避不純物としてのＰｂの含有率は、０．００５質量％以下であることが好ましい。硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、不可避不純物としてのＣｄの含有率は、０．００４質量％以下であることが好ましい。硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、不可避不純物としてのＳｎの含有率は、０．００３質量％以下であることが好ましい。

また、特定亜鉛合金が、不可避不純物として、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｃｄ及びＳｎ以外の成分（他の不可避不純物）を含む場合、硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、他の不可避不純物の合計含有率は、０．０１質量％以下であることが好ましい。

＜第２実施形態：亜鉛合金の製造方法＞
次に、第２実施形態に係る亜鉛合金の製造方法について説明する。なお、以下において、第１実施形態の説明と重複する内容については、説明を省略する場合がある。

第２実施形態に係る亜鉛合金の製造方法は、溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、注湯された溶湯を冷却する冷却工程とを備える。溶湯は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａを、それぞれ以下に示す含有率で含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物である。

溶湯中のＡｌの含有率は、３．５質量％以上４．３質量％以下である。溶湯中のＭｇの含有率は、０．０２質量％以上０．０６質量％以下である。溶湯中のＳｒの含有率は、０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。溶湯中のＣａの含有率は、０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下である。

溶湯中の各元素の好ましい含有率は、上述した特定亜鉛合金中の各元素の好ましい含有率にそれぞれ等しい。また、溶湯中のＳｒとＣａとの好ましい合計含有率、及び溶湯中のＳｒとＣａとの好ましい含有率比（Ｃａの含有率／Ｓｒの含有率）についても、上述した特定亜鉛合金中のＳｒとＣａとの好ましい合計含有率、及び特定亜鉛合金中のＳｒとＣａとの好ましい含有率比（Ｃａの含有率／Ｓｒの含有率）にそれぞれ等しい。

第２実施形態に係る亜鉛合金の製造方法によれば、第１実施形態に係る亜鉛合金（特定亜鉛合金）を容易に製造できる。

また、第２実施形態に係る亜鉛合金の製造方法は、注湯工程及び冷却工程以外に、後述する他の工程を更に備えてもよい。以下、第２実施形態に係る製造方法が備える各工程について説明する。

［注湯工程］
注湯工程では、溶湯を鋳型に注湯する。溶湯は、亜鉛合金の各原料を溶解させることにより得られる。溶湯を得る際は、各原料を、目的の特定亜鉛合金の成分組成となる比率で使用する。原料を均一に溶解させるためには、溶湯を得る際の原料の加熱温度は、５００℃以上６００℃以下であることが好ましい。また、原料の加熱温度が５００℃以上６００℃以下である場合、得られる溶湯の温度を、後述する好ましい注湯温度に容易に調整できる。

原料を均一に溶解させるためには、溶湯を得る際の原料の加熱時間は、２時間以上４時間以下であることが好ましい。

β相をより細分化して、硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、注湯工程における注湯温度（注湯時の溶湯の温度）は、４９０℃以上５１０℃以下であることが好ましく、４９３℃以上５０７℃以下であることがより好ましく、４９５℃以上５０５℃以下であることが更に好ましい。注湯温度は、溶湯を得る際の加熱温度、及び加熱された状態の溶湯（例えば、温度が５００℃以上６００℃以下の溶湯）を鋳型に注湯するまでの時間の少なくとも一方を変更することにより調整できる。

［冷却工程］
冷却工程では、注湯された溶湯を冷却する。溶湯を冷却することにより、溶湯が凝固し、その結果、特定亜鉛合金が得られる。溶湯の冷却方法としては、例えば、鋳型からの放熱を利用して冷却（自然冷却）する方法、空冷（強制空冷）及び水冷が挙げられる。

β相をより細分化して、硬さにより優れる特定亜鉛合金を得るためには、冷却工程において、１０℃／秒以上１００℃／秒以下の冷却速度（溶湯の温度の降下速度）で溶湯を冷却することが好ましい。

溶湯を自然冷却で冷却する場合、冷却速度は、鋳型の材質を変更することにより調整できる。例えば、鋳型として、熱伝導率が高い金属（より具体的には、銅等）から形成された金型を使用すると、冷却速度が速くなる。

［他の工程］
第２実施形態に係る亜鉛合金の製造方法は、上述した注湯工程及び冷却工程以外に、他の工程を更に備えてもよい。他の工程としては、例えば、冷却工程で得られた凝固物を熱処理する工程（熱処理工程）が挙げられる。第２実施形態に係る亜鉛合金の製造方法が熱処理工程を更に備えると、寸法安定性に優れる特定亜鉛合金が得られる。寸法安定性により優れる特定亜鉛合金を得るためには、熱処理温度としては、９５℃以上１０５℃以下が好ましい。寸法安定性により優れる特定亜鉛合金を得るためには、熱処理時間としては、１５時間以上２０時間以下が好ましい。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例の範囲に何ら限定されるものではない。なお、亜鉛合金を構成する各元素の含有率は、含有率０．１質量％以上の元素については蛍光Ｘ線分析装置（日本電子株式会社製「ＪＳＸ－３２０２ＥＶ」）を用いて測定し、含有率０．１質量％未満の元素については誘導結合プラズマ質量分析装置（アジレント・テクノロジー株式会社製「７５００ｃｅ」）を用いて測定した。また、溶湯の温度は、Ｋ熱電対を用いて測定した。

＜亜鉛合金の作製＞
以下、亜鉛合金Ａ１～Ａ４及びＢ１～Ｂ１５の作製方法について説明する。

［亜鉛合金Ａ１の作製］
原料として、塊状亜鉛、塊状アルミニウム、塊状マグネシウム、塊状ストロンチウム及び塊状カルシウムを用い、金型重力鋳造法により亜鉛合金Ａ１を作製した。詳しくは、まず、後述する表１に示す亜鉛合金Ａ１の成分組成となる比率で合計質量が３ｋｇになるように各原料を秤量した。次いで、黒鉛製の坩堝に秤量した各原料を入れた後、５６５℃±５℃の雰囲気温度の恒温槽中で原料を３時間加熱することにより、原料を溶解させて溶湯を得た。

次いで、あらかじめ１００℃に余熱した銅製の鋳型（内容積：５０ｍＬ）に、得られた溶湯を注湯した（注湯工程）。注湯工程における注湯温度は、４９５℃以上５０５℃以下の範囲内であった。

次いで、鋳型の放熱を利用して、鋳型に注湯された溶湯を自然冷却し、溶湯を凝固させることにより亜鉛合金Ａ１を得た（冷却工程）。冷却工程における冷却速度は、１０℃／秒以上１００℃／秒以下の範囲内であった。

次いで、得られた亜鉛合金Ａ１を、その温度が２５℃になるまで水冷した後、水冷された亜鉛合金Ａ１から、切断機で１０ｍｍ×１２ｍｍ×４５ｍｍのサイズの直方体状合金片を切り出した。次いで、切り出された直方体状合金片を、１００℃の温度に設定したオイルバス中に入れて、１５時間熱処理した（熱処理工程）。次いで、熱処理された直方体状合金片を、その温度が２５℃になるまで空冷した後、直方体状合金片の表面に付着したオイルを拭き取って、試験用の合金片（試験片）を得た。

［亜鉛合金Ａ２～Ａ４及びＢ１～Ｂ１５の作製］
後述する表１に示す各亜鉛合金の成分組成となる比率で合計質量が３ｋｇになるように各原料を秤量したこと以外は、亜鉛合金Ａ１の作製方法と同じ方法で、亜鉛合金Ａ２～Ａ４及びＢ１～Ｂ１５をそれぞれ得た。得られた亜鉛合金Ａ２～Ａ４及びＢ１～Ｂ１５を用いて、亜鉛合金Ａ１の試験片を得る方法と同じ方法で、亜鉛合金Ａ２～Ａ４及びＢ１～Ｂ１５の試験片をそれぞれ得た。

＜硬さの評価＞
［評価方法］
ビッカース硬さ試験機（株式会社ミツトヨ製「ＭＶＫ－２００」）を用いて、試験片（亜鉛合金Ａ１～Ａ４及びＢ１～Ｂ１５の試験片のいずれか）のビッカース硬さを測定した。測定条件は、以下のとおりであった。

（ビッカース硬さの測定条件）
雰囲気温度：２５℃
ダイヤモンド圧子の荷重：５００ｇｆ
圧下時間（５００ｇｆの荷重を加えた時間）：１０秒
測定箇所数：７箇所

（評価基準）
得られた７箇所のビッカース硬さの測定値のうち、最大値及び最小値を除いた５箇所のビッカース硬さの測定値の算術平均値を算出し、得られた算術平均値を評価値（後述する表１に示すビッカース硬さ）とした。評価値が７８．３ＨＶ以上（亜鉛合金Ｂ１の評価値の１．０５倍以上）である場合、「硬さに優れている」と評価した。一方、評価値が７８．３ＨＶ未満である場合、「硬さに優れていない」と評価した。

［評価結果］
亜鉛合金Ａ１～Ａ４（実施例１～４）、及び亜鉛合金Ｂ１～Ｂ１５（比較例１～１５）のそれぞれについて、成分組成（各元素の含有率）及びビッカース硬さ（評価値）を、表１に示す。

表１に示すように、亜鉛合金Ａ１～Ａ４は、Ａｌの含有率が３．５質量％以上４．３質量％以下であり、Ｍｇの含有率が０．０２質量％以上０．０６質量％以下であり、Ｓｒの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、Ｃａの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、残部がＺｎ及び不可避不純物であった。

表１に示すように、亜鉛合金Ａ１～Ａ４では、ビッカース硬さ（評価値）が７８．３ＨＶ以上であった。よって、亜鉛合金Ａ１～Ａ４は、硬さに優れていた。

表１に示すように、亜鉛合金Ｂ１では、Ｓｒの含有率が０．０００８質量％未満であり、かつＣａの含有率が０．０００８質量％未満であった。亜鉛合金Ｂ２～Ｂ５では、Ｃａの含有率が０．０００８質量％未満であった。亜鉛合金Ｂ６及びＢ７では、Ｓｒの含有率が０．００４８質量％を超えており、かつＣａの含有率が０．０００８質量％未満であった。亜鉛合金Ｂ８～Ｂ１１では、Ｓｒの含有率が０．０００８質量％未満であった。亜鉛合金Ｂ１２及びＢ１３では、Ｓｒの含有率が０．０００８質量％未満であり、かつＣａの含有率が０．００４８質量％を超えていた。亜鉛合金Ｂ１４及びＢ１５では、Ｓｒの含有率が０．００４８質量％を超えており、かつＣａの含有率が０．００４８質量％を超えていた。

表１に示すように、亜鉛合金Ｂ１～Ｂ１５では、ビッカース硬さ（評価値）が７８．３ＨＶ未満であった。よって、亜鉛合金Ｂ１～Ｂ１５は、硬さに優れていなかった。

＜顕微鏡による観察＞
亜鉛合金Ａ１及びＢ１の上記ビッカース硬さの評価に用いた試験片を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子株式会社製「ＪＳＭ－６７００Ｆ」）により観察した。詳しくは、試験片（亜鉛合金Ａ１及びＢ１の試験片のいずれか）の表面のうち、ビッカース硬さの測定に使用しなかった面を、サンドペーパー（♯８０、♯５００及び♯１２００）で研磨した後、ダイヤモンドスラリー（粒径：０．１μｍ）で研磨した。次いで、試験片の研磨した面を、硝酸のエタノール溶液（硝酸の濃度：１容量％）でエッチングした。次いで、試験片のエッチングした面を、上記走査型電子顕微鏡により観察し、撮像した。

図１に、亜鉛合金Ａ１のβ相のＳＥＭ写真（二次電子像）を示す。また、図２に、亜鉛合金Ｂ１のβ相のＳＥＭ写真（二次電子像）を示す。図１と図２との比較から、亜鉛合金Ａ１のβ相が亜鉛合金Ｂ１のβ相よりも細分化していたことが確認された。

本発明に係る亜鉛合金は、精密機器の部品、携帯電子機器の部品、玩具、自動車部品、建築金物、事務器具又はアクセサリーの構成材料として有用である。また、本発明に係る亜鉛合金の製造方法は、精密機器の部品、携帯電子機器の部品、玩具、自動車部品、建築金物、事務器具又はアクセサリーの構成材料の製造方法として有用である。

Claims (5)

1. Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａを含有し、
   前記Ａｌの含有率が３．５質量％以上４．３質量％以下であり、
   前記Ｍｇの含有率が０．０２質量％以上０．０６質量％以下であり、
   前記Ｓｒの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、
   前記Ｃａの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、
   残部がＺｎ及び不可避不純物である、亜鉛合金。
2. 前記Ｓｒと前記Ｃａとの合計含有率は、０．００１８質量％以上０．００９３質量％以下である、請求項１に記載の亜鉛合金。
3. 溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、
   注湯された前記溶湯を冷却する冷却工程と
   を備え、
   前記溶湯は、
   Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＣａを含有し、
   前記Ａｌの含有率が３．５質量％以上４．３質量％以下であり、
   前記Ｍｇの含有率が０．０２質量％以上０．０６質量％以下であり、
   前記Ｓｒの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、
   前記Ｃａの含有率が０．０００８質量％以上０．００４８質量％以下であり、
   残部がＺｎ及び不可避不純物である、亜鉛合金の製造方法。
4. 前記冷却工程において、１０℃／秒以上１００℃／秒以下の冷却速度で前記溶湯を冷却する、請求項３に記載の亜鉛合金の製造方法。
5. 前記注湯工程における注湯温度は、４９０℃以上５１０℃以下である、請求項３又は４に記載の亜鉛合金の製造方法。