JPH0788551B2 - 鋳造用亜鉛基合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は鋳造性に優れるとともに機械的強度が高くピン
ホールの少ない鋳物を得ることができる鋳造用亜鉛基合
金に関する。

＜従来の技術＞ 例えば自動車部品等のプラスチック成型品を製作する場
合には試作品を作るための試作金型と製品を量産するた
めの本型とが使用される。そして、通常、本型として
は、鍛造した大型鋼材ブロックを切削加工及び研削加工
して得られる鉄基金型が用いられている。このような鉄
基金型は数十万ショットにも耐え得る程高強度であるが
納期が長く、高価格であった。一方、試作金型は強度が
程々でも短期間で製作できて安価であるという条件か
ら、砂型鋳造した亜鉛基金型が用いられている。この亜
鉛基金型は鋳造性の良い亜鉛基合金を用いて切削加工の
ほとんどいらない最終形状に近い形に砂型鋳造し、これ
に仕上研磨を施すことにより製作されている。そして、
現在ではこのような亜鉛基金型のほとんどはZAS合金
（商品名:Al3.9〜4.3％、Cu2.5〜3.5％、Mg0.03〜0.06
％、残Zn）で製作されていた。すなわち、ZAS合金はパ
ターン再現性の良さ、溶解鋳造のしやすさ、機械的強度
の点で他の合金より優れていた。

＜発明が解決しようとする問題点＞ ところが、近年、多品種少量生産が指向されるようにな
ると、製品１個当りの金型代の負担割合が大きくなるの
で、前述した鋼製の本型では高価格すぎるという問題が
生じてきた。そこで従来試作金型として使用していたZA
S合金製の金型を本型として使用しようという試みはあ
るが、やはり、やや強度不足の上、試作品ではほとんど
問題とならないような鋳物表面のピンホールが問題視さ
れている。

本発明はこのような事情に鑑み、鋳造温度の低さ及びパ
ターン再現性の良さ等のZAS合金の長所を有したまま強
度向上を図り且つピンホールの発生を抑えた鋳造用亜鉛
基合金を提供することを目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明者らは前記目的を達成するために種種検討を重ね
た結果、前記ZAS合金をベースにしてこれにCoを添加す
ると強度が向上するとともに鋳物のピンホールで減少
し、５万ショット以上の射出成型にも耐えうる金型を製
作することができる合金となることを知見した。

かかる知見に基づく本発明の構成は、Alが３〜５重量
％、Cuが2.5〜７重量％、Mgが0.01〜0.3重量％、Coが0.
4重量％以下であり、残部が不可避不純物及びZnからな
ることを特徴とする。

本発明にかかる合金中、Al成分は合金の強度の向上と凝
固点の低下及び溶湯の流動性の向上に対して有効であ
る。一方、AlはZn合金溶湯中で重力偏析を起こして鋳物
の上下における成分のバラツキが生じ易くなるので、鋳
造から凝固まで３時間以上かかる大型鋳物にはAlの多い
合金は適用しにくい。また、鋳物の表面に発生するピン
ホールは表面近傍の大きな共晶の先進粒界に発生するこ
とが多いが、Alの量を下げることによりピンホールの発
生頻度が減少する。このような種々の条件によりAlの含
有量は定められる。すなわち、Alが３％未満では強度、
凝固点及び溶湯の流動性の面で不十分となり、Alが５％
を超えると重力偏析及びピンホールが生じ易くなり、共
に好ましくない。

一方、Cu成分はZnと金属間化合物であるε相（CuZn₅）
を作り、合金中に一様に分布し、合金の強度（抗張力）
を顕著に上昇させる作用をする。しかしCu量が多くなる
と合金の凝固開始点が高くなって凝固終了温度（380
℃）までの温度差が大きくなる。つまり、Cuが多くなる
と合金の凝固温度範囲が広くなって溶湯の流動性が低下
するので、一定の流動性を保つためには溶湯温度を上げ
る必要が生じる。このようにCuの含有量は鋳造のし易さ
と強度との関係で決定される。すなわち、Cuが2.5％未
満では強度が不十分となり、Cuが７％を超えると作業性
が低下し、共に好ましくない。

また、Mg成分はAlを含むZn合金に生じ易い粒間腐食を防
止する作用を有するとともに硬度を上昇させる効果を有
する。一方、後の試験例でも示すように0.2％を超える
と衝撃値の低下を生じる。よって、Mgの実用範囲は0.01
〜0.3％、好ましい範囲は0.02〜0.2％となる。

本発明の合金におけるCo成分は溶湯中でAlと共存してAl
₉Co₂なる化合物を作ってZn−Al−Cuの三元共晶中に存在
すると考えられる。このCoは鋳物表面のピンホールを減
少させるとともに、抗張力及び伸びを向上させるという
特異的作用を有する。Coがピンホール発生を抑制する機
構は明らかではないが、Co添加により共晶組織が微細化
されて大きな共晶が減り、これにより大きな共晶同志の
境界に発生しやすいピンホールが抑制されるのではない
かと思われる。また、ピンホール性を減少させるととも
に抗張力を向上させる効果は、後述するようにCoを最低
0.02％程度添加すればかなり顕著に現われる。さらに、
Coの0.1％までの添加では流動性を向上させる効果も得
られる。なお、この流動性向上の効果は0.05％添加のと
きに最大となる。しかしながら、後の試験例でも示すよ
うに、Coの添加により衝撃値が低下することになる。以
上の諸条件及びCoが高価であることを考え併せると、Co
は実用上最大0.4％、好ましくは0.3％以下含有させるの
が望ましい。

本発明にかかる合金は例えば溶湯温度420〜520℃で鋳造
した金型の100℃での強度が28kgf/mm²となり、５万ショ
ット以上の射出成型が可能となる。また、このときピン
ホール数の大幅に低減しており、ZAS合金に比べて50％
以上減少している。

以下に試験例を示す。

＜試 験 例＞ 黒鉛ルツボにて、ベースとしての電気亜鉛（Zn）に所要
量のAl,Cu,Mg,Coをそれぞれ母合金で添加し、溶解す
る。この溶湯を350℃に加熱した金型に鋳造し、直径16m
mで長さ200mm及び10mm角で長さ200mmの試験片用鋳物を
作った。ここで金型を350℃に加熱する理由は合金の冷
却速度を実際の砂型による大型鋳塊の冷却速度に近似さ
せるためである。

このようにして得た試験片用鋳物から引張試験片、衝撃
試験片等の試験片を作製し、以下の試験を行った。

各種合金の成分及び試験結果を第１表及び第１図〜第４
図に示す。なお、各試験の特性値は射出成形の際の金型
の温度に近い100℃のときの値である。

引張試験： インストロン引張試験機による 条件：標点間50mm、引張速度10cm/min,100℃ 衝撃値： シャルピー衝撃試験機による 試験断面 10mm角，ノッチなし 流動量試験： 所定の成分の溶湯を500℃において十分撹拌し、この溶
湯の中に外径6mmφ，内径4mmφのガラス管の一端を挿入
し且つ他端から240mmHgの外圧を加え、このときガラス
管内に流入して固化した金属の重量を測定し、流動量と
する。

最適鋳造温度： 流動量が18g以上を示す温度域の下限近傍とする。物理
的には溶湯を高温から冷却し、初晶が析出する温度から
約40℃上が最適鋳造温度となる。

ピンホール性： 金属組織中の共晶組織が大きく発達するほどピンホール
が出やすいので、共晶組織の大きさによりピンホールの
出やすさを判定した。

試験No.1〜８（第１図）から明らかなように、Coを添加
していくと強さ（抗張力）が増大し、0.3％を超えると
下降線をたどる。一方、Coの添加に伴ない衝撃力を低下
し、0.3％以上で下降の割合が大きくなる。また、ピン
ホールの減少効果及び抗張力の増大の効果はCoを0.02％
添加した試験No.3以降において顕著であった。

試験No.9〜13（第２図）からはAlの添加量が大きいほど
抗張力が大きくなるのが認められる。しかしながら、Al
をあまり多くすると偏析が生じやすくなるとともにピン
ホールが発生しやすくなる。

試験No.14〜18（第３図）からはCuの添加量が大きいほ
ど抗張力が増大するが逆に流入量が小さくなることが認
められる。

試験No.19〜24（第４図）からはMgの添加量が大きくな
ると衝撃値が低下するのが認められる。なお、Mg無添加
のものは耐粒間腐食性が悪く使用できない。

以上、試験例には代表的なものを挙げて説明したが、他
の配合割合にて各成分を変化させても同様の結果が得ら
れた。

＜発明の効果＞ 本発明にかかる合金は従来鋳造金型に用いられていたZA
S合金と同様にパターン再現性が良く、溶解鋳造しやす
いという性質を有するとともに、ZAS合金よりも機械的
強度が大きく且つピンホールの発生頻度が小さくなると
いう性質を有する。よって、本発明の合金で鋳造金型を
製造すると５万ショット以上の射出成型が可能で且つピ
ンホールも半減しているので、多品種少量生産用の本型
として十分使用できるものであり、鋼製の金型と比較し
て納期及び価格を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の試験結果を示すグラフであ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Alが３〜５重量％、Cuが2.5〜７重量％、M
   gが0.01〜0.3重量％、Coが0.4重量％以下であり、残部
   が不可避不純物及びZnからなることを特徴とする鋳造用
   亜鉛基合金。