JPH10140307A

JPH10140307A - Ｚｎ合金の熱処理方法

Info

Publication number: JPH10140307A
Application number: JP8312993A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Suzuki; 延明鈴木; Shigenori Yamada; 茂則山田; Masahiro Takahashi; 昌博高橋
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】金型や低融点金属中子として用いるＺｎ系合
金の切削性、耐衝撃性、寸法安定性を向上させるための
熱処理方法、及び、Ｚｎ系合金からなるはんだを用いて
アルミニウム合金を接合する場合に、その接合部の接合
強度の経時的変化を抑えると共に、接合部の靭性を向上
させて、耐衝撃性を高めるための熱処理方法を提供す
る。【解決手段】Ｚｎ−Ａｌ系合金、特に８８〜９９重量
％のＺｎ、０．５〜６重量％のＡｌ、０．５〜４重量％
のＭｇ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．０重量％の
その他の元素からなるＺｎ合金を、共析変態点よりも高
く、該Ｚｎ合金よりも低い温度で、２０分以上加熱した
後、０．１〜１０℃／分の速度で徐冷するか、または、
１００℃以上、該共析変態点以下の温度で、３時間以上
加熱した後、空中放冷する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレス金型や低融
点金属中子、あるいはアルミニウム用はんだの材料とし
て用いられるＺｎ（亜鉛）合金の諸特性を向上させるた
めの熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】亜鉛合金を熱処理する技術としては、Ｚ
ｎ合金（ＪＩＳＨ５３０１に示される、Ｍｇの含有率
が０．０６重量％以下のＺＤＣ１やＺＤＣ２）からなる
ダイカストの製品に、１００℃で３〜１０時間の安定化
処理を施すことが知られている。一方、これらＺＤＣ１
やＺＤＣ２のＺｎ合金よりも高い含有率でＭｇを含むＺ
ｎ合金に関し、金型等の用途における寸法安定性等の向
上、あるいはアルミニウム合金の接合における接合強度
の安定性等の向上のために、鋳造後に熱処理する技術に
ついては、報告されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、樹脂
の射出成形用金型や低融点金属中子として用いられるＺ
ｎ合金の硬度の増大及び寸法の経時的変化を抑制し、切
削性、寸法安定性、耐衝撃性を向上させることにある。
また、本発明の他の目的は、Ｚｎ−Ａｌ系アルミニウム
用はんだを用いてアルミニウム合金の接合を行なう場合
に、接合部の接合強度の経時的変化を抑えて安定化させ
ると共に、接合部の靭性を向上させて、耐衝撃性を高め
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のＺｎ合
金の熱処理方法は、８８〜９９重量％のＺｎ、０．５〜
６重量％のＡｌ、０．５〜４重量％のＭｇ、０〜１．５
重量％のＣｕ、０〜１．０重量％のその他の元素からな
るＺｎ合金を、共析変態点よりも高く、融点よりも低い
温度で、２０分以上加熱した後、０．１〜１０℃／分の
速度で徐冷するか、または、１００℃以上、共析変態点
以下の温度で、３時間以上加熱した後、空中放冷するこ
とを特徴とする。請求項２に記載のＺｎ合金を用いた接
合部材の熱処理方法は、８８〜９９重量％のＺｎ、０．
５〜６重量％のＡｌ、０．５〜４重量％のＭｇ、０〜
１．５重量％のＣｕ、０〜１．０重量％のその他の元素
からなるＺｎ合金をはんだに用いて接合した接合部材
を、該Ｚｎ合金の共析変態点よりも高く、融点よりも低
い温度で、２０分以上加熱した後、０．１〜１０℃／分
の速度で徐冷するか、または、１００℃以上、共析変態
点以下の温度で、３時間以上加熱した後、空中放冷する
ことを特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明で用いるＺｎ合金として
は、８８〜９９重量％のＺｎ、０．５〜６重量％のＡ
ｌ、０．５〜４重量％のＭｇ、０〜１．５重量％のＣ
ｕ、０〜１．０重量％のその他の元素からなる合金を挙
げることができる。この合金は、高強度及び高硬度を有
するプレス金型用Ｚｎ合金、鋳物用低融点金属中子に用
いるダイカスト用Ｚｎ合金、及び超音波はんだ付け法を
用いて行われるアルミニウムダイカスト鋳物の接合にお
いて用いられるはんだ用Ｚｎ合金として、本発明者らが
開発したものである。この合金の成分組成について説明
すると、次の通りである。

【０００６】０．５〜６重量％のＡｌを添加することに
よって、凝固開始温度を下げることができる。Ａｌの添
加量が６重量％を超えると、凝固開始温度は徐々に高く
なり、凝固区間も長くなる。０．５〜４重量％のＭｇを
添加することによって、はんだの融点を低下させ、ま
た、不純物、特にＰｂやＳｎが混入した時に懸念される
粒界腐食を抑制することができる。Ｍｇの添加量が０．
５重量％未満では、目的とする融点のはんだを得ること
ができず、逆に４重量％を超えると、溶融時の酸化物
（滓）の発生が著しくなって、材料の歩留まりを低下さ
せるばかりか、はんだが著しく脆化して実用に供し得な
い。

【０００７】１．５重量％以下のＣｕを添加することに
よって、合金を強化することができる。Ｃｕの添加量が
１．５重量％を超えると、高融点の初晶を招き、結果的
にはんだの融点を下げることができなくなる。上記その
他の元素としては、地金中に含まれる不純物のＳｎ、Ｃ
ｄ、Ｐｂ、Ｆｅ等を挙げることができる。これらの元素
は、合金の融点を下げる効果を示すものの、著しく粒界
腐食を招くおそれがあるため、含有率の小さい方が好ま
しい。

【０００８】このＺｎ合金は、次のようにして製造され
る。まず、高純度Ｚｎ地金（純度９９．９９％以上）と
純Ａｌ地金（純度９９．９％以上）を所定の比率で秤量
した後、Ａｌの融点付近（約６６０℃）の温度に加熱し
て、Ｚｎ−Ａｌ合金を溶製する。次に、溶湯が約４５０
℃付近にまで降温してから、純Ｍｇ塊（純度９９．９９
％）を溶湯中に添加して溶解させ、当温度に３０分位保
持した後、インゴットケースに出湯して、目的とするＺ
ｎ合金はんだのインゴットを得る。Ｃｕを添加したい場
合は、純Ａｌに替えて、Ａｌ−Ｃｕ合金と純Ａｌとを使
用し、目標組成に秤量して上述の方法と同様にして溶製
する。

【０００９】アルミニウムの接合に用いるはんだ用Ｚｎ
合金としては、上述の組成の合金の他に、代表的なもの
として、Ｚｎ−Ａｌ系合金、例えば、ＪＩＳＺ３２８
１に示すＡＨ−Ｚ９５Ａ等を挙げることができる。

【００１０】本発明における共析変態点について、Ｚｎ
−４Ａｌ合金（４重量％のＡｌと残部のＺｎからなるこ
とを表す。以下、同じ。）を例に取り、以下、説明す
る。図１のように、この合金は、３９０℃付近から凝固
を開始し、少量のＡｌを固溶したＺｎ固溶体を晶出し、
３８２℃でα＋βの共晶（βは１７．２重量％のＡｌを
含む固溶体）となる。ところが、β相は、２７５℃で共
析変態を起こして、α＋β’（β’は６８．４重量％の
Ａｌを含む固溶体）に分解する。このときの温度（２７
５℃）、すなわちβからβ’に移行する温度を共析変態
点という。さらに温度が下がると、β’はαを析出し
て、常温ではＡｌを約９２重量％も含む固溶体となる。

【００１１】このような変化は、合金が極めて徐冷され
た場合であり、薄肉のダイカスト鋳物や薄肉のアルミニ
ウム同士の接合の場合のように、Ｚｎ合金からなるはん
だも急冷される場合には、凝固後起こるべき全ての変化
は、阻止されてしまう。その結果、Ｚｎ合金は、常温放
置中にその内部組織が徐々に変化し、それに伴って、Ｚ
ｎ合金の諸性質も、時間と共に徐々に変化する。この現
象は、時効現象またはエイジング（ａｇｅｉｎｇ）と呼
ばれる。常温での時効現象の例を図２に示す。この現象
は、共析組成のＺｎ−２２Ａｌ合金において最も著しく
なる。しかし、図３に示すように、微量のＭｇを添加す
ることによって、この現象を抑えることができる。

【００１２】ところが、本発明で用いるＺｎ合金は、比
較的多量のＭｇを含有するため、焼き入れをすると、硬
さ及びおそらく寸法についても、経時的な変化が生じて
しまう。このため、本発明で用いるＺｎ合金を金型や中
子の材料として採用することには少々難点があり、ま
た、超音波接合のはんだとして用いたとしても、接合強
度に経時的な変化が生じるなどの不都合がある。そこ
で、これらの欠点を解消するために、Ｚｎ合金の凝固後
に、共析変態点（２４０〜３００℃）よりも高く、融点
（３３５〜３８０℃）よりも低い温度で、２０分以上加
熱した後、０．１〜１０℃／分の速度で徐冷するか、ま
たは、１００℃以上、共析変態点以下の温度で、３時間
以上加熱した後、空中放冷する。

【００１３】ここで、共析変態点よりも高く、融点より
も低い温度で加熱する場合の加熱時間は、２０分以上、
好ましくは１時間以上である。ただし、３００〜３８０
℃で加熱した場合、加熱時間は、２０分〜２時間とし、
加熱後、０．１〜１０℃／分の速度で徐冷する。徐冷の
方法としては、例えば、炉冷を挙げることができる。共
析変態点よりも高い温度で加熱する代わりに、１００℃
以上で共析変態点以下の温度、一般的には１００〜２２
０℃、好ましくは１５０〜２００℃、特に好ましくは１
６０〜１９０℃の温度で加熱してもよい。この場合、加
熱時間は、３時間以上、好ましくは５時間以上である。
加熱後、空中放冷する。

【００１４】

【実施例】実施例１本発明者は、焼き入れをしたＺｎ合金の物性の変化の原
因が、βからβ’への移行時の非平衡にあると考え、以
下の実験を行った。まず、Ｚｎ−４．１Ａｌ−１．８Ｍ
ｇ合金の共析変態点を示差熱分析（ＤＳＣ）で調べた。
これによれば、図４に示すように、２９３．７℃付近か
らβ’相が析出し始め、２８４．１℃に共析変態点をも
つことが分かった。このため、水焼き入れされた該Ｚｎ
合金を、共析変態点よりも低く、室温放置時よりも時効
がすみやかに進行する温度（１８０℃）に６時間保持し
た後、炉内より取り出して空中放冷した。熱処理後の経
過時間とロックウェル硬さとの関係を調べたところ、図
５に示す結果が得られた。図５から、熱処理後のロック
ウェル硬さの経時的変化が少なく、極めて安定した硬さ
が得られることがわかる。

【００１５】実施例２一方、水焼き入れされた上記Ｚｎ合金を、共析変態点よ
りも高く、融点よりも低い温度（３００℃）に１時間保
持した後、炉冷によって１℃／分の速度で降温（炉冷）
させた。、結果は、図５に示す通りであり、硬さの変動
（寸法変化）が小さくなることがわかった。比較例１水焼き入れしただけの上記Ｚｎ合金を室温に放置した結
果を図５に示す。

【００１６】実施例３、４、比較例２Ｚｎ−４．１Ａｌ−１．８Ｍｇ合金の代わりにＺｎ−
３．６Ａｌ−１．６Ｍｇ合金を用いた他は、実施例１と
同様にして実験を行なった。その結果を図５に示す。実
施例３は、１８０℃で６時間加熱した例であり、実施例
４は、３００℃で１時間加熱した例であり、比較例２
は、水焼き入れのみの例である。以上の実施例３、実施
例４、比較例２について、それらの機械的性質の変化を
表１に示す。表１から明らかなように、実施例３では、
比較例２と比べて、引張強度の変化がほとんどなく、伸
びが改善され、硬さが低下し、切削されやすくなってい
る。また、実施例４では、引張強さが低下するが、伸び
が改善され、靭性と切削性が特に改善されている。

【００１７】

【表１】

【００１８】次に、本発明の熱処理によって得られる合
金の顕微鏡写真を説明する。図６の顕微鏡写真は、Ｚｎ
−３．６Ａｌ−１．６Ｍｇ合金を４００℃で溶解後、金
型に鋳造して急冷した直後のものを５％ナイタールで腐
食させたものである。白色の部分がα相、灰色の部分が
β’相、粒状の部分がＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ３元共晶物と思
われる。ここで、β’相は、アルミニウムを多く含む金
属間化合物であるため硬く、これが広範に多く晶出して
いるため硬くて脆くなり易い。

【００１９】これを３００℃に１時間保持した後、徐冷
したものが図７の顕微鏡写真である。さらに、図６の
顕微鏡写真で示すＺｎ合金を共析変態点より低い温度
（１８０℃）で長時間（６時間）安定化させたものが、
図８の顕微鏡写真である。

【００２０】

【発明の効果】金型や低融点金属中子として用いるＺｎ
系合金に、本発明の熱処理を施すことによって、切削
性、耐衝撃性、寸法安定性を向上させることができる。
また、Ｚｎ系合金からなるはんだを用いてアルミニウム
合金の接合を行なう場合に、その接合部に本発明の熱処
理を施すことによって、接合部の接合強度の経時的変化
を抑えて安定化させると共に、接合部の靭性を向上させ
て、耐衝撃性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｚｎ−Ａｌ系２元平衡状態を示す図である。

【図２】Ｚｎ−Ａｌ合金におけるＡｌの含有率の変化
が、該合金の硬さに及ぼす影響を示す図である。

【図３】Ｚｎ−２２Ａｌ合金中のＭｇの含有率の変化
が、該合金の収縮率に及ぼす影響を示す図である。

【図４】Ｚｎ−４．１Ａｌ−１．８Ｍｇ合金のＤＳＣ分
析結果を示す図である。

【図５】Ｚｎ−４．１Ａｌ−１．８Ｍｇ合金及びＺｎ−
３．６Ａｌ−１．６Ｍｇ合金のロックウェル硬さの経時
的変化を示す図である。

【図６】鋳造したＺｎ合金を急冷した後の状態を示す顕
微鏡写真（４００倍）である。

【図７】鋳造したＺｎ合金を急冷後、３００℃で１時間
保持し、徐冷した後の状態を示す顕微鏡写真（４００
倍）である。

【図８】鋳造したＺｎ合金を急冷後、１８０℃で６時間
安定化処理した後の状態を示す顕微鏡写真（４００倍）
である。

【符号の説明】

１ α相２ β’相３Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ３元共晶物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｆ 1/00 ６９１Ｃ２２Ｆ 1/00 ６９１Ｂ６９１Ｃ６９２６９２Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】８８〜９９重量％のＺｎ、０．５〜６重
量％のＡｌ、０．５〜４重量％のＭｇ、０〜１．５重量
％のＣｕ、０〜１．０重量％のその他の元素からなるＺ
ｎ合金を、共析変態点よりも高く、融点よりも低い温度
で、２０分以上加熱した後、０．１〜１０℃／分の速度
で徐冷するか、または、１００℃以上、共析変態点以下
の温度で、３時間以上加熱した後、空中放冷することを
特徴とするＺｎ合金の熱処理方法。
【請求項２】８８〜９９重量％のＺｎ、０．５〜６重
量％のＡｌ、０．５〜４重量％のＭｇ、０〜１．５重量
％のＣｕ、０〜１．０重量％のその他の元素からなるＺ
ｎ合金をはんだに用いて接合した接合部材を、該Ｚｎ合
金の共析変態点よりも高く、融点よりも低い温度で、２
０分以上加熱した後、０．１〜１０℃／分の速度で徐冷
するか、または、１００℃以上、共析変態点以下の温度
で、３時間以上加熱した後、空中放冷することを特徴と
するＺｎ合金を用いた接合部材の熱処理方法。