ダイカスト成形に不可欠な高強度アルミニウム合金

要点まとめ

ダイカスト用に高強度アルミニウム合金を選定する際には、最終的な強度と成形性の間でトレードオフが生じます。機械的強度を最大限に得るには、200シリーズ合金やZA-27などの亜鉛・アルミニウム合金が最有力候補です。一方で、A360合金は高温下での強度と耐食性のバランスに優れ、B390は特に優れた耐摩耗性を発揮します。最終的な特性は、T6のような熱処理によって大幅に向上させることがよくあります。

ダイカスト向けアルミニウム合金のファミリー理解

特定の合金を選択する前に、ダイカストで使用される主要なアルミニウム合金の系統（シリーズ）を理解することが不可欠です。アルミニウム協会によって規格化されたこれらのシリーズは、主な合金元素に基づいて合金を分類しており、その元素が基本的な特性を決定します。エンジニアの選定プロセスは、応用分野の基本要件に基づいて選択肢を絞り込むために、まずこのレベルから始めることが一般的です。

各シリーズは、機械的性質、鋳造特性、コストの点で異なる組み合わせを提供します。たとえば、あるシリーズは極めて高い強度を発揮する一方で、一般的で汎用性の高い別のシリーズに比べて、鋳造がより困難かつ高価である可能性があります。こうした基本的な違いを理解することは、適切な判断を行う上で重要です。

ダイカストで最も一般的なシリーズは、それぞれ明確な利点を持っています。

• 2xx.x シリーズ（銅）： 200シリーズはアルミニウム合金の中で最も高い強度を持つことで知られており、より一般的な300シリーズの約2倍に近い機械的特性を達成できます。ただし、この強度を得る代償として、耐食性が低下し、鋳造がより困難になります。
• 3xx.xシリーズ（ケイ素＋銅／マグネシウム）： これはダイカストで最も人気があり広く使用されているシリーズであり、A380は業界標準的な素材です。これらの合金は、優れた鋳造性、中程度の強度、コストパフォーマンスの良さを兼ね備えており、非常に幅広い用途に適しています。
• 4xx.xシリーズ（ケイ素）： 413などのこの系列の合金は、卓越した鋳造流動性と耐圧気密性が評価されています。そのため、油圧シリンダのように液体や気体を漏らさずに保持しなければならない複雑な部品や構成部品に最適です。
• 5xx.xシリーズ（マグネシウム）： 500シリーズ（518などの合金を含む）は、特に海洋環境における優れた耐食性と優れた表面仕上げ特性で際立っています。美的または保護的な目的で陽極酸化処理を必要とする部品に最適な選択肢ですが、鋳造時に熱割れを起こしやすいという欠点があります。

最高強度合金：詳細な比較

380合金が一般用途で最も一般的な選択肢である一方、より要求の厳しい用途に必要な優れた強度および性能特性を持つ特殊合金もいくつか存在します。これらの材料は、標準合金では部品の機械的、熱的、または摩耗耐性の要件を満たせない場合に選ばれます。選定には、最終強度、鋳造性、その他の重要な特性間のトレードオフについて慎重な分析が必要です。

最も強度の高い選択肢は、通常200シリーズまたは特殊な亜鉛・アルミニウム（ZA）系合金から得られます。据え付けは General Foundry Service 200シリーズ合金は非常に高い強度で知られています。同時に、ZA-27のようなZA合金は、従来のアルミニウム合金よりも著しく高い引張強度を発揮できます。以下に、高強度ダイカスト用途における主要な候補材料を比較します。

これらの選択肢を比較する際、A360は過酷な環境下または高温で動作しても故障しないことが求められる場合によく選ばれます。以下によって指摘されているように、 Rapid Axis 強度、延性、耐食性を兼ね備えていますが、鋳造の難易度が高いため、部品の幾何学的形状を考慮する必要があります。B390は、摩耗と摩擦が重要な用途における最適な選択肢です。高いシリコン含有量により硬度が向上しており、研磨作用に対する耐性を持つため、内燃機関部品に理想的です。絶対的な最高強度が求められる用途では、200シリーズおよびZA-27が主な候補となりますが、専門性の高い鋳造技術を必要とし、コストが高くなる場合があります。

究極の強度の秘訣：熱処理の役割

高強度合金を選択するだけでは不十分です。多くのアルミニウム合金、特に356や357のような200番台および300番台の鋳造用合金においては、最終的な機械的特性を熱処理によって引き出す必要があります。この冶金プロセスでは、金属の微細構造を変化させるために加熱と冷却を制御し、硬度、引張強さ、降伏強さを大幅に向上させます。

熱処理により、部品の寸法を安定化させ、鋳造工程由来の内部応力を除去し、使用目的への性能を最適化できます。高機能鋳造部品を設計するエンジニアにとって、異なる熱処理状態（材質状態）を理解することは極めて重要です。これらの材質状態は「T」の後に数字が続く形で表記されます。

アルミ鋳物の強度を高める代表的な材質状態には以下のようなものがあります：

• F（鋳造状態）： 凝固直後の鋳造品の状態で、その後の熱処理は施されていません。物性はベースラインであり、自然時効によって時間とともに変化する可能性があります。
• T5（人工時効）: 鋳物は鋳造温度から冷却された後、低温での時効処理が施されます。これにより、良好な寸法安定性と中程度の強度向上が得られます。
• T6（溶体化処理および人工時効）: 最大の強度を得るための二段階プロセスです。まず鋳物を高温に加熱して合金元素を固溶体に溶かし、次に液体で急冷してその状態を固定します。その後、低温で人工時効を行い、これらの元素を析出させることで、材料を著しく硬化・強化します。
• T7（溶体化処理および安定化処理）: T6と同様ですが、最終的な人工時効処理をより高い温度またはより長い時間で行います。これにより合金は最大硬さを超え、寸法安定性および応力除去性能が向上しますが、その代わりにT6と比較して最終強度がわずかに低下します。

T6の熱処理を指定することで、356のような合金から作られた比較的強度の低い部品を、はるかに大きな荷重に耐えられる高性能な構造部品へと変えることができます。

強度を超えて：合金選定における重要な要因

引張強度が主な関心事ではありますが、合金の成功を決める唯一の要因となることはめったにありません。製造や環境への暴露に関連する故障を防ぐため、材料選定には包括的なアプローチが不可欠です。強度だけに注目すると失敗につながる可能性があるため、生産工程および最終用途の両方に適した合金を選ぶために、他のいくつかの特性も慎重に評価する必要があります。

これらの中でも特に重要なのは 鋳造性 、これは合金がどれほど容易に高品質な部品に成形できるかを示しています。これには、凝固中に発生する熱割れ（ホットクラッキング）や金型への合金の付着（金型溶着）といった欠陥に対する耐性が含まれます。専門家たちが詳しく説明しているように、 Gabrian 、鋳造性が低い合金はスクラップ率の上昇および製造コストの増加を招く可能性があります。もう一つの重要な要素は 腐食に強い です。部品が使用される環境によって、必要な耐腐食性のレベルが決まります。たとえば、A360は優れた耐腐食性を持つため、屋外や海洋用途に適していますが、A380はこの点でやや劣ります。

その他の考慮すべき特性としては、 圧縮性 （油圧部品にとって重要）や、 耐摩耗性 （可動接触部品向け）、そして 機械化可能性 などがあり、これらも検討する必要があります。このような複雑な選定を行うために設計者は以下の質問を検討すべきです：

• 部品が暴露される最高作動温度はどの程度ですか？
• 部品は海水、化学薬品、または凍結防止剤（道路塩）などの腐食性物質にさらされますか？
• 液体または気体を密閉するため、部品は耐圧構造である必要がありますか？
• 陽極酸化処理や塗装など、必要な二次仕上げ加工は何ですか？
• プロジェクトのコスト制約は何ですか？

ダイカストは強度、複雑さ、生産速度の優れたバランスを提供しますが、自動車業界など特に厳しい要件を持つ用途では、さらに高い強度または疲労抵抗が必要となる場合があり、そのような場合は鍛造などの他の製法に設計が向けられることがあります。例えば、自動車用鍛造部品の専門メーカーである シャオイ (寧波) メタルテクノロジー は、材料の完全性が最優先される場合に備わった堅牢な部品を製造するために熱間鍛造などのプロセスを使用しています。

よく 聞かれる 質問

1. ダイカストに最も適した高強度アルミニウムは何ですか？

ダイカスト用の最も強度の高いアルミニウム合金は、一般に200シリーズ（アルミニウム-銅系）に見られ、熱処理が可能で非常に高い機械的特性を得ることができます。また、亜鉛-アルミニウム合金、特にZA-27は非常に強いことで知られており、引張強度が一般的なアルミニウムダイカスト合金よりも著しく高くなることがあります。ただし、これら2つの選択肢はどちらも鋳造が難しく、最大の強度が求められる高性能用途にのみ使用されます。

2. 6061アルミニウムはダイカストできるか？

6061は非常に人気があり、強度の高いアルミニウム合金ですが、通常は高圧ダイカストには使用されません。その化学組成および凝固特性から、高圧ダイカストの急速冷却条件下でホットクラックなどの欠陥が生じやすくなります。ただし、冷却速度がより遅く、制御された重力鋳造や砂型鋳造などの他の鋳造プロセスでは広く使用されています。