自動車部品のマスタリーのための半固体金属鋳造

要点まとめ

半凝固金属（SSM）鋳造は、鋳造と鍛造の要素を組み合わせた先進的な製造プロセスであり、金属合金が半凝固状態のスラリー状態で成形される。自動車産業において、この技術はサスペンション部品やトランスミッションケースなど、複雑な幾何学的形状を持つ軽量かつ高信頼性の部品を製造する上で極めて重要である。このプロセスにより得られる部品は、従来のダイカスト法と比較して、機械的強度が優れ、気孔率が非常に低い。

半凝固金属（SSM）鋳造の理解：基礎と原理

半凝固金属（SSM）鋳造は、従来の鋳造と鍛造の中間に位置するニアネットシェイプ製造技術です。このプロセスでは、金属合金をその液相線（完全に液体）と固相線（完全に固体）の間の温度で成形します。この状態は「ペースト状」またはスラリーと呼ばれることが多く、金属は液体の母材中に球状の固体粒子が分散した構成になっています。この組成により、材料はチキソトロピーという特異な性質を持ちます。つまり、静止時には固体のように振る舞いますが、金型への射出時などせん断力が加わると液体のように流動します。

SSMの利点を支える科学的原理は、その非枝晶性微細構造にあります。従来の鋳造では、溶融金属が冷却される際に、樹木状の結晶（デンドライト）が形成され、これによりガスが閉じ込められたり、気孔が生じて最終製品の強度が低下する可能性があります。一方、SSMプロセスでは、冷却中に合金を攪拌または撹起することで、微細で球状または粒状の一次固相粒子の形成を促進します。この結果得られるスラリーは、滑らかで層流状の流れで金型へと射出でき、高圧ダイカスト（HPDC）におけるガス巻き込みや欠陥の原因となる乱流を最小限に抑えることができます。

この微細構造における根本的な違いは、直接的に優れた機械的特性へとつながります。業界の専門家たちが詳細に述べているように、 CEX Casting sSMによって製造された部品は、引張強度が高く、延性が向上し、疲労耐性も優れています。緻密で均一な構造により、圧力密封性と高い構造的完全性が求められる用途にSSM部品が最適です。鋳造のように複雑な形状を成形できる能力と鍛造に近い材料品質を両立することで、部品の性能と信頼性を最適化しようとするエンジニアにとって、SSMは強力な手段となります。

主要なSSMプロセス：チクソキャスティング対リオキャスティング

半凝固金属鋳造における二つの主要な手法は、主に使用する出発材料とスラリーの調製方法が異なるチクソキャスティングとリオキャスティングです。これらの違いを理解することは、特定の用途に適したプロセスを選定する上で重要です。それぞれがコスト、制御性、材料取り扱いの要件において異なるバランスを提供します。

チクソキャスティング 必要な球状で非枝晶性の微細構造をすでに持っている特別に調製されたビレットから始まります。このビレットは、磁気流体力学的（MHD）攪拌や結晶粒微細化などのプロセスによって製造されます。チクソキャスティング工程では、あらかじめ調整されたこのビレットを所定のスルグサイズに切断し、次いで誘導加熱炉を用いて半凝固状態の温度範囲まで再加熱します。所望の固体－液体比率に達すると、ロボットがスルグをショットスリーブへ移動させ、金型内に射出します。この方法では、初期の微細構造が正確に設計されているため、優れた工程制御性と一貫性が得られます。

リオキャスティング 一方、レオキャスティングは標準的な溶融金属から直接半凝固状態のスラリーを生成するため、コスト面でより有利になる可能性があります。このプロセスでは、溶融合金のロットを半凝固温度域まで冷却しながら、強力に攪拌または撹拌します。この機械的あるいは電磁的な攪拌によって生成中のデンドライトが破壊され、所望の球状組織の形成が促進されます。スラリーの調製後、金型へ移送されて注入されます。レオキャスティングは高価な前処理済みビレットを必要としないという利点がありますが、スラリーの一貫性と品質を保証するため、高度なリアルタイム監視および制御が求められます。

関連するプロセスであるThixomolding®は、SSMの文脈でよく言及され、特にマグネシウム合金において顕著です。このプロセスはプラスチックの射出成形と同様に機能し、マグネシウム合金のチップが加熱されたバレル内に供給され、ねじによってせん断されることでトキソトロピー性のスラリーが生成された後、射出されます。これらのプロセスの選択は、生産量、部品の複雑さ、コスト目標によって異なります。高品質が要求される重要な部品にはしばしばスラスタキャスティングが好まれる一方で、材料コストの低減が可能なことから、高生産台数を想定した自動車用途ではリオキャスティングの採用が進んでいます。

SSM鋳造の主な利点と自動車への応用

半凝固金属（SSM）鋳造の自動車分野への採用は、軽量化、性能、コスト効率という業界の主要な課題に対処する魅力的な利点によって推進されています。ある報告書で指摘されているように、 アメリカエネルギー省 sSMは、複雑な幾何学的形状を持つ軽量かつ高強度の部品を製造するのに最適であり、燃費の向上と車両ダイナミクスの改善において極めて重要な技術となっています。

自動車用途におけるSSM鋳造の主な利点は以下の通りです。

• 気孔の低減： 金型内への半凝固状態のスラリーの層流的で乱流の少ない流れにより、ガスの巻き込みが大幅に減少し、気孔がほとんどない部品が得られます。このため、流体や真空システムなどの耐圧性が求められる用途に適しています。
• 優れた機械的特性： 微細で球状の微細組織により、従来の鋳造品と比較して強度、延性、疲労抵抗が向上した部品が得られます。これにより、性能を犠牲にすることなく、より薄肉で軽量な部品設計が可能になります。
• ニアネットシェイプ生産： SSM鋳造は寸法精度が高く、表面仕上げも優れているため、高コストで時間のかかる二次加工工程の必要性が大幅に減少します。
• 熱処理可能： SSM部品の低孔性により、それらを熱処理（例えばアルミニウム合金のT5またはT6状態）することが可能となり、機械的特性をさらに向上させることができます。これは、閉じ込められた気体による発泡リスクがあるため、HPDC部品では実行できない場合が多い選択肢です。

これらの利点により、SSMは増加する数の重要な自動車部品において好まれる製法となっています。具体的な用途には、サスペンションジョイント、トランスミッションケース、エンジンマウント、ステアリングナックル、ブレーキ部品、一体型シャシーパーツなどが含まれます。たとえば、SSMでサスペンションジョイントを製造することで、路面からの応力が何百万回と繰り返されても耐えうる高い疲労強度を確保できます。SSMは鋳造と鍛造の原理を融合することで独自の利点を提供しますが、他の専門的な工程も依然として重要です。例えば、高応力がかかる特定の部品では、依然として専用の成形技術に依存しています。専門家は 自動車鍛造 製造元が利用できる多様なエンジニアリングツールセットを例示します 製造元が使用する部品は,製造元が使用する部品の最大強度が最重要である場合の解決策を提供します

課題とSSM技術の将来見通し

半固体金属鋳造の普及は,その大きな利点にもかかわらず,歴史的にその応用を制限してきたいくつかの課題に直面しています. 基本的な障害は プロセスの複雑さとコストに関係しています SSMの生産ラインの導入には,インダクションヒートシステム,スローリー製造機械,そして洗練されたプロセス監視ツールを含む専門機器への高い初期資本投資が必要です. プロセス自体では,部品品質にとって重要な固体から液体との比率を維持するために,温度を極度に正確に制御する必要があります.

さらに,SSM鋳造用の模具と模具の設計は,伝統的な鋳造よりも複雑です. 半固体スローリーの流出特性とは完全に液体金属とは異なるため,欠陥のない完全な模具填充を保証するゲートとランナーを設計するには,専門のシミュレーションソフトウェアと技術的な専門知識が必要です. 材料のコスト,特にThixocastingで使用されるプリコンディションされたビレットは,他のプロセスで使用される標準的なビレットのコストよりも高くなり,部品1つあたりの総コストに影響を与える.

しかし,自動車産業におけるSSM技術の将来見通しは明るい. 報告書が公表されたところによると, 自動車エンジニア協会 (SAE) 製造技術として確立しています. センサー技術,プロセス自動化,コンピュータモデリングの継続的な進歩により,SSMはより信頼性があり,繰り返し可能で,コスト効率が高くなりました. 標準合金を使用する より効率的なリョコスタイリング方法の開発は,コスト削減とより幅広い部品の大量生産への扉を開くために特に有望です. 自動車メーカーは軽量化や電気化という限界を押し続けると 性能の高い欠陥のない部品の需要は 増加するばかりで 半固体金属鋳造は 未来の移動技術の鍵となる技術として位置づけられます

よく 聞かれる 質問

1. 労働力 半固体鋳造の過程とは?

半固体鋳造は,金属合金が完全に固体と完全に液体間の状態に加熱され,スラムを形成する製造技術である. この球状の微小構造を持つスローリーは 模具に注入され 網形に近い部分を形成します このプロセスは注射中に渦巻くのを最小限に抑え,高機械強度と非常に低い孔隙性を持つ密集した部品を生成します.

2. 信頼性 HPDC の欠点は?

高圧型鋳造 (HPDC) の主な欠点は,高孔隙性である. 溶融金属を急激に噴射すると 材料の中に空気やガスが入ってしまい 最終部品に空白が生じます この孔隙は部品の機械的特性,特に強度と圧縮性に影響を与え,通常は部品が熱処理を効果的にできない.