JP5305323B2

JP5305323B2 - ダイカスト用Ｚｎ合金およびダイカスト用Ｚｎ合金を用いたダイカスト部材の製造方法

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Publication number: JP5305323B2
Application number: JP2008049760A
Authority: JP
Inventors: 清仁石田; 亮介貝沼; 郁雄大沼; 俊洋大森; 佳和高久; 武仁萩沢
Original assignee: Tohoku University NUC; Dowa Metals and Mining Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Dowa Metals and Mining Co Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP2009203545A

Description

本発明は、ダイカスト用Ｚｎ合金およびダイカスト用Ｚｎ合金を用いたダイカスト部材の製造方法に関する。

Ｚｎ（亜鉛）合金は、優れた機械的性質と鋳造性を有し、薄肉で複雑な形状や精密な寸法が得られるため、Ａｌ（アルミニウム）合金に次いで、ダイカスト用の合金として広く利用されている。また、ダイカスト用Ｚｎ合金は、幅広い表面処理が可能で耐食性に優れ、融点が低いためにホットチャンバー方式でのダイカストが可能で、金型の値段が安価で済み、寿命も長くできるので経済的であるといった利点を兼ね備えている。このためダイカスト合金は、自動車関連部品、機械部品、建築金具、装飾品等に幅広く利用されている。

ＪＩＳ化されているダイカスト用Ｚｎ合金として、ＺｎにＡｌとＭｇ（マグネシウム）を添加したダイカスト用Ｚｎ合金塊２種と、これにさらに１質量％前後のＣｕ（銅）を添加したダイカスト用Ｚｎ合金塊１種がある。また、特許文献１にはＡｌ添加量を増やすことによって流動性を改善させたダイカスト用Ｚｎ合金が開示され、特許文献２にはＣｕその他の元素を添加することにより、強度改善を図ったダイカスト用Ｚｎ合金が開示されている。

一方、Ｚｎ合金は、Ａｌ合金やＭｇ合金といった他のダイカスト用合金や、樹脂材料等に比べて比重が大きいという欠点がある。この欠点を補うため、自動車や機械等に用いるにはなるべく薄肉のＺｎ合金ダイカスト製品を製造し、軽量化することが必要となる。薄肉のＺｎ合金ダイカスト製品を製造するためにはその分さらなるＺｎ合金の硬度の向上が求められる。そこで、特許文献３および特許文献４には、Ｚｎ−Ａｌ合金ダイカストへのＣｕ添加による強度への影響が報告され、また、特許文献５には、Ｚｎ−Ａｌ合金ダイカストへのＴｉ（チタン）添加による強度への影響が報告されている。

特許第２６９１４８８号公報特公平８−１４０１１公報特開平７−１５０２７６号公報特開平６−０４９５７２号公報特公平８−１４０１１公報

しかしながら、Ｚｎと比較して、融点の高いＣｕやＴｉの添加する量を増加させることにより、Ｚｎ−Ａｌ合金ダイカストの硬度は上昇するものの、その一方で融点が上昇してしまう。その結果、利点である金型等の設備コストが安価である点が生かせず、また、ダイカストの重要な性質である流動性が低下してしまうといった問題点がある。

本発明者らは、Ｚｎ合金およびＺｎの機械的性質およびミクロ組織に関するドーパントの影響を種々にわたり調査した。その結果、発明者らは、Ｚｎ合金およびＺｎに低融点金属元素を微量添加することにより、機械的性質が向上するという知見を得た。そこで、本発明はかかる知見を元に、低融点金属元素の微量添加を行い、機械的性質の優れたダイカスト用Ｚｎ合金を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を果たすために鋭意研究した結果、従来から知られているＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｇ（マグネシウム）等を含有するダイカスト用Ｚｎ（亜鉛）合金およびＺｎ（亜鉛）にＢｉ（ビスマス）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）を添加することにより、ダイカスト用Ｚｎ合金およびＺｎの硬度を上昇させ、機械的性質を向上させることができることを見出した。

かかる知見のもと、本発明によれば、Ａｌ：２〜８質量％を含有し、Ｃｕ：０．０１〜４質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種を含有し、さらにＢｉ：０．０１〜０．３質量％、Ｇａ：０．０１〜０．３質量％、Ｉｎ：０．０１〜０．３質量％からなる群から選択した１種または２種以上の低融点元素を総量で０．０１〜０．３質量％含有し、残部がＺｎと不可避の不純物からなることを特徴とする、ダイカスト用Ｚｎ合金が提供される。

前記ダイカスト用Ｚｎ合金はＴｉ：０．０１〜０．５質量％、Ｂｅ：０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種を含有することとしてもよい。

さらに、本発明によれば、これらのダイカスト用Ｚｎ合金を用いた、ダイカスト部材の製造方法が提供される。

本発明によれば、従来のダイカスト用Ｚｎ合金およびＺｎの硬度を上昇させ、機械的性質を向上させることが可能となる。また、添加する金属元素の量が微量であるとともに、低融点金属であるため、添加後のＺｎ合金およびＺｎの流動性に対して悪影響を及ぼすことはない。このため、鋳造温度は従来と同じ温度とすることができ、従来の設備をそのまま用いることができ、コストの面でも優れている。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲において本発明を変更、修正して他の実施形態をなすことができる。それらの変更、修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、この特許請求の範囲を限定するものではない。

本発明のダイカスト用Ｚｎ合金における各組成成分の意義は以下の通りである。
Ａｌを含有することは必須ではないが、Ａｌを２質量％以上含有させることによって、ダイカスト時における溶湯の流動性を改善する。ただし、ダイカスト用Ｚｎ合金は製造方法として、ホットチャンバー（射出部が溶湯内に浸漬されている構造）が可能な合金であり、Ａｌの含有量が増加すると、融点が高くなりホットチャンバーが困難になる場合がある。そのため、ホットチャンバーを行う場合は、Ａｌの添加量は８質量％までであり、２〜５質量％がより好ましい。一方、Ｚｎ合金のＡｌの含有量が９質量％以上である場合にはコールドチャンバー（射出部に溶湯を流し込む構造）が用いられるが、その場合でも、Ａｌの含有量が２８質量％より多いとＺｎ合金の融点が高くなりすぎるため、Ａｌ含有量は２８質量％までが望ましい。

Ｍｇを含有することも必須ではないが、Ｍｇは寸法精度の向上および粒間腐食の抑制のために含有させる。含有量が０．０１質量％より少ないと粒間腐食の抑制効果は低く、また、０．０５質量％より多いと、Ｚｎ合金ダイカスト製品の衝撃強度が低下する場合があるので、添加量は０．０１〜０．０５質量％の範囲が好ましい。

Ｃｕを含有することも必須ではないが、Ｃｕを添加することにより、より一層の強度向上を図ることができる。このとき、Ｃｕ含有量が０．０１質量％より少ないと強度は低くなり、一方、Ｃｕ含有量が４．０質量％より多いとＺｎ合金の凝固開始温度が高くなって、流動性が低下する。そのため、Ｃｕを添加する場合、その含有量は０．０１〜４．０質量％の範囲が望ましい。

Ｔｉを含有することも必須ではないが、Ｔｉには、結晶微細化作用があり、Ｚｎ合金にＴｉを０．０１質量％以上添加することにより、抗張力および衝撃値が向上するが、その反面、０．５質量％より多く添加するとＺｎ合金の衝撃値と流動性が低下する。そのため、Ｔｉを添加する場合、その含有量は０．０１〜０．５質量％の範囲が望ましい。

Ｂｅを含有することも必須ではないが、Ｂｅにも上記Ｔｉ同様、結晶微細化作用があり、Ｚｎ合金にＢｅを０．０１質量％以上添加することにより、拡張力および衝撃値が向上するが、その反面、０．５質量％より多く添加するとＺｎ合金の衝撃値と流動性が低下する。そのため、Ｂｅを添加する場合、その含有量は０．０１〜０．５質量％の範囲が望ましい。
なお、ＴｉおよびＢｅの作用は、本発明と類似であるが、高融点であるためＺｎ合金の流動性の低下を招く恐れのある点で本発明とは異なる。本発明の添加物と組み合わせてもマイナスの効果を生じさせることがないため、両方添加することにより、さらにＺｎ合金の硬度を上昇させることが可能となる。

Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎの各添加元素については、いずれか１種のみをＺｎ合金およびＺｎに添加する場合、硬さと伸びのバランスを考慮し、Ｂｉ：０．００５〜１質量％、Ｇａ：０．００５〜１質量％、Ｉｎ：０．００５〜１質量％からなる群から選択した１種または２種以上の低融点元素を総量で０．０１〜３質量％含有することが望ましい。なお、より好ましくは、Ｚｎ合金およびＺｎへの総添加量が０．０５〜０．１質量％の範囲であり、硬度を上昇し、かつ従来の伸びを保持する。

このようにＺｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇを主成分とする母合金に微量の低融点金属元素Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎを添加した本発明のダイカスト用Ｚｎ合金にあっては、硬度や伸び、ヤング率といった機械的特性が向上する。このため、生産性が向上し、歩留りがよくなり、従来の製品以上に薄肉化ができるようになる。よって、製品の軽量化も可能となる。本発明のＺｎ合金ダイカスト製品は、例えば自動車関連部品、機械部品、建築金具、装飾品等に好適に利用される。
また、低融点金属元素Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎを添加した本発明にかかるＺｎにあっては、硬度が上昇し、かつ従来の伸びを保持するため、板・条などの加工用合金に好適に使用される。

実施例１〜７として、純Ｚｎと純Ｂｉを坩堝中で高周波溶解において溶解し、鋳型に鋳込むことにより合金化処理を行った。この溶解方法としては電気炉による加熱等の公知技術のいずれを用いてもよい。このとき、実施例１〜７におけるＢｉの添加量はそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．５、１質量％とした。そして、鋳込んだＺｎ合金を切り出し、ビッカース硬さ試験および組織観察に用いる試験片を切り出した。切り出す手法に関してはカッター等の公知の技術を用いることができるが、放電加工機の場合は試料が酸化し脆くなるため、加工後、表面を研磨する必要がある。ビッカース硬さ試験を行って得られた結果を以下に表１として示す。
また、同様にＧａおよびＩｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．５、１質量％の割合で添加したＺｎ合金についてのビッカース硬さ試験の結果も、Ｇａ添加の場合を実施例８〜１４、Ｉｎ添加の場合を実施例１５〜２１として合わせて以下の表１に示す。さらに、比較例１として純Ｚｎに何も添加しなかった場合のビッカース硬さ、比較例２〜４として純ＺｎにＢｉ、Ｇａ、Ｉｎを２質量％添加した場合のビッカース硬さを表１に示す。

表１からＢｉ、Ｇａ、Ｉｎの元素を添加したＺｎ合金はＢｉ、Ｉｎについては添加量０．０１〜０．０３質量％の範囲において、また、Ｇａについては添加量０．１〜０．３質量％の範囲において、硬度が上昇していることがわかった。
また、上記表１の実施例１〜２１および比較例２〜４をＢｉ、Ｇａ、Ｉｎそれぞれを添加した場合に分けて図１〜３としてビッカース硬さと各元素の添加量の関係を示すグラフにした。図１〜３からもＺｎ合金の硬度のピークがＢｉ、Ｉｎについては添加量０．０１〜０．０３質量％の範囲とした場合に現れ、Ｇａについては添加量０．１〜０．３質量％の範囲とした場合に現れていることがわかる。さらに、図１〜図３より、各添加元素Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎのいずれにおいても０．００５質量％未満を添加してもビッカース硬さは十分上昇せず、１質量％以上を添加すると、ビッカース硬さは低下してしまうことがわかる。
なお、このときの、比較例１にあたる、純Ｚｎと実施例１１にあたる純Ｚｎに０．２質量％のＧａを添加したＺｎ合金それぞれの光学顕微鏡写真を図４および図５に示した。図４と図５を比較すると、Ｇａを添加した場合（図５）のほうが明らかに結晶の粒子が細かくなっており、Ｇａの添加によって硬度が上昇していることがわかった。
比較例１〜４においては、いずれの場合もＺｎ合金の硬度は大きくなく、添加元素を添加しない場合も、また添加量を多くしすぎた場合も、ともに硬度の上昇は望めないことがわかった。

実施例２２〜２５として、Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：１．２５質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金に、Ｇａをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．２質量％添加した。このときのビッカース硬さ試験および圧縮試験の結果を表２に示す。
また、同様にＡｌ：４質量％、Ｃｕ：１．２５質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金に、ＢｉおよびＩｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．３質量％添加した場合のビッカース硬さ試験および圧縮試験の結果をそれぞれ、実施例２６〜２９および実施例３０〜３３として表２に示す。
さらに、表２において、比較例５として、Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：１．２５質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金に、他に何も添加せずにビッカース硬さ試験および圧縮試験を行った結果を示す。

表２によれば、例えば実施例２３と比較例５を比べると、最大圧縮応力が約１５０Ｍｐａ（約４７％）上昇していることからわかるように、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素を添加したＺｎ合金は、何も添加しない場合（比較例５）と比べ、機械的性質が向上していることがわかった。また、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素を添加する際に、ビッカース硬さが最も上昇したのはいずれの元素も０．１質量％添加した場合であり、最大圧縮応力が最も上昇したのはいずれの元素も０．０５質量％添加した場合であった。よって、各元素Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎのいずれを添加する際にも、０．０５〜０．１質量％の範囲が最も望ましいことがわかった。
また、上記実施例２２〜３３および比較例５の場合のＢｉ、Ｇａ、Ｉｎの添加量とビッカース硬さの関係を図６に、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎの添加量と最大圧縮応力の関係を図７にそれぞれ示した。図６および図７からも各合金のビッカース硬さおよび最大圧縮応力のピークはＢｉ、Ｇａ、Ｉｎの添加量０．０５質量％〜０．１質量％の範囲であることがわかった。さらに、図６および図７から分かるように、各元素添加量が０．０１質量％以上になると各合金の硬度および最大圧縮応力は上昇し始め、一定値を超えると硬度および最大圧縮応力の低下がみられた。よって、低融点金属元素の添加量としては０．０１質量％以上０．３質量％以下が望ましいことがわかる。なお、低融点金属元素を２種以上選択した場合も同様の範囲が望ましい。

実施例３７〜４０として、Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：０．０１質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金に、Ｇａをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．２質量％添加した。このときのビッカース硬さ試験および圧縮試験の結果を表３に示す。
また、同様にＡｌ：４質量％、Ｃｕ：０．０１質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金に、ＢｉおよびＩｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．３質量％添加した場合のビッカース硬さ試験および圧縮試験の結果をそれぞれ、実施例４１〜４４および実施例４５〜４８として表３に示す。
さらに、表３において、比較例６として、Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：０．０１質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金に、他に何も添加せずにビッカース硬さ試験および圧縮試験を行った結果を示す。

表３によれば、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎのいずれの元素を添加したＺｎ合金は、何も添加しない場合（比較例６）と比べ、機械的性質が向上していることがわかった。また、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎのいずれの元素を添加した場合でも、ビッカース硬さおよび最大圧縮応力が上昇したのは添加量０．０１〜０．１質量％の範囲であることがわかった。
また、上記実施例３７〜４８および比較例６の場合のＢｉ、Ｇａ、Ｉｎの添加量とビッカース硬さの関係を図８に、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎの添加量と最大圧縮応力の関係を図９にそれぞれ示した。図８および図９からも各合金のビッカース硬さおよび最大圧縮応力のピークはＢｉ、Ｇａ、Ｉｎの添加量０．３質量％以下の場合であることがわかった。しかし、図８および図９を見ると、添加量が０．０１質量％以上になると各合金の硬度および最大圧縮応力は上昇し始め、一定値を超えるとビッカース硬さおよび最大圧縮応力の低下がみられた。よって、低融点金属元素の添加量としては０．０１質量％以上０．３質量％以下が望ましいことがわかる。

さらに、実施例４９〜５２として、Ａｌのみを２２質量％および２５質量％添加したＺｎ合金にＢｉ、Ｇａ、Ｉｎのうち１種を０．１質量％添加した場合（Ａｌ：２５質量％のときはＩｎのみ添加）のビッカース硬さ試験の結果を表４に示す。
また、比較例７および８としてＡｌを２２質量％および２５質量％添加し、他には何も添加しない場合も表４に示す。

表４によれば実施例４９〜５１と比較例７、実施例５２と比較例８をそれぞれ比べると、いずれの場合もＡｌ以外に各添加元素（Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ）を添加した場合のほうが硬度が上がり、機械的性質が向上していることがわかった。
以上より、Ａｌの添加量がいずれの場合もＢｉ、Ｇａ、Ｉｎの各添加元素を添加することで硬度が上昇することがわかった。

また、図１０および図１１は実施例２５および比較例５の断面を示す光顕組織写真である。これらを解析したところ、どちらの組織も典型的な共晶組織を示し、組織的にはほとんど違いは見られなかったが、ＥＰＭＡを用いて元素マッピングを行った結果、添加したＧａは初晶よりも層状組織中のＡｌ−ｒｉｃｈ相中に多く分布していた。これはＡｌ相に対するＧａの固溶度がＺｎ相の固溶度と比べて大きいためであり、Ｇａによる固溶強化機構が働いていると考えられる。

本発明は、例えばダイカスト用Ｚｎ合金に適用できる。

純ＺｎにＢｉを添加した場合の、Ｂｉ添加量とＺｎ合金のビッカース硬さの関係を示したグラフである。純ＺｎにＧａを添加した場合の、Ｇａ添加量とＺｎ合金のビッカース硬さの関係を示したグラフである。純ＺｎにＩｎを添加した場合の、Ｉｎ添加量とＺｎ合金のビッカース硬さの関係を示したグラフである。比較例１の光学顕微鏡写真である。実施例１１の光学顕微鏡写真である。Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：１．２５質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金にＧａ、Ｂｉ、Ｉｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．３質量％添加した場合の添加量とＺｎ合金のビッカース硬さの関係を示したグラフである。Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：１．２５質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金にＧａ、Ｂｉ、Ｉｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．３質量％添加した場合の添加量とＺｎ合金の最大圧縮応力の関係を示したグラフである。Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：０．０１質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金にＧａ、Ｂｉ、Ｉｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．３質量％添加した場合の添加量とＺｎ合金のビッカース硬さの関係を示したグラフである。Ａｌ：４質量％、Ｃｕ：０．０１質量％、Ｍｇ：０．０３質量％の添加量でＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇを添加したＺｎ合金にＧａ、Ｂｉ、Ｉｎをそれぞれ０．０１、０．０５、０．１、０．３質量％添加した場合の添加量とＺｎ合金の最大圧縮応力の関係を示したグラフである。実施例２５の光学顕微鏡写真である。比較例５の光学顕微鏡写真である。

Claims

Ａｌ：２〜８質量％を含有し、Ｃｕ：０．０１〜４質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種を含有し、さらにＢｉ：０．０１〜０．３質量％、Ｇａ：０．０１〜０．３質量％、Ｉｎ：０．０１〜０．３質量％からなる群から選択した１種または２種以上の低融点元素を総量で０．０１〜０．３質量％含有し、残部がＺｎと不可避の不純物からなることを特徴とする、ダイカスト用Ｚｎ合金。
Ｔｉ：０．０１〜０．５質量％、Ｂｅ：０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト用Ｚｎ合金。
請求項１又は２に記載のダイカスト用Ｚｎ合金を用いた、ダイカスト部材の製造方法。