2022年 アルミダイカスト革新技術の最前線

近年、自動車、航空宇宙、コンピュータ産業の急速な発展に伴い、軽量・高靭性・耐食性を備えた鋳物への要求が高まっています。アルミ合金部品において、高強度・高靭性・耐食性合金、変形合金、大型複雑合金部品の加工・成形、成形プロセスが軽量合金研究のホットスポットとなっています。しかし、ダイカスト状態の鋳造アルミ合金の機械的特性は、引張強度と伸びが概して低いのが現状です。

なぜ新しいアルミダイカストを議論する必要があるのか？

技術発展に伴い、高強度・軽量鋳物への需要が漸増し、ダイカストプロセスによるアルミ合金部品製造の優位性が注目されています。ダイカストプロセス（ダイカスト）は、加工業界で一般的に用いられる特殊鋳造プロセスです。流動性の高い金属または半流動金属を高圧力下で高速にダイカスト金型へ充填し、圧力下で凝固・成形させて最終的に鋳物を得ます。

ダイカストプロセスで形成される鋳物は、高寸法精度、高強度、高材料利用率という利点を持つため、ダイカストと高圧ダイカストは、複雑形状で中程度の荷重を受ける部品製造に広く用いられています。

アルミニウムの密度は鉄、銅、亜鉛等の合金の約1/3に過ぎません。軽量化要求を満たすダイカスト合金材料の一つです。さらに、アルミニウムは比強度と比剛性が高く、優れた塑性流動特性を持ちます。結晶化温度範囲が狭く、線収縮率が小さい等の利点があり、成形・切削が容易で、高い機械的特性と耐食性を備えます。以上の優位性に基づき、アルミ合金は高強度・高靭性ダイカスト合金材料の一つとなっています。

アルミ合金ダイカスト品は、自動車、航空宇宙等産業で優れた軽量化効果を発揮します。1980年代以降、自動車産業の急速な発展が関連産業を牽引し、自動車産業の発展は主にインテリジェント化、軽量化、モジュール化等にあります。鋳鉄鋳物をアルミ合金鋳物、エンジニアリングプラスチック、炭素繊維で置き換える技術が急速に発展しました。自動車の熱交換器、エンジンシリンダー、ウォーターポンプ、ホイールハブ等、40種類以上の部品がアルミ合金で製造されています。

新世代ダイカスト用アルミ合金

自動車産業はエネルギー、安全、快適性等のニーズに基づき発展を続けています。自動車産業の材料ニーズは、鋼、鋳鉄等のエネルギー消費大・重量重・高品質材料をアルミ・マグネシウム合金で置き換える応用時代に入りました。

従来のボディ部品は主に鋼板プレス、油圧ブルジング、テーラードブランク溶接に基づいてきました。アルミ合金を使用する場合、高強度・高靭性が要求されます。アルミ合金適用の利点は部品の高度な一体化です。部品ごとに性能要求は異なり、伸び改善が必要なものもあれば、耐食性改善が必要なものもあります。高真空ダイカストプロセスの発展に伴い、ダイカスト部品性能には更なる優秀な特性を持つアルミ合金が要求されています。

高延性アルミ合金需要に対応するため、ドイツと日本の学者らは1990年代以降、高真空技術に基づく高延性Al-Si-Mg系合金の研究を進めてきました。ドイツ・ラインラントアルミニウム社が開発した新世代ダイカストアルミ合金「Maximal-59」「Sila-font-36」「Castasil-37」では、合金中のFe元素を0.2%未満に制御し鋳物の靭性と強度を確保。スティッキング（溶着）現象を防ぐため、同時に0.5〜0.8%のMn元素を添加。試験では、Maximal-59合金標準丸棒試験片の鋳造時伸びが17%に達し、自動車ドア製造に採用されています。

コンドウ・カイリ氏はSilafont-36をベース合金とし、Mg含有量制御により異なる機械的特性を取得。質量分率Mg 0.33〜0.40%で、より良い伸びと圧縮強度を示すことが判明。

ドイツの学者らはAural-2とAural-3合金を開発。Aural-3合金は流動性と充填性に優れ、Mg添加により溶体化処理で熱処理可能、新型合金が得られます。高強度・高靭性合金の伸びは5〜12%、0.2%耐力σ0.2は250MPa。

現在、中国の多くの企業・研究機関が自動車ボディ構造部品向け高強度・高靭性アルミ合金を開発中です。共同研究で、高延性耐熱鋳造アルミ合金とそのダイカスト製造法を開発しました。

この合金はAl-Si-Mg系に属し、Si、Cu、Mg含有量を規定し、微量元素ScとM（Ti、Zr、Vの少なくとも1種）を指定。降伏強度169MPa、伸び10.0%、200℃高温引張強度190MPa、高温伸び14.0%を達成。優れた常温・高温特性を持ち、溶体化熱処理なしで自動車部品の定量的開発ニーズに対応可能。

総括すると、現在の新世代高強度・高靭性ダイカストアルミ合金研究は主にAl-Si-Mg系に集中しています。Al-Si系合金へのMg添加によりMg2Siが生成し、溶体化処理で固溶強化が可能。Mg元素は合金溶湯表面に高耐食性スピネル皮膜を形成し、鋳物耐食性を向上させます。

理論的には、Cu元素のAl-Si合金への総合強化効果はMgより顕著です。Mgと比較し、Cuはアルミ合金中でより容易に核を形成し、熱処理後性能改善が大きいですが、Cuのアルミ合金への溶解速度はMgより低く、Al-Si合金での応用は限定的です。新世代高強度・高靭性Al-Si-Cu合金の研究は更なる議論が必要であり、新世代高強度・高靭性アルミ合金の研究開発に極めて重要な意義を持ちます。