JP3800345B2 - ホットチャンバーキャスタブル亜鉛合金 - Google Patents
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Description
本発明は、ホットチャンバー機（hot-chamber machine）において加圧下で鋳造され得る、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛をベースとする合金に関するものである。
そのような合金は文献「ＳＡＥテクニカル・ペーパー・シリーズ９３０７８８，ＡＣｕＺｉｎｃ：金型鋳造への使用のための改良された亜鉛合金，Ｍ．Ｄ．ハンナおよびＭ．Ｓ．ラシッド，国際会議および展示会デトロイト，ミシガン，１９９３年３月１−５日」に記載されている。この公知の合金は、「ＡＣｕＺｉｎｃ５」と呼ばれ、Ｃｕ５．０−６．０％、Ａｌ２．８−３．３％およびＭｇ０．０２５−０．０５％、残部亜鉛からなる（本明細書において全ての％は重量％である）。この合金のクリープ耐性は、長い間ホットチャンバー内で鋳造されてきたザマク（Zamak）またはＺＡ合金のクリープ耐性に比べ実質的に優れているが、依然として比較的低い。
本発明の目的は上記公知の合金に比べ、より良好なクリープ耐性を有する最初に記載したような合金を提供することである。
このために、本発明による合金は、重量％で：Ａｌ２５−３０、Ｃｕ１５−２０、Ｓｉ０．０１−２、Ｍｇ０−０．１、Ｔｉ０−０．５、Ｃｒ０−０．５、Ｍｎ０−１、Ｎｂ０−０．５および希土類金属１種または金属混合物０−０．１（この組成は以下、バリアントＩＩと呼ばれる）を含有し、残部は亜鉛と亜鉛および上記合金化元素中に不可避に存在する不純物である。
なお、参考例の合金は、重量％で：Ａｌ１５−２０、Ｃｕ８−１０、Ｓｉ０．０１−２、Ｍｇ０−０．１、Ｔｉ０−０．５、Ｃｒ０−０．５、Ｍｎ０−１、Ｎｂ０−０．５および希土類金属１種または金属混合物０−０．１（この組成は以下、バリアントＩと呼ばれる）を含有し、残部は亜鉛と亜鉛および上記合金化元素中に不可避に存在する不純物である。
実際に、一方では、４６０℃を越えない温度で液体状態にある２種類のバリアントはホットチャンバー内で鋳造され得るような鋼に近似する低い攻撃性（aggressivity）を有すること、および他方では、鋳造状態において、バリアントＩが良好なクリープ耐性および優れた引張強さを示し、鋳造状態において、バリアントＩＩが優れたクリープ耐性および良好な引張強さを示すことが見出されている。上に記載したＡｌおよびＣｕ含量は固守されなければならず、さもなければ、合金の融点は４５０℃より上昇し、その結果、合金は、鋳造装置に対する腐食性が４６０℃以上であまりにも大きくなるので、ホットチャンバー内でもはや鋳造され得ない。ケイ素含量が０．０１％より少ない場合、引張強さおよびクリープ耐性は悪化する。２％より多いケイ素含量は溶融状態で合金をあまりにペースト状にし、そしてあまりに腐食性にする。
以下の合金が既に記載されていることをここで報告することは適当である：
（ａ）１７−１９ Ａｌ，４．５−５．５ Ｃｕ，０．９−１．３ Ｓｉ，０．８−１．２ Ｍｇ，残部Ｚｎ（ＣＳ−Ａ−１３５８０２）
（ｂ）２８．６ Ａｌ，３．１ Ｃｕ，１ Ｓｉ，０．１ Ｃａ，０．２ Ｎｉ，残部Ｚｎ（ＧＢ−Ａ−７６９４８３）
（ｃ）２０−４０ Ａｌ，０−５ Ｃｕ，０−１ Ｓｉ，０−０．１ Ｍｇ，０．２５−２ 少なくとも１種の希土類金属，残部Ｚｎ（ＵＳ−Ａ−４７８９５２２）
（ｄ）５５ Ａｌ，８ Ｃｕ，６．５ Ｓｉ，４．５ Ｂｅ，０．１２ Ｎｉ，０．６ Ｃａ，残部Ｚｎ（ＵＳ−Ａ−２８７００８）。
これらの公知合金の中で、合金（ｃ）が本発明に係る合金に最も近接している。合金（ａ）はホットチャンバー内で鋳造し得るにはあまりにも低いＣｕ含量を有し、かつ、あまりにも高いＭｇ含量を有する。合金（ｃ）はまた、あまりに低いＣｕ含量を有し、さらに酸化された状態でさえも、酸素に対する希土類金属の高い親和性の故に、これら希土類金属を０．２５−２％含有する合金を調製することは極端に困難である。
バリアントＩは有利にはＡｌを１５−１８％、好ましくは１５−１７％含有する。バリアントＩＩの好ましいＡｌおよびＣｕ含量はそれぞれ２５．５−２８．５％および１５−１８％である。両方のバリアントの好ましいＳｉ含量は０．１−１％である。両方のバリアントは、
−必要であるならば粒間耐蝕性を改良するためにＭｇを０．１％まで；
−必要であるならば延性を改良するためにＴｉを０．５％まで、Ｃｒを０．５％まで、そしてＭｎを１％まで；
−必要であるならば外部腐食性に対する耐性を改良するために、すなわち白色塩の形成を遅延させるためにＮｂを０．５％まで；および
−必要であるならば溶融状態にある合金の表面張力を低下させるために希土類金属または金属混合物を０．１％まで、含有してもよい。
０．１％より多いＭｇ含量により、合金は溶融状態においてペースト状になり、そして固体状態で脆性になる。合金はまた、Ｔｉ、ＣｒおよびＭｎに対する上記範囲から逸脱するならば、ペースト状になる。０．５％より多いＮｂ含量および０．１％より多い希土類金属含量は、酸素に対するそれらの元素の高い親和性の故に使用が困難である。
合金を調製するために用いられるＺｎ、ＡｌおよびＣｕはそれぞれ純度≧９９．９９％、≧９９．９５％および≧９９．９９％を有することが望ましい。これは合金中に不純物が存在すると流動性および機械的特性に悪影響を及ぼすことが見出されているからである。純度・９９．９９５％の亜鉛および純度・９９．９７％のアルミニウムが使用されることが好ましい。
合金が酸素に対する非常に高い親和性を有する金属、例えばＹ等を含有する場合、該金属の少なくとも一部は酸化された状態で存在してもよい。
本発明に係る合金のバリアントＩＩの優れたクリープ耐性および参考例の合金のバリアントＩの良好なクリープ耐性は、下に記載される一連の比較試験により説明され、その結果は添付の図面に示されている。
２種類の公知合金、ザマク５およびＡＣｕＺｉｎｃ５が本発明に係る２種類の合金、以下「Ｘ２７」と記載されるバリアントＩに相当する第１の合金および以下「Ｘ２８」と記載されるバリアントＩＩに相当する第２の合金と一緒に試験された。
これらの合金の組成は以下のとおりである：
−ザクマ５：４％Ａｌ，１％Ｃｕ，０．０４％Ｍｇ，残部Ｚｎ；
−ＡＣｕＺｉｎｃ５：３％Ａｌ，５．５％Ｃｕ，０．０４％Ｍｇ，残部Ｚｎ；
−Ｘ２７：１７％Ａｌ，９．５％Ｃｕ，０．５％Ｓｉ，残部Ｚｎ；
−Ｘ２８：２７％Ａｌ，１６．５％Ｃｕ，０．１％Ｓｉ，残部Ｚｎ。
これらの合金の試験片はホットチャンバー機において鋳造された。
一般的な鋳造条件は以下のとおりであった：
−サイクル時間：１２秒
−浴温度：４２０−４６０℃
−金属に加えた圧力：５０ＭＰａ
−ピストン速度：１．２ｍ／ｓ
−ノズルの直径：９．５ｍｍ
−型温度：１８０−２５０℃。
これらの試験片の形状および寸法は亜鉛および亜鉛合金から製造されるシートおよび箔に対する引張試験において使用される試験片のための欧州亜鉛処理技術委員会により規定されたものである。
試験片は４０ＭＰａの荷重下１００℃でクリープ試験に供された。時間（単位，時間）の関数として測定された伸び（単位，％）を示すクリープ曲線は添付の図面に示されている。
本発明に係る合金のバリアントＩＩが公知合金に比べより良好にクリープに耐性であることが示されている。
参考例の合金のバリアントＩの優れた引張強さおよび非常に高い硬度ならびに本発明に係る合金のバリアントＩＩの良好な引張強さおよび適度な硬度は下の表にまとめられたデータにより示される。
引張試験は、上記のように製造された厚さ３ｍｍの試験片に対し引張速度１ｃｍ／分で室温にて行われた。
本発明はまた、ホットチャンバー機内で加圧下鋳造することにより、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛がベースの合金からなる物品の製造方法に関し、該方法は上記合金が本発明の合金であり、そして上記鋳造が４６０℃に等しいか、またはそれより低い温度で行われることを特徴とする。
本発明の合金はホットチャンバーにおいて鋳造され得るが、それは必要に応じ、コールドチャンバーにおいて、および大気圧下で鋳造され得る。
それ故に、本発明はコールドチャンバー機内で加圧下鋳造するか、または重力鋳造することにより、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛がベースの合金からなる物品の製造方法に関し、該方法は上記合金が本発明の合金であることを特徴とする。
そのような合金は文献「ＳＡＥテクニカル・ペーパー・シリーズ９３０７８８，ＡＣｕＺｉｎｃ：金型鋳造への使用のための改良された亜鉛合金，Ｍ．Ｄ．ハンナおよびＭ．Ｓ．ラシッド，国際会議および展示会デトロイト，ミシガン，１９９３年３月１−５日」に記載されている。この公知の合金は、「ＡＣｕＺｉｎｃ５」と呼ばれ、Ｃｕ５．０−６．０％、Ａｌ２．８−３．３％およびＭｇ０．０２５−０．０５％、残部亜鉛からなる（本明細書において全ての％は重量％である）。この合金のクリープ耐性は、長い間ホットチャンバー内で鋳造されてきたザマク（Zamak）またはＺＡ合金のクリープ耐性に比べ実質的に優れているが、依然として比較的低い。
本発明の目的は上記公知の合金に比べ、より良好なクリープ耐性を有する最初に記載したような合金を提供することである。
このために、本発明による合金は、重量％で：Ａｌ２５−３０、Ｃｕ１５−２０、Ｓｉ０．０１−２、Ｍｇ０−０．１、Ｔｉ０−０．５、Ｃｒ０−０．５、Ｍｎ０−１、Ｎｂ０−０．５および希土類金属１種または金属混合物０−０．１（この組成は以下、バリアントＩＩと呼ばれる）を含有し、残部は亜鉛と亜鉛および上記合金化元素中に不可避に存在する不純物である。
なお、参考例の合金は、重量％で：Ａｌ１５−２０、Ｃｕ８−１０、Ｓｉ０．０１−２、Ｍｇ０−０．１、Ｔｉ０−０．５、Ｃｒ０−０．５、Ｍｎ０−１、Ｎｂ０−０．５および希土類金属１種または金属混合物０−０．１（この組成は以下、バリアントＩと呼ばれる）を含有し、残部は亜鉛と亜鉛および上記合金化元素中に不可避に存在する不純物である。
実際に、一方では、４６０℃を越えない温度で液体状態にある２種類のバリアントはホットチャンバー内で鋳造され得るような鋼に近似する低い攻撃性（aggressivity）を有すること、および他方では、鋳造状態において、バリアントＩが良好なクリープ耐性および優れた引張強さを示し、鋳造状態において、バリアントＩＩが優れたクリープ耐性および良好な引張強さを示すことが見出されている。上に記載したＡｌおよびＣｕ含量は固守されなければならず、さもなければ、合金の融点は４５０℃より上昇し、その結果、合金は、鋳造装置に対する腐食性が４６０℃以上であまりにも大きくなるので、ホットチャンバー内でもはや鋳造され得ない。ケイ素含量が０．０１％より少ない場合、引張強さおよびクリープ耐性は悪化する。２％より多いケイ素含量は溶融状態で合金をあまりにペースト状にし、そしてあまりに腐食性にする。
以下の合金が既に記載されていることをここで報告することは適当である：
（ａ）１７−１９ Ａｌ，４．５−５．５ Ｃｕ，０．９−１．３ Ｓｉ，０．８−１．２ Ｍｇ，残部Ｚｎ（ＣＳ−Ａ−１３５８０２）
（ｂ）２８．６ Ａｌ，３．１ Ｃｕ，１ Ｓｉ，０．１ Ｃａ，０．２ Ｎｉ，残部Ｚｎ（ＧＢ−Ａ−７６９４８３）
（ｃ）２０−４０ Ａｌ，０−５ Ｃｕ，０−１ Ｓｉ，０−０．１ Ｍｇ，０．２５−２ 少なくとも１種の希土類金属，残部Ｚｎ（ＵＳ−Ａ−４７８９５２２）
（ｄ）５５ Ａｌ，８ Ｃｕ，６．５ Ｓｉ，４．５ Ｂｅ，０．１２ Ｎｉ，０．６ Ｃａ，残部Ｚｎ（ＵＳ−Ａ−２８７００８）。
これらの公知合金の中で、合金（ｃ）が本発明に係る合金に最も近接している。合金（ａ）はホットチャンバー内で鋳造し得るにはあまりにも低いＣｕ含量を有し、かつ、あまりにも高いＭｇ含量を有する。合金（ｃ）はまた、あまりに低いＣｕ含量を有し、さらに酸化された状態でさえも、酸素に対する希土類金属の高い親和性の故に、これら希土類金属を０．２５−２％含有する合金を調製することは極端に困難である。
バリアントＩは有利にはＡｌを１５−１８％、好ましくは１５−１７％含有する。バリアントＩＩの好ましいＡｌおよびＣｕ含量はそれぞれ２５．５−２８．５％および１５−１８％である。両方のバリアントの好ましいＳｉ含量は０．１−１％である。両方のバリアントは、
−必要であるならば粒間耐蝕性を改良するためにＭｇを０．１％まで；
−必要であるならば延性を改良するためにＴｉを０．５％まで、Ｃｒを０．５％まで、そしてＭｎを１％まで；
−必要であるならば外部腐食性に対する耐性を改良するために、すなわち白色塩の形成を遅延させるためにＮｂを０．５％まで；および
−必要であるならば溶融状態にある合金の表面張力を低下させるために希土類金属または金属混合物を０．１％まで、含有してもよい。
０．１％より多いＭｇ含量により、合金は溶融状態においてペースト状になり、そして固体状態で脆性になる。合金はまた、Ｔｉ、ＣｒおよびＭｎに対する上記範囲から逸脱するならば、ペースト状になる。０．５％より多いＮｂ含量および０．１％より多い希土類金属含量は、酸素に対するそれらの元素の高い親和性の故に使用が困難である。
合金を調製するために用いられるＺｎ、ＡｌおよびＣｕはそれぞれ純度≧９９．９９％、≧９９．９５％および≧９９．９９％を有することが望ましい。これは合金中に不純物が存在すると流動性および機械的特性に悪影響を及ぼすことが見出されているからである。純度・９９．９９５％の亜鉛および純度・９９．９７％のアルミニウムが使用されることが好ましい。
合金が酸素に対する非常に高い親和性を有する金属、例えばＹ等を含有する場合、該金属の少なくとも一部は酸化された状態で存在してもよい。
本発明に係る合金のバリアントＩＩの優れたクリープ耐性および参考例の合金のバリアントＩの良好なクリープ耐性は、下に記載される一連の比較試験により説明され、その結果は添付の図面に示されている。
２種類の公知合金、ザマク５およびＡＣｕＺｉｎｃ５が本発明に係る２種類の合金、以下「Ｘ２７」と記載されるバリアントＩに相当する第１の合金および以下「Ｘ２８」と記載されるバリアントＩＩに相当する第２の合金と一緒に試験された。
これらの合金の組成は以下のとおりである：
−ザクマ５：４％Ａｌ，１％Ｃｕ，０．０４％Ｍｇ，残部Ｚｎ；
−ＡＣｕＺｉｎｃ５：３％Ａｌ，５．５％Ｃｕ，０．０４％Ｍｇ，残部Ｚｎ；
−Ｘ２７：１７％Ａｌ，９．５％Ｃｕ，０．５％Ｓｉ，残部Ｚｎ；
−Ｘ２８：２７％Ａｌ，１６．５％Ｃｕ，０．１％Ｓｉ，残部Ｚｎ。
これらの合金の試験片はホットチャンバー機において鋳造された。
一般的な鋳造条件は以下のとおりであった：
−サイクル時間：１２秒
−浴温度：４２０−４６０℃
−金属に加えた圧力：５０ＭＰａ
−ピストン速度：１．２ｍ／ｓ
−ノズルの直径：９．５ｍｍ
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これらの試験片の形状および寸法は亜鉛および亜鉛合金から製造されるシートおよび箔に対する引張試験において使用される試験片のための欧州亜鉛処理技術委員会により規定されたものである。
試験片は４０ＭＰａの荷重下１００℃でクリープ試験に供された。時間（単位，時間）の関数として測定された伸び（単位，％）を示すクリープ曲線は添付の図面に示されている。
本発明に係る合金のバリアントＩＩが公知合金に比べより良好にクリープに耐性であることが示されている。
参考例の合金のバリアントＩの優れた引張強さおよび非常に高い硬度ならびに本発明に係る合金のバリアントＩＩの良好な引張強さおよび適度な硬度は下の表にまとめられたデータにより示される。
本発明はまた、ホットチャンバー機内で加圧下鋳造することにより、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛がベースの合金からなる物品の製造方法に関し、該方法は上記合金が本発明の合金であり、そして上記鋳造が４６０℃に等しいか、またはそれより低い温度で行われることを特徴とする。
本発明の合金はホットチャンバーにおいて鋳造され得るが、それは必要に応じ、コールドチャンバーにおいて、および大気圧下で鋳造され得る。
それ故に、本発明はコールドチャンバー機内で加圧下鋳造するか、または重力鋳造することにより、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛がベースの合金からなる物品の製造方法に関し、該方法は上記合金が本発明の合金であることを特徴とする。
Claims (6)
- 重量％で、２５−３０Ａｌ、１５−２０Ｃｕ、０．０１−２Ｓｉ、０−０．１Ｍｇ、０−０．５Ｔｉ、０−０．５Ｃｒ、０−１Ｍｎ、０−０．５Ｎｂおよび０−０．１希土類金属または金属混合物を含有し、残部は亜鉛と亜鉛および上記合金化元素中に不可避に存在する不純物であることを特徴とするホットチャンバー機において加圧下で鋳造され得る、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛をベースとする合金。
- ２５．５−２８．５重量％のＡｌおよび１５−１８重量％のＣｕを含有することを特徴とする請求項１記載の合金。
- ０．１−１重量％のＳｉを含有することを特徴とする請求項１または２に記載の合金。
- 合金を調製するために用いられるＺｎ、ＡｌおよびＣｕがそれぞれ純度９９．９９％以上、９９．９５％以上および９９．９９％以上を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の合金。
- ホットチャンバー機において加圧下鋳造することにより、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛をベースとする合金からなる物品を製造する方法であって、上記合金は請求項１ないし４のいずれか１項に記載の合金であり、そして上記鋳造が４６０℃に等しいか、またはそれより低い温度で行われることを特徴とする方法。
- コールドチャンバー機において加圧下鋳造するか、または重力鋳造することにより、ＡｌおよびＣｕを含有する亜鉛をベースとする合金からなる物品を製造する方法であって、上記合金は請求項１ないし４のいずれか１項に記載の合金であることを特徴とする方法。
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