ダイカスト用マグネシウム合金の種類と性質

ダイカスト用に最も広く使用されているマグネシウム合金は、AZ91D、AM60B、AM50A です。 — それぞれが、さまざまなエンジニアリング要件に適した、強度、延性、鋳造性の明確なバランスを提供します。 AZ91D は強度と耐食性の最適な組み合わせにより汎用用途で優勢ですが、硬度よりもエネルギー吸収と伸びが重要な場合には AM60B および AM50A が好まれます。 マグネシウム合金ダイカスト マグネシウムは自動車、エレクトロニクス、航空宇宙分野で高く評価されています。 最軽量の構造用金属 、アルミニウムより約 33%、スチールよりも 75% 軽く、構造の完全性を犠牲にすることなく大幅な重量削減が可能です。

マグネシウムがダイカストに使用される理由

マグネシウム合金は、いくつかの相互関連した理由により、高圧ダイカスト (HPDC) に独特の適性を持っています。純粋なマグネシウムの密度はわずか 1.74 g/cm3 — アルミニウムでは 2.70 g/cm3、スチールでは 7.87 g/cm3 と比較して、質量削減が設計上の優先事項である場合に最適な選択肢となります。

マグネシウム合金は重量以外にも、商業的に魅力的なものとなる加工上の利点を提供します。

• 鋳造温度における優れた流動性： マグネシウム合金は、次のような薄肉部分に容易に流れ込みます。 0.6～1.0mm により、複雑なニアネットシェイプ部品をワンショットで加工できるようになります。
• サイクルタイムが速い: マグネシウムは急速に凝固します - 通常、サイクル時間は 25 ～ 50% 高速化 同等のアルミニウムダイカストよりも、部品あたりの生産コストを削減します。
• 溶融物の熱量が低い: 熱質量が低いため、ダイの熱疲労が軽減され、ダイの寿命が最大で延長されます。 アルミニウムと比較して 2 ～ 3 倍 .
• 良好な機械加工性: マグネシウムは機械加工が最も容易な金属の 1 つであり、切断速度は最大 200 です。 10倍高速 鋼よりも工具の摩耗が少なくて済みます。
• 高い強度重量比: マグネシウム合金は、多くのアルミニウム合金や一部の鋼と競合する特定の強度値を達成します。

これらの特性により、マグネシウム合金ダイカストは、自動車のインストルメントパネル構造、ステアリングコラムブラケット、シートフレーム、家電製品のハウジングの標準部品となっています。

ダイカスト用の最も一般的なマグネシウム合金

マグネシウムダイカスト合金は、ASTM によって定義された文字番号体系によって指定されます。文字は一次および二次合金元素 (A = アルミニウム、Z = 亜鉛、M = マンガン、S = シリコン、E = 希土類) を示し、数字はそれらのおおよその重量パーセントを示します。

AZ91D — 業界の主力製品

AZ91Dには約 9% アルミニウムと 1% 亜鉛 、耐食性のためにマンガン含有量が制御されています。おおよその割合を占めます マグネシウムダイカスト生産量の90％ グローバルに使用され、特別な機能要件がない場合に別の合金が優先される場合のデフォルトの選択です。

AZ91D が好まれている理由は、標準のダイカスト合金ファミリーの中で最高の降伏強さと極限引張強さ、良好な鋳造性、および厳密に制御された鉄、銅、ニッケルの不純物制限 (それぞれ 0.005% 未満) による一般的な Mg-Al 合金の中で最高の一般腐食耐性を備えているためです。

AM60B — 延性とエネルギー吸収性

AM60Bには以下が含まれます 6% アルミニウムおよび 0.3% マンガン 亜鉛無添加。アルミニウムを 9% から 6% に減らすと、強度はわずかに低下しますが、伸びは大幅に増加します — AM60B は 8%伸び AZ91Dの3%と比較して。このため、衝突エネルギーの吸収が設計要件となるステアリングホイール、シートフレーム、ドアインナーパネルなどの自動車の安全上重要な部品に適した合金となっています。

AM50A — 最大の延性

AM50Aには以下が含まれます 5% アルミニウム 最高の伸びを実現します ( 10%まで ) 引張強さは低くなりますが、標準的なダイカスト合金よりも優れています。インストルメントパネルのクロスカービームやコンバーチブル車両の横転保護構造など、破損する前に最大限の変形が必要な用途に使用されます。

AS41B および AE44 — 高温合金

標準の AZ および AM 合金は、上記を超えると大幅な耐クリープ性を失います。 120℃ 粒界の Mg17Al12 金属間相の軟化によるもの。トランスミッション ケース、オイル パン、エンジン ブラケットなどのパワートレインの用途には、高温合金が必要です。

• AS41B (4% Al、1% Si): シリコンの添加により熱的に安定な Mg₂Si 析出物が形成され、クリープ耐性が向上します。 150℃ .
• AE44 (4% Al、4% レアアース): レアアース (セリウム、ランタン) の添加により、高温強度と耐クリープ性が大幅に向上します。 175℃ 、BMWとポルシェのエンジンクレードルとトランスミッションハウジングに使用されています。

主要なダイカスト合金の機械的特性の比較

以下の表は、ASTM 規格に基づく最も重要なマグネシウム ダイカスト合金の主要な機械的特性を比較しており、合金選択のデータに基づく基礎を提供します。

マグネシウム合金ダイカストの主な用途

マグネシウム合金ダイカストは幅広い業界で使用されており、自動車はおおよその市場で最大の市場を占めています。 総消費量の70% .

自動車産業

車両の重量が 1 キログラム節約されるごとに、燃料消費量が約 1 削減されます。 100kmあたり0.06～0.08リットル 車の寿命にわたって。代表的なマグネシウム ダイカスト自動車部品には次のようなものがあります。

• インパネ構造とクロスカービーム（AM60B、AM50A）
• ステアリングホイールアーマチュアとコラムブラケット（AM60B）
• トランスミッションケースおよびトランスファーケースハウジング（AZ91D、AE44）
• シートフレームとドアインナーパネル（AM60B）
• 高温域のエンジンブラケットとオイルパン（AS41B、AE44）

家庭用電化製品

エレクトロニクス業界では、ノートパソコンのハウジング、カメラ本体、スマートフォンの構造フレーム、タブレットのシェルなどに AZ91D が広く使用されています。マグネシウムが提供するもの 優れた EMI (電磁妨害) シールド — までの減衰 90dB 30 MHz ～ 1 GHz の周波数で動作します。これはプラスチック製の筐体に比べて大きな利点です。

航空宇宙と防衛

グラム単位が重要な航空宇宙分野では、マグネシウム合金ダイカストがヘリコプターのギアボックス ハウジング、航空機のシート フレーム、航空電子機器の筐体に使用されています。動作温度が 150°C を超える場合は、希土類を添加した特殊合金が使用されます。

電動工具およびスポーツ用品

電動工具のハウジング、チェーンソーの本体、自転車の部品は、マグネシウムの軽量さと十分な剛性の組み合わせの恩恵を受けています。 AZ91D はこれらの用途向けの標準合金であり、完成品の重量を 100% 削減します。 同等のアルミニウム鋳物と比較して 30 ～ 35% .

マグネシウム合金のダイカストプロセス

マグネシウム合金ダイカストは 2 つの主要なプロセス バリアントを使用して製造され、それぞれに明確な利点があります。

ホットチャンバーダイカスト

マグネシウムの鉄の溶解度が低いため、射出システムを著しい浸食なく溶湯に浸すことができるため、ほとんどのマグネシウム ダイカストではホット チャンバー (グースネック) プロセスが使用されます。マグネシウムホットチャンバー鋳造の主なパラメータは次のとおりです。

• 溶融温度: 合金に応じて 620 ～ 680°C
• 射出圧力: 35～105MPa
• 金型温度: 180～260℃
• サイクルタイムの利点: コールドチャンバーアルミニウム鋳造よりも 40 ～ 60% 高速

コールドチャンバーダイカスト

コールドチャンバー鋳造は、ホットチャンバーの機械能力が不十分な、大きくて重いマグネシウム部品に使用されます。溶融金属は各サイクルでショットスリーブ内に取鍋で入れられます。射出圧力が高くなります ( 70～140MPa ）、気孔率が低く、より緻密な鋳物を製造します。これは自動車の構造用途に適しています。

加工中の溶融防止

溶けたマグネシウムは急速に酸化し、空気や湿気にさらされると発火する可能性があります。最新のダイカスト設備は、溶融表面を保護します。 SF6 と CO2 または SO2 の混合ガスをカバーします。 、または独自の抑制剤を含む乾燥空気。 SF₆ 濃度が低い 0.2体積% カバーガス内のガスは酸化を抑制するのに十分です。この安全要件によりプロセスは複雑になりますが、商業運転では十分に確立されています。

マグネシウムダイカストの耐食性

マグネシウム合金の限界として最も頻繁に挙げられるのは耐食性です。保護されていないマグネシウムの標準電極電位は、 –2.37V そのため、陽極性が高く、他のほとんどの構造金属と接触すると電気腐食を受けやすくなります。

ただし、最新の合金 (AZ91D、AM60B) の高純度指定は、主要な腐食メカニズムに対処しています。研究により、鉄含有量を臨界比率以下に制限することが確立されました。 Fe/Mn ≤ 0.032 腐食速度を 1 分の 1 に低減します 10～100× 古い低純度合金と比較して。 AZ91D は、塩水噴霧試験 (ASTM B117) において、ダイカスト アルミニウム合金 380 に匹敵する腐食率を達成しました。

腐食防止のためにマグネシウムダイカストに適用される表面処理には次のものがあります。

• マイクロアーク酸化 (MAO / PEO): 厚さ10～30μmの硬質セラミック酸化物層を形成します。優れた耐食性と耐摩耗性を実現します。
• クロムフリー化成皮膜: 自動車用途の塗料接着ベースとして使用されるリン酸塩過マンガン酸塩またはチタン/ジルコニウムベースのプライマー。
• Eコート（電着塗装）トップコート： 標準的な自動車塗装プロセス。適切な前処理を施したAZ91Dコンポーネントは、 500時間 ASTM B117 塩水噴霧中。
• ポリマー粉体塗装: 美観と耐食性の両方が要求される電子機器の筐体や消費財に使用されます。

ダイカストプロジェクトに適切なマグネシウム合金を選択する方法

マグネシウムダイカスト用の合金の選択は、機能要件の構造化された評価によって決定される必要があります。次の意思決定フレームワークを使用します。

1. 動作温度を定義します。 部品が 120°C (エンジン ベイ、トランスミッション) を超える温度にさらされる場合、標準の AZ/AM 合金は適していません。AS41B (最大 150°C) または AE44 (最大 175°C) を指定してください。
2. 主な機械的要件を決定します。 最大の強度と硬度が必要な場合 (ハウジング、ブラケット、構造パネル)、AZ91D を選択してください。延性と衝突エネルギー吸収が重要な場合 (安全コンポーネント、シート構造)、AM60B または AM50A を選択してください。
3. 壁の厚さと形状の複雑さを評価します。 非常に薄い壁 (1.5 mm 以下) と複雑なゲートは、AZ91D の優れた流動性の恩恵を受けます。 AM シリーズ合金は流動性が若干低いため、複雑な形状の場合はゲートの再設計が必要になる場合があります。
4. 腐食環境を評価します。 屋外や高湿にさらされる場合には、高純度グレード（AZ91Dの「D」、AM60Bの「B」は高純度バージョンを示します）を指定し、最初から適切な表面処理を計画してください。
5. 後処理要件を考慮してください。 部品を溶接する場合、AM シリーズ合金は亜鉛含有量が低いため、AZ91D よりも溶接しやすく、高温割れの傾向が軽減されます。

エンクロージャ、ブラケット、構造フレームなど、商業用ダイカスト プロジェクトの大部分に対応 AZ91D がデフォルトの開始点のままです また、特定のテストまたは機能分析により、AM60B、AM50A、または高温合金に切り替えることの明らかな利点が実証された場合にのみ置き換えるべきです。