Densimet®およびTZMクーリングインサート - 完璧なアルミ鋳物のために

アルミ鋳物では、金属溶融を鋳型に流し込んだり、押し込んだりします。シリンダーヘッドやリムなど、多くの鋳造部品がアルミニウム合金から作られています。その際、鋳造用の工具は、600 °C以上にもなる激しい金属溶融に繰り返し耐えられるものでなければなりません。弊社のタングステンヘビーメタル合金Densimet^®やモリブデン合金TZMで作られたインサートであれば、このような問題は全くありません。

弊社は、クーリングインサート、インサート、スプルー部品、その他のコンポーネント、半製品を提供し、お客様の特定の要求に応じて鋳型を最適化します。また、3D技術を用いて高精度に製造された冷却チャンネル付きインサートも提供しています。

一目でわかるメリット：

サイクルタイムの短縮による生産性の向上
製品の表面
品質の向上
鋳型の長耐用年数
鋳型にクラックが発生しない
鋳造部品にキャビティがない
ホットスポットが発生しない > 鋳型内に空洞がない

材料の仕様はこちらをご覧ください。

D2M規格

D185規格

TZM仕様書

クラックと腐食 - 従来の鋳型の問題点

液状のアルミニウムは鉄製の鋳型を攻撃し、クラック、腐食、侵食、アルミニウムの接着力などの原因となります。鉄を含む材料が溶融アルミに放出されたり、アルミニウムの流量が速いために鋼が剥がされたりすると、鋳型表面の摩耗の増加を引き起こす。

鋳造された金属が溶けるときの温度の変化は、工具やコンポーネントにも影響を与えます。温度分布の違いや熱膨張係数の違いにより、熱応力が発生します。熱疲労によるクラックや変形は、コンポーネントの完全な破損の原因となります。

アルミニウムの鋳型には、機械的、熱的、化学的、そしてトライボロジー的に最も厳しい条件を満たす材料が求められます。クロムやモリブデンなどの合金を添加した従来の熱間加工鋼では、もはや今日の期待に応えることはできません。これに対して弊社は何ができるでしょうか？コスト削減と生産性向上を目指すなら、ストレスの大きい鋳型に高品質の材料を使うべきです。

弊社のアルミ鋳物用材料

モリブデンとタングステンは、1700 °C以上の融点を持つ金属で、いわゆるリフラクトリーメタルです。モリブデンは2610 °C、タングステンは3407 °Cにならないと溶けません。どちらも熱膨張係数が低く、鉄の3分の1程度です。対照的に、Densimetの熱伝導率は1.2343スチールの約4倍です。

360GPaから約385GPaという高弾性率により、高温下でも十分に高い剛性を確保しています。モリブデンとタングステンの機械的特性は、変形の程度、純度、再結晶度に依存します。室温での強度は、熱間加工鋼よりも低いです。しかし、650 °Cでは熱間鋼と同等の強度を持っています。

熱間加工鋼と比較した場合の弊社のアルミ鋳物用材料の代表値
	D2M	D185	TZM	1.2343鋼
腐食	+	+	++	--
酸化	600°C以上	600°C以上	400 °C以上	ごく僅か
熱伝導率 (500°C) [W/m K]	65	90	127	30
周期的な熱応力への耐性	++	++	++	--
衝撃強度	-	-	0	++
引っ張り強度 Rm (RT*) [MPa]	990	800	780	1200～1600
引っ張り強度 (500°C) [MPa]	670	600	500	100～1400
降伏強度 Rp0.2 (RT*) [MPa]	700	600	730	1000～1400
降伏強度 Rp0.2 (500 °C) [MPa]	460	420	490	650～900
破断伸び A5 (RT*) [%]	18	10	19	10～15
破断伸び A5 (500 °C) [%]	16	7	15
弾性率 [GPa]	360	385	320	214
熱膨張係数 α_th (500 °C) [10^-6 K^-1]	5.6	5.2	5.5	13.0
硬度 [HRC]	max. 31	max. 31	25	>45

*RT = Raumtemperatur
++ (sehr gut), + (gut), -- (weniger gut)

TZM: Molybdän mit 0,5 % Titan, 0,08 % Zirkon, 0,01-0,04 % Kohlenstoff
D185: 97 % Wolfram, Rest: Nickel und Eisen
D2M: 90 % Wolfram, Rest: Nickel, Molybdän und Eisen

タングステン合金 D2M・D185

純粋なタングステンは加工が非常に難しく、低温では非常にもろいです。そのため、タングステンは鋳型製造時に複合材としてのみ使用されます。鉄とニッケル、または鉄、ニッケル、モリブデンは、結合相とそれを含むタングステン粒子からなる二相材料であるデンシメット^®を作るために使用されます。
鉄、ニッケル、モリブデンは、タングステンを純粋なタングステンよりも機械的に加工しやすくします。弊社のデンシメット^®材料のタングステン含有率は最大で97%です。
アルミ鋳物用インサートは、主にデンシメット^® 185 (D185)とデンシメット^® D2Mから製造されています。機械的強度が高いことから、お客様は通常、高圧鋳造にD2Mを使用されます。D185は熱伝導率が特に高いため、鋳型内の最適な温度分布を確保するために、主に重力鋳造や低圧鋳造に使用されます。弊社では、お客様が適切な材料を見つけられるよう、アドバイスをさせていただきます。

モリブデン合金 TZM

TZMの物理的特性は、純モリブデンと非常によく似ています。しかし、小さくて非常に微細な炭化物の含有量が少ないTZMは、純モリブデンよりも強度が高く、再結晶温度が高いだけでなく、耐クリープ性にも優れています。

具体的な材料の利点を詳しく

優れた熱伝導性
優れた熱伝導性

弊社のタングステン重金属合金Densimet®とモリブデン合金TZMの熱伝導率は、通常のスチールの4倍にもなります。お客様にとってのメリットは、重要な箇所での金型の冷却が格段に早くなり、より多くの鋳造サイクルを短時間で行うことができることです。

さらに、急速な熱除去のおかげで、アルミ鋳物の微細構造（デンドライトの腕の間隔）が大幅に細かくなります。これにより、強度の向上など、製品の機械的特性の最適化につながります。モリブデンとタングステンの高い熱伝導率により、熱が迅速に放散されるため、モールドインサートの表面と鋳造のコアの間の温度差が低くなります。
同じエネルギーを投入した場合、弊社のモールドインサートの表面温度は、スチールよりも大幅に低くなります。Densimet^®の高い熱伝導率と相まって、鋳造プロセス中にモールドインサートにクラックが発生する危険性がないことを意味しています。
アルミニウムの融液が均一に硬化しないと、しばしばキャビティやポロシティなどの鋳造欠陥が発生します。これは主に肉厚が異なる部分で発生しやすいです。これを避けるためには、対象となる熱を除去する必要があります。弊社のタングステン合金やモリブデン合金は、材料がより早く硬化するはずの場所で正確にアルミニウム鋳物を冷却します。これにより、多くの場合、鋳造欠陥を回避することができ、複雑な追加冷却の必要もありません。
低熱膨張率
低熱膨張率

鋳造時には、アルミニウムの融液が鋳型インサートの冷たい表面に接触するため、材料に熱疲労クラックが発生することが多い。これは、特に高圧鋳造の際に、金型にクラックのネットワークを引き起こす可能性があります。Densimet^® とTZMの熱膨張係数は、スチールの熱膨張係数の3分の1であり、金型の熱疲労クラックを回避することができます。お客様にとっての利点は、完成した鋳造品の表面品質が最適になることです。スクラップ率の低下や修理費用の削減にもつながります。
低摩耗
低摩耗

熱間加工鋼製鋳型の表面硬度は、ある程度の鋳造回数を重ねると低下し始めます。一方、耐火性金属の場合は、強度が低い状態からスタートしますが、硬度の低下は見られません。
モリブデンやタングステンは、従来の熱処理方法では硬化させることができないため、完成した部品に保護膜を施すことができます。この目的には、CrCやTiAlなどの従来のPVDコーティングが適しています。また、材料の耐食性に影響を与えることなく、表面硬度を1000HV以上に高める独自の耐摩耗性コーティングも提供しています。興味がありますか？お問い合わせはこちら！
高腐食耐性
高腐食耐性

通常のモールドインサートやコアは、特にアルミニウムを高速で射出する場合、容易に侵食されます。モリブデンやタングステンはアルミニウムの溶融物には溶解しません。Densimet^®とTZMで作られたモールドインサートは、特に浸食されにくく、腐食しにくいのが特徴です。弊社の材料はアルミ融液と反応しないため、鋳造体を取り出す際にモールドインサートに金属残渣が付着することはありません。お客様にとっての利点は、インサートをより長く使用することができ、時間のかかる洗浄作業を行う必要がなく、すぐに次の注湯に備えることができることです。

異なる温度での材料特性の比較*

D2M
T[°C]	ρ[g/cm³]	c^p[kJ/kg K]	λ[W/m K]	α[ • 10^-6 1/K]	E [GPa]	R_m[MPa]	R_p0.2[MPa]	A₅[%]
20	17.3	0.149	65	5.3	360	990	670	18
200	17.2	0.156	66	5.5	350	890	600	17
500	17.1	0.160	68	5.6	333	700	460	16
800	17.0	0.163	69	5.7	320	490	330	14

D185
T[°C]	ρ[g/cm³]	c_p[kJ/kg K]	λ[W/m K]	α[ • 10^-6 1/K]	E [GPa]	R_m[MPa]	R_p0.2[MPa]	A₅[%]
20	18.5	0.145	90	5.0	385	800	600	10
200	18.4	0.149	91	5.1	365	720	520	9
500	18.3	0.154	92	5.2	350	600	420	7
800	18.2	0.158	93	5.3	340	480	320	5

TZM
T[°C]	ρ[g/cm³]	c_p[kJ/kg K]	λ[W/m K]	α[ • 10^-6 1/K]	E [GPa]	R_m[MPa]*	R_p0.2[MPa]*	A₅[%]*
20	10.20	0.256	148	5.32	339	789	738	19
200	10.19	0.266	137	5.38	328	702	554	16
500	10.18	0.281	127	5.53	309	502	493	15
800	10.15	0.296	121	5.73	289	445	440	15
1000	10.14	0.306	119	5.88	274	386	374	19
1500	10.10	0.330	114	6.30	231	150	140	40

*TZM-Stab ∅ 25 mm spannungsarm geglüht, Daten aus Zugversuch

鋼 1.2343
T[°C]	ρ [kg/cm³]	c_p[kJ/kg K]	λ[W/m K]	E[GPa]	α[ • 10^-6 1/K]	R_p0.2[MPa]	R_m[MPa]
20	7740	0.461	25.0	217.6	8.7	1300	1500
100	7720	0.496	26.0	212.9	11.5	1250	1450
300	7670	0.568	28.9	198.2	12.2	1100	1300
500	7600	0.550	29.5	178.9	12.9	750	950
700	7540	0.610	29.2	158.2	13.2	400	550

*材料特性に関するデータは、典型的な/特徴的なガイド値です。これらのデータは、弊社の知識の範囲内で提供されていますが、保証するものではありません。

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モリブデンやタングステンの加工に精通した弊社のノウハウをご活用ください。お客様の図面の仕様と公差に基づいて、インサートを提供させていただきます。

自分でやってみたいと思いませんか？Densimet^®の機械加工は、熱間加工鋼の加工に似ています。モリブデンも加工のしやすい材料です。ただし、加工時に考慮しなければならない特性があります。具体的な推奨事項は、材料のページに記載されています。

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Densimet^®WR溶加材

弊社のDensimet^®インサートを長期間使用した後、材料に侵食や溶出が発生した場合でも、弊社のDensimet^®WR溶加材を使用すれば、ビルドアップ溶接によって表面を修復し、鋳型の使用を継続することができますので、ご安心ください。弊社では、お客様の具体的なニーズに合わせて、様々な長さと直径のDensimet^®WRのロッドを提供しています。

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Densimet® WR溶加材