鋳造・鍛造・アルミ板：その違いとは？

アルミニウム合金は、高い比強度、優れた耐食性、そして良好な加工性を兼ね備えています。自動車産業において、アルミニウム合金は鋼に次いで2番目に広く使用されている材料です。車両の軽量化への要求が高まるにつれ、アルミニウムの使用量は増加の一途をたどっています。自動車部品には、鋳造アルミニウム合金、鍛造アルミニウム合金、およびアルミニウム板の使用がますます広がっています。.

鋳造アルミニウム合金は、トランスミッションハウジング、エンジンブロック、シリンダーヘッド、ステアリングナックルブラケットなどの支持部やハウジングに広く使用されています。製造プロセスには、真空ダイカスト、酸素フラッシングダイカスト、スクイーズ鋳造などがあります。.

鋳造用アルミニウム合金

高真空ダイカストでは、充填前に金型キャビティ内の空気を排気するため、理論的にはガスが溶融金属に混入するのを防ぐことができます。 その結果、ガス含有量が少なく、高密度で、機械的特性が大幅に向上した鋳造品が得られます。その後の熱処理や溶接を可能にするためには、金型キャビティ内の有効真空圧を5 kPa未満に保つ必要があります。次の図は、高真空ダイカストと従来の真空ダイカストを比較したものです。.

酸素フラッシングによるダイカストも、気孔率を低減させます。まず、金型キャビティに酸素を充填します。 溶融アルミニウムが流入すると、酸素と反応して均一に分散したアルミナ粒子が形成されます。これらの粒子は1 μm未満であり、総重量のわずか0.1%～0.2%を占めるに過ぎないため、その後の加工にほとんど影響を与えません。以下の図はその原理を示しています。.

スクイーズ鋳造では、溶融金属を開放型の鋳型に直接注ぎ込みます。その後、鋳型を閉じ、静圧を加えることで、レオロジー成形、高圧凝固、およびわずかな塑性変形が生じ、高品質な金属部品が製造されます。このプロセスは、主に直接スクイーズ鋳造と間接スクイーズ鋳造に分けられます。 直接スクイーズ鋳造では、圧力が溶融金属に直接作用し、顕著な高圧凝固効果が生じるため、一般に形状が単純な鋳造品に適している。 間接スクイーズ鋳造では、パンチの圧力がショットスリーブとビスケットを介して鋳物に伝達される。加圧される圧力は限定的であり、工程も比較的遅いため、複雑な部品の大量生産に適している。次の図は、これら2つのプロセスを比較したものである。.

鍛造アルミニウム合金

鍛造アルミニウム合金は、一般的に、サスペンションのコントロールアームやステアリングナックルといった重要なシャーシ部品を含め、優れた機械的性能が求められる部品に使用されます。現在の鍛造法には、液状金型鍛造、半固体金型鍛造、等温鍛造、および粉末鍛造などがあります。.

一体成型のホイール製造には、液体ダイ鍛造がしばしば用いられる。完成品は優れた機械的特性と表面品質を備えているが、設備コストが高く、工程も複雑なため、製造コストは高止まりしている。.

半固体金型鍛造は、液体金型鍛造と類似しています。ビレットを半固体状態まで加熱し、金型内に急速に注入した後、静圧を加えて、液体の流動と塑性変形によって部品を成形します。 液体ダイ鍛造と比較して、成形温度が低く、体積収縮も少ない。収縮による空洞の発生や崩壊が起こりにくく、金型の寿命が延び、ガスの混入が減少するため、完成品の品質が大幅に向上する。.

等温鍛造では、加熱されたビレットを温度制御された金型に入れ、一定温度でゆっくりと鍛造します。温度を一定に保ち、鍛造速度を低く抑えることで、より完全な動的再結晶が促進され、より均一な微細組織が得られ、延性が向上します。 6082アルミニウム合金について最近研究された先進的なプロセスは、半固相鍛造と等温鍛造を組み合わせたものである。ビレットは溶体化処理温度で予備鍛造され、予備時効処理を経た後、最終的に200°Cで等温鍛造される。 このプロセスにより、析出強化および転位強化が促進され、硬度と強度が高い、許容範囲内の部品が製造された。.

アルミ板

2012年以降、欧州および北米における歩行者保護規制の強化により、自動車の外装パネルへのアルミ板の採用が大幅に拡大した。 2020年までに、北米におけるボンネット用途のアルミニウム使用量は75%に達し、ドア、ラゲッジコンパートメント、ルーフにおけるシェアは25%を超えた。アウディ、ジャガー、フォード、テスラの一部のモデルでは、ボディ構造の大部分にアルミニウムが採用されている。 従来のプレス成形や引抜き成形に加え、アルミニウム板の熱間成形も著しく進歩し、現在では重要な高性能成形技術となっている。.

高強度アルミニウム合金の延性が低く、変形が困難であるという課題に対処するため、熱間成形技術が開発された。その主な手法として、熱間プレス成形が挙げられる。最近の研究では、バックプロパゲーション型ニューラルネットワークと多目的遺伝的アルゴリズムを組み合わせて、ブランク温度、プレス速度、金型クリアランスなどの主要変数を最適化した。 その結果得られた部品の引張強度は300～320 MPaであり、これは6061-T6アルミニウム合金の極限強度と一致していた。最適化されたパラメータにより、満足のいく性能、良好な機械的特性、および高い成形精度を備えた部品が製造された。.

アルミニウム板の冷間成形は、主に自動車のボディパネルに用いられています。複雑な形状、比較的薄い板厚、そして高い表面品質が求められることから、一部のパネルではしわ、ひび割れ、スプリングバックが生じやすい傾向があります。 冷間プレス加工において、研究者らはプロセスパラメータが薄化やスプリングバックに与える影響を調査し、金型表面の補正やパラメータの調整を行った。これらの対策により、スプリングバック、しわ、ひび割れを効果的に抑制することができた。.