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技術資料
Technical Data

ダイカストと溶湯浸漬による焼付きの評価
河野正道＊

Evaluation of Soldering on Surface-Treated Specimens with both
Actual Die Casting and Dipping Test into Molten Al Alloy
Masamichi KAWANO
Synopsis
Soldering behavior of surface coating was investigated in die casting and dipping tests. Core-pins and round bar specimens
were surface treated by carbo-nitriding or PVD process. Regarding die casting, molten Al alloy of 735 ℃ was injected with avelocity of 54 m/s to core-pins. Lubricants used were water-based emulsion type and oiliness type. The maximum temperature
1 mm below the surface of the core-pin reached 475 ℃. Water-based emulsion lubricant gave a lower temperature than the oily
one. Soldering of core-pins after 18 shots of die casting was almost the same regardless of the surface coating or lubricant.
An Fe/Al compound layer could not be observed at the soldering part. In the dipping test, round bar specimens were held for
30 seconds in molten Al alloy at 750 ℃. Salt bath nitriding tends to be superior to PVD for anti-soldering performance. Thesoldering behavior in the die casting and dipping tests do not necessarily match.

1．はじめに物や窒化物などの硬質膜を形成させる表面処理 7），8） がダイカストの焼付きとは，金型にアルミニウム合金焼付きの評価には，表面処理した試験片を溶融状態（以下，Al 合金という）が凝着する現象である．鋳造品の Al 合金（以下，溶湯という）に浸漬する方法（以下，挙げられる．の焼付き部では，金型を転写した滑らかな表面や高い寸溶湯浸漬という）が広く用いられる 7），8）．焼付きにくさ法精度が得られない．また，広範囲に焼付いた場合には，の優劣は，試験片に付着した Al 合金の量で容易に目視鋳造品を金型から取り出せなくなる．以上より，ダイカ判断できる．溶湯浸漬によるスクリーニングを経て，実ストの品質維持と安定操業には焼付き回避が必須となる．

際にダイカストへ適用する表面処理膜が選定される．低焼付きを回避するには，鋼と Al 合金の濡れや反応をコストで高効率な溶湯浸漬は，表面処理の開発や評価に活性化させなければ良い．そのための方策は，（1）金型の表面温度を下げる，（2）金型材と Al 合金の直接接触を防おいて重要な役割を果たしている．
本報では，表面処理膜間の焼付きにくさの順列をダイぐ，の 2 点である．
（1）には内部冷却（以下，内冷という）カストと溶湯浸漬で比較する．また，溶湯の流動（以の適正化が有効であり，水質管理による流量の確保

1），2），下，湯流れという）や圧力の違いが焼付きに影響するか

高圧水の吐出 3），複雑な冷却回路の積層造形 4），5），などどうかを，離型剤の種類による金型温度の変化と併せて6）が提案されている．
（2）としては，離型剤被膜 ，酸化検証する．

2021年 9月 15日 受付＊大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

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2．焼付きの状態

す．3 種類の PVD（Physical Vapor Deposition）被膜と 1焼付きの発生と進展は，局所的に生成した Fe/Al 反応

はヤング率 E とビッカース硬さが高く，表面粗さ Ra が種類の塩浴窒化である．塩浴窒化と比較し，PVD 被膜層が合体し面積と厚さを増す過程である．この様子をFig. 1 に示す．ADC12 の溶湯にダイス鋼 SKD61 を浸漬小さい．塩浴窒化の特徴は膜が 10 μm と厚いことであり，被膜は約 8 μm の化合物層と 2 μm 程度の酸化膜からなる．PVD 被膜の厚さは，塩浴窒化の約半分に相当込む．浸漬時間の延長によって，反応層は鋼内部への浸する 4 ～ 6 μm である．Fig. 3 の表面処理はダイカスト

食を深めると同時に面積を拡大し、別の部位では新たな金型への適用例が多い市販品である．

品取り出しによって減耗や剥離を起こしにくいこと」である．
20 μm

20 μm(a)SKD61

ADC12SKD61

ADC12SKD61(Specimen)

20 μm(c)(b)

Fig. 1. Initiation of soldering observed on dipping test intomolten ADC12. Non-coated specimens of SKD61
are used. Dipping time is prolonged from (a) to (c).
The arrows indicate Fe/Al compound layer.
Fe/Al compound layer

ADC12PVD film“F”

20 μm

E=512 GPa
Coating film
2194 HV
Ra＝0.15 μ m

10 μm

面処理膜に求められる重要な性質の 1 つが「湯流れや鋳造SKD61

SKD61
20 μm

E=673 GPa3691 HV
Ra＝0.17 μ m

Coating film10 μmとしている．金型材と溶湯の直接接触を防ぐ観点から，表Surface observed
Cut plane
E=459 GPa
Coating film
2956 HV
Ra＝0.16 μ m

SKD6120 μm

E=166 GPa
570 HV
Nitriding layer
Ra＝0.43 μ m

Oxide film

SKD61

10 μm

Fig. 2 に示すとおり，ダイカストで焼付いた表面処理品においても，反応層の形成は膜の消失部という局所を起点

PVD coating “C”剤の役割を果たし，Al 合金は強固に焼付く．

Nitriding “D”

部がさらに広がり，反応層の厚みも増す．反応層が接着PVD coating “B” PVD coating “A”反応層が生成する．そして，反応層同士の合体で焼付き10 μmした例である．まず，反応層が局所的に生成し鋼に食い20 μm

Fig. 3. Four surface treatments for SKD61 of 46HRC. EFig. 2. Soldering observed on die-cast after 2000 shots.
Coating film “F” by PVD (Physical Vapor Deposition)is locally lost as shown by arrows, and an Fe/Al
compound layer is formed at exposed SKD61.

3．実験条件3.

1and Ra mean Young’s modulus and arithmetic

10 μm

SKD61(Core-pin)

表面処理膜

焼付きの評価に用いる表面処理膜の状態を Fig. 3 に示

mean surface roughness, respectively.

3.

2ダイカスト

芝浦機械㈱製で型締め力 135 ton のマシンを用いる．
鋳造条件を Table 1 に示す．溶湯の射出は，ゲートからの距離が 20 mm の鋳抜きピンを直撃するようにおこなわれる．この鋳抜きピンが焼付きを評価する試験片であり，意匠面に突き出している部分の形状は直径 8 mm 高
さ 10 mm で，抜きテーパは 1.5 °である．

SKD61 の鋳抜きピンには，金型を分解して入子の裏側から装入するタイプ（以下，一体ピンという）9），10）と，意匠面側から先端部分のみを簡単に着脱できるタイ

技術資料＞ダイカストと溶湯浸漬による焼付きの評価

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プ（以下，先端交換ピンという）がある．一体ピンは内度がほぼ一定となった 14 ～ 18 ショットにおける最低温冷回路と熱電対を内蔵し，溶湯の温度（以下，湯温と度と最高温度をそれぞれ平均し，湯温や内冷と関連付けいう）や離型剤の種類が焼付き部の温度におよぼす影響て Fig. 5 および Fig. 6 に示す．

次々に交換してゆくことで試験を効率化する．
Table 1. Conditions of die cast by machine having moldtightening force of 135 tons. The whole timeof a cycle is 24.7 s and 26.3 s for lubricant “M”
and “R” respectively.
ItemDetailCast Al alloy and weight
ADC12, 600 g
Molten ADC12 temperature
640～740 ℃
Injection velocity
54 m/sPressure
65 MPa38.1
cm
Oilinesstype “R”
Spray amountof lubricant
4.4 cm3 Water-based emulsion “M”
Chill time
12 sTime in
2sfor “M”
a cycleSpray
0.8 s for “R”
Inner cooling Core-pin
0 or 3 L/min
離型剤は油性剤“R”と水溶性剤“M”を切り替えて

500

Temperature / ℃

いが，Fig. 3 の表面処理を施した．この先端交換ピンを試験片は直径 10 mm，長さ 60 mmの丸棒である．Fig. 3の表面処理が施された SKD61 の試験片を湯温 750 ℃のADC12 に浸漬する．浸漬前に離型剤は塗布しない．そして，静止させた状態で 30 s 経過後に溶湯から引き上げる．
試験片を室温まで冷却後は，付着している ADC12 やノロをこする．ここで，付着物が剥離しなければ「焼付き」と判断する．焼付きでなければ付着物は容易に剥がれ，から示されている．

4．実験結果および考察
4.

1

鋳抜きピンの温度ショット数の増加にともなう温度推移の例を Fig. 4 に示す．表面処理なしの一体ピンを用い，ゲート側の表面から深さ 1 mm 位置を熱電対で測定した．湯温・内冷・離型剤によって温度は大きく変化する．鋳抜きピンの温(a) Lubricant “R”, without inner cooling

100Molten ADC12 of 729 ℃

150300450Time / s(b) Lubricant “M”, inner cooling of 3 L/min4006001830020014100Molten ADC12 of 640 ℃

150300450Time / s600

Fig. 4. Temperature transient at 1 mm below surface
of non-coated core-pin. The minimum and themaximum temperature is averaged between
shots 14 and 18 then given on Fig. 5 and Fig. 6.
360(a) Lubricant “R”

300240180Fig. 4(a)Without inner cooling

Inner cooling of 3 L/min

600

650700750Molten ADC12 temperature / ℃
Min. temperature / ℃

ることが，試験片内部の測温実績と FEM による逆解析

2000

浸漬前と同じ状態の試験片表面が現れる．
なお，浸漬 30 s 時点の試験片最表面は 721 ℃に達す

140Min. temperature / ℃

溶湯浸漬

300500の適用例が多い市販品である．

34000使用する．これら 2 種類の離型剤も，ダイカスト金型へ

3.

180Temperature / ℃を調査する．先端交換ピンには内冷や測温の機構はな

360(b) Lubricant “M”

300

Without inner cooling

240Fig. 4(b)180600Inner cooling of 3 L/min

650

700

750Molten ADC12 temperature / ℃
Fig. 5. The minimum temperature of non-coated corepin related to Fig. 4. The conditions applied
to coated core-pins are decided as molten
temperature of 735 ℃ and without inner cooling.

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

480Lubricant “R”(a) Lubricant “R”

460

Fig. 4(a)Without inner cooling

440
420

400

Inner cooling of 3 L/min

600

650

700

750

Max. temperature / ℃Molten ADC12 temperature / ℃
480(b) Lubricant “M”

460
Without inner cooling440

Inner cooling of 3 L/min

420

400

Fig. 4(b)

600

650

700

750

Molten ADC12 temperature / ℃
Fig. 6. The maximum temperature of non-coated corepin related to Fig. 4. Decided conditions for coatedcore-pins are the same as described in Fig. 5.
鋳抜きピンの温度を下げる効果は，油性離型剤“R”

Nitriding “D” Coating “C” Coating “B” Coating “A”

Max. temperature / ℃

90Lubricant “M”

ADC12φ8Fig. 7. Appearance of coated core-pins after 18 shots.
The geometry of a pin is 8 mm diameter with10 mm height. Severe soldered parts and the mostslightly soldered part around a pin are shown.

よりも水溶性離型剤“M”の方が大きい．この傾向は最種類による明確な差が認められない．表面状態は膜に低温度を示した Fig. 5 において顕著であり，内冷なしのよって異なり（Fig. 3），離型剤の種類による温度差も大低い．水の蒸発潜熱が冷却に大きく関与することの証左

な焼付きが発生した．

条件（白抜きのデータ）では，“R”より“M”は約 60 ℃といえよう．また，内冷の影響が小さいことも水溶性離型剤”M”の特徴である．最高温度を示した Fig. 6 に注目すると，内冷の有無による温度差は”R”が約 43 ℃と大きいことに対し，“M”では 14 ℃程度である．

以下では，湯温 735 ℃の内冷なしで表面処理膜の焼きい（Fig. 5，Fig. 6）が，いずれの条件においても強固焼付きが最も顕著な部位の断面を Fig. 8 に示す．矢印に挟まれた領域が表面処理膜である．Fig. 2 の場合とは異なり，表面処理膜が消失した箇所はない．このためFe/Al 反応層も認められず，ADC12 は物理的に付着した状態である．

付きにくさを比較する．この条件における鋳抜きピンの焼付きの発生過程は以下のように考えられる．まず，温度は，油性離型剤“R”を用いた場合が 330 ～ 475 ℃，射出前の低温の表面処理膜を離型剤被膜が覆う．鋼材と水溶性離型剤“M”では 270 ～ 460 ℃になることが Fig. 5と Fig. 6 から分かる．

4.

2ダイカストの焼付き

Fig. 3 に示した表面処理の鋳抜きピン（先端交換ピン）を用い，湯温 735 ℃の鋳造を 18 ショット行った．焼付きは 4 ショット程度から観察され始め，以降は焼付きの面積が拡大した．

溶湯の直接接触を防ぐ観点からは，望ましい状態といえる．しかし，離型剤被膜は高速の湯流れによって除去されてしまう．そして，湯温が高いため表面処理膜も高温度化する．これらの結果，溶湯と表面処理膜の濡れが良くなり，接触界面の原子間力が ADC12 の強度を超えた．
以上が，鋼材と溶湯が直接接触しないにもかかわらず焼付いた経緯の推測である．
湯流れによるエロージョンの様子を Fig. 9 に示す．0

18 ショット鋳造後の鋳抜きピンの外観を Fig. 7 に示

ショットの状態（鋳造前，Fig. 3）と 18 ショット後を比を撮影した．焼付きの程度には，表面処理膜や離型剤のあった酸化膜の厚さが，18 ショット後には約 1 μm に減す．焼付きの面積が最も大きい箇所と，最も小さい箇所較した．塩浴窒化に注目すると，鋳造前に 2 μm 程度で技術資料＞ダイカストと溶湯浸漬による焼付きの評価少している．一方，PVD 被膜“B”の厚さは鋳造の前後4.

91

1 節で述べたとおり，今回の鋳造条件における鋳で変わらない．他 2 種類の PVD 被膜についても同様で抜きピンの最低温度（離型剤塗布時に相当）は，油性離程度では削食されない．しかし，PVD 被膜の表面を覆っは 270 ℃である．これらの値は「皮膜形成の上限」とさ型剤“R”を用いた場合が 330 ℃，水溶性離型剤“M”でていた離型剤は，塩浴窒化の酸化膜を減耗させるほど高れる 240 ℃ 11）を超えている．しかし，“R”と“M”は従速の湯流れによって除去されたと考えられる．

来の潤滑剤とは異なり，高温の金型にも弾かれずに付着

Lubricant “R”

Lubricant “M”
ADC12ADC12することが特徴である．特に，“R”は適用可能温度が高く，今回の鋳造で計測された 330 ℃は推奨金型温度の範囲内である 12）．以上より，鋳抜きピンの最低温度は 240

10 μm

10 μm℃を超えたが、離型剤の皮膜は形成されたと考えられる．

SKD61

SKD61

以下では「4 種類の表面処理膜の焼付きにくさは同等」という結果が溶湯浸漬でも得られるか検証する．

4.

ADC12ADC123

溶湯浸漬の焼付き

10 μm

10 μm

750 ℃の溶湯に 30 s 浸漬した試験片の外観を Fig. 10Oxide film

ADC1210 μm

10 μm

ADC12ストの場合（Fig. 7）とは異なり，溶湯浸漬では表面処理膜による焼付きの差が大きく表れた．溶湯浸漬による
SKD61

SKD61箇所を撮影した．いずれの表面処理膜にも焼付きは発生
逆に PVD 被膜“C”と窒化“D”は最も少ない．ダイカADC12ADC12に示す．焼付きの面積が最も大きい箇所と，最も小さいしたが，ADC12 の付着量は PVD 被膜“A”が最も多く，

SKD61

SKD61

Oxide film

表面処理膜のスクリーニングに際しては，優れた性能を示した膜がダイカストにおいても焼付きにくいとは限らない点に注意が必要である．
PVD coating “A”

10 μm

10 μm

Nitriding “D” PVD coating “C” PVD coating “B” PVD coating “A”あった．2000 HV を超える硬い PVD 被膜は 18 ショット

ADC12φ10

SKD61

SKD61Fig. 8. Observation of cut plane at soldered part after 18

PVD coating “B”

shots. An Fe/Al compound layer could not be seen.
After 18 shots
ADC12SKD61

Oxide film

PVD coating “C”
10 μm

10 μm

Oxide film

SKD61
Nitriding “D”
ADC12SKD61

10 μm

10 μm

PVD coating “B”

Nitriding “D”

0 shot

SKD61

Fig. 9. Comparison of coating film between before andafter casting with lubricant “R”. The thickness of theoxide film is decreased by 18 shots of casting.

Fig. 10. Appearance of coated round bar specimens
after dipping into molten ADC12. Severe
soldered parts and the most slightly solderedpart around a specimen are shown.

92

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年（文表面処理膜間の焼付きにくさの順列がダイカストと溶湯浸漬で一致しない理由は，（1）温度，（2）流速，（3）圧力の違いと考えられる．この中で，（1）は溶湯浸漬の方が高い．3.

3 節と 4.

1 節で述べたとおり，焼付き部の最高到達温度は，溶湯浸漬の丸棒が 721 ℃（最表面），ダイカストの鋳抜きピンは 475 ℃（表面から深さ献）

1）向川博，樋口博，小野英敏，金子博志：2004日本ダイカスト会議論文集，（2004），25．
2）古川雄一，佐藤理通，古倉冬彦，植林秀悟：2004日
本ダイカスト会議論文集，（2004），63．
3）井戸信介：型技術，28（2013），3，30.

1 mm）である．最高温度に到達したタイミングは射出

4）野村康弘，深見尚男，小林竜之，早藤哲典：2016日

勾配が大きくないこと，注湯から射出までに湯温が低下

5）木村有貴，佐藤良輔，鈴木将宏，植田真広，井川することから，鋳抜きピンの最表面が 721℃を超えたと

秀昭，工藤英弘：豊田自動織機技報，70（2019），は考えにくい．
（1）温度だけに着目すれば，ダイカスト

83．

開始から約 7 s 後（充填は既に完了）であり表層の温度より高温になる溶湯浸漬の方が焼付きやすいといえる．
一方，大気圧中で自然対流する溶湯への浸漬では，（2）流速と（3）圧力がダイカストよりも著しく小さい．
ダイカストでは，ゲート出口の流速は 54 m/s と大きく，キャビティ充填後の溶湯は 65 MPa に加圧される（Table 1）．
以上より，焼付き部の到達温度が高くかつ離型剤を塗布しない溶湯浸漬が焼付きにくい理由は，流速と圧力がダイカストより著しく小さいためと考えられる．逆に，ダイカストが焼付きやすい理由は，高速の湯流れによって露出した活性な新生面に溶湯が高圧で接触することか

本ダイカスト会議論文集，（2016），35．

6）前原一仁，早藤哲典，小林竜之：2018日本ダイカスト会議論文集，（2018），75．
7）河田一喜，木立徹：2016日本ダイカスト会議論文集，（2016），7．
8）石塚はる菜，高村宏，渡邊陽一：2018日本ダイカスト会議論文集，（2018），11．
9）横井直樹，河野正道，保母誠：型技術者会議 2011
講演論文集，（2011），202．
10）河野正道，宇野聡，横井直樹：2016日本ダイカスト
会議論文集，（2016），53．

ら，原子間力の上昇や反応層の形成が加速されるためと

11）佐々木英人：素形材，51（2010），10，29．

いえる．

12）㈱青木科学研究所「ダイカスト用原液塗布型油性離5．おわりに型 WFR series」（http://www.lubrolene.co.jp/industrials/wfr.html）

アルミ合金 ADC12 を用いたダイカストと溶湯浸漬によって，表面処理膜の焼付きにくさを比較した．ダイカストでは，離型剤の種類が鋳抜きピンの温度におよぼす影響も評価した．得られた知見を以下に示す．
1．鋳抜きピンの表面温度を下げる効果は，油性離型剤よりも水溶性離型剤の方が大きい．
2．ダイカストでは，離型剤や表面処理膜によらず激しく焼付いた．焼付き部の表面処理膜は消失しておらず，Fe/Al反応層も認められない．ADC12は表面処理膜に物理的に付着した状態である．
3．鋳造前に厚さ 2 μmであった塩浴窒化の酸化膜は，18ショット後には 1 μmに減耗していた．高速の湯流れによるエロージョンは顕著である．一方，硬い PVD被膜の厚さには，鋳造の前後で変化が認められない．
4．溶湯浸漬における焼付きの程度には，表面処理膜による差異が明確に現れた．
5．焼付きにくさの順列がダイカストと溶湯浸漬で一致しなかった理由は，流速と圧力が大きく異なるためと考えられる．

河野正道