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技術資料
Technical Data

分流子の熱伝導率がその温度とビスケット部の凝固組織におよぼす影響
河野正道＊1，達谷正勝＊2

Influence of Thermal Conductivity of a Sprue Core on Its Temperatureand on the Solidification Microstructure of a Die Cast Biscuit
Masamichi KAWANO and Masakatsu TATSUTANI
Synopsis
The temperature of sprue cores and the microstructure of casts were investigated regarding the thermal conductivity of spruecores. Steels were prepared in a wide range of thermal conductivities of 20 to 50 W/(m･K). Higher thermal conductivity of a spruecore leads to its maintaining a lower temperature. In the case of a 22-mm biscuit thickness, a 6-degree-Celsius decrease wasobtained through a 1 W/(m･K) increase of thermal conductivity in the range of 20 to 30 W/(m･K). A sprue core with higher thermal
conductivity accelerates solidification and gives a finer microstructure in the cast biscuit. In the case of a 45-mm thick biscuit,marked influence of thermal conductivity was observed in the range of 26 to 40 W/(m･K). A 9-degree-Celsius decrease wasobtained through a 1-W/(m･K) increase in thermal conductivity. It could be assumed that the influence of thermal conductivity isenhanced by the large heat capacity of molten aluminum alloy.

1．緒言の要素技術のうち金型用鋼に関するものである．
ダイカストの生産性や鋳造品質を向上させるため，金複雑形状品の高効率生産に適し，鋳造品のリサイクル型にはさまざまな性能が要求される．ヒートチェック抑性にも優れたアルミニウムダイカストは，自動車部品の制と大割れ回避には強度と靭性の高さが必要である．ま製造に広く用いられてきた．ダイカストの年間国内生産た，ダイカスト金型は熱交換機の役割を果たすことか

量およそ 100 万トンのうち，80 % 以上が自動車向けでら，熱伝導率の高さも必要である．高熱伝導率の金型はある ．自動車の電動化と更なる軽量化

冷却能に優れ，速やかに低温度化して溶湯を急速凝固さ

1）2）に対しても，せる．

ダイカストは重要な役割を果たすと考えられる．
自動車の進化を支えるため，ダイカストの要素技術に熱伝導率は単なる物性値ではなく，金型の重要な実用は多くの改良が加えられてきた．例えば，装置や鋳造性能である．本稿では冷却能を検証するため，熱伝導率6）が 20 ～ 50 W/(m･K) の範囲で異なる 8 鋼種の金型を作

溶接補修 ，内部冷却 ，積層造形 ，シミュレーショ製し，ダイカストの金型温度や凝固組織を比較した内容

ン 10）などは大きな進歩を遂げている．本稿は，これらについて報告する．

1）

3）

方案 ，離型剤 ，金型用鋼
7）

8）

4）

5）

や焼入れ ，表面改質 ，
9）

2020年 9月 25日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱渋川工場（Shibukawa Plant, Daido Steel Co., Ltd.）

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2．鋼の熱伝導率におよぼす元素の影響

は鋳造品の意匠部とは接触しないが，溶湯との接触時間

焼戻した鋼の熱伝導率と合金元素量の関係を Fig. 1 にムや「爆ぜ」と呼ばれる不具合の発生頻度に大きく影響示す．鋼の熱伝導率を低下させる元素は，炭素・シリコ
ン・マンガン・クロムである（以下，それぞれ C，Si，Mn，Cr という）．バナジウムとモリブデン（以下，それぞれ Mo，V という）は熱伝導率にあまり影響しない．
全体的な傾向としては，焼戻しマルテンサイト中に固溶する合金元素の種類と量の多い方が低熱伝導率である．
ダイカスト金型用鋼の熱伝導率は，金型に用いられる銅合金やタングステン合金の 100 ～ 200 W/(m･K) に対が最も長い箇所に配置され，その冷却能がサイクルタイはする重要な金型部品である．

3.

2

素材および調質分流子に用いた鋼とその熱伝導率を Table 1 およびFig. 2 に示す．Fig. 2(a) の 6 鋼種は，熱伝導率の広い範囲で温度や鋳造組織を評価する実験に用いる．Fig. 2(b)の 3 鋼種は，ダイカスト金型に用いられる熱伝導率の範囲を対象とし，鋳造品の熱容量が大きい条件で熱伝導率して 1/3 ～ 1/9 と低い．しかし，その低い範囲内でも 5の影響を評価する実験用である．

きな影響を与えるため，熱伝導率は重要である．

Cr ≦ 0.2）は 35 ～ 50 W/(m･K) の高熱伝導率，ステンレ～ 10 W/(m･K) の変化がダイカストの生産性や品質に大Fig. 1 に示した通り，各種元素を積極添加すると熱伝導率は低下する．その一方で，被削性・焼入れ性・高温強度・靭性は改善される．したがって，ダイカスト金型用鋼の開発や選定においては，熱伝導率と他特性のバランスをどう取るかが重要になる．

Fig. 2(a) に お い て， 炭 素 鋼 F（Si ≦ 0.4，Mn ≦ 0.9，ス鋼 D（1.0Si，0.40Mn，13.3Cr）は 20 W/（m･K）程度の低熱伝導率である（元素量は，いずれも mass%）．鋼
材特性の関係上，鋼 F や鋼 D を分流子に適用することは工業的にはない．しかし，熱伝導率の影響を広く評価する今回の実験には好適である．
Fig. 2(b) の 3 鋼種はダイカスト金型に実際に用いられ，熱伝導率は 23 ～ 41 W/(m･K) の範囲である．SKD61 対比，鋼 G と鋼 H は Si 量が大幅に低く，さらに鋼 H ではCr も大幅に減量されている．固溶する元素量が少ない

ことによって，これらの 2 鋼種は高い熱伝導率を実現している．
全 8 鋼種のうち，焼きがほとんど入らない鋼 F の調質は省いた．それ以外の鋼種の 100 mm 角材を真空中で1030 ℃に加熱保持後，窒素ガス噴射による急冷で焼入れた．引き続き，鋼 D 以外は 620 ～ 665 ℃の焼戻しで44.2 ～ 46.3 HRC の実用硬度に調質した．鋼 D について

は，熱伝導率をあえて低く保つための 300 ℃焼戻しによって 51.1 HRC となった．焼戻しが低温の場合，C やCr が炭化物として析出しにくい．したがって，固溶元素が多く保たれ，焼入れままの状態に近い低い熱伝導率となる．

3.
Fig. 1. Thermal conductivity at room temperature oftempered steels. (a) is on a 1.55Mn-1.5Mo-0.9Cr
system and (b) is on a 0.38C-0.1Si-0.25V system.

3．実験条件3.

1

対象とする金型温度を評価する金型として分流子を選定した．分流子

3ダイカスト

上記の素材から作製した分流子の外観，型組みにおける分流子の位置，鋳造条件をそれぞれ Fig. 3 と Fig. 4および Table 2 に示す．鋳造には芝浦機械㈱製の型締め力 135 ton のダイカストマシンを用いた．射出された
ADC12 の溶湯は，鋳巣を減らすため凝固完了まで加圧され続ける．射出と加圧はプランジャーチップが担う．
分流子は加圧される溶湯を受ける役目を負う．
凝固完了後は可動型（分流子が組み込まれている側）を後退させて鋳造品を取り出す．鋳造品の外観は Fig. 5

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Table 1. Steels applied to a sprue core.
(a) Group one
Notation

Classiﬁcation

F

Carbon steel (eutectoid composition)

C

Cr-Mo-V-structural steel

E

Cr-Mo-V-structural steel

BHigh performance 5%Cr dies steel

SKD61

5%Cr dies steel for general use

DMartensitic stainless steel(b) Group twoNotation

Classiﬁcation

H

Cr-Mo-V-structural steel

GHigh performance 5%Cr dies steel

SKD61

5%Cr dies steel for general use

Fig. 2. Thermal conductivity of steels applied to a spruecore. (a) is group one and (b) is group two given
in Table 1.に示す通りで，プランジャーチップと分流子に挟まれていた部位（Fig. 4）をビスケットと呼ぶ．
評価する項目は，ビスケットを受けていた分流子の面A（Fig. 3）の温度と，分流子と接触していたビスケット（Fig. 5）表層部の凝固組織である．これらの 2 項目に，分流子の熱伝導率がおよぼす影響を明らかにする．

Face “A”

Fig. 3. Appearance of a sprue core. The dimensions
are approximately 80 mm diameter by 80 mm inheight. The temperature of face “A” which holds
a biscuit is measured and compared in the diecasting test.

Fig. 4. Side view of a die casting apparatus. A sprue
core with a built-in fountain cooling systemholds a biscuit pressured by a plunger chip. The
diameter of a biscuit contacting face “A” of thesprue core is 50 mm.

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94Table 2. Conditions of die casting. Temperature of asprue core and microstructure of a biscuit areevaluated. For the test of group two steels,
biscuit thickness is set at 45 mm and chill timeis prolonged to 11 sec.
ItemDetailCast Al-alloy

ADC12Temperature of molten Al-alloy

700 ℃

Weight of a cast

600 g

Biscuit

Diameter

50 mmThickness

22 mm

Injection velocity Gate to cavity
Chill time

9 sec

Spray

3.5 sec

Air blow

1.5 sec

Die11 L/min

Sprue core

1.8 L/min

Time in a castcycle(Total 29 sec)
Cooling water

54 m/sec

全 6 鋼種を対象として，熱伝導率と最高温度の関係をFig. 7 に示す．30 W/(m･K) 程度までは高熱伝導率化による低温度化の効果が著しく，1 W/(m･K) あたり約 6 ℃の差を生む．20 ～ 50 W/(m･K) の平均では，1 W/(m･K)の高熱伝導率化で約 3 ℃低下する．

ほとんどのダイカスト金型用鋼の熱伝導率は 23 ～ 41W/(m･K) の範囲であり，金型用高熱伝導率合金の 1/3 ～1/9 に過ぎない．このため，ダイカスト金型用鋼の範疇における高熱伝導率化が鋳造におよぼす影響は小さい，との意見もある．それに対して今回の実験結果は，金型温度の制御における熱伝導率の重要性を明確に示している．

Fig. 6. Thermal images of a sprue core at 2 sec after
picking out of a cast. Steels of group one were

50 mm

evaluated. As shown in Fig. 2(a), steel D has thelowest thermal conductivity and steel F has thehighest.

GateBiscuit

Designed partFig. 5. Appearance of a cast weighing 600 g. The solid
circle position of the biscuit corresponds to a
microstructure observation portion.

4．実験結果および考察
4.

1

分流子の温度

分流子の熱画像を Fig. 6 に示す．アングルは Fig. 3 とFig. 7. Influence of thermal conductivity on temperature.
Steels of group one were evaluated. Thermal

ほぼ同じで，鋳造品を取出した 2 秒後に固定型側からconductivity is the mean value below 300 ℃ given

サーモビューアで観察した様子である．図中の「＋」やin Fig. 2 (a). Higher thermal conductivity of the sprue「×」の箇所は最高温部（“A”の表記）に該当し，そのcore leads to its maintaining a lower temperature.

位置には鋼種による多少の違いが認められるものの，いずれもビスケットを受けていた面上にある．この最高温部の値を図中右上に記載した．最高温度は，鋼 D（20W/(m･K)）が 366 ℃，鋼 E（36 W/(m･K)）は 303 ℃，鋼4.

2

凝固組織

分流子と接触していたビスケット表層の組織を Fig. 8F（50 W/(m･K)）は 278 ℃となった．熱伝導率は，Fig. 2に示す．Fig. 6 と同様に，分流子は鋼 D（20 W/(m･K)），伝導率が高いほど低下した．高熱伝導率鋼は冷却能に優導率の最も高い鋼 F が分流子だった場合は，表面からにおける 300℃ 以下の平均値である．分流子の温度は熱れている．

鋼 E（36 W/(m･K)），鋼 F（50 W/(m･K)）である．熱伝

深さ 300 ミクロン程度の領域が微細である．低温の分流

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子との接触によって，凝固速度は大きくなったことが示唆される . 分流子への高熱伝導率鋼の適用による凝固組織の微細化は，大型のダイカストマシンを用いた自動車部品の鋳造においても報告されている 11）．
ビスケットの凝固時間が鋳造サイクル短縮のネックとなることも多い．低温度化する高熱伝導率鋼を分流子に適用すれば，ビスケットの凝固促進によるハイサイクル化が期待できる．また，意匠面への高熱伝導率鋼の適用は，凝固組織の微細化や鋳巣の減少による鋳造品の高品位化に有効と考えられる．

Fig. 10. Effect of biscuit thickness on temperature of asprue core. The sprue core is made of steel B.

4.
μμμFig. 8. Microstructure of biscuits relating to Fig. 6. The
near surface is observed. As shown in Fig. 4 andFig. 5, a biscuit contacts to a sprue core. In thecase of steel F, a finer microstructure is given
approximately 300 μm below the surface.

4.

3

ビスケット厚さと分流子の温度

4

鋳造品の熱容量の影響

Fig. 10 に示した通り，分流子の温度はビスケット厚の変動に敏感である．すなわち，鋳造品の熱容量は金型温度に大きく影響する．また，鋳造品の熱容量によって，金型の熱伝導率が鋳造性におよぼす影響の程度も変わる可能性がある．
そこで，ビスケット厚を Fig. 6 ～ Fig. 10 の約 2 倍となる 45 mm にした場合を評価した．凝固が確実に完了した状態で型を開くため，チルタイムは 11 sec に延長した．
分 流 子 の 熱 画 像 を Fig. 11 に 示 す． 最 高 温 度 は，ショット数に対するビスケット厚の推移を Fig. 9 にSKD61（26 W/(m･K)） が 333 ℃， 鋼 G（31 W/(m･K)）

25 ショット内でビスケット厚には最大で約 8 mm の差伝導率鋼ほど低温度化する結果は Fig. 6 と同じである

示す．分流子は鋼 B である．鋳造条件は同一であるが，（設定値の 22 mm に対して，マイナス 3 mm ～プラス 5 mmの幅）が発生した．他の鋼の場合も同様であった．熱画像を採取した水準の中から，ビスケット厚さ 21.5 ～ 23 mmのデータを抽出した結果が Fig. 7 である．

は 265 ℃，鋼 H（40 W/(m･K)）は 213 ℃である．高熱が，熱伝導率の影響はビスケット厚が 22 mm の場合よりも顕在化し，1 W/(m･K) の変化が生む温度差は約 9 ℃となった．
分流子と接触していたビスケット表層の組織を Fig. 12

一方，Fig. 10 に示す通り，ビスケットが 1 mm 厚くなに 示 す．Fig. 11 と 同 様 に， 分 流 子 は SKD61（26 W/

温度におよぼす影響を正確に評価するには，溶湯温度やある．熱伝導率の影響は Fig. 8 の場合よりも大きく，26ると分流子の温度は 5 ℃高くなる．熱伝導率が分流子の冷却水量の変動抑制だけでなく，ビスケット厚が同等の水準を対象にする必要がある．

(m･K)）， 鋼 G（31 W/(m･K)）， 鋼 H（40 W/(m･K)） でW/(m･K) から 31 W/(m･K) への増加によって，ビスケットの表面は平滑化し凝固組織も微細化した．40 W/(m･K)
では，組織がさらに微細化している．
以上より，高熱伝導率の金型が低温度化し凝固組織が微細化する現象は，鋳造品が厚い（熱容量が大きい）場合に顕在化することが分かった．熱容量が大きいと，凝固完了までに金型で奪うべき熱量も多くなる．このため，金型内での熱移動の速度，つまり熱伝導率の影響が大きく表れると考えられる．逆に，鋳造品が非常に薄い
場合は金型への少しの抜熱で凝固が完了するため，金型Fig. 9. Fluctuation of biscuit thickness during production.
The sprue core is made of steel B.の熱伝導率は温度や凝固組織に影響しにくいと推測される．

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電気製鋼 第 91 巻 2 号 2020 年の高熱伝導率化によって分流子の温度が 9 ℃低下した．また，26 W/(m･K)から 40 W/(m･K)への増加によって，ビスケットの表面は平滑化し凝固組織も顕著に微細化した．
5．熱交換器の役割も果たすダイカスト金型において，Fig.11. Thermal images of a sprue core at 2 sec afterpicking out of a cast. Steels of group two

熱伝導率は重要な実用性能であることが改めて確認できた．

were evaluated. Biscuit thickness of 45 mm isapproximately twice that in the experiments ofFig. 6. And chill time is prolonged to 11 sec.
Mean thermal conductivity below 300 ℃ is
26 W/(m･K), 31 W /(m･K) and 40 W /(m･K)
for SKD61, steels G and H, respectively.

（文献）1）西直美：素形材，60（2019），11，21．

2）神戸洋史：アルトピア，50（2020），1，9．

3）前原一仁，早藤哲典，小林竜之：2018日本ダイカス
ト会議講演論文集，（2018），75．
4）河野正道，並木邦夫，瓜田龍実，越川典弘，柳澤民
樹：素形材，54（2013），12，30．

5）渡辺憲一，北川利博，河野正道，大藤孝：2011型技術者会議講演論文集，（2011），200．
μμμFig. 12. Solidification microstructure of biscuits from
Fig. 11. Higher thermal conductivity of a sprue
core leads to a smoother surface and a finer
microstructure.

5．結6）大崎隆史，福井茂雄：型技術，33（2018），8，60．

7）梅森直樹，堀尾浩次，増田哲也：電気製鋼，85（2014），1，63．
8）井戸信介：型技術，28（2013），3，30．

9）山崎友也，関宏友：型技術，33（2018），8，52．

10）青野光：型技術，32（2017），6，56．

11）井ノ口貴之，伊藤恒夫，相田保和：2011型技術者会

言議講演論文集，（2011），204．

熱伝導率の異なる 8 鋼種で分流子を作製し，135 tonダイカストマシンで鋳造をおこなった．熱伝導率が分流子の温度と鋳造品ビスケット部の凝固組織におよぼす影響を調査し，得られた知見を以下に示す．
1．熱伝導率の高い分流子ほど低温度化する．ビスケッ

ト厚が 22 mmの場合，20～ 30 W/(m･K)の範囲では，1 W/(m･K)の高熱伝導率化によって分流子の温度は 6 ℃低下した．20～ 50 W/(m･K)の平均では，1 W/(m･K)あたり約 3 ℃である．

2．ビスケット表層の凝固組織は，分流子の熱伝導率が高いほど微細化する．低温度化する高熱伝導率の分流子は，ビスケットの凝固を促進することが示唆される．
3．ビスケット厚さ 1 mmの変化は，分流子の温度に 5 ℃の差を生む．実験結果の評価に際しては，ビスケット厚が同等の水準を選定することが重要である．
4．高熱伝導率の金型が低温度化し凝固組織が微細化する現象は，鋳造品が厚い（熱容量が大きい）と顕在化す
る．ビスケットが 45 mmと厚肉の場合は，1 W/(m･K)

河野正道

達谷正勝