【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
この発明は、常温及び高温強度のすぐれた防振
性Zn合金部材を工業的に安定して、かつ安価に
製造する方法に関するものである。
近年、音響機器の性能改善や、計測機器の精度
向上、あるいは自動車や産業機械等の騒音抑制等
のために防振特性を有する合金材料が注目されて
きており、その需要が次第に増大している。
従来、このような防振材料として注目されてい
る制振特性のすぐれた合金は、複合型、強磁性
型、転位型及び双晶型に分類できることが知られ
ており、その代表的なものとして、Cu―Mn合
金、Fe―Cr―Al合金、Ti―Ni合金、Mg合金等を
あげることができる。しかしながら、これらの合
金はすぐれた防振性を有してはいるものの製造工
程が非常に複雑であり、従つて高価なものとなる
のを免れ得ず、汎用性に欠けるという傾向があつ
た。
ところで、これらとは別に、通常、超塑性合金
として使用されているところのAlを22重量％含
有するZn―Al合金（以下、SPZと称する）も、前
記複合型の防振特性を備えた材料であることが知
られており、実際にオーデイオ機器のフレームや
工業用ミシンのカバー等への使用がなされるよう
になつてきている。しかし、このSPZはすぐれた
防振性及び耐食性を備えてはいるけれども高温強
度が小さいので、例えばオーデイオ機器及び工業
用ミシンでは内部のモータ等の発熱によつて加熱
され、クリープ変形を起すというような問題があ
つた。その上、これらの部材は焼き付け塗装され
て使用される場合が多いので、このような焼き付
け時の加熱によつても変形を生じたり、或いはそ
の際の熱履歴によつて防振性が低下するといつた
問題をも有していたのである。
本発明者等は、上述のような観点から、すぐれ
た防振性を備えていることはもちろんのこと、高
い高温強度をも有し、かつ熱履歴によつても防振
性の劣化の少ない鋳造用Zn合金部材を実現すべ
く研究を行つたところ、
(a) Al：15〜30％（以下、％は重量割合とす
る）、Cu：0.05〜３％、そしてSi：0.5〜７％と
いう、特定の割合でAl、Cu及びSiを添加して
構成されるZn合金は、すぐれた防振性及び耐
食性を有しており、しかも、常温においてはも
ちろんのこと、加熱を伴う条件下での使用に際
しても十分に満足し得る強度及び防振性を維持
し得ること、
(b) このような合金においては、結晶粒を微細化
することに加えてそれを等軸晶とすると、防振
特性が飛躍的に向上する上、強度、特に高温強
度にもすぐれた部材が得られること、
(c) 上記合金の結晶粒の微細化と等軸化は、該合
金溶湯を特定の速い冷却速度で所定温度以下ま
で凝固冷却することによつて極めて容易に達成
できること、
(d) 上記特定の冷却速度は、ダイカストやその他
の金型鋳造によつても十分に実現できるので、
すぐれた特性を有する各種形状の製品を簡単か
つ安価に製造することが可能であり、適用分野
の広い防振部材が得られること、
以上(a)〜(d)に示される如き知見を得るに至つたの
である。
この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
であり、
Al：15〜30％、Cu：0.05〜３％、
Si：0.5〜７％、
Zn及び不可避不純物：残り、
からなる組成を有する合金を、その融点から100
℃以下までの平均冷却速度が１℃／sec以上とな
るように急冷することによつて、すぐれた防振特
性を備えるとともに、常温及び高温における強度
の高い防振性Zn合金部材を実現する点に特徴を
有するものである。
ついで、この発明の防振性Zn合金部材の製造
方法において、合金の成分組成、及び合金溶湯の
冷却条件を上記の通りに限定した理由を説明す
る。
Al含有量
Al成分には、Zn合金の防振性を向上させ、か
つ軽量化する作用があるが、その含有量が15％未
満では前記作用に所望の効果を得ることができ
ず、他方30％を越えて含有させると防振性に劣化
傾向が現われるようになることから、Al含有量
を15〜30％と定めた。
Cu含有量
Cu成分には、Alと共存において、Zn合金の耐
食性、特に耐粒界腐食性を改善する作用がある
が、その含有量が0.05未満では所望の耐食性を確
保することができず、他方３％を越えて含有させ
てもより一層の向上効果が得られないことから、
Cu含有量を0.05〜３％と定めた。
Si含有量
Si成分には、合金の常温及び高温強度を改善
し、かつ熱履歴を伴う条件下での使用に際しても
防振性の低下を抑制する作用があるが、その含有
量が0.5％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、他方７％を越えて含有させると溶解鋳造時
にドロスの発生が多くなることから、Si含有量を
0.5〜７％と定めた。
冷却条件
前記本発明対象合金溶湯を、その融点から100
℃以下の温度域に至るまでの間、平均冷却速度が
１℃／secより遅い冷却速度で冷却すると、その
組織が20μｍ程度以上の粗大等軸晶となる上、こ
れら粗大粒の成長を来たしたり、また層状の組織
を呈するようになつて、防振性能を著しく劣化す
るので、微細でかつ等軸の結晶組織の得られる１
℃／sec以上の範囲に、融点から100℃以下の温度
域に至るまでの平均冷却速度を限定した。
また、Zn合金の凝固収縮孔の凝集を防ぐため
には、凝固速度を速くするとともに凝固後の冷却
速度をも速める必要があり、結晶粒の粗大化を防
ぐためには凝固後の冷却速度を速くする必要があ
るが、融点から100℃以下の温度に至るまでの平
均冷却速度を１℃／sec以上とすればこれらの条
件が満たされ、良好な結果が得られるのである。
急冷を必要とする温度域は、合金の融点から
100℃までの間で十分であり、この温度範囲を急
冷することにより、例えば常温にまで急冷したの
と殆んど変らない防振特性を実現できる。従つ
て、冷却手段として水冷を適用した場合には、繰
返し作業の間の冷却水温上昇に対する格別な対策
を講ずることなく、常に安定した操業を続けるこ
とが可能である。
合金の融点から100℃以下までの平均冷却速度
を１℃／sec以上とするための好適な手段とし
て、ダイカスト鋳造をあげることができる。つま
り、ダイカスト鋳造によれば、大気中放冷にて薄
物製品を製造する場合で１℃／sec程度の平均冷
却速度（本発明対象Zn合金の融点から常温まで
の平均冷却速度）が得られ、ダイカスト鋳造後直
ちに水冷した場合には、薄物製品であれ厚物製品
であれ、60〜１℃／sec程度の平均冷却速度を得
ることができる。
そして、金型重力鋳造を行つて、凝固後直ちに
水冷した場合でも、最大５℃／sec程度の平均冷
却速度を得ることができる。しかしながら、砂型
鋳造の場合には0.3℃／secの平均冷却速度しか得
ることができないので、砂型鋳造を本発明の防振
性Zn合金部材の製造に適用することは不適当で
ある。
ついで、この発明を実施例により比較例と対比
しながら説明する。
実施例 １
Zn―22％Al―0.5％Cu―３％Si合金に関し、冷
却速度と防振性の関係を、ダイカスト鋳造後直ち
に水冷した部材（ダイカスト＋急冷）、金型重力
鋳造後直ちに水冷した部材（金型重力鋳造＋急
冷）、及び砂型鋳造した部材についてそれぞれ測
定し比較した。型寸法は、幅：100mm×長さ：150
mmの一定のものとし、厚さを変化させたものを使
用して得た冷却速度と防振性能を第１表に示し
た。
第１表においては、防振性能を内部摩擦Q-1で
表わしたが、Q-1と外部振動エネルギーＥが材料
中で１サイクル中に失う損失エネルギーΔＥとの
間に、
Q-1＝１／２π・ΔＥ／Ｅ
の関係をなしており、Q-1が大きいものほど防振
性能がすぐれていることになる。
The present invention relates to a method for industrially stably and inexpensively manufacturing a vibration-proofing Zn alloy member having excellent strength at room temperature and high temperature. In recent years, alloy materials with anti-vibration properties have been attracting attention for purposes such as improving the performance of audio equipment, improving the precision of measuring instruments, and suppressing noise from automobiles and industrial machinery, etc., and the demand for these materials is gradually increasing. . It is known that alloys with excellent vibration damping properties, which have been attracting attention as vibration-proof materials, can be classified into composite type, ferromagnetic type, dislocation type, and twin type. , Cu--Mn alloy, Fe--Cr--Al alloy, Ti--Ni alloy, Mg alloy, etc. However, although these alloys have excellent vibration damping properties, the manufacturing process is very complicated, they are inevitably expensive, and they tend to lack versatility. By the way, apart from these, Zn-Al alloy containing 22% by weight of Al (hereinafter referred to as SPZ), which is normally used as a superplastic alloy, is also a material with the above-mentioned composite type vibration damping properties. It is known that it is, and it is actually being used for the frames of audio equipment, the covers of industrial sewing machines, etc. However, although this SPZ has excellent vibration damping properties and corrosion resistance, its high temperature strength is low, so for example in audio equipment and industrial sewing machines, it is heated by the heat generated by the internal motor etc., causing creep deformation. I had a problem. Furthermore, since these components are often used after being baked, they may become deformed due to the heating during baking, or their anti-vibration properties may deteriorate due to the thermal history at that time. It also had some problems. From the above-mentioned viewpoints, the present inventors have developed a material that not only has excellent vibration-proofing properties, but also has high high-temperature strength, and has little deterioration of vibration-proofing properties even with thermal history. When we conducted research to realize Zn alloy parts for casting, we found that (a) Al: 15-30% (hereinafter, % is the weight percentage), Cu: 0.05-3%, and Si: 0.5-7%. Zn alloys, which are made by adding Al, Cu, and Si in specific proportions, have excellent vibration-proofing properties and corrosion resistance, and are resistant not only at room temperature but also under heating conditions. (b) In such an alloy, if the crystal grains are made finer and equiaxed, the vibration-isolating properties can be improved. (c) Refining and equiaxing of the crystal grains of the above-mentioned alloy can be achieved by cooling the molten alloy at a specific fast cooling rate. (d) The specific cooling rate mentioned above can be sufficiently achieved by die casting or other mold casting;
In order to obtain the knowledge shown in (a) to (d) above, it is possible to easily and inexpensively manufacture products of various shapes with excellent characteristics, and to obtain vibration isolation members that can be applied in a wide range of fields. It was reached. This invention was made based on the above findings, and includes an alloy having the following composition: Al: 15-30%, Cu: 0.05-3%, Si: 0.5-7%, Zn and unavoidable impurities: the remainder. , from its melting point 100
By rapidly cooling the material so that the average cooling rate below ℃ is 1℃/sec or more, a vibration-proof Zn alloy member with excellent vibration-proofing properties and high strength at room temperature and high temperature can be realized. It has the following characteristics. Next, the reason why the composition of the alloy and the cooling conditions for the molten alloy are limited as described above in the method for manufacturing a vibration-proof Zn alloy member of the present invention will be explained. Al content The Al component has the effect of improving the anti-vibration properties of the Zn alloy and reducing its weight, but if the content is less than 15%, the desired effect cannot be obtained; The Al content was set at 15 to 30% because if the Al content exceeds 15%, the vibration damping properties tend to deteriorate. Cu content Cu component has the effect of improving the corrosion resistance of Zn alloy, especially intergranular corrosion resistance, when coexisting with Al, but if the content is less than 0.05, the desired corrosion resistance cannot be secured. On the other hand, even if the content exceeds 3%, no further improvement effect can be obtained.
The Cu content was determined to be 0.05 to 3%. Si content The Si component has the effect of improving the room temperature and high temperature strength of the alloy and suppressing the deterioration of vibration damping properties even when used under conditions with a thermal history, but its content is less than 0.5%. However, if the Si content exceeds 7%, more dross will be generated during melting and casting.
It was set at 0.5% to 7%. Cooling conditions The molten alloy subject to the present invention is cooled to 100% from its melting point.
If the average cooling rate is slower than 1°C/sec until the temperature reaches a temperature range of 1°C or lower, the structure will become coarse equiaxed crystals of about 20 μm or more, and the growth of these coarse grains may occur. , it also begins to exhibit a layered structure, significantly deteriorating the vibration damping performance.
The average cooling rate from the melting point to a temperature range of 100°C or less was limited to a range of 100°C or higher. In addition, in order to prevent agglomeration of solidification shrinkage pores in Zn alloy, it is necessary to increase the solidification rate and also to increase the cooling rate after solidification.In order to prevent coarsening of crystal grains, it is necessary to increase the cooling rate after solidification. However, if the average cooling rate from the melting point to a temperature below 100°C is 1°C/sec or more, these conditions are met and good results can be obtained. The temperature range that requires rapid cooling is from the melting point of the alloy.
A temperature up to 100°C is sufficient, and by rapidly cooling in this temperature range, it is possible to achieve vibration damping characteristics that are almost the same as those obtained by rapidly cooling to room temperature, for example. Therefore, when water cooling is applied as a cooling means, stable operation can be maintained at all times without taking special measures against increases in cooling water temperature during repeated operations. Die casting is a suitable means for achieving an average cooling rate of 1° C./sec or higher from the melting point of the alloy to 100° C. or lower. In other words, according to die casting, an average cooling rate of about 1°C/sec (average cooling rate from the melting point of the Zn alloy subject to the present invention to room temperature) is obtained when manufacturing thin products by cooling in the atmosphere. If water cooling is performed immediately after die casting, an average cooling rate of about 60 to 1° C./sec can be obtained, regardless of whether the product is a thin product or a thick product. Even when gravity casting is performed and water cooling is performed immediately after solidification, an average cooling rate of about 5° C./sec at maximum can be obtained. However, in the case of sand casting, an average cooling rate of only 0.3° C./sec can be obtained, so it is inappropriate to apply sand casting to the production of the vibration-proof Zn alloy member of the present invention. Next, the present invention will be explained by examples and in comparison with comparative examples. Example 1 Regarding the Zn-22%Al-0.5%Cu-3%Si alloy, the relationship between cooling rate and vibration damping properties was evaluated by comparing a member that was water-cooled immediately after die-casting (die-casting + rapid cooling) and a member that was water-cooled immediately after mold gravity casting. Measurements and comparisons were made for each member (mold gravity casting + rapid cooling) and sand mold cast member. Mold dimensions are width: 100mm x length: 150
Table 1 shows the cooling rate and vibration damping performance obtained by using a constant mm thickness and varying thickness. In Table 1, the vibration damping performance is expressed as internal friction Q -1 , but between Q -1 and the loss energy ΔE that external vibration energy E loses in one cycle in the material, Q -1 = 1 The relationship is /2π·ΔE/E, and the larger Q -1 is, the better the vibration damping performance is.
【表】
第１表に示される結果からも、ダイカスト鋳造
及び金型重力鋳造による速い冷却速度で得られた
各種部材は、いずれもすぐれた防振性能を示すこ
とが明らかであり、砂型鋳造の場合は凝固直後の
砂型除去が難かしいために空冷を行つたものであ
るが、その冷却速度は、この発明の平均冷却速度
の範囲よりも相当に遅いものとなつており、防振
性能が極端に劣ることが明白である。
実施例 ２
Zn―22％Al―0.5％Cu―３％Si合金に関し、冷
却温度（冷却水温）と防振性能との関係を測定し
た。
測定試料は、幅：100mm×長さ：150mm×厚さ：
５mmの寸法を有する型に各々ダイカスト鋳造し、
鋳造後直ちに各種の温水中に投入することによつ
て製造したものである。
得られた測定結果は、第２表に示す通りであつ
た。
第２表に示される結果からも、ダイカスト鋳造
後直ちに冷却したものは冷却水温に関係なく良好
な防振性能を示すことが明らかである。[Table] From the results shown in Table 1, it is clear that various parts obtained at high cooling rates by die casting and mold gravity casting all exhibit excellent vibration damping performance. In this case, air cooling was performed because it was difficult to remove the sand mold immediately after solidification, but the cooling rate was considerably slower than the average cooling rate range of this invention, and the vibration isolation performance was extremely low. It is clear that it is inferior to Example 2 Regarding a Zn-22%Al-0.5%Cu-3%Si alloy, the relationship between cooling temperature (cooling water temperature) and vibration damping performance was measured. The measurement sample is width: 100mm x length: 150mm x thickness:
Each was die-cast in a mold with dimensions of 5 mm,
It is manufactured by putting it into various types of hot water immediately after casting. The measurement results obtained were as shown in Table 2. From the results shown in Table 2, it is clear that those cooled immediately after die casting exhibit good vibration damping performance regardless of the cooling water temperature.
【表】
このようなことから、ダイカスト鋳造後直ちに
水中へ投入して冷却する手段が、防振性Zn合金
部材を製造するための最も有利な方法であると結
論付けられるのである。もちろん、不凍液などを
用いて０℃以下に冷却することも可能ではある
が、防振性能からみれば常温水中で冷却した場合
と何ら変わるところがなかつた。
実施例 ３
まず、通常の方法にて第３表に示される如き化
学成分組成のZn合金Ａ〜Ｏを溶製し、これら
を、幅：100mm×長さ：150mm×厚さ：２mmの型を
用いてダイカスト鋳造した後、直ちに常温の水中
に急冷した。
このようにして得られた試料について、防振性
能（内部摩擦Q-1）、及び97℃の水蒸気中に48時
間暴露後の最大粒界侵食深さ、並びに、常温、50
℃、75℃及び100℃での0.2％耐力を測定した。こ
の結果も、第３表に併せて示した。
第３表に示される結果からも、本発明Zn合金
Ａ〜Ｋはいずれも内部摩擦Q-1が１×10-3以上で
最大粒界侵食深さが30μｍ以下というすぐれた防
振性及び耐食性を示し、さらに高い常温強度と、
100℃での0.2％耐力が10Kgf/mm2以上というすぐれ
た高温強度を有しているのに対して、比較合金Ｌ
―Ｏにみられるように、従来のSPZ合金、或いは
成分組成が第３表中の※印の点で本発明の範囲か
ら外れたものは、前記の特性のうちの少なくとも
いずれかが劣つたものになることが明らかであ
る。
実施例 ４[Table] From the above, it can be concluded that the most advantageous method for producing vibration-proof Zn alloy members is to cool them by placing them in water immediately after die-casting. Of course, it is possible to cool the device to below 0° C. using antifreeze or the like, but in terms of anti-vibration performance, there is no difference from cooling in water at room temperature. Example 3 First, Zn alloys A to O having the chemical composition shown in Table 3 were melted using a normal method, and then molded into a mold with width: 100 mm x length: 150 mm x thickness: 2 mm. Immediately after die-casting, the material was quenched in water at room temperature. Regarding the samples obtained in this way, the vibration damping performance (internal friction Q -1 ), the maximum grain boundary erosion depth after 48 hours of exposure to water vapor at 97 °C, and the 50 °C
The 0.2% yield strength was measured at ℃, 75℃ and 100℃. These results are also shown in Table 3. From the results shown in Table 3, all of the Zn alloys A to K of the present invention have excellent vibration damping properties and corrosion resistance, with an internal friction Q -1 of 1 x 10 -3 or more and a maximum grain boundary erosion depth of 30 μm or less. , and even higher room temperature strength.
Comparative alloy L has excellent high temperature strength with a 0.2% yield strength of 10 Kgf/mm 2 or more at 100°C.
- As seen in O, conventional SPZ alloys or those whose compositions are outside the scope of the present invention in terms of the * mark in Table 3 are inferior in at least one of the above characteristics. It is clear that Example 4
【表】
本発明対象合金のうち、軽量で、高温強度及び
防振性に特にすぐれていることが明らかとなつた
Zn―30％Al―0.2％Cu―３％Si合金を使用して、
産業機械のエンジンカバーをダイカスト鋳造し、
直ちに常温の水中へ投入して冷却した。
このようにして得られたエンジンカバーの各特
性を測定したところ、防振性能（内部摩擦Q-1）
は5.0×10-3を示して従来のSPZ製品（Zn―22％
Al―0.5％Cu―0.02％Mg）のものと同程度である
ことが確認され、また、比重は4.8と従来材に比
べて軽量化されており（SPZは、比重が5.2であ
る）、かつ100℃での耐力も15.0Kg/mm2と大きく
（SPZは、100℃での耐力が9.0Kg/mm2）、従つてエ
ンジンの発熱による変形も認められず実用上極め
てすぐれた性能を有していることが明らかとなつ
た。
しかも、この部材に150℃で２時間の焼き付け
塗装を施して実使用に供したが、SPZ製品の場合
にはこの熱処理によつて内部摩擦Q-1が５×10-4
程度に低下したのに対して、本発明製品では5.0
×10-3と全く変化が認められなかつた。
上述のように、この発明によれば、防振性能に
すぐれるとともに、軽量で、かつ高温強度の大き
な防振合金部材を、工業的に安価に製造すること
が可能になるなど、工業上有用な効果がもたらさ
れるのである。
なお、本発明の合金は、Al、Cu、Si及びZn
（残部）を基本組成としているが、防振性能に悪
影響を与えることのないNi、Ti、Zr、Mn、Cr、
Fe、Co、Sb、Ca及びBa等の元素を0.01〜１％の
範囲で含有させ、クリープ強度などの機械的性質
を一層改良することも可能である。[Table] Among the alloys targeted by the present invention, it has been revealed that they are lightweight and have particularly excellent high-temperature strength and vibration-proofing properties.
Using Zn-30%Al-0.2%Cu-3%Si alloy,
Die-cast engine covers for industrial machinery,
It was immediately poured into water at room temperature and cooled. When we measured the various characteristics of the engine cover obtained in this way, we found that the vibration isolation performance (internal friction Q -1 )
shows 5.0×10 -3 and the conventional SPZ product (Zn-22%
It was confirmed that the material has a specific gravity of 4.8, which is lighter than that of conventional materials (SPZ has a specific gravity of 5.2), and The yield strength at 100℃ is also as high as 15.0Kg/mm 2 (SPZ has a yield strength of 9.0Kg/mm 2 at 100℃), so it does not deform due to heat generated by the engine, and has excellent practical performance. It became clear that Moreover, this part was baked at 150°C for 2 hours before use, but in the case of SPZ products, this heat treatment reduces the internal friction Q -1 to 5 x 10 -4.
In contrast, the product of the present invention had a decrease of 5.0.
×10 -3 , and no change was observed. As described above, according to the present invention, it is possible to manufacture a vibration-proof alloy member that has excellent vibration-proof performance, is lightweight, and has high high-temperature strength at an industrial cost, and is therefore industrially useful. This brings about a great effect. The alloy of the present invention includes Al, Cu, Si and Zn.
The basic composition is Ni, Ti, Zr, Mn, Cr, which does not have a negative effect on vibration damping performance.
It is also possible to further improve mechanical properties such as creep strength by containing elements such as Fe, Co, Sb, Ca, and Ba in a range of 0.01 to 1%.