JP2001240929A

JP2001240929A - アルミホイールおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2001240929A
Application number: JP2000052673A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Koga; 正明古閑
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-04

Abstract

(57)【要約】【課題】 AC4CHのリターン材としても容易に活用でき
る材料を用い、かつ熱処理レスでも高品質であるアルミ
ホイールの製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウム合金を溶解して溶湯とし、
金型内に前記溶湯を鋳込み、成形されたアルミホイール
を金型内から取り出し、前記アルミホイールを再加熱す
ることなく水冷することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理工程を省く
ことの可能な、製造コストが安価でかつ硬度、機械的強
度の十分なアルミホイールおよびその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】車両用のホイールは、従来からスチール
で形成されているが、近年、車両の重量低減および外観
や意匠性の向上を目的として、アルミホイールを装着す
る車両が増加してきている。図４に製造のフローチャー
トを示すように、まずアルミホイールの素材は、質量％
（以下％）でＳｉを６．５〜７．５％、Ｍｇを０．２〜
０．４％を含み、Ｆｅを０．２％以下としたアルミニウ
ム鋳物用合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４ＣＨ）となるよう溶解
し、低圧鋳造法、重力鋳造法、高圧鋳造法などによって
鋳造され、湯道・押湯凝固部等の部分を削除後、溶体化
処理、水焼入、時効処理による熱処理（ＪＩＳ規格Ｔ６
処理）を行う。その後加工を行うが特にアルミホイール
は、耐食性が要求されるため、素材の表面に塗装処理を
行うのが一般的である。

【０００３】アルミホイールは、重要保安部品としての
高い機械特性を満足せねばならず、かつ厳しいコスト低
減も要求されている。コスト低減策の1つとして鋳造後
の熱処理を省略したホイールの製造方法が挙げられる。
例えば特開平11-12673号公報では、Ｓｉ：４〜８重量
％，Ｃｕ：０．４〜１．０重量％，Ｍｇ：０．２〜０．
４重量％，Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％，Ｓｒ：０．
００２〜０．０２重量％，Ｚｒ：０．０００５〜０．１
重量％を含み、残部が実質的にＡｌの組成をもち、Ｃｕ
＋２．５Ｍｇ≧１．２５重量％の条件を満足するアルミ
合金を用い、かつ鋳造後、冷却速度１℃／秒以上で冷却
した熱処理レスでも機械的性質が高い合金鋳物の製造方
法が記載されている。しかしながらＣｕが０．４％以上
の高Ｃｕ材であり、かつ冷却条件についても詳細な説明
がなく、さらなる検討の余地があった。

【０００４】通常、資源保護および原価低減のためリタ
ーン材が原料の一部として使用される。リターン材はピ
ュアなＡＣ４ＣＨ材と共に溶融され、再度鋳造して新た
なアルミホイールとして製造される。近年では軽自動車
にもアルミホイールは採用されているが、アルミホイー
ルでは比較的高い機械的特性が必要であるため、熱処理
はほぼ必須である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは既に高Ｍ
ｇ添加の必ずしも熱処理を行う必要がない、高耐食性を
有するアルミホイール用材料について特開平9-165638号
公報で述べている。しかしながら高い機械的性質を得る
ためには更なる検討の余地があった。したがって、本発
明は、機械的性質（特に強度・硬度）が良好で、熱処
理レスでも高品質であるアルミホイールの製造方法であ
り、またリターン材としても容易に活用できる材料を用
いて提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願はアルミホイールの
製造方法において機械的性質を向上させるために主にＭ
ｇを使用したものであり、その材質の冷却方法として鋳
造終了後直ちに水冷することが最も簡易かつ効果的であ
ることを知見したものである。すなわち本発明は、鋳造
金型内で成形されたアルミホイールを鋳造金型内から取
り出し、前記アルミホイールを再加熱することなく水冷
することを特徴とする。さらに水冷条件として、鋳造終
了後に少なくとも一部が４００℃以上であるアルミホイ
ール素材を水冷することが望ましい。

【０００７】特に質量％でSi：6〜8％、Mg：0.2〜0.6
％、Cu0〜0.05％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不
純物からなるアルミホイールであり、上記製法を適用さ
せることでα固溶体粒界中の共晶Ｓｉ粒径のうち平均粒
径２μｍ以下のものが共晶Ｓｉ粒全体の５０％以上を占
めるとともに、ブリネル硬度が５５．０Ｈｂ以上の従来
にないアルミホイールが得られる。また、質量％でSi：
6〜8％、Mg：0.6〜1.0％、Cu0〜0.05％を含有し、残部
Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミホイールであ
り、上記製法を適用させることでα固溶体粒界中の共晶
Ｓｉ粒径のうち平均粒径２μｍ以下のものが共晶Ｓｉ粒
全体の５０％以上を占めるとともに、ブリネル硬度が５
８．０Ｈｂ以上の従来にないアルミホイールが得られ
る。さらに、質量％でSi：6〜8％、Mg：0.2〜0.6％、C
0.05〜0.3％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物
からなるアルミホイールであり、上記製法を適用させる
ことでα固溶体粒界中の共晶Ｓｉ粒径のうち平均粒径２
μｍ以下のものが共晶Ｓｉ粒全体の５０％以上を占める
とともに、ブリネル硬度が５８．０Ｈｂ以上の従来にな
いアルミホイールが得られる。製造するホイールの大き
さは１５インチ以下のものに適用することが好ましい。
ここでホイールの大きさはデザイン面の外周側にあるア
ウターリム端部の外径を示すものである。

【０００８】Ｍｇ、Ｃｕの添加は機械的強度の向上に寄
与する。ＡＣ４ＣＨ材に含有しているＭｇは溶解すると
その材料形状にもよるが、約２０〜５０％減耗する。Ｃ
ｕの減耗はほとんどないため、高Ｃｕ材をＡＣ４ＣＨ材
にまで成分調整するのは困難である。よってリターン材
として再度使用することを考慮すると高Ｍｇ材を用いる
ことがアルミホイールの一般材料であるＡＣ４ＣＨ材に
調整することが可能である点で優れている。また、Ｍｇ
はＭｇ_２Ｓｉとして一度固溶させた後、均一かつ微細に
析出することで強度および硬度を向上させるが、所定の
Ｔ６処理を必要とする。対してＣｕはこのＴ６処理を行
わなくても鋳造品の機械的性質向上にある程度有益であ
るため、特開平１１−１２６７３号公報に記載されたよ
うに、１℃／秒からの冷却速度でも強度向上が得られる
場合がある。しかし本願のようにＭｇを主として機械的
性質向上のための添加元素とする場合、１００℃まで１
０℃/s以上となるよう冷却することが好ましい。以上を
考慮し、冷却速度と量産性を考慮すると鋳造後に即水冷
することが最も適した技術である。鋳造方法は特に限定
されず、半凝固法やタ゛イカスト法を用いても良い。

【０００９】図２に７Ｓｉ−０．３Ｍｇ−ｂａｌＡｌ
（質量％）の組成を有するアルミニウム合金の光学顕微
鏡による金属組織写真（以下、ミクロ写真とする）を示
す。図２において、白地部分Ａはアルミ地（α固溶体）
であり、黒色の粒状部分Ｂは共晶Ｓｉ粒である。

【００１０】Ｓｉは鋳造時の流動性を向上させるために
添加されるが、５％未満では流動性が低下し、１０％を
超えるとヒケの発生が著しく増加しその制御が難しくな
る。よってＳｉは５〜１０％、好ましくは６〜８％とす
る。Mgが0.1％未満では機械的性質（特に強度）を向上
させる効果が不充分である。また、Ｍｇが2.5％より高
いと、強度は向上するが靭性が低下してアルミホイール
に要求される特性を得にくい。また延性の低下を考慮す
ると、Ｍｇを0.2〜0.6％とすることが好ましい。強度お
よび硬度を重視する場合は0.6〜1.0％とすることが好ま
しい。Ｃｕを添加する場合はＣｕを０．３％以下とす
る。Ｃｕが０．３％より多いと靱性が低下するとともに
リターン材への適用も困難となる。また、不純物として
Ｆｅ、Ｍｎ等が混入しやすいが、Ｆｅ０．２％以下、Ｍ
ｎ０．５％以下であれば影響はほとんどないため、許容
してもよい。Ｆｅは０．２％を越えると靱性が著しく
低下する。Ｍｎが０．５％を越えると硬くなり靱性が低
下する。Ｍｎは、好ましくは０．１％以下とする。さら
に添加元素としてＴｉを０．１％加えることで結晶粒の
微細化を促進できるが０．２％を超える添加は逆に靱性
の低下を招く。また、共晶Ｓｉの改良処理剤としてＳｒ
を用いる場合は４０〜１５０ｐｐｍ含有させてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について詳
細に説明するが、本発明はこれら実施例に限るものでは
ない。（実施例）本発明の実施について図１に本発明のアルミ
ホイールを製造するためのフローチャートを示す。リタ
ーン材および／またはインゴット材をＭｇ：０．１〜
２．５％、Ｓｉ：５〜１０％、Ｃｕ：０．３％以下とな
るように調整し、溶解炉中で溶解して鋳造原料とした。
前記鋳造原料を低圧鋳造法、グラビティ鋳造法、ダイカ
スト鋳造法、半凝固溶融鋳造法等を用いて１５インチ以
下のワンピースホイール用金型内に注湯した。注湯終了
後所定の圧力（大気圧も含む）を溶湯に加圧しつつ溶湯
を凝固させホイール素材を得た。このホイール素材の表
面温度をサーモグラフィで測定したところ金型への溶湯
注湯口近傍では４５０℃以上の高温部が残っており、か
つ最も低温部でも４００℃程度の温度を有していた。従
来ではこのホイール素材の湯道・押湯の凝固した部分を
削除した後、熱処理を施す。しかしなから本発明では湯
道・押湯の凝固した部分を削除する前にホイール素材を
少なくとも４００℃以上の高温部があるうちに水中に埋
没、またはホイール素材に向けて噴水させて水冷を行
い、全体の温度を１００℃以下にまで低下させた。さら
に湯口および鋳造時に発生したバリを除去した後、所定
の形状に加工し、本発明のアルミホイールを得た。ま
た、必要によりエポキシ系、エポキシポリエステル系ま
たはアクリル系等の紛体塗装、アクリル系カラー塗装、
アクリルクリアー塗装等の多層塗装を行い、耐食性を向
上させた。アクリル系塗装の焼付けは１００〜１６０℃
の範囲で行った。

【００１２】（実施例１）本発明に係わるアルミホイー
ルの特性を調べるため、試料の作製を行った。まず、
７．０Ｓｉ−０．３５Ｍｇ−ｂａｌＡｌ（質量％）とな
るように成分調整した７１０℃のアルミニウム合金溶湯
を作製した。前記の溶湯を大きさが１３インチのアルミ
ホイール用の鋳型に注湯して鋳造し離型後、直ちに水冷
を行って本発明の一例であるアルミホイールを得た。前
記鋳型の溶湯注湯口は、鋳型に形成されるアルミホイー
ル状キャビティのうち、デザイン面の中心部のみ（セン
ターゲート）とした。前記のアルミホイールに、塗装時
の焼き付け温度を想定して１４０℃×０．５ｈの熱処理
を行った。このアルミホイールのフロントフランジ部よ
り試料１の切り出しを行った。この試料１から平行部が
３２ｍｍ×６．５ｍｍ×４ｍｍの平板状の試験片を作製
した。得られた試料の組成ならびに硬度、機械的性質を
表１に示す。表中、熱処理とは鋳造後にさらに５４０℃
×６ｈの溶体化処理および水中焼入れの後に１４０×４
ｈの時効処理を行ったものを示す。硬度はＪＩＳ規格に
示す方法によりブリネル硬度により測定した。機械的性
質の評価は、引張り強度および伸びを測定した。さらに
比較のため、鋳造した後に水冷を施さずにアルミホイー
ルを作製し、それ以後は実施例１と同様にして試料６を
得た。この比較試料の硬度、機械的性質を比較例１とし
て表１に併記する。試料１と試料６を比較すると本実施
例にあたる試料１の方が硬度が５％以上向上しており、
水冷による効果がでていることが判った。

【００１３】

【表１】

【００１４】さらに図２に試料１の組織を示す光学顕微
鏡によるミクロ組織写真を示す。写真中、明るい部分Ａ
はデンドライト組織を有するα固溶体であり、比較的黒
色の部分Ｂは共晶Ｓｉ粒である。この共晶Ｓｉ粒は片状
のものが多く、応力が集中しやすい。また共晶Ｓｉ粒ど
うしの間隔もせまい。破断はこの共晶Ｓｉ粒間を伝播
して生じるが本発明のように水冷することで複数の共晶
Ｓｉ粒が纏まり共晶Ｓｉ粒の間隔が広がることにより、
機械的強度が増すと考えられる。共晶Ｓｉ粒径を各々調
べると、平均粒径２μｍ以下のものが粒径全体の５０％
以上を占めていることが判った。本測定においては、各
々の粒径を１００個以上無作為に選出し、その粒径を測
定して判別した。また、ここでいう共晶Ｓｉ粒の平均粒
径とは粒径の面積を測定し、それと同等の面積となる擬
似円に換算した円直径を示している。

【００１５】（実施例２〜４）溶湯のＭｇ量を０．５
５、１．００、２．２０％と各々３水準とし、７．０Ｓ
ｉ−ｂａｌＡｌ（質量％）となるように成分調整した７
１０℃のアルミニウム合金溶湯を製造し、硬度および機
械的性質におけるＭｇの影響を調べた。前記の各々の溶
湯を大きさが１３インチのアルミホイール用の鋳型に注
湯して鋳造した後、直ちに水冷を行って本発明の一例で
あるアルミホイールを得た。前記のアルミホイールに、
塗装時の焼き付け温度を想定して１４０℃×０．５ｈの
熱処理を行った。このアルミホイールのフロントフラン
ジ部より試料２〜４を切り出した。この試料２〜４から
平行部が３２ｍｍ×６．５ｍｍ×４ｍｍの平板状の試験
片を作製した。さらに比較のため、同条件で鋳造した後
に水冷を施さずにアルミホイールを作製し、それ以後は
試料２〜４と同様にして試料６〜８を得た。得られた試
料の組成ならびに硬度、機械的性質を表１に併記する。
試料２〜４と試料６〜８を各々比較すると本実施例であ
る試料２〜４の方で硬度が向上しており、水冷による効
果がでていることが判った。

【００１６】（実施例５）本発明による別のアルミホイ
ールの特性を調べるため、試料の作製を行った。まず、
７．０Ｓｉ−０．３５Ｍｇ―０．１Ｃｕ―ｂａｌＡｌ
（実施例５）（質量％）となるように各々成分調整した
７１０℃のアルミニウム合金の溶湯を製造した。前記の
溶湯を大きさが１３インチのアルミホイール用の鋳型に
注湯して鋳造した後、直ちに水冷を行って本発明の一例
であるアルミホイールを得た。前記のアルミホイール
に、塗装時の焼き付け温度を想定して１４０℃×０．５
ｈの熱処理を行った。このアルミホイールのフロントフ
ランジ部より試料５、６を切り出した。この試料５、６
から平行部が３２ｍｍ×６．５ｍｍ×４ｍｍの平板状の
試験片を作製した。さらに比較のため、鋳造した後に水
冷を施さずにアルミホイールを作製し、それ以後は試料
５と同様にして試料１０を得た。この硬度、機械的性質
を表１に併記する。比較すると実施例である試料５の方
が硬度が３％以上向上しており、水冷による効果がでて
いることが判った。

【００１７】従来の方法である水冷を行わず、鋳造後放
置して冷却した後、Ｔ６処理等の熱処理を行うものを製
造した。それ以外は実施例１と同様に強度試験および組
織観察を行った。参考例１１として表１に記す。熱処理
を行ったため、硬度、引張り強度、伸びともに高い。し
かしながら特性は十分過ぎるが熱処理はコスト高につな
がり、工業生産上有利であるとはいえない。また、鋳造
後にＴ６処理を行った試料１１の組織観察写真を図３に
示す。Ｔ６処理によりα固溶体Ａの粒界中の共晶Ｓｉが
凝縮し、粒状の共晶Ｓｉ粒（Ｂ）となる。この共晶Ｓｉ
の凝集により、Ｔ６処理前の組織と比較し、共晶Ｓｉ粒
間の距離が広がり、かつ粒状化することにより応力集中
が緩和され機械的性質、特に靱性が向上する。共晶Ｓｉ
粒の粒径を実施例１と同様に測定した結果、２μｍ以下
のものは共晶Ｓｉ粒全体の３０〜４０％程に過ぎなかっ
た。

【００１８】また、Ｃｕ添加量を１．０％とした以外は
実施例１と同様にして比較用の試料１６を作製した。全
体を通してＣｕが添加されているものは高い特性が得ら
れている。これはＣｕ添加による固溶効果によるもので
ある。しかしながら比較例７のようにＣｕが０．６％以
上でも硬度の向上は果たせるが、機械的性質が低下する
と共に本発明の目的の１つであるリターン材への適用が
困難である。

【００１９】鋳造後のアルミホイールの温度と水冷との
関係について調査した。表２中、鋳物温度はアルミホイ
ールの表面温度をサーモグラフィで測定したものであ
る。アルミホイールの組成は７．０Ｓｉ−１．００Ｍｇ
−ｂａｌＡｌ（質量％）となるように成分調整した。
表２から溶湯が金型内で凝固しだい取りだし、なるべく
高温であるうちに水冷することが好ましいことが判断で
きる。金型から取り出したホイール素材が３００℃程度
の温度だと水冷しても著しい硬度の上昇が得られない。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【発明の効果】本発明により、リターン材として用いて
もAC4CH組成に調整しやすく、かつ熱処理レスでも硬度
および機械的強度が比較的高い高品質なアルミホイール
を安価に提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルミホイールの製造方法を示すフロ
ーチャートである。

【図２】本発明のアルミホイールの金属ミクロ組織写真
である。

【図３】参考例である鋳造後に熱処理を行ったアルミホ
イールの金属ミクロ組織写真である。

【図４】従来のアルミホイールの製造方法を示すフロー
チャートである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｆ 1/00 ６１１Ｃ２２Ｆ 1/00 ６１１６３０６３０Ａ６９２６９２Ａ６９２Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳造金型内で成形されたアルミホイール
を鋳造金型内から取り出し、前記アルミホイールを再加
熱することなく水冷することを特徴とするアルミホイー
ルの製造方法。
【請求項２】少なくとも一部が４００℃以上であるア
ルミホイール素材を水冷することを特徴とする請求項１
に記載のアルミホイールの製造方法。
【請求項３】質量％でSi：6〜8％、Mg：0.2〜0.6％、
Cu0〜0.05％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物
からなるアルミホイールであり、α固溶体粒界中の共晶
Ｓｉ粒のうち平均粒径２μｍ以下のものが共晶Ｓｉ粒全
体の５０％以上を占めるとともに、ブリネル硬度が５
５．０Ｈｂ以上のアルミホイール。
【請求項４】質量％でSi：6〜8％、Mg：0.6〜1.0％、
Cu0〜0.05％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物
からなるアルミホイールであり、α固溶体粒界中の共晶
Ｓｉ粒のうち平均粒径２μｍ以下のものが共晶Ｓｉ粒全
体の５０％以上を占めるとともに、ブリネル硬度が５
８．０Ｈｂ以上のアルミホイール。
【請求項５】質量％でSi：6〜8％、Mg：0.2〜0.6％、
Cu0.05〜0.3％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純
物からなるアルミホイールであり、α固溶体粒界中の共
晶Ｓｉ粒のうち平均粒径２μｍ以下のものが共晶Ｓｉ粒
全体の５０％以上を占めるとともに、ブリネル硬度が５
８．０Ｈｂ以上のアルミホイール。