JP2005171323A

JP2005171323A - 軽合金ホイールの熱処理方法

Info

Publication number: JP2005171323A
Application number: JP2003413527A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Koga; 正明古閑; Hisami Yajima; 久美矢島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】アルミ車両部品、特に１６インチ以上の大口径を有する軽合金ホイールに熱処理を行っても歪の発生を抑えた水冷焼入れが可能な軽合金ホイールの熱処理方法を提供するものである。
【解決手段】軽合金ホイールを５００℃以上共晶温度以下に加熱し、その後循環手段により０．１ｍ^３／min以上０．８ｍ^３／ｍｉｎ以下の攪拌量で室温〜８０℃の冷却媒体が循環されている冷却媒体槽中に前記軽合金ホイールを浸漬して溶体化処理し、その後時効処理を行うことを特徴とする軽合金ホイールの熱処理方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用の軽合金ホイールの熱処理方法に関するものであり、特に１６インチ以上の大口径を有する軽合金ホイールに好適なものである。

車両用ホイールは近年軽量化、意匠（デザイン）性などから、アルミ合金などの軽合金鋳物で製作されてきている。またクロスメンバーや足回り部品も、軽量化を目的にアルミで製作され始めている。強度部品用として現状最も良好な性能を持つアルミ鋳物用合金はＪＩＳに定められているＡＣ４Ｃ，ＡＣ４ＣＨ材が中心であるが、この材料は機械的性質と鋳造性とのバランスのとれたアルミ合金鋳物材であり、熱処理（Ｔ６処理）を施すことにより高強度、高靭性が得られ、自動車の軽合金ホイールとして用いられている。

軽合金ホイールは自動車の駆動部に使用され高速で回転する部材である。よって僅かな重量の偏析でも、振動の発生および走行安定性の阻害等大きな問題となる。同じ規格であってもホイール径が大きくなるほどバランスを取る事は難しい。バランスを阻害する最も大きい要因として素材歪が挙げられる。

例えば特許文献１にはアルミホイールの溶体化処理設備が記載され、回転可能なローラ上にアルミホイールを配置し、溶体化処理設備内を搬送させるＴ６処理（溶体化処理＋時効処理）の技術が記載されている。この利点はトレイにアルミホイールを保持して搬送する従来の製造方法と異なり、トレイ自体を加熱・冷却する必要がないために熱損失が少なく、燃料費を軽減できることが記載されている。また、溶体化処理の焼入れを行うにあたってトレイごと水没させて焼入れする必要がなく、アルミホイール単体で焼入れするためにアルミホイールの各部で冷却ムラが生じず、焼入れ歪バラツキが軽減できることなどが記載されている。

特許文献１に記載されるように、焼入れ時に発生する熱処理歪の防止方法としては、アルミホイールの各部分での冷却ムラを無くすことが考えられ、被処理物を単体で焼入れすることが挙げられる。また、アルミホイールの各部を均一な温度で熱処理するためには、沸点の高い液体（油、歪み防止材添加の水等）を使用することが上げられる。しかし量産において特殊な冷却媒体を使用することはコスト的にも環境的にも好ましくない。さらに別の手段としては、特許文献２に記載されるように、炉内雰囲気の気体を高速化することで被熱処理体の各部を均一に昇温することが上げられる。
特開２００３−２２１６１６号公報（第３頁（００２５））特開２００２−１７３７０８号公報（第４頁（００２９）〜（００３１））

溶体化処理の昇温時であれば炉内雰囲気の気体と被熱処理体の間にガスは発生しないが、焼入れの際には冷却媒体(水)中に被熱処理体を浸漬させるため、被熱処理体の熱で冷却媒体が蒸発し、被熱処理体の表面に気泡が発生する。この気泡を常に除去しなければ各部を均一に冷却することができない。通常、熱処理温度を各部で均一にするには、特許文献２での発想と同じく、冷却媒体の流速を高めることが考えられる。
しかしながら、特に１６インチ以上の大口径アルミホイールの熱処理に際し、従来の考えに従い冷却媒体（水）の撹拌力を増やし、ホイールと水の間に発生する気泡を除去しても歪の発生を抑制することができないことが実験の結果解った。

よって発明が解決しようとする課題は、アルミ車両部品、特に１６インチ以上の大口径を有する軽合金ホイールに熱処理を行ってもアウターリムの端面の最大歪が０．４ｍｍ以下、アウターリムに対するハブ連結部の軸方向の最大歪が０．６ｍｍ以下に抑制できる軽合金ホイールの熱処理方法を提供するものである。

本発明者らは、従来の考えとは全く逆に冷却媒体の撹拌力を一定以下に制御することにより、軽合金ホイールのＴ６処理時の熱処理歪を抑制し、バランスのバラツキを低減させることに成功したものである。

即ち本発明は、軽合金ホイールを５００℃以上共晶温度以下に加熱し、その後循環手段により０．１ｍ^３／min以上０．８ｍ^３／ｍｉｎ以下の攪拌量で冷却媒体が循環されている冷却媒体槽中に前記軽合金ホイールを浸漬して溶体化処理し、その後時効処理を行うことを特徴とする。本発明において、冷却媒体の攪拌量とは循環手段によってその循環手段内を吸入・排出する冷却媒体の単位時間辺りの流量を指す。冷却媒体槽中の冷却媒体の量は５００ｌ〜３０００ｌであることが上記の冷却媒体の攪拌量に対して適している。５００ｌ以下だと冷却媒体の量が少なすぎて溶体化処理をすることが不可能である。また、３０００ｌ以上であると流速が冷却媒体槽中でばらついてしまう。更に好ましくは６００ｌ〜２０００ｌであり、より好ましくは７００ｌ〜１５００ｌの範囲である。また、実施例中で述べるが、冷却媒体の温度は室温以上から７０℃以下が好ましい。軽合金ホイールを冷却媒体に浸漬し続ける時間は１秒以上ないと焼入れ効果が十分出ない。また、６０秒以上であると生産サイクルが悪化する。

撹拌力を抑えた状態の冷却媒体（水）に５００℃から共晶温度以下に加熱した軽合金ホイールを装入すると、周辺の水は直ぐには煮沸せず５〜１０秒後非常に小さな気泡が軽合金ホイールの周囲を包み込む様に発生する。その後更に１５〜２０秒経過の後大きな気泡を伴った煮沸が始まり５〜１０秒後おさまる。
本発明の場合歪が抑制できる理由は、非常に小さな気泡が軽合金ホイールの周囲を取り囲むことにより、軽合金ホイールから冷却媒体への熱の移動が均一になるものと考えられる。冷却媒体の攪拌量が０．８ｍ^３／ｍｉｎを超えると、この非常に小さな気泡まで軽合金ホイールから剥離してしまい、熱の移動が均一にならずに歪量が大きくなってしまう。また、冷却媒体の攪拌量が０．１ｍ^３／min未満では冷却速度が低すぎて量産性が低く、実質的には適用できない。冷却媒体の攪拌量は０．５〜０．７ｍ^３／minであるとなお好ましい。

さらに材質が、ＪＩＳに定められるＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ等のＳｉ６．５〜７．５質量％、Ｍｇ０．２５〜０．４５質量％、必要によりＣｕ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｃｒの一種又は二種以上を１．０質量％以下含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるアルミ合金アルミ合金であると、内部の熱伝導特性が非常に優れており、部分的な温度差が生じた場合でも内部の熱伝導により均一な冷却となる。

本発明を適用することにより、１６インチ以上の軽合金ホイールであっても、処理した車両用ホイールの総数の９５％以上もので、アウターリムの端面の最大歪が０．４ｍｍ以下、アウターリムに対するハブ連結部の軸方向の最大歪が０．６ｍｍ以下に抑制できる。また、このアウターリム端面が加工基準として旋盤加工機に固定されるため、リム部の変心が極力抑えられた旋盤加工が可能であり、必要となる鉛製のバランスウェイト量が減り、環境的にも好ましいものである。

本発明はホイールを積載するラックやトレイを必要としない、軽合金ホイールだけを搬送可能な構造を具備する溶体化熱処理炉に適用することが好ましく、トレイの昇温エネルギーが不要で省エネ効果が規定できる。歪防止用のジグなど、軽合金ホイールと比べて熱容量の小さいものであれば使用することも可能である。また、トレイ積載型の方式では一度に多数個の軽合金ホイールを冷却媒体中に浸漬させて冷却する必要があるので、冷却媒体を本発明で用いる流速の範囲とすると攪拌手段の近傍にある軽合金ホイールと遠方にある軽合金ホイールとで冷却条件が異なってしまう。これよりアルミホイールの部位間で冷却ムラなどが生じ、焼入れの歪バラツキが大きくなる。溶体化処理後に各軽合金ホイールをロボットアームなどで個別に冷却することも可能であるが、煩雑な手間が必要な上、一方の軽合金ホイールを冷却している間に残る軽合金ホイールの温度が下がってしまい、同一条件で冷却することが困難である。

溶体化熱処理炉に期待される処理能力は、例えば炉内雰囲気の風速が１５ｍ／ｓ以上とできること、これにより軽合金ホイールの溶体化処理温度５５０〜５６５℃までの昇温時間が３０分以内であること、温度制御幅が目標温度±２℃以下で制御可能なことが上げられる。

上述のように、本発明の軽合金ホイールの熱処理によれば、１６インチ以上の軽合金ホイールであっても、アウターリムの端面の最大歪が０．４ｍｍ以下、アウターリムに対するハブ連結部の軸方向の最大歪が０．６ｍｍ以下に抑制できる。また、このアウターリム端面が加工基準として旋盤加工機に固定されるため、リム部の変心が極力抑えられた旋盤加工が可能であり、必要となる鉛製のバランスウェイト重量が減り、環境的にも好ましいものとなる。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
鋳造にてアルミホイールを製造する場合、フランジ部およびタイヤ面を旋盤加工し真円に近づけたリム部を加工する。アウターフランジ部が加工基準部として旋盤加工機に固定され、インナーフランジ部が加工される。アウターフランジ部が歪んでいれば、アルミホイールが正しい位置で旋盤加工機に固定されない。そのためインナーフランジ部のバランスが悪くなる。これがアルミホイールのバランスを悪くする主要因である。よって、まず加工基準部となるアウターフランジの歪状況を調べた。
用いた熱処理装置は装置内の雰囲気を循環するための循環器を備えており、その循環器の傍には装置内の雰囲気温度を昇温する為の熱源を備えている。この循環器から熱風がダクトを介して熱処理装置内に送られ、そこから装置内を上方に向けて熱風が送風される。この熱風は装置内で搬送ローラ上を搬送される軽合金ホイールを昇温し、その後ダクトから循環器に戻る構造が取られている。軽合金ホイールは０．５時間の間に５６０℃±２℃にまで昇温され０．５〜１０時間熱処理される。その後、この軽合金ホイールを冷却媒体槽中に浸漬して焼入れを行った。図５を用いて焼入れ処理の詳細を示す。図５中、１がインナー側を下にして浸漬させた軽合金ホイール、２は冷却媒体槽、３は冷却媒体である温度６５〜７０°に制御された水、４は循環手段である。まずアーム７により軽合金ホイールを熱処理装置の昇温部からフォーク形状のアーム先端部８に移動させ、冷却媒体槽２の水３中に浸漬させた。この水は冷却媒体槽２の上部に設置された配管吸入口６ａをから取り込まれ、ジェットポンプ４を介して配管排出口６ｂに向かって循環される。配管排出口６ｂには孔が上側に空けられ、この孔から噴出される。循環ファン４は制御盤５により水の循環量を制御することができるようになっている。
焼入れ処理後、この軽合金ホイールを引き上げ、周囲に付着した水をコンプレッサーにより（図示せず）エアーで吹き飛ばし、再び熱処理装置中のローラ上に設置した。その後ローラ上を搬送させるとともに、熱風を当てることで軽合金ホイールを１８０℃まで昇温・保持し、一時間の時効処理を行った。

水の攪拌量を制御盤および循環ファンにより０．２ｍ^３／ｍｉｎ、０．４ｍ^３／ｍｉｎ、０．６ｍ^３／ｍｉｎ、１．０ｍ^３／ｍｉｎと替えて、各アルミホイールのＴ６処理を行った。図１に結果を示す。歪の測定は、図２に示すようにアウターフランジ部の３点Ａ（中心角１２０°）を基準としその３点を含む平面から他のフランジ部（９点）までの距離を測定し、熱処理前後でのその最大値を歪量とした。
焼入れ歪防止の理論からすれば攪拌力が上がれば軽合金ホイールの各所を均一に熱処理可能な傾向が出るはずである。よって、まず撹拌力を循環ファンの最大出力である１．０ｍ^３／ｍｉｎとして量産を行った。しかしながら図１に示すように歪が大きく、リム部の旋盤加工を行っても全数ＮＧとなった。
水流の方向、ホイールの浸漬の際の向きなどを検討したが制には繋がらなかった。そこでこれまでの常識とは全く逆に撹拌力を抑えたところ歪量を抑制できることが解った。攪拌量が０．２〜０．６ｍ^３／ｍｉｎでは歪量は最大でも０．５ｍｍ以下である。対して攪拌量が１．０ｍ^３／ｍｉｎでは歪量は最小でも０．６ｍｍを超えていた。
また、ディスク部のハブ固定部面の出入りについても測定を行った。測定方法および測定場所は、図４に示すように、ディスク部の周囲に両面が平坦なリング状の台座１０を置き、そのリング状の台座の上に、棒状の固定具１１を置き、ノギス１２で固定具１１の上端からディスク部のハブ固定部面の歪による出入りを調べたものである。熱処理前のものでは平均９６．０ｍｍであった。循環ファンによる水の攪拌量が０．２〜０．６ｍ^３／ｍｉｎの冷却媒体槽によって焼入れしたものでは、ハブ固定部面の出入りは熱処理前のものに比べて１．０ｍｍ以内であった。対して攪拌量が１．０ｍ^３／ｍｉｎでは、ハブ固定部面の出入りは熱処理前のものに比べ平均して１．５ｍｍ程大きくなっていた。ただし、攪拌量が多いほど冷却速度が速くなり、短時間でホイールの機械的強度を向上できることも解った。そのため量産においては循環ファンによる水の攪拌量を０．３〜０．７５ｍ^３／ｍｉｎとした。

（実施例２）
循環ファンによる水の攪拌量を０．４ｍ^３／ｍｉｎとし、それ以外は実施例１と同様にして軽合金ホイールを鋳造した。この鋳造した軽合金ホイールはアウターフランジをクランプにより保持・固定される。アウターフランジの端面全体が加工基準部となるため、アウターフランジに歪みが有ると、リム部が真円状に旋盤加工されずにホイールバランスが悪くなる。
まず、上記の状態からインナーフランジ側の内周面と外周面を切削加工した。この際、ディスク面の裏側まで旋盤加工を行った。次にハブ穴やボルト穴をドリル加工により形成した。その後、最終形状となったインナーフランジ側をクランプにより保持・固定し、アウターフランジ側の旋盤加工を行った。
バランスウェイト（鉛）を接着剤により貼り付けて、バランスが調整された軽合金ホイールとした。使用したバランスウェイトの重量は図７に示すものであった。測定した軽合金ホイールの総数は８８ケである。
また、循環ファンによる水の攪拌量を１．０ｍ^３／ｍｉｎとした以外は、前記と同様にして軽合金ホイールを鋳造し、比較用の実験を行った。同様に旋盤加工、バランスウェイトの貼り付けを行い、バランスが調整された軽合金ホイールとし、使用したバランスウェイトの重量を測定した。測定した軽合金ホイールの総数は１３３ケである。
図７に示すとおり、循環ファンによる水の攪拌量を０．４ｍ^３／ｍｉｎとして焼入れした軽合金ホイールではバランスウェイトの平均重量は１５〜２４ｇだった。それに対して循環ファンによる水の攪拌量を１．０ｍ^３／ｍｉｎとした熱処理を施す軽合金ホイールでは、バランスウェイトの平均重量は２５〜３４ｇと、多量に必要であることが解った。

（実施例３）
水温を６５℃、７０℃、７５℃、８０℃と変え、水温によるフランジ部面の最大歪がどのように変化するかを調べた。循環ファンによる水の攪拌量を０．６ｍ^３／ｍｉｎとし、それ以外は実施例１と同様にして実験を行った。結果を図６に示す。水温が７０℃の時に最もフランジ部面の歪が大きくなることが解った。また、水温が７０℃を超え、８０℃近くなるとフランジ部面の最大歪は０．２ｍｍ程と小さくなることが解った。但し、この水温の上昇により、軽合金ホイールへの焼入れ時間が長くなり、製造サイクルが遅くなる。よって水温は７０℃以下となるように冷却媒体を温度管理するための冷却手段を設けて温度管理することとした。

熱処理前と熱処理後の歪量の違いを示す図である。アウターフランジの歪の測定方法を説明するための図である。熱処理（水冷）によるハブ固定部面の歪による出入り量を示す図である。ハブ固定部面の歪による出入り量の測定方法を説明するための図である。水冷槽の構造を示す図である。水温による歪量の違いを示す図である。軽合金ホイールに必要なバランスウェイトの重量を示す図である。

符号の説明

１軽合金ホイール、２水冷槽、３ポンプ、４配管、５制御盤、６噴出口、７昇降アーム、１０測定用リング、１１測定用角材、１２ノギス

Claims

軽合金ホイールを５００℃以上共晶温度以下に加熱し、その後循環手段により０．１ｍ^３／min以上０．８ｍ^３／ｍｉｎ以下の攪拌量で冷却媒体が循環されている冷却媒体槽中に前記軽合金ホイールを浸漬して溶体化処理し、その後時効処理を行うことを特徴とする軽合金ホイールの熱処理方法。
前記冷却媒体槽中の冷却媒体の量を５００ｌ（リットル）〜３０００ｌとすることを特徴とする請求項１に記載の軽合金ホイールの熱処理方法。
前記軽合金ホイールは１６インチ以上のアルミ合金製のホイールであるであることを特徴とする請求項１または２に記載の軽合金ホイールの熱処理方法。
前記軽合金ホイールは、Ｓｉ６．５〜７．５質量％、Ｍｇ０．２５〜０．４５質量％、必要によりＣｕ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｃｒの一種又は二種以上を１．０質量％以下含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるアルミ合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軽合金ホイールの熱処理方法。