JP2005513260A - 高い延性と耐衝撃性とを有するアルミニウム合金からなる圧力鋳造部品 - Google Patents

高い延性と耐衝撃性とを有するアルミニウム合金からなる圧力鋳造部品 Download PDF

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Abstract

本発明は、部品、特に自動車の安全用、構造用、又は床板連結用部品であって、組成（重量％）が、Ｍｇ：１．０〜４．５、Ｓｉ：０．２〜１．３、Ｃｕ＜０．３、Ｚｎ＜０．１、Ｆｅ＜０．３、Ｔｉ＜０．３、ならびに鋳型への接着を低減させるための少なくとも一つの元素：すなわち、Ｍｎ（０．３〜１）、Ｃｒ（０．１〜０．４）、Ｃｏ（０．１〜０．４）、Ｖ（０．１〜０．４）、及びＭｏ（０．１〜０．４）、（その他の元素の各々）＜０．０５でかつ合計で０．１５、さらに残部はアルミニウムである、アルミニウム合金からなる圧力鋳造した部品を目的としている。

Description

本発明は、圧力鋳造法により鋳造した比較的薄い部品、特に自動車用構造部品又は安全部品の製造向けのＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の分野に関するものである。
車両を軽量化する必要性により、複数の機能を統合した複雑な形状の鋳造安全部品の開発がますます促進されると共に、自動車製造者が利用する「クラッシュテスト」又は「ボディーブロック」のようなさまざまな変形試験、ならびにさまざまな組立て方法の要求とに満足すべき開発が促進された。
Ａｌ−Ｓｉ9Ｃｕ3Ｍｇ合金のような既知の合金のよって、未処理状態Ｆにおいて、少なくとも３００ＭＰａの破断強度Ｒm、及び少なくとも２３０ＭＰａの弾性限界Ｒp0.2を得ることができる。その代り、破断伸びＡは２％を超えることはない。ところで自動車用構造部品又は安全部品には、衝撃時のエネルギーを吸収して破断を回避すると共に、さまざまな組立て方法に適応するのに十分な延性が要求される。
他方、機械的強度にとって望ましい影響を与えるということで銅の含有量が増えると、合金は腐食を受け易くなる。ところで耐腐食性、特にストレス下における耐腐食性が優れていることは、融雪塩のような腐食性環境における部品の劣化を回避するために必要である。
こうした要求に応えるため、合金のさまざまな形成について提案がなされている。Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｒｈｅｉｎｆｅｌｄｅｎが１９９４年に出願した欧州特許出願公開第０７９２３８０号明細書では、組成（重量％）が、
Ｍｇ：３．０〜６．０、Ｓｉ：１．４〜３．５、Ｍｎ：０．５〜２．０、Ｆｅ＜０．１５、Ｔｉ＜０．２の合金の半固体状態における鋳造の利用について記載されている。
先の特許出願により発行された分割出願である欧州特許出願公開第０８５３１３３号明細書は、組成が、
Ｍｇ：４．６〜５．８、Ｓｉ：１．８〜２．５、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｆｅ＜０．１５、Ｔｉ＜０．２であって、優れた機械的特徴を得るためには鋳造部品の熱処理が不可欠ではない圧力鋳造用合金に関するものである。
Ａｌｃｏａが１９９５年に出願した米国特許第５６６７６０２号明細書では、特に「スペースフレーム」タイプの自動車の車体構造の継手用の圧力鋳造用合金であって、組成が、Ｓｉ＜０．３０、Ｆｅ＜１．００、Ｍｇ：２．００〜５．００、Ｍｎ：０．２０〜１．６０、Ｚｒ：０．１０〜０．３０のものについて記載されている。鋳造部品に熱処理を施すことなく、優れた機械的特性が得られる。
Ａｌｃｏａが１９９７年に出願した米国特許第６１３２５３１号明細書は、同一用途の同一種類の合金であって、組成が、Ｓｉ＜０．２０、Ｆｅ＜０．２０、Ｍｇ：２．８０〜３．６０、Ｍｎ：１．１０〜１．４０、Ｔｉ＜０．１５、Ｂｅ：０．０００５〜０．００１５のものに関するものである。
他方、圧力鋳造される自動車用ハンドルの製造用には合金ＡｌＭｇＭｎが利用されてきた。独国特許出願公開第３８２７７９４号明細書（豊田合成）は、特殊な形状のハンドル用であって、一方では組成が、Ｍｇ：１．５〜２．５、Ｓｉ：０．２〜０．４、Ｆｅ：０．４〜１．０、Ｍｎ：０．４〜０．６の合金、他方では組成が、Ｍｇ：１．５〜２．４、Ｓｉ＜１．０、Ｆｅ：０．３〜０．８、Ｍｎ：０．２〜０．４の合金の利用に関するものである。
欧州特許出願公開第０４１２６０５号明細書（Ｋｏｌｂｅｎｓｃｈｍｉｄｔ）では、組成が、Ｍｇ：２．５〜３．５、Ｓｉ：０．１０〜０．３０、Ｆｅ：０．４０〜０．６０、Ｍｎ：０．２５〜０．４５、Ｃｕ：０．０１５〜０．０５、Ｚｎ：０．０３５〜０．０６５の、同一用途に対する合金の利用について記載されている。
欧州特許出願公開第０９１１４２０号明細書（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｒｈｅｉｎｆｅｌｄｅｎ）では、組成が、Ｍｇ：２．０〜３．５、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．２〜１．２、Ｆｅ＜０．４０、Ｃｕ＜０．１０、Ｚｎ＜０．１０、Ｃｒ＜０．０５、Ｃｏ＜０．６０、Ｃｅ＜０．８０の鋳造合金について記載されている。
欧州特許出願公開第１１３８７９４号明細書（Ｃｏｒｕｓ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）では、組成が、Ｍｇ：２．７〜６．０、Ｓｉ＜１．４、Ｍｎ：０．４〜１．４、Ｚｎ：０．１０〜１．５、Ｆｅ＜１．０、Ｚｒ＜０．３、Ｖ＜０．３、Ｓｃ＜０．３の圧力鋳造用合金について記載されている。
欧州特許出願公開第０７９２３８０号明細書 欧州特許出願公開第０８５３１３３号明細書 米国特許第５６６７６０２号明細書 米国特許第６１３２５３１号明細書 独国特許出願公開第３８２７７９４号明細書 欧州特許出願公開第０４１２６０５号明細書 欧州特許出願公開第０９１１４２０号明細書 欧州特許出願公開第１１３８７９４号明細書
本発明の目的とするところは、優れた機械的強度、高い延性及び大きいエネルギー吸収能力、強力な耐腐食性、ならびに鋳造に対する十分な適合性とを同時に呈する、自動車用の圧力鋳造された構造用、床板連結用、及び安全用の部品であって、かつ許容可能な経済的条件下において大量生産することができる部品を提供するものである。
本発明は、部品、特に自動車の安全用、構造用、又は床板連結部品であって、
組成（重量％）が、
Ｍｇ：１．０〜４．５、Ｓｉ：０．２〜１．３、Ｃｕ＜０．３、Ｚｎ＜０．１、Ｆｅ＜０．３、Ｔｉ＜０．３、ならびに鋳型への接着を低減させるための少なくとも一つの元素：Ｍｎ（０．３〜１）、Ｃｒ（０．１〜０．４）、Ｃｏ（０．１〜０．４）、Ｖ（０．１〜０．４）、及びＭｏ（０．１〜０．４）、（その他の元素の各々）＜０．０５でかつ合計で０．１５、
さらに残部はアルミニウムである、アルミニウム合金からなる圧力鋳造した部品を目的としている。
好ましい含有量は以下のとおりで、Ｍｇ：２．０〜４．０、Ｓｉ：０．４〜１．０、Ｃｕ＜０．１、Ｆｅ＜０．２、Ｔｉ：０．０５〜０．２５である。
合金は、場合によって５０ｐｐｍ未満の含有量のＢｅを含むことがある。
本発明はまた、指定の組成を有すると共に、状態Ｔ５（１５０〜２００℃の間に含まれる温度における焼きなまし）において１００ＭＰａ以上の弾性限界と、１５％以上の破断伸びとを呈する圧力鋳造部品を目的としている。
本発明についての説明
本発明は、本出願人により確認したところは、圧力鋳造した安全部品の製造向けの従来技術による合金に比して、マグネシウム及びシリコンの含有量を低減することにより、許容可能な鋳造適合性を保持しながら、使用特性上有利な妥協、特に状態Ｆ（鋳放し）における弾性限界と延性との間の妥協に到達することができるということに基づくものである。
マグネシウムの含有量は、合金が鋳造可能であるためには少なくとも１％であるが、状態Ｔ５、すなわち自動車の塗料の焼成温度に対応した１００〜２００℃の間に含まれる温度における焼きなまし状態においても高い延性を望むならば、４．５％を超えてはならない。なお好ましい含有量は２〜４％の間に含まれる。
高い延性を保持しながら、十分な破断強度及び弾性限界を得るためのシリコンの含有量は、少なくとも０．２％である。該含有量は、０．４〜１％の間に含まれることが好ましい。マグネシウムとシリコンは化合してＭｇ2Ｓｉを形成するが、これは圧力鋳造の凝固速度のもとできわめて微細な共晶の形をして発生する。無視できない量の共晶部分が存在すると、加熱による亀裂の形成が低減されて、使用特性の改善に貢献する。他方、鋳型の冷却速度が急激であるため、ある量のマグネシウムがアルミニウムの固溶体中に存続して過飽和となる。
本出願人が確認したところによると、本発明による限度内での所与のシリコンの含有量において、マグネシウムの含有量が減少すると破断伸びが急激に増加する。逆に、所与のマグネシウムの含有量において、シリコンの含有量が減少することにより、弾性限界が１００ＭＰａを上回るように維持しながら、破断伸びを増加させることが可能となる。
銅は０．３％未満に維持されなければならないが、大気中及びストレス下に対して、十分な耐腐食性を得るためには、０．１％未満に維持されることが好ましい。
鉄、マンガン、クロム、コバルト、モリブデン及びニッケルは、個別に又はアルミニウムと結合して、砂型鋳造又は金属自重鋳造の場合には脆弱な金属間化合物を形成する。逆に圧力鋳造の場合は、鋳型の冷却速度を考慮すると、これらの化合物は、機械的強度が影響を受けないような限られた大きさと形態のものになる。その代わりに、これらの元素が存在すると、鋳型の鋼に比して合金の化学ポテンシャルが減少することにより、鋳型中の部品の接着を制限することが可能となる。鉄の含有量は伸びに対して不利な影響を与えるので、０．５％、好ましくは０．２％に制限しなければならないため、鉄の他に、上述したその他の元素の少なくとも一つが存在することは必要不可欠である。
母合金、あるいはチタン又はホウ素を含む塩、たとえば、カリウムのフッ化ホウ酸塩とフッ化チタン酸塩との混合物によって、アルミニウム固溶体の初期の粒子を入念に精錬することによって、加熱による亀裂の形成傾向をほぼ完全に除去することが可能となると共に、凝固期間中の収縮に起因する微小孔隙率の大きさを低減することに寄与するため、部品の密度が改善される。精錬した合金はそこで、残留性のチタン０．０５〜０．２５％、及び残留性のホウ素１０〜３０ｐｐｍ含むことになる。
ナトリウム、カルシウム又はストロンチウムのようなアルカリ元素の含有量はきわめて低い値、好ましくは１０ｐｐｍ未満の値に維持しなければならないが、その理由は、該元素が機械的特性に不利な影響を与えるからである。液体状態にある合金の酸化傾向を制限するには、５０ｐｐｍ、好ましくは３０ｐｐｍを限度としたベリリウムの添加が有利である。
急冷による変形及び後のコストのかかる仕上げ工程を回避するため、鋳放しの状態で、真空の助け又はなしでの圧力鋳造部品が好んで利用されている。該圧力鋳造部品は、自動車産業界において使用されている塗料の焼成に起因する焼きなましの影響はごくわずかしか受けない。この処理は、典型的には１５０〜２００℃の間に含まれる温度のもとで、１５分〜１時間継続される。
本発明によるこれらの部品は、状態Ｆ又は状態Ｔ５において、常に１００ＭＰａ、さらには１２０ＭＰａを上回る弾性限界と、１５％を上回る伸びとを呈するが、このことが、衝撃時のエネルギーの吸収能力を助長し、はめ込み式接合又はリベット締めのような高い延性を必要とする組立て技術の適用を可能にする。
従来技術による類似の部品向けの合金に比してマグネシウムの含有量が減少すると、ＴＩＧ、Ｍｉｇ又はレーザ溶接に対する適合性、及び車体の鋼板向けに利用されている６０００シリーズのアルミニウム合金との優れた融和性が助長される。
圧力鋳造部品の静的機械特性に与える組成及びＭｇ／Ｓｉ比の影響について検討した。真空（鋳型中の残留圧力は８０ｈＰａ）の助けのもとで、圧力鋳造によりＡ〜Ｉの９種類の、表１に示すような組成を有する異なった合金のサンプル板を製作した。サンプル板の大きさは１２０×２２０ｍｍで、厚さは２．５ｍｍであった。鋳造は、締め付け力が３２００ｋＮで、ピストンの注入速度が０．７ｍ／ｓのプレス上で行った。また炉における金属の温度は、７８０℃であった。
Figure 2005513260
熱処理を行っていないこれらのサンプル板については、放射線写真で認められるような欠陥をまったく呈しない領域において採取した引張試験片を機械加工し、破断強度Ｒm（ＭＰａ）、伸び０．２％に対応する通常の弾性限界Ｒｐ０．２（ＭＰａ）、及び破断伸びＡ（％）を測定した。その結果（１０枚の試験片の平均値）を表２に示す。
Figure 2005513260
これらの結果から、３〜４％のＭｇを含む合金に対してＳｉの含有量が１．４から０．３％に減少すると、伸びは著しく増大することが示される。この傾向は、５％のＭｇを含む合金に対しては伸びていかず、この場合の伸びは約１０％に留まっている。Ｓｉの含有量が１．４％の場合、３、４又は５％のＭｇを含む合金のＲm、Ｒp0.2及びＡは互いに近い値となっている。またＳｉの含有量が１％未満の場合、３〜４％のＭｇを含む合金では、１２０ＭＰａを上回る弾性限界及び１５％を上回る伸びとなっている。
鋳放し、自然に周囲温度まで自然に時効処理した状態に比して、塗料の焼成処理が部品の硬さに与える影響について検討した。実施例１の引張試験片に類似した試験片を用いて、Ｂ、Ｄ、Ｅ及びＨの各合金に対し、自然に時効処理した状態及び、１９０℃で２０分間焼きなましした後の状態Ｔ５における硬さＨｖ５／３０を測定した。その結果を表３に示す。
Figure 2005513260
処理Ｔ５を行うと、Ｍｇ／Ｓｉの比率が小さい合金の硬さはわずかに増加するが、Ｍｇ／Ｓｉの比率がより高い合金の硬さは一定であることが確認される。
他方では、０．５％のＭｎを含む合金Ａの機械的特性に与える処理時間の影響について検討したが、その場合、状態Ｆと、一方では１９０℃で２０分間の焼きなまし、他方では同一温度で６０分間の焼きなましという二つの状態Ｔ５とにおける機械的特性を比較した。その結果を表４に示す。
Figure 2005513260
実際上この種の処理は機械的特性に影響を与えないことが確認されており、またそのことが利点の一つとなっているが、その理由は、高い変形能力を有する安全部品に対するエネルギー吸収特性が組立物において保存されるからである。他方この処理によって、部品の機械加工された寸法が変更される危険はない。

Claims (8)

  1. 部品、特に自動車の安全用、構造用、又は床板連結用の部品であって、組成（重量％）が、
    Ｍｇ：１．０〜４．５、Ｓｉ：０．２〜１．３、Ｃｕ＜０．３、Ｚｎ＜０．１０、Ｆｅ＜０．３、Ｔｉ＜０．３、ならびに鋳型への接着を低減させるための少なくとも一つの元素：Ｍｎ（０．３〜１）、Ｃｒ（０．１〜０．４）、Ｃｏ（０．１〜０．４）、Ｖ（０．１〜０．４）、及びＭｏ（０．１〜０．４）、（その他の元素の各々）＜０．０５でかつ合計で０．１５、さらに残部はアルミニウムである、アルミニウム合金からなる圧力鋳造した部品。
  2. Ｍｇの含有量が２．０〜４．０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の部品。
  3. Ｓｉの含有量が０．４〜１．０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の部品。
  4. Ｃｕの含有量が０．１０％未満であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の部品。
  5. Ｆｅの含有量が０．２％未満であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の部品。
  6. Ｔｉの含有量が０．０５〜０．２５％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の部品。
  7. 合金が５０ｐｐｍ未満の含有量のＢｅを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の部品。
  8. 状態Ｔ５（１５０〜２００℃の間に含まれる温度における焼きなまし）において１００ＭＰａ以上の弾性限界と、１５％以上の破断伸びとを呈することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の部品。

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