JP2006001322A - アルミホイールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基本的には鋳造方法を利用しながら、疲労強度が向上したアルミホイールを製造することができる方法を提供する。
【解決手段】 本発明のアルミホイールの製造方法では、アルミホイール素材を鋳造する工程と、鋳造したアルミホイール素材のリムを加熱してリムの内部まで再溶融する工程と、リムを熱間で所定形状にまで圧延する工程を実施する。このことによって、リムを構成するアルミ合金の組織が流動し、リムに存在していた鋳造欠陥が大幅に減少する。さらに、再溶融する結果、アルミ合金の結晶粒が微細化され、緻密で均等な組織に変質する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車等の車輪に利用されるアルミホイールの製造方法に関する。特に、リムの疲労強度を向上させることができるアルミホイールの製造方法に関する。

省エネルギーの観点から自動車等の軽量化が推進され、従来のスチールホイールに代えて軽量なアルミホイールが使用されることが多くなっている。アルミホイールを利用すると、燃費が向上し、操作性が改善される。

アルミホイールは、一般に鋳造することで製造される。アルミニウム合金を溶融し、溶融したアルミニウム合金を鋳型に注入して凝固させることによってアルミホイールを製造する。
鋳造方法を利用すると、アルミホイールを簡単に製造することができる。その一方において、鋳造品には鋳巣（ミクロシリンケージ）をはじめとする鋳造欠陥が存在するため、製品の強度特性を確保しづらい。特に、鋳造品は疲労強度を確保しづらいという問題を持っている。

鋳造アルミ製品の強度特性を改善する様々な技術が提案されている。例えば特許文献１には、鋳造したアルミ製品の表面を急速溶融させてから急速凝固し、急速凝固した表面層にショットピーニング加工やロール加工を施して残留圧縮応力を付与することによって、鋳造アルミ製品の疲労強度を向上する技術が開示されている。
また特許文献２には、鋳造アルミ製品の表面に硬質材を分散して混入し、焼入れ・焼き戻しを施し、ショットピーニング加工等を施して残留圧縮応力を付与することによって、鋳造アルミ製品の疲労強度を向上する技術が開示されている。特許文献２によると、鋳造アルミ製品の表面層に硬質材を混入することによって、その表面層に大きな加工硬化現象と残留圧縮応力が発生し、鋳造アルミ製品の疲労強度を大きく向上させることができると説明されている。
特開平１−２０８４１５号公報 特開平５−１７９４１１号公報

特許文献１および特許文献２の技術は、鋳造アルミ製品の表面層に着目し、表面層の組織を改善して表面層に残留圧縮応力を付与することによって、鋳造アルミ製品の疲労強度を向上させている。アルミ製品は、主として表面を起点にして疲労破壊するために、疲労強度を向上させるためには表面層を強化するのが効果的である。
しかしながら、従来技術によって強化される表面層は通常数μｍ程度の深さであり、その深さよりも内部には鋳造欠陥が残留する。従来の技術で表面層の組織を改善しても、鋳造アルミの内部に存在する鋳造欠陥を起点とする疲労破壊に対策することができない。
さらに、ショットピーニング加工等によって表面層へ圧縮残留応力を付与しても、その表面層に切削や研磨などの機械加工を施こすと、効果が薄れたり、効果がなくなってしまうという問題がある。
本発明では上記課題を解決する。本発明では、基本的には鋳造方法を利用しながら、疲労強度が向上したアルミホイールを製造することができる方法を提供する。

本発明のアルミホイールの製造方法では、アルミホイール素材を鋳造する工程と、鋳造したアルミホイール素材のリムを加熱してリムの内部まで再溶融する工程と、リムを熱間で所定形状にまで圧延する工程を実施する。

アルミホイール素材を鋳造する場合には、アルミホイールの中央に位置するディスクから注湯する。注湯された溶融アルミニウム合金は、スポークを経てリムに充填する。従って、リムが注湯口から最も離れており、最も離れているリムに鋳造欠陥が発生しやすい。
本発明の製造方法では、鋳造欠陥が発生しやすいリムを、その表面だけでなく内部まで再溶融する工程を実施する。このことによって、リムを構成するアルミニウム合金の組織
が再溶融、再凝固によって鋳物母材中の鋳造欠陥が表面に押出され、再凝固相に欠陥が存在しない状態になる。又再凝固時の冷却凝固速度を早くすることで、合金の結晶粒が微細化され緻密で均等な組織になる。
再溶融したリムを熱間で圧延することによって、僅かに残留している鋳造欠陥はさらに除去され、リムの疲労強度特性はさらに向上する。
本発明では、リムの表面だけでなく、リムの内部まで再溶融させ、熱間圧延する。その結果、リムの内部に存在していた鋳造欠陥が除去され、従来の製造方法による場合と比べると、アルミホイールの疲労強度を大幅に向上することが可能となる。

前記の製造方法では、リムを熱間圧延した後に、溶体化処理を施す工程と、人工時効硬化処理を施す工程をさらに実施することが好ましい。
リムを圧延したアルミホイールに対して、溶体化処理を施し、さらに人工時効硬化処理を施すと（いわゆるＴ６処理を施すことに相当する）、アルミホイールの疲労強度特性はさらに改善される。ショットピーニング等のようにアルミホイールの表面層を強化した場合とは異なり、後工程で機械加工を実施しても、疲労強度を向上させた効果が低減することはない。

本発明の製造方法によれば、基本的には簡単に実施できる鋳造方法を利用しながら、疲労強度が改善されたアルミホイールを製造することができるようになる。

以下、本発明を具現化した実施例について図面を参照して説明する。最初に実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）アルミホイールは、車軸が装着されるディスクと、ディスクから外周側に張出すスポークと、スポークの外周に沿って一巡するリムを有する。
（形態２）鋳造したアルミホイール素材のリムを５４０℃〜６１０℃の温度に加熱して内部まで再溶融する工程と、リムを２００℃〜４００℃の温度で所定形状まで圧延する工程を実施する。
（形態３）圧延したアルミホイール素材に熱処理を加える。
（形態４）熱処理したアルミホイール素材を切削して仕上げる。

図面を参照しながら、本実施例のアルミホイールの製造方法を説明する。
本実施例のアルミホイールの製造方法は、鋳造工程、再溶融工程、圧延工程、熱処理工程、切削工程、塗装工程からなる。

鋳造工程では、アルミニウム合金（ＡＣ４ＣＨ合金）を溶融し、溶融したアルミニウム合金を金型に注湯することによって、アルミホイール素材を鋳造する。この実施例では、低圧鋳造法によって、車軸が装着されるディスクと、ディスクから外周側に張出すスポークと、スポークの外周に沿って一巡するリムを一体に鋳造する。ディスクから注湯するために、湯口から近いディスクでは鋳造欠陥が少ないに対し、湯口から遠いリムでは鋳造欠陥が多い。鋳造するアルミホイール素材のリムは、製品の最終形状に比べて板厚が厚めに成形される。

再溶融工程では、鋳造されたアルミホイール素材のリムをアーク加熱することによって再溶融する。
図１に示すように、鋳造されたアルミホイール素材４のディスク２のボルト取付け穴５を利用して、ボルト７によってアルミホイール素材４を治具１０に固定する。治具１０は回転可能であり、治具１０が回転することによって、アルミホイール素材４も回転する。
アルミホイール素材４を治具１０に固定した状態で、アルミホイール素材４のリム６の外側にトーチ８を配設する。トーチ８は、アーク加熱に用いるＴＩＧアーク電極であり、直径３ｍｍ程度のタングステン製の電極棒を備え、シールド用にアルゴンガスを流量２５リットル／ｍｉｎで噴射する。トーチ８の電極棒とアルミホイール素材４のリム６との間に高電圧が印加され、両者間にアークが発生し、アーク熱によってリム６が加熱される。

トーチ８は、治具１０の回転軸に平行な方向（図１の紙面上下方向）に移動速度０．７ｍｍ／ｓｅｃで移動可能である。トーチ８が移動することによって、リム６は高さ方向に均等に加熱される。またリム６を加熱している間に治具１０が回転する。治具１０の回転に追従してアルミホイール素材４は回転し、トーチ８によってアーク加熱される部位は、リム６の外側面を周方向に沿って移動していく。治具１０が回転することによって、リム６は周方向に均等に加熱される。治具１０の回転とトーチ８の移動によって、アルミホイール素材４のリム６は周方向および高さ方向に均等に加熱される。

アーク加熱によってリム６が溶融すると、リム６のアルミ組織は流動性を示し、リム６に存在していた鋳造欠陥は、アルミニウム合金の流動によって大幅に減少する。リム６のアルミニウム合金は、５４０℃程度の温度に達すると溶融を開始する。リム６のアルミニウム合金が高温になりすぎると、リム６のアルミ組織の流動性が強まり、リム６の形状を保持できなくなってしまう。本実施例の製造方法では、リム６の温度が５４０℃〜６１０℃程度となるようにトーチ８のアーク電流量を調整することによって、アルミホイール素材４のリム６の形状を大きく崩さずに、もとの形状を保持させる。
リム６の加熱継続時間は、リム６の熱容量と、トーチ８のアーク電流量から設定する。設定した加熱継続時間が経過し、リム６の表面だけでなく内部まで再溶融されると、トーチ８からのアーク加熱を停止する。リム６の内部のアルミ組織は、再溶融されたことによって結晶粒が微細化され、緻密で均等な組織に変質する。また鋳造欠陥の大部分が消失する。
リム６を再溶融されたアルミホイール素材４は、２００℃〜４００℃の温度まで冷却され、次の圧延工程を実施する。

圧延工程では、再溶融したアルミホイール素材４のリム６が２００℃〜４００℃の温度まで冷却された時点で熱間圧延する。
図２に示すように、再溶融処理されたアルミホイール素材４のディスク２のボルト取付け穴５を利用して、ボルト１７によってアルミホイール素材４を治具１８と型２０の間に固定する。アルミホイール素材４の内側に挿入される型２０は、アルミホイール素材４の圧延後の内側の面形状を規定する。型２０がボルト１６によって治具２８に固定されることによって、治具１８、アルミホイール素材４、治具２８が一体に固定される。上記の固定した状態で、治具２８は治具１８と同軸で回転可能であり、治具１８と治具２８を回転することによって、アルミホイール素材４も回転する。
押圧具１４は、回転中心位置が制御可能なローラーであり、アルミホイール素材４のリム６を型２０に押圧し、リム６が所定の形状となるように熱間圧延する。
治具１８、アルミホイール素材４、治具２８が回転している状態で、押圧具１４がリム６を型２０に向けて押圧することによって、アルミホイール素材４のリム６は所定の形状に圧延される。上記の圧延加工によって、アルミホイール素材４は、内面を型２０によって規定され、外面を押圧具１４の移動軌跡によって規定される形状に成形される。押圧具１４の移動軌跡は、アルミホイールのリム６の製品形状に合わせて設定されている。
２００℃〜４００℃の温度で熱間圧延されることで、アルミホイール素材４のリム６は塑性流動による変形を生じ、加工硬化を生じることなく所定の形状に成形される。リム６の内部ではアルミの塑性流動によって僅かに残留していた鋳造欠陥が除去され、リム６の疲労強度は向上する。
熱間圧延されたアルミホイール素材４には、熱処理工程が施される。

熱処理工程では、圧延されたアルミホイール素材４に溶体化処理を施し、さらに人工時効硬化処理を施す。いわゆるＴ６処理を施す。このような熱処理を施されることによってアルミホイール素材４の疲労強度特性はさらに改善される。熱処理されたアルミホイール素材４には、切削工程が施される。

切削工程では、熱処理されたアルミホイール素材４の表面や端部を切削し、製品の外形形状に仕上げる。切削されて仕上げられたアルミホイール素材４には、塗装工程において塗装を施され、アルミホイール製品が完成する。

本発明の製造方法で製造されるアルミホイールの強度特性について説明する。
本実施例の方法で製造されたアルミホイールと、従来の方法で製造されたアルミホイールのリムからテストピースを切り出し、それぞれについての強度評価を実施した。表１に強度評価結果を示す。

表１の中で実施例として記載したものは、本実施例の方法で製造されたアルミホイールの強度特性である。表中で従来例１〜５として記載のものは、ＡＣ４ＣＨ合金を原料としてアルミホイール素材を鋳造した後、塑性変形加工を施し、Ｔ６の熱処理を施し、切削加工をしたアルミホイールの強度特性である。前記塑性変形加工としては、ロール成形加工（従来例１）、圧縮成形加工（従来例２）、フローフォーミング加工（従来例３）、鋳造鍛造加工（従来例４）あるいはスピニング加工（従来例５）を施している。また表中で参考例として記載のものは、アルミビレットから鍛造によって製造したアルミホイールの強度特性である。
本実施例のアルミホイールは、引張り強度、耐力、伸び、疲労強度、硬さのいずれの項目についても、従来例のアルミホイールと同等以上の性質を備えている。特に、伸びと疲労強度については、従来例のアルミホイールから大きく改善されていることが分かる。
本実施例のアルミホイールを参考例と比較すると、耐力、伸び、硬さは参考例にくらべやや劣るものの、引張り強度、疲労強度については参考例の鍛造アルミホイールとほぼ同程度の水準にあることが分かる。

アルミホイールを車両へ取り付けた状態で、本実施例のアルミホイールと従来例のアルミホイール（従来例１および従来例２）の疲労強度を比較するために、半径方向負荷耐久試験および回転曲げ疲労試験を実施した。

半径方向負荷耐久試験では、図３に示すように、タイヤ３４を装着したアルミホイール３６を車両へ取付けたのと同様の状態で試験装置に取り付け、半径方向に負荷を加えながらドラム３２を回転させた。
半径方向負荷耐久試験の結果、本実施例のアルミホイールでは２００万回転させても亀裂は発生しなかった。従来例１のアルミホイールでは８０万回転で亀裂が発生し、従来例２のアルミホイールでは１２０万回転で亀裂が発生している。本実施例のアルミホイールでは、半径方向負荷に対する耐久性が、従来例１および従来例２のアルミホイールにくらべ優れていることが判明した。

回転曲げ疲労試験では、図４に示すように、アルミホイール３６のフランジ４４を締め具４２によって回転円板４０に固定し、端部にフランジ４８を備える十分に剛性の高い軸５０とアルミホイール３６を車両へ取付けたのと同様の状態で取り付け、軸４４の他方の端部のピボットポイント５２におもり５４による負荷をかけ、ディスク４６に図４に示す曲げモーメントＭを加えながら回転円板４０を回転させた。
回転曲げ疲労試験の結果、本実施例のアルミホイールでは５０万回転させても亀裂は発生しなかった。従来例１のアルミホイールでは１０万回転で亀裂が発生し、従来例２のアルミホイールでは１５万回転で亀裂が発生した。本実施例のアルミホイールは、回転曲げに対する耐久性が、従来例１および従来例２のアルミホイールにくらべ優れていることが判明した。

本実施例のアルミホイールと従来例のアルミホイールのアルミ組織を電子顕微鏡で観測したところ、本実施例のアルミホイールでは鋳造欠陥がなく、アルミの結晶粒が緻密化していることが確認された。

上記の実施例では再溶融工程後に熱間圧延するために、アルミホイール素材の内部に型を挿入し、型とともに回転するアルミホイール素材の外側から押圧具によって圧延する例を説明したが、圧縮組成変形加工の方法としてはこれに限らない。再溶融したリムを所定形状まで圧延する加工方法であれば、どのような加工方法でもよい。

上記の実施例では再溶融するためにリムの外側にアーク加熱用のトーチを配置する例を説明したが、トーチの配設形態はこれに限らない。アルミホイール素材のリムを再溶融するまで加熱することができれば、トーチをどのように配設してもよい。
例えばリムとの間にアークを発生させるトーチを、リムの内側と外側の両方に配設して、リムの内外から加熱してもよい。この場合、リムの加熱量が増加し、リムを再溶融するための時間を短縮することが可能となる。さらに、リムの板厚方向の温度勾配を低減することができ、精度良くリムの温度を管理することができる。

上記の実施例では圧延工程の後に熱処理工程を実施しているが、熱処理工程は省略してもよい。本実施例のアルミホイールの製造方法によると、リムを再溶融して熱間で圧延することによって、アルミ合金の粒状組織は微細化されており、製造されるアルミホイールの疲労強度や伸びは従来の方法で製造されるアルミホイールより優れている。アルミホイールに要求される強度特性がそれほど厳しくない場合には、圧延工程の後、熱処理工程を実施することなく切削工程と塗装工程を実施して、工場から出荷してもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施例の再溶融工程を模式的に示す図である。 本実施例の圧延工程を模式的に示す図である。 半径方向負荷耐久試験を模式的に示す図である。 回転曲げ疲労試験を模式的に示す図である。

符号の説明

２・・・ディスク
４・・・アルミホイール素材
５・・・ボルト取付け穴
６・・・リム
７・・・ボルト
８・・・トーチ
１０・・・治具
１４・・・押圧具
１６・・・ボルト
１７・・・ボルト
１８・・・治具
２０・・・型
２８・・・治具
３２・・・ドラム
３４・・・タイヤ
３６・・・アルミホイール
３８・・・スポーク
４０・・・回転円板
４２・・・締め具
４４・・・フランジ
４６・・・ディスク
４８・・・フランジ
５０・・・軸
５２・・・ピボットポイント
５４・・・おもり

Claims (2)

1. アルミホイール素材を鋳造する工程と、
   鋳造したアルミホイール素材のリムを加熱してリムの内部まで再溶融する工程と、
   リムを熱間で所定形状にまで圧延する工程と、
   を備えることを特徴とするアルミホイールの製造方法。
2. リムを圧延したアルミホイールに溶体化処理を施す工程と、人工時効硬化処理を施す工程をさらに備えることを特徴とする請求項１のアルミホイールの製造方法。