JP2007092113A - かしめ性、犠牲陽極特性、及び、鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金、及び、該合金よりなるコネクターブロックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 かしめ性、犠牲陽性特性及び鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金と、該合金よりなるコネクターブロックの製造方法を提供する。
【解決手段】 Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％を必須とし、Ｆｅ：０．５〜１．５％及びＭｎ：０．１〜１．５％の一種又は二種、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金をダイカスト加工し、次いで、熱処理してＺｎを拡散させ、その後、配管をかしめ固定してコネクターブロックを製造する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、かしめ性、犠牲陽極特性及び鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金、及び、該合金よりなるコネクターと該コネクターを配管にかしめ固定してなる配管ジョイントに関するものである。

自動車のＡｌ合金配管部材継手、即ち、コネクターに要求される特性の一つとして、相手部材をかしめるためのかしめ性、即ち、延性を必要とする特性がある。また、相手部材を腐食させてはならないので、犠牲陽極特性が必要となる。したがって、犠性陽極の観点からＡｌ合金にＺｎを含有させることにより、腐食電位を卑とする合金が用いられるようになっている。

例えば、特許文献１に記載の熱交換器においては、フィン材として、Ｍｎ０．０５〜２．５％、Ｓｉ０．１〜１．５％、Ｆｅ０．２〜１．５％、Ｚｒ０．０５〜０．２５％、Ｚｎ６〜１５％を含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金が用いられ、ろう材として、Ｓｉ３〜１５％、Ｚｎ６〜１５％を含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなる合金が用いられている。

上記フィン材成分の合金は、通常用いられるＡｌダイカスト合金、例えば、ＡＤＣ１２合金（Ａｌ−１０．８Ｓｉ−２．５Ｃｕ）に較べ、Ｓｉ含有量が少なく、凝固開始温度が高いので、溶解時に溶湯保持温度を高くしなければならない。さらに、上記フィン材成分の合金では、鋳造性が悪いという問題がある。

そして、上記ろう材成分の合金では、鋳造した際に焼き付くとか、Ｓｉが高い範囲で伸びが低下するために、継手として用いた場合、かしめると割れるという問題がある。

また、特許文献２には、Ａｌ−２〜７％Ｚｎ系を基本とし、好ましくは、０．０３〜０．１５％のＴｉ、Ｓｎ、Ｉｎのいずれか一種又は二種以上を含むアルミ系合金材料をダイカスト鋳造し、鋳造後、熱処理した、犠牲陽極性に優れたアルミダイカスト製配管用継手が開示されている。

上記アルミ系合金材料には、Ｓｉを含まず、凝固開始温度が高いので、溶解時に溶湯保持温度を高くしなければならないという問題がある。また、上記材料は、溶湯の流動性、及び、鋳造性が悪く、これらの点を改善することが望まれている。

Ａｌダイカスト鋳造用合金としては、鋳造性の観点より、一般に、Ａｌ−Ｓｉ系合金、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金が用いられる。ＡＤＣ１（Ａｌ−１２Ｓｉ）、ＡＤＣ１０（Ａｌ−８．５Ｓｉ−３Ｃｕ）、ＡＤＣ１２（Ａｌ−１０．８Ｓｉ−２．５Ｃｕ）合金が、代表的な合金である。

しかし、これらの合金をコネクター材として用いた場合には、鋳造性は良いが、犠性陽極特性、及び／又は、かしめ性の点で使用できないという問題がある。

特許文献３には、Ｓｉ：７〜１１重量％、Ｆｅ：０．３〜１．０重量％、Ｍｎ：０．２〜０．８重量％、Ｓｒ：０．０１〜０．１重量％を含み、Ｍｎ／Ｆｅの重量比が０．５〜１．０の範囲にある亜共晶Ａｌ−Ｓｉダイカスト合金が開示され、また、特許文献４には、Ｃｕ：１．５〜４．０質量％、Ｓｉ：７．５〜１２．０質量％を含み、鋳造直後のα相の格子定数が４．０４８５〜４．０５０ÅのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金が開示されているが、いずれの合金も、鋳造性は良いが、犠性陽極特性、及び／又は、かしめ性の点で充分ではない。

したがって、配管部材継手用ダイカスト合金として、鋳造性が良く、かつ、犠牲陽極特性とかしめ性に優れたＡｌ−Ｓｉ系合金が求められている。

特開平１０−８１９３０号公報 特開平８−９０２１０号公報 特開平９−２７２９４０号公報 特開２００４−２５６８８０号公報

配管部材継手用ダイカスト合金として、次の特性が求められる。

（ａ）相手材を腐食させない。即ち、犠牲陽極特性を有する。

（ｂ）配管部材として、かしめ時に割れない。即ち、延性に優れている。伸び値として１０％以上、望ましくは１２％以上を必要とする。

（ｃ）鋳造性が良好である。即ち、合金の凝固開始ができるだけ低く、流動性が良い。 そして、コネクターの製造方法としては、かしめるための適切な形状を備え、犠牲陽極特性を付与するための配管ジョイントを製造する適切な工程が求められる。

本発明は、これらの要求を解決する、かしめ性、犠牲陽極特性、及び、鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金、及び、前記合金よりなるコネクターの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のコネクター用Ａｌダイカスト合金は、下記（１）〜（３）の合金組成からなる。なお、以下、％は質量％を意味する。

（１）Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物。

（２）Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物。

（３）Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物。

本発明においては、アルミニウム・ダイカスト合金にＺｎを２〜１０％添加し、電位を、通常のＡｌ合金に比べ卑にしている。本発明において、２〜７％のＳｉは、凝固開始温度を下げ、割れ、内部欠陥、流動性等の鋳造性を改善する。

また、本発明において、０．５〜１．５％のＦｅは、耐焼き付き性を改善し、０．１〜１．５％のＭｎは、耐焼き付き性と延性を改善し、ＭｎとＦｅが共存すると、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ板状化合物を形成し、Ａｌ−Ｆｅ針状化合物の延性への悪影響を緩和する。

本発明は、上記含有量の元素が奏する作用効果が相乗して得られる、かしめ性、犠牲陽極特性、及び、鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金である。

なお、各成分元素の含有量の限定理由については後述する。

前記目的を達成するため、本発明のコネクターブロックの製造方法は、下記（4-1）〜（4-2）の工程からなる。

（4-1）前記（１）、（２）、又は、（３）の合金成分で、コネクターブロックをダイカスト加工する。

（4-2）次いで、熱処理してＺｎを拡散させる。

（4-3）その後、コネクターブロックに配管をかしめ固定する。

前記（１）、（２）、又は、（３）の合金は、かしめ性に優れているので、コネクターブロックに配管を、かしめ固定することができる。

本発明のかしめ固定においては、
（５）前記コネクターブロックから突出した部位を変形させて、前記配管を前記コネクターブロック上に締め付けてもよく、また、
（６）前記コネクターブロックから突出した腕で、前記配管を抱え込んで固定してもよい。

配管を抱き込む腕を用いると、配管を、より確実にかしめ固定できるので好ましい。

まず、本発明のコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金（本発明合金）において、各成分元素を所要の含有量範囲に限定する技術的理由について説明する。

本発明合金においては、前述したように、アルミニウム・ダイカスト合金にＺｎを２〜１０％添加し、通常のＡｌ合金に比べ、電位を卑にしている。図１（「アルミニウム技術便覧」カロス出版より引用）に、電極電位に及ぼすＺｎの効果を示す。Ｚｎ２％添加（図１では、wt％で表示）までは、腐食電位が、添加量とともに直線的に卑となっていく。

したがって、犠牲陽極能を最大限に得るためには、Ｚｎが２％以上必要である。一方、Ｚｎを１０％以上添加しても、犠牲陽極能に変化はなく、経済的なメリットはない。

Ｓｉは、凝固開始温度を下げ、割れ、内部欠陥、流動性等の鋳造性を改善する。Ｓｉが２％未満では、これらの改善効果が少ない。一方、Ｓｉが７％超では、伸びが低くなり、配管継手として、かしめた時に割れる恐れがある。

図２（「軽合金鋳物ダイカスト生産技術」財団法人素形材センターより引用）に、Ａｌ−Ｓｉ合金の状態図と鋳造性の関係を示す。また、図３に、Ａｌ−４．７％Ｚｎ−ｘ％Ｓｉ−０．８％Ｆｅ−０．８％Ｍｎ系合金の７〜１０ｍｍ厚薄肉試験片とＪＩＳ舟形試験片を用い、Ｓｉ量（ｘ％）を変えて調査したＳｉ量と機械的性質（引張強さ、耐力、伸び）との関係を示す。

さらに、図５に、Ａｌ−６．３％Ｓｉ−４．７％Ｚｎ−０．８％Ｆｅ−ｘ％Ｍｎ系合金（Ｆ材）の上記薄肉試験片及びＪＩＳ舟形試験片を用い、Ｍｎ量（ｘ％）を変え、ミクロ組織サイズと機械的性質（引張強さ、耐力、伸び）との関係を調査した結果を示す。

図３から、Ｓｉ量が増すと、伸びが低下することが解る。また、図５から、小型ダイカスト製品を想定した３〜６ｍｍ肉厚材のミクロ組織サイズでは、６．３％ＳｉのＦ材で、伸び１１〜１２％以上を確保できること、即ち、伸び１０％以上を確保するためには、Ｓｉを７％以下にすればよいことが解る。したがって、Ｓｉ量を２〜７％に管理する必要がある。

Ｆｅは、耐焼き付き性を改善する元素である。Ｆｅが０．５％未満では、耐焼き付き性の改善効果が認められない。一方、１．５％を超えるＦｅは延性を害し、かしめた時に割れが起きる恐れがあり、かしめ材として適切でない。

Ｍｎは、耐焼き付き性を改善し、また、延性を改善する元素である。ＭｎとＦｅが共存すると、Ｆｅとの化合物を形成し、Ａｌ−Ｆｅの針状化合物がＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎの板状化合物へと変わり、Ａｌ−Ｆｅの針状化合物の延性への悪影響を緩和する。

Ｍｎが０．１％未満では、その添加効果が少なく、一方、Ｍｎ１．５％超では、Ｍｎ化合物の晶出が多くなり、延性へ悪影響を及ぼし、かしめた時に割れが発生し、使用に耐えない。図４に、Ｍｎ量の強度、伸びへの影響を示し、図５に、ミクロ組織サイズにてまとめ直したものを示す。

なお、図４に示す結果は、Ａｌ−６．３％Ｓｉ−４．７％Ｚｎ−０．８％−ｘ％Ｍｎ系合金（Ｆ材）の試験片を、４５０℃×３０分熱処理して得たものである。

ダイカスト材に近い細かい組織の３〜６ｍｍの素材肉厚のＴ．Ｐ．（テストピース）では、かしめ材として最も望ましい伸び値１２％を得るには、Ｍｎ量を０．１〜０．７％に管理する必要がある。

なお、本発明合金は、不可避不純物、さらに、本発明の目的を阻害しない含有量範囲で、他の不純物を含有することが許容されるものである。例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｂ、Ｐｂ等の合金元素を、本発明の目的を阻害しない含有量範囲で含有するものは、本発明合金の範囲に含まれることは言うまでもない。

次に、本発明のコネクターブロックの製造方法（本発明製造方法）について説明する。

まず、本発明合金で、コネクターブロックをダイカスト加工する。次いで、熱処理を施して、Ｚｎを拡散させる。

本発明製造方法においては、コネクターブロックを均質化処理（熱処理）して、配管とかしめ、配管ジョイントとして用いる。本発明製造方法において均質化処理を行うのは、次の理由からである。

アルミニウム・ダイカスト合金は、鋳造時に、凝固進行によるミクロ偏析が生じる。犠牲陽極特性に効果をもたらすＺｎについてみると、粒内の凝固初期部においてはＺｎ濃度が平均濃度より低く、凝固終了部の粒界部においてはＺｎ濃度が高くなる。したがって、Ｚｎ濃度が２％の合金では、凝固開始部におけるＺｎ濃度が２％より低くなり、十分な犠牲陽極効果を発揮することができない。

このような場合には、アルミニウム・ダイカスト合金を、鋳造後、高温に所要時間保持して、Ｚｎを均質化する必要がある。

均質化処理は、高温程、処理時間が短くてすむが、アルミニウム・ダイカスト合金鋳物の場合、フクレ等の問題が生じてくる。５００℃で３０分以上の処理では、フクレの発生頻度が高くなり、製品として使用できない場合が生じる。一方、３００℃以下では処理時間が５時間以上となり、実用的でない。

したがって、均質化処理の条件は、４００〜５００℃で２〜３０分間、又は、３００〜４００℃で０．３〜５時間が好ましい。

Ｚｎを４％以上含有する本発明合金の場合、上記均質化処理（熱処理）を施さなくても、Ｚｎの最低濃度２％を確保できるので、均質化処理を省略することも可能であるが、均質化処理により、本発明合金の伸びを改善し、かしめ材としての特性を更に高めることができるので、本発明製造方法においても熱処理を施すことが望ましい。

ここで、図６に、Ａｌ−６．３％Ｓｉ−４．７％Ｚｎ−０．８％−０．５％Ｍｎ系合金（Ｆ材）の試験片を４５０℃で加熱した時の、加熱時間と強度、伸びとの関係を示す。図から、ダイカスト材と同じ冷却速度で冷却した３〜６ｍｍの素材肉厚のＴ．Ｐ．（テストピース）では、４５０℃×３０分の加熱で、良好な伸びを得ていることが解る。

自動車用配管部材をコネクターでかしめ固定する際、コネクターが配管を固定するための爪、又は、配管を抱き込む腕を持っていると、より確実に強固にかしめることができるので好ましい。

図７に、本発明合金製コネクターの一態様を示す。そして、図８に、上記コネクターを配管部材に固定した一製品の態様を示し、図９に、図８に示す製品の断面を示す。

コネクターブロック１０は、板状の基部１１を有する。基部１１には、固定手段としてのボルトを受け入れる貫通孔１２が形成されている。また、基部１１には、配管２０を受け入れる受入部としての貫通孔１３が形成されている。そして、貫通孔１３から、その径方向に向けて、基部１１上に沿って、配管２０が敷設される溝部１４が形成されている。

溝部１４に隣接して、基部１１から突出した部位としての腕部１５ａ、１５ｂが形成されている。この形態では、溝部１４の両側に、それぞれ、腕部１５ａ、１５ｂが設けられている。コネクターブロック１０は、ダイカスト加工され、該加工の後、熱処理される。この熱処理は、Ｚｎを拡散させることをひとつの目的として実施される。

上記熱処理の後、コネクターブロック１０に配管をかしめ固定する。かしめ工程では、コネクターブロック１０に配管２０を装着した後、腕部１５ａ、１５ｂを、両側から塑性変形させ、配管２０を溝部１４内に保持固定する。この形態では、配管２０を抱え込むように、腕１５ａ、１５ｂを変形させる。

これらの腕部１５ａ、１５ｂは、爪部と呼ぶ形態で設けることもできる。基部１１から突出する部位を爪状に形成した場合には、当該爪状部位を塑性変形させることによって、配管２０の一部、例えば、フランジ部を摘んだり、又は、配管２０を収容する溝部１４の開口幅を狭めたりすることで、配管２０をコネクターブロック１０上に固定することが可能である。

図示の形態では、配管１０は、直管部２１、曲げ部２２、及び、端部２３を有する。端部２３は、コネクターブロック１０の貫通孔１３に貫通して配置され、当該端部２３を座屈させるようにして変形させることで、コネクターブロック１０に係止されている。端部２３には、溝が形成され、シール部材としてのＯリング２４が装着されている。

この形態では、配管２０の端部２３が貫通孔１３内に保持され、さらに、基部１１に沿って延びる直管部２１が、腕部１５ａ、１５ｂによって、溝部１４内に保持される。この結果、コネクターブロック１０と配管２０とを、強固に連結することができる。

犠牲陽極特性に優れた本発明合金は、鋳造性に優れているので、かしめ用の爪又は腕を備える部材（コネクターブロック）を容易にダイカストすることができ、さらに、本発明合金製部材は、かしめ性に優れているので、配管部材により、確実に強固に、かしめ固定することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を表１に基づいて説明する。なお、表１に示す条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表１に示す合金組成の合金を溶製し、ダイカスト鋳造機にてコネクターに鋳込んだ。コネクターには、かしめを行い易いように腕を設けた。さらに、一部のコネクターについては、表１に示す熱処理条件で熱処理（均質化処理）を施し、配管にかしめて、配管ジョイントを作製した。

上記コネクター試料において、Ｅ.Ｐ.Ｍ.Ａ.分析で調べたＺｎの均質化程度（Ｚｎ濃度）、及び、かしめ性、フクレ、及び、鋳造性について評価した評価結果を、表１に併せて示す。

Ｚｎは、図１に示すように、腐食電位を卑とし犠牲陽極効果を与える。十分な犠牲陽極効果を得るためには、Ｚｎ濃度の最小値が、少なくとも２％以上を満足することが必要である。

Ｚｎ量が、４％又は５％であると、熱処理（均質化処理）をしなくても、Ｚｎ濃度の最小値（ミクロ偏析を考慮）が、２％以上を満足する。一方、Ｚｎ量が３％であると、鋳造時のミクロ偏析のために、Ｚｎの最小濃度は１．６％となる。

それ故、高温（好ましくは、３００℃以上）で加熱して、Ｚｎ濃度を均質化することが望ましい。４５０℃×３０分、又は、３５０℃×３時間の熱処理の結果、Ｚｎ濃度の最低値が、２．５〜２．６％に上がっている。

Ｓｉの添加により、鋳造性は改善されるが、伸びは低下する。Ｓｉ量が０％では、鋳造性の点で量産が難しいが、Ｓｉの３％添加で、この問題はほぼ解消される。一方、Ｓｉ量が、８％、１１％になると、鋳造性は非常によくなるが、伸びが低下し、かしめた時に割れが発生し易くなる。

Ｆｅは、耐焼き付き性を改善するために積極的に添加するが、Ｆｅ量が２％と多い場合には、割れが発生する。Ｍｎは、Ａｌ−Ｆｅ針状化合物の生成を抑え、板状のＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎの生成を促がすことで、延性への悪影響を少なくする。また、Ｍｎ量が２％に達すると、延性が低下し、かしめた時に割れが発生し易くなる。

本発明合金製の継手部材は、犠牲陽極特性に優れ、かしめた時に割れることなく、相手配管をかしめ固定することができるので、例えば、自動車のＡｌ合金配管の継手部材として有用なものである。したがって、本発明は、自動車産業をはじめとする工業分野において利用価値の高いものである。

電極電位に及ぼすＺｎの効果を示す図である。 Ａｌ−Ｓｉ合金の状態図と鋳造性の関係を示す図である。 Ｓｉ量と機械的性質の関係を示す図である。 Ｍｎ量と強度、伸びの関係を示す図である。 ミクロ組織サイズと機械的性質（強度、伸び）との関係を示す図である。 加熱時間と強度、伸びの関係を示す図である。 腕を持つコネクターの一態様を示す図である。 腕を持つコネクターを配管部材に固定した一製品の態様を示す図である。 図８の製品の断面を示す図である。

符号の説明

１０ コネクターブロック
１１ 基部
１２、１３ 貫通孔
１４ 溝部
１５ａ、１５ｂ 腕部
２０ 配管
２１ 直管部
２２ 曲げ部
２３ 端部
２４ Ｏリング

Claims (6)

1. 質量％で、Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする、かしめ性、犠牲陽極特性、及び、鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金。
2. 質量％で、Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする、かしめ性、犠牲陽極特性、及び、鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金。
3. 質量％で、Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、及び、残部Ａｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする、かしめ性、犠牲陽極特性、及び、鋳造性に優れたコネクター用アルミニウム・ダイカスト合金。
4. 請求項１、２、又は、３に記載の合金成分で、コネクターブロック（１０）をダイカスト加工し、次いで、熱処理してＺｎを拡散させ、その後、前記コネクターブロック（１０）に配管（２０）をかしめ固定することを特徴とするコネクターブロックの製造方法。
5. 前記かしめ固定を、前記コネクターブロック（１０）から突出した部位を変形させて、前記配管（２０）を前記コネクターブロック（１０）上に締め付けて行うことを特徴とする請求項４に記載のコネクターブロックの製造方法。
6. 前記かしめ固定を、コネクターブロック（１０）から突出した腕を変形させて、前記配管（２０）を抱え込んで行うことを特徴とする請求項４に記載のコネクターブロックの製造方法。

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