JP2007119869A - デファレンシャルギアケース及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な剛性，耐摩耗性，高温強度及び低熱膨張性を備えたデフケースを安価に提供する。
【解決手段】Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％，Ｃｕ：３.５〜４.５質量％，Ｍｇ：０.３〜０.５質量％，Ｍｎ：０.２〜０.３質量％，Ｔｉ：０.１〜０.２質量％，Ｐ：０.００３〜０.０１５質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を溶解し、保持炉内の溶湯ガス量が０.１ｃｃ／１００ｇＡｌ中以下になるまで脱ガス処理を行った後、溶湯を鋳込温度：６８０〜７３０℃にて金型に供給し、成型圧力：５０〜１００ＭＰａの条件で溶湯鍛造し、得られた溶湯鍛造品を５００〜５２０℃で溶体化処理した後、１６０〜１９０℃×１〜１０時間の時効処理を施して、最大初晶Ｓｉ粒径：２０μｍ以下及び最大共晶Ｓｉ長さ：１０μｍ以下の組織を有するアルミニウム合金からなるデフケースを得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車の差動装置用部品であるデファレンシャルギアケース（以下、略して「デフケース」と記す。）とその製造方法に関する。

自動車の差動装置は、駆動車軸の中央部に設けられ、車両の旋回時に左右車輪の回転速度を変え、かつ両輪に均等な駆動力を伝達して円滑な走行を行わせる装置である。そして、デフケースは、一般的にトランスミッションの出力軸から伝達されるエンジンの駆動力を受けるリングギアを併設させ、差動を受け持つ歯車を収納する他、車軸の軸受機能を併せ持っている。

このため、デフケースには、駆動力の伝達のために十分な強度と、回転摺動に対する耐摩耗性が求められている。また、走行による温度上昇によって極端な寸法変化や性能低下が起きないことも肝要である。さらに、上記のように、多用な機能が要求されることから、複雑な形状を余儀なくされている。このような背景のもと、デフケースには従来鋳鉄材からなる鋳物品が用いられている。
ところで、近年、自動車の高性能化，軽量化，省エネルギ化を図る上でトランスミッションの軽量化が図られている。その一環として、デフケースの軽量化が求められている。そして、デフケースに鋳鉄よりも軽量のアルミニウム合金の鋳物品を用いることも提案されている。

例えば特許文献１では、Ｓｉ：４.０〜８.０質量％，Ｍｇ：１.０〜０.５質量％以下，Ｆｅ：１.０質量％以下，さらに必要に応じてＣｕ：６質量％以下、残部実質的にＡｌおよび不可避的不純物を含有する組成のアルミニウム合金を用いたものが提案されている。同提案では、基地組織を実質的に粒状化するために、溶融アルミニウム合金を鋳込みスリーブにおいて初晶を実質的に粒状化した半溶融状態とし、金型キャビティ内に充填、凝固させ、その後熱処理を施している。
特開平１０−８８２６９号公報

しかしながら特許文献１で提案されたデフケースは、亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金製であるため、デフケースとしての十分な剛性や耐摩耗性を確保することは困難である。また、デフケースは、自動車の走行中、その温度が１５０℃付近まで上昇するので、１５０℃付近での高温強度や低熱膨張性が必要になるが、上記亜共晶のＡｌ−Ｓｉ合金では、十分な高温強度や低熱膨張性を得ることができない。

また、特許文献１での提案では、初晶を実質的に粒状化した半溶融状態で溶湯を金型キャビティ内に充填するために、鋳込みスリーブ内において溶湯を電磁攪拌している。このため製造コストが増大している。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、十分な剛性，耐摩耗性，高温強度及び低熱膨張性を備えたデフケースを安価に提供することを目的とする。

本発明のデフケースは、その目的を達成するため、Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％，Ｃｕ：３.５〜４.５質量％，Ｍｇ：０.３〜０.５質量％，Ｍｎ：０.２〜０.３質量％，Ｔｉ：０.１〜０.２質量％，Ｐ：０.００３〜０.０１５質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と、最大初晶Ｓｉ粒径：２０μｍ以下及び最大共晶Ｓｉ長さ：１０μｍ以下の組織を有する剛性及び高温特性に優れたアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする。

不可避的不純物としてのＦｅは０.４質量％以下に、またＣａは０.００２質量％以下に規制されていることが好ましい。
このようなデフケースは、所定の組成を有するアルミニウム合金を溶解し、保持炉内の溶湯ガス量が０.１ｃｃ／１００ｇＡｌ中以下になるまで脱ガス処理を行った後、溶湯を鋳込温度：６８０〜７３０℃にて金型に供給し、成型圧力：５０〜１００ＭＰａの条件で溶湯鍛造し、得られた溶湯鍛造品を５００〜５２０℃で溶体化処理した後、１６０〜１９０℃×１〜１０時間の時効処理を施すことにより製造される。

本発明によるデフケースは、１５０℃で３５０ＭＰａ以上の０.２％耐力を呈する高温強度特性、１９.５×１０^-6／℃以下の低熱膨張率及び球状化黒鉛鋳鉄と同程度の耐摩耗性を有するアルミニウム合金鋳物から構成されることになる。
そして、当該デフケースは通常の溶湯鍛造法により製造されるので、低コストで軽量のデフケースを提供することができる。

過共晶のＡｌ−Ｓｉ合金は、通常、主にα相と初晶Ｓｉ及び他の晶出物から構成された金属組織を有している。α相は他の晶出物と比べて高温強度が低い。このため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、高温になった際にα相が軟化して機械的強度が低くなる。
α相を有するアルミニウム合金の機械的強度の低下を抑えるためには、比較的高温に強い初晶Ｓｉや他の晶出物を微細かつ均一に分散させ、この晶出物によりα相を細かく分断することが有効である。
また、初晶Ｓｉや他の晶出物の多くはα相と比較して熱膨張係数が小さく、剛性が高い。したがって、他の晶出物を微細均一に分散させることにより、高温強度の向上とともに、熱膨張係数の低下，剛性の向上並びに耐摩耗性の向上を図ることができる。

ところで、溶融アルミニウム合金の代表的な成型法として、ダイカストと称される、アルミニウム溶湯を高速高圧で金型内に充填する工法がある。生産性が高く、低コストで鋳物が製造されるため各分野で多用されているが、品質にバラツキが生じやすいとい欠点がある。高強度を維持するには内部品質を健全にすることが重要であるが、ガス巻込みによるポロシティと呼ばれる内部欠陥ができやすい。このために、溶体化を伴う熱処理の実施が困難であり、結果的にデフケースの軽量化には適用し難い。
金型内を真空にするなどの処置をした後に溶湯を圧入する手法もあるが、連続生産において安定的ではなく、大規模な設備を伴うためにコスト高となる。

スクイズキャストと称される、アルミニウム溶湯を低速で金型内に充填し、凝固中に高圧をかける工法も用いられている。この工法は、製品と距離のある部位からの間接加圧方式であり、充填までに溶湯が酸化されやすく、品質変動要素が多くなる。さらに製品形状の制約やサイクルタイムが長く生産性が低いといった問題点もある。
デフケースは回転体であり、分割された場合、その形状は上皿状になる。このため、デフケースにおいてはその形状特性を活かし、溶湯の流動長さが短く、最も効率よく凝固収縮に対応できる直接加圧方式である溶湯鍛造法を採用することが好適である。

溶融鍛造法では、凝固中は高圧により溶湯が金型に密着されているために冷却速度が速く、組織が粗大にならず、緻密な組織が得られる。凝固組織は、加圧せずに凝固させた場合にはα相の粒径は５０μｍ以上になるが、加圧して凝固させた場合には１０μｍ以下となる。同様に、金属間化合物や共晶組織の成長も抑制される。
緻密な凝固組織は、強度，耐力，伸びなどの機械的特性を改善する他、粒界の亀裂伝播も抑制でき、疲労強度の向上も見込まれる。さらに、溶体化処理時間を短時間で実施することができ、必要熱量の低減によるコストの低下が期待できる。

本発明者らは、上記のような技術的背景の下、鋭意検討を重ねた結果、本発明合金組成のアルミニウム合金溶湯を用いて溶湯鍛造法にてデフケースを製造することにより、他の晶出物によりα相が細かく分断された凝固組織が得られ、これにより目標特性を達成するデフケースが得られることがわかった。

以下，まず、本発明で使用するＡｌ−Ｓｉ合金の合金成分，含有量等を説明する。
Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％
湯流れを良好にして鋳造性を向上させる。また、初晶Ｓｉを晶出させて剛性，耐熱性及び耐摩耗性を向上させる。さらに、熱膨張率の低下にも寄与する。さらにまた、共存しているＭｇと反応して時効硬化に有効なＭｇ₂Ｓｉを生成する。
そのＳｉ含有量が１２.０質量％に満たないと、所望の耐摩耗性や高温強度が得られない。また、熱膨張係数が大きくなる。逆に、１４.０質量％を超えるＳｉ含有量では、初晶Ｓｉのサイズが大きくなり、かつ分散量も多くなる。その結果、応力集中による高温強度の低下を招く。また伸びも低下する。

Ｃｕ：３.５〜４.５質量％
時効処理の際にＡｌ₂Ｃｕを析出し、２００℃までの温度域での強度向上に寄与する。含有量が３.５質量％未満では、この効果は十分でない。しかし、４.５質量％を超えると時効処理時に粗大なＡｌ₂Ｃｕが多量に析出し、伸びの低下の原因になる。
Ｍｇ：０.３〜０.５質量％
Ｓｉとの共存により、時効処理の際にＭｇ₂Ｓｉを析出して強度を向上させる。Ｍｇ含有量が０.３質量％以上で十分な時効作用が得られる。しかし、０.５質量％を超えると粗大なＭｇ₂Ｓｉが生成し、強度の低下を招く。また、伸びが低下して鋳造割れを起しやすくなる。

Ｍｎ：０.２〜０.３質量％
Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系等の金属間化合物として晶出し、耐摩耗性及び防振性を向上させる。また、２００℃近傍における高温強度の改善にも有効な合金元素である。目標の高温強度を得るためには、０.２質量％以上のＭｎが必要である。しかし、０.３質量％を超える含有量では、金属間化合物が粗大化して強度を低下させる。

Ｔｉ：０.１〜０.２質量％
鋳造の際に結晶粒を微細化する。これにより強度向上に寄与する。また、Ｔｉは包晶系添加元素であり、Ａｌ中の拡散係数が小さいため、高温で安定な固溶体を形成させ、高温強度の向上に寄与する。これらの作用を得るためには、０.１質量％以上含有させることが必要である。しかし、０.２質量％を超えると、逆に機械的性質の低下を招く。

Ｐ：０.００３〜０.０１５質量％
高温強度及び耐摩耗性の向上に有効な初晶Ｓｉの生成に寄与する。また、耐摩耗性の向上に有効な平均長さ２〜５μｍの共晶Ｓｉの生成にも寄与する。これらの効果は、０.００３質量％以上の含有で得られる。逆に０.０１５質量％を超えるほどに含まれると、湯流れ性を悪化させ、湯まわり不良等の鋳造欠陥を発生させるばかりでなく、鋳造組織を不均一にする。

Ｆｅ：０.４質量％以下
Ｆｅは不可避的に混入する不純物である。上記必須元素の組成範囲において粗大なＡｌ−Ｆｅ系晶出物を生成させないためには、０.４質量％以下に規制することが好ましい。
Ｃａ：０.００２質量％以下
Ｃａは不可避的に混入する不純物である。湯流れ性を悪化させる。また、共晶Ｓｉを過度に微細化させることにより耐摩耗性が低下するので、０.００２質量％以下に規制することが好ましい。

次に、デフケースを構成するアルミニウム合金の凝固組織について説明する。
最大初晶Ｓｉ粒径：２０μｍ以下及び最大共晶Ｓｉ長さ：１０μｍ以下の組織
初晶Ｓｉの粒径及び共晶Ｓｉの長さがそれぞれ２０μｍ，１０μｍを超えるとデフケースに必要な引張強度，疲労強度を得ることができない。微細な初晶Ｓｉや共晶Ｓｉは凝固時の冷却速度を速くすることによって得ることができる。凝固時の冷却速度を速くする鋳造法としては、凝固期間中、常に溶湯と金型の良好な接触が得られる溶湯鍛造法を採用することが好ましい。

また、次に、上記凝固組織と所望の特性を得るための溶湯鍛造条件及びその後の熱処理条件等について説明する。
溶湯の脱ガス処理
溶湯鍛造法を採用してデフケースを成型する際、金型に注湯する前の溶湯内ガス量を極力低減しておく必要がある。溶湯内ガス量が多いと製品内にポロシティが生じ、後工程の熱処理時に亀裂を生じさせる虞がある。通常の脱ガス装置を使用し、１００ｇＡｌ中の水素ガス量を０.１ｃｃ以下に調整しておけば、熱処理時に亀裂を生じさせることはない。

鋳込み温度
鋳込み温度は６８０〜７３０℃の範囲とする。鋳込み温度が６８０℃に満たないと鋳造を開始する前に初晶Ｓｉが晶出し、粗大化してしまう虞がある。逆に、７３０℃を超えると水素ガスを吸収しやすくなる。
なお、ガスの巻込みは、金型への溶湯の注湯の際にも起こり得る。そこで、製品形状に応じて溶湯に乱流が生じない速度で、しかも加圧開始までに凝固しない速度で成型することが好ましい。具体的には１０〜１００ｍｍ／秒の範囲で上型を押込むことが好ましい。
このように、溶湯内ガス量を極力少なく、成型時の溶湯の乱流発生に伴うガス巻込みを抑制すると、製品内にポロシティが生じることはない。

溶湯鍛造
注湯の後、凝固完了まで溶湯に高圧をかけ続けて溶湯の凝固収縮に伴う引け巣部に溶湯を補給し、空洞欠陥の発生を抑制する。
溶湯鍛造の圧力条件としては、成型圧力を５０〜１００ＭＰａの範囲とする。成型圧力が５０ＭＰａに満たないと、凝固期間中に金型と溶湯間の接触を良好に保つことができず、特に凝固末期において高い冷却速度を得ることができない。また凝固収縮によって発生する鋳巣に対する溶湯補給も十分に行えなくなる。逆に、１００ＭＰａを超える圧力を加えるとバリができやすくなる。また偏析も起きやすい。

熱処理
本発明で得られるアルミニウム合金の溶湯鍛造品をデフケースとして用いるに当っては、所望の強度を得るために熱処理を施す。具体的には、５００〜５２０℃の温度範囲で溶体化した後、１６０〜１９０℃×１〜１０時間の時効処理を施す。
本発明の合金組成範囲では、溶体化温度が５００℃に満たないと十分な溶体化の効果を得ることができず、所望の機械的強度や疲労強度を得ることができなくなる。逆に、５２０℃を超えると局部溶融が起こる可能性がある。局部溶融が発生すると機械的強度や疲労強度が低下してしまう。
時効温度が１６０℃未満だったり、時効時間が１時間未満だったりすると、十分に析出が起こらず、十分な機械的強度や疲労強度が得られない。逆に１９０℃を超えたり、１０時間を超えたりすると過時効となり、かえって機械的強度や疲労強度が低下することになる。

実験例
表１に示す組成のＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金を溶解し、１００ｇＡｌ中の水素ガス量を０.１ｃｃ以下に調整した溶湯温度：７１０℃の溶湯を用意した。２００℃に予熱した金型に成型速度：４０ｍｍ／秒で注湯し、９０ＭＰａの圧力で溶湯鍛造した。
金型から取出した後、５１０℃×４時間の溶体化して水焼入れし、さらにその後に１７０℃×１０時間の時効処理を施した。

得られた溶湯鍛造・熱処理材について、光学顕微鏡を用いた組織観察と各種特性の評価を行った。
また、常温と１５０℃での引張強度，耐力，伸び、ヤング率，耐摩耗性及び線熱膨張係数を調査した。なお、耐摩耗性については、リケン式摩耗試験機にて、面圧１５ｋｇｆ／ｃｍ²，回転速度１０００ｒｐｍ，試験時間１０分で調査した。また、線熱膨張係数は、横型熱膨張計で室温から１５０℃の温度範囲について測定した。
その測定結果を表２に示す。

表２に示す結果からもわかるように、本発明品である合金１〜３は、常温及び１５０℃での引張強度，耐力，伸び、ヤング率，耐摩耗性及び線熱膨張係数のいずれの点でもデフケースとして満足できる性能を示していた。
これに対して、比較合金４は、Ｓｉ含有量が少ないために初晶Ｓｉの数が少なくなっており、そのために、耐力，剛性が低いばかりか、耐摩耗性も良くなかった。また、比較合金５は、Ｓｉ含有量が多すぎたために初晶Ｓｉが大きくなりすぎて破断の起点になり、機械的特性を低下させている。

比較合金６は、Ｃｕ含有量が少ないために十分な強度が得られていない。逆にＣｕ含有量が多すぎた比較合金７では、粗大なＡｌ₂Ｃｕが生成したために伸びが低下していた。また、比較合金８は、Ｍｇ含有量が少ないために十分な強度が得られなかった。逆にＭｇ含有量が多すぎた比較合金９では、粗大なＭｇ₂Ｓｉが生成したために伸びが低下していた。さらに、比較合金１０は、Ｍｎ含有量が少ないために、Ａｌ−Ｆｅ系晶出物が針状化して伸びが低下していた。逆にＭｎ含有量が多すぎた比較合金１１は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物が粗大化して強度が低下していた。比較合金１２は、Ｐの含有量が少ないために初晶Ｓｉが粗大化し、伸びが低下していた。比較合金１３は、Ｓｉ，Ｍｎ含有量が少ないために晶出物量が少なく、摩耗量が多くなっていた。また、晶出物による粒子分散強化が得られず、高温強度が低下していた。さらに、Ｓｉ含有量が少ないために熱膨張係数が悪化していた。

参考例
表１に記載した合金１を重力金型鋳造法とダイカスト法により、デフケースの形状に鋳造した後、実験例と同じ熱処理を施した。ただし、ダイカスト法で鋳造したデフケースには、溶体化処理を施した際にフクレが発生した。そこで、ダイカスト法で鋳造したデフケースに関しては、溶体化処理を施さず、時効処理のみを施した鋳造材を用意した。
得られた鋳造・熱処理材について、前記実験例と全く同様な組織観察と各種特性の評価を行った。
その評価結果を表３に示す。

表３に示した結果から、重力金型鋳造法及びダイカスト法で鋳造したデフケースと比較して、溶湯鍛造法で製造したデフケースは、ダイカスト相当の速度で冷却されているために緻密な組織が得られ、しかも欠陥が存在しないので機械的特性に優れることがわかる。

Claims (4)

1. Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％，Ｃｕ：３.５〜４.５質量％，Ｍｇ：０.３〜０.５質量％，Ｍｎ：０.２〜０.３質量％，Ｔｉ：０.１〜０.２質量％，Ｐ：０.００３〜０.０１５質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と、最大初晶Ｓｉ粒径：２０μｍ以下及び最大共晶Ｓｉ長さ：１０μｍ以下の組織を有する剛性及び高温特性に優れたアルミニウム合金で構成されていることを特徴とするデファレンシャルギアケース。
2. 不可避的不純物としてのＦｅを０.４質量％以下に規制した組成を有する請求項１に記載のデファレンシャルギアケース。
3. 不可避的不純物としてのＣａを０.００２質量％以下に規制した組成を有する請求項１又は２に記載のデファレンシャルギアケース。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の組成を有するアルミニウム合金を溶解し、保持炉内の溶湯ガス量が０.１ｃｃ／１００ｇＡｌ中以下になるまで脱ガス処理を行った後、溶湯を鋳込温度：６８０〜７３０℃にて金型に供給し、成型圧力：５０〜１００ＭＰａの条件で溶湯鍛造し、得られた溶湯鍛造品を５００〜５２０℃で溶体化処理した後、１６０〜１９０℃×１〜１０時間の時効処理を施すことを特徴とするデファレンシャルギアケースの製造方法。