JP2007152402A - アルミダイカスト部品及びアルミダイカスト部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理表面の疲労強度の大幅な向上が得られるアルミダイカスト部品及びアルミダイカスト部品の製造方法を提供する。
【解決手段】ショット粒を投射するショットピーニング処理を施したアルミダイカスト部品では、次式（１）
疲労強度指数（ＦＩ）＝ＨＣ／（ＲＳ^２×ＤＳ）・・・（１）
（式中のＨＣはダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）、ＲＳはショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、ＤＳは上記ショット粒の粒径（ｍｍ）を示す。）で表される疲労強度指数（ＦＩ）が、２〜４０である。
【選択図】図３

Description

本発明は、アルミダイカスト部品及びアルミダイカスト部品の製造方法に関し、特にショットピーニング処理によりショット粒を投射することで製造されるアルミダイカスト部品及びアルミダイカスト部品の製造方法に関する。

従来、ショットピーニング方法は、歯車やばねのような高い信頼性を要求される鉄鋼部品の疲労強度を向上させるために行われており、このショットピーニング方法では、硬質な鋼球が投射材（ショット粒）として、鉄鋼部品の被処理表面に対して投射される。

一方、アルミニウムやマグネシウムのような軽合金が、例えば自動車部品の軽量化のために自動車部品の材料として用いられる場合には、部品の疲労強度（疲労限強度ともいう）を改善する必要がある。この軽金属の疲労強度を改善するために、投射材の硬さが部品の被処理表面の硬さと等しくなるように、軟質材から成る投射材を使用するショットピーニング方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１６６２７１号公報

ところが、上記のように従来の投射材の硬さが被処理表面の硬さと等しい軟質材を使用するショットピーニング方法では、被処理表面に十分な圧縮残留応力を与えられず、過度のショットピーニング処理により被処理表面が大きく荒れて応力集中源となってしまい、疲労強度を向上させることが難しいという問題点があった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、被処理表面の疲労強度の大幅な向上が得られるアルミダイカスト部品及びアルミダイカスト部品の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、ショットピーニング処理することでアルミダイカスト部品を製造する際に、ダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）と、ショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、及びショット粒の粒径ＤＳ（ｍｍ）と、で表される疲労強度指数（ＦＩ）を規定することにより、上記目的を達成できることを見出して、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のアルミダイカスト部品は、ショット粒を投射することでショットピーニング処理を施したアルミダイカスト部品では、次式（１）
疲労強度指数（ＦＩ）＝ＨＣ／（ＲＳ^２×ＤＳ）・・・（１）
（式中のＨＣはダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）、ＲＳはショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、ＤＳは上記ショット粒の粒径（ｍｍ）を示す。）で表される疲労強度指数（ＦＩ）が、２〜４０であることを特徴とする。
この場合に、疲労強度指数（ＦＩ）の値が２を超えると、アルミダイカスト部品の大幅な疲労強度の向上が得られる。また、疲労強度指数（ＦＩ）の値が４０を超えても、アルミダイカスト部品のそれ以上の大幅な疲労強度の向上が得られず、経済的に不利である。

本発明のアルミダイカスト部品の製造方法は、ショット粒を投射するショットピーニング処理を施したアルミダイカスト部品では、次式（１）
疲労強度指数（ＦＩ）＝ＨＣ／（ＲＳ^２×ＤＳ）・・・（１）
（式中のＨＣはダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）、ＲＳはショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、ＤＳは上記ショット粒の粒径（ｍｍ）を示す。）で表される疲労強度指数（ＦＩ）が、２〜４０であり、アルミダイカスト部品を製造するに当たり、 ダイカスト鋳造金型にアルミニウム合金溶湯を注湯して、ダイカスト鋳造を行ってアルミダイカスト鋳物を得、次いで、得られた上記アルミダイカスト鋳物に上記ショット粒を投射する上記ショットピーニング処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、アルミダイカスト部品の被処理表面の疲労強度の大幅な向上が得られる。

本発明のアルミダイカスト部品の好ましい実施形態では、上記ダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（ＨＣ）が１１０Ｈｖ以上である。
本発明のアルミダイカスト部品の好ましい実施形態では、上記ショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さ（ＲＳ）がＲａ８μｍ以下である。この場合には、応力集中を避ける観点から、表面粗さＲａが、８μｍ以下であることが望ましい。

本発明のアルミダイカスト部品の好ましい実施形態では、上記ショット粒径（ＤＳ）が０．２〜２ｍｍである。この場合には、球状の投射材のショット粒径が０．２ｍｍ未満では、鋳肌表面に十分なエネルギーを付与することができない。また、ショット粒径が２ｍｍを超えると、鋳肌表面の荒れが大きくなり、疲労強度の低下を引き起こす。
本発明のアルミダイカスト部品の好ましい実施形態では、上記ショットピーニング処理後の鋳肌硬さが１３０Ｈv以上である。
本発明のアルミダイカスト部品の好ましい実施形態では、圧縮残留応力の最大値が１８０ＭＰａ以上である。

本発明のアルミダイカスト部品の製造方法の好ましい実施形態では、上記アルミニウム合金溶湯温度と上記金型温度の温度差（ΔＴ）が５２０〜５６０℃である。ダイカスト鋳造したままの鋳肌表面の硬さを上げるためには、ダイカストの鋳造条件としては、冷却速度の代用値である溶湯温度と金型温度の差が、５２０℃〜５６０℃であることが望ましい。

温度差（ΔＴ）が５２０℃を下回るような条件の場合には、冷却速度が遅く、微細なα相が得られないために鋳肌表面の硬さが低くなり望ましくない。また、温度差（ΔＴ）が５６０℃を上回るような条件の場合には、溶湯温度が金型温度に比べて高すぎるか、または金型温度が溶湯温度に比べて低すぎることにより、鋳造欠陥が多いダイカスト材が得られてしまうため望ましくない。

本発明のアルミダイカスト部品及びアルミダイカスト部品の製造方法においては、アルミダイカスト部品の疲労強度を向上させるためには、破壊起点である鋳肌表面を加工硬化させて、かつ鋳肌表面に圧縮残留応力を付与することが必要である。
そのためには、被投射材であるアルミダイカスト部品の鋳肌硬さを上げることで、アルミダイカスト部品が、ショット粒の硬さに負けて過度な塑性変形を起こさないようにする必要がある。
また、鋳肌表面が大きく荒れて応力集中源にならないように、ショットピーニング処理によるアルミダイカスト部品の鋳肌表面粗さの低下を抑制する必要がある。

本発明者らは、この考えを基にして、アルミダイカスト部品の疲労強度に及ぼす影響因子を研究した結果、ショット粒を投射するショットピーニング処理を施したアルミダイカスト部品では、次式（１）
疲労強度指数（ＦＩ）＝ＨＣ／（ＲＳ^２×ＤＳ）・・・（１）
（式中のＨＣはダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）、ＲＳはショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、ＤＳは上記ショット粒の粒径（μｍ）を示す。）で表される疲労強度指数（ＦＩ）が、２〜４０であることを見出した。

この場合に、この疲労強度指標（ＦＩ）の値が２を超えると、大幅な疲労強度の向上が得られる。また、この疲労強度指標（ＦＩ）の値が４０を超えても、それ以上の大幅な疲労強度の向上が得られず、経済的に不利である。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例では、表１に示す化学成分のアルミダイカスト用インゴットを用いて、厚さ３ｍｍの板形状のテストピースへのダイカスト鋳造を行った。この場合に、ダイカスト鋳造金型にアルミニウム合金溶湯を注湯して、ダイカスト鋳造を行ってアルミダイカスト鋳物を得た。
表１には、本実施例と比較例に使用した材料の合金成分を示す。表１において、ＡＤＣ１２は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のアルミニウム合金ダイカスト１２種であり、ＡＤＣ１０は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のアルミニウム合金ダイカスト１０種である。
表２には、本実施例（１）、（２）の試験片と、この実施例（１）、（２）のショットピーニング処理前のベースとなる比較例（４）の試験片と、比較例（１）〜（３）の試験片のそれぞれの材料の種類、鋳造条件、鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）、及びショット粒径（ｍｍ）を示す。鋳造条件としては、溶湯温度（℃）と金型温度（℃）を示す。

ダイカスト鋳造を行った上記板形状のテストピースは、その後、図１に示すような平面曲げ疲労試験片１の形状に加工した。
図１は、表２に示す本実施例（１）、（２）の試験片と、ショットピーニング処理前のベースとなる比較例（４）の試験片と、比較例（１）〜（３）の試験片の形状を示している。平面曲げ疲労用の試験片１の寸法としては、長さＬが９０ｍｍ、幅Ｗが３０ｍｍ、厚みＤが３ｍｍ、幅が狭くなっている部分の長さＦが２０ｍｍ、そして幅が狭くなっている部分の幅Ｅが２０ｍｍであった。
ショット粒は、表２に示す０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．５ｍｍのショット粒径（ｍｍ）を有しているもので、亜鉛（Ｚｎ）の玉（球）用いており、このショット粒を平面曲げ疲労用の試験片１に対して投射することにより、ショットピーニング処理を平面曲げ疲労用の試験片１に対して実施した。

次に、このようにして作製した平面曲げ疲労用の試験片１を用いて、各種特性評価試験と平面曲げ疲労試験を実施した。平面曲げ疲労試験は、完全両振り入力とし、１０^７回未破断のものは良好として疲労試験を停止して、その時の疲労強度を疲労限強度として取り扱った。
図２は、本実施例（１）と比較例（１）について疲労試験で得られたＳ−Ｎ（応力−曲げ繰り返し回数）線図の一例を示す。

表３は、本実施例（１）、（２）と、この実施例（１）、（２）のショットピーニング処理前のベースとなる比較例（４）と、比較例（１）〜（３）のそれぞれの試験片１で得られた各種特性値を示しており、ショットピーニング後の鋳肌硬さ（Ｈｖ）、鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、圧縮残留応力の最大値（ＭＰａ）、疲労限強度（ＭＰａ）、そして疲労強度指数（ＦＩ）の計算値を示す。

表２を参照すると、比較例（１）の溶湯温度は６５０℃であり金型温度は１５０℃であったが、この比較例（１）の金型温度１５０℃に対して、実施例（１）、（２）と、ショットピーニング処理前のベースとなる比較例（４）では溶湯温度は６５０℃で同じであるが金型温度を１０５℃に下げた。即ち、この比較例（１）の金型温度１５０℃に対して、実施例（１）、（２）と、比較例（４）の金型温度は１０５℃に下げて、アルミニウム合金溶湯温度と金型温度の温度差（ΔＴ）を５４５℃（６５０℃−１０５℃）まで大きくして、実施例（１）、（２）と、比較例（４）の冷却速度を上げたことから、実施例（１）、（２）と、比較例（４）では、ダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）の向上が認められた。

さらに、比較例（４）に対してショットピーニング処理を加えたのが、実施例（１）、実施例（２）、比較例（３）である。
表３から分かるように、実施例（１）、実施例（２）、比較例（３）のいずれも圧縮残留応力が付与されてはいるが、実施例（１）と実施例（２）の鋳肌表面粗さＲａの値が小さく疲労限強度は向上しているのに対して、比較例（３）では鋳肌表面粗さＲａの値が大きく、比較例（３）の表面の荒れが応力集中源となっているために、疲労限強度が向上しなかった。

即ち、ショット粒径が０．４ｍｍの実施例（１）とショット粒径が０．８ｍｍの実施例（２）は、鋳肌表面粗さＲａの荒れ方が小さく、表面の加工硬化と圧縮残留応力の付与が得られているために、疲労限強度の向上が得られた。

そこで、パラメータについて解析、考察を加えた結果、図３に示すように疲労強度指標（ＦＩ）を用いることにより、実施例（１）、（２）と、比較例（１）〜（４）のアルミダイカスト部品の疲労限強度を整理することができた。
図３は、疲労強度指標（ＦＩ）と試験で得られた疲労限強度（ＭＰ）との関係を示す。
図３と表３には、ショット粒を投射することでショットピーニング処理を施した実施例（１）、実施例（２）、比較例（３）について、それぞれ上記（１）式から得られた疲労強度指数（ＦＩ）を示している。実施例（１）の疲労強度指数（ＦＩ）は２７．９１、実施例（２）の疲労強度指数（ＦＩ）は２．７４２、そして比較例（３））の疲労強度指数（ＦＩ）は０．４９０であり、実施例（１）、（２）の疲労強度指標（ＦＩ）の数値は、上記の２〜４０の範囲に入っている。実施例（１）と実施例（２）のような顕著な疲労限強度の向上効果を得るためには、この疲労強度指標（ＦＩ）の値が２を超える必要があることが分かった。

以上の実験結果より、アルミダイカスト部品の疲労強度（疲労限強度）を向上させるために、ショットピーニング処理を鋳肌表面に対して行えば良いだけでなく、アルミダイカストの鋳造したまま状態での鋳肌硬さ（Ｈｖ）と、ショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）と、ショットピーニング処理による表面荒れを抑制するための適正なショット粒径（ｍｍ）とで表される疲労強度指数（ＦＩ）の数値範囲を定めればよい。。

本実施例の説明から明らかなように、ショットピーニング処理をして被処理材であるアルミダイカスト部品を製造する際に、アルミダイカスト部品の鋳造時の冷却速度を上げることにより鋳肌表面の硬さを向上させて、ショットピーニング処理による加工硬化の効果を有効に活用する。そして鋳肌表面荒れを抑え、圧縮残留応力を効果的に付与させるショット粒径を選択することにより、アルミダイカスト部品のの疲労強度（疲労限強度）を顕著に向上させることができ、アルミニウムダイカスト部品の軽量化等の実用的な効果が得られる。

本発明の実施例の試験片と比較例の試験片の形状を示す図である。 本発明の実施例と比較例の疲労試験で得られたＳ−Ｎ線図の一例である。 疲労強度指標と試験で得られた疲労限強度の関係を示す図である。

符号の説明

１ 試験片

Claims (8)

1. ショット粒を投射するショットピーニング処理を施したアルミダイカスト部品において、次式（１）
   疲労強度指数（ＦＩ）＝ＨＣ／（ＲＳ^２×ＤＳ）・・・（１）
   （式中のＨＣはダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（Ｈｖ）、ＲＳはショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さＲａ（μｍ）、ＤＳは上記ショット粒の粒径（ｍｍ）を示す。）で表される疲労強度指数（ＦＩ）が、２〜４０であることを特徴とするアルミダイカスト部品。
2. 上記ダイカスト鋳造したままの鋳肌硬さ（ＨＣ）が１１０Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト部品。
3. 上記ショットピーニング処理後の鋳肌表面粗さ（ＲＳ）がＲａ８μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミダイカスト部品。
4. 上記ショット粒径（ＤＳ）が０．２〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のアルミダイカスト部品。
5. 上記ショットピーニング処理後の鋳肌硬さが１３０Ｈv以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のアルミダイカスト部品。
6. 圧縮残留応力の最大値が１８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のアルミダイカスト部品。
7. 請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のアルミダイカスト部品を製造するに当たり、 ダイカスト鋳造金型にアルミニウム合金溶湯を注湯して、ダイカスト鋳造を行ってアルミダイカスト鋳物を得、
   次いで、得られた上記アルミダイカスト鋳物に上記ショット粒を投射する上記ショットピーニング処理を施すことを特徴とするアルミダイカスト部品の製造方法。
8. 上記アルミニウム合金溶湯温度と上記金型温度の温度差（ΔＴ）が５２０〜５６０℃であることを特徴とする請求項７に記載のアルミダイカスト部品の製造方法。
   

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