JP2010240709A

JP2010240709A - ステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品

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Publication number: JP2010240709A
Application number: JP2009093975A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Endo; 雄一遠藤; Koji Ueda; 光司植田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】優れた疲労強度を有するステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品を提供する。
【解決手段】ケイ素を含有するアルミニウム合金のダイカストにより、ステアリング装置のステアリングハウジングとして用いられるアルミニウム合金ダイカスト製品を製造した。このアルミニウム合金ダイカスト製品は、α相及び共晶Ｓｉ相で構成される基地組織の硬さＨｖが８０以上である。また、最も高い応力が負荷される部位の表面に存在する鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法を極値統計法により推定した推定値が９００μｍ以下である。
【選択図】図７

Description

本発明は、ステアリング装置のステアリングハウジングとして用いられるアルミニウム合金ダイカスト製品に関する。

ダイカストは、アルミニウム合金等の溶湯を金型に圧入して鋳物を生産する金型鋳造法の一種であり、生産性が高い、鋳肌が美しい、薄肉で軽量な製品を製造可能である、複雑な形状の製品を製造可能である等の長所を有している。このようなダイカストで製造されたアルミニウム合金ダイカスト製品は、寸法精度が高く安価であるという理由から、輸送機器，電気，航空，建設等の幅広い分野で使用されている。例えば、自動車等のステアリング装置の周辺で使用される部品には、省エネルギー，低燃費化の観点から軽量化が求められているため、複雑な形状の製品であるコラムハウジング，ラックハウジングとしてアルミニウム合金ダイカスト製品が使用されている。

近年、自動車等のステアリング装置に対しては、高トルク化，高出力化等の機能向上がなされており、アルミニウム合金製のステアリングハウジングには従来よりも大きな荷重が入力されるようになってきているため、従来よりも高強度のアルミニウム合金ダイカスト製品が求められている。しかしながら、アルミニウム合金ダイカスト製品は強度のバラツキが大きいため、強度部品としての適用が難しいとされてきた。これは、鋳造時に形成される欠陥が原因となっている。鋳造時に形成される欠陥としては、鋳巣欠陥がある。

この鋳巣欠陥には、高速高圧で溶融金属を射出成形するというダイカストの製法ゆえにダイカスト製品中への混入が避けられないブローホールと呼ばれるガス欠陥と、溶融金属が型充填されて凝固するときの体積収縮による引け巣欠陥とに分類される。このような鋳巣欠陥は、その混入量によってダイカスト製品の機械的性質に悪影響を及ぼし、静的強度や疲労強度を低下させることが知られている。

また、ダイカスト製品の内部に存在する鋳巣欠陥よりも、表面に存在する鋳巣欠陥の方が、ダイカスト製品の強度を大きく低下させる。非特許文献１には、疲労強度と内部に存在する鋳巣欠陥の量との間には相関がなく、むしろ破壊を誘発する起点として危険なものは表面に存在する鋳巣欠陥であることが開示されている。
本来、ダイカスト製品には、溶融金属の冷却，凝固時にチル層と呼ばれる微細で硬い組織が表面に形成され、鋳巣欠陥は内部に取り込まれるため、鋳巣欠陥が表面に露出することは少ない。ただし、ダイカスト製品の表面に切削加工等の何らかの機械加工が施された場合には、チル層が取り除かれ内部に存在した鋳巣欠陥が表面に露出してしまうおそれがある。このような場合には、表面に露出した鋳巣欠陥が、ダイカスト製品の疲労強度を低下させる要因となる。

ダイカスト製品の疲労強度を向上させる技術としては、アルミニウム合金に所定の元素を添加することによりガス量を抑制し、生成される鋳巣欠陥の最大寸法を小さくするという技術が提案されている（特許文献１を参照）。また、１０⁷回疲労強度を求める方法として、鋳巣欠陥の面積を測定し、鋳巣欠陥の面積と同一面積の円の半径を求めるとともに、鋳造部材の疲労試験を行って、前記円の半径における１０⁷回疲労強度線図を作成する方法が提案されている（特許文献２を参照）。

特開２００４−９１８１８号公報特開２００６−２２０５５７号公報

桑水流理（東京大学生産技術研究所），宇都宮登雄（芝浦工業大学）ら，「疲労過程におけるＡＤＣ１２内部にある巨視的鋳造欠陥のＸ線ＣＴ観察」，日本機械学会Ｍ＆Ｍ２００７材料力学カンファレンスＣＤ−ＲＯＭ論文集山田耕二，宮川進，吉川澄，「アルミニウム合金ダイカストの疲労強度に及ぼす鋳造欠陥の影響」，日本機械学会論文集（Ａ編），第６８巻，第６６７号，ｐ．５１５〜５２１

しかしながら、特許文献１，２に記載のものにおいては、製品全体の鋳巣欠陥に着目しており、内部の鋳巣欠陥よりも疲労強度を大きく低下させる表面の鋳巣欠陥については考慮されていなかった。また、疲労強度に影響があると考えられるアルミニウム合金の基地組織の硬さや鋳巣欠陥の寸法については、十分に考慮されていなかった。さらに、鋳巣欠陥の寸法の予測に極値統計法を用いているが、その詳細な内容は不明であった。そのため、製品の疲労強度の向上度合いについては、信頼性が十分に高いとは言えなかった。

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、優れた疲労強度を有するステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明のステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品は、ケイ素を含有するアルミニウム合金のダイカストにより製造されステアリング装置のステアリングハウジングとして用いられるアルミニウム合金ダイカスト製品において、α相及び共晶Ｓｉ相で構成される基地組織の硬さＨｖが８０以上であるとともに、最も高い応力が負荷される部位の表面に存在する鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法を極値統計法により推定した推定値が９００μｍ以下であることを特徴とする。

このような本発明のステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品においては、前記推定値は以下のようなものであることが好ましい。すなわち、前記表面に露出している複数の鋳巣欠陥について、それらの露出面積をそれぞれ測定して、該露出面積と同一面積の楕円の長径と短径との積の平方根を算出し、算出された複数の前記平方根を極値統計法で解析して得られたものであることが好ましい。

本発明のステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品は、優れた疲労強度を有している。

試験片を切り出すブランク材の説明図である。試験片の形状，寸法を示す図である。鋳巣欠陥の楕円近似を説明する図である。最大の鋳巣欠陥の寸法と１０⁷回疲労強度との相関を示すグラフである。基地組織の硬さＨｖと１０⁷回疲労強度との相関を示すグラフである。アルミニウム合金ダイカスト製品の最大の鋳巣欠陥の寸法を、極値統計法によって解析した極値統計グラフである。アルミニウム合金ダイカスト製品の１０⁷回疲労強度と最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値との相関を示すグラフである。

本発明に係るステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
自動車等のステアリング装置のステアリングハウジングを、ケイ素を含有するアルミニウム合金のダイカストにより製造した。得られたアルミニウム合金ダイカスト製品は、α相及び共晶Ｓｉ相で構成される基地組織を有しており、この基地組織の硬さＨｖは８０以上であった。

そして、得られたアルミニウム合金ダイカスト製品の表面に、旋削加工，切削加工等の機械加工を施して表面を仕上げた。この機械加工により、アルミニウム合金ダイカスト製品の内部に存在した鋳巣欠陥が表面に露出したので、アルミニウム合金ダイカスト製品の品質を保証するために、表面に露出した複数の鋳巣欠陥の寸法を測定した。その際には、該アルミニウム合金ダイカスト製品をステアリングハウジングとして使用した場合に、最も高い応力が負荷されるであろう部位の表面について、鋳巣欠陥の寸法を測定した。

工場のライン等で製造されるアルミニウム合金ダイカスト製品の品質を保証する場合には、製造した全てのアルミニウム合金ダイカスト製品について鋳巣欠陥の寸法を測定することは困難であるため、１ロットのアルミニウム合金ダイカスト製品から複数個抜き取って鋳巣欠陥の寸法を測定した。そして、その結果を極値統計法により解析して、１ロット全てのアルミニウム合金ダイカスト製品に存在する鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法を推定した。このようにして得られた最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値は、９００μｍ以下であった。

なお、このとき測定する鋳巣欠陥の寸法とは、以下のようなものである。すなわち、表面に露出している鋳巣欠陥の露出面積を測定し、その露出面積と同一面積の楕円の長径と短径との積の平方根を算出し、この平方根を鋳巣欠陥の寸法とする。
このように、最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値が９００μｍ以下であり、且つ、アルミニウム合金ダイカスト製品の前記基地組織の硬さＨｖが８０以上であるので、１ロット全てのアルミニウム合金ダイカスト製品が、優れた疲労強度を有することが保証された。

つまり、複数のアルミニウム合金ダイカスト製品について鋳巣欠陥の寸法を測定し、全アルミニウム合金ダイカスト製品中の鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法が９００μｍ以下であると推定されれば、全アルミニウム合金ダイカスト製品の疲労強度は優れていると推定することができる。

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
まず、アルミニウム合金製の試験片を複数用意する。アルミニウム合金の種類は、ケイ素を含有するアルミニウム合金であれば特に限定されるものではないが、ケイ素を７．５〜１２．０質量％含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のアルミニウム合金であるＡＤＣ１０とＡＤＣ１２を使用した。

このアルミニウム合金のダイカストにより、図１に示すような形状のブランク材を得て、このブランク材から図２に示すような寸法形状の試験片を切り出した。そして、試験片の表面に旋削加工及び研削加工を施して、仕上げ加工を行った。その結果、ブランク材の内部に存在した鋳巣欠陥が、試験片の表面に露出した。また、この試験片を構成するアルミニウム合金は、α相及び共晶Ｓｉ相で構成される基地組織を有していた。

この試験片に対して、油圧サーボ式の引張圧縮疲労試験機を用いた疲労試験を行うに先立ち、試験片の表面に露出している多数の鋳巣欠陥の寸法を、実体顕微鏡及び光学顕微鏡を用いて測定した。なお、鋳巣欠陥の寸法測定は、旋削加工及び研削加工が施された部分であり、且つ、疲労試験において最も高い応力が負荷される部位である平行部の表面に露出している鋳巣欠陥について行った。

ここで、鋳巣欠陥の寸法の測定方法について説明する。まず、表面に露出している鋳巣欠陥を楕円近似する。すなわち、表面に露出している鋳巣欠陥の露出面積と同一面積の楕円を設定する（図３を参照）。そして、その楕円の長径ａと短径ｂを求め、長径ａと短径ｂとの積の平方根を算出し、これを鋳巣欠陥の寸法とした。
このようにして鋳巣欠陥の寸法を測定した複数の試験片について、基地組織の硬さＨｖの測定を行った後に疲労試験を行い、１０⁷回疲労強度（以降は疲労限度と記すこともある）を求めた。試験片が有する複数の鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法と、その試験片の１０⁷回疲労強度との相関を、表１及び図４のグラフに示す。

このグラフから、実測した最大の鋳巣欠陥の寸法が９００μｍを超える場合は、１０⁷回疲労強度は最大の鋳巣欠陥の寸法に対してほとんど変化しないのに対して、９００μｍ以下である場合は、最大の鋳巣欠陥の寸法が小さいほど１０⁷回疲労強度が高い傾向があることが分かる。したがって、実際の製品（ステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品）においても、最大の鋳巣欠陥の寸法が９００μｍ以下である場合は疲労強度が優れていると言える。

なお、表面に存在する鋳巣欠陥は疲労強度を低下させるので、鋳巣欠陥は基本的には表面に存在しないことが好ましい。よって、ダイカストの際に強い金型冷却による表面のチル化を行って、切削加工等の機械加工後でも内部の鋳巣欠陥が表面に露出しないような厚いチル層を形成することが好ましい。あるいは、アルミニウム合金ダイカスト製品に表面加工処理を施して、表面に存在する鋳巣欠陥を潰し込むことが好ましい。表面加工処理としては、例えば、切削加工及びバフ研磨の後にショットピーニングを施す方法があげられる。

次に、最大の鋳巣欠陥の寸法が２００μｍ又は９００μｍの試験片について、基地組織の硬さＨｖと、その試験片の１０⁷回疲労強度との相関を、表２及び図５のグラフに示す。最大の鋳巣欠陥の寸法に関して２００μｍ及び９００μｍに着目した理由は、以下の通りである。すなわち、鋳巣欠陥の寸法の影響が少ない領域は２００μｍ以下であり、疲労強度が優れる臨界値が９００μｍであることから、これら臨界点においても基地組織の硬さＨｖと疲労強度との間に相関性があるか検証するためである。なお、基地組織中の平均的な組織を有する部分を１０点選択して硬さＨｖを測定し、その平均値を基地組織の硬さＨｖとした。測定荷重は９．８×１０^-3Ｎである。

図５のグラフから、基地組織の硬さＨｖが８０以上であれば、最大の鋳巣欠陥の寸法が異なっても、安定した疲労強度を示すことが分かる（疲労強度が向上し始める最低の硬さＨｖが８０である）。よって、基地組織の硬さＨｖが８０以上で、且つ、最大の鋳巣欠陥の寸法が９００μｍ以下である場合は、実際の製品（ステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品）においても疲労強度が優れていると言える。そして、このとき得られる１０⁷回疲労強度は、信頼性が高い。

次に、実際のステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品について、鋳巣欠陥の寸法を測定し、その結果を極値統計法により解析した結果を説明する。
アルミニウム合金ＡＤＣ１０又はＡＤＣ１２を用いて、ステアリングハウジングのコラムハウジングをダイカストにより製造した。そして、複数のロットからアルミニウム合金ダイカスト製品を複数個抜き取って（計１５個）、α相及び共晶Ｓｉ相で構成される基地組織の硬さＨｖを、前述と同様にして測定した。また、切削加工，旋削加工，研削加工等の機械加工が施された部分で、且つ、コラムハウジングの実用時において最も高い応力が負荷される部位の表面に露出している鋳巣欠陥について、各アルミニウム合金ダイカスト製品における最大の鋳巣欠陥の寸法を前述と同様にして測定した。

そして、これら最大の鋳巣欠陥の寸法の１５データについて、極値統計法により解析して、全ロットの全アルミニウム合金ダイカスト製品における最大の鋳巣欠陥の寸法を推定した。極値統計法の検査条件は、以下の通りである。切削加工が施される面積を被検面積Ｓ₀とし、Ｓ₀は２００００ｍｍ²とした。また、出現確率を１００ｐｐｍ以下とし、ＦＥＭ解析により１個別当たり応力集中部位の面積を５００ｍｍ²とした。そして、コラムハウジング１万台分の高応力が負荷される面積５００００００ｍｍ²中に存在する鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法を推定した。その結果、最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値は、７６９μｍであった。極値統計結果を図６のグラフに示す。

次に、各ロットのアルミニウム合金ダイカスト製品から、それぞれ１５個ずつ抜き取って振動耐久試験を行い、１０⁷回疲労強度を測定した。そして、１５個の平均値を求めて、各ロットのアルミニウム合金ダイカスト製品の１０⁷回疲労強度とした。また、前述と同様の極値統計法により、各ロットのアルミニウム合金ダイカスト製品に存在する鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法を推定した。アルミニウム合金ダイカスト製品の１０⁷回疲労強度と最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値との相関を、表３及び図７のグラフに示す。表３には、基地組織の硬さＨｖも併せて示す。

実施例１〜９のアルミニウム合金ダイカスト製品は、基地組織の硬さＨｖが８０以上で、且つ、最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値が９００μｍ以下（好ましくは８２３μｍ以下）であるため、１０⁷回疲労強度が優れていた。これに対して、比較例１〜５のアルミニウム合金ダイカスト製品は、最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値が９００μｍ超過であるため、１０⁷回疲労強度が不十分であった。

また、比較例６〜１１のアルミニウム合金ダイカスト製品は、基地組織の硬さＨｖが８０未満であるため、実施例１〜９と比べて１０⁷回疲労強度が大幅に劣っていた。このことから、最大の鋳巣欠陥の寸法の推定値が小さくても、基地組織の硬さＨｖが低いと、１０⁷回疲労強度が不十分となることが分かる。

Claims

ケイ素を含有するアルミニウム合金のダイカストにより製造されステアリング装置のステアリングハウジングとして用いられるアルミニウム合金ダイカスト製品において、
α相及び共晶Ｓｉ相で構成される基地組織の硬さＨｖが８０以上であるとともに、最も高い応力が負荷される部位の表面に存在する鋳巣欠陥のうち最大の鋳巣欠陥の寸法を極値統計法により推定した推定値が９００μｍ以下であることを特徴とするステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品。
前記表面に露出している複数の鋳巣欠陥について、それらの露出面積をそれぞれ測定して、該露出面積と同一面積の楕円の長径と短径との積の平方根を算出し、算出された複数の前記平方根を極値統計法で解析して前記推定値を得たことを特徴とする請求項１に記載のステアリングハウジング用アルミニウム合金ダイカスト製品。