JP2015107492A

JP2015107492A - アルミニウム部材

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Publication number: JP2015107492A
Application number: JP2013250015A
Authority: JP
Inventors: 明彦朝見; Akihiko Asami; 畑　恒久; Tsunehisa Hata; 恒久畑
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN104694799B; JP6090793B2; CN104694799A; US20150152526A1; DE102014224744A1

Abstract

【課題】大型で薄肉な部品であっても、高強度と高剛性を両立するアルミニウム鋳造品化することが可能な技術を提供することを課題とする。【解決手段】固定金型１３と移動金型１５とに、砂型中子１７を介在させる。【効果】砂中子は溶湯を急冷することなく穏やかに冷却し、流動性を良好に維持する作用を発揮する。砂中子を用いた中空構造を活かし、薄肉軽量で部品剛性を高める構造とすることができる。大型で薄肉な部品であっても、閉断面構造のアルミニウム鋳造品化することが可能な技術が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム部材、特に大型のアルミニウム鋳造品に関する。

軽量化などを目的に、アルミニウム鋳造品が広く実用に供されてきた。加えて、組織の緻密化を図るために、ダイカスト法によるアルミニウム部材が広く提供される（例えば、特許文献１（請求項１）参照。）。

特許文献１は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎを特定範囲において含有したダイカスト用アルミニウム合金を提供する。この合金は、コンピューター等の電子機器装置用材料として利用される（特許文献１［０００１］）。

特許文献１の技術は、電子部品のような小型で薄肉のパーツには有効である。一方、車両部品のような大型で肉厚差が大きい場合、厚肉部と薄肉部では冷却速度に差が生じる。
Ａｌ−Ｍｇ系材料は、一般的に、湯流れ性が悪く、鋳造が難しい。このような湯流れ性の悪い材料を大型で肉厚差の大きい部品に適用すると、湯廻り不良や凝固時の溶湯補給性が悪く、結果、割れが発生するおそれがある。
そのため、一般的にＡｌ−Ｓｉ系の材料を選択するが、Ａｌ−Ｓｉ系の材料は、強度を得るために熱処理が必要となり、製造コストが高くなりやすい。

しかし、車両などの軽量化が求められる中、大型で肉厚差の大きい部品であっても、アルミニウム鋳造にて安価に製造することが求められる。

特許第２５４１４１２号公報

本発明は、大型で肉厚差の大きい部品であっても、アルミニウム鋳造品化することが可能な技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、重量％で、Ｓｉが１．０〜３．０％、Ｍｇが４．０〜６．０％、Ｆｅが１．０％以下、Ｍｎが１．０％以下、Ｃｕが０．５％以下、Ｚｎが０．５％以下であり、その他金属組織の微細化のため、０．１０〜０．２０％のＴｉと０．００１５〜０．００３０％のＢｅ少なくとも一方が添加され、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム部材であって、
鋳造用金型に、砂中子を配設し、前記鋳造用金型と前記砂中子との間に上記成分の溶湯を鋳込むことで製造された部材であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、アルミニウム部材は、高圧鋳造された中空ダイカスト部材である。

請求項３に係る発明では、中空ダイカスト部材は、車両用サブフレームであることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、車両用サブフレームは、クロスメンバ部とサスペンション支持部が一体となって、両部がともに中空であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、車両用サブフレームは、傾斜部を有していることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、アルミニウム鋳造品に、Ｓｉを１．０〜３．０％の範囲で含有させる。Ｓｉが１．０％未満になると０．２％耐力及び引張強度が低下し、Ｓｉが３．０％を超えると伸びが小さくなる。Ｓｉが１．０〜３．０％であれば、所定の０．２％耐力及び引張強度と伸びが確保できる。さらに、Ｓｉ添加によりＡｌ−Ｍｇ系のネガである湯流れ性が改善される。

ただし、Ｓｉが１．０〜３．０％であってもアルミニウム合金溶湯は湯流れ性の点では難があり、大型で肉厚差が大きい部品に、普通の高圧鋳造法（ダイカスト）を適用すると、最終充填部位の湯廻り不良や、厚肉部と薄肉部での割れが発生するおそれがある。
そこで、本発明では、金型に熱伝導率の低い砂中子を入れて、溶湯の温度低下を抑制すると同時に製品の肉厚差を小さくすることとした。

すなわち、本発明では、砂中子を用いた中空構造を活かし、薄肉軽量で部品剛性を高める構造とすることができる。
よって、請求項１によれば、大型で肉厚差の大きい部品、すなわち中子を使用しない場合に肉厚差が大きくなる部品であっても、アルミニウム鋳造品化することが可能な技術が提供される。

請求項２に係る発明では、アルミニウム部材は、高圧鋳造された中空ダイカスト部材であり、中空であるから薄肉化が達成でき、高圧鋳造であるから組織が緻密化で高い強度のアルミニウム部材が提供される。

請求項３に係る発明では、中空ダイカスト部材であることから、薄肉化が可能で、かつ、処理なしで機械的特性に優れているため、強度・信頼性が求められるサブフレームに好適であり、軽量かつ安価なサブフレームの提供が可能となる。サブフレームは、エンジン等のパワープラントを支え、パワープラントに起因する回転力や振動を受けるとともに、サスペンションからの荷重を受けることから、高強度と高剛性を求められる。

請求項４に係る発明では、車両用サブフレームは、クロスメンバ部とサスペンション支持部が一体となって、両部がともに中空であり、冷却が穏やかである部分が大きくなる。

請求項５に係る発明では、車両用サブフレームは、傾斜部を有しており、傾斜部では湯流れ性が維持され、傾斜部を含めることで周囲の部品との干渉を防止することができ、さらに断面積を大きくして剛性を高めることができる。

ダイカスト設備の原理図である。車体前部構造を示す斜視図である。サブフレームの底面図である。サブフレームの断面図である。Ｓｉ添加量と引張強度、０．２％耐力、伸びの相関図である。砂中子の有無と流動長の相関図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１（ａ）で、従来のダイカスト設備１００を比較例として説明する。すなわち、固定金型１０１と移動金型１０２とで形成されるキャビティ１０３へスリーブ１０４から溶湯１０５が注入される。キャビティ１０３は大型の厚肉部品が得られるように広くなっている。なお、図１（ａ）は原理図であって、キャビティ１０３は一定の肉厚として記載したが、現実の部品では肉厚差が大きくなる。流動性が良くない溶湯１０５を注入する場合、肉厚差が大きいと厚肉部と薄肉部では冷却速度に差が生じ、鋳造欠陥が出やすくなる。

図１（ｂ）に示すように、本発明の実施例に係るダイカスト設備１０は、例えば、定盤１１と、この定盤１１に固定される固定盤１２と、この固定盤１２に取付けられる固定金型１３と、固定盤１２に対向して配置される移動盤１４と、この移動盤１４を移動させる型締めシリンダ１５と、移動盤１４に取付けられる移動金型１６と、この移動金型１６と固定金型１３との間に置かれる砂中子１７と、固定盤１２に取付けらえる円筒状のスリーブ１８と、このスリーブ１８内を軸方向に移動するプランジャ１９とからなる。

更に、砂中子１７は、天然砂と人工砂を混ぜ合わせたものを焼成してアルミナコーティングを施しており、高圧注入に対応できるものとなっている。

固定金型１３と移動金型１６とで、鋳造用金型２０が構成される。
固定金型１３には、ランナー２２と、複数のゲート２３が設けられている。これらのゲート２３は砂中子１７と固定金型１３との間のキャビティ２４に開口する。砂中子１７の存在によりキャビティ２４の厚さＴは薄い。

スリーブ１８の途中に設けられている注湯口２５から、スリーブ１８内へアルミニウム合金溶湯２６（以下、溶湯２６と略記する。）が注入される。溶湯２６はスリーブ１８内に溜まる。プランジャ１９を前進させることで、溶湯２６はランナー２２へ高圧注入され、複数のゲート２３を介してキャビティ２４へ高圧注入される。

注入中であっても、溶湯２６は、固定金型１３及び移動金型１６で外面が冷却され、砂中子１７で内面が冷却される。金属中子に比較して砂中子１７は冷却性能が格段に小さいため、溶湯２６は穏やかに冷却される。冷却が穏やかであるため、比較的長い間流動性が保たれ、溶湯２６は固まることなくキャビティ２４の末端に到達する。

溶湯２６が凝固すると、型締めシリンダ１５で移動盤１４及び移動金型１６を移動し、型開きを実施する。開いた鋳造用金型２０から、アルミニウム鋳物を取り出す。
アルミニウム鋳物から砂中子１７を掻き出すことにより、アルミニウム部材である中空ダイカスト部材を得ることができる。

なお、図１は単なる一例を示すものであって、砂型中子１７が水平になるように、鋳造用金型２０を９０°回転させてもよい。また、ランナー２２を固定金型１３の内部に設けてもよい。

図２、図３において、矢印Ｆｒは前方、Ｒｒは後方を示す。
図２、図３に示すように、車体前部構造体３０は、車体前後方向に向けて配置された左右のサイドフレーム３１Ｌ、３１Ｒ（Ｌは左を示し、Ｒは右を示す添え字。以下同じ）と、左右のサイドフレーム３１Ｌ、３１Ｒの下方に取り付けられた車両用サブフレーム４０（以下、サブフレーム４０と記す。）と、サブフレーム４０の左右の端部に設けられた左右のサスペンションアーム３２Ｌ、３２Ｒと、左右のサスペンションアーム３２Ｌ、３２Ｒに連結された左右のサスペンション３３Ｌ、３３Ｒとを備えている。

さらに、車体前部構造体３０は、サブフレーム４０の上部に取付けられたステアリングギヤボックス３４と、サブフレーム４０およびパワープラント３５を連結するトルクロッド３６とを備えている。
ステアリングギヤボックス３４から延出されたステアリングシャフト３８にステアリングホイール３９が取り付けられている。
パワープラント３５は、一例として、エンジンとトランスミッションとが一体に形成され、左右のサイドフレーム３１Ｌ、３１Ｒ間に横向きに配置されたエンジン／トランスミッションユニットである。

図３に示すように、サブフレーム４０は、サスペンションアーム３２Ｌ、３２Ｒを支持する左右のサスペンション支持部４１Ｌ、４１Ｒと、これらのサスペンション支持部４１Ｌ、４１Ｒに渡されるクロスメンバ部４２とからなり、両部４１Ｌ、４１Ｒ、４２は一体化され且つともに中空である。

図４に示すように、サブフレーム４０は車両後方側から前方側に向けて傾斜部４３を有しており、これによりパワープラント（図３、符号３５）との干渉を防止することができる。併せて、傾斜部４３は形状が穏やかに変化するため湯流れが良好に維持される。

サブフレーム４０は、全体が砂中子（図１（ｂ）、符号１７）を用いて高圧鋳造された中空ダイカスト部材であり、砂中子の作用により、冷却が穏やかになり、薄肉化が達成できる。符号４５は、砂中子で形成された大きな空洞部である。
図３にて、砂中子はサスペンション支持部４１Ｌ、４１Ｒとクロスメンバ部４２のそれぞれの内部に位置している。これにより冷却が穏やかである部分を大きくすることができ、薄肉化を実現することができる。

図１に示す溶湯２６の成分は、重量％で、Ｓｉが１．０〜３．０％、Ｍｇが４．０〜６．０％、Ｆｅが１．０％以下、Ｍｎが１．０％以下、Ｃｕが０．５％以下、Ｚｎが０．５％以下であり、その他金属組織の微細化のため、０．１０〜０．２０％のＴｉと０．００１５〜０．００３０％のＢｅ少なくとも一方が添加され、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。

上記成分中、Ｓｉに注目して、検討する。
図５（ａ）に示すように、引張強度においては、Ｓｉ重量％で、２．０％が最大で、３．０％がそれに続き、１．０％がさらに続く値であることが認められた。
図５（ｂ）に示すように、０．２％耐力は、Ｓｉの添加量に比例して、増大する。
また、図５（ｃ）に示すように、伸びでは、１．０％が大で、２．０％がそれに続き、３．０％がさらに続く値であることが認められた。
すなわち、Ｓｉが１．０％未満になると引張強度が低下し、Ｓｉが３．０％を超えると伸びが小さくなる。Ｓｉが１．０〜３．０％であれば、所定の引張強度と耐力と伸びが確保できることが確認できた。

次に、砂中子について検討する。
図１（ａ）に示す設備での流動長さと、図１（ｂ）に示す設備での流動長さを調べた。
図６に示すように、アルミニウム溶湯が、５％Ｍｇ−２％Ｓｉの場合、砂中子を使用しないものよりも、砂中子を使用したものは流動長さが格段に大きいことが確認できた。

尚、本発明のアルミニウム部材は、中空鋳物であればよく、ダイカスト法、砂型鋳造法、低圧鋳造法、その他の鋳造法で製造することができる。
また、実施の形態では車両用サブフレームに適用したが、サスペンションアーム、その他の車体構成部材、自動二輪車のフレーム部材、あるいは車両以外の構造体の構成部品に適用することは差し支えない。

本発明のアルミニウム部材は、中空ダイカスト法で製造される車両用サブフレームが好適である。

１７…砂中子、２０…鋳造用金型、４０…車両用サブフレーム、４１Ｌ、４１Ｒ…サスペンション支持部、４５…クロスメンバ部、４３…傾斜部。

Claims

重量％で、Ｓｉが１．０〜３．０％、Ｍｇが４．０〜６．０％、Ｆｅが１．０％以下、Ｍｎが１．０％以下、Ｃｕが０．５％以下、Ｚｎが０．５％以下であり、その他金属組織の微細化のため、０．１０〜０．２０％のＴｉと０．００１５〜０．００３０％のＢｅ少なくとも一方が添加され、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム部材であって、
鋳造用金型に、砂中子を配設し、前記鋳造用金型と前記砂中子との間に上記成分の溶湯を鋳込むことで製造された部材であることを特徴とするアルミニウム部材。
前記アルミニウム部材は、高圧鋳造された中空ダイカスト部材であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム部材。
前記中空ダイカスト部材は、車両用サブフレームであることを特徴とする請求項２記載のアルミニウム部材。
前記車両用サブフレームは、クロスメンバ部とサスペンション支持部が一体となって、両部がともに中空であることを特徴とする請求項３記載のアルミニウム部材。
前記車両用サブフレームは、傾斜部を有していることを特徴とする請求項３記載のアルミニウム部材。