JP2015157588A - aluminum die-cast steering column - Google Patents

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雄一 遠藤
Yuichi Endo
雄一 遠藤
清水 康之
Yasuyuki Shimizu
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aluminum die-cast steering column that further increases base strength by suppressing a deterioration or variations in strength.SOLUTION: An aluminum die-cast steering column for use in a steering lock with an ignition switch for steering for an automobile is made of an aluminum die casting which contains Cu, Si and Mg as essential components by specific amounts, which contains not only Zn, Fe, Mn and Ni but also Ti, Pb, Sn, Cr, Sr, Ca and Na as arbitrary components, and in which the remainder is Al and inevitable impurities. Hardness of its casting surface is set to be HRB 57.5 or more.

Description

本発明は、自動車用ステアリングのイグニッションスイッチ付きステアリングロックに使用されるアルミダイカスト製ステアリングコラムに関する。   The present invention relates to an aluminum die-cast steering column used for a steering lock with an ignition switch of an automobile steering.

自動車の盗難防止のため、イグニッションスイッチのキーを抜いた場合にエンジンを停止させるだけでなく、ステアリングホイールを回転不能とするステアリングロック装置が使用されている。ステアリングロック装置の本体及び取付部であるステアリングコラムは、堅ろうで容易に破壊できないものである必要があり、例えばJIS D 5812ではステアリングシャフトをロック状態にして200Nmのトルクをステアリングシャフトに加えても機能に異常なきことと規定されている。   In order to prevent theft of the automobile, a steering lock device is used that not only stops the engine when the key of the ignition switch is removed but also disables the steering wheel. The steering column, which is the main body of the steering lock device and the mounting portion, must be rigid and cannot be easily broken. It is stipulated that there is no abnormality.

一方で、ステアリングの構造が従来の油圧式からEPS式へと変化し、構成部品にかかるトルクも厳しいものとなり、ステアリングコラムにも高強度化が求められている。ステアリングコラムは、軽量化のため例えばアルミニウム合金のような軽金属のダイカストで作製される場合が多い(例えば、特許文献1参照)。ダイカスト法は様々な工法が知られているが、ステアリングコラムに適用されている工法としては、金型をダイカストマシンに取り付けて金型内にアルミニウム合金の溶湯を高圧で注入し、凝固させた後、金型から取り出す普通ダイカスト法が汎用されている。また、巣対策として金型のキャビティー内を真空引きして減圧する真空ダイカスト法が適用される場合もある。   On the other hand, the structure of the steering is changed from the conventional hydraulic type to the EPS type, the torque applied to the components becomes severe, and the steering column is also required to have high strength. In many cases, a steering column is manufactured by die casting of a light metal such as an aluminum alloy in order to reduce the weight (for example, see Patent Document 1). Various methods are known for the die casting method, but as a method applied to the steering column, after the mold is attached to the die casting machine, the molten aluminum alloy is injected into the mold at high pressure and solidified. The ordinary die casting method for taking out from a mold is widely used. Further, as a countermeasure against the nest, a vacuum die casting method in which the inside of the mold cavity is evacuated and decompressed may be applied.

しかし、普通ダイカスト法や真空ダイカスト法では、鋳造欠陥を有しているため過大なトルクが付加されると破断してしまう恐れがあり、いかにして強度を確保するかが重要となる。この鋳造欠陥には鋳巣、破断チル層、粗大α相などの様々な欠陥があり、普通ダイカスト法や真空ダイカスト法ではこれらの欠陥を完全に制御して強度バラツキがない製品を得ることは困難であった。また、従来のJIS規定鋳造用アルミニウム合金では、真空ダイカスト法などの特殊ダイカスト法を用いても製品強度の向上代が顕著に優れたものではなく、製品適用用途は軽荷重用途の構造部材などに限られていた。   However, the ordinary die casting method and the vacuum die casting method have a casting defect, and therefore, if an excessive torque is applied, the die may be broken, and how to secure the strength is important. These casting defects include various defects such as cast holes, fractured chill layers, and coarse α-phase, and it is difficult to obtain products that do not have strength variation by controlling these defects completely by the ordinary die casting method or vacuum die casting method. Met. In addition, the conventional aluminum alloy for JIS standard casting does not have a remarkable improvement in product strength even if a special die casting method such as a vacuum die casting method is used. It was limited.

特開2008−265358号公報JP 2008-265358 A

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、強度の低下やバラツキを抑え、基地強度をより向上させたアルミダイカスト製のステアリングコラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an aluminum die-cast steering column in which strength reduction and variation are suppressed and base strength is further improved.

上記課題を解決するために本発明は、下記のアルミダイカスト製ステアリングコラムを提供する。
(1)自動車用ステアリングのイグニッションスイッチ付きステアリングロックに使用されるアルミダイカスト製ステアリングコラムにおいて、
材料組成が、質量%で、Cu:5.0%以下、Si:6.5〜12.0%、Mg:0.1〜0.6%を必須成分とし、任意成分としてZn:1.0%以下、Fe:1.3%以下、Mn:0.6%以下、Ni:0.05%以下、Ti:0.5%以下、Pb:0.2%以下、Sn:0.2%以下、Cr:0.05%以下、Sr:0.2%以下、Ca:0.2%以下、Na:0.2%以下を含み、残部がAl及び不可避的不純物であり、かつ、鋳肌面の硬さがHRB57.5以上であることを特徴とするアルミダイカスト製ステアリングコラム。
(2)引張強度σBが280MPa以上で、伸びが4.0%以上であることを特徴とする上記(1)記載のアルミダイカスト製ステアリングコラム。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following aluminum die-cast steering column.
(1) In an aluminum die-cast steering column used for a steering lock with an ignition switch of an automobile steering,
The material composition is, by mass%, Cu: 5.0% or less, Si: 6.5 to 12.0%, Mg: 0.1 to 0.6% as essential components, and Zn: 1.0 as an optional component. % Or less, Fe: 1.3% or less, Mn: 0.6% or less, Ni: 0.05% or less, Ti: 0.5% or less, Pb: 0.2% or less, Sn: 0.2% or less , Cr: 0.05% or less, Sr: 0.2% or less, Ca: 0.2% or less, Na: 0.2% or less, the balance being Al and inevitable impurities, and the casting surface An aluminum die-cast steering column characterized by having a hardness of HRB57.5 or higher.
(2) The aluminum die-cast steering column as described in (1) above, wherein the tensile strength σB is 280 MPa or more and the elongation is 4.0% or more.

本発明によれば、Cu及びSi、Mgを必須成分とし、更にTiやSr、Ca、Na等を任意成分として含有する鋳造用アルミニウム合金を用いることにより、強度の低下やバラツキが抑えられ、基地強度がより向上されたアルミダイカスト製のステアリングコラムが提供される。   According to the present invention, by using an aluminum alloy for casting containing Cu, Si, Mg as essential components and further containing Ti, Sr, Ca, Na, etc. as optional components, strength reduction and variation can be suppressed. A steering column made of aluminum die-casting with improved strength is provided.

ステアリングコラムの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a steering column. 試験片の形状及び各部の寸法を示す側面図である。It is a side view which shows the shape of a test piece, and the dimension of each part.

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、ステアリングコラムの一例を示す斜視図である。このステアリングコラム1は中空の筒体であり、キー穴部2が形成されている。そして、内部にステアリングシャフト(図示せず)が挿通されており、ステアリングコラム1のキー穴部2にキーを差込み、ステアリングシャフトをロックする。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of a steering column. The steering column 1 is a hollow cylinder, and has a key hole 2 formed therein. A steering shaft (not shown) is inserted inside, and a key is inserted into the key hole 2 of the steering column 1 to lock the steering shaft.

本発明では、ステアリングコラム1を、Cu、Si及びMgを必須成分として含むアルミダイカスト製とする。以下にこれら必須成分について説明するがそれぞれの含有量は、何れもアルミニウム合金全量に対する質量%である。   In the present invention, the steering column 1 is made of an aluminum die casting containing Cu, Si and Mg as essential components. Although these essential components will be described below, each content is mass% with respect to the total amount of the aluminum alloy.

Cuは機械的強度を高めるのに有効な元素であるが、含有量が5.0%を超えると、粒界にCuAl等の金属間化合物が多量に晶出したり、析出したりして破断伸び等を低下させる。そのため、Cu含有量は5%以下とする。尚、下限には制限はないが、機械的強度の向上を確保するためには0.1%以上必要である。好ましいCu含有量は、3.5〜5.0%である。 Cu is an element effective for increasing the mechanical strength. However, if the content exceeds 5.0%, a large amount of intermetallic compounds such as CuAl 2 are crystallized or precipitated at the grain boundaries, and breakage occurs. Reduce elongation. Therefore, the Cu content is 5% or less. In addition, although there is no restriction | limiting in a minimum, in order to ensure the improvement of mechanical strength, 0.1% or more is required. A preferable Cu content is 3.5 to 5.0%.

Siは、Cuと同様に機械的強度を高めるとともに、硬さ及び流動性を高めるために添加される。機械的強度、硬さ及び流動性を確保するためには、含有量を6.5%以上にする必要がある。但し、12.0%を超えると伸びが低下するようになるため、12.0%以下とする。好ましいSi含有量は、6.5〜8.0%である。   Si is added to increase the mechanical strength as well as Cu, and to increase the hardness and fluidity. In order to ensure mechanical strength, hardness, and fluidity, the content needs to be 6.5% or more. However, if it exceeds 12.0%, the elongation decreases, so the content is made 12.0% or less. A preferable Si content is 6.5 to 8.0%.

Mgは、引張強度や硬さを高めるのに有効な元素であるが、含有量が0.1%未満ではこのような効果を発揮することができない。但し、含有量が0.6%を超えると、靭性が低下するようになる。好ましいMg含有量は、0.4〜0.6%である。   Mg is an element effective for increasing the tensile strength and hardness, but such an effect cannot be exhibited when the content is less than 0.1%. However, when the content exceeds 0.6%, the toughness is lowered. A preferable Mg content is 0.4 to 0.6%.

また、何れも任意ではあるが、表面硬さや引張強度、伸び等を更に向上して品質向上を図るために、Znを1.0%以下(好ましくは0.3%以下)、Feを1.3%以下(好ましくは0.5%以下)、Mnを0.6%以下(好ましくは0.5%以下)、Niを0.05%以下(好ましくは0.04%以下)、Tiを0.5%以下(好ましくは、0.2〜0.5%)、Pbを0.2%以下(好ましくは0.05%以下)、Snを0.2%以下(好ましくは0.05%以下)、Crを0.05%以下(好ましくは0.04%以下)、Srを0.2%以下(好ましくはSr:0.02〜0.2%、)、Caを0.2%以下(好ましくはCa:0.02〜0.2%)、Naを0.2%以下(好ましくは0.02〜0.2%)添加することもできる。尚、これら任元素の含有量の下限は0%である。   In addition, in any case, in order to further improve the surface hardness, tensile strength, elongation and the like to improve the quality, Zn is 1.0% or less (preferably 0.3% or less) and Fe is 1. 3% or less (preferably 0.5% or less), Mn 0.6% or less (preferably 0.5% or less), Ni 0.05% or less (preferably 0.04% or less), Ti 0 0.5% or less (preferably 0.2 to 0.5%), Pb 0.2% or less (preferably 0.05% or less), Sn 0.2% or less (preferably 0.05% or less) ), Cr is 0.05% or less (preferably 0.04% or less), Sr is 0.2% or less (preferably Sr: 0.02 to 0.2%), and Ca is 0.2% or less ( Preferably, Ca: 0.02 to 0.2%) and 0.2% or less (preferably 0.02 to 0.2%) of Na can be added. In addition, the minimum of content of these elements is 0%.

これら任意元素は、その目的に応じて添加されるものであり、例えば、Sr添加により、板状Siが球状化して靭性や伸びを向上させることができる。また、Ti添加により、結晶粒微細化が進み、CaやNa添加により板状Siの球状化が進む。これら任意成分は、それぞれ単独でも、2種以上を混合して添加してもよい。   These optional elements are added depending on the purpose. For example, by adding Sr, the plate-like Si can be spheroidized to improve toughness and elongation. Moreover, crystal grain refinement progresses by addition of Ti, and spheroidization of plate-like Si progresses by addition of Ca or Na. These optional components may be added alone or in admixture of two or more.

尚、上記合金組成のアルミニウム合金として、JIS H5202のAl−Si−Mg系アルミニウム合金であるAC4CやAC4CH、JIS H5302のAl−Si−Cu系アルミニウム合金であるADC10やADC12、あるいはこれらにCuやMg、更には任意成分を所定量添加した材料を用いることもできる。   In addition, as an aluminum alloy of the above alloy composition, AC4C and AC4CH, which are Al—Si—Mg based aluminum alloys of JIS H5202, ADC10 and ADC12 which are Al—Si—Cu based aluminum alloys of JIS H5302, or Cu and Mg Furthermore, a material added with a predetermined amount of an optional component can also be used.

上記のアルミニウム合金をダイカスト鋳造することにより、例えば図1に示す形状のステアリングコラムに鋳造される。ダイカスト法としては、スリーブ法の半凝固ダイカスト鋳造法(以下、「スリーブ法」)を用いる。   By die casting the above aluminum alloy, for example, it is cast into a steering column having the shape shown in FIG. As the die casting method, a semi-solid die casting method (hereinafter, “sleeve method”) of a sleeve method is used.

このスリーブ法では、一般的なダイカストマシンのキャビティにスリーブを連結した装置を用い、型締めが完了した時点でスリーブの注湯口から上記のアルミニウム合金の溶湯を注入し、プランジャによる射出を行う。そして、型開きを行い、鋳造品(ステアリングコラム)を金型から取り出す。   In this sleeve method, a device in which a sleeve is connected to a cavity of a general die casting machine is used, and when the mold clamping is completed, the molten aluminum alloy is injected from a pouring port of the sleeve, and injection is performed by a plunger. Then, the mold is opened, and the cast product (steering column) is taken out from the mold.

スリーブ法では他のダイカスト法に比べて細かい粒径の成形体を得ることができるが、そのためには、より大きな過冷却度(大きな冷却速度)を達成すること、より多くの核を生成させることが必要と考えられており、そのためには、注湯温度、スリーブ寸法、スリーブ温度、スリーブ充填率及び冷却速度を最適化する必要があり、中でもスリーブ充填率の影響が大きい。スリーブ充填率とは、スリーブの長手方向に垂直な断面での断面積(S)と、注湯後における注湯の断面積(A)との比率(A/S×100(%))である。このスリーブ充填率が小さくなることにより、溶湯とスリーブとの接触面積が大きくなる。そのため、スリーブ充填率を小さくするとともに、ショットタイムラグ(スリーブに注湯してから射出するまでの時間)を長くすることにより、スリーブ内冷却速度を大きくして、核生成を促進することができる。   In the sleeve method, it is possible to obtain a compact having a fine particle size compared to other die casting methods. For this purpose, it is necessary to achieve a larger degree of supercooling (large cooling rate) and to generate more nuclei. Therefore, it is necessary to optimize the pouring temperature, the sleeve size, the sleeve temperature, the sleeve filling rate and the cooling rate, and the effect of the sleeve filling rate is great. The sleeve filling rate is a ratio (A / S × 100 (%)) between a cross-sectional area (S) in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sleeve and a cross-sectional area (A) of the pouring after pouring. . As the sleeve filling rate decreases, the contact area between the molten metal and the sleeve increases. Therefore, by reducing the sleeve filling rate and increasing the shot time lag (time from pouring to the sleeve until injection), the cooling rate in the sleeve can be increased and nucleation can be promoted.

尚、スリーブ法について、国際公開第2013/039247号公報を参考することができる。   For the sleeve method, International Publication No. 2013/039247 can be referred to.

そして、このようなスリーブ法において、スリーブ充填率を小さくしたり、ショットタイムラグを長くしたり、更には注湯温度やスリーブ寸法、スリーブ温度などを調整することにより、得られるステアリングコラム1の鋳肌面の硬さを、HRB57.5以上にすることができる。この硬さがHRB57.5未満では十分な機械的強度や耐久性、寸法安定性が得られない。好ましくは、HRB62.0以上とする。   In such a sleeve method, the casting surface of the steering column 1 obtained by reducing the sleeve filling rate, increasing the shot time lag, and adjusting the pouring temperature, sleeve size, sleeve temperature, etc. The hardness of the surface can be HRB 57.5 or more. If the hardness is less than HRB57.5, sufficient mechanical strength, durability and dimensional stability cannot be obtained. Preferably, it is set to HRB62.0 or more.

更には、ステアリングコラム1の品質をより高めるために、引張強度σBが280MPa以上、好ましくは315MPa以上で、伸びが4.0%以上、好ましくは7.0%以上とする。   Further, in order to further improve the quality of the steering column 1, the tensile strength σB is 280 MPa or more, preferably 315 MPa or more, and the elongation is 4.0% or more, preferably 7.0% or more.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is further demonstrated, this invention is not restrict | limited at all by this.

(実施例1〜16、比較例1〜16)
JIS H5202のAl−Si−Mg系アルミニウム合金であるAC4CまたはAC4CH、JIS H5302のAl−Si−Cu系アルミニウム合金であるADC10またはADC12、あるいはこれらにCuやMg、更にはSrやTi等の任意成分を所定量添加して、表1に示す実施例及び比較例の各アルミニウム合金を用意した。
(Examples 1-16, Comparative Examples 1-16)
JIS H5202 Al-Si-Mg-based aluminum alloy AC4C or AC4CH, JIS H5302 Al-Si-Cu-based aluminum alloy ADC10 or ADC12, or optional components such as Cu, Mg, and Sr and Ti Were added in predetermined amounts to prepare aluminum alloys of Examples and Comparative Examples shown in Table 1.

そして、アルミニウム合金を用い、実施例並びに比較例2〜4、比較例6〜8、比較例10〜12、比較例14〜16ではスリーブ法により、鋳造条件を表記のように変えて図1に示すステアリングコラムをダイカスト鋳造した。また、比較例1、5、8,13では普通ダイキャスト法により同形状のステアリングコラムを得た。そして、ステアリングコラムキーロック周辺部から図2に示す形状及び各部の寸法の試験片を切り出し、下記の条件にて試験を行い、試験後の試験片つかみ部のロックウェル硬さHRBを測定した。このときの測定面は鋳肌面とした。結果を表1に示す。
(試験条件)
試験機:インストロン引張圧縮試験機
引張速度:0.5mm/min
ビデオ伸び計による試験片伸び測定
And in Example and Comparative Examples 2-4, Comparative Examples 6-8, Comparative Examples 10-12, and Comparative Examples 14-16 using an aluminum alloy, the casting conditions are changed as shown in FIG. The steering column shown was die cast. In Comparative Examples 1, 5, 8, and 13, steering columns having the same shape were obtained by the ordinary die casting method. Then, test pieces having the shapes and dimensions shown in FIG. 2 were cut out from the periphery of the steering column key lock, tested under the following conditions, and the Rockwell hardness HRB of the test piece grip after the test was measured. The measurement surface at this time was a casting surface. The results are shown in Table 1.
(Test conditions)
Testing machine: Instron tensile and compression testing machine Tensile speed: 0.5 mm / min
Test piece elongation measurement by video extensometer

実施例に示すように、本発明に従う合金組成で、スリーブ法で鋳造した試験片は、何れも鋳肌面の硬さがHRB57.5以上であり、更には引張強度が280MPa以上、伸びが4.0%以上である。   As shown in the examples, all of the test pieces cast by the sleeve method with the alloy composition according to the present invention have a hardness of the cast skin surface of HRB 57.5 or more, and further a tensile strength of 280 MPa or more and an elongation of 4 0.0% or more.

また、実施例1、5、9、13と、比較例1、5、9、13との比較から、同一材料を用いても、スリーブ法にて鋳造することにより、普通ダイカスト法にて鋳造した場合に比べて、硬さ・引張強度・伸びにより優れるようになることがわかる。   Further, from the comparison between Examples 1, 5, 9, and 13 and Comparative Examples 1, 5, 9, and 13, even if the same material was used, casting was performed by a normal die casting method by casting by a sleeve method. It can be seen that the hardness, tensile strength, and elongation become superior compared to the case.

実施例2、6、10、14のようにCu及びSrを添加すると、実施例1、5、9、13よりも硬さ・引張強度・伸びが優れるようになる。これは、Cu添加による硬さ及び基地強度の向上と、Sr添加による板状Siの球状化により靭性・伸びが向上したためである。   When Cu and Sr are added as in Examples 2, 6, 10, and 14, the hardness, tensile strength, and elongation are superior to those of Examples 1, 5, 9, and 13. This is because the toughness / elongation is improved by the improvement of hardness and base strength by addition of Cu and the spheroidization of plate-like Si by addition of Sr.

実施例3、7、11、15のように、実施例2、6、10、14の材料にMgを添加することにより、更に硬さ・強度・伸びが向上する。これは、Mg添加により、強度が向上する一方で、伸びの向上が阻害されるが、Sr添加により伸びが向上するため、Mg添加による懸念は払拭される。   By adding Mg to the materials of Examples 2, 6, 10, and 14 as in Examples 3, 7, 11, and 15, the hardness, strength, and elongation are further improved. This is because the addition of Mg improves the strength while inhibiting the improvement of the elongation, but the elongation is improved by the addition of Sr, so the concern due to the addition of Mg is eliminated.

実施例4、8、12、16のように、実施例3、7、11、15の材料にTi、Ca、Naを添加することにより、硬さ・引張強度・伸びの向上代は最も大きくなる。これは、Ti添加による結晶粒微細化、CaやNa添加による板状Siの球状化が進むためである。   By adding Ti, Ca, and Na to the materials of Examples 3, 7, 11, and 15 as in Examples 4, 8, 12, and 16, the amount of improvement in hardness, tensile strength, and elongation becomes the largest. . This is because crystal grain refinement by adding Ti and spheroidization of plate-like Si by adding Ca or Na progress.

これに対し、比較例2〜4、6〜8、10〜12、14〜16では、材料成分が本発明範囲外であり、スリーブ法を適用しても硬さ・引張強度・伸びの向上は少ない。   On the other hand, in Comparative Examples 2 to 4, 6 to 8, 10 to 12, and 14 to 16, the material component is outside the scope of the present invention, and the improvement in hardness, tensile strength, and elongation is achieved even when the sleeve method is applied. Few.

1 ステアリングコラム
2 キー穴部2
1 Steering column 2 Key hole 2

Claims (2)

自動車用ステアリングのイグニッションスイッチ付きステアリングロックに使用されるアルミダイカスト製ステアリングコラムにおいて、
材料組成が、質量%で、Cu:5.0%以下、Si:6.5〜12.0%、Mg:0.1〜0.6%を必須成分とし、任意成分としてZn:1.0%以下、Fe:1.3%以下、Mn:0.6%以下、Ni:0.05%以下、Ti:0.5%以下、Pb:0.2%以下、Sn:0.2%以下、Cr:0.05%以下、Sr:0.2%以下、Ca:0.2%以下、Na:0.2%以下を含み、残部がAl及び不可避的不純物であり、かつ、鋳肌面の硬さがHRB57.5以上であることを特徴とするアルミダイカスト製ステアリングコラム。
In the aluminum die-cast steering column used for steering lock with ignition switch for automobile steering,
The material composition is, by mass%, Cu: 5.0% or less, Si: 6.5 to 12.0%, Mg: 0.1 to 0.6% as essential components, and Zn: 1.0 as an optional component. % Or less, Fe: 1.3% or less, Mn: 0.6% or less, Ni: 0.05% or less, Ti: 0.5% or less, Pb: 0.2% or less, Sn: 0.2% or less , Cr: 0.05% or less, Sr: 0.2% or less, Ca: 0.2% or less, Na: 0.2% or less, the balance being Al and inevitable impurities, and the casting surface An aluminum die-cast steering column characterized by having a hardness of HRB57.5 or higher.
引張強度σBが280MPa以上で、伸びが4.0%以上であることを特徴とする請求項1記載のアルミダイカスト製ステアリングコラム。   2. The aluminum die-cast steering column according to claim 1, wherein the tensile strength [sigma] B is 280 MPa or more and the elongation is 4.0% or more.
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