JP2015157589A

JP2015157589A - アルミダイカスト製ステアリングコラム

Info

Publication number: JP2015157589A
Application number: JP2014034184A
Authority: JP
Inventors: 清水　康之; Yasuyuki Shimizu; 康之清水; 雄一遠藤; Yuichi Endo
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-09-03

Abstract

【課題】厚肉部と薄肉部との品質のバラツキが少なく、強度低下要因や強度バラツキのないアルミダイカスト製のステアリングコラムを提供する。【解決手段】自動車用ステアリングのアルミダイカスト製ステアリングコラムであって、肉厚が最大となる部分の表面の平均硬さＡ（ＨＲＢ）と、肉厚が最小となる部分の表面の平均硬さＢ（ＨＲＢ）との比が、０．８≰（Ａ／Ｂ）≰１．０を満足する。【選択図】図１

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。

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ＪＩＳＤ５８１２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。

また、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。

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。特に、普通ダイカスト品や真空ダイカスト品の内部欠陥としてスリーブ内で凝固した破片がキャビティ内に混入して形成される破断チル層が欠陥として作用し、強度低下を引き起こす。そのため、強度確保のためには、製品内の品質バラツキを減少させる必要があるが、従来では品質バラツキの減少を目的に鋳造条件の適正化を行ってきたが、製品毎に鋳造条件を種々変更して鋳造試作と強度評価を重ねて条件出しをする必要があるうえ、一旦条件適正化を行った後も日々の条件のばらつきに伴い、製品内の品質バラツキが問題となる場合があり、鋳造条件適正化に頼った強度確保には限界があった。

特開２００８−２６５３５８号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、厚肉部と薄肉部との品質のバラツキが少なく、強度低下要因や強度バラツキのない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。

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アルミダイカスト製ステアリングコラムであって、
肉厚が最大となる部分の表面の平均硬さＡ（ＨＲＢ）と、肉厚が最小となる部分の表面の平均硬さＢ（ＨＲＢ）との比が、０．８≦（Ａ／Ｂ）≦１．０を満足す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）肉厚が最大となる部分の等軸なα平均結晶粒径Ｘと、肉厚が最小となる部分の等軸なα平均結晶粒径Ｙが、１．０≦（Ｘ／Ｙ）≦１．５を満足す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。

本発明によれば、厚肉部と薄肉部との品質のバラツキが少なく、高強度の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。

ステアリングコラムの一例を示す斜視図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

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。

本発明では、ステアリングコラム１をアルミダイカスト製とするが、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。

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。

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（Ｄ）と、注湯後における注湯の断面積（Ｔ）との比率（Ｔ／Ｄ×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。

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。

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において、肉厚が最大となる部分（以下「厚肉部」）の表面の平均硬さＡ（ＨＲＢ）と、肉厚が最小となる部分（以下「薄肉部」）の表面の平均硬さＢ（ＨＲＢ）との比が、０．８≦（Ａ／Ｂ）≦１．０を満足させることができ、強度のバラツキがなく、高品質のステアリングコラム１が得られる。この（Ａ／Ｂ）は１であることが最も好ましい。尚、Ａ及びＢともに、実用上はＨＲＢ４０以上が好ましい。

また、好ましくは、ステアリングコラム１の厚肉部の等軸なα平均結晶粒径Ｘと、薄肉部の等軸なα平均結晶粒径Ｙが、１．０≦（Ｘ／Ｙ）≦１．５を満足する。この（Ｘ／Ｙ）は１であることが最も好ましい。

尚、実際の測定では、仕様書や設計図を基にステアリングコラム１の厚肉部と、薄肉部とを指定し、それぞれの部分での表面硬さや結晶粒径を測定し、その平均値を求める。

また、アルミニウム合金には制限はないが、ＣｕとＳｉを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系アルミニウム合金が好適である。また、以下の含有量の「％」は、「質量％」のことである。

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_２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、１．５〜４．０%であり、より好ましくは１．５〜３．５％である。

また、Ｓｉは、Ｃｕと同様に機械的強度を高めるとともに、硬さを高めるために添加される。機械的強度及び硬さ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。好ましくいＳｉ含有量は６．５〜１２．０％、より好ましくは９．５〜１２．０％である。

更に、Ｍｇを添加していてもよい。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０．０１％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、０．０５〜０．３％である。

また、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０．０３％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０．０３％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。

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。

尚、上記合金組成のアルミニウム合金として、ＪＩＳＨ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金であるＡＤＣ１０やＡＤＣ１２を用いることができる。また、必要に応じてＭｇや上記した他の元素を添加してもよい。尚、Ｍｇを含む場合、ＪＩＳＨ５２０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金であるＡＣ４ＣやＡＣ４ＣＨを用いることもできる。

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。

（実施例１〜２１、比較例１〜６）
ＪＩＳＨ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２を用い、表1または表２に示すように、溶湯温度、ショットタイムラグ、スリーブ充填率、金型温度を変えてスリーブ法にて鋳造し、図1に示すステアリングコラムを得た。

得られたステアリングコラムについて、厚肉部表面の３箇所、並びに薄肉部表面の３箇所にて、ロックウェル硬度計を用いて硬さを測定し、それぞれの平均値を厚肉部の表面硬さ（Ａ）及び薄肉部の表面硬さ（Ｂ）とし、両表面硬さの比（Ａ／Ｂ）を求めた。結果を表１に示す。

また、厚肉部及び薄肉部から試験片を採取し、Ｘ線回折法による組織分析を行うとともに、電子顕微鏡で観察してそれぞれの平均結晶粒径を測定して厚肉部の平均結晶粒径（Ｘ）及び薄肉部の平均結晶粒径（Ｙ）とし、両平均結晶粒径の比（Ｘ／Ｙ）を求めた。結果を表２に示す。

表１に示すように、実施例１〜１２では０．８≦（Ａ／Ｂ）≦１．０を満足しているのに対し、比較例１〜３では（Ａ／Ｂ）が０．８未満である。また、表２に示すように、実施例１３〜２１では１．０≦（Ｘ／Ｙ）≦１．５を満足しているのに対し、比較例４ではデンドライト構造であり、比較例５〜６では（Ｘ／Ｙ）が１．５を超えている。

実施例及び比較例それぞれの鋳造条件をみると、実施例では比較例に比べてショットタイムラグを長くし、スリーブ充填率を少なくしている。その結果、実施例の方がスリーブ内冷却スピードが大きくなり、核生成が促進されたものと考えられる。

１ステアリングコラム
２キー穴部２

Claims

自動車用ステアリングのアルミダイカスト製ステアリングコラムであって、
肉厚が最大となる部分の表面の平均硬さＡ（ＨＲＢ）と、肉厚が最小となる部分の表面の平均硬さＢ（ＨＲＢ）との比が、０．８≦（Ａ／Ｂ）≦１．０を満足す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。
肉厚が最大となる部分の等軸なα平均結晶粒径Ｘと、肉厚が最小となる部分の等軸なα平均結晶粒径Ｙが、１．０≦（Ｘ／Ｙ）≦１．５を満足す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。