JP2022072574A - 自動車のホイール用アルミニウム合金及び自動車のホイール - Google Patents
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Abstract
Description
[3]上記[1]または[2]に記載の自動車のホイール用アルミニウム合金で構成された自動車のホイール。
[4]鍛造品である上記[3]に記載の自動車のホイール。
本実施形態の自動車のホイール用アルミニウム合金は、Siを8.5質量%以上10.5質量%以下の範囲内、Cuを0.8質量%以上1.1質量%以下の範囲内、Mgを0.4質量%以上0.6質量%以下の範囲内、Mnを0.30質量%以上0.60質量%以下の範囲内、Feを0.10質量%以上0.30質量%以下の範囲内、Crを0.01質量%以上0.03質量%以下の範囲内で含有し、残部がAl及び不可避不純物とされている。また、本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、Cuを1質量%以上含有し、円相当直径が5μmを超える晶出物を、1182μm2あたり2個以上含まず、長さが8μm以上のCr含有金属間化合物を1182μm2あたり2個以上含まず、円相当直径が10μmを超える初晶Si粒を4726μm2あたり2個以上含まないようにされている。また、本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、共晶Si粒の平均粒径が0.5μm以上4μm以下の範囲内にあって、共晶Si粒の面積率が8%以上であってもよい。また、本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、引張強さが330MPa以上380MPa以下の範囲内にあってもよく、伸びは8%以上12%以下の範囲内にあってもよい。また、本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、縦弾性係数が77GPa以上であってもよい。また、本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、耐腐食性が、液温90℃の試験溶液に0.2%耐力の70%の応力を負荷した状態で10時間浸漬したときの腐食の進展深さとして1mm未満であってもよい。
Si(成分)は、アルミニウム合金の引張強さや縦弾性係数を向上させる作用を有する。ただし、アルミニウム合金にSiを過剰に添加すると、粗大な初晶Si粒が晶出することにより、アルミニウム合金の伸びが低下するおそれがある。
Si含有率が8.5質量%未満になると、Siによる引張強さや縦弾性係数の向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Si含有率が10.5質量%を超えると、粗大な初晶Si粒が晶出しやすくなるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Si含有率は8.5質量%以上10.5質量%以下の範囲内とされている。Si含有率は、9.0質量%以上10.0質量%以下の範囲内にあることがより好ましい。
Cu(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Cuは、アルミニウム合金中でG.P.ゾーンを形成する。このG.P.ゾーンが中間相となることによって、アルミニウム合金の引張強さの向上に寄与する。
Cu含有率が0.8質量%未満になると、Cuによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Cu含有率が1.1質量%を超えると、耐腐食性が低下するおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Cu含有率は0.8質量%以上1.1質量%以下の範囲内とされている。Cu含有率は、0.9質量%以上1.0質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Mg(成分)は、Cuと同様にアルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Mgは、アルミニウム合金中でSiやCuを含む化合物を形成する。この化合物がQ相として析出することで、アルミニウム合金の引張強さの向上に寄与する。
Mg含有率が0.4質量%未満になると、Mgによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Mg含有率が0.6質量%を超えると、Mgによる引張強さの向上効果が低下するおそれがある。このため、本実施形態では、Mg含有率は、0.4質量%以上0.6質量%以下の範囲内とされている。Mg含有率は0.45質量%以上0.55質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Mn(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Mnは、アルミニウム合金中でAl-Mn-Si金属間化合物等を含む微細な粒状の晶出物を形成することで、アルミニウム合金の引張強さの向上に寄与する。
Mn含有率が0.30質量%未満になると、Mnによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Mn含有率が0.60質量%を超えると、上記の金属間化合物が粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金の引張強さや伸びを低下させるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Mn含有率は、0.30質量%以上0.60質量%以下の範囲内とされている。Mn含有率は、0.35質量%以上0.55質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Fe(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Feは、アルミニウム合金中でAl-Fe-Si金属間化合物、Al-Cu-Fe金属間化合物、Al-Mn-Fe金属間化合物等を含む微細な晶出物として晶出することで、アルミニウム合金の機械的特性の向上に寄与する。
Fe含有率が0.10質量%未満になると、Feによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Fe含有率が0.30質量%を超えると、上記金属間化合物が粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金の引張強さや伸びを低下させるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Fe含有率は0.10質量%以上0.30質量%以下の範囲内とされている。Fe含有量は、0.15質量%以上0.25質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Cr(成分)は、アルミニウム合金の機械的特性を向上させる作用を有する。Crは、アルミニウム合金中でAl-Fe-Cr金属間化合物等を含む微細なCr含有金属間化合物として晶出することで、アルミニウム合金の機械的特性の向上に寄与する。
Cr含有量が0.01質量%未満になると、Crによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Cr含有量が0.03質量%を超えると、Cr含有金属間化合物が粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金の引張強さや伸びを低下させるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Cr含有率は0.01質量%以上0.03質量%以下の範囲内とされている。Cr含有量は、0.015質量%以上0.02質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
不可避不純物は、アルミニウム合金の原料又は製造工程から不可避的にアルミニウム合金に混入する不純物である。本実施形態のホイール用アルミニウム合金において、Zn、Ni、Zr、Tiの各元素の混入量は、これらの各元素の合計の含有率で0.5質量%を超えないことが好ましい。上記の各元素の合計含有率が0.5質量%を超えると、その各元素がAl母相より先に晶出して、粗大な晶出物を形成することで、アルミニウム合金の延性が小さくなり、引張強さや伸びが低下するおそれがある。
Cuを1質量%以上含有するCu系晶出物の円相当直径が5μmを超えると、アルミニウム合金の引張強さ及び伸びを低下させるおそれがある。このため、本実施形態では、円相当直径が5μmを超える粗大なCu系晶出物を、1182μm2あたり2個以上含まないとされている。1182μm2あたりの粗大なCu系晶出物の数は1個以下であることが好ましく、粗大なCu系晶出物を含まないことがより好ましい。粗大なCu系晶出物を含まない場合、アルミニウム合金に含まれるCu系晶出物の最大円相当直径は、3μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。
長さが8μm以上のCr含有金属間化合物は、アルミニウム合金の引張強さや伸びを低下させるおそれがある。このため、本実施形態では、長さが8μm以上の粗大なCr含有金属間化合物を、1182μm2あたり2個以上含まないとされている。1182μm2あたりの粗大なCr含有金属間化合物の数は1個以下であることが好ましく、粗大なCr含有金属間化合物を含まないことがより好ましい。粗大なCr含有金属間化合物を含まない場合、アルミニウム合金に含まれるCr含有金属間化合物の最大長さは、6μm以下であることが好ましく、4μm以下であることがより好ましい。
Cr含有金属間化合物の長さ及び個数は、上記のCu系晶出物の場合と同様に、アルミニウム合金の断面の1182μm2の範囲について、FE-SEM/EDSを用いて、Cr含有金属間化合物を検出し、検出されたCr含有金属間化合物の長さ及び個数をSEM画像により計測することによって測定することができる。
円相当直径が10μmを超える粗大な初晶Si粒は、アルミニウム合金の伸びを低下させるおそれがある。このため、本実施形態では、円相当直径が10μmを超える粗大な初晶Si粒を、4726μm2あたり2個以上含まないとされている。粗大な初晶Si粒の数は1以下であることが好ましく、粗大な初晶Si粒を含まないことがより好ましい。粗大な初晶Si粒を含まない場合、アルミニウム合金に含まれる初晶Si粒の最大円相当直径は、8μm以下であることが好ましく、4μm以下であることがより好ましい。
初晶Si粒の円相当直径及び個数は、アルミニウム合金の断面の60.9μm×77.6μm(=4726μm2)の範囲について、FE-SEM/EDSを用いて観察することによって測定することができる。
共晶Si粒の平均粒径が0.5μm未満であると耐摩耗性が不十分となるおそれがある。一方、共晶Si粒の平均粒径が4μmを超えると過剰な耐摩耗性を有し、相手材(例えば、タイヤ、シャフト)への攻撃性を強めるおそれがある。このため、本実施形態では、共晶Si粒の平均粒径が0.5μm以上4μm以下の範囲内とされている。
共晶Si粒の面積率が8%未満であると耐摩耗性が不十分となるおそれがある。このため、本実施形態では、共晶Si粒の面積率が8%以上とされている。共晶Si粒の面積率は、15%以下であってもよい。
共晶Si粒の平均粒径及び面積率は、上記の初晶Si粒の場合と同様に、アルミニウム合金の断面の4726μm2の範囲について、FE-SEM/EDSを用いて観察することによって測定することができる。
本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、25℃における引張強さが330MPa以上380MPa以下の範囲内にあってもよい。また、25℃における伸びは8%以上12%以下の範囲内にあってもよい。引張強さ及び伸びは、JIS4号引張試験片を用いて、JIS Z2241:2011(金属材料引張試験方法)の規定に準拠して測定した値である。
本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、25℃における縦弾性係数(ヤング率)が77GPa以上であってもよい。縦弾性係数は85GPa以下であってもよい。縦弾性係数は、縦弾性係数測定用の試験片に機械的又は電気的に強制振動を与えて共振周波数(固有振動数)を計測し、この共振周波数から縦弾性係数を計算する方法(共振法)によって測定した値である。
本実施形態のホイール用アルミニウム合金は、液温90℃の試験溶液に、0.2%耐力の70%に相当する応力を負荷した状態で10時間浸漬したときの腐食の進展深さが1mm未満であってもよい。試験溶液は、ニクロム酸カリウム濃度が3質量%、無水クロム酸濃度が3.6質量%、塩化ナトリウム濃度が0.3質量%の水溶液である。
本実施形態の自動車のホイールは、前述の本実施形態のホイール用アルミニウム合金で構成されている。すなわち、本実施形態のホイールは、Si、Cu、Mg、Mn、Fe及びCrなどの各添加元素の含有量が、前述の本実施形態のホイール用アルミニウム合金と同等である。また、本実施形態のホイールは、Cuを1質量%以上含む晶出物、Cr含有金属間化合物、初晶Si粒、共晶Si粒などの析出物の含有量が、前述の本実施形態のホイール用アルミニウム合金と同等である。本実施形態の自動車のホイールは、鍛造品であってもよい。
図1は、本発明の一実施形態に係る自動車のホイールの製造方法を示すフロー図である。本実施形態のホイールの製造方法は、図1に示すように、アルミニウム合金の溶湯を得る溶湯形成工程S01と、溶湯を鋳造加工することによって鋳造品を得る鋳造工程S02と、鋳造品に鍛造を行なって鍛造品を得る鍛造工程S05とを有する。鋳造工程S02と鍛造工程S05との間に、均質化熱処理工程S03、切断工程S04を行なってもよい。また、鍛造工程S05の後に、溶体化処理工程S06、焼き入れ工程S07、時効処理工程S08、ショットピーニング工程S09を行なってもよい。
溶湯形成工程S01では、Al源、Si源、Cu源、Mg源、Mn源、Fe源、Cr源である原料を、上記の組成となるように混合し、得られた混合物を加熱して溶解させることによってアルミニウム合金溶湯を得る。Al源、Si源、Cu源、Mg源、Mn源、Fe源及びCr源はそれぞれ単一の金属材料であってもよいし、2種以上の金属を含む合金材料であってもよい。
鋳造工程S02では、溶湯形成工程S01で得られたアルミニウム合金溶湯を鋳造加工することによって鋳造品を得る。図2は、鋳造工程S02で得られるアルミニウム合金(鋳造品)の一例を示す斜視図である。図2に示すように、鋳造工程S02では、円柱状の鋳造品10を得る。鋳造加工の方法には、特に制限はない。鋳造加工の方法としては、例えば、連続鋳造圧延法、ホットトップ鋳造法、フロート鋳造法、半連続鋳造法(DC鋳造法)等のアルミニウム合金の鋳造方法として従来より利用されている公知の方法を用いることができる。この鋳造工程により、Mnは、Al-Mn-Si金属間化合物を含む微細な粒状の晶出物を形成する。また、Feは、Al-Fe-Si金属間化合物、Al-Cu-Fe金属間化合物、Al-Mn-Fe金属間化合物等の微細な晶出物を形成する。また、Crは、Al-Fe-Cr金属間化合物等の微細なCr含有金属間化合物として晶出物を形成する。
均質化熱処理工程S03では、鋳造工程S02で得られた鋳造品10に対して均質化熱処理を行なう。この均質化熱処理により、鋳造時に発生する添加元素の偏析を解消して組成を均質化させ、また、鋳造時の凝固により発生した過飽和固溶体を析出させ、さらに鋳造時の凝固により形成された準安定相を平衡相へ相変化させる。均質化熱処理における加熱温度は、例えば、420℃以上500℃以下の範囲内である。
切断工程S04では、均質化熱処理工程S03で均質化熱処理を施した鋳造品10を所定のサイズに切断し、鍛造用の鋳造品を得る。すなわち、切断工程S04では、鋳造品10を平面に沿って切断することによって、鍛造用の鋳造品を得る。
鍛造工程S05では、切断工程S04で得られた鍛造用の鋳造品に鍛造加工を行なって鍛造品(自動車のホイール)を得る。鍛造加工の方法は、熱間鍛造を用いてもよいし、冷間鍛造を用いてもよい。熱間鍛造における加熱温度は、例えば、350℃以上450℃以下の範囲内である。
溶体化処理工程S06では、鍛造工程S05で得られた鍛造品に溶体化処理を行なう。この溶体化処理によって、鍛造品中のSi、Cu、Mgなどの元素がアルミニウム合金に再固溶した固溶状態を生成させる。溶体化処理における加熱温度は、例えば、150℃以上220℃以下の範囲内である。
焼き入れ工程S07では、溶体化処理工程S06で固溶状態とされた鍛造品に焼き入れ処理を行なう。この焼き入れ処理によって、鍛造品を急冷することにより、固溶状態が維持された過飽和固溶体を生成させる。
なお、鍛造工程S05において、鍛造加工を熱間鍛造で行なった場合、溶体化処理工程S06を行なわずに、熱間鍛造時の加熱を利用し、鍛造後そのまま焼き入れを行なう鍛造焼き入れを行なってもよい。
時効処理工程S08では、焼き入れ処理工程S07で過飽和固溶体とされた鍛造品に時効処理を行なう。この時効処理によって、鍛造品に対して低温で焼き戻しを行なう。この時効処理により、鍛造品を構成するアルミニウム合金中にクラスタが生成し、このクラスタを核としてCuが析出してG.P.ゾーンが生成する。また、Mgは、SiやCuと化合物を形成して、Q相として析出する。時効処理における加熱温度は、例えば、150℃以上220℃以下の範囲内である。
ショットピーニング工程S09では、時効処理工程S08で時効処理を行なった鍛造品を機械加工にて切削した後、ショットピーニングして表面近傍に塑性加工を加えることで疲労強度を向上させる。ショットピーニングで用いる砥粒のサイズは1mm以下とするのが好ましい。砥粒の材料としては、例えば、ステンレス鋼(例:SUS304)、アルミナ等を用いることができる。また、ピーニング圧力は1MPa以下とするのが好ましい。
Si源、Cu源、Mg源、Mn源、Cr源、Fe源及びAl源を含む混合物を加熱することによって、Siを9.5質量%、Cuを0.9質量%、Mgを0.5質量%、Mnを0.45質量%、Crを0.02質量%、Feを0.20質量%の割合で含有し、残部がAlからなるアルミニウム合金の溶湯を形成した。次いで、得られた溶湯を、連続鋳造加工することによって、直径が76mmで高さが1000mmの円柱状の鋳造品を得た。得られた鋳造品に均質化熱処理を施した後、鋳造品を空冷した。次いで、鋳造品を75mmの高さに切断して、鍛造用の鋳造品を得た。得られた鋳造品に熱間鍛造を行なうことによって、ホイール状の鍛造品を得た。得られた鍛造品に溶体化処理を施した後、水焼き入れ処理を行なった。次に、水焼き入れ処理後の鋳造品に時効処理を施して、ホイール用の鍛造品を得た。
アルミニウム合金のSi、Cu、Mg、Mn、Cr、Feの含有量を、表1に示す割合に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、ホイール用の鍛造品を得た。
実施例1~3及び比較例1~12で得られたホイール用の鍛造品について、以下の評価を行なった。
ホイール用の鍛造品のSi、Cu、Mg、Mn、Cr、Feの各元素の含有率を、次のようにして測定した。ホイール用の鍛造品を、酸塩酸と過酸化水素とを用いて溶解させる。得られた溶液中の各元素の含有量を、ICP発光分光装置を用いて測定し、その測定値を、鍛造品中の各元素の含有率に換算する。
この測定の結果、各実施例及び比較例で得られた鍛造品の各元素の含有率は、それぞれ表1に示す含有率と同じであった。
ホイール用の鍛造品の組織を、次のようにして観察した。
ホイール用の鍛造品を2×5×10mmのサイズに切り出して観察用試料を作製する。観察用試料の鍛造方向に対して平行な面を、観察面加工して観察面とする。観察用試料の観察面を、FE-SEM/EDSを用いて拡大倍率3000倍で観察する。観察視野(30.47μm×38.79μm=1182μm2)に対して、EDSを用いて元素分析を行なって、Cuを1質量%以上含むCu系晶出物及びCr含有金属間化合物を特性する。またFE-SEMの拡大倍率1500倍に設定し、FE-SEMの観察視野(60.9μm×77.6μm=4726μm2)に対して、Siを含む結晶粒の形状とサイズを観察して、初晶Si粒、共晶Si粒を特定する。Cu系晶出物は円相当直径を算出し、「円相当直径が5μmを超えるCu系晶出物の個数」と「最大円相当直径」を求める。Cr含有金属間化合物は長さを算出し、「長さが8μm以上のCr含有金属間化合物の個数」と「最大長さ」を求める。初晶Si粒は円相当直径を算出し、「円相当直径が10μmを超える初晶Si粒の個数」と「最大円相当直径」を求める。共晶Si粒は、150個の粒径を計測し、「平均粒径」を算出し、観察視野における共晶Si粒の占有率である「面積率」を求める。
測定結果を、表2に示す。
ホイール用の鍛造品の耐腐食性を、応力腐食割れ(SCC)試験により評価した。
ホイール用の鍛造品を4×2×45mmのサイズに切り出して耐腐食性評価用試料を作製する。耐腐食性評価用試料を、予め測定した0.2%耐力の70%に相当する応力が負荷されるようにひずみゲージを用いて3点曲げする。3点曲げした耐腐食性評価用試料を、液温90℃の試験溶液(ニクロム酸カリウム濃度が3質量%、無水クロム酸濃度が3.6質量%、塩化ナトリウム濃度が0.3質量%の水溶液)に10時間浸透させる。浸漬後、耐腐食性評価用試料を試験溶液から取り出して、水洗した後、乾燥する。乾燥後の耐腐食性評価用試料を、光学顕微鏡を用いて観察して、き裂発生の有無、き裂無しの場合は腐食の進展深さを測定する。
測定結果を、表2に示す。表2において、耐腐食性の評価は、腐食の進展最大深さが1mm未満のものを「〇」とし、1mm以上のものを「×」とした。
ホイール用の鍛造品の引張強さと伸びを、次のようにして測定した。
ホイール用の鍛造品を10×10×70mmのサイズに切り出してJIS14A号引張試験片を作製する。得られたJIS14A号引張試験片に対して、JIS Z2241:2011(金属材料引張試験方法)の規定に準拠して引張試験を行い、25℃における引張強さ(MPa)と破断伸び(%)を測定する。
測定結果を、表2に示す。表2において、引張特性の評価は、引張強さが330MPa以上であって、かつ破断伸びが8%以上であるものを「○」とし、引張強さが330MPa未満である、あるいは伸びが8%未満であるものを「×」とした。
ホイール用の鍛造品の縦弾性係数を、次のようにして測定した。
ホイール用の鍛造品を所定のサイズに切り出して縦弾性評価用試料を作製する。縦弾性評価用試料に対して共振法を用いて、25℃における縦弾性係数(GPa)を測定する。
測定結果を、表2に示す。表2において、縦弾性の評価は、縦弾性係数が77GPa以上であるものを「〇」とし、縦弾性係数が77GPaより低いものを「×」とした。
耐腐食性、引張特性及び縦弾性の全てが「〇」のものは、総合評価を合格(「〇」)とし、耐腐食性、引張特性及び縦弾性のいずれか一つでも「×」があったものは、総合評価を不合格(「×」)とした。その結果を、表2に示す。
Claims (4)
- Siを8.5質量%以上10.5質量%以下の範囲内、Cuを0.8質量%以上1.1質量%以下の範囲内、Mgを0.4質量%以上0.6質量%以下の範囲内、Mnを0.30質量%以上0.60質量%以下の範囲内、Feを0.10質量%以上0.30質量%以下の範囲内、Crを0.01質量%以上0.03質量%以下の範囲内で含有し、残部がAl及び不可避不純物であって、
Cuを1質量%以上含有し、円相当直径が5μmを超える晶出物を1182μm2あたり2個以上含まず、
長さが8μm以上のCr含有金属間化合物を1182μm2あたり2個以上含まず、
円相当直径が10μmを超える初晶Si粒を4726μm2あたり2個以上含まないことを特徴とする自動車のホイール用アルミニウム合金。 - 共晶Si粒の平均粒径が0.5μm以上4μm以下の範囲内にあって、前記共晶Si粒の面積率が8%以上である請求項1に記載の自動車のホイール用アルミニウム合金。
- 請求項1または2に記載の自動車のホイール用アルミニウム合金で構成された自動車のホイール。
- 鍛造品である請求項3に記載の自動車のホイール。
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