JP5072406B2 - 軽金属合金鋳包み用鉄系部材 - Google Patents

Description

本発明は、軽金属合金に鋳包まれて使用される鉄系部材に係り、とくにアルミニウム合金等の軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系部材に関する。

近年、自動車部品の軽量化および放熱性を高める目的から、軽金属合金の一種である、アルミニウム合金製の自動車部品が一般化されている。しかし、アルミニウム合金は、強度、耐摩耗性、剛性等の機械的特性が低いこと、また熱膨張係数が高いことなど、自動車用構造部材としての材料特性が不足する場合がある。
アルミニウム合金製部品の材料特性の向上方法として、異種材料を鋳包む方法や、異種材料との複合化が知られている。しかし、高圧のダイカスト鋳造法を用いて、異種材料をアルミニウム合金製部品に鋳包む際に、所望の界面の接合強度を安定して確保することは、かなりの困難を伴う。とくに、多孔質焼結体を軽金属合金で鋳包み複合部材とする際には、鋳包み後の軽金属合金溶湯の溶浸状態が、複合部材の機械的特性や物理的特性に大きく影響することが知られており、このような影響を少なくするために、鋳込み条件が大きく制約されることが多い。

このような問題に対し、例えば特許文献１には、質量％で、Ｃ：0.5〜2.5％、Cu：５〜40％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、空孔と、基地中に遊離Cu相が分散した組織とを有し、あるいはさらに表面がショットブラスト処理、水蒸気処理を施されてなる軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体が提案されている。特許文献１に記載された技術によれば、Cuは、固溶して焼結体の強度を増加させるとともに、遊離Cuとして基地中に析出し、軽金属合金で鋳包まれる際に、軽金属合金と反応して接合強度を増加させるため、密着性および接合強度に優れた部品を安定して製造できるとしている。
特開2004−204298号公報

しかしながら、特許文献１に記載された鉄系焼結体を用いた場合でも、鉄系部材を軽金属合金で鋳包む際に、界面剥離または軽金属合金側が凝固収縮時の応力により、割れの発生する場合があり、さらに補強目的で複合化される場合、複合化後繰返し荷重を受けると界面剥離、または軽金属合金側のみが割れることが懸念された。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、鉄系部材を軽金属合金で鋳包む際に、軽金属合金側の割れの発生を防止でき、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、鉄系部材を軽金属合金で鋳包んだ場合に、界面近傍の軽金属合金側での割れ発生に影響する要因について鋭意研究した。その結果、割れは、軽金属合金溶湯の凝固、収縮時に、鉄系部材と軽金属合金とで発生する応力、さらには複合化後に受ける応力の集中に起因し、鋳包まれる鉄系部材の表面性状が割れ発生に大きく影響していることに思い至った。そして、界面剥離または軽金属合金側での割れ発生を防止するためには、鉄系部材の少なくとも上下面（相対する二面）に、所定範囲の寸法形状を有する、平面形状が円形の複数の凹部を、特定の分布で形成することが必要となることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）軽金属合金に鋳包れて使用される鉄系部材であって、該鉄系部材は、鉄系粉末にプレス成形−焼結工程を施して得られた鉄系焼結体であり、少なくとも前記プレス成形時に加圧される相対する二面に、前記プレス成形または前記鉄系焼結体の加工時の機械加工により形成された平面形状が円形の複数の凹部を有し、前記凹部は、前記相対する二面における平面形状が直径Ａ（mm）の円形状を呈し、直径Ａ：2.0mm以上10.1mm以下、深さＢ：0.05〜2.0mmで、かつＢ／Ａが0.005〜１で、隣接する凹部の中心間の距離Ｃが次（１）式
Ａ＜Ｃ≦2.5Ａ …（１）
（ここでＣ：凹部の中心間の距離（mm）、Ａ：凹部平面形状の直体（mm））
を満足することを特徴とする軽金属合金鋳包用鉄系部材。

（２）（１）において、前記鉄系部材の表面は、前記凹部を加工後にさらにショットブラスト処理を施された面であることを特徴とする軽金属合金鋳包用鉄系部材。

本発明によれば、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系部材を容易にしかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、軽金属合金溶湯の凝固、収縮時に、鉄系部材と軽金属合金とで発生する応力を軽減でき、複合化後は受ける応力の集中を緩和でき、界面剥離、または軽金属合金側の割れ発生を防止できるとともに、鉄系部材と軽金属合金との安定した複合化を達成できるという効果もある。

本発明の鉄系部材は、用途に応じた寸法形状を有し、軽金属合金に鋳包れて使用される鉄系部材である。本発明の鉄系部材の用途としては、例えば、図１に示すような、アルミニウム合金製内燃機関の軸受部補強用部材が例示できるが、これに限定されないことは言うまでもない。
本発明の鉄系部材は、少なくとも相対する二面に複数の凹部を有する。ここでいう「相対する二面」とは、鋳包む際に、軽金属合金との接触面積が最も大きい、相対する面をいうものとする。例えばプレス成形で製造される場合には、プレス成形時に加圧される、相対する二面をいう。図１で示した内燃機関の軸受部補強用部材でいえば、側面11をいう。

なお、例えば図１の外周面12のような、上記した相対する二面以外の面にも、凹部を形成してもよいことは言うまでもない。また、本発明では、上記した相対する二面以外の面には、溝３を形成してもよい。
形成される凹部は、形成される面での平面形状が直径Ａ（mm）の円形状を有するものとする。形成される凹部の形状の一例を図２に示す。図２（ｉ）は平面形状である。形成される面での平面形状を円形状とすることにより、鋳包まれた際に発生する応力が等方的となり、特定の方向に偏ることがなくなり、割れ発生の頻度が低下する。また、少なくとも相対する二面に、このような平面形状を有する凹部を複数形成することにより、鋳包み時に軽金属合金溶湯と鉄系部材との接触面積が増加し、割れを発生することなく、鉄系部材と軽金属合金との接合強度を増加させる効果（アンカー効果）を顕著に増大させることができる。

また、形成される凹部の深さＢは、0.05〜2.0mmとすることが好ましい。図２の（ii）は断面形状の一例である。深さＢが0.05mm未満では、浅すぎて所望のアンカー効果を期待できない。一方、2.0mmを超えると深すぎて、鋳包み時に軽金属合金溶湯の湯廻りが不十分となり、所望のアンカー効果を期待できないうえ、凹部の端部で応力集中が発生する場合があり、割れが発生する危険性が増大する。また、鉄系部材を鉄系焼結体で構成する場合には、粉体をプレス成形し圧粉体とする際に、密度バランスが不良となりやすく、それにより圧粉体に割れが発生しやすくなる。このようなことから、凹部の深さＢは、0.05〜2.0mmの範囲に限定することが好ましい。

形成される凹部は、上記した範囲の深さを有しさらに、深さＢ（mm）に対する直径Ａ（mm）の比、Ｂ／Ａが0.005〜１の範囲となるように調整することが好ましい。Ｂ／Ａが0.005未満では、深さに対して径が大きくなりすぎて、所望のアンカー効果を期待できない。一方、Ｂ／Ａが１を超えると、深さが深くなりすぎて、鉄系部材への凹部の形成が困難となる。例えば、鉄系部材を鉄系焼結体で構成する場合には、粉体をプレス成形し圧粉体としたのちに、安定した型抜きが困難となる。このようなことから、凹部の深さＢと直径Ａとの比、Ｂ／Ａを0.005〜１の範囲に限定することが好ましい。

なお、凹部の形状は、円形状に代えて、形成される面における平面形状が楕円形状としても何ら問題はない。
また、形成される複数の凹部は、隣接する凹部の中心間の距離Ｃが下記（１）式
Ａ＜Ｃ≦2.5Ａ …（１）
（ここでＣ：凹部の中心間の距離（mm）、Ａ：凹部平面形状の直体（mm））
を満足するように調整することが好ましい。

距離ＣがＡ（mm）以下では、凹部同士が干渉し、軽金属合金溶湯との接触面積の減少や、応力集中の緩和が損なわれる。一方、2.5Ａ（mm）を超えると、隣接する凹部間の距離が広くなりすぎて、所望のアンカー効果が期待できなくなる。このようなことから、隣接する凹部の中心間の距離Ｃを上記した（１）式を満足するように限定することが好ましい。

なお、形成される複数の凹部は、隣接する凹部の中心間の距離Ｃが上記した条件を満足するように、配置すればよく、すべての凹部の間隔を等間隔にする必要はない。例えば、図３の（ａ）、（ｂ）は複数の凹部を格子状に、（ｃ）、（ｄ）は千鳥格子状に配置した例であり、（ａ）、（ｃ）はすべての凹部を等間隔に配置した場合で、（ｂ）、（ｄ）はすべての凹部の間隔を等間隔としない場合（Ｃ≠Ｃ１）である。なお、本発明における凹部の配置は、図３に限定されるものではない。応力集中の緩和をより多く必要とする場合には、凹部は等間隔に配置することが望ましいのは言うまでもない。

形成される凹部は、深さＢ、Ｂ／Ａ、中心間の距離Ｃが上記した範囲内であれば、その内面形状はとくに限定されない。例えば、図２（ii）に示すように、断面が（ａ）円弧状の球面、断面が（ｂ）円錐台形状の円錐台面、あるいは断面が（ｃ）三角形状の円錐等が例示できるが、それらに限定されるものではない。なお、凹部の直径Ａが５mm以上である場合には、図２（ｄ）に示すように、凹部の表面側に深さ方向に0.2mm以下のストレート部（Ｘ）を設けてもよい。これにより、アンカー効果が増大する。凹部のストレート部（Ｘ）が深さ方向に0.2mmを超えて深くなると、プレス成形時に割れが発生し造形が困難となるか、複合化した後に軽金属合金側の割れの基点となる可能性が高くなる。なお、凹部の端縁および内面等の境界は、通常のように滑らかに連続する面となるように、Ｒ形状あるいは面取り形状に形成されることは言うまでもない。また、凹部に代えて、上記した寸法形状の凸部を少なくとも相対する二面に形成してもよい。

上記した本発明の鉄系部材は、鉄系溶製材から切削加工等の機械加工により製造してもよいが、鉄系粉末にプレス成形−焼結工程を施して得られた鉄系焼結体を用いることが好ましい。鉄系焼結体は、鉄系粉末と、必要に応じて合金元素粉と、黒鉛粉と、潤滑剤粉と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉とを混合し混合粉として、該混合粉を金型に装入し、プレス等で加圧成形して圧粉体とし、該圧粉体を例えば、1100〜1250℃の温度で焼結して得られる。なお、鉄系粉末としては、純鉄粉、ステンレス鋼等の合金鋼粉が例示でき、用途に応じて適宜選択できる。なお、内燃機関の軸受部補強用部材として使用する場合は、鉄系シャフトと近い熱膨張係数とすることが望ましく、鉄系焼結体の平均熱膨張係数が13.5×10^−６／℃以下となるように、混合粉の配合を調整することが好ましい。

なお、鉄系部材の上下面の凹部は、切削加工で形成してもよいが、鉄系焼結体を用いる場合には、所望の形状（深さ、直径、深さ／直径比、間隔）の複数の凹部が形成できるように、予め、プレス金型表面を調整して、プレス成形により形成することが好ましい。なお、鉄系焼結体の加工時に切削加工等により形成してもよいことは言うまでもない。
本発明の鉄系部材の表面は、ショットブラスト処理を施された面とすることが好ましい。ショットブラスト処理を施した表面とすることにより、表面に形成された酸化皮膜等が除去されて表面が清浄化されるとともに、表面に微小な凹凸が形成され、軽金属合金溶湯との濡れ性が向上して、密着性、接合性がさらに向上し鉄系部材が鉄系焼結体である場合には、アンカー効果も加わり界面強度が更に増加する。また、鉄系部材が鉄系焼結体である場合には、ショットブラスト処理により、表面の空孔が潰されて、鋳包み時に溶湯が焼結体内部に多量に浸透することを防止でき、鉄系焼結体の特性を鋳包み後にも維持できるという効果もある。なお、ショットブラスト処理が施された表面は、表面粗さRzで20〜100μmとすることが好ましい。表面粗さRzはJIS B0601-1994の規定に準拠して測定された値である。

上記した本発明の鉄系部材である、例えば図１に示す軸受部補強用部材は、軽金属合金製内燃機関の軸受部を形成する鋳型の対応部位に装着され、その鋳型内に軽金属合金（例えば、アルミニウム合金）溶湯を注入し、高圧ダイカストして軽金属合金（アルミニウム合金）製部材とされ、その後、部材は所定の寸法に切削加工されて製品とされる。

純鉄粉に、合金元素粉としての銅粉と、黒鉛粉と、潤滑材粉末としてのステアリン酸亜鉛粉と、を混合し混練して混合粉とした。ついで、これら混合粉を図４に示す試験片が製作可能な形状の金型に充填しプレスにより加圧成形して、圧粉体とした。さらにこれら圧粉体に、焼結処理（1150℃）を施して焼結体とした。その後、これら焼結体から、図４に示す形状（厚さＴ25mm×幅Ｗ８mm×長さＬ110mm）の試験片を機械加工により採取した。なお、この際、各試験片の両側面には、機械加工により、図２（ａ）に示す円弧状断面の凹部を図３（ｃ）に示す千鳥格子状に配置した。なお、凹部の深さＢ、直径Ａおよび中心間の距離Ｃは、表１に示すように調整した。また、一部の試験片には、加工後さらに、表面にショットブラスト処理を施した。なお、ショットブラスト処理は、JIS G 70相当のスチールグリッドを、噴射圧力：0.5MPaで行った。

得られた試験片（焼結体）を、高圧ダイキャストにより、アルミニウム合金（JIS ADC12）で鋳包み、複合体試験片とした。
得られた複合体試験片について、断面を目視および顕微鏡により、凹部の湯廻り不良、引け巣（0.3mm以上）等の鋳造欠陥の有無の確認をし、これら欠陥のないものについては、カラーチェック試験を実施し、焼結体とアルミニウム合金との界面の接合状態、およびアルミニウム合金側の割れ（クラック）を調査した。鋳造欠陥、クラック等がある場合を×、全く無い場合を○として、接合状態を評価した。

また、これら複合体試験片から、図５（ａ）、（ｂ）に示す複合体テストピースを採取した。図５（ａ）にしめす複合体テストピースでは、焼結体全周がアルミニウム合金で囲まれるようにした。また、図５（ｂ）にしめす複合体テストピースでは、焼結体の全周のうち一面が露出するようにした。なお、テストピースのエッジ部に応力が集中しないようにＲ＝５mmでつないだくびれを設けた。

得られた複合体テストピースを用いて、曲げ疲労試験を実施した。曲げ疲労試験は、複合体テストピースの両端部を、図６に示すように、押え治具で固定し、複合体テストピースの中央部を押し治具で繰返し押圧して、テストピースに繰返し曲げ応力を付与した。なお、押し治具は、テストピースと線接触するように、テストピースと接する側をＲ５（Ｒ＝５mm）に加工したものを使用した。

曲げ疲労試験の条件は、曲げ応力付加の周波数：25Hzとし、繰返し数：1.0×10^７以上となる割れ発生限界応力(疲労強度)を求めた。クラックの発生は、テストピース中央部両側面に歪ゲージを貼付して、確認した。なお、クラックは、歪ゲージ貼付以外の箇所で発生する場合もあり、繰返し数に応じて定期的に試験を中断し、カラーチェック試験を実施し、表面のクラックの有無を確認した。

なお、同様の曲げ疲労試験を、テストピースの鋳包み材料であるアルミニウム合金（JIS ADC12）についても実施し、割れ発生限界応力を求め、基準値とした。
得られた各複合体テストピースの割れ発生限界応力が、上記した基準値を超え、かつ鋳造時に内部クラック、界面剥離等が無い場合には○、基準値以下である場合を×として疲労強度の評価とした。

なお、同一凹部形状の複合体テストピース同士で比較し、テストピース表面にショットブラスト処理を施された複合体テストピースの疲労強度（割れ発生限界応力）が上記した基準値を超え、かつショットブラスト処理なしの複合体テストピースの疲労強度に比べて10％以上向上した場合を◎で表示した。
なお、疲労試験終了後、外観検査でクラック等の発生が認められなかったテストピースについては、さらに断面を観察し、内部クラックの有無、界面剥離の有無を調査した。

得られた結果をまとめて表１に併記する。

本発明例はいずれも、鋳造欠陥、クラックもなく複合化した状態は良好で、かつアルミニウム合金側での割れの発生、界面剥離も認められず、また、疲労強度も基準値より高く良好であった。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、鋳造時の湯廻り不良、引け巣等の鋳造欠陥の発生が認められるか、あるいは凝固収縮応力によりクラックが発生しているか、あるいは疲労強度が基準値より低いか、繰返し応力による界面剥離が生じているか、あるいはクラックが発生している。

軽金属合金製内燃機関の軸受部補強用部材の一例を模式的に示す説明図である。 本発明鉄系部材の少なくとも相対する二面に導入する凹部の形状の一例を示す説明図である。 本発明鉄系部材の少なくとも相対する二面に導入する凹部の配置の一例を示す説明図である。 本発明の実施例に使用した試験片（圧粉体）の形状を示す説明図である。 本発明の実施例に使用した複合体テストピースの形状を示す説明図である。 実施例で行った疲労試験の試験方法を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 凹部
１０ 軸受部補強部材
１１ 側面
１２ 外周面
１３ 内周面

Claims (2)

1. 軽金属合金に鋳包れて使用される鉄系部材であって、該鉄系部材は、鉄系粉末にプレス成形−焼結工程を施して得られた鉄系焼結体であり、少なくとも前記プレス成形時に加圧される相対する二面に、前記プレス成形または前記鉄系焼結体の加工時の機械加工により形成された平面形状が円形の複数の凹部を有し、前記凹部は、前記相対する二面における平面形状が直径Ａ（mm）の円形状を呈し、直径Ａ：2.0mm以上10.1mm以下、深さＢ：0.05〜2.0mmで、かつＢ／Ａが0.005〜１で、隣接する凹部の中心間の距離Ｃが下記（１）式を満足することを特徴とする軽金属合金鋳包用鉄系部材。
   記
   Ａ＜Ｃ≦2.5Ａ …（１）
   ここでＣ：凹部の中心間の距離（mm）、
   Ａ：凹部平面形状の直径（mm）
2. 前記鉄系部材の表面は、前記凹部を形成した後にさらにショットブラスト処理を施された面であることを特徴とする請求項１に記載の軽金属合金鋳包用鉄系部材。

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