JP5076455B2 - アルミニウム合金ダイカスト及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金の鋳造技術に係わり、貫通構造を採用したり、鋼製インサートを使用したりすることなく、ダイカスト鋳物に強固にボルト締結することができ、ボルト締結部の信頼性を高めることができるアルミニウム合金ダイカストと、このようなダイカスト鋳物の製造方法に関するものである。

ダイカスト鋳造法は、薄肉鋳物の製造が可能であると共に、高い生産性のもとに高い寸法精度の鋳物を得ることができるなど優れた特徴を備えている。
特に近年では、真空ダイカスト法により鋳造した後、熱処理を施すことによって、強度、伸びに代表される機械的性能を向上させたアルミニウム合金ダイカスト鋳物が使用されるようになってきている。

このようなアルミニウム合金ダイカスト製品にボルト締結部を形成する場合、当該部分は厚肉となることから、最終凝固部となり易く、硬度低下や引け巣の発生などといった材料の内部品質が変化し易いため、この部分に直接ねじ切りしためねじ部にボルトを締結するような部品構造は、高い強度が必要で、より高い信頼性が要求されるような締結部に採用することは困難である。
そこで、このようなアルミニウム合金のダイカスト製品にボルト締結する際には、ダイカスト製品に直接めねじ加工を施す代わりに、貫通孔を形成してナット締めとしたり、鋼製のめねじ状コイルをインサートしたりして対応することになる（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開２０００−１３８０５５号公報 特公平１−５６８８６号公報

しかしながら、このような設計構造は、部品数や工数の増加によるコスト増、重量増を引き起こすばかりでなく、設計自由度の低下を招くことにもなる。

本発明は、従来のアルミニウム合金ダイカストのボルト締結に関する上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、貫通構造や鋼製インサートを採用することなく、ボルト締結強度を確保することができ、ボルト締結部の信頼性を高めることができるアルミニウム合金ダイカストと、このようなダイカスト鋳物の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、合金成分や鋳造方法などについて鋭意検討を重ねた結果、ダイカスト用合金に少量のＴｉを添加すると共に、鋳造時の金型温度を低くし、真空度を高めた高真空ダイカスト条件を採用すること等によって、結晶粒の微細化を図り、雌ねじ部の硬度やデンドライトアームスペーシングを適正化することによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のアルミニウム合金ダイカストは、めねじ部を備え、９．５〜１１．５質量％のＳｉと、０．１５〜０．５０質量％のＭｇと、０．２〜０．８０質量％のＭｎと、０．１〜０．２質量％のＴｉと、０．２質量％以下のＣｕと、０．１質量％以下のＺｎと、０．２質量％以下のＦｅを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金から成るダイカスト鋳物であって、上記めねじ部のねじ底から１ｍｍの深さの位置における硬度Ｈｓが８８〜９５ＨＲＦであると共に、デンドライトアームスペーシング（ＤＡＳ）が８μｍ以下であることを特徴としている。

また、本発明のアルミニウム合金ダイカストの製造方法においては、本発明の上記ダイカストの製造に際して、９．５〜１１．５質量％のＳｉと、０．１５〜０．５０質量％のＭｇと、０．２〜０．８０質量％のＭｎと、０．１〜０．２質量％のＴｉと、０．２質量％以下のＣｕと、０．１質量％以下のＺｎと、０．２質量％以下のＦｅを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金を用いて、真空度５０ｈＰａ以下、金型温度２５０〜３５０℃の条件で鋳造したのち、４３３〜５０８Ｋの温度範囲で、１００〜２００分のＴ５処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、Ｔｉを含有し、緻密で、デンドライトアームスペーシングが８μｍ以下と小さな組織を有し、８８〜９５ＨＲＦと高い硬度のめねじ部を備えたアルミニウム合金ダイカストとしたことから、めねじ部に直接ボルトをねじ込むことによっても、ボルト締結強度を高めることができ、アルミニウム合金ダイカストのボルト締結部の信頼性を高めることができる。
また、本発明の製造方法においては、０．１〜０．２質量％のＴｉを含有するアルミニウム合金を用いて、真空度５０ｈＰａ以下、金型温度２５０〜３５０℃の条件で鋳造したのち、４３３〜５０８Ｋの温度範囲で、１００〜２００分のＴ５処理を施すようにしていることから、上記のように緻密で高硬度のめねじ部を備えたアルミニウム合金ダイカストを得ることができる。

以下、本発明のアルミニウム合金ダイカストについて、合金成分や製造条件などの限定理由やその作用と共に、さらに詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
また、本発明は上記したように、最終凝固部となって、結晶粒の粗大化や引け巣の発生といった強度低下を起こし易い部分にめねじを形成したダイカスト製品に関するものであるが、本発明は、めねじ部のみならず、ボス部など、同様に厚肉部となって強度的なネックとなる部分を備えたアルミニウム合金ダイカストに適用することができる。

（１）合金成分
（１−１）Ｓｉ：９．５〜１１．５％
Ｓｉ（ケイ素）は、引張強度、疲労強度、硬さを増すのに有効であると共に、溶湯に流動性を与え、鋳造性を向上させる作用を有する元素であるが、９．５％に満たない場合はこのような作用が十分に得られず、逆に１１．５％を超えた場合には、伸びを低下させることがあることから、本発明のダイカスト鋳物においては、Ｓｉを９．５〜１１．５％の範囲で添加する。

（１−２）Ｍｇ：０．１５〜０．５０％
Ｍｇ（マグネシウム）は、熱処理によって引張強度、疲労強度、硬さを増すのに有効な元素であが、０．１５％に満たない場合には、このような効果をほとんど発揮することができない一方、過剰に添加するとＭｇ_２Ｓｉとして析出し、伸びを低下させる傾向を示すことから、本発明のダイカスト鋳物においては、Ｍｇを０．１５〜０．５０％の範囲で添加する必要がある。

（１−３）Ｍｎ：０．２〜０．８０％
Ｍｎ（マンガン）は、金型への焼付きを防止するのに有効な元素であるが、０．２％に満たない場合には、このような効果が十分に得られず、逆に添加量が０．８０％を超えた場合には、マンガン晶出物による延性低下となることがあるので、本発明においては、Ｍｎを０．２〜０．８０％の範囲で添加する。

（１−４）Ｔｉ：０．１〜０．２％
Ｔｉ（チタン）は、単独で、あるいは化合物を形成することによって、初晶α（Ａｌ）相を微細化し、ダイカスト鋳物の機械的性質を向上させる効果を有する。しかし、Ｔｉの添加量が０．１％未満の場合は、このような効果がほとんど得られず、逆に０．２％を超えると、ＴｉＡｌ_３粒子が粗大化して、初晶α（Ａｌ）相の微細化効果が減少するので、Ｔｉは、０．１〜０．２％の範囲で添加する。

（１−５）Ｃｕ：０．２％以下
Ｃｕ（銅）は、伸びを低下させる傾向を示す元素であることから、その含有量は少ない方が望ましいが、その影響がほとんど現れない範囲である０．２％以下とする。

（１−６）Ｚｎ：０．１％以下
Ｚｎ（亜鉛）は、亜鉛化合物晶出による延性低下を引き起こすことから、含有量が少ない方が望ましい元素であるが、０．１％以下とすれば、ほとんどその影響はない。

（１−７）Ｆｅ：０．２％以下
Ｆｅ（鉄）は、針状のＦｅ化合物となって析出し、引張強度、疲労強度、伸びなど、全般に悪影響を及ぼすため、その含有量は少ない方が望ましいが、その上限値を０．２％とすることにより、このような悪影響を最小限のものとすることができる。

（２）めねじ部の硬度Ｈｓ：８８〜９５ＨＲＦ
めねじ部のねじ底から１ｍｍの深さ位置におけるＦスケールによるロックウェル硬さとして定義されるめねじ部硬度Ｈｓとしては、８８ＨＲＦに満たないと所望のボルト締結力が得られず、逆に９５ＨＲＦを超えると、材料延性の低下という不具合が生じることから、めねじ部硬度Ｈｓは、８８〜９５ＨＲＦの範囲内に制御することが必要となる。

（３）デンドライトアームスペーシング：８μｍ以下
樹枝状晶組織の緻密さを表すデンドライトアームスペーシング（ＤＡＳ）は、小さい方が望ましいが、とくに８μｍを超えると、めねじの加工精度が低下し、おねじとの噛み合い面積を確保することができなくなって、ボルト締結強度が低下することから、本発明のダイカストにおけるめねじ部のねじ底から１ｍｍの深さ位置におけるデンドライトアームスペーシングを８μｍ以下とすることが必要である。

（４）欠陥面積率Ｒｄ：１％以下
本発明のダイカスト鋳物におけるめねじ加工部分の強度を高め、当該めねじ部に対するボルト締結力を確保するためには、ねじ切り加工されためねじ面に露出する引け巣やガス巣、ブローホールなどの欠陥が少ない方が望ましいことは言うまでもない。これら欠陥の面積率Ｒｄとしては、１％以下であることが好ましく、これによって、ボルト締結部の信頼性をより確実に向上させることができる。
なお、ここで言う面積率Ｒｄとは、ねじ山の凹凸面に対する面積率ではなく、上記欠陥をめねじのねじ底面を含む円筒形凹面に投影した場合の面積率を意味するものとする。

（５）関係式：Ｈｓ≧１．２３８９×Ｒｄ＋８７．４８３
本発明のダイカスト鋳物におけるめねじ部の欠陥面積率Ｒｄが小さいことが望ましいことは、上記したとおりであるが、当該欠陥面積率Ｒｄと上記しためねじ部硬度Ｈｓが上記関係式を満たしていることが、本発明のダイカスト鋳物におけるボルト締結の信頼性をさらに確実に向上させる観点から望ましい。
すなわち、引け巣やガス巣などの欠陥が少々発生していたとしても、その分めねじ部における硬度Ｈｓを高くすることによって、ボルト締結力を確保することができるということになる。

（６）真空度：５０ｈＰａ以下
本発明のアルミニウム合金ダイカストの製造方法においては、上記成分を有するアルミニウム合金を使用して、５０ｈＰａ以下の真空度で、後述するように１００〜３５０℃の温度の金型に鋳造するようにしている。
本発明方法においては、このような高真空ダイカストとしていることから、鋳造組織を欠陥が少なく、微細な組織とすることができるが、この時の真空度が５０ｈＰａを超えると、欠陥が増加し、組織粗大化及び湯回り不良を引き起こす不具合が生じる。

（７）金型温度：２５０〜３５０℃
本発明方法においては、鋳造組織の微細化や、引け巣の発生を防止する観点から、金型温度を２５０〜３５０℃の比較的低い温度に設定することが必要である。すなわち、金型温度が２５０℃に満たない場合は、湯回り不良が発生しやすく、逆に３５０℃を超えると、鋳造組織の粗大化を引き起こすことになる。

（８）Ｔ５処理（４３３〜５０８Ｋ×１００〜２００分）
本発明のアルミニウム合金ダイカストの製造方法においては、上記した条件のもとに鋳造したダイカスト鋳物に、４３３〜５０８Ｋ（１６０〜２３５℃）の温度範囲で、１００〜２００分のＴ５処理（人工時効硬化処理）を施すことによって、強度を向上させる必要がある。
このとき、処理温度が４３３Ｋ未満、処理時間が１００分未満の条件では、亜時効で処理効果が十分に得られず、逆に処理温度が５０８Ｋ超過、処理時間が２００分超過の処理条件では、過時効となって、同様に硬度低下を招くという不具合が生じる。

（９）高冷却効率鋳抜きピンの使用
本発明のアルミニウム合金ダイカストの製造方法においては、ダイカスト鋳物のめねじ部に相当する部位に、例えば、図１に示すように、冷却水循環用水管Ｐを内装し、当該鋳抜きピンの内部先端にまで冷却水を循環させることのできる鋳抜きピンを配設し、冷却水を循環させながら鋳造するようになすことが望ましく、これによってめねじ部近傍部の組織微細化が可能になり、ボルト締結力を向上させることができる。

（１０）局部加圧
そして、本発明のアルミニウム合金ダイカストの製造方法においては、ダイカスト用金型に局部加圧機構を設置し、鋳湯が完了した後、凝固直前の鋳物の鋳抜きピン近傍部、すなわちめねじ形成部位をその軸方向に加圧することも好ましく、これによって、引け巣やガス巣の発生を防止することができ、めねじ部の強度を向上して、ボルト締結力を確保することができるようになる。

以下、本発明を実施例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

まず、表１に示すような成分組成を有する８種類のアルミニウム合金を電気炉によってそれぞれ溶解し、乾燥窒素ガスの吹き込みによる脱ガス処理を行った。

そして、これらアルミニウム合金を用いて、表２に示すそれぞれの温度に保持した金型中に、それぞれの真空度、射出速度の各条件の下で高真空ダイカスト鋳造を実施し、実施例１〜５、及び比較例１〜３のダイカスト鋳物をそれぞれ得た。

このとき、実施例１〜３については、ダイカスト金型のめねじ部相当部位に、図１に示したような冷却水循環用水管を内装した高冷却効率タイプの鋳抜きピンを配設し、冷却水を循環させながら鋳造を行い、その他の実施例及び比較例については、冷却水循環用水管を内装しない、非循環タイプの従来型鋳抜きピンを用いて鋳造した。
また、実施例１〜３，５、及び比較例１については、局部加圧装置を配置した金型を使用して、凝固直前の鋳抜きピン近傍部をその軸方向に、表中に示すそれぞれのタイミングで局部加圧を実施した。

次に、得られた各実施例及び比較例のアルミニウム合金ダイカストに、表中に示すそれぞれの温度及び時間でＴ５処理を施した後、射抜きピンによって形成したダイカスト鋳物の貫通孔に、Ｍ１２、ピッチサイズ１．２５のめねじを形成し、それぞれ図２に示すような外観形状を備えたダイカスト部品を得た。

以上によって得られた各実施例及び比較例のダイカスト部品から切り出した試料を用いて、めねじ部に露出した引け巣やガス巣などの欠陥面積率Ｒｄ、めねじ部硬度Ｈｓ（ねじ底から１ｍｍの深さ位置における硬さ：Ｆスケールのロックウェル硬さ）、及びデンドライトアームスペーシング（ＤＡＳ）を測定すると共に、別途同様に作製したそれぞれのダイカスト部品を用いてめねじ部引き抜き試験を実施し、これらの結果を表３に示す。
なお、デンドライトアームスペーシングの測定、及びねじ部引き抜き試験は、以下の方法、要領で行った。

〔デンドライトアームスペーシング測定方法〕
各ダイカスト部品におけるめねじ部の谷底近傍部を１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズに切り出し、樹脂に埋め込んだ後、観察可能な状態までエメリー紙及びバフ研磨によって鏡面仕上げし、エッチングの後、２００〜４００倍程度の光学顕微鏡による組織観察を行い、粒状晶から成る方向性のないデンドライトアームを無作為に抽出し、アーム境界間に任意に引かれた直線の長さＬをその中に含まれるデンドライト二次アームの間の数で除すことによって求めた。

〔ねじ部引き抜き試験方法〕
各ダイカスト部品に形成されためねじ部に、Ｓ４５Ｃ鋼から成るＭ１２、ピッチサイズ１．２５のボルト（硬度クラス：１０．９）を有効噛み合い長さが２２．０ｍｍとなるようにねじ込み、オートグラフ試験機を用いて上記ボルトを１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き抜き、めねじが降伏するときの最大荷重をねじ部引き抜き強度として求めた。

表３の結果から明らかなように、本発明の製造方法に基づいて、所定の硬度Ｈｓ、デンドライトアームスペーシング値を備えた本発明のアルミニウム合金ダイカストにおいては、高いねじ部引き抜き強度が得られ、ボルト締結部の信頼性向上が可能であることが確認された。

これに対し、比較例１では、めねじ部硬度Ｈｓが低くなったことから、十分なねじ部引き抜き強度が得られていない。
一方、Ｔｉ含有量の低いアルミニウム合金を用いた比較例２及び３では、デンドライトアームスペーシング値が大きく、めねじ部硬度Ｈｓが低いことから、ねじ部引き抜き強度が低いものとなった。

本発明のアルミニウム合金ダイカストの製造方法に好適に用いられる冷却水循環用水管を内装した高冷却効率タイプの鋳抜きピンの構造例を示す断面図である。 本発明の実施例及び比較例で鋳造されたアルミニウム合金ダイカストの外観形状を示す図である。

符号の説明

Ｐ 冷却水循環用水管

Claims (6)

1. 質量比で、９．５〜１１．５％のＳｉと、０．１５〜０．５０％のＭｇと、０．２〜０．８０％のＭｎと、０．１〜０．２％のＴｉと、０．２％以下のＣｕと、０．１％以下のＺｎと、０．２％以下のＦｅを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金から成り、めねじ部を備え、めねじ部のねじ底から１ｍｍの深さの位置における硬度Ｈｓが８８〜９５ＨＲＦであると共に、デンドライトアームスペーシングＤＡＳが８μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金ダイカスト。
2. めねじ面に露出している欠陥の面積率Ｒｆが１％以下であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金ダイカスト。
3. めねじ面に露出している欠陥面積率Ｒｄ（％）とめねじ部のねじ底から１ｍｍの深さの位置における硬度Ｈｓ（ＨＲＦ）の間に次式の関係を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金ダイカスト。
   Ｈｓ≧１．２３８９×Ｒｄ＋８７．４８３
4. 請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のアルミニウム合金ダイカストを製造するに際して、
   質量比で、９．５〜１１．５％のＳｉと、０．１５〜０．５０％のＭｇと、０．２〜０．８０％のＭｎと、０．１〜０．２％のＴｉと、０．２％以下のＣｕと、０．１％以下のＺｎと、０．２％以下のＦｅを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金を用いて、真空度５０ｈＰａ以下、金型温度２５０〜３５０℃の条件で鋳造したのち、４３３〜５０８Ｋの温度範囲で、１００〜２００分のＴ５処理を施すことを特徴とするアルミニウム合金ダイカストの製造方法。
   
5. 上記めねじ部に相当する部分に冷却水循環用水管を内装した鋳抜きピンを配設し、該鋳抜きピンの内部先端まで冷却水を循環させながら鋳造することを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金ダイカストの製造方法。
6. 凝固直前の鋳物の鋳抜きピン近傍部をその軸方向に加圧することを特徴とする請求項４又は５に記載のアルミニウム合金ダイカストの製造方法。

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