JP6967437B2

JP6967437B2 - アルミニウムダイカスト合金、アルミニウムダイカスト合金用いた自動車用部材、及びアルミニウムダイカスト合金の製造方法。

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Publication number: JP6967437B2
Application number: JP2017237006A
Authority: JP
Inventors: 裕司惣田; 安栄水竹; 憲司林; 宏明宮下; 淳郎田島; 俊介太田
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2021-11-17
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: JP2019104953A

Description

本発明は、アルミニウムダイカスト合金に係り、更に詳細には、強度と延性を両立させた車体構造部材などに好適なアルミニウムダイカスト合金に関する。

従来から自動車の軽量化を図るためにアルミニウム合金が用いられており、エンジンのシリンダーブロックやオイルパンなどのパワートレイン構造部品は、鋳造法により製造できる。

鋳造法のうちダイカスト法は、溶融金属を高圧で金型内に注入し迅速に凝固させて成形する方法であり、他の鋳造法よりも寸法精度が高く、複雑な形状の成形が可能であり、薄肉の成形品を得ることができる。

近年では、パワートレイン構造部品だけでなく、ショックタワーやサスペンションメンバーなどの車体部材にもアルミニウムダイカスト合金が使用され始めている。

特許文献１の特開２０１２−１０７２６８号公報には、Ａｌ‐Ｍｎ系合金を所定の化学組成にすることで凝固割れをほとんど生じない安定した鋳造性と、高い機械的特性とを有する鋳物を得ることができる旨が記載されている。

特開２０１２−１０７２６８号公報

アルミニウムダイカスト合金を車体構造部材に用いる場合は、上記パワートレイン構造部品とは異なり、車体部材に使用されるアルミニウムダイカスト合金には、強度だけでなく、変形による衝突荷重のエネルギー吸収性も要求される。

特に、アルミニウムダイカスト合金製のフレームは、衝突荷重のエネルギー吸収性に加えて、異種材料と接合する必要があるため、ボルト締結ではなく、セルフピアーシングリベット（ＳＰＲ）締結にも適応できる延性が要求される。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強度と延性とを両立させたアルミニウムダイカスト合金を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の化学組成のダイカスト成形後のアルミニウム合金の鋳造塊（以下、単に鋳造塊ということがある。）に対し、所定の温度での熱処理を行うことにより、上記目的が達成できることを見出した。
すなわち、通常の溶体化処理よりも低くかつ時効処理よりも高い温度で熱処理を行うことで、母相中の固溶原子により固溶強化され、Ｓｉを含む硬い粒子が球状化して切欠き効果が緩和されて、強度と延性とを両立させることができ、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、
ケイ素（Ｓｉ）を９〜１１．５質量％、
マンガン（Ｍｎ）を０．４〜０．８質量％、
マグネシウム（Ｍｇ）を０．１〜０．５質量％の割合で含み、
残部がアルミニウム（Ａｌ）と、０．２５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．１質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）と不可避不純物からなる化学組成を有し、
アルミニウムを含む母相と、アスペクト比が１．０〜２．５のケイ素を含む粒子を有する金属組織を有し、
導電率が、３７％ＩＡＣＳ以下であることを特徴とする。

また、本発明の自動車用部材は、上記アルミニウムダイカスト合金を用いたことを特徴とする。

さらに、本発明のアルミニウムダイカスト合金の製造方法は、上記アルミニウムダイカスト合金を製造する方法であり、アルミニウム合金の鋳造塊をダイカスト法で成形する成形工程を有し、成形されたアルミニウム合金の鋳造塊に対し、３００〜４２０℃に加熱して３０分間〜２．０時間保持し、その後冷却する熱処理工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウムに固溶した異種元素の量を多くして固溶強化すると共にＳｉなどを含む硬い粒子による切欠き効果を緩和することとしたため、強度と延性とが両立したアルミニウムダイカスト合金を提供することができる。

実施例１〜４及び比較例１、８のＥＰＭＡ像である。

本発明のアルミニウムダイカスト合金について詳細に説明する。
上記アルミニウムダイカスト合金は、
ケイ素（Ｓｉ）を９〜１１．５質量％、マンガン（Ｍｎ）を０．４〜０．８質量％、マグネシウム（Ｍｇ）を０．１〜０．５質量％の割合で含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）と、０．２５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．１質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）と不可避不純物からなる化学組成を有し、アルミニウムを含む母相と、アスペクト比が１．０〜２．５のケイ素を含む粒子を有する金属組織を有し、導電率が、３７％ＩＡＣＳ以下である。

＜金属組織＞
上記アルミニウムダイカスト合金は、Ａｌを主成分とする母相（α―Ａｌ相）と、晶出したＳｉを含む粒子と、を有し、上記Ｓｉを含む粒子が母相の周囲に分散している。
そして、上記Ｓｉを含む粒子（以下、強化粒子ということがある。）のアスペクト比が１．０〜２．５であり、母相のＡｌには、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｎなどの異種元素が多く固溶した導電率が３７％ＩＡＣＳ以下である金属組織を有する。

ここで、上記導電率について説明する。
導電率（％ＩＡＣＳ）は、国際標準軟銅（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｎｎｅａｌｅｄＣｏｐｐｅｒＳｔａｎｄｅｒｄ）の電気抵抗値、１．７２４１×１０^−８Ω・ｍを１００とし、合金板の導電率を相対比（％）で表示したものであり、導電率は固溶している異種元素の量に影響を受ける。

つまり、アルミニウムダイカスト合金のうち、純アルミニウムの導電率が最も高いため、アルミニウムに異種元素が固溶して均一かつ無秩序に分布すると、アルミニウム合金中の導電経路が寸断されて導電率が大きく減少する。
これに対し、アルミニウムに異種元素が固溶せずに、晶出物、析出物として存在する場合は、アルミニウムダイカスト合金の金属組織中に、異種元素が偏析して導電経路を寸断しないため、アルミニウム合金中の導電経路が確立され、異種元素の導電率への影響が小さくなり、純アルミニウムの導電率に近づく。
したがって、導電率は、固溶している異種元素の量の代用評価とすることができる。

上記アルミニウムダイカスト合金は、導電率が３７％ＩＡＣＳ以下であり、アルミニウム中に固溶した異種元素の固溶量が多く、母相自体が固溶強化されているのに加えて、上記強化粒子よって分散強化され、母相全体の転位運動が抑制されているため、高い強度を有する。

そして、上記強化粒子のアスペクト比が１．０〜２．５であり、丸みを帯びた形状であるため、大きな応力を受けたときには、ケイ素を含む粒子と母相との界面に応力が集中せずに切欠き効果が緩和され、母相が周囲の強化粒子を乗り越えるように転位するため、強度と延性とを両立させることができる。

上記母相の大きさは、１５μｍ以下であることが好ましい。また、上記強化粒子の平均径は０．０１〜５μｍであることが好ましい。金属組織が均一かつ微細に分布することで、応力が分散されて機械的強度が向上する。

上記アルミニウムダイカスト合金の金属組織は、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で得た画像を解析することで測定できる。

上記強化粒子のアスペクト比は、金属組織の任意の部位の画像（０．０８７ｍｍ×０．０６３ｍｍ：視野サイズ）を１０視野観察し、その中に含まれる強化粒子について短径と長径との比（長径／短径）を求め、その平均値により定められる。
また、長径の平均を強化粒子の平均径とした。

上記母相の大きさは、粒状晶から成る方向性のないデンドライトセルを無作為に抽出し、セル境界に任意にひかれた直線の長さをその間に含まれるセルの数で除することで定められる。

＜化学組成＞
上記アルミニウムダイカスト合金は、ケイ素（Ｓｉ）を９〜１１．５質量％、マンガン（Ｍｎ）を０．４〜０．８質量％、マグネシウム（Ｍｇ）を０．１〜０．５質量％の割合で含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）と、０．２５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．１質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）と不可避不純物からなり、高強度、高延性を有する。

ケイ素は、鋳造性に大きな影響を及ぼす元素であり、９質量％未満では溶湯の良好な流動性が得られず、鋳造欠陥が生じ易い。１１．５質量％を超えると、晶出するケイ素を含む強化粒子が多くなって、母相全体の転位運動が抑制されて延性が低下する。

マンガンは、固溶強化元素であり、マンガンを含むことでアルミニウムダイカスト合金の強度が向上するが、マンガンの含有量が０．８質量％を超えるとＡｌ−Ｍｎ系金属間化合物が増加して延性や耐食性が低下する。
また、マンガンは鋳造塊の金型への焼付き防止に有効な元素であり、特に、鉄の含有量が低い場合、例えば、鉄の含有量が０．２質量％以下の焼き付きが生じ易い場合であってもマンガンを０．４質量％以上含有することで焼き付きを防止できる。

マグネシウムは、ケイ素と結合してＭｇ_２Ｓｉとなって析出する時効強化元素であり、マグネシウムを０．１質量％以上含むことで強度が向上する。
また、マグネシウムの含有量が０．６質量％を超えると鋳造塊の成形時に溶湯の流動性が低下して、欠肉や引け巣などの鋳造欠陥が生じ易くなりって強度が低下することがある。

亜鉛は、固溶強化元素であり、亜鉛を含むことでアルミニウムダイカスト合金の強度が向上するが、亜鉛の含有量が０．１質量％を超えると晶出物や析出物が増加して延性が低下する。

上記アルミニウムダイカスト合金は、上記元素に加えてストロンチウム（Ｓｒ）を０．００３〜０．０２質量％含むことが好ましい。

ストロンチウムを含有することで、強化粒子が球状化して延性が向上する。
０．００３質量％未満では、期待する強化粒子の球状化効果が得られないことがあり、０．０２質量％を超えるとＡｌ−Ｓｒ系の粗大な金属間化合物が晶出し易くなって延性が低下することがある。

＜製造方法＞
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、アルミニウム合金の鋳造塊を所定の条件で熱処理することで製造できる。

本発明の熱処理は、従来のアルミニウム合金における溶体化処理温度（４５０〜５３５℃）よりも低く、かつ、時効処理温度（１５０〜２５０℃）よりも高い温度に保持し冷却する処理であり、溶体化処理と時効処理とを分けて２回加熱するのではなく、一回の加熱で行う処理である。

具体的には、３００〜４２０℃に加熱して３０分間〜２．０時間保持した後、冷却する。
上記温度範囲の加熱を行うことで、鋳造塊の母相のアルミニウム中に固溶した異種元素が析出せず又は異種元素がアルミニウム固溶し、かつ強化粒子が球状化するため、強度と延性とを両立できる。また、設備投資、使用エネルギー、工数を削減することができ、安価なアルミニウムダイカスト合金を得ることができる。

なお、アルミニウムダイカスト合金中の強化粒子の球状化は、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、アンチモン（Ｓｂ）などの改良処理元素の添加によっても可能であるが、本発明の熱処理によれば、上記改良処理元素を添加することなく強化粒子を球状化できる。

従来のアルミニウム合金においては、溶体化処理後に人工時効化処理（Ｔ６）することや、溶体化処理後に安定化処理（Ｔ７）することなどの２段階熱処理により、延性や強度を調節している。

しかしながら、上記Ｔ６、Ｔ７などの２段階熱処理は、高温での溶体化処理を含むため、鋳造塊が軟化して変形が生じ易く、特にフレームなどの大型の車体構造部材では自重により変形して寸法精度が低下するため、後工程で変形を矯正する工程が必要となる。

また、鋳造時に金属溶湯が巻き込んだガスが鋳造塊に残っていると、上記高温での溶体化処理によってガスが膨張して、ブリスター（形状膨れ）不良が発生するため、真空ダイカスト法によりブリスターの発生を防止している。

本発明においては、上記温度範囲に加熱するため、強度と延性との両立に加えて、アルミニウムダイカスト合金が変形し難く寸法精度の低下を防止できる共に、真空ダイカスト法を用いずにブリスターの発生を防止できる。

上記温度範囲で所定時間保持した後、室温まで冷却する際の冷却速度は、特に制限はなく、放冷しても、急冷しても構わないが放冷することが好ましい。冷却速度が低いことで変形が生じ難くなるが、冷却速度が著しく遅くなると強化粒子が粗大化して延性が低下することがあるので注意を要する。

上記アルミニウム合金の鋳造塊は、通常のダイカスト法や、真空ダイカスト法により成形することができる。
本発明のアルミニウムダイカスト合金の製造方法は、上記化学組成の金属溶湯を高圧で金型に注入して凝固させ、金型から取り出して冷却する成形工程を有する。

上記成形工程は、金型から取り出したアルミニウム合金の鋳造塊を急冷する処理を含むことが好ましい。水浴やソルトバスなどで急冷することにより、鋳造塊の段階で母相のアルミニウム中に異種元素が固溶する。

本発明の製造方法で作製したアルミニウムダイカスト合金は、耐力が１００ＭＰａ以上であり、伸びが１０％以上であり、自動車のフレームなど、車体構造部材に要求される衝突荷重に耐える耐性と、変形による衝突荷重の吸収やセルフピアーシングリベット（ＳＰＲ）締結が可能な高い延性を有する。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
＜成形工程＞
ケイ素を１０．５質量％、マンガンを０．４５質量％、マグネシウムを０．３５質量％、鉄を０．１質量％、亜鉛を０．０１質量％含み、残部がアルミニウムの鋳物用アルミニウム合金を融解して溶湯を調製した後、金型温度を調節したＪＩＳ４号試験片作製用の金型に約６０ＭＰａで注湯し凝固させて金型から取り出し、大気中で放冷してアルミニウム合金の鋳造塊を得た。
また、約５００×４００×２００ｃｍかつ板厚約３ｍｍの自動車用フレーム部材の鋳造塊を成形した。

＜熱処理工程＞
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、３９５℃で１時間保持したのち室温まで放冷してアルミニウムダイカスト合金を得た。

［実施例２］
加熱温度を３８０℃にする他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

［実施例３］
加熱温度を３６５℃にする他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

［実施例４］
加熱温度を３５０℃にする他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

［実施例５］
加熱温度を３２０℃にする他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

［実施例６］
加熱温度を３０５℃にする他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

［比較例１］
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、４８５℃で１時間保持したのち放冷し、さらに２２０℃で２時間保持した後、室温まで急冷してアルミニウムダイカスト合金（Ｔ６）を得た。

［比較例２］
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、５２５℃で１時間保持したのち放冷し、さらに２００℃で２時間保持した後、室温まで急冷してアルミニウムダイカスト合金（Ｔ７）を得た。

［比較例３］
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、５３５℃で１時間保持したのち放冷し、さらに２００℃で２時間保持した後、室温まで急冷してアルミニウムダイカスト合金（Ｔ７）を得た。

［比較例４］（比較例５）
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、４８５℃で１時間保持したのち放冷し、さらに２３０℃で２時間保持した後、室温まで急冷してアルミニウムダイカスト合金（Ｔ６）を得た。

［比較例５］（比較例６）
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、４６５℃で１時間保持したのち放冷し、さらに２００℃で２時間保持した後、室温まで急冷してアルミニウムダイカスト合金（Ｔ６）を得た。

［比較例６］（比較例７）
上記アルミニウム合金の鋳造塊を加熱し、２３０℃で３時間保持したのち室温まで放冷してアルミニウムダイカスト合金（Ｔ５）を得た。

［比較例７］
加熱温度を２９０℃にする他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

［比較例８］
熱処理を行わない他は実施例１と同様にしてアルミニウムダイカスト合金を得た。

＜評価＞
実施例及び比較例のアルミニウムダイカスト合金を以下の方法で評価した。
評価結果を表１に示す。
また、実施例１〜４、比較例１、比較例８の金属組織の画像を図１に示す。

（０．２％耐力及び破断伸びの測定）
０．２％耐力及び破断伸びは、金属材料引張試験方法ＪＩＳＺ２２４１（２０１１）に準拠して、汎用の引張試験機を用いて測定した。

（導電率の測定）
導電率をＪＩＳＨ０５０５に準拠して測定した。

（ブリスター及び変形の有無）
自動車用フレーム部材についてブリスター及び変形の有無を目視により確認した。

表１の結果から、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、真空ダイカスト法によらなくてもブリスターの発生が防止されており、また、変形も生じなかった。
さらに、ＳＰＲ締結に必要とされる１０以上の伸びを確保しつつ、８０ＭＰａ以上の耐力を有することが確認された。

比較例１〜５は溶体化処理後に時効処理を行ったアルミニウム合金であり、溶体化処理でアルミニウムに固溶した異種元素が、時効処理で析出して固溶量が減少するため、上記化学組成のアルミニウムダイカスト合金の導電率が高くなった。また、熱処理の最高温度が高く、ブリスター及び変形が生じた。

Claims

ケイ素（Ｓｉ）を９〜１１．５質量％、
マンガン（Ｍｎ）を０．４〜０．８質量％、
マグネシウム（Ｍｇ）を０．１５〜０．５０質量％の割合で含み、
残部がアルミニウム（Ａｌ）と、０．２５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．１質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）と不可避不純物からなる化学組成を有し、
アルミニウムを含む母相と、アスペクト比が１．０〜２．５のケイ素を含む粒子を有する金属組織を有し、
導電率が、３７％ＩＡＣＳ以下であることを特徴とするアルミニウムダイカスト合金。
さらに、ストロンチウム（Ｓｒ）を０．００３〜０．０２質量％含むことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウムダイカスト合金。
耐力が１００ＭＰａ以上であり、伸びが１０％以上であ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ダイカスト合金。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のアルミニウムダイカスト合金を用いた自動車用部材。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のアルミニウムダイカスト合金を製造するアルミニウムダイカスト合金の製造方法であって、
アルミニウム合金の鋳造塊をダイカスト法で成形する成形工程と、
上記アルミニウム合金の鋳造塊に対し、加熱した後に冷却する熱処理工程とを有し、
上記熱処理工程が、３００〜４２０℃に加熱して３０分間〜２．０時間保持し、その後冷却する処理であることを特徴とするアルミニウムダイカスト合金の製造方法。
上記成形工程が、金型から取り出したアルミニウム合金の鋳造塊を急冷する処理を含むことを特徴とする請求項５に記載のアルミニウムダイカスト合金の製造方法。