JPH093581A

JPH093581A - 疲労強度の高いアルミニウム鍛造品及び製造方法

Info

Publication number: JPH093581A
Application number: JP7172933A
Authority: JP
Inventors: Haruyasu Katto; 晴康甲藤; Hajime Kamio; 一神尾; Kenji Tsuchiya; 健二土屋; Hirotsugu Yunoki; 裕嗣柚木
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1995-06-15
Filing date: 1995-06-15
Publication date: 1997-01-07

Abstract

(57)【要約】【目的】疲労強度が高いアルミニウム鍛造品を得る。【構成】このアルミニウム鍛造品は、初晶デンドライ
トが分断されて個々の粒として成長し、粒子間隙に共晶
Ｓｉが充填されている組織をもっている。初晶デンドラ
イトは、電磁撹拌又は機械撹拌によって分断された後、
個々の粒子として塊状に成長する。鋳塊は、好ましくは
３５０〜５４０℃の温度範囲で熱間鍛造され、組織及び
組成が均質化される。更に、Ｔ₆ 熱処理を施すこともで
きる。【効果】巨大なデンドライトが成長することなく、初
晶が塊状化された鋳造組織となり、これを熱間鍛造する
ことにより疲労強度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い疲労強度が要求さ
れる自動車足廻り部品，電気部品等として使用されるア
ルミニウム鍛造製品及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】リンク，アッパーアーム，ロアアーム，
ホイール等の自動車足廻り部品として、アルミニウム材
料の使用率が高くなってきている。アルミニウム鋳造材
料は、軽量性の点では優れているものの、機械強度，な
かでも疲労強度が十分でない。そこで、ＤＣ鋳造，金型
鋳造，ダイカスト等の通常の鋳造法で製造した鋳塊を押
出し加工や鍛造等で塑性変形させた後、熱処理を施すこ
とにより疲労強度を向上させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、自動車の軽量
化要求に応じて保安部品を鋼製からアルミ製に変換する
傾向が強くなってきている最近では、従来法で向上させ
た疲労強度には限界がある。そのため、軽量化を狙った
アルミ化に制約が加わる。また、高い疲労強度が要求さ
れるエアコン用スクロールや電気部品においても、同様
に疲労強度が不足する問題があり。耐久性に優れた部品
の提供が望まれている。本発明は、このような要求に応
えるべく案出されたものであり、初晶デンドライトを塊
状化することにより、巨大なデンドライトの成長を抑制
して組織全体を均質化し、鋼製部品に匹敵するまで疲労
強度を飛躍的に高めたアルミニウム鍛造製品を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のアルミニウム鍛
造品は、その目的を達成するため、初晶デンドライトが
分断されて個々の粒として塊状に成長し、粒子間隙に共
晶Ｓｉが充填されている組織をもつことを特徴とする。
初晶デンドライトは、電磁撹拌又は機械撹拌によって分
断された後、長軸と短軸との比が１〜３の範囲にある個
々の粒子として塊状に成長する。このアルミニウム鍛造
製品は、アルミニウム合金溶湯を鋳造する際に凝固界面
の電磁撹拌又は機械撹拌により初晶デンドライトを分断
し、分断された初晶デンドライトが個々の粒子として塊
状に成長した組織をもつ鋳塊を熱間鍛造することにより
製造される。熱間鍛造は、好ましくは３５０〜５４０℃
の温度範囲で行われる。また、熱間鍛造に続いてＴ₆ 熱
処理を施してもよい。

【０００５】本発明で使用されるアルミニウム材料は、
製品として要求される強度，耐力，伸び，疲労強度等の
機械的特性に応じて選択される。たとえば、靭性が要求
される自動車用ホイール等の保安部品や油圧用部品に
は、Ｓｉ：６．５〜８．０重量％，Ｍｇ：０．２〜０．
７重量％を含むアルミニウム合金が使用される。この系
の合金は、Ｓｉ及びＭｇ含有量の規制によって強度を改
善している。ただし、Ｍｇ含有量が０．７重量％を超え
ると、靭性が劣化する傾向がみられる。この合金系で
は、必要に応じて０．２〜０．６重量％のＣｕを添加す
ることにより更に強度を向上させることができる。ま
た、Ｔｉ−Ｂ系の結晶微細化剤を添加し、鋳造組織を改
善することもできる。更に、共晶Ｓｉの微細化のため
に、Ｓｒ：０．００３〜０．０４重量％，Ｓｂ：０．０
５〜０．２５重量％，Ｎａ：０．００１〜０．０１重量
％，Ｃａ：０．００２〜０．０２重量％の１種又は２種
以上を含ませることができる。

【０００６】靭性及び強度が要求され且つ複雑な形状の
鍛造品を得る場合には、Ｓｉ：０．４０〜０．８重量
％，Ｍｇ：０．８〜１．２重量％，Ｃｕ：０．１５〜
０．４０重量％，Ｃｒ：０．０４〜０．３５重量％を含
むアルミニウム合金が使用される。この合金系は、Ｓｉ
含有量を少なくしているので、鍛造割れが発生せず、リ
ンク，ロアアーム，アッパーアーム等の複雑な形状をも
つ自動車用部品に好適である。また、Ｍｇ，Ｃｕ，Ｃｒ
等の含有量を前述のように規制することにより、必要な
強度及び靭性を確保している。この合金系にも、鋳造組
織を微細化するため、Ｔｉ：０．２重量％以下及びＢ：
０．０４重量％以下でＴｉ−Ｂ系の結晶微細化剤を添加
することができる。

【０００７】エアコン用スクロール等の耐摩耗性及び高
温強度が要求される部品には、Ｓｉ：１０〜１３．５重
量％，Ｃｕ：０．５〜３．５重量％，Ｍｎ：０．４５〜
０．５５重量％，Ｍｇ：０．４〜１．３重量％を含むア
ルミニウム合金が使用される。Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎを前述
の範囲に規制することにより、耐摩耗性及び高温強度が
改善される。この合金系では、共晶Ｓｉを微細化するた
めＳｒ：０．００３〜０．０４重量％，Ｓｂ：０．０５
〜０．２５重量％，Ｎａ：０．００１〜０．０１重量
％，Ｃａ：０．００２〜０．０２重量％の１種又は２種
以上を添加してもよい。また、Ｔｉ：０．２重量％以下
及びＢ：０．０４重量％以下でＴｉ−Ｂ系の微細化剤を
添加するとき、鋳造組織が微細化される。更には、Ｍｎ
の一部又は全部をＮｉで置換することもできる。

【０００８】

【作用】本発明者等は、アルミニウム材料の疲労強度に
及ぼす初晶，組織等の影響を調査・研究した。その結
果、鋳造時に生成する初晶を塊状化し、更に熱間鍛造に
よる塑性変形を加えるとき、得られた製品の疲労強度が
格段に向上することを知見した。初晶は、鋳造時に溶湯
を凝固界面で撹拌しながら鋳造するとき、デンドライト
状に自由に成長することなく塊状状態に成長する。撹拌
手段としては、電磁撹拌又は機械撹拌が採用される。ア
ルミニウム材料は、撹拌によって残湯部と初晶の全体が
均一になるように凝固する。得られた凝固組織は、熱間
鍛造によって塑性変形させるとき更に均一化される。こ
のようにして、巨大な樹枝状デンドライトを成長させる
ことなく初晶を塊状化した組織をもつ鍛造製品は、従来
法で得られた材料に比較して格段に高い疲労強度を呈す
る。

【０００９】本発明に従った製造方法は、次の工程を経
る。（１）凝固界面の撹拌を伴った鋳造要求される機械的特性に応じて選択された合金組成の溶
湯から、ＤＣ鋳造，金型鋳造，ダイカスト等の鋳造法で
鋳塊を製造する。鋳造に際し、凝固界面の溶湯を電磁撹
拌又は機械的に撹拌し、初晶のデンドライトを剪断し塊
状化状態で初晶を成長させる。凝固界面の撹拌には、鋳
型の外側に電磁撹拌装置をセットし、電磁力によって溶
湯を撹拌させたり、ＤＣ鋳造の場合には鋳型中の溶湯を
機械的にプロペラ等で撹拌する手段が採用される。塊状
化処理後、通常の方法で冷却され、鋳塊となる。

【００１０】撹拌強度は、溶湯の流速で表示することが
できる。流速は、合金系や鋳型の形状等に応じた最適値
があるが、一般には０．５ｍ／秒以上が好ましい。電磁
撹拌の場合、発生させる電磁力，すなわち磁界発生装置
に流す電流量に溶湯の流速が依存している。得られた鋳
塊においては、デンドライトアーム平均径が３０〜７０
μｍとなっており、従来の長く伸びた初晶デンドライト
が検出されない。塊状化を長径と短径との比でみると、
普通の鋳造状態においてはデンドライトが長径方向に発
達し易い。他方、本発明法によるとき、デンドライトの
枝が切断され、溶湯中に浮いた状態になる。そのため、
凝固潜熱が四方に放散され、結果としてデンドライトが
塊状に成長し、長径／短径比が１〜３となる。このこと
が却って残湯の共晶Ｓｉ等の分布を均一にし、組織全体
がマクロ的に均一化する。

【００１１】（２）均質化処理必要に応じて施される熱処理であり、鋳塊の組織を均一
化し、押出し，引抜き，圧延等の加工性を改善する。均
質化処理を施す場合には、４５０〜６４０℃の温度で鋳
塊を１〜１０時間加熱する。４５０℃未満の温度及び１
時間に達しない加熱時間では、均質化処理の効果が小さ
い。逆に加熱温度及び加熱時間がそれぞれ５４０℃及び
１０時間を超えても、効果の向上に大きな期待ができな
い。

【００１２】（３）熱間鍛造初晶が塊状化された組織をもつ鋳塊は、熱間鍛造によっ
て鋳造組織が練り上げられる。すなわち、小さな鋳造欠
陥を潰し、組織の中に均一に分散させる。そして、更に
塊状化された初晶は、全体として均一に変形されるた
め、鋳造時の均一化に加えて更に均一化された鍛造組織
が生成する。熱間鍛造は、鋳塊を３５０〜５４０℃の温
度範囲に保持して行うことが好ましい。鍛造温度が３５
０℃に満たないと、鍛造中に割れが発生し易い。逆に５
４０℃を超える鍛造温度では、バーニングの虞れがあ
る。鍛造時の据込み率は、小さすぎると欠陥が潰れ難
く、伸びの向上に悪影響を与えることから、３０％以上
に設定することが好ましい。

【００１３】（４）熱処理熱間鍛造されたアルミ鍛造材に、最終製品の要求性能に
応じた熱処理が施される。一般的には、熱間鍛造材より
も更に強度及び伸びを向上させるＴ₆処理が好ましい。（５）機械加工得られた製品素材に対し、寸法精度の向上，取付け用の
ネジ加工等、要求形状に応じた機械加工が施される。

【００１４】

【実施例】表１に示す組成をもつアルミニウム合金か
ら、直径６インチのビレットをＤＣ鋳造した。試験番号
１，３，５の合金では、凝固時に強力な電磁撹拌を行
い、デンドライトを剪断しながらＤＣ鋳造した。他方、
試験番号２，４，６の合金ビレットは、電磁撹拌を伴わ
ない通常のＤＣ鋳造で製造した。

【００１５】

【表１】

【００１６】得られたビレットの鋳造組織を表２に示
す。表２から明らかなように、本発明に従った試験番号
１，３，５のビレットではデンドライトが塊状化されて
いる。本発明に従って得られたデンドライトは、表２か
ら明らかなように通常のＤＣ鋳造品に比較して径が大き
いものの、結晶粒自体は小さくなっている。これは、初
晶が樹枝状に発達したものではなく、分断された粒が１
個づつ成長したことを示すものである。試験番号１のミ
クロ的な鋳造組織では、図１（ａ）にみられるように初
晶のデンドライトが塊状に成長しており、塊状の隙間を
共晶Ｓｉが均一に埋めていることが観察される。すなわ
ち、初晶が塊状化された組織では、組成的にも均質化さ
れていることが判る。これに対し、試験番号２のミクロ
組織では、図１（ｂ）にみられるようにデンドライトが
樹枝状に発達しており、デンドライトアームの径は小さ
いものの、共晶Ｓｉの不均一分布が観察される。

【００１７】

【表２】

【００１８】各ビレットから、直径２２ｍｍ及び長さ１
２０ｍｍの丸棒を鋳造方向と平行に切り出した。４００
トンプレスを使用し、金型を２００℃に予熱して温度４
５０℃及び据込み率５０％で直径１１ｍｍの丸棒に熱間
鍛造した。得られた鍛造品を表３に示す条件下でＴ₆ 処
理した。

【００１９】

【表３】

【００２０】Ｔ₆ 処理後の各試料は、表４に示す機械的
性質を持っていた。なお、疲労強度は、常温でのＳ−Ｎ
曲線から得られる繰返し回数１０⁷ 回での強度を示す。
表４から明らかなように、本発明に従った試験番号１，
３，５では、強度及び伸びに関しては比較品２，４，６
と同程度の値を示しているが、疲労強度が格段に優れて
いることが判る。疲労強度の向上は、鋳塊段階での均一
性が更に熱間鍛造によって改善されていることに起因す
るものと推察される。事実、鋳塊状態での疲労強度は、
熱間鍛造品の９０％であった。このようにして、本発明
によるとき、高い疲労強度が要求される各種部品に好適
なアルミ材を提供できることが確認された。

【００２１】

【表４】

【００２２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の鍛造製
品は、鋳造時の固液共存状態で撹拌処理を施すことによ
り初晶デンドライトを粉砕して塊状化し、更に熱間鍛造
によって組織及び組成の均質化を図っている。このよう
にして得られた鍛造製品は、同じ組成をもつ材料であっ
ても通常の方法により得られた鍛造品に比較して格段に
優れた疲労強度を呈する。その結果、自動車用足廻り部
品，エアコン用スクロール，電気機器等の部品として疲
労強度が重視される用途に使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って初晶を塊状化したもの（ａ）
を従来法によるデンドライトが樹枝状に成長したもの
（ｂ）と比較して示す鋳塊の金属組織（倍率は何れも１
００倍）

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年７月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土屋健二静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号日本軽金属株式会社グループ技術センター内 (72)発明者柚木裕嗣静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号日本軽金属株式会社グループ技術センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】初晶デンドライトが分断されて個々の粒
として塊状に成長し、粒子間隙に共晶Ｓｉが充填されて
いる組織をもつ疲労強度の高いアルミニウム鍛造品。
【請求項２】請求項１記載の塊状化された粒子の長軸
と短軸との比が１〜３の範囲にあるアルミニウム鍛造
品。
【請求項３】Ｓｉ：６．５〜８．０重量％及びＭｇ：
０．２〜０．７重量％を含み、残部が実質的にＡｌの組
成をもつ請求項１又は２記載のアルミニウム鍛造品。
【請求項４】請求項３記載の組成が更にＳｒ：０．０
０３〜０．０４重量％，Ｓｂ：０．０５〜０．２５重量
％，Ｎａ：０．００１〜０．０１重量％及びＣａ：０．
００２〜０．０２重量％から選ばれた１種又は２種以上
を含むアルミニウム鍛造品。
【請求項５】請求項３又は４記載の組成が更にＣｕ：
０．２〜０．６重量％，Ｔｉ：０．２重量％以下及び
Ｂ：０．０４重量％の１種又は２種以上を含むアルミニ
ウム鍛造品。
【請求項６】Ｓｉ：０．４０〜０．８重量％，Ｍｇ：
０．８〜１．２重量％，Ｃｕ：０．１５〜０．４０重量
％，Ｃｒ：０．０４〜０．３５重量％及び残部：実質的
にＡｌの組成をもつ請求項１又は２記載のアルミニウム
鍛造品。
【請求項７】請求項６記載の組成が更にＴｉ：０．２
重量％以下及びＢ：０．０４重量％以下の１種又は２種
を含むアルミニウム鍛造品。
【請求項８】Ｓｉ：１０〜１３．５重量％，Ｃｕ：
０．５〜３．５重量％，Ｍｎ：０．４５〜０．５５重量
％，Ｍｇ：０．４〜１．３重量％以下及び残部：実質的
にＡｌの組成をもつ請求項１又は２記載のアルミニウム
鍛造品。
【請求項９】請求項８記載の組成が更にＳｒ：０．０
０３〜０．０４重量％，Ｓｂ：０．０５〜０．２５重量
％，Ｎａ：０．００１〜０．０１重量％，Ｃａ：０．０
０２〜０．０２重量％，Ｔｉ：０．２重量％以下及び
Ｂ：０．０４重量％以下から選ばれた１種又は２種以上
を含むアルミニウム鍛造品。
【請求項１０】請求項８記載のＭｎの一部又は全部を
Ｎｉで置換したアルミニウム鍛造品。
【請求項１１】アルミニウム合金溶湯を鋳造する際に
凝固界面の電磁撹拌又は機械撹拌により初晶デンドライ
トを分断し、分断された初晶デンドライトが個々の粒子
として塊状に成長した組織をもつ鋳塊を熱間鍛造するこ
とを特徴とする疲労強度に優れたアルミニウム鍛造品の
製造方法。
【請求項１２】請求項１１記載の熱間鍛造が３５０〜
５４０℃の温度範囲で行われるアルミニウム鍛造品の製
造方法。
【請求項１３】請求項１１又は１２記載の熱間鍛造に
続いてＴ₆ 熱処理を施すアルミニウム鍛造品の製造方
法。