JPH1192849A

JPH1192849A - ロードホイール及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1192849A
Application number: JP9251682A
Authority: JP
Inventors: Hajime Itou; 哉伊藤; Yoshio Kaneuchi; 良夫金内
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 1999-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度が向上したアルミホイール及びこ
のようなアルミホイールを低価格で得ることができる製
造方法を提供する。【解決手段】鋳込みスリーブにおいて溶融金属の初晶
を実質的に粒状化させて半溶融状態として金型キャビテ
ィ内に加圧充填し、凝固させて得られたアルミニウムホ
イール素材のリム部にスピニング加工を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械的性質に優れ
たアルミニウム合金製ロードホイール及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の省エネルギーの観点から自動車の
軽量化が推進され、自動車のロードホイールも従来のス
チールホイールからアルミホイールが使用されるように
なってきた。このアルミホイールの製造方法としては、
低圧鋳造法（例えば特開平８−２４３７２０号）、同８
−３１８３６２号参照）、重力鋳造法、高圧鋳造法、鍛
造法又は溶湯鍛造法が知られているが、これらの内で
は、低圧鋳造法又は鍛造法が一般的である。低圧鋳造法
は、デザインの自由度が大でかつ他の方法よりも低価格
のアルミホイールが得られるという利点を有する。しか
るに低圧鋳造法では、鍛造品よりも機械的強度が低く
｛但しセンターゲートタイプの鋳造方案（金型の中心に
溶湯の注入口を設置）ではディスク部の強度が低く、サ
イド２ゲートタイプの鋳造方案（金型の両サイドに溶湯
の注入口を設置）ではリム部の強度が低い）、又リム幅
の大なるホイールを製造しにくいという問題がある。鍛
造法は、低圧鋳造品よりも機械的強度が大でしかもリム
幅の大なるホイールを得やすいという利点がある。しか
るに鍛造法によれば、価格高となり又デザインの自由度
が小さいという問題がある。

【０００３】また最近では、上述した従来の鋳造法とは
別に、溶湯を半溶融状態にしたビレットをダイカストマ
シンの金型内に圧入する半溶融鋳造法（Semisolid Mol
ding）によりアルミホイールを製造することが検討され
ている。この半溶融鋳造法には、溶湯を完全に冷却して
凝固させたビレットを再加熱して半溶融状態にした後鋳
造するチクソキャスト（Thixo cast）法（例えば特開
平７−７４０１５号）と、溶湯に剪断力を与えながら冷
却し、半溶融状態にして鋳造するレオキャスト（Rhocas
t）法（例えば特開平８−２５７７２２号）とがある。
チクソキャスト法は既に実用化されているが、所定の組
成を有するビレットを準備し、これを半溶融温度領域で
例えば電磁攪拌後連続鋳造して、α相を粒状化してから
再加熱して球状化する手法であり、製造コストが高くな
るという問題がある。一方レオキャスト法によれば、ビ
レットを使用しないので、コスト的にはチクソキャスト
法よりも有利である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来のレオキャ
スト法では、ブリスタを防止するために充填速度を小さ
くする必要があり、その様に充填速度を小さくすると湯
流れ不良が発生するので、リム部の長さを大きくできな
いし、又リム部の強度が不足するという問題がある。

【０００５】したがって、本発明の目的は、全体の機械
的強度が高くしかも低価格のロードホイールを提供する
ことである。

【０００６】本発明の他の目的は、低コストでかつ機械
的強度の高いロードホイールを得ることのできる製造方
法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明においては、車軸が装着されるハブ部と
その周囲に設けられたデザイン部を有するディスク部
と、ディスク部の外周部に一体に形成されたリム部とを
有し、全体が重量比でＳｉ６．５〜７．５％、Ｍｇ０．
２〜０．４％を含み、残部がアルミニウムと不可避の不
純物からなるアルミニウム合金で鋳造されたロードホイ
ールであって、デザイン部は実質的に球状化された基地
組織を有し、リム部は実質的に繊維状の基地組織を有す
る、という技術的手段を採用した。第１の発明において
は、ディスク部が実質的に粒状化された基地組織を有し
かつリム部は実質的に繊維状の基地組織を有するので機
械的強度の高いロードホイールとなる。

【０００８】さらに第２の発明においては、（ａ）Ａｌ
−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を溶解して、その溶湯を液相線近傍
の温度にする工程と、（ｂ）前記溶湯を鋳込みスリーブ
に移し、この鋳込みスリーブ内の溶融金属の温度を液相
線近傍から液相線より低く固相線または共晶線より高い
所定の温度まで所定の冷却速度で低下させ、溶融金属の
初晶を実質的に粒状化させて半溶融状態を得る工程と、
（ｃ）初晶が粒状化した前記鋳込みスリーブ内の半溶融
状態金属を金型キャビティ内に加圧充填する工程と、
（ｄ）前記金型キャビティ内に加圧充填された半溶融状
態合金を凝固させて、デイスク部とその外周部に一体に
形成されたリム部とを有するホイール素材を作成する工
程と、（ｅ）ホイール素材を回転させながらリム部をし
ごくスピニング加工を行う工程と、を有することを特徴
とする。第２の発明によれば、金属を溶解して液相線近
傍の温度で鋳込みスリーブへ移すので鋳込みスリーブが
高熱で損傷することが少なくなり、また鋳込みスリーブ
内溶融金属を液相線近傍から液相線より低く固相線また
は共晶線より高い所定の温度まで低下させる過程で機械
撹拌、電磁撹拌その他、固液体共存状態でせん断を与え
ることなく、溶融金属の初晶が実質的に粒状化されて半
溶融状態となり、かかる半溶融状態金属を金型キャビテ
ィ内に加圧充填して凝固させるのでブリスタなどが発生
せず、しかもリム部がスピニング成形されるので全体の
機械的強度の高いロードホイールが得られる。

【０００９】本発明において液相線近傍の温度は例えば
ＡＣ４ＣＨ合金では液相線以下１０℃付近から液相線よ
り約４０℃程度上までである。それより高いとデンドラ
イトが成長し、それより低いと注湯前にデンドライトが
発生する。

【００１０】また溶融金属をスリーブ中で半溶融状態ま
で冷却し粒状の初晶を得るために注湯したスリーブ内の
溶湯を所定内の冷却速度で冷却する。この冷却速度は１
０℃／ｓ未満程度の冷却速度とするのが好ましい。それ
により生成する初晶を粒状化することができる。以上の
ように所定内の冷却速度で冷却する具体的方法として
は、（１）スリーブをセラミック等の低熱伝導材とし、スリ
ーブ表面の冷却速度を小さくし、内部の冷却速度が上述
した１０℃／ｓ以下の範囲よりも遅い場合は必要により
外部より冷却する。（２）金属スリーブの場合は予め加熱して初期温度を高
くする。特にＡＣ４ＣＨ材の場合スリーブの初期温度を
２００℃以上とする。その際に溶融金属の内部の冷却速
度が１０℃／ｓより小さくなる場合は冷却を行う。（３）冷却容器をコールドクルーシブルとし、高周波で
溶湯表面を加熱し、容器を冷却しつつ溶湯に熱量を与え
ることにより溶湯表面の冷却速度を制御すると共に溶湯
内部を所定の冷却速度で冷却する。以上の本発明においては鋳込みスリーブ内で粒状化した
半溶融状態金属を金型キャビティ内に充填する途中で球
状化することが好ましい。それにより粒子も微細とな
り、湯流れもさらに良好となる。

【００１１】その場合溶融金属を流動化することにより
球状化することができ、溶融金属を流動化する手段とし
ては例えば溶融金属を電磁撹拌する手段が挙げられる。
また、金型キャビティ内に充填される際の溶湯の流動に
よっても、組織は粒状から球状に変化する。また、本発
明においては鋳込みスリーブ内で半溶融状態金属の固相
率を３０〜６０％に制御することが好ましい。それによ
り溶融金属にチキソトロピー性を付与することができ、
しかも湯流れを良好に保つことができる。すなわち半溶
融状態金属の固相率を３０％以上とすることにより溶融
金属にチキソトロピー性を付与することができ一方半溶
融状態金属の固相率を６０％未満とすることにより粘性
が過度に高くなることを防止して湯流れを良好に保つこ
とができる。

【００１２】また、本発明においては鋳込みスリーブ内
筒部の少なくともその一部を低熱伝導材とすると共にス
リーブを冷却することが好ましい。それにより溶融金属
の冷却速度を制御して初晶を粒状にすることができる。
すなわち鋳込みスリーブ内筒部の少なくともその一部を
低熱伝導材とすることにより溶融金属が熱を奪われるこ
とが少なくなり、鋳込みスリーブを予熱しなくても半溶
融で粒状の組織が得られる。上記の低熱伝導材として鋳
込みスリーブの内壁部にサイアロンを用いることによ
り、溶融金属が濡れ難いという利点が得られる。

【００１３】更に、本発明においては鋳込みスリーブ内
の半溶融状態金属を層流状態で金型キャビティ内に加圧
充填し、その後高圧を付与することが良い。それによ
り、半溶融状態金属へのガスの巻き込みを防止して、ブ
リスタの発生を防止することができる。また、金型キャ
ビティ内を、少なくとも半溶融状態金属を充填時に減圧
雰囲気および／または不活性ガス雰囲気としたり、前記
鋳込みスリーブ内を不活性ガス雰囲気とするのが好まし
い。その様にすることにより、材料が半溶融状態を保つ
よう温度コントロールすることができると共に表面の酸
化が防止され、特別な表面層除去法を実施することなく
良好な製品を得ることが出来る。

【００１４】更にまた、本発明においては、前記鋳込み
スリーブの外筒部の少なくとも一部に導電体を複数個配
置し、前記導電体の外部の誘導コイルにより磁場を形成
し、前記鋳込みスリーブ内溶融金属を液相線近傍から液
相線より低く固相線または共晶線より高い所定の温度ま
で低下させ、加熱または保温すると共に撹拌した後、前
記金型キャビティ内に加圧充填するのが好ましい。それ
により半溶融状態の材料および導電部には電磁誘導によ
る電流が発生し、それらの誘導電流と磁場の相互作用に
よる電磁体積力が被融解物を鋳込スリーブ表面から遠ざ
ける方向に作用して材料と鋳込スリーブの接触を防止す
る方向に働く。このため接触による温度低下が少なく溶
融金属表面における凝固片の発生が少くなると共に溶融
金属の温度低下が少なく、しかも温度分布が均一になっ
て充填される。また鋳込みスリーブ自身の温度上昇が抑
えられることにより鋳込みスリーブの変形が少なくなり
鋳込みスリーブの機械的精度を維持することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の詳細を添付図面によ
り説明する。図１は本発明の一実施例に係るアルミホイ
ールの断面図である。図１において、アルミホイール１
は、車軸孔２ａを有するハブ２とその周囲に設けられた
デザイン部３を有するデイスク部４を有する。５はデイ
スク部４の外周部（デザイン側）に、デイスク部４と共
に鋳造によって一体に形成されたリム部である。このア
ルミホイールは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなり、デ
イスク部４は、図６に示すように実質的に球状化された
基地組織を有し、リム部５は、図７に示すように実質的
に繊維状の基地組織を有する。

【００１６】上記のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金としては、
重量％で、Ｓｉ６．５〜７．５％、Ｍｇ０．２〜０．４
％を含む、残部が実質的にアルミニウムと不可避の不純
物からなる組成を有するものを用い得る。各成分の作用
と含有量の限定理由は次の通りである。Ｓｉの含有量は
６．５〜７．５％とする。Ｓｉは湯流れ性を良くするた
めに添加するが、６．５％未満ではその効果がなく、
７．５％を越えると靱性を低下させる。Ｍｇの含有量は
０．２〜０．４％とする。ＭｇはとＳｉと共にＭｇ₂Ｓ
ｉを析出させ、機械的強度を向上させ、熱処理性を付与
するが、０．２％未満ではその効果がなく、０．４％を
越えると靱性が低下する。

【００１７】また本発明で用いるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合
金は次の成分を含有してもよい。Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎ
ｉ、Ｔｉは、下記範囲内の含有量であれば、合金の基地
を強化し、強度を向上するが、その含有量が多いと、加
工性を低下させる。すなわち、Ｆｅ：０．２０％以下、
Ｍｎ：０．１０％以下、Ｚｎ：０．１０％以下、Ｃｒ：
０．０５％以下、Ｎｉ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．２
０％以下である。ＰｂとＳｎは、各々０．０５％以下の
含有量であれば、被削性を向上するが、その含有量が多
いと靱性が低下する。ＣｕはＡｌ合金の基地に固溶して
強度を高めるが、その含有量が０．２％を越えると、鋳
造性が低下し、又塑性加工性も低下する。ＳｒとＳｂは
鋳造組織の共晶Ｓｉを微細化するために添加されるが
（改良処理剤として作用する）、その含有量は、Ｓｒ：
０．０１２％以下、Ｓｂ：０．０６％以下がよい。

【００１８】次に本発明のアルミホイールの製造法を添
付図面に基いて説明する。図２は本発明の製造方法を実
施するための装置の一例を示す断面図、図３は図２のＡ
−Ａ断面図である。製造装置１０は、ラドル１１内の溶
融金属１２を受け取り、半溶融金属を形成する鋳込みス
リーブ１３と、この半溶融金属を金型２０に向って押し
出す先端プランジャチップ１４ａを設けたプランジャ１
４を有する。鋳込みスリーブ１３は、セラミックス等の
絶縁体１６とその内部に放射状に埋め込まれたオーステ
ナイト系ステンレス鋼等の導電体からなる冷却パイプ１
７からなる内筒１５と、その周囲に設けられた誘導コイ
ル１９が埋設された外筒１８とを有する。金型２０（図
４参照）は、基板２１にホルダ２２を介して固定された
テーパリング２３及び固定金型２４と、可動板２９にホ
ルダ２８を介して支持された可動金型２５及びスライド
コア２７とを有する。可動板２９は一端が基板２１に固
設されたガイド３０に沿って固定金型２４に対して進退
自在に支持され、スライドコア２７をシリンダ３１によ
り移動自在に支持されている。２６はキャビティであ
り、固定金型２４、可動金型２５、スライドコア２７間
に形成されている。

【００１９】次に上記装置による動作を説明する。所定
の組成を有する合金を溶解して、その溶湯を液相線（６
２６℃）近傍の温度（６２０〜６３０℃）に維持してお
き、この溶湯をラドル１１から鋳込みスリーブ１３内に
注入する。この時冷却パイプ１７に冷却媒体（例えば水
又は空気）を供給することにより、溶湯を液相線近傍の
温度から液相線より低く固相線又は共晶線より高い温度
（５８０℃程度）まで冷却させる。これにより合金溶湯
は初晶が粒状化された半溶融状態となる。また溶湯の半
溶融化の過程では、誘導コイル１９に通電することによ
り、半溶融溶湯を電磁的に攪拌する。次いでプランジャ
１４を作動させて、キャビティ２６内に半溶融化した溶
湯を射出充填する。そしてキャビティ２６内に注入され
た溶湯が凝固した後、型開きを行ってアルミホイール素
材１ａを金型２０から取出し、スピニング加工を行う。
このスピニング加工は、図５に示すように上記素材１ａ
をマンドレル６に装着し、リム部５ａの外周面に押圧具
８の先端を当接し、マンドレル６を回転しながら押圧具
８を図示矢印Ｂ方向に移動させることにより行われる。
このスピニング加工により、リム部５ａが塑性変形し、
図中一点鎖線で示すようなリム部５が形成される。この
スピニング加工により、鋳造時では球状化されていた基
地組織が繊維状組織となり、もってリム部の機械的強度
が向上する。また上記リム部５ａの高さ（ｈ₁）は製品
のリム部の高さ（ｈ₂）よりも低くできるので、鋳造時
の流動長が短くなり、鋳造欠陥が発生しにくくなる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１に示
す装置を用いて、アルミホイールの製造を行う。先ず、
Ｓｉ６．９９％、Ｍｇ０．３０％、Ｆｅ０．１０％、Ｔ
ｉ０．０８％、Ｓｒ０．０１０％、残部Ａｌからなる組
成を有する合金を溶解して液相線（６２０℃）近傍の約
６３０℃の温度に保持する。次に、この合金溶湯１２を
ラドル１１により、鋳込みスリーブ１３に移す。そし
て、図６に示すような粒状の組織となるように、鋳込み
スリーブ２内で液相線近傍から液相線より低く固相線ま
たは共晶線より高い、約５８０℃の温度まで低下させ
る。上記合金では鋳込みスリーブ１３内の冷却速度は、
０．５〜８℃／ｓが良く、好ましくは１〜４℃／ｓが良
い。これにより、合金溶湯１２は初晶が粒状化した半溶
融状態となる。このときの結晶粒は、円形度（粒の長径
と短径の比）の平均が０．６３、円相当径（粒面積から
算出した疑似円の直径）の平均が８０μｍである。

【００２１】次に、初晶が粒状化したの半溶融金属を金
型のキャビティ２６内に、プランジャ１４により、層流
状態を維持して加圧充填する。組織は、加圧充填する過
程のゲート６Ｂで、粒状のものがいっそう微細化し、且
つ球状に変わる。このゲート通過直後の組織を図７に示
す。球の大きさの平均は、結晶粒は、円形度（粒の長径
と短径の比）の平均が０．７２、円相当径（粒面積から
算出した疑似円の直径）の平均が４０μｍである。半溶
融金属の組織は、鋳込みスリーブ内で粒状化された後、
金型キャビティ内に充填後、円形度（粒の長径と短径の
比）が大きくなり、円相当径（粒面積から算出した疑似
円の直径）は小さくなり、結晶は微細でより真円に近く
なっている。鋳込みスリーブ１３内での半溶融金属の固
相率は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金の状態図
と温度から３０〜６０％にする。

【００２２】鋳込みスリーブ１３内で半溶融金属とし
て、これを金型のキャビティ２６内に加圧充填して凝固
させ、金型を型開きをすれば、アルミホイール素材が得
られる。図５に示すようにこの素材のリム部にスピニン
グ加工を施した後、この素材を５４０℃前後の高温に加
熱し、鋳造時の偏析をいっそう無くして均一にすると同
時に晶出相、析出相などを母相に十分溶かし込んだ過飽
和固溶体とする溶体化処理を行う。次に、過飽和固溶体
を１６０℃前後の比較的低温に再度加熱、保持し、析出
を促進する時効硬化処理を行う。図８にスピニング加工
後のリム部の組織を示す。また比較のために、リム部の
スピニング加工を省略した以外は上記と同様の条件でア
ルミホイールを製造した。このようにして得られたアル
ミホイールの機械的性質を、表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１から、本発明によれば、比較例のもの
よりリム部の機械的強度が向上したアルミホイールが得
られることがわかる。

【００２５】

【発明の効果】以上、説明した通り、本発明によれば、
鋳込みスリーブにおいて溶融金属の初晶を実質的に粒状
化させて半溶融状態として金型キャビティ内に加圧充填
し、凝固させた後特定の部位にスピニング加工を施すの
で、機械的強度が高くしかも低コストのアルミニウムホ
イールを得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るアルミホイールの断面
図である。

【図２】本発明の製造方法を実施するための装置の要部
断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】図２に示す金型の断面図である。

【図５】本発明のスピニング加工を説明するためのアル
ミホイール素材の要部断面図である。

【図６】鋳込みスリーブ内の半溶融金属の粒状の組織を
示す金属組織の模式図である。

【図７】金型キャビティ内に充填凝固後の球状の組織を
示す金属組織の模式図である。

【図８】リム部の金属組織の模式図である。

【符号の説明】

１：アルミホイール、４：デイスク部、５：リム部、
６：マンドレル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ６０Ｂ 3/00 Ｂ６０Ｂ 3/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車軸が装着されるハブ部とその周囲に設
けられたデザイン部を有するディスク部の外周部に一体
的に形成されたリム部とを有し、全体が重量比でＳｉ
６．５〜７．５％、Ｍｇ０．２〜０．４％を含み、残部
が実質的にＡｌからなるアルミニウム合金で鋳造された
ロードホイールにおいて、デザイン部は実質的に球状化
された基地組織を有し、リム部は実質的に繊維状の基地
組織を有することを特徴とするロードホイール。
【請求項２】（ａ）Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を溶解し
て、その溶融金属を液相線近傍の温度にする工程と、
（ｂ）前記溶融金属を鋳込みスリーブに移し、鋳込みス
リーブ内溶融金属の温度を液相近傍から液相線より低く
固相線または共晶線より高い所定の温度まで所定の冷却
速度で低下させ、溶融金属の初晶を実質的に粒状化させ
て半溶融状態を得る工程と、（Ｃ）初晶が粒状化した前
記鋳込みスリーブ内の半溶融状態金属を金型キャビティ
内に加圧充填する工程と、（ｄ）前記金型キャビティ内
に加圧充填された半溶融状態金属を凝固させて、ディス
ク部とその外周部に一体に形成されたリム部とを有する
ホイール素材を作成する工程と、（ｅ）ホイール素材を
回転させながらリム部をしごくスピニング加工を行う工
程とを含むことを特徴とするロードホイールの製造方
法。