JPS59193237A

JPS59193237A - アルミニウム（Ａｌ）合金製ホイ−ル及びその製造方法

Info

Publication number: JPS59193237A
Application number: JP6721883A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Tokui; 徳井　雅昭; Akiyoshi Morita; 章義森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-04-15
Filing date: 1983-04-15
Publication date: 1984-11-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、アルミニウム（ＡＡ）合金製ホイール及びそ
の製造方法に関し、詳細には、その材質成分、＃同組織
を規定することにより、鋳造成ｔｂ＋こよる低コストの
メリットを生かした上で１強度。

信頼性に優れたアルミニウム（Ａ４）合金製ホイール及
びその製造方法にかかる。

自動車用等のホイールは重要保安部品であり。

強度、耐衝撃性等、その品質には高し）信頼性力（要求
される。

一方、車両の走行安定性、車両の軽量化の観点から、ア
ルミニウム（Ａ４）合金製ホイールの使用が広範囲に行
なわれている。

そして、アルミニウム（Ａ４）合金製本イール（よ。

大別して、鍛造製ホイールと鋳造製ホイールカ（あり、
鍛造製ホイールは高強度で信頼性が高０反面。

成形方法による制約から形状的な自由度が低く。

かつ１価格が高いという欠点がある。

一方、鋳造製ホイールは、鍛造製ホイールと比べ形状的
な自由度が高く、低コストであるが、高強度で信頼性の
高いものとするためには、その材質・製造方法に細心の
注意を払う必要がある。

ところで、ホイール材としてアルミニウム（Ａ７）合金
を使用する場合９種々の材質強度をもったアルミニウム
（ＡＡ）合金でアルミニウム（ＡＡ）合金製ホイールを
製作し、ホイールとしての要求特性である横方向耐久試
験と落錘試験を行なった結果。

材質強度とこれらホイールによる評価試験での強度には
相関関係があり、必要な材質強度は、引張強度；　２８
　ｋｇ／−以、ヒ、伸び；４．０％以上、衝撃強一度；
　０．４　ｋｇ−ｍ　／ａｔ以−ヒであることがわかっ
ている。

このため、一般に、鋳造アルミニウム（Ａｚ）　合金製
ホイールは、その材質において、不純物の量を厳しく制
限したプレミアム合金を使用し、製造法としては、低圧
鋳造法を採用して内部欠陥を極力少なくシ、かつ、熱処
理において、長時間かけた溶体化処理と時効処理を組み
合せることにより。

高強度で信頼性の高いものとする努力が払われている。

材質において、不純物の量を厳しく制限する理由は、不
純物が凝固時に脆い化合物として晶出しホイールの強度
と靭性を著しく阻害することにある。

特に、低圧鋳造のような凝固速度の遅い鋳造法において
は、化合物が阻大化し晶出するため、不純物の量を厳し
く制限する必要があり、結果的に価格の昼いプレミアム
合金を使用する必要がある。

また、低圧鋳造法はホイールのような大物の鋳物を生産
するのに適しているが、凝固速度が遅いため、凝固組織
が粗り、ミクロシュリンケージの内蔵がさけられないた
め、より−１１１強度と靭性の阻害要因である不純物の
量を厳しく制限する必要がある。

このような背景から、鋳造製アルミニウム（八り合金ホ
イールにおいては９合金中の不純物の量を厳しく制限し
、かつ、長時間かけた熱処理を施こすため１本来なら低
コストであるべき鋳造成形でありながら１価格の高いも
のとなり、また、凝固組織が粗く、かつミクロシュリン
ヶーｊを内蔵スることから、十分な高強度が得られない
という問題点がある。

ところで、アルミニウム（Ａｊり合金製ホイールに採用
されているアルミニウム（Ａり合金は、Ａ−Ａ規格Ａ３
５６合金が多い。

アルミニウム（Ａ、ｉ？）合金製ホイールの材質を明ら
かにするため、市販のアルミニウム（Ａり合金製ホイー
ルを化学分析した結果を第１表の合金番号（１）〜（５
）に示し１合せてＡ３５６合金の規格値を示す。

第　　１　　表市販のアルミニウム（Ａり合金製ホイールの材質は、は
とんど、第１表の合金番号Ｕ）〜（５）と類似の合金で
あり、特徴的なことは、Ａ３５６合金をベースとし、マ
グネシウム（Ｍｇ）を０２５〜０４５％添加して、Ｔ６
熱処理により、マグネシウム（Ｍｇ）ｓケイ素（Ｓｉ　
）を析出させ機械的性質、侍に、引張強度の向ヒを図っ
ていることであり、また、鉄（Ｆｅ　）を０．１５％以
下、実質的には０．１％以下に制限し、高強度・高　性
を確保していることである。

なお、これら市販のアルミニウム（Ｍ）合金製ホイール
は、全て低圧鋳造によって製造されている。

ここで、従来技術として、Ａ３５６相当合金におけるマ
グネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）の効果について説明
する。

Ａ３５６相当合金におけるマグネシウム（Ｍｇ）の機械
的性質に及ぼす効果を第１図に示す。

供試材は鉄（Ｆｅ）　；　０．１％を含有するＡ３５６
相当合金で、熱処理としては、５３５’ｃｘ９Ｈ溶体化
後１５０℃ｘ５Ｈの時効処理するＴ６熱処理したもので
ある。

第１図から明らかなように、マグネシウム（Ｍｇ　）は
熱処理によってマグネシウム（Ｍｇ）ｉケイ素（Ｓｉ　
）を析出することから、マグネシウム（Ｍｇ　）　ｍの
増加とともに、引張強度、耐力、硬度は、ヒ昇するもの
の、伸びは反対に減少する。

Ａ３５６相当合金における鉄（Ｆｅ）の機械的性質に及
ぼず効果を第２図に示す。

供試材はマグネシウム（Ｍｇ）　；　ｏ、ａ３％を含有
するＡ３５６相当合金で、熱処理としては、５３５℃ｘ
９Ｈ溶体化後１５０　’ｃ　ｘ　５　Ｈの時効処理する
′ｒ６熱処理したものである。

引張強度、耐力、硬度は、鉄（Ｆｅ）ｆｔが０．３５％
程度までは増加し、０．３５％以、ヒ１．０％までは殆
んど変化しない。

一方、伸びは鉄（Ｆｅ）量の増加につれて、著しく低下
する。

アルミニウム（Ａｊ２）合金において、鉄（Ｆｅ）は脆
い針状の鉄（Ｆｅ）化合物を晶出するため、伸びが低下
するので、鉄（Ｆｅ）Ｊｉを極力低下するか、針状の鉄
（Ｆｅ）化合物を晶出させないことが必要である。

Ａ３５６相当合金においては、マグネシウム（Ｍｇ）。

鉄（Ｆｅ）ともに、単独では＋　＋ｉｉＪ述の様４こ、
類似の効果を示し、引張強度と耐力を向、ヒさせ、伸び
と衝撃強度を減少させる。

マグネシウム（Ｍｇ　）と鉄（Ｆｅ）の量がとも９こ増
力１１した場合、その伸び、衝撃強度を著しく低ドさせ
ることから、マグネシウム（Ｍｇ）量と鉄（Ｆｅ）ｍの
バランスが重要となる。

さて、鉄（Ｆｅ）化合物は鉄（ｌ侮）ｊｔが増加する（
こ従って晶出しやすくなり、かつ、凝固速度が遅くなる
につれて粗大な針状となりやすし）ことが知られている
。

そこで１発明者らは、各種鉄（Ｆｅ）　Ｍの合金を凝固
速度の異なる鋳型（こ鋳造し、凝固速度と鉄（Ｆｅ）化
合物の晶出しやすさの関係を調べｔコ結果。

第３図のような関係のあることを見出しｔこ。

なお、ここで、凝固速度を表わす尺度として。

デンドライトセルサイズを用いているが、テ゛ンドライ
トセル号イズと凝固速度の間には、第４図１こ示すよう
な相関々係があることは、すでに、公知である。

従って、凝固速度の速い鋳造法を採用し、デンドライト
セルサイズを２０μｍ以下とすれば、鉄（Ｆｅ）量が０
．５％であっても、鉄（Ｆｅ）化合物が晶出しないこと
を発見した。

また、凝固速度が速く、デンドライトセルサイズが小さ
くなれば、引張強度、伸びともに著しく向ヒすることは
、公知であり、第５図に示すような結果が得られている
。

以−ヒのことから、凝固速度の速い鋳造法によれば、鉄
（Ｆｅ）ｆｆｌを０５％含有していても鉄（Ｆｅ）化合
物が晶出せず、デンドライトセルサイズが小さくなり、
伸びの向ヒも不能なことから、鉄（Ｆｅ）、量増加の阻
害要因を回避できることを発見した。

本発明は、従来のホイール用アルミニウム（ＡＡ）合金
において、靭性低下をもたらす不純物元素とされていた
鉄（Ｆｅ）を凝固速度の速い鋳造方法を採用することに
より１強度向上元素として活用可能とし、鉄（Ｆｅ）量
の多い低価格のア）レミニウム（／’Ｊ）合金で、高強
度・高靭性のアル芝ニウム（八り合金製ホイール及びそ
の製造方法を提供することを目的としている。

このような目的は１本発明によれば９重量比率でケイ素
（Ｓｉ）　；　６〜８％、マグネシウム（Ｍｇ）；０．
１５〜０．３０％、鉄（Ｆｅ）　；　０．２０〜０．５
０％、婿４（Ｃｕ）　；　０．２％以下、亜鉛（Ｚｎ）
　；　０．３　％以ド、マンガン（Ｍｎ　）　；　Ｑ、
　３％以ド、チタン（Ｔｉ）　；　０．２％以ド、残部
実質的にアルミニウム（Ａ、ｉ＋）カメらなるアルミニ
ウム（ＡＺ）合金であって、その鋳造凝固組織のデンド
ライトセルサイズを２０μｍ以ド（こ制御しｔこことを
特徴とするアルミニウム（八り合金製ホイール、及び、
−ヒ記組成からなるアルミニウム（Ａりき金を用いて、
金型にてアルミニウム（ＡＡ）合金浴場に２００　ｋｇ
％＋７以ヒの圧力を負荷して鋳造成形した後、′ｒ６熱
処理することを特徴とするアルミニウム（Ａ、ｉｇ）合
金製ホイールの製造方法番こよって達成される。

ここで９本発明の構成の限定理由（こつ０て述べる。

本発明にかかるアルミニウム（Ａｚ）　合金ニおいて、
鉄（Ｆｅ）ｆｆｉを０．５％としてデンドライト　セル
サイズを１５μｍに調整し、Ｔ６熱処理した供試材を用
いて、マグネシウム（Ｍｇ、）　ｉｔを変化させて衝撃
試験した結果を第６図、引張試験をした結果を第７図に
示す。

これらの図から明らかなように、マグネシウム（Ｍｇ）
量が増えるにつれ衝撃強度は低下し、逆に。

引張強度は向、ヒする。

従って、アルミニウム（Ａｚ）合金製ホイール用アルＥ
　＝　ラムＣＭ）合金としてのマグネシウム（Ｍｇ）量
は、前述のホイール用アルミニウム（Ａり合金の要求強
度特性から判断すると０．１５％以上、０．３％以下が
適当である。

−　また１本発明にかかるアルミニウム（Ａり合金にお
いては１本発明合金が従来のＡ３５６合金に比べ、マグ
ネシウム（Ｍｇ）量を減らし衝撃強度を向上しているが
９反面、引張強度が低下しているため、鉄（Ｆｅ）ｔは
０．２％以、ヒ必要であり、デンドライトセルサイズが
２０μｍにおいて、鉄（Ｆｅ）化合物が晶出しないため
には、鉄（Ｆｅ）ｆｆｉが０．５％以ドである必要があ
る。

さらに、ケイ素（Ｓｉ）は鋳造性及び強度から　６％以
Ｆは必要であるが、多すぎると合金が脆くなるため、上
限を８％とした。

なお、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ｖンガン（Ｍｉ）。

チタン（’ｒｉ　）はいずれも不純物として合金を脆く
するため、それぞれ、銅（Ｃｕ）　；　０．２％以下、
亜鉛（Ｚｎ）　；　０．３％以下、マンガニ／　（Ｍｎ
）　；　０．３％以ド、チタン（Ｔ１）：０．２％以下
とした。

次に１本発明にかかるアルミニウム（ＡＡ）合金を用い
て、アルミニウム（Ａｉ）合金製ホイールの鋳造時の溶
場加圧力を２００　ｋｇ／ａＩ１以上としたのは。

凝固速度を速くして鋳造凝固組織のデンドライトセルサ
イズを２０μｍ以下とするためである。

また、鋳造成形後の熱処理をＴ６熱処理としたのは、溶
体化・時効処理によって、マグネシウム（Ｍｇ）ｓケイ
素（Ｓｉ　）を析出させ強度向上をはかるためである。

なお、Ｔ、熱処理条件は、溶体化温度５１５〜５４５℃
で２時間以、ヒ保持後、５０℃以上の水中へ焼入し、１
５５〜１９０℃で２〜７時間時効するのが望ましい。

以下９本発明の詳細な説明する。

実施例　Ｉ第２表に示す８種類の本発明にかがるアルミニウム（Ａ
り合金を、高圧鋳造法により、ホイール成形用金型に鋳
造した。

なお、比較のため公知合金１０を用いて、低圧鋳造法で
も、ホイールを鋳造成形した。

本発明合金の鋳造時の金型温度は、キャビテイ面直下５
　ｍｍの位置において、１８０〜２５０’Ｃの範囲にあ
り、鋳造圧力はプランジャ加圧力にょる。

溶湯加圧圧力を８５０　ｋｇ／ａｔとした。

鋳造後、全てのアルミニウム（ＡＡ）合金製ホイールを
、５２５℃×３時間の溶体化処理後、ｓｏ℃の水に焼入
れ、ついで１７５℃×３時間時効のＴ６熱処理を施こし
た。

熱処理後、各々の材質のホイールから、ＪＩＳｓ号（８
Ａ）引張試験′と、ＪＩＳ、２号衝撃試験片を採取し、
引張試験と衝撃試験を行なうとともに。

各材質のホイールを熱処理後１機械加工してホイール形
状に仕上げ、横方向耐久試験と落錘試験を行なった。

第　　２　　表試験結果をまとめて第３表に示す。

低圧鋳造した公知合金ｉｏは、引張強度、伸び。

衝撃強度ともに低く、ホイールとしての横方向耐久試験
、落錘試験ともに不合格であったが２本発明合金は、全
て、引張強度、＃撃強度ともに高く。

横方向耐久試験、落錘試験にも合格した。

このように、公知合金１０の低圧鋳造品の強度が劣るの
は、凝固速度が遅く、デンドライトセルサイズが大きく
、共晶組織が粗いにもがかわらず。

溶体化温度が５２５ｃと比較的低く、溶体化時間も３時
間と短かいことに起因している。

第　　３　　表このように２本発明合金は、高圧鋳造法で鋳造すること
により、デンドライトセルサイズが２０μｍ以ドとなり
、共晶組織も微細で、かつ、脆い針状の鉄（Ｆｅ　）化
合物の晶出もないため、溶体化温度を比較的低くシ、溶
体化時間が短かくても、十分実施例　■ 実施例Ｉと同一の供試合金を、８００Ｃで俗解（）高圧
鋳造法により、ホイール成形用金型（こ鋳造した。

金型温度はキャビテイ面直下５　ｍｍの位置において、
１８０〜２５０’Ｃの範囲にあり、鋳造圧力はプランジ
ャ加圧力により、ｌ前場加圧圧力を２００　ｋｇ／ａが
とした。

鋳造後、全てのアルミニウム（八ｌ）合金製ホイールを
、５２５’ＣＸ３時間の溶体化処理後、１３（１’ｃの
水に焼入れ、ついで１７５ｃ×３時間時効の′Ｉ゛。

熱処理を施こした。

熱処理後、各々の材質のホイールから、ＪＩＳ８号（８
八）試験片とＪＩＳ２号砺撃試験片を採取し、引張試験
と衝撃試験を行なった。

試験結果を第４表に示す。

第４表実施例Ｉと同様に、低圧鋳造した公知合金１０は、引張
強度、衝撃強度ともに低く、ホイール用アルミニウム（
ＡＡ）合金として適さないが２本発明合金は２全で、引
張強度、衝撃強度ともに高く。

ホイール用アルミニウム（ＡＡ）合金として適している
ことが明らかになった。

なお、試験後の試験片を顕微鏡観察したところ。

高圧鋳造した試料のデンドライトセルサイズは。

全て、実施例Ｉと同様に２０μｍ以丁であった。

このことから、鋳造時の溶場圧力は２００　ｋｇ／ａＯ
’以、ヒであれば、デンドライトセルサイズは微細でほ
とんど差がないと８える。

以ヒにより明らかなように１本発明にかかるアルミニウ
ム（Ａｚ）合金製ホイールによれば、鋳造凝固組織のデ
ンドライトセルサイズを２０μｍ　以ドに制御すること
により、従来のホイール用アルミニウム（Ａ））合金に
おいては、靭性低ドをもたらす不純物とされていた鉄（
Ｆｅ）を１強度面ヒ元素として活用可能とし、鉄（Ｆｅ
）ｊｆｔの多い低価格のアルミニウム（ＡＡ）合金で、
高強度・高靭性とすることができ、また、金型にてアル
ミニウム（Ａ））合金溶湯に２００ψ以ヒの圧力を負荷
して鋳造成形した後、′ｒ、熱処理することにより、鋳
造時の凝固速度を速くして、鋳造凝固組織のデンドライ
トセルサイズを２０μｍ以下と微ａｌ　ｌこでき。

強度・靭性に優れたアルミニウム（Ａ約合金製ホイール
を製造することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＡ３５６合金におけるマグネシウム（Ｍｇ）の
機械的性質に及ぼす影響を示す図、第２図はＡ３５６合
金における鉄（Ｆｅ）の機械的性質に及ぼす影響を示す
図、第３図は凝固速度（デンドライトセルサイズ）と鉄
（Ｆｅ　）化合物品出の関係を示す図、第４図はディト
ライトセルサイズと凝固速度の関係を示す図、第５図は
デンドライトセルサイズと機械的性質の関係を示す図、
第６図は本発明合金におけるマグネシウム（Ｍｇ）量に
よる衝撃強度の変化を示す図、第７図は本発明合金にお
けるマグネシウム（Ｍｇ）量による引張強度の変化を示
す図である。出願人トヨタ自動車株式会社デイラ什仁ｔレザイス゛　（ｏ、ｔｒｂａ　Ｉ　　イシ
＋）才　　５　　βす０、Ｌ　　　　　　Ｏ，２０，３０，４０，５０，６当
　（φ）七ｒ　　乙　　　已ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比率でケイ素（Ｓｉ）　；　６〜８％、マグ
ネシウム（Ｍｇ）　、　０．１５〜０．３０％、鉄（Ｆ
ｅ）　；０．２０〜０．５０％、銅（Ｃｕ）　；０．２
％以下、亜鉛（Ｚｎ）　；　０．３％以下、マンガン（
Ｍｎ　）　；　０．３％以下。チタン（Ｔｉ）　；　０．２％以下、残部実質的にアル
ミニウム（ＡＡ）からなるアルミニウム（Ａ７り合金で
あって、その鋳造凝固組織のデンドライトセルサイズを
２０μＩｎ以ドに制御したことを特徴とするアルミニウ
ム（Ａ４）合金製ホイール。
（２）重量比率でケイ素（Ｓｉ）；６〜８％、マグネシ
ウム（Ｍｇ）　；　０．１５〜０．３０％、鉄（Ｆｅ）
　；０．２０〜０．５０％、銅（Ｃｕ）　；　０．２％
以下、亜鉛（Ｚｎ）　；　０．３％以−ド、マンガン（
Ｍｎ）　；　ｏ、ａ％以下。チタン（Ｔｉ　）　；　０．２％以−ド、残部実質的に
アルミニウム（Ａ４）からなるアルミニウム（Ａ、ｚ）
合金を用いて、金型にてアルミニウム（Ａｆｆｌ）合金
溶湯ｔこ２００ｋｇ／ａｌ？以−ヒの圧力を負荷して鋳
造成形しｔコ後；Ｔ６熱処理することを特徴とずろアル
ミニウム（Ａ））合金製ホイールの製造方法。