(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３．０質量％以上４．０質量％未満のマグネシウム、１．０質量％以上１．５質量％以下のマンガン、０．５質量％以上１．５質量％以下の珪素、０．５質量％以下の鉄を含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなり、かつマグネシウムと珪素の比Ｍｇ／Ｓｉを２．７以上としたことを特徴とする自動車車体構造部品ダイカスト用アルミニウム合金。
【請求項２】
さらに０．５質量％以下の銅を含有したものである請求項１記載の自動車車体構造部品ダイカスト用アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、衝撃エネルギー吸収特性が要求される自動車の薄肉大型車体部品をダイカストマシーンで製造するのに好適なダイカスト用アルミニウム合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムフレーム車体構造の継ぎ手およびセンターピラー等に、アルミニウムダイカスト部品が採用されている。自動車の車体構造に採用されるダイカスト製部品には、自動車衝突時の衝撃エネルギー吸収特性が要求されるが、従来のダイカスト用合金では十分ではない機械的特性、すなわち高い耐力と伸びを兼ね備えているこが必要となる。
このようなアルミニウムフレーム車体構造用ダイカスト合金としては、ドイツ・ラインフェルデン社、米・アルコア社等の開発合金が知られている。これらの合金組成は、Al-5%Mg-2%Si-Mn(Magsm59)、Al-3%Mg-Mn-Co(Magsm22)｛ｃｆ：Diecasting World,March 2000｝、Al-4%Mg-1%Mn｛特開平１１―８０８７５号公報｝である。
【０００３】
これらの組成の合金は、材料特性としての高い耐力と伸びを兼ね備えている点では満足できるが、それぞれ実用合金としては課題がある。
すなわち、Al-5%Mg-2%Si-Mn合金は鋳造後、室温でＭｇ2Ｓｉ相の析出現象が急激に進行するため、時間経過とともに伸びが大幅に低下するという欠点がある。
伸びが低い鋳物は、衝撃エネルギーが加わった際に、すぐ破断してしまい、破断に使用されたエネルギー以上は衝撃エネルギーを吸収することができない。一方伸びが大きい鋳物は、衝撃エネルギーが加わった際に、破断せずに変形し、衝撃エネルギーを変形エネルギーとして吸収する。そのため、自動車用に使用する場合、自動車事故により衝突エネルギーが加わっても破断せず、被害を大きくすることが避けられる。したがって、実用上では永続的に伸びが大きいほど有利となる。
上記Al-5%Mg-2%Si-Mn合金では、永年に亘っての伸びを確保するために、鋳造後に３００〜４００℃での組織安定化熱処理が不可欠である。
また、Ｓｉを含有していないAl-3%Mg-Mn(Co)合金では、鋳造性に課題があり、ダイカスト時に割れ欠陥が発生し易く、複雑な形状の鋳物を一体で成形するダイカスト法には適用し難い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、自動車車体構造部品の製造にアルミニウムのダイカスト技術を適用しようとすると、大量生産できるように鋳造性がよく、車体に要求される機械的な材料特性を有し、かつ鋳造のままで長時間保持しても耐力、伸び等の特性変化がない合金が要求される。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、高い耐力と伸びを兼ね備え、かつ安定化熱処理を必要とせずに鋳造のままで機械的特性を永続的に保持できる、自動車車体構造部品用のダイカスト鋳造性のよいアルミニウム合金を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の自動車車体構造部品ダイカスト用アルミニウム合金は、その目的を達成するため、下記組成のアルミニウム−マグネシウム−珪素−マンガンベースとしたものである。
すなわち、本発明の合金は、３．０質量％以上４．０質量％未満のマグネシウム、１．０質量％以上１．５質量％以下のマンガン、０．５質量％以上１．５質量％以下の珪素、０．５質量％以下の鉄を含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなり、かつマグネシウムと珪素の比Ｍｇ／Ｓｉを２．７以上としたものである。また必要に応じて０．５質量％以下の銅を含有することもできる。さらにその他の元素の含有量は０．１質量％以下にすることが望ましい。
【０００６】
【作用】
本発明によるダイカスト用アルミニウム合金は、マグネシウム、マンガンおよび珪素の含有量を最適の範囲に組み合わせることにより、自動車の車体構造用に適する生産性と機械的特性を有する材料を提供できるものである。
各合金元素の含有量について、作用とともに説明する。
【０００７】
Ｍｇ：３．０質量％以上４．０質量％未満
本発明合金の最も重要な合金元素で、材料特性はマグネシウムの含有量によって大きく変動する。マグネシウムはアルミニウム中に固溶し、強度を高める元素であるが、その含有量が３．０質量％未満ではダイカスト部品に必要な機械的特性の内の耐力１４０ＭＰａを満足することができない。また、４．０質量％以上では応力腐食割れが発生し易くなるとともに、長年の使用によりＭｇ2Ａｌ3相が結晶粒界に析出し、材料が脆化する。
また、ダイカスト用合金の場合、鋳造性の改善のために珪素の添加を避けることができないが、珪素とマグネシウムが共存する時、マグネシウム含有量が４．０質量％以上では、Ｍｇ2Ｓｉの析出も多くなり、Ｍｇ2Ｓｉによる材料の脆化も加わるため、経年変化が著しくなり、時間の経過とともに伸びが低下する。
したがって、マグネシウムの含有量は３．０質量％以上４．０質量％未満にしなければならない。
【０００８】
Ｍｎ：１．０質量％以上１．５質量％以下
マンガンは、ダイカスト鋳型への焼き付きを防止し、さらに材料の耐力と高温強度を向上させる効果がある。また、ダイカスト終了後の鋳造品の取り出し時の鋳造品変形を防止する作用をも有している。含有量が１．０質量％未満では、鉄含有量が低い時にダイカスト鋳型に焼き付き易く、また鋳造品取り出し時に鋳造品の形状変形を起こし易い。含有量が１．５質量％を超えると、ダイカストで通常得られる凝固速度ではマンガンの固溶限界を超え、巨大な晶出物を生成するようになり、材料特性の内の伸びを低下させる悪影響を及ぼす。
したがって、焼き付きを防止し、また取り出し時の鋳造品形状安定性を確保し、しかも伸びを低下させないマンガン含有量は１．０質量％以上１．５質量％以下である。
【０００９】
Ｓｉ：０．５質量％以上１．５質量％以下
珪素は、アルミニウム−マグネシウム合金の鋳造性を改良するのに必要な成分であり、０．５質量％以上の含有によって、ダイカスト鋳造品の鋳造割れを防止することができる。しかし、含有量が１．５質量％をこえると、合金の凝固時にマグネシウムとの化合物Ｍｇ2Ｓｉが晶出し、合金の伸びを低下させるとともに、さらに経年変化により伸びがさらに低下することになる。
したがって、鋳造割れを防止し、材料の伸びを低下させず、１５％以上の伸び値を確保するためには０．５質量％以上１．５質量％以下の珪素を含有させなければならない。
【００１０】
Ｍｇ／Ｓｉ：２．７以上
上記のような組成範囲のアルミニウム−マグネシウム−珪素−マンガンベースの合金であっても、Ｍｇに対してＳｉの比率が高いと鋳造時にＭｇ2Ｓｉの晶出が優先される。この晶出したＭｇ2Ｓｉのため材料の伸びが低下しやすくなるので、珪素含有量に対してマグネシウムの含有量を多く、実験的な結果からＭｇ／Ｓｉ比は２．７以上にする必要がある。
【００１１】
Ｆｅ：０．５質量％以下
鉄は、ダイカストの鋳造時にダイカスト金型との焼き付きを防止する作用があるが、アルミニウム中にはほとんど固溶しない。大量に含有させると針状のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ晶出物を形成し、材料の伸びを急激に低下させる。伸びの値を１５％以上に保持するためには、その含有量は０．５質量％以下にしなければならない。
【００１２】
Ｃｕ：０．５質量％以下
銅は、材料特性のうち耐力を向上させる作用を有するので必要に応じて含有させる。しかし、含有量に応じて伸びと耐食性を低下させるので、含有させるばあいも、０．５質量％以下に制限しなければならない。
その他の元素：０．１質量％以下
その他の元素も、材料に要求される伸びを確保するためには、混入を極力抑制する必要があり、それぞれ０．１質量％以下にすることが望ましい。
【００１３】
以上のように成分調整することにより、本発明アルミニウム合金は、複雑な形状のダイカスト鋳物製造においても、鋳造割れを起こさず、ダイカスト金型への焼き付きを起こさず、また製品を金型から取り出す際に製品に変形を起こさず、しかも、真空ダイカスト法あるいは酸素ダイカスト法等の高品質のダイカスト法で鋳造された時、何らの熱処理を施さずに鋳造のままで十分な伸びを確保することができるので、自動車の車体構造材として適用できる衝撃エネルギー吸収能力の高い鋳物を製造することができる。
【００１４】
【実施例】
表１に示す組成を有するアルミニウム合金を溶解した後、脱ガス、脱滓の溶湯処理を行い、溶湯温度７２０〜７５０℃、型温度２５０℃の条件で真空に保持されたダイカスト金型内に鋳造し、型締め力３５０トンで、厚さ３ｍｍ、１５０ｍｍ×２００ｍｍの大きさの平板状鋳物を作成した。ダイカストされた鋳物中のポロシティは気孔率２％以下に制御した。この鋳物から黒皮付きの平板状引張り試験片を、１枚の平板状鋳物から３本切り出し、一水準につき９本の試験片を引張り試験に供した。（表１中、下線は、規定の範囲を外れることを示す。）
なお、引張り試験試験は熱処理を施さず鋳造のままの試料で、ダイカスト鋳造後３日経過後、３０日経過後、および９０日経過後に実施した。
【００１５】
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【００１６】
表２に各合金の引張り試験の結果を示す。表中の値は９本の引張り試験の平均の結果である。
表１と表２を対応させると明らかなように、本発明で規定する組成を有する合金Ｎｏ．１〜５では、全ての合金が１４０ＭＰａ以上の耐力と、１５％以上の伸びを兼ね備えていた。しかし、マグネシウム含有量が３質量％未満の合金Ｎｏ．６は、耐力が１４０Ｍｐａに達していない。また合金Ｎｏ．７はＭｇ／Ｓｉ比が２．７未満であるために、伸びが低い。さらに、合金Ｎｏ．８，９は、マグネシウムの含有量が４．０質量％以上であるため、鋳造３日経過後の引張り試験ではかなり高い伸びを維持していたが、３０日経過後や９０日経過後の引張り試験では１０％前後に低下していた。
【００１７】
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【００１８】
次に、実用に近いダイカスト鋳型を用いて、ダイカスト鋳造性および合金の離型特性を調査した。ダイカスト条件は、引張り試験試料と同じく、溶湯温度７２０〜７５０℃、型温度２５０℃の条件で、鋳物サンプルの形状を幅５０ｍｍ長さ２００ｍｍ深さ３０ｍｍ厚さ２ｍｍで上部周辺に幅１５ｍｍのフランジを持つ箱型の鋳型に鋳造し、この鋳物サンプルで箱の底部あるいはフランジ部に生じる鋳造割れ、並びにダイカスト後サンプル温度３００〜３５０℃で金型から箱型鋳物サンプルを取り出した時の鋳物の形状不良発生状況を測定した。
【００１９】
その結果を表３に示す。結果は確率で整理した。鋳造割れは、目視で観察されるクラックを微小でもカウントした。なお、表中の個数は１０個の試験体のうちの鋳造割れを生じていた個数を示している。
表３に示されているように、珪素含有量が特許請求の範囲で規定する範囲より少ない０．２質量％の合金Ｎｏ．１１、１２では、試験した鋳型の７〜８０％の確率で鋳造割れを起こしている。０．４質量％のＳｉを含有する合金Ｎｏ．１３でもまだ２０％ほどの割れ不良を発生させている。しかし、Ｓｉ含有量が０．５質量％を超える合金Ｎｏ．１４，１５，１６，１７では鋳造割れは発生していない。
型からの鋳物の離型性は、取り出した試験体を定盤に当てて２ｍｍ以上のズレが観察されたものを不良品とカウントし、鋳造割れと同様、１０個の試験体のうちで発生した不良品の数を表３中に示している。
マンガンの含有量が１．０質量％未満の合金Ｎｏ．１４は変形不良が発生しているが、１．０質量％以上の合金Ｎｏ．１５，１６，１７では発生率がゼロである。
【００２０】
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【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、マグネシウム、珪素およびマンガンの含有量を最適の範囲に調整することにより、優れたダイカスト鋳造性を有し、鋳造のままの状態で高い耐力と伸びを永続的に兼ね備えた材料特性を有し、自動車の車体構造用ダイカスト鋳物に適したものである。