(57)【要約】【課題】実際のアルミダイカスト部品の強度を適正に評価することができるアルミダイカスト部品強度評価方法を提供する。【解決手段】予め応力解析で求めた電動パワーステアリング装置のコラムハウジング（アルミダイカスト部品）１の高応力部であるキーロック部５の所定範囲の内部欠陥を超音波探傷し、当該所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除した欠陥率を求めると共に、コラムハウジング１の鋳造時の溶湯温度と射出速度と充填率との積値からなる鋳造変数を求め、欠陥率と鋳造変数との関係から欠陥率が予め設定した欠陥率規定値以下となる鋳造変数規定値を求め、鋳造時の鋳造変数が鋳造変数規定値以上であるときにはコラムハウジング１は所定の強度を有すると評価する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミダイカスト部品の強度を評価する方法であって、前記アルミダイカスト部品を予め応力解析して求めた高応力部に対し、当該高応力部の所定範囲の内部欠陥を超音波探傷し、当該所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除して欠陥率を求めると共に、前記アルミダイカスト部品の鋳造時の溶湯温度と射出速度と充填率との積値からなる鋳造変数を求め、前記欠陥率と前記鋳造変数との関係から前記欠陥率が予め設定した欠陥率規定値以下となる鋳造変数規定値を求め、鋳造時の前記鋳造変数が前記鋳造変数規定値以上であるときにアルミダイカスト部品が所定の強度を有すると評価することを特徴とするアルミダイカスト部品強度評価方法。
【請求項２】
前記高応力部の所定範囲は、当該高応力部の最大応力の５０％以上の応力の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト部品強度評価方法。
【請求項３】
前記請求項１又は２のアルミダイカスト部品強度評価方法で強度が評価されたアルミダイカスト部品であって、前記欠陥率が０．５％以下であることを特徴とするアルミダイカスト部品。
【請求項４】
前記アルミダイカスト部品が、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるコラムハウジングであり、前記高応力部が前記コラムハウジングのキーロック部であることを特徴とする請求項３に記載のアルミダイカスト部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミダイカスト部品の強度評価方法及びアルミダイカスト部品に関するものであり、例えば車両の電動パワーステアリング装置に用いられる部品などに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両の電動パワーステアリング装置に用いられるコラムハウジングなどはアルミダイカスト部品からなる。このようなアルミダイカスト部品の強度評価方法としては、例えば下記特許文献１や特許文献２に記載されるものがある。このうち、特許文献１では、例えばアルミダイカスト部品に超音波を照射してアルミダイカスト部品からの音波情報に基づいてアルミダイカスト部品の鋳巣と破断チル層を検出して第１の内部欠陥３次元分布データを取得し、同じアルミダイカスト部品をＸ線ＣＴ測定してアルミダイカスト部品の複数の断面画像からアルミダイカスト部品の鋳巣を検出して第２の内部欠陥３次元分布データを取得し、第１の内部欠陥３次元分布データと第２の内部欠陥３次元分布データを比較してアルミダイカスト部品の破断チル層の３次元分布データを取得する。また、特許文献２では、内部に複合部材を有するアルミダイカスト部品に対して超音波探傷を行い、表面から複合部材までの距離、複合部材に対するアルミニウム溶湯の含浸状態、割れの状態などを測定し、良否の判別を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−９１２８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１４４４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献２に記載されるアルミダイカスト部品の強度評価方法は、あくまでも内部に複合部材を有するアルミダイカスト部品に対する、含浸度合や割れの測定を行うものであり、複合部材を有さないアルミダイカスト部品の強度を評価するものではない。これに対し、前記特許文献１に記載されるアルミダイカスト部品の強度評価方法は、複合部材のないアルミダイカスト部品の評価を可能とするが、例えば大きなアルミダイカスト部品や複雑なアルミダイカスト部品の全ての部分について検査を行うのは実質的に困難である。実際のアルミダイカスト部品は、鋳巣などの内部欠陥を回避することができず、この内部欠陥を起点として破壊することがある。また、アルミダイカスト部品は、多くの場合、複雑な形状をしており、例えば超音波探傷によって内部欠陥を探傷することが難しく、また、どの部分で強度を評価すべきなのか、明らかとなっていない。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、実際のアルミダイカスト部品の強度を適正に評価することができ、所定の強度のアルミダイカスト部品を得ることが可能なアルミダイカスト部品強度評価方法及びアルミダイカスト部品を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のアルミダイカスト部品強度評価方法は、アルミダイカスト部品の強度を評価する方法であって、前記アルミダイカスト部品を予め応力解析して求めた高応力部に対し、当該高応力部の所定範囲の内部欠陥を超音波探傷し、当該所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除して欠陥率を求めると共に、前記アルミダイカスト部品の鋳造時の溶湯温度と射出速度と充填率との積値からなる鋳造変数を求め、前記欠陥率と前記鋳造変数との関係から前記欠陥率が予め設定した欠陥率規定値以下となる鋳造変数規定値を求め、鋳造時の前記鋳造変数が前記鋳造変数規定値以上であるときにアルミダイカスト部品が所定の強度を有すると評価することを特徴とするものである。
【０００７】
なお、アルミダイカスト部品の鋳造時の溶湯温度は、例えば保持炉のアルミニウム溶湯温度を示し、溶湯温度が高いとスリーブ部に触れている溶湯部分が凝固しにくいため、破断チル軽減に繋がり、通常は６５０℃以上が好ましい。鋳造変数を求める際には、鋳造時の溶湯温度から、管理下限値を減じた値を計算に使用する。また、アルミダイカスト部品の鋳造時の射出速度は、例えばスリーブから溶湯をプランジャーで押し出す際の高速射出速度を示し、射出速度が高いと溶湯が冷える前にキャビティ内に射出されるため、溶湯中の圧力伝達がよくなり、巣を低減させる効果がある。また、射出速度が速いと、ゲートで破断チルが粉砕され、粗大な破断チルの軽減に繋がり、通常は１．５ｍ／ｓ以上が好ましい。また、充填率は、溶湯注湯量／スリーブ体積を示し、充填率が高いと温度が冷えにくいことから破断チルができにくく、破断チル軽減に繋がり、通常は２０〜５０％とする。
【０００８】
また、前記高応力部の所定範囲は、当該高応力部の最大応力の５０％以上の応力の範囲であることを特徴とするものである。
また、本発明委のアルミダイカスト部品は、前記アルミダイカスト部品強度評価方法で強度が評価されたアルミダイカスト部品であって、前記欠陥率が０．５％以下であることを特徴とするものである。
また、前記アルミダイカスト部品が、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるコラムハウジングであり、前記高応力部が前記コラムハウジングのキーロック部であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
而して、本発明のアルミダイカスト部品強度評価方法によれば、予め応力解析で求めたアルミダイカスト部品の高応力部に対し、当該高応力部の所定範囲の内部欠陥を超音波探傷し、当該所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除した欠陥率を求めると共に、アルミダイカスト部品の鋳造時の溶湯温度と射出速度と充填率との積値からなる鋳造変数を求め、欠陥率と鋳造変数との関係から欠陥率が予め設定した欠陥率規定値以下となる鋳造変数規定値を求め、鋳造時の鋳造変数が鋳造変数規定値以上であるときに当該アルミダイカスト部品が所定の強度を有すると評価することとしたため、実際のアルミダイカスト部品の強度を適正に評価することができる。
【００１０】
また、高応力部の所定範囲を、当該高応力部の最大応力の５０％以上の応力の範囲としたことにより、アルミダイカスト部品の強度をより一層適正に評価することができる。
また、本発明のアルミダイカスト部品によれば、本発明のアルミダイカスト部品強度評価方法で強度評価し、高応力部の所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除した欠陥率を０．５％以下としたことにより、所定の強度のアルミダイカスト部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のアルミダイカスト部品強度評価方法の一実施形態を示す説明図である。
【図２】図１のアルミダイカスト部品強度評価方法における内部欠陥探傷の説明図である。
【図３】アルミダイカスト部品の高応力部の説明図である。
【図４】アルミダイカスト部品の高応力部の内部欠陥探傷範囲の説明図である。
【図５】図２の内部欠陥探傷で得られる画像の説明図である。
【図６】図２の内部欠陥探傷で得た探傷画像である。
【図７】図７の探傷画像を二値化した画像である。
【図８】図７の二値化探傷画像から画像解析により内部欠陥面積を抽出した画像である。
【図９】実施例と比較例の欠陥率と捻り試験の破断時捻り回数との関係を示すグラフである。
【図１０】図４の探傷範囲における内部欠陥の欠陥率と鋳造変数との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明のアルミダイカスト部品強度評価方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態のアルミダイカスト部品強度評価方法で用いられる６軸可動超音波探傷装置の説明図であり、図１ａは装置の全体図、図１ｂは被探傷物とターンテーブルの詳細図、図１ｃは内部欠陥探傷の説明図である。図中の符号１は、本実施形態で強度を評価する対象となるアルミダイカスト部品であり、例えば電動パワーステアリング装置のコラムハウジングである。
【００１３】
本実施形態では、ターンテーブル２の上にアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１を搭載し、ターンテーブル２を回転させながら探触子（プローブ）３を上方から下方に移動し、アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の内側を螺旋状に探傷する。本実施形態のアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１は、円筒部を有するので、この円筒部の後述する高応力部を超音波探傷装置で探傷し、内部欠陥を検出する。
【００１４】
探傷にあたっては、図２ａに示すように、アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の表面エコーと底面エコーの間に評価ゲートを設定した。評価ゲートは、超音波照射方向又は反射方向の探傷範囲を意味する。超音波探傷では、探触子３から発振された超音波はアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の表面と底面で反射して戻ってくる。その反射波が夫々表面エコー、底面エコーとなる。図２ｂに示すように、アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の探傷範囲内部に内部欠陥４が存在する場合、表面エコーと底面エコーの間、即ち評価ゲートの範囲に欠陥エコーが表れる。表面エコーの時刻と底面エコーの時刻は予め分かっているので、二つの時刻の間に存在するエコーが欠陥エコーとなる。そして、その欠陥エコーの最も大きなものをアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の内部に図示化する手法を用いた。なお、本実施形態のアルミダイカスト部品１であるコラムハウジングの円筒部の内径はφ３８ｍｍであり、後述するように探傷範囲を当該円筒部の軸線方向１２ｍｍの範囲とした。また、アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の円筒部の内周面を旋削加工した方が内周面表面で超音波が乱反射しにくくなるため欠陥エコーを検出しやすい。
【００１５】
探傷に先立ち、本実施形態のアルミダイカスト部品１であるコラムハウジングのキーロック部にキーを挿入して捻り方向の負荷をかける捻り試験と同様の負荷条件で応力解析を行った結果、図３に示すＡの部分、即ちキーロック部が最も応力の高い部分であることが分かった。また、従来の捻り試験でもコラムハウジングのキーロック部で破壊が発生している。即ち、この高応力部（キーロック部）では、例えば内部欠陥を起点とする破壊が生じやすいことから、高応力部の内部欠陥を探傷することとした。
【００１６】
図４には、本実施形態のアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の高応力部（キーロック部）の探傷範囲を示す。本実施形態では、前述した最も応力の高い部分を含めて、コラムハウジングの円筒部の軸線方向に１２ｍｍの範囲を内部探傷する。この内部探傷範囲は、最大応力の５０％以上の応力範囲である。この高応力部（キーロック部）Ａを含む内部探傷範囲でアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の内部を超音波探傷し、図５に示すように、当該アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１をスリットの部分から切り割って内部を展開した図の上に内部欠陥を図示化する。
【００１７】
図６は、前述したアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の探傷範囲の超音波探傷による探傷画像である。探傷範囲は、前述したように、高さ方向に１２ｍｍ、円筒部の内周全周であるから、画像の横軸は１１９ｍｍ（内径φ３８ｍｍの内周）、縦軸は１２ｍｍである。この探傷画像に対し、５０％エコー強度を閾値とし、それ以上とそれ以下で二値化して色分けしたのが図７である。図中の薄い灰色部分が、エコー強度５０％以上の内部欠陥である。５０％エコー強度とは、欠陥面積０．２ｍｍ2のマスターテストピースが、後述の画像解析でも同じ面積となるように合わせた際のエコー強度である。更に、図７に示すエコー強度５０％以上の内部欠陥の夫々の面積を画像解析したのが図８である。なお、画素数にして２０pixel以下（面積０．２ｍｍ2以下）は強度的に問題ないと判断し、内部欠陥の評価対象から排除した。
【００１８】
下記表１は、このようにして解析された全ての内部欠陥の面積である。これらの内部欠陥の合計面積は４．９９ｍｍ2、全探傷面積は１４００ｍｍ2である。本実施形態では、内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除し、その値を欠陥率と定義し、その欠陥率の大きさで内部欠陥状態及びアルミダイカスト部品の強度を評価した。この例では、欠陥率は４．９９／１４００×１００＝０．３６％となる。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
このようにして７個のアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１について、同様に超音波探傷によって高応力部（キーロック部）の内部欠陥を検出し、検出された内部欠陥の面積を画像解析によって求め、それら内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除して欠陥率を求めた。更に、それらのアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１に対して捻り試験を行い、破壊に至るまでの捻り回数を検出した。この捻り試験は、道路運送車両法  道路運送車両の保安基準１１条の２  細目告示別添第１節の７  別添７  四輪自動車等の施錠装置の技術基準  に付記されている。その別紙２  トルク制限装置を備えたかじ取り装置に作用する施錠装置の試験手順を元に行った。但し、本実施形態では、安全係数をみて、トルクの値を規定の１００Ｎｍの二倍の２００Ｎｍとし、サイクルを繰り返して破壊するまでの捻り回数を求めた。下記表２に、高応力部（キーロック部）５内の内部欠陥の欠陥率と捻り試験の破壊時の捻り回数の関係を示す。また、表２の結果をグラフに表したのが図９である。図９から明らかなように、欠陥率０．５％を超えると、捻り試験の破壊時の捻り回数が大幅に低下することが分かった。即ち、欠陥率が０．５％以下であれば、アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１は所定の強度を有すると評価できる。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
一方、アルミダイカスト部品（コラムハウジング）１の鋳造時、内部欠陥の原因となり得る鋳造条件としては、鋳造時の溶湯温度、溶湯の射出速度、型内への充填率が挙げられる。前述のように、アルミダイカスト部品の鋳造時の溶湯温度は、例えば保持炉のアルミニウム溶湯温度を示し、溶湯温度が高いとスリーブ部に触れている溶湯部分が凝固しにくいため、破断チル軽減に繋がり、通常は６５０℃以上が好ましい。また、本実施形態では、鋳造変数に対する影響度を高めるために、例えば実績管理下限値６４０℃を溶湯温度から減じて用いた。また、アルミダイカスト部品の鋳造時の射出速度は、例えばスリーブから溶湯をプランジャーで押し出す際の高速射出速度を示し、射出速度が高いと溶湯が冷える前に射出されるため、溶湯中の圧力伝達がよくなり、巣を低減させる効果がある。また、射出速度が速いと、ゲートで破断チルが粉砕され、粗大な破断チルの軽減に繋がるため、ゲート速度は２０〜６０ｍ／ｓ、ゲート厚は２．５ｍｍ以下が好ましい。また、充填率は、溶湯注湯量／スリーブ体積を示し、充填率が高いと温度が冷えにくいことから破断チルができにくく、溶湯中の圧力伝達がよくなり、巣を低減させる効果がある。また、射出速度が速いと、ゲートで破断チルが粉砕され、粗大な破断チルの破断チル溶湯中の圧力伝達がよくなり、巣を低減させる効果がある。また、充填率は、通常は２０〜５０％が好ましい。本実施形態では、これら溶湯温度、射出速度、充填率の積値を鋳造変数とし、その鋳造変数と前述の内部欠陥の欠陥率との関係を調べた。
【００２３】
そこで、鋳造変数が４、６、１０、２０となる鋳造条件でアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１を、夫々１０本ずつ鋳造し、それらについて前述と同様に超音波探傷を行い、算出した欠陥率と鋳造変数との関係を調べた。表３には、夫々の鋳造変数での欠陥率の平均＋３σの値と平均−３σの値を表した。図１０は、表３の結果をグラフ化したものである。σは標準偏差である。前述のように欠陥率が０．５％以下であるとアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１は所定の強度を有すると判断できる。欠陥率が０．５％となる鋳造変数は１０であるから、本実施形態では鋳造変数が１０以上の鋳造条件で鋳造したアルミダイカスト部品（コラムハウジング）１は、所定の強度を有すると判断できる。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
このように、本実施形態のアルミダイカスト部品強度評価方法では、予め応力解析で求めたコラムハウジング（アルミダイカスト部品）１の高応力部に対し、当該高応力部の所定範囲の内部欠陥を超音波探傷し、当該所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除した欠陥率を求めると共に、コラムハウジング（アルミダイカスト部品）１の鋳造時の溶湯温度と射出速度と充填率との積値からなる鋳造変数を求め、欠陥率と鋳造変数との関係から欠陥率が予め設定した欠陥率規定値以下となる鋳造変数規定値を求め、鋳造時の鋳造変数が鋳造変数規定値以上であるときに当該コラムハウジング（アルミダイカスト部品）１が所定の強度を有すると評価することとしたため、実際のコラムハウジング（アルミダイカスト部品）１の強度を適正に評価することができる。
【００２６】
また、高応力部の所定範囲を、当該高応力部の最大応力の５０％以上の応力の範囲としたことにより、コラムハウジング（アルミダイカスト部品）１の強度をより一層適正に評価することができる。
また、本実施形態のアルミダイカスト部品によれば、前記の強度評価方法で強度評価し、高応力部の所定範囲の内部欠陥の合計面積を全探傷面積で除した欠陥率を０．５％以下としたことにより、所定の強度のコラムハウジング（アルミダイカスト部品）１を得ることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１はアルミダイカスト部品（コラムハウジング）
２はターンテーブル
３は探触子
４は内部欠陥
Ａは高応力部（キーロック部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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