(57)【要約】【課題】低コストな再生塊アルミニウムなどの、Ｆｅを多く含む原料を使用した場合であっても、高強度と高靭性とを併せ持つアルミダイカスト合金を提供する。【解決手段】Ａｌ−Ｓｉをベースとする車両材料用アルミダイカスト合金であって、該合金は、重量％でＳｉ：５〜１２％、Ｍｇ：０．１〜１．０％、Ｆｅ：０．１６％以上、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｚｎ：２．０％以下とし、その他、金属組織の微細化のため、Ｔｉ：０．０３〜０．２％、Ｓｒ：０．００５〜０．２％を、どちらか一方あるいは両方添加して、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる合金をダイカストし、ダイカスト後、０〜５分以内で、水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液にて急冷する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ−Ｓｉをベースとする車両材料用アルミダイカスト合金であって、
該合金は、重量％でＳｉ：５〜１２％、Ｍｇ：０．１〜１．０％、Ｆｅ：０．１６％以上、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｚｎ：２．０％以下とし、
その他、金属組織の微細化のため、Ｔｉ：０．０３〜０．２％、Ｓｒ：０．００５〜０．２％を、どちらか一方あるいは両方添加して、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる合金をダイカストし、
ダイカスト後、０〜５分以内で、水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液にて急冷することを特徴とする車両材料用アルミダイカスト合金。
【請求項２】
前記水焼入れあるいは冷却水溶液での急冷はダイカスト後、１分以内に行うことを特徴とする請求項１に記載の車両材料用アルミダイカスト合金。
【請求項３】
前記水焼入れあるいは冷却水溶液での急冷後、１００〜３００℃で加熱保持したことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両材料用アルミダイカスト合金。
【請求項４】
前記加熱保持の加熱時間は、２〜２４時間とすることを特徴とする請求項３に記載の車両材料用アルミダイカスト合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両材料用アルミダイカスト合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や二輪車の車輪など高強度と高靭性の両方が要求される部品の材料として、従来、新塊アルミニウム（アルミニウム一次合金ともいう）に、いくつかの元素を添加したアルミダイカスト合金が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２５５５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載のアルミダイカスト合金のように新塊アルミニウムを使用すると、靭性に悪影響を及ぼすＦｅの含有量を０．１５重量％以下に抑制することができ、高強度と高靭性とを両立できる。しかしながら、アルミニウムのリサイクル材である再生塊アルミニウム（アルミニウム二次合金ともいう）を出発原料として使用した場合、Ｆｅが不可避的に混入するため、高強度と高靭性とを両立できないという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、低コストな再生塊アルミニウムなどの、Ｆｅを多く含む原料を使用した場合であっても、高強度と高靭性とを併せ持つアルミダイカスト合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、Ａｌ−Ｓｉをベースとする車両材料用アルミダイカスト合金であって、該合金は、重量％でＳｉ：５〜１２％、Ｍｇ：０．１〜１．０％、Ｆｅ：０．１６％以上、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｚｎ：２．０％以下とし、その他、金属組織の微細化のため、Ｔｉ：０．０３〜０．２％、Ｓｒ：０．００５〜０．２％を、どちらか一方あるいは両方添加して、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる合金をダイカストし、ダイカスト後、０〜５分以内で、水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液にて急冷することを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、化学成分の重量比を上記範囲に調整したうえでダイカストし、ダイカスト後に上記条件の熱処理を施すので、靭性低下を招く針状のＦｅ系金属間化合物の生成を抑制しつつ金属組織を微細化することができ、高い靭性を確保しつつ高い強度を得ることができる。これにより、低コストな再生塊アルミニウムなどの、Ｆｅを多く含む原料を使用した場合であっても、高強度と高靭性とを併せ持ち、自動車や二輪車において強度を要求される部品としても好適なアルミダイカスト合金を得ることができる。
【０００７】
また、前記アルミダイカスト合金における水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液での急冷を、ダイカスト後、１分以内に行ってもよい。
この場合、デンドライトを確実に微細化させることができるので、確実に、高強度かつ高靭性なアルミダイカスト合金を得ることができる。
【０００８】
また、前記アルミダイカスト合金は、焼入れあるいは冷却水溶液での急冷を行った後、１００〜３００℃で加熱保持してもよい。
この場合、短時間で時効硬化を発生させることができるので、短時間で、高い靭性と、より高い強度とを併せ持つアルミダイカスト合金を得ることができる。
【０００９】
また、前記加熱保持の加熱時間を、２〜２４時間としてもよい。
この場合、時効硬化を確実かつ十分に発生させることができるので、確実に、高い靭性と、より高い強度とを併せ持つアルミダイカスト合金を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば低コストな再生塊アルミニウムなどの、Ｆｅを多く含む原料を使用した場合であっても、高強度と高靭性を併せ持ち、自動車や二輪車において強度を要求される部品としても好適なアルミダイカスト合金を得ることができる。
また、確実に高強度かつ高靭性なアルミダイカスト合金を得ることができる。
また、短時間で、高い靭性と、より高い強度とを併せ持つアルミダイカスト合金を得ることができる。
また、確実に、高い靭性と、より高い強度とを併せ持つアルミダイカスト合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）は、Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造品におけるＭｇ量と耐力との関係の一例を示す図表、（Ｂ）は、同Ｍｇ量と伸びとの関係の一例を示す図表である。
【図２】同鋳造品におけるＦｅ量と伸びとの関係の一例を示す図表である。
【図３】同鋳造品における二次デンドライトアームスペーシング（ＤＡＳＩＩ）と疲労強度との関係の一例を示す図表である。
【図４】同鋳造品におけるＳｒ添加有無と伸びとの関係の一例を示す図表である。
【図５】同鋳造品におけるダイカスト鋳造後水焼入れまでの時間と耐力との関係の一例を示す図表である。
【図６】Ｍｇを含むＡｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造品における、焼入れ後の人工時効時間とロックウェル硬さとの関係の一例を示す図表である。
【図７】本発明を適用したアルミダイカスト合金（実施例）と、本発明の要件を満たさないアルミダイカスト合金（比較例）の機械的性質を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、化学成分重量比が、Ｓｉ（珪素）：５〜１２％、Ｍｇ（マグネシウム）：０．１〜１．０％、Ｆｅ（鉄）：０．１６％以上、Ｍｎ（マンガン）：１．５％以下、Ｃｕ（銅）：１．０％以下、Ｚｎ（亜鉛）：２．０％以下を含み、Ｔｉ（チタン）：０．０３〜０．２％、Ｓｒ（ストロンチウム）：０．００５〜０．２％の両方あるいはどちらか一方を含み、残部がＡｌ（アルミニウム）および不可避的不純物からなる合金をダイカスト鋳造し、ダイカスト鋳造後、０〜５分以内で、水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液にて急冷する焼入れを行い、焼入れ後、１００〜３００℃の温度に加熱保持する人工時効処理を行うことにより製造される。
以下に、本実施形態に係るアルミダイカスト合金の化学成分重量比および熱処理条件の限定理由をその作用と共に説明する。
【００１３】
（Ｓｉ：５〜１２％）
Ｓｉは、アルミニウム合金のダイカスト鋳造において、溶湯の流動性を向上させる効果を持つ元素である。Ｓｉ量が重量％で５％以上の場合には溶湯の流動性を良好とすることができ、１２％以下の場合にはダイカスト鋳造品の伸びを確保できるため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＳｉ量は、５％以上、１２％以下であることが好ましい。
【００１４】
（Ｍｇ：０．１〜１．０％）
Ｍｇは、Ａｌ−Ｓｉ系合金に添加される場合、Ａｌ（α相）に固溶する固溶強化元素として、またＭｇ系析出相を生成させる析出強化元素として働く元素である。図１（Ａ）に一例を示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金においてＭｇ量が増加すると、ダイカスト鋳造品の耐力が向上する傾向がある。また、図１（Ｂ）に一例を示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金においてＭｇ量が増加すると、ダイカスト鋳造品の伸びが低下する傾向がある。
さらに、Ｍｇを含むＡｌ−Ｓｉ系合金に焼入れや溶体化処理を行った場合、Ｍｇを過飽和に固溶する過飽和固溶体が形成され、自然時効または人工時効処理により強度を向上可能なアルミダイカスト合金を得ることができる。
そして、Ｍｇ量が０．１％以上の場合に明確な強度向上効果を得ることができ、１．０％以下の場合に靭性を確保できるため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＭｇ量は、０．１％以上、１．０％以下であることが好ましい。
【００１５】
（Ｆｅ：０．１６％以上）
Ｆｅは、Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造において、靭性を低下させる元素である。図２に一例を示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金においてＦｅ量が増加すると、ダイカスト鋳造品の伸びが低下する傾向がある。これは、Ｆｅの含有量が多くなると、靭性を低下させる針状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物が多く生成されるためである。
一方、Ｆｅは、アルミニウム合金をダイカスト鋳造する際、金型への焼き付きを防止する性質（以下、離型性と記載する）を向上させる効果を持つ元素である。
前記針状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物の生成は、後述するようにＭｎの添加により抑制可能であること、また、Ｆｅ量が０．１６％以上の場合には離型性向上効果を確保できることから、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＦｅ量は、０．１６％以上であることが好ましい。後述する実施例のように、Ｆｅ量が０．８％以下の場合にはＭｎの添加により非常に良好な靭性を確保できることから、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＦｅ量は、０．１６％以上０．８％以下であることがより一層好ましい。
【００１６】
（Ｍｎ：１．５％以下）
Ｍｎは、Ｆｅを含むＡｌ−Ｓｉ系合金に添加されると、靭性に悪影響しない塊状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の金属間化合物を生成し、上述した針状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物の生成を抑制する元素である。すなわち、Ｆｅ量が多いＡｌ−Ｓｉ系合金をダイカスト鋳造する場合であっても、Ｍｎを添加することによりダイカスト鋳造品の靭性を確保することができる。
一方、Ｍｎは多量添加されるとダイカスト鋳造品の靭性を低下させる元素でもある。
Ｍｎ量が１．５％以下であれば、ダイカスト鋳造品の伸びを確保できるため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＭｎ量は、１．５％以下であることが好ましい。後述する実施例のように、Ｆｅ量が０．８％と多い場合であっても、Ｍｎ量が０．３％以上の場合には非常に良好な靭性を確保できることから、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＭｎ量は、０．３％以上１．５％以下であることがより一層好ましい。
【００１７】
（Ｃｕ：１．０％以下、Ｚｎ：２．０％以下）
Ｃｕ量が１．０％を超える場合、またはＺｎ量が２．０％を超える場合は、ダイカスト鋳造品の靭性が低下するため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＣｕ量、Ｚｎ量は、それぞれ１．０％以下、２．０％以下であることが好ましい。
【００１８】
（Ｔｉ：０．０３〜０．２％、Ｓｒ：０．００５〜０．２％の両方あるいはどちらか一方を添加）
Ｔｉは、Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造において、初晶α相（Ａｌ）を微細化してダイカスト鋳造品の強度および靭性を向上させる効果を持つ元素である。初晶α相（Ａｌ）の微細化は、すなわちデンドライトの微細化および二次デンドライトアームスペーシング（ＤＡＳＩＩ）の縮小である。図３に一例を示すように、二次デンドライトアームスペーシングが小さいほど、ダイカスト鋳造品の疲労強度が高くなることが知られている。
一方、Ｓｒは、Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造において、共晶Ｓｉを微細化し、ダイカスト鋳造品の強度および靭性を向上させる効果を有する元素である。図４に一例を示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造において、Ｓｒを添加するとダイカスト鋳造品の伸びが向上する。
そして、Ｔｉ量が０．０３％以上であれば強度および靭性を明確に向上させることができるが、０．２％を超えると、それ以上添加しても効果が変わらなくなる。また、同様にＳｒ量が０．００５％以上であれば強度および靭性を明確に向上させることができるが、０．２％を超えると、それ以上添加しても効果が変わらなくなる。
そこで、本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、強度および靭性の向上のために０．０３％以上のＴｉあるいは０．００５％以上のＳｒを含んでいることが好ましく、強度および靭性をさらに向上させるために０．０３％以上のＴｉおよび０．００５％以上のＳｒを両方含んでいるとさらに好ましい。さらに、本実施形態に係るアルミダイカスト合金のＴｉ量、Ｓｒ量は、経済性の観点からどちらも０．２％以下であることがより好ましい。
【００１９】
（ダイカスト後、０〜５分以内で水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液にて急冷）
図５に一例を示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金のダイカスト鋳造において、ダイカスト後焼入れまでの時間が短いと、ダイカスト鋳造品の耐力が向上し、ダイカスト後焼入れまでの時間が長くなると、ダイカスト鋳造品の耐力が低下する傾向がある。これは、ダイカスト後、焼入れまでの時間が短ければ、焼入れ時の温度が高く維持されて、凝固開始時における冷却速度が速くなりデンドライトが微細化されるが、焼入れまでの時間が長ければ、焼入れ時の温度が凝固点を下回り、凝固開始時の冷却速度が遅くなりデンドライトの微細化が生じないためである。
また、一般に、焼入れに用いる液体の温度を低くすれば、焼入れ前後の温度差を大きくして凝固開始時の冷却速度をより速くすることができ、デンドライトをより微細化することができる。
本実施形態における化学成分重量比の要件を満たす合金は、ダイカスト後、０〜５分以内で水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液にて急冷すれば、焼入れにより高い強度と高い靭性とを両立させることができる。一方で、ダイカスト後、焼入れまでの時間が５分を超える場合や、焼入れに用いる液体の温度が１００℃を超える場合には、焼入れを行っても高い強度を得ることができない。このため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、ダイカスト後、０分以上５分以内で、水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液により急冷されることが好ましい。さらに、ダイカスト鋳造後、焼入れまでの時間を１分以内とすれば、焼入れ前の温度低下を最小限として確実に強度向上効果と機械的性質の均一化効果を得ることができるため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、ダイカスト後、１分以内で、水焼入れあるいは１００℃以下の冷却水溶液により急冷されることが、より一層好ましい。
【００２０】
（焼入れ後、１００〜３００℃の温度に加熱保持）
図６に一例を示すように、Ｍｇを含むＡｌ−Ｓｉ系合金において、ダイカスト鋳造後に焼入れを行い、その後、人工時効処理（加熱保持）を行う場合、ダイカスト鋳造品の強度の指標である硬さ（ロックウェル硬さ）は、時間経過とともに速やかに上昇した後、一定となる傾向がある。
そして、この実施形態における化学成分重量比の要件を満たす合金を、ダイカスト鋳造後、上述した条件で焼入れし、焼入れ後１００℃以上３００℃以下の温度で加熱保持した場合には、時効硬化を速やかに進行させて短時間で強度を向上させることができるため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、焼入れ後１００℃以上３００℃以下の温度で加熱保持されることが好ましい。さらに、上記加熱保持時間を２時間以上２４時間以内とすれば、時効硬化を十分に進行させ、かつ過時効には至っていない状態として、ダイカスト鋳造品の硬さを十分に上昇させることができるため、本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、焼入れ後１００℃以上３００℃以下の温度で２時間以上２４時間以内の時間、加熱保持されることがより一層好ましい。また、上記加熱保持の際、本実施形態に係るアルミダイカスト合金は、所定の昇温速度で加熱される。
【００２１】
本実施形態によれば、化学成分の重量比を上記範囲に調整したうえでダイカスト鋳造し、ダイカスト鋳造後に上記条件の熱処理を施すので、靭性低下を招く針状のＦｅ系金属間化合物の生成を抑制しつつ金属組織を微細化することができ、高い靭性を確保しながらも高い強度を得ることができる。これにより、例えば低コストな再生塊アルミニウムなどの、Ｆｅを多く含む原料を使用した場合であっても、ダイカスト鋳造および鋳造後の熱処理によって、高強度と高靭性を併せ持ち、自動車や二輪車において強度を要求される部品としても好適なアルミダイカスト合金を得ることができる。
また、本実施形態によれば、焼入れまでの温度低下が少なくなり、焼入れ直前の温度が高く維持され、焼入れ前の部分的な凝固開始を防止することができるので、確実に、機械的性質が均一で、高強度かつ高靭性なアルミダイカスト合金を得ることができる。
また、本実施形態によれば、時効硬化を速やかに進行させることができるので、短時間で、高い靭性と、より高い強度とを併せ持つアルミダイカスト合金を得ることができる。
さらに、本実施形態によれば、時効硬化を確実かつ十分に発生させることができるので、確実に、高い靭性と、より高い強度とを併せ持つアルミダイカスト合金を得ることができる。
【実施例】
【００２２】
［実施例］
実施例では、化学成分重量比が、Ｓｉ：８．５％、Ｍｇ：０．１５％、Ｆｅ：０．８％、Ｍｎ：０．０３％、Ｃｕ：０．０１％、Ｚｎ：０．０１％、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる再生塊アルミニウムを溶解したうえで、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｒの添加を行い、化学成分重量比が、Ｓｉ：８．５％、Ｍｇ：０．１５％、Ｆｅ：０．８％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｕ：０．０１％、Ｚｎ：０．０１％、Ｔｉ：０．０４％、Ｓｒ：０．０１％、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる溶湯を調整した。
【００２３】
続いて、上記溶湯を、二輪車用ホイ−ル形成用の金型を備えた通常のダイカストマシンによりダイカスト鋳造し、二輪車用ホイールを作製した。
ダイカスト金型の型開き後、上記二輪車用ホイールを速やかに冷却水溶液中に浸漬し焼入れを行った。この際、ダイカスト鋳造後、焼入れまでの時間は１分、焼入れ前の冷却水溶液の温度は５０℃であった。
その後、上記焼入れ後の二輪車用ホイールを時効処理炉中に保持し、１８０℃、４時間の人工時効処理（加熱保持）を行った。
人工時効処理後、上記二輪車用ホイールを切断、機械加工して引張試験片を作製し、この引張試験片の機械的特性を引張試験機で測定した。
【００２４】
［比較例１］
比較例１では、実施例と同一の溶湯を、実施例と同一条件でダイカスト鋳造して二輪車用ホイールを作製した。ダイカスト鋳造後の熱処理は実施せず鋳放しとした。
続いて、上記二輪車用ホイールを切断、機械加工して引張試験片を作製し、この引張試験片の機械的特性を引張試験機で測定した。
【００２５】
［比較例２］
比較例２では、実施例と同一の再生塊アルミニウムを溶解して、化学成分重量比が、Ｓｉ：８．５％、Ｍｇ：０．１５％、Ｆｅ：０．８％、Ｍｎ：０．０３％、Ｃｕ：０．０１％、Ｚｎ：０．０１％、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる溶湯を調整した。
続いて、上記溶湯を、実施例と同一条件でダイカスト鋳造して二輪車用ホイールを作製した。ダイカスト鋳造後の熱処理は実施せず鋳放しとした。
続いて、上記二輪車用ホイールを切断、機械加工して引張試験片を作製し、この引張試験片の機械的特性を引張試験機で測定した。
【００２６】
図７は、実施例、比較例１および比較例２のアルミダイカスト合金の機械的特性を示す図表である。
実施例のアルミダイカスト合金は、Ｆｅを０．８％と多く含有しているにもかかわらず、１５０ＭＰａを超える高い耐力と、７．５％を超える高い伸びとを示した。
一方、比較例１のアルミダイカスト合金は耐力が１０５ＭＰａと低く、比較例２のアルミダイカスト合金は伸びが５．１％と低かった。
【００２７】
以上本発明の実施形態を詳述したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ダイカスト鋳造法の一例として通常ダイカスト鋳造法を挙げて説明したが、高真空ダイカスト鋳造法を施すことも勿論可能である。なお、前記加熱、急冷処理を２回以上行ってもよい。このようにすれば、金属組織を均質化しやすくなる。
また、本発明のアルミダイカスト合金は、四輪自動車、自動二輪車、或いは他の用途に用いられる各種ダイカスト部品、例えば四輪自動車のサブフレーム、エンジン部品、トランスミッションケース、自動二輪車のフレーム、スイングアーム、エンジン部品、トランスミッションケースなどに適用可能であり、その用途については何ら限定されず、その他本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【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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