(57)【要約】【課題】車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングとして好適な高強度の車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物を提供する。【解決手段】肉厚ｔが３ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの円筒部を有し、かつＪＩＳ  Ｈ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して形成される車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物であって、外面と内面にそれぞれビッカース硬さＨｖ１００以上のチル層２ａ，２ｂを有している。また、チル層２ａ，２ｂの厚さの和ｄと肉厚ｔとの比ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０で、かつ芯部硬さＨｖｃと表面硬さＨｖｓとの比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓとなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉厚ｔが３ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの円筒部を有し、かつＪＩＳ  Ｈ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して製造されたものであって、外面と内面にそれぞれビッカース硬さＨｖ１００以上のチル層を有し、前記外面と内面のチル層の厚さの和ｄと前記肉厚ｔとの比ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０であり、かつ芯部硬さＨｖｃと表面硬さＨｖｓとの比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓであることを特徴とする車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングとして用いられる車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物に関し、特に、アルミニウム合金をダイカスト鋳造して得られる車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金ダイカスト鋳物は溶融アルミニウム合金を金型に高圧で射出して得られるものであり、形状精度が高く、安価であると言った理由から、輸送、電気、航空、建設などの幅広い分野で使用されている。特に、省エネルギー化、低燃費化の観点から軽量化が求められている車両操舵装置では、部品の薄肉化および軽量化が可能であり、かつ形状が複雑であってもきれいな鋳肌を得られるなどの理由から、アルミニウム合金をダイカスト鋳造してコラムハウジングやラックハウジングが製造されている場合が多い。
【０００３】
しかし、近年の車両操舵装置は高トルク化、高出力化といった機能向上がなされ、従来よりも大きな荷重がコラムハウジングやラックハウジングなどに負荷されるようになってきている。このため、より強度の高いコラムハウジングやラックハウジングを得られるダイカスト鋳造技術が求められている。
アルミダイカストは、鋳造時に発生する欠陥が原因となって強度の大きなバラツキを生じるため、高強度部品としての適用が難しいとされている。現在、その欠陥を減らす技術として、特殊ダイカスト法など、様々な要素技術が開発されているが、これらの技術はコストが高く、製品の形状が限られるなど様々な問題点がある。
【０００４】
そこで、従来から使用されている普通ダイカスト法の手法を変えずにダイカスト製品の強度を向上させる技術として、製品両面のチル層の厚さの和が最小肉厚に関して占める割合を１８％以上とし、かつ材料としてＡｌ−Ｍｇ系合金を用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、チル層が着目された理由としては、ダイカスト鋳造の際に金型による強い冷却を受け、ダイカスト鋳物表面に生成される硬くて緻密な組織のチル層は、その強さがダイカスト鋳物の芯部より４０％以上も高いと言われており、これがダイカスト鋳物の強度を向上させるからである。
【特許文献１】特開平２００４−１０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングはその最小肉厚が３〜５ｍｍであり、特許文献１に記載されているような肉薄の製品ではない。このため、車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングをダイカスト法により製造する場合、特許文献１に記載の方法と同様の方法で製造すると、両チル層の厚さの和と最小肉厚との比が１８％に満たない低いものとなり、十分な強度を得ることができないという問題が生じる。
【０００６】
また、溶湯としてＡｌ−Ｍｇ系合金を使用すると、Ａｌ−Ｍｇ系合金は耐食性、強度が良好であるが、鋳造性が悪く、形状の簡単なものに用途が限定される。さらに、特許文献１に記載の技術では内部の強度に関する検討がなされておらず、表面のチル層が硬くても内部が軟らかくなる場合には、内部が硬いものより強度の向上は期待できないものとなるという問題がある。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングとして好適な高強度の車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物は、肉厚ｔが３ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの円筒部を有し、かつＪＩＳ  Ｈ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して製造されたものであって、外面と内面にそれぞれビッカース硬さＨｖ１００以上のチル層を有し、前記外面と内面のチル層の厚さの和ｄと前記肉厚ｔとの比ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０であり、かつ芯部硬さＨｖｃと表面硬さＨｖｓとの比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、製品の肉厚が３〜５ｍｍの場合でも強度の向上を図れるため、車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングとして好適な高強度のアルミニウム合金ダイカスト鋳物を得ることができる。また、ダイカスト法による金型冷却での表面のチル層の厚さと、表面および芯部の硬度を確保し、製品全体での高強度の品質を得ることができる。さらに、表面の機械切削、バフ研磨を最適化することにより、表面欠陥が少なく、表面の鋳造欠陥、付着物を除去しているため、表面処理にも適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明に係る車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物の一部を図１に示す。同図に示されるダイカスト鋳物１は、肉厚ｔが３ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの円筒部を有し、かつＪＩＳ  Ｈ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して製造されたものであり、必要によっては機械旋削およびバフ研磨加工が施される。
【００１１】
また、ダイカスト鋳物１は両面にそれぞれビッカース硬さＨｖ１００以上のチル層２ａ，２ｂを有しており、チル層２ａの厚さをｄ１、チル層２ｂの厚さをｄ２とすると、チル層２ａ，２ｂの厚さｄ１，ｄ２の和ｄ（＝ｄ１＋ｄ２）と肉厚ｔとの比（以下「肉厚に対するチル層の合計厚さ割合」という）ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０となっている。さらに、ダイカスト鋳物１の芯部硬さをＨｖｃ、同じくダイカスト鋳物１の表面硬さをＨｖｓとすると、芯部硬さＨｖｃに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓとなっている。
【００１２】
ダイカスト鋳造はアルミニウム合金などの溶湯を高圧で金型に注入して冷却し、溶湯を凝固させてダイカスト鋳物を得る方法であり、初晶α相、共晶Ｓｉを表面に細かく且つ多量に分布させるために必要な鋳造法である。この場合、溶湯の冷却速度は鋳物の肉厚、大きさなどによっても異なるが、一般的には１００℃／秒以上の冷却速度であり、表面のチル層は５００℃／秒以上の冷却を受けるものと推定される。
【００１３】
また、ダイカスト鋳造は溶湯が急速に凝固するため、アルミニウムのα相はデンドランドの２次アームが成長せず、主幹のみのセル組織となっている。チル層は、金型の強い冷却を受け、かつ射出充填の高速湯流れで高い圧力がかかった状態となっていて、このセル組織が非常に細かい。
車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングをアルミダイカスト法にて製造する場合、寸法精度を必要とする部分に関しては機械切削加工を行う。また、アルミダイカスト法にて製造されたコラムハウジングやラックハウジングの表面に鍍金、塗装、表面処理等を施す場合、鋳物の鋳肌が良くない場合には、鍍金、塗装、表面処理等を施す前にハウジングの表面をバフ研磨加工することが好ましい。
【００１４】
バフ研磨は過度にかけないように注意すべきである。それは表面のチル層の厚さが通常は５０〜３００μｍ程度であって、内部組織には引け巣、ピンホールなどの欠陥が存在するからである。したがって、この微細なチル層をバフ研磨で取り去らない程度にしなければならない。本発明では、研磨後の表面がチル層内にあるように機械切削、バフ研磨の取り代を１００μｍ程度にすることが好ましい。
【００１５】
上述したように、アルミニウム合金溶湯は普通ダイカスト法により金型に射出され、溶湯表面のチル層は金型により５００℃／秒以上の冷却を受け、凝固が完了し、さらにその後、表面に機械切削、バフ研磨加工を施すことで、表面欠陥の少ない、高強度を実現したダイカスト製品となる。
本発明において、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔを０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０とした理由は、以下の通りである。
【００１６】
チル層２ａ，２ｂの厚さを増すためには、低温の金型に溶湯を高速充填し、型冷却によりダイカスト鋳物表面の冷却速度を高めることが必要であるが、この手段を肉薄の製品に適用すると、金型キャビティの体積の減少から溶融アルミニウム合金の熱容量も小さくなる一方、金型の冷却効果が上がり、湯周り不良等の鋳造品質の劣化を招きやすい。また、製品の肉厚が厚くなると、内部はざく巣などのポーラスが多少できやすくなり、また引け巣が発生しやすい。そこで、本発明では、鋳造欠陥の発生を抑制して鋳造品質の向上を図るために、円筒部の肉厚ｔが３ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの場合、肉厚ｔに対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔを０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０とした。
【００１７】
本発明者らは、鋳肌表面のチル層の最適な厚さを検討するため、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２を普通ダイカスト法によりダイカスト鋳造して、図２に示す形状の試験片（全長Ｌ１：２３０ｍｍ、中央部平行長さＬ２：６０ｍｍ、中央部平行幅ｗ：６．４±０．１ｍｍ、厚さｔ：４ｍｍ）を１０個作製した。次に、作製した各試験片をインストロン社製万能試験機にセットして引張強度試験をクロスヘッド移動速度：０．５ｍｍ／ｍｉｎの試験条件で行い、各試験片の歪みをビデオ伸び計で測定した。そして、試験片に負荷された引張応力とビデオ伸び計の測定値から応力−歪み曲線を作成し、得られた応力−歪み曲線から各試験片の引張強度（破断強度）σを求めた。
【００１８】
また、本発明者らは試験片の長さ方向中央部を引張強度試験後に切断し、得られた試験片切断面を鏡面研磨した。次に、鏡面研磨された試験片切断面の硬さをマイクロビッカース硬さ計により試験片表面から試験片の厚さ方向に０．１ｍｍのピッチで測定した。そして、マイクロビッカース硬さ計の測定値が試験片最表面の硬さより３％低下する測定点から試験片表面までの距離を試験片両面のチル層の厚さとして求め、求めたチル層の厚さから試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔを算出した。ここで、マイクロビッカース硬さ計の測定値が試験片最表面の硬さより３％低下する測定点から試験片表面までの距離を試験片両面のチル層の厚さとした理由は、試験片最表面の硬さより３％低下した測定点から試験片表面までの距離が光学顕微鏡を用いて求めたチル層の厚さとほぼ同じ値を示したためである。なお、マイクロビッカース硬さ計の測定値が試験片最表面の硬さより３％低下した測定点が同一断面の深さ方向に複数（２箇所以上）ある場合は、芯部に近いほうの位置を採用することが好ましい。
【００１９】
また、本発明者らは、ダイカスト製品の表面および芯部の最適な硬さを検討するため、ビッカース硬さ試験機を用いて硬さ試験を試験荷重：０．９８Ｎ（１００ｇｆ）の条件で行い、各試験片の芯部硬さＨｖｃと表面硬さＨｖｓを測定した。ここで、試験荷重を０．９８Ｎとした理由は、光学顕微鏡により観察して得られた表面チル層の厚さが３００〜８００μｍであり、表面チル層と芯部付近組織のセル層との間の硬さの変化を正確に観察するためには、０．９８Ｎでの打痕の大きさが適当であったためである。
【００２０】
上述した引張強度試験で求めた各試験片の破断強度σを表１および表２に示すとともに、試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔの算出値を表１に示す。また、ビッカース硬さ試験で求めた各試験片の芯部硬さＨｖｃと表面硬さＨｖｓとの比Ｈｖｃ／Ｈｖｓ（以下、「芯部硬さに対する表面硬さ比」という）を表２に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【００２３】
表１および表２に示されるように、試料番号１の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．０９、破断強度が２１２ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．１７、試料番号２の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１２、破断強度が２１７ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．２８、試料番号３の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５、破断強度が２１４ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．４５、試料番号４の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５、破断強度が２２８ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．６、試料番号５の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５、破断強度が２１９ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７、試料番号６の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１６、破断強度が２３８ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７２、試料番号７の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１７、破断強度が２５０ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７５、試料番号８の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．２０、破断強度が２６１ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．８、試料番号９の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．２２、破断強度が２５９ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．８３、試料番号１０の試験片は試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．２５、破断強度が２６３ＭＰａ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．９であった。
【００２４】
破断強度σを縦軸とし、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔを横軸としたグラフに各試験片の破断強度とチル層の合計厚さ割合をプロットし、肉厚に対するチル層合計厚さ割合と破断強度との関係を示す曲線を求めた結果を図３に示す。また、破断強度σを縦軸とし、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓを横軸としたグラフに各試験片の破断強度と芯部硬さに対する表面硬さ比をプロットし、芯部硬さに対する表面硬さ比と破断強度との関係を示す曲線を求めた結果を図４に示す。
【００２５】
図３から明らかなように、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５＞ｄ／ｔになると破断強度の値があまり良くないことがわかる。また、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．２０＜ｄ／ｔになると破断強度の値が飽和してあまり変化がないことがわかり、上述したように、鋳造品質の劣化や鋳造欠陥の発生を抑制するためには、ｄ／ｔの上限を０．２０とすることが好ましい。
【００２６】
また、図４から明らかなように、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／ＨｖｓがＨｖｃ／Ｈｖｓ＜０．７になると破断強度の値があまり良くないことがわかり、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓになると破断強度の値が向上することがわかる。
以上のことから、本発明では、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔを０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０とし、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓを０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓとした。
【００２７】
また、望ましくはバフ研磨完了後の製品表面の算術平均粗さを１μｍＲａ以下とした。これは、他鋳造品に比べ比較的鋳肌がきれいなダイカストの鋳肌表面でさらに粗さを向上させることにより、表面への応力集中を減少させ、さらには表面処理にも適したダイカスト製品を提供するためである。
［実施例］
発明の効果を確認するために、本発明者らは、ＪＩＳ  Ｈ５３０２のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２を用いて、図５に示す自動車操舵装置のコラムハウジング３を１８個ダイカスト鋳造した。そして、ダイカスト鋳造された各コラムハウジング３から同寸法、同形状の試験片を切り出し、これらの試験片について肉厚ｔ、両面チル層の合計厚さｄ、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔ、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓ、破断強度σを調査した。その結果を表３に示すとともに、各試験の破断強度と肉厚に対するチル層の合計厚さ割合との関係を図６に示す。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
なお、表３において、実施例１〜９は金型温度：２００〜３００℃の条件でダイカスト鋳造された自動車操舵装置用コラムハウジングから切り出された試験片を示し、比較例１〜９は金型温度：１５０〜３００℃の条件でダイカスト鋳造された自動車操舵装置用コラムハウジングから切り出された試験片を示している。
【００３０】
表３および図６から明らかなように、肉厚ｔに対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０の範囲内にあると、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して製造された自動車操舵装置用コラムハウジングの強度が向上することがわかる。また、比較例７〜９のように、肉厚に対するチル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０を満たしていても、芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓを満たさなければ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して製造された自動車操舵装置用コラムハウジングの強度があまり向上しないことがわかる。
【００３１】
以上のことから、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して車両操舵装置のコラムハウジングやラックハウジングを製造する場合に、外面と内面の両チル層のビッカース硬さがそれぞれＨｖ１００以上になると共に肉厚に対する両チル層の合計厚さ割合ｄ／ｔが０．１５≦ｄ／ｔ≦０．２０になり、かつ芯部硬さに対する表面硬さ比Ｈｖｃ／Ｈｖｓが０．７≦Ｈｖｃ／Ｈｖｓになるように、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造することにより、普通ダイカスト法を用いて高強度のアルミニウム合金ダイカスト鋳物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る車両操舵装置ハウジング用ダイカスト鋳物の一部を示す断面図である。
【図２】アルミニウム合金ダイカスト鋳物の強度試験に用いられた試験片を示す図である。
【図３】試験片の破断強度と試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合との関係を示す図である。
【図４】試験片の試験片の破断強度と試験片の芯部硬さに対する表面硬さ比との関係を示す図である。
【図５】アルミニウム合金ＡＤＣ１２をダイカスト鋳造して製造された自動車操舵装置のコラムハウジングを示す図である。
【図６】図５に示すコラムハウジングから切り出した試験片の破断強度と試験片肉厚に対するチル層の合計厚さ割合との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ダイカスト鋳物
２ａ，２ｂ  チル層
３  コラムハウジング
【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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