(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．２０％以下を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｔｉ含有量が０．１０％以上であることを特徴とする請求項１記載のダイカスト用アルミニウム合金。
【請求項３】
質量比で、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．００１〜０．１０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。
【請求項４】
質量比で、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．０５〜０．３０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。
【請求項５】
Ｍｎ含有量が１．０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のダイカスト用アルミニウム合金。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のダイカスト用アルミニウム合金溶湯を高真空ダイカスト法によって鋳造することを特徴とするアルミニウムダイカスト製品の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のダイカスト用アルミニウム合金を用いてダイカスト鋳物を得た後、１５０℃〜４００℃の温度で安定化処理を施すことを特徴とするアルミニウムダイカスト製品の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の方法により製造されたことを特徴とするアルミニウムダイカスト製品。
【請求項９】
自動車のＡピラー、Ｂピラー、Ｃピラー、ルーフ、スペースフレームの接手あるいはサスペンションの取付部であることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウムダイカスト製品。
【請求項１０】
自動車のサスペンションアーム、サブフレームまたはサスペンションのリンク部品であることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウムダイカスト製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイカスト鋳造後に溶体化処理を施すことなく、優れた機械的性質を得ることができ、鋳造性、特に耐鋳造割れ性に優れたダイカスト用アルミニウム合金と、このようなアルミニウム合金を用いたダイカスト製品およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト鋳造法は、薄肉鋳物に鋳造が可能、寸法精度が高い、生産性が高い、形状自由度が高い、などの特徴により、自動車用のエンジン部品やトランスミッション部品に広く使用されている。
【０００３】
また、近年では、車体を構成するスペースフレームの接手やセンターピラー等に、真空ダイカスト法で鋳造した後、熱処理を施すことにより引張強さ、０．２％耐力、伸びなどの機械的性質を向上させたアルミニウム合金ダイカスト鋳物が使用されるようになってきている。
【０００４】
このような自動車の車体部品へも適用可能なダイカスト用アルミニウム合金としては、特開平８−４１５７５号公報に記載されているようなＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｍｎ系のアルミニウム合金が使用されている。
【０００５】
しかし、このようなアルミニウム合金材料は、優れた機械的性能を得るために、ダイカスト鋳造後に、溶体化処理および時効処理を施す必要がある。したがって、溶体化処理後の水冷時に発生した歪を矯正するための矯正工程が必要となり、生産性が悪く、コストも高くなる。
【０００６】
そこで、ダイカスト鋳造後に、このような溶体化処理を施す必要のないダイカスト用アルミニウム合金が、特開平５−９６３８号公報、特開平１１−２９３３７５号公報、特開平１１−８０８７５号公報、さらには文献（Use of Low Iron Die Casting Alloys for the Automotive Industry: Properties and Applications, DIE CASTING ENGINEER January/February 1998）に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報や文献に記載されているようなＡｌ−Ｍｇ−Ｍｎ（−Ｚｒ）系の材料は、鋳造時に割れが発生しやすいという問題点があった。
【０００８】
一方、このような自動車用車体部品として、Ａピラー、Ｂピラー、Ｃピラー、ルーフ、スペースフレームの接手、サスペンション取付部などの部品は、万一の衝突時における安全性確保のために、高速変形領域下でも安定的に高強度と大きな伸びが得られることが重要であるが、従来では、アルミニウムダイカスト鋳物の静的な強度や伸びについては言及されているものの、１０００／ｓレベルの高歪速度域において安定的に高い強度と伸びを得るための方策については確立されておらず、このような問題点を解決することが従来のダイカスト用アルミニウム合金およびダイカスト製品における課題となっていた。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、溶体化処理の必要がない従来のダイカスト用アルミニウム合金やこのような合金からなるダイカスト製品における上記課題に着目してなされたものであって、鋳造後に溶体化処理を施すことなく、Ａピラー、Ｂピラー、Ｃピラー、ルーフ、スペースフレームの接手部品、サスペンション取付部部品などの自動車用車体部品に適用することができ、衝突時のような高歪速度下においても安定的に高い強度と高い伸びが得られ、しかも鋳造性、とりわけ耐鋳造割れ性に優れたダイカスト用アルミニウム合金、および当該合金からなるアルミニウムダイカスト製品、さらにこのようなダイカスト製品の製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わるダイカスト用アルミニウム合金は、質量比で、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．２０％以下を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる構成としたことを特徴としており、当該アルミニウム合金においては、請求項２に記載しているように、Ｔｉ含有量を０．１０％以上、すなわち０．１０〜０．２０％の範囲とすることができる。
【００１１】
本発明の請求項３に係わるダイカスト用アルミニウム合金は、質量比で、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．００１〜０．１０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる構成とし、本発明の請求項４に係わるダイカスト用アルミニウム合金は、質量比で、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．０５〜０．３０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる構成としたことを特徴としている。
【００１２】
そして、本発明に係わる上記ダイカスト用アルミニウム合金においては、請求項５に記載しているように、Ｍｎ含有量を１．０％以上、すなわち１．０〜１．５％の範囲とすることができ、ダイカスト用アルミニウム合金におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１４】
本発明の請求項６に係わるアルミニウムダイカスト製品の製造方法は、上記ダイカスト用アルミニウム合金溶湯を高真空ダイカスト法によって鋳造する構成としている。さらに、請求項７に係わるアルミニウムダイカスト製品の製造方法においては、本発明の上記アルミニウム合金を用いてダイカスト鋳物を製造し、さらに１５０℃〜４００℃の温度で安定化処理を施す構成としている。
【００１５】
さらに、本発明の請求項８に係わるアルミニウムダイカスト製品は、上記アルミニウムダイカスト製品の製造方法により製造されたものであり、請求項９に係わるアルミニウムダイカスト製品は、自動車のＡピラー、Ｂピラー、Cピラー、ルーフ、スペースフレーム継手あるいはサスペンション取り付け部であり、請求項１０に係わるアルミニウムダイカスト製品は、自動車のサスペンションアーム、サブフレームまたはサスペンションのリンク部品であることを特徴としている。
【００１６】
【発明の作用】
以下に、本発明の合金成分および熱処理条件などの限定理由を作用と共に説明する。
【００１７】
（１）Ｓｉ：２．５〜３．５％
Ｓｉは、ダイカスト鋳造時の鋳造割れ性の改善に効果のある元素である。しかしながら、とくに鋳造割れ性の改善に重点を置く場合は、２．５％未満ではその効果が小さく、逆に３．５％を越えるとＭｇ−Ｓｉ系の金属間化合物が多量に晶出し、高歪速度領域での伸びが低下するので、２．５〜３．５％の範囲とした。
【００１８】
（２）Ｍｇ：２．５〜４．５％
Ｍｇは、アルミニウム合金のマトリックス中に固溶するとともに共存するＳｉと共にＭｇ２Ｓｉを形成し、強度を向上させる元素である。しかしながら、２．５％未満では強度向上の効果が小さく、４．５％を越えると応力腐食割れが発生し易くなるので、２．５〜４．５％の範囲とした。
【００１９】
（３）Ｍｎ：０．３〜１．５％
Ｍｎは、凝固中にＡｌ６Ｍｎを晶出することにより高温強度を向上させ、ダイカスト後の製品取り出し時における製品の変形を抑制すると同時に、ダイカスト時に製品の金型への焼付きを抑制するのに効果的な元素である。しかしながら、０．３％未満では十分な高温強度および金型への焼付き防止効果が得られず、１．５％を越えると粗大なＡｌ−Ｍｎ系の金属間化合物が晶出し、伸び（特に、高歪速度域での伸び）が減少するので、０．３〜１．５％の範囲とした。なお、Ｍｎによるこのような効果をより確実なものとするためには、１．０〜１．５％の範囲とすることが望ましい。
【００２０】
（４）Ｆｅ：０．１５％以下
Ｆｅは、ダイカスト鋳造時の金型への焼付きを防止するのに有効な元素である。しかしながら、Ｆｅ含有量が増加すると針状のＦｅ系金属間化合物の晶出量が増加し、伸びや靭性が低下するので０．１５％以下とした。
【００２１】
（５）Ｔｉ：０．２０％以下、あるいは
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、かつＢ：０．００１〜０．１０％
Ｔｉ、あるいはＴｉとＢは、初晶α（Ａｌ）相を微細化し、ダイカスト鋳物の機械的性質を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、Ｔｉ単独の場合には０．１０％未満、ＴｉとＢが共存している場合ではＴｉ：０．０５％未満かつＢ：０．００１％未満ではその効果が小さく、また、Ｔｉ：０．０２０％、Ｂ：０．１０％を越えると、ＴｉＡｌ３粒子やＴｉＢ２粒子が粗大化し、初晶α（Ａｌ）相の微細化効果が減少するので、このような効果を確実なものとするためには、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％、あるいはＴｉ：０．０５〜０．２０％、かつＢ：０．００１〜０．１０％の範囲とすることが望ましい。
【００２２】
（６）Ｚｒ：０．０５〜０．３０％
Ｚｒも，初晶α（Ａｌ）相を微細化し、ダイカスト鋳物の機械的性質を向上させるのに有効な元素なので、必要に応じて添加することができる。しかしながら、０．０５％未満ではその効果が小さく、０．３０％を越えると粗大なＡｌ−Ｚｒ系の金属間化合物が晶出するようになり、伸び（特に、高歪速度域下での伸び）が低下してくるので、添加する場合には０．０５〜０．３０％の範囲とした。
【００２６】
（７）安定化処理温度：１５０〜４００℃
本発明の合金のように、Ｍｇ含有量とＳｉ含有量の比が比較的小さい（すなわち、Ｍｇ含有量に対して、Ｓｉ含有量が相対的に多い）場合は、Ｍｇ２Ｓｉの固溶度の低下がほとんど生じないために、時効硬化挙動をほとんど示さない。しかしながら、安定化処理を施すことにより晶出物の形態を制御し、延性を改善することが可能である。従って、高延性が望まれる場合には、１５０℃〜４００℃の温度で安定化処理を施す事により、所望の特性に調整することが可能である。
【００２７】
本発明に係わるダイカスト用アルミニウム合金は、上記成分組成を備え、ＭｇとＭｎの添加による固溶強化と、ＭｇとＳｉの添加による析出強化により十分な強度が得られると同時に、伸びに対して有害なＦｅを所定の限度内に低減するとともに、Ｍｎの添加によりＦｅの悪影響を最小限に止めているために十分な延性が確保されていることから、当該アルミニウム合金を用いることによって、鋳造後に溶体化処理を施すことなく、高歪み速度域下で高い強度と高い伸びを備えたアルミニウムダイカスト製品が安定的に得られ、例えば、自動車のＡピラー、Ｂピラー、Ｃピラー、ルーフ、スペースフレーム継手部品、サスペンション取り付け部部品、サスペンションアーム、サブフレーム、サスペンションのリンク部品などに好適に用いられる。
【００２８】
また、上記ダイカスト溶アルミニウム合金を用いて、これらのアルミニウムダイカスト製品を鋳造するに際しては、高真空ダイカスト法を用いることが望ましい。すなわち、高真空ダイカスト法の適用によって、製品中へのガスの巻き込みが低減され、本発明合金が有する優れた機械的性質、特に伸び及び靭性を最大限に活かしたアルミニウムダイカスト製品が得られることになる。
【００２９】
さらに、本発明に係わるアルミニウムダイカスト製品の製造方法においては、上記ダイカスト用アルミニウム合金を用いてダイカスト製品を鋳造したのち、安定化処理を施すこともできる。この安定化処理は、ダイカスト後の歪み取り焼鈍ないしは塗装焼き付け、またはその両方に代えることも可能である。
【００３０】
すなわち、本発明に係わるダイカスト用アルミニウム合金は、上記したように、鋳造後何ら熱処理を施すことなく、優れた静的、動的強度および伸びが得られるものであるが、さらなる高強度が望まれる場合や、強度と伸びのバランスの改善が必要な場合には、安定化処理を施すことによって、得られたダイカスト製品が所望の特性を備えたものに調整されることになる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるダイカスト用アルミニウム合金は、合金成分として、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｍｎ，ＦｅおよびＴｉをそれぞれ所定範囲で含有するものであるから、Ｍｇの添加による固溶強化、析出硬化およびダイカスト鋳造後の自然時効により十分な強度が得られると同時に、伸びに対して有害なＦｅを可能な限り低減することにより優れた伸びをも確保することができ、さらにはＴｉの添加により初晶α（Ａｌ）を微細化してより高い強度と伸びを備えたダイカスト製品を得ることができ、とくにＳｉ含有量を２．５〜３．５％（質量比）の範囲に限定したものであるから、当該合金におけるＳｉの作用をより確実なものとして、耐鋳造割れ性を向上させることができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００３２】
本発明の請求項２に係わるダイカスト用合金においては、請求項１に係わるダイカスト用アルミニウム合金に対して、Ｔｉ含有量を０．１０〜０．２０％（質量比）の範囲に限定し、請求項３に係わるダイカスト用アルミニウム合金においては、Ｔｉ含有量を０．０５〜０．２０％（質量比）の範囲に限定すると共に、質量比で０．００１〜０．１０％のＢを添加し、請求項４に係わるダイカスト用アルミニウム合金においては、質量比で０．０５〜０．３０％のＺｒを添加したものであるから、初晶α（Ａｌ）相がより高度に微細化され、ダイカスト製品の強度および伸びをさらに向上させることができる。
【００３４】
本発明の請求項６に係わるアルミニウムダイカスト製品の製造方法においては、上記ダイカスト用アルミニウム合金の鋳造に際して、高真空ダイカスト法を用いるようにしているので、製品中へのガスの巻き込みが低減され、本発明合金の優れた機械的性質を低下させることなく、特に伸びや靭性に優れたアルミニウムダイカスト製品を得ることができ、請求項７に係わるアルミニウムダイカスト製品の製造方法においては、本発明の上記アルミニウム合金を用いてダイカスト鋳物を製造したのち、１５０℃〜４００℃の温度で安定化処理を施すようにしているので、アルミニウムダイカスト製品の強度をさらに向上させることができるという優れた効果がもたらされる。
【００３５】
本発明の請求項８に係わるアルミニウムダイカスト製品は、上記アルミニウムダイカスト製品の製造方法によるものであるから、ダイカスト鋳造後に溶体化処理を施すことなく、優れた機械的性質、特に高歪速度域下での高い強度と伸びを備えダイカスト製品とすることができ、請求項９および請求項１０に記載しているように、自動車のＡピラー、Ｂピラー、Ｃピラー、ルーフ、スペースフレーム接手、サスペンション取付部、サスペンションアーム、サブフレーム、サスペンションのリンク部品に適用することができる。
【００３６】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３７】
〈試験１〉
表１に示す組成のアルミニウム合金を７５０℃で溶製したのち、介在物の除去と脱ガスを目的として、アルゴンガスによるバブリング処理を実施した。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
次に、溶製したアルミニウム合金材料を７２０℃の温度までそれぞれ自然冷却したのち、鋳物の製品部が図１に示すような形状となる鉄製の鋳造割れ性評価用鋳型に重力鋳造を行った。
【００４０】
そして、重力鋳造の後、得られた鋳物の温度が１００℃以下程度となるまで当該鋳型中で冷却を行い、図２に模式的に示すような位置に発生したわれの数を調査することによって、これらアルミニウム合金の鋳造割れ性を評価した。このときの割れ発生数を合金中のＳｉ含有量に対して整理した結果を図３に示す。
【００４１】
図３の結果から、Ｓｉの添加量を増すことによって、割れの発生が抑制され、耐鋳造割れ性が改善されることが判明した。すなわち、Ｓｉ添加量が１．１％になると、割れ発生数がＳｉ量０．４％の場合の１／２にまで低減し、２．５％以上の添加によって割れが皆無となることが確認された。
【００４２】
〈試験２〉
上記実施例と同様に、表２に示す組成のアルミニウム合金を７５０℃で溶製したのち、介在物の除去と脱ガスを目的として、アルゴンガスによるバブリング処理を実施した。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
次に、型締め力３２０トンの高真空ダイカスト装置を使用し、金型に粉体離型剤を塗布したのち、鋳造圧力：６０ＭＰａ、高速射出速度：３．５ｍ、スリーブ内真空度：０．９６気圧、真空バルブ部の真空度：０．９５気圧の条件で各アルミニウム合金のダイカスト鋳造を実施した。なお、鋳造時の溶湯温度は、６８０℃であり、鋳造に使用した金型の製品部形状は、図４に示すように、５０ｍｍ×１３０ｍｍ×２ｍｍの平板形状とした。
【００４５】
そして、上記平板ダイカスト材から、図５に示すようなＪＩＳ  １３Ｂ号テストピースをそれぞれ切り出し、静的引張試験に供した。この静的引張試験は、インストロン型の万能試験機を使用して、０．００１／ｓの歪速度で実施した。
【００４６】
また、上記平板ダイカスト材から、さらに図６に示す形状のテストピースをそれぞれ切り出し、動的引張試験に供した。この動的引張試験は、図７に示すようなＯｎｅ−Ｂａｒ  Ｍｅｔｈｏｄ高速引張試験機を使用して、１０００／ｓの歪速度で実施した。静的引張試験、動的引張試験結果を表３に示す。なお、これら引張試験に際しては、静的、動的引張試験共に、繰り返し数を５とし、試験結果を５回の平均値で示した。また、動的引張試験における応力−歪線図は、図８に示すような形状となるため、図中に示す「降伏後の最大応力」の値をもって各ダイカスト材の強度を評価した。
【００４７】
【表３】
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【００４８】
表３に示すように、本発明の実施例に係わる合金を使用したアルミニウムダイカスト材においては、静的、動的共に優れた機械的性質が得られることが確認された。これは、ＭｇとＭｎの添加による固溶強化およびＭｇとＳｉの添加による析出強化による強度向上と、Ｆｅを可能な限り低減するとともに、Ｍｎの添加によりＦｅの悪影響を最小限に止めていることによる伸びの向上によるものと考えられる。さらには、Ｔｉ、Ｔｉ＋Ｂ、あるいはＺｒの添加による静的、動的両面での機械的性質の向上が確認された。なお、表３の結果から、Ｓｉの添加量が３．５％を超えると、動的引張試験における伸びが低下する傾向が認められた。また、Ｍｎ添加量の増減は、強度にほとんど影響を与えないものの、伸びについてはＭｎ添加量の減少と共に向上する傾向が認められた。しかしながら、Ｍｎ量を０．３％未満とした試料においては、ダイカスト時に金型への焼き付きの傾向が認められるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１において鋳造割れ性の評価に用いた鋳型による製品形状を示す斜視図である。
【図２】  図１に示した鋳造割れ性評価用鋳物に発生した割れの状態を例示する斜視図である。
【図３】  鋳造割れ性に及ぼすＳｉ含有量の影響を示すグラフである。
【図４】  実施例の試験２において鋳造したダイカスト材の形状を示す平面図である。
【図５】  図４に示したダイカスト材の静的引張試験に供した試験片形状を示す平面図である。
【図６】  図４に示したダイカスト材の動的引張試験に供した試験片形状を示す平面図である。
【図７】Ｏｎｅ−Ｂａｒ  Ｍｅｔｈｏｄ高速引張試験機の構成を示す概略図である。
【図８】動的引張試験における応力−歪線図の代表例を示すグラフである。
【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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【図８】
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