JP4765600B2 - アルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はアルミニウム合金部材の製造方法に関する。より詳しくは、熱処理を施した塑性加工が可能なアルミニウム合金ダイカスト部材に関する。

ダイカスト鋳造法によるアルミニウム合金部材は、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などに広く使用されている。しかし、ダイカスト材はそのままでは伸びが小さいために、カシメや曲げ加工などの塑性加工を施すことができないという不具合があった。このため、ダイカスト材の機械的性質を改善する多くの方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、Ｆｅ量を０．３０％以下に抑えた（高純度化した）アルミニウム合金を用いて製品の靱性（塑性加工性）を向上させる車両用ホイールの製造方法が開示されている。また、特許文献２には、Ｆｅ量を０．１５％以下に抑えたアルミニウム合金を用い、高真空ダイカスト法で鋳造した製品を熱処理して、製品の靱性を向上することを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金が開示されている。

しかし、これらの従来技術では、靱性（塑性加工性）を向上させるためにＦｅ量を抑えた高価なアルミニウム合金を使用している。このため、一般のダイカスト用アルミニウム合金に比べて製造コストが高くなり、昨今のコストダウンの要求に応えることができない。

また、特許文献３には、３〜１２重量％Ｓｉ、０．３〜２．０重量％Ｆｅ、０．１〜１．０重量％Ｍｇおよび０．３〜１．０重量％Ｍｎを含むアルミニウム合金を用いて、ダイカスト法で鋳造したドアパネル品に、所定の熱処理を施して機械的性質を向上させるアルミダイカスト製ドアパネルの製造方法が開示されており、特許文献４には、汎用合金であるＡＤＣ１２を用いてダイカスト法で鋳造し、加熱焼鈍することで靱性を向上させる断面一定のアルミニウム製品の製造方法が開示されている。

しかし、これらの従来技術で採用されている靱性（塑性加工性）の向上を目的とした熱処理は、アルミダイカスト製ドアパネルといった特定の部品、あるいは、後加工がサイジングに限定される熱処理条件であるので、これらとは形状、肉厚あるいは材質の異なる他のアルミニウム合金ダイカスト部材への適用とその効果の有無は未知のままである。従って、これらの従来技術を直ちに他のアルミニウム合金ダイカスト部材へ適用することはできない。
特許第２６２７７４１号公報 特開２００２−２０６１３３号公報 特許第３２６９３１２号公報 特開２００１−２１２６４４号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、汎用材である安価なアルミニウム合金を用いて、塑性加工性に優れたダイカスト部材を得るアルミニウム合金部材の製造方法を提供することを課題とする。

本発明のアルミニウム合金部材の製造方法は、ダイカスト法により所定形状のアルミニウム合金部材を成型する鋳造工程と、アルミニウム合金部材に靱性を付与する熱処理を施す熱処理工程と、熱処理を施したアルミニウム合金部材に塑性加工を施す加工工程とを有するアルミニウム合金部材の製造方法であって、鋳造工程で使用されるアルミニウム合金は、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２およびＡＤＣ１２Ｚの群から選ばれる１種であり、熱処理工程は、アルミニウム合金部材を３〜７０℃／ｍｉｎの昇温速度で室温から３３０〜３９０℃の第１温度まで昇温する第１ステップと、この第１温度で６０分以上の等温保持を行う第２ステップと、第１温度から２２０〜２８０℃の第２温度まで０．１〜５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第３ステップと、第２温度に到達後室温まで冷却する第４ステップとで構成されること特徴とする。

本発明のアルミニウム合金部材の製造方法において、熱処理工程は、アルミニウム合金部材のミクロ組織中に粗大化および球状化した共晶Ｓｉ相を形成するように、また、アルミニウム合金部材のミクロ組織中に析出している析出物の大部分が実質的に安定相となるように行われる。この結果、熱処理工程後のアルミニウム合金部材の硬さはＨｖ８０以下になる。

本発明のアルミニウム合金部材の製造方法において、鋳造工程で使用されるアルミニウム合金は、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２およびＡＤＣ１２Ｚの群から選ばれる１種である。

また、本発明のアルミニウム合金部材の製造方法において、塑性加工工程は、カシメおよび／またはつぶし加工とすることができる。

本発明のアルミニウム合金部材の製造方法の熱処理工程において、第４ステップは、第２温度到達後直ちに冷却するものであってもよく、また、第２温度到達後、所定時間等温保持した後に冷却するものであってもよい。

本発明のアルミニウム合金部材は、ダイカスト鋳造後に熱処理を施すことで延性または靱性が向上するので、その後の加工工程で、割れなどの不具合を生じることなく所望の形状に塑性加工することができる。本発明の熱処理工程を施すことで、アルミニウム合金部材のミクロ組織は、ダイカスト鋳造によって針状で微細に晶出した共晶Ｓｉ相が球状に粗大化するとともに、アルミ素地（以下、α−Ａｌ相ともいう）中に析出するＳ（Ａｌ₂ＣｕＭｇ）相、β（Ｍｇ₂Ｓｉ）相およびθ（ＣｕＡｌ₂）の前駆構造物の大部分が十分に過時効析出した安定な平衡組織となる。このことにより、熱処理後のアルミニウム合金部材の硬さがＨｖ８０以下と十分に軟化した状態になるので、熱処理後の塑性加工において割れなどの不具合を生じない健全なアルミニウム合金部材を得ることができる。

また、本発明のアルミニウム合金部材の製造方法によれば、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１２Ｚなど、ＪＩＳ規格に規定されている汎用のダイカスト用アルミニウム合金を用いることができるので、塑性加工性に優れた安価なアルミニウム合金部材として、コストダウンに寄与することができる。

アルミニウムダイカスト部材は、ダイカストのままでは図３に模式図で示すような網目状のミクロ組織を有している。図３はアルミニウム合金がＡＤＣ１２の場合であり、α−Ａｌ相１と粒界に晶出している針状で微細な共晶Ｓｉ相２’とからなっている。このようなミクロ組織を有するアルミニウムダイカスト部材は硬くて延性が小さく塑性加工すると割れなどの不具合を生じる。ところが、図１に示すようなパターンの熱処理を施すことで、後述する比較例４（図４参照）のようにα−Ａｌ相１中に過飽和に固溶していたＣｕやＭｇなどを析出物３として析出する。そして、過飽和の固溶元素を析出することでα−Ａｌ相１の硬度は低下する。すなわち、このミクロ組織は、α−Ａｌ相１中に過飽和に固溶した溶質元素が十分に過時効析出した安定な平衡組織となっていることが分かる。しかし、粒界に晶出している共晶Ｓｉ相２’が針状で微細であるので、この共晶Ｓｉ相２’を基点とする割れが発生することがあるので、比較例４は十分な延性を得ることはできなかった。

図２に本発明の好適な熱処理条件により十分に軟化したアルミニウム合金部材のミクロ組織を示す。図２は後述する実施例５のミクロ組織をスケッチした模式図であるが、図３の比較例４と同様にα−Ａｌ相中に析出物３が過時効析出している。しかし、実施例５では、さらに粒界に晶出した共晶Ｓｉ２が球状に粗大化している。アルミニウムダイカスト部材はこの図２のようなミクロ組織にすることでカシメなどの塑性加工に耐える優れた延性を示すことができる。

アルミダイカスト部材を上記のようなミクロ組織を有するアルミニウム合金部材とするために、本発明のアルミニウム合金部材の製造方法における熱処理工程は、アルミニウム合金部材を３〜７０℃／ｍｉｎの昇温速度で室温から３３０〜３９０℃の第１温度まで昇温する第１ステップと、この第１温度で６０分以上の等温保持を行う第２ステップと、第１温度から２２０〜２８０℃の第２温度まで０．１〜５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第３ステップと、第２温度に到達後室温まで冷却する第４ステップとで構成される。

上記のような第１〜第４のステップを有する熱処理パターンを図１に概念図で示す。すなわち、第１ステップＳ１は、アルミニウムダイカスト部材をａ℃／ｍｉｎの昇温速度で室温（ＲＴ）から所定の第１温度Ｔ₁まで昇温するステップである。昇温速度ａは、加熱されるアルミニウム合金部材の形状や大きさなどによって３〜７０℃／ｍｉｎの範囲で適宜選択する。加熱速度ａが３℃／ｍｉｎ未満では、熱処理工程の時間が長くなるためコスト高となることがあり、また、７０℃／ｍｉｎを超えて速い場合には、熱処理炉の設備能力を超えることがあるので適当ではない。より好ましくは、１０〜４０℃／ｍｉｎである。

第２ステップＳ２は、第１温度Ｔ₁を一定としてｔ₁分間等温保持するステップである。ここで第１温度Ｔ₁はアルミニウム合金の種類（材質）などによって３３０〜３９０℃の温度範囲で選択することができる。このステップでは、共晶Ｓｉ相２’が球状化および粗大化するとともに、鋳造工程で過飽和に固溶した溶質元素が、Ｓ（Ａｌ₂ＣｕＭｇ）相、β（Ｍｇ₂Ｓｉ）相およびθ（ＣｕＡｌ₂）安定相などの析出物３として析出する。第１温度Ｔ₁が３３０℃未満では、共晶Ｓｉ相２’が十分に粗大化、球状化できない場合があり、また、３９０℃を超えて高温にするとダイカスト鋳造時に巻き込まれた空気などがブリスターなどの表面欠陥を生じることがあるので適当ではない。第１温度Ｔ₁のより好ましい温度範囲は、３４０〜３７０℃であり、さらに好ましくは３４５〜３６０℃である。

第２ステップＳ２では、このような第１温度Ｔ₁での等温保持時間ｔ₁を６０分以上とする。等温保持時間ｔ₁が６０分未満では部分的に共晶Ｓｉ相２’の粗大化・球状化が不十分な部位が生じるおそれがある。また、等温保持時間ｔ₁が長すぎても効果は飽和してしまい生産性を阻害することがあるので好ましくない。等温保持時間ｔ₁は、アルミニウム合金部材の大きさや形状によって異なるものの、その上限は概ね３００分とするとよい。

第３ステップＳ３は、等温保持が終了後、ｂ℃／ｍｉｎの冷却速度で第１温度Ｔ₁から所定の第２温度Ｔ₂まで冷却するステップである。この冷却中にも第２ステップと同様に析出物３の析出が継続している。従って、冷却は炉中冷却などにより冷却速度ｂが０．１〜５℃／ｍｉｎの徐冷とする。冷却速度が０．１℃／ｍｉｎ未満では第２温度Ｔ₂へ到達するまでの時間が長くなりすぎて生産性を阻害する。また、５℃／ｍｉｎを超えて速すぎると、析出物３の時効析出が不十分になるとともに、アルミニウム合金部材に歪みや割れを生じることがあるので好ましくない。より好ましくは、０．５〜３℃／ｍｉｎである。

第４ステップＳ４は、徐冷により部材の温度が第２温度Ｔ₂に到達した後、部材を室温になるまで冷却するステップである。冷却の到達温度である第２温度Ｔ₂は、２２０〜２８０℃である。第２温度Ｔ₂が２２０℃未満では、時間が長くなりすぎて生産性を阻害するおそれがある。一方、２８０℃を超えて高いと、過飽和の固溶元素を十分に析出することができず、熱処理後のアルミニウム合金部材の硬さがＨｖ８０（試験荷重：１００ｇｆ、負荷時間：５秒）を超え、カシメ加工性が悪くなることがあるので好ましくない。より好ましくは、２３０〜２７０℃であり、さらに好ましくは２４０〜２６０℃である。

冷却方法には特に限定はないが、放冷、炉冷、水冷などを挙げることができる。第４ステップＳ４では、図１の実線で示すように、部材温度が第２温度Ｔ₂に到達したことを確認したら、直ちに室温まで冷却するようにしてもよい。また、アルミニウム部材の形状あるいは大きさなどによって組織安定化にバラツキがある場合には、図１の破線で示すように、第２温度Ｔ₂を一定としてｔ₂分間等温保持した後に冷却するようにしてもよい。この場合には第２温度Ｔ₂で所定時間等温保持することで組織をより安定な状態にすることができるので、さらに安定した塑性加工性を得ることができる。具体的には、等温保持時間ｔ₂は１４４０分（２４時間）以内であることが好ましい。これは、等温保持時間ｔ₂が２４時間より長くしても効果が飽和してしまい、熱処理に多大なエネルギを要することで不必要なコスト増加を招くおそれがあるからである。

なお、本発明のアルミニウム合金部材の製造方法において、使用するアルミニウム合金は、コストや市場流動性などを考慮してＪＩＳに規定する汎用のダイカスト合金であり、自動車のエンジン部品やケース類などに広く使用されているＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２およびＡＤＣ１２Ｚの群から選ばれる１種である。

また、本発明のアルミニウム合金部材の製造方法において、アルミニウム合金部材を成型する鋳造工程では、周知のダイカスト方法を用いることができる。コールドチャンバーダイカスト法でもホットチャンバーダイカスト法のいずれでもよい。

さらに、熱処理後の塑性加工についても特に制限はなく、通常用いられるカシメ加工や曲げ加工などを施すことができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

アルミニウム合金としてＡＤＣ１２を用いて通常のコールドチャンバーダイカスト法で図５（ａ）に示す形状のアルミニウム合金部材１２を成型した。アルミニウム合金部材１２は、外径１６ｍｍ×高さ２５ｍｍの円柱形状で、軸線Ｌに沿って貫通する直径５ｍｍの中空部１４と、一端側に直径１２ｍｍ×深さ４ｍｍの段差部１６とが形成されている。このアルミニウム合金部材１２は、図５（ｂ）（（ａ）のｘ−ｘ部分断面）に示すように、段差部１６に厚さ１．５ｍｍの円板部材２０を嵌挿して、段差部１６の周壁部１２ａを円板部材２０の中心Ｏ方向に９０度折り曲げるカシメ加工を施すことで、図５（ｃ）の部分断面図に示すような円板部材２０を有するアルミニウム合金部品１０とするものである。

本実施例では、ダイカスト成型されたアルミニウム合金部材１２に、実施例として１１水準、また、比較例として９水準の条件の異なる図１のパターンに沿った熱処理を施した。各熱処理条件を表１に示す。

実施例１〜８と実施例１１とは第４ステップＳ４で等温保持を行わずに、第２温度に到達後放冷することで室温まで冷却した。また、実施例９は、第２温度に到達後直ちに水冷し、実施例１０では、２５０℃（第２温度）×２４時間（１，４４０分）の等温保持を行った。また、比較例１は、ダイカスト鋳造したままの熱処理を施さないＦ材である。比較例２は、第１温度（２５０℃）で等温保持後直ちに炉出して室温まで放冷したものであり、比較例５、６、７は第２ステップＳ２までの条件は同一にして、第３ステップＳ３の冷却方法を変化させたものである。すなわち、その他の例では第２ステップＳ２終了後の冷却を冷却速度を制御した徐冷としたが、比較例５では水冷、比較例６では送風機による強制空冷、比較例７では炉出後放冷して室温まで冷却した。なお、比較例３、４、８、９、１０は第４ステップＳ４で等温保持を行わずに、第２温度に到達後放冷することで室温まで冷却した。

表１の各熱処理条件で熱処理した各アルミニウム合金部材１２に関して、カシメ加工性、外観、熱処理後のアルミニウム部材のビッカース硬さＨｖ（試験荷重：１００ｇｆ、負荷時間：５秒）、ミクロ組織における共晶Ｓｉ相の形状、α−Ａｌ相中の析出物の有無の各項目について評価した。

カシメ加工性は、上記のように円板部材２０をかしめてアルミニウム合金部品１０を作製し、折り曲げ部１２ｂ（図５（ｃ））に目視で割れの認められないものを「良好」、１個でも割れが認められるものは「不良」と評価した。

外観は目視観察し、特別な欠陥が認められないものは「良」、ブリスターや歪みなど欠陥の認められるものは「不良」とした。

ミクロ組織は、熱処理した各アルミニウム合金部材から適宜の大きさの試料片を切り出して、一面を耐水研磨紙にて＃１２００まで研磨後、バフ研磨を行い、金属顕微鏡（１０００倍）で観察して評価した。共晶Ｓｉ相は、図３あるいは図４に模式的に示すような形状の共晶Ｓｉ相２’を呈するものを「針状・微細」と判定し、また、図２に模式的に示すような形状の共晶Ｓｉ相２を呈するものを「球状・粗大」と判定した。また、析出物は、金属顕微鏡を用い倍率１０００倍で任意のα−Ａｌ相内を観察して、析出物が認められた場合を「有」、認められない場合を「無」と判定した。結果を表２に示す。

表１および２から以下のことが分かった。
１）第１温度Ｔ₁が３３０℃未満では、共晶Ｓｉ相を「球状・粗大」とすることができない。このため、カシメ加工により割れが発生する（比較例１〜４）。
２）また、第１ステップＳ１と第２ステップＳ２とが本発明の範囲内であれば共晶Ｓｉ相が「球状・粗大」で、かつα−Ａｌ相中に析出物が認められる。しかし、第３ステップＳ３の冷却速度ｂが速すぎると、析出物が未だ安定相になっていないために熱処理後のアルミニウム合金部材のビッカース硬さがＨｖ８０を超えて高くなる。このため、上記と同様にカシメ加工により割れが発生する（比較例５〜７）。
３）第１温度Ｔ₁が３９０℃を超えて高い場合には、カシメ加工性、硬さ、共晶Ｓｉ相および析出物ともに良好である。しかし、ダイカスト鋳造工程で巻き込まれた空気などが「ブリスター」として部材表面に顕在化するので外観不良となる（比較例８〜１０）。

以上の比較例１〜１０に対して、実施例１〜１１は全てのステップで本発明の範囲を満足しているので、カシメ加工性、外観、硬さ、共晶Ｓｉ相および析出物の全ての判定項目について良好な結果を得ることができた。

本発明のアルミニウム合金部材の製造方法は、例えば、自動車の機能部品や構造部品などの成型後に塑性加工を要するダイカスト部材に好適に用いることができる。

本発明の熱処理工程における熱処理パターンの概念図である。 実施例５のミクロ組織をスケッチした模式図である。 比較例１（鋳造まま）のミクロ組織をスケッチした模式図である。 比較例４のミクロ組織をスケッチした模式図である。 カシメ加工性の評価方法を説明する図である。（ａ）は、アルミニウム合金部材の形状を説明する斜視図であり、（ｂ）は、円板部材を嵌挿したｘ−ｘ部分断面図、（ｃ）は、カシメ加工後のｘ−ｘ部分断面図である。

符号の説明

１：α−Ａｌ相 ２、２’：共晶Ｓｉ相 ３：析出物 １０：アルミニウム合金部品 １２：アルミニウム合金部材 １４：中空部 １６：段差部 ２０：円板部材

Claims (5)

1. ダイカスト法により所定形状のアルミニウム合金部材を成型する鋳造工程と、
   前記アルミニウム合金部材に靱性を付与する熱処理を施す熱処理工程と、
   前記熱処理を施したアルミニウム合金部材に塑性加工を施す加工工程とを有するアルミニウム合金部材の製造方法であって、
   前記鋳造工程で使用されるアルミニウム合金は、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２およびＡＤＣ１２Ｚの群から選ばれる１種であり、
   前記熱処理工程は、前記アルミニウム合金部材を３〜７０℃／ｍｉｎの昇温速度で室温から３３０〜３９０℃の第１温度まで昇温する第１ステップと、
   該第１温度で６０分以上の等温保持を行う第２ステップと、
   該第１温度から２２０〜２８０℃の第２温度まで０．１〜５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第３ステップと、
   該第２温度に到達後室温まで冷却する第４ステップと、で構成されること特徴とするアルミニウム合金部材の製造方法。
2. 前記加工工程は、カシメおよび／またはつぶし加工である請求項１に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
3. 前記ダイカスト法は、ホットチャンバーダイカスト法、あるいはコールドチャンバーダイカスト法のいずれかである請求項１又は２に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
4. 前記第４ステップは、前記第２温度到達後、直ちに冷却するものである請求項１〜３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
5. 前記第４ステップは、前記第２温度到達後、所定時間等温保持した後に冷却するものである請求項１〜３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。

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