JP6034333B2 - Aluminum wheel manufacturing method and aluminum wheel - Google Patents
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Description
本発明は、アルミホイールの製造方法及びアルミホイールに関する。 The present invention relates to an aluminum wheel manufacturing method and an aluminum wheel.
アルミホイールには強度、靱性、軽量性が求められる。従来、アルミホイールの製造には、これら3つの特性を確保するために、重力鋳造品にT6熱処理を施している(例えば、特許文献1)。重力鋳造は、注湯する速度が比較的遅く空気が混入しにくいので製造される鋳物の内部品質が良い。このため、重力鋳造によって製造されたホイールは一般に高い靱性が確保される。また、T6熱処理によると、熱処理しないものと比べて延性が低下するが、強度が向上する。その結果、強度と靱性が確保される範囲で、スポークの断面積とリムの断面積を小さくすることでホイール全体が軽量化されている。 Aluminum wheels are required to be strong, tough and lightweight. Conventionally, in manufacturing an aluminum wheel, a T6 heat treatment is applied to a gravity cast product in order to ensure these three characteristics (for example, Patent Document 1). Gravity casting has a high internal quality of the casting produced because the rate of pouring is relatively slow and air is less likely to enter. For this reason, the wheel manufactured by gravity casting generally ensures high toughness. In addition, the T6 heat treatment reduces the ductility but improves the strength as compared with the non-heat treated material. As a result, the entire wheel is reduced in weight by reducing the cross-sectional area of the spokes and the cross-sectional area of the rim within a range in which strength and toughness are ensured.
しかしながら、重力鋳造はホイールの強度、軽量性及び靱性が確保されるが、鋳造に時間がかかるので生産性が低いという問題がある。そこで、生産性を高くするためにダイカスト鋳造を採用することが考えられる。 However, although gravity casting ensures the strength, lightness, and toughness of the wheel, there is a problem that productivity is low because casting takes time. Therefore, it is conceivable to employ die casting in order to increase productivity.
ところが、ダイカスト鋳造は、金型への注湯の際に、重力鋳造に比べて溶湯に空気が混入しやすい。このため、ダイカスト鋳造は、重力鋳造に比べて鋳物の内部品質が悪くなりやすい。 However, in die casting, air is likely to be mixed into the molten metal when pouring into the mold as compared with gravity casting. For this reason, die casting tends to deteriorate the internal quality of the casting as compared with gravity casting.
しかも、重力鋳造の場合と同様にダイカスト鋳造後にT6熱処理を実施すると、溶湯に混入した空気の膨張によるいわゆるブリスターが発生することによって、ホイールの靱性がさらに低下するおそれがある。したがって、ダイカスト鋳造は、熱処理によって強度を向上させることが難しい。このため、強度と靱性を確保するためには、スポークの断面積とリムの断面積をある程度の大きさにしなければならないので、重量が大きくなってしまう。 In addition, when T6 heat treatment is performed after die casting as in the case of gravity casting, so-called blistering due to expansion of air mixed in the molten metal may occur, which may further reduce the toughness of the wheel. Therefore, it is difficult for die casting to improve strength by heat treatment. For this reason, in order to ensure strength and toughness, the cross-sectional area of the spokes and the cross-sectional area of the rim must be set to a certain size, which increases the weight.
以上より、アルミホイールの鋳造においては、強度、軽量性及び靱性を確保しつつ生産性を高めることが困難であると考えられている。 From the above, it is considered that it is difficult to increase productivity while securing strength, lightness and toughness in casting aluminum wheels.
本発明の目的は、強度、軽量性及び靱性を確保しつつ生産性を高めることが可能なアルミホイールの製造方法及びアルミホイールを提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method and aluminum wheel of an aluminum wheel which can improve productivity, ensuring intensity | strength, lightness, and toughness.
本発明のアルミホイールの製造方法は、5〜12質量%のSi、0.2〜0.5質量%のMg、0.16〜0.8質量%のFe、0.3〜0.5質量%のMn、0.5質量%未満のCu、及び、0.03〜0.2質量%のTiを含み、Znが2質量%以下に規制されており、Fe及びMnが合計で0.5質量%以上であり、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いてダイカスト鋳造を行う工程と、前記ダイカスト鋳造後の半製品を金型内で350℃以下まで冷却し、その後、冷却剤を用いて70℃以下まで、自然冷却よりも速く冷却する工程と、前記冷却する工程後に、5〜70℃の範囲内で前記半製品を3時間以上保持する工程と、その後140〜220℃の範囲内で0.5時間以上且つ2時間未満の加熱処理を前記半製品に施す工程とを備えている。なお、自然冷却とは、常温の空気中に放置することで自然に冷却させることをいう。
The manufacturing method of the aluminum wheel of the present invention is 5-12 mass% Si, 0.2-0.5 mass% Mg, 0.16-0.8 mass% Fe, 0.3-0.5 mass. % of Mn, less than 0.5 wt% Cu, and, seen including a 0.03 to 0.2 mass% of Ti, Zn are restricted to less than 2 mass%, Fe and Mn in total 0. A step of die casting using an aluminum alloy of 5 mass% or more, the balance being Al and inevitable impurities, and cooling the semi-finished product after the die casting to 350 ° C. or less in a mold, and then a coolant The step of cooling faster than natural cooling to 70 ° C. or less using a step, the step of holding the semi-finished product within a range of 5 to 70 ° C. for 3 hours or more after the cooling step, and then 140 to 220 ° C. Heat treatment for 0.5 hours or more and less than 2 hours within the above range And a process applied to the semi-finished product. In addition, natural cooling means cooling naturally by leaving in air at normal temperature.
重力鋳造のホイールに用いられていたT6熱処理においては、時効処理の前に高温の溶体化処理を行う。一方、本発明によれば、高温の溶体化処理を行わないため、ブリスターが発生しない。よって、T6熱処理に比べて靱性の低下を抑制しつつ強度を向上できる。 In the T6 heat treatment used for the gravity casting wheel, a high-temperature solution treatment is performed before the aging treatment. On the other hand, according to the present invention, no blistering occurs because no high-temperature solution treatment is performed. Therefore, strength can be improved while suppressing a decrease in toughness as compared with T6 heat treatment.
また、時効処理の温度が低すぎると処理に時間がかかりすぎ、温度が高すぎると品質管理が困難になる。温度が高い場合には炉の温度管理が難しく、炉内温度のむらにより品質にばらつきが生じるおそれがあるためである。しかし、本発明では、140〜220℃の適度な温度範囲で時効処理が行われている。このため、品質管理がしやすいと共に、処理に時間がかかりすぎることがない。 Further, if the temperature of the aging treatment is too low, it takes too much time, and if the temperature is too high, quality control becomes difficult. This is because when the temperature is high, the temperature control of the furnace is difficult, and the quality may vary due to uneven temperature in the furnace. However, in the present invention, the aging treatment is performed in an appropriate temperature range of 140 to 220 ° C. For this reason, quality control is easy and processing does not take too much time.
また、Mgには熱処理を経ると鋳物の強度を上げる効果がある。これは、Mg2Siが形成されることによる。しかし、Mgの含有率が0.2質量%未満であるとMg2Siが十分に生成されないため、強度が十分に上がらない。また、含有率が0.5質量%を超えると強度は上がるが伸びが下がり、これによって靱性が下がる。したがって、Mgの含有率を0.5質量%以下とすることで靱性の低下を抑えつつ、Mgの含有率を0.2質量%以上とすることで強度を十分に向上させることができる。なお、Mgの含有率は、好ましくは0.3質量%〜0.4質量%である。これによれば、ホイールに求められる強度と靭性をより適切に確保できる。 Mg has the effect of increasing the strength of the casting after heat treatment. This is due to the formation of Mg 2 Si. However, if the Mg content is less than 0.2% by mass, Mg 2 Si is not sufficiently generated, so that the strength is not sufficiently increased. On the other hand, when the content exceeds 0.5% by mass, the strength increases, but the elongation decreases, thereby decreasing the toughness. Therefore, the strength can be sufficiently improved by setting the Mg content to 0.2% by mass or more while suppressing the decrease in toughness by setting the Mg content to 0.5% by mass or less. The Mg content is preferably 0.3% by mass to 0.4% by mass. According to this, the strength and toughness required for the wheel can be ensured more appropriately.
以上により、ホイールの靱性の低下を抑制しつつ、ホイールの強度を十分に確保できる。したがってその分、ホイールを軽量化できる。また、ダイカスト鋳造により生産性を向上できる。よって、強度、軽量性及び靱性を確保しつつ生産性を高めることが可能である。さらに、時効処理に時間がかからないため、生産性をより向上させることができる。 As described above, it is possible to sufficiently ensure the strength of the wheel while suppressing a decrease in the toughness of the wheel. Therefore, the wheel can be lightened accordingly. Further, productivity can be improved by die casting. Therefore, it is possible to increase productivity while ensuring strength, lightness, and toughness. Furthermore, since the aging treatment does not take time, productivity can be further improved.
また、本発明においては、前記アルミニウム合金が0.5質量%未満のCuに規制されていることが好ましい。 Moreover, in this invention, it is preferable that the said aluminum alloy is controlled by Cu of less than 0.5 mass%.
Cuはアルミニウム中に固溶してアルミニウム合金の機械的性質を向上させる効果がある。しかし、本アルミニウム合金のようにマグネシウムとシリコンの金属間化合物であるMg2Siで強化する合金は、Cuが添加されると、Mg−Si−Cu系の金属間化合物が生成する。この金属間化合物が生成するときには、Mgがこの金属間化合物の生成に消費されるために、Mg2Siが生成する量が減る。このような理由により、Cuが0.5質量%以上になると熱処理により機械的性質が向上する効果が小さくなる。このため、Cuの含有率を0.5質量%未満とすることにより、熱処理の効果を確保してホイールの強度を向上させつつ、ホイールをさらに軽量化できる。 Cu has the effect of improving the mechanical properties of the aluminum alloy by solid solution in aluminum. However, an alloy strengthened with Mg 2 Si, which is an intermetallic compound of magnesium and silicon like the present aluminum alloy, produces an Mg—Si—Cu intermetallic compound when Cu is added. When this intermetallic compound is produced, Mg is consumed for producing this intermetallic compound, so that the amount of Mg 2 Si produced is reduced. For these reasons, when Cu is 0.5% by mass or more, the effect of improving the mechanical properties by heat treatment becomes small. For this reason, by setting the Cu content to less than 0.5 mass%, it is possible to further reduce the weight of the wheel while securing the effect of heat treatment and improving the strength of the wheel.
また、本発明においては、前記アルミニウム合金が0.16〜0.8質量%のFeを含んでおり、Mnを0.3〜0.5質量%含んでおり、FeとMnの合計の質量%が0.5〜1.2質量%であることが好ましい。 Moreover, in this invention, the said aluminum alloy contains 0.16-0.8 mass% Fe, contains 0.3-0.5 mass% of Mn, and is mass% of the sum total of Fe and Mn. Is preferably 0.5 to 1.2% by mass.
Feの添加量が増えると、針状晶が生成して靭性が低下する。ダイカスト鋳造は、重力鋳造と比べて冷却速度が速いので、重力鋳造と比べて鉄の針状晶が発生しにくい。例えば重力鋳造では鉄の含有量が0.3質量%でも針状晶が発生する。ダイカストの場合、Feの含有量が0.8質量%以下では、鉄の針状晶は発生しない。一方、Feは、溶湯と金型の焼付きを抑える効果がある。金型が焼きつかないために必要なFeの含有率は0.16質量%以上である。これにより、溶湯と金型の焼き付き性が向上するため、ホイールを薄肉にしても焼付きにくい。つまり、ホイールを薄肉にして溶湯の通路の断面積を小さくしたことで溶湯の充填速度が速くなっても、焼き付きが生じにくい。よって、生産性が低下しにくい。これにより、ホイールの靱性の低下を抑制しつつ、生産性をさらに高めることができる。また、Mnが0.3〜0.5%含まれていることが望ましい。MnはFeと同様に溶湯と金型との焼付きを抑える効果がある。Feの添加量が多いと針状晶が生成しやすいため、できるだけ減らしたいが金型との焼付きも防ぎたい。Feの代用としてMnを添加することで金型との焼付きを抑え針状晶も生成しない。FeとMnの含有率の合計を0.5〜1.2質量%の範囲に管理することで伸びを低下させずに金型との焼付きを防ぐことができる。 When the added amount of Fe increases, needle crystals are formed and the toughness decreases. Since die casting has a faster cooling rate than gravity casting, iron needles are less likely to occur than gravity casting. For example, in gravity casting, needle crystals are generated even when the iron content is 0.3 mass%. In the case of die casting, iron needles are not generated when the Fe content is 0.8 mass% or less. On the other hand, Fe has the effect of suppressing seizure between the molten metal and the mold. The Fe content necessary for the die not to burn is 0.16% by mass or more. As a result, the seizure between the molten metal and the mold is improved, so that it is difficult to seize even if the wheel is thin. That is, seizure hardly occurs even if the filling speed of the molten metal is increased by reducing the cross-sectional area of the molten metal passage by reducing the thickness of the wheel. Therefore, productivity is unlikely to decrease. Thereby, productivity can further be raised, suppressing the fall of the toughness of a wheel. Further, it is desirable that 0.3 to 0.5% of Mn is contained. Mn has the effect of suppressing seizure between the molten metal and the mold, like Fe. When the amount of Fe added is large, needle crystals are likely to be formed. Therefore, it is desired to reduce as much as possible, but also to prevent seizure with the mold. By adding Mn as a substitute for Fe, seizure with the mold is suppressed and needle crystals are not generated. By controlling the total content of Fe and Mn in the range of 0.5 to 1.2% by mass, seizure with the mold can be prevented without reducing elongation.
本発明の別の観点におけるアルミホイールの製造方法は、5〜12質量%のSi、0.2〜0.5質量%のMg、0.16〜0.8質量%のFe、0.3〜0.5質量%のMn、0.5質量%未満のCu、0.03〜0.2質量%のTi、及び、0.002〜0.02質量%のSrを含み、Znが2質量%以下に規制されており、Fe及びMnが合計で0.5質量%以上であり、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いてダイカスト鋳造を行う工程と、前記ダイカスト鋳造後の半製品を金型内で350℃以下まで冷却し、その後、冷却剤を用いて70℃以下まで、自然冷却よりも速く冷却する工程と、前記冷却する工程後に、5〜70℃の範囲内で前記半製品を3時間以上保持する工程と、その後140〜220℃の範囲内で0.5時間以上且つ2時間未満の加熱処理を前記半製品に施す工程とを備えている。
The manufacturing method of the aluminum wheel in another aspect of the present invention includes 5 to 12% by mass of Si, 0.2 to 0.5% by mass of Mg, 0.16 to 0.8% by mass of Fe, 0.3 to 0.5% by mass of Mn, less than 0.5% by mass of Cu, 0.03 to 0.2% by mass of Ti, and 0.002 to 0.02% by mass of Sr , and 2% by mass of Zn The following are regulated, and the step of die casting using an aluminum alloy consisting of Fe and Mn in total of 0.5% by mass or more, the balance being Al and inevitable impurities, and the semi-finished product after the die casting In the mold, cooled to 350 ° C. or lower, and then cooled to 70 ° C. or lower using a coolant faster than natural cooling, and after the cooling step, the semi-finished product within a range of 5 to 70 ° C. For a period of 3 hours or more, and then at 140 to 220 ° C. And a step of subjecting the semi-finished product to a heat treatment for 0.5 hours or more and less than 2 hours.
Srの添加によりシリコン結晶粒が微細化し、もって、強度と靭性が向上する。Srの含有率が0.002質量%以上であれば結晶粒が微細化する効果が確保される。 The addition of Sr makes silicon crystal grains finer, thereby improving strength and toughness. If the Sr content is 0.002% by mass or more, the effect of refining crystal grains is ensured.
また、本発明においては、前記アルミニウム合金が0.05〜0.20質量%のTiを含んでいることが好ましい。 Moreover, in this invention, it is preferable that the said aluminum alloy contains 0.05-0.20 mass% Ti.
Tiの添加によりアルミ結晶粒が微細化し、もって、強度と靱性が向上する。Tiの含有率が0.05質量%以上であれば効果がより適切に確保される。 The addition of Ti refines the aluminum crystal grains, thereby improving the strength and toughness. If the Ti content is 0.05% by mass or more, the effect is more appropriately secured.
また、本発明のアルミホイールは、上記製造方法に基づいて製造されている。これによれば、製造工程においては生産性を高めつつ、強度、軽量性及び靱性が確保されたアルミホイールが実現する。 Moreover, the aluminum wheel of this invention is manufactured based on the said manufacturing method. According to this, in the manufacturing process, an aluminum wheel that achieves strength, lightness, and toughness while enhancing productivity is realized.
以下、本発明の実施の形態について、自動二輪車1を例に挙げて説明する。自動二輪車1には、本発明に係るアルミホイールが採用されたホイール100が設けられている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described by taking the motorcycle 1 as an example. The motorcycle 1 is provided with a
なお、以下の説明において、前後方向とは、自動二輪車1の後述するライダーシート11に着座したライダーRから視た車両前後方向のことである。左右方向とは、ライダーシート11に着座したライダーRから視たときの車両左右方向(車幅方向)のことである。図中の矢印F方向と矢印B方向は、前方と後方を表している。図中の矢印L方向と矢印R方向は、右方と左方を表している。図2以降において、前後左右上下の各方向は、ホイール100が自動二輪車1に設けられた状態での方向に対応する。
In the following description, the front-rear direction is the vehicle front-rear direction viewed from a rider R seated on a rider seat 11 (described later) of the motorcycle 1. The left-right direction is the vehicle left-right direction (vehicle width direction) when viewed from the rider R seated on the rider seat 11. An arrow F direction and an arrow B direction in the drawing represent the front and the rear. The arrow L direction and the arrow R direction in the figure represent the right side and the left side. In FIG. 2 and subsequent figures, the front, rear, left, right and up directions correspond to directions when the
図1に示すように、自動二輪車1は、前輪2と、後輪3と、車体フレーム4と、ライダーシート11とを備えている。車体フレーム4のライダーシート11より前方の部分には、ハンドルユニット9が設けられている。ハンドルユニット9の右端部にはグリップ9Rが、左端部にはグリップ9Lがそれぞれ設けられている。なお、図1にはグリップ9Lのみが図示されている。グリップ9Rは左右方向にグリップ9Lの反対側に配置されている。グリップ9Rは、アクセルグリップである。グリップ9Rの近くにはブレーキレバーが取り付けられている。グリップ9Lの近くにはクラッチレバー10が取り付けられている。ハンドルユニット9には、フロントフォーク7の上端部が固定されている。このフロントフォーク7の下端部には、左右方向に沿って延びる車軸17が固定されている。車軸17には前輪2が支持されている。前輪2は、ホイール100とホイール100の外周に取り付けられたタイヤ2aとを有している。
As shown in FIG. 1, the motorcycle 1 includes a front wheel 2, a
車体フレーム4の下部には、スイングアーム12の前端部が揺動可能に支持されている。このスイングアーム12の後端部は、後輪3を支持している。スイングアーム12の揺動中心と異なる箇所と車体フレーム4とは、上下方向の衝撃を吸収するリアサスペンションを介して接続されている。
A front end portion of the swing arm 12 is swingably supported at the lower portion of the
車体フレーム4は、水冷式のエンジン13を支持している。なお、エンジン13は、空冷式であってもよい。車体フレーム4は、エンジン13を直接支持していてもよいし、他の部材を介して間接的に支持していてもよい。エンジン13の上方には、燃料タンク14が配置されている。
The
エンジン13の後方には、複数段の変速ギヤを有するトランスミッションが配置されている。エンジン13の駆動力は、トランスミッションおよびチェーン26を介して後輪3に伝達される。トランスミッションの左側には、トランスミッションのギヤを切り換えるためのシフトペダル24が設けられている。車体フレーム4の両側方であって後輪3のやや前方にはフットレスト23が設けられている。ライダーRは、乗車中、フットレスト23に両足を載せる。
A transmission having a plurality of speed change gears is disposed behind the
前輪2の上方であってグリップ9R及び9Lの前方には、フロントカウル15が配置されている。前後方向にフロントカウル15とグリップ9R及び9Lとの間にはメーターユニット16が配置されている。メーターユニット16は、表示面が後方かつ上方を向くように、前後方向と上下方向に対して傾斜して配置されている。表示面には、車速やエンジン回転数、車両の状態、走行距離、時計、計測時間などが表示される。
A
以下、本発明のアルミホイールが採用されたホイール100について、図2を参照しつつより詳細に説明する。ホイール100は、アルミニウム合金から形成されており、ダイカスト鋳造法により一体的に鋳造されている。また、ホイール100には、ダイカスト鋳造後にT5熱処理が施されている。ダイカスト鋳造及びT5熱処理の詳細については後述する。
Hereinafter, the
ホイール100は、図2に示すように、車軸17が挿入される車軸挿入穴111aが形成された車軸挿入部110と、車軸挿入部110から車軸挿入穴111aの中心軸の径方向(以下、単に「径方向」とする)に延びた複数のスポーク151を有するスポーク部150と、スポーク151と接続されたリム部140とを有している。なお、本明細書において「径方向に延びる」とは、車軸挿入穴111aの中心軸を通る厳密な径方向(例えば、図2に示す径方向)に沿って延びる場合に限られない。厳密な径方向に対して傾斜した方向に沿って車軸挿入部110からリム部140に向かって延びる場合も「径方向に延びる」に含まれる。つまり、車軸挿入穴111aの中心軸を通らない直線に沿って車軸挿入部110からリム部140に向かって延びる場合も「径方向に延びる」に含まれる。
As shown in FIG. 2, the
車軸挿入部110の中央には、図2に示すように、車軸挿入穴111aが内部に形成されたボス部111が設けられている。ボス部111は、軸方向が左右方向に沿った円筒形状を有している。また、車軸挿入部110には、ブレーキディスク固定用の4つのボルト穴112がボス部111の周囲に形成されている。なお、このボルト穴は3つから6つでもよい。
As shown in FIG. 2, a
車軸挿入部110は、リム部140に向かって径方向に突出した5つの突出部110aを有するほぼ五角形の板形状を有している。5つの突出部110aは、スポーク151と接続されている。各突出部110aからは、径方向にリム部140に向かって2本のスポーク151が延びている。突出部110a及びこれと接続された2本のスポーク151からなる領域(図2の二点鎖線Qで囲まれた領域)は、互いに同じ形状及び同じ大きさである。以下、これらの各領域を領域Qとする。これらの領域Qは、周方向に関しては等間隔に、径方向に関しては同じ位置に配置されている。領域Qは、図2に示す径方向に沿った直線Pに関してほぼ対称である。領域Qにおいて、2本のスポーク151の間には、図2においてほぼ三角形の空間を規定する縁部151aが形成されている。隣り合う2つの領域Qのスポーク151同士の間には、図2においてほぼ台形の空間を規定する縁部151bが形成されている。このように、全体で10本のスポーク151が、車軸挿入穴111aの中心軸の周方向(以下、単に「周方向」とする)に関して互いに間隔を空けて配置されている。
The
各スポーク151は、その延びる方向(例えば、図2の両矢印D1に沿った方向)に直交する断面の面積が車軸挿入部110からリム部140に向かうに連れて小さくなるように形成されている。
Each spoke 151 is formed such that the cross-sectional area perpendicular to the extending direction (for example, the direction along the double-headed arrow D1 in FIG. 2) decreases as it goes from the
リム部140は、周方向に延びると共に環状に形成されている。リム部140の直径は14〜17インチであり、自動二輪車向けの大きさに設定されている。リム部140の車軸挿入穴111aに面した表面に、各スポーク151が接続されている。リム部140には、径方向に車軸挿入部110から遠い表面にタイヤ2aが取り付けられる。
The
以下、本実施形態のホイール100の製造工程について説明する。まず、ホイール100を形成する材料となるアルミニウム合金の組成について説明する。本アルミニウム合金は、5〜12質量%のSi、0.2〜0.5質量%のMg、0.16〜0.8質量%のFe、0.3〜0.5質量%以下のMn、0.5質量%以下のCu、2質量%以下のZn、及び、0.03〜0.2質量%のTiを含んでいる。なお、本アルミニウム合金にさらにSrが含まれていてもよい。これらの添加物以外の残部はAl及び不可避不純物である。
Hereinafter, the manufacturing process of the
各添加物の機能は以下のとおりである。Siは5質量%以上において溶湯の流動性を向上させる一方、12質量%以下において鋳造品の伸びを確保できる。なお、伸びを確保しつつ流動性をできるだけ向上させる観点から、Siの含有率は8.5〜9.5質量%の範囲であることがより好ましい。 The function of each additive is as follows. Si improves the fluidity of the molten metal at 5% by mass or more, while ensuring the elongation of the cast product at 12% by mass or less. In addition, it is more preferable that the Si content is in the range of 8.5 to 9.5% by mass from the viewpoint of improving the fluidity as much as possible while securing the elongation.
Mgには熱処理を経ると鋳物の強度を上げる効果がある。これは、Mg2Siが形成されることによる。しかし、Mgの含有率が0.2質量%未満であるとMg2Siが十分に生成されないため、強度が十分に上がらない。また、含有率が0.5質量%を超えると強度は上がるが伸びが下がり、これによって靱性が下がる。したがって、Mgの含有率を0.5質量%以下とすることで靱性の低下を抑えつつ、Mgの含有率を0.2質量%以上とすることで強度を十分に向上させることができる。なお、Mgの含有率は、好ましくは0.3質量%〜0.4質量%である。これによれば、ホイールに求められる強度と靭性をより適切に確保できる。 Mg has the effect of increasing the strength of the casting after heat treatment. This is due to the formation of Mg 2 Si. However, if the Mg content is less than 0.2% by mass, Mg 2 Si is not sufficiently generated, so that the strength is not sufficiently increased. On the other hand, when the content exceeds 0.5% by mass, the strength increases, but the elongation decreases, thereby decreasing the toughness. Therefore, the strength can be sufficiently improved by setting the Mg content to 0.2% by mass or more while suppressing the decrease in toughness by setting the Mg content to 0.5% by mass or less. The Mg content is preferably 0.3% by mass to 0.4% by mass. According to this, the strength and toughness required for the wheel can be ensured more appropriately.
Feは0.16質量%以上において離型性を向上させる効果がある。なお、Feには溶湯と金型の焼付き性を向上させる効果がある。金型が焼きつかないために必要なFeの含有率は0.5質量%である。また、Feの添加量が増えると、針状晶が生成して靭性が低下する。一方、本実施形態において採用されているダイカスト鋳造は冷却速度が速いので、重力鋳造と比べて鉄の針状晶は発生しにくい。例えば重力鋳造では鉄の含有量が0.3質量%でも針状晶が発生する。これに対し、ダイカスト鋳造の場合、Feの含有量が0.8質量%以下では鉄の針状晶は発生しない。したがって、Feの含有率は0.16〜0.8質量%の範囲であることが好ましい。 Fe has an effect of improving the releasability at 0.16 mass% or more. Fe has the effect of improving the seizure between the molten metal and the mold. The Fe content necessary for the die not to burn is 0.5% by mass. Moreover, when the addition amount of Fe increases, a needle-like crystal | crystallization will produce | generate and toughness will fall. On the other hand, since the die-casting adopted in this embodiment has a high cooling rate, iron needle crystals are less likely to occur than gravity casting. For example, in gravity casting, needle crystals are generated even when the iron content is 0.3 mass%. On the other hand, in the case of die casting, when the Fe content is 0.8% by mass or less, iron needle crystals are not generated. Therefore, the Fe content is preferably in the range of 0.16 to 0.8 mass%.
Mnは、溶湯と金型の焼付き性を向上させる効果がある。多量に添加すると鋳造品の伸びを低下させるおそれがある。Mnの含有率が1.5質量%以下であれば鋳造品の伸びを確保しやすい。なお、Mnの含有率は0.3〜0.5質量%の範囲であることが好ましい。これによると、焼き付き性を向上しつつ、伸びを低下させることがない。FeとMnの含有率の合計を0.5〜1.2質量%の範囲に管理することで伸びを低下させずに金型との焼付きを防ぐことができる。 Mn has the effect of improving the seizure between the molten metal and the mold. If added in a large amount, the elongation of the cast product may be reduced. If the Mn content is 1.5% by mass or less, it is easy to ensure the elongation of the cast product. In addition, it is preferable that the content rate of Mn is the range of 0.3-0.5 mass%. According to this, the seizure property is improved and the elongation is not lowered. By controlling the total content of Fe and Mn in the range of 0.5 to 1.2% by mass, seizure with the mold can be prevented without reducing elongation.
Cuはアルミニウム中に固溶してアルミニウム合金の機械的性質を向上させる効果がある。しかし、本アルミニウム合金のようにマグネシウムとシリコンの金属間化合物であるMg2Siで強化する合金は、Cuが添加されると、Mg−Si−Cu系の金属間化合物が生成する。この金属間化合物が生成するときには、Mgが消費されるために、Mg2Siが生成する量が減る。このような理由により、Cuが0.5質量%以上になると熱処理により機械的性質が向上する効果が低くなる。このため、アルミニウム合金の機械的性質を向上する効果を確保しつつ熱処理の効果を確保するためには、Cuの含有率を0.5質量%未満とすることが好ましい。 Cu has the effect of improving the mechanical properties of the aluminum alloy by solid solution in aluminum. However, an alloy strengthened with Mg 2 Si, which is an intermetallic compound of magnesium and silicon like the present aluminum alloy, produces an Mg—Si—Cu intermetallic compound when Cu is added. When this intermetallic compound is produced, Mg is consumed, so the amount of Mg 2 Si produced is reduced. For these reasons, when Cu is 0.5 mass% or more, the effect of improving the mechanical properties by heat treatment becomes low. For this reason, in order to ensure the effect of heat processing, ensuring the effect which improves the mechanical property of an aluminum alloy, it is preferable to make content rate of Cu into less than 0.5 mass%.
Znが2質量%を超えると鋳造品の靱性が低下する。したがって、Znの含有率を2質量%以下とすることで靱性を確保できる。なお、靱性の確保の観点から、Znの含有率を0.15質量%以下とすることが好ましい。 If Zn exceeds 2% by mass, the toughness of the cast product decreases. Therefore, toughness can be secured by setting the Zn content to 2% by mass or less. In addition, it is preferable to make content rate of Zn into 0.15 mass% or less from a viewpoint of ensuring toughness.
Tiにはアルミ結晶粒を微細化させ、もって、強度及び靱性を向上する効果がある。Tiの含有率を0.03質量%以上とすることで強度及び靱性を向上できる。かかる効果は、Tiの含有率が0.2質量%を超えると変化しない。なお、かかる効果をより適切に確保する観点によれば、Tiの含有率が0.05〜0.20質量%の範囲であることが好ましい。 Ti has the effect of refining aluminum crystal grains and improving strength and toughness. Strength and toughness can be improved by setting the Ti content to 0.03% by mass or more. This effect does not change when the Ti content exceeds 0.2% by mass. In addition, according to the viewpoint which ensures this effect more appropriately, it is preferable that the content rate of Ti is the range of 0.05-0.20 mass%.
なお、本アルミニウム合金にはさらにSrが添加されていることが好ましい。Srにはシリコン結晶粒を微細化させ、もって、強度と靭性が向上する効果がある。Srの含有率を0.002質量%以上とすることで強度及び靱性を向上できる。かかる効果は、Srの含有率が0.02質量%を超えると変化しない。なお、かかる効果をより適切に確保する観点によれば、Srの含有率が0.005〜0.02質量%の範囲であることが好ましい。 In addition, it is preferable that Sr is further added to this aluminum alloy. Sr has the effect of increasing the strength and toughness by making silicon crystal grains finer. Strength and toughness can be improved by setting the Sr content to 0.002 mass% or more. This effect does not change when the Sr content exceeds 0.02 mass%. In addition, according to the viewpoint which ensures this effect more appropriately, it is preferable that the content rate of Sr is 0.005 to 0.02 mass%.
次に、ダイカスト鋳造及びその後の熱処理の各工程について、図3及び図4を参照しつつ説明する。まず、図4に示す鋳型200を用いてダイカスト鋳造を行う(図3の工程S1)。鋳型200は、金型201の内部において、ホイール100の形状に対応した形状に形成されている。鋳型200における車軸挿入部110に対応する領域200aには、アルミニウム合金の溶湯を注入する注入路202が接続されている。注入路202には、スリーブを介して溶湯に圧力を加えるピストン205とロッド、シリンダが接続されている。鋳型200の周囲には、鋳型200に流し込まれた溶湯のうち、内部品質の悪い溶湯を排出するオーバーフロー203が形成されている。オーバーフロー203は、鋳型200におけるリム部140に対応する領域200cに接続されている。オーバーフロー203は、ホイール100の周方向に対応する方向に関して、鋳型200におけるスポーク151に対応する領域200b同士の間に配置されている。オーバーフロー203はさらに排出路204に接続されている。排出路204は金型201の外部へと金型内の空気と内部品質の悪い溶湯を排出するための流路である。
Next, each step of die casting and subsequent heat treatment will be described with reference to FIGS. First, die casting is performed using the
ピストン205に溶湯が注入された後、30〜60MPa(メガパスカル)の高い圧力がピストン205によって溶湯に印加される。これにより、ピストン205から注入路202を介して鋳型200内に溶湯が注入される。溶湯は、鋳型200において、他の鋳造法と比べて速い速度(所要時間にして0.04〜0.16秒)で領域200a、領域200b及び領域200cを順に通り、オーバーフロー203へと排出される。これによって鋳型200内に存在する空気等が溶湯と共に排出される。図4の太い黒矢印は、溶湯の流れの一例を示している。溶湯は、10本のスポーク151に対応する領域200bのそれぞれから領域200cへと流れ込み、周方向に沿って二手に分かれる。二手に分かれた溶湯は、周方向に領域200b同士の間に存在するオーバーフロー203へと流れ込む。
After the molten metal is injected into the
ダイカスト鋳造(図3の工程S1)後には、以下の通り、T5熱処理を実施する。工程S1の終了後、半製品を金型内にとどめたまま、温度が350℃以下になるまで半製品を冷却する(工程S2)。350℃を超えた高温の状態では、半製品を水に浸漬させても半製品の周囲の水が一瞬で蒸発する。このため、この温度域では半製品を金型内にとどめた方が早く冷却できる。金型内に半製品を保持する時間は、15秒から45秒程度である。また、350℃(又はそれ以下)の時点で半製品を取り出すのは、この温度が凝固とすべての金属間化合物の析出が完了している温度だからである。350℃以下まで金型内で冷却を行うことも可能であるが、金型温度は100℃〜200℃(部分的には250℃)であるので製品温度が下がって金型温度に近づくほど冷却速度が小さくなる。また、金型内に長時間製品がとどまってしまうと、次の製品の製造工程が開始できず、結果としてサイクルタイムが長くなってしまい生産性が落ちる。 After die casting (step S1 in FIG. 3), T5 heat treatment is performed as follows. After completion of step S1, the semi-finished product is cooled until the temperature becomes 350 ° C. or lower while keeping the semi-finished product in the mold (step S2). In a high temperature state exceeding 350 ° C., the water around the semi-finished product evaporates instantly even if the semi-finished product is immersed in water. For this reason, in this temperature range, the semi-finished product can be cooled more quickly if it is kept in the mold. The time for holding the semi-finished product in the mold is about 15 to 45 seconds. The reason why the semi-finished product is taken out at the time of 350 ° C. (or lower) is that this temperature is a temperature at which solidification and precipitation of all intermetallic compounds are completed. Although it is possible to cool in the mold to 350 ° C. or less, the mold temperature is 100 ° C. to 200 ° C. (partially 250 ° C.). The speed is reduced. Further, if the product stays in the mold for a long time, the manufacturing process of the next product cannot be started, and as a result, the cycle time becomes longer and the productivity is lowered.
半製品の温度が350℃以下まで低下したら、鋳型200から半製品を取り出す(工程S3)。そして、取り出した半製品を水に浸漬させることで、冷却を行う(工程S4)。これにより、次の工程である自然時効を開始する準備が整う。半製品の温度が350℃以下まで低下していると、水により冷却を行っても、金型によって350℃まで冷却した速度と同等の冷却速度が得られる。なお、この冷却時の冷却剤として、水以外に、水溶液など、他の冷却剤が用いられてもよい。仮に冷却を完全に行わない状態で自然冷却を行うと、自然時効処理をしないで人工時効処理を行うことと同等の工程となってしまい、機械的性質の向上の効果が少なくなる現象が生じてしまう。このため、自然時効温度より高い温度にさらされる時間を短くすることが大切である。自然冷却では、実際350℃から70℃まで冷却されるのに30分以上の時間がかかる。したがって、工程S3においては、自然冷却よりも速く冷却するような冷却剤が用いられればよい。冷却後、半製品を5〜70℃の温度において3時間以上保持する(工程S5)。その後、140〜220℃の範囲で0.5時間以上、且つ、2時間未満の時間で半製品に加熱処理を施す(工程S6)。T5熱処理に関する工程S2〜S6を経ることにより、鋳造後の材料の0.2%耐力は150〜210MPaとなる。一方、これらの工程を行っていないと、鋳造後の材料の引っ張り強度は150MPa未満となる。 When the temperature of the semi-finished product is lowered to 350 ° C. or lower, the semi-finished product is taken out from the mold 200 (step S3). And it cools by immersing the taken-out semi-finished product in water (process S4). As a result, preparation for starting the next step, natural aging, is completed. When the temperature of the semi-finished product is lowered to 350 ° C. or lower, a cooling rate equivalent to the rate of cooling to 350 ° C. by the mold can be obtained even when cooling with water. In addition to water, other coolants such as an aqueous solution may be used as the coolant during the cooling. If natural cooling is performed in a state where cooling is not completely performed, the process becomes equivalent to performing artificial aging treatment without natural aging treatment, resulting in a phenomenon in which the effect of improving mechanical properties is reduced. End up. For this reason, it is important to shorten the time of exposure to a temperature higher than the natural aging temperature. In natural cooling, it takes 30 minutes or more to actually cool from 350 ° C to 70 ° C. Therefore, in step S3, a coolant that cools faster than natural cooling may be used. After cooling, the semi-finished product is held at a temperature of 5 to 70 ° C. for 3 hours or longer (step S5). Thereafter, the semi-finished product is heated in the range of 140 to 220 ° C. for 0.5 hour or more and less than 2 hours (step S6). By performing steps S2 to S6 related to the T5 heat treatment, the 0.2% proof stress of the material after casting becomes 150 to 210 MPa. On the other hand, if these steps are not performed, the tensile strength of the material after casting becomes less than 150 MPa.
以上説明した本実施形態によると、ダイカスト鋳造を採用しているため、充填してから凝固するまでの時間が短く、重力鋳造等と比べて生産性が高い。また、重力鋳造は、鋳造時に金型表面に塗型材を塗るので製品表面が平滑にならない。これに対し、ダイカスト鋳造であれば、滑らかな外観を得ることができる。具体的には、重力鋳造では鋳物の表面における十点平均粗さが100μm程度になってしまうのに対し、ダイカスト鋳造では鋳物表面の十点平均粗さが20μm程度である。さらに、重力鋳造では鋳物の最小肉厚が3mm程度(限界は2.5mm)であるのに対し、ダイカスト鋳造では鋳物の最小肉厚を2mm程度(限界は1.8mm)にすることができる。 According to the present embodiment described above, since die casting is employed, the time from filling to solidification is short, and productivity is high compared to gravity casting or the like. Further, in gravity casting, since the coating material is applied to the mold surface during casting, the product surface is not smooth. On the other hand, if it is die-casting, a smooth appearance can be obtained. Specifically, in gravity casting, the ten-point average roughness on the surface of the casting is about 100 μm, whereas in die casting, the ten-point average roughness on the casting surface is about 20 μm. Further, in gravity casting, the minimum thickness of the casting is about 3 mm (limit is 2.5 mm), whereas in die casting, the minimum thickness of the casting can be about 2 mm (limit is 1.8 mm).
一方で、アルミホイールの鋳造においては、ダイカスト鋳造は、以下の理由から、強度、軽量性及び靱性を確保しつつ生産性を高めることが困難であると考えられていた。ダイカスト鋳造は、金型への注湯の際に、重力鋳造に比べて溶湯に空気が混入しやすい。したがって、ダイカスト鋳造は、重力鋳造に比べて靱性が低くなりやすい。なお、金型内を真空にして混入する空気の量を減らす方法も検討されている。しかし、この方法は、金型や設備の仕様が大掛かりになるため、ダイカスト一般に広く適用されているわけではない。また、重力鋳造等で用いられる熱処理であるT6熱処理においては、時効処理の前に高温の溶体化処理を行う。このとき、溶湯に混入した空気の膨張によるいわゆるブリスターが発生することによって、ホイールの靱性がさらに低下するおそれがある。したがって、ダイカスト鋳造は、熱処理によって強度を向上させることが難しい。 On the other hand, in the casting of an aluminum wheel, it has been considered that die casting is difficult to increase productivity while ensuring strength, light weight and toughness for the following reasons. In die casting, air is likely to be mixed into the molten metal when pouring into a mold as compared with gravity casting. Therefore, die casting tends to have lower toughness than gravity casting. In addition, a method of reducing the amount of mixed air by evacuating the mold has been studied. However, this method is not widely applied to die casting in general because of the large specifications of molds and equipment. Moreover, in T6 heat processing which is heat processing used by gravity casting etc., high temperature solution treatment is performed before an aging treatment. At this time, the so-called blistering due to the expansion of the air mixed in the molten metal may cause further reduction in the toughness of the wheel. Therefore, it is difficult for die casting to improve strength by heat treatment.
これに対し、本実施形態のT5熱処理の場合、高温の溶体化処理を行わないため、ブリスターが発生しない。よって、延性が低下しにくくなるため、靱性の向上につながる。また、溶体化処理を行わないので、半製品を再度加熱する必要がなく、生産性が高い。 On the other hand, in the case of the T5 heat treatment of this embodiment, blistering does not occur because high temperature solution treatment is not performed. Therefore, ductility is less likely to decrease, leading to improved toughness. Further, since no solution treatment is performed, it is not necessary to heat the semi-finished product again, and the productivity is high.
また、本実施形態では、140〜220℃の温度範囲で時効処理が行われている。時効処理の温度が低すぎると処理に時間がかかりすぎ、温度が高すぎると品質管理が困難になる。温度が高い場合には炉の温度管理が難しく、炉内温度のむらにより品質にばらつきが生じるおそれがあるためである。しかし、本実施形態では、140〜220℃の適度な温度範囲で時効処理が行われている。このため、品質管理がしやすいと共に、処理に時間がかかりすぎることがない。 Moreover, in this embodiment, the aging process is performed in the temperature range of 140-220 degreeC. If the temperature of the aging treatment is too low, it takes too much time, and if the temperature is too high, quality control becomes difficult. This is because when the temperature is high, the temperature control of the furnace is difficult, and the quality may vary due to uneven temperature in the furnace. However, in this embodiment, the aging treatment is performed in an appropriate temperature range of 140 to 220 ° C. For this reason, quality control is easy and processing does not take too much time.
また、本実施形態では、鋳造に用いられるアルミニウム合金がSi、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn及びTiをそれぞれ適切な含有率で含んでいる。これにより、強度と靱性の両方が適切に確保されている。 Moreover, in this embodiment, the aluminum alloy used for casting contains Si, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, and Ti at appropriate content rates, respectively. Thereby, both strength and toughness are appropriately secured.
以上により、本実施形態の製造方法によって製造されたホイール100は、靱性の低下が抑制されると共に、強度が十分に確保される。したがってその分、ホイール100が軽量化される。また、ダイカスト鋳造により生産性を向上できる。よって、強度、軽量性及び靱性を確保しつつ生産性を高めることが可能である。さらに、時効処理に時間がかからないため、生産性をより向上させることができる。
As described above, the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。本明細書における変形例は適宜組み合わせて実施することができる。なお、本明細書において「好ましい」という用語は非排他的なものであって、「好ましいがこれに限定されるものではない」ということを意味するものである。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. The modifications in this specification can be implemented in combination as appropriate. In the present specification, the term “preferred” is non-exclusive, and means “preferably but not limited to”.
例えば、上述の実施形態に係るホイール100には、10本のスポーク151が設けられている。しかし、本実施形態の製造方法によって製造されるホイールは、スポークが10本のものに限られない。例えば、スポークが10本未満のものや11本以上のものが製造されてもよい。なお、本実施形態の製造方法によれば強度、靱性及び生産性をいずれも確保できる。このため、スポークの本数が比較的多く、各スポークの断面積が比較的小さいホイールを製造するのに適している。本製造方法は、例えば、スポークが5〜10本のホイールを製造するのに適しており、10本のホイールを製造するのに特に適している。
For example, the
1 自動二輪車
17 車軸
100 ホイール
110 車軸挿入部
111a 車軸挿入穴
140 リム部
150 スポーク部
151 スポーク
200 鋳型
300 ホイール
310 車軸挿入部
311a 車軸挿入穴
340 リム部
350 スポーク部
351 スポーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記ダイカスト鋳造後の半製品を金型内で350℃以下まで冷却し、その後、冷却剤を用いて70℃以下まで、自然冷却よりも速く冷却する工程と、
前記冷却する工程後に、5〜70℃の範囲内で前記半製品を3時間以上保持する工程と、
その後140〜220℃の範囲内で0.5時間以上且つ2時間未満の加熱処理を前記半製品に施す工程とを備えていることを特徴とするアルミホイールの製造方法。 5-12 mass% Si, 0.2-0.5 mass% Mg, 0.16-0.8 mass% Fe, 0.3-0.5 mass% Mn, less than 0.5 mass% of Cu, and, seen including a 0.03 to 0.2 mass% of Ti, Zn are restricted to less than 2% by weight, the Fe and Mn in total 0.5% by mass or more, the balance being Al And die casting using an aluminum alloy composed of inevitable impurities ,
Cooling the semi-finished product after die casting to 350 ° C. or lower in a mold, and then cooling to 70 ° C. or lower using a coolant faster than natural cooling;
Holding the semi-finished product within a range of 5 to 70 ° C. for 3 hours or more after the cooling step;
And a step of subjecting the semi-finished product to a heat treatment for 0.5 hours or more and less than 2 hours within a range of 140 to 220 ° C.
前記ダイカスト鋳造後の半製品を金型内で350℃以下まで冷却し、その後、冷却剤を用いて70℃以下まで、自然冷却よりも速く冷却する工程と、
前記冷却する工程後に、5〜70℃の範囲内で前記半製品を3時間以上保持する工程と、
その後140〜220℃の範囲内で0.5時間以上且つ2時間未満の加熱処理を前記半製品に施す工程とを備えていることを特徴とするアルミホイールの製造方法。 5-12 mass% Si, 0.2-0.5 mass% Mg, 0.16-0.8 mass% Fe, 0.3-0.5 mass% Mn, less than 0.5 mass% Cu, 0.03 to 0.2 mass% Ti, and 0.002 to 0.02 mass% Sr , Zn is restricted to 2 mass% or less, and Fe and Mn are 0 in total. A step of performing die casting using an aluminum alloy having a balance of Al and unavoidable impurities of 5% by mass or more;
Cooling the semi-finished product after die casting to 350 ° C. or lower in a mold, and then cooling to 70 ° C. or lower using a coolant faster than natural cooling;
Holding the semi-finished product within a range of 5 to 70 ° C. for 3 hours or more after the cooling step;
And a step of subjecting the semi-finished product to a heat treatment for 0.5 hours or more and less than 2 hours within a range of 140 to 220 ° C.
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