JP2004277853A - モータフレーム用アルミニウム合金およびその製造方法 - Google Patents

モータフレーム用アルミニウム合金およびその製造方法 Download PDF

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Mitsuaki Ikeda
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Abstract

【課題】高強度で放熱性に優れたモータフレーム用アルミニウム合金を得る。
【解決手段】本発明のモータフレーム用アルミニウム合金は、Zr:0.2〜1.0wt%およびSi:0.05〜1.0wt%、を含有し、かつ、Sn;0.02〜0.1wt%、Cr;0.2〜2.0wt%、In;0.02〜0.15wt%、Ag;0.02〜0.1wt%の少なくとも一種類を含み、さらに、Mg:0.05〜0.5wt%、Cu:0.05〜0.5wt%およびNi:0.1〜2.0wt%の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなるものである。
このモータフレーム用アルミニウム合金は、上記合金を鋳型に鋳造し、この後300〜450℃の範囲で時効処理を施すことにより得られる。
【選択図】 なし

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度および放熱特性に優れるサーボモータ用モータフレームに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、サーボモータなどのフレームに用いられる材料には、モータの電磁力や振動に耐えるための高い強度と運転時にコイルなどから発する熱を外部に放出するための放熱特性(熱伝導性)が要求される(例えば、特許文献1参照)。現状はADC12などのアルミダイキャスト材が使用されている。ADC12の特性は、室温での引張り強さは30kg/mm、熱伝導率は92W/m・Kである。
【0003】
【特許文献1】特開平7−31090号公報(第1頁)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
近年、サーボモータにおいては、小型化や軽量化及び高出力化を図るために、エネルギー積の大きい希土類系の永久磁石が用いられてきている。この種の永久磁石は、電気抵抗がフェライト系磁石に比べて非常に小さく、渦電流が発生しやすいため、発熱しやすい。しかしながら、現状のモータフレームでは熱伝導率が92W/m・Kと放熱特性が悪いため、モータ効率が劣るという問題があった。またモータフレーム用の材料として、熱伝導率が234W/m・Kと高い純アルミニウムを用いた場合は、室温での引張り強さが7kgf/mmと強度不足である。フレーム強度が低いと電磁力や振動に耐えることができず破損してしまう。
そこで、本発明は、高強度で放熱性に優れたモータフレーム用アルミニウム合金を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、つぎの構成にしている。
(1)Zr:0.2〜1.0wt%およびSi:0.05〜1.0wt%、を含有し、かつ、Sn;0.02〜0.1wt%、Cr;0.2〜2.0wt%、In;0.02〜0.15wt%、Ag;0.02〜0.1wt%の少なくとも一種類を含み、さらに、Mg:0.05〜0.5wt%、Cu:0.05〜0.5wt%およびNi:0.1〜2.0wt%の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなるモータフレーム用アルミニウム合金である。
(2)Hf:0.2〜1.5wt%およびSi:0.05〜1.0wt%、を含有し、かつ、Sn;0.02〜0.1wt%、Cr;0.2〜2.0wt%、In;0.02〜0.15wt%、Ag;0.02〜0.1wt%の少なくとも一種類を含み、さらに、Mg:0.05〜0.5wt%、Cu:0.05〜0.5wt%およびNi:0.1〜2.0wt%の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなるモータフレーム用アルミニウム合金である。
(3)請求項1または請求項2記載の組成からなる合金を、モータフレームの鋳型に鋳造し、この後300〜450℃の範囲で時効処理を施してモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法である。
(4)前記時効処理をする前に550〜640℃の範囲で溶体化後急冷処理をするモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法である。
(5)前記時効処理を施す前に50〜150℃の範囲で低温時効処理を施すモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法である。
本発明の強度と高熱伝導率を備えた材料は、母相と整合性の析出物が高温時効(300℃以上)で形成される場合に達成できる。本発明の実施では時効処理が必要不可欠であるために,ガスの巻き込みが少ない製造法が望まれる。スクイズダイキャスト法などが望ましい。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について述べる。
Zr及びHfは、時効処理によってアルミニウム中に微細に析出することが知られており、その結果強度は向上する。しかし、室温での引張り強さを30kgf/mm以上とするためには0.2wt%以上必要である。
Siについては、時効処理時に析出物が析出する速度は熱処理温度が高いほど大きくなるが、しかし、温度が高すぎると析出よりも回復が早く進行し強度が低下してしまう。また析出物の大きさも熱処理温度が高いほど大きくなって耐熱性が低下する。したがって析出のための熱処理は低温(300℃〜450℃)で行うのが良い。しかし、Al−ZrおよびAl−Hf合金を300℃〜450℃で時効処理を行う場合、適切な時効効果を得るには100〜1000時間程度必要であり実用的でない。そこでSiを0.05wt%〜1.0wt%添加することで、時効処理時間を数十時間程度に短くすることができる。ただし、Siの添加量が1.0wt%を超えると熱伝導率が200W/m・K以下に低下する。
このAl−Zr−Si、Al−Hf−Si合金の場合、強度が30kgf/mm以上にならない。その理由は微細な析出物の分散密度が不十分であるためである。数十ナノメートルオーダの微細析出物を高密度に分散させるために種々検討した結果、アルミニウム中に形成される空孔との結合力が0.3eV以上の元素(Sn、Cr、In、Ag)を添加すれば良いことを見出した。添加元素と空孔が結合している部分に析出物が優先的に析出すると考えられる。空孔は高密度に分散している事が良い結果をもたらしたと考える。さらにMg、Cu、Niなどの元素を添加することで、Alとの金属間化合物を形成析出させ、強度を上げる必要がある。これらの添加元素の下限は室温強度が30kgf/mm以上からきており、上限は熱伝導率200W/m・Kで決まる。
また前記合金を時効処理する前に550℃〜640℃で溶体化処理しその後急冷することで、合金中に含まれるZrやHfなどの溶質原子を最大限に固溶させ、時効処理により析出する析出物の量を増やすことができ、強度がより向上する。また、低圧鋳造法で製造する場合は鋳造時の冷却速度が遅いのでそのまま時効処理しても効果がない。一度溶体化急冷処理が必要となる。
また、前記合金を時効処理する前に50〜150℃の範囲で低温時効処理を施こすことで、Siを微細に析出させ、その後の時効処理でSiの析出物部分に数十ナノメートルオーダの微細析出物がより高密度に析出するためにより強度が向上する。50℃未満ではSiの析出に時間がかかりすぎ実用的でない。また、150℃を越えるとSi析出物が大きくなりすぎるために時効処理後の強度は低下する。
【0007】
(実施例1)
本実施例は、Al−Zr−Si基合金にSn、Cr、In、AgおよびMg、Cu、Niを添加した合金である。表1に本実施例と比較例の組成を示す。表1の組成のアルミニウム合金を黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、スクイズダイキャストにより鋳込み速度0.4m/sで金型に鋳込み、モータフレームを製造した。さらに表1で併記した350℃〜450℃の条件で時効熱処理した。
つぎに鋳造したモータフレームから試験片を作製し、引張り強度と熱伝導率を測定した。引張り試験片はJIS14A号とし、室温での引張り強度を測定した。熱伝導率は、直径15mm、厚さ3mmの円板状の試験片を作製し、レーザフラッシュ法により測定した。
表1より明らかなように、本実施例1〜15は材料成分及び時効処理条件共に本発明の範囲内の条件で行ったもので、時効処理時間はすべて20hr以下で行っている。本発明例1〜15はいずれもADC12に比べて、室温での強度は同等で、2倍以上の熱伝導率が得られている。
また比較例の内16〜25は材料成分が本発明の成分範囲を満たしておらず、室温での引張り強度が30kg/mm以下あるいは熱伝導率が200W/M・K以下と不十分な結果であった。比較例26は材料成分は本発明の成分範囲内の条件であるが、時効処理温度が500℃と高いため析出効果が得られず、室温での引張り強度が30kg/mm以下と不十分であり、熱伝導率の改善も認められなかった。
【0008】
【表1】
Figure 2004277853
【0009】
(実施例2)
本実施例は、Al−Hf−Si基合金にSn、Cr、In、AgおよびMg、Cu、Niを添加した合金である。表2に本実施例と比較例の組成を示す。実施例1と同様にしてモータフレームを製造した後、表2で併記した350℃〜450℃の条件で時効熱処理し、実施例1と同様に引張り強度と熱伝導率を測定した。その結果を表2の右欄に示す。
表2より明らかなように、本実施例1〜15は材料成分及び時効処理条件共に本発明の範囲内の条件で行ったもので、時効処理時間はすべて20hr以下で行っている。本発明例1〜15はいずれもADC12に比べて、室温での強度は同等で、2倍以上の熱伝導率が得られている。
また比較例の内16〜25は材料成分が本発明の成分範囲を満たしておらず、室温での引張り強度が30kg/mm以下あるいは熱伝導率が200W/M・K以下と不十分な結果であった。比較例26は材料成分は本発明の成分範囲内の条件であるが、時効処理温度が500℃と高いため析出効果が得られず、室温での引張り強度が30kg/mm以下と不十分であり、熱伝導率の改善も認められなかった。
【0010】
【表2】
Figure 2004277853
【0011】
(実施例3)
本実施例は、表1の実施例1の材料成分のアルミニウム合金を黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、低圧鋳造法により鋳込金型に鋳込み、モータフレームを製造した。その後、550〜640℃の温度範囲で溶体化処理後水冷により急冷を行い、さらに表1の実施例1と同様の条件で時効熱処理した。
実施例1と同様に引張り強度と熱伝導率を測定した。その結果、室温での引張り強度は実施例1の値の10%増加し、熱伝導率も5%増加し、いずれも表1の実施例1より高い特性が得られた。
【0012】
(実施例4)
本実施例は、表1の実施例1の材料成分のアルミニウム合金を二つづつ黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、低圧鋳造法により鋳込金型に鋳込み、モータフレームを製造したものである。その後各組成の試料1つについて20〜200℃の範囲で10時間の間低温時効処理を施こしたのち表1と同じ条件で時効処理を行った。一方、他の試料は550〜640℃の温度範囲で溶体化処理後水冷により急冷を行ったのち同じように時効処理を行った。
溶体化処理有無の試料について、実施例1と同様に引張り強度と熱伝導率を測定した結果,50℃未満の試料は実施例1と同じ引張り強さと熱伝導率を示し変化は無かった。しかし、50℃〜150℃の範囲で低温時効処理した試料は実施例1で得られた引張り強さの値よりいずれも20〜30%増加した。熱伝導率は8〜10%増加した。
50℃未満の試料は低温時効の時間をさらに長くすれば特性向上に効果が出ると考えられる。しかし、コスト高となり実用的でなくなる。さらに、155℃以上の温度で低温時効した試料は強度が29kg/mm以下となり、いずれも目標値以下であった。
なお、代表的な実施例を用いてモータを試作した。その結果、モータの発熱が抑えられ効率が従来のモータに比べて約1%上昇した。
また、今回の実施例では、スクイズダイキャスト法や低圧鋳造法を用いて鋳造を行ったが、他の鋳造法、たとえば普通ダイキャストや真空ダイキャスト、レオキャスト法、チクソキャスト法、重力鋳造法などを用いても良い。
【0013】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、Al−Zr−SiまたはAl−Hf−Si合金にSn、Cr、In、Agの少なくとも1種、およびMg、Cu、Niの少なくとも1種を添加し、時効処理を行うようにしたので、高強度で放熱性の優れたモータフレームを得ることができる。さらに、モータの損失を低減することができ、モータの効率が上がるため、小型化の実現にもつながる。

Claims (5)

  1. Zr:0.2〜1.0wt%およびSi:0.05〜1.0wt%、を含有し、かつ、Sn;0.02〜0.1wt%、Cr;0.2〜2.0wt%、In;0.02〜0.15wt%、Ag;0.02〜0.1wt%の少なくとも一種類を含み、さらに、Mg:0.05〜0.5wt%、Cu:0.05〜0.5wt%およびNi:0.1〜2.0wt%の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなることを特徴とするモータフレーム用アルミニウム合金。
  2. Hf:0.2〜1.5wt%およびSi:0.05〜1.0wt%、を含有し、かつ、Sn;0.02〜0.1wt%、Cr;0.2〜2.0wt%、In;0.02〜0.15wt%、Ag;0.02〜0.1wt%の少なくとも一種類を含み、さらに、Mg:0.05〜0.5wt%、Cu:0.05〜0.5wt%およびNi:0.1〜2.0wt%の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなることを特徴とするモータフレーム用アルミニウム合金。
  3. 請求項1または請求項2記載の組成からなる合金を、モータフレーム鋳型に鋳造し、この後300〜450℃の範囲で時効処理を施すことを特徴とするモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法。
  4. 前記時効処理をする前に550〜640℃の範囲で溶体化後急冷処理をすることを特徴とする請求項3記載のモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法。
  5. 前記時効処理を施す前に50〜150℃の範囲で低温時効処理を施すことを特徴とする請求項3または4記載のモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法。
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WO2012101805A1 (ja) 2011-01-27 2012-08-02 日本軽金属株式会社 高電気抵抗アルミニウム合金

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