JP2007009262A - 熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性、熱伝導性、成形加工性に優れ、かつ３００ＭＰａ以上の高強度を有するアルミニウム合金板材を提供する。
【解決手段】 連続鋳造圧延材から得られ、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５％の１種または２種を含有するとともに、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のＴｉが０．２％以下に規制され、かつ導電率が４８％ＩＡＣＳ以上、耐力３００ＭＰａ以上である。前記成分を有するアルミニウム合金板を連続鋳造圧延により作製し、その後冷間圧延し、次いで５００〜５７０℃の溶体化処理を行い、続いてさらに冷間圧延率５〜４０％で冷間圧延を行い、冷間圧延後１５０〜１９０℃未満に加熱する時効処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマディスプレーなどの電子映像部品、パソコンなどの電子部品、一般家庭用電化製品部品などに好適であり、特に放熱板、筺体としての使用に好適な、熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板および該アルミニウム合金板の製造方法に関するものである。

プラズマディスプレーは、映像を映し出す映像部分と電子部品が集積した部分とで構成され、機能面から薄く壁にかけられる構造となっている。このために映像部分のパネルと電子部品が組み込まれたパネルは近接しており、電子部品への熱的影響を最小限とする必要がある。映像部分は発光素子の集合体であり、素子には高電圧が負荷されるために発熱量が多く周囲への影響は避けられない。また、鮮明な映像を映し出すプラズマディスプレーの発熱は電気回路として機能する放熱板への導電率を変化させるために正確に調整された電子回路へのノイズの原因となるばかりでなく、使用されている半導体電子部品に重大な影響を及ぼす可能性が高い。さらに電子部品からの発熱は映像表示部分にホットスポットを発生させ、画像表示寿命、機能への影響も避けられないものとなっている。ＰＤＰへの放熱板の使用は、これらの発熱を広範囲に拡散し、高い機能を誇る電子部品、表示画面を保護する目的で映像部分と電子部品集積部分との間に配置することで行われている。

このような目的に対し、導電率と放熱効果の高いＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金板が広く利用されている。Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金は、非特許文献１や、特許文献１、２に記載されているように、圧延条件、熱処理条件を調整することにより高い導電率が確保できることが知られており、その特性を利用して電線やブスパーに使用され、さらに最近では導電率と熱伝導性に高い相関関係があることが確認され、放熱性が要求されるプラズマディスプレーの放熱板材として広く利用されるに至っているものである。
"最近の導電用アルミニウム合金について"、住友電気技報、昭和５３年１月発行、第１１２号 特開２０００−２２６６２８号公報 特開２０００−８７１９８号公報

上記のように導電率の高いＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金は、部品形状を形成するための成形性をも備えており、発熱を遮蔽し、拡散するための放熱部材としては適した材料といえる。しかし、放熱部材は、放熱性を要求されるとともに、同時に映像部分と電子部品の集積部分との中間に位置するため、構造部材としての機能も要求される。特に放熱板は表示画面のガラス基板と貼り合せて使用し、パネルの構造強度を維持するために強度が要求される。板厚の厚い材料を使用してこれらの要求を満たす方法が採られる場合もあるが、このためにＰＤＰパネルの重量は重くなり、最終パネルの検査歩留まり等の要因から製造コストへの負担も大きな問題となる。このことから、板厚を薄くしても高い放熱性と強度、成形性を有する６０００系Ａｌ合金の開発が待たれていた。
現在使用されている６０００系Ａｌ合金材料は、全てＤＣ鋳造によるスラブ形状からの圧延品になる。ＤＣ材が広く用いられるのは、６０００系材料の板材は鋳造が容易で、その後の圧延性の点で生産性が比較的高いことによる。しかし、鋳造、面削、熱間圧延工程が必要になり、溶体化処理、冷間圧延、時効処理を最適に組み合わせても耐力２４０ＭＰａを確保するのがせいぜいであり、構造強度としては十分なものとはいえない。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、従来と同様に高い放熱性を有するとともに、従来材を遙かにしのぐ強度を有し、さらには、該高強度においても曲げ性が良好で優れた成形性を有する熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板の発明のうち、請求項１記載の発明は、連続鋳造圧延材から得られ、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５％の１種または２種を含有するとともに、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のＴｉが０．２％以下に規制され、かつ導電率が４８％ＩＡＣＳ以上、耐力３００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

請求項２記載の熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板の発明は、請求項１記載の発明において、さらに質量％でＣｕ：０．０１〜１％含有することを特徴とする。

請求項３記載の熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板の発明は、請求項１または２に記載の発明において、さらに質量％で希土類元素：０．０１〜０．２％含有することを特徴とする。

請求項４記載の熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板の製造方法の発明は、請求項１〜３に記載の組成を有するアルミニウム合金板を連続鋳造圧延により作製し、その後冷間圧延し、次いで５００〜５７０℃の溶体化処理を行い、続いてさらに冷間圧延率５〜４０％で冷間圧延を行い、冷間圧延後１５０〜１９０℃未満に加熱する時効処理を行うことを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、耐力として熱処理合金で最も高い５１８２−Ｈ３８，５０８３−Ｈ３２材を凌ぐ３００ＭＰａ以上の強度が得られる。また、５１８２−Ｈ３８では実現が難しい内側曲げ半径０．５ｔＲ−９０°曲げによる優れた加工性が得られ、さらに熱伝導性、強度、プレス成形性に優れた特性が得られる。

次に、本発明のアルミニウム合金板およびその製造方法で規定する合金成分等の条件について説明する。

Ｓｉ：０．２〜１．５％
ＳｉとＭｇは、この合金の強度、成形性、導電率などの特性を確保する上で重要な成分である。Ｓｉ量はＭｇ量とのバランスで成形後の部品強度を確保するが１．５％を超える範囲では特に導電率への影響が大きく、また曲げ加工性を阻害する要因になる。一方、Ｓｉ量が０．２％未満であると成形後の強度不足の原因となる。したがってＳｉ量を０．２〜１．５％の範囲内とする。なお、同様の理由で下限を０．４％、上限を１．１％とするのが望ましい。

Ｍｇ：０．２〜１．５％
Ｍｇは引張強さを向上させることからプレス成形における割れ限界を向上させ、部品強度を確保する上で有効な成分である。Ｍｇ含有量の増加は強度向上に有効になるが１．５％を超える範囲では特に導電率の大きな阻害要因となる。また０．２％未満の含有では強度の確保が難しい。したがって、Ｍｇ含有量を０．２〜１．５％の範囲内とする。なお、同様の理由で下限を０．４％、上限を０．８％とするのが望ましい。

Ｔｉ：０．２％以下
連続鋳造圧延材は鋳造圧延時に急速冷却となるために結晶粒径は微細となる。ＴｉおよびＴｉ−Ｂの微細化剤の添加は、後工程で行う溶体化処理時の結晶粒径の粗大化を抑制するものとして添加する場合、Ｔｉを多く含有させると、導電率、熱伝導率の大きな阻害要因になり、また金属間化合物が増えて成形性が悪くなるので上限を定め０．２％以下とし、Ｔｉの微細化は必要最小限の範囲０．０３％以下とすることが望ましい。Ｔｉは、Ｔｉ−Ｂの形で添加することも可能であり、その場合、上記含有量は、総量で示される。

Ｃｒ：０．０２〜０．１５％
Ｍｎ：０．０２〜０．１５％
Ｃｒ、Ｍｎの添加は、曲げ加工性を向上させる。したがって、成形性を向上させるためにＣｒ、Ｍｎの一方または両方を含有させる。ただし、それぞれが０．０２％未満の含有であると、上記作用が十分に得られない。一方、それぞれ０．１５％を超えて含有すると、溶体化処理時の焼入感受性に影響し、最終製品の強度、さらに成型加工性を阻害する要因となる。したがって、Ｃｒ、Ｍｎの含有量をそれぞれ０．０２〜０．１５％に限定し、一種または２種を含有させるものとした。なお、両方の合計量が０．２％を超えると、同じく溶体化処理時の焼入感受性に影響するため、Ｃｒ、Ｍｎの両方を含有させる場合、合計量を０．２％以下とするのが望ましい。

Ｆｅ：０．３％以下
Ｆｅは、結晶粒径の微細化効果が期待できるが、０．３％を超えると成形性への阻害要因となる。したがってＦｅ含有量は０．３％以下とする。なお、上記作用を十分に得るためには、Ｆｅ含有量は０．２％以上とするのが望ましい。

Ｃｕ：０．０１〜１％
Ｃｕは、強度と成形性を確保するため所望により含有させる。ただし、１％を越えると成形性及び導電率低下要因となり、０．０１％未満では上記作用を十分に得られない。したがって、Ｃｕを含有させる場合、その含有量を０．０１〜１％の範囲内とする。なお、同様の理由で下限を０．０２％、上限を０．２％とするのが望ましい。

希土類元素：０．０１〜０．２％
希土類元素は、結晶粒を微細化して晶出物サイズを微細化する作用があるので所望により含有させる。この作用を得るためには０．０１％以上の含有が必要である。一方、０．２％を超えて含有させると、晶出物として存在し成形性を阻害する要因になるため、希土類元素を含有させる場合、その含有量を０．０１〜０．２％に定める。なお、同様の理由で下限を０．０２％、上限を０．１％とするのが望ましい。
なお、希土類元素を含有させる場合、一種または複数種の希土類元素を含有させてもよく、また、ミッシュメタルの状態で含有させるものであってもよい。

製造条件
本発明では、連続鋳造圧延によって得られるアルミニウム合金板を、その後、冷間圧延、時効処理する際の製造条件を定める。

連続鋳造圧延
連続鋳造圧延では圧延ロールなどにより急速冷却となるために、合金成分は微細にしかも多量に固溶させることができる。しかし、Ｓｉ，Ｍｇを含む本発明合金は熱伝導性が高く、しかも凝固温度範囲が狭いために連続鋳造圧延時の温度、溶湯供給量、ロール周速は最適に調整する必要がある。６０００系合金の溶湯最適温度は入り側で７２０〜７４０℃になり、常にこれを維持し、湯温の低下時にはロール入り側の溶湯の排出、また、ロール周速を上げる。さらに温度の上昇時はロール回転を低速とし、周速を下げるなどの工夫が必要になる。圧延機への溶湯供給量はロール周速と連動させ、入り側トラフで細かく管理することにより健全な連続鋳造圧延板を得ることが出来る。連続鋳造圧延時の冷却速度は、デンドライトアームスペーシングから求めた３０℃／秒以上とするのが望ましい。

冷間圧延（先工程）
連続鋳造圧延後の冷間圧延は溶体化処理後にもう一度行う冷間圧延率を確保するのに必要な工程であり、中間の溶体化処理は圧延中に析出した溶質成分を再固溶させ、時効後に強度を確保するための条件になる。

溶体化処理
最終板厚から換算し、５〜４０％の冷間圧延率を残して溶体化処理を施す。このときの溶体化処理条件は５００℃〜５７０℃の温度範囲とする。溶体化処理温度が５００℃未満であると、充分な溶体化処理効果は得られず、また、５７０℃を越える温度では共晶溶融が発生するおそれがある。また、同様の理由で下限を５４０℃とするのが望ましい。溶体化処理後は、例えば空冷または水冷により１００℃以下まで１．０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で焼入れを行なう。冷却速度が１．０℃／ｓｅｃ未満では焼き入れ効果が十分に得られない。溶体化処理によって溶質原子の固溶量が多くなり、最終の焼鈍工程で時効による強度を向上させる事が出来る。

冷間圧延（後工程）
溶体化処理後、圧延率５〜４０％の冷間圧延を行うが、圧延の目的は主に強度と導電率にあり、圧延率５％未満では液体化処理により低下した導電率の向上は充分得られず４０％を超える圧延では強度が向上し、伸び率が低下するために成形加工性の障害となる。

時効処理
冷間圧延を行なった後に１５０℃〜１９０℃未満の時効処理を行い析出による強度と導電率向上効果を得ると同時に成形加工性を確保する。時効温度１５０℃未満では強度、導電率の向上、さらに所望の曲げ加工性能は得られず、１９０℃以上の条件では曲げ加工性、導電率の向上は得られるものの強度低下は避けられない。

以上説明したように、本発明のアルミニウム合金板によれば、連続鋳造圧延材から得られ、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５％の１種または２種を含有するとともに、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のＴｉが０．２％以下に規制され、かつ導電率が４８％ＩＡＣＳ以上であるので、放熱部材として好適な優れた熱伝導性と成形性が得られ、さらには、構造材として好適な高い強度を得ることができる。

また、本発明のアルミニウム合金板の製造方法によれば、上記組成を有するアルミニウム合金板を連続鋳造圧延により作製し、その後冷間圧延し、次いで５００〜５７０℃の溶体化処理を行い、続いてさらに冷間圧延率５〜４０％で冷間圧延を行い、冷間圧延後１５０〜１９０℃未満に加熱する時効処理を行うので、優れた熱伝導性と成形性を有し、さらに高強度の特性を有するアルミニウム合金板を製造することができる。すなわち、熱電導性にすぐれた、強度、成形性を備えたＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の製造を可能にし、プラズマディスプレー、電子部品などの利用に大きく貢献するものである。

以下に、本発明の実施形態を図１に基づいて説明する。
本発明では、所定の成分となるように調整して、連続鋳造圧延によって冷間圧延に供するアルミニウム合金板が作製される。
上記連続鋳造圧延では、溶湯入り側温度を７２０〜７４０℃にし、溶湯の凝固及び圧延に適した条件として冷却速度を３０℃／秒以上とするのが望ましい。

その後、冷間圧延を行う。その際には前記のように冷間圧延途中に５〜４０％の圧延率を残して５００〜５７０℃の温度で溶体化処理を施す。その後に、５〜４０％の圧延率によって冷間圧延を行い最終冷延板厚とする。冷間圧延後には、導電率と成形加工性を確保するために、バッチ式焼鈍炉、連続焼鈍炉などを用いて時効処理を行う。この時効処理における加熱温度は、１５０℃〜１９０℃未満とすることで、３００ＭＰａ以上の耐力と４８％ＩＡＣＳ以上の導電率と良好な成形性を確保する。
得られたアルミニウム合金板は、特定の用途での使用に限定されるものではないが、好適には電子映像部品、電子部品、一般家庭用電化製品部品などに使用され、特にこれら用途における放熱板、筺体としての使用に適している。

本願発明におけるアルミニウム合金板は、上記の用途に従って必要な加工が施される。該加工としては、曲げ加工、張出加工、絞り加工などがあり、これらが複合されることもある。本願発明としては、上記加工内容が特に限定されるものではない。

以下に、本発明の実施例を比較例と比較しつつ説明する。
双ロールを用いた連続鋳造（溶湯入り側温度７３０℃、冷却速度３０〜４０℃／秒）により表１に示す合金成分で厚さ５．７ｍｍ、幅１８０ｍｍの連続鋳造圧延板を得て、冷間圧延により厚さ１．２５ｍｍ×幅１８０ｍｍまで圧延を行った。これを加熱速度５℃／ｍｉｎ以上で５５０℃×４０ｓｅｃの溶体化処理後、５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で焼入れを行ない、再び冷間圧延により厚さ１．００ｍｍ×幅１８０ｍｍｗの板材とした。圧延後マッフル炉により温度１５０℃〜２１０℃×４ｈｒの時効処理を行ないＪＩＳＨ４０００に定める５号試験片を圧延方向と平行に採用し、引張強さ、耐力、伸び率を測定した。また、成形性については圧延方向と平行に採用した幅２０ｍｍの試験片を用い内側曲げ半径０．５ｍｍ、９０°曲げを行い、試験後の曲げ外周面の割れ、肌荒れの状況を目視により以下の１〜５の５段階で評価した。
評価方法、曲げ外周面を目視にて１〜５段階評価。
評価１：良好な外周面。
評価２：微かに外周面に肌荒れを観測。
評価３：肌荒れの発生（合格）。
評価４：微かにネッキングの発生。
評価５：ネッキング、割れの発生。

導電率は圧延方向と平行に板厚×幅１０ｍｍ×長さ５５０ｍｍの試験片を採取し、４点法により比抵抗を測定し、純銅の比抵抗値を１００として導電率を算出した。表２に示した発明例（Ｃ２Ｎ−１〜８、Ａ．Ｂ．Ｄ．Ｅ）では１５０℃以上の時効処理で純アルミニウム合金１１００−Ｈ２４に近い５０％ＩＡＣＳ以上の高い導電率を確保し、引張試験強さは１５０℃の時効処理で３２０ＭＰａを超え、耐力は３００ＭＰａ以上を有し、曲げ加工後外周面は割れ、肌荒れない良好な成形性能（目視評価３以上）を示すことが確認された。一方、時効処理温度を１９０℃を超える温度として試験材（Ｃ２Ｎ−９〜１６）では、いずれも耐力は３００ＭＰａを大きく下回った。

実施例１の条件についてさらに確認するものとして、製造チャージの異なる表３の合金成分をもつ連続鋳造圧延材を作製し、板厚１．０ｍｍまで冷間圧延後、中間熱処理、冷間圧延を行い、時効条件１６０℃×４ｈｒで時効処理後、引張試験、曲げ、導電率の測定を行い、表４の結果を得た。なお、表４における使用合金は、ＣＳ１のものがＣ１、ＣＳ３のものがＣ３、ＣＳ４のものがＣ４である。
表４に示すように、いずれの試験材も４８％ＩＡＣＳ以上の良好な熱伝導性、耐力３００ＭＰａ以上の高強度、目視評価３以上の結果が得られた。

本発明の一実施形態の工程を示す図である。

Claims (4)

1. 連続鋳造圧延材から得られ、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５％の１種または２種を含有するとともに、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のＴｉが０．２％以下に規制され、かつ導電率が４８％ＩＡＣＳ以上、耐力３００ＭＰａ以上であることを特徴とする熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板。
2. さらに質量％でＣｕ：０．０１〜１％含有することを特徴とする請求項１記載の熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板。
3. さらに質量％で希土類元素：０．０１〜０．２％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板。
4. 請求項１〜３に記載の組成を有するアルミニウム合金板を連続鋳造圧延により作製し、その後冷間圧延し、次いで５００〜５７０℃の溶体化処理を行い、続いてさらに冷間圧延率５〜４０％で冷間圧延を行い、冷間圧延後１５０〜１９０℃未満に加熱する時効処理を行うことを特徴とする熱伝導性、強度および曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板の製造方法。

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