JP2021105198A - 熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な熱伝導性、高い導電性ならびに高い強度を有するアルミニウム合金圧延材を提供する。【解決手段】化学組成が、Ｓｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．２０質量％、Ｍｎが０．１５質量％以下、Ｚｎが０．１２質量％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．１５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、且つ、０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）なる関係を満たすと共に、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３０５ＭＰａ以上とする。【選択図】なし
Description
この発明は、アルミニウム合金圧延材、特に熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材に関する。
薄型テレビ、パーソナルコンピューター用薄型モニター、ノートパソコン、タブレットパソコン、カーナビゲーションシステム、ポータブルナビゲーションシステム、スマートフォンや携帯電話等の携帯端末等の製品のシャーシ、メタルベースプリント基板、内部カバーのように発熱体を内蔵または装着する部材材料においては、速やかに放熱するための優れた熱伝導性、強度が求められる。
また、電気自動車、ハイブリッド自動車に代表される電気を動力源とした各種電導輸送機器（ＥＶ、ＨＶ、ＰＨＶ、ＦＣＶ、その他電気機関車等）には、電池群、インバータ、モータ等の各種の電気機器が搭載され、これらを電気的に接続するバスバーと呼ばれる電気接続部品が使用されており、優れた導電性、振動に対する強度、発熱に対する熱拡散性（熱伝導性）が求められる。
更に、半導体素子、特に電力用半導体（パワーデバイス）や、液晶ディスプレイのバックライト、各種照明器具、自動車のヘッドランプやリアランプ等の光源として用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）の実装に用いられるリードフレームには、優れた導電性、素子を支持する強度、発熱に対する熱拡散性（熱伝導性）が求められる。
ＪＩＳ１１００、１０５０、１０７０等の純アルミニウム合金は熱伝導性及び導電性に優れるが、強度が低い。高強度材として用いられるＪＩＳ５０５２等のＡｌ−Ｍｇ合金（５０００系合金）は、純アルミニウム系合金よりも熱伝導性および導電性が著しく劣る。
これに対しＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系合金）は、熱伝導性および導電性が良く時効硬化により強度向上を図ることができるため、Ａｌ−Ｍｇ―Ｓｉ系合金を用いて強度、熱伝導性、加工性に優れたアルミニウム合金板を得る方法が検討されている。
例えば、特許文献１には、Ｍｇを０．１〜０．３４質量％、Ｓｉを０．２〜０．８質量％、Ｃｕを０．２２〜１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、Ｓｉ／Ｍｇ含有量比が１．３以上である合金を、半連続鋳造で厚さ２５０ｍｍ以上の鋳塊とし、４００〜５４０℃の温度で予備加熱を経て熱間圧延、５０〜８５％の圧下率で冷間圧延を施した後、１４０〜２８０℃の温度で焼鈍をすることを特徴とするＡｌ−Ｍｇ―Ｓｉ系合金圧延板の製造方法が開示されている。
特許文献２には、Ｓｉ：０．２〜１．５質量％、Ｍｇ：０．２〜１．５質量％、Ｆｅ：０．３質量％以下を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０２〜０．１５質量％、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を０．２％以下に規制し、もしくはこれに更にＣｕ：０．０１〜１質量％か希土類元素：０．０１〜０．２質量％の１種または２種を含有する組成を有するアルミニウム合金版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が記載されている。
特許文献３には、Ｓｉ：０．２〜１．５質量％、Ｍｇ：０．２〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１質量％、Ｆｅ：０．３質量％以下を含有し、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０．０１５質量％以下に規制され、かつ導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする熱伝導性と成形性に優れたアルミニウム合金板が開示されている。
特許文献４には、Ｓｉ：１．１〜１．５質量％、Ｍｇ：０．３〜０．６質量％、Ｃｕ：０．６〜０．８質量％を含有し、不純物としてＦｅ：０．３５質量％以下に規制し、残部がＡｌおよび不可避不純物よりなり、かつ導電率が５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さを２１５Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、熱伝導性と強度と曲げ加工性に優れたアルミニウム合金圧延板が開示されている。
なお、Ａｌ−Ｍｇ―Ｓｉ系合金においては、熱伝導率と導電率が良好な相関性を示し、優れた熱伝導性を有するアルミニウム合金板は優れた導電率を有し、放熱部材材料はもちろん導電部材材料として用いることができる。
しかしながら、特許文献１では、工程条件の検討が不十分である。また、特許文献１において、引張強さはＳｉまたはＣｕの寄与により改善がなされたものであり、Ａｌの次に多い元素は、ＳｉもしくはＣｕであり、Ｍｇの含有量が比較的少なく、ＳｉおよびＭｇをほぼ同じ割合で含有する合金は特許文献１の請求範囲に含まれない。
特許文献２では、比較的高い強度が得られているものの実施例に記載の導電率は５４％ＩＡＣＳ未満と低い。
特許文献３において、実施例の記載例では引張強度が２８０ＭＰａ以上の材料における導電率は５０％ＩＡＣＳ未満と低い。
特許文献４においても、実施例の記載例では導電率は５５％ＩＡＣＳ以上と高いものの引張強度が２５０ＭＰａ以上の材料は得られていない。
上記のように、高い導電率及び熱伝導性と引張強さの双方の特性を備えるアルミニウム合金板を得ることは非常に困難である。
本発明は、上述した技術背景に鑑み、良好な熱伝導性と高い導電率及び高い強度を有するアルミニウム合金圧延材を提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく、本願発明者は鋭意研究の結果、アルミニウム圧延材の組成と製造工程を検討することで良好な熱伝導性と高い導電率及び高い強度を有するアルミニウム合金圧延材が得られることを見出した。すなわち本願発明は以下に関する。
（１）化学組成が、Ｓｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．２０質量％、Ｍｎが０．１５質量％以下、Ｚｎが０．１２質量％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．１５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、且つ、０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）なる関係を満たすと共に、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３０５ＭＰａ以上であることを特徴とする熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（２）Ｃｕ：０．１２〜０．２５質量％、Ｃｒ：０．０３〜０．１２質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．１８質量％、Ｍｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｚｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０８質量％、Ｂ：０．００１〜０．０４質量％を含有し、導電率が５２％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３１５ＭＰａ以上であることを特徴とする前項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（３）Ｃｕ：０．１５〜０．２０質量％、Ｃｒ：０．０４〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．００４〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．００４〜０．０６質量％、Ｚｎ：０．００４〜０．０６質量％、Ｔｉ：０．０２〜０．０６質量％、Ｂ：０．００１５〜０．０３質量％を含有し、導電率が５４％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３３０ＭＰａ以上であることを特徴とする前項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（４）Ｃｒ：０．０６〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．０６〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．０４質量％、Ｚｎ：０．０１〜０．０４質量％を含有することを特徴とする前項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（５）不可避不純物中のＶが０．０５質量％以下、Ｇａが０．０５質量％以下、Ｚｒが０．０５質量％以下、Ｃａが０．０１質量％以下、Ｐｂが０．０５質量％以下、Ｂｉが０．０５質量％以下、Ｓｎが０．０５質量％以下、Ｉｎが０．００４質量％以下に規制されていることを特徴とする前項１〜前項４のいずれか１項に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（６）前項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム合金圧延材の組成を有するアルミニウム合金鋳塊に後続して実施される面削の前または後に５００℃以上５７０℃以下の温度で１時間以上２０時間以下の時間にて均質化後、４８０℃以上５５０℃以下の温度で５分以上１０時間保持後に熱間圧延を開始し、複数の圧下パスにより圧下率９５％以上９９．５％以下の熱間圧延を実施し、２８０℃以下にて熱間圧延終了後、３０％以上９８．５％以下の冷間圧延を施す工程を含むことを特徴とする熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材の製造方法。
（７）冷間圧延を施す工程の開始から終了のいずれかのパスの前後に少なくとも１回、１２０℃以上２２０℃以下、１０分以上１２時間以下の熱処理工程を含むことを特徴とする前項６に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材の製造方法。
（１）化学組成が、Ｓｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．２０質量％、Ｍｎが０．１５質量％以下、Ｚｎが０．１２質量％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．１５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、且つ、０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）なる関係を満たすと共に、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３０５ＭＰａ以上であることを特徴とする熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（２）Ｃｕ：０．１２〜０．２５質量％、Ｃｒ：０．０３〜０．１２質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．１８質量％、Ｍｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｚｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０８質量％、Ｂ：０．００１〜０．０４質量％を含有し、導電率が５２％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３１５ＭＰａ以上であることを特徴とする前項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（３）Ｃｕ：０．１５〜０．２０質量％、Ｃｒ：０．０４〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．００４〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．００４〜０．０６質量％、Ｚｎ：０．００４〜０．０６質量％、Ｔｉ：０．０２〜０．０６質量％、Ｂ：０．００１５〜０．０３質量％を含有し、導電率が５４％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３３０ＭＰａ以上であることを特徴とする前項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（４）Ｃｒ：０．０６〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．０６〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．０４質量％、Ｚｎ：０．０１〜０．０４質量％を含有することを特徴とする前項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（５）不可避不純物中のＶが０．０５質量％以下、Ｇａが０．０５質量％以下、Ｚｒが０．０５質量％以下、Ｃａが０．０１質量％以下、Ｐｂが０．０５質量％以下、Ｂｉが０．０５質量％以下、Ｓｎが０．０５質量％以下、Ｉｎが０．００４質量％以下に規制されていることを特徴とする前項１〜前項４のいずれか１項に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
（６）前項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム合金圧延材の組成を有するアルミニウム合金鋳塊に後続して実施される面削の前または後に５００℃以上５７０℃以下の温度で１時間以上２０時間以下の時間にて均質化後、４８０℃以上５５０℃以下の温度で５分以上１０時間保持後に熱間圧延を開始し、複数の圧下パスにより圧下率９５％以上９９．５％以下の熱間圧延を実施し、２８０℃以下にて熱間圧延終了後、３０％以上９８．５％以下の冷間圧延を施す工程を含むことを特徴とする熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材の製造方法。
（７）冷間圧延を施す工程の開始から終了のいずれかのパスの前後に少なくとも１回、１２０℃以上２２０℃以下、１０分以上１２時間以下の熱処理工程を含むことを特徴とする前項６に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材の製造方法。
前項（１）に記載の発明によれば、化学組成がＳｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．２０質量％、Ｍｎが０．１５質量％以下、Ｚｎが０．１２質量％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．１５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０５質量％、を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、且つ、０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）なる関係を満たすことにより、熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
前項（２）に記載の発明によれば、Ｃｕ：０．１２〜０．２５質量％、Ｃｒ：０．０３〜０．１２質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．１８質量％、Ｍｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｚｎ：０．００２〜０．０４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０８質量％、Ｂ：０．００１〜０．０４質量％を含有しており、熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
前項（３）に記載の発明によれば、Ｃｕ：０．１５〜０．２０質量％、Ｃｒ：０．０３〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．００２〜０．０４質量％、Ｚｎ：０．００２〜０．０４質量％、Ｔｉ：０．０２〜０．０６質量％、Ｂ：０．００１５〜０．０３質量％を含有することにより、熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
前項（４）に記載の発明によれば、Ｃｒ：０．０６〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．０６〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．００２〜０．０４質量％、Ｚｎ：０．００２〜０．０４質量％の少なくとも１種以上を含有することにより、熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
前項（５）に記載の発明によれば、不可避不純物中のＶが０．０５質量％以下、Ｇａが０．０５質量％以下、Ｚｒが０．０５質量％以下、Ｃａが０．０１質量％以下、Ｐｂが０．０５質量％以下、Ｂｉが０．０５質量％以下、Ｓｎが０．０５質量％以下、Ｉｎが０．００４質量％以下に規制されているから、熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
前項（６）に記載の発明によれば、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金鋳塊に後続して実施される面削後に５００℃以上５７０℃以下の温度で１時間以上２０時間以下の時間にて均質化そのまま冷却後、４８０℃以上５５０℃以下の温度で５分以上１０時間保持後に熱間圧延を開始し、複数の圧下パスにより圧下率９５％以上９９．５％以下の熱間圧延を実施し、２８０℃以下にて熱間圧延終了後、３０％以上９８．５％以下の冷間圧延を施す工程により、更に熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
前項（７）に記載の発明によれば、上記（６）の工程に加えて、冷間圧延を施す工程の開始から終了のいずれかのパスの前後に少なくとも１回、１２０℃以上２２０℃以下、１０分以上１２時間保持による熱処理工程を施すことにより、更に熱伝導率ならびに導電率が高く、引張強さが強いアルミニウム合金圧延材となしうる。
本願発明者は、熱間圧延、冷間圧延を順次施するアルミニウム合金圧延材の製造方法において、熱間圧延上がりの合金材の表面温度を所定の温度以下とするとともに、熱間圧延終了後であって冷間圧延終了前に時効処理としての熱処理を施すことにより、高い導電率を有しつつ高い強度を有するアルミニウム合金圧延材が得られることを見出し本願の発明に至った。
以下に、本願のアルミニウム合金圧延材について詳細に説明する。
アルミニウム合金圧延材の組成において、各元素の添加目的および含有量の限定理由は下記のとおりである。
（Ｍｇ、Ｓｉ含有量）
ＭｇおよびＳｉは強度の発現に必要な元素であり、それぞれの含有量はＳｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％とする。Ｓｉ含有量が０．４５質量％未満あるいはＭｇ含有量が０．７５質量％未満では十分な強度を得ることができない。一方、Ｓｉ含有量が０．８５質量％、Ｍｇ含有量が１．０質量％を超えると、熱間圧延での圧延負荷が高くなって生産性が低下し、得られるアルミニウム板の成形加工性も悪くなる。Ｓｉ含有量は０．５５質量％以上０．８質量％以下であることが好ましく、更に０．６５質量％以上０．７５質量％以下であることが好ましい。Ｍｇ含有量は０．８質量％以上０．９５質量％以下であることが好ましく、更に０．８２質量％以上０．９２質量％以下であることが好ましい。
（Ｓｉ／Ｍｇ含有比）
本願ではＭｇとＳｉの含有比を規定している。高い導電率を確保するためには、アルミニウム中に固溶するＭｇをＭｇ２Ｓｉの形で析出させる必要があり、そのために有効なＳｉ含有量が存在する。一方、Ｓｉも固溶量が多くなると導電率低下の要因となる。従って、析出による強度向上との両立のため、Ｓｉ／Ｍｇ含有比を０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）とする。
（Ｃｕ含有量）
Ｃｕは強度向上に必要な成分であり、少量の含有でＭｇ２Ｓｉの微細析出を促進する効果があるが、多量に含有すると耐食性が低下する。また０．３５質量％を超えると導電率の確保が難しい。一方で、０．１０質量％未満では強度の確保が難しい。従ってＣｕ含有量の範囲は０．１０〜０．３５質量％とする。更に０．１２質量％以上０．２５質量％以下であることが好ましく、特に０．１５質量％以上０．２０質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｆｅ含有量）
Ｆｅは結晶粒の微細化効果が期待でき強度向上に有効な成分であるが、多量に含有すると耐食性が低下する。０．４５質量％を超えると耐食性への阻害要因となる。一方で、０．０５質量％未満では強度向上が期待できない上にアルミ塊のベース純度が上がり高価となる。従ってＦｅ含有量の範囲は０．０５〜０．４５質量％とする。更に０．０８質量％以上０．３５質量％以下であることが好ましい。
（Ｎｉ含有量）
Ｎｉは強度向上に有効な成分であり、少量の含有によりＭｇ２Ｓｉの析出を促進する効果があるが、多量に含有すると導電率が低下する。０．２０質量％を超えると導電率の確保が難しい。一方で、０．００２質量％未満では強度の確保が難しい。従ってＮｉ含有量の範囲は０．００２〜０．２０質量％とする。更に０．００２質量％以上０．１８質量％以下であることが好ましく、特に０．００４質量％以上０．１５質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｃｒ含有量）
Ｃｒは再結晶粒の粗大化防止に有効な合金元素である。但し、０．１５％を超えると導電率が低下する。また、焼入れ感受性が高くなり、熱間圧延時の冷却が緩慢であるとその後の熱処理での強度向上が見込めなくなる。一方、０．０２％未満では、結晶粒径の微細化効果は期待できない。従ってＣｒの含有量の範囲は０．０２〜０．１５質量％とする。更に０．０３質量％以上０．１２質量％以下であることが好ましく、特に０．０４質量％以上０．１０質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｍｎ含有量）
Ｍｎは再結晶粒の微細化のために一般的に添加される合金元素であるが、必要以上に添加すると導電率の低下を招くと共に、焼入れ感受性が高くなるため、熱間圧延時の冷却が緩慢であるとその後の熱処理での強度向上が見込めなくなる。従って、Ｍｎの含有量は０．１５質量％以下であることが好ましい。更に０．００２質量％以上０．０８質量％以下が好ましく、特に０．００４質量％以上０．０６質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｚｎ含有量）
Ｚｎは少量の含有でＭｇ２Ｓｉの析出を促進する効果が認められるが、含有量が多くなると合金材の耐食性を低下させるためできるだけ少ないことが好ましい。従ってＺｎの含有量は０．１２質量％以下とする。更に０．００２質量％以上０．０８質量％以下であることが好ましく、特に０．００４質量％以上０．０６質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｔｉ、Ｂ含有量）
ＴｉおよびＢは、合金をスラブに鋳造する際に結晶粒を微細化するとともに凝固割れを防止する効果がある。前記効果はＴｉまたはＢの少なくとも１種の添加により得られ、両方を添加してもよい。しかしながら、多量に含有すると、晶出物がサイズの大きい晶出物が多く生成するため、製品の加工性や熱伝導性および導電率が低下する。従って、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．１５質量％以下とする。更に０．０１質量％以上０．０８質量％以下が好ましく、特に０．０２質量％以上０．０６質量％以下であることが一層好ましい。また、Ｂ含有量は０．０００５〜０．０５質量％以下とする。更に０．００１質量％以上０．０４質量％以下が好ましく、特に０．００１５質量％以上０．０３質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｉｎ含有量）
Ｉｎは耐食性を著しく低下させるため少ないことが好ましい。不純物としてのＩｎ含有量は０．００４質量％以下であることが好ましい。
（Ｃａ含有量）
Ｃａは粒界に偏析しやすく、Ｃａ含有量が多くなると延性を低下させるため少ないことが好ましい。不純物としてのＣａ含有量は０．０１質量％以下であることが好ましい。
（その他不純物元素）
上記以外のその他の不純物元素としては、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、これらその他の不純物元素は個々の元素の含有量として０．０５質量％以下であることが好ましい。
（Ｍｇ、Ｓｉ含有量）
ＭｇおよびＳｉは強度の発現に必要な元素であり、それぞれの含有量はＳｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％とする。Ｓｉ含有量が０．４５質量％未満あるいはＭｇ含有量が０．７５質量％未満では十分な強度を得ることができない。一方、Ｓｉ含有量が０．８５質量％、Ｍｇ含有量が１．０質量％を超えると、熱間圧延での圧延負荷が高くなって生産性が低下し、得られるアルミニウム板の成形加工性も悪くなる。Ｓｉ含有量は０．５５質量％以上０．８質量％以下であることが好ましく、更に０．６５質量％以上０．７５質量％以下であることが好ましい。Ｍｇ含有量は０．８質量％以上０．９５質量％以下であることが好ましく、更に０．８２質量％以上０．９２質量％以下であることが好ましい。
（Ｓｉ／Ｍｇ含有比）
本願ではＭｇとＳｉの含有比を規定している。高い導電率を確保するためには、アルミニウム中に固溶するＭｇをＭｇ２Ｓｉの形で析出させる必要があり、そのために有効なＳｉ含有量が存在する。一方、Ｓｉも固溶量が多くなると導電率低下の要因となる。従って、析出による強度向上との両立のため、Ｓｉ／Ｍｇ含有比を０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）とする。
（Ｃｕ含有量）
Ｃｕは強度向上に必要な成分であり、少量の含有でＭｇ２Ｓｉの微細析出を促進する効果があるが、多量に含有すると耐食性が低下する。また０．３５質量％を超えると導電率の確保が難しい。一方で、０．１０質量％未満では強度の確保が難しい。従ってＣｕ含有量の範囲は０．１０〜０．３５質量％とする。更に０．１２質量％以上０．２５質量％以下であることが好ましく、特に０．１５質量％以上０．２０質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｆｅ含有量）
Ｆｅは結晶粒の微細化効果が期待でき強度向上に有効な成分であるが、多量に含有すると耐食性が低下する。０．４５質量％を超えると耐食性への阻害要因となる。一方で、０．０５質量％未満では強度向上が期待できない上にアルミ塊のベース純度が上がり高価となる。従ってＦｅ含有量の範囲は０．０５〜０．４５質量％とする。更に０．０８質量％以上０．３５質量％以下であることが好ましい。
（Ｎｉ含有量）
Ｎｉは強度向上に有効な成分であり、少量の含有によりＭｇ２Ｓｉの析出を促進する効果があるが、多量に含有すると導電率が低下する。０．２０質量％を超えると導電率の確保が難しい。一方で、０．００２質量％未満では強度の確保が難しい。従ってＮｉ含有量の範囲は０．００２〜０．２０質量％とする。更に０．００２質量％以上０．１８質量％以下であることが好ましく、特に０．００４質量％以上０．１５質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｃｒ含有量）
Ｃｒは再結晶粒の粗大化防止に有効な合金元素である。但し、０．１５％を超えると導電率が低下する。また、焼入れ感受性が高くなり、熱間圧延時の冷却が緩慢であるとその後の熱処理での強度向上が見込めなくなる。一方、０．０２％未満では、結晶粒径の微細化効果は期待できない。従ってＣｒの含有量の範囲は０．０２〜０．１５質量％とする。更に０．０３質量％以上０．１２質量％以下であることが好ましく、特に０．０４質量％以上０．１０質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｍｎ含有量）
Ｍｎは再結晶粒の微細化のために一般的に添加される合金元素であるが、必要以上に添加すると導電率の低下を招くと共に、焼入れ感受性が高くなるため、熱間圧延時の冷却が緩慢であるとその後の熱処理での強度向上が見込めなくなる。従って、Ｍｎの含有量は０．１５質量％以下であることが好ましい。更に０．００２質量％以上０．０８質量％以下が好ましく、特に０．００４質量％以上０．０６質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｚｎ含有量）
Ｚｎは少量の含有でＭｇ２Ｓｉの析出を促進する効果が認められるが、含有量が多くなると合金材の耐食性を低下させるためできるだけ少ないことが好ましい。従ってＺｎの含有量は０．１２質量％以下とする。更に０．００２質量％以上０．０８質量％以下であることが好ましく、特に０．００４質量％以上０．０６質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｔｉ、Ｂ含有量）
ＴｉおよびＢは、合金をスラブに鋳造する際に結晶粒を微細化するとともに凝固割れを防止する効果がある。前記効果はＴｉまたはＢの少なくとも１種の添加により得られ、両方を添加してもよい。しかしながら、多量に含有すると、晶出物がサイズの大きい晶出物が多く生成するため、製品の加工性や熱伝導性および導電率が低下する。従って、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．１５質量％以下とする。更に０．０１質量％以上０．０８質量％以下が好ましく、特に０．０２質量％以上０．０６質量％以下であることが一層好ましい。また、Ｂ含有量は０．０００５〜０．０５質量％以下とする。更に０．００１質量％以上０．０４質量％以下が好ましく、特に０．００１５質量％以上０．０３質量％以下であることが一層好ましい。
（Ｉｎ含有量）
Ｉｎは耐食性を著しく低下させるため少ないことが好ましい。不純物としてのＩｎ含有量は０．００４質量％以下であることが好ましい。
（Ｃａ含有量）
Ｃａは粒界に偏析しやすく、Ｃａ含有量が多くなると延性を低下させるため少ないことが好ましい。不純物としてのＣａ含有量は０．０１質量％以下であることが好ましい。
（その他不純物元素）
上記以外のその他の不純物元素としては、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、これらその他の不純物元素は個々の元素の含有量として０．０５質量％以下であることが好ましい。
次に、本願規定のアルミニウム合金圧延材を得るための処理工程について記述する。
常法にて溶解成分調整し、アルミニウム合金鋳塊を得る。得られた合金鋳塊に熱間圧延前加熱より前の工程として均質化処理を施すことが好ましい。均質化処理は、５００℃以上で行うことが好ましい。
常法にて溶解成分調整し、アルミニウム合金鋳塊を得る。得られた合金鋳塊に熱間圧延前加熱より前の工程として均質化処理を施すことが好ましい。均質化処理は、５００℃以上で行うことが好ましい。
前記均質化処理はアルミニウム合金鋳塊中に晶出物およびＭｇ、Ｓｉを固溶させ均一な組織とするために実施するが、温度が高すぎると共晶融解が生じるため、５００℃以上５７０℃以下で行うことが好ましく、特に５２０℃以上５６０℃以下で行うことが好ましい。時間は１時間以上２０時間以下で行うことが好ましく、特に２時間以上１８時間以下で行うことが好ましい。
アルミニウム合金鋳塊に均質化処理を行った後、一端冷却した後、あるいは冷却することなく引き続いて熱間圧延前加熱を行う。熱間圧延前加熱の好ましい温度範囲は４８０℃以上５５０℃以下である。時間は５分以上１０時間以下が好ましい。更に好ましい範囲は、温度５００℃以上５４０℃以下、時間１時間以上８時間以下である。なお、前記均質化処理および熱間圧延前加熱双方の好ましい温度範囲にて均質化処理と熱間圧延前加熱を兼ねて同じ温度で加熱しても良い。
鋳造後熱間圧延前加熱前に鋳塊の表面近傍の不純物層を除去する為に鋳塊に面削を施すことが好ましい。面削は鋳造後均質化処理前であっても良いし、均質化処理後熱間圧延前加熱前であってもよい。
熱間圧延前加熱後のアルミニウム合金鋳塊に熱間圧延を施す。熱間圧延は圧下率９５％以上９９．５％以下とするのが良い。熱間圧延は粗熱間圧延と仕上げ熱間圧延からなり、粗熱間圧延機を用い複数のパスからなる粗熱間圧延を行った後、粗熱間圧延機とは異なる仕上げ熱間圧延機を用いて仕上げ熱間圧延を行う。なお、本願において、粗熱間圧延機での最終パスを熱間圧延の最終パスとする場合は、仕上げ熱間圧延を省略することができる。
冷間圧延をコイルで実施する場合には、仕上げ熱間圧延後のアルミニウム合金圧延材を巻き取り装置で巻き取って熱延コイルとすればよい。仕上げ熱間圧延を省略し、粗熱間圧延の最終パスを熱間圧延の最終パスとする場合は、粗熱間圧延の後、アルミニウム合金圧延材を巻き取り装置にて巻き取って熱延コイルとしてもよい。
粗熱間圧延では、溶体化処理に準じてＭｇおよびＳｉが固溶された状態を保持した後、粗熱間圧延のパスによるアルミニウム合金圧延材の冷却、もしくは粗熱間圧延のパス後とパス後の冷却による温度降下により焼き入れの効果を得ることができる。
上記粗熱間圧延のパス間の冷却は、アルミニウム合金圧延材を圧延しながら圧延後の部位に対し順次実施してもよいし、アルミニウム合金圧延材全体を圧延した後実施してもよい。冷却の方法は限定されないが、水冷であっても空冷であってもよいし、クーラントを利用してもよい。
本願において、粗熱間圧延の最終パス後に仕上げ圧延を行わない場合は、熱間圧延の最終パス直後のアルミニウム合金圧延材の表面温度を熱間圧延上り温度（熱延上り温度ともいう）とし、粗熱間圧延の最終パス後に仕上げ圧延を行う場合は、仕上げ圧延直前のアルミニウム合金圧延材の表面温度を熱延上り温度とする。
上記熱延上り温度は２８０℃以下とすることが好ましい。熱延上り温度を２８０℃以下とすることにより有効な焼き入れ効果が得られ、その後の熱処理時により時効硬化するとともに導電率が向上する。熱延上り温度が高すぎると、焼き入れの効果が不足し、熱間圧延終了後冷間圧延終了前に熱処理を実施しても強度の向上が不十分となる。熱延上り温度は２６０℃以下が更に好ましく、特に２５０℃以下が好ましい。
なお、後工程の冷間圧延をコイルで実施するために熱間圧延後にコイル巻き取りを実施する際、巻き取り後の自然冷却速度が極めて遅くなる場合がある。その時、高温で長時間保持されると粗大な析出物が発生し過時効となるため、後述する熱処理による時効硬化が見込めなくなる。
従って、コイル状に巻き取る場合で仕上げ熱間圧延を行わない場合は、粗熱間圧延最終パス上りのアルミニウム合金板の表面温度は１８０℃以下が好ましい。粗熱間圧延の後仕上げ熱間圧延を行う場合は、仕上げ熱間圧延後のアルミニウム合金板の表面温度は１８０℃以下であることが好ましい。
熱間圧延終了後、冷間圧延前後またはそのパス間においてアルミニウム合金圧延材に熱処理を施し、時効硬化させるとともに導電率を向上させることができる。本願においてアルミニウム合金圧延材への熱処理は時効硬化および導電率向上の効果を得るために１２０℃以上２２０℃以下の温度で実施することが好ましい。前記熱処理の温度は１３０℃以上１９０℃以下が更に好ましく、特に１４０℃以上１８０℃以下が一層好ましい。
前記熱間圧延終了後、冷間圧延前後またはそのパス間において実施するアルミニウム合金圧延材の熱処理の時間は、１０分以上１２時間以下が好ましい。更に１時間以上１０時間以下が好ましく、特に２時間以上８時間以下が一層好ましい。
前記熱処理後の冷間圧延により所定の厚さのアルミニウム合金圧延材とする。冷間圧延を実施することにより一般に加工硬化にて強度は向上する。熱間圧延終了後、前記熱処理により時効硬化させたアルミニウム合金圧延材に冷間圧延を実施すると加工硬化による強度向上効果が期待できる。冷間圧延後に前記熱処理を実施すると予備歪により時効硬化能を更に向上させることが出来る。冷間圧延終了後に前記熱処理を実施すると冷間加工歪の回復と時効析出が同時に起こるため、大きな強度向上は期待できないが、延性が大幅に向上し、曲げ加工等の成形性を向上させることができる。
このように要求される特性により前記熱処理の位置は、熱間圧延終了後、冷間圧延前後またはそのパス間で使い分けることが望ましい。
熱間圧延終了後、所定の厚さのアルミニウム合金圧延材を得るまでの冷間圧延の総圧下率は強度向上の為３０％以上で実施されることが好ましい。冷間圧延によるアルミニウム合金圧延材の総圧延率は更に４０％以上が好ましく、特に５０％以上が好ましい。総圧下率の上限は、加工硬化による伸びの低下を考慮し、９８．５％以下とする。
冷間圧延後のアルミニウム合金圧延材に必要に応じて洗浄を実施しても良い。
なお、本願のアルミニウム合金圧延材の製造はコイルで行ってもよく、単板で行ってもよい。また、冷間圧延より後の任意の工程でアルミニウム合金圧延材を切断し切断後の工程を単板で行ってもよいし、用途に応じスリットして条にしても良い。
上記の製造方法によれば、高い導電率を得つつ、強度を向上させることができ、優れたアルミニウム合金圧延材が得られる。
本願のアルミニウム合金圧延材の導電率は５０％ＩＡＣＳ以上、引張強さは３０５ＭＰａ以上と規定する。更に導電率は５２％ＩＡＣＳ以上、引張強さは３１５ＭＰａ以上が好ましく、特に導電率は５４％ＩＡＣＳ以上、引張強さは３３０ＭＰａ以上が一層好ましい。本願規定の導電率と引張強さを満足することにより優れた強度と熱伝導性を有するアルミニウム合金圧延材となる。
以下に、本発明を実施例により説明する。なお、本発明は、ここに記述する実施例に発明の範囲を限定するものではなく、本発明の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術範囲に含まれる。
まず、表１に示す１１種類の化学組成のアルミニウム合金スラブに面削を施した。次に、面削後の合金スラブに対し加熱炉中で表２記載の均質化処理を実施した後、同じ炉中で温度を降下させ、表２記載の熱間圧延前加熱温度に到達後に保持し、表２に記載の条件にて粗熱間圧延を実施し、表２に記載の合金板とした。
粗熱間圧延の後、引き続き仕上げ熱間圧延を実施し、表２に記載の熱延上り温度、板厚の熱間圧延板を得た。仕上げ熱間圧延後の合金板に表２に記載の熱処理、冷間圧延を施し、所定の板厚のアルミニウム合金板を得た。表１の合金スラブと表２の工程の組み合わせは表３の通りとした。
得られた合金板の引張強さ、０．２％耐力、伸び、導電率、曲げ加工性を以下の方法により評価した。
［引張強さ、耐力、伸び］
引張強さ（σB）、０．２％耐力（σ0.2）および伸び（δ）は、ＪＩＳＺ２２０１に定めるＪＩＳ５号試験片にて、圧延方向に対し平行方向に採取した試料について常温、常法により測定した。
［導電率］
導電率は、国際的に採択された焼鈍標準軟銅（体積低効率１．７２４１×１０−２μΩｍ）の導電率を１００％ＩＡＣＳとしたときの相対値（％ＩＡＣＳ）として求めた。
［曲げ加工性］
曲げ加工性は、曲げ角度を９０°、合金板の厚さが０．４ｍｍ以上の場合はそれぞれの合金板の板厚を曲げ内側半径、合金板の厚さが０．４ｍｍ未満の場合は曲げ内側半径を０として、ＪＩＳ Ｚ ２２４８金属材料曲げ試験方法の「６．３ Ｖブロック法による曲げ試験」を実施し、割れが発生しなかったものを○、割れが発生したものを×として評価した。
［引張強さ、耐力、伸び］
引張強さ（σB）、０．２％耐力（σ0.2）および伸び（δ）は、ＪＩＳＺ２２０１に定めるＪＩＳ５号試験片にて、圧延方向に対し平行方向に採取した試料について常温、常法により測定した。
［導電率］
導電率は、国際的に採択された焼鈍標準軟銅（体積低効率１．７２４１×１０−２μΩｍ）の導電率を１００％ＩＡＣＳとしたときの相対値（％ＩＡＣＳ）として求めた。
［曲げ加工性］
曲げ加工性は、曲げ角度を９０°、合金板の厚さが０．４ｍｍ以上の場合はそれぞれの合金板の板厚を曲げ内側半径、合金板の厚さが０．４ｍｍ未満の場合は曲げ内側半径を０として、ＪＩＳ Ｚ ２２４８金属材料曲げ試験方法の「６．３ Ｖブロック法による曲げ試験」を実施し、割れが発生しなかったものを○、割れが発生したものを×として評価した。
引張強さ、０．２％耐力、導電率、および曲げ加工性の評価結果を表３に示す。表３より、本願規定の化学組成、引張強さ、および導電率を満足する実施例記載のアルミニウム合金圧延材が確認できた。
本発明に係るアルミニウム合金圧延材においては、熱伝導率と導電率が良好な相関性を示し、優れた熱伝導性を有するアルミニウム合金板は優れた導電率を有し、放熱部材材料はもちろん導電部材材料として用いることができて有用である。
Claims (7)
- 化学組成が、Ｓｉ：０．４５〜０．８５質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．０質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．２０質量％、Ｍｎが０．１５質量％以下、Ｚｎが０．１２質量％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．１５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、且つ、０．５≦ＣＳｉ／ＣＭｇ≦１．１（但し、ＣＳｉはＳｉ含有量、ＣＭｇはＭｇ含有量）なる関係を満たすと共に、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３０５ＭＰａ以上であることを特徴とする熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
- Ｃｕ：０．１２〜０．２５質量％、Ｃｒ：０．０３〜０．１２質量％、Ｎｉ：０．００２〜０．１８質量％、Ｍｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｚｎ：０．００２〜０．０８質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０８質量％、Ｂ：０．００１〜０．０４質量％を含有し、導電率が５２％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３１５ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
- Ｃｕ：０．１５〜０．２０質量％、Ｃｒ：０．０４〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．００４〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．００４〜０．０６質量％、Ｚｎ：０．００４〜０．０６質量％、Ｔｉ：０．０２〜０．０６質量％、Ｂ：０．００１５〜０．０３質量％を含有し、導電率が５４％ＩＡＣＳ以上、引張強さが３３０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
- Ｃｒ：０．０６〜０．１０質量％、Ｎｉ：０．０６〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．０４質量％、Ｚｎ：０．０１〜０．０４質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
- 不可避不純物中のＶが０．０５質量％以下、Ｇａが０．０５質量％以下、Ｚｒが０．０５質量％以下、Ｃａが０．０１質量％以下、Ｐｂが０．０５質量％以下、Ｂｉが０．０５質量％以下、Ｓｎが０．０５質量％以下、Ｉｎが０．００４質量％以下に規制されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材。
- 請求項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム合金圧延材の組成を有するアルミニウム合金鋳塊に後続して実施される面削の前または後に５００℃以上５７０℃以下の温度で１時間以上２０時間以下の時間にて均質化後、４８０℃以上５５０℃以下の温度で５分以上１０時間保持後に熱間圧延を開始し、複数の圧下パスにより圧下率９５％以上９９．５％以下の熱間圧延を実施し、２８０℃以下にて熱間圧延終了後、３０％以上９８．５％以下の冷間圧延を施す工程を含むことを特徴とする熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材の製造方法。
- 冷間圧延を施す工程の開始から終了のいずれかのパスの前後に少なくとも１回、１２０℃以上２２０℃以下、１０分以上１２時間以下の熱処理工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の熱伝導性、導電性ならびに強度に優れたアルミニウム合金圧延材の製造方法。
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