JP3636027B2 - 熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳物 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、特に電子部品冷却用ヒートシンクとして好適で、熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳物に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】
ヒートシンク等の熱伝導性が要求される部材は、純アルミニウムやＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の鍛造，押出加工，切削加工等で製造されている。ところが、ＣＰＵ等の発熱量はＯＡ機器の高性能化に伴って増大する一途であり、故障や誤動作を避けるためにＣＰＵ等を定格温度以下に維持するために冷却能力の高いヒートシンクに対する要求が強くなってきている。なかでも、ノート型パソコンを代表する小型高性能電子機器においてでは、複雑な形状を有し、限られたスペースに収まる小型高性能のヒートシンクが望まれている。
しかし、鍛造，押出加工，切削加工等では、比較的単純な形状のものしか成形できないため、形状の制約があったり、あるいはできたとしても経済的ではなかったりするため、十分な形状対応力を有する小型化されたヒートシンクを製造できなかった。この点、高い寸法精度の小物製品あるいは複雑形状品の製造に適したダイカスト法でヒートシンクを作製できると、発熱量の大きな電子部品の冷却に適したヒートシンクが得られることが予想される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ヒートシンク用材料として使用されている純アルミニウムやＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、熱伝導性に優れているものの鋳造性が悪く、ヒートシンクのように薄肉で複雑形状の部品に鋳造することは困難である。他方、ダイカスト用材料として使用されているＡｌ−Ｓｉ系合金は、熱伝導性が低く、ヒートシンクのように高い熱伝導性が要求される部品には適していない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、アルミニウム合金溶湯の融点を下げて湯流れ性を向上させると共に、共晶組織を形成して、鋳造割れの発生を抑制し、一方では熱伝導性に有害な晶出物を形成しないＮｉを主要合金成分とすることにより、熱伝導性に優れ且つ鋳造性も良好なＡｌ−Ｎｉ系合金を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明のアルミニウム合金鋳物は、その目的を達成するため、Ｎｉ：１．０〜６．０質量％，Ｓｉ：０．１〜０．６質量％，Ｍｇ：０．２〜０．９質量％，Ｆｅ：０．１〜０．８質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と、面積率２０％以上でＡｌ−Ｎｉ共晶組織が晶出した組織をもつことを特徴とする。このアルミニウム合金鋳物は、更に、Ｔｉ：０．００５〜０．１５質量％及びＢ：０．０００１〜０．０５質量％（ただし、０．００２質量％以上を除く）の１種又は２種を含むこともできる。なお、本発明の鋳物は、スラブやビレット状に鋳造し、圧延材や押出材として利用しても良い。
【０００６】
【作用】
従来から使用されている鋳物用アルミニウム合金は、流動性，引け性の改善、鋳造割れの防止等を目的とし、Ｓｉを添加した合金系が大半であるが、添加されたＳｉがマトリックスに固溶すると熱伝導性が著しく低下する。そこで、本発明者等は、Ｓｉに代わる合金成分を調査検討した結果、Ｎｉが鋳造割れの防止をはじめとする鋳造性の改善に有効であり、しかも熱伝導の低下を最小限に留めることを見出した。Ｎｉは従来の鋳物用アルミニウム合金では単なる不純物あるいは高温強度改善用成分として扱われてきた元素であるが、ＮｉとＡｌとの間で形成される共晶組織は、鋳造割れを防止すると共に、アルミニウム合金鋳物の熱伝導性をほとんど低下させない特性をもっている。
【０００７】
本発明においては、このような作用を呈するＮｉの含有を基本とし、鋳造性及び熱伝導性の観点から次の合金設計を採用している。
Ｎｉ：１．０〜６．０質量％
Ａｌとの間でＡｌ−Ｎｉ共晶組織を形成し、熱伝導性を大幅に低下させることなく、鋳造性を改善させる有効成分である。しかも、共晶として晶出したＮｉは、鋳物の強度を向上させると共に、切削加工性も改善するが、熱伝導性を大きく低下させることは無い。鋳造性の改善に及ぼすＮｉの影響は、１．０質量％以上で顕著になるが、６．０質量％を超えるＮｉ含有量では熱伝導性の低下が著しくなる。また、１．０質量％以上のＮｉを添加して面積率２０％以上のＡｌ−Ｎｉ共晶組織を生成させると、鋳造割れが防止される。
Ｎｉ，Ａｌ以外の元素が単体で１％未満
Ｎｉ，Ａｌ以外の元素が単体で１％以上となると、マトリックス相に固容される量が増加したり、粗大な化合物が形成され、熱伝導性の低下が著しくなる。なお、Ｎｉ，Ａｌ以外の元素の合計も同じ理由により３％以下が好ましい。
【０００８】
Ｓｉ：０．１〜０．６質量％
ＭｇとＭｇ₂Ｓｉを形成して強度を向上させる合金成分であり、０．１質量％以上の含有量でＳｉの効果が顕著になる。しかし、０．６質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、熱伝導性の低下が著しくなる。
Ｍｇ：０．２〜０．９質量％
ＳｉとＭｇ₂Ｓｉを形成して強度を向上させる合金成分であり、０．２質量％以上の含有量でＭｇの効果が顕著になる。しかし、０．９質量％を超える過剰量のＭｇが含まれると、熱伝導性の低下が著しくなる。
【０００９】
Ｆｅ：０．１〜０．８質量％
金型への焼付き防止に有効な合金成分であり、０．１質量％以上でＦｅの効果が顕著になる。しかし、０．８質量％を超える過剰量のＦｅが含まれると、熱伝導性の低下が著しくなる。
Ｔｉ：０．００５〜０．１５質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０５質量％
必要に応じて添加される合金成分であり、共に鋳造割れを防止する作用を呈する。このような作用は０．００５質量％以上のＴｉ及び０．０００１質量％以上のＢ添加で顕著になるが、０．１５質量％を超えるＴｉ又は０．０５質量％を超えるＢが添加されると、粗大な化合物が形成され、機械的強度が低下するとともに熱伝導性が著しく低下する。
【００１０】
本発明で使用するアルミニウム合金は、以上に掲げた合金成分の外に機械的性質，耐鋳造割れ性で代表される鋳造性，耐食性等を改善するため微量のＣｕ，Ｚｒ、Ｖ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｎ等を含むことができる。しかし、これらの合金成分を多量に添加すると鋳物の熱伝導性が低下するので、それぞれ０．０５質量％以下に規制することが好ましい。このようにして成分調整されたＡｌ−Ｎｉ系合金は、Ａｌ−Ｎｉ共晶組織の生成によって熱伝導性の低下を最小限に留め、鋳造性が大幅改善されるため、ヒートシンクを初めとする、各種の電子電気機器，自動車機器等、熱伝導性が要求される機器部材として使用される。
【００１１】
【実施例】
表１に示す組成のアルミニウム合金を溶製し、鋳造温度７００℃でダイカストし、各アルミニウム合金ごとに１０個のヒートシンクを製造した。ヒートシンクは、幅６０ｍｍ，長さ１００ｍｍ，厚み３ｍｍの基板部１に、幅２ｍｍ，長さ５０ｍｍ，高さ１０ｍｍのフィン２が９本起立した形状をもっていた（図１）。
【００１２】

【００１３】
得られたヒートシンクについて、鋳造割れの有無を調査すると共に、導電率及びＡｌ−Ｎｉ共晶組織の面積率を測定した。導電率は、熱伝導性と一次的な関係（図２）にあることから、導電率の測定値ｘを式ｙ＝3.51ｘ＋13.4に代入して熱伝導度ｙが求められる。
表２の調査結果にみられるように，本発明に従った合金番号１〜５では，鋳造割れがなく、最低でも４７IACS％と高い導電率を示した。４７IACS％以上の導電率は、従来からヒートシンク用材料として使用されている純アルミニウム又はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金に十分匹敵する値である。
【００１４】
これに対し、比較的多量のＳｉを含む合金番号６，９，１０では、鋳造割れがないものの、導電率（熱伝導率）が低く、ヒートシンク用途には適さなかった。合金番号８のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金では、ヒートシンクとして要求される高い導電率（熱伝導率）を示したものの、鋳造割れが多く、ダイカスト製品とすることができなかった。また、Ｎｉ含有量の少ない合金番号７では、Ａｌ−Ｎｉ共晶組織が少なく、鋳造割れを防止できなかった。
【００１５】

【００１６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のアルミニウム合金鋳物は、Ｓｉに代えてＮｉを添加することによりＡｌ−Ｎｉ共晶組織を生成させ、鋳造性を改善すると共に熱伝導性の低下を防ぐ。このアルミニウム合金は、良好な鋳造性を活かしてダイカスト法で製品化されるため、高い形状精度が要求され且つ良好な熱伝導度が要求されるヒートシンクを初めとする各種部材に使用される。また、生産性に優れたダイカスト法が適用できることから、製造コストの低減も図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例で製造したヒートシンクの斜視図
【図２】 導電率から熱伝導度を算出するときに使用される導電率−熱伝導度の関係を示したグラフ
【符号の説明】
１：ヒートシンク ２：フィン

Claims (2)

1. Ｎｉ：１．０〜６．０質量％，Ｓｉ：０．１〜０．６質量％，Ｍｇ：０．２〜０．９質量％，Ｆｅ：０．１〜０．８質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と、面積率２０％以上でＡｌ−Ｎｉ共晶組織が晶出した組織をもつ熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳物。
2. 更にＴｉ：０．００５〜０．１５質量％及びＢ：０．０００１〜０．０５質量％（ただし、０．００２質量％以上を除く）の１種又は２種を含む請求項１記載のアルミニウム合金鋳物。

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