JP4487615B2 - 熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高い熱伝導率を有するアルミニウム合金鋳造材に関するものである。本発明による高い熱伝導率を有するアルミニウム合金鋳造材は、放熱性を高めるために複雑な形状を有するヒートシンクや薄肉部を有するヒートシンク等に好適に使用することができる。
アルミニウム合金は一般にアルミニウム純度の高い合金ほど熱伝導率が高い。したがって、高い熱伝導率を必要とする場合には純アルミニウムを使用することも考えられるが、純アルミニウムは強度が低く、鋳造性が悪いという問題があり、したがって、複雑な形状のものや薄肉部を有するものは鋳造することができなかった。
そのため、複雑な形状のヒートシンクを製造する場合は、例えば、特開２００１−３１６７４８号公報、特開２００２−３９７２号公報、特開２００２−１０５５７１号公報に記載されているように、熱伝導率をある程度犠牲にしても鋳造性を向上させるためにＳｉを添加したアルミニウム合金を用いられている。
特開２００１−３１６７４８号公報
特開２００２−３９７２号公報
特開２００２−１０５５７１号公報
従来技術が有する上記のような課題を解決するために、本発明は、Ｓｉを添加して鋳造性を向上させたアルミニウム合金鋳造材であって、同時に熱伝導率を向上させた熱伝導用アルミニウム合金鋳造材を目的とする。
上記の課題を解決するために本発明が提案するアルミニウム合金鋳造材は、Ｓｉ：５〜１０.０質量％、Ｍｇ：０.１〜０.５質量％を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、時効処理を施されたことを特徴とする熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材である。
上記のアルミニウム合金鋳造材には、さらに、Ｆｅ：０.３〜０.６質量％を含んでもよい。
これらの組成を有するアルミニウム合金鋳造材は、以下に実施例を挙げて述べるように、高い熱伝導率と強度に加えて優れた鋳造性を併せ持つアルミニウム合金鋳造材である。
これらの組成を有するアルミニウム合金鋳造材は、以下に実施例を挙げて述べるように、高い熱伝導率と強度に加えて優れた鋳造性を併せ持つアルミニウム合金鋳造材である。
時効処理としては、１６０〜２７０°Ｃの温度で、１〜１０時間保持することを提案する。
本発明はまた、時効処理を施す前に、４８０〜５４０°Ｃで、１〜１０時間保持して溶体化処理を行い、その後、１００°Ｃ／秒以上の冷却速度で１００°Ｃ以下の温度まで冷却して焼入れすることを提案するものである。
以下に実施例を挙げて述べるように、上述の時効処理や溶体化処理を行うことにより、前記アルミニウム合金鋳造材の熱伝導特性と機械的強度が一層向上することが発見された。
以下に実施例を挙げて述べるように、上述の時効処理や溶体化処理を行うことにより、前記アルミニウム合金鋳造材の熱伝導特性と機械的強度が一層向上することが発見された。
上述の、優れた熱伝導特性と機械的強度を有し、鋳造性に優れたアルミニウム合金の特性を活かして、複雑な形状を有するヒートシンクや薄肉部を有するヒートシンクに好適に製造することが可能になる。
Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金において、Ｍｇは機械的強度を向上させる作用があるものの熱伝導率を低下させるので、高い熱伝導率が必要とされる鋳造材には可能な限りＭｇの含有量を低くすることが好ましいと考えられていた。
しかし、本特許出願の発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、本願にかかる合金組成の場合には、０．１〜０．５質量％の範囲のＭｇを添加し、適切な時効処理を行うと母相中のＳｉの固溶量が減少して熱伝導率が向上することを発見した。
そこで、本願発明はＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金にＭｇを０．１〜０．５質量％添加することによりアルミニウム合金鋳造材の熱伝導率を高めている。
以下に、各組成の効果について簡単に説明する。
以下に、各組成の効果について簡単に説明する。
（Ｓｉ：５〜１０．０質量％）
Ｓｉは鋳造性を向上させる作用を有する。ヒートシンクのような複雑な形状や薄肉部を有するものを鋳造する場合は、鋳造性の観点からＳｉを５質量％以上添加することが必要になる。Ｓｉは、また、鋳造材の機械的強度、耐摩耗性、防振性を向上させる作用を有する。しかし、Ｓｉは増加と共に合金の熱伝導率と伸展性を低下させ、Ｓｉの量が１０質量％を超えると塑性加工性が不十分となるので１０．０質量％以下であることが望ましい。
Ｓｉは鋳造性を向上させる作用を有する。ヒートシンクのような複雑な形状や薄肉部を有するものを鋳造する場合は、鋳造性の観点からＳｉを５質量％以上添加することが必要になる。Ｓｉは、また、鋳造材の機械的強度、耐摩耗性、防振性を向上させる作用を有する。しかし、Ｓｉは増加と共に合金の熱伝導率と伸展性を低下させ、Ｓｉの量が１０質量％を超えると塑性加工性が不十分となるので１０．０質量％以下であることが望ましい。
（Ｆｅ：０．３〜０．６質量％）
Ｆｅはアルミニウム合金の機械的強度を向上させると共に、ダイカスト法で鋳造する場合には、金型の焼き付きを防止する作用がある。この効果は、Ｆｅが０．３質量％以上含まれると顕著になる。しかし、Ｆｅの増加に伴って熱伝導率と伸展性が低下し、Ｆｅの量が０．６質量％を超えると塑性加工性が不十分になる。
Ｆｅはアルミニウム合金の機械的強度を向上させると共に、ダイカスト法で鋳造する場合には、金型の焼き付きを防止する作用がある。この効果は、Ｆｅが０．３質量％以上含まれると顕著になる。しかし、Ｆｅの増加に伴って熱伝導率と伸展性が低下し、Ｆｅの量が０．６質量％を超えると塑性加工性が不十分になる。
（Ｍｇ：０．１〜０．５質量％）
Ｍｇは、時効処理の際に、母相中のＳｉとＭｇ−Ｓｉ系化合物をして析出し、母相中のＳｉ固溶量を低下させ、熱伝導率を向上させる。さらに、Ｍｇの添加によって機械的強度が向上する。この効果は、Ｍｇの添加量が０．１質量％以上で顕著になるが、添加量が０．５質量％を超えると逆に熱伝導率が低下する。
Ｍｇは、時効処理の際に、母相中のＳｉとＭｇ−Ｓｉ系化合物をして析出し、母相中のＳｉ固溶量を低下させ、熱伝導率を向上させる。さらに、Ｍｇの添加によって機械的強度が向上する。この効果は、Ｍｇの添加量が０．１質量％以上で顕著になるが、添加量が０．５質量％を超えると逆に熱伝導率が低下する。
（不可避不純物）
不純物の増加に伴って熱伝導率が低下するので、不可避不純物は０．１質量％以下に抑えるのが好ましい。特に、Ｔｉ、ＭｎおよびＺｒは熱伝導率への影響が大きいので、０．０５質量％以下に抑制するのが好ましい。
不純物の増加に伴って熱伝導率が低下するので、不可避不純物は０．１質量％以下に抑えるのが好ましい。特に、Ｔｉ、ＭｎおよびＺｒは熱伝導率への影響が大きいので、０．０５質量％以下に抑制するのが好ましい。
（溶体化処理：４８０〜５４０°Ｃで１〜１０時間、その後、焼き入れ）
上記の条件で溶体化処理を行うことによって、鋳造組織に見られるミクロ・マクロ的な偏析を緩和して熱伝導特性や機械的強度に関するばらつきを減少させ、母相中のＭｇ−Ｓｉ系析出物の固溶化を促進し、Ｆｅ等の遷移元素の過飽和固溶分を析出させて熱伝導率を向上させ、さらに、Ｓｉ粒子を球状化して伸展性を向上させて塑性加工性を向上させることができる。
上記の条件で溶体化処理を行うことによって、鋳造組織に見られるミクロ・マクロ的な偏析を緩和して熱伝導特性や機械的強度に関するばらつきを減少させ、母相中のＭｇ−Ｓｉ系析出物の固溶化を促進し、Ｆｅ等の遷移元素の過飽和固溶分を析出させて熱伝導率を向上させ、さらに、Ｓｉ粒子を球状化して伸展性を向上させて塑性加工性を向上させることができる。
処理温度が４８０°Ｃ未満、あるいは、保持時間が１時間未満では上記の効果が不十分で、逆に５４０°Ｃを超えたり、あるいは、１０時間を越えて保持すると局部溶融が発生して強度が低下する可能性が高まる。溶体化処理の効果をより一層得るためには、処理温度を５００°Ｃより高温にするのが好ましい。なお、溶体化処理を行わない場合は、鋳造後２００°Ｃまでは、冷却速度１００°Ｃ／秒以上で冷却することが好ましい。
（時効処理：１６０〜２７０℃で１〜１０時間）
上記の時効処理によって、母相中に固溶しているＳｉとＭｇを、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物として析出させ、母相中に固溶しているＳｉとＭｇの量を減少させることによって合金の熱伝導率を向上させることができる。また、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物は合金の機械的強度を向上させる。時効条件が１６０℃未満や１時間未満では、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物の析出量が比較的少ないので、熱伝導率の向上が小さい。逆に、２７０℃や１０時間を越えると過時効になり、強度が低下する。熱処理の条件は、合金組成と同じく望まれる熱伝導率と強度等の特性から、また、工業生産上の制約を考慮して選択することができるが、熱伝導度と強度のバランスを考慮すると１８０℃〜２５０℃で４〜８ｈｒの範囲であることがより望ましい。
上記の時効処理によって、母相中に固溶しているＳｉとＭｇを、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物として析出させ、母相中に固溶しているＳｉとＭｇの量を減少させることによって合金の熱伝導率を向上させることができる。また、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物は合金の機械的強度を向上させる。時効条件が１６０℃未満や１時間未満では、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物の析出量が比較的少ないので、熱伝導率の向上が小さい。逆に、２７０℃や１０時間を越えると過時効になり、強度が低下する。熱処理の条件は、合金組成と同じく望まれる熱伝導率と強度等の特性から、また、工業生産上の制約を考慮して選択することができるが、熱伝導度と強度のバランスを考慮すると１８０℃〜２５０℃で４〜８ｈｒの範囲であることがより望ましい。
以下に本発明の実施例について述べる。
（実施例１）
Ｓｉを７．０質量％含有するＡｌ合金に、Ｍｇを０、０．３、０．５、０．６質量％添加した合金の鋳造材を準備し、その後、当該鋳造材に対して表１に示す条件で時効処理を行い、熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定結果を合わせて表１に示す。また、Ｍｇを０、０．３質量％含有する合金については、ＳｉとＭｇの固溶量も測定した。その結果を表２に示す。なお、鋳造は、重力金型鋳造法で行った。
熱伝導率の単位：λ/w・m-1・k-1
（実施例１）
Ｓｉを７．０質量％含有するＡｌ合金に、Ｍｇを０、０．３、０．５、０．６質量％添加した合金の鋳造材を準備し、その後、当該鋳造材に対して表１に示す条件で時効処理を行い、熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定結果を合わせて表１に示す。また、Ｍｇを０、０．３質量％含有する合金については、ＳｉとＭｇの固溶量も測定した。その結果を表２に示す。なお、鋳造は、重力金型鋳造法で行った。
熱伝導率の単位：λ/w・m-1・k-1
表１によれば、Ｍｇを添加した鋳造材は、時効処理を施さない状態ではＭｇを添加していない鋳造材よりも熱伝導率が低いが、時効処理を施すとＭｇを添加していない鋳造材と同等以上にまで熱伝導率が向上していることがわかる。ただし、Ｍｇを０．６質量％添加した鋳造材は、熱伝導率の向上は不十分でＭｇを添加していない鋳造材よりも低い。これは、Ｍｇの添加に伴うＳｉの固溶量低下がもたらす熱伝導率の向上よりも、Ｍｇの固溶量の増加による熱伝導率の低下の影響が大きいためであると考えられる。
また、表２は、時効処理を行うとＭｇを添加した合金のＳｉ固溶量が低くなることを示している。
（実施例２）
Ｓｉを７．０質量％、Ｆｅを０．４質量％含有するＡｌ合金に、Ｍｇを０および０．３質量％添加した鋳造材を準備した。なお、鋳造材は、ＰＦダイカスト法により鋳造した。得られた鋳造材を５００℃で２時間溶体化処理した後、水焼入れした。その後、熱伝導率を測定し、その後、２５０℃で４時間時効処理し、再度熱伝導率を測定した。その結果を表３に示す。
Ｓｉを７．０質量％、Ｆｅを０．４質量％含有するＡｌ合金に、Ｍｇを０および０．３質量％添加した鋳造材を準備した。なお、鋳造材は、ＰＦダイカスト法により鋳造した。得られた鋳造材を５００℃で２時間溶体化処理した後、水焼入れした。その後、熱伝導率を測定し、その後、２５０℃で４時間時効処理し、再度熱伝導率を測定した。その結果を表３に示す。
表３によれば、Ｆｅを含有する場合も、Ｍｇを添加した鋳造材は時効処理を施さない状態では、Ｍｇを添加していない鋳造材よりも熱伝導率が低いが、時効処理を施すとＭｇを添加していない鋳造材と同等以上にまで熱伝導率が向上することが分かる。
熱伝導率の単位：λ/w・m-1・k-1
熱伝導率の単位：λ/w・m-1・k-1
Claims (5)
- Ｓｉ：５〜１０．０質量％、Ｍｇ：０．１〜０．５質量％を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金鋳造材の製造方法であって、鋳造後、２００℃までは冷却速度１００℃/秒以上で冷却し、溶体化処理を施さずに、１６０〜２７０℃の温度で、１〜１０時間保持する時効処理を施すことを特徴とする、熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 前記鋳造は、重力金型鋳造であることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- Ｓｉ：５〜１０．０質量％、Ｍｇ：０．１〜０．５質量％、Ｆｅ：０．３〜０．６質量％を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金鋳造材の製造方法であって、鋳造後、２００℃までは冷却速度１００℃/秒以上で冷却し、溶体化処理を施さずに、１６０〜２７０℃の温度で、１〜１０時間保持する時効処理を施すことを特徴とする、熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 前記鋳造は、ダイカスト鋳造であることを特徴とする、請求項３に記載の熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 前記時効処理が、１８０〜２５０℃の温度で４〜８時間保持するものであることを特徴とする、請求項１または請求項３に記載の熱伝導性に優れたアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
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