JP4933326B2

JP4933326B2 - 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およびその製造方法

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Publication number: JP4933326B2
Application number: JP2007089967A
Authority: JP
Inventors: 関田宗太郎; 小山克己
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008248297A

Description

この発明は、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、家庭用電化製品部品などの放熱板・筐体・プリント基板などに使用される放熱部品用アルミニウム合金圧延板に関するものであり、特に熱伝導性と強度と曲げ加工性に優れたＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系のアルミニウム合金圧延板およびその低コストな製造方法に関するものである。

特に、プラズマディスプレーは映像部分と電子部品が集積した部分とで構成されていて、薄く壁に掛けられる構造になっているため、映像部分と電子部品は接近した構造となっている。その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発熱量が多く、周囲への影響は避けられない。

プラズマディスプレーの発熱により、電気回路として機能する構造物が温度上昇してノイズの原因となったり、使用している半導体電子部品が不具合を起こして故障原因となりかねない。

このため映像部分の発熱から高機能を誇る電子部品を保護する目的で、両者の間に放熱部品を置いて、映像部分の発熱を分散させる放熱機構を設けている。
この放熱部品として求められる特性としては、高導電率で高強度、かつ曲げ加工性が良好な、厚さ１ｍｍ前後の板材である。

なお、導電率と熱伝導度の関係は、後述の特許文献２（特開２００５−２６４１７４号公報）の図１に示される如く高い相関があり、導電率の高い材料ほど熱伝導度も高い材料であると言える。

熱伝導性の優れたＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系合金板の製造方法を開示したものとして、例えば特許文献１が挙げられる。
特許第３４９５２６３号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明は、優れた熱伝導性とＪＩＳ５０５２合金並みの高強度は得られるものの、熱間粗圧延時の任意パス工程での制約（パス前の材料温度３５０〜４４０℃、パス間の冷却速度５０℃／ｍｉｎ以上、パス上り材料温度２５０〜３４０℃、上り板厚１０ｍｍ以下）が厳しく、これを達成するには多大な設備投資が必要となり、却って高コストとなってしまう。

また、熱伝導性の優れたＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系合金板および製造方法を開示したものとして、例えば特許文献２が挙げられる。
特開２００５−２６４１７４号公報

しかしながら、特許文献２（特開２００５−２６４１７４号公報）の発明は、そこそこの熱伝導性と強度と成形加工性は優れているものの、製造工程の中の冷間圧延途中で溶体化処理（５００〜５７０℃、冷却速度１．０℃／ｓｅｃ以上）を行うことが必須のため、これまた高コストとなってしまう。

前述のように、放熱部品に加工して使用される熱伝導性の優れたＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系合金板の製造工程において、設備投資や溶体化処理が不要であるなどによる低コスト化が求められている。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、放熱部品としての特性は損なわずに低コストで製造可能なアルミニウム合金圧延板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

前述のような課題を解決するため、本発明者らは鋭意実験・検討を重ねた結果、適切な成分と、適切なプロセス条件を適用することによって、放熱部品用のアルミニウム合金圧延板としての課題を解決できることを見い出し、この発明をなすに至ったのである。

具体的には請求項１の発明の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は、Ｓｉ１．１〜１．５％、Ｍｇ０．３〜０．６％、Ｃｕ０．６〜０．８％を含有し、さらにＴｉ０．００５〜０．１５％を単独であるいはＢ０．０００１〜０．０５％と共に含有し、不純物としてのＦｅを０．３５％以下に規制し、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなり、かつ導電率が５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さが２１５Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする。

そして、請求項２の発明は、請求項１記載の化学組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に、５００〜５７０℃の範囲内の温度で１〜２４時間の均質化処理を施し、次いで熱間圧延を４５０℃以上の温度で開始し３００℃以下で終了し、さらに６０％以上の圧延率で冷間圧延を施した後、１４０〜２００℃の最終焼鈍を施し、これにより最終焼鈍板の導電率が５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さが２１５Ｎ／ｍｍ^２以上とす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の製造方法である。

本発明によれば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を用い、適切なプロセス条件を適用することにより、熱伝導性と強度と曲げ加工性は損なわずに製造コストが低減できるアルミニウム合金圧延板を製造することができる。

先ずこの発明における成分組成の限定理由について説明する。

Ｓｉ：ＳｉとＭｇはこの合金の強度、曲げ加工性、導電率などの特性を確保するために必要な元素である。Ｓｉ量はＭｇ量とのバランスで放熱部品の強度を確保するが１．５％を超えると導電率の低下や曲げ加工性を阻害する要因となる。一方、Ｓｉ量が１．１％未満であると強度不足の原因となる。そこでＳｉ量は１．１〜１．５％の範囲とする。

Ｍｇ：Ｍｇは強度を向上させ、放熱部品の強度を確保するために必要な元素であり、０．３％未満だと強度不足となり、０．６％を超えると導電率低下の要因となる。そこでＭｇ量は０．３〜０．６％の範囲とする。

Ｃｕ：Ｃｕも強度を確保するために必要な元素であり、０．６％未満だと強度不足となり、０．８％を超えると導電率低下の要因となる。そこでＣｕ量は０．６〜０．８％の範囲とする。

Ｔｉ：Ｔｉは鋳塊の結晶粒の微細化に効果があり、鋳塊割れを防止する。０．００５％未満だと効果がなく、０．１５％を超えると初晶Ａｌ_３Ｔｉが晶出して曲げ加工性の劣化や導電率低下の要因となる。そこでＴｉ量は０．００５〜０．１５％の範囲とする。
また、鋳塊の結晶粒の微細化の効果を強めるために、ＴｉとＢを複合添加することも行われている。その場合のＢ量は１ｐｐｍ（０．０００１％）未満では効果がなく、５００ｐｐｍ（０．０５％）を超えるとＴｉＢ_２が生成して曲げ加工性が阻害されるので、Ｂ量は１〜５００ｐｐｍの範囲が望ましい。
従って、結局、Ｔｉ０．００５〜０．１５％を単独であるいはＢ０．０００１〜０．０５％と共に含有させる。

Ｆｅ：Ｆｅはアルミスクラップやアルミ地金などに含有される不純物元素であり、多すぎるとＡｌ-Ｆｅ系金属間化合物のサイズが大きくなって曲げ加工性の劣化や導電率低下の要因となる。そこでＦｅ量は０．３５％以下に規制する。

上記以外のＭｎ、Ｃｒ、Ｚｎなどの不純物元素は各々０．１０％以下であれば、本発明のアルミニウム合金圧延板の性能を損なうことはない。

さらにこの発明では、圧延にて得られた冷間圧延板を焼鈍した最終焼鈍板の特性値を規定しており、これらについて以下に説明する。

本発明においては、最終焼鈍板の導電率は５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さは２１５Ｎ／ｍｍ^２以上と規定している。その理由は次の通りである。

すなわち、前述の如く、放熱部品材として問題のないレベルの導電率は５０％ＩＡＣＳ以上、一方パネル強度は引張強さで２００Ｎ/ｍｍ^２以上であることから、本発明は両特性のやや高めを狙って導電率は５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さは２１５Ｎ/ｍｍ^２以上を目標とした。

また、放熱部品用材として多用されているアルミニウム合金圧延板のプレス成形加工は比較的浅い形状のため問題ないが、曲げ加工においては９０°曲げで内側曲げ半径１．５ｍｍの厳しい曲げ加工部もあるため、この曲げ条件で割れないことを本発明の目標条件とした。

次にこの発明の放熱部品用アルミニウム合金圧延板の製造方法について説明する。

この発明の放熱部品用アルミニウム合金圧延板の製法上の特徴は、熱間圧延中の任意パス工程での制約を受けずに圧延を施して３００℃以下で終了し、製造工程途中の溶体化処理を省略し、冷間圧延を６０％以上の比較的大きな圧延率で行うことを規定することにより、目的とする導電率と強度と曲げ加工性を低コストで達成するものである。

先ず前述のようなアルミニウム合金を溶解し、常法に従ってＤＣ鋳造などによって鋳造する。

得られた鋳塊を均質化処理してから熱間圧延を施し、さらに冷間圧延を施して０．５〜２．０ｍｍ程度の板厚とし、最後に最終焼鈍を施して製品とする。

ここで、均質化処理は５００〜５７０℃の範囲内の温度で１〜２４時間保持の条件とする。均質化処理温度が５００℃未満では均質化が不足して曲げ加工性が悪く、一方５７０℃を越えれば溶解する恐れがある。また保持時間が１時間未満では均質化が不足し、また２４時間を越える保持は均質化が飽和して経済的に無駄である。

上述のように均質化処理した後、直ちに熱間圧延を開始するが、その熱間圧延開始温度は４５０℃以上とする。熱間粗圧延開始温度が４５０℃未満では熱間加工性が悪く、熱間圧延効率が悪い。なお、熱間粗圧延は均質化処理後の鋳塊を一旦室温まで下げてから４５０℃以上に加熱して開始してもよい。

また熱間圧延の終了温度は３００℃以下とする。熱間圧延終了温度が３００℃を越えると部分再結晶や完全再結晶が起こり、最終板の強度低下やバラツキの原因となる。

熱間圧延後に施す冷間圧延は圧延率が６０％以上で行なう。冷間圧延率が６０％未満では冷間ひずみが不足して強度不足となる。

さらにまた、冷間圧延後に施す最終焼鈍は１４０〜２００℃で行う。１４０℃未満では伸びが不足して曲げ加工性が劣化し、２００℃を超えると強度が低下して強度不足となり好ましくない。なお、軟化を抑えるために１８０℃以下で最終焼鈍を行うのが好ましい。

表１の合金番号１〜１０に示す合金は、常法にて溶解し、それぞれ、ＤＣ鋳造法にて厚さ４５０ｍｍ×幅１０８０ｍｍ×長さ２８００ｍｍの鋳塊に鋳造した。

得られた鋳塊に対し、表２の製造工程番号Ａ〜Ｈの条件を組み合わせて、表３に示す試料番号１Ａ〜１０Ａの冷間圧延板（いずれも厚さ１．０ｍｍ×幅１０００ｍｍ×コイル）とした後、バッチ炉焼鈍にて最終焼鈍板とした。

各最終焼鈍板について、導電率は圧延方向に平行に板厚×幅５０ｍｍ×長さ１０００ｍｍ（測定基準長さ５００ｍｍ）の試験片を採取し、ダブルブリッジ法により比抵抗値を測定し、標準銅の比抵抗値を１００として導電率を算出した。

また、強度についてはＪＩＳＺ２２０１に定める５号引張試験片にて圧延方向に平行方向の引張強さと伸びを求めた。

さらに曲げ加工性については、圧延方向に対し直角方向（曲げ性の劣る方向）に切出したＪＩＳＺ２２０４に定める３号曲げ試験片にて９０°曲げ試験を実施した。９０°曲げ試験は、前述の説明の通りの１．５ｍｍの内側曲げ半径にて行ない、曲げ加工性の評価は１０倍のルーペで観察し、割れが発生しなければ合格（○）、割れが発生したものは不合格（×）とした。

それぞれの結果を表３に併せて示す。

表３において、試料番号１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、２Ａの最終焼鈍板は、いずれも成分組成および製造工程の両者がこの発明で規定する条件を満たす発明例であり、最終焼鈍板の導電率は５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さはＪＩＳ５０５２−Ｈ３２下限以上の２１５Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度を有し、しかも曲げ加工性に優れた材料であることが明らかである。

一方、試料番号１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、の最終焼鈍板は、この発明で規定する成分組成条件を満たした合金であるが、製造工程条件がこの発明で規定する条件から外れた比較例である。

１Ｄは均質化処理温度が低すぎたため均質化が不足して曲げ加工性が劣化してしまった。また、熱間圧延開始温度も低かったため熱間加工性が悪く、熱間圧延に時間がかかってしまった。

また１Ｅは熱間圧延終了温度が高すぎたため熱間圧延終了時に部分再結晶が起こり、引張強さが低下してしまった。

さらに１Ｆは熱間圧延後の冷間圧延率が不足したため引張強さが低下してしまった。

また１Ｇは最終焼鈍温度が低すぎたため伸びが不足して曲げ加工性が劣化してしまった。

さらに１Ｈは最終焼鈍温度が高すぎたため軟化しすぎて引張強さが低下してしまった。

さらに、試料番号３Ａ〜１０Ａの最終焼鈍板は、この発明で規定する製造工程条件は満たしているが、成分組成条件を満たさない比較例である。

３ＡはＳｉ量が、５ＡはＭｇ量が、７ＡはＣｕ量がそれぞれ少なすぎたため引張強さが低下してしまった。

また４ＡはＳｉ量が、６ＡはＭｇ量が、８ＡはＣｕ量がそれぞれ多すぎたため導電率が低下してしまったとともに、４Ａは曲げ加工性も劣化してしまった。

また９ＡはＴｉ量とＢ量が多すぎたため初晶Ａｌ_３Ｔｉの晶出やＴｉＢ_２が生成し、１０ＡはＦｅ量が多すぎたためＡｌ-Ｆｅ系金属間化合物のサイズが大きくなって、両者の曲げ加工性は劣化してしまったとともに、導電率も低下してしまった。

Claims

Ｓｉ１．１〜１．５％（ｍａｓｓ％、以下同じ）、Ｍｇ０．３〜０．６％、Ｃｕ０．６〜０．８％を含有し、さらにＴｉ０．００５〜０．１５％を単独であるいはＢ０．０００１〜０．０５％と共に含有し、不純物としてのＦｅを０．３５％以下に規制し、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなり、かつ導電率が５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さが２１５Ｎ／ｍｍ^２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
請求項１記載の化学組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に、５００〜５７０℃の範囲内の温度で１〜２４時間の均質化処理を施し、次いで熱間圧延を４５０℃以上の温度で開始し３００℃以下で終了し、さらに６０％以上の圧延率で冷間圧延を施した後、１４０〜２００℃の最終焼鈍を施し、これにより最終焼鈍板の導電率が５５％ＩＡＣＳ以上、引張強さが２１５Ｎ／ｍｍ^２以上とす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の製造方法。