JP5206664B2

JP5206664B2 - 熱伝導用途用アルミニウム合金材

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Publication number: JP5206664B2
Application number: JP2009501069A
Authority: JP
Inventors: 宏堀川; 正彦塩田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JPWO2008105066A1; US10508329B2; US20100108209A1; US9353429B2; WO2008105066A1; US20140048186A1

Description

本発明は、熱伝導用途用アルミニウム合金材とその製造方法に関する。本発明に係る熱伝導用途用アルミニウム合金材は、例えば、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。よって、本発明はヒートシンク等の放熱部材のような熱交換部材にも関する。

近年、電子機器の発達とともに、放熱性に特に優れ、また小型軽量化されたヒートシンクが要求されるようになってきており、そのためにヒートシンクを複雑な形状や薄肉化することが求められている。一方、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度が高い。したがって、高い熱伝導度を必要とする場合には純アルミニウムを使用することが考えられるが、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、複雑な形状や薄肉部を有するヒートシンクを製造する場合、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、熱伝導度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が用いられている。
これら従来の合金は、アルミニウムにＳｉとＦｅを加えた合金であるが、合金材の熱伝導度を低下させないため、一般的なアルミニウム合金に含有せしめられるＣｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ等の元素はその含有量が制限されている。そのため、合金材の強度が不足しており、鋳造後の離型時に鋳物が変形したり割れたりしやすく、生産性が低いといった問題があった。また、同じく強度が低いために、切削等の後加工時にバリが発生しやすく、またネジ穴等の強度がでないなどの問題が存在していた。更に、スクラップの使用が制限され、合金インゴットの原料が限定されるため、例えばＪＩＳ−ＡＤＣ１２合金のような一般的なダイカスト材に対して、経済性やリサイクルの観点から見た環境性に劣る側面もあった。

上記課題のうち合金材の強度に関する問題を解決するために、特開２００５−２９８８５６号公報、特開２００６−６３４２０号公報に記載されている合金材が提案されている。
これら従来の合金材は、アルミニウムにＳｉとＦｅ、更にＭｇを加えた合金に熱処理を施した合金材であるが、強度を向上させつつも合金材の熱伝導度を極力低下させないため、一般的なアルミニウム合金に含有せしめられるＣｕ、Ｍｎ、Ｚｎ等の元素はその含有量を制限している。そのため、前述したように経済性やリサイクルの観点から見た環境性に劣る側面があった。また、例えばＪＩＳ−ＡＤＣ１２合金のような一般的なダイカスト材と溶解炉などを共用することが難しく、専用の溶解・溶製装置を設けなければならない等の制約もあった。

特開２００１−３１６７４８号公報特開２００２−３９７２号公報特開２００２−１０５５７１号公報特開２００５−２９８８５６号公報特開２００６−６３４２０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材であって、同時に強度と熱伝導性、更には経済・環境性を向上させた熱伝導用途用アルミニウム合金材を提供することを主たる目的とする。
また本発明は、上記アルミニウム合金材の製造方法並びに上記アルミニウム合金材を用いた熱交換部材を提供することも目的とする。

上記の課題を解決するために本出願人は以下の第一から第七の発明を提案する。
第一の発明は、Ｓｉ：７．５〜１２.５質量％、Ｃｕ：０.１〜２.０質量％、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、母相中のＣｕの固溶量が０．３質量％以下であることを特徴とする熱伝導用途用アルミニウム合金材である。
ここで、「熱伝導用途」とは、熱伝導性に優れたアルミニウム合金材、特に少なくとも１５０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有するアルミニウム合金材を使用できると当業者が考える用途を全て含み、例えば熱交換部品としての用途、特にヒートシンクを始めとする各種の放熱部材としての用途が含まれる。

第二の発明は、第一の発明に係る熱伝導用途用アルミニウム合金材において、Ｆｅ：０.３質量％以上を更に含み、Ｆｅの含有量と不可避的不純物として含まれるＭｎの含有量との関係が、（Ｆｅ含有量）＋（Ｍｎ含有量）×２の総量が１．０質量％以下であることを特徴とするアルミニウム合金材である。
第三の発明は、第一又は第二の発明に係る熱伝導用途用アルミニウム合金材において、Ｍｇ：０.１質量％以上を更に含み、Ｍｇの含有量と不可避的不純物として含まれるＺｎの含有量との関係が、（Ｃｕ含有量）＋（Ｍｇ含有量）×２．５＋（Ｚｎ含有量）の総量が２．０質量％以下であることを特徴とするアルミニウム合金材である。
上記の第一から第三の発明に係るアルミニウム合金材は、後記する実施例によって裏付けるように、少なくとも１５０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導度と、例えば少なくとも１７５ＭＰａの大なる機械的強度を有し、更には優れた鋳造性と汎用性を併せ持つアルミニウム鋳造材である。

また本出願人が提案する第四の発明は、第一から第三の発明の何れかにおける組成のアルミニウム合金に、時効処理を施すことを特徴とする熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法である。すなわち、第四の発明は、
（１）Ｓｉ：７．５〜１２.５質量％、Ｃｕ：０.１〜２.０質量％、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金、あるいは
（２）Ｓｉ：７．５〜１２.５質量％、Ｃｕ：０.１〜２.０質量％、Ｆｅ：０.３質量％以上を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、Ｆｅの含有量と不可避的不純物として含まれるＭｎの含有量との関係が、（Ｆｅ含有量）＋（Ｍｎ含有量）×２の総量が１．０質量％以下であるアルミニウム合金、あるいは
（３）Ｓｉ：７．５〜１２.５質量％、Ｃｕ：０.１〜２.０質量％、Ｍｇ：０.１質量％以上を含み、Ｍｇの含有量と不可避的不純物として含まれるＺｎの含有量との関係が、（Ｃｕ含有量）＋（Ｍｇ含有量）×２．５＋（Ｚｎ含有量）の総量が２．０質量％以下であるアルミニウム合金、あるいは
（４）Ｓｉ：７．５〜１２.５質量％、Ｃｕ：０.１〜２.０質量％、Ｆｅ：０.３質量％以上、Ｍｇ：０．１質量％以上を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、Ｆｅの含有量と不可避的不純物として含まれるＭｎの含有量との関係が、（Ｆｅ含有量）＋（Ｍｎ含有量）×２の総量が１．０質量％以下であり、Ｍｇの含有量と不可避的不純物として含まれるＺｎの含有量との関係が、（Ｃｕ含有量）＋（Ｍｇ含有量）×２．５＋（Ｚｎ含有量）の総量が２．０質量％以下であるアルミニウム合金
の何れかのアルミニウム合金に、時効処理を施すことを特徴とする熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法である。

第五の発明は、第四の発明に係る熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法において、前記時効処理が、前記何れかのアルミニウム合金を１６０〜３７０℃の温度で１〜２０時間保持するものであることを特徴とする製造方法である。
第六の発明は、第四又は第五の発明に係る熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法において、前記時効処理を施す前に、前記何れかのアルミニウム合金を４５０〜５２０℃で１〜１０時間保持して溶体化処理を行い、その後、１００℃／秒以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却して焼入れすることを特徴とする製造方法である。
後記する実施例において裏付けられるように、本発明に係るアルミニウム合金材の熱伝導特性と機械的強度は、所定の組成のアルミニウム合金に時効処理あるいは溶体化処理と時効処理を施すことにより一層向上せしめられる。

第一から第三の発明に係る熱伝導用途用アルミニウム合金材は、熱伝導性に優れたアルミニウム合金材を使用できると当業者が考える任意の用途に使用できるが、好適には、前述のように、熱交換部品としての用途、特にヒートシンクを始めとする各種の放熱部材としての用途に使用できる。
よって、第七の発明は、第一から第三の発明の何れか一に記載の熱伝導用途用アルミニウム合金材からなることを特徴とする熱交換部材である。また第八の発明は、放熱部材であることを特徴とする熱交換部材である。

本発明によれば、熱伝導特性と機械的強度に優れたアルミニウム合金材が得られ、特に少なくとも１５０Ｗ／ｍＫの熱伝導度と、少なくとも１７５ＭＰａの機械的強度を達成できる。このようなアルミニウム合金材は、鋳造性に優れるというアルミニウム合金の特性を活かして、複雑な形状や薄肉部を有するヒートシンク等の製造に好適に使用することができる。よって、熱交換特性に優れた熱交換部材、特にヒートシンク等の放熱部材を得ることができる。

Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金において、Ｃｕは機械的強度を向上させる作用があるものの熱伝導度を低下させるので、高い熱伝導度が必要とされる鋳造材では可能な限りＣｕ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、本願の発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、熱伝導性合金において嫌われていたＣｕを本願に係る合金組成に加えても、母相中のＣｕ固溶量を抑制することにより、熱伝導度の低下を抑制できることを見いだした。すなわち、本発明に係る合金組成の場合には、０．１〜２．０質量％の範囲のＣｕを添加し、その他の元素量を適切に制御した後、熱処理を行い、母相中のＣｕの固溶量を０．３質量％以下に規制すると、高い熱伝導度が得られることを発見した。
そこで、本発明は、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金にＣｕを０．１〜２．０質量％添加し、かつ母相中のＣｕの固溶量を０．３質量％以下に規制することにより、高い熱伝導度を達成すると同時に強度等の諸特性を高めたアルミニウム合金鋳造材を得た。
以下に、各組成の効果について簡単に説明する。

（Ｓｉ：７．５〜１２．５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、一般ダイカスト材に劣らない鋳造性を達成する観点からＳｉを７．５質量％以上添加することが必要になり、９．０質量％以上添加すると更に良い鋳造性を得ることができる。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度と伸展性を低下させ、Ｓｉの量が１２．５質量％を超えると塑性加工性が不十分となり、また初晶Ｓｉが晶出して切削性を損なうことがあるので、１２．５質量％以下に抑える必要があり、１２．０質量％以下にすると更に塑性加工性、切削性の悪化を抑えることができる。

（Ｃｕ：０．１〜２．０質量％、固溶量０．３質量％以下）
Ｃｕ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、溶湯先端の溶着性を向上させる作用がある。この効果は、Ｃｕが０．１質量％以上含まれると顕著になり、０．５質量％以上になると更に作用が向上する。また、Ｃｕは多くの製品スクラップ及び鋳物用合金に含まれるため、不純物としても混入しやすいので、Ｃｕの許容量が大きいことは、原料として使用できるスクラップ量を増加させることができ、リサイクルの観点から経済・環境性にプラスに働く。しかし、Ｃｕの増加に伴って熱伝導度は下がり、その含有量が２．０質量％を超えると、十分な熱伝導度を達成できなくなる。またＣｕの増加に伴って母相中へのＣｕの固溶量が増加するが、その固溶量によっても熱伝導度が変動し、Ｃｕの固溶量が０．３質量％を超えると熱伝導度が不十分になる。特に、Ｃｕの含有量を１．５質量％以下とすると、Ｃｕの固溶量も０．３質量％以下にするのが容易になり、好都合である。

（Ｆｅ：０．３〜１．０質量％）
Ｆｅは不可避的に混入する不純物であり、添加しなくともよい成分であるが、０．３質量％以上になるとアルミニウム合金の高温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ので、０．３質量％以上、添加してもよい。このＦｅの効果は、Ｆｅが０．４質量％以上含まれると顕著になる。しかし、Ｆｅの含有量が０．６質量％以上になると、Ｆｅの増加に伴って熱伝導度と伸展性が低下し、Ｆｅの量が１．０質量％を超えると熱伝導度と塑性加工性が不十分になる。

（（Ｆｅ含有量）＋（Ｍｎ含有量）×２：１．０質量％以下）
Ｍｎは不可避的に混入する不純物であるが、Ｆｅと同じくアルミニウム合金の高温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。また、Ｍｎは飲食品用缶材スクラップに多く含まれるため、不可避的に混入しやすく、Ｍｎの許容量が大きいことはリサイクルの観点から経済・環境性にプラスに働く。しかしながら、Ｍｎは熱伝導度を低下させる作用が強いので、その含有量を（Ｆｅ含有量）＋（Ｍｎ含有量）×２の総量で１．０質量％以下に抑制する必要がある。

（Ｍｇ：０．１〜０．６質量％）
Ｍｇは不可避的に混入する不純物であり、添加しなくともよい成分であるが、０．１質量％以上になるとＣｕと同じくアルミニウム合金の機械的強度を向上させる作用がある。また、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物を形成し、母相中のＳｉ固溶量を低下させ、熱伝導性を向上させる作用を有するので、０．１質量％以上、添加してもよい。またＭｇは製品スクラップに多く含まれるため、Ｍｇの許容量が大きいことは、リサイクルの観点から経済・環境性にプラスに働く。しかし、Ｍｇの増加に伴って熱伝導度と伸展性が低下するため、０．６質量％以下に規制することが必要となる。

（（Ｃｕ含有量）＋（Ｍｇ含有量）×２．５＋（Ｚｎ含有量）：２．０質量％以下）
Ｚｎは不可避的に混入する不純物であるが、Ｍｇ、Ｃｕと同じくアルミニウムの機械的強度を向上させる作用がある。また、製品スクラップに多く含まれるため、Ｚｎの許容量が大きいことは、リサイクルの観点から経済・環境性にプラスに働く。しかし、Ｚｎの増加に伴って熱伝導度と伸展性が低下するため、（Ｃｕ含有量）＋（Ｍｇ含有量）×２．５＋（Ｚｎ含有量）の総量が２．０質量％以下になるように制御する必要がある。

（不可避的不純物）
不純物の増加に伴って熱伝導度が低下するので、不可避的不純物は０．１質量％以下に抑えると良い熱伝導度が得られる。特に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖは熱伝導度への影響が大きいので、０．０５質量％以下に抑制すると良い熱伝導度が得られる。また、Ｍｎは０．２質量％以下、Ｚｎは０．５質量％以下に抑制すると良い熱伝導度が得られる。
なお、０．３質量％未満のＦｅ、０．１質量％未満のＭｇが不可避的不純物として許容されることは言うまでもない。

（溶体化処理：４５０〜５２０℃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、母相中の晶・析出物の固溶化を促進し、Ｆｅ、Ｍｎ等の遷移元素の過飽和固溶分を析出させて熱伝導度を向上させ、更に、Ｓｉ粒子を球状化して伸展性及び塑性加工性を向上させることができる。焼き入れは、１００℃／秒以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却して、なされる。

処理温度が４５０℃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、逆に処理温度が５２０℃を超えたり、あるいは、１０時間を超えて保持すると局部溶融が発生して強度が低下するおそれが高まる。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℃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℃までは、冷却速度１００℃／秒以上で冷却することが好ましい。

（時効処理：１６０〜３７０℃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Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎを、Ａｌ−Ｃｕ系、Ｍｇ−Ｓｉ系並びにＺｎ−Ｍｇ系化合物等として析出させ、母相中に固溶しているＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎの量を減少させることによって合金の熱伝導度を向上させることができる。更に、時効処理を行うことにより、鋳造歪みやＳｉのマクロ偏析も解消され、これらのことが熱伝導度を向上させる。また、上記化合物の中間体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、析出の効果は少ないので、熱伝導度及び機械的強度の向上が小さい。逆に、３７０℃や１０時間を超えると過時効が進展し、強度低下が激しくなる。また、普通ダイカスト法によって製造した場合、内部に含有されるガスによりフクレ変形が発生する。熱処理の条件は、合金組成と同じく、望まれる熱伝導度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℃〜３００℃で４〜８時間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）
表１に示す組成のアルミニウム合金を無孔性ダイカスト法により鋳造し、板状鋳物を得た。得られた鋳物の熱伝導度、機械的強度（引張強度）、Ｃｕの固溶量を測定した。その結果を表２に示す。次に鋳物を２２０℃で４時間保持して、時効処理を行った。その結果も表２に示す。

表２より、本発明に係る組成のアルミニウム合金（合金番号１〜６）に時効処理を施すと、熱伝導性と引張強度が向上することが分かる。これは、時効処理により、母相中に固溶して熱伝導性を低下させていたＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ及びＺｎが、Ａｌ−Ｃｕ系、Ｍｇ−Ｓｉ系、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物等として析出し、それらの元素、特にＣｕの固溶量が低下したためと時効処理により鋳造歪みやＳｉのマクロ偏析も解消されたためである。また、本発明に係る組成から外れるアルミニウム合金（合金番号７〜１１）においては、時効処理することによって、熱伝導性の向上は認められるものの、ヒートシンクのような熱交換部品として使用するのに十分な熱伝導度は得られていないことが分かる。なお、Ｃｕを添加していないアルミニウム合金（合金番号１０）は、熱伝導度は十分なものの機械的強度が低いことが分かる。

（実施例２）
以下の表３の組成のアルミニウム合金を、先端Ｒ０．５ｍｍ−高さ２０ｍｍのフィン付きテストピース及び２０φ丸棒に無孔性ダイカスト法により鋳造し、１００個鋳造中のフィン充填不良率をカウントした。また、丸棒切削時の超硬工具の逃げ面磨耗幅を測定した。得られた結果を同じ表３に示す。

上記結果から、Ｓｉ量が少ないと、薄肉部の充填不良が発生していることが分かる。これは、溶湯の流動性が低下するためである。一方、Ｓｉ量が多いと、工具の逃げ面磨耗幅が大きい。これは、晶出した初晶Ｓｉが工具磨耗を促進したためである。また、Ｆｅ量が少ないと、焼付不良が増加する結果となっている。

（実施例３）
実施例１に記載した合金番号３の組成のアルミニウム合金を普通ダイカスト法によって鋳造し、板状鋳物を得た。この鋳物を１４０℃、１８０℃、３５０℃及び４００℃で各々４時間保持し、熱伝導度、機械的強度、Ｃｕの固溶量を測定した。また、熱処理前後の比重を測定し、その値からフクレ率を算出した。結果を表４に示す。

上記結果から、１４０℃で４時間保持したものは、表２の時効処理前のものより、熱伝導度及び引張強度は向上しているものの、１８０℃で４時間保持したものよりは、熱伝導度及び引張強度が低くなっていることが分かる。これは、時効温度が低いため析出が十分ではなく、母相中のＡｌ以外の元素固溶量があまり低くなっていないためである。逆に４００℃で４時間保持したものは、熱伝導度は高くなっているものの、引張強度が大きく低下している。これは、過時効となったためである。またフクレ率も大きく、内部欠陥の影響も大きくなっている。

（実施例４）
実施例１に記載した合金番号３の組成のアルミニウム合金を無孔性ダイカスト法により鋳造し、板状鋳物を得た。この鋳物を、４３０℃で２時間保持、５００℃で２時間保持、５５０℃で２時間保持の３種類の溶体化処理を行った後、水焼き入れして常温まで冷却した後、２２０℃で４時間保持する時効処理を行った。そして、熱伝導度、引張強度を測定した。得られた結果を次の表５に示す。

表２と上記表５の結果から、４３０℃で２時間保持する溶体化処理を行ったものは、溶体化処理を行っていないものとほぼ同程度の値であることが分かる。これは、溶体化温度が低いので、十分な溶体化処理がなされなかったためである。５５０℃で溶体化処理を行ったものは熱伝導度が若干向上しているものの、引張強度は低下している。これは、溶体化処理の際に局部溶解が発生したためである。それに対して５００℃で溶体化処理を行ったものは、熱伝導度、引張強度ともに向上していることが分かる。

Claims

Ｓｉ：７．５〜１２.５質量％、Ｃｕ：０.５〜２.０質量％、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、母相中のＣｕの固溶量が０．３質量％以下であることを特徴とする熱伝導用途用アルミニウム合金材。
Ｆｅ：０.３質量％以上を更に含み、Ｆｅの含有量と不可避的不純物として含まれるＭｎの含有量との関係が、（Ｆｅ含有量）＋（Ｍｎ含有量）×２の総量が１．０質量％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導用途用アルミニウム合金材。
Ｍｇ：０.１質量％以上を更に含み、Ｍｇの含有量と不可避的不純物として含まれるＺｎの含有量との関係が、（Ｃｕ含有量）＋（Ｍｇ含有量）×２．５＋（Ｚｎ含有量）の総量が２．０質量％以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱伝導用途用アルミニウム合金材。
請求項１から３の何れか一項に記載の組成のアルミニウム合金に、時効処理を施すことを特徴とする熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法。
前記時効処理が、前記アルミニウム合金を１６０〜３７０℃の温度で１〜２０時間保持するものであることを特徴とする、請求項４に記載の熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法。
前記時効処理を施す前に、前記アルミニウム合金を４５０〜５２０℃で１〜１０時間保持して溶体化処理を行い、その後、１００℃／秒以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却して焼入れすることを特徴とする、請求項４又は５に記載の熱伝導用途用アルミニウム合金材の製造方法。
請求項１から３の何れか一項に記載の熱伝導用途用アルミニウム合金材からなることを特徴とする熱交換部材。
放熱部材であることを特徴とする請求項７に記載の熱交換部材。