JP5305067B2 - アルミニウム合金からなる応力緩衝材料 - Google Patents

Description

本発明は、応力を効果的に低減できるアルミニウム合金からなる応力緩衝材料に関する。より詳しくは、ロボットの手や指、人工骨補助材などの製品や構成部材、更には半導体モジュールの配線や各種メタルシールなどの製品や構成部材に好適な低ヤング率で、応力を効果的に低減できるアルミニウム合金からなる応力緩衝材料に関する。

ヤング率を低減した金属材料は、負荷応力に対して大きな弾性変位を得る事ができ、そのしなやかな特性から、種々の用途に用いられている。例えば、バネ材料に用いた場合スプリングの巻き数を低減できるため、ばねを小型化することができる。また、しなやかな特性からメガネに用いると使用感を高める事ができる。さらにゴルフクラブに用いると飛距離を向上させる事ができ、その他ロボット、人工骨補助材などの製品に好適に使用することができる。

例えば、ロボットの手や指には鉄鋼等の金属が用いられている。しかし、ロボットが、ステンレス製の手で対象物を掴もうとすると、力の加減が難しく、対象物を破壊してしまい易いという問題がある。従って、低ヤング率で応力を効果的に低減できる素材（応力緩衝材料）を用いてロボットの手や指を作製することが求められる。

また、低ヤング率の金属が線膨張係数も同時に低く出来た場合、例えば半導体モジュールの配線等の構成部材や各種メタルシールとして用いると、チップとの線膨張係数差により発生する熱歪み（熱応力）を効果的に吸収する応力緩衝材料として使用する事が出来る。

このように、低ヤング率を有する金属は、応力緩衝材料として種々の用途に広く用いる事ができる。

上記低ヤング率を有する金属材料として、例えば、チタン系合金やＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金が挙げられる。これらはいずれもチタンをベースとした金属であるため、高価であった。

また、Ｍｇは純金属で静的ヤング率が４０ＧＰａ台と低いが、用途によっては強度が低い、耐熱性、耐食性、耐久性等の理由から使用範囲が限られていた。

そこで、金属の中では比較的低コストであるアルミニウムをベースとした低弾性合金を応力緩衝材料として使用する事ができる素材に改良することが求められている。アルミニウムベースの低弾性材料としては、例えば、特許文献１において低弾性率アモルファス炭素繊維強化アルミニウム複合材料が開示されている。
特開２００５−２７２９４５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発明は、複合材料であるため、製造コストが高く大量生産には不向きであった。また、半導体モジュールの構成部材（配線等）や各種メタルシール等の応力緩衝材料として使用し得るものでもなかった。

したがって、本発明は、上記の問題点に鑑み、低コストで、各種分野で利用拡大を一層図れる、従来レベルを越えた低ヤング率のアルミニウム合金からなる応力緩衝材料を提供することを目的とする。

本発明者らは前述した課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、上記目的を達成し得る新規なアルミニウム合金からなる応力緩衝材料を見出し、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明は、Ｃａを０．１〜１２ａｔ．％含む事を特徴とするＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料により達成することができる。

本発明によれば、低コストで、各種分野で利用拡大を一層図れる、従来レベルを越えた低ヤング率のアルミニウム合金からなる応力緩衝材料を得ることができる。そのため、本発明の応力緩衝材料は、半導体モジュールの構成部材（配線等）や各種メタルシールやロボットの手や指など、広範な技術分野でその利用拡大を図ることができる。

本発明のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料は、Ｃａを０．１〜１２ａｔ．％含む事を特徴とするものである。本発明者らは、前述した課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す新規な技術的知見を見出すことにより、ヤング率を低減し、応力を効果的に低減してなるＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料を開発するに至ったものである。

即ち、Ｃａを約０．０５〜２０ａｔ．％含むアルミニウム合金は６１６℃以下でＡｌとＡｌ_４Ｃａとの２相組織となる。本発明に係る合金においては、ヤング率が下がる原因は明らかではないが、Ａｌ_４Ｃａ相がヤング率を低下させると推定している。Ｃａ量を０．１ａｔ．％〜１２ａｔ．％とし、２相組織とすれば純Ａｌに対してヤング率が下がる事を見出した。尚、純Ａｌの静的ヤング率は約７０ＧＰａ程度、本発明に係る合金により得られる静的ヤング率は、６０ＧＰａ以下、好ましくは５０ＧＰａ以下であり、最小で３０ＧＰａ台であり半分程度まで下げる事が可能である。同様に動的ヤング率でも、５５ＧＰａ以下、好ましくは５０ＧＰａ以下であり、より好ましくは４５ＧＰａ以下であり、最小で３０ＧＰａ台であり半分程度まで下げる事が可能である。

また、ヤング率以外の特性についても鋭意研究を重ねた結果、線膨張係数は純Ａｌに対し小さくなり、熱伝導率については純Ａｌよりは小さくなるものの、１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の十分に高い熱伝導率も確保する事ができる事が分かった。従って、配線やヒートシンク、半導体モジュール、各種メタルシール等といった応力緩衝材料に好適に用いる事ができる。

また、（１）少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相から構成され、第２相の体積分率が２０〜７０％であること。（２）少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相から構成され、前記第２相は、Ａｌマトリックス中に均一分散していること。（３）少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相から構成され、第２相の平均サイズが０．０１〜２０μｍであること。（４）ＡｌとＡｌ_４ＣａのＸ線回折法による回折ピークが、以下式（１）

式中、Ｉ_Ａｌ（１１１）：Ａｌの（１１１）面反射強度
Ｉ_{Ａｌ４Ｃａ}（１１２）：Ａｌ_４Ｃａの（１１２）面反射強度
を満たす。

上記（１）〜（４）を満たすように組織制御を行うと、ヤング率、強度、延性、その他特性が各種用途に好適に用いる事ができるレベルでバランスされる事を見出した。

以上のように、Ａｌ−Ｃａ系合金において第２相の組織条件や相安定性を詳細に調査した結果、低ヤング率のアルミニウム合金からなる応力緩衝材料を開発するに至ったものである。

すなわち本発明は、Ｃａを０．１〜１２ａｔ．％含む事を特徴とするＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料を提供するものである。なお、本発明でいう「Ｃａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料」は、種々の形態を含むものである。詳しくは、素材（例えば、鋳塊、スラブ、ビレット、焼結体、圧延品、鍛造品、線材、板材、棒材等）に限らず、それを加工したアルミニウム合金部材（例えば、中間加工品、最終製品、それらの一部等）なども意味するものである。また、「少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相から構成される」とは、合金組織が、Ａｌからなる第１相と、Ａｌ_４Ｃａからなる第２相を少なくとも含んでおり、更にＡｌ相及びＡｌ_４Ｃａ相以外の他の相（第３相以上の相）を含み得るという意味内容である。即ち、Ａｌ相とＡｌ_４Ｃａ相のみから構成される２相組織であってもよいし、Ａｌ相とＡｌ_４Ｃａ相と他の相（１または２以上の相）とから構成される３相組織ないしはそれ以上の多相組織であってもよい。

上記の如く、本発明のアルミニウム合金からなる応力緩衝材料は、軽量、高成形性、高強度、低ヤング率であり、高熱伝導率、低線膨張係数で生産性にも優れ、低コスト化を図れるため、種々の製品に幅広く利用できる。

例えば、半導体モジュールの構成部材（配線等）として、本発明のアルミニウム合金からなる応力緩衝材料を用いると、半導体やセラミックス製の絶縁基板との熱膨張率差で発生する熱応力を効果的に低減できるため、モジュールの寿命向上や、小型化、効率化に寄与する事が出来る。

一方、ロボットのアーム等に本発明のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料を用いると、対象物を掴もうとする際に低応力とできるため、対象物を破壊することなく掴むことが出来る。また、軽量であるためアームを動かす際に制御しやすくなる。

さらに、本発明のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料は、製品内で発生する応力を効果的に低減できることから、各種分野の各種製品に利用できる。例えば、ハイドロホームの注入口に設けられるメタルシールなどの各種メタルシール等に利用できる。ただし、本発明の応力緩衝材料は、上記した利用用途に何ら制限されるものではなく、低ヤング率であって、機械的な応力や熱応力の低減が求められる技術分野に幅広く利用できるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、詳しく説明する。

本発明の応力緩衝材料は、Ａｌを主成分としたＣａ含有アルミニウム合金からなるものであるが、Ａｌは残部であって、その含有が限定されるものではない。例えば、原子量比率で考えたときに、含有元素中でもっとも多い元素がＡｌであれば良い。特に、Ａｌ合金全体を１００ａｔ．％としたときに、Ａｌ含有量が７０ａｔ．％以上、好ましくは８５ａｔ．％以上、より好ましくは９０ａｔ．％以上のＡｌ基合金であると、低密度化、低弾性化を図る上で好ましい。ここで、Ａｌ基合金とは、Ａｌ成分を少なくとも５０質量％含有している合金をいう。また、当然に、不可避不純物は存在し得る。

Ｃａは、Ａｌ_４Ｃａを第２相として分散させ、ヤング率を低下させる元素であり、Ａｌ合金全体を１００ａｔ．％としたときに、０．１ａｔ．％〜１２ａｔ．％の範囲が望ましい。Ｃａ含有量が０．１ａｔ．％未満であると、Ａｌ_４Ｃａ量が非常に少なく、ヤング率を低減する効果が不十分であり、１２ａｔ．％を超えると構成相の殆んどが延性に乏しいＡｌ_４Ｃａとなるため脆化が激しく目的の形状の応力緩衝材料とすることが出来ない（後述するＣａ含有量が１４．７ａｔ．％の比較例１参照のこと）。

また、さらに望ましくはＣａを３〜１０ａｔ．％とすれば、十分に低いヤング率に加え、十分な強度、延性も兼ね備える事が出来る。特に好ましくは６．０〜１０．０ａｔ．％である。尚、Ｃａ含有量が１０ａｔ．％を超えると、溶製の際にＡｌ₂Ｃａ相が現れやすくなる。Ａｌ₂Ｃａ相は不均質に存在すると性能悪化を招くため、製造の際にＡｌ₂Ｃａ相を除去するための工程が追加で必要になり、コスト高となることがある。一方、Ｃａ含有量が３ａｔ．％を下回ると、静的ヤング率が６０ＧＰａを下回る十分に低いヤング率が得られにくくなる。

また、本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金においては、上記に規定するＣａ含有量の範囲内であって、元素組成でＣａとＡｌと不可避不純物のみからなるものであってもよい。この場合には、本発明の作用効果を発現させる上で、Ｃａ、Ａｌ以外にＺｎ等の第３元素を含む場合に比して、Ｃａ含有量の範囲が上記に規定するように広く取れるため、Ｃａの配合量を厳密にコントロールしなくても調製できる範囲が広く取れる点で優れている。また、Ｃａ、Ａｌ以外にＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉ等の第３元素を含む場合に比して、これらの第３元素を含まない合金の方が比較的安価に合金化（製品化）できるため、低コストの応力緩衝材料を提供できる点で優れている。

一方、本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金においては、上記Ｃａ以外にも、以下のような元素（以下、第３元素ともいう）を含有していてもよい。例えば、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等の第２族元素；Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等の第４〜１１族元素（遷移金属元素）；Ｚｎなどの１２族元素（亜鉛族元素）；Ｓｉ等の第１４族元素；Ｐ等の第１５族元素等の元素（第３元素）を含有していてもよい。即ち、本発明の応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金では、本発明のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料の趣旨を逸脱しない範囲内でこれらの第３元素を配合することを何ら排除するものではないともいえる。

例えば、１２族元素（亜鉛族元素）のＺｎを含む場合には、Ｃａを７．６ａｔ．％超１２ａｔ．％以下（７．６＜Ｃａ≦１２ａｔ．％）、Ｚｎを０ａｔ．％超３．５ａｔ．％未満（０＜Ｚｎ＜３．５ａｔ．％）含む事が望ましい（実施例の表３参照のこと）。

ここで、Ｃａを７．６ａｔ．％超、好ましくは８．０ａｔ．％以上、より好ましくは８．５ａｔ．％以上とすることで、十分に低いヤング率（動的ヤング率４５ＧＰａ以下）に加え、十分な強度も兼ね備える事が出来る。またＣａが１２ａｔ．％以下、好ましくは１０ａｔ．％以下、好ましくは９．５ａｔ．％以下とすることで、延性に乏しいＡｌ_４Ｃａの体積分率を抑制し、目的の形状の応力緩衝材料を作製することができる。後述するＣａ含有量が１１．６ａｔ．％の実施例３と１４．７ａｔ．％の比較例１と対比参照のこと。また、Ｚｎが３．５ａｔ．％未満、好ましくは３ａｔ．％以下、より好ましくは２．５ａｔ．％以下であれば、十分に低いヤング率に加え、十分な強度、延性も兼ね備える事が出来る。なお、Ｚｎ含有量の下限値は特に制限されるものではない。

但し、Ｃａ、Ｚｎの含有量が、上記範囲を外れた場合であっても、本発明のアルミニウム合金からなる応力緩衝材料の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の応力緩衝材料に含まれ得るものであり、排除されるべきものではない。例えば、後述する表３のサンプルＮｏ．４（実施例６）のように、Ｚｎ含有量が１．０ａｔ．％未満と小さければ、Ｃａ含有量が７．６ａｔ．％以下であっても、本発明の作用効果を損うことなく、本発明の応力緩衝材料として利用可能である。具体的には、低いヤング率（動的ヤング率５０ＧＰａ程度）で十分な強度、延性も兼ね備える事が出来る。

また、第３元素として遷移金属元素のＺｒを含む場合には、Ｃａを０．１〜１２ａｔ．％、Ｚｒを０ａｔ．％超０．１５ａｔ．％以下含む事が望ましく、より好ましくはＣａを３〜１０ａｔ．％、Ｚｒを０．０１ａｔ．％〜０．１０ａｔ．％含む事が望ましい（表３参照のこと）。Ｃａ、Ｚｒの含有量が上記範囲内であれば、低いヤング率（動的ヤング率４５ＧＰａ以下）で十分な強度、延性も兼ね備える事が出来る。但し、かかる範囲を外れた場合であっても、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の応力緩衝材料に含まれ得るものであり、排除されるべきものではない。

第３元素として遷移金属元素のＴｉを含む場合にも、Ｃａを０．１〜１２ａｔ．％、Ｔｉを０ａｔ．％超０．１５ａｔ．％未満含む事が望ましく、より好ましくはＣａを３〜１０ａｔ．％、Ｔｉを０．０１ａｔ．％〜０．１０ａｔ．％以下含む事が望ましい（表３参照のこと）。Ｃａ、Ｔｉの含有量が上記範囲内であれば、低いヤング率（動的ヤング率４５ＧＰａ以下）で十分な強度、延性も兼ね備える事が出来る。但し、かかる範囲を外れた場合であっても、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の応力緩衝材料に含まれ得るものであり、排除されるべきものではない。

また、上記に例示したＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉ以外の第３元素（例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃｒなど）の場合でも、本発明の応力緩衝材料の趣旨を逸脱しない範囲内で適量（好ましくは、微量）含有していてもよい。

さらに本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金は、少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相とから構成され、前記Ａｌ_４Ｃａからなる第２相の体積分率が２０〜７０％である事が好ましく、なかでも３０〜５０％であることがより好ましい。第２相の体積分率が２０％未満であると、延性は確保されるもののＡｌ_４Ｃａのヤング率低減効果がさほど発揮されない。一方、第２相の体積分率が７０％を超えるとヤング率は大きく低減可能となるが、延性の高いＡｌ相（以下、第１相ないしＡｌマトリックスとも称する。）が分断されるため延性に乏しくなる。本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金の組織観察と第２相の体積分率は、後述する実施例に記載の測定方法により求めることができる。

さらに本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金は、少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相とから構成され、前記第２相は、Ａｌマトリックス中に分散している事が好ましい（図２〜４参照）。より好ましくはＡｌマトリックス中に均一分散している事である（図２、３参照）。マトリックスが純Ａｌでネットワーク状につながっていると、十分な延性を確保する事ができる。また、高い熱伝導率、低電気抵抗特性をネットワーク状のＡｌが担う事ができるため、本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金の熱伝導率、電気抵抗への跳ね返りを抑制する事が出来る。そのため、例えば半導体モジュールの配線等の構成部材や各種メタルシール等の応力緩衝材料として好適に利用可能である。第２相の分散の様子は、上記組織観察により行うことができる。マトリックスが純Ａｌでネットワーク状につながっている状態であれば、第２相がＡｌマトリックス中に均一分散しているものといえる。ここで、Ａｌマトリックス中に分散されてなるＡｌ_４Ｃａからなる第２相の形状（ここでは、適当に切断した際の切断面における形状とする）は、特に限定されるものではない。

さらに本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金は、少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相とから構成され、前記Ａｌ_４Ｃａからなる第２相の平均サイズは、０．０１〜２０μｍである事が望ましい。０．０１μｍを下回るとマトリックスとなるＡｌ格子との界面に歪みが多く蓄積され、熱伝導率を大きく低下させる恐れがある。一方、２０μｍを超えて粗大化すると、疲労特性の悪化を招く恐れがある。Ａｌ_４Ｃａからなる第２相の平均サイズは、実施例に記載の第２相の体積分率と同様に、アルミニウム合金の棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真の観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、第２相粒の平均面積を求めた。さらに長手方向平行断面も光学顕微鏡写真より同様に第２相粒の平均面積を求め、垂直断面との平均値を求めた。続いて第２相は球状と仮定して球の直径を得られた平均面積から計算し、第２相の平均サイズとした。

さらに本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金は、少なくともＡｌとＡｌ_４Ｃａからなる第２相とから構成され、ＡｌとＡｌ_４ＣａのＸ線回折法による回折ピークが、以下式（１）を満たす事が望ましい。

式中、Ｉ_Ａｌ（１１１）：Ａｌの（１１１）面反射強度であり、
Ｉ_{Ａｌ４Ｃａ}（１１２）：Ａｌ_４Ｃａの（１１２）面反射強度である。

（１）式の不等式左辺（Ｉ_Ａｌ（１１１）／Ｉ_{Ａｌ４Ｃａ}（１１２））が２．５未満だとＡｌ_４Ｃａ量が多すぎてしまい、脆化度合いが大きくなる。一方、１００を超えるとＡｌ_４Ｃａ量が少なすぎるため、十分に低いヤング率を得ることが難しい。好ましくはＡｌとＡｌ_４ＣａのＸ線回折法による回折ピークが、５≦Ｉ_Ａｌ（１１１）／Ｉ_{Ａｌ４Ｃａ}（１１２）≦５０を満たす事がより望ましい。ここで、Ｘ線回折は室温で測定するものとし、集合組織の集積度が比較的高い場合や、結晶粒が大きい場合は、粉末にして異方性を取り除いて測定した結果を用いることとする。

本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金の静的ヤング率は、６０ＧＰａ以下であると好適であり、５０ＧＰａを下回るとさらに好ましく、特に３０〜５０ＧＰａの範囲である。同様に動的ヤング率は、５５ＧＰａ以下、好ましくは５０ＧＰａ以下であり、より好ましくは４５ＧＰａ以下であり、特に３０〜４５ＧＰａの範囲である。本発明ではＣａの添加により、製造コストが高く高価で、製造工程が複雑で大量生産には不向きな炭素繊維強化Ａｌ複合材料を用いなくとも、低コストかつ大量生産に適した合金形態にて応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金を得ることができる。すなわち、従来レベルを越えた静的ヤング率６０ＧＰａ以下（動的ヤング率５５ＧＰａ以下）の低ヤング率を有するＣａ含有アルミニウム合金を得ることができる。そのため、該合金形態では、これを用いたロボットの手や指や人工骨補助材等への成形加工や２次加工（穴あけや切削加工や曲げ加工等）、更には半導体モジュールの配線やメタルシール等の微細加工が非常に容易に行える。そのため、Ｃａ含有アルミニウム合金から種々の形状・形態を有する応力緩衝材料を容易に製造することができることから、各種技術分野での利用拡大を一層図れる点で優れている。一方、Ｃａ含有アルミニウム合金の静的ヤング率が６０ＧＰａを上回る場合ないし動的ヤング率が５５ＧＰａを上回る場合には、従来レベルを超えた十分に低いヤング率とはいえず、所望の用途である応力緩衝材料への利用拡大を図るのが困難となる。ここで、静的ヤング率とは、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて測定したものである。また、動的ヤング率も、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて測定したものである。これらについては、後述する実施例にて、詳しく説明する。また、静的および動的ヤング率は一般に温度依存性があるが本発明で言う静的および動的ヤング率は室温で測定した値とする。

本発明に係る応力緩衝材料を構成するＣａ含有アルミニウム合金および該合金を用いてなる応力緩衝材料の製造方法は特に限定されるものではない。Ｃａ含有アルミニウム合金の製造方法としては、例えば、アルミニウム合金にて通常用いられる各種溶解法を用いて溶製すれば良い。得られた鋳塊は熱間圧延、熱間鍛造、押出し、冷間圧延、引抜き等の一般的に用いられる方法で成形加工することもできる。上記の他、超塑性成形、焼結等、種々の製造方法により製造され得る。該合金を用いてなる応力緩衝材料の製造方法としては、例えば、上記鋳塊や該鋳塊から熱間圧延、熱間鍛造、押出し、冷間圧延、引抜き、超塑性成形、焼結等の方法で成形加工された合金からなる線材、板材などをそのまま応力緩衝材料とすることもできる。また上記鋳塊や成形加工された合金を所望の形状の鋳型や金型などを用いて、ロボットの手や指や人工骨補助材等への成形加工や２次加工（穴あけや切削加工や曲げ加工等）や半導体モジュールの配線やメタルシール等の微細加工することにより得ることもできる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜３および比較例１）
表１に示す組成のアルミニウム合金を以下のようにして作製した。

純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａの純金属を用い、アトマイズ法によって、表１に示す組成の合金粉（平均粒径：約５０μｍ）を作製した。

この合金粉を容器（直径５０ｍｍ）に充填後、３００〜４００℃で脱気処理を行い、４００℃で直径１０ｍｍの棒状に押出した。

（比較例２）
一般的な方法で製造された、直径１０ｍｍの市販の純Ａｌ（Ａ１０７０）に４００℃、１時間の焼きなましを施した。

（比較例３）
一般的な方法で製造された、直径１０ｍｍのＡ４０３２合金にＴ６処理を施した。

＜評価方法＞
上記各例のアルミニウム合金について、以下の評価を行った。

１．ヤング率
（１）静的ヤング率
実施例１〜３及び比較例２〜３の各例についてＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて、引張試験により棒の長手方向の静的ヤング率を室温で測定した。この結果を表１に示す。尚、比較例１については脆かったため試験片作製が出来なかった。

（２）動的ヤング率
実施例１〜３及び比較例２〜３の各例についてＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて、横共振法または超音波パルス法により、圧延方向または、粉末押出し方向の動的ヤング率を室温で測定した。この結果を表１に示す。尚、比較例１については脆かったため試験片作製が出来なかった。

２．Ｘ線回折
実施例１〜３および比較例１について、Ｘ線回折を用いて室温の構成相を調査した。Ｘ線測定は棒材を粉末状に破砕した後、３００℃で１０分の歪取りのための熱処理を行ったサンプルを用いた。Ｃｕ管球を用いた。測定結果の一例として実施例３のＸ線回折パターンを図１に示した。ピークを解析し構成相を決定した。この結果を表１に示したが、いずれもＡｌ（第１相ないしＡｌマトリックス）とＡｌ_４Ｃａ（第２相）の２相組織である事が分かった。

また、得られた回折ピークのうち、Ａｌの（１１１）面の反射強度とＡｌ_４Ｃａの（１１２）面の反射強度との比を求め、表２に示した。

３．組織観察と第２相の体積分率
また、実施例１〜３および比較例１のアルミニウム合金について、棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真を図２〜４に示す。図示したように２相組織であったが、ＥＰＭＡ分析により、図中の濃い部分がＡｌ_４Ｃａからなる第２相で、薄い部分がＡｌであることを確認した。

観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ_４Ｃａからなる第２相の面積分率を求めた。さらに長手方向平行断面も光学顕微鏡写真より同様に面積分率を求め、垂直断面の面積分率との平均値を求めたものを体積分率とした。各実施例のＡｌ_４Ｃａからなる第２相の体積分率の結果を表１に示す。尚、実施例１〜３および比較例１のいずれにおいても、観察方向による組織の大きな違いは観察されなかった。

４．引張試験
実施例１〜３、比較例２、３の各例について、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：１９９８（金属材料引張試験方法）に準じて、室温における引張試験により０．２％耐力、引張強度、伸びを測定した。この結果を表１に示す。尚、比較例１については脆かったため試験片作製が出来なかった。

５．熱膨張係数（平均線膨張係数）
実施例１〜３及び比較例２〜３についてＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ；熱機械分析装置）測定により平均線膨脹係数を求めた。試験片形状は直径５ｍｍφ×２０ｍｍとし、昇温、降温速度は５℃／分で−５０℃〜３００℃の範囲における平均線膨脹係数を求めた。結果を表１に示す。尚、比較例１については脆かったため試験片作製が出来なかった。

６．熱伝導率
実施例１〜３及び比較例２〜３の各例について、レーザーフラッシュ法により室温の熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。尚、比較例１については脆かったため試験片作製が出来なかった。

７．密度
実施例１〜３及び比較例２〜３の各例について、室温において寸法と重さを計測することにより密度を算出した。結果を表１に示す。尚、比較例１については脆かったため試験片作製が出来なかった。

表１の比較例３の成分の「その他」の欄に示す「Ａ４０３２」のＡｌ以外の合金組成は、Ｓｉ：１１．８％、Ｆｅ：０．４９％、Ｃｕ：０．４３％、Ｍｇ：１．１３％、Ｃｒ：０．０５％、Ｚｎ０．１％、Ｎｉ：０．４７％である。これらの合金組成の各成分「％」は、いずれも「ｗｔ％」である。

表１の結果より、本発明の一実施例である実施例１〜３のアルミニウム合金は、静的ヤング率が６０ＧＰａ以下、動的ヤング率も５５ＧＰａ以下であり、十分に低いヤング率が得られた。特に実施例２と実施例３は、静的ヤング率を５０ＧＰａ以下、動的ヤング率を４５ＧＰａ以下にまで低減する事が出来た。

Ｃａ量が５ａｔ．％である実施例１とＣａ量が多い（１２ａｔ．％）実施例３とを比べると、実施例３のヤング率がより低減されており、実施例３では静的および動的ヤング率３０ＧＰａ台の非常に低いヤング率を得ることができた。しかし、Ｃａ量が多い実施例３は引張試験の伸びが少ないことから延性に乏しい事が分かった。さらに１２ａｔ．％を超える量のＣａが含まれる比較例１については試料が脆いため試験片を切り出すことが出来ない程である事が分かった。

次に実施例１〜３および比較例１の構成相はいずれもＡｌとＡｌ_４Ｃａの２相組織であることが分かった。特にＡｌ_４Ｃａからなる第２相の体積分率が２０〜７０％の範囲にコントロールされている実施例１〜３はヤング率が低く、脆化も起こさない事が分かった。

次に図２〜４に示した顕微鏡写真を見ると、図２の実施例２ではＡｌマトリックス中にＡｌ_４Ｃａ相が均一分散しているものの、図３の実施例３よりもＣａ量が増えるとＡｌ_４Ｃａ相が多くなり、Ａｌのネットワーク構造が分断されている事が分かる。実施例２と実施例３の特性を比較すると、それにより熱伝導率や延性を低下させている事が分かる（表１参照）。なお、実施例１は、実施例２よりもＡｌマトリックス中にＡｌ_４Ｃａ相がより均一に分散している事が顕微鏡写真から確認できた（顕微鏡写真は実施例２と略同様であるため、実施例１の顕微鏡写真による図面は省略した）。即ち、Ａｌ_４Ｃａ相が多くなると、Ａｌ中にＡｌ_４Ｃａが分散した状態ともいえるし、Ａｌ_４Ｃａ中にＡｌが分散した状態ともいえ、Ｃａ量が増加に伴いＡｌ_４Ｃａのネットワーク構造が徐々に形成され、Ａｌのネットワーク構造が分断される（減少する）。

また、図２に示したＡｌ_４Ｃａからなる第２相のサイズは概ね１μｍ前後の小さいものと、５〜１０μｍ程度のものが共存しており、平均サイズでは３μｍ程である事が分かった。この程度のサイズであれば、十分な機械特性と熱伝導率を確保できる事を確かめられた（表１参照）。

次に表２に示したＸ線回折強度比より、Ｉ_Ａｌ（１１１）／Ｉ_{Ａｌ４Ｃａ}（１１２）が２．５を下回る比較例１では、Ａｌ_４Ｃａ量が多すぎてしまい、脆化度合いが大きくなる事が確かめられた。一方、実施例１〜３はＩ_Ａｌ（１１１）／Ｉ_{Ａｌ４Ｃａ}（１１２）が２．５〜１００の範囲に入っているため、十分に低いヤング率と強度を同時に確保できる事が確認できた。

表１に示した引張試験結果では、実施例１では３０％近くの伸びがあり非常に延性が高いことが分かった。一方、実施例２、３では延性には乏しくなるものの、２００ＭＰａレベルまで応力をかけても破壊しないだけの強度を備えている事が分かった。尚、実施例３では０．２％耐力を算出するための塑性歪が得られなかったため、記載していない。

その他、表１に示す実施例１〜３の熱伝導率、密度の結果から、成形性や高い熱伝導を要求する用途に用いる場合は、本発明の実施例１のように比較的Ａｌ_４Ｃａが少ない例を使えば好適である。一方、低密度、Ｍｇ合金を下回る低いヤング率、低い線膨張係数を求める用途に用いる場合は本発明の実施例３のような例を好適に用いる事が出来る。

一方、比較例２は、ヤング率を低減する元素であるＣａが全く含まれていないため、結果としてヤング率も高くなっていた。

比較例３に示すアルミニウム合金では、ヤング率を低減する元素であるＣａが全く含まれず、逆にＳｉ等の元素が含まれるため純Ａｌよりも高いヤング率となっていた。

（サンプルＮｏ．１〜１４；実施例４〜１３および比較例４〜７）
表３に示す組成のアルミニウム合金の板材サンプル（サンプルＮｏ．１〜１４）を以下のようにして作製した。

純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａ、更にはＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉの純金属を用い、高周波溶解によって溶解し、鋳鉄製の鋳型に鋳込んで１００〜５００ｇ程度のインゴットを得た。得られたインゴットから１５ｍｍ×１５ｍｍ×約１００ｍｍに切り出し、均質化のため真空中で５００℃で２４時間の熱処理を行った。その後５００℃で熱間圧延により板厚２．０〜２．５ｍｍまで圧延し、板材を得た。以上のようにして製造した板材について、以下の評価を実施した。

＜評価方法＞
上記サンプルＮｏ．１〜１４（実施例４〜１３および比較例４〜７）の各例のアルミニウム合金について、以下の評価を行った。

１．動的ヤング率
サンプルＮｏ．１〜１４（実施例４〜１３および比較例４〜７）の各例についてＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて、横共振法または超音波パルス法により、圧延方向の動的ヤング率を室温で測定した。この結果を表３に示す。尚、サンプルＮｏ．９（比較例７）については脆かったため試験片作製が出来なかった。

表３の結果より、第３元素としてＺｎを含む場合には、実施例７〜８のようにＣａを７．６ａｔ．％超１２ａｔ．％以下、Ｚｎを０ａｔ．％超３．５ａｔ．％未満含む範囲で、動的ヤング率が４５ＧＰａ以下まで低減する事ができ、非常に低いヤング率が得られた。また、実施例６のように、Ｃａを７．６ａｔ．％未満の範囲でも、Ｚｎが２．０ａｔ．％未満と少ない範囲では、動的ヤング率が５５ＧＰａ以下であり、十分に低いヤング率が得られた。一方、比較例４〜６にあるように、Ｃａを７．６ａｔ．％未満の範囲で、Ｚｎが２．０ａｔ．以上の範囲では、動的ヤング率が５５ＧＰａを超えて大きくなり、十分に低いヤング率を得るのが困難であることがわかった。また、比較例７にあるように、Ｃａが７．６ａｔ．％超１２ａｔ．％以下の範囲であっても、Ｚｎが３．５ａｔ．以上の範囲では、脆化が激しく目的の形状の応力緩衝材料とすることが出来ないことがわかった。また実施例７〜８は、表１の実施例２のように第３元素としてＺｎを含まない場合（Ｃａ含有量は略同じ）と比較すると、動的ヤング率は若干ではあるが増加することがわかった。

第３元素としてＺｒ、Ｔｉを含む場合にも、実施例１０〜１１、１３のようにＣａを０．１〜１２ａｔ．％、ＺｒまたはＴｉを０ａｔ．％超０．１５ａｔ．％以下含む範囲では、動的ヤング率が４５ＧＰａ以下であり、非常に低いヤング率が得られることがわかった。これらの実施例１０〜１１、１３は、実施例９、１２のように第３元素としてＺｒ、Ｔｉを含まない場合（Ｃａ含有量は略同じ）と比較して、動的ヤング率を同等ないしは若干ではあるが低減できることがわかった。

実施例３のＣａ含有アルミニウム合金のＸ線回折パターンを表した解説図である。 実施例２のＣａ含有アルミニウム合金の光学顕微鏡写真である。 実施例３のＣａ含有アルミニウム合金の光学顕微鏡写真である。 比較例１のＣａ含有アルミニウム合金の光学顕微鏡写真である。

Claims (8)

1. Ｃａを３〜１２ａｔ．％含むＣａ含有アルミニウム合金であって、
   元素組成でＣａとＡｌと不可避不純物からなることを特徴とするＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
2. Ｃａを３〜１２ａｔ．％、Ｚｒを０ａｔ．％超０．１５ａｔ．％以下含むＣａ含有アルミニウム合金であって、
   元素組成でＣａとＺｒとＡｌと不可避不純物からなることを特徴とするＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
3. Ｃａを３〜１２ａｔ．％、Ｔｉを０ａｔ．％超０．１５ａｔ．％以下含むＣａ含有アルミニウム合金であって、
   元素組成でＣａとＴｉとＡｌと不可避不純物からなることを特徴とするＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
4. Ｃａを７．６ａｔ．％超〜１２ａｔ．％以下、Ｚｎを０ａｔ．％超３．５ａｔ．％未満含むＣａ含有アルミニウム合金であって、
   元素組成でＣａとＺｎとＡｌと不可避不純物からなることを特徴とするＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
5. 少なくともＡｌとＡｌ₄Ｃａからなる第２相とから構成され、
   前記Ａｌ₄Ｃａからなる第２相の体積分率が、２０〜７０％である事を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
6. 少なくともＡｌとＡｌ₄Ｃａからなる第２相とから構成され、
   前記Ａｌ₄Ｃａからなる第２相が、Ａｌマトリックス中に分散している事を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
7. 少なくともＡｌとＡｌ₄Ｃａからなる第２相とから構成され、
   前記Ａｌ₄Ｃａからなる第２相の平均サイズが、０．０１〜２０μｍである事を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＣａ含有アルミニウム合金からなる応力緩衝材料。
8. 少なくともＡｌとＡｌ₄Ｃａからなる第２相とから構成され、ＡｌとＡｌ₄ＣａのＸ線回折法による回折ピークが、以下式（１）
   式中、Ｉ_Al（１１１）：Ａｌの（１１１）面反射強度
   Ｉ_Al4Ca（１１２）：Ａｌ₄Ｃａの（１１２）面反射強度
   を満たす事を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のＣａ含有アルミニウム合金
   からなる応力緩衝材料。