JP5987000B2 - 高熱伝導性を有するアルミニウム合金粉末金属 - Google Patents
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Description
この出願は、２０１０年１２月１３日付で提出され米国仮出願番号第６１／４２２，４６４号(発明の名称：高熱伝導性を有するアルミニウム合金粉末金属)に基づく優先権を主張する。その出願に記載された全ての内容は、参考までに本明細書の一部をなす。
本発明は、粉末金属、及び、それから製造された部品に関する。特に、本発明は、アルミニウム合金粉末金属及びそれから製造された粉末金属部品に関する。
様々な分野(使用)において、部品を製造するために用いられた材料の熱伝導性（thermal conductivity）は、デザイン考慮において重要な事項である。ヒートシンクのような特定の部品の場合、熱が該部品を通って伝わる速度（rate）が、該部品の有効性を決める。
従来、粉末金属から製造された部品は、同様の又は非常に類似した化学組成を有する鍛造部品（wrought part）よりも低い熱伝導性を有していた。これは、そうでなければヒートシンクのような大容量の微細な構造（fine feature）を備えた部品を製造するのに適したものであった粉末冶金（powder metallurgy）としては残念なことである。
したがって、焼結部品（sintered part）において、鍛造材料から製造された部品の熱伝導性同様またはそれより優れた熱伝導性を有する粉末金属組成物についてのニーズは存在していた。
したがって、焼結部品（sintered part）において、鍛造材料から製造された部品の熱伝導性同様またはそれより優れた熱伝導性を有する粉末金属組成物についてのニーズは存在していた。
アルミニウム合金粉末金属を開示する。そのアルミニウム合金粉末金属は、マグネシウムおよびスズを添加した、純粋なアルミニウム材料を含む。このアルミニウム合金粉末金属から製造された焼結部品の所定の温度における熱伝導性は、２８０°Ｋ〜３６０°Ｋの温度範囲において、６０６１アルミニウム合金から製造された鍛造部品の所定の温度における熱伝導性を上回る。
前記マグネシウムの添加は、混合粉末（admixed powder）として行なわれ、そして、スズは、元素粉末として添加されるか、又は、前記アルミニウム材料と予め合金（事前合金）され得る。ここで事前合金（pre-alloying）は、例えば、アルミニウム及びスズを含む融解（melt）をガス噴霧することによって行なっても良い。好ましい実施形態において、（添加した）マグネシウムは、アルミニウム合金粉末金属の約１．５重量％であり、そして、（添加した）スズは、アルミニウム合金粉末金属の約１．５重量％である。別の実施形態において、マグネシウムは、０．２〜３．５重量％であり、スズは、０．２〜２．５重量％である。
アルミニウム合金粉末金属には、１以上の別の材料又は成分を添加しても良い。アルミニウム合金粉末金属は、ジルコニウムを添加しても良い。ジルコニウム添加剤は、０．１重量％〜３．０重量％であっても良く、別の実施形態では、約０．２重量％であり得る。アルミニウム合金粉末金属には、銅を添加しても良い。銅添加剤は、マスター合金の一部として、又は、元素粉末として添加しても良い。アルミニウム合金粉末金属には、セラミックを更に添加しても良い。セラミック添加剤は、前記アルミニウム合金粉末金属の１５重量％以下であり得る。セラミック添加剤は、ＳｉＣ及び／又はＡｌＮを含んでも良い。
例えば、アルミニウム材料中にジルコニウムのような遷移金属をガス噴霧することによって、遷移金属はアルミニウム材料を通して均一に分散され得る。アルミニウム合金粉末金属に添加できる遷移元素は、ジルコニウム、チタン、鉄、ニッケル、及び、マンガンなどを含むが、それらに制限されない。
前述したアルミニウム合金粉末金属から焼結粉末金属部品（sintered powder metal part）が製造され得る。焼結粉末金属部品の意外な熱伝導性のために、焼結粉末金属部品は、部品の熱伝導性を活用できるヒートシンクなどであり得る。
別の実施形態において、０．２〜３．５重量％のマグネシウム、０．２〜２．５重量％のスズ、０．１〜３．０重量％のジルコニウムを含むアルミニウム合金粉末金属を開示する。そのアルミニウム合金粉末金属を構成する残りは、純粋なアルミニウムである。
アルミニウム合金粉末金属は、０〜３．０重量％の銅、及び／又は、０〜１５容積％のセラミック添加剤を更に含んでも良い。こうした添加によって、強度及び耐摩耗性（wear resistance）を改善できる。
アルミニウム合金粉末金属から製造された焼結部品の所定の温度における熱伝導性は、少なくとも２８０°Ｋ〜３６０°Ｋの温度範囲において、６０６１アルミニウム合金から製造された鍛造部品の所定の温度における熱伝導性を上回る。
本発明のこれら及び別の利点は、発明の詳細な説明及び図面から明らかになる。以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明の全範囲を理解するためには特許請求の範囲に基づくべきであり、好ましい実施形態は単に特許請求の範囲に入る実施例を説明したものに過ぎない。
焼結されたときに比較的高い熱伝導性（thermal conductivities）を有するアルミニウム合金粉末金属（aluminum alloy powder metal）を開示する。アルミニウム合金は、１以上のマグネシウム（混合されたもの）、銅（マスター合金の一部として、または、元素粉末として添加されたもの）、および、スズ（元素粉末として添加されたもの、および／又は、アルミニウムと予め合金されたもの（prealloyed））を含んでも良い。アルミニウム合金粉末金属は、０．１〜３重量％の範囲で合金されたジルコニウムのような遷移金属をさらに含んでも良い。しかし、この範囲は、６．０重量％のジルコニウムまで含んでも良いと思われる。ジルコニウムの存在は、再結晶抵抗（recrystallization resistance）を増加させる。
一部の実施形態において、アルミニウム合金粉末金属の組成は、１以上の以下の範囲の合金用元素（alloying element）を含む純粋なアルミニウムを有しても良い：０．２〜３．５重量％のマグネシウム；０．２〜２．５重量％のスズ；および、０．１〜３．０重量％のジルコニウム。場合によっては、０〜３．０重量％の銅を含み、および／または、０〜１５容積％（volume percent）のセラミック添加剤（例えば、ＳｉＣおよび／又はＡｌＮ）を含み得る。
従来、合金用元素を粉末混合物に加えられたとき、これらの合金用元素（alloying element）を元素粉末（即ち、専ら合金用元素だけを含む純粋な粉末）、または、基礎材（base material）（この場合では、アルミニウムである）および合金用元素の両方を大量に含むマスター合金（master alloy）として添加される。マスター合金が使用されたとき、最終的な部品において所定量の合金用元素を得るために、このマスター合金は基礎材の元素粉末で切断され得る。
対照的に、アルミニウム粉末金属中の合金用元素の一部は、合金用元素又は元素の所定の最終的な組成（物）含んだアルミニウム‐合金用元素融解（aluminum-alloying element melt）を空気又はガス噴霧することによって、粉末金属にドープされ得る。その粉末を空気粉末化すること（air atomizing）は、より高濃度の合金用元素では問題となることがあるので、高含量の合金用元素を含むドープされた粉末を粉末化することはできないかもしれない（この時点では、転移元素の含量が６重量％を超える場合を想定する）。
合金用元素によっては、合金用元素のドーピング（doping）または事前ドーピング（pre-doping）が微細構造（microstructure）の最終的な形状に影響し得る。例えば、アルミニウム中遷移元素の添加は、合金を強化し、一定の温度範囲における安定した金属間化合物（intermetallics）の形成をもたらすことができ、そして、易焼結性（sinterability）を向上させ得る。遷移元素が元素粉末として、または、マスター合金の一部として添加されると、金属間化合物相は、粒の境界に沿って優先的に形成され、そして、比較的に遅い拡散（diffusion kinetics）および化学的溶解度（chemical solubility）に基づいて、焼結された微細構造内に遷移元素が均一に分布されないので、サイズ的に粗末（粗い）なものとなってしまう。これらの条件下で、金属間（化合物）相は、最終的な部品の特定に専ら制限された改善だけをもたらす。元素粉末の形態またはマスター合金の一部として遷移元素を加えるよりも、アルミニウム粉末中に遷移元素をドープすることによって、遷移元素は、全体の粉末金属を通してよりまんべんなく、均一的に分散される。したがって、遷移元素がドープされた部品の最終的な形状は、アルミニウムの粒を通して配置された転移元素を有し、そして、金属間化合物は、主にそれらの有効性が非常に限られた粒の境界に沿った配置に格下げられたり、制限されたりしない。
図１に戻ると、様々な材料の熱伝導性は、２８０Ｋ〜３９０Ｋの温度範囲において説明されている。９つの異なる材料（周知の材料である７つの材料 Alumix 123、Alumix 231、Dal Al-6Si、Wrought（鍛造）6061アルミニウム合金、Alumix 431D、ダイキャスト（die cast） A380、 及び、PM 2324-T1と、２つの新しい材料である新規のAl-1.5Mg-1.5Sn粉末金属、および、新規のAl-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属）を互いに比較した。粉末金属材料の場合、サンプルはテストの前に圧縮、焼結されたが、Ｗｒｏｕｇｈｔ６０６１（鍛造６０６１）およびダイキャストＡ３８０は完全に緻密な形態（fully dense form）で提供された。
このチャートから、新規の粉末金属材料（Al-1.5Mg-1.5Sn及びAl-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr）の他に、最も大きい熱伝導性を有する材料は、（汎用の）アルミニウム材料である鍛造６０６１アルミニウムであることが分かる。鍛造６０６１材料の熱伝導性は、２８０Ｋで約１９０Ｗ／ｍ−Ｋから３９０Ｋで約２４５Ｗ／ｍ−Ｋである。その他のサンプル材料全てはこの範囲に比べて有意に低い熱伝導性を有し、大概２８０Ｋで１６０Ｗ／ｍ−Ｋ未満から３９０Ｋで１９５Ｗ／ｍ−ｋ未満である。大部分の温度範囲において、粉末金属材料は、鍛造６０６１アルミニウムよりも約３０Ｋ少ない熱伝導性を有している。
しかし、新規のAl-1.5Mg-1.5Sn及びAl-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属から製造されたサンプルは、この温度範囲において意外な熱伝導性を有する。このように向上された熱伝導性は、部分的には、Al-1.5Mg-1.5Sn及びAl-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属が、相当な緻密化（considerable densification）を示すことと、アルミニウム粉末の最小の窒化（nitridation）に起因するであろう。
Al-1.5Mg-1.5Sn及びAl-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属組成物の両方は、３８０Ｋまでに鍛造６０６１アルミニウムの熱伝導性よりも上回る熱伝導性を有する。約２７５Ｋにおけるこれらの新規の粉末金属組成物と鍛造６０６１材料間における相違は、著しく、ここで、新規の粉末金属組成物は、２２０Ｗ／ｍ−Ｋ足らずの熱伝導性を有し、鍛造６０６１アルミニウムは、約１９０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導性を有する。温度が３９０Ｋまで上がるのにつれて、Al-1.5Mg-1.5Sn粉末金属サンプルの熱伝導性及び鍛造６０６１アルミニウム合金の熱伝導性は、２４０Ｗ／ｍ−Ｋにおいて合流する。しかし、この温度を超えても、Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属サンプルは、鍛造６０６１アルミニウム合金を超える熱伝導性を有し続ける。ここで、Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属サンプルは、３９０Ｋにおいて、２６０Ｗ／ｍ−Ｋ程度の熱伝導性を有する。
図２には、Al-1.5Mg-1.5Sn系についての最終的な引張強度（ultimate tensile strength；ＵＴＳ）に対するＡｌＮ及びＳｉＣ添加剤の効果が示されている。Al-1.5Mg-1.5Sn系内にＡｌＮを含ませることによって、最終的な引張強度を１５容積％まで引き上げることができる（この時点において、材料の最終的な引張強度は、約１４０ＭＰａである）。この時点を越えて任意のセラミックを添加すると、この系の最終的な引張強度は下がる傾向がある。
図１及び２に含まれたデータには表れていないが、ＡｌＮの添加は、これらの合金の易焼結性（sinterability）に比較的マイルドな効果を及ぼす。また、Al-1.5Mg-1.5Sn及びAl-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属から製造された部品の圧縮圧（compaction pressure）は、これらの粉末の易焼結性を有意に変えない。
したがって、従来のアルミニウム合金粉末金属材料よりも高い熱伝導性を有する新規のアルミニウム合金粉末金属組成物を開示する。これらの新規の粉末金属は、ヒートシンクのような、該部品の向上された熱伝導性から利益を享受できる焼結部品を製造するのに用いられ、また、それらの高生産容積に基づいて、粉末冶金による製造に適した候補でもある。
好ましい実施形態に対する様々な変更および改質は、本発明の精神および範囲に含まれる。したがって、本発明は、前述した実施形態に限定されない。本発明の全範囲は、以下の特許請求の範囲によって定まる。
Claims (10)
- マグネシウムおよびスズを添加した純粋なアルミニウム材料を含むアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの粉末冶金による製造方法であって、
前記マグネシウムの添加は、混合粉末として行なわれ、そして、前記スズは、元素粉末として添加されるか、又は、前記アルミニウム材料と予め合金されており、
０．２〜３．５重量％のマグネシウム、及び、０．２〜２．５重量％のスズを含む、
アルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。 - 前記マグネシウムは、前記アルミニウム合金粉末金属の１．５重量％であり、そして、前記スズは、前記アルミニウム合金粉末金属の１．５重量％である、請求項１に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末金属が、０〜３．０重量％の銅を更に含む、請求項１に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末金属が、０〜１５容積％のセラミック添加剤を更に含む、請求項１に記載のアルミニウム合金粉末金属から製造されたヒートシンクの製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末金属が、０〜１５容積％のセラミック添加剤と、０〜３．０重量％の銅を更に含む、請求項１に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末金属が、ジルコニウムをさらに添加したものである、請求項１に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記ジルコニウムが、０．１重量％〜３．０重量％である、請求項６に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記ジルコニウムが、０．２重量％である、請求項７に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末金属が、更に銅を添加したものである、請求項１に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
- 前記銅が、マスター合金の一部として、又は、元素粉末として添加されている、請求項９に記載のアルミニウム合金粉末金属を用いたヒートシンクの製造方法。
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