JP6427268B2

JP6427268B2 - 耐食性が改善されたダイカスト用アルミニウム合金、周波数フィルタおよび通信機器部品の製造方法

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Publication number: JP6427268B2
Application number: JP2017522376A
Authority: JP
Inventors: キムヨーン−ヨン; ヨーチャン−ウー
Original assignee: ケーエムダブリュ・インコーポレーテッド
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: WO2016068494A1; US10525528B2; US20170252800A1; JP2017538031A; CN107208198A; KR101606525B1

Description

本発明は、耐食性が改善されたダイカスト用アルミニウム合金に関し、具体的には、アルミニウムに特定組成の多様な合金元素を混合してダイカストに適合するように構成された耐食性に優れたアルミニウム合金に関する。

一般に、アルミニウムは軽くて鋳造しやすく、他の金属との合金が容易であり、更に常温及び高温での加工が容易で、かつ、電気及び熱の伝導性がよいことから、産業全般にわたって広く用いられている。特に、近年は自動車及び電子製品などの燃費向上又は重量軽減などのために、アルミニウムに他の金属を混合したアルミニウム合金が多く用いられる。

通常、アルミニウム合金で製品を製造する方法は、プレス成形によってケースを形成し、ケースの表面に陽極酸化皮膜を形成するものであるが、この方法によれば、長時間使用しても損傷せず、美麗な色つきの表面を有するケースを得ることができるが、プレス加工により成形できない形状があるため、ケースのデザインに制限があるという問題がある。

従って、アルミニウム合金で製品を製造する方法として、ダイカスト（ｄｉｅｃａｓｔｉｎｇ）方法が多く用いられるが、ダイカストは必要な鋳造形状に合せて正確に機械加工された金型に溶融金属を注入して金型と同一の鋳物を得る精密鋳造法である。このようなダイカスト方法によれば、生産される製品の寸法が正確であるので、精密加工する必要が殆どなく、機械的性質に優れ、大量生産が可能であり、生産コストが安価なことから、高い量産性を有して自動車部品、電気機器、光学機器、計測器など多様な分野で最も多く利用されているのが現状である。

現在広く用いられているダイカスト用アルミニウム合金としては、鋳造性に優れたＡＬＤＣ３種、ＡＬＤＣ１０種、ＡＬＤＣ１２種などのＡｌ-Ｓｉ系合金とＡＬＤＣ５種あるいはＡＬＤＣ６種などのＡｌ-Ｍｇ系合金が用いられてきた。しかし、これらのアルミニウムダイカスト材は耐食性が悪いため、適用範囲の拡大に制約が伴う。このような悪い耐食性を改善するために、物理的蒸着法を用いて合金の表面に保護被膜を形成させる方法があるが、この方法は真空装置などの高価な付帯装置を必要とし、リサイクルも難しいという問題がある。また、他の方法としては、腐食抵抗性を持つ元素のイオンを合金の表面に注入するイオン注入法、合金の表面にレーザを走査して表面層に準安定性状態を形成させるレーザアニール法などが挙げられるが、前者はイオン注入の深さに制限があり、使用中にイオン注入層が損傷すれば、腐食抵抗性が急激に低下するという問題があり、後者は処理過程中に製品の大きさが変わるので、別途の機械加工を必要とするという短所がある。

従って、軽くて耐久性に優れたアルミニウム合金で多様な形状の製品を容易に成形でき、同時に製品表面の後処理工程を経なくても、従来よりも優れた耐食性を有する新しいダイカスト用アルミニウム合金の開発が要求されている。

そこで、本発明者は、純アルミニウムにＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｂｅ、Ｃｏ、Ｓｎなどの多様な合金元素を一定量ずつ混合して各成分の特性によってアルミニウム合金の物性は維持しながらも、軽くて耐食性を改善できる方法を探すために鋭意努力した結果、従来のアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）のような別途の表面処理工程を経なくても、従来のダイカストアルミニウム合金よりも耐食性が改善され、成形品の重さを大幅に軽減できる合金の組成及び最適の組成比を見つけ、本発
明を完成するに至った。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、アルミニウムにマグネシウム、ケイ素、鉄、マンガン、銅及びチタニウムを合金して別途の表面処理工程がなくても耐食性を改善させることができるダイカスト用アルミニウム合金を提供することにある。

本発明の他の目的は、製品の軽量化と高耐食性を同時に要求する電子又は通信用機器の製作のためのダイカスト用アルミニウム合金を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の一態様として、本発明は、マグネシウム（Ｍｇ）６〜８.５重量％、ケイ素（Ｓｉ）４〜６重量％、鉄（Ｆｅ）０.４〜０.８重量％、マンガン（Ｍｎ）０.２〜０.５重量％、銅（Ｃｕ）０.０１〜０.１重量％、チタニウム（Ｔｉ）０.０５〜０.１５重量％及び残部のアルミニウム（Ａｌ）を含むダイカスト用アルミニウム合金を提供する。

また、前記ダイカスト用アルミニウム合金は、ベリリウム（Ｂｅ）及びコバルト（Ｃｏ）で構成された群より選択された１種以上を０.００１〜０.０１重量％で更に含むことができる。

更に、本発明は、前記ダイカスト用アルミニウム合金で製造された周波数フィルタ（ケース）を提供する。

また、本発明は、マグネシウム（Ｍｇ）６〜８.５重量％、ケイ素（Ｓｉ）４〜６重量％、鉄（Ｆｅ）０.４〜０.８重量％、マンガン（Ｍｎ）０.２〜０.５重量％、銅（Ｃｕ）０.０１〜０.１重量％、チタニウム（Ｔｉ）０.０５〜０.１５重量％、及び残部のアルミニウム（Ａｌ）で構成されたインゴット製造段階、前記インゴットを溶湯で溶解させる溶解段階、及び前記溶湯をダイカスト金型を用いて成形品に製作するダイカスト段階を含む、耐食性が改善された通信機器部品の製造方法を提供する。

本発明のダイカスト用アルミニウム合金によれば、マグネシウム（Ｍｇ）６〜８.５重量％、ケイ素（Ｓｉ）４〜６重量％、鉄（Ｆｅ）０.４〜０.８重量％、マンガン（Ｍｎ）０.２〜０.５重量％、銅（Ｃｕ）０.０１〜０.１重量％、チタニウム（Ｔｉ）０.０５〜０.１５重量％、及び残部のアルミニウム（Ａｌ）で構成されることによって、従来と類似の物性を維持しながらも、相対的に低い比重により従来の製品よりも軽く、別途の表面処理工程を経なくても優れた耐食性を有するので、低コストで軽量化及び高耐食性を要求する航空機、鉄道車両、自動車、電子又は通信機器用部品の製作のためのダイカスト用素材として使用できるという効果を奏する。

本発明によって製造された試験片に対して塩水噴霧試験条件下でそれぞれ１２０時間、２６４時間、５７６時間及び７７４時間経過後に何ら表面処理を施していない状態で表面様相の変化を測定した写真である。従来のダイカスト用アルミニウム合金であるＡＬＤＣ３種製品に対して塩水噴霧試験条件下でそれぞれ１２０時間、２６４時間、５７６時間及び７７４時間経過後に何ら表面処理を施していない状態で表面様相の変化を測定した写真である。従来のダイカスト用アルミニウム合金であるＡＬＤＣ１２種製品に対して塩水噴霧試験条件下でそれぞれ１２０時間、２６４時間、５７６時間及び７７４時間経過後に何ら表面処理を施していない状態で表面様相の変化を測定した写真である。本発明によるダイカスト用アルミニウム合金のガスに対する耐食性を確認した実験結果を示す図である（上段左側：試片の写真、上段右側：腐食実験チャンバ（Ｗｅｉｓｓ-ＷＫ１１-３４０-４０）の写真、右段：実験結果の写真）。本発明によるダイカスト用アルミニウム合金を製造し、これを用いて成形品を製造する全過程を示す順序図である。

本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）６〜８.５重量％、ケイ素（Ｓｉ）４〜６重量％、鉄（Ｆｅ）０.４〜０.８重量％、マンガン（Ｍｎ）０.２〜０.５重量％、銅（Ｃｕ）０.０１〜０.１重量％、チタニウム（Ｔｉ）０.０５〜０.１５重量％、及び残部のアルミニウム（Ａｌ）を含む。

前記合金は、極微量の付随的な不純物を含むことができ、存在し得る付随的な不純物としては、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｃａ、他の転移金属元素、他の希土類元素などが挙げられ、これに制限されない。付随的な不純物は、キャスティング毎に多様であり得るが、これらの存在が本発明に影響を与えるのではなく、好ましくは、不純物の総量は０.０１重量％未満であり得る。

本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）を６〜８.５％重量％で含む。マグネシウム成分は、引張強度を向上させるだけでなく、Ｓｉよりも軽くて製品の軽量化に有利であるという長所がある。マグネシウムの含有量が６重量％未満であれば、引張強度の増加効果が得られず、マグネシウムの含有量が８.５重量％を超えれば、耐食性が低下し、溶湯のくっつく性質の増強により、流動性を低下させて作業性が低下する原因となる。

特に、本発明のアルミニウム合金は、従来のＡｌ-Ｓｉ系合金と比較するとき、顕著に多量のマグネシウムを含み、Ａｌ-Ｍｇ系合金よりも更に多くのマグネシウムを含むが、前記本発明のマグネシウム含有量は、耐食性と作業性を低下させないながらも、製品の軽量化という目的を達成できる組成という点で技術的意味がある。このような特徴のため、軽量化と高耐食性を同時に要求する電子機器や通信機器の部品に適用され得、特に携帯用製品に有利である。

ケイ素（シリコン）成分は、アルミニウム合金の流動性を向上させて成形性を良くし、硬度を向上させる機能を行う。本発明のダイカスト用アルミニウム合金において、前記Ｓｉの含有量は、合金全体の総重量を基準に４〜６重量％の範囲で添加されることが好ましい。Ｓｉ成分が４重量％未満であれば、添加の効果が少なく、反面６重量％を超えれば、熱膨張係数及び伸び率が低下し、表面に斑が発生するおそれがある。

また、本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、鉄（Ｆｅ）０.４〜０.８重量％を含む。Ｆｅ成分は、ダイカスト用金型での粘着性を減少させ、金型の侵食を低下させる機能を行う。Ｆｅ成分が合金全体の総重量を基準に０.４重量％未満であれば、鋳造品の脱型性が難しく、反面０.８重量％を超える場合には、アルミニウム合金の耐食性を低下させるおそれがある。

更に、本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、マンガン（Ｍｎ）０.２〜０.５重量％を含む。Ｍｎ成分は、合金でＭｎ-Ａｌ６相を析出させて固溶強化現象と微細析出物の分散によって合金の機械的性質を向上させる機能を行う。Ｍｎ成分が合金全体の総重量を基準に０.２重量％未満であれば、前記機械的性質の向上が少ない反面、０.５重量％を超える場合には、粘着性によりＭｇと同様、作業性を低下させるおそれがある。

また、本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、銅（Ｃｕ）０.０１〜０.１重量％を含む。Ｃｕ成分は、合金で強度及び硬度を向上させる機能を行う。Ｃｕ成分が合金の総重量を基準に０.０１重量％未満であれば、前記機械的性質の向上が少ない反面、０.１重量％を超える場合には、耐食性及び伸び率を低下させるおそれがある。

チタニウム（Ｔｉ）成分は、アルミニウム合金に添加されて結晶粒を微細化させる機能を行い、本発明のダイカスト用アルミニウム合金において、前記Ｔｉの含有量は、合金全体の総重量を基準に０.０５〜０.１５重量％の範囲で添加されることが好ましい。Ｔｉ成分が０.０５重量％未満であれば、結晶粒の微細化効果が得られず、反面０.１５重量％を超える場合には、伸び率低下の原因となる。

このとき、前述したアルミニウム、ケイ素、鉄、銅及びチタニウムは、純度が９９％のものを用いることが好ましい。

また、前記合金は、選択的にベリリウム（Ｂｅ）及びコバルト（Ｃｏ）で構成された群より選択された１種以上を０.００１〜０.０１重量％で更に含むことができる。

前記Ｂｅ成分は、結晶粒を微細化させる機能を行い、本発明のように、マグネシウムの含有量が多い合金に添加される場合、酸化の速度を遅らせることができるが、価格が非常に高いという短所がある。また、Ｃｏ成分は、添加時に合金の機械的強度を高め、金型焼着を防止する機能を行える。

他の様態として、本発明は、マグネシウム（Ｍｇ）６〜８.５重量％、ケイ素（Ｓｉ）４〜６重量％、鉄（Ｆｅ）０.４〜０.８重量％、マンガン（Ｍｎ）０.２〜０.５重量％、銅（Ｃｕ）０.０１〜０.１重量％、チタニウム（Ｔｉ）０.０５〜０.１５重量％、及び残部のアルミニウム（Ａｌ）で構成されたインゴット生産段階、前記インゴットを溶湯で溶解させる溶解段階、及び前記溶湯をダイカスト金型を用いて成形品に製作するダイカスト段階を含む、耐食性が改善された通信機器部品の製造方法を提供する。

本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、一般的な合金製造方法によって製造され得る。例えば、電気炉で純アルミニウムを溶解し、予め製造した他の合金成分を前記純アルミニウム溶湯に投入して溶解し、溶湯攪拌及び脱ガス処理を施した後、ダイカスト用アルミニウム合金インゴットを得る方法で製造され得る。図３は、本発明のダイカスト用アルミニウム合金インゴットの製造過程及びインゴットを再溶解してダイカスト装置に注入し、注入された溶解物を査出して冷却凝固させて成形品を製造する全過程を説明するための工程流れ図である。

前記溶解段階は７００〜７８０℃の温度で実行されることができ、前記再溶解段階は６８０〜７００℃以下の温度で実行されることができる。また、前記査出は、前記ダイカスト装置に備えられた金型の温度を１５０℃の温度で予熱した後に実行され得、０.４〜１.２ｍ/ｓの速度と、１００〜１２０ｋｇ/_ｃｍ ^２の圧力で実行され得る。

本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、金型にくっつかないため、作業性が容易であり、物性が従来と類似に維持されるか、優れていながらも、軽く、耐食性も優れているため、製品の軽量化及び高耐食性を同時に要求する電子又は通信用機器の部品を製造するのに適用できる。好ましくは、前記通信用機器の部品は、周波数フィルタであり得る。このような周波数フィルタは、特定帯域の周波数をフィルタリングする移動通信基地局用送
受信装置であって、低い挿入損失と高い減殺量が要求されるだけでなく、その大きさと重さを大幅に軽減させて小型化及び軽量化することも重要な技術的課題の１つであるが、本発明によるダイカストアルミニウム合金がそのような要求を満足させることができる。

以下では本発明の具体的な実施形態によって本発明を更に詳細に説明する。しかし、これらの実施形態は、本発明を例示的に説明するためのものであって、本発明の範囲がこれらの実施形態に限定されるものではない。

実施形態１:ダイカスト用アルミニウム合金の製造及び物性試験
本発明の耐食性に優れたダイカスト用アルミニウム合金を製造するために、マグネシウム、ケイ素、鉄、マンガン、銅、チタニウム、及びアルミニウムの７種類の成分を下記表１の合金組成を有するように純アルミニウムと他の合金元素を準備して炉で約７４０℃の温度で溶解して溶湯化し、溶湯の撹拌及び脱ガス処理を施した後、安定化過程を経てアルミニウム合金インゴットを製造した。

そして、前記インゴットを保温炉で再溶解し、溶湯を６９０℃の温度に維持した後、公知の方法によってダイカスト装置を用いて金型に投入して査出及び冷却し、図１Ａに示すような塩水試験用試験片を製造し、前記試験片の製造時にアノダイジング過程は経なかった。即ち、図１Ａは何ら表面処理を施していない状態で表面様相の変化を測定した写真である。

一方、比較例として、ＡＬＤＣ３種及びＡＬＤＣ１２種の合金製品を用意した。比較実施例に用いられたＡＬＤＣ１２種の具体的な合金組成は表２の通りである。

前記試験片に対して機械的特性を確認するために、引張試験器（ＳＨＩＭＡＤＺＵ、ＡＧ-１）を用いてＫＳＢ０８０２によって常温で引張強度を測定し、前記本発明の試験片及び比較実施例（ＡＬＤＣ１２.１）の試験片の引張強度はそれぞれ１０１ＭＰａと１１６ＭＰａであって、類似な水準の高強度であることが分かった。一方、熱的特性を確認するために、熱膨張試験器を用いてＡＳＴＭＥ１４６１によって測定した熱伝導性は９９Ｗ/ｍ-Ｋであって、一般的なＡＬＤＣ１２.１の基準値である９６.２Ｗ/ｍ-Ｋよりも若干高くなり、電気的特性を確認するために、低抵抗率計（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈ、ＭＣＰ-Ｔ６１０）を用いてＡＳＴＭＤ９９１によって電気抵抗率を測定した結果、１.０７×１０-５ｏｈｍ-ｃｍであって、一般的なＡＬＤＣ１２.１の基準値である０.７５×１０-５ｏｈｍ-ｃｍよりも高くなることが分かった。

前記実験から分かるように、本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、物性の側面で従来と比較して類似であるか、更に優れた物性を有することが確認できた。

実施形態２：塩水試験
前記実施形態１による組成で製造したアルミニウム合金試験片と比較実施例であるＡＬＤＣ３種及びＡＬＤＣ１２種の合金製品に対して耐食性を確認するために、塩水試験器を用いて塩水試験を行った。前記塩水噴霧試験は、ＡＳＴＭＢ１１７規定によって行い、溶液は５ｗｔ.％ＮａＣｌ溶液を用い、塩水試験器内の温度は３５℃に一定に維持しながら連続噴射し、１２０時間、２６４時間、５７６時間、及び７７４時間経過後にピンホールと膨脹（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）が発生するかを中心に表面の腐食挙動を測定した（図１Ａ〜図１Ｃ参照）。また、表面の腐食程度を肉眼で観察した結果を比較して下記表３に整理した。

図１Ａ〜図１Ｃ及び表３の結果から分かるように、本発明によるダイカスト用アルミニウム合金は、７５０時間が経過しても若干の表面変色のみ発生するだけであって、腐食が全く現れず、従来のダイカスト用アルミニウム合金ＡＬＤＣ３種は、１２０時間の経過時に既に腐食が進み始め、ＡＬＤＣ１２種は、腐食が相当部分進んでおり、時間が経過するにつれ、このような腐食の程度は更に深刻になることが確認できた。

従って、本発明によるダイカスト用アルミニウム合金は、合金の物性は維持しながらも、従来よりも軽くて作業性がよく、かつ耐食性が改善されたことが確認できた。

実施形態３：ガスに対する耐食性の試験
本発明によるダイカスト用アルミニウム合金のガスに対する耐食性を確認するために、試験標準をＩＥＣ６００６８-２-６０、Ｍｅｔｈｏｄ３とし、３５℃、ＲＨ７５％、２４０時間の試験条件で腐食実験チャンバ（Ｗｅｉｓｓ、ＷＫ１１-３４０-４０）を用いて実験を行った。その結果も図２から分かるように、ガスに対する耐食性も良好であることが確認できた。

本発明の保護範囲は、請求の範囲に記載された事項によってのみ制限され、本発明の技術分野における通常の知識を有する者は本発明の技術的思想を多様な形態で改良変更することが可能である。従って、このような改良及び変更は通常の知識を有する者に自明なこ
とである限り、本発明の保護範囲に属すると言える。

Claims

マグネシウム（Ｍｇ）７．８２〜７．９１重量％、ケイ素（Ｓｉ）４．５０〜４．６０重量％、鉄（Ｆｅ）０．５７〜０．５９重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３０４〜０．３４１重量％、銅（Ｃｕ）０．０３５〜０．０７９重量％、チタニウム（Ｔｉ）０．０９３〜０．０９６重量％、及び残部のアルミニウム（Ａｌ）を含む、耐食性が改善されたダイカスト用アルミニウム合金。
請求項１に記載のダイカスト用アルミニウム合金で製造されたことを特徴とする周波数フィルタ。
マグネシウム（Ｍｇ）７．８２〜７．９１重量％、ケイ素（Ｓｉ）４．５０〜４．６０重量％、鉄（Ｆｅ）０・５７〜０．５９重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３０４〜０．３４１重量％、銅（Ｃｕ）０．０３５〜０．０７９重量％、チタニウム（Ｔｉ）０．０９３〜０．０９６重量％、及び残部のアルミニウム（Ａｌ）で構成されたインゴット生産段階と、
前記インゴットを溶湯で溶解させる溶解段階と、
前記溶湯をダイカスト金型を用いて成形品に製作するダイカスト段階とを含む、耐食性が改善された通信機器部品の製造方法。
前記通信機器部品は、周波数フィルタであることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。