JP6860768B2 - 鋳造用アルミニウム合金、アルミニウム合金部材、及びアルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents
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Description
Al−Mg−Si系合金は、その性質上、鋳造用の合金としては流動性が不足し、鋳型の隅々まで行き渡らないことから鋳造用途には不向きとされている。
本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、良好な鋳造適性を備えつつ、熱伝導率に優れた鋳造用アルミニウム合金、アルミニウム合金部材、及びアルミニウム合金部材の製造方法を提供することにある。
<1> Si:4.5質量%〜10.0質量%と、Mg:0質量%〜0.2質量%と、Fe:0質量%〜2.5質量%と、Cu:0質量%〜5.0質量%と、残部アルミニウム及び不可避不純物とからなるAl−Si系合金からなり、合金の母相に第2相が存在し、前記第2相の面積率が10%以上である、鋳造用アルミニウム合金である。
<2> 前記第2相が、Si粒子及びFe系晶出物の少なくとも一方を含む相である前記<1>に記載の鋳造用アルミニウム合金である。
<3> Feの含有量が、1.0質量%〜2.5質量%である前記<1>又は前記<2>に記載の鋳造用アルミニウム合金である。
<4> 熱伝導率が、170W/mK以上である前記<1>〜前記<3>のいずれか1つに記載の鋳造用アルミニウム合金である。
<6> ヒートシンクである前記<5>に記載のアルミニウム合金部材である。
<7> 前記<1>〜前記<4>のいずれか1つに記載の鋳造用アルミニウム合金を用いて鋳造する鋳造工程と、
鋳造された鋳物を300℃以上600℃未満の温度領域で加熱する加熱工程と、
を有するアルミニウム合金部材の製造方法である。
本開示の鋳造用アルミニウム合金は、ケイ素(Si)4.5質量%〜10.0質量%と、マグネシウム(Mg)0質量%〜0.2質量%と、鉄(Fe)0質量%〜2.5質量%と、銅(Cu)0質量%〜0.3質量%と、残部アルミニウム(Al)及び不可避不純物と、からなるAl−Si系合金からなり、合金の母相に第2相が存在し、第2相の面積率が10%以上である。
このような状況の下、本開示の鋳造用アルミニウム合金は、Al及びSiを主成分とし、かつ、Mg含有量の少ない(0質量%〜0.2質量%)Al−Si系合金において、合金の母相に他の相(母相とは異なる第2相)が所定の面積率で存在して複相組織をなしていることで、良好な鋳造性を保持しつつ、優れた熱伝導性が発現される。
複相組織をなしていることは、母相中の固溶元素の存在量(固溶量)が減っているためと捉えられ、固溶元素が凝集して母相に存在する第2相が大きくなるほど、母相中に散在している固溶元素による熱伝導阻害が回避されることになり、熱伝導率を高く保持することができる。
第2相の面積率としては、上記と同様の理由から15%以上が好ましい。また、第2相の面積率は、強度が低下し、かつ、延性が損なわれて成形性が低下しやすくなる観点から、30%以下であることが好ましい。
具体的には、特に加熱温度を調整することが好ましく、更には、加熱温度を300℃以上600℃未満の範囲に調節することが第2相の形成に好適である。加熱温度としては、部材形状を維持しつつ、熱伝導率を170W/mK以上に高める観点から、300℃以上550℃以下がより好ましく、300℃以上400℃以下がさらに好ましい。
本開示の鋳造用アルミニウム合金は、Si、Mg、Fe、Cu、残部Al、及び不可避不純物からなり、Si含有量が4.5質量%〜10.0質量%であり、Mg含有量が0質量%〜0.2質量%であり、Fe含有量が0質量%〜2.5質量%であり、Cu含有量が0質量%〜0.3質量%である。
Siは、合金の湯流れ性(金型に対する溶湯の流動性)を良好にする点で好適である。
Si含有量は、鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して、4.5質量%〜10.0質量%である。
Si含有量が4.5質量%以上であると、良好な鋳造適性が得られ、ダイカスト法による鋳造性にも適する。Si含有量は、5.0質量%以上が好ましい。また、Si含有量が10.0質量%以下であると、熱伝導率が損なわれず、熱伝導性の高い合金が得られる。Si含有量は、8.5質量%以下が好ましい。
Mgは、必ずしも含有されている必要はなく、必要に応じて、微量のMgを含有した組成とされてもよい。
Mg含有量は、鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して、0質量%〜0.2質量%である。
Mgは、0質量%を超えて含有されてもよい。Mg含有量が0(ゼロ)を超えている場合、合金成形体の強度を向上させることができる。また、Mg含有量が0.2質量%以下であると、鋳造適性に優れている。Mg含有量は、0.1質量%以下が好ましい。Mg含有量が上記の範囲にある点で、本開示の鋳造用アルミニウム合金は、Al−Mg−Si系合金とは区別される。
Feは、必ずしも含有されている必要はなく、必要に応じて、微量のFeを含有した組成とされてもよい。
Fe含有量は、鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して、0質量%〜2.5質量%である。
Feは、0質量%を超えて含有されてもよい。Fe含有量が0(ゼロ)を超えている場合、Feに起因する熱伝導性の低下を招きやすい。そのため、Feを含有する合金組成の場合において、本発明の一実施形態による効果がより効果的に奏されることになる。かかる観点から、Fe含有量は、1.0質量%以上が好ましい。また、Fe含有量が2.5質量%以下であることで、熱伝導率の低下が小さく抑えられる。Fe含有量は、2.0質量%以下が好ましく、1.8質量%以下がより好ましい。
Cuは、必ずしも含有されている必要はなく、必要に応じて、微量のCuを含有した組成とされてもよい。
Cu含有量は、鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して、0質量%〜5.0質量%である。
Cuは、0質量%を超えて含有されてもよい。Cu含有量が0(ゼロ)を超えている場合、強度を良好にする点で好適である。また、Cu含有量が5.0質量%以下であることで、延性の低下及び疲労強度の低下が避けられる。Cu含有量は、3.5質量%以下が好ましく、1.0質量%以下がより好ましく、0.5質量%以下がさらに好ましい。
鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)は、Alを主成分として他Siを含有するAl−Si系のアルミニウム合金である。
主成分としてのAl含有量は、鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して、85.0質量%〜95.0質量%が好ましく、90.0質量%〜92.0質量%がより好ましい。
鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)は、鋳造性を損なわない範囲で、上記した元素以外の成分を不可避不純物として含有していてもよい。
不可避不純物としては、例えば、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、錫(Sn)、インジウム(In)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、ナトリウム(Na)等が挙げられる。上記の不可避不純物は、過剰に添加された場合に熱伝導性の低下を来たすおそれがある観点から、Ni及びCoの含有量は鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して0.60質量%以下が好ましく、Ni及びCo以外の元素の含有量は鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の全質量に対して0.20質量%以下が好ましい。
本開示の鋳造用アルミニウム合金(Al−Si系合金)の熱伝導率としては、近年のヒートシンク等に要求される放電性能を向上させる観点から、170W/mK以上であることが好ましく、180W/mK以上であることがより好ましい。熱伝導率は、高いほど好ましく、熱伝導率の上限に制限はない。
本開示のアルミニウム合金部材は、既述の鋳造用アルミニウム合金を含むものである。
アルミニウム合金部材に既述の鋳造用アルミニウム合金が含まれるので、鋳造(ダイカスト法による鋳造を含む)しやすく、複雑な形状又は緻密な形状を有する成形体の成形を、精細かつ再現性良く行うことができる。
したがって、例えば、図1に示すような多数枚の羽根が配列されたヒートシンクなどの鋳造を好適に行うことができる。
本開示のアルミニウム合金部材の製造方法は、既述の鋳造用アルミニウム合金を用いて鋳造する鋳造工程と、鋳造された鋳物を300℃以上600℃未満の温度領域で加熱する加熱工程と、を有し、必要に応じて、乾燥処理、表面処理、塗装等の他の工程を有していてもよい。
鋳造工程では、既述の鋳造用アルミニウム合金を用いて鋳造する。
鋳造は、既述の鋳造用アルミニウム合金を用意し、鋳造用アルミニウム合金をその融点よりも高い温度で熱して溶融し、鋳型に流し込み、冷却して所望の形状に固めることにより行える。
鋳型には、金属製の鋳型(金型)、木製の鋳型(木型)等を適宜選択すればよい。
加熱工程では、上記鋳造工程で鋳造された鋳物を300℃以上600℃未満の温度領域で加熱する。
鋳造後に比較的高い温度で加熱処理を施すことにより、母相中に固溶している元素が集合した第2相が形成され、結果、母相中に固溶している元素の固溶量が減り、母相での熱伝導性が向上する。これにより、合金の熱伝導率が飛躍的に向上する。つまり、合金中に母相と第2相とを有する複相組織が形成されることで、母相中の他元素に起因する熱伝導阻害作用が低減し、熱伝導率が向上する。これにより、鋳造適性を良好に維持しながらも優れた熱伝導率を実現することができる。
加熱温度は、300℃以上600℃未満の範囲とする。
加熱温度が300℃以上であると、熱伝導率の向上効果が大きく、例えば10%以上の熱伝導率の向上が期待できる。具体的には、熱伝導率を170W/mK以上に高めることができる。また、加熱温度が600℃未満であることで、熱処理後のアルミニウム合金における膨れの発生が抑制され、アルミニウム合金の形状を維持しやすい。
加熱時間としては、例えば、0.1時間以上3時間以下とすることができ、加熱時間は短いことが望ましいことから、0.1時間以上1時間以下が好ましく、0.1時間以上0.5時間以下がより好ましい。
Al合金として、下記表1に示す組成を有するAl−5%Si合金(供試材1)及びAl−8%Si合金(供試材2)を用意した。
各供試材は、アルミニウムを溶融し、溶融したアルミニウムに表1に示す比率(質量基準)になるように各元素を添加して調製した。
金型を用意し、上記の供試材1、2を順に用いてダイカスト法により円柱状の2種の鋳物を鋳造した(鋳造工程)。ダイカスト法により金型への供試材の注入は、注入圧力90[MPa]の条件にて行った。
このようにして、2種の鋳物について各々15個の評価用試験片を用意した。
次いで、用意した評価用試験片をマッフル炉(FO100、ヤマト科学(株))に入れて下記の条件にて加熱処理を行い(加熱工程)、Al−5%Si合金(供試材1)の評価用合金材、及びAl−8%Si合金(供試材2)の評価用合金材を作製した。
<条件>
・加熱温度:200℃、250℃、300℃、350℃、500℃、550℃、600℃
・加熱時間:10分、30分、60分、
上記のように、供試材1及び供試材2を用いて得た「加熱処理前の『評価用試験片』」と「加熱処理後の『評価用合金材』」とに対して、以下の測定及び評価を行った。測定及び評価の結果は、表2〜表5及び図4〜図10に示す。
渦電流導電率計(DC−11M、Zappitec社)を用い、25℃の室温に管理された室内で測定周波数60KHzの条件にて、加熱処理後の評価用合金材の各々について電気伝導率(%IACS)を5点ずつ測定した。測定値を電気伝導率(S/m)に単位変換し、得られた変換値の平均値からヴィーデマン=フランツ則を用いて熱伝導率(単位:W/mK)を換算した。
Al−5%Si合金(供試材1)の評価用合金材及びAl−8%Si合金(供試材2)の評価用合金材の熱伝導率(単位:W/mK;加熱温度200℃〜500℃、加熱時間60分)を下記表2に示す。
また、表2に示す熱伝導率のうち、Al−5%Si合金(供試材1)の評価用合金材の250℃、300℃及び350℃での熱伝導率を図4に示し、Al−8%Si合金(供試材2)の評価用合金材の250℃、300℃及び350℃での熱伝導率を図5に示す。また、供試材1及び供試材2を350℃で加熱処理した際の熱伝導率の変化を対比して図6に示す。
Al−5%Si合金(供試材1)の評価用合金材及びAl−8%Si合金(供試材2)の評価用合金材について、「加熱処理前の『評価用試験片』」及び「加熱処理後の『評価用合金材』」の表面の金属組織を光学顕微鏡(500倍)で観察した。加熱処理後の『評価用合金材』には、250℃、300℃又は350℃で60分加熱処理して得られた評価用合金材を用いた。
図7Aは、加熱処理前の評価用試験片(供試材1)の表面の金属組織を示し、図8Aは、250℃で加熱処理した評価用合金材(供試材1)の表面の金属組織を示し、図9Aは、300℃で加熱処理した評価用合金材(供試材1)の表面の金属組織を示し、図10Aは、350℃で加熱処理した評価用合金材(供試材1)の表面の金属組織を示し、図11Aは、500℃で加熱処理した評価用合金材(供試材1)の表面の金属組織を示す。
更に、図12Aは、加熱処理前の評価用試験片(供試材2)の表面の金属組織を示し、図13Aは、250℃で加熱処理した評価用合金材(供試材2)の表面の金属組織を示し、図14Aは、300℃で加熱処理した評価用合金材(供試材2)の表面の金属組織を示し、図15Aは、350℃で加熱処理した評価用合金材(供試材2)の表面の金属組織を示し、図16Aは、500℃で加熱処理した評価用合金材(供試材2)の表面の金属組織を示す。
Al−5%Si合金(供試材1)の「加熱処理前の『評価用試験片』」及び「加熱処理後の『評価用合金材』」について、各材料表面の金属組織を光学顕微鏡(500倍)で観察し、観察された光学顕微鏡像を、画像処理ソフトウェア(ImageJ)を用いて2値化した。2値化した光学顕微鏡像を、図7B、図8B、図9B、図10B及び図11B、並びに図12B、図13B、図14B、図15B及び図16Bに示す。
図7B、図8B、図9B、図10B及び図11B、並びに図12B、図13B、図14B、図15B及び図16Bに示されるように、第2相に相当する黒着色された部分の面積を計測し、計測値の観察面の全面積に対する比率(%;面積率)を算出した。算出値は、第2相の面積率を表す。第2相の面積率を下記表3に示す。
なお、図7Bは、図7Aの2値画像であり、図8Bは、図8Aの2値画像であり、図9Bは、図9Aの2値画像であり、図10Bは、図10Aの2値画像であり、図11Bは、図11Aの2値画像である。また、図12Bは、図12Aの2値画像であり、図13Bは、図13Aの2値画像であり、図14Bは、図14Aの2値画像であり、図15Bは、図15Aの2値画像であり、図16Bは、図16Aの2値画像である。
各温度で加熱時間60分の熱処理を行った後の評価用合金材の各々について、日本工業規格(JIS)Z 2244:2009に規定されるビッカース硬さ試験−試験方法により硬さを測定した。下記表4に測定結果を示す。
作製した評価用合金材における第2相の占める面積率を表3に示す。表3に示すように、熱処理していない評価用試験片は、第2相の面積率が低く、250℃で60分熱処理した場合も大幅な面積率の向上は観られなかった。これに対して、300℃で60分熱処理した評価用合金材では、図9に示すように第2相の占める面積率が大きくなって10%を超えるに至っており、図4〜図5(図中の一点鎖線)に表されるように熱伝導率は著しく向上している。図9において、第2相は黒色で表される領域であり、図9中のA部は、Siが集合してできSi粒子であり、図9中のB部は、Fe、Al、Siが集まってできたFe系晶出物である。これらの点については、Al−5%Si合金(供試材1)及びAl−8%Si合金(供試材2)の双方とも同様の結果であった。
A部及びB部のいずれも、Al中の固溶成分であるSiとFeが集まって形成された、母相と異なる相(第2相)であることが分かった。
なお、表5には、300℃で60分加熱した評価用合金材について示したが、他の条件(加熱温度:350℃、500℃、550℃、600℃、加熱時間:10分、30分)で加熱処理した場合も同様の結果であった。
また、図12A〜図16Aに示すAl−8%Si合金(供試材2)についても、ほぼ同様の傾向がみられ、熱処理前の組織にはAlの母相に対して第2相が少ない。これに対し、300℃以上の温度で加熱処理を施した場合、図14A〜図16Aに示すように、Alの母相に対する第2相の割合が増えていることが分かる。そして、表3のように第2相の面積率が増えるにつれて、表2に示すように、合金における熱伝導率の向上効果も大きく現れることが分かる。
本明細書に記述された全ての刊行物や特許出願、並びに技術標準は、それら個々の刊行物や特許出願、並びに技術標準が引用文献として特別に、そして個々に組み込むことが指定されている場合には、該引用文献と同じ限定範囲においてここに組み込まれるものである。本発明の範囲は下記特許請求の範囲及びその等価物に拠って決定されることを企図するものである。
Claims (6)
- Si:4.5質量%〜8.1質量%と、Mg:0質量%〜0.2質量%と、Fe:0.61質量%以上2.5質量%以下と、Cu:0質量%〜5.0質量%と、残部アルミニウム及び不可避不純物とからなるAl−Si系合金からなり、
合金の母相に第2相が存在し、前記第2相の面積率が10%以上であり、
前記第2相が、Si粒子及びFe系晶出物を含む相である、アルミニウム合金鋳物。 - Feの含有量が、1.0質量%〜2.5質量%である請求項1に記載のアルミニウム合金鋳物。
- 熱伝導率が、170W/mK以上である請求項1又は請求項2に記載のアルミニウム合金鋳物。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金鋳物を含むアルミニウム合金部材。
- ヒートシンクである請求項4に記載のアルミニウム合金部材。
- Si:4.5質量%〜8.1質量%と、Mg:0質量%〜0.2質量%と、Fe:0.61質量%以上2.5質量%以下と、Cu:0質量%〜5.0質量%と、残部アルミニウム及び不可避不純物とからなるAl−Si系合金を用いて鋳造する鋳造工程と、
鋳造された鋳物を300℃以上600℃未満の温度領域で0.1時間以上0.75時間以下の加熱時間にて加熱する加熱工程と、
を有する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金鋳物を製造する、アルミニウム合金鋳物の製造方法。
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