JP7449367B2 - ダイカストアルミニウム合金、アルミニウム合金ダイカスト材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、合金材料の技術分野に属し、熱伝導性及び鋳造性に優れたダイカストアルミニウム合金に関するものであり、特に大型ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器用のダイカストアルミニウム合金、アルミニウム合金ダイカスト材及びその製造方法に関するものである。
近年、自動車の電動化や電機・電子機器の高性能化、また通信速度向上が求められおり、それらの実現のため多くの半導体やモータが使用されている。半導体やモータの能力を上げることで発生する熱量は増加するが、これらの性能を保証するためには発生する熱を除去する必要がある。そのために、ヒートシンクや容器自体の熱伝導性の向上が望まれている。特に５Ｇ基地局の建設に伴い、通信設備の基地局施設用ヒートシンクの生産量が増加している。基地局施設用ヒートシンクの生産には、電気及び熱を伝導しやすく、大型成形が可能なアルミニウム合金の提供が必要とされている。
これに対し、特許文献１には、Ｓｉを１３ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下含有し、低熱膨張でありかつ高熱伝導率を有するＡｌ－Ｓｉ合金が開示されている。低熱膨張の材料を得るためには、Ｓｉを多量に含有する組成が必要であるが、Ｓｉの含有量が多くなると融点が上昇するため、鋳造困難とされていた。そのため、特許文献1では当該合金を３００～８００Ｋ／ｓｅｃの速度で急冷し、ダイカストしている。
また、特許文献２には、Ｓｉ：４．０～１４．０ｗｔ％、Ｆｅ：０．２～１．０ｗｔ％を含み、熱伝導性に優れたヒートシンク用アルミニウム合金材料が開示されている。合金中のＳｉ量を増加させると熱伝導率が低下するため、当該問題を解決するために、特許文献２では合金中の成分の含有量が最適化されている。しかし、特許文献２の表１に示された発明例には、Ｓｉ含有量が６．０、９．０、１３．０ｗｔ％の発明例だけが開示されており、Ｓｉの含有量はそれ以上最適化されていない。したがって、ヒートシンク用アルミニウム合金材料の熱伝導性及び鋳造性には、依然として改善の余地がある。
更に、特許文献３には、８ｍａｓｓ％（以下％）＜Ｓｉ＜１１％、０．２％＜Ｍｇ＜０．３％、０．３％＜Ｆｅ＜０．７％、０．１５％＜Ｍｎ＜０．３５％、１＜Ｆｅ＋Ｍｎ×２、０．００５％＜Ｓｒ＜０．０２０％、Ｃｕ＜０．２％、Ｚｎ＜０．２％を含有するアルミニウム合金部材が開示されている。当該合金部材は、鋳造後、２００℃＜Ｔ＜２５０℃で０．１～１時間保持され、室温における引張耐力は２００ＭＰａ以上であるが、熱伝導率は１４５Ｗ／ｍ・Ｋ以上に過ぎない。従って、その熱伝導性には依然として改善の余地がある。
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、熱伝導性及び鋳造性により優れた、大型ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器用のダイカストアルミニウム合金、アルミニウム合金ダイカスト材及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、アルミニウム合金の全体質量を基準として、Ｓｉ：９．５質量％以上かつ１２質量％以下、 Ｆｅ：０．３質量％以上かつ１．０質量％以下、Ｍｇ：０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなること、を特徴とするダイカストアルミニウム合金に関するものである。
本発明のダイカストアルミニウム合金は、アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｒ：０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下、
Ｎａ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｋ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｂｅ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｃａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｂａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含み、
（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）＞３．５であること、が好ましい。
Ｓｒ：０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下、
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また、本発明のダイカストアルミニウム合金は、Ｍｎ、Ｔｉ及びＺｒのいずれをも含まないことが好ましい。
好ましい実施形態において、本発明のダイカストアルミニウム合金は、Ｓｉの含有量が１０質量％以上かつ１１質量％以下であり、Ｆｅの含有量が０．４質量％以上かつ０．８質量％以下であり、Ｍｇの含有量が０．２質量％以上かつ０．３質量％以下であり、Ｓｒの含有量が０．０１０質量％以上かつ０．０３０質量％以下またはＣａの含有量が０．００５質量％以上かつ０．０２０質量％以下である。
具体的な実施形態において、本発明のダイカストアルミニウム合金は、ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器用であり、特に大型ヒートシンクに用いることが可能である。
また、本発明は、本発明のダイカストアルミニウム合金で構成されたアルミニウム合金ダイカスト材を提供する。本発明のアルミニウム合金ダイカスト材は、耐力が１３０ＭＰａ以上であり、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、好ましくは耐力が１４０ＭＰａ以上であり、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、伸びが５％以上である。
具体的な実施形態において、本発明のアルミニウム合金ダイカスト材は、ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器用である。
また、本発明は、ダイカスト法によって本発明のアルミニウム合金を成形し、１００℃／秒以上の冷却速度で２００℃以下の温度まで冷却した後、溶体化処理を行わずに、２００～２４０℃で１～６時間の条件において時効処理を行うアルミニウムダイカスト材の製造方法も提供する。
好ましい実施形態において、時効処理の条件は、２００～２２０℃で４～６時間である。
更に、本発明は、本発明のダイカストアルミニウム合金で構成され、又は本発明のアルミニウム合金ダイカスト材の製造方法で製造されたヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器も提供する。
本発明の提供するダイカストアルミニウム合金、又は本発明の製造方法で製造されたアルミニウム合金ダイカスト材は、より優れた熱伝導性及び鋳造性を有し、熱伝導性及び鋳造性により優れた大型ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器の製造に適用される。
以下、本発明のダイカストアルミニウム合金、アルミニウム合金ダイカスト材及びその製造方法についての代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。また、本発明において、ある元素を含まないことは、意図的にある元素を加えないことを指し、不純物として含む場合を排除しない。また、含有量の範囲である「Ａ～Ｂ」、「Ａ以上Ｂ以下」は、いずれもＡ及びＢ自身に示される含有量も含むことを示す。
１．ダイカストアルミニウム合金
本発明のダイカストアルミニウム合金は、アルミニウム合金の全体質量を基準として、Ｓｉ：９．５質量％以上かつ１２質量％以下、Ｆｅ：０．３質量％以上かつ１．０質量％以下、Ｍｇ：０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなっている。以下、各成分について詳細に説明する。
本発明のダイカストアルミニウム合金は、アルミニウム合金の全体質量を基準として、Ｓｉ：９．５質量％以上かつ１２質量％以下、Ｆｅ：０．３質量％以上かつ１．０質量％以下、Ｍｇ：０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下を含み、残部がＡｌと不可避的不純物からなっている。以下、各成分について詳細に説明する。
（１）必須の添加元素
Ｓｉ：９．５～１２質量％
Ｓｉは鋳造性を向上させる作用を有する。ヒートシンクや大型容器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、鋳造性の観点から合金にＳｉを９．５質量％以上添加することが必要になる。Ｓｉは、また、鋳物の機械的強度、耐摩耗性、防振性を向上させる作用を有する。しかし、Ｓｉの増加に伴って合金の熱伝導率と伸展性が低下し、Ｓｉの量が１２質量％以上を超えると、熱伝導率は大幅に低下し、ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器としての所望の放熱特性を満たすことができず、切削性も悪くなるので、１２質量％以下であることが望ましい。従って、Ｓｉの含有量は９．５質量％以上かつ１２質量％以下であり、好ましくは１０質量％以上かつ１１質量％以下であり、さらに好ましくは１０．５質量％以上かつ１１質量％以下である。
Ｓｉ：９．５～１２質量％
Ｓｉは鋳造性を向上させる作用を有する。ヒートシンクや大型容器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、鋳造性の観点から合金にＳｉを９．５質量％以上添加することが必要になる。Ｓｉは、また、鋳物の機械的強度、耐摩耗性、防振性を向上させる作用を有する。しかし、Ｓｉの増加に伴って合金の熱伝導率と伸展性が低下し、Ｓｉの量が１２質量％以上を超えると、熱伝導率は大幅に低下し、ヒートシンクならびに放熱性を必要とする器具・容器としての所望の放熱特性を満たすことができず、切削性も悪くなるので、１２質量％以下であることが望ましい。従って、Ｓｉの含有量は９．５質量％以上かつ１２質量％以下であり、好ましくは１０質量％以上かつ１１質量％以下であり、さらに好ましくは１０．５質量％以上かつ１１質量％以下である。
Ｆｅ：０．３～１．０質量％
Ｆｅ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、金型の焼き付きを防止する作用がある。この効果は、Ｆｅが０．３質量％以上含まれると顕著になる。しかし、Ｆｅを１．０質量％以上添加しても、その効果がより向上することを望むことができない。また、Ｆｅの増加に伴って熱伝導率と伸展性が低下する。従って、Ｆｅの含有量は０．３質量％以上かつ１．０質量％以下であり、好ましくは０．４質量％以上かつ０．８質量％以下であり、さらに好ましくは０．６質量％以上かつ０．７質量％以下である。
Ｆｅ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、金型の焼き付きを防止する作用がある。この効果は、Ｆｅが０．３質量％以上含まれると顕著になる。しかし、Ｆｅを１．０質量％以上添加しても、その効果がより向上することを望むことができない。また、Ｆｅの増加に伴って熱伝導率と伸展性が低下する。従って、Ｆｅの含有量は０．３質量％以上かつ１．０質量％以下であり、好ましくは０．４質量％以上かつ０．８質量％以下であり、さらに好ましくは０．６質量％以上かつ０．７質量％以下である。
Ｍｇ：０．１５～０．３５質量％
Ｍｇは、時効処理の際に、母相中のＳｉとＭｇ－Ｓｉ系化合物を形成して析出し、母相中のＳｉ固溶量を低下させ、熱伝導率が向上する。さらに、Ｍｇの添加によって機械的強度が向上する。この効果は、 Ｍｇを０．１５質量％以上とすることで顕著になるが、一方でＭｇを０．３５質量％以上添加すると熱伝導率が顕著に低下する。従って、Ｍｇの含有量は０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下であり、好ましくは０．２質量％以上かつ０．３質量％以下であり、さらに好ましくは０．２質量％以上かつ０．２５質量％以下である。
Ｍｇは、時効処理の際に、母相中のＳｉとＭｇ－Ｓｉ系化合物を形成して析出し、母相中のＳｉ固溶量を低下させ、熱伝導率が向上する。さらに、Ｍｇの添加によって機械的強度が向上する。この効果は、 Ｍｇを０．１５質量％以上とすることで顕著になるが、一方でＭｇを０．３５質量％以上添加すると熱伝導率が顕著に低下する。従って、Ｍｇの含有量は０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下であり、好ましくは０．２質量％以上かつ０．３質量％以下であり、さらに好ましくは０．２質量％以上かつ０．２５質量％以下である。
（２）任意の添加元素
Ｓｒ：０．００５～０．０４０質量％
Ｓｒは、共晶Ｓｉに対する改良効果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。また、時効熱処理時に機械的性質が向上する。このとき、鋳物の要求特性によっては熱処理を不要としてもよい。しかし、０．０４質量％を超えて含有すると、溶湯の脱ガス能が低下する上に脆いＡｌ－Ｓｒ系化合物が形成されて靱性が低下するため、０．０４０質量％以下とする。Ｓｒの含有量は、０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下であり、好ましくは０．０１０質量％以上かつ０．０３０質量％以下であり、さらに好ましくは０．０１０質量％以上かつ０．０２０質量％以下である。
Ｓｒ：０．００５～０．０４０質量％
Ｓｒは、共晶Ｓｉに対する改良効果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。また、時効熱処理時に機械的性質が向上する。このとき、鋳物の要求特性によっては熱処理を不要としてもよい。しかし、０．０４質量％を超えて含有すると、溶湯の脱ガス能が低下する上に脆いＡｌ－Ｓｒ系化合物が形成されて靱性が低下するため、０．０４０質量％以下とする。Ｓｒの含有量は、０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下であり、好ましくは０．０１０質量％以上かつ０．０３０質量％以下であり、さらに好ましくは０．０１０質量％以上かつ０．０２０質量％以下である。
Ｎａ：０．００２～０．０２０質量％
Ｎａは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｎａは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下であり、好ましくは０．００２質量％以上かつ０．０１０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｎａは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｎａは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下であり、好ましくは０．００２質量％以上かつ０．０１０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｋ：０．００２～０．０２０質量％
Ｋは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｋは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下であり、好ましくは０．００２質量％以上かつ０．０１０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｋは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｋは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下であり、好ましくは０．００２質量％以上かつ０．０１０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｂｅ：０．００５～０．０５０質量％
Ｂｅは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｂｅは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｂｅは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｂｅは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｃａ：０．００５～０．０５０質量％
Ｃａは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｃａは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０２０質量％以下であり、一層好ましくは０．０１０質量％以上かつ０．０２０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｃａは、共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素である。特に、Ｃａは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０２０質量％以下であり、一層好ましくは０．０１０質量％以上かつ０．０２０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｂａ：０．００５～０．０５０質量％
Ｂａは共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素でもある。特に、Ｂａは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
Ｂａは共晶Ｓｉに対する改良效果を有し、熱伝導率を向上させる元素でもある。特に、Ｂａは、合金中の含有量が０．００２質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上かつ０．０１０質量％以下であるとき、上記効果をよりよく発揮することができる。
（３）微量元素の割合
上記Ｓｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｅ、Ｃａ及びＢａは、いずれも本発明のダイカストアルミニウム合金において必要に応じて添加される微量元素である。また、Ｐは、これらの元素の効果を阻害する元素である。他の元素とＰとの含有量の割合を、（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）＞３．５を満たすことにより、共晶Ｓｉを改良することでき、これによって、熱伝導率が向上する。当該割合は、好ましくは５より大きく、さらに好ましくは６より大きく、一層好ましくは７より大きい。当該割合が３．５より小さいと、上記効果は低下する。
上記Ｓｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｅ、Ｃａ及びＢａは、いずれも本発明のダイカストアルミニウム合金において必要に応じて添加される微量元素である。また、Ｐは、これらの元素の効果を阻害する元素である。他の元素とＰとの含有量の割合を、（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）＞３．５を満たすことにより、共晶Ｓｉを改良することでき、これによって、熱伝導率が向上する。当該割合は、好ましくは５より大きく、さらに好ましくは６より大きく、一層好ましくは７より大きい。当該割合が３．５より小さいと、上記効果は低下する。
（４）不可避的不純物
本発明のダイカストアルミニウム合金は、上記合金成分の他、不可避的不純物も含んでも良いが、必要に応じて他の特性改善、たとえば、強度向上、耐食性改善などのために添加される成分を含んでも良い。この成分の例として、たとえば、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎなどが挙げられるが、これらの成分は熱伝導率を低下させる恐れがあるので、不可避的不純物の含有量を総量として０．１５質量％以下とする必要がある。
本発明のダイカストアルミニウム合金は、上記合金成分の他、不可避的不純物も含んでも良いが、必要に応じて他の特性改善、たとえば、強度向上、耐食性改善などのために添加される成分を含んでも良い。この成分の例として、たとえば、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎなどが挙げられるが、これらの成分は熱伝導率を低下させる恐れがあるので、不可避的不純物の含有量を総量として０．１５質量％以下とする必要がある。
２．アルミニウム合金ダイカスト材の製造方法
以下、本発明のアルミニウム合金ダイカスト材の製造方法に関して、特徴的な内容について詳細に説明する。
以下、本発明のアルミニウム合金ダイカスト材の製造方法に関して、特徴的な内容について詳細に説明する。
（１）溶体化処理
４８０～５４０℃で１～１０時間の溶体化処理を施し、その後に焼入れを行う。このような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Ｍｇ－Ｓｉ系析出物の溶体化を促進し、Ｆｅ等の遷移元素の過飽和固溶分を析出させて熱伝導率を向上させ、さらに、Ｓｉ粒子を球状化して伸展性を向上させて塑性加工性を向上させることができる。
４８０～５４０℃で１～１０時間の溶体化処理を施し、その後に焼入れを行う。このような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Ｍｇ－Ｓｉ系析出物の溶体化を促進し、Ｆｅ等の遷移元素の過飽和固溶分を析出させて熱伝導率を向上させ、さらに、Ｓｉ粒子を球状化して伸展性を向上させて塑性加工性を向上させることができる。
処理温度が４８０℃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あるが、逆に５４０℃を超える、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可能性が高まる。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。
溶体化処理を行うと、強度、熱伝導、伸び等の特性は改善されるが、一般の高速高圧ダイカスト工程においては、空気または潤滑剤や離型剤から発生したガスが鋳造材内に巻き込まれることがある。その場合、ダイカスト後に溶体化処理を行うと、フクレ（気泡）又はゆがみが発生する。従って、通常は、高速高圧ダイカスト後に、溶体化処理を行わない。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。
（２）時効処理
２００～２４０℃で１～６時間の時効処理を施す。当該時効処理によって、母相中に固溶しているＳｉとＭｇを、Ｍｇ－Ｓｉ系化合物として析出させ、母相中に固溶しているＳｉとＭｇの量を減少させることによって合金の熱伝導率を向上させることができる。また、析出したＭｇ－Ｓｉ系化合物は合金の機械的強度を向上させる。時効条件が２００℃未満又は１時間未満では、Ｍｇ－Ｓｉ系化合物の析出量が比較的少ないため、熱伝導率の向上が小さい。逆に、２４０℃や６時間を超えると過時効になり、強度が低下する。熱処理の条件は、工業生産上の制約を考慮して選択することができるが、熱伝導率と強度のバランスを考慮すると、２００～２４０℃で１～６時間の範囲が望ましく、好ましくは２００～２４０℃で２～６時間の範囲であり、さらに好ましくは２００～２２０℃で４～６時間の範囲である。
２００～２４０℃で１～６時間の時効処理を施す。当該時効処理によって、母相中に固溶しているＳｉとＭｇを、Ｍｇ－Ｓｉ系化合物として析出させ、母相中に固溶しているＳｉとＭｇの量を減少させることによって合金の熱伝導率を向上させることができる。また、析出したＭｇ－Ｓｉ系化合物は合金の機械的強度を向上させる。時効条件が２００℃未満又は１時間未満では、Ｍｇ－Ｓｉ系化合物の析出量が比較的少ないため、熱伝導率の向上が小さい。逆に、２４０℃や６時間を超えると過時効になり、強度が低下する。熱処理の条件は、工業生産上の制約を考慮して選択することができるが、熱伝導率と強度のバランスを考慮すると、２００～２４０℃で１～６時間の範囲が望ましく、好ましくは２００～２４０℃で２～６時間の範囲であり、さらに好ましくは２００～２２０℃で４～６時間の範囲である。
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
表１及び表２に示された組成を有する各種のアルミニウム合金を用意した。具体的には、７６０℃で溶解して溶融金属を得て、脱ガスおよび除滓処理を施したのちに微量成分を調整した。それを、各々鋳造温度７５０℃、金型温度１８０℃にて、３５０ｔｏｎコールドチャンバーダイカストマシン（番号：ＴＯＹＯ Ｄｓ－３５０ＥＸ）にて１１０×１１０×３ｍｍの板材を作製した。
得られたダイカスト板に対してフロー型熱処理炉（型号：旭科学 Ｈ－６０）によって２００℃で４時間の時効処理を施した後、各種のテストピースを作製した。また、各テストピースに対して、下記の実験方法に基づいて各特性を測定した。得られた結果を表１及び表２に示す。
［引張試験］
ＡＭＳＬＥＲ型万能試験機（島津 100ｋＮ Ａｕｔｏｇｒａｐｈ）によって日本工業規格ＪＩＳ Ｚ２２４１に基づいて、引張実験を施し、０．２％耐力及び伸びを測定した。
ＡＭＳＬＥＲ型万能試験機（島津 100ｋＮ Ａｕｔｏｇｒａｐｈ）によって日本工業規格ＪＩＳ Ｚ２２４１に基づいて、引張実験を施し、０．２％耐力及び伸びを測定した。
［熱伝導率］
レーザーフラッシュ法によって、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６１１－１９９７に基づいて、熱伝導率を測定した。
レーザーフラッシュ法によって、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６１１－１９９７に基づいて、熱伝導率を測定した。
［耐焼付性］
ダイカスト板のゲート部真上の鋳肌の状態により、耐焼付性を３段階で評価した。焼付いた場合を「×」、金型の変色などがある場合を「△」、鋳肌に異常がない場合を「○」とした。
ダイカスト板のゲート部真上の鋳肌の状態により、耐焼付性を３段階で評価した。焼付いた場合を「×」、金型の変色などがある場合を「△」、鋳肌に異常がない場合を「○」とした。
［鋳造性］
鋳造性としては、ゲート部近傍２０ｍｍ（ゲート側）部とオーバーフロー部近傍２０ｍｍ（半ゲート側）部との比重差から相対気孔率が１％以上違うものを不合格とし、「×」とした。相対気孔率が１％より小さい違うものを合格とし、「○」とした。
鋳造性としては、ゲート部近傍２０ｍｍ（ゲート側）部とオーバーフロー部近傍２０ｍｍ（半ゲート側）部との比重差から相対気孔率が１％以上違うものを不合格とし、「×」とした。相対気孔率が１％より小さい違うものを合格とし、「○」とした。
具体的には、相対気孔率は、以下の３つの数式（１）～（３）によって求められる。式（１）によって、上記ゲート側の部分と上記半ゲート側の部分から取得した試料の比重を算出し、式（２）によって上記試料の気孔率を算出する。その標準比重、即ち、理論比重は、気孔（鋳巣）などの鋳造欠陥を有しない鋳物を鋳造した場合の、その鋳物の比重を指す。最後に、式（３）によって相対気孔率を算出する。
比重＝空気中重量／（空気中重量－水中重量）×水の比重 （１）
気孔率＝（標準比重－試料の比重）／ 試料の比重×１００ （２）
相対気孔率＝｜ゲート側気孔率－半ゲート側気孔率｜ （３）
比重＝空気中重量／（空気中重量－水中重量）×水の比重 （１）
気孔率＝（標準比重－試料の比重）／ 試料の比重×１００ （２）
相対気孔率＝｜ゲート側気孔率－半ゲート側気孔率｜ （３）
合金組成及び評価結果を下記表１及び表２に示す。また、ミクロ組織を示す顕微鏡写真（撮影倍率２０００倍）を図１に示す。
表１及び表２の空欄は、対応の元素が検出値以下であることを示す。具体的に言えば、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒに対応する空欄は、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒの含有量が各々０．０１質量％未満であることを指す。Ｓｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａに対応する空欄は、Ｓｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａの含有量がそれぞれ０．０００５質量％未満であることを指す。空欄の元素は意図的に添加されるものではないので、含まれる可能性が低い。なお、Ｐに対応する空欄において、Ｐの含有量は０．００２質量％以下である。表１及び表２の「微量元素割合」は、（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）の値を指す。
上記表１からわかるように、本発明の実施例１～１２の０．２％耐力は、いずれも１４０ＭＰａ以上であり、熱伝導率はいずれも１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。また、図１の実施例６では、微細に改良された共晶Ｓｉが確認できる。
これに対して、表２または図１に示されているように、比較例１のＳｉ含有量は７．０質量％と低いので、その鋳造性が悪い。比較例２のＳｉ含有量は、９．０質量％であり、依然として本発明の範囲の下限値より小さいので、その鋳造性が悪い。
比較例３のＭｇ含有量は、０．１質量％と低いので、その０．２％耐力は１４０ＭＰａ未満である。比較例４のＦｅ含有量は０．１５質量％と低いので、その耐焼付性が悪い。比較例５は、Ｓｒを含む微量元素をいずれも含まず、微量元素の割合は０に近いので、その熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ 未満であり、伸びも５％未満である。
比較例６のＳｉ含有量は１３．０質量％であり、高すぎるので、伸びも切削性も悪い。比較例７もＳｉ含有量が１３．５質量％と高すぎるので、粗大な共晶Ｓｉが晶出し、伸びも切削性も悪く、熱伝導率も１８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満である。
比較例８のＭｇ含有量は０．５質量％と高いので、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満である。比較例９のＦｅ含有量は、１．２質量％と高いので、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満である。また、針状のＡｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系化合物が晶出し、伸びも不十分である。
比較例１０は、Ｍｎを０．２質量％含有し、比較例１１は、Ｔｉを０．２質量％含有し、比較例１２は、Ｚｒを０．２質量％含有するので、比較例１０～１２の熱伝導率は、ともに１８０Ｗ／ｍ・Ｋより低い。
比較例１３は、微量元素割合が３．５より低いので、共晶Ｓｉは表１における実施例６より大きく、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であり、かつ伸びも不十分である。比較例１４～１８も、比較例１３と同様に微量元素割合は、ともに３．５より低いので、その熱伝導率はともに１８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であり、かつ伸びが不十分である。
比較例１９はＪＩＳ－ＡＤＣ１合金と同等の組成である。Ｍｇを含まず、また、Ｓｒを含む微量元素をいずれも含まないので、その０．２％耐力は１４０ＭＰａ未満であり、熱伝導率も１８０Ｗ／ｍ・Ｋより低く、伸びは５％未満である。比較例２０はＪＩＳ－ＡＤＣ１２合金と同等の組成である。Ｍｇを含まずに、Ｃｕを２．５質量％含有するので、その熱伝導率は１０５Ｗ／ｍ・Ｋと低く、伸びも不十分である。
表１における実施例６に示された組成からなる合金に対して、表３に示された各種条件の時効処理を行い、対応するテストピースに対して０．２％耐力及び熱伝導率を測定した。その結果を表３に示す。
表３からわかるように、２００℃で４時間、２００℃で６時間、２２０℃で４時間、２２０℃で６時間、２４０℃で１時間、２４０℃で２時間の場合、０．２％耐力は、ともに１４０ＭＰａ以上であり、熱伝導率はともに１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
本発明の実施方案及び具体的実施例に対して詳細に説明したが、本発明は、上記の具体的な実施方案及び応用分野に限られない。上記の具体的な実施方案は、ただ概要的、指導的なものに過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者は、本明細書の示唆に基づき、本発明の請求項の保護範囲を越えない限りにおいて、様々な実施方式を作ることができ、これらは、いずれも本発明の保護範囲に属する。
Claims (12)
- アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｉ：１０質量％以上かつ１１質量％以下、
Ｆｅ：０．３質量％以上かつ１．０質量％以下、
Ｍｇ：０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下を含み、
残部がＡｌと不可避的不純物からなり、
アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｒ：０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下、
Ｎａ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｋ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｂｅ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｃａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｂａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含み、
（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）＞３．５であること、
を特徴とするダイカストアルミニウム合金。 - アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｉ：９．５質量％以上かつ１２質量％以下、
Ｆｅ：０．３質量％以上かつ１．０質量％以下、
Ｍｇ：０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下を含み、
残部がＡｌと不可避的不純物からなり、
アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｒ：０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下、
Ｎａ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｋ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｂｅ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｃａ：０．００５質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｂａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含み、
（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）＞３．５であること、
を特徴とするダイカストアルミニウム合金。 - アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｉ：９．５質量％以上かつ１２質量％以下、
Ｆｅ：０．３質量％以上かつ１．０質量％以下、
Ｍｇ：０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下を含み、
残部がＡｌと不可避的不純物からなり、
アルミニウム合金の全体質量を基準として、
Ｓｒ：０．００５質量％以上かつ０．０４０質量％以下、
Ｎａ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｋ：０．００２質量％以上かつ０．０２０質量％以下、
Ｂｅ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｃａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下、
Ｂａ：０．００５質量％以上かつ０．０５０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含み、
（［Ｎａ］／２＋［Ｋ］／２＋［Ｂｅ］／５＋［Ｃａ］／５＋［Ｓｒ］／５＋［Ｂａ］／５）／（［Ｐ］／５）＞３．５であり、
ヒートシンク又は放熱性を必要とする器具もしくは容器に用いられること、
を特徴とするダイカストアルミニウム合金。 - Ｍｎ、Ｔｉ及びＺｒのいずれも含まないこと、
を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載のダイカストアルミニウム合金。 - 前記Ｆｅの含有量が０．４質量％以上かつ０．８質量％以下であること、
を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載のダイカストアルミニウム合金。 - 前記Ｍｇの含有量が０．２質量％以上かつ０．３質量％以下であること、
を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載のダイカストアルミニウム合金。 - 前記Ｓｒの含有量が０．０１０質量％以上かつ０．０３０質量％以下であること、
を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載のダイカストアルミニウム合金。 - 請求項１～３のうちのいずれか１項に記載のダイカストアルミニウム合金からなり、
耐力が１３０ＭＰａ以上であり、
熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること、
を特徴とするアルミニウム合金ダイカスト材。 - 前記耐力が１４０ＭＰａ以上であり、前記熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること、
を特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金ダイカスト材。 - 伸びが５％以上であること、
を特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金ダイカスト材。 - 請求項１～３のうちのいずれか１項に記載のアルミニウム合金をダイカスト法によって成形し、
１００℃／秒以上の冷却速度で２００℃以下の温度まで冷却した後、
溶体化処理を行わずに、２００～２４０℃で１～６時間の条件において時効処理を行うこと、
を特徴とするアルミニウム合金ダイカスト材の製造方法。 - 前記時効処理の条件が２００～２２０℃で４～６時間であること、
を特徴とする請求項１１に記載のアルミニウム合金ダイカスト材の製造方法。
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