JPH04128336A

JPH04128336A - 高強度高導電性アルミニウム合金およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04128336A
Application number: JP2247918A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Seki; 勇一関; Mutsumi Abe; 睦安倍; Kenichi Aota; 健一青田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1990-09-18
Publication date: 1992-04-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は高強度高導電性アルミニウム合金およびその製
造方法に関し、さらに詳しくは、電磁誘導モーターの電
流端子、電流棒等の優れた強度および導電性が要求され
る高強度高導電性アルミニウム合金およびその製造方法
に関するものである。

［従来技術］一般的に、高導電性材料としては金、銀および銅等が使
用されてきているが、特殊な用途を除いて、銅および銅
合金が広く使用されている。

しかし、最近になって、高速輸送機を初めとして各種の
産業界において、材料の軽量化を図ることが重要な課題
となってきており、導電性は銅または銅合金よりも少し
劣るけれども、比重の軽いアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金を導電材料として使用することが考慮されてい
る。

しかして、純アルミニウムの導電率は純銅の約６０％で
あり、黄銅等の銅合金よりはむしろ純アルミニウムの方
が導電率が高いので、軽量化導電材料としては適してい
るものであるが、しかし、強度か極めて低いのであり、
即ち、純銅の引張強度が約２３　ｋｇ／ａｍ”に対して
、純アルミニウムの引弾強度は約１０　ｋｇ／ｍｔｎ’
であり、また、耐熱性にも劣るという問題がある（１５
０℃の温度を越えると殆ど使用することが不可能となる
）。

従って、導電性および熱伝導性を劣化させることなく、
高強度化、耐熱化を図ることが必要であり、これが達成
できなければアルミニウムおよびアルミニウム合金を導
電材料としては使用することは非常に困難である。

そして、アルミニウム合金の強度、耐熱性を向上させる
ために、従来よりｉテなわれてきている溶解鋳造法以外
に、急冷凝固法およびセラミックス粒子との複合化等の
方法についての多くの研究が行なわれているが、これら
の方法では強度、耐熱性を向上させるために多量の合金
元素を含有させることが必要であり、強度、耐熱性は向
上するが導電率が著しく劣化するようになり、導電材料
としそは使用することは不可能である。

また、最近になって、機械的合金化（メカニカルアロイ
ング）という方法を使用して、アルミニウム合金の高強
度化を図ることが行なわれてきているが、この機械的合
金化法は２種以上の金属粉末或いは金属粉末と添加材の
混合物をボールミル、アトライター等の粉砕混合装置に
より、機械的に合金化する方法であり、溶解鋳造法では
行なえない、例えば、非晶質および超微細結晶等を製造
することができるので、この機械的合金化法についての
研究開発が広（行なわれている。

例えば、アルミニウム合金に関して、Ａｌ−６ｉ系合金
（特開昭６１−１３０４３８号公報）およびＡｌ−Ｌｉ
−Ｍｇ系合金（特開昭６０−０５６０４０号公報、特開
昭６１−１４３５３１号公報）等にアルミニウム合金を
、機械的合金化法により製造すると強度および耐熱性が
向上する技術が開示されている。

しかし、この公報に開示されている機械的合金化法によ
り製造されたアルミニウム合金は、高強度化を主な目的
としているものであり、導電率に関しては開示されてい
ない。

一般に、金属材料の導電率は純金属の状態が最も優れて
おり、合金元素が添加されると急激に導電率が悪（なる
が、これは従来の金属材料には相当墓の合金元素が含有
されていることにより、導電率が極めて悪くなるものと
思われる。

従って、いままで使用されてきている導電材料の銅或い
は銅合金をアルミニウムまたはアルミニウム合金に代え
て使用するためには、導電率を劣化させずに強度を飛躍
的に向上させることが重要な課題である。

［発明が解決しようとする課題］本発明は上記に説明したように、従来における導電材料
としてのアルミニウムまたはアルミニウム合金を銅また
は銅合金に代えて使用する時の種々の問題点に鑑み、本
発明者が鋭意研究を行ない、検討を重ねた結果、アルミ
ニウムとは殆ど固溶することがなく、アルミニウムと化
合物を形成するＣ、０．Ｎを添加してアルミニウムの結
晶粒を微細化することにより、導電性を劣化させること
なく、高強度、高耐熱性であり、さらに、軽量である高
強度高導電性アルミニウム合金およびその製造方法を開
発したのである。

［問題点を解決するための手段］本発明に懸かる高強度高導電性アルミニウム合金および
その製造方法は、（１）Ｃ，ＯｌＮの１種または２種以上の含有量が０．
１〜７．０ｗｔ％であり、残部がアルミニウムおよび不
可避不純物からなるアルミニウム合金であり、かう、結
晶粒径が０．０１〜２μ論であることを特徴とする機械
的合金化処理法による高強度高導電性アルミニウム合金
を次第１の発明とし、（２）純アルミニウム粉末を不活
性ガスおよびＣ、Ｏ、Ｎを１種または２種以上含有する
添加剤を充填した密閉容器中において機械的合金化処理
を行ない、ＣＳＯ，Ｎの１種または２種以上を含有量が
０．１〜？、　０ｗｔ％で、残部アルミニウムおよび不
可避不純物からなるアルミニウム合金粉末とした後、固
化成形することを特徴とする高強度高導電性アルミニウ
ム合金の製造方法を第２の発明とし、（３）純アルミニ
ウム粉末を不活性ガスおよびＣ、Ｏ、Ｎを１種または２
種以上含有する添加剤を充填した密閉容器中において機
械的合金化処理を行ない、Ｃ，Ｏ，Ｎの１種または２種
以上を含有量が０．１〜７，９ｗｔ％で、残部アルミニ
ウムおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末
とした後、固化成形を行ない、３５０〜４５０℃の温度
において焼鈍することを特徴とする高強度高導電性アル
ミニウム合金の製造方法を第３の発明とする３つの発明
よりなるものである。

なお、Ｃ、Ｏ、Ｎの１種または２種以上の含有量が０．
０５〜４．０ｗｔ％でうあり、残部がアルミニウムおよ
び不可避不純物からなるアルミニウム合金であり、かつ
、結晶粒径が０．０１〜２μｍである機械的合金化処理
法による高強度高導電性アルミニウム合金とすることも
好ましい範囲である。

また、純アルミニウム粉末を不活性ガスおよびＣ、Ｏ、
Ｎを１種または２種以上含有する添加剤を充填した密閉
容器中において機械的合金化処理を行い、Ｃ、Ｏ、Ｎの
１種または２種以上の含有量が０．０５〜４．０ｗｔ％
で、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなるアル
ミニウム合金粉末とした後、固化成形を行なう高強度高
導電性アルミニウム合金の製造方法および純アルミニウ
ム粉末を不活性ガスおよびＣ、Ｏ、Ｎを１種または２種
以上含有する添加剤を充填した密閉容器中において機械
的合金化処理を行い、Ｃ，Ｏ，Ｎの１種または２種以上
の含有量が０．０５〜４．０ｗｔ％で、残部アルミニウ
ムおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末と
した後、固化成形を行い、３５０〜４５０℃の温度にお
いて焼鈍を行う高強度高導電性アルミニウム合金の製造
方法も好ましい範囲である。

本発明に係る高強度高導電性アルミニウム合金およびそ
の製造方法について、以下詳細に説明する。

即ち、アルミニウム合金の強化法と導電率の劣化につい
て検討を加えた結果、 ■アルミニウム中に殆ど固溶せずに、アルミニウムと化
合物を作るＣ、Ｏ、Ｎの非金属元素を含有させれば、こ
れらの化合物がアルミニウム中に微細に分散してアルミ
ニウム基地を強化すること。

■Ｃ，０、Ｎ等の元素はマトリックスのアルミニウムに
は殆ど固溶しないため、導電率の劣化は固溶強化、析出
強化等の強化法に比べて小さいこと。

■微細化合物の分散下で結晶粒を極端に微細化すれば、
導電率をそれほど劣化させずに著しく強度を向上させる
ことができること。

■微細化合物が分散している状態において、温度を上昇
させても一旦微細化した結晶粒は簡単には粗大化せず、
耐熱性も著しく向上すること。

を知見し、軽量で、かつ、強度、耐熱性および導電率に
優れた高強度高導電性アルミニウム合金および製造方法
を完成したのである。

先ず、本発明に係る高強度高導電性アルミニウム合金の
含有成分および成分割合について説明する。

Ｃ、Ｏ、Ｎを含有させることにより、これらの０、Ｏ、
Ｎ元素とアルミニウムが反応して微細な化合物を生成し
、機械的合金化中にこれらの化合物がアルミニウム基地
中に微細に分散して強度を同筆させ、また、この分散し
た化合物が結晶粒界の移動を妨げ、高温における結晶粒
の粗大化を阻止するので耐熱性が向上し、さらに、これ
らＣ、Ｏ、Ｎはアルミニウム中には殆ど固溶しないため
に、導電率の劣化は小さいという効果を発揮させる元素
であり、含有量が０．０１ｗｔ％未満では強化の度合が
小さく、結晶粒の粗大化を防止する効果が小さいので、
０．０１ｖｔ％以上含有させる必要があり、そして、Ｃ
、Ｏ、Ｎの効果を充分に発揮させるためには、０．０５
ｗｔ％以上含有させるのがよく、また、？、　０ｗｔ％
を越えて多量に含有させても強度の向上効果は小さ（、
かえって導電率を劣化させるだけであり、上限を７．　
Ｑｗｔ％とするのであるが、特に、導電性が要求される
用途においては、上限を４．Ｑｗｔ％とするのがよい。

なお、Ｃ、Ｏ、Ｎ元素の全部を同時に含有させてもよく
、また、この中から選んだ１種のみを含有させてもよい
が、Ｃは他のＯ，Ｎに比べて微細な化合物を生成するた
め、Ｃ含有量は０．０５〜４．０ｗｔ％とすのが望まし
い。

また、結晶粒径が小さいほど強度は上昇するが、０．０
１μｍ未満では延性、靭性が劣化して構造材料として使
用することができず、また、２μ■を越えると強度およ
び耐熱性が悪くなる。

本発明に係る子高強度高導電性アルミニウム合金め製造
方法は機械的合金化法により製造される。

即ち、原料である純アルミニウム粉末を、合金元素添加
材と共にボールミル、アトライター等の混合粉砕装置に
装入して、不活性雰囲気中で合金元素添加材と純アルミ
ニウム粉末を機械的に合金化する。

そして、合金元素添加材としては、Ａｌ４Ｃ３、Ａ　１
２０３、ＡＩＮ等の化合物粒子が挙げられる。また、添
加したい合金元素（Ｃ、Ｏ、Ｎ）を含むアルコールでも
よく、さらに、０．Ｎを添加する場合には、不活性雰囲
気中において純アルミニウムと０２ガス、Ｎ２ガスと反
応させてもよい。

また、Ｃ、Ｏ、Ｎを含むアルコール等を添加するか、或
いは、０２ガス、Ｎ２ガスを含む雰囲気中において機械
的合金化を行ない、機械的合金化中にアルミニウムと反
応させて化合物を生成させる方法が、最初から化合物を
添加するよりも、化合物が微細に分散するので強度およ
び耐熱性が向上する。

この機械的合金化処理方法により、結晶粒径が０．０１
〜２μｍの非常に微細な結晶粒を有しており、かつ、Ｃ
、Ｏ、Ｎとアルミニウムとの化合物が、アルミニウム基
地内に分散した高硬度の粉末を製造することができる。

このような微細な結晶粒径となるまでの機械的合金化処
理時間は、使用する装置の種類によって異なるが、普通
の回転式ボールミルを使用した場合には、約１２時間か
ら１００時間であり、振動ボールミル、遊星ボールミル
、アトライタ等の高エネルギーの装置では時間は短縮す
ることが可能である。

そして、機械的合金化処理方法により製造された粉末は
、普通に行なわれている固化成形方法により固溶成形を
行なう。

この固化成形する際に、例えば、アルコール等の水素を
含む添加材を使用した場合は、水素も合金化されている
か、或いは、粉末表面に吸着されており、水素脆化の原
因となるので固化成形前に真空中において、４５０℃以
上の温度に加熱、脱ガスを行なうことが望ましい。

なお、固化成形方法はホットプレス、ＨＩＰ。

熱間押出等の方法を使用するが、高温に加熱すると結晶
粒が粗大化するので加熱温度は５００℃以下とするのが
よい。

また、固化成形後３５０〜４５０℃の温度において焼鈍
を行なうことにより、材料の強度を劣化させることなく
、延性を改善することができ、特に、高延性が要求され
る用途には欠かせない工程である。そして、焼鈍温度が
３５０℃未満ではこのような効果は期待することができ
ず、また、４５０℃を越えるとこのような効果は飽和し
てしまうか、アルミニウム基地が軟化してしまう。

［実　施　例］本発明に係る高強度高導電性アルミニウム合金およびそ
の製造方法の実施例を説明する。

実施例１純度９９．５ｗｔ％の純アルミニウム粉末６０ｇとアル
コール２ｃｃを約４ｋｇのステンレス製ボールと共にス
テンレス容器に装入して、容器内をアルゴンにより置換
した後密閉し、回転数６０回転で機械的合金化処理を行
なった。

次に、製造された粉末をカプセル中において、４５０℃
の温度で２時間の真空脱ガスを行ない、その後、カプセ
ルを密閉してから３５０℃の温度において押出して、固
化成形を行なった。

比較材として純アルミニウム粉末をそのまま固化成形し
たものを用意した。

次に、本発明に係る高強度高導電性アルミニウム合金の
製造方法により製造された固化成形材料と比較材の固化
成形材料との、結晶粒径、常温強度、高温強度（２５０
℃）、導電率、熱伝導率、密度を測定した。

第１表に含有成分と成分割合と結晶粒径を示しである。

この第１表から、比較材の結晶粒径が８０μ■であるの
に対し、本発明に係る高強度高導電性アルミニウム合金
の製造方法により製造された材料（以下本発明材料ａと
いう）は、約０１３μ■という極めて微細な結晶粒であ
ることがわかる。

第２表に常温強度と高温強度を示す。

この第２表から、比較材の常温強度が約１３ｋｇ／■ｍ
２であるのに対して、本発明材料ａの常温強度は５０ｋ
ｇ／＋ｍ２を越えており、アルミニウム合金としては著
しく高い値を示していることがわかる。

第３表に導電率、熱伝導率、密度を示しである。

導電率は比較材、本発明材料ａともにｌＡＣ３％で約４
０％であり、本発明材料ａは強度が著しく高いのにも拘
わらず、導電率はそれ程劣化しておらず、熱伝導率につ
いても同様に強度が高いわりには熱伝導率の劣化は極め
て少ないことがわかる。

銅合金では、例えば、黄銅等はｌＡＣ３％２０〜３０％
の導電率しかないことから見ると、本発明材料ａは導電
材料としても充分に使用可能であり、また、また、高い
熱伝導率を有していることから熱拡散材料としても優れ
ていることがわかる。

また、密度は比較材が２．７１、本発明材料ａが２、６
７３であって、僅かではあるが本発明材料ａの方がひく
く、従来のアルミニウム合金よりも軽量であることがわ
かる。

第表実施例２実施例１において機械的合金化処理方法により製造され
たアルミニウム合金粉末を、押出後、３００℃から５５
０℃の間の各温度において、１時間の焼鈍を行ない、引
張性質、導電率を測定した。

第１図に測定結果を示す。

この第１図から焼鈍を行なうことによって、導電率およ
び強度はそれほどの改善は認められないが、３５０℃か
ら４５０℃の温度において焼鈍を行なった場合には、伸
び、絞り等の延性、靭性が大きく改善されていることが
わかる。

しかして、この温度範囲において焼鈍を行なっても結晶
粒の粗大化は認められなかった。

実施例３実施例１と同様の方法により、メチルアルコールの添加
量および雰囲気ガスを変化させて、Ｃ、Ｏ、Ｎ量の異な
る種々の試験材料を作成して、その性質を調査した。

第２図にその調査結果を示す。

この第２図から、Ｃ、Ｏ、Ｎの量が多いほど強度、耐熱
性（２５０℃における強度）は向上しているが、このＣ
、Ｏ、Ｎの量が４ｗｔ％で飽和してしまい、７ｗｔ％を
越えるとそれ以上の効果は期待することができないこと
がわかる。

また、導電率はＣ，０，Ｎの量が４ｗｔ％まではそれほ
どの変化はないが、４ｗｔ％を越えると導電率の低下が
始まり、と（に、７ｗｔ％をこえると導電率は極端に悪
くなることがわかる。

実施例４純度９９．５％の純アルミニウム粉末６０ｇとグラファ
イト２ｇを実施例１と同様な条件で、機械的合金化、真
空脱ガス、押出固化成形を行った。

この例は、０１種の場合である。

第４表第表結晶粒径　二　０．１８μｍ実施例５純度９９．５％の純アルミニウム粉末６０ｇをＡｒ−４
０ｖｏ１％雰囲気で実施例１と同じ条件で、機械的合金
化、真空脱ガス、押出固化成形を行った。

この例は、Ｎ１種のみの場合である。

第６表第表結晶粒径　：０．１２μｍ実施例６純度９９，５％の純アルミニウム粉末６０ｇとメチルア
ルコール１．５ｃｃをＡｒ−２０ＶＯ１％雰囲気で実施
例１と同じ条件で機械的合金化、真空脱ガス、押出固化
成形を行った。

この例は、Ｃ、Ｏ、Ｎの３種の場合である。

第８表第９表結晶粒径　：　　０．２１μｍなお、添加剤としては、上記に説明したメチルアルコー
ル、　Ｎ２ガス、０□ガス、グラファイト以外に、エチ
ルアルコール、プロピルアルコール等のアルコール類、
ヘキサン、ジメチルブタン、ジメチルペンタン、ヘプタ
ン、オクタン、ベンゼン等の炭化水素系有機溶剤および
ニトロメタン、ニトロエタン、ニトロプロパン等の窒素
化合物系有機溶媒のがしようできる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明に係る高強度高導電性アル
ミニウム合金およびその製造方法は上記の構成であるか
ら、特定の成分を特定の割合に含有するようにアルミニ
ウム合金を機械的合金化方法により製造することにより
、強度、耐熱性、導電率に優れた軽量高強度高導電性材
料が得られ、高速輸送機用モータ等へ適用することがで
き、さらに、熱伝導性にも優れているために、高い強度
と優れた熱放散性が要求されるＩＣリードフレームおよ
び自動車エンジンシリンダーブロック等への適用も可能
となるという優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼鈍温度と導電率、伸びおよび引張強度との関
係を示す図、第２図はＣ、Ｏ、Ｎ量と導電率および引張
強度との関係を示す図である。牙１図才２図（Ｃ＋Ｎ＋Ｏ）！（ｕｒｎ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ、Ｏ、Ｎの１種または２種以上の含有量が０．
０１〜７．０ｗｔ％であり、残部がアルミニウムおよび
不可避不純物からなるアルミニウム合金であり、かつ、
結晶粒径が０．０１〜２μｍであることを特徴とする機
械的合金化処理法による高強度高導電性アルミニウム合
金。
（２）純アルミニウム粉末を不活性ガスおよびＣ、Ｏ、
Ｎを１種または２種以上含有する添加剤を充填した密閉
容器中において機械的合金化処理を行ない、Ｃ、Ｏ、Ｎ
の１種または２種以上の含有量が０．１〜７．０ｗｔ％
で、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなるアル
ミニウム合金粉末とした後、固化成形することを特徴と
する高強度高導電性アルミニウム合金の製造方法。
（３）純アルミニウム粉末を不活性ガスおよびＣ、Ｏ、
Ｎを１種または２種以上含有する添加剤を充填した密閉
容器中において機械的合金化処理を行ない、Ｃ、Ｏ、Ｎ
の１種または２種以上の含有量が０．０１〜７．０ｗｔ
％で、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなるア
ルミニウム合金粉末とした後、固化成形を行ない、３５
０〜４５０℃の温度において焼鈍することを特徴とする
高強度高導電性アルミニウム合金の製造方法。