JP5747103B1 - アルミニウム合金から成る放熱フィン及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉄等の金属元素の添加を不要とすることができ、且つ、高熱伝導率を図ることができるアルミニウム合金及びその製造方法を提供する。【解決手段】ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、結晶組織が粒状とされた半溶融素材から得られるものであり、当該半溶融素材を得る加熱工程Ｓ１と、加熱工程Ｓ１で得られた半溶融素材を半溶融成形する半溶融成形工程Ｓ２と、半溶融成形工程後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理する熱処理工程Ｓ３とを経て製造されるものである。【選択図】図１
Description
本発明は、熱伝導率が高く、且つ、強度が高いアルミニウム合金から成る放熱フィン及びその製造方法に関するものである。
ハイブリッド車や電気自動車などの次世代自動車は、蓄電池やパワーデバイスの一層の高出力化及び小型化に伴って発熱密度が上昇し、その発熱に対する放熱対策が大きな課題となっている。また、次世代自動車の他、航空機などの輸送用機器、ＬＥＤ照明、パーソナルコンピュータ、冷蔵庫などの家電、その他の電力を必要とするあらゆる機器においても、同様の問題を抱えているのが実情である。
このような近時の実情から、ヒートシンク等の放熱のための性能向上が重要視されている。通常、ヒートシンクを構成する放熱材料として、金属系であれば、銅やアルミニウムが材料として用いられるとともに、製造方法として押出し成形や鍛造が採用されている。しかしながら、これまで行われてきたヒートシンクにおけるフィン部のち密化による性能向上策は、加工性や熱抵抗などの観点からほぼ限界に達しているとともに、押出し成形や鍛造は、製造法に起因する問題から形状の自由度が少なく、加えてコスト高により、その採用に限界がある。
しかるに、従来より、ヒートシンクのフィンなどに用いられる熱伝導性が高く、放熱効果に優れた材料が種々提案されており、例えば特許文献１にて開示されているように、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、ホウ素（Ｂ）が添加物として含有され、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る材料をダイカストによって鋳造した後、時効熱処理することで強度及び熱伝導性が高いアルミニウム合金が提案されている。
しかしながら、上記従来技術においては、ダイカストによる鋳造法が必要とされており、熱伝導性を十分に向上させることができないという問題があった。すなわち、ダイカスト法は、溶けた金属を高速・高圧で金型の中に噴出させる製造法であるため、空気や酸化物の巻き込み及びミクロポロシティと呼ばれる微小欠陥などが多く、これらは、熱伝導率を低下させる原因となってしまうのである。これにより、ダイカストによる鋳造品の実体の熱伝導率は、公称値と比べてかなり低いものとなっている。加えて、金型に対する焼付き防止のために鉄（Ｆｅ）などの金属元素の添加が必要とされるが、アルミニウム中に鉄（Ｆｅ）等の金属元素を含有させて合金化させると、合金成分量に比例して熱伝導率が低下してしまう。合金成分量を下げた場合、ダイカストでは鋳造性が悪くなるために不良率が上がり歩留まりが悪くなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、鉄等の金属元素の添加を不要とすることができ、且つ、成形性が高く、高熱伝導率を図ることができるアルミニウム合金から成る放熱フィン及びその製造方法を提供することにある。
請求項１記載の発明は、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のみが添加物として添加され、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を、０．１５〜０．４（ｍ／ｓ）の速度、且つ、１５〜３０（ＭＰａ）の圧力で金型内に注入して半溶融成形を行った後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理して得られたアルミニウム合金から成ることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のみが添加物として添加され、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を、０．１５〜０．４（ｍ／ｓ）の速度、且つ、１５〜３０（ＭＰａ）の圧力で金型内に注入して半溶融成形を行った後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理するための加熱工程を経てアルミニウム合金から成る放熱フィンを得ることを特徴とする。
請求項１、２の発明によれば、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を用いているので、成形時、金型に注入する際の流動性を良好とすることができ、低温、低速及び低圧に注入させても金型内に良好に充填させることができる。したがって、鉄等の金属元素の添加を不要とすることができ、且つ、高熱伝導率を図ることができ、ダイカストによる実体鋳造品のような強度や熱伝導率の低下もない。
また、半溶融素材を半溶融成形した後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理するので、鉄等の金属元素の添加を不要としつつ熱伝導率をより向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係るアルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、成形性向上のために結晶組織が粒状とされた半溶融素材から得られるもので、熱伝導率が１８０Ｗ（ｍ・Ｋ）以上とされている。
本実施形態に係るアルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、成形性向上のために結晶組織が粒状とされた半溶融素材から得られるもので、熱伝導率が１８０Ｗ（ｍ・Ｋ）以上とされている。
具体的には、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を半溶融成形した後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理して得られるアルミニウム合金が好ましい。なお、半溶融素材として、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のみが添加物として添加され、鉄（Ｆｅ）を一切含有しないものが好ましいが、コスト等の実用上或いは強度等の必要上、熱伝導率を低下させない範囲で、マグネシウム（Ｍｇ）を含有しないもの、或いは不可避な不純物として鉄（Ｆｅ）を含有するものであってもよい。
すなわち、アルミニウムの熱伝導率は、純アルミニウムが最も高く、添加する元素量が増えるに従って、比例的に熱伝導率が低下するのであるが、純アルミニウムは、強度的に弱く、半溶融成形するための固液共存領域がないために半溶融成形は不可能である。したがって、強度を確保しつつ熱伝導率を向上するには、半溶融成形することが可能な成分範囲内で添加する元素を極力少なくする必要がある。
しかして、本実施形態における純アルミニウムに添加する添加物（元素）は、少なくともケイ素（Ｓｉ）のみであり、マグネシウム（Ｍｇ）を添加する場合は、０．７重量％以下である。マグネシウム（Ｍｇ）の添加は必ずしも必須ではないが、当該マグネシウム（Ｍｇ）を添加すれば、成形品の強度を向上させることができる。ケイ素（Ｓｉ）は、加熱時に固液共存状態として半溶融成形を可能とし、湯流れ性（金型に対する溶湯の流動性）を向上するために必要とされるとともに、マグネシウム（Ｍｇ）は、成形品の強度を向上するために必要とされるが、従来のダイカスト合金に必要とされる鉄（Ｆｅ）の添加は必要ない。これは、ダイカスト合金に添加される鉄（Ｆｅ）は、アルミニウムの金型への焼き付き防止のために必要とされているが、本実施形態の如く半溶融成形の場合は、ダイカスト法と比べて鋳造温度が約１００℃低く、低速、低圧で半溶融素材を注入することができるため、鉄（Ｆｅ）の添加が必要ないからである。
ところで、半溶融素材とは、金属を固相と液相とが共存した状態まで溶融させて得られるもの（チクソキャスティング）と、溶湯を固相と液相とが共存した状態まで冷却させて得られるもの（レオキャスティング）との両者を含むが、本発明においては、何れの形態も含む（セミソリッド）ものとされる。かかる半溶融素材を用いた成形法（半溶融成形法）は、成形時の冷却速度が速く結晶が微細であることから、得られる成形品を高強度として機械的性質を向上させることができるとともに、低加圧で均一な組織が得られることから、得られる成形品を収縮孔や偏析が少なく、実体強度の低下のない高品質なものとすることができる。
本実施形態に係る半溶融素材は、溶湯を機械的や電磁的に攪拌する方法、歪みを与えて再結晶時に粒状にする方法、凝固制御による方法等から得られ、粒状化した初晶を有する。この半溶融素材を用いて成形すれば、固液共存域より成形し得ることから、冷却速度を速め、製品の機械的性質を向上させ得るという効果があるとともに、半溶融素材が粒状化した初晶を含有しているので、溶融金属に比べて流動性が良好とされており、低速及び低圧にて注入させても、金型内において良好に充填させることができる。すなわち、流動性が良好な半溶融素材を用いることで、複雑な形状の成形品や薄肉の成形品を精度よく成形することができるのである。
また、半溶融成形は、半溶融状態を有する材料であればどのような成分のものも使用できるため、使用する材質に対する制限が少なく、高熱伝導率の材料を使用することができる。そして、半溶融成形法は、熱処理ができること及びミクロポロシティが少ないことが特長として挙げられることから、熱伝導率を一層向上させることができる。しかして、低速及び低圧で半溶融素材を金型に注入させることにより、金型内で良好にアルミニウム合金を生成することができるのである。
さらに、本実施形態に係るアルミニウム合金は、半溶融成形後に熱処理を行うことによって、熱伝導性及び強度を向上させている。熱処理温度は、１９０〜２９０℃、時間は、１〜５時間である。この熱処理によって、初晶α−Ａｌ相へのケイ素（Ｓｉ）の溶解度が低下するためにアルミニウム（Ａｌ）の濃度が高くなり、熱伝導率が向上するのである。但し、熱処理温度が１９０℃未満、及び熱処理時間が１時間未満では、熱処理が不十分となってしまい高い強度が得られない。また、熱処理温度が２９０℃を超えると、過時効となって強度が低下してしまうとともに、熱処理時間が５時間を超えると強度が低下し、且つ、生産性が悪くなってしまう。
なお、熱伝導率を向上させるためには、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）以外の含有成分を極力少なくする必要があるが、その分コストが上がってしまう。そのために、例えば熱伝導率１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を下回らない程度において、不純物（不可避な不純物）の含有を許容することができる。不可避な不純物として、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）等が考えられる。但し、鉄（Ｆｅ）は、半溶融素材の材料として再生塊を使用した場合には含有量を下げることが難しいため、０．３％以下の含有を許容してもよく、マンガン（Ｍｎ）及びチタン（Ｔｉ）は、熱伝導率を低下させる作用が大きいため、０．０５％以下、その他の元素は、０．１％以下の含有をそれぞれ許容するものとしてもよい。
次に、本実施形態に係るアルミニウム合金の製造工程について、図１のフローチャートに基づいて説明する。
本実施形態に係るアルミニウム合金を得るためには、加熱工程Ｓ１、半溶融成形工程Ｓ２及び熱処理工程Ｓ３を順次行うものとされている。加熱工程Ｓ１は、アルミニウムにケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）を添加した合金を所定条件にて加熱することで、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下（０．２〜０．７重量％が好ましい）、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を得る工程である。
本実施形態に係るアルミニウム合金を得るためには、加熱工程Ｓ１、半溶融成形工程Ｓ２及び熱処理工程Ｓ３を順次行うものとされている。加熱工程Ｓ１は、アルミニウムにケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）を添加した合金を所定条件にて加熱することで、ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下（０．２〜０．７重量％が好ましい）、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を得る工程である。
半溶融成形工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ１で得られた半溶融素材を材料として半溶融成形するための工程で、半溶融素材を所望の金型に低速及び低圧で注入（０．１５〜０．４（ｍ／ｓ）の速度、且つ、１５〜３０（ＭＰａ）の圧力で金型内に注入）する。熱処理工程Ｓ３は、半溶融成形工程Ｓ２で得られた成形品を、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理するための工程である。
次に、本発明の技術的優位性について実施例及び比較例を挙げて説明する。
下記の表１に示した成分を有するアルミニウム合金を加熱した後、所定の容器に注湯し、初晶α−Ａｌが粒状になるように凝固制御を行ってビレットを作製するとともに、その作製したビレットを半溶融状態まで再加熱して円板状に加圧成形（半溶融成形）した。なお、マグネシウム（Ｍｇ）を溶解時に０．５％添加したもの、及び添加しないものをそれぞれ作製している。
下記の表１に示した成分を有するアルミニウム合金を加熱した後、所定の容器に注湯し、初晶α−Ａｌが粒状になるように凝固制御を行ってビレットを作製するとともに、その作製したビレットを半溶融状態まで再加熱して円板状に加圧成形（半溶融成形）した。なお、マグネシウム（Ｍｇ）を溶解時に０．５％添加したもの、及び添加しないものをそれぞれ作製している。
そして、得られた円板状の成形品について、熱処理を行わないもの、５４０℃で６時間の熱処理と１６０℃で６時間の熱処理の両方行ったもの（Ｔ６）、及び２５０℃で２時間の熱処理を行ったもの（Ｔ５）をそれぞれ作製して、それらの熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））及びブリネル硬さ（ＨＢＷ）について測定したところ、以下の表２及び図２の如き結果が得られた。なお、ケイ素（Ｓｉ）の含有率が７％及び８％のものは、それぞれ比較例に相当する。
上記表２及び図２から分かるように、ケイ素（Ｓｉ）の含有率が低いほど熱伝導率が高くなり、マグネシウム（Ｍｇ）を添加することによって熱処理効果が発現し、硬さが向上する。すなわち、従来のダイカスト法で成形品を得た場合、ケイ素（Ｓｉ）が少ないと溶融温度が上昇し、マグネシウム（Ｍｇ）の添加によって溶湯の流動性（湯流れ性）が低下してしまうのに対し、本発明の如く半溶融成形法で成形品を得た場合、初晶α−Ａｌが粒状であることから、溶湯の流動性がよく、良好な成形を図ることができる。
さらに、Ｔ６の如き熱処理（５４０℃で６時間の熱処理と１６０℃で６時間の熱処理の両方行う）は、溶体化処理を伴うため、表２からも分かるように、強度を向上させる上では必要な処理であるが、高温で保持した後、急冷することになるため、組織中の不純物がアルミニウムの中に溶け込んだまま閉じ込められてしまい、熱伝導率が低下してしまう。したがって、Ｔ５の如き熱処理（２５０℃で２時間の熱処理）（すなわち、焼きなまし）を行うのが好ましい。
しかるに、ケイ素（Ｓｉ）を４％含有した成形品において、熱伝導率及び硬さに及ぼす焼きなまし温度の影響について実験したところ、図３の如き結果が得られた。かかる実験結果より、ケイ素（Ｓｉ）を４％、及びマグネシウム（Ｍｇ）を０．５％含有した実施例においては、ある程度の硬さを保持しつつ熱伝導率を向上させるには、焼きなまし温度として、１９０〜２９０℃が好ましいことが分かる。
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、半溶融成形によって得られる製品は、熱伝導率が高く（本実施形態の如く、１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上）、高い放熱効果が求められる放熱フィンに適用している。
ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のみが添加物として添加され、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を、０．１５〜０．４（ｍ／ｓ）の速度、且つ、１５〜３０（ＭＰａ）の圧力で金型内に注入して半溶融成形を行った後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理して得られたアルミニウム合金から成る放熱フィン及びその製造方法であれば、他の形態のものであってもよい。
Ｓ１ 加熱工程
Ｓ２ 半溶融成形工程
Ｓ３ 熱処理工程
Ｓ２ 半溶融成形工程
Ｓ３ 熱処理工程
Claims (2)
- ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のみが添加物として添加され、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を、０．１５〜０．４（ｍ／ｓ）の速度、且つ、１５〜３０（ＭＰａ）の圧力で金型内に注入して半溶融成形を行った後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理して得られたアルミニウム合金から成ることを特徴とする放熱フィン。
- ケイ素（Ｓｉ）が２〜６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされるとともに、ケイ素（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のみが添加物として添加され、結晶組織が粒状とされた半溶融素材を、０．１５〜０．４（ｍ／ｓ）の速度、且つ、１５〜３０（ＭＰａ）の圧力で金型内に注入して半溶融成形を行った後、１９０〜２９０℃で１〜５時間熱処理するための加熱工程を経てアルミニウム合金から成る放熱フィンを得ることを特徴とする放熱フィンの製造方法。
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