特開 2024-52649 高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024052649

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 7/00 20060101AFI20240404BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20240404BHJP

   B22F 1/14 20220101ALI20240404BHJP

   B22F 1/142 20220101ALI20240404BHJP

   C22C 1/05 20230101ALI20240404BHJP

【ＦＩ】

B22F7/00 Z

B22F1/00 N

B22F1/14 500

B22F1/142

C22C1/05 C

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023170994

(22)【出願日】2023-09-30

(31)【優先権主張番号】202211208030.2

(32)【優先日】2022-09-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】521285805

【氏名又は名称】昆明理工大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088063

【弁理士】

【氏名又は名称】坪内 康治

(72)【発明者】

【氏名】隋育棟

(72)【発明者】

【氏名】蒋業華

(72)【発明者】

【氏名】李祖来

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA15

4K018AB03

4K018AB10

4K018AC01

4K018BA20

4K018BB04

4K018BB05

4K018BC02

4K018BC12

4K018CA23

4K018DA31

4K018KA70

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法を提供する。
【解決手段】トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム等のアルキルアルミニウムと、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミドとを原料としてアルキルアルミニウム中間体を調製し、固体の中間体を分離してからアルミニウム合金粉末と均一に混合し、最後に一定の温度と真空条件下で加熱して、窒化アルミニウムとアルミニウム合金の混合粉体を得て、粉体を金型に充填し、加圧、焼結することにより、高強度高熱伝導性のアルミニウム合金材料を得ることができる。
【効果】本発明の窒化アルミニウムは低温で生成され、その表面に汚染がなく、アルミニウムマトリックスとの相容性が良好である。窒化アルミニウムの添加により、合金の機械的特性を高めると同時にアルミニウム合金の熱伝導率も著しく高めるため、アルミニウム合金部品に広い応用の将来性がある。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法であって、
アルキルアルミニウムをアミドに溶解させ、アンモニア水を滴下して混合溶液を得て、混合溶液のｐＨを８～１０の間に調節してから、混合溶液を恒温水槽に入れて加熱し、冷却してアルキルアルミニウムアミド中間体含有溶液を得るステップ（１）と、
ステップ（１）で得られた溶液内のアルキルアルミニウムアミド中間体を分離し、真空ボールミーリングを用いてアルミニウム合金粉末と均一に混合してから、混合粉体を真空高温炉に入れ、加熱して窒化アルミニウムとアルミニウム合金の混合粉体を得るステップ（２）であって、アルミニウム合金粉末と分離後のアルキルアルミニウムアミド中間体とのモル比が１：（０．１～０．３）であるステップ（２）と、
ＡｌＮ／アルミニウム合金混合粉体を部品に対応する形状を有する金型に充填し、プレス、焼結することにより、高強度高熱伝導性のアルミニウム合金材料を得るステップ（３）と、を具体的に含み、
ステップ（２）における真空ボールミーリングの条件は、真空度が０．０１～０．５Ｐａ、ボールミーリングの回転速度が１００～４００ｒ／ｍｉｎ、ボールミーリングの時間が４～８ｈであり、
ステップ（２）における真空高温炉による処理は、真空度が０．１～１Ｐａ、高温炉の温度が３５０～４５０℃、恒温保持時間が１～３ｈである、
ことを特徴とする高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項2】

ステップ（１）に記載のアルキルアルミニウムは、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、及び二塩化エチルアルミニウムのうちの何れか１つである、
ことを特徴とする請求項１に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項3】

ステップ（１）に記載のアミドは、ジメチルホルムアミド、及びジメチルアセトアミドのうちの何れか１つである、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項4】

ステップ（１）に記載の混合溶液内のアルキルアルミニウムと、アミドと、アンモニア水とのモル比が、１：（０．４～０．７）：（０．０５～０．２３）である、
ことを特徴とする請求項３に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項5】

ステップ（１）の恒温水槽における加熱条件は、６５～８０℃で４～６ｈ加熱することである、
ことを特徴とする請求項１又は４に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項6】

ステップ（１）の固体アルキルアルミニウムアミド中間体の分離方法は、市販の高速遠心機又は回転蒸発装置を用いて分離することである
ことを特徴とする請求項５に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項7】

ステップ（２）におけるアルミニウム合金粉末が、Ａｌ-Ｓｉ系、Ａｌ-Ｃｕ系、Ａｌ-Ｍｇ系、又はＡｌ-Ｚｎ系の合金粉末であり、粒径が５０～２００ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１又は６に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【請求項8】

ステップ（３）における焼結温度が５８０～６３０℃、時間が０．５～１ｈである、
ことを特徴とする請求項１に記載の高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法に関し、非鉄金属材料の分野に属する。

【背景技術】

【0002】

アルミニウム及びその合金は、良好な熱伝導性、塑性、加工性など、優れた総合的な特性を有する。また、アルミニウム合金材料も良好な高温特性、成形性、切削加工性、リベット接合性及び表面処理性を備えている。そのため、アルミニウム合金は宇宙、航空、自動車、交通運輸、橋梁、建築、電子・電気、エネルギー動力、機械製造、電気家具などの各分野で非常に広く応用されている。産業の発展と人々の生活レベルの向上に伴い、電子製品や通信機器などのチップ集積度の向上により、機器電力が増大し、発熱量が増加し、機器の単位体積あたりの放熱量も増加するため、製品の使用寿命と動作の安定性を保証するために、より高い材料の熱伝導性が求められるようになった。純アルミニウムは、室温での熱伝導率が約２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、金属材料の中では銅（３８５Ｗ／（ｍ・Ｋ））に次ぐ良好な熱伝導性を有している。しかしながら、純アルミニウムの強度はわずか６９ＭＰａと低すぎて、工業生産に応用される場合の要求を満たすことができない。このため、通常は、合金化により純アルミニウムの強度を向上させるが、合金元素の増加に伴い、アルミニウム合金の熱伝導率は徐々に低くなる。

【0003】

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の密度は３．２６ｇ／ｃｍ³、モース硬度は７～８、理論上の熱伝導率は３２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高く、熱膨張係数はシリコンに近い。窒化アルミニウムをアルミニウム合金に組み入れることで、転位に対する窒化アルミニウム強化層の阻害作用を利用して合金の機械的特性を高めることができる一方、窒化アルミニウムの高い熱伝導率を利用して、アルミニウム合金全体の熱伝導性を向上させることもできる。そのため、窒化アルミニウム強化相を含むアルミニウムベースの新材料の研究開発は国内外の科学研究者から重視され、一定の進展が遂げられている。例えば、中国特許２０１９１０８８４９６８．８には、ＡｌＮとＡｌＢ₂の二相粒子のその場生成により強化されたアルミニウムベースの複合材料を調製する方法が開示されている。この方法では、アルミニウム粉末と窒化ホウ素ナノシートとの質量比（９６－９９）：（１－４）の割合で、アルミニウム粉末と窒化ホウ素ナノシートをボールミーリング缶に投入し、不活性ガス雰囲気下で、ボールミーリングによりアルミニウム粉末と窒化ホウ素ナノシートを均一に混合し、ボールミーリング後の粉末を金型に充填し、冷間プレス成形してから焼結する。中国発明特許２０１８１１４５３９３８．３には、耐高温ＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃とにより強化されるアルミニウムベース複合材料及びその調製方法が開示されている。この方法では、まず超微細アルミニウム粉末を適当な空隙率まで加圧し、パックに入れて密封し、その周囲に適当な量の空気が入るように穴を開ける。パックを空気炉に入れて低温加熱して酸化皮膜を厚くしてから、高温まで昇温して、空気中の窒素ガスと酸素ガスを用いてＡｌＮとＡｌ₂Ｏ₃を生成させ、高温処理後の粉末に対して焼結や熱間加工を行って、最終的にはアルミニウム合金材料を得る。しかし、上述の方法のＡｌＮは全てアルミニウム粉末とＢＮ或いは空気との反応で生成されるので、反応過程と生成物の体積分率の調節や制御が容易ではなく、また、アルミニウム粉末が窒化する時に大量の熱が発生し、粉末の固まり、さらには溶融を発生させるため、製品品質の制御が不可能になる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

アルミニウム合金の強度と熱伝導性を両立させることができず、従来のＡｌＮ含有アルミニウム合金の調製過程に存在する、ＡｌＮの生成量が制御不能で、アルミニウム粉末が固まって溶融し、大規模な大量調製が困難であるという課題を解決するために、本発明の目的は、具体的には以下のステップを含む高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

（１）アルキルアルミニウムをアミドに溶解させ、アンモニア水を滴下して混合溶液を得て、混合溶液のｐＨを８～１０の間に調節してから、混合溶液を恒温水槽に入れて加熱し、冷却してアルキルアルミニウムアミド中間体含有溶液を得る。

【0006】

（２）ステップ（１）で得られた溶液内のアルキルアルミニウムアミド中間体を分離し、真空ボールミーリングを用いてアルミニウム合金粉末と均一に混合してから、混合粉体を真空高温炉に入れ、加熱して窒化アルミニウムとアルミニウム合金の混合粉体を得る。

【0007】

（３）ＡｌＮ／アルミニウム合金混合粉体を部品に対応する形状を有する金型に充填し、プレス、焼結することにより、高強度高熱伝導性のアルミニウム合金材料を得る。

【0008】

好ましくは、本発明のステップ（１）に記載のアルキルアルミニウムは、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、及び二塩化エチルアルミニウムのうちの何れか１つである。

【0009】

好ましくは、本発明のステップ（１）に記載のアミドは、ジメチルホルムアミド、及びジメチルアセトアミドのうちの何れか１つである。

【0010】

好ましくは、本発明のステップ（１）に記載の混合溶液内のアルキルアルミニウムと、アミドと、アンモニア水とのモル比が、１：（０．４～０．７）：（０．０５～０．２３）である。

【0011】

好ましくは、本発明のステップ（１）の恒温水槽における加熱条件は、６５～８０℃で４～６ｈ加熱することである。

【0012】

好ましくは、本発明のステップ（１）の固体アルキルアルミニウムアミド中間体の分離方法は、市販の高速遠心機又は回転蒸発装置を用いて分離することであり、他の実施可能な分離方法も本発明に適用されてもよい。

【0013】

好ましくは、本発明のステップ（２）におけるアルミニウム合金粉末が、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ-Ｃｕ系、Ａｌ-Ｍｇ系、又はＡｌ-Ｚｎ系の合金粉末であり、粒径が５０～２００ｎｍであり、アルミニウム合金粉末と分離後のアルキルアルミニウムアミド中間体とのモル比が１：（０．１～０．３）である。

【0014】

好ましくは、本発明のステップ（２）における真空ボールミーリングの条件は、真空度が０．０１～０．５Ｐａ、ボールミーリングの回転速度が１００～４００ｒ／ｍｉｎ、ボールミーリングの時間が４～８ｈである。

【0015】

好ましくは、本発明のステップ（２）における真空高温炉による処理は、真空度が０．１～１Ｐａ、高温炉の温度が３５０～４５０℃、恒温保持時間が１～３ｈである。

【0016】

好ましくは、本発明のステップ（３）における焼結温度は５８０～６３０℃であり、時間は０．５～１ｈである。

【0017】

本発明に記載のプレス、焼結方法は、冷間等方圧プレス＋空気炉による焼結、熱間等方圧焼結、急速焼結、放電プラズマ焼結のうちの何れか１つであってもよい。

【0018】

先行技術に比べて、本発明の有益な効果は以下の通りである。

【0019】

本発明の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、アルキルアルミニウム、アミド及びアンモニア水を互いに反応させてアルキルアルミニウム中間体を生成してから、真空で３５０～４５０℃の条件で生成されるものであり、従来の方法によるアルミニウム粉末がＢＮ又は空気と反応してＡｌＮを生成するプロセスが制御不能なのを回避し、反応温度が比較的低く、危険性及びコストがともに低下する。また、ＡｌＮ強化体はアルミニウム基体内で核を形成して成長するため、ＡｌＮ表面に汚染がなく、マトリックスと強化相との相容性が良好である。従来の方法と比べて、ＡｌＮ強化体とアルミニウムマトリックスとの格子不整合度が３％未満であるため、有効な非均質核形成の核とすることができる。均一に分布する本発明のＡｌＮ強化体により、結晶粒の微細化が容易であり、ホール・ペッチの式によれば、結晶粒サイズは降伏強度等の機械的特性に反比例し、結晶粒サイズが小さいほど、機械的特性に優れる。

【0020】

本発明の技術を利用して調製された高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料は、ＡｌＮによる結晶粒の微細化作用により、ＡｌＮ強化相を含まないものより材料の機械的特性が２０％以上向上した。同時に、熱伝導率に対するＡｌＮ強化相の寄与により、材料の熱伝導性も１２％以上向上され、材料の機械的特性と熱伝導性を両立させた。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明により調製されたＡｌＮとアルミニウム合金の混合粉体形態を示す図である。

【図2】本発明により調製された高強度高熱伝導性アルミニウム合金の透過電子顕微鏡による顕微鏡形態を示す図である。

【図3】本発明を利用せずに調製されたアルミニウム合金のミクロ組織及び結晶粒サイズを示す図である。

【図4】本発明を利用して調製されたアルミニウム合金のミクロ組織及び結晶粒サイズを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下では、本発明の実施例に関連して、本発明における技術案を明確且つ完全に説明する。説明される実施例は本発明の全ての実施例ではなく、一部の実施例に過ぎないことは明らかである。本発明における実施例に基づいて、当業者が創造的な労働を行わないことを前提に得られる全ての他の実施例は、本発明の保護の範囲に属す。

【実施例0023】

実施例１
本発明は、Ａｌ-Ｓｉ系高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法に関するものであり、その具体的なステップは以下の通りである。

【0024】

（１）トリメチルアルミニウムをジメチルホルムアミドに溶解させ、アンモニア水を滴下して混合溶液を得て、トリメチルアルミニウムと、ジメチルホルムアミドと、アンモニア水とのモル比が１：０．６：０．１であり、混合溶液を恒温水槽に入れ、７５℃で５ｈ恒温保持し、冷却してトリメチルアルミニウムアミド中間体含有溶液を得る。

【0025】

（２）回転蒸発装置を用いて溶液からトリメチルアルミニウムアミド中間体を分離し、ボールミーリング缶に入れるとともに、粒径１００ｎｍのＺＬ１０１合金（中国記号、Ａｌ-Ｓｉ系合金）粉末を秤量してボールミーリング缶に入れ、アルミニウム合金粉末とトリメチルアルミニウムアミド中間体とのモル比を１：０．２として、真空度０．１Ｐａ、回転速度３００ｒ／ｍｉｎでボールミーリングを６ｈ行う。

【0026】

（３）ボールミーリング後の混合粉体を真空度０．５Ｐａ、温度４００℃の真空高温炉に入れ、２ｈ恒温保持し、図１に示すように、窒化アルミニウムとＡｌ-Ｓｉ系合金の混合粉体を得る。図１から分かるように、上記方法により、ナノメートルオーダーのＡｌＮとＡｌ-Ｓｉ系合金混合粉体を得ることができ、粉体粒径の均一性が良く、表面汚染がない。

【0027】

（４）ナノメートルオーダーのＡｌＮとＡｌ－Ｓｉ系合金混合粉体を金型に充填し、冷間等方圧プレス＋空気炉による焼結により（焼結温度６００℃、時間０．５ｈ）、高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料を得ることができ、得られたアルミニウム合金材料を透過電子顕微鏡でサンプリング観察したところ、そのＴＥＭ形態は図２に示すようである。図２から分かるように、材料中のＡｌＮ強化相がアルミニウムマトリックス中で均一に分散分布し、ＡｌＮとアルミニウムマトリックス間のミクロ界面間に不純物がなく、界面結合が良好である。

【0028】

対照として、ＡｌＮ強化相が添加されていないアルミニウム合金材料の調製方法は、対応する合金粉末（本実施例ではＡｌ-Ｓｉ系合金粉末）を直接金型に充填し、冷間等方圧プレス＋空気炉による焼結により（焼結温度６００℃、時間０．５ｈ）、アルミニウム合金材料を得ることである。

【0029】

本発明を利用して調製された高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料は、ＡｌＮ強化相を添加していない５００μｍ程度から約６０μｍまで結晶粒サイズが低下し、両者の結晶粒サイズの写真を図３及び図４に示す。顕著な結晶粒微細化強化効果により、材料の引張強度は２１０ＭＰａから２６０Ｍｐａに向上した。熱伝導率の高いＡｌＮを添加することにより、材料の熱伝導率も１５０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）から１７２．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）に向上し、機械的特性と熱伝導性を両立したアルミニウム合金材料を得た。

【実施例0030】

実施例２
本発明は、Ａｌ-Ｃｕ系高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料の調製方法に関するものであり、その具体的なステップは以下の通りである。

【0031】

（１）トリエチルアルミニウムをジメチルアセトアミドに溶解させ、アンモニア水を滴下して混合溶液を得て、トリエチルアルミニウムと、ジメチルアセトアミドと、アンモニア水とのモル比が１：０．４：０．２３である。混合溶液を恒温水槽に入れ、８０℃で４ｈ恒温保持し、冷却してトリエチルアルミニウムアミド中間体含有溶液を得る。

【0032】

（２）高速遠心機を用いて溶液からトリエチルアルミニウムアミド中間体を分離し、ボールミーリング缶に入れるとともに、粒径２００ｎｍのＺＬ２０３合金（中国記号、Ａｌ-Ｃｕ系合金）粉末を秤量してボールミーリング缶に入れ、アルミニウム合金粉末とトリエチルアルミニウムアミド中間体とのモル比を１：０．３として、真空度０．５Ｐａ、回転速度１００ｒ／ｍｉｎでボールミーリングを４ｈ行う。

【0033】

（３）ボールミーリング後の混合粉体を真空度１Ｐａ、温度４５０℃の真空高温炉に入れ、１ｈ恒温保持し、窒化アルミニウムとＡｌ-Ｃｕ系合金の混合粉体を得る。

【0034】

（４）ナノメートルオーダーのＡｌＮとＡｌ-Ｃｕ系合金混合粉体を金型に充填し、熱間等方圧プレス及び空気焼結により（焼結温度６３０℃、時間０．５ｈ）、高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料を得ることができる。

【0035】

対照として、ＡｌＮ強化相が添加されていないアルミニウム合金材料の調製方法は、対応する合金粉末（本実施例ではＡｌ-Ｃｕ系合金粉末）を直接金型に充填し、熱間等方圧プレス＋空気炉による焼結により（焼結温度６３０℃、時間０．５ｈ）、アルミニウム合金材料を得ることである。

【0036】

本発明を利用して調製された高強度高熱伝導性アルミニウム合金材料は、ＡｌＮ強化相を添加していない５６０μｍ程度から約８０μｍまで結晶粒サイズが低下する。顕著な結晶粒微細化強化効果により、材料の引張強度は２０５ＭＰａから２７８ＭＰａに向上した。熱伝導率の高いＡｌＮを添加することにより、材料の熱伝導率も１５４．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）から１７９．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）に向上し、機械的特性と熱伝導性を両立したアルミニウム合金材料を得た。