特許 7179226 アルミニウム成形体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-17

(45)【発行日】2022-11-28

(54)【発明の名称】アルミニウム成形体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/28 20210101AFI20221118BHJP

   C22C 21/00 20060101ALI20221118BHJP

   C22C 1/04 20060101ALI20221118BHJP

   B22F 10/64 20210101ALI20221118BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20221118BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20221118BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20221118BHJP

   B82Y 30/00 20110101ALI20221118BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20221118BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221118BHJP

   B22F 10/34 20210101ALI20221118BHJP

【ＦＩ】

B22F10/28

C22C21/00 M

C22C1/04 C

B22F10/64

B22F3/24 C

B22F1/00 N

B82Y40/00

B82Y30/00

B33Y80/00

B33Y10/00

B22F10/34

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022516978

(86)(22)【出願日】2021-04-13

(86)【国際出願番号】 JP2021015328

(87)【国際公開番号】W WO2021215306

(87)【国際公開日】2021-10-28

【審査請求日】2022-06-24

(31)【優先権主張番号】P 2020075735

(32)【優先日】2020-04-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2020076883

(32)【優先日】2020-04-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】399054321

【氏名又は名称】東洋アルミニウム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001885

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰＲコンサルタント

(72)【発明者】

【氏名】谷津倉 政仁

(72)【発明者】

【氏名】長尾 隆史

(72)【発明者】

【氏名】田代 継治

(72)【発明者】

【氏名】楠井 潤

【審査官】池田 安希子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／２０３７１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１２７４４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １０／００－１２／９０

Ｃ２２Ｃ ２１／００

Ｃ２２Ｃ １／０４

Ｂ２２Ｆ ３／２４

Ｂ２２Ｆ １／００

Ｂ８２Ｙ ４０／００

Ｂ８２Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ ８０／００

Ｂ３３Ｙ １０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層造形法によって成形してなるアルミニウム積層成形体であり、
Ａｌと共晶を形成するＦｅを０．１５～２．５質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム材を原料とし、
熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上であること、
を特徴とするアルミニウム成形体。

【請求項2】

メルトプールの境界部を除く領域のＡｌと前記Ｆｅからなる化合物の平均粒径が２０～１００ｎｍであること、
を特徴とする請求項１に記載のアルミニウム成形体。

【請求項3】

熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ以上であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム成形体。

【請求項4】

ビッカース硬度が３０～９０ＨＶ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アルミニウム成形体。

【請求項5】

引張強度：１００ＭＰａ以上、０．２％耐力：７５ＭＰａ以上、伸び：５％以上の引張特性を有すること、
を特徴とする請求項１～４のうちのいずれかに記載のアルミニウム成形体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はアルミニウム成形体及びその製造方法に関し、より具体的には、高い熱伝導率と圧延材よりも高い機械的性質が要求される部材として好適に使用することができるアルミニウム積層成形体及びその効率的な製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

アルミニウムは比強度が高いことに加えて、優れた熱伝導性を有していることから、電気自動車、航空機等の輸送用機器、ＬＥＤ照明及び各種電子電気機器等のヒートシンク材として活用されている。

【0003】

しかしながら、蓄電池やパワーデバイス等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ているところ、アルミニウムの熱伝導率は銅の約半分であり、熱伝導率の更なる向上が切望されている。また、構造部材の信頼性等の観点からは機械的性質も重要であり、熱伝導率を向上させると共に、高い強度も実現する必要がある。

【0004】

これに対し、例えば、特許文献１（特開２０１３－２０４０８７号公報）においては、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％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、鋳造後に２００℃＜Ｔ＜２５０℃で０．１～１時間保持することを特徴とする室温における引張耐力が２００ＭＰａ以上の高強度でかつ熱伝導率１４５Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウム合金部材とその製造方法、が開示されている。

【0005】

上記特許文献１に記載のアルミニウム合金部材とその製造方法においては、不純物を含む合金組成を最適化することで流動性の確保と焼き付防止の改善、かつ鋳造後の共晶Ｓｉ粒状化による熱伝導率の改善による熱処理時間の短縮化により、室温における引張耐力が２００ＭＰａ以上の高強度でかつ熱伝導率１４５Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性を示すことを見出した、とされている。

【0006】

また、特許文献２（特開２０１４－２０９５０２号公報）においては、アルミニウム板材と、下地処理皮膜と、樹脂系皮膜を有する車載ＬＥＤ照明ヒートシンク用プレコートアルミニウム板材であって、前記アルミニウム板材は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、 前記樹脂系皮膜は、熱硬化性樹脂と、黒色顔料成分を含み、前記樹脂系皮膜の膜厚は、５～１５μｍであり、前記樹脂系皮膜の表面の算術平均粗さＲａが、０．５～３μｍであり、前記樹脂系皮膜は、波長が３～３０μｍの赤外線領域における積分放射率が２５℃において０．８０以上であることを特徴とする車載ＬＥＤ照明ヒートシンク用プレコートアルミニウム板材、が開示されている。

【0007】

上記特許文献２に記載の熱伝導性アルミニウム合金においては、素材の熱抵抗を下げるために、アルミニウム板材の熱伝導率を一定のレベル以上とすること、アルミニウム板材からなる成形体の表面に黒色の皮膜を形成することによって放射率が高まること、皮膜は比較的薄くして皮膜としての熱抵抗を下げること、皮膜の表面粗さを適切に制御して、放射率を高めることによって、放熱性に優れた車載ＬＥＤ照明ヒートシンク用プレコートアルミニウム板材を提供することができる、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１３－２０４０８７号公報

【文献】特開２０１４－２０９５０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ヒートシンク材において最も重要なのは熱伝導率であるが、上記特許文献１のアルミニウム合金部材では１４５Ｗ／ｍＫ以上、上記特許文献２の車載ＬＥＤ照明ヒートシンク用プレコートアルミニウム板材におけるアルミニウム板材では１５０Ｗ／ｍＫ以上となっている。上述の発熱密度の増加に伴い、ヒートシンクの冷却機能向上が求められているところ、これらの熱伝導率では不十分である。

【0010】

また、アルミニウムの熱伝導性を活用する部材は複雑形状を有している場合も多く、簡便かつ効率的に当該部材形状にできることが望まれることに加え、実用に耐え得る高い強度を有することも必要である。

【0011】

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、高い熱伝導率を有すると共に圧延材と比較して高強度を有するアルミニウム成形体及びその製造方法を提供することにある。より具体的には、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すると共に同組成の圧延材と比較して高強度を有するアルミニウム成形体及び当該アルミニウム成形体が複雑形状を有する場合であっても効率的に製造することができる方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者らは、上記目的を達成すべく、アルミニウム成形体及びその製造方法について鋭意研究を重ねた結果、アルミニウムと共晶を形成する遷移金属元素を微量含有するアルミニウム材を原料とし、積層造形法によってアルミニウム積層成形体を得ること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

【0013】

即ち、本発明は、
積層造形法によって成形してなるアルミニウム積層成形体であり、
Ａｌと共晶を形成する遷移金属元素を０．００１～２．５質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム材を原料とし、
熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上であること、
を特徴とするアルミニウム成形体、を提供する。

【0014】

本発明のアルミニウム成形体においては、前記遷移金属元素はＦｅであることが好ましい。また、その他の遷移金属元素としては、例えば、Ｎｉ及びＣｏ等を挙げることができる。以下、本発明のアルミニウム成形体について、主として、遷移金属元素がＦｅの場合について説明する。

【0015】

０．００１～２．５質量％のＦｅを含むアルミニウム材を積層造形法によって急冷凝固させることで、本発明のアルミニウム成形体には平均粒径が２０～１００ｎｍの極めて微細なＡｌＦｅ系化合物が分散していることが好ましい。ここで、メルトプールの境界領域とは、メルトプールの境界からの距離が５μｍまでの領域を意味する。また、本発明のアルミニウム成形体は積層造形法によって成形されており、複雑形状や中空構造体等であっても、任意の形状とすることができる。なお、アルミニウム材の形状及びサイズは用いる積層造形法に応じて適当なものを選択すればよく、粉末状のアルミニウム材やワイヤー状のアルミニウム材を好適に用いることができる。

【0016】

また、本発明のアルミニウム成形体は積層造形法で得られたものであり、多数の急冷凝固領域の接合によって形成されていることから、鋳物等と比較して成形体全体としては均質な元素分布となっている。その結果、アルミニウム成形体の全体に極めて微細なＡｌＦｅ系化合物が均一に分散している。

【0017】

なお、本発明のアルミニウム成形体の不可避不純物としては、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒ及びＴｉを例示することができる。

【0018】

本発明のアルミニウム成形体においては、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ以上であること、が好ましい。より好ましい熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上であり、最も好ましい熱伝導率は２１０Ｗ／ｍＫ以上である。本発明のアルミニウム成形体においては、Ｆｅが微細なＡｌＦｅ系化合物を形成することで、アルミニウム母材から均質にＦｅが除去されている。加えて、当該ＡｌＦｅ系化合物の形成過程においてアルミニウム母材のひずみが大幅に低減されており、これらの効果によって高い熱伝導率が実現されている。

【0019】

また、本発明のアルミニウム成形体においては、ビッカース硬度が３０～９０ＨＶであること、が好ましい。より好ましいビッカース硬度は４０～９０ＨＶ、最も好ましいビッカース硬度は５０～９０ＨＶである。アルミニウム成形体を熱処理することで熱伝導率が向上するが、ＡｌＦｅ系化合物が粗大化するとビッカース硬度等の機械的性質は低下する。ここで、熱伝導率とビッカース硬度を高い値で両立するためには、３０～６５ＨＶとすることが好ましく、４０～６５ＨＶとすることがより好ましく、５０～６５ＨＶとすることが最も好ましい。

【0020】

また、本発明のアルミニウム成形体においては、４００～５００℃に１時間保持した際のビッカース硬度の低下が５ＨＶ以下であること、が好ましい。本発明のアルミニウム成形体は微細なＡｌＦｅ系化合物の均一分散に起因して良好な熱安定性を有している。４００～５００℃に１時間保持した際のビッカース硬度の低下が５ＨＶ以下となることで、高温に保持される用途においても好適に用いることができる。

【0021】

更に、本発明のアルミニウム成形体においては、引張強度：１００ＭＰａ以上、０．２％耐力：７５ＭＰａ以上、伸び：５％以上の引張特性を有すること、が好ましい。より好ましい引張強度は１５０ＭＰａ以上、最も好ましい引張強度は２００ＭＰａ以上である。また、より好ましい０．２％耐力は１００ＭＰａ以上であり、最も好ましい０．２％耐力は１５０ＭＰａ以上である。更に、より好ましい伸びは１０％以上であり、最も好ましい伸びは１５％以上である。本発明のアルミニウム成形体においては、極めて微細なＡｌＦｅ系化合物が均一に分散していることから、同一組成を有する圧延材と比較して優れた引張特性を有している。アルミニウム成形体がこれらの引張特性を有していることで、強度及び信頼性が要求される用途においても好適に用いることができる。

【0022】

また、本発明は、
Ａｌと共晶を形成する遷移金属元素を０．００１～２．５質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム材を積層造形法によって成形し、アルミニウム積層成形体を得る積層成形工程と、
前記アルミニウム積層成形体を３２５～５２５℃に保持し、Ａｌと前記遷移金属元素とからなる化合物を析出させると共に残留応力を低減する熱処理工程と、を有すること、
を特徴とするアルミニウム成形体の製造方法、も提供する。

【0023】

本発明のアルミニウム成形体の製造方法においては、前記遷移金属元素をＦｅとすることが好ましい。また、その他の遷移金属元素としては、例えば、Ｎｉ及びＣｏ等を挙げることができる。以下、本発明のアルミニウム成形体の製造方法について、主として、遷移金属元素がＦｅの場合について説明する。

【0024】

０．００１～２．５質量％のＦｅを含有するアルミニウム材を積層造形法によって成形することで、当該Ｆｅを固溶したアルミニウム母材からなる急冷凝固組織が形成され、その後、３２５～５２５℃に保持することで、ＡｌＦｅ系化合物を更に析出させると共に残留応力を低減することができる。熱処理温度を３２５℃以上とすることで、ＡｌＦｅ系化合物を十分に析出させてアルミニウム成形体の熱伝導率を確実に向上させることができる。また、熱処理温度を５２５℃以下とすることで、ＡｌＦｅ系化合物の粗大化を抑制してアルミニウム成形体のビッカース硬度等の機械的性質が低下することを防ぐことができる。

【0025】

例えば、Ｆｅの含有量が略１．０質量％の場合、熱処理温度を３２５℃以上とすることで熱伝導率を１８０Ｗ／ｍＫ以上とすることができ、熱処理温度を５２５℃以下とすることでビッカース硬度を４０ＨＶ以上とすることができる。

【0026】

また、本発明の効果を損なわない限りにおいて、積層造形法は特に限定されず、従来公知の種々の積層造形法を用いることができる。積層造形法は原料金属を堆積することで所望の形状を有する成形体を得ることができる方法であり、例えば、粉末床溶融結合法や指向性エネルギー堆積法を挙げることができる。また、原料金属を溶融させるための熱源も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の熱源を用いることができ、例えば、レーザや電子ビームを好適に用いることができる。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、高い熱伝導率を有すると共に圧延材と比較して高強度を有するアルミニウム成形体及びその製造方法を提供することができる。より具体的には、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すると共に同組成の圧延材と比較して高強度を有するアルミニウム成形体及び当該アルミニウム成形体が複雑形状を有する場合であっても効率的に製造することができる方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明のアルミニウム成形体の断面マクロ組織の模式図である。

【図2】実施例２のアルミニウム成形体（積層造形まま）の断面マクロ観察結果である。

【図3】実施例３のアルミニウム成形体（積層造形まま）の断面マクロ観察結果である。

【図4】実施例１のアルミニウム成形体（積層造形まま）のメルトプール内部のＳＥＭ観察結果である。

【図5】実施例２のアルミニウム成形体（積層造形まま）のメルトプール内部のＳＥＭ観察結果である。

【図6】実施例３のアルミニウム成形体（積層造形まま）のメルトプール内部のＳＥＭ観察結果である。

【図7】比較例１のアルミニウム成形体（積層造形まま）のメルトプール内部のＳＥＭ観察結果である。

【図8】実施例１で得られたアルミニウム成形体を各温度で熱処理した後のメルトプール内部のＳＥＭ観察結果である。

【図9】実施例２で得られたアルミニウム成形体に２００℃で１００時間の熱処理を施した後のメルトプール内部のＳＥＭ観察結果である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、図面を参照しながら本発明のアルミニウム成形体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。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

【0030】

１．アルミニウム成形体
本発明のアルミニウム成形体は、積層造形法によって成形してなるアルミニウム積層成形体であり、Ａｌと共晶を形成する遷移金属元素を０．００１～２．５質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム材を原料とし、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上であること、を特徴としている。以下、アルミニウム成形体の組成、組織及び各種物性について詳細に説明する。

【0031】

（１）組成
本発明のアルミニウム成形体は、Ａｌと共晶を形成する遷移金属元素を０．００１～２．５質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム材を原料としている。以下、成分元素について説明する。

【0032】

＜遷移金属元素＞
Ｆｅ：０．００１～２．５質量％
Ｆｅを０．００１質量％以上含有することで、ＡｌＦｅ系化合物の形成によりアルミニウム成形体の強度及び硬度の増加、熱安定性の向上を図ることができる。また、Ｆｅの含有量を２．５質量％以下とすることで、アルミニウム成形体の熱伝導率の低下を抑制すると共に、ＡｌＦｅ系化合物の粗大化に起因する強度及び硬度の低下も抑制することができる。Ｆｅの含有量は０．ｌ５～２．０質量％とすることが好ましく、０．５～１．５質量％とすることがより好ましい。

【0033】

本発明の効果を損なわない限りにおいて、遷移金属元素は特に限定されず、従来公知の種々の遷移金属元素を用いることができる。Ｆｅ以外の遷移金属元素としては、例えば、Ｎｉ及びＣｏ等を挙げることができる。

【0034】

また、本発明のアルミニウム成形体の不可避不純物としては、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒ及びＴｉを例示することができる。

【0035】

（２）組織
図１に、本発明のアルミニウム成形体の断面マクロ組織を模式的に示す。以下、遷移金属元素がＦｅの場合について詳述する。本発明のアルミニウム成形体２は積層造形法によって成形されたものであり、複数のメルトプール４が接合されたマクロ組織を有している。

【0036】

アルミニウム成形体２の鉛直方向及び水平方向におけるメルトプール４の個数は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、アルミニウム成形体２が所望のサイズ及び形状となるように適宜調整すればよい。

【0037】

また、メルトプール４のサイズ及び形状も特に限定されないが、メルトプール４が大きくなると凝固時の冷却速度が低下する。即ち、アルミニウム成形体２の結晶粒微細化及びＡｌＦｅ系化合物微細化の観点からは、冷却速度が大きくなるようにメルトプール４のサイズを小さくすることが好ましい。また、メルトプール４のサイズを低減すること自体もアルミニウム成形体２を高強度化することに加え、アルミニウム成形体２を均質化することができる。一方で、メルトプール４を小さくし過ぎるとアルミニウム成形体２の形成に必要なメルトプール４の数が増加するため、生産効率の観点からは、ＡｌＦｅ系化合物が十分に微細化される限りにおいて、メルトプール４のサイズは大きくすることが好ましい。

【0038】

メルトプール４には、平均粒径が２０～１００ｎｍのＡｌＦｅ系化合物が均一に分散していることが好ましい。ＡｌＦｅ系化合物の平均粒径を２０～１００ｎｍとすることで、転位の移動を効率的に阻害してアルミニウム成形体２の強度及び硬度を増加させることができる。また、粗大なＡｌＦｅ系化合物は脆性的な性質を示し、アルミニウム成形体２の靭性及び延性を低下させる原因となるが、平均粒径を１００ｎｍ以下とすることで、これらの悪影響を抑制することができる。

【0039】

ここで、ＡｌＦｅ系化合物のより好ましい平均粒径は２０～７０ｎｍであり、最も好ましい平均粒径は２０～４０ｎｍである。なお、メルトプール４の境界領域ではＡｌＦｅ系化合物が粗大化する場合が存在するが、本明細書における「ＡｌＦｅ系化合物の平均粒径」は、アルミニウム成形体２の大部分を占めるメルトプール４の内部におけるＡｌＦｅ系化合物の平均粒径を意味している。

【0040】

ＡｌＦｅ系化合物の平均粒径を求める方法は、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、従来公知の種々の方法で測定すればよい。例えば、アルミニウム成形体２を任意の断面で切断し、得られた断面試料を走査型電子顕微鏡で観察し、メルトプール４の内部におけるＡｌＦｅ系化合物の粒径の平均値を算出することで求めることができる。なお、観察手法に応じて、断面試料には機械研磨、バフ研磨、電解研磨及びエッチング等を施せばよい。

【0041】

（３）物性
アルミニウム成形体２の熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫ以上となっている。好ましい熱伝導率は１９０Ｗ／ｍＫ以上であり、より好ましい熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上であり、最も好ましい熱伝導率は２１０Ｗ／ｍＫ以上である。本発明のアルミニウム成形体２においては、Ｆｅが微細なＡｌＦｅ系化合物を形成することで、アルミニウム母材から均質にＦｅが除去されている。加えて、当該ＡｌＦｅ系化合物の形成過程においてアルミニウム母材のひずみが大幅に低減されており、これらの効果によって高い熱伝導率が実現されている。

【0042】

また、アルミニウム成形体２のビッカース硬度は３０～９０ＨＶであることが好ましい。より好ましいビッカース硬度は４０～９０ＨＶであり、最も好ましいビッカース硬度は５０～９０ＨＶである。積層造形法によって得られたアルミニウム成形体を熱処理することで熱伝導率が向上するが、ＡｌＦｅ系化合物の粗大化に伴いビッカース硬度等の機械的性質は低下する。ここで、熱伝導率とビッカース硬度を高い値で両立するためには、３０～６５ＨＶとすることが好ましく、４０～６５ＨＶとすることがより好ましく、５０～６５ＨＶとすることが最も好ましい。

【0043】

また、アルミニウム成形体２においては、４００～５００℃に１時間保持した際のビッカース硬度の低下が５ＨＶ以下であることが好ましい。アルミニウム成形体２は微細なＡｌＦｅ系化合物の均一分散に起因して良好な熱安定性を有している。４００～５００℃に１時間保持した際のビッカース硬度の低下が５ＨＶ以下となることで、高温に保持される用途においても好適に用いることができる。

【0044】

更に、アルミニウム成形体２においては、引張強度：１００ＭＰａ以上、０．２％耐力：７５ＭＰａ以上の引張特性を有することが好ましい。より好ましい引張強度は１５０ＭＰａ以上、最も好ましい引張強度は２００ＭＰａ以上である。また、より好ましい０．２％耐力は１００ＭＰａ以上であり、最も好ましい０．２％耐力は１５０ＭＰａ以上である。更に、より好ましい伸びは１０％以上であり、最も好ましい伸びは１５％以上である。アルミニウム成形体２においては、極めて微細なＡｌＦｅ系化合物が均一に分散していることから、同一組成を有する圧延材と比較して優れた引張特性を有している。アルミニウム成形体２がこれらの引張特性を有していることで、強度及び信頼性が要求される用途においても好適に用いることができる。

【0045】

２．アルミニウム成形体の製造方法
本発明のアルミニウム成形体の製造方法は、微量の遷移金属元素を含有するアルミニウム材を原料とし、積層造形法を用いてアルミニウム積層成形体を得る積層成形工程と、Ａｌと前記遷移金属元素とからなる化合物を析出させると共に残留応力を低減する熱処理工程と、を有している。以下、遷移金属元素がＦｅの場合を代表として、各工程について詳細に説明する。

【0046】

（１）積層成形工程
積層成形工程は、Ａｌと共晶を形成する遷移金属元素を０．００１～２．５質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム材を原料とし、積層造形法を用いてアルミニウム積層成形体を得るための工程である。

【0047】

積層成形法は３Ｄ－ＣＡＤデータから得られる二次元（スライス）データに基づいて、溶融凝固領域を１層ずつ積み上げて加工する方法である。本発明のアルミニウム成形体の製造方法においては、例えば、原料としてアルミニウム粉末を使用し、堆積させた金属粉末をレーザ等の照射によって溶融凝固させながら、１層ずつ積層することで、三次元の成形体を得ることができる。

【0048】

本発明の効果を損なわない限りにおいて、積層造形法は特に限定されず、従来公知の種々の積層造形法を用いることができる。また、原料金属を溶融させるための熱源も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の熱源を用いることができ、例えば、レーザや電子ビームを好適に用いることができる。

【0049】

ここで、アルミニウムはレーザを吸収し難く、高い熱伝導率に起因して熱が拡散しやすいため、積層造形法によって高い密度を有するアルミニウム成形体を得ることが困難である。よって、アルミニウム成形体２の密度を増加させるためには、波長が短いレーザを用いることが好ましく、例えば、Ｙｂファイバーレーザを好適に用いることができる。

【0050】

（２）熱処理工程
熱処理工程は、積層造形法を用いて得られたアルミニウム積層成形体を適当な温度で熱処理し、ＡｌＦｅ系化合物を析出させると共に残留応力を低減するための工程である。

【0051】

０．００１～２．５質量％のＦｅを含有するアルミニウム材を積層造形法によって成形することで、当該Ｆｅを固溶したアルミニウム母材からなる急冷凝固組織が形成される。その後、当該アルミニウム積層成形体を３２５～５２５℃に保持することで、ＡｌＦｅ系化合物を析出させると共に残留応力を低減することができる。保持時間はアルミニウム積層成形体のサイズ及び形状に応じて適宜調整すればよいが、３０分～５時間とすることが好ましい。

【0052】

熱処理温度を３２５℃以上とすることで、ＡｌＦｅ系化合物を十分に析出させてアルミニウム成形体の熱伝導率を確実に向上させることができる。また、熱処理温度を５２５℃以下とすることで、ＡｌＦｅ系化合物の粗大化を抑制してアルミニウム成形体のビッカース硬度等の機械的性質が低下することを防ぐことができる。より好ましい熱処理温度は３５０～５５００℃であり、最も好ましい熱処理温度は４００～４５０℃である。

【0053】

例えば、Ｆｅの含有量が略１．０質量％の場合、熱処理温度を３２５℃以上とすることで熱伝導率を１８０Ｗ／ｍＫ以上とすることができ、熱処理温度を５２５℃以下とすることでビッカース硬度を４０ＨＶ以上とすることができる。また、例えば、Ｆｅの含有量が略２．５質量％の場合、熱処理温度を４００℃以上とすることで熱伝導率を１８０Ｗ／ｍＫ以上とすることができ、熱処理温度を５２５℃以下とすることでビッカース硬度を５０ＨＶ以上とすることができる。

【0054】

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。

【実施例】

【0055】

≪実施例≫
レーザを用いた粉末床溶融結合方式の積層造形法により、表１に示す組成（質量％）を有する５０％粒子径が４０～５０μｍのアルミニウム粉末を原料としてアルミニウム成形体を得た。積層造形に使用した造形機はＹｂファイバーレーザを備える３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製のＰｒｏＸ３２０及び松浦機械製作所製のＬＵＭＥＸ Ａｖａｎｃｅ－２５である。

【0056】

【表1】

【0057】

より具体的には、積層条件をレーザ出力：３２０～４６０Ｗ、走査速度：７００～１２００ｍｍ／ｓ、走査ピッチ：０．１０～０．１８ｍｍ、雰囲気：不活性ガス、としてアルミニウム成形体を得た。

【0058】

次に、得られたアルミニウム成形体を大気中、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、４７５℃、５００℃、５２５℃、５５０℃の各温度で１時間保持した。

【0059】

［評価試験］
（１）微細組織
得られたアルミニウム成形体から断面観察用試料を切り出し、鏡面研磨を施して組織観察用試料とした。観察には光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡（Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ製，ＵＬＴＲＡ Ｐｌｕｓ型）を用い、断面のマクロ組織及びメルトプール内に分散しているＡｌＦｅ系化合物を観察した。

【0060】

（２）ビッカース硬度測定
（１）と同様にして断面試料を作製し、ビッカース硬度を測定した。測定荷重を５ｋｇｆ、保持時間を１５ｓとして測定を行った。

【0061】

（３）引張試験
得られたアルミニウム成形体よりＪＩＳ－Ｚ２２４１に定められる１４Ａ号試験片を採取し、室温にて引張試験を行った。引張試験時のクロスヘッドスピードは０．２％耐力までは０．１～０．５ｍｍ／分とし、０．２％耐力以後は５ｍｍ／分とした。

【0062】

（４）熱伝導率
熱伝導率測定装置（アルバック理工製，熱定数測定装置ＴＣ－９０００型）を用い、レーザフラッシュ法により熱伝導率を測定した。熱伝導率測定用試験片はφ１０ｍｍとし、円板の両面が厚さ約２ｍｍとなるように研磨した。

【0063】

≪比較例≫
表１に比較例１として示す組成のアルミニウム粉末を原料としたこと以外は実施例と同様にして、アルミニウム成形体を得た。また、実施例と同様にして熱処理を行い、得られたアルミニウム成形体について実施例と同様の評価を行った。

【0064】

実施例２及び実施例３のアルミニウム成形体（積層造形まま）の断面マクロ写真を図２及び図３にそれぞれ示す。いずれのアルミニウム成形体も多数のメルトプールの接合によって形成していることが分かる。また、顕著な欠陥は認められず、緻密なアルミニウム成形体が得られていることが確認できる。

【0065】

実施例１、実施例２及び実施例３のアルミニウム成形体（積層造形まま）のメルトプール内部におけるＡｌＦｅ系化合物の観察結果を図４、図５及び図６にそれぞれ示す。いずれのアルミニウム成形体においても、極めて微細なＡｌＦｅ系化合物が均一に分散しており、ＡｌＦｅ系化合物の平均粒径は全ての場合において２０～１００ｎｍとなっている。

【0066】

比較例１のアルミニウム成形体（積層造形まま）のメルトプール内部におけるＡｌＦｅ系化合物の観察結果を図７に示す。ＡｌＦｅ系化合物が成長及び連結しており、実施例で得られたアルミニウム成形体と比較すると粗大化していることが分かる。

【0067】

実施例１、実施例２及び実施例３のアルミニウム成形体の熱伝導率及びビッカース硬度を表２に示す。Ｆｅの含有量が比較的多い実施例２及び実施例３に関しては、３００℃及び３５０℃の熱処理でビッカース硬度が増加することに加え、熱伝導率も増加している。また、より高い温度の熱処理で更に熱伝導率を向上させることができる。Ｆｅの含有量が少ない実施例１に関しては、極めて高い熱伝導率が示されている。また、熱処理によって当該熱伝導率が更に増加している。熱処理によってビッカース硬度は若干低下するが、５２５℃で１時間の熱処理を施した場合であっても、積層造形ままからの低下は５ＨＶ程度に留まっている。

【0068】

【表2】

【0069】

実施例１、実施例２、実施例３及び比較例１のアルミニウム成形体（積層造形まま）について、引張特性を表３に示す。実施例で得られたアルミニウム成形体については、いずれの場合も、引張強度：１００ＭＰａ以上、０．２％耐力：７５ＭＰａ以上、伸び：５％以上の引張特性を示している。一方で、比較例１のアルミニウム成形体は強度及び耐力は高いものの、伸びが低い値となっている。なお、アルミニウム成形体の相対密度は、実施例１：９９．８％、実施例２：９８．８％、実施例３：９８．９％、比較例１：９９．８％である。

【0070】

【表3】

【0071】

実施例１で得られたアルミニウム成形体に関して、各温度で熱処理した後のメルトプール内部におけるＡｌＦｅ系化合物の観察結果を図８に示す。熱処理後もＡｌＦｅ系化合物は微細な状態を維持しており、平均粒径は２０～１００ｎｍとなっている。

【0072】

実施例２で得られたアルミニウム成形体に関して、２００℃で１００時間の熱処理を施した後のメルトプール内部におけるＡｌＦｅ系化合物の観察結果を図９に示す。長時間の熱処理後もＡｌＦｅ系化合物は微細な状態を維持しており、平均粒径は２０～１００ｎｍとなっている。

【符号の説明】

【0073】

２・・・アルミニウム成形体、
４・・・メルトプール。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】