改良された熱伝導率を持つ低Siアルミニウム鋳造合金の開発

本紹介論文は、「Materiali in tehnologije / Materials and technology」によって発行された論文「DEVELOPMENT OF LOW-Si ALUMINUM CASTING ALLOYS WITH AN IMPROVED THERMAL CONDUCTIVITY」に基づいています。

Table 1: Effects of alloying elements on electrical resistivity,5 energy release for solidification,6 and viscosity of aluminum5,7 (calculation was made for T of 100 °C)
Table 1: Effects of alloying elements on electrical resistivity,5 energy release for solidification,6 and viscosity of aluminum5,7 (calculation was made for T of 100 °C)

1. 概要:

  • 論文名: DEVELOPMENT OF LOW-Si ALUMINUM CASTING ALLOYS WITH AN IMPROVED THERMAL CONDUCTIVITY
  • 著者: Jesik Shin, Sehyun Ko, Kitae Kim
  • 発行年: 2014
  • 発行学術誌/学会: Materiali in tehnologije / Materials and technology
  • キーワード: alloy design, low-Si aluminum casting alloy, thermal conductivity, castability

2. アブストラクト:

高い熱伝導率と良好な鋳造性および陽極酸化性を兼ね備えたアルミニウム合金を開発するために、低Si含有アルミニウム合金であるAl-(0.5-1.5)Mg-1Fe-0.5SiおよびAl-(1.0-1.5)Si-1Fe-1Zn合金を潜在的な候補として評価しました。開発された合金は、ADC12合金と比較して170-190%レベル（160-180 W/(m·K)）の熱伝導率、60-85%レベルの流動性、そして同等以上の引張強度を示しました。各開発合金系において、主要合金元素であるMgおよびSiの含有量が増加するにつれて、熱伝導率は低下し、強度は増加しました。流動性はMg含有量に反比例し、Si含有量に正比例しました。Al-(1.0-1.5)Si-1Fe-1Zn合金は、表面エネルギーが低いため、より良好な薄肉鋳造性を示しました。低Si含有の実験用アルミニウム合金では、流動性は凝固間隔、潜熱、または粘度よりも、主に溶湯表面エネルギー、Alデンドライトコヒーレンシーポイント（DCP）、および最初の金属間化合物結晶化点（FICP）に依存していました。

3. 緒言:

LED照明などの電気機器から除去する必要のある熱量が、高出力化の傾向に伴い急速に増加しているため、放熱部品の開発が最近特に注目されています。最も一般的なヒートシンク材料であるアルミニウムには、克服すべき固有の欠点があります。高純度アルミニウムは優れた熱伝導率を有しますが、ダイカストが非常に困難であるため、これらの合金元素の添加による熱伝導率の損失が発生するにもかかわらず、合金元素を添加する必要があります。市販のAl-Si系アルミニウム合金であるADC12合金は、ヒートシンク用の最も一般的なアルミニウム合金です。放熱に有利な三次元の複雑な形状を持つヒートシンクは、ADC12合金のように、高圧ダイカストプロセスを使用することで、コストペナルティなしに高い生産性でネットシェイプに製造できます。しかし、100 W/(m·K)未満の低い熱伝導率と、高いSi含有量に起因するADC12合金の不十分な陽極酸化特性は、電気機器の電力要件の増加に伴い深刻な問題となっています。他の市販アルミニウム合金も、ダイカストが困難であるか、高出力電気機器用の放熱部品として使用するには導電率が低すぎます。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

高出力電気機器の放熱部品向けに、高い熱伝導率、良好な鋳造性、および良好な陽極酸化性を備えたアルミニウム合金の必要性が高まっています。ADC12のような既存の市販合金は、熱伝導率と陽極酸化性の点で限界があります。

従来の研究状況:

一般的なヒートシンク合金であるADC12は、高いSi含有量のため、低い熱伝導率（<100 W/(m·K)）と不十分な陽極酸化特性に悩まされています。他の市販アルミニウム合金は、ダイカストが困難であるか、高出力用途には不十分な熱伝導率しかありません。

研究の目的:

本研究の目的は、良好な熱伝導率と鋳造性の両方を備えた、新規の低Si含有陽極酸化可能アルミニウム合金を開発することでした。

研究の核心:

本研究は、2つの系統の低Si四元系アルミニウム合金、Al-xMg-1Fe-0.5SiおよびAl-xSi-1Fe-1Znの設計と評価に焦点を当てました。Mg、Si、Zn、Feなどの元素は、鋳造性、強度、金型焼き付き防止における利点、およびアルミニウムの抵抗率増加への影響を最小限に抑えるために選択されました。総合金元素量は質量分率で2%から3.5%の間に保たれ、Si含有量は1.5%未満に維持されました。これらの新しく設計された合金の熱伝導率、流動性、および機械的強度が、MgおよびSi含有量の関数として調査され、ADC12合金と比較されました。

5. 研究方法論

研究設計:

2つの低Si四元系アルミニウム合金システムが設計されました：Al-xMg-Fe-Si（Alloy 1 series）およびAl-xSi-Fe-Zn（Alloy 2 series）。

  • MgおよびSiは、電気抵抗率、凝固のためのエネルギー放出、およびアルミニウムの粘度への影響に基づいて、主要な合金元素として選択されました（Table 1参照）。
  • Fe（1%）は、ADC12合金と同様に、金型焼き付きの問題を防ぐために含まれました。
  • Al-xMg-Fe-Si合金では、0.5%のSiが補助元素として添加されました。
  • Al-xSi-Fe-Zn合金では、Znの低い抵抗率増加を考慮して、1%のZnが補助元素として添加されました。
  • 総合金元素量は2%から3.5%の間に保たれ、良好な陽極酸化性のためにSi含有量は1.5%未満に維持されました。
  • MgおよびSiの含有量は0.5%から1.5%まで変化させました。
  • 化学組成はTable 2に詳述されています。

データ収集および分析方法:

  • 流動性試験: 不活性ガス雰囲気下で、低圧鋳造機上の複数のチャネル（直径8、4、2、および1 mm、長さ100 mm）を備えたセラミックコーティングされた鋼製金型を使用して実施されました。金型温度：190 °C、過熱度：100 °C、注入圧力：15 kPa。平均流動長が測定されました（Figure 1a, 1b）。
  • 融点: 熱分析装置TG/DTA（モデルSDT Q600）を使用し、Ar雰囲気中で10 °C/minの加熱速度で決定されました。
  • 熱伝導率: 渦電流技術によって測定された電気抵抗率から、ヴィーデマン＝フランツの法則を使用して導出されました。
  • 引張強度: ASTM B 557Mに従って、Yブロック鋳物から採取した試験片を使用して評価されました。
  • 比較材料: ADC12合金（Al-10% Si-2.5% Cu-1% Fe-0.2% Mg）。
  • 熱物理モデリング: JMatPro 5.0ソフトウェアを使用して、鋳造性に関連する熱物理特性および相平衡情報を取得しました。
  • 微細構造分析: 流動性試験チャネルの断面を、電界放出型走査電子顕微鏡（FESEM）、モデルFEI Quanta 200F、およびエネルギー分散型分光法（EDS）プローブを使用して検査しました。
  • 冷却曲線分析（CCA）: グラファイト金型の中心（TC）と壁の近く（TW）に1つずつ、2つの熱電対法に基づいて実施し、凝固履歴を記録し、デンドライトコヒーレンシーポイント（DCP）を決定しました（Figure 2）。

研究トピックと範囲:

本研究では、新しく設計されたAl-xMg-1Fe-0.5SiおよびAl-xSi-1Fe-1Zn合金の熱伝導率、流動性、および機械的強度を調査しました。この研究では、MgおよびSi含有量の変化がこれらの特性に及ぼす影響を調査し、市販のADC12合金と比較しました。流動性を理解するために、相形成および特徴的な凝固点（DCP、FICP）を含む凝固挙動が分析されました。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • 開発された合金（Al-xMg-1Fe-0.5SiおよびAl-xSi-1Fe-1Zn）は、160-180 W/(m·K)の熱伝導率（ADC12より70-90%高い）、ADC12の60-85%の流動性、およびADC12と同等以上の引張強度を示しました（Figure 3a, 3b, 3c）。
  • 両方の合金系において、MgまたはSiの含有量が増加するにつれて、熱伝導率は低下し、強度は増加しました。
  • Al-xMg-1Fe-0.5Si合金の流動性は、Mg含有量の増加とともに低下しました。Al-xSi-1Fe-1Zn合金の流動性は、Si含有量の増加とともに増加しました。
  • 直径2 mmのチャネルでは、Al-xMg-1Fe-0.5Si合金が高い流動性を示しましたが、直径1 mmのチャネルでは、Al-xSi-1Fe-1Zn合金が低い表面エネルギーのために高い流動性を示しました（Figure 4c）。
  • JMatProの計算によると、凝固のためのエネルギー放出は合金組成によって変化し（Figure 4a）、粘度はMgおよびSi含有量の増加とともに増加しました（Figure 4b）。
  • 相平衡計算（シャイルの式、JMatPro、Figure 5）によると、Al-xMg-1Fe-0.5Si合金では、Mgの増加とともにAl3Fe相が増加し、凝固範囲が減少しました。Al-xSi-1Fe-1Zn合金では、Siの増加とともにAl3Feが減少しました。
  • 冷却曲線分析（Figure 6）およびSEM-EDS（Table 3）により、Al-0.5Mg-1Fe-0.5Siでは、デンドライトアーム間にβ-AlFeSi相が、最終凝固領域にα-AlFeSi相が形成されることが明らかになりました。Al-1.5Mg-1Fe-0.5Siでは、α-AlFeSi相とMg2Si相が観察されました。Al-xSi-1Fe-1Zn合金では、デンドライトアーム間にβ-AlFeSi相が、最終凝固領域にα-AlFeSi相とSi相が形成されました。高Mg含有合金を除き、低温安定相であるβ-AlFeSiが、高温安定相であるα-AlFeSiよりもデンドライトアーム間の領域で早期に結晶化しました。
  • 特徴的な凝固パラメータ（DCP、FICP）が決定されました（Table 4）。
  • CCAに基づくと、両方の合金系でMgおよびSiの増加とともに潜熱が増加しましたが（Figure 7a）、これはAl-xMg-1Fe-0.5Si合金におけるMgに関するJMatProの結果とは対照的でした。
  • DCPおよびFICPにおける液相分率（Figure 7b）は、Al-xMg-1Fe-0.5Si合金ではFICPの方がDCPよりも高く、Mgの増加とともに増加しました。Al-xSi-1Fe-1Zn合金では、DCPの方がFICPよりも高く、Siの増加とともに減少しました。
  • 低Si合金の流動性は、凝固間隔、潜熱、または粘度よりも、主に溶湯表面エネルギー、Alデンドライトコヒーレンシーポイント（DCP）、および最初の金属間化合物結晶化点（FICP）に依存していました。
  • Al-xMg-1Fe-0.5Si合金では、Mg含有量の増加は、潜熱の増加にもかかわらず、粘度の増加（デンドライトコヒーレンシー前のMg2Si相形成による）およびDCPの増加により、流動性を著しく悪化させました。
  • Al-xSi-1Fe-1Zn合金では、Si含有量の増加は、潜熱を増加させ、DCPを低下させることにより、二次相を妨げることなく流動性を効果的に改善しました。
Figure 1: a) Parting plane of the metal mold for fluidity test and b) fluidity test casting
Figure 1: a) Parting plane of the metal mold for fluidity test and b) fluidity test casting
Figure 3: Measured: a) thermal conductivity, b) fluidity and c) ultimate tensile strength of Al-(0.5–1.5)Mg-1Fe-0.5Si and Al-(1.0– 1.5)Si-1Fe-1Zn alloys
Figure 3: Measured: a) thermal conductivity, b) fluidity and c) ultimate tensile strength of Al-(0.5–1.5)Mg-1Fe-0.5Si and Al-(1.0– 1.5)Si-1Fe-1Zn alloys
Figure 6: Cooling-curve analysis results and SEM (BSE) microstructural images in as-cast state: a) Al-0.5Mg-1Fe-0.5Si, b) Al-1.5Mg1Fe-0.5Si, c) Al-1.0Si-1Fe-1Zn and d) Al-1.5Si-1Fe-1Zn alloys
Figure 6: Cooling-curve analysis results and SEM (BSE) microstructural images in as-cast state: a) Al-0.5Mg-1Fe-0.5Si, b) Al-1.5Mg1Fe-0.5Si, c) Al-1.0Si-1Fe-1Zn and d) Al-1.5Si-1Fe-1Zn alloys

図のリスト:

  • Figure 1: a) Parting plane of the metal mold for fluidity test and b) fluidity test casting
  • Figure 2: Cooling-curve analysis, set-up with a graphite mold and two K-type thermocouples
  • Figure 3: Measured: a) thermal conductivity, b) fluidity and c) ultimate tensile strength of Al-(0.5-1.5)Mg-1Fe-0.5Si and Al-(1.0-1.5)Si-1Fe-1Zn alloys
  • Figure 4: a) Heat release for solidification, b) viscosity and c) surface energy of Al-(0.5-1.5)Mg-1Fe-0.5Si and Al-(1.0-1.5)Si-1Fe-1Zn alloys calculated by JMatPro
  • Figure 5: Phase equilibria calculated by JMatPro: a) Al-0.5Mg-1Fe-0.5Si, b) Al-1.5Mg-1Fe-0.5Si, c) Al-1.0Si-1Fe-1Zn and d) Al-1.5Si-1Fe-1Zn alloys
  • Figure 6: Cooling-curve analysis results and SEM (BSE) microstructural images in as-cast state: a) Al-0.5Mg-1Fe-0.5Si, b) Al-1.5Mg-1Fe-0.5Si, c) Al-1.0Si-1Fe-1Zn and d) Al-1.5Si-1Fe-1Zn alloys
  • Figure 7: a) Latent heat and b) liquid fraction at DCP and FICP of Al-(0.5-1.5)Mg-1Fe-0.5Si and Al-(1.0-1.5)Si-1Fe-1Zn alloys, which were obtained from a cooling-curve analysis

7. 結論:

  1. 開発されたアルミニウム合金Al-(0.5-1.5)Mg-1Fe-0.5SiおよびAl-(1.0-1.5)Si-1Fe-1Znは、ADC12合金と比較して170–190 %レベル（160–180 W/(m·K)）の熱伝導率、60–85 %レベルの流動性、そして同等以上の引張強度を示しました。
  2. 各開発合金系において、主要合金元素であるMgおよびSiの量が増加するにつれて、熱伝導率は低下し、強度は増加しました。流動性はMg含有量と逆の関係を、Si含有量と直接の関係を示しました。
  3. MgおよびSiの組成による2つの合金系の相反する流動性変動挙動は、DCPおよびFICPの相反する傾向と、DCPおよびFICPの比較的異なる発生順序によって引き起こされました。
  4. Si含有量の低い実験用アルミニウム合金では、一般的なFe含有金属間化合物および凝固経路は、初期のSi/Fe合金比よりも、主にSi偏析挙動およびMg合金化レベルに依存することが観察されました。
  5. 直径2 mm以上のチャネルでより高い強度と良好な流動性を示すAl-Mg-Fe-Si系アルミニウム合金は、一般的な鋳造放熱部品の潜在的な材料であり、より低い表面エネルギーを有するAl-Si-Fe-Zn系アルミニウム合金は、薄肉鋳造放熱部品の潜在的な材料であることがわかりました。

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9. 著作権:

  • 本資料は、「Jesik Shin, Sehyun Ko, Kitae Kim」による論文です。「DEVELOPMENT OF LOW-Si ALUMINUM CASTING ALLOYS WITH AN IMPROVED THERMAL CONDUCTIVITY」に基づいています。
  • 論文の出典: DOI URL: 論文中に記載なし。(Materiali in tehnologije / Materials and technology, 48 (2014) 2, 195-202 に掲載)

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