(57)【要約】  ダイカスト可能な高性能のアルミニウム合金が記載されており、該アルミニウム合金が、高い降伏強度および高い導電率、ならびにダイカスト時の高い流動度および熱間割れに対する低い感受性を有することを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４〜６ｗｔ％のＮｉと、
アルミニウムと、を含み、少なくとも約９０ＭＰａの降伏強度および少なくとも約４８％ＩＡＣＳの導電率を有する、鋳造用アルミニウム合金。
【請求項２】
０．２〜０．８ｗｔ％のＦｅをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
約０．３ｗｔ％のＦｅを含む、請求項２に記載の合金。
【請求項４】
０．０１〜０．１ｗｔ％のＴｉをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項５】
約０．０３ｗｔ％のＴｉを含む、請求項４に記載の合金。
【請求項６】
４．３〜６ｗｔ％のＮｉを含む、請求項１に記載の合金。
【請求項７】
５〜５．５ｗｔ％のＮｉを含む、請求項１に記載の合金。
【請求項８】
約５．３ｗｔ％のＮｉを含む、請求項１に記載の合金。
【請求項９】
約５．１ｗｔ％のＮｉを含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１０】
約５．３ｗｔ％のＮｉ、約０．３ｗｔ％のＦｅ、および約０．０３ｗｔ％のＴｉを含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１１】
最大でも約１ｗｔ％の随伴不純物を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１２】
前記随伴不純物がＳｉである、請求項１１に記載の合金。
【請求項１３】
実質的にＳｉを含まない、請求項１に記載の合金。
【請求項１４】
製品に鋳造される、請求項１に記載の合金。
【請求項１５】
前記製品が電気モータの一部分である、請求項１４に記載の合金。
【請求項１６】
前記電気モータの部分がロータである、請求項１５に記載の合金。
【請求項１７】
前記モータのロータが、請求項１に記載の合金を含む、請求項１４に記載のモータ。
【請求項１８】
請求項１に記載の合金を含むモータ。
【請求項１９】
アルミニウム合金を製造するための方法であって、
請求項１に記載のアルミニウム合金を含む溶融物を形成することと、
Ｔ５工程に従って前記溶融物を鋳造することを
含む、方法。
【請求項２０】
前記アルミニウム合金が、約５．３ｗｔ％のＮｉ、約０．３ｗｔ％のＦｅ、および約０．０３ｗｔ％のＴｉを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１８年８月２日に出願され「ＨＩＧＨ  ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ  ＡＬＵＭＩＮＵＭ  ＡＬＬＯＹＳ  ＷＩＴＨ  ＥＮＨＡＮＣＥＤ  ＣＡＳＴＡＢＩＬＩＴＹ  ＦＯＲ  ＤＩＥ  ＣＡＳＴＩＮＧ」と題された米国特許仮出願第６２／７１３，８０５号の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、アルミニウム合金に関する。より具体的には、本発明は、自動車部品を含む高性能用途のための高強度、高められた導電率、および改善された鋳造性を有するアルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００３】
市販の鋳造用アルミニウム合金は、高い降伏強度を持つ、または高い導電率を持つ、という２つのカテゴリのいずれかに分類される。たとえば、Ａ３５６アルミニウム合金は、１７５ＭＰａを超える降伏強度を有するが、導電率はおよそ４０％ＩＡＣＳである。逆に、１００．１アルミニウム合金は、４８％ＩＡＣＳを超える導電率を有するが、降伏強度は５０ＭＰａ未満である。特定の用途、たとえば、ロータまたはインバータなどの電気自動車内の部品に対しては、高強度と高導電率の両方が求められる。また、これらの電気自動車部品を鋳造工程で形成することが望まれるため、鍛造用合金を使用できない。むしろ、部品が、低圧および高速の金属注入または高圧ダイカスト工程などによって迅速かつ確実に鋳造され得るように、鋳造工程を通じて部品を形成することが望ましい。鋳造後、適切な合金は、必要な用途に十分な特性を維持する必要がある。合金の鋳造性が悪いと、しばしば熱間割れが観察され、最終鋳造部品の機械的および電気的特性を一般的に低下させる充填の問題が発生する可能性がある。
【０００４】
合金が、容易に破損しないような高い降伏強度を有し、同時に、重大な熱間割れを生じることなく、様々な用途に十分な導電率を有する、鋳造用アルミニウム合金を製造することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
鋳造可能なアルミニウム合金を本明細書に記載する。本開示のアルミニウム合金の実施形態は、高い降伏強度、高い押出速度、高い導電率および／または高い熱伝導率を有する。いくつかの実施形態では、鋳放しの状態で合金を使用することができ、これは、追加およびその後の溶体化熱処理なしでの加工を可能にし、高い降伏強度を提供するアルミニウム合金の能力を損なわない。一実施形態では、アルミニウム合金は、製品を形成するための鋳造技術とともに使用するように設計される。いくつかの実施形態では、ダイカストが使用されるが、砂型鋳造（生砂および乾燥砂）、永久金型鋳造、石膏鋳造、インベストメント鋳造、連続鋳造、または任意の他の鋳造技術を使用することができる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、４．０〜６ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）を含み、残りのｗｔ％は、アルミニウム（Ａｌ）および随伴不純物である。様々な実施形態では、アルミニウム合金は、４．０〜６ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、０．２〜０．８ｗｔ％の鉄（Ｆｅ）、０．０１〜０．１ｗｔ％のチタン（Ｔｉ）を含み、残りのｗｔ％は、アルミニウム（Ａｌ）および随伴不純物である。いくつかの実施形態では、合金は、５〜５．５ｗｔ％のＮｉを含む。いくつかの実施形態では、電気モータなどのモータは、記載された合金を含む。いくつかの実施形態では、モータは、記載された合金を含むロータを含む。いくつかの実施形態では、ロータは、４．３〜６ｗｔ％のＮｉを含む合金から作られる。他の実施形態では、ロータは、５〜５．５ｗｔ％のＮｉを含む合金から作られる。さらに他の実施形態では、合金は、９０ＭＰａを超える降伏強度を有する。いくつかの実施形態では、合金は、４６％ＩＡＣＳを超える導電率を有する。他の実施形態では、合金は、４８％ＩＡＣＳを超える導電率を有する。一実施形態では、合金は、４６％〜５５％ＩＡＣＳの間または約４６％〜約５５％ＩＡＣＳの間の導電率を有する。一実施形態では、アルミニウム合金は、Ｔ５工程に従って加工される。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、鋳造または関連する工程を通じて物品または製品を形成するために使用される。
【０００７】
一態様では、鋳造用アルミニウム合金が記載されている。合金は、４〜６ｗｔ％のＮｉを含み、残りのｗｔ％は、Ａｌと随伴不純物である。合金はさらに、少なくとも約９０ＭＰａの降伏強度および少なくとも約４８％ＩＡＣＳの導電率を有する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、合金は、０．２〜０．８ｗｔ％のＦｅをさらに含む。いくつかの実施形態では、合金は、約０．３ｗｔ％のＦｅを含む。いくつかの実施形態では、合金は、０．０１〜０．１ｗｔ％のＴｉをさらに含む。いくつかの実施形態では、合金は、約０．０３ｗｔ％のＴｉを含む。いくつかの実施形態では、合金は、４．３〜６ｗｔ％のＮｉを含む。いくつかの実施形態では、合金は、５〜５．５ｗｔ％のＮｉを含む。いくつかの実施形態では、合金は、約５．３ｗｔ％のＮｉを含む。いくつかの実施形態では、合金は、約５．１ｗｔ％のＮｉを含む。いくつかの実施形態では、合金は、約５．３ｗｔ％のＮｉ、約０．３ｗｔ％のＦｅ、および約０．０３ｗｔ％のＴｉを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、随伴不純物は、最大でも約１ｗｔ％である。いくつかの実施形態では、合金は、最大でも随伴不純物としてのＳｉの量を含む。いくつかの実施形態では、合金は実質的にＳｉを含まない。
【００１０】
いくつかの実施形態では、合金は、製品に鋳造される。いくつかの実施形態では、製品は、電気モータの一部分である。いくつかの実施形態では、電気モータの部分は、ロータである。いくつかの実施形態では、モータのロータは、請求項１に記載の合金を含む。
【００１１】
別の態様では、鋳造用アルミニウム合金を含むモータが記載されている。
【００１２】
別の態様では、鋳造用アルミニウム合金を製造するための方法が記載されている。この方法は、アルミニウム合金を含む溶融物を形成すること、およびＴ５工程に従って溶融物を鋳造することを含む。
【００１３】
この方法のいくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、約５．３ｗｔ％のＮｉ、約０．３ｗｔ％のＦｅ、および約０．０３ｗｔ％のＴｉを含む。
【００１４】
さらなる実施形態および特徴は、以下の説明に部分的に記載されており、部分的には、明細書を検討することで当業者に明らかになるか、または本明細書で論じられる実施形態の実施によって学習され得る。特定の実施形態の性質および利点を、本開示の一部を形成する明細書および図面の残りの部分を参照することによって、さらに理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電気モータの分解図を示す。
【００１６】
【図２】既知の鋳造用アルミニウム合金、鍛造用アルミニウム合金、銅合金、および本開示の合金設計空間を降伏強度対導電率プロット上に示すチャートである。
【００１７】
【図３】鍛造用合金および鋳造用合金として考えられる組成の一般的な範囲を共晶図に示す。
【００１８】
【図４】様々な金属組成の物理的試験片に対する実験的硬さおよび導電率の結果を折れ線グラフで示す。
【００１９】
【図５】様々な組成範囲の物理的試験片に対する実験的応力−ひずみの結果をまとめた折れ線グラフである。
【００２０】
【図６】３種のアルミニウム合金および本開示の合金設計空間を降伏強度対導電率プロット上に示すチャートである。
【００２１】
【図７】様々な組成範囲の物理的試験片に対する実験的流動性の結果をまとめた棒グラフである。
【００２２】
【図８】様々な組成範囲の物理的試験片に対する実験的熱間割れ感受性の結果をまとめた棒グラフである。
【００２３】
【図９】様々な合金組成の物理的試験片に対する実験的熱間割れ感受性の結果を示す一連の画像（パネルＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤ）である。
【００２４】
【図１０Ａ】様々な合金組成について、時間の関数として液相率を決定するために使用された計算実験をまとめた折れ線グラフである。
【００２５】
【図１０Ｂ】様々な合金組成について、収縮率を決定するために使用された計算実験をまとめた棒グラフである。
【００２６】
【図１０Ｃ】様々な合金組成について、固相率の関数として温度依存性を決定するために使用された計算実験をまとめた折れ線グラフである。
【００２７】
【図１１】様々な合金組成について、固相率に対する温度の計算実験をまとめた棒グラフである。
【００２８】
【図１２】様々な合金組成について、固相率に対する温度の計算実験をまとめた折れ線グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に説明する図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することによって、本開示を理解することができる。例示を明確にするために、様々な図面の特定の要素は、一定の縮尺で描かれていないか、概略的または概念的に表されているか、そうでなければ、実施形態の特定の物理的構成に正確には対応していない可能性があることに留意されたい。
【００３０】
実施形態は、製品を作成するのに有用なアルミニウム合金に関する。一実施形態では、合金は、十分な鋳造性を提供し、また、比較的高い降伏強度および導電率、ならびに改善された流動度および熱間割れまたは亀裂に対する耐性を提供するように作成された。アルミニウム金属に４．０〜６％の間のニッケルを添加すると、これら多くの強化剤が、合金に所望の特徴をもたらすことが発見された。アルミニウム−ニッケル合金は、従来の市販のアルミニウム合金と比較して、高い降伏強度および高い導電率を有することが見出された。以下に述べるように、アルミニウム合金は、本明細書において、合金内の全元素および粒子の重量パーセント（ｗｔ％）、ならびに合金の特定の特性によって記述される。本明細書に記載された合金の残りの組成は、アルミニウムおよび随伴不純物であることが理解されよう。
【００３１】
図１は、電気モータ１００の分解図を示す。電気モータは、ロータ１０２、ステータ１０４、ハウジング１０６、マウント１０８、およびシャフト１１０を備える。いくつかの実施形態では、モータは、本明細書に記載のアルミニウム合金を含み得る。いくつかの実施形態では、ロータは、本明細書に記載のアルミニウム合金を含み得る。いくつかの実施形態では、電気自動車などの車両は、アルミニウム合金を含む電気モータを含み得る。
【００３２】
図２は、既知の鋳造用アルミニウム合金、１つの鍛造用アルミニウム合金（６１０１−Ｔ６３）、１つの銅合金（１０１００−Ｏ）、および本開示の合金設計空間を降伏強度対導電率プロット上に示す。図２に示す合金設計空間内にあるアルミニウム合金は、４８％〜５５％もしくは約４８％〜約５５％の国際標準軟銅（ＩＡＣＳ）の導電率、および９０ＭＰａの最小降伏強度を有する。いくつかの実施形態では、図２に見られるように、合金設計空間の所望の降伏強度は、９０ＭＰａ〜１３０ＭＰａの間、もしくは約９０ＭＰａ〜約１３０ＭＰａの間にある。
【００３３】
図２を参照すると、アルミニウム合金は、降伏強度は高いが導電率は低いものと、導電率は高いが降伏強度は低いもの、という２つの一般的なグループに分類できる。しかしながら、合金設計空間内に性能特性を有し、また鋳造可能であるアルミニウム合金を有することが望ましい。いくつかの実施形態では、そのようなアルミニウム合金が、電気自動車または電気モータ内の特定の金属部品に適する可能性がある。
【００３４】
図２はまた、鍛造用アルミニウム合金６１０１−Ｔ６３の降伏強度および導電率を示す。鍛造用アルミニウム合金６１０１−Ｔ６３は、鍛造用合金の加工ステップを通じて付与される降伏強度および導電率などが、示されている設計空間付近にあり、より望ましい性能特性を備えていることがわかる。しかしながら、鍛造用合金では得られない加工性のために、鋳造用合金が望まれる。図３は、鍛造用合金および鋳造用合金として考えられる組成の一般的な範囲を共晶図に示す。セクション３内でＬと標識された共晶点は、通常、最も鋳造可能な組成と考えられ、共晶組成から逸脱した組成は鋳造性が低くなり、鍛造用合金として使用される可能性が高くなる。
【００３５】
図２を引き続き参照すると、Ｃａｓｔａｓｉｌ２１−Ｆは、合金設計空間の電気的および機械的特性に最も近い電気的および機械的特性を有する市販の鋳造用合金であり、導電率は４４％ＩＡＣＳ、降伏強度は８５Ｍｐａである。ただし、これらの特性は、少なくとも４８％ＩＡＣＳの導電率および９０Ｍｐａ以上の降伏強度を必要とする、電気自動車に使用する部品など、鋳造技術を介して一部の部品を作成するにはまだ不十分である。
【００３６】
鋳造時の十分な降伏強度および導電率に加えて、鋳造用アルミニウム合金は、十分な流動度と熱間割れに対する耐性を提供する必要がある。金属の鋳造工程では、金属合金は、金型のすべての複雑な細部に流れ込み、かつ充填するのに十分な流動度を有する必要がある。狭いおよび／または長い金型チャネルを備えた金型では、金型を充填するために十分に高い合金の流動度が求められる。
【００３７】
熱間割れは、アルミニウム合金を含む合金を鋳造するときに観察される一般的で壊滅的な欠陥である。合金の熱間割れを防ぐことができなければ、信頼性と再現性のある部品を作成することはできない。熱間割れは、鋳造部品がまだ半固相鋳造中にある間に、不可逆的な亀裂が形成されることである。熱間割れは、多くの場合、鋳造工程自体に関連、すなわち、凝固中のメルトフローの収縮中に熱応力が発生することに関連しているが、合金の基礎となる熱力学と微細構造が関与している。
【００３８】
本開示は、熱間割れを最小限に抑え、鋳造工程で使用するのに十分な流動度を有し、所望の高い降伏強度および導電率を有する、鋳造可能なアルミニウム合金組成を記載する。
アルミニウム合金組成
【００３９】
本発明の実施形態は、高い降伏強度および高い導電率の両方、ならびに改善された流動度および熱間割れまたは亀裂に対する耐性を有するアルミニウム合金の鋳造に関する。アルミニウム合金は、従来の市販のアルミニウム合金と比較して、高い降伏強度および高い導電率を有することが見出された。アルミニウム合金は、本明細書では、合金内の全元素および粒子の重量パーセント（ｗｔ％）、ならびに合金の特定の特性によって記述される。本明細書に記載された合金の残りの組成は、アルミニウムおよび随伴不純物であることが理解されよう。
【００４０】
不純物は、出発材料中に存在するか、アルミニウム合金を作成するための加工および／または製造ステップの１つで導入される可能性がある。随伴不純物は、降伏強度、導電率、流動度、および熱間割れ耐性などの組成物の材料特性に影響を与えない、または実質的に影響を与えない化合物および／または要素である。実施形態では、随伴不純物は、およそ０．２ｗｔ％以下である。他の実施形態では、随伴不純物は、およそ１ｗｔ％以下である。さらなる実施形態では、随伴不純物は、およそ０．５ｗｔ％以下である。さらに別の実施形態では、随伴不純物は、およそ０．１ｗｔ％以下である。いくつかの実施形態では、Ｓｉは随伴不純物である。いくつかの実施形態では、Ｓｉは、最大でも随伴不純物としての量で存在する。いくつかの実施形態では、Ｓｉは実質的に存在しない。いくつかの実施形態では、Ｓｉは存在しない。
【００４１】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金組成物は、４．０〜６ｗｔ％の範囲のＮｉ、０．２〜０．８ｗｔ％の範囲のＦｅ、０．０１〜０．１ｗｔ％の範囲のＴｉを含み、残りの組成（ｗｔ％による）は、Ａｌと随伴不純物である。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金組成物は、４．３〜６ｗｔ％の範囲のＮｉあるいは５〜５．５ｗｔ％の範囲のＮｉ、０．２〜０．８ｗｔ％の範囲のＦｅ、０．０１〜０．１ｗｔ％の範囲のＴｉを含み、残りの組成（ｗｔ％による）は、Ａｌと随伴不純物である。
【００４２】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金組成物は、２ｗｔ％、３ｗｔ％、３．５ｗｔ％、４ｗｔ％、４．２ｗｔ％、４．３ｗｔ％、４．５ｗｔ％、４．７ｗｔ％、５ｗｔ％、５．２ｗｔ％、５．５ｗｔ％、５．７ｗｔ％、５．９ｗｔ％、６ｗｔ％、６．５ｗｔ％、７ｗｔ％、もしくは８ｗｔ％、または約２ｗｔ％、約３ｗｔ％、約３．５ｗｔ％、約４ｗｔ％、約４．２ｗｔ％、約４．３ｗｔ％、約４．５ｗｔ％、約４．７ｗｔ％、約５ｗｔ％、約５．２ｗｔ％、約５．５ｗｔ％、約５．７ｗｔ％、約５．９ｗｔ％、約６ｗｔ％、約６．５ｗｔ％、約７ｗｔ％、もしくは約８ｗｔ％、またはそれらの間にある任意の範囲の値の量でＮｉを含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金組成物は、０．０５ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．１５ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．２５ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．３５ｗｔ％、０．４ｗｔ％、０．４５ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．５５ｗｔ％、０．６ｗｔ％、０．６５ｗｔ％、０．７ｗｔ％、０．７５ｗｔ％、０．８ｗｔ％、０．８５ｗｔ％、０．９ｗｔ％、もしくは１ｗｔ％、または約０．０５ｗｔ％、約０．１ｗｔ％、約０．１５ｗｔ％、約０．２ｗｔ％、約０．２５ｗｔ％、約０．３ｗｔ％、約０．３５ｗｔ％、約０．４ｗｔ％、約０．４５ｗｔ％、約０．５ｗｔ％、約０．５５ｗｔ％、約０．６ｗｔ％、約０．６５ｗｔ％、約０．７ｗｔ％、約０．７５ｗｔ％、約０．８ｗｔ％、約０．８５ｗｔ％、約０．９ｗｔ％、もしくは約１ｗｔ％、またはそれらの間にある任意の範囲の値の量でＦｅを含む。
【００４４】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金組成物は、０．００１ｗｔ％、０．０１ｗｔ％、０．０２ｗｔ％、０．０３ｗｔ％、０．０４ｗｔ％、０．０５ｗｔ％、０．０６ｗｔ％、０．０７ｗｔ％、０．０８ｗｔ％、０．０９ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．１５ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％もしくは０．５ｗｔ％、または約０．００１ｗｔ％、約０．０１ｗｔ％、約０．０２ｗｔ％、約０．０３ｗｔ％、約０．０４ｗｔ％、約０．０５ｗｔ％、約０．０６ｗｔ％、約０．０７ｗｔ％、約０．０８ｗｔ％、約０．０９ｗｔ％、約０．１ｗｔ％、約０．１５ｗｔ％、約０．２ｗｔ％、約０．３ｗｔ％もしくは０．５ｗｔ％、またはそれらの間にある任意の範囲の値でＴｉを含む。
【００４５】
合金性能
本明細書に記載のアルミニウム合金の降伏強度は、少なくとも９０ＭＰａまたは少なくとも約９０ＭＰａである。いくつかの実施形態では、降伏強度は、少なくとも９０ＭＰａ、９５ＭＰａ、１００ＭＰａ、１１０ＭＰａ、１２０ＭＰａ、１３０ＭＰａ、１４０ＭＰａもしくは１５０ＭＰａ、または少なくとも約９０ＭＰａ、約９５ＭＰａ、約１００ＭＰａ、約１１０ＭＰａ、約１２０ＭＰａ、約１３０ＭＰａ、約１４０ＭＰａもしくは約１５０ＭＰａ、またはそれらの間にある任意の範囲の値である。一実施形態では、本明細書に記載のアルミニウム合金の導電率は、少なくとも４０％ＩＡＣＳまたは少なくとも約４０％ＩＡＣＳを有する。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、少なくとも４０％ＩＡＣＳ、４５％ＩＡＣＳ、４６％ＩＡＣＳ、４８％ＩＡＣＳ、５０％ＩＡＣＳ、５２％ＩＡＣＳ、５５％ＩＡＣＳもしくは６０％ＩＡＣＳ、または少なくとも約４０％ＩＡＣＳ、約４５％ＩＡＣＳ、約４６％ＩＡＣＳ、約４８％ＩＡＣＳ、約５０％ＩＡＣＳ、約５２％ＩＡＣＳ、約５５％ＩＡＣＳもしくは約６０％ＩＡＣＳ、またはそれらの間にある任意の範囲の値を有する。
【００４６】
合金の鋳造性
数千、数十万のアルミニウム合金部品を鋳造する可能性のある産業用途では、高い降伏強度および導電率が必要になる場合がある。一方、鋳造工程を使用して部品を再現性よく製造できるように、金属合金の鋳造性も考慮する必要がある。
【００４７】
一実施形態では、合金は、合金が金型の全長を濡らし、モールドが適切に形成されることを保証する適切な流動性を有し、その結果、合金は、鋳造物が凝固するときに、熱間割れに耐え、所望の降伏強度を保持する。
【００４８】
米国特許仮出願第６２／５７７，５１６号は、望ましい降伏強度および導電率を生み出すアルミニウム−ニッケル合金に焦点を当てた。２０１７年１０月２６日に出願された米国特許仮出願第６２／５７７，５１６号は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。米国特許仮出願第６２／５７７，５１６号は、ニッケル組成が３．５重量パーセント、ケイ素組成が１重量パーセントのアルミニウム合金が、１１０ＭＰａの降伏強度、および４８％ＩＡＣＳの導電率を有する鋳放し部品になることを示した。しかしながら、その合金の鋳造性は、本明細書に記載の合金によって改善された。
【００４９】
アルミニウム合金の鋳造性を改善するために、他の元素成分がアルミニウムと共晶を形成し、アルミニウムの導電率を著しく低下させず、強化析出物を形成することが望ましい。基準に基づくと、所望の鋳造性を生み出すためにアルミニウムと合金化させる２つの候補は、ニッケル（Ｎｉ）およびセリウム（Ｃｅ）であることが見出された。ニッケルは、およそ６％の重量パーセントでアルミニウムと共晶を形成し、それによってセリウムおよびケイ素は、より大きな重量パーセントでアルミニウムと共晶を形成した。望ましい引張強度および導電率のために、アルミニウム合金中により多くの割合のアルミニウムを含めることが望ましいので、ニッケルの添加は、セリウムの添加よりも望ましいことが見出された。
【００５０】
共晶温度に達する量のニッケルをアルミニウム合金に含めると、鋳造用の溶融物を作成するために必要な加工温度が低下し、それによってエネルギーコストおよびリソースが節約されることが見出された。合金を鋳造するとき、共晶は液相の最後の２０％が凝固する温度範囲を低下させた。熱間割れを減らすために、合金系を比較的小さいデルタＴで、８０％固相から１００％固相に冷却することが望ましい。実験結果は、本発明による組成のアルミニウム合金にＮｉを含めると、比較的小さいデルタＴをもたらし、それによって、鋳造部品が熱間割れを起こす傾向が減少することを示した。
【００５１】
元素と粒子
アルミニウム合金の一部として含まれる様々な元素や粒子は、アルミニウム合金の特性、特に金属間化合物相を変える可能性がある。以下の説明は、一般に、アルミニウム合金に元素を含めることの影響について説明している。
【００５２】
Ｎｉ
特定の実施形態では、本開示のアルミニウム合金はニッケルを含有する。ニッケルは、硬さと降伏強度を改善し、膨張係数を低下させることもできる。
【００５３】
Ｆｅ
特定の実施形態では、本開示のアルミニウム合金は鉄を含有する。鉄は、金型溶着に対する耐性を高め、それによって全体的な工具寿命を延ばすことができる。ただし、鉄は、延性、および有害なβ相を形成する傾向に起因する疲労など、合金の機械的特性に悪影響を与える可能性がある。
【００５４】
Ｔｉ
特定の実施形態では、本開示のアルミニウム合金はチタンを含有する。チタンは、鉄の金属間化合物を断片化し、合金の形態を変化させ、粒を微細化させる可能性がある。チタンを合金に含めることは、たとえば、降伏応力の機械的特性および導電率の両方を向上させることに役立ち得る。
【００５５】
加工方法
いくつかの実施形態では、合金の構成成分の溶融温度より高く、合金を加熱することによって、合金の溶融物を調製することができる。溶融物を鋳造し、室温に冷却した後、合金は様々な熱処理、時効、特定の速度での冷却、および精錬または溶融を経ることがある。加工条件により、より大きいまたはより小さい粒サイズを作成させ、析出物のサイズと数を増減させ、鋳放しの偏析を最小限に抑えるのに役立たせることができる。
【００５６】
特定の実施形態では、アルミニウム合金は、さらなる加工なしで鋳造される。他の実施形態では、鋳放しのアルミニウム合金は、さらに加工される。いくつかの実施形態では、鋳放しのアルミニウム合金をエージングする。特定の実施形態では、アルミニウム合金を、鋳造、続いて冷却（空冷、温水焼入れ、後焼入れ、または別のタイプの焼入れまたは冷却など）、次いで２５０℃±５℃、２時間±１５分間（温度上昇および下降時間を含む）、次いで空冷を含む、Ｔ５工程に従ってエージングする。他の実施形態では、アルミニウム合金を、鋳造、続いて５４０℃±５Ｃで１．７５時間±１５分間（温度上昇および下降時間を含む）加熱、次いで温水焼入れ、次いで２２５℃、２時間±１５分間（全時間）、次いで空冷を含む、Ｔ６工程に従ってエージングする。さらに他の実施形態では、アルミニウム合金を、鋳造、続いて５４０℃±５Ｃで１．７５時間±１５分間（温度上昇および下降時間を含む）加熱、次いで温水焼入れ、次いで２５０℃、２時間±１５分間（全時間）、次いで空冷を含む、Ｔ７工程に従ってエージングする。
【００５７】
特定の実施形態では、アルミニウム合金の溶融物が形成された後、それを型で鋳造して、高性能の製品または部品を形成することができる。いくつかの実施形態では、製品は、電気モータの部品などの自動車の一部であり得る。いくつかの実施形態では、モータの部品は、ロータ、ステータ、バスバー、インバータ、または他の電気モータ部品であり得る。
【００５８】
［実施例］
材料特性シミュレーション  所望の材料特性を有し得るアルミニウム合金を特定するために、計算分析を行った。これらのシミュレーションの結果を、図１０Ａ〜図１０Ｃにまとめる。
【００５９】
図１０Ａは、本開示の態様による、様々な潜在的な合金組成について、時間の関数として液相率を予測するために使用された計算実験をまとめている。ＣＳＣは、Ｔ脆弱／Ｔ滞留の比である。Ｔ脆弱は、熱間割れが発生する可能性が高い脆弱な時間である。Ｔ滞留は、熱亀裂が発生しにくい時間である。この間、液相は、凝固工程中に形成されたチャネルに流れ込み、熱間割れを防ぐことができる。したがって、熱間割れを防ぐには、ＣＳＣ比を低くすることが望ましい。ＣＳＣ比が０．７１のアルミニウム合金に対して、５．４％のニッケルを含むアルミニウム合金は、ＣＳＣ比が０．２であった。ＣＳＣ比は、金型の形状に依存する。これらの計算は、図９に示す部品を製造する金型の形状に基づいている。この金型は、熱間割れの観点では難しい形状であるため、難易度の低い形状で形成された鋳造部品では、熱間割れが少なくなると予想される。
【００６０】
図１０Ｂは、合金を液相線から固相線に冷却するようにシミュレートした場合の収縮実験の計算実験結果を示す。液相線から固相線への収縮ができるだけ少ない合金を設計することが望ましい。観察できるように、５．４％のニッケルを含むアルミニウム合金は、良好に機能し、５．５４％の収縮しか示さなかった。収縮を最小限に抑えることは、制御部品の生産を維持し、部品を公差内に保つために重要である。これらの計算実験は、ニッケルの重量パーセントが４．３〜６％の間のアルミニウム合金が良好な収縮特性を示すことを示した。
【００６１】
図１０Ｃは、本開示の態様による、様々な組成について、固相率の関数として温度依存性を分析した計算実験をまとめている。熱間割れは、樹状突起間の境界に存在する残りの液相において、凝固の後期に発生すると予測された。割れは、通常、固相８０〜１００％の間で発生する。この領域内の温度変化が大きいほど、合金がこの領域で費やす時間が長くなり、割れが発生する可能性が高くなる。図１０Ｃに示すように、５．４％のニッケルを含むアルミニウム合金は、固相率にほとんど依存せず、したがって、割れが発生する可能性は低い。追加の計算実験は、４．３〜６重量パーセントの範囲のニッケルを含むアルミニウム合金が、同様に固相８０〜１００％の領域内で小さな温度範囲を経験したことを示す。
【００６２】
図１１は、これらの結果を、固相率０．５に対する温度の比として示す。図１１は、図１０Ｃの特定の計算データをまとめており、ここで、Ｔ対Ｆｓ１／２の傾きは、０．８７〜０．９４のＦｓ１／２範囲に対するＫｏｕの基準に従って表されている。この範囲が選択されるのは、凝固の最終段階で熱間割れが発生するためである。傾斜が小さいほど、合金が臨界領域内で費やす時間が短くなり、したがって熱間割れが発生する可能性は低くなる。基本的に一定のひずみ速度で、合金が臨界期内で費やす時間が短いほど、累積ひずみの合計は少なくなる。５．４％のニッケルを含むアルミニウム合金は、わずか２の勾配を示した。これは、凝固工程中に他の合金よりも少ないひずみが蓄積されていることを示す。したがって、熱間割れが発生する可能性は低くなる。
【００６３】
図１２は、本開示の態様による、様々な組成について、固相率に対する温度の計算シミュレーション実験をまとめている。図１２は、本質的に、２つの粒の間の流れ込みチャネルの幅を示す。流れ込みチャネルが広いほど、液相が割れを埋める可能性が高くなり、したがって熱間割れの可能性は低くなる。これは、流れ込みにとって重要であり、計算実験は、５．４％のニッケルを含むアルミニウム合金が最高の性能を発揮することを示す。合金は、チャネル幅を大きくすると、次のように機能する。Ａ２０６＜Ａｌ１Ｓｉ＜Ａｌ３．５Ｓｉ＜Ａ３９０＜Ａｌ５．４Ｎｉ。
【００６４】
材料特性実験
図１０Ａ〜図１２の計算実験データを用いて、いくつかのアルミニウム合金組成物を作成し、それらの材料特性を試験した。
【００６５】
本開示のアルミニウム合金の組成は、以下の表１Ａ〜表１Ｃに示され、これらは、計算モデリングおよびサンプルの物理的試験の両方を使用して開発された。アルミニウム合金は、図２に示す従来の鋳造用合金と比較して、鋳造性が改善し、降伏強度および導電率が向上している。
【表１】
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【００６６】
図４は、硬さおよび導電率の測定が行われた物理的サンプル試験の結果を示す。硬さは、ＨＶ≒３σｙの関係によって降伏強度に関係する。ここで、ＨＶは硬さ値、σｙは降伏応力である。
【００６７】
硬さ値を測定し、次いで硬さ値に基づいて降伏応力を計算することによって、アルミニウム合金の降伏強度を間接的に決定できる。硬さは、ＡＳＴＭ  Ｅ１８（ロックウェル硬さ）、ＡＳＴＭ  Ｅ９２（ビッカース硬さ）、またはＡＳＴＭ  Ｅ１０３（迅速押込硬さ）を使用し、次いで降伏強度を計算することを介して決定できる。降伏強度はまた、試験装置、試験試料、および引張試験の試験手順を取り扱うＡＳＴＭ  Ｅ８を介して直接決定できる。アルミニウム合金の導電率は、電磁（渦電流）法を使用した導電率の決定を取り扱うＡＳＴＭ  Ｅ１００４、または導体材料の電気抵抗率の決定を取り扱うＡＳＴＭ  Ｂ１９３を介して決定できる。
【００６８】
図４に示すように、各合金組成物は、純粋アルミニウムよりも導電率が低くなるが、硬さは高くなる（つまり、降伏強度が大きくなる）。特定の自動車部品では、およそ４８％ＩＡＣＳの導電率が望ましい。５．１重量パーセントのニッケルを含むアルミニウム合金は、十分に高い硬さ値を維持しながら、良好な導電率を示す。他の物理的および計算実験は、４．３〜６重量パーセントの範囲のニッケル組成が同様に機能し、特定の自動車部品に十分な少なくとも４６％ＩＡＣＳの導電率をもたらすことを示す。
【００６９】
図５は、本開示の様々な合金組成物についての降伏応力測定の結果をまとめている。鉄およびチタンの添加は、アルミニウム−ニッケル合金の降伏強度を増加させることが見出された。物理的および計算実験は、０．２〜０．８重量パーセントの間の鉄の組成範囲、および０．０１〜０．１重量パーセントの間のチタンの組成範囲が、合金の降伏強度を増加させることを示した。これは、合金全体に形成する、鉄およびチタンの析出物に起因する可能性がある。鉄および／またはチタンを含有するアルミニウム合金の冷却中に、様々な金属間化合物相が形成される場合がある。
【００７０】
表２は、３種の異なるアルミニウム合金組成物の実験結果をまとめている。（１）１％のＳｉ、０．４％のＭｇ、および０．０３％のＴｉと、残りのパーセントのアルミニウム、（２）３．６％のＳｉ、０．０４％のＭｇ、および０．０３％のＴｉと、残りのパーセントのアルミニウム、ならびに（３）５．３％のＮｉ、０．３５％のＦｅ、および０．０３％のＴｉと、残りのパーセントのアルミニウム。列挙されているパーセントは、すべて重量パーセントである。様々なサンプルを鋳造し（または、鋳放し）、次いで導電率、降伏強度、および引張強度の試験をした。または鋳造し、次いでＴ５処理工程に従って処理し、次いで導電率および降伏強度の試験をした。
【００７１】
表２に示す合金の降伏強度、極限引張強度（ＵＴＳ）、および導電率は、鋳放しまたはＴ５処理工程に従って加工されたいずれでも、多くの商用自動車部品の最小要件を満たした。さらに、Ｔ６またはＴ７処理工程で加工された合金も、降伏強度、極限引張強度（ＵＴＳ）、および導電率の最小要件を同様に満たしていた。
【表２】
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【００７２】
図６は、表２に示す合金の降伏強度および導電率をグラフで示す。図６に見られるように、３種の鋳造用アルミニウム合金はすべて、合金設計空間内またはその近くの降伏強度および導電率を有する。
【００７３】
図７は、流動性実験の実験結果を示す。合金から部品を鋳造する場合、合金が金型を完全に濡らし、そして使用可能な部品が得られることを保証するには、一般に流動性が高い方がよい。いずれにせよ、金型および製造する部品によって、最小限の流動性が必要である。図７は、５．３％のＡｌ−Ｎｉを含むアルミニウム合金が、１％のＳｉを含むアルミニウム合金および３．％のＳｉを含むアルミニウム合金（すべて重量パーセント）よりも高い流動性を有することを示す実験結果を示す。したがって、流動性の観点から、ニッケルを含めると流動性が向上する。計算実験は、ニッケルの重量パーセントが４．３〜６％の間の場合、多くの自動車部品および金型に必要なレベルの流動性を満たすことを示唆している。
【００７４】
図８は、熱間割れ感受性（ＨＴＳ）実験および計算の結果を示す。熱間割れ感受性は、以下の式に示すように、各バーに対する、バーの長さの評価（Ｌ）および亀裂の重大度の評価（Ｃ）の積を、バーの数にわたって合計したものである。
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【００７５】
亀裂の重大度の評価を以下の表３に示す。
【表３】
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【００７６】
図８に示すように、５．３％のニッケルを含むアルミニウム合金は、非常に良く機能した。計算実験は、ニッケルの重量パーセントが４．３〜６％の間の場合、多くの自動車部品および金型に必要なレベルのＨＴＳを満たすことを示唆している。
【００７７】
図９は、ダイカストによって形成された試験サンプルを示し、パネルＡは低Ｓｉ合金（Ａｌ−１Ｓｉ）を示し、パネルＢは高Ｓｉ合金（Ａｌ−３．５Ｓｉ）を示し、パネルＣは純粋なＡｌを示し、パネルＤはＮｉ合金（Ａｌ−５．３Ｎｉ−０．３Ｆｅ−０．０３Ｔｉ）を示す。観察できるように、パネルＤに示す５．３％のニッケル（ならびに０．３％のＦｅおよび０．０３％のＴｉ）を含むアルミニウム合金は、実験中に熱間割れをまったく示さなかった。
【００７８】
しかしながら、パネルＡに示す１％のＳｉを含む鋳放し合金、およびパネルＣに示す純粋なＡｌの鋳造の両方で、画像の丸で囲んだ部分に示されているように、熱間割れおよび亀裂が見られる。したがって、パネルＡおよびＣに示す合金および金属は、熱間割れの影響を非常に受けやすく、降伏強度の低い製造部品が作成されることを示す。
【００７９】
また観察できるように、パネルＢに示す３．５％のケイ素を含むアルミニウム合金は、実験用金型を完全に濡らすのに十分な流動性を示さず、したがって鋳造用合金は金型の丸で囲んだ端まで完全には伸びなかった。したがって、パネルＢに示す鋳造部品は不完全であり、合金の流動性が製造部品の鋳造に課題をもたらすことを示唆している。
【００８０】
図９に示されるように、パネルＤに示す５．３％のニッケルを含むアルミニウム合金は、鋳造用製造部品の使用に許容可能であることが示された唯一の鋳造用金属であった。
【００８１】
前述の明細書では、本開示は、特定の実施形態を参照して説明されてきた。しかしながら、当業者が理解するように、本明細書に開示される様々な実施形態を、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な他の方法で修正または実施することができる。したがって、この説明は例示と見なされるべきであり、開示されたシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の様々な実施形態を作成および使用する方法を当業者に教えることを目的としている。本明細書に示され、説明される開示の形態は、代表的な実施形態として解釈されるべきと理解されるべきである。同等の要素、材料、工程またはステップを、本明細書に代表的に例示および記載されているものの代わりに使用することができる。さらに、本開示の特定の特徴は、他の特徴の使用とは独立して利用することができ、すべては、本開示のこの説明の利益を得た後、当業者には明らかであろう。
【００８２】
本明細書で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、またはそれらの文脈上の変形は、非排他的な包含を含むことを意図している。たとえば、要素のリストを含む工程、製品、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されるわけではなく、そのような工程、製品、物品、または装置に明示的に列挙されていない、または固有ではない他の要素を含み得る。さらに、明示的に反対の記載がない限り、「または（ｏｒ）」は、包括的ｏｒを指し、排他的ｏｒを指さない。たとえば、条件「ＡまたはＢ」は、以下、Ａが真（または存在する）およびＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）およびＢが真（または存在する）、ならびＡおよびＢの両方が真（または存在する）のいずれかを満たす。
【００８３】
ステップ、操作、または計算は特定の順序で提示され得るが、異なる実施形態では、この順序を変更することができる。いくつかの実施形態では、本明細書で複数のステップが連続して示されている範囲内で、別の実施形態では、そのようなステップのいくつかの組合せを同時に実行することができる。本明細書に記載されている一連の操作を、中断、一時停止、逆転、または別途、別の工程によって制御することができる。
【００８４】
図面／図に示されている１つまたは複数の要素はまた、特定の用途に従って有用であるように、より分離もしくは統合された方法で実装され得るか、または特定の場合において、操作不能として除去もしくは放棄さえされ得ることも理解されよう。さらに、図面／図の矢印はすべて、特に明記されていない限り、例示としてのみ考慮されるべきであり、限定するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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