(57)【要約】【課題】１５０℃での引張り強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、室温での導電率が５０％ＩＡＣＳ以上で、鋳造割れや衝撃による亀裂が発生しないアルミニウム合金鋳物のかご型ロータを得る。【解決手段】本発明のかご型ロータは、０．２〜１．０ｗｔ％Ｚｒと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含み残部がアルミニウムからなる合金、または、０．２〜１．５ｗｔ％Ｈｆと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含み残部がアルミニウムからなる合金を、かご型ロータの鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施して製造したものである。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータにおいて、前記アルミニウム合金は、０．２〜１．０ｗｔ％Ｚｒと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだことを特徴とするかご型ロータ。
【請求項２】
コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータにおいて、前記アルミニウム合金は、０．２〜１．５ｗｔ％Ｈｆと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだことを特徴とするかご型ロータ。
【請求項３】
コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータの製造方法において、前記アルミニウム合金を０．２〜１．０ｗｔ％Ｚｒと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだものとし、これをかご型ロータの鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施すことを特徴とするかご型ロータの製造方法。
【請求項４】
コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータの製造方法において、前記アルミニウム合金を０．２〜１．５ｗｔ％Ｈｆと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだものとし、これをかご型ロータの鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施すことを特徴とするかご型ロータの製造方法。
【請求項５】
前記時効処理をする前に５５０〜６４０℃の範囲で溶体化後急冷処理をすることを特徴とする請求項３または４記載のかご型ロータの製造方法。
【請求項６】
前記時効処理を施す前に５０〜１５０℃の範囲で低温時効処理を施すことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のかご型ロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械用高速モータに使用されるインダクションモータ用かご型ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機械の主軸用モータ、送り用モータなどのロータ導体材料としては純アルミニウムが使用されている。モータのトルクを大きくし損失を抑えるためには導電率が大きいこと、高速回転に対しては軽いこと、さらに、製造性が容易であること、耐食性が良いことなどが選定の理由である。製造法はダイキャスト法や低圧鋳造法が一般に使用される。モータの回転数は現状毎分一万回転以下である。純アルミニウムの特性は導電率６０％ＩＡＣＳ以上、１５０℃での引張り強さは４ｋｇｆ／ｍｍ２である。
最近、工作機械分野では、生産性向上の要求に伴い主軸用モータなどの高速化が必要になってきた。毎分四万回転以上の最高回転数が要求されている。しかも導体材料は１５０℃近くまで上昇するため、１５０℃で引張り強さ１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高強度が求められる。従来の純アルミニウムでは、引張り強さが４ｋｇｆ／ｍｍ２と強度不足なので、高速回転時の遠心力により破損する。また市販品である高い強度を持つＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系のアルミニウム基合金やＡＤＣ系の合金では、導電率が著しく低くなるためモータ損失が大きくなるうえに、これらの材料は１５０℃では強度が急減し、使用不可である。
そこで、１５０℃での強度と導電率のどちらも高いアルミニウム鋳物合金として、特許文献１では、引張り強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、導電率５０％ＩＡＣＳ以上のＡｌ−Ｚｒ−Ｓｉ系の合金が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特願２００１−２６９６１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で示されているアルミニウム鋳物合金では、伸びが小さいため金型の拘束が厳しい場合、鋳造後や熱処理時の冷却において割れが発生しやすい．またこのような合金で鋳造したロータに衝撃が加わると亀裂が発生してしまうという問題が生じる。
本発明は、１５０℃での引張り強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、室温での導電率が５０％ＩＡＣＳ以上で、鋳造割れや衝撃による亀裂が発生しないアルミニウム合金鋳物で構成したかご型ロータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明はつぎの構成にしている。
（１）  コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータにおいて、前記アルミニウム合金は、０．２〜１．０ｗｔ％Ｚｒと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだものである。
（２）  コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータにおいて、前記アルミニウム合金は、０．２〜１．５ｗｔ％Ｈｆと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだものである。
（３）  コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータの製造方法において、前記アルミニウム合金を０．２〜１．０ｗｔ％Ｚｒと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだものとし、これをかご型ロータの鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施したものである。
（４）  コアにアルミニウム合金を鋳造してなるかご型ロータの製造方法において、前記アルミニウム合金を０．２〜１．５ｗｔ％Ｈｆと０．０５〜１．５ｗｔ％Ｓｉを含有し、かつ、０．１〜０．８ｗｔ％のＡｇを含んだものとし、これをかご型ロータの鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施したものである。
（５）  前記合金は、前記時効処理をする前に５５０〜６４０℃の範囲で溶体化後急冷処理をしてもよい。さらに、前記合金は、前記時効処理を施す前に５０〜１５０℃の範囲で低温時効処理を施こしても良い。
本発明の高温強度と高導電率を備えた材料は、母相と整合性の析出物が高温時効（３００℃以上）で形成される場合に達成できる。本発明の実施では時効処理が必要不可欠であるために、ガスの巻き込みが少ない製造法が望まれる。スクイズダイキャスト法などが望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について述べる。
Ｚｒ及びＨｆはアルミニウム中での移動および拡散が遅いため、耐熱性を向上させるうえに時効処理によってアルミニウム中に微細に析出することが知られている。その結果、強度は向上する。しかし、１５０℃での引張り強さを１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上とするためには０．２ｗｔ％以上必要である。
Ｓｉについては、時効処理時に析出物が析出する速度は熱処理温度が高いほど大きくなるが、しかし、温度が高すぎると析出よりも回復が早く進行し強度が低下してしまう。また析出物の大きさも熱処理温度が高いほど大きくなって耐熱性が低下する。したがって析出のための熱処理は低温（３００℃〜４５０℃）で行うのが良い。しかし、Ａｌ−ＺｒおよびＡｌ−Ｈｆ合金を３００℃〜４５０℃で時効処理を行う場合、適切な時効効果を得るには１００〜１０００時間程度必要であり実用的でない。そこでＳｉを０．０５ｗｔ％以上添加することで、時効処理時間を数十時間程度に短くすることができる。
このＡｌ−Ｚｒ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｈｆ−Ｓｉ合金の場合、伸びが３％以下と小さく、鋳造割れや急冷時に亀裂が生じてしまう。そこでＡｇを添加することで伸びが急激に大きくなる。０．１％以上のＡｇを添加することで２０％以上の伸びが得られる。またＡｇはアルミニウム中に添加することで数十ナノメートルオーダの微細析出物を高密度に分散させることができ、その結果１２ｋｇｆ／ｍｍ２以上の１５０℃での引張り強さが得られる。
またいずれの添加元素も上限はモータの損失を低下させないための導電率５０％ＩＡＣＳ以上で決まる。
また前記合金を時効処理する前に５５０℃〜６４０℃で溶体化処理しその後急冷することで、合金中に含まれるＺｒやＨｆなどの溶質原子を最大限に固溶させ、時効処理により析出する析出物の量を増やすことができ、強度がより向上する。また、低圧鋳造法で製造する場合は鋳造時の冷却速度が遅いのでそのまま時効処理しても効果がない。一度溶体化急冷処理が必要となる。
また、前記合金を時効処理する前に５０〜１５０℃の範囲で低温時効処理を施こすことで、Ｓｉを微細に析出させ、その後の時効処理でＳｉの析出物部分に数十ナノメートルオーダの微細析出物がより高密度に析出するためにより強度が向上する。５０℃未満ではＳｉの析出に時間がかかりすぎ実用的でない。また、１５０℃を越えるとＳｉ析出物が大きくなりすぎるために時効処理後の強度は低下する。
【０００７】
（実施例１）
本実施例は、Ａｌ−Ｚｒ−Ｓｉ基合金にＡｇを添加した合金である。表１に本実施例と比較例の組成を示す。表１の組成のアルミニウム合金を黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、スクイズダイキャストにより鋳込み速度０．４ｍ／ｓで金型に鋳込み、かご型ロータを製造した。さらに表１で併記した３５０℃〜４５０℃の条件で時効熱処理した。
つぎに鋳造したかご型ロータから試験片を作製し、引張り強度と導電率を測定した。引張り試験片はＪＩＳ１４Ａ号とし、１５０℃で引張り強度を測定した。導電率は、シグマテストにより室温で測定した。割れの有無は目視および顕微鏡観察で行った。その結果を表１の右欄に示す。
表１より明らかなように、本実施例１〜８は材料成分及び時効処理条件共に本発明の範囲内の条件で行ったもので、時効処理時間はすべて２０ｈｒ以下で行っている。本実施例１〜８はいずれも従来の合金に比べて、１５０℃での強度が大きく、同等以上の導電率が得られている。また時効処理後に割れは全く認められなかった。
また比較例の内１〜６は材料成分が本発明の成分範囲を満たしておらず、１５０℃での引張り強度が１０ｋｇ／ｍｍ２以下あるいは導電率が５０％ＩＡＣＳ以下あるいは鋳造割れが認められたと不十分な結果であった。比較例７はＳｉが添加されていないが、時効処理時間を１００ｈｒと長くしたため、１５０℃での引張り強度が１０ｋｇ／ｍｍ２以上および導電率も５０％ＩＡＣＳ以上の特性が得られた。しかし、時効処理時間が１００ｈｒでは長すぎるため実用的ではない。比較例８は材料成分は本発明の成分範囲内の条件であるが、時効処理温度が５００℃と高いため析出効果が得られず、１５０℃での引張り強度が１０ｋｇ／ｍｍ２以下と不十分であり、導電率の改善も認められなかった。なお、実施例４と比較例９を比較してわかるように銀添加により導電率向上が見られた．
【０００８】
【表１】
2004323929.tif 000002
【０００９】
（実施例２）
本実施例は、Ａｌ−Ｈｆ−Ｓｉ基合金にＡｇを添加した合金である。表２に本実施例と比較例の組成を示す。表２の組成のアルミニウム合金を黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、スクイズダイキャストにより鋳込み速度０．４ｍ／ｓで金型に鋳込み、かご型ロータを製造した。さらに表１で併記した３５０℃〜４５０℃の条件で時効熱処理した。
つぎに、鋳造したかご型ロータから試験片を作製し、引張り強度と導電率を測定した。引張り試験片はＪＩＳ１４Ａ号とし、１５０℃で引張り強度を測定した。導電率は、シグマテストにより室温で測定した。割れの有無は目視および顕微鏡観察で行った。その結果を表１の右欄に示す。
表２より明らかなように、本実施例１〜８は材料成分及び時効処理条件共に本発明の範囲内の条件で行ったもので、時効処理時間はすべて２０ｈｒ以下で行っている。本実施例１〜８はいずれも従来の合金に比べて、１５０℃での強度が大きく、同等以上の導電率が得られている。また時効処理後に割れは全く認められなかった。
また比較例の内１〜６は材料成分が本発明の成分範囲を満たしておらず、１５０℃での引張り強度が１０ｋｇ／ｍｍ２以下あるいは導電率が５０％ＩＡＣＳ以下あるいは鋳造割れが認められたと不十分な結果であった。比較例７はＳｉが添加されていないが、時効処理時間を１００ｈｒと長くしたため、１５０℃での引張り強度が１０ｋｇ／ｍｍ２以上および導電率も５０％ＩＡＣＳ以上の特性が得られた。しかし、時効処理時間が１００ｈｒでは長すぎるため実用的ではない。比較例８は材料成分は本発明の成分範囲内の条件であるが、時効処理温度が５００℃と高いため析出効果が得られず、１５０℃での引張り強度が１０ｋｇ／ｍｍ２以下と不十分であり、導電率の改善も認められなかった。
【００１０】
【表２】
2004323929.tif 000003
【００１１】
（実施例３）
本実施例は、表１の実施例１の材料成分のアルミニウム合金を黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、低圧鋳造法により鋳込金型に鋳込み、かご型ロータを製造した。その後、５５０〜６４０℃の温度範囲で溶体化処理後水冷により急冷を行い、さらに表１の実施例１と同様の条件で時効熱処理した。
実施例１と同様に引張り強度と導電率を測定した。その結果、１５０℃での引張り強度  は実施例１の値の１０％増し、導電率も１％ＩＡＣＳ増しといずれも表１の実施例１より高い特性が得られた。
【００１２】
（実施例４）
本実施例は、表１の実施例１の材料成分のアルミニウム合金を二つづつ黒鉛るつぼを用いて大気溶解した後、低圧鋳造法により鋳込金型に鋳込み、かご型ロータを製造した。その後各組成の試料１つについて２０〜２００℃の範囲で１０ｈｒ、低温時効処理を施こしたのち表１と同じ条件で時効処理を行った。一方、他の試料は５５０〜６４０℃の温度範囲で溶体化処理後水冷により急冷を行ったのち同じように時効処理を行った。
溶体化処理有無の試料について、実施例１と同様に引張り強度と導電率を測定した結果、５０℃未満の試料は実施例１と同じ引張り強さと導電率を示し変化は無かった。しかし、５０℃〜１５０℃の範囲で低温時効処理した試料は実施例１で得られた引張り強さの値よりいずれも２０〜３０％増しであった。導電率は１〜２％ＩＡＣＳ増しであった。
５０℃未満の試料は低温時効の時間をさらに長くすれば特性向上に効果が出ると考えられる。しかし、コスト高となり実用的でなくなる。さらに、１５５℃以上の温度で低温時効した試料は強度が９ｋｇ／ｍｍ２以下となり、いずれも目標値以下であった。
【００１３】
なお、今回の実施例では、スクイズダイキャスト法や低圧鋳造法を用いて鋳造を行ったが、他の鋳造法、たとえば普通ダイキャストや真空ダイキャスト、レオキャスト法、チクソキャスト法、重力鋳造法などを用いても良い。
【００１４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、Ａｌ−Ｚｒ−ＳｉまたはＡｌ−Ｈｆ−Ｓｉ合金にＡｇを添加してかご型ロータを製造したので、高強度高導電率でしかも衝撃による亀裂が発生しない導体材料が実現できるので、工作機械用高速モータが実現できる。