(57)【要約】【課題】高強度で放熱性に優れたモータフレーム用アルミニウム合金を得る。【解決手段】本発明のモータフレーム用アルミニウム合金は、Ｚｒ：０．２〜１．０ｗｔ％およびＳｉ：０．０５〜１．０ｗｔ％、を含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１ｗｔ％、Ｃｒ；０．２〜２．０ｗｔ％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５ｗｔ％、Ａｇ；０．０２〜０．１ｗｔ％の少なくとも一種類を含み、さらに、Ｍｇ：０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｗｔ％およびＮｉ：０．１〜２．０ｗｔ％の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなるものである。このモータフレーム用アルミニウム合金は、上記合金を鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施すことにより得られる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｒ：０．２〜１．０ｗｔ％およびＳｉ：０．０５〜１．０ｗｔ％、を含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１ｗｔ％、Ｃｒ；０．２〜２．０ｗｔ％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５ｗｔ％、Ａｇ；０．０２〜０．１ｗｔ％の少なくとも一種類を含み、さらに、Ｍｇ：０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｗｔ％およびＮｉ：０．１〜２．０ｗｔ％の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなることを特徴とするモータフレーム用アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｈｆ：０．２〜１．５ｗｔ％およびＳｉ：０．０５〜１．０ｗｔ％、を含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１ｗｔ％、Ｃｒ；０．２〜２．０ｗｔ％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５ｗｔ％、Ａｇ；０．０２〜０．１ｗｔ％の少なくとも一種類を含み、さらに、Ｍｇ：０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｗｔ％およびＮｉ：０．１〜２．０ｗｔ％の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなることを特徴とするモータフレーム用アルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の組成からなる合金を、モータフレーム鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施すことを特徴とするモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法。
【請求項４】
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記載のモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法。
【請求項５】
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または４記載のモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度および放熱特性に優れるサーボモータ用モータフレームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボモータなどのフレームに用いられる材料には、モータの電磁力や振動に耐えるための高い強度と運転時にコイルなどから発する熱を外部に放出するための放熱特性（熱伝導性）が要求される（例えば、特許文献１参照）。現状はＡＤＣ１２などのアルミダイキャスト材が使用されている。ＡＤＣ１２の特性は、室温での引張り強さは３０ｋｇ／ｍｍ２、熱伝導率は９２Ｗ／ｍ・Ｋである。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１０９０号公報（第１頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、サーボモータにおいては、小型化や軽量化及び高出力化を図るために、エネルギー積の大きい希土類系の永久磁石が用いられてきている。この種の永久磁石は、電気抵抗がフェライト系磁石に比べて非常に小さく、渦電流が発生しやすいため、発熱しやすい。しかしながら、現状のモータフレームでは熱伝導率が９２Ｗ／ｍ・Ｋと放熱特性が悪いため、モータ効率が劣るという問題があった。またモータフレーム用の材料として、熱伝導率が２３４Ｗ／ｍ・Ｋと高い純アルミニウムを用いた場合は、室温での引張り強さが７ｋｇｆ／ｍｍ２と強度不足である。フレーム強度が低いと電磁力や振動に耐えることができず破損してしまう。
そこで、本発明は、高強度で放熱性に優れたモータフレーム用アルミニウム合金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）Ｚｒ：０．２〜１．０ｗｔ％およびＳｉ：０．０５〜１．０ｗｔ％、を含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１ｗｔ％、Ｃｒ；０．２〜２．０ｗｔ％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５ｗｔ％、Ａｇ；０．０２〜０．１ｗｔ％の少なくとも一種類を含み、さらに、Ｍｇ：０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｗｔ％およびＮｉ：０．１〜２．０ｗｔ％の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなるモータフレーム用アルミニウム合金である。
（２）Ｈｆ：０．２〜１．５ｗｔ％およびＳｉ：０．０５〜１．０ｗｔ％、を含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１ｗｔ％、Ｃｒ；０．２〜２．０ｗｔ％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５ｗｔ％、Ａｇ；０．０２〜０．１ｗｔ％の少なくとも一種類を含み、さらに、Ｍｇ：０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｗｔ％およびＮｉ：０．１〜２．０ｗｔ％の少なくとも一種類を含み残部がアルミニウムからなるモータフレーム用アルミニウム合金である。
（３）請求項１または請求項２記載の組成からなる合金を、モータフレームの鋳型に鋳造し、この後３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施してモータフレーム用アルミニウム合金の製造方法である。
（４）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モータフレーム用アルミニウム合金の製造方法である。
（５）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モータフレーム用アルミニウム合金の製造方法である。
本発明の強度と高熱伝導率を備えた材料は、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、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おり、その結果強度は向上する。しかし、室温での引張り強さを３０ｋｇｆ／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％〜１．０ｗｔ％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。ただし、Ｓｉの添加量が１．０ｗｔ％を超えると熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に低下する。
このＡｌ−Ｚｒ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｈｆ−Ｓｉ合金の場合、強度が３０ｋｇｆ／ｍｍ２以上にならない。その理由は微細な析出物の分散密度が不十分であるためである。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ために種々検討した結果、アルミニウム中に形成される空孔との結合力が０．３ｅＶ以上の元素（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ａｇ）を添加すれば良いことを見出した。添加元素と空孔が結合している部分に析出物が優先的に析出すると考えられる。空孔は高密度に分散している事が良い結果をもたらしたと考える。さらにＭｇ、Ｃｕ、Ｎｉなどの元素を添加することで、Ａｌとの金属間化合物を形成析出させ、強度を上げる必要がある。これらの添加元素の下限は室温強度が３０ｋｇｆ／ｍｍ２以上からきており、上限は熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ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Ｓｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、ＡｇおよびＭｇ、Ｃｕ、Ｎｉ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、モータフレームを製造した。さらに表１で併記した３５０℃〜４５０℃の条件で時効熱処理した。
つぎに鋳造したモータフレームから試験片を作製し、引張り強度と熱伝導率を測定した。引張り試験片はＪＩＳ１４Ａ号とし、室温での引張り強度を測定した。熱伝導率は、直径１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板状の試験片を作製し、レーザフラッシュ法により測定した。
表１より明らかなように、本実施例１〜１５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。本発明例１〜１５はいずれもＡＤＣ１２に比べて、室温での強度は同等で、２倍以上の熱伝導率が得られている。
また比較例の内１６〜２５は材料成分が本発明の成分範囲を満たしておらず、室温での引張り強度が３０ｋｇ／ｍｍ２以下あるいは熱伝導率が２００Ｗ／Ｍ・Ｋ以下と不十分な結果であった。比較例２６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、室温での引張り強度が３０ｋｇ／ｍｍ２以下と不十分であり、熱伝導率の改善も認められなかった。
【０００８】
【表１】
2004277853.tif 000002
【０００９】
（実施例２）
本実施例は、Ａｌ−Ｈｆ−Ｓｉ基合金にＳｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、ＡｇおよびＭｇ、Ｃｕ、Ｎｉ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。実施例１と同様にしてモータフレームを製造した後、表２で併記した３５０℃〜４５０℃の条件で時効熱処理し、実施例１と同様に引張り強度と熱伝導率を測定した。その結果を表２の右欄に示す。
表２より明らかなように、本実施例１〜１５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。本発明例１〜１５はいずれもＡＤＣ１２に比べて、室温での強度は同等で、２倍以上の熱伝導率が得られている。
また比較例の内１６〜２５は材料成分が本発明の成分範囲を満たしておらず、室温での引張り強度が３０ｋｇ／ｍｍ２以下あるいは熱伝導率が２００Ｗ／Ｍ・Ｋ以下と不十分な結果であった。比較例２６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、室温での引張り強度が３０ｋｇ／ｍｍ２以下と不十分であり、熱伝導率の改善も認められなかった。
【００１０】
【表２】
2004277853.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、モータフレームを製造した。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熱伝導率を測定した。その結果、室温での引張り強度は実施例１の値の１０％増加し、熱伝導率も５％増加し、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、モータフレームを製造したものである。その後各組成の試料１つについて２０〜２００℃の範囲で１０時間の間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熱伝導率を測定した結果，５０℃未満の試料は実施例１と同じ引張り強さと熱伝導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％増加した。熱伝導率は８〜１０％増加した。
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２９ｋｇ／ｍｍ２以下となり、いずれも目標値以下であった。
なお、代表的な実施例を用いてモータを試作した。その結果、モータの発熱が抑えられ効率が従来のモータに比べて約１％上昇した。
また、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。
【００１３】
【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Ｓｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ａｇの少なくとも１種、およびＭｇ、Ｃｕ、Ｎｉの少なくとも１種を添加し、時効処理を行うようにしたので、高強度で放熱性の優れたモータフレームを得ることができる。さらに、モータの損失を低減することができ、モータの効率が上がるため、小型化の実現にもつながる。