(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．２〜１．０質量％Ｚｒと０．０５〜１．０質量％Ｓｉを含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１質量％、Ｃｒ；０．２〜２．０質量％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５質量％、Ａｇ；０．０２〜０．１質量％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４時間〜２０時間保持し時効処理を施すことを特徴とするかご型ロータ。
【請求項２】
０．２〜０．９７質量％Ｈｆと０．０５〜１．０質量％Ｓｉを含有し、かつ、Ｓｎ；０．０２〜０．１質量％、Ｃｒ；０．２〜２．０質量％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５質量％、Ａｇ；０．０２〜０．１質量％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４時間〜２０時間保持し時効処理を施すことを特徴とするかご型ロータ。
【請求項３】
前記時効処理を施す前に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１または２記載のかご型ロータ。
【請求項４】
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１から３のいずれか１項に記載のかご型ロータ。
【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、送り用モータとして、回転数が毎分一万回転以下のものが使用されている。これらのモータのロータに使用されている導体材料は、主として導電率が６０％ＩＡＣＳ以上、１５０℃での引張り強さが４ｋｇｆ／ｍｍ２の純アルミニウムである。ロータの製造法としてダイキャスト法や低圧鋳造法が一般に使用される。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。要求されている最高回転数は、毎分四万回転である。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。このように、高速回転させるには、軽量で高温強度が高く、かつ導電率の大きいロータ材料が要求される。また、製造性が容易であること、耐食性が良いことなども必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、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４５％ＩＡＣＳ以下と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。また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、特開平１０−１４７８２８では、６０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有するものや、さらにこれにＺｒを添加して導電率４５％ＩＡＣＳ以上で耐熱性を向上させたものが開示されている。しかし、いずれも引張り強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ２以下で強度不足である。なお，モータ損失を低下させないためには導電率が５０％ＩＡＣＳ以上必要とされている。
そこで、本発明は、１５０℃での引張り強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上で室温での導電率が５０％ＩＡＣＳ以上の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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のかご型ロータは、０．２〜１．０質量％Ｚｒと０．０５〜１．０質量％Ｓｉを含有したアルミニウム合金、または０．２〜０．９７質量％Ｈｆと０．０５〜１．０質量％Ｓｉを含有したアルミニウム合金とし、これにＳｎ；０．０２〜０．１質量％、Ｃｒ；０．２〜２．０質量％、Ｉｎ；０．０２〜０．１５質量％、Ａｇ；０．０２〜０．１質量％の少なくとも一種類を添加したアルミニウム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４時間〜２０時間保持し時効処理を施したものである。また、前記時効処理を施す前に５５０〜６４０℃の範囲で溶体化後急冷処理を施こしてもよい。また、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よい。
【０００５】
【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０．２質量％以上必要である。かつ、導電率を５０％ＩＡＣＳ以上にするためＺｒは１．０質量％以下に、Ｈｆは０．９７質量％以下にする必要がある。
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。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３００℃〜４５０℃の低温で行うのが良い。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０．０５質量％〜１．０質量％添加することにより、時効処理時間を２０時間以内に短くすることができる。ただし、Ｓｉの添加量が１．０質量％を超えると導電率が４９％ＩＡＣＳ以下に低下する。このＡｌ−Ｚｒ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｈｆ−Ｓｉ合金の場合、高温強度が１０ｋｇｆ／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。添加元素の下限は強度が１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上とするため、上限は導電率５０％ＩＡＣＳとするため決まったものでる。また、上述の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。
【０００６】
（実施例１）
本実施例は、請求項１の発明に関するもので、Ａｌ−Ｚｒ−Ｓｉ基合金にＳｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、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。その後、時効熱処理は、表１で併記したように、温度３５０℃〜４５０℃で、時間２０ｈｒ以下の条件で行った。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。その結果を表１の右欄に示す。
【０００７】
【表１】
0003802415.tif 000002
【０００８】
表１より明らかなように、本発明の実施例１〜３５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、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。なお、比較例の内１〜１３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以下と不十分な結果であった。比較例１４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１５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。
（実施例２）
本実施例は、請求項２の発明に関するもので、Ａｌ−Ｈｆ−Ｓｉ基合金にＳｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、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。実施例１と同様にかご型ロータを製造した後、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導電率を測定した。その結果を表２の右欄に示す。
【０００９】
【表２】
0003802415.tif 000003
【００１０】
表２より明らかなように、本発明の実施例１〜３５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、いずれも従来の合金に比べて、１５０℃での強度が大きく、導電率も同等以上の値が得られている。なお、比較例の内１〜１３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以下と不十分な結果であった。比較例１４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１５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。
（実施例３）
本実施例は、請求項３の発明に関するもので、実施例１の表１に示す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、さらに発明例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％増加、導電率も１％ＩＡＣＳ増加といずれも実施例１のものより高い特性が得られた。
【００１１】
（実施例４）
本実施例は請求項４の発明に関するもので、実施例１の表１に示す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一つについて２０〜２００℃の範囲で１０時間、低温時効処理を施こした後、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後同じように時効処理を行った。つぎに、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％増加、導電率は１〜２％ＩＡＣＳ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９ｋｇ／ｍｍ２以下となり、いずれも目標値以下であった。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。
【００１２】
【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種を添加し、３００〜４５０℃の範囲で時効処理を施したので、導電率が高く、１５０℃の高温でも軟化しにくい導体材料が得られた。したがって、高速の工作機械用モータへの適用が実現できる効果がある。