JP2006009076A

JP2006009076A - 焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物

Info

Publication number: JP2006009076A
Application number: JP2004186112A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ichikawa; 淳一市川; Toru Tsuboi; 徹坪井
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-24
Also published as: JP4303649B2

Abstract

【課題】従来の各種焼結アルミニウム合金に適用可能で合金の強度をより一層向上させる方策を提供する。
【課題を解決するための手段】Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶型合金を形成する組成の共晶型合金粉末の少なくとも１種、または、共晶反応を生じてＳｎの共晶液相を発生する組成の偏晶型合金粉末の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯車、プーリー、コンプレッサー用べーン、コンロッド、ピストンなどの軽量で強度や耐摩耗性等が要求される部品の材料として好適な焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物に関するものである。

機械効率の向上や省エネルギーの必要性の観点から、機械要素の軽量化材料への置換が進んでいる。特に焼結アルミニウム合金は、鋳造合金では得られないような金属組織が得られることから、近年その適用が進んでいる。

例えば、Ｓｉを多量に含む鋳造合金では初晶Ｓｉが粗大化した金属組織の合金しか得られないのに対し、焼結アルミニウム合金では微細な初晶Ｓｉが均一に分散した金属組織を呈し、強度、耐摩耗性および加工性に優れた合金（特許文献１、２）や、この合金をさらに改良して、微細な初晶Ｓｉが分散するＡｌ−Ｓｉ系合金相と初晶Ｓｉを含まないＡｌ固溶体相とを斑状に分散させた金属組織を呈し、強度と耐摩耗性をより一層向上させた合金（特許文献３〜６）等が実用化されている。

このような状況の下に、焼結Ａｌ合金に、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、ＳｎおよびＺｎのうちの１種以上を０.２〜２０％含有させ、これらの成分の液相を焼結時に低温で発生させることにより焼結性を改善し素地のＡｌと合金化して素地を強化させた焼結Ａｌ合金（特許文献７）等が提案されている。
特開昭５３−１２８５１２号公報特開昭６２−１０２３７号公報特開平４−３６５８３２号公報特開平７−１９７１６８号公報特開平７−１９７１６７号公報特開平７−２２４３４１号公報特開昭５９−４１４３２号公報

上記のアルミニウム−珪素系焼結合金に限らず、焼結アルミニウム合金は、その適用範囲を拡大しているが、より一層の軽量化を図るために、より一層の高強度化および薄肉化への要請が高まっており、そのため各種焼結アルミニウム合金のより一層の強度の向上が望まれている。ここで、各種焼結アルミニウム合金の強度を高める汎用性のある技術が開発されれば、その適用範囲をさらに拡大することが可能となる。このような観点から、この発明の目的は、従来の各種焼結アルミニウム合金に適用可能な、焼結アルミニウム合金の強度を向上させる方策を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の第１の焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物は、Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶型合金を形成する組成の共晶型合金粉末の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加したことを特徴とする。

本発明の第２の焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物は、Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶反応を生じてＳｎの共晶液相を発生する組成の偏晶型合金粉末の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加したことを特徴とする。

本発明の第３の焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物は、第１発明の焼結アルミニウム部材の原料粉末用の粉末混合物として、鉛フリーはんだを用いることを特徴とする。

本発明の第４の焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物は、Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、上記第１から３発明のいずれかの焼結助剤粉末を少なくとも２種以上用いるとともに、総量として焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加したことを特徴とする。

ここで、Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末は、従来の焼結アルミニウム部材を製造するための原料粉末であり、アルミニウム粉末や、アルミニウム−珪素系合金粉末、アルミニウム−マグネシウム系合金粉末、アルミニウム−マグネシウム−珪素系合金粉末、アルミニウム−銅合金粉末、アルミニウム−銅−珪素系合金粉末等のアルミニウム合金粉末の単味粉末や混合粉末、またはこれに強度等の特性向上のため、銅粉末、マグネシウム粉末、銅−マグネシウム合金粉末等の粉末を添加した混合粉末等の従来より用いられているものが使用可能である。

本発明の焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物は、従来の焼結アルミニウム合金の原料粉末となるＡｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎよりも低い融点を有する、(１)Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶型合金を形成する組成の共晶型合金粉末の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末、あるいは、(２)Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶反応を生じてＳｎの共晶液相を発生する組成の偏晶型合金粉末、の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加したものである。そして、これを金型内で圧粉成形した圧粉体を焼結すると、昇温過程においてＳｎよりも低い温度から液相を発生し、焼結による緻密化が促進されて、強度の高い焼結アルミニウム部材が得られるという汎用性の高いものとなる。このため、従来からある各種焼結アルミニウム部材の強度の向上が果たされ、適用範囲の拡大が果たせる。

上記特許文献７において、焼結時に液相を発生させることにより、焼結性を改善し基地の強化を図る技術が開示されているが、焼結性の改善のみを考慮する場合、より低い温度で液相を発生させ、より高い温度までその液相を保持させることが、液相の表面張力による緻密化の効果が長時間維持される点で好ましい。このため高温までＡｌと溶け合わない元素が好ましい。
また、このような低融点金属の液相はアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末表面の酸化被膜を除去して焼結の進行を促進する作用を有する。特許文献７に記載のＳｎはこのような特性を有する元素で、特許文献７に記載されているようなＡｌと合金化して素地を強化するというもう一つの効果は実際には有しないものの焼結性改善の点で優れた効果を発揮する元素である。

そこでＳｎの添加に替えて、Ｓｎより一層低い温度から液相を発生させる低融点化合物を用いると、その効果がより一層長く維持され、より一層の焼結性の改善が果たせ、その結果得られる焼結アルミニウム部材の強度の向上が果たせることとなる。
本願はこの観点より、Ｓｎより低い温度で液相が発生するとともに長い間液相が維持される物質として、Ｓｎの共晶型合金およびＳｎの共晶反応液相が発生する偏晶型合金を用いることを骨子とする。

図１（ａ）は二元系の共晶型合金の状態図を簡略化した模式図である。成分Ａ、Ｂの共晶液相は、Ａの融点Ｔ_Ａ、Ｂの融点Ｔ_Ｂよりも低い温度Ｔで発生する。よってＡがＳｎとし、Ｂを他の元素とすると、Ｓｎの融点は２３２℃であるが、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素の間で共晶型合金を形成する組成の共晶型合金の共晶反応温度は２３２℃より低下することとなる。このような元素としてＡｇ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｚｎ等があり、これらは全てＳｎ−Ａｌの共晶反応温度である２２９℃以下の共晶反応温度を有する。

また図１（ｂ）のように、Ａ、Ｂ間に溶解温度まで分解しない金属間化合物Ａ_ｍＢ_ｎを生じ、これが各成分と共晶反応をなす場合、ＡとＡ_ｍＢ_ｎ、Ａ_ｍＢ_ｎとＢがそれぞれ共晶反応を行っており、金属間化合物Ａ_ｍＢ_ｎを一つの成分とみなせばＡ−Ａ_ｍＢ_ｎ系およびＡ_ｍＢ_ｎ−Ｂ系の２個の二元系が集まったものと見なせる。この場合も、ＡをＳｎとし、他の元素をＢとすると、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと、Ｓｎと他の元素との金属間化合物（Ｓｎ_ｍＢ_ｎ）との間で共晶型合金を形成する組成の共晶型合金の共晶反応温度はＳｎ単体の融点２３２℃より低下することとなる。このような元素（金属間化合物）としてＡｕ（ＡｕＳｎ_４）、Ｃｏ（ＣｏＳｎ_２）、Ｃｕ（Ｃｕ_６Ｓｎ_５）、Ｌａ（ＬａＳｎ_２）、Ｌｉ（ＬｉＳｎ_２）、Ｍｇ（Ｍｇ_２Ｓｎ）、Ｐｔ（ＰｔＳｎ_３）等があり、これらも全てＳｎ−Ａｌの共晶反応温度である２２９℃以下の共晶反応温度を有する。

さらに、図１（ｃ）のように、一部で共晶反応を生ずる偏晶型合金の場合においても、ＡをＳｎとすると、Ｓｎと共晶反応を生ずる組成範囲内でＳｎの共晶液相が発生するため、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶反応を生じてＳｎの共晶液相を発生する組成の偏晶型合金であっても同様の効果が得られる。

以上は、単純な二元系の場合の例であるが、三元系または四元系以上の場合であっても同様にＳｎを主成分とし、Ｓｎの共晶液相を発生する組成であれば、同様の効果が得られる。ただし、これらの元素のうち、Ｐｂ、ＣｄについてもＳｎと共晶液相を発生するが、毒性の点から使用しないことが好ましい。

上記の観点を含めて、多元系のＳｎを主成分とする共晶合金としては、近年開発が進んでいる鉛フリーはんだを用いることが好ましい。鉛フリーはんだには、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系等があり、これらに少量のＩｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ等の金属元素を添加したものが提案されており、その一部は実際に実用化されている。このような市販の鉛フリーはんだは、はんだペーストに分散させるはんだ粉末等を転用できるため、入手が容易で好ましい。

上記のようなＳｎを主成分とし、Ｓｎの共晶液相を発生させる合金の粉末を焼結助剤粉末として用いると、焼結時の昇温過程で早期にＳｎの共晶液相が発生し、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末表面の酸化被膜を除去して焼結の進行を促進するとともに、共晶液相の効果が長時間維持され、液相の表面張力による液相収縮の作用により緻密化が進行して、焼結アルミニウム部材の強度の向上に寄与する。

このような作用を有する焼結助剤粉末は、０.０１質量％以上の添加でその効果が顕著となり、０.１〜０.２質量％でその効果が最大となる。一方、Ｓｎは通常のアルミニウム部材の焼結温度の範囲ではＡｌとほとんど溶け合わないため、多量に用いると粒界に析出し、強度低下の原因となる。このため上記のような焼結助剤粉末の添加量は多くとも０.５質量％に止めるべきである。０.５質量％を超える添加は、Ｓｎの粒界析出による強度低下が、上記の液相収縮による緻密化の効果を上回り、強度向上の目的が達成できなくなる。なお、より好ましい添加量は０.０５〜０.２質量％である。

上記の焼結助剤粉末は、上記の作用をもたらすものであるから、上記のような焼結助剤粉末が未添加の従来の焼結アルミニウム部材の原料粉末用の粉末混合物に対し、上記の焼結助剤粉末を添加することで、上記の作用が得られ、得られる焼結体が緻密化することで、従来の焼結体よりも強度が向上する。また、焼結助剤粉末の主成分となるＳｎは、焼結体の主成分であるＡｌと反応しないので、元々の焼結アルミニウム部材の特性に影響を与えない。上記の焼結助剤粉末は、２種類以上併用しても、その作用は上記の説明のとおりであるので、所望により２種類以上併用しても差し支えない。

原料粉末として、純アルミニウム粉末、Ａｌ−２０質量％Ｓｉの組成のアルミニウム−珪素合金粉末、Ｃｕ−４質量％Ｎｉの組成の銅−ニッケル合金粉末、Ａｌ−５０質量％Ｍｇの組成のアルミニウム−マグネシウム合金粉末、Ａｌ−１２質量％Ｓｉ−３質量％Ｃｕ−１質量％Ｍｇの組成のアルミニウム−珪素−銅−マグネシウム合金粉末を用意した。また、焼結助剤粉末として、Ｓｎ−８質量％Ｚｎ−３質量％Ｂｉの組成の錫−亜鉛系合金粉末（共晶液相発生温度：１９０℃）、Ｓｎ−３.５質量％Ａｇの組成の錫−銀合金粉末（共晶液相発生温度：２２１℃）、Ｓｎ−０.７５質量％Ｃｕの組成の錫−銅合金粉末（共晶液相発生温度：２２７℃）を用意した。これらの焼結助剤粉末は、鉛フリーはんだのペーストより濾過して準備した。これらの原料粉末および焼結助剤粉末を表１に示す割合で配合し、混合して焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物を作製した。

得られた各粉末混合物を金型内に充填し成形圧力２００ＭＰａで成形し、５×１０×３０ｍｍの板状の成形体を作製し、試料番号０１〜０８については焼結温度５４５℃、試料番号０９〜１６については焼結温度５５０℃、試料番号１７、１８については焼結温度６３０℃で、各々６０分間保持して焼結を行い、試料番号０１〜１８の試料を作製した。得られた各試料について三点曲げ試験を行い、その結果をそれぞれの焼結助剤粉末を添加しない原料粉末の値を１００とする指数で表したものを表１に併せて示す。なお、試料番号１７、１８の純アルミニウム粉末のみを原料粉末として用いた試料については、焼結助剤粉末が未添加の試料番号１７は、焼結がほとんど進行せず、三点曲げ試験が行えなかったため、上記の指数で表現できず、焼結助剤粉末を添加した試料番号１８についてのみ実測値で記載した。

表１の試料番号０１〜０８は、特開平７−２２４３４１号公報に記載のアルミニウム合金に焼結助剤粉末を適用した場合の実施例で、焼結助剤粉末が未添加の場合でも原料粉末の液相が多量に生じる合金の場合の例である。焼結助剤粉末を未添加の試料（試料番号０１）に比して、錫−亜鉛系合金粉末を添加した試料番号０２〜０５の試料では、曲げ強さが向上し、焼結助剤粉末の強度向上の効果が確認された。
これは、未添加の場合でも生じる液相成分は、焼結過程でアルミニウム基地に拡散して焼結途上で消失するため、液相収縮の効果が焼結工程の一部にしか作用しないのに対し、焼結助剤粉末を添加した試料では、焼結助剤粉末による液相が焼結工程のほとんどの部分で存在することによって液相収縮の効果が焼結工程を通じてもたらされることによると考えられる。しかし、焼結助剤粉末の添加量が０.５質量％を超える試料番号０６の試料では、焼結助剤粉末の添加量が多すぎてアルミニウム合金基地の粒界に焼結助剤成分が析出して強度の低下が生じることが確認された。また、試料番号０４、０７および０８により、焼結助剤粉末の種類を替えても同様にその効果を有することが確認された。

表１の試料番号０９〜１６は、従来合金であるＡｌ−１２質量％Ｓｉ−３質量％Ｃｕ−１質量％Ｍｇの組成のアルミニウム−珪素−銅−マグネシウム合金に焼結助剤粉末を適用した場合の実施例で、原料の合金粉末より生じる液相量が上記の特開平７−２２４３４１号公報に記載のアルミニウム合金よりも少なく、焼結しにくいアルミニウム合金の場合の例である。このようなアルミニウム合金への焼結助剤粉末の添加は、上記の場合と同様の効果を示すが、元々の原料粉末より生じる液相が乏しいことにより、上記の場合よりも液相収縮による強度向上の効果が顕著に現れていることがわかる。また、焼結助剤粉末の種類を替えても同様にその効果が得られることもわかる。

表１の試料番号１７、１８は、焼結ができない純アルミニウムの場合の実施例である。焼結助剤粉末が未添加のものでは焼結がほとんど進行せず、三点曲げ試験が実施できなかったのに対し、焼結助剤粉末を添加すると、焼結助剤粉末の共晶液相が有するアルミニウム粉末表面の酸化被膜の除去作用、および液相収縮による緻密化の作用により、焼結が行えるようになることが確認された。

本発明の焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物は、従来の焼結アルミニウム合金の原料粉末となるＡｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎよりも低い融点を有するＳｎを主成分とする共晶液相を発生する焼結助剤粉末を添加するものである。これを金型内で圧粉成形した圧粉体を焼結すると、昇温過程においてＳｎよりも低い温度から液相を発生し、焼結による緻密化が促進されて、強度の高い焼結アルミニウム部材が得られるという汎用性の高いものであるから、従来よりある各種焼結アルミニウム部材に適用可能であるとともに、その強度の向上が果たされ、適用範囲の拡大が果たせる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る共晶合金を説明するための成分Ａと成分Ｂの二元系状態図の模式図である。図１（ａ）は二元系の共晶型合金の状態図を簡略化した模式図である。図１（ｂ）は成分Ａ、Ｂ間に金属化合物Ａ_ｍＢ_ｎを生じ、これが各成分と共晶反応をなす場合の状態図を簡略化した模式図である。図１（ｃ）は成分Ａ、Ｂ間の一部で共晶反応を生じる偏晶型合金の状態図を簡略化した模式図である。

Claims

Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間で共晶反応線を有する組成の共晶型合金粉末の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加したことを特徴とする焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物。
Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、Ｓｎを主成分とし、Ｓｎと他の元素との間、あるいはＳｎと他の元素との金属間化合物との間でＳｎの共晶液相を発生する組成の偏晶型合金粉末の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末を０.０１〜０.５質量％添加したことを特徴とする焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物。
請求項１に記載の焼結助剤が、鉛フリーはんだであることを特徴とする焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物。
Ａｌを主成分とする合金粉末または混合粉末に、請求項１から３のいずれかに記載の焼結助剤粉末を少なくとも２種以上用いるとともに、総量として焼結助剤粉末を０.０１〜０.３質量％を添加したことを特徴とする焼結アルミニウム部材の原料用粉末混合物。