JP2006316312A - 高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発明の製法は、原料粉末全体の成分組成が質量比でZn:3.0〜10%、Mg:0.5〜5.0%、Cu:0.5〜5.0%、硬質粒子:0.1〜10%、残部が不可避不純物およびAlからなり、原料として15質量%以上のAl粉末とZnの全量を含むAl合金粉末と0.1〜10質量%の硬質粒子粉末とを用い、各粉末を混合する原料粉末配合工程と、前記工程で得られた原料粉末を用いて金型に充填した後、200MPa以上の圧力で圧粉成形する成形工程と、前記工程で得られた成形体を焼結保持温度:580〜610℃、焼結保持時間:10分以上で焼結した後、冷却する焼結工程と、前記工程で得られた焼結体を460〜490℃に加熱して水焼き入れした後、110〜200℃で定時間保持して時効析出させる熱処理工程を順に行う。
【選択図】 なし
Description
すなわち、本発明の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法は、原料粉末全体の成分組成が、質量比で、Zn:3.0〜10%、Mg:0.5〜5.0%、Cu:0.5〜5.0%、硬質粒子:0.1〜10%、並びに残部が不可避不純物およびAlからなり、かつ、原料として15質量%以上のアルミニウム粉末と、Znの全量を含むアルミニウム合金粉末と、0.1〜10質量%の硬質粒子粉末とを少なくとも用い、それらの原料粉末を混合する原料粉末配合工程と、前記原料粉末配合工程により得られた原料粉末を用いて、所望の形状の金型に充填した後、200MPa以上の成形圧力で圧粉成形する成形工程と、前記成形工程で得られた成形体を、非酸化性雰囲気中で、焼結保持温度:580〜610℃、焼結保持時間:10分以上で焼結した後、常温まで冷却する焼結工程と、前記焼結工程で得られた焼結体を、460〜490℃に加熱して水焼き入れして溶体化した後、110〜200℃で2〜28時間保持して時効析出させる熱処理工程、を順に行うことを特徴としている。
(1)−1 原料粉末全体の成分組成
Zn:
Znは、MgとともにAl基地中にMgZn2(η相)やAl2Mg3Zn3(Τ相)として析出して強度を高める作用を有する。また、Znは、Al−Zn合金粉末の形態で付与されるが、焼結の昇温時にAl−Zn合金粉末より発生するAl−Zn液相は、アルミニウム粉末の表面に濡れて表面の酸化被膜を除去し、アルミニウム基地中に拡散するとともに、アルミニウム粉末どうしの拡散による結合を促進する作用も有する。Znの含有量は、3質量%に満たないと上記の作用が十分に得られず強度向上の効果が乏しくなる。一方、10質量%を超えると焼結中のZnまたはZn系共晶液相の量が過多となり、形状の維持が不可能となるとともに、アルミニウム基地中でZn量が過多の部位がZnリッチ相として残留する。また、Znが多量となると揮発し易くなり、炉内を汚染・堆積することとなる。よって、Zn含有量を3〜10質量%とする。
Mgは上記のZnとともに上記の析出化合物を形成して強度の向上に寄与する。また、Mgも融点が低く、焼結時の昇温過程で液相を発生して、酸化被膜を除去し、焼結の進行を促進する作用を有する。Mgの含有量は、0.5質量%に満たないと上記の効果が乏しく、5.0質量%を超えると液相量として過剰となり、形状が維持できなくなる。よって、Mg含有量を0.5〜5.0質量%とする。
Cuは、Al基地中に固溶されCuAl2(θ相)を析出させて強度の向上に寄与する他、焼結時に液相を発生して焼結の進行を促進する作用を有する。Cuの含有量は、0.5質量%に満たないと上記の作用が十分に得られず、5.0質量%を超えるとZnと不要なCu−Zn合金相を形成し、粒界に沿って大きく析出して強度および伸びを低下させるので、Cu含有量は0.5〜5.0質量%とする。
一般に合金基地への硬質相の添加は合金の強度および伸びの低下をもたらすが、ベースとなるアルミニウム合金基地を上記の元素で合金化して高強度のアルミニウム焼結合金としたことから、硬質粒子の添加により強度および伸びが若干低下しても、従来のアルミニウム−珪素系耐摩耗性アルミニウム焼結合金等に比して、極めて高い強度および伸びを示す。また、本発明においては摺動条件(特に摺動相手)により、分散させる硬質粒子の種類および量を容易に変更できるという利点を有する。例えば従来のアルミニウム−珪素系耐摩耗性アルミニウム焼結合金は硬質粒子として初晶Siを分散するものであるが、摺動相手が鉄系材料の場合、FeとSiの間の親和性により摩擦係数が高くなる傾向を有する。しかし、本発明のアルミニウム焼結合金においては、例えば、硼化クロム等のFeとの親和性が低い硬質粒子を選択することで、摩擦係数の低減および耐摩耗性の向上を果たすことが可能である。
Sn、Bi、Inは、融点が低く焼結中で液相を発生し、アルミニウム粉末の表面に濡れて、アルミニウム粉末表面の酸化被膜を除去して、アルミニウム粉末どうしの焼結の進行を促進するとともに、液相の表面張力により液相収縮して緻密化に寄与する作用を有するので、焼結助剤として上記のZn、Mg、Cuとともに用いると好ましい。この液相による緻密化作用は、液相の存在時間が長くなるとその作用がより進行するため、焼結過程の早期より液相を発生し、焼結過程のほとんどを液相のままであると、その効果が大きくなる。したがって、融点が低く、かつ主成分のAlとほとんど溶け合わないSn(融点:232℃)、Bi(融点:271℃)、In(融点:155.4℃)はこの点できわめて好適である。
アルミニウム合金粉末とアルミニウム粉末:
上記のZnは高温で揮発しやすい元素であるため、単味粉末で与えると、Znの揮発により残留するZn量が一定せず製品によるバラツキが多くなる。このため、本発明においてはZnの全量をアルミニウムと合金化してアルミニウム合金粉末の形態で付与することでこのZnの揮発を防止する。
上記のような高温まで液相を発生しない組成のアルミニウム合金粉末を用いると、Znの揮発防止の点では良好であるが、成分の均一拡散の点では不利である。そこで、CuやMgを併用することで、Znの基地中への均一な拡散を図ることが可能となる。CuやMgは、焼結の昇温過程で、アルミニウム合金中のZnとCu−Zn液相またはMg−Zn液相を発生するが、これら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に成分が吸収されることにより直ちに固化することを繰り返して成分の均一化が急速に進行する。またこの時の液相は直ちに固化されることからZnの揮発の問題は生じない。このような作用を有するCuやMgは単味粉末、両者の合金粉末、もしくはアルミニウムとの合金粉末の形態で付与しても差し支えないが、Znを含むアルミニウム合金粉末にCu:10質量%以下を同時に与えると上記の効果がより一層高まる。アルミニウム合金粉末中に与えるCu量が10質量%を超えると、Znとの液相発生温度が高温側に移ることから、成分の均一拡散の点で不利となる。
Sn、Bi、Inを用いる場合には、上記のように単味粉末もしくはこれらの成分の共晶液相が発生する共晶合金粉末または偏晶合金粉末の形態で添加される。
硬質粒子をアルミニウム合金基地中に分散させる手法として、硬質粒子粉末を添加して与える手法が簡便である。また、原料粉末中に添加される硬質粒子の量は上記のように1〜10質量%が適当であるが、硬質粒子が基地の主成分であるAlと反応するものであると、焼結後にアルミニウム合金基地中に分散する硬質粒子の量および粒径範囲を管理することが難しくなる。このため、アルミニウムと反応しない硬質粒子を粉末として添加して与えることが好ましい。
上記した各成分元素の作用を基地中で均一に作用させるためには、各成分元素を基地中に均一に拡散させる必要がある。このため、これらの成分元素粉末は200メッシュ以下(200メッシュ(74μm)の篩櫛を通過する大きさ)の微細な粉末の形態で付与する必要がある。単味粉末もしくは合金粉末は、焼結の昇温時に溶融し、液相となってアルミニウム粉末の表面に濡れて表面の酸化被膜を除去し、アルミニウム基地中に拡散するとともに、アルミニウム粉末どうしの拡散による結合を促進するが、単味粉末もしくは合金粉末の大きさが200メッシュを超えると、局部的な偏析が生じて均一な成分元素の拡散が阻害されることとなる。
この工程では、上記の原料粉末配合工程で得られた原料粉末を、所望の形状の金型に充填後、200MPa以上の成形圧力で圧粉成形する。これにより、密度比が90%以上の成形体が得られる。成形圧力が200MPaを下回ると成形体の密度が低くなって、後の焼結工程および鍛造工程を経ても気孔が2容量%以上残留して高い強度と伸びが得られなくなる。また、焼結中の寸法変化が大きくなることからも好ましくない。成形圧力は高い方が成形体の密度が高くなるため好ましく、400MPa以上であると密度比が95%以上の成形体が得られるため一層好ましい。ただし、500MPaを超えると金型へのアルミニウム粉末の凝着が発生しやすくなるため好ましくない。
この工程において、成分として含まれるZnは、融点が低く、揮発しやすい元素であるが、焼結中で多量の液相が発生すると、焼結体の収縮量が大きくなって寸法精度が低下し、揮発すると、基地中に固溶するZn量が低下して所望の強度や伸びが得られなくなるとともに、焼結雰囲気を汚染して焼結炉内に堆積したりするため作業環境にも問題が生じることとなる。このような弊害を避けるため、焼結保持温度までの昇温を急速に行う必要がある。
本発明の製造方法における、熱処理(T6処理)工程は、Al基地中の析出相を460〜490℃に加熱して基地中に均一に固溶させた後、水焼き入れにより急冷して過飽和固溶体とする溶体化処理と、その後110〜200℃で2〜28時間保持して過飽和固溶体より析出相(金属間化合物)を析出分散させる時効析出処理からなる工程である。溶体化処理温度が460℃に満たないと析出成分が全てAl基地中に均一固溶されず、一方、490℃を超えてもその効果は変わらず、かつ500℃を超えると液相発生により気孔が発生する。また、時効処理は、温度が110℃に満たない場合、および時間が2時間に満たない場合は、十分な析出化合物が得られず、温度が200℃を超える場合、および時間が28時間を超える場合は、析出した化合物が成長して粗大化するため強度の低下を生じることとなる。なお、温度と時間は上記の範囲内で要求特性に対して適宜組み合わされる。このように熱処理することで、アルミニウム合金基地中にMgZn2(η相)、Al2Mg3Zn3(Τ相)、CuAl2(θ相)等の金属間化合物が析出分散する金属組織が得られ、機械的特性の向上が果たされる。
この工程では、上記の焼結工程までで得られた密度比95%以上の焼結体を、室温下にて、据え込み率:3〜40%の据え込み率で冷間鍛造を行う冷間鍛造工程、もしくは100〜450℃下にて、据え込み率:3〜70%の据え込み率で熱間鍛造を施し、密度比98%以上とすることで高い引張り強さと伸びを有するアルミニウム焼結鍛造部品を得ることができる。
Claims (9)
- 原料粉末全体の成分組成が、質量比で、Zn:3.0〜10%、Mg:0.5〜5.0%、Cu:0.5〜5.0%、硬質粒子:0.1〜10%、並びに残部が不可避不純物およびAlからなり、かつ、原料として15質量%以上のアルミニウム粉末と、Znの全量を含むアルミニウム合金粉末と、0.1〜10質量%の硬質粒子粉末とを少なくとも用い、それらの原料粉末を混合する原料粉末配合工程と、
前記原料粉末配合工程により得られた原料粉末を用いて、所望の形状の金型に充填した後、200MPa以上の成形圧力で圧粉成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた成形体を、非酸化性雰囲気中で、焼結保持温度:580〜610℃、焼結保持時間:10分以上で焼結した後、常温まで冷却する焼結工程と、
前記焼結工程で得られた焼結体を、460〜490℃に加熱して水焼き入れして溶体化した後、110〜200℃で2〜28時間保持して時効析出させる熱処理工程、
を順に行うことを特徴とする高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。 - 前記焼結工程を経た焼結体を、室温で据え込み率:3〜40%の据え込み率で冷間鍛造を行う冷間鍛造工程、もしくは100〜450℃で据え込み率:3〜70%の据え込み率で熱間鍛造を行う熱間鍛造工程のいずれかによる鍛造工程を行った後、前記熱処理工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末が、Zn:10〜30質量%で、残部がAlおよび不可避不純物よりなることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 前記アルミニウム合金粉末が、Cu:10質量%以下をさらに含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 前記硬質粒子粉末として、硬さが1000Hv以上で、アルミニウムと反応しないものを用いることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 前記硬質粒子粉末が、炭化珪素粉末、硼化クロム粉末、炭化硼素粉末の少なくとも1種であることを特徴とする請求項5に記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 前記原料粉末中に、原料粉末の全体組成に対して0.01〜0.5質量%のSn単味粉末、Bi単味粉末、In単味粉末、および、Sn、Bi、Inのいずれかを主成分とし前記主成分の共晶液相を生じる共晶化合物粉末および偏晶化合物粉末、の少なくとも1種の粉末をさらに添加、混合したことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 上記アルミニウム粉末およびアルミニウム合金粉末の大きさがそれぞれ100メッシュ以下、硬質粒子粉末の大きさが125メッシュ以下、その他の粉末の大きさが200メッシュ以下であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
- 前記焼結工程おける非酸化性雰囲気が、露点が−40℃以下の窒素ガス雰囲気であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼結合金の製造方法。
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