JP2007521389A - アルミニウム材およびアルミニウム合金材の焼結方法 - Google Patents

アルミニウム材およびアルミニウム合金材の焼結方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】 アルミニウム粉末の焼結方法は、アルミニウム粉末を提供する工程と、約0.001kPa〜約0.020kPaの範囲の水蒸気分圧を含む窒素雰囲気中で、前記アルミニウム粉末を加熱して、少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを持つように焼結させる工程を有する。前記アルミニウム粉末は、加熱工程前または加熱工程中のいずれかに前記アルミニウム粉末の粒子を実質的に変形させるような機械的力による加圧は受けていない。焼結体は、焼結アルミニウム粉末を有する。前記焼結アルミニウム粉末は、少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを有する。前記焼結アルミニウム粉末の微細構造には、焼結助剤の使用を示す組成の濃度勾配も、前記アルミニウム粉末の焼結工程前または工程中に機械的力を加えることによって生じる粒子の変形の形跡も認められない。
【選択図】 図1

Description

アメリカ合衆国政府は本発明におけるペイドアップライセンスを有し、限定状況のもとで、Office of Naval Research(海軍研究事務所)が定めた第N00014−03−M−0274号契約書記載の条件によって規定された妥当な条件で、実施権を他者に許諾するよう特許権者に要求する権利を有する。
本発明は、粉末冶金の分野に関し、より具体的には、本発明は、アルミニウム粉末の焼結方法に関する。また、本発明はアルミニウム焼結体に関する。
アルミニウムは、軽量であり、良好な強度および耐食性を有するため、多くの用途に望ましい素材である。現在、アルミニウム粉末を粉末冶金成形加工に有用なサイズに生成する技術が存在する。このようなアルミニウム粉末は、実質的に純アルミニウムである場合とアルミニウム合金である場合とがある。粉末冶金成形加工により、機械加工を殆ど、またはまったく施さずに、成形品を最終形状または最終形状に近い形状に製造することが可能になるため、加工費用および材料の浪費を全体的に削減することができる。
アルミニウムは、急速且つ強力に酸素と反応し、アルミナ(Al)を形成するが、その反応が非常に急速なため、少量の大気中酸素または水蒸気に曝されただけで即ちにアルミナ膜を形成する。このアルミナ膜は非常に薄膜で、通常、厚さは約30nm〜90nmの範囲である。アルミナ膜は、アルミニウムと酸素の双方の移入に対してほぼ不浸透性である。アルミニウムほど容易に酸素と反応する元素は殆ど存在しないため、アルミナ膜がいったん形成されると、アルミニウムは非常に安定性があり、化学的劣化に耐性がある。
このように、アルミニウム粉末が生成される際に、薄いアルミナ保護膜が各アルミニウム粉末粒子全体に形成される。前記アルミナ膜は、アルミニウム粉末から粉末冶金部品を製造する上で問題となる。個々のアルミニウム粉末粒子を結合させて有用な成形品を形成するためには、1粉末粒子中の金属原子が、隣接した粒子の原子と直接接触して原子間に金属結合を形成し、さらに前記原子が前記粒子間を移動して、粒子間の境界に沿って再配列する必要がある。しかしながら、前記粉末表面上のアルミナ膜は、前記粒子間の原子移動の妨げとなる。
幸いなことに、粉末冶金分野における当業者は、アルミニウム粉末粒子上のアルミナ膜によって生じる問題を解決する方法をいくつか発見した。1つの方法としては、機械的に前記アルミナ膜を破断し、機械的力を加えて前記アルミニウム粉末粒子を塑性変形することにより、隣接する粉末粒子の下層金属同士を加圧することである。例えば、アルミニウム粉末では、金型プレス、液圧プレス、鍛造加工および押し出し加工中に生じた機械的変形によって、金属結合が生じる可能性がある。
前記アルミナ膜の問題に対処する別の方法は、前記アルミニウム粉末を一定の形状に成形する前に焼結助剤と混合し、次に前記焼結助剤が液体になり前記アルミナ膜を攻撃する温度に成形体を加熱することである。N.Myersらは、「Rapid Prototyping of Aluminum by Selective Laser Sintering(粉末焼結積層造形法によるアルミニウムのラピッドプロトタイピング)」(Proceedings of 2002 International Conference on Metal Powder Deposition for Rapid Manufacturing(ラピッド製造法のための金属粉末積層における2002年国際会議の議事録)、MPIF、2002年4月8日〜10日、テキサス州サンアントニオ(San Antonio)、pp.233〜241)において、マグネシウム粉末をアルミニウム粉末と混合して前記混合物を立体自由造形法で一定の形状にし、次に当該混合物を加熱して高密度の金属結合体を生成する工程について説明している。Myersは、スズ粉末を前記アルミニウム粉末とマグネシウム粉末の混合物に添加することにより、当該粉末混合物の高密度化が促進されると報告している。他の焼結助剤については、1995年10月24日付けでHayashiらに発行された米国特許第5,640,775号で言及されている。
また、当業者の中には、マグネシウムの酸素に対する高親和性を前記アルミニウム粉末上のアルミナ膜に対処する方法として利用した者もいる。マグネシウムは、アルミニウムよりも強力に酸素と反応する数少ない元素のうちの1つである。また、マグネシウム合金はアルミニウムと親和性もある。
上記のHayashiらに対する特許は、高密度で有用な焼結体を生成する特殊加工工程を用いて、0.4重量%〜4.0重量%のマグネシウムを含有し、急速に固化するアルミニウム粉末を使用する工程を教示している。前記特許は、機械的力を加えることによってアルミニウム粉末を成形することを教示している。前記成形済みアルミニウムは、少なくとも81kPaの窒素分圧、少なくとも1kPaの還元ガス(窒素結合加速ガス成分として作用する)分圧、および1kPa未満の水蒸気分圧を有する雰囲気中で当該成形済みアルミニウムを加熱して、前記アルミニウム粉末表面上に窒素化合物を生成することにより焼結される。Hayashiらは、マグネシウムの添加による前記粉末表面の再形成と、雰囲気中窒素との結合反応とを同時に達成することによって前記アルミニウム粉末の焼結現象を加速することが可能であると理論付けている。また、Hayashiらは、水蒸気はマグネシウムの効果を妨げ、前記粉末表面上に形成される窒素化合物を分解する作用があるため、水蒸気分圧を1kPaまたはそれ未満に抑える必要があると警告している。
1996年6月11日付けでNakaoらに発行された米国特許第5,525,292号は、昇華マグネシウム、すなわち、固体状態から気体に蒸発したマグネシウムの使用について教示している。Nakaoらは、最初にアルミニウム粉末を加圧して成形体を形成する。この成形体をアルゴンなどの希ガス中で、約1気圧(101kPa)の圧力で加熱する。温度が500℃に達したとき、数分間、圧力を約1kPaまたはそれ未満に下げ、存在するマグネシウムを昇華させる。前記マグネシウムは、固体片のマグネシウム、または前記成形体中に前記アルミニウム粉末と混合されたマグネシウム粉末のいずれかとして存在する可能性がある。また、前記マグネシウムは、前記アルミニウム粉末のアルミニウム合金の一部として存在する可能性もあるが、この場合、前記合金中のマグネシウム含有量は、少なくとも0.3重量%である。次に、焼結温度(例えば、540℃)で加熱を継続して、前記成形体が焼結工程によって高密度化している間に前記焼結温度で持続しているとき、窒素ガスを導入し、前記圧力を1気圧(101kPa)に戻す。Nakaoらは、前記昇華マグネシウムが反応を起して窒化マグネシウム(Mg)を生成し、この窒化マグネシウムが前記アルミニウム粉末表面上の酸化アルミニウムと反応して金属アルミニウムを露出し、それによって前記成形体の焼結が可能になると確信している。
また、日本国特許公開公報平06−033164は、マグネシウムを含有するアルミニウム粉末の使用および窒素雰囲気中での加熱についても教示している。この場合、マグネシウムは500℃〜600℃の範囲の温度のアルミニウム粉末粒子の表面上に窒化アルミニウム(AIN)の形成を促進するために使用されている。次に、塑性変形により前記粉末を成形体に形成する。この塑性変形は、生成されるアルミニウム成形体内の窒化アルミニウム被膜を破断および分散させるものである。
前記アルミナ膜の問題に対処する別の方法は、前記粒子同士を直接金属結合する工程を先に実施し、例えば、エポキシ、低融点金属、または合金などの別個の結合剤を使用してアルミニウム粉末同士を結合させて凝集体にすることである。
アルミニウム粉末上のアルミナ膜によって生じる問題の既存の回避方法は、限定的には有用である。しかしながら、アルミニウム粉末の変形、焼結助剤の使用、低圧でのマグネシウムの昇華を必要としない、あるいは最終的な焼結体を固化された凝集体として生成する必要のない、より簡略的な工程があれば有益である。
本発明は、先行技術の焼結方法よりも簡略的なアルミニウム粉末の焼結方法を提供するものである。本発明は、約0.001kPa〜約0.02kPaの狭範囲で水蒸気(HO)分圧を含む窒素(N)雰囲気中でアルミニウム粉末を加熱すると、焼結助剤を使用したり、加熱前または加熱中に機械的力によって当該アルミニウム粉末を加圧して前記アルミナ膜を破断することなく、当該アルミニウム粉末が少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを持って焼結するという驚くべき発見に基づいている。この発見がなされた当時、当業者は、アルミニウムが酸素と水素に反応するという理由から、アルミニウムを焼結させる際は水蒸気を出来る限り避けるべきであると確信していたため、この発見は特に驚嘆に値する。水蒸気は酸素源として作用し、この酸素をアルミニウムがアルミナ膜に変換するというのが一般論であった。このように、当業者は水蒸気によってアルミニウム粉末の焼結がより容易になるというよりも、より困難になると確信していた。
これに限定されるものではないが、本発明者は以下のことを理論付けている。窒素雰囲気中における約0.001kPa〜約0.02kPaの狭範囲の水蒸気分圧は、アルミナ膜表面上における酸素欠損によって原子水素が放出され、この水素が前記アルミナ膜中に拡散されるために、アルミナ分子が隣接するアルミニウム粉末粒子との接触部から分離移動する触媒反応に寄与することによって、アルミニウム粉末の焼結促進の役割を果たしている。この現象によって隣接するアルミニウム粉末粒子の金属間の接触が起こり、これらの接点全体において十分な数の金属原子が移動するため、当該アルミニウム粉末粒子の高密度化および金属結合をもたらす焼結工程を開始および持続することが可能になる。
本発明の方法においては、アルミニウム粉末を第1の工程として提供する。前記アルミニウム粉末は純品質のアルミニウムでも、アルミニウム合金のいずれでもよい。前記アルミニウム粉末は、ルースパウダー(loose powder)として提供されても、前記アルミニウム粉末粒子が実質的に変形されない特定の加工法によって一定の形状に成形されてもよい。例えば、本発明の要旨の範囲内で前記アルミニウム粉末を成形するための加工法には、射出成形、粉末容器格納成形法(powder containerization)および積層造形法などの立体的自由造形技術が含まれる。前記アルミニウム粉末は、主に窒素ガスから成る雰囲気中で加熱される。また、この雰囲気は約0.001kPa〜約0.02kPaの範囲で水蒸気分圧を有する。前記アルミニウム粉末は、焼結して少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを有する固体焼結体になるのに十分な温度と時間で加熱される。焼結後、室温に冷却される前または後に、前記粉末焼結体に任意の望ましい後続加工を施す場合もある。
前記焼結工程はある程度の量の高密度化を伴うとされるが、その量は少量から相当量の間の任意の量となる。前記焼結工程に伴う高密度化の量は、焼結時間および温度を選択することによって制御される。
用途によっては、前記焼結体は、相対密度が低いことが望ましい場合もある(例えば、前記焼結体をフィルターとして使用する場合)。本明細書において「相対密度」は、絶対密度との割合、すなわち、多孔質体またはルースパウダーの積層における測定密度の、前記多孔質体または粉末積層が孔隙を含まない場合の密度に対する比率を意味する。相対密度は前記絶対密度の百分率で表し、一方、絶対密度は単位体積当りの質量単位、例えば立方センチメートル当りのグラムで表す。高多孔質体または高多孔質の粉末積層は相対密度が低いが、孔隙を含まない焼結体または焼結粉末積層は100%の相対密度を有する。
相対密度が高いと前記焼結体により高い強度が提供されるため、大部分の用途においては、相対密度は高いことが好ましい。従って、アルミニウム粉末は焼結後、少なくとも約60%の相対密度を有することが通常好ましい。
本発明の別の態様は、約0.001kPa〜約0.02kPaの狭範囲で水蒸気分圧を含む窒素雰囲気中でアルミニウム粉末を焼結させることによって、少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを持って生成される焼結体に関し、前記焼結工程は、焼結助剤を使用したり、アルミニウム粉末の加熱前または加熱中に機械的力により当該粉末を加圧して前記アルミナ膜を破断したりすることなく行われるものである。当該技術分野では、焼結助剤や加圧加工を使用せずにこのような焼結体をアルミニウム粉末から生成する方法は他には知られていない。
本項目では、本発明の現時点で好適な実施形態の一部を、当業者が本発明を実施するために十分な程度詳細に説明する。
本発明のこれらの実施形態においては、アルミニウム粉末を提供し、同粉末を加熱炉に配置する。前記加熱炉の雰囲気を主に約0.001kPa〜約0.02kPaの範囲の水蒸気分圧を有する窒素ガスから成るよう制御する。前記アルミニウム粉末を、速度を制御して所定焼結温度まで加熱し、その焼結温度を所定時間維持して、少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを持つ前記アルミニウム粉末に焼結する。実際に望ましい曲げ強さは焼結体の特定の使用用途によって決まる。
前記焼結中にある程度の収縮が起こる。望ましい収縮量は、アルミニウム粉末のパラメータと前記焼結体の特定の使用用途とによって決まる。ある特定の場合、例えば、初期相対密度が非常に高い場合、若しくは焼結体が非常に多孔質であることが望ましい場合は、焼結工程によってわずかな収縮量のみを得ることが望ましい。しかしながら、高密度の焼結体を得ることを目的としている場合は、焼結中に収縮量がより高くなることが望ましい。
同様に、望ましい焼結体の相対密度は、アルミニウム粉末のパラメータと前記焼結体の特定の使用用途とによって決まる。ある特定の場合、例えば、前記焼結体をフィルターとして使用する場合は、相対密度が低い(例えば、約40%)ことが望ましい。別の用途においては、相対密度がより高いことが望ましい(より高い相対密度はより高い強度を提供するため)。焼結体の強度が主な考慮事項の1つである場合、通常、相対密度は少なくとも約60%であることが好ましい。さらに、前記アルミニウム粉末を少なくとも約75%の相対密度に焼結させることが好ましく、またさらに、少なくとも約85%相対密度に焼結させることがより好ましく、少なくとも約95%の相対密度に焼結させることが最も好ましい。
本発明に従って、前記アルミニウム粉末の加熱工程前または加熱工程中のいずれにおいても、当該アルミニウム粉末を加圧して実質的にアルミニウム粉末粒子を変形することは行わない。すなわち、機械的力を用いて前記アルミニウム粉末粒子上のアルミナ膜を破断することは行わない。
本発明に従って提供されるアルミニウム粉末は球形であることが好ましい。これは、球形粉末が流動性に優れているためである。しかしながら、粉末形状においてはいかなる制限もない。例えば、濾過体などの用途の場合は、不規則な形状の粉末粒子が好ましい。理由としては、これらの粒子は初期充填密度がより低く、相対密度の低い、高多孔質の焼結体となるためである。
同様に、粒子サイズにおいてもいかなる制限もない。但し、前記粒子サイズは約1ミクロン〜約500ミクロンの範囲であることが好ましい。非常に粗い粉末は粉末粒子体積に対する接触点の数の比率が非常に低いため好ましくない。微粉末は自然発火性および爆発性を有するため好ましくない。従って、前記アルミニウム粉末の粒子サイズは約45ミクロン〜約106ミクロンの範囲、すなわち、−170/+325メッシュ粉末であることが好ましい。
前記アルミニウム粉末は純アルミニウムであってもアルミニウム合金であってもよい。また、前記アルミニウム粉末は純アルミニウム粒子と1若しくはそれ以上のアルミニウム合金の混合物であってもよいし、または、様々なアルミニウム合金の混合物であってもよい。前記アルミニウム粉末の組成においては、前記粉末粒子が実質的にアルミナ被膜を形成するのに十分な金属状アルミニウムを含有することを除いては、いかなる制限もない。
前記アルミニウム粉末は、1若しくはそれ以上のセラミック粉末と混合してもよい。このような粉末には、アルミナと、シリカと、炭化ケイ素と、窒化ホウ素と、タングステンカーバイドなどの耐火性金属炭化物が含まれる(これに限定されるものではない)。前記セラミック粉末の量およびサイズを制御することにより、焼結において望ましいアルミニウム粉末量を達成することが可能になる。
本発明の方法の実施形態の一部には、提供されるアルミニウム粉末が焼結助剤と混合されている場合もある。但し、焼結助剤の使用は本発明を実施する上で必須ではない。焼結助剤には、組成物にスズおよび/またはマグネシウムが含有されるものが含まれる(これに限定されるものではない)。
前記アルミニウム粉末は、容器に格納されていない積層ルースパウダーの形状で加熱される場合もあるが、通常この形状はほとんど実用的に利用できない。前記アルミニウム粉末は、粒子に実質的な変形が行われない技術によって成形することが好ましい。例えば、前記アルミニウム粉末は、容器に格納、すなわち望ましい予備焼結形状を有する容器に配置してもよい。また、前記アルミニウム粉末は射出成形によって成形してもよい。
前記アルミニウム粉末は積層造形法によって成形することが好ましい。本明細書において「積層造形法」は、実用的な3次元焼結体を成形する任意の加工法を指し、この加工法は1層毎に焼結体の形状を連続的に成形する工程を含む。積層造形法は当該技術分野では、少数の特定焼結体を生成するために積層工程を使用する場合は、ラピッドプロトタイピング法としても知られている。好適な積層造形法には3次元印刷(「3DP」)法と粉末焼結積層造形(Selective Laser Sintering:SLS)が含まれる。3DP法の実施例については、2000年3月14付けでSachsらに発行された米国特許第6,036,777号明細書で参照可能である。SLS法については、1991年12月31日にBourellらに発行された米国特許第5,076,869号明細書で参照可能である。
前記アルミニウム粉末は前記3DP法を使用して成形するのが最も好ましい。前記3DP法は概念的にはインクジェット印刷法と類似している。但し、前記3DP法では、インクの代わりに粉末層の最上層上に結合剤を溶着する。この結合剤を、造形品の3次元電子表現の2次元スライスに基づいたパターンで前記粉末層上に印刷する。完全な造形品が成形されるまで、1層毎に印刷していく。前記結合剤はポリマーおよび炭水化物のうちの少なくとも1つを有する場合がある。適切な結合剤の例は、1991年12月31日付けでBourellらに発行された米国特許第5,076,869号明細書および2003年7月1日付けでLiuらに発行された米国特許第6,585,930号明細書で提供されている。
前記3DP法で印刷された造形品は、粉末の充填密度によって通常約30体積パーセントから60体積パーセントを超える粉末と、約10体積パーセントの結合剤とから成り、残りの部分は間隙である。この時点での印刷済み造形品は幾分脆弱である。印刷後に加工を行い、前記印刷済み造形品の物理的特性および/または機械的特性を強化する場合もある。通常、このような印刷後の加工には、前記印刷済み造形品に熱加工を施して前記結合剤を溶浸材に置き換える工程が含まれ、この工程の結果、前記溶浸材は硬化または固化して望ましい物理的特性および機械的特性を有する高密度造形品を生成する。しかしながら、本発明では、焼結方法を利用して前記印刷済み造形品を最終的に望ましいレベルまで高密度化および強化することによって、溶浸の必要性を排除することが可能である。若しくは、焼結方法を利用して部分的に印刷済み部分を凝集体に高密度化することによって溶浸を促進し、次に、この凝集体に溶浸材を取り込む場合もある。
前記積層造形法において使用する造形品の3次元電子表現は、通常コンピュータ支援設計(Computer−Aided Design:CAD)ソフトウェアを使用して作成される。前記3次元電子表現のCADファイルは通常、当該産業で光造形ファイル形式または標準三角パッチ言語(standard triangle language:「STL」)ファイル形式またはSTLファイル形式として知られる別のファイル形式に変換される。次に、前記STL形式のファイルは、前記造形品の3次元電子表現を、2次元スライスとして表現された造形品を構成するSTL形式のファイルに変換する電子ファイルを生成するための適切なスライシングプログラムによって処理される。前記スライスの厚さは、通常、約0.008cm〜約0.03cmの範囲であるが、造形品の設計基準および利用する特定の積層造形法によってこの範囲とは実質的に異なる場合もある。当業者であれば、このような様々な電子ファイルを作成するための適切なプログラムは周知である。
未成形または成形済み状態のいずれかの状態で前記アルミニウム粉末を加熱する工程は、雰囲気組成の制御を維持することが可能ないかなるタイプの加熱炉で行ってもよい。前記加熱炉は、前記アルミニウム粉末を望ましい焼結温度まで加熱することが可能でなければならない。前記焼結方法は、固相焼結法または超固相液相焼結法(supersolidus liquid phase sintering)のいずれであってもよいし、若しくは、焼結助剤を使用する場合は、液相焼結法であってもよい。通常、前記焼結は約550℃〜650℃の間の温度範囲で行われる。使用温度(前記範囲外である場合もある)は、前記アルミニウム粉末の組成、粒度分布および望ましい焼結度に依存する。また、前記アルミニウム粉末を前記焼結温度で曝露する時間も前記アルミニウム粉末の組成、粒度分布および望ましい焼結度に依存する。
前記アルミニウム粉末を一定の形状に成形するために結合剤を使用する場合は、加熱サイクルを制御して、前記結合剤を取り除くようにする。
前記加熱炉に前記アルミニウム粉末を配置した後、加熱炉雰囲気を置換または排気して、主に約0.001kPa〜約0.02kPaの範囲の水蒸気分圧を有する窒素から成る雰囲気を提供する。前記範囲外の水蒸気分圧を使用する場合は、前記アルミニウム粉末の焼結の質が悪くなるか、若しくは、焼結が起こらない結果となる。前記水蒸気分圧は、約0.003kPa〜約0.0015kPaの範囲であることがさらに好ましい。当業者であれば、過度の実験を行うことなく、使用される特定のアルミニウム粉末組成、粒度分布、および焼結温度に対してこれらの範囲内で最適な水蒸気分圧を決定することが可能である。前記雰囲気は、前記アルミニウム粉末の焼結を妨げない範囲内で他の構成物質を微量に含む場合がある。
また本発明は、実施形態として、焼結助剤を使用したり、加熱前または加熱中に機械的力を加圧して粒子を変形することなく、少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを持って焼結したアルミニウム粉末から成る焼結体を含む。このような焼結体は、前記アルミニウム粉末を約0.001kPa〜約0.02kPaの狭範囲の水蒸気分圧を含む窒素雰囲気中で加熱して焼結させることにより生成される。このような焼結体を生成する他の方法は知られていない。
焼結助剤の使用または不使用についは、前記焼結体の微細構造を検討して、前記微細構造に焼結助剤の使用を示す組成の濃度勾配が含まれるかどうかを検知することにより決定することが可能である。前記アルミニウム粉末粒子が機械的力によって変形したかどうかは、前記焼結体の微細構造を検討して、焼結前に前記粒子の被膜を形成していたアルミナにより画成された焼結前粒子の境界線の形状を特定することによって決定することが可能である。前記焼結前粒子の境界線の形状は、機械的力が加圧されていない場合の無変形のアルミニウム粉末の形状に対応する。
このような焼結体を構成するアルミニウム粉末は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金のいずれであってもよい。また、前記アルミニウム粉末は純アルミニウム粒子と1若しくはそれ以上のアルミニウム合金の混合物であってもよいし、または、様々なアルミニウム合金の混合物であってもよい。前記アルミニウム粉末の組成においては、前記粉末粒子が実質的にアルミナ被膜を形成するのに十分な金属状アルミニウムを含有することを除いては、いかなる制限もない。
また、本発明の実施形態である焼結体は、微細構造において1若しくはそれ以上のセラミックを有することもある。このようなセラミックには、アルミナと、シリカと、炭化ケイ素と、窒化ホウ素と、タングステンカーバイドなどの耐火性金属炭化物が含まれる(これに限定されるものではない)。前記セラミック粉末の量およびサイズを制御することにより、焼結において望ましいアルミニウム粉末量を達成することが可能になる。
このような焼結体の望ましい相対密度は、アルミニウム粉末のパラメータと当該焼結体の使用用途とによって決まる。ある特定の場合、例えば、前記焼結体をフィルターとして使用する場合は、相対密度が低い(例えば、約40%)ことが望ましい。別の用途においては、相対密度がより高いことが望ましい(より高い相対密度はより高い強度を提供するため)。焼結体の強度が主な考慮事項の1つである場合、通常、相対密度は少なくとも約60%であることが好ましい。さらに、相対密度は少なくとも約75%であることがより好ましく、またさらに、少なくとも約85%であることがより好ましく、少なくとも約95%であることが最も好ましい。
市販の純アルミニウム粉末(グレードUN No.1396)の2つの試料を提供した。前記アルミニウム粉末は、球形で、平均粒子のサイズは17〜30ミクロンの範囲であった。各試料は、直径約2.54cm、高さ6.35cmの円筒形アルミナ坩堝に配置し、軽く叩いて前記アルミニウム粉末を定着させた。各試料は、雰囲気を5℃/分の割合で制御することが可能な小型箱形加熱炉で焼結温度に加熱し、1時間の間前記焼結温度を630℃に維持してから、約5℃/分の割合で室温に冷却した。前記加熱炉の雰囲気は事前選択した水蒸気分圧を含む窒素である。
試料の1つは、事前選択した水蒸気分圧が実質的に皆無である窒素雰囲気中で処理した。この粉末においては焼結は観察されなかった。相対的に、0.014kPaの事前選択した水蒸気分圧を用いて処理した試料は、74.4%の相対密度に焼結した。
実施例1における市販の純アルミニウム粉末の3つの試料を実施例1と同様に処理した。但し、焼結温度は635℃であった。第1の試料は、0.004kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、83.3%の相対密度に焼結した。第2の試料は、0.009kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、80.8%の相対密度に焼結した。第3の試料は、0.018kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、74.9%の相対密度に焼結した。
実施例1における市販の純アルミニウム粉末の2つの試料を実施例1と同様に処理した。但し、焼結温度は640℃であった。一方の試料は、0.004kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、75.3%の相対密度で焼結した。他方の試料は、0.017kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料においては焼結は観察されなかった。
アルミニウム粉末合金(UN No.6061)である2つの試料を提供した。前記アルミニウム粉末の組成とその重量パーセントは次の通りであった:アルミニウム、バランス;クロム、0.07;銅、0.25;鉄、0.25;マグネシウム、0.89;マンガン、0.03;ケイ素、0.65;チタン、0.02およびバナジウム、0.01。粒度分布とその重量パーセントは次の通りであった:+140メッシュ(>106ミクロン)、0.2;−140メッシュ/+170メッシュ(<106ミクロン/>90ミクロン)、4.8;−170メッシュ/+200メッシュ(<90ミクロン/>75ミクロン)、9.2;−200メッシュ/+325メッシュ(<75ミクロン/>45ミクロン)、77.6および−325メッシュ(<45ミクロン)、8.2。
前記試料は、630℃の焼結温度および事前選択したレベルの水蒸気分圧で実施例1と同様に処理した。事前選択した水蒸気分圧が実質的に皆無である窒素雰囲気中で処理した試料においては焼結は観察されなかった。事前選択した水蒸気分圧が0.014kPaであった窒素雰囲気中で処理した試料は、64.3%の相対密度に焼結した。
実施例4における6061アルミニウム粉末の2つの試料を、635℃の焼結温度および事前選択したレベルの水蒸気分圧で実施例2と同様に処理した。第1の試料は、0.004kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、85.4%の相対密度に焼結した。第2の試料は、0.009kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、99.1%の相対密度に焼結した。第3の試料は、0.018kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、78.6%の相対密度に焼結した。
図1は、本実験の窒素雰囲気中における水蒸気分圧の関数としての相対密度のグラフを示すものである。図2は、0.009kPaの水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理され、99.1%の相対密度を達成した試料における密度の微細構造を示すものである。図2における微細構造のために使用されたエッチング液は、10容量パーセントの硝酸、1容量パーセントのフッ化水素酸および89容量パーセントの水であった。
実施例4における6061アルミニウム粉末の2つの試料を、640℃の焼結温度および事前選択したレベルの水蒸気分圧で実施例3と同様に処理した。一方の試料は、0.004kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料は、84.2%の相対密度に焼結した。他方の試料は、0.017kPaの事前選択した水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で処理した。この試料においては焼結は観察されなかった。
実施例4における6061アルミニウム粉末の5つの試料を実施例1と同様に処理した。但し、焼結温度を600℃〜645℃の間で変化させ、窒素雰囲気中における水蒸気分圧を0.004kPaで一定に維持した。630℃の焼結温度では試験は行わなかった。以下は、焼結後の前記試料の相対密度である。

焼結温度 相対密度
600℃ 56.9%
620℃ 66.5%
635℃ 85.4%
640℃ 84.2%
645℃ 86.3%。
図3は、前記焼結温度の関数としての、これらの試料の焼結後の相対密度を示す。
前述の実施例は、本発明がアルミニウム粉末およびアルミニウム粉末合金の双方の焼結に使用可能であることを実証している。また、これらの実施例は、本発明が一定の粒子サイズの範囲で実施可能であり、且つ、前記窒素焼結雰囲気中における水蒸気分圧の範囲を特定することの重要性を強調していることも示している。
本発明のいくつかの実施形態のみを示して説明してきたが、当業者であれば、以下の特許請求の範囲で説明する本発明の精神および要旨から逸脱しない範囲において、本発明に数々の変更および修正が可能であることは自明である。本明細書において参照した米国特許のすべては、参照により、本明細書に全文を示したものとして本明細書に組み込まれるものである。
本発明の特性および利点の重要性は、添付の図面を参照することによってより理解されるものである。但し、本図面は例示の目的のみを意図したものであり、本発明を限定して定義するものとして意図したものではない。
図1は、本発明に従って加工されたアルミニウム粉末合金6061試料に関する、焼結温度635℃での焼結窒素雰囲気中における水蒸気分圧の関数としての相対密度のグラフである。 図2は、本発明に従って、0.009kPaの水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中において、635℃で99.1%の相対密度に焼結されたアルミニウム粉末合金6061試料顕微鏡写真である。 図3は、本発明に従って、0.004kPaの水蒸気分圧を有する窒素雰囲気中で焼結されたアルミニウム粉末合金6061試料に関する焼結温度の関数としての相対密度のグラフである。

Claims (29)

  1. アルミニウム粉末の焼結方法であって、
    a)アルミニウム粉末を提供する工程と、
    b)主に窒素から成る雰囲気中で、所定の温度で、且つ所定の時間、前記アルミニウム粉末を加熱して、前記アルミニウム粉末を少なくとも約13.8MPaの曲げ強さを持つように焼結させる工程であって、前記雰囲気は約0.001kPa〜約0.02kPaの範囲の水蒸気分圧を含むものである、前記アルミニウム粉末を加熱する工程と
    を有し、
    前記アルミニウム粉末は、前記加熱する工程前または前記加熱する工程中に前記アルミニウム粉末の粒子を実質的に変形させるような機械的力による加圧は受けないものである、
    焼結方法。
  2. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、実質的にアルミニウムから成る組成を有するものである。
  3. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、アルミニウム合金である。
  4. 請求項1記載の方法において、この方法は、さらに、
    前記アルミニウム粉末をセラミック粉末と混合する工程を有するものである。
  5. 請求項4記載の方法において、前記セラミック粉末は、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、窒化ホウ素、および耐火性炭化物から成る群から選択される少なくとも1つを含むものである。
  6. 請求項1記載の方法において、この方法は、さらに、
    前記アルミニウム粉末を焼結助剤と混合する工程を有するものである。
  7. 請求項6記載の方法において、前記焼結助剤の組成は、マグネシウムおよびスズから成る群から選択される少なくとも1つを含むものである。
  8. 請求項1記載の方法において、この方法は、さらに、
    前記加熱する工程前または前記加熱する工程中に、前記アルミニウム粉末を一定形状に成形する工程を有するものである。
  9. 請求項8記載の方法において、前記成形する工程は、前記アルミニウム粉末の容器格納成形(containerization)を含むものである。
  10. 請求項8記載の方法において、前記成形する工程は、前記アルミニウム粉末の金属射出成形を含むものである。
  11. 請求項8記載の方法において、前記成形する工程は、前記アルミニウム粉末を積層造形法によって成形する工程を含むものである。
  12. 請求11記載の方法において、前記積層造形法は、3次元印刷(3DP)法を含むものである。
  13. 請求11記載の方法において、前記積層造形法は、粉末焼結積層造形(SLS)法を含むものである。
  14. 請求項1記載の方法において、前記水蒸気分圧は、約0.003kPa〜約0.015kPaの範囲である。
  15. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、約1ミクロン〜約500ミクロンの間のサイズ範囲の粒子から成るものである。
  16. 請求項15記載の方法において、前記アルミニウム粉末粒子のサイズ範囲は、約45ミクロン〜約106ミクロンの間である。
  17. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、前記加熱する工程で、少なくとも約60%の相対密度に焼結されるものである。
  18. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、前記加熱する工程で、少なくとも約75%の相対密度に焼結されるものである。
  19. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、前記加熱する工程で、少なくとも約85%の相対密度に焼結されるものである。
  20. 請求項1記載の方法において、前記アルミニウム粉末は、前記加熱する工程で、少なくとも約95%の相対密度に焼結されるものである。
  21. 焼結アルミニウム粉末を有する焼結体であって、前記焼結アルミニウム粉末は、少なくとも約13.8MPaの曲げ強さと、焼結助剤の使用を示す組成の濃度勾配も、焼結工程前または焼結工程中に機械的力を加えることによって生じる粒子の変形の形跡も含まない微細構造とを有するものである。
  22. 請求項21記載の焼結体において、前記アルミニウム粉末は、実質的にアルミニウムから成る組成を有するものである。
  23. 請求項21記載の焼結体において、前記アルミニウム粉末は、アルミニウム合金である。
  24. 請求項21記載の焼結体において、前記焼結体は、セラミックをさらに有する。
  25. 請求項24記載の焼結体において、前記セラミックは、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、窒化ホウ素、および耐火性炭化物から成る群から選択される少なくとも1つを含むものである。
  26. 請求項21記載の焼結体において、前記焼結体は、少なくとも約60%の相対密度を有するものである。
  27. 請求項21記載の焼結体において、前記焼結体は、少なくとも約75%の相対密度を有するものである。
  28. 請求項21記載の焼結体において、前記焼結体は、少なくとも約85%の相対密度を有するものである。
  29. 請求項21記載の焼結体において、前記焼結体は、少なくとも約95%の相対密度を有するものである。
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