JP2010500469A - 金属射出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属射出成形によって物品を成形する方法である。
【解決手段】本方法は、アルミニウムの粉末またはアルミニウム合金の粉末、あるいはそれら両方および必要に応じてセラミック粒子、結合剤、ならびに低い融点を有する金属を含む焼結助剤を含む混合物を成形する工程を含む。その混合物は射出成形され、結合剤は除去されて素地を成形する。その素地は焼結される。焼結する工程は、窒素を含む雰囲気下および酸素ゲッターの存在下で行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は金属射出成形方法に関する。

金属射出成形は粉末金属と結合剤とを混合して原料を成形することを含む。この混合は、プラスチック業界において使用されるものと類似する射出成形装置を用いて射出成形される。これは「素地（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）」を成形する。この素地は取扱いを可能とする十分な剛性および強度を有する。素地は次いで、さらに結合剤を取り除き、金属粉末粒子を焼結して、最終的な物品を成形するように処理される。

結合剤は、通常、１つ以上の熱可塑性化合物、可塑剤、および他の有機材料を含む。理想的には、結合剤は、射出成形温度においては融解状または液体状であるが、素地が冷却された場合、鋳型において凝固される。この原料は、例えば、造粒処理などにより固体ペレットへと加工され得る。これらのペレットは、後に、射出成形機へ貯蔵および供給され得る。

通常の射出成形装置は、その混合物が金型へと押出されるノズルを有する、熱せられたスクリューまたは押出機を含む。押出機は、結合剤が液体状になるように熱せられ、ノズル温度は通常、一定の状態となるように注意深く制御される。望ましくは、金型の温度もまた、素地が金型から取り除かれるときに、素地が固まっているように十分に低い温度であるように制御される。

結合剤は素地のうちの相当な体積分率を占め得ることができるので、素地は最終的な物品よりも大きい。

素地へのさらなる処理は、結合剤を取り除くこと、および焼結することを含む。結合剤は、焼結処理の前に完全に取り除かれてもよい。あるいは、結合剤は、焼結処理の前に部分的に取り除かれてもよく、焼結処理の間において、結合剤の完全な除去が達成されてもよい。

結合剤の除去は、結合剤を融解する溶剤を用いるか、または、素地を熱して結合剤を融解、分解、および／または蒸発させることによって生じ得る。溶剤の除去および熱除去の組合せもまた用いられてもよい。

焼結処理は、物体を熱して金属粒子を分離させて、金属結合させる処理を含む。金属射出成形された部分の製造における焼結は、通常、従来の粉末金属部分の製造において用いられる焼結と類似する。非酸化性雰囲気は、金属の酸化を回避するために、焼結処理の間に一般的に用いられる。金属射出成形方法における焼結の間、結合剤を除去した後の非常に多孔性の物体は、圧縮されて縮小したままである。焼結温度および温度分布は、通常、焼結の間の物品の形状を保持し、その物品が歪むことを避けるために、厳密に制御される。この方法において、ネット形状（ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）の物品が、焼結処理から生産され得る。

金属射出成形は、適切な粉末形態において製造可能である、殆どあらゆる金属から、物品を製造するのに適している。しなしながら、アルミニウムを金属射出成形において用いることは困難である。なぜならば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子の表面上に常に存在する接着性の酸化アルミニウムの薄膜は焼結されないからである。

Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｐｔｅ Ｌｔｄに譲渡された特許文献１は、アルミニウムおよびアルミニウム合金から、目的物を成形する金属射出成形処理を記載する。この処理において、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末は、炭化ケイ素または金属フッ化物などの酸化アルミニウムを有する共晶混合物を成形するとされる材料を含む粉末と混合される。この混合された粉末は次いで、結合剤と混合され、射出成形され、結合剤を取り除かれ、そして焼結される。

特許文献１のこの処理において、炭化ケイ素または金属フッ化物は、推定では、酸化アルミニウムを融解するであろう、酸化アルミニウムを有する共晶混合物を成形し、それによって、焼結処理の間、アルミニウムの表面間において密なる接触を可能とするとされる。

出願人は、明細書中で議論される先行技術が、オーストラリアまたは他国においては、通常の一般的知識の一部を形成することを認めていない。

本明細書を通して、用語「含む（備える）（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」およびその文法的な意味での均等物は、文脈がそうでないことを示す場合を除いて、包括的な意味を有すると解釈される。

米国特許第６，７６１，８５２号明細書

本発明の目的は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはアルミニウムマトリクス複合材料から、物品の製造を可能にする、金属射出成形方法を提供することである。

第１の態様において、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属射出成形によって物品を成形する方法を提供し、本方法は、アルミニウムの粉末またはアルミニウム合金の粉末、あるいはそれら両方および必要に応じてセラミック粒子、結合剤、ならびに低い融点を有する金属を含む焼結助剤を含む混合物を成形する工程と、混合物を射出成形する工程と、結合剤を除去する工程と、窒素を含む雰囲気下および酸素ゲッターの存在下で行われる、焼結する工程とを含む。

酸素ゲッターは、アルミニウムよりも酸素に、より高い親和性を有する任意の金属を含んでもよい。酸素ゲッターとして用いられる適切な金属の一部の例は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属を含む。１つ以上の希土類金属が酸素ゲッターとして用いられる場合、ランタニド系列からの希土類金属が用いられることが好ましい。

酸素ゲッターとして使用する場合、マグネシウムは好ましい金属である。なぜならば、マグネシウムは、高い蒸気圧を有し、容易に利用可能であり、比較的安価であるからである。

一部の実施形態において、酸素ゲッターのブロックは、焼結する工程の間に焼結される物品の周囲に配置されてもよい。他の実施形態において、酸素ゲッターの粉末は焼結する工程の間に焼結される物品の周囲またはその上に配置されてもよい。さらなる代替の実施形態として、酸素ゲッターはアルミニウムの粉末またはアルミニウム合金の粉末と混合されるか、射出成形装置へ供給される混合物と混合されてもよい。

さらなる実施形態において、酸素ゲッターは、例えば、混合物に加えられる合金の粉末中に存在するような、混合物に加えられる合金の成分として存在する。例えば、アルミニウムおよびマグネシウム（ならびに、場合によっては他の成分も）を含む合金の粉末は、混合物に追加されるか、または混合物に組み込まれてもよい。混合物に組み込まれ得る一部の合金の例は、Ａｌ−７．９重量％ＭｇおよびＡｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉを含む。

理論によって拘束されることを望まないのであれば、本発明は、酸素ゲッターが、焼結する工程の間、焼結部の周囲にある雰囲気に存在し得るあらゆる酸素を除去するということを仮定している。酸素ゲッターはまた、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子を包囲する酸化アルミニウムを低減するように作用し得る。これは、粒子の周囲の酸化アルミニウム層を破壊し、新たな金属を露出させ、それによって、生じるアルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子の焼結を可能にすることを助長する。

上述のように、マグネシウムは好適な酸素ゲッターである。比較的安価であることに加え、マグネシウムはまた、高い蒸気圧を有する。その結果、焼結する工程（上昇された温度にて生じる）の間、マグネシウムの蒸気は、焼結される物品を包囲し得る。

焼結助剤は、混合物の射出成形に先立って、混合物へ追加される。焼結助剤は低い融点を有する金属である。例えば、焼結助剤は、アルミニウムの融点よりも低い融点を有する金属であってもよい。好ましくは、焼結助剤は、固体アルミニウムには融解しない、低い融点を有する金属を含む。好適な焼結助剤の一部の例は、スズ、鉛、インジウム、ビスマス、およびアンチモンを含む。特に、スズが、アルミニウムおよびアルミニウム合金の焼結を助長するのに適していることが分かっている。それゆえ、スズは好ましい焼結助剤である。

スズは本発明において使用される好適な焼結助剤である。なぜならば、スズは、焼結時に、窒化アルミニウムの形成を抑制し（それにより、最終的な物品の特性に悪影響を及ぼし得る、過剰な窒化アルミニウムの形成を抑える）、融解されたアルミニウムの表面張力を変化させ、それによって、焼結時に、液体アルミニウムの層における首尾良い分配を促進する。

焼結助剤は、金属の粉末および焼結助剤の総重量に基づいて、１０重量％までの量において追加されてもよい。好ましくは、焼結助剤は、０．１重量％から１０重量％、より好ましくは、０．５重量％から３重量％、さらにより好ましくは、約２重量％の量において存在する。

スズが焼結助剤として用いられる場合、混合物の、０．１重量％から１０重量％、より好ましくは、０．５重量％から４重量％、さらにより好ましくは、０．５重量％から２．０重量％の量において加えられてもよい。

スズは２３２℃で溶解し、それは、アルミニウムの溶解温度（６６０℃）よりもかなり低く、金属間の状態は存在しない。スズは固体アルミニウムにおいてはやや溶解しにくい。最大の固溶度は０．１５％未満である。アルミニウムは、液体スズにおいては完全に混和性であり、非混和液の形態ではない。さらに、液体スズの表面張力は、アルミニウムよりも著しく低く、微量のスズが、アルミニウムの湿潤特性および焼結特性を改良するために、本発明によって示されている。これらの理由により、スズは特に好ましい焼結助剤である。

焼結する工程は窒素雰囲気下で行われる。理論によって拘束されることを望まないならば、本発明者らは、窒素雰囲気下で焼結する工程を行うことは、窒化アルミニウムの形成を促進し得ると仮定している。本発明者らは、焼結する工程において窒化アルミニウムを形成することは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子を通常、包囲する酸化アルミニウムの薄膜を破壊または除去することを助長し得ると仮定している。焼結助剤としてスズを使用することで、ＡｌＮの形成を制御することもまた助長してもよい。なぜならば、焼結時に、ＡｌＮの量を過剰に形成すると、最終的な物品の特性に損害を生じさせる虞があるからである。

高純度のアルミニウムが供給粉末として用いられる場合、本発明者らは、窒素雰囲気下においてアルミニウムの粉末の焼結を行うと、アルミニウムが窒化アルミニウムへと迅速に変換され得ることを見出した。これらの状況下でアルミニウムが窒化アルミニウムへと変換され得る急激な速度のために、物品全体が窒化アルミニウムへと変換され得るリスクが存在する。焼結助剤としてスズを用いることは、そのような状況下において過剰のＡｌＮの形成を制限するように作用する。

理論によって拘束されることを望まないならば、本発明者らは、窒素雰囲気は、窒化アルミニウムを形成することによって、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子の表面上の酸化アルミニウムの薄膜を破壊することを仮定している。酸化アルミニウムの薄膜のこの破壊によって、生じるアルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子の焼結が可能となることが、さらに仮定される。

焼結する工程が行われる雰囲気は、低い水分含有量であってもよく、例えば、０．００１ｋＰａ未満の水蒸気分圧であってもよい。焼結する工程において用いられる雰囲気は、−６０℃未満の露点であってもよく、より好ましくは、−７０℃未満の露点であってもよい。マグネシウムは、酸素ゲッターとして用いられる場合、酸素および水に反応し、それによって、雰囲気の水分含有量をさらに低減する。水蒸気は、アルミニウムの焼結に対して極めて悪影響であると考えられている。

雰囲気は、窒素を含む雰囲気である。雰囲気は主に窒素であってもよい。雰囲気は１００％の窒素であってもよい。雰囲気はまた、不活性ガスを含んでもよい。不活性ガスは、雰囲気中の一部を含んでもよい。雰囲気は、実質的に酸素および水素を含まなくてもよい。この点において、焼結の間、雰囲気として供給されるガスは、適切には、酸素または水素を含まない。

本発明において用いられる結合剤は、任意の結合剤、または、金属射出成形における結合剤として用いられるのに適切であることが公知である結合剤組成物であってもよい。当業者に周知であるように、結合剤は、通常、有機物成分または２つ以上の有機物成分の混合物である。

結合剤は、望ましくは、加熱時に、結合剤を融解することができる熱可塑性成分を含む。また、結合剤は、その後の射出成形にて素地を扱うことができるように、素地に十分な強度を付与するべきである。望ましくは、結合剤は、結合剤の除去処理の間、物体の状態を保持する様式にて、素地から除去できる。結合剤は、除去の前に残留物を残さないことが好ましい。

結合剤は２つ以上の材料から形成されてもよい。結合剤を含む２つ以上の材料は、それらが素地から順次除去されるように選択されてもよい。この方法において、結合剤の制御された除去はさらに容易に達成され、それによって、結合剤の除去の間、物体の形状の状態の保持が容易となる。この点で、結合剤が急速に除去される場合は、物体の形状の状態を損なうリスクが増加することは理解される。

結合剤は、結合剤を除去するために金属射出成形において用いられる公知の技術のうちの一つ以上によって除去されてもよい。例えば、結合剤は、結合剤の触媒除去またはウィッキングによって結合剤を溶解、蒸発、または分解させる熱処理により、溶剤中の溶解によって除去されてもよい。

２つ以上の結合剤除去の技術が、結合剤除去の段階にて用いられてもよい。例えば、結合剤除去の第１の工程は、溶媒抽出、その後の結合剤の残りの熱的除去を含んでもよい。

広範な結合剤材料が用いられてもよいことを当業者は理解する。一部の実施例は、ステアリン酸、ワックス、パラフィン、およびポリエチレンなどの有機ポリマーを含む。

いかなる方法にも限定されることを望まないならば、本発明者らは、本発明に関連した実験作業において、ステアリン酸、パーム油ワックス、および高密度ポリエチレンを含む結合剤を使用している。

本発明において用いられる焼結する工程は、アルミニウムまたはアルミニウム合金が焼結して濃密度を成形する温度にまで素地を熱する工程を含む。焼結する工程は、好ましくは、約５５０℃から約６５０℃の範囲内、より好ましくは、５９０℃から６４０℃の範囲内、最も好ましくは、６１０℃と６３０℃との間の範囲内の温度にまで熱する工程を含む。焼結時間は変化し得る。通常、より短い焼結時間は、より高い焼結温度に対して用いてもよい。実質的には、焼結時間は、物品の最大緻密化が生じることを保証するのに十分に長くあるべきである。２時間までの、６２０℃から６３０℃の温度にての焼結は、申し分ない結果を提供することが分かった。しかしながら、より長い焼結時間およびより短い焼結時間は、本発明に含まれる。

この焼結する工程において用いられる加熱速度および温度プロフィールは通常、最終的な物品において最適な特性を得るために、金属射出成形法において、厳密に制御される。当業者は、焼結する工程において用いられる適切な加熱速度および温度プロフィールを決定する方法を容易に理解する。

本発明の方法は、アルミニウム金属およびアルミニウム合金を用いた使用に対して適切である。任意のアルミニウム合金は、１０００シリーズ、２０００シリーズ、３０００シリーズ、４０００シリーズ、５０００シリーズ、６０００シリーズ、７０００シリーズ、および８０００シリーズからのアルミニウム合金を含み、本発明において用いることができる。

セラミックの粒子は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と混合でき、アルミニウム金属マトリクス複合材料を作製することができる。セラミック粒子は、焼結された物品の特性を改良または制御するために用いられる。そのような特性は、磨耗抵抗、剛性、または熱膨張係数を含むことができるが、それらに限定されない。通常のセラミック材料の限定的なリストは、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、ＢＮ、およびＴｉＢ_２を含む。

本発明の方法は、公知の金属射出成形装置において実行されてもよい。

本発明の実施形態に係る、結合除去前の、試験バーの破面の顕微鏡写真を示す。 本発明の実施形態に係る、試験バーの、素地および焼結部分の顕微鏡写真を示す。 本発明の実施形態に係る、試験部分の密度および硬度のグラフである。 様々な条件における、焼結後の、試験バーの引張曲線のグラフを示す。 本発明の実施形態に係る、焼結された製造物の微細構造を示す。 焼結後の密度への、Ｍｇ元素追加の効果のグラフを示す。 図７に挙げられた合金に対する温度関数としての液体含有量を示す。 温度関数としての、ＡＡ６０６１＋Ｘ％Ｓｎの粗い粉末の焼結後の密度のグラフを示す。 図に挙げられた原料混合物に対する温度関数としての、焼結後の密度のグラフを示す。

様々な合金および粉末組成物、様々な粒子サイズおよび粒子形状を試験した。１０μｍのＤ_５０を有する球状のＡＡ６０６１粉末および粒子サイズが４５μｍ未満の球状のＳｎが好ましいものであった。金属射出成形原料は、２重量％のＳｎを有する６０６１の粉末および３重量％のステアリン酸の結合剤系、５２重量％のパーム油ワックス、および４５重量％の高密度ポリエチレンからなる。原料を、１６５℃で、１８０分間混合した。造粒処理後、原料を、Ａｒｂｕｒｇ射出成形機を用いて、標準的な引張バー（ｔｅｎｓｉｌｅ ｂａｒ）に射出成形した。溶剤による結合除去（ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ）は、４０℃にて、２４時間、ヘキサン中で行った。残りの結合剤の除去および焼結を組み合わせて、密閉した環状炉内において行った。好ましい雰囲気は、１リットル／分にて流れる高純度の窒素ガスである。実験作業において用いられた温度プロフィールを表１に示す。マグネシウムバーを、焼結の間、物品の周囲に配置した。

引張試験は、焼結した材料において行った。標点距離は２５ｍｍであり、クロスヘッド速度は０．６ｍｍ／分であった。

ロックウェル硬度（ＨＲＨ）を、１／８インチの鋼球および６０ｋｇの荷重を用いて、上表面および底表面上にて測定した。

（結果）
図１は、結合除去した部分の破面を示す。粉末形態は、元の状態から変化していない。

図２は、射出成形された物体（素地）および焼結部を示す。焼結部は、気泡、亀裂、および反りなどの不備が存在しない。また、表面は良好な仕上げである。

図３は、様々な焼結条件下での、試験バーの密度および硬度を示す。１時間、６２０℃にて、窒素中にて焼結した部分に対して、焼結後の密度は、９０．０±０．６％であり、硬度は３９．１±１２．３であった。硬度の大きな変動は、おそらく、多孔性の度合いが高いためである。焼結時間が２時間に増加すると、密度は９４．９±０．３％、硬度は６６．９±２．９となった。しかしながら、さらに焼結温度を６３０℃まで上昇させると、密度および硬度は著しく増加しなかった。この条件における密度は９５．３±０．３％であり、硬度は６９．０±０．９であった。

様々な条件において焼結した部分の通常の応力／ひずみ曲線を図４にプロットする。６２０℃で、２時間、焼結した部分は、最良の機械特性を有しており、５８ＭＰａにて０．２％の降伏強度、１５６ＭＰａの引張強度、および８．９％の破断伸び（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｔｏ ｆａｉｌｕｒｅ）を記録した。６３０℃にて焼結した部分の引張特性は、より高い密度にもかかわらず、これよりも僅かに低い。これは、おそらく、より高い焼結温度での微細構造における結晶流粗大化によるためであった。

６２０℃にて、１時間、焼結した部分に対して、低い密度は、粗悪な機械特性を生成した。引張強度は９８ＭＰａであり、ひずみは１．７％であった。

図５は、６０２℃にて、２時間、焼結した後のサンプルの微細構造を示す。光学顕微鏡写真は、粒子サイズが、およそ元の粒子サイズのままであり、２０μｍ未満であることを示す。後方散乱した電子の画像は、Ｓｎの豊富な位相の分布およびサイズを示す（電子の画像においては白のコントラスト、光学画像においては黒のコントラスト）。明らかな微細孔は見えない。

（さらなる実施例）
約３２５のメッシュのＭｇ元素の粉末またはＭｇの豊富なプレ合金（ｐｒｅ−ａｌｌｏｙ）の粉末の様々な割合を作製し、原料に混合する。原料を、次いで、加熱成形機を用いて、直径２５．４ｍｍの円板へと成形した。この円板を、Ｍｇのブロックを加熱炉内に存在させずに、窒素下にて焼結した。プレ合金の粉末を用いて、その中で円板を焼結する前に、加熱炉を、その加熱炉内にＭｇの残留物を全て取り除くために、真空状態にて、６８０℃で、４時間、空の状態で稼動した。焼結部を、ガスの流出効果を最小化するため、粗い蓋を有する鋼のるつぼに入れる。

（結果）
焼結後の密度へのＭｇ元素の追加の効果を図６に示す。１．０重量％のＭｇが、約９４％の最も高い焼結後の密度を与えたことがわかった。０．５重量％のＭｇでは、脱酸素化（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ）するには不十分であり、焼結部は、多孔性の表面層のためにゆがんだ。原料へ、２．０重量％のＭｇ元素の粉末を追加すると、窒化のために低い焼結後の濃度（およそ８０％）を生じる。安全性への配慮のため、原料へのＭｇ元素の粉末を追加することは好ましくない。しかしながら、プレ合金の粉末の形態で、Ｍｇを原料に追加することは、元素の力の不利な点のうちの一部を克服する。

（実施例−ＡｌＭｇの粉末を原料に追加）
Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉ、およびＡｌ−７．９重量％Ｍｇの組成のプレ合金の粉末を、Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｐｏｗｄｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ社から取得した。Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの粉末は約２５μｍの平均粒子サイズを有し、その一方で、Ａｌ−７．９重量％Ｍｇの粉末は約４０μｍの平均粒子サイズを有する。その両方が均一の粒子形状を有する。Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉは、およそ５４０℃の固相線温度を有し、６００℃で十分に液化される。Ａｌ−７．９重量％Ｍｇはおよそ５４０℃の固相線温度を有し、６２０℃で十分に液化される。図７は、これらの合金、ならびにＡＡ６０６１合金、およびＡＡ６０６１＋７．５重量％Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの混合物に対する温度関数として、液体量を示す。

窒素下において、６１０℃にて２時間の、ＡＡ６０６１＋７．５％Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉ＋２重量％Ｓｎの原料の混合物は、理論上、約９７％の密度を有するゆがみのない焼結部を生成することが分かった。

（実施例−焼結助剤としてスズの使用）
Ｓｎを、加圧または成形されていないアルミニウム合金、およびラピッドプロトタイピング処理によって作製された成形物に対して効果的な焼結用の添加剤として用いる。本発明者らは、Ｓｎが、タップされた（ｔａｐｐｅｄ）粗い粉末を焼結すること、および粉末射出成形されたアルミニウム成形物において重要な役割を果たすことを示した。しかしながら、スズは固体アルミニウムにおいて殆ど融解しないので、Ｓｎは、焼結後も粒子境界に残る。過剰な量のスズは機械特性、特に、粉末から作製されるアルミニウム合金に極めて所望される柔軟性を悪化させる。

粉末射出成形アルミニウム成形物の結合除去した部分（茶の部分）は、およそ８５％の相対密度のみを有する。ポリマー結合剤が除去された後、多孔性の結合除去した部分における表面の一部と結合する開経路が存在する。タップされた粗い粉末のみが、およそ４０％からおよそ６０％のみの相対密度を有し、連結された孔は、表面への開経路を形成し得る。相当量の液体がこれらの経路を密封するのに必要とされる。前述の実施例において、本発明者らは、４％のＳｎが、粗い成形された純粋なアルミニウムの粉末を焼結するのを助け、２％のＳｎの追加により、粉末射出成形されたＡＡ６０６１成形物の焼結を向上させることを見出した。本実施例において、本発明者らは、Ｓｎの追加量を最小にし、その一方で、一部のプレ合金のアルミニウムの粉末を加えることによって液体量を維持することを試みる。また、プレ合金の粉末を多量に追加することは、焼結された部分において合金含有量を増加させ、その強度を改良することを助ける。Ｓｎ含有量の低下は、柔軟性を改良するのを助けることがある。そのような手段によって、合金系の機械特性をさらに改良できる。

Ｓｎ元素（＜４３μｍ）を、焼結助剤として用い、プレ合金のＡｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの粉末（＜３０μｍ）と混合した細かいＡＡ６０６１の粉末（＜２０μｍ）の液相での焼結を向上させる。粉末を、ＡＡ６０６１＋Ｘ重量％Ｓｎ＋Ｙ重量％Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの成形に従って、３０分間、混合機（Ｔｕｒｂｕｌａ ｍｉｘｅｒ）において混合した。混合した粉末は、アルミのるつぼに注がれ、タップされた、アルミフォイルによって囲まれた。次いで、それらを、０．５リットル／分の窒素ガスの流れの下、様々な温度にて、２時間、鋼管の加熱炉にて焼結した。焼結後の密度を、アルキメデスの方法によって得、各々の合金の理論密度（ＴＤ％）の割合に変換した。磨かれたサンプルを、光学電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の両方に用いた。

図８は、より高い焼結温度でのＡＡ６０６１＋Ｘ重量％Ｓｎの粗い粉末の焼結密度の増加を示す。５８０℃にて２重量％Ｓｎの合金系および５９０℃にて１重量％のＳｎ系の密度の増加がある。Ｓｎの追加によって、明らかに焼結が向上し、より高い焼結後の密度がＳｎを用いて合金に対して得られた。焼結後の密度は、６００℃から６３０℃の焼結温度領域において、１．０重量％または２．０重量％Ｓｎの合金に対して、およそ９５％かそれ以上であった。反対に、ＳｎのないＡＡ６０６１の粗い粉末は、６１０℃では８３％、６２０℃では８８％、および６３０℃では９３％をそれぞれ達成しただけであった。

液相焼結においては、液体の量は、緻密化および物体の部分の保持について、最も重要な要因のうちの１つである。Ａｌ−Ｓｎ合金系における液体の量は、温度、アルミニウム合金組成、およびＳｎ含有量によって制御される。図７は、試験された合金に対しての液体の体積分率への温度の効果を示す。このデータは、ＴｈｅｒｍｏＣａｌｃを用いて計算した。Ｓｎの追加は考慮されない。ＡＡ６０６１＋ｘ重量％Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの合金について、計算は、最終的な合金の総含有量に基づいた。プレ合金のＡｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの粉末は、５８２℃の固相線を有し、６０４℃にて十分に液化される。従って、この合金は、それが単独で焼結される場合、そのような狭い融解範囲にて工程制御することは非常に困難である。しかしながら、初期段階に成形された高Ｍｇ含有量を有する液体は、焼結のための加熱炉において酸素を取り除く（ｓｃａｖｅｎｇｅ）ことができ、通常約５８０℃から約６００℃にて始まる深刻な酸化が生じる前に、粗い粉末において、開経路を密封することを助ける。

図９は、窒素下において、２時間、様々な温度にて焼結した後の、０％、２．５％、および７．５％のプレ合金のＡｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの粉末を加えた、ＡＡ６０６１＋０．５重量％Ｓｎの粗い粉末の焼結後の密度を示す。ＡＡ６０６１＋０．５重量％Ｓｎの焼結後の密度は、液体の量が増加するにつれて、６３０℃までの温度関数として、徐々に増加する。Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの粉末の融解からの液体は、２．５重量％の追加に対して６００℃の焼結温度において、および７．５重量％の追加に対して５９０℃の焼結温度にて、密度は急激に増加した。しかしながら、過剰な液体は、ＡＡ６０６１＋０．５重量％Ｓｎ＋７．５重量％Ａｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの合金系について、６１０℃にてピークを迎えた後、すぐに密度減少する結果となった。この密度減少は、おそらく、物体の部分内に存在する、初期に成形された、液体中に閉じ込められたガスのためである。プレ合金のＡｌ−２重量％Ｃｕ−９．３重量％Ｍｇ−５．４重量％Ｓｉの粉末への２．５重量％の追加は、６００℃から６２０℃の温度範囲において、約９７％の密度の水平域を維持するのを助ける。密度は６３０℃で減少が開始する。

当業者は、本発明が、上述で特に記載されたもの以外に変形および改変され得ることを理解する。本発明は、本発明の意図および範囲内の全ての変形および改変を包括することは理解される。

Claims (21)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属射出成形によって物品を成形する方法であって、
   アルミニウムの粉末またはアルミニウム合金の粉末、あるいはそれら両方および必要に応じてセラミック粒子、結合剤、ならびに低い融点を有する金属を含む焼結助剤を含む混合物を成形する工程と、
   前記混合物を射出成形する工程と、
   前記結合剤を除去する工程と、
   窒素を含む雰囲気下および酸素ゲッターの存在下で行われる、焼結する工程と、を含む、方法。
2. 前記酸素ゲッターは、アルミニウムよりも酸素に、より高い親和性を有する金属を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸素ゲッターは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属からなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記酸素ゲッターはマグネシウムである、請求項３に記載の方法。
5. 前記酸素ゲッターのブロックは、前記焼結する工程の間に焼結される前記物品の周囲に配置されるか、または前記酸素ゲッターの粉末は前記焼結する工程の間に焼結される前記物品の周囲またはその上に配置されるか、または前記酸素ゲッターは前記アルミニウムの粉末または前記アルミニウムの合金の粉末と混合されるか、射出成形装置へ供給される前記混合物と混合されるか、または前記酸素ゲッターは前記混合物に加えられる合金の成分として存在する、請求項１に記載の方法。
6. 前記焼結助剤は、アルミニウムの融点よりも低い融点を有する金属であり、固体アルミニウムには融解しない金属である、請求項１に記載の方法。
7. 前記焼結助剤はスズを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記焼結助剤は、前記金属の粉末および前記焼結助剤の総重量に基づいて、１０重量％までの量で存在する、請求項１に記載の方法。
9. 前記焼結助剤は、０．１重量％から１０重量％の量で存在する、請求項８に記載の方法。
10. 前記焼結助剤は、０．５重量％から３重量％の量で存在する、請求項８に記載の方法。
11. 前記焼結する工程が行われる前記雰囲気は低い水分含有量を有し、ここで水蒸気分圧は０．００１ｋＰａ未満である、請求項１に記載の方法。
12. 前記結合剤は、加熱時に前記結合剤を融解させることができる熱可塑性成分を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記結合剤は、素地から順次除去されるように選択される、２つ以上の材料からなる、請求項１に記載の方法。
14. 前記結合剤は、前記結合剤の触媒除去またはウィッキングによって前記結合剤を溶解、蒸発、または分解させる熱処理により、溶剤中の溶解によって除去される、請求項１に記載の方法。
15. ２つ以上の結合剤の除去技術が、前記結合剤を除去するために用いられる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記結合剤は、ステアリン酸、パーム油ワックス、および高密度ポリエチレンを含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記焼結する工程は、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が焼結して濃度の高い部分を成形する温度にまで前記素地を熱する工程を含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記温度は、約５５０℃から約６５０℃の範囲内である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記混合物はセラミック粒子を含み、前記セラミック粒子は、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、ＢＮ、およびＴｉＢ_２からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
20. 前記雰囲気は、窒素または窒素および不活性ガスの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
21. 前記雰囲気は、実質的に酸素または水素を含まない、請求項１に記載の方法。