JP2018053308A - ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金、その製造方法、及び当該ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて製造されたダイカスト金型 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼材組織12中に分散した粒子状銅組織13の含有量、大きさ及び形状を特定することにより、機械的特性及び熱的特性の双方に優れた焼結体1を得るようにした。
【選択図】図4
Description
図1に示すように、本実施形態に係るダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金としての焼結体1は、鉄系合金粉末としての鋼材粉末2と、添加材である銅粉末3とを混合し(S1)、その混合物を焼結する(S2)ことにより製造される。
鋼材粉末2は、焼結体1において、基地組織を形成する母材としての役割を有するものであり、焼結体1に十分な機械的強度を付与する観点から、好ましくは熱間工具鋼、冷間工具鋼又はプラスチック金型用鋼等、より好ましくは熱間工具鋼である。熱間工具鋼は、具体的には例えば、SKD61材、SKD4材、SKD5材、SKD6材、SKD8材等のダイカスト用鋼材である。
銅粉末3は、添加材として加えられることで、焼結体1の熱伝導性を向上させるためのものである。
図1に示すように、本実施形態に係る焼結体1の製造方法は、鋼材粉末2及び銅粉末3の混合工程S1と、鋼材粉末2及び銅粉末3の混合物を焼結する焼結工程S2とを含む。
混合工程S1は、鋼材粉末2と銅粉末3とを略均一に混合して混合粉末28(銅含有鉄系合金粉末)を得る工程である。
焼結工程S2は、混合工程S1で得た混合粉末を焼結させる工程である。具体的には例えば、放電焼結、及びホットプレス等の方法を採用することができ、好ましくは放電焼結を採用することができる。
放電焼結には、電源、加圧装置、計測システム及び真空計から構成された計装化された放電焼結機を使用する。電源としては、粉末の予備焼結を行うモード1、抵抗焼結を行うモード2の2つのモードがあり、モード1では直流パルス通電の負荷、モード2では連続通電の負荷を行う。
焼結温度範囲は、鉄についてオーステナイト領域で固相拡散を生じさせる観点から、好ましくは727℃以上、より好ましくは800℃以上、特に好ましくは900℃以上である。また、鉄(融点1540℃)よりも融点の低い銅(融点1080℃)を含むことから当該銅の融点を超えない温度で焼結させるため、好ましくは1080℃未満、より好ましくは1040℃以下、特に好ましくは1000℃以下である。
一般に、焼結体の相対密度は、アルキメデス法により測定された焼結体の密度と鋼材粉末の真密度から算出することができる。
第1段階:粉末粒子接触面部における溶融・気化を伴う微視的溶融による熱気の生成段階、
第2段階:粉末粒子接触部の局所塑性変形又は粒子全体に及ぶ均一塑性変形のいずれかが起こる段階、
第3段階:クリープ(高温)変形による焼結空孔の減少・消滅が起こる段階
である。第1段階は、機構自体が他段階と完全に異なるが、第2段階から第3段階への遷移期では、それぞれの緻密化機構が共存している。
[焼結体中の銅の分散状態について]
図4及び図5に示すように、焼結体1は、鋼材粉末2により形成された鋼材組織12(母材)中に、銅粉末3により形成された粒子状銅組織13(銅粒子)が均一に分散した組織を有している。
焼結体1の熱伝導率は、焼結体1の熱的特性を向上させる観点から、好ましくは25.0W/mK以上、より好ましくは26.9W/mK以上、特に好ましくは30.0W/mK以上である。
焼結体1の引張り強度は、焼結体1の機械的強度を確保する観点から、好ましくは850MPa以上、より好ましくは900MPa以上、特に好ましくは1000MPa以上である。
焼結体1は、熱的特性に優れており、十分な機械的特性を有していることから、ダイカスト金型の原料として用いることができる。ダイカスト金型としては、例えばアルミニウム合金ダイカスト用の金型やその鋳抜きピン、具体的には例えばシリンダブロックのクランクキャップ締結ボルト穴向け鋳抜きピン等の原料として適用することができる。
実施例1〜5として、焼結体を作製し、相対密度について検討した。
鋼材粉末2として、水アトマイズ法により作製された平均粒径85μm(D50=85μm)のSKD61(三菱製鋼株式会社製)の粉末を母材として使用した。
銅粉末3として、水アトマイズ法により作製された平均粒径63μm(D50=63μm)の銅粉末(Ecka社製)を使用した。
(鋼材粉末及び銅粉末の混合)
V型混合機により鋼材粉末2及び銅粉末3の混合を行った。
図3に示す装置を用いて放電焼結を行い、焼結体1として相対密度評価用の試験片を作製した。
表1に、実施例1〜5の焼結体1について、相対密度評価用試験片作製の際の加圧力、焼結温度及び焼結時間と、得られた試験片の相対密度を示す。
表1に示すように、実施例1〜5の焼結条件では、いずれも97%以上の相対密度を示す焼結体が得られることが判った。
銅が鋼材粉末2由来の鉄と固溶していないことを確かめるため、表1に示す実施例2の焼結体(銅含有量8質量%)について、粗研磨を行い、電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Prove Micro Analyzer、JEOL社製JXA−8100)による分析を行った。
実施例6〜13及び比較例1として、焼結体を作製し、熱伝導率及び引張り強度について検討した。実施例6〜13及び比較例1の鋼材粉末及び銅粉末の条件、及び測定結果を表2に示す。
実施例6〜13及び比較例1において使用した鋼材粉末は、表1に示す鋼材粉末と同一のものである。鋼材粉末の配合量は表2に示す通りである。
実施例6〜13において使用した銅粉末の製法、平均粒径D50及び配合量は、表2に示す通りである。なお、電解法により作製された銅粉末については、SCM Metal Products社製のものを使用した。また、比較例1では、銅粉末を含まず鋼材粉末のみで試験片を作製した。
熱伝導率測定用の試験片を放電焼結により作製した。具体的には、相対密度が100%になったと仮定したときに外径Φ10mm、高さ5mmの焼結体になるように、粉末を型に充填したこと、及び、最後に放電加工により直径10mm、厚さ1mmの試験片に加工したこと以外は、実施例2と同一の条件により作製した。
引張り試験用の試験片を放電焼結により作製した。具体的には、所定の角型及びパンチを用いて65×12×4mmの試験片を作製したこと、カーボンフェルト量増加による炉内の不純物増加に伴って真空度が0.1Pa以下となったこと、及び、最後に放電加工によりJIS14号試験片に加工したこと以外は、実施例2と同一の条件により作製した。
作製した試験片に熱処理(550℃、800℃、1020℃で各々2時間ずつ保持する)を施し、ロックウェル硬さHRC44±2となるようにした。
また、試験片の最大上昇温度ΔTmは、比熱容量Cpと式(3)の関係にある。
ここで、ρは試験片の密度、Qはレーザーパルスを当てた時に試験片が吸収する熱量である。そして、温度履歴曲線から熱拡散率α及び比熱容量Cpを求めることにより、熱伝導率λを式(4)により算出することができる。
表2に示すように、焼結体は、実施例6〜13の全ての焼結体において、比較例1に比べて熱伝導率の上昇が確認された。これは銅の熱伝導率が鋼材粉末の熱伝導率を大きく上回っているためであると考えられる。
作製した試験片に熱処理(550℃、800℃、1020℃で各々2時間ずつ保持する)を施し、ロックウェル硬さHRC44±2となるようにした。その後オートグラフ(島津製作所製)に固定し、クロスヘッドスピード0.5mm/分で大気中において引張り試験を行った。
焼結体1における粒子状銅組織13の含有量及び形状について検討を行った。
実施例14〜18において使用した鋼材粉末は、表1に示す鋼材粉末と同一のものである。
実施例14〜18において使用した銅粉末の製法、平均粒径D50を表3に示す。
銅粉末3として、表3に示す銅粉末を用いた以外は、実施例2と同一の条件により、実施例14〜18の試験片を作製した。
放電焼結により得られた焼結体中の銅の存在状態を光学顕微鏡(OM:Optical Microscope)を用いて組織観察を行った。放電焼結により作製した試験片を、ファインカッターを用いて切断し、その後#600〜#1200の研磨紙で研磨した後、3μm、1μmのダイヤモンド砥粒を用いて鏡面加工した。研磨後は、エタノールで超音波洗浄し、砥粒を除去した。試験片を、腐食を行わずに観察した。
2 鋼材粉末(鉄系合金粉末)
3 銅粉末
12 鋼材組織(母材)
13 粒子状銅組織(銅粒子)
28 混合粉末(銅含有鉄系合金粉末)
Claims (5)
- 鉄系の母材と、
前記母材中に均一に分散した銅粒子と
を含有し、
前記銅粒子の含有量は、4.0体積%以上20.0体積%以下であり、
前記銅粒子の平均粒径は、10μm以上500μm以下であり、
前記銅粒子の平均アスペクト比は、0.30以上1.00以下である
ことを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金。 - 請求項1において、
レーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率は、25W/m・K以上であり、
引張り強度は、850MPa以上である
ことを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金。 - 請求項1又は請求項2に記載のダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を製造する方法であって、
鉄系合金粉末と、銅粉末とを、該銅粉末の配合量が7質量%以上50質量%以下の範囲で略均一に混合して銅含有鉄系合金粉末を得る混合工程と、
前記銅含有鉄系合金粉末について、900℃以上1000℃以下の焼結温度範囲、50MPa以上60MPa以下の加圧力範囲、及び0.01MPa以下の雰囲気圧力範囲、及び10分以上30分以下の焼結時間範囲で放電焼結を行い、前記ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を得る焼結工程とを含む
ことを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金の製造方法。 - 請求項3において、
前記鉄系合金粉末は、熱間工具鋼であることを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載のダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて製造されたダイカスト金型。
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