JP3110637B2

JP3110637B2 - 密閉粉末鍛造法

Info

Publication number: JP3110637B2
Application number: JP06326992A
Authority: JP
Inventors: 彰一吉野; 登志夫谷; 和男長田; 恒小柳
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 2000-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JPH08176615A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、予備成形体を鍛造する
金属粉末の成形法に関するものであって、特に軽量で、
曲げ強さが強く、耐摩耗性があり、ローターディスク、
ピストン、シリンダーライナー、タービンブレード、ギ
ヤー、コネクティングロッド等の金属成形体を得る密閉
粉末鍛造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、合金粉末の成形方法として、熱間
圧縮成形が実施されている。熱間圧縮成形とは、例え
ば、粒径略５μmのニッケル粉末(12)と、粒径略200μm
であって重量比85：15のＡｌ−Ｆｅ合金粉末(13)とを、
重量比略25：75で混合した混合粉末を、室温で圧粉成形
又は押出成形して予備成形体を形成し、図８に示す如
く、予備成形体の横断面積と略同一の断面積の口径の型
孔(51)を有する成形金型(５)に、該予備成形体を挿入す
る。その後、成形温度略873Ｋ、成形圧力略150N/mm²に
て後述する一軸熱間鍛造を行ない、成形体(４)を作製し
ている。

【０００３】一軸熱間鍛造とは、予備成形体を一方向か
らの熱間鍛造により瞬間に一打で金型内に充満させて最
終形状とするものであり、鍛造による加工効果及び高温
の成形温度による焼結により、気孔が殆どなく、寸法精
度もよい部品成形方法である。

【０００４】上記熱間圧縮成形により加工された成形体
(４)を切断して、粗さ１μmの研磨材により研磨したも
のを100倍に拡大した拡大顕微鏡写真を図９に示す。
尚、図９中の黒い部分は、Ａｌ−Ｆｅ合金粉末(13)の焼
結部分を示し、白い部分は、ニッケル粉末(12)の焼結部
分を示す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱間圧縮成形は、予備成形体の横断面積と成形金型(５)
の型孔(51)の口径が略同一であるため、予備成形体は、
縦方向に圧縮を受けるが、斜め及び横方向には、せん断
及びすべり成形されず、又、横断面積も拡大しないた
め、図９に示す如く、成形体(４)のニッケル粉末(12)の
分布状態について、凝集はしているが、その凝集には一
定の方向性がない。従って、鍛造効果等の組織的効果が
小さく、アルミニウム合金の場合、成形体(４)の機械的
強度が不足する。

【０００６】本発明の目的は、ニッケル粉末(12)及び、
アルミニウム又はアルミニウム合金を少なくとも含む混
合粉末の予備成形体(11)を一軸熱間鍛造することによ
り、軽量で曲げ強さが強く、耐摩耗性のある金属の成形
体(１)を提供することである。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明の密閉粉末鍛造法に於ては、少なくとも、ニ
ッケル粉末(12)と、アルミニウム又はアルミニウム合金
の粉末(以下「アルミニウム系粉末」という)とを含む混
合粉末を圧粉成形又は押出成形してなる予備成形体(11)
を、該予備成形体(11)の横断面積よりも大きい断面積の
口径の型孔(21)を有する金型(２)に挿入し、一軸熱間鍛
造により、予備成形体(11)を縦方向に圧縮し、斜め及び
縦方向にせん断及びすべりが生じ、横方向の断面積が1.
5倍から7.0倍に拡大して成形され、ニッケルと、アルミ
ニウム又はアルミニウム合金とを層状に積層させ、ニッ
ケルの周囲をニッケル反応相(14)により包囲する。

【０００８】

【作用】ニッケル粉末(12)と、アルミニウム系粉末とを
少なくとも含む混合粉末の予備成形体(11)を、該予備成
形体(11)の断面積よりも大きい断面積の型孔(21)を有す
る金型(２)に挿入して、一軸熱間鍛造を行なうことによ
り、予備成形体(11)が圧縮せん断拡大成形される。アル
ミニウム系粉末よりもニッケル粉末(12)の方が硬い。従
って、圧縮せん断拡大成形を行なうと、ニッケル粉末(1
2)同士のすべりを起こし、該すべりの力によりアルミニ
ウム系粉末が鍛造効果を受ける。この現象は、熱間で行
なわれるため、アルミニウム系粉末とニッケル粉末(12)
との間で、焼結及び相互固相拡散が起こり、ニッケル反
応相(14)が形成される。

【０００９】又、混合粉末に於ける各粉末の分布状態
は、予備成形体時には、アルミニウム系粉末の間にニッ
ケル粉末(12)が凝集している。一軸熱間鍛造を行なった
後には、ニッケル粉末(12)がすべりにより、繊維状に絡
み合うように層状に配列されて鍛造され、アルミニウム
系粉末は、ニッケル粉末(12)により形成される繊維状の
層と略平行な鍛流線を形成する。更に、ニッケル粉末(1
2)とアルミニウム系粉末は熱間で行なわれる鍛造により
焼結され、ニッケル粉末(12)の繊維状の層の周囲にニッ
ケル粉末(12)とアルミニウム系粉末の相互固相拡散によ
るニッケル反応相(14)がニッケル粉末(12)を包囲して形
成される。

【００１０】

【発明の効果】アルミニウム系粉末、ニッケル粉末(12)
及びニッケル反応相(14)の順に曲げ強さが強くなる。
又、成形体(１)の金属構造は、ニッケル粉末(12)が鍛造
されて繊維状の層を形成し、該ニッケル粉末(12)の層の
周囲をニッケル反応相(14)が包囲し、ニッケル粉末(14)
の層と略平行にアルミニウム系粉末が鍛流線を形成して
いる。前記構成の成形体(１)は、アルミニウム系合金の
鍛流線及びニッケル粉末(12)の層の積層面に対して垂直
な方向からの曲げ強さ等の機械的強度が、従来の成形法
による成形体(４)に比べて優れている。従って、本発明
の成形体(１)は、従来の熱間圧縮成形を行なった成形体
(４)よりも曲げ強さ等の機械的強度が大きい。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。尚、本実施例中で説明に用いる図面代用写
真図５、図６及び図７は、密閉粉末鍛造法を用いて作製
された成形体(１)を切断して、粒度１μmの研磨材にて
表面を研磨したものの拡大顕微鏡写真であって、長さの
倍率は、夫々、図５が100倍、図６が650倍、図７が6000
倍であり、図５、図６及び図７中の黒い部分は、Ａｌ−
Ｆｅ合金粉末(13)の焼結部分を示し、白い部分は、ニッ
ケル粉末(12)の焼結部分、又、図６及び図７の黒い部分
と白い部分との間に形成される灰色部分は、ニッケル反
応相(14)を示す。尚、従来例の図面代用写真図９につい
ては、前述した通りである。

【００１２】又、本実施例で用いる予備成形金型(３)及
び鍛造金型(２)の型孔の内径は、夫々45mm、65mmであっ
て、断面積の比は、略１：2.1である。従って、以下で
述べる密閉粉末鍛造法により、予備成形体(11)から成形
体(１)に成形されることにより、予備成形体(11)の横断
面積は、略2.1倍に拡大される(拡大率：2.1倍)。尚、本
実施例に於ては、成形体の横断面積を予備成形体(11)の
横断面積で割った値を拡大率とする。

【００１３】本実施例で用いた混合粉末は、粒子径略５
μmのニッケル粉末(12)と、アルミニウム系粉末とし
て、粒子径略200μmであって重量比85：15のＡｌ−Ｆｅ
合金粉末(13)とを、重量比略25：75で混合してなる。Ａ
ｌ−Ｆｅ合金粉末(13)は、溶融Ａｌ−Ｆｅ合金を流動冷
水中に噴霧して急冷する超急冷アトマイズ法を利用して
作製された粉末である。

【００１４】前記混合粉末70ｇを、図４に示す如く、内
径略45mmの型孔(31)を有する予備成形金型(３)に充填す
る。型孔(31)に打込むパンチ(32)の押圧面(33)の外径
は、型孔(31)に対応している。パンチ(32)の側面には、
周知のエア逃し溝(図示せず)が開設されている。パンチ
(32)により、略298Ｋ(室温)の予備成形温度、略150N/mm
2の予備成形圧で予備成形を行なう。予備成形により、
予備成形体(11)は直径略45mm、高さ略20mmの円柱形に加
工される。

【００１５】予備成形体(11)を、図１に示す如く、予備
成形金型(３)の型孔(31)よりも大径である内径略65mmの
型孔(21)を有する金型(２)に充填する。型孔(21)に打込
むパンチ(22)の押圧面(23)の外径は、型孔(21)に対応し
ている。パンチ(22)の側面には、周知のエア逃し溝(図
示せず)が開設されている。パンチ(22)により、略873Ｋ
の成形温度、略150N/mm²の一定成形圧により、瞬間に一
打にて一軸熱間鍛造を行なう。一軸熱間鍛造により、予
備成形体(11)は、縦方向に圧縮を受け、斜め(図２の矢
印Ａの方向)及び横方向に、せん断及びすべりが生じ
て、予備成形体(11)の横断面積は拡大して成形される。
熱間に於ける圧縮、せん断及びすべり変形により、混合
粉末は焼結及び鍛造されて、図３に示す如く、直径略65
mm、高さ略７mmの円板形に加工される。

【００１６】加工後の成形体(１)の切断面は、図５に示
す如く、成形体(１)に含まれるニッケル粉末(12)が繊維
状に絡み合った層状の配列となる。又、Ａｌ−Ｆｅ合金
粉末(13)は、ニッケル粉末(12)の層状の配列と平行し
て、鍛流線を描いている(アスペクト比1/10〜1/20)。予
備成形体(11)から成形体(１)に、成形される際のニッケ
ル粉末(12)のすべりの力で、Ａｌ−Ｆｅ合金粉末(13)が
鍛造される。前記鍛造は、熱間で行なわれるため、アル
ミニウム系粉末とニッケル粉末(12)との間で、焼結及び
相互固相拡散が起こり、ニッケル反応相(14)が形成され
る。該ニッケル反応相(14)は、図６のニッケル粉末(12)
の部分を更に拡大することによって図７に示す如く、ニ
ッケル粉末(12)の層の周囲を包囲する部分、即ち、ニッ
ケル粉末(12)とＡｌ−Ｆｅ合金粉末(13)の接触部分に形
成されているのが観察される。

【００１７】ニッケル反応相(14)は、ニッケル粉末(12)
よりも硬く、又、ニッケル反応相(14)が形成されること
によってニッケル粉末(12)とＡｌ−Ｆｅ合金粉末(13)と
の粒界の結合度が強化し、成形体(１)の機械的強度が向
上する。更に、図５に示す如く、ニッケル粉末(12)の鍛
造された繊維状の層及び該層と平行なＡｌ−Ｆｅ合金粉
末(13)の鍛流線により、ニッケル粉末(12)の層及びＡｌ
−Ｆｅ合金粉末(13)の鍛流線に垂直な方向(図５の矢印
Ｂ)に対する曲げ強さ等の機械的強度が改善される。密
閉粉末鍛造法による成形体(１)の拡大顕微鏡写真(図５)
と、従来の熱間圧縮成形による成形体(４)の拡大顕微鏡
写真(図９)を比較すると明らかな通り、密閉粉末鍛造法
による成形体(１)は、ニッケル粉末(12)の層が緻密であ
って、一定方向に平行に積層されており、ニッケル粉末
(12)の紙面に垂直な平面内にある層を包囲するＡｌ−Ｆ
ｅ合金粉末(13)の鍛流線も、一定方向に平行に積層され
ているが、従来の熱間圧縮成形による成形体(４)のニッ
ケル粉末(12)の層については、層と層との間隔が広く、
又、層の方向も一定方向に積層されていない。

【００１８】比較試験を行なうために、次の３種類の材
料から夫々供試片を作成した。ニッケル粉末(12)と、超急冷アトマイズ法により作成
されたＡｌ−Ｆｅ合金粉末(13)とを25：75で混合した混
合粉末を本発明の密閉粉末鍛造法の実施例と同様の条件
で成形した成形体(１) ニッケル粉末(12)とＡｌ−Ｆｅ合金粉末(13)を従来技
術と同様の粒径及び成分比で混合し、成形温度略873
Ｋ、成形圧力略150N/mm²にて従来の熱間圧縮成形で成形
した成形体(４) ＪＩＳ規格FC-250のねずみ鋳鉄

【００１９】夫々３mm×４mm、長さ40mmの略矩形とし、
供試片をスパンが30mmとなるように２個の支持台に載
せ、その中央部に押し金具を当て、徐々に荷重を加え
て、供試片の三点曲げ試験を、293Ｋ、573Ｋ、673Ｋの
温度にて行なった。〜の夫々の供試片の重量を表１
に、又、各供試片の各温度での曲げ強さを表１及び図１
０に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１及び図１０に示される通り、の本発
明の密閉粉末鍛造法による成形体(１)は、の従来の成
形体(４)と比較して、略1.02倍から略2.14倍以上の曲げ
強さを有し、のねずみ鋳鉄と比較して、略1.7倍から
略2.14倍以上の曲げ強さを有している。又、表１に示す
如く、同一体積の場合、の密閉粉末鍛造法による成形
体(１)の重量は、のねずみ鋳鉄の重量の略42％と軽量
である。従って、本比較試験からも解る通り、密閉粉末
鍛造法により、軽量で曲げ強さの強い成形体を提供する
ことが出来る。

【００２２】尚、上記実施例に於ては、予備成形体(11)
の成分として、ニッケル粉末(12)と、超急冷アトマイズ
法により作製されたＡｌ−Ｆｅ合金粉末(13)を用いてい
るが、予備成形体(11)の成分として、ニッケル粉末(12)
と、アルミニウム粉末又はアルミニウム系合金のアルミ
ニウム系粉末を少なくとも含有していれば、Ｓｉ、Ｃ等
の金属粉末を加えた混合粉末にも、本方法を適用するこ
とが出来る。又、アルミニウム系粉末の製法は、超急冷
アトマイズ法に限定されず、通常の粉砕等で行なうこと
も出来る。更に、混合粉末に於ける各成分の重量比は、
ニッケル粉末(12)が略５重量％から40重量％、残部がア
ルミニウム系粉末であることが望ましいが、ニッケル粉
末(12)を略５重量％から40重量％、アルミニウム系粉末
55重量％から90重量％として、残部にＳｉ、Ｃ等の粉末
を加えて混合粉末を作製することも出来る。又、最も
望ましくは、ニッケル粉末(12)が略５重量％から40重量
％、アルミニウム系粉末55重量％から90重量％として、
混合粉末の95重量％となるようにし、残部５重量％にＳ
ｉ、Ｃ等の粉末を加えて混合粉末を作製することも出来
る。

【００２３】又、上記実施例において、予備成形体(11)
の横断面積は、密閉粉末鍛造法により、略2.1倍に拡大
されているが、拡大率(成形体(１)の横断面積を予備成
形体(11)の横断面積で割った値)は、上記実施例に限定
されず、1.5倍から7.0倍の範囲内が適当である。

【００２４】更に、一軸熱間鍛造による成形圧は、50N/
mm²から300N/mm²が望ましい。更に、一軸熱間鍛造によ
る成形温度は、823Ｋから913Ｋが適当であるが、成形温
度の低限は、アルミニウム系粉末が軟化、焼結する最低
温度であり、上限はアルミニウム系粉末の融点の範囲内
であることが望ましい。

【００２５】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】密閉粉末鍛造法の金型の断面図である。

【図２】密閉粉末鍛造法に於て、予備成形体に生じるせ
ん断すべりを示す断面図である。

【図３】密閉粉末鍛造法により焼結、鍛造された成形体
と、金型の断面図である。

【図４】予備成形金型の断面図である。

【図５】密閉粉末鍛造法による成形体の金属組織を示す
図面代用顕微鏡写真(×100)である。

【図６】密閉粉末鍛造法による成形体の金属組織を示す
図面代用顕微鏡写真(×650)である。

【図７】密閉粉末鍛造法による成形体の金属組織を示す
図面代用顕微鏡写真(×6000)である。

【図８】従来の熱間圧縮成形の金型の断面図である。

【図９】熱間圧縮成形による成形体の金属組織を示す図
面代用顕微鏡写真(×100)である。

【図１０】各供試片の三点曲げ試験結果を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

(１) 成形体 (11) 予備成形体 (２) 金型 (21) 型孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小柳恒兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号株式会社クボタ技術開発研究所内 (56)参考文献特開平３−219001（ＪＰ，Ａ) 特開平２−122002（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 3/17 B21J 5/02 C22C 1/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ニッケル含有アルミニウム系合金の密閉
粉末鍛造法において、少なくとも、ニッケル粉末(12)と、アルミニウム又はア
ルミニウム合金のアルミニウム系粉末とを含む混合粉末
を圧粉成形又は押出成形してなる予備成形体(11)を、該
予備成形体(11)の横断面積よりも大きい断面積の型孔(2
1)を有する金型(２)に挿入し、一軸熱間鍛造により、予
備成形体(11)を縦方向に圧縮し、斜め及び縦方向にせん
断及びすべりを生じさせて、横方向の断面積を１.５倍
から７.０倍に拡大して成形し、ニッケル粉末とアルミ
ニウム系粉末との間で、相互固相拡散を起こさせて、ニ
ッケルを包囲するニッケル反応相(14)が形成されるよう
にしたことを特徴とするニッケル含有アルミニウム系合
金の密閉粉末鍛造法。