JP4206476B2 - アルミニウム焼結材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム焼結材の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、アルミニウムを主成分とする粉末を原料として、高密度のアルミニウム焼結材料を製造する方法に関するものである。本発明は、アルミニウム粉末の焼結材の製造方法の技術分野において、アルミニウム粉は、その表面の強固な酸化物のため、難焼結性であり、効率良く高密度の焼結体を製造することは困難であり、その解決が求められていたことを踏まえ、簡便な工程で効率良く高密度のアルミニウム焼結材を製造することが可能な新規アルミニウム焼結材の製造方法を提供するものであり、例えば、成形体の自由度が大きく、純アルミニウム焼結体では、相対密度９０％以上、引張強さ７８ＭＰａ以上、破断延び１０．０％以上の優れた特性を有する高密度アルミニウム焼結材を製造することを可能とするものとして有用である。

従来から、アルミニウム粉末は、その表面の強固な酸化物のため、難焼結性であり、高密度の焼結体を得ることは困難とされてきた。このため、従来、アルミニウム粉末の焼結材の製造方法に関しては、粉末から成形体を作製する段階で、粉末充填率をできるだけ高くして、粉末相互を高い圧力において接触させ、部分的に酸化皮膜を破壊した状態の成形体を形成し、これを焼結することによって、高密度の焼結体を得る方法が採られてきた。例えば、先行技術文献では、アルミニウム粉末を主成分とする金属粉末に潤滑剤を混合したものをプレス成形して、９５％以上の相対密度の成形体を成形し、脱脂・焼結してアルミニウム焼結材を得る方法が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この成形法は、成形体の粉末充填率をできるだけ高くするため、成形前に粉末に添加する潤滑剤あるいは有機バインダーを極力少なくすることが必要となる。しかし、そのために、粉末相互の摩擦あるいは粉末と成形型内面との摩擦により、成形体内部の粉末充填率が不均一になり、結果として、焼結体の密度が不均一になったり、焼結変形が発生する可能性がある。特に、成形体の形状が複雑になり、肉厚変動が大きくなると、その傾向が顕著になる。また、形状が複雑になると、成形後の型抜きが困難になるため、型抜きできるように成形型に様々な工夫が必要となり、成形型が高価になる。

これらの理由から、プレス成形法では複雑形状品の作製が困難であるため、まず、単純形状品の焼結体をプレス成形で作製し、目的とする製品形状を得るために、機械加工することが必要となり、製造工程が複雑化するという問題がある。また、ホットプレス法（例えば、特許文献２参照）や、熱間押し出し法（例えば、特許文献３参照）の様に、焼結時に加圧するいわゆる加圧焼結法であるならば高密度焼結体が得られるが、これらの方法は、粉末を型に充填したまま焼結するため、成形型の制約などから、やはり複雑な形状の焼結体の製造は困難である。

また、化学的に酸化皮膜を破壊する方法として、脱脂後の成形体（脱脂体）をほう化物系フラックス溶液に浸漬して化学的に酸化物を除去する方法（例えば、特許文献４参照）、また、原料となるアルミニウム粉末にフッ化物系フラックス粉末を添加して焼結する方法（例えば、特許文献５参照）がある。これらの方法は、成形時の粉末充填率をプレス成形法ほど高くする必要はない。しかし、強固なＡｌ酸化物を破壊するフラックスは、取り扱いが難しく、作業時の危険性が高く、焼結炉を腐蝕するなど環境汚染を起こす恐れがある。しかも、フラクッスが、成形体内部に残留すると、焼結体を腐蝕して性能劣化を招く可能性もある。このような事情から、当該技術分野では、簡便なプロセスで高密度のアルミニウム焼結体を製造することを可能とする新しいアルミニウム焼結材の製造方法を開発することが強く要請されていた。

特開平９−２５５２４号公報 特開平５−９３２０５号公報 特開昭６４−５６８０６号公報 特開平５−１５６３１２号公報 特開平５−２２２４７９号公報

このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、簡便な工程で高密度のアルミニウム焼結材を製造する方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、出発原料の平均粒径、脱脂雰囲気、焼結時の真空度を所定のものに制御することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、アルミニウム焼結材の製造方法において、プレス成形や押出し成形が有する形状の制約が少なく、すなわち、自由な形状に成形することが可能で、しかも、高密度で機械的特性に優れた焼結材を得る方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）相対密度９０％以上の高密度のアルミニウム焼結材を製造する方法であって、所定の平均粒径のアルミニウムを主成分とする粉末に有機バインダーを添加して混合することにより混練物を形成した後、目的とする形状に成形して成形体とし、この成形体に脱脂処理を施した後、焼結して焼結体を形成するアルミニウム焼結材の製造方法において、
１）平均粒径が１０μｍ〜１μｍのアルミニウムを主成分とする粉末を使用すること、
２）目的とする形状に射出成形して成形体とすること、
３）この成形体に不活性雰囲気で脱脂処理を施すこと、
４）真空度が１×１０^−１Ｐａ〜１×１０^−５Ｐａの真空中で無加圧焼結で焼結して焼結体を形成すること、
を特徴とするアルミニウム焼結材の製造方法。

（２）有機バインダーの添加量が、体積比で３０〜５０％である前記（１）記載のアルミニウム焼結材の製造方法。
（３）脱脂処理を施す不活性雰囲気が、アルゴンガス又は窒素ガスである前記（１）記載のアルミニウム焼結材の製造方法。
（４）原料粉末に平均粒径が３μｍ〜１μｍの純アルミニウム粉末を使用し、焼結温度が６５０℃〜６３５℃である前記（１）記載のアルミニウム焼結材の製造方法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、平均粒径が１０μｍ〜１μｍのアルミニウムを主成分とする粉末に有機バインダーを混合することにより混練物を形成する。原料粉末の粒径が焼結材の密度に及ぼす影響は大きいものがあり、粒径が小さい方が焼結材の密度は高くなるが、特に、本発明では、成形体の粉末充填率が従来のプレス法に比較して低く、焼結もホットプレス法やＨＩＰ法のように焼結時に加圧を行わない無加圧焼結であるため、特に、この傾向が顕著に現れる。本発明においては、原料粉末の平均粒径を１０μｍ〜１μｍの範囲としたが、平均粒径が１０μｍを越えると、相対密度が９０％以下となり、十分に緻密な焼結体が得られない。特に、平均粒径が３μｍ〜１μｍの範囲では、緻密化が十分進み、結晶粒も微細になるため、比強度（強度／密度）が向上し、焼結温度を幅広く設定することが可能となる。平均粒径が１μｍ以下になると、粉末の比表面積が大きくなるため、可塑化するためには多量の有機バインダーを添加することが必要となり、かつ脱脂時に膨れや亀裂などの欠陥が発生し易くなるため、脱脂に長時間を要するようになる。また、本発明において、原料となる粉末は、純アルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末及び合金成分粉末の中から、目的とするアルミニウム合金焼結体になるように任意に配合することができる。

アルミニウム粉末に可塑性を与えるために、有機バインダーを添加して混練物を作製するが、有機バインダーとしては、ワックス、樹脂などの高分子材料に各種可塑剤、分散剤などを添加したものを使用する。しかし、特に材料を制限するものではない。アルミニウム粉末に対する有機バインダーの添加量は、粉末の粒度分布、比表面積及び形状により異なるが、体積比で３０〜５０％の範囲内とする。有機バインダーが溶融する温度で粉末と加熱混練を行い、混練物を作製する。有機バインダーの添加量は混練物が適正な粘度になるように決める。添加量が多すぎると、混練物の粘度が低すぎて成形時にひけ（シュリンケージ）が発生し易くなり、成形体の強度も低下する。かつ脱脂時に欠陥が発生し易く、しかも、焼結による収縮が大きくなり、寸法精度が低下する。また、添加量が少なすぎると混練物が「ばさばさ」の状態となり、可塑性を失い、目的とする形状に成形することができなくなる。

この様にして作製したコンパウンドは、室温では固体であるが、有機バインダーが溶融する温度に加熱すれば、十分な可塑性を示すようになり、目的の形状に射出成形することが可能となる。

本発明では、成形体の脱脂は、アルゴンガス、窒素ガス中などの不活性雰囲気で行うことが重要である。大気雰囲気で脱脂すると粉末が酸化され、焼結性が低下して十分に緻密な焼結体が得られない。また、脱脂後の試料の焼結は１×１０^-1Ｐａ〜１×１０^-5Ｐａの真空度真空中で行うことが重要である。真空度が１×１０^-1Ｐａ以上の真空雰囲気、不活性ガス雰囲気あるいは還元雰囲気では、アルミニウム粉末の拡散が十分に行われず、焼結密度が向上しない。１×１０^-5Ｐａ以上の真空では、アルミニウム粉末が蒸発・気散しやすく、焼結体表面が損傷される。

アルミニウム粉末は、その表面の強固な酸化物のため、難焼結性であり、高密度の焼結体を得ることは困難とされており、従来の方法では、粉末充填率をできるだけ高くして、粉末相互を高い圧力において接触させ、部分的に酸化皮膜を破壊した状態の成形体を形成し、これを焼結することによって、高密度の焼結体を得る方法が採られてきた。しかし、この種の方法では、成形体内部の粉末充填率が不均一になり、結果として、焼結体の密度が不均一になったり、焼結変形が発生する可能性があり、高密度の焼結体を得るには、複雑な工程、及び高コストが必須であった。本発明では、出発原料の平均粒径の特定化、有機バインダーの添加、脱脂雰囲気及び焼結時の真空度の制御により、簡便な工程で、高密度で優れた室温引張特性を有するアルミニウム焼結材、例えば、純アルミニウム焼結体では、相対密度９０％以上、引張強さ７８ＭＰａ以上、破断延び１０．０％以上の優れた特性を有するアルミニウム焼結材を製造することを可能とする。本発明の上記構成要件及びその格別の効果は、本発明者が実際に種々実験を重ねた結果、それらの有効性が実証されたものであり、先行技術文献からは予期し得ないものである。

本発明により、（１）従来、難焼結性で、高密度の焼結体を得ることが困難であったアルミニウム焼結材について、成形体の形状の自由度が大きく、焼結体の相対密度も９０％以上となり、機械的特性にも優れている、高密度で優れた室温引張特性を有するアルミニウム焼結材を製造することができる、（２）しかも、焼結後にフラックスなどの不純物が残留する恐れがなく、後加工としての機械加工を簡略化することが可能となる、（３）また、原料となる粉末の成分比を自由に設定して、様々な特性を有するアルミニウム合金焼結材を作製することが可能である、（４）従って、近年、軽量化が求められている自動車を初めとする各種輸送機器の焼結構造部材の製造方法として好適に適用することができる、という効果が奏される。

次に、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

以下の実施例及び比較例において、アトマイズ法により製造された平均粒径２０μｍ、１０μｍ及び３μｍの純アルミニウム粉末（純度９９．９％）を使用して、純アルミニウム粉末、又はこれと合金元素粉末に、ワックスとアクリル系樹脂より構成される有機バインダーを、それぞれ、４８．２ｖｏｌ．％、４５．０ｖｏｌ．％及び３９．１ｖｏｌ．％添加し、混練して、コンパウンドを作製し、板状に成形した後、大気中及びＡｒ雰囲気で脱脂して有機バインダーを９０％以上除去し、焼結時の雰囲気を真空（１０⁰ Ｐａオーダー）と高真空（１０^-3Ｐａオーダー）、Ａｒガス気流中（１０² Ｐａオーダー）、Ａｒ＋５％Ｈ₂ ガス気流中（１０² Ｐａオーダー）と変化させて焼結を行った。焼結温度は純Ａｌの融点より１０℃低い６５０℃以下とした。これより高い温度で焼結すると試料が溶融する恐れがある。得られた焼結体の密度と室温引張特性を調査した。その結果を表１に示す。

参考例
溶製法による純アルミニウム展伸材（純度９９．６％）の引張特性（日本金属学会編：金属便覧、改訂５版、Ｐ６３２（丸善発行１９９０年）を表１に示す。

比較例１
原料に平均粒径１０μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結をＡｌガス雰囲気（真空度：１０² Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。得られた焼結体の相対密度は６５％、室温での引張強さ２２ＭＰａ、伸び０．６％となり、密度、引張特性とも低いものであった（表１）。

比較例２
原料に平均粒径１０μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を（Ａｒ＋５％Ｈ₂ ）ガス雰囲気（真空度：１０² Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。得られた焼結体の特性は比較例１とほぼ同じであり、Ｈ₂ ガスを添加して還元雰囲気にしても、焼結体特性の向上はならなかった（表１）。

比較例３
原料に平均粒径１０μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０⁰ Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。焼結体の相対密度は８４％でまだ十分ではなかった（表１）。

原料に平均粒径１０μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０^-3Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。焼結体の相対密度は９０％まで向上し、引張強さ７８ＭＰａ、破断伸び１２％となり、参考例の純アルミニウム展伸材に近い特性を示した（表１）。図１に、実施例１の焼結体断面の組織写真を示す。密度が高いため、粉末粒界は、ほとんど消滅し、粒成長しているのが観察される。

本実施例は、アルミニウム合金の作製例である。平均粒径１０μｍの純アルミニウム粉末に合金成分粉末としてシリコン（Ｓｉ）粉末を２．０ｗｔ．％添加・混合して原料粉末とし、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０^-3Ｐａオーダー）中６２５℃で行った。焼結体の相対密度は９４％、引張強さ１０１ＭＰａ、破断伸び１２．６％となり、実施例１の純アルミニウム焼結体を上回る特性を示し、合金化が効果的に作用した（表１）。

比較例４
平均粒径２０μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０^-3Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。相対密度は９０％に満たず、引張特性も１０μｍの粉末を使用したときよりも劣るものであった（表１）。

原料に平均粒径３μｍの純アルミニウム微粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０^-3Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。焼結体の相対密度は９６％まで向上し、室温引張強さ１２１ＭＰａ、破断伸び１８．８％と高い特性を示した（表１）。

比較例５
原料に平均粒径１０μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂を大気中、焼結を真空（１０-3Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。脱脂をＡｒ雰囲気で行った実施例１に比べて密度、引張特性とも大きく劣るものであった（表１）。図２に、得られた焼結体断面の組織写真を示す。十分に緻密化していないため、原料のアルミニウム粉末の粒界が残っているのが観察される。

比較例６
原料に平均粒径３μｍの純アルミニウム粉末を使用して、脱脂を大気中、焼結を真空（１０^-3Ｐａオーダー）中６５０℃で行った。実施例３に比較して、破断伸びが大きく劣るものであった。この原因は大気中で脱脂を行ったため、粉末表面が酸化され、焼結体が脆化したことによると考えられる。

原料に平均粒径３μｍの純アルミニウム微粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０^-3Ｐａオーダー）中６４０℃で行った。実施例３と比べて密度、引張特性とも幾分低下しているが、それでも高い値であった（表１）。

原料に平均粒径３μｍの純アルミニウム微粉末を使用して、脱脂をＡｒガス雰囲気、焼結を真空（１０-3Ｐａオーダー）中６３５℃で行った。実施例４と比べて密度は９０％まで低下したが、平均粒径１０μｍの粉末を使用した実施例１と比較すると相対密度はほぼ同じであるが引張強さはより高いものであった（表１）。

以上、実施例と比較例で明らかな様に、原料粉末に平均粒径１０μｍ以下の粉末を使用し、脱脂を不活性雰囲気中で行い、焼結を１×１０^-1〜１×１０^-5Ｐａ以下の真空中で行うことにより、緻密で機械的特性に優れたアルミニウム焼結材が作製されることが分かった。

以上詳述したように、本発明は、アルミニウム焼結材の製造方法に係るものであり、本発明により、従来、難焼結性で、高密度の焼結体を得ることが困難であったアルミニウム焼結材について、成形体の形状の自由度が大きく、焼結体の相対密度も９０％以上となり、機械的特性にも優れている、高密度で優れた室温引張特性を有するアルミニウム焼結材を製造することができる。しかも、焼結後にフラックスなどの不純物が残留する恐れがなく、後加工としての機械加工を簡略化することが可能となる。また、原料となる粉末の成分比を自由に設定して、様々な特性を有するアルミニウム合金焼結材を作製することが可能である。従って、近年、軽量化が求められている自動車を初めとする各種輸送機器の焼結構造部材の製造方法として好適に適用することができる、という効果が奏される。

図１は、実施例１の焼結体断面の組織写真である。 図２は、比較例５の焼結体断面の組織写真である。

Claims (4)

1. 相対密度９０％以上の高密度のアルミニウム焼結材を製造する方法であって、所定の平均粒径のアルミニウムを主成分とする粉末に有機バインダーを添加して混合することにより混練物を形成した後、目的とする形状に成形して成形体とし、この成形体に脱脂処理を施した後、焼結して焼結体を形成するアルミニウム焼結材の製造方法において、
   （１）平均粒径が１０μｍ〜１μｍのアルミニウムを主成分とする粉末を使用すること、
   （２）目的とする形状に射出成形して成形体とすること、
   （３）この成形体に不活性雰囲気で脱脂処理を施すこと、
   （４）真空度が１×１０^−１Ｐａ〜１×１０^−５Ｐａの真空中で無加圧焼結で焼結して焼結体を形成すること、
   を特徴とするアルミニウム焼結材の製造方法。
2. 有機バインダーの添加量が、体積比で３０〜５０％である請求項１記載のアルミニウム焼結材の製造方法。
3. 脱脂処理を施す不活性雰囲気が、アルゴンガス又は窒素ガスである請求項１記載のアルミニウム焼結材の製造方法。
4. 原料粉末に平均粒径が３μｍ〜１μｍの純アルミニウム粉末を使用し、焼結温度が６５０℃〜６３５℃である請求項１記載のアルミニウム焼結材の製造方法。