JP4326417B2 - 高強度アルミニウム焼結鍛造部品の製造方法 - Google Patents
高強度アルミニウム焼結鍛造部品の製造方法 Download PDFInfo
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請求項3の発明は、より好ましい焼結条件として、前記焼結工程おける非酸化性雰囲気が、露点が−40℃以下の窒素ガス雰囲気である構成である。
(1)原料粉末配合工程:
この工程では、次の各粉末を配合して原料粉末を作る。
(1)-1 Zn:
Znは、MgとともにAl基地中にMgZn2(η相)やAl2Mg3Zn3(Τ相)として析出して強度を高める作用を有する。また、Znは、焼結の昇温時に溶融し、液相となってアルミニウム粉末の表面に濡れて表面の酸化被膜を除去し、アルミニウム基地中に拡散するとともに、アルミニウム粉末どうしの拡散による結合を促進する作用も有する。Znの含有量は、3質量%に満たないと上記の作用が十分に得られず強度向上の効果が乏しくなる。一方、10質量%を超えると焼結中のZnまたはZn系共晶液相の量が過多となり、形状の維持が不可能となるとともに、Al基地中へのZnの拡散が不十分な部位がZnリッチ相として残留する。また、Znが合金系内より揮発して炉内を汚染・堆積することとなる。よって、Zn含有量を3〜10質量%とする。
Mgは上記のZnとともに上記の析出化合物を形成して強度の向上に寄与する。また、Mgも融点が低く、焼結時の昇温過程で液相を発生して、酸化被膜を除去し、焼結の進行を促進する作用を有する。Mgの含有量は、0.5質量%に満たないと上記の効果が乏しく、5.0質量%を超えると液相量として過剰となり、形状が維持できなくなる。よって、Mg含有量を0.5〜5.0質量%とする。
Cuは、Al基地中に固溶されCuAl2(θ相)を析出させて強度の向上に寄与する他、焼結時に液相を発生して焼結の進行を促進する作用を有する。Cuの含有量は、0.5質量%に満たないと上記の作用が十分に得られず、5.0質量%を超えるとZnと不要なCu−Zn合金相を形成し、粒界に沿って大きく析出して強度および伸びを低下させるので、Cu含有量は0.5〜5.0質量%とする。
Sn、Bi、Inは、融点が低く焼結中で液相を発生し、アルミニウム粉末の表面に濡れて、アルミニウム粉末表面の酸化被膜を除去して、アルミニウム粉末どうしの焼結の進行を促進するとともに、液相の表面張力により液相収縮して緻密化に寄与する作用を有するので、上記のZn、Mg、Cuとともに用いることが好ましい。この液相による緻密化作用は、液相の存在時間が長くなるとその作用がより進行するため、焼結過程の早期より液相を発生し、焼結過程のほとんどを液相のままで存在すると、その効果が大きくなる。したがって、融点が低く、かつ主成分のAlとほとんど溶け合わないSn(融点:232℃)、Bi(融点:271℃)、In(融点155.4℃)はこの点できわめて好適である。また、これらの元素の液相がZnの単味粉末または合金粉末の表面を覆うことで、焼結時のZnの揮発を防止し、焼結体に残留するZn量のバラツキを抑制する作用も有する。
上記のZn、Mg、Cuは単味粉末、もしくはこれらのうち2種以上の元素と合金化した粉末、あるいはそれらの混合粉末の形態で付与しても差し支えない。上記した作用を基地中で均一に作用させるためには、各成分元素を基地中に均一に拡散させる必要がある。このため、これらの成分元素は200メッシュ以下の微細な粉末の形態で付与する必要がある。単味粉末もしくは合金粉末は、焼結の昇温時に溶融し、液相となってアルミニウム粉末の表面に濡れて表面の酸化被膜を除去し、アルミニウム基地中に拡散するとともに、アルミニウム粉末どうしの拡散による結合を促進するが、単味粉末もしくは合金粉末の大きさが200メッシュを超えると、局部的な偏析が生じて均一な成分元素の拡散が阻害されることとなる。また、低融点金属粉末を用いる場合にも、低融点液相の効果をまんべんなく発揮するため、200メッシュ以下の粉末を用いることが好ましい。
この工程では、上記の原料粉末配合工程で得られた原料粉末を、所望の形状の金型に充填後、200MPa以上の成形圧力で圧粉成形する。これにより、密度比が90%以上の成形体が得られる。成形圧力が200MPaを下回ると成形体の密度が低くなって、後の焼結工程および鍛造工程を経ても気孔が2容量%以上残留して高い強度と伸びが得られなくなる。また、焼結中の寸法変化が大きくなることからも好ましくない。成形圧力は高い方が成形体の密度が高くなるため好ましく、400MPa以上であると密度比が95%以上の成形体が得られるため一層好ましい。ただし、500MPaを超えると金型へのアルミニウム粉末の凝着が発生しやすくなるため好ましくない。
この工程において、成分として含まれるZnは、融点が低く、揮発しやすい元素であるが、焼結中で多量の液相が発生すると、焼結体の収縮量が大きくなって寸法精度が低下し、揮発すると、基地中に固溶するZn量が低下して所望の強度や伸びが得られなくなるとともに、焼結雰囲気を汚染して焼結炉内に堆積したりするため作業環境にも問題が生じることとなる。このような弊害を避けるため、焼結保持温度までの昇温を急速に行う必要がある。
この工程では、上記の焼結工程までで得られた密度比95%以上の焼結体を、室温で、据え込み率:3〜40%の据え込み率で冷間鍛造を行う冷間鍛造工程、もしくは100〜450℃で、据え込み率:3〜70%の据え込み率で熱間鍛造を施し、密度比98%以上とすることで高い引張り強さと伸びを有するアルミニウム焼結鍛造部品を得ることができる。
本発明の製造方法における、熱処理(T6処理)工程は、Al基地中の析出相を460〜490℃に加熱して基地中に均一に固溶させた後、水焼き入れにより急冷して過飽和固溶体とする溶体化処理と、その後110〜200℃で3〜28時間保持して過飽和固溶体より析出相を析出分散させる時効析出処理からなる工程である。溶体化処理温度が460℃に満たないと析出成分が全てAl基地中に均一固溶されず、一方、490℃を超えてもその効果は変わらず、かつ500℃を超えると液相発生により気孔が発生する。また、時効処理は、温度が110℃に満たない場合、および時間が3時間に満たない場合は、十分な析出化合物が得られず、温度が200℃を超える場合、および時間が28時間を超える場合は、析出した化合物が成長して粗大化するため強度の低下を生じることとなる。なお、温度と時間は、上記の範囲内で要求特性に対して適宜組み合わされる。
Claims (3)
- 原料粉末全体の成分組成が、質量比で、Zn:3.0〜10%、Mg:0.5〜5.0%、Cu:0.5〜5.0%および残部がアルミニウムとなるように、
100メッシュ以下のアルミニウム粉末に、いずれも200メッシュ以下の亜鉛、マグネシウム、銅の単味粉末、Zn、MgおよびCuのうちの少なくとも2種の元素の合金粉末、もしくはそれらの混合粉末を添加し、混合する原料粉末配合工程と、
前記原料粉末配合工程により得られた原料粉末を用いて、所望の形状の金型に充填後、200MPa以上の成形圧力で圧粉成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた成形体を、非酸化性雰囲気中で、室温より焼結保持温度までの昇温過程において、少なくとも400℃以上焼結保持温度までの温度領域を10℃/分以上の昇温速度で加熱し、焼結保持温度:590〜610℃、焼結保持時間:10分以上で焼結した後、常温まで冷却する焼結工程と、
前記焼結工程で得られた焼結体を、室温で、据え込み率:3〜40%の据え込み率で冷間鍛造を行う冷間鍛造工程、もしくは100〜450℃で、据え込み率:3〜70%の据え込み率で熱間鍛造を行う熱間鍛造工程のいずれかによる鍛造工程と、
前記鍛造工程で得られた鍛造体を460〜490℃に加熱して水焼き入れして溶体化した後、110〜200℃で3〜28時間保持して時効析出させる熱処理工程、
を順に行うことを特徴とする高強度アルミニウム焼結鍛造部品の製造方法。 - 前記原料粉末中に、さらに、Sn単味粉末、Bi単味粉末、In単味粉末、および、Sn、Bi、Inのいずれかを主成分とし前記主成分の共晶液相を生じる共晶化合物粉末および偏晶化合物粉末、の少なくとも1種の粉末0.01〜0.5質量%を添加、混合したことを特徴とする請求項1に記載の高強度アルミニウム焼結鍛造部品の製造方法。
- 前記焼結工程おける非酸化性雰囲気が、露点が−40℃以下の窒素ガス雰囲気であることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度アルミニウム焼結鍛造部品の製造方法。
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