JP5525995B2 - 鋳包み用焼結部材およびその製造方法、並びに該鋳包み用焼結部材を用いた軽合金複合部材の鋳造方法 - Google Patents
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Description
本発明の鋳包み用焼結部材は、安価でありかつ強度の高い鉄−炭素合金を基本の基地組織とする。Cは、基地のFeと結合しパーライト組織を生成し強度の向上に寄与する。C量は0.2質量%に満たないと生成するパーライトの量が乏しく、強度の低いフェライトが過多となって焼結部材の強度が低いものとなる。このためC量は0.2質量%以上が必要である。C量が増加するにつれて、生成するパーライト量が増加するとともに、これに比例してフェライト量が低下して、焼結部材の強度が増加する。C量が0.8質量%未満では、基地組織はパーライトとフェライトの混合組織となるが、C量を0.8質量%以上とするとパーライトの単一組織となり、焼結部材の強度が最大となるため好ましい。しかしながら、C量が過多となると、粒界に硬くかつ脆いセメンタイトが析出して焼結部材の強度が低下する。
気孔は、成形体中の粉末間の隙間が焼結後に残留したものであり、焼結部材の基地中に分布するとともに、一部は焼結部材の表面に開口する。このような気孔は、焼結部材と軽合金部材の結合に寄与する。すなわち、アルミニウム合金等の軽合金溶湯が、焼結部材に表面に開口する気孔から焼結部材中の気孔に溶浸され、鋳包み後に強固な結合を果たす。気孔量が乏しいと、軽合金溶湯が気孔に溶浸(含浸)され難くなるとともに、気孔に溶浸される軽合金溶湯の量が乏しくなり、焼結部材と軽合金部材の結合強度が乏しくなる。このため、気孔の気孔率は11%以上とする。一方、気孔量が増加すると、軽合金溶湯が気孔に溶浸され易くなるとともに、気孔に溶浸される軽合金溶湯の量が増加して焼結部材と軽合金部材の結合強度が増加するが、気孔量が増加するに従い焼結部材の強度が低下するため、気孔の気孔率の上限を22%とする。なお、ここでいう気孔率は、焼結部材の外部に連通している気孔の率であり、開放気孔率のことである。
焼結部材の表面に分布する銅相は、アルミニウム合金等の軽合金溶湯の凝固点を低下させ、上記の気孔の内部まで軽合金溶湯を導く作用を有する。すなわち、焼結部材の鋳包み時、アルミニウム合金等の軽合金溶湯は、焼結部材の表面に濡れて接触するとともに、上記のように気孔に溶浸され、焼結部材により冷却されて凝固して一体に結合する。このとき、FeよりCuの方がアルミニウム合金等の軽合金溶湯との濡れ性が良く、焼結部材の表面に分散する銅相とアルミニウム合金等の軽合金溶湯が良く濡れて接触する。このように、焼結部材の表面に分布する銅相に濡れて接触した軽合金溶湯に銅相からCuが拡散し、その部分で軽合金溶湯の凝固点を低下させる。このため、軽合金溶湯は、焼結部材に接触して冷却されても容易に凝固せず、焼結部材の気孔に溶浸される際に、焼結部材の内部まで導かれ、鋳包み後の焼結部材と軽合金部材の結合が強固となる。
一般に、軽合金溶湯で焼結部材等の異種材料を鋳包む場合、異種材料を200〜250℃程度に予熱しておき、溶湯が異種材料に接触すると同時に冷却されて凝固することを防止しているが、本発明の鋳包み用焼結部材においては、上記のように軽合金溶湯の凝固点を低下させる作用を有していることから、予熱温度を150℃以下と低くして予熱に必要なエネルギーを節約したり、あるいは予熱工程自体を省略して、製造コストを低減することができる。また、予熱を行う場合の雰囲気は特に限定されず、空気、真空、不活性ガス雰囲気、還元性ガス等の雰囲気中で行うことができる。
鉄粉末としてアトマイズ鉄粉末(平均粒径:72μm)、銅粉末として電解銅粉末(アスペクト比:1.6、平均粒径:46μm)およびスタンプ粉末(アスペクト比:16.0、平均粒径:45μm)、黒鉛粉末として天然黒鉛粉末(平均粒径:10μm)を用意した。これらの粉末を表1に示す配合割合で添加、混合し、得られた原料粉末を、成形圧力263MPaで、幅:12.5mm、長さ:32mm、厚さ:5mmの板状成形体に圧粉成形した。得られた成形体を、アンモニア分解ガス中、1050℃で焼結し、試料番号01〜10の焼結部材を作製した。
アスペクト比の異なる銅粉末を用意し、第1実施例で用いたアトマイズ鉄粉末に、用意したアスペクト比の異なる銅粉末を4質量%、第1実施例で用いた黒鉛粉末を1.0質量%添加、混合し、得られた原料粉末を、第1実施例と同様にして成形、焼結して、表3に示す、試料番号11〜14の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして気孔率、曲げ強さ、焼結部材表面および焼結体断面のCu量を測定するとともに、第1実施例と同様にしてアルミニウム合金溶湯に鋳包みし、複合部材の溶浸深さ、密着率および引張り強さを求めた。これらの結果を表4に示す。なお、表3および表4には、第1実施例の試料番号03の試料の結果を併せて示した。
第1実施例で用いたアトマイズ鉄粉末、スタンプ銅粉末および黒鉛粉末を用い、アトマイズ鉄粉末に、銅粉末を4質量%添加するとともに、表5に示すように黒鉛粉末の添加量を変えて添加し、混合して、得られた原料粉末を、第1実施例と同様にして成形、焼結して、表5に示す試料番号15〜19の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして気孔率、曲げ強さ、焼結部材表面および焼結体断面のCu量を測定した。これらの結果を表6に示す。なお、表5および表6には、第1実施例の試料番号03の試料の結果を併せて示した。
第1実施例の試料番号03の試料の原料粉末を用いて、成形圧力のみ変えて成形し、第1実施例と同様に焼結して、表7に示す気孔率の異なる試料番号20〜25の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして気孔率、曲げ強さ、焼結部材表面および焼結体断面のCu量を測定するとともに、第1実施例と同様にしてアルミニウム合金溶湯に鋳包みし、複合部材の溶浸深さ、密着率および引張り強さを求めた。これらの結果を表7に示す。なお、表7には、第1実施例の試料番号03の試料の結果を併せて示した。
第1実施例の試料番号03の試料の原料粉末を用いて、第1実施例と同様にして成形し、焼結温度を変えて焼結して、表8に示す試料番号26〜30の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして気孔率、曲げ強さを測定した。これらの結果を表8に併せて示す。なお、表8には、第1実施例の試料番号03の試料の結果を併せて示した。
第1実施例で用いたアトマイズ鉄粉末、電解銅粉末、スタンプ粉末(箔粉)および黒鉛粉末を用意し、鉄粉末に、1.0質量%の黒鉛粉末と、銅粉末の添加量が4.0質量%として、表9に示す割合で電解銅粉末とスタンプ粉末の割合を変えて添加、混合した原料粉末を、第1実施例と同様の条件で成形、焼結して、試料番号31〜34の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして気孔率、曲げ強さ、焼結部材表面および焼結体断面のCu量を測定するとともに、第1実施例と同様にしてアルミニウム合金溶湯に鋳包みし、複合部材の溶浸深さ、密着率および引張り強さを求めた。これらの結果を表10に示す。なお、表10には、第1実施例の試料番号03および09の試料の結果を併せて示した。
第1実施例の試料番号03の焼結部材を用い、焼結部材の予熱温度を変えるとともに、他の条件については第1実施例と同様にしてアルミニウム合金溶湯に鋳包みし、試料番号35〜39の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして、複合部材の溶浸深さ、密着率および引張り強さを求めた。これらの結果を表11に示す。なお、表11には、第1実施例の試料番号03の試料の結果を併せて示した。
第1実施例の試料番号03の焼結部材を用い、鋳造時の鋳造圧力を変えるとともに、他の条件については第1実施例と同様にしてアルミニウム合金溶湯に鋳包みし、試料番号40〜43の焼結部材を作製した。これらの焼結部材について、第1実施例と同様にして、複合部材の溶浸深さ、密着率および引張り強さを求めた。これらの結果を表12に示す。なお、表12には、第1実施例の試料番号03の試料の結果を併せて示した。
Claims (8)
- 軽金属合金に鋳包まれて使用される鋳包み用焼結部材であって、
組成中に、Cu:3〜5質量%およびC:0.2〜1.2質量%を含み、
鉄合金基地中に銅相と気孔が分布する金属組織を呈するとともに、
前記気孔の気孔率は11〜22%であり、
前記銅相は、前記焼結部材の表面と内部とに分布し、前記焼結部材表面の銅相が、前記焼結部材内部の銅相よりも質量%で2.0倍以上多く分布する焼結合金からなることを特徴とする鋳包み用焼結部材。 - 前記銅相は、25質量%以上がアスペクト比4.8以上の箔状もしくは扁平状を呈することを特徴とする請求項1に記載の鋳包み用焼結部材。
- 鉄粉末または鉄合金粉末に、アスペクト比が4.8以上の箔状もしくは扁平状の粉末を25質量%以上含む銅粉末を3〜5質量%、および黒鉛粉末を0.2〜1.2質量%添加し、混合した原料粉末を、型孔を有するダイのダイキャビティに充填し、上下パンチにより押圧して圧粉成形し、得られた成形体を910℃以上、かつ1084℃未満の温度で焼結することを特徴とする鋳包み用焼結部材の製造方法。
- 前記原料粉末を、前記ダイキャビティに落下させて充填することを特徴とする請求項3に記載の鋳包み用焼結部材の製造方法。
- 前記鉄粉末または鉄合金粉末は、平均粒径が40〜100μmであり、前記アスペクト比が4.8以上の銅粉末の面方向の粒子径の平均が30〜60μmであることを特徴とする請求項3または4に記載の鋳包み用焼結部材の製造方法。
- 前記圧粉成形の圧力を213〜561MPaとして得られる成形体の気孔率を11〜22%とすることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の鋳包み用焼結部材の製造方法。
- 請求項1または2に記載の鋳包み用焼結部材を、予熱せずに、もしくは150℃以下の温度で予熱して鋳型内に配置し、軽合金の溶湯を型内に導き前記鋳包み用焼結部材を前記軽合金で鋳包みしつつ鋳造することを特徴とする軽合金複合部材の鋳造方法。
- 鋳造圧力を30〜50MPaで前記軽合金の溶湯を注湯して鋳造することを特徴とする請求項7に記載の軽合金複合部材の鋳造方法。
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