JP6380864B2 - 液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法、及び液相焼結アルミニウム合金部材 - Google Patents
液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法、及び液相焼結アルミニウム合金部材 Download PDFInfo
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Description
(A)Si,Mg,Cu及びZnから選択される少なくとも1種の元素を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体とする成形工程。
(B)前記成形体に液相焼結を施して焼結体とする焼結工程。
(C)前記焼結体に熱処理を施して軟化材とする軟化工程。
(D)前記軟化材にサイジングを施して矯正材とする矯正工程。
(E)前記矯正材に熱処理を施して析出物が析出された時効材とする時効工程。
本発明者らは、焼結体の寸法精度の高精度化を検討するのに際し、寸法精度に大きな影響を及ぼす事項として、サイジング前の液相焼結体に着目した。液相焼結体は、原料粉末を成形して成形体とし、その成形体を液相焼結することで得られる。一般に、液相焼結体は、原料粉末間の空孔が液相により縮小され、固相焼結の焼結体に比べて空孔が少なく高密度であり、高強度である。一方で、この焼結体は、焼結時の急激な緻密化による寸法収縮が大きく、大きな歪が生じて矯正量の大きな寸法矯正が必要とされることが多い。
(A)Si,Mg,Cu及びZnから選択される少なくとも1種の元素を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体とする成形工程。
(B)前記成形体に液相焼結を施して焼結体とする焼結工程。
(C)前記焼結体に熱処理を施して軟化材とする軟化工程。
(D)前記軟化材にサイジングを施して矯正材とする矯正工程。
(E)前記矯正材に熱処理を施して析出物が析出された時効材とする時効工程。
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、後述する試験例について原料粉末の組成、焼結工程・軟化工程・時効工程の各温度・時間などを適宜変更することができる。
実施形態の液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法は、以下の準備工程、成形工程、焼結工程、軟化工程、矯正工程、時効工程を備える。
原料粉末として、アルミニウム合金粉末を準備する。さらに、必要に応じて、複数の硬質粒子を混合して混合粉末とすることもできる。
アルミニウム合金粉末は、Si,Mg,Cu及びZnから選択される少なくとも1種の元素を含有し、残部がAl及び不可避的不純物のアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金としては、Al−Si−Mg−Cu系合金、Al−Zn−Mg−Cu系合金、Al−Si系合金、Al−Cu系合金、Al−Mg系合金、Al−Cu−Si系合金などが挙げられる。
硬質粒子は、非金属無機材料とする。非金属無機材料には、セラミックス、金属間化合物、ダイヤモンドなどが挙げられる。特に、化合物の非金属無機材料が好適に利用できる。より具体的な材質は、Si単体の他、アルミナ(Al2O3)、ムライト(アルミナと酸化ケイ素との化合物)、SiC、AlN、BNなどの化合物が挙げられる。中でも、アルミナを用いると金属相との反応性がよく、耐摩耗性に優れる部材が得られ、ムライトを用いると相手攻撃性の低い部材が得られる。これら各種の硬質粒子は、単一種であっても良いし、複数種を混合して液相焼結アルミニウム合金部材に含まれていても良い。液相焼結アルミニウム合金部材中の硬質粒子の組成(単体元素、化合物元素及び含有量)は、例えば、走査型電子顕微鏡―エネルギー分散型X線分光法、X線回折、化学分析などを利用することで測定できる。
準備した原料粉末を金型に充填して成形する。例えば、冷間金型成形などの冷間の加圧成形が利用できる。成形圧力としては、2ton/cm2以上10ton/cm2以下が挙げられる。この金型のキャビティの形状を調整することで、複雑形状の成形体を得ることもできる。
得られた成形体の焼結は、液相出現温度で行えばよく、公知の条件を利用できる。代表的な焼結条件は、窒素やアルゴンといった不活性雰囲気で、温度:540℃以上620℃以下、時間:0(規定温度到達と同時に降温開始)以上60分以下が挙げられる。焼結温度は、例えば、Al−Si−Mg−Cu系合金の場合、540℃以上560℃以下、Al−Zn−Mg−Cu系合金の場合、580℃以上620℃以下が挙げられる。
得られた焼結体に熱処理を施して、伸びを向上させた軟化材とする。図1に、Al−14Si−2.5Cu−0.5Mg(単位:質量%)の組成のAl−Si−Mg−Cu系合金粉末(平均粒径70μm)に2μmのアルミナ粉末を1質量%混合した混合粉末を用いて成形・液相焼結した焼結体に軟化工程・時効工程を施した際の伸びと硬さとを示す。軟化工程は、495℃×1時間の加熱後水焼入れ(Water Quench:WQ)を施し、時効工程は、175℃×8時間の熱処理(時効処理)を施した。図1のグラフに示すように、焼結体に熱処理(ここでは溶体化に相当)を施すと、硬さ(ロックウェル硬さ)の低下に伴い、1.0%程度であった伸び(破断伸び)が、3.3%程度まで向上することがわかる。その後、時効処理を施すと、析出強化によって硬さが向上すると共に伸びが低下することがわかる。伸びが向上した状態の軟化材に、後述する矯正工程におけるサイジングを施すと、サイジング時に金型に軟化材が沿い易く、割れの発生を抑制することができ、寸法精度に優れる部材を効率よく製造できると考えられる。軟化材の伸び(破断伸び)は、2%以上が好ましい。さらに好ましくは3%以上である。
軟化材、特に伸びが2%以上である軟化材にサイジングを施す。図3に、上記焼結体(図2と同様)の軟化工程後の軟化材の硬さの推移を示す。図3のグラフに示すように、時間の経過と共に、硬さ(ロックウェル硬さ)は向上する傾向にある。硬さの向上に伴い伸びは減少する。軟化材の硬さHRBが50以下である状態でサイジングを施すことが好ましい。図3のグラフに示すように、Al−Si−Cu−Mg系合金の場合、軟化工程後6時間経過すると、硬さHRBは50以上となり、それに伴い伸びは2%未満となる。また、Al−Zn−Cu−Mg系合金の場合、軟化工程後20時間経過すると、硬さHRBは50以上となり、それに伴い伸びは2%未満となる。
サイジングを施した矯正材に熱処理(時効)を施して析出物が析出された時効材とする。この熱処理温度は、170℃以上210℃以下が挙げられる。
上述した液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法によって製造される液相焼結アルミニウム合金部材は、液相焼結を施しているため、原料粉末間の空孔が液相により縮小され、高密度であると共に、高強度である。この液相焼結アルミニウム合金部材の相対密度は96%以上であり、好ましくは98%以上である。ここでの相対密度は、アルミニウム合金からなる部材の真密度を各元素の比重を基に演算し、(実際の密度/真密度)×100を算出した値である。また、この液相焼結アルミニウム合金部材の引張強さは200MPa以上であり、好ましくは250MPa以上である。
種々のアルミニウム合金を含む液相焼結アルミニウム合金部材を作製する。得られた液相焼結アルミニウム合金部材の相対密度及び引張強さ、直角度、面粗度を調べた。また、液相焼結アルミニウム合金部材の歩留りを調べた。
・試料No.1:Al−Si−Mg−Cu系合金
原料粉末として、Al−18Si−3.25Cu−0.81Mg(単位:質量% 以下同様)の組成のAl−Si−Mg−Cu系合金粉末(高添加アルミニウム合金粉末)と、Al−0.5Mgの組成の高純度アルミニウム粉末と、アルミナ粉末とを用意する。Al−Si−Mg−Cu系合金粉末と高純度アルミニウム粉末の各平均粒径は50μm、アルミナ粉末は、平均粒径が2μm(最大径6μm)である。用意したAl−Si−Mg−Cu系合金粉末、高純度アルミニウム粉末、及びアルミナ粉末をそれぞれ混合させた混合粉末を作製する。Al−Si−Mg−Cu系合金粉末と高純度アルミニウム粉末の質量割合は80:20であり、この割合は、液相焼結アルミニウム合金部材に占める高Siアルミニウム合金相と低Siアルミニウム合金相の質量割合である。混合粉末に対してアルミナ粉末が1.0質量%となるように上記各粉末を混合する。得られた混合粉末を5ton/cm2の面圧で金型成形して、円柱状の成形体(径:35mm×高さ:10mm)を作製した。続いて、この成形体を窒素雰囲気中で550±5℃×50分の焼結条件で液相焼結した。
原料粉末として、Al−6.5Zn−1.75Cu−2.7Mg(単位:質量% 以下同様)の組成のAl−Zn−Mg−Cu系合金粉末と、アルミナ粉末とを用意する。Al−Zn−Mg−Cu系合金粉末の平均粒径は70μm、アルミナ粉末の平均粒径は2μm(最大径6μm)である。用意したAl−Zn−Mg−Cu系合金粉末とアルミナ粉末とを混合させた混合粉末を作製する。混合粉末に対してアルミナ粉末が1.0質量%となるように上記各粉末を混合する。得られた混合粉末を5ton/cm2の面圧で金型成形して成形体を作製した。続いて、この成形体を窒素雰囲気中で610±5℃×20分の焼結条件で液相焼結した。
比較品として、試料No.1の原料粉末を用いて、従来の方法(液相焼結→サイジング→溶体化→時効)で試料No.100を作製する。この試料は、液相焼結後の処理順序として、サイジング後に溶体化・時効を行った点以外は、試料No.1と同様の条件とした。
比較品として、試料No.2の原料粉末を用いて、従来の方法(液相焼結→サイジング→溶体化→時効)で試料No.200を作製する。この試料は、液相焼結後の処理順序として、サイジング後に溶体化・時効を行った点以外は、試料No.2と同様の条件とした。
作製した各試料の液相焼結アルミニウム合金部材について、相対密度を測定した。相対密度は、市販の密度測定装置を利用して実際の密度を測定すると共に、試料の各組成のアルミニウム合金からなる部材の真密度を各元素の比重を基に演算し、(実際の密度/真密度)×100を算出することで求められる。その結果を表1に示す。
作製した各試料の液相焼結アルミニウム合金部材について、JIS Z 2241(2011)の金属材料引張試験方法に基づいて、汎用引張試験機にて引張強さを測定した。その結果を表1に示す。
作製した各試料の液相焼結アルミニウム合金部材について、JIS B 0601(2001)に基づいて、市販の表面粗さ測定器にて面粗度Rz(十点平均粗さ)を測定した。その結果を表1に示す。
作製した各試料の液相焼結アルミニウム合金部材について、JIS B 0621(1984)に基づいて、市販の直角測定器(スコヤマスタ、株式会社ミツトヨ製)にて測定した。直角度の測定方法は、例えば図4に示すように、直角測定器10のダイヤルゲージ11を試料1の側面に当ててシャフト沿いにスリーブ12をスライドすることで試料1の高さ方向全面に亘って直角度を測定した。その結果を表1に示す。
作製した各試料の液相焼結アルミニウム合金部材について、歩留りを求めた。歩留りは、部材において割れや欠けのないものを良品、あるものを不良品とし、全体(100個作製)のうち良品と判断したものの割合とした。その結果を表1に示す。
10 直角測定器 11 ダイヤルゲージ 12 スリーブ
Claims (6)
- Siを6質量%以上18質量%以下含有するAl−Si−Mg−Cu系合金からなる高添加アルミニウム合金粉末と、実質的にSiを含有しない高純度アルミニウム粉末と、非金属無機材料からなる硬質粉末とからなる原料粉末を成形して成形体とする成形工程と、
前記成形体に液相焼結を施して焼結体とする焼結工程と、
前記焼結体を加熱した後に水焼入れを施して軟化材とする軟化工程と、
前記軟化材に冷間サイジングを施して矯正材とする矯正工程と、
前記矯正材に熱処理を施して析出物が析出された時効材とする時効工程とを備える液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法。 - 前記軟化材は、伸びが2%以上である請求項1に記載の液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記軟化工程は、前記焼結体を480℃以上520℃以下の温度で加熱した後に水焼入れを施す請求項2に記載の液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記矯正工程は、前記軟化材の硬さHRBが50以下で行う請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の液相焼結アルミニウム合金部材の製造方法。
- Siを6質量%以上14.4質量%以下、Mgを0.2質量%以上0.748質量%以下、Cuを1.2質量%以上2.6質量%以下含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金と、
非金属無機材料からなり、前記アルミニウム合金からなる母相中に分散される硬質粒子とからなり、
前記アルミニウム合金は、
Siの含有量が6質量%以上である高Siアルミニウム合金相と、
Siの含有量が2質量%以下である低Siアルミニウム合金相とからなり、
相対密度が98%以上、
引張強さが200MPa以上であり、
面粗度Rzが6以下である液相焼結アルミニウム合金部材。 - 直角度が全長の0.1%以下である請求項5に記載の液相焼結アルミニウム合金部材。
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