JP6788669B2 - アルミニウム及びアルミニウム合金の粉末成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属粉末を原料として使用して、粉末射出成形、温間圧縮成形、温間押出成形などの粉末成形方法によって複雑かつ精密な形状の製品を実形状に製造する精密部品の製造技術に関する。

また、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金にセラミックまたはその他の無機物補強材が補強された複合材料からなる精密部品の製造技術に関する。

粉末材料と十分な量の有機結合剤からなるフィードストックを用いて複雑な形状を作る粉末成形工程としては、粉末射出成形、温間圧縮成形、温間押出成形などの多様な精密形状の製造技術がある。特に、既に先行技術によってよく知られたように、粉末成形方法は、多様な金属や合金、金属間化合物、セラミック、金属−セラミック複合材などの多様な粉末材料からなる複雑な形状の製品を経済的に量産技術として広く用いられている。

一般的に、アルミニウム粉末材料を成形する伝統的な粉末冶金方法では、粒子サイズが比較的粗大な粉末を使用し、成形時に発生する摩擦を減らすための目的として、ほぼ１．５重量％内外の潤滑剤／界面活性剤を金属粉末と混合して原料として使用する。さらに、伝統的な粉末冶金方法では、一軸成形に依存するので、比較的単純な形状を具現し、高い成形圧力を適用して成形を行うことによって、金属粉末の塑性変形を誘導して、隣合う粉末間の接触面積を増加させながら、生成形体の密度を高め、初期気孔量を減らして、引き続き焼結過程で緻密化を促進させる。このように高い焼結密度を得るために、伝統的な粉末冶金方法では、通常の生成形体の相対密度を理論密度に比べて、約９０％あるいはそれ以上に至るようにする。

これに比べて、粉末射出成形では、ほぼ３０〜４０ｖｏｌ％に該当する多量の有機結合剤が金属粉末と混錬された流動性が高くなった状態のフィードストックを原料として使用するので、複雑な形状の製品を製作する。また、伝統的な粉末冶金方法に比べて、遥かに低い圧力条件下で成形可能であり、成形時に成形体内の金属粉末は、有機結合剤を通じて静水圧に近い圧力を受け、塑性変形を経験しない。

粉末射出成形体内に存在する金属粉末は、緩く充填された状態に置かれるので、焼結による緻密化のためには、その焼結性が非常に重要である。このような理由で、粉末射出成形法では、伝統的な粉末冶金で使用する粉末に比べて、微細な粉末を使用する。

現在、粉末射出成形法は、鉄系合金とステンレス鋼とを含めた多様な金属及び合金に対して適用されており、複雑かつ精密な形状の製品を実形状に製造する技術として位置づけている。しかし、いまだにアルミニウムとアルミニウム合金に対しては、粉末射出成形技術が実用化に至っていない。

アルミニウムやアルミニウム合金に対する粉末射出成形方法が、工業的に使われず、主な理由は、高密度の焼結体を製造しにくいためである。酸素と高い親和力を有するアルミニウムの表面には、数十〜数百Å厚さの酸化皮膜が常存する。

アルミニウム表面の酸化皮膜は、化学的に非常に安定しているために、アルミニウムの融点、すなわち、６６０℃以下の低い温度では、酸素分圧調節による還元は現実的に不可能であると知られている。したがって、緻密化を果たすための粒子間の物質移動に障害物として作用する酸化皮膜の存在によって、アルミニウムは、粉末射出成形方法を適用するには適していない材料として認識された。

一般的に、アルミニウム粉末に形成された酸化皮膜を除去する方案の１つは、アルミニウム粉末中にアルミニウムよりも酸化性が高い元素、すなわち、マグネシウム粉末を混合することである。添加されたマグネシウム粉末は、焼結する過程で［４Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｍｇ＝３ＭｇＡｌ_２Ｏ_４＋２Ａｌ］の化学反応によって酸化皮膜と化学反応を起こして、マグネシウムスピンネルを形成しながら、局部的にアルミニウムの還元を誘発する。この方法は、非常に効率的であって、実際に商用化されて知られたほとんどの粉末冶金用アルミニウム合金、例えば、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ（ドイツのエカグラニュラー社のＥｃｋａ Ａｌｕｍｉｘ^(R) １３、Ｅｃｋａ Ａｌｕｍｉｘ^(R) １２３；米国のアンパル社のＡｍｐａｌ ２７１２、Ａｍｐａｌ ２９０５）（Ａｌｕｍｉｘ^(R) は、ドイツのエカグラニュラー社の登録商標）（米国アルミニウム協会鍛錬合金分類記号ＡＡ２０２４に相応）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ（ドイツのエカグラニュラー社のＥｃｋａ Ａｌｕｍｉｘ^(R) ３２１；米国のアンパル社のＡＭＰＡＬ ６７１１）（鍛錬合金ＡＡ６０６１に相応）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）（ドイツのエカグラニュラー社のＥｃｋａ Ａｌｕｍｉｘ^(R) ４３１；米国のアンパル社のＡＭＰＡＬ ７７７５）（鍛錬合金ＡＡ７０７５に相応）などには、いずれも０．５重量％あるいはそれ以上の高いマグネシウム成分が添加されている。

伝統的な粉末冶金方法によって圧縮成形されたアルミニウム及びその合金粉末生成形体を焼結する時には、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、真空などの雰囲気が使われるが、そのうち、窒素ガスを使用する時、最も高い焼結密度が得られると知られている。実際に、産業体でも、窒素ガスが焼結雰囲気ガスとして最も広く使われている。たとえアルミニウム粉末と窒素ガスとの間には、Ａｌ＋（１／２）Ｎ_２＝ＡｌＮの窒化反応が自発的に発生すると知られているとしても、気孔含量が低く相対密度が９０％ないしそれ以上になるように高圧で成形された伝統的な粉末冶金方法では、前記窒化反応がほとんど起こらないか、極めて制限的に発生するので、問題にならない。

これに比べて、脱脂工程を経った後に、気孔率が５０％〜１０％になり、比表面積が大きく、反応性が大きな微細な粒子からなる本発明による粉末性形体は、焼結過程で雰囲気ガスとして窒素ガスを使用する場合には、前記窒化反応が大きな問題になりうる。すなわち、脱脂工程と焼結温度で加熱される過程で粒子間の焼結反応が開始される前からアルミニウム粒子の表面が窒素ガスに露出されて、窒化アルミニウムが形成され、これは、アルミニウム粉末間の物質移動を阻害するので、焼結過程での粒子間の結合と緻密化を妨害すると知られている。

アルミニウムの粉末射出成形技術が、他の合金の粉末射出成形に比べて、難しい、さらに他の理由のうち１つは、アルミニウムの溶融温度あるいはアルミニウム合金から液相が作られて溶け始める固相線温度が、鉄、ステンレス鋼、ニッケル、銅、コバルト、チタンなど他の合金に比べて著しく低いという点である。したがって、アルミニウム粉末成形に使われる有機結合剤は、なるべく低温で脱脂が終了することが望ましい。

有機結合剤を多量含むアルミニウム成形体の脱脂−焼結工程において解決しなければならないさらに他の問題点は、有機結合剤分解産物とアルミニウムとの間の反応による炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）の生成である。このような炭化物相は、脆性を示し、水分と［Ａｌ_４Ｃ_３＋６Ｈ_２Ｏ＝２Ａｌ_２Ｏ_３＋３ＣＨ_４］の反応を起こすので望ましくない。それを回避するためには、適した有機結合剤組成物を使用し、脱脂工程を厳密に管理することが必要である。

下記には、今まで報告されたアルミニウム粉末射出成形に関連して発表された先行文献資料を簡略に説明する。

米国特許第５，５２５，２９２号で、中尾らは、合金元素としてマグネシウムを装入し、窒素ガス雰囲気を用いて相対密度が６０％〜８５％になるように圧縮成形したアルミニウム合金混合粉末からなる部品の製造工程を記述している。マグネシウムを約２％まで添加し、さらに炉の内部にマグネシウム塊を装入して焼結を実施して、潤滑剤を除去した後には、炉内を減圧してマグネシウムの昇華を誘導し、引き続き窒素ガスを導入し、高温で加熱して焼結を実施する方案を提示した。これらは、昇華されたマグネシウム蒸気が窒素ガスと反応して、Ｍｇ_３Ｎ_２を形成し、これがアルミニウム粉末表面の酸化アルミニウムと反応して、局部的に酸化アルミニウム皮膜層をアルミニウムに還元させて焼結性が改善されると主張した。

国際公開特許第２００５／０６６３８０号には、外部から圧力を加えず、緩く満たしたアルミニウム粉末とその合金粉末の焼結密度を高めるためには、水蒸気分圧が約０．００３ｋＰａ〜０．０１５ｋＰａに存在する窒素ガス雰囲気で焼結を行うことが効果的であると発表した。

米国特許第６，７６１，８５２号で、レオとチアンは、アルミニウム粉末表面に存在する酸化皮膜を除去するために、ＮａＦ、ＭｇＦ_２及びＣａＦ_２などから選択した金属フッ化塩とアルミナとの間に発生する低温工程反応を用いてアルミニウム表面酸化皮膜を除去する方案を提案した。アルミニウム酸化皮膜が金属フッ化塩などと反応して、低融点の工程液相を形成して除去されながら、緻密化が進行することによって、金属射出体を溶媒中で脱脂後に加熱脱脂と焼結とを実施することによって、相対密度が９５％以上である高密度の焼結体を製造し、真空中で焼結することが有利であるとした。

国際公開特許第２００８／０１７１１１号で、リュウらは、焼結助剤として低融点の錫を添加し、窒素ガスを雰囲気ガスとして使用するが、炉内に酸素除去剤としてマグネシウム塊を共に装入して焼結を実施することによって、ＡＡ６０６１アルミニウム粉末に錫２％を添加し、酸素捕集剤としてマグネシウムブロックを共に装入して窒素雰囲気で焼結する時、高密度の焼結体を製造することができると発表した。６２０℃で２時間焼結して、相対密度約９7％、引張強度165ＭＰａ、延伸率約9％、そして、Ｔ６人工時効後に引張強度３０0ＭＰａ、延伸率１％である特性が得られると報告した。

アカーとグルソイは、（Ｌ．Ａｃａｒ、Ｈ．Ｏ．Ｇｕｌｓｏｙ；“Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｕｌｄｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｐｏｗｄｅｒ”、Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ｖｏｌ．５４（Ｎｏ．２）（２０１１）ｐｐ．４２７−４３１）で、平均粒度が７．３５μｍであるアルミニウム粉末（ドイツのエカグラニュラー社の製品）と固相率が６２．５％であるフィードストックを原料として射出成形し、ヘプタンを用いる溶媒抽出と窒素ガスを利用した加熱脱脂の２段階脱脂工程を経て６５０℃で高純度窒素ガス雰囲気下で焼結を実施することによって、相対密度が９６．２％である焼結体の製造が可能であると報告した。

ギアルらは、国際公開特許第２０１１／１２００６６号と２０１２年に発表した論文（Ｃ． Ｇｉｅｒｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｃａｒｂｏｎ ｒｅｍｏｖａｌ ａｓ ａ ｃｒｕｃｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｕｌｄｉｎｇ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ”，Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｕｌｄｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｖｏｌ．６（Ｎｏ．４）（２０１２）ｐｐ．６５−７１）とで、ＡｌとＡｌ−Ｍｇ混合粉末をワックスとポリアセタールとを含有した有機結合剤として知られたカタモルド^ＴＭ有機結合剤（ドイツのＢＡＳＦ社の登録商標）を改質したものと混錬したフィードストックとを使用して実施した粉末射出成形技術に関して記述した。硝酸あるいはシュウ酸を触媒として用いる触媒脱脂などの過程によって、有機結合剤の一部を除去し、残りの有機結合剤成分を酸素が少なくとも０．５ｖｏｌ．％含まれた窒素ガスで焼結する時、高密度焼結がなされると提案した。

前述したように、アルミニウム及びその合金の粉末射出成形に関しては、多様な方法が提案されているが、いまだにアルミニウム合金の機械的特性を正しく具現しながら、複雑な形状の製品を精密に製造するのに方法が設けられていない実情である。

本発明の目的は、アルミニウムまたはその合金からなる複雑な形状の精密部品を相対密度９６％以上を有する焼結体で精密に製作することができる粉末射出成形方法を提供するところにある。

本発明の他の目的は、粉末射出成形方法によってアルミニウムまたはその合金からなる高密度の焼結体を製造するに当って、先行技術で提案されている錫などの低融点の焼結助剤を添加せず、高密度の緻密化を果たすことができる脱脂工程と焼結工程とを提供するところにある。

また、本発明のさらに他の目的は、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金に補強材が添加されたアルミニウムまたはアルミニウム合金複合粉末からなる生成形体から健全かつ緻密な焼結体を得るのに適した脱脂工程と焼結工程とを提供するところにある。

さらに、本発明のさらに他の目的は、射出成形用フィードストックを低圧温間圧縮成形と圧出成形とに適用して、高密度のアルミニウムまたはアルミニウム合金焼結体、そして、アルミニウム複合材の精密な製品を製造する方法を提供するところにある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前述したものに限定されるものではなく、言及されていないさらに他の技術的課題は、下記の記載から当業者が明確に理解できるであろう。

前記目的を果たすために、本発明は、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末とカルボニル基を有するポリオレフイン共重合体とを含むワックス系熱可塑性有機結合剤を混錬して、フィードストックを準備するフィードストック準備段階と、前記フィードストックを成形する成形段階と、前記成形された成形体から有機結合剤を除去する脱脂段階と、前記脱脂された脱脂体をアルゴンガス雰囲気下で焼結して緻密化を成す焼結段階と、を含む粉末成形方法を提供する。

特に、本発明では、前記脱脂段階と焼結段階とを同じ炉でアルゴンガス雰囲気下で単一工程で行って、成形体に含まれた有機結合剤を除去し、焼結することを特徴とする。

また、本発明は、前記アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末に、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＣ、及びＷＣからなる群から選択された炭化物、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ｃ−ＢＮ、及びｈ−ＢＮからなる群から選択された窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、フライアッシュ、及びＺｒＯ_２からなる群から選択された酸化物、ＭｏＳ_２を含んだ硫化物、ＴｉＢ_２を含むホウ化物、Ｔ−８００を含んだ硬質化合物、ＷまたはＭｏから選択された耐熱金属の粉末や短繊維あるいはウィスカー、ポリカーボン、黒鉛、炭素ナノチューブ、グラフェン、及びダイヤモンドからなる群から選択した１つ以上の補強材をさらに含むアルミニウム基地複合材を利用した粉末成形方法を提供する。

また、本発明は、前記粉末成形方法によって製造されたアルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末またはアルミニウム基地複合材の焼結体部品として、インペラ、タービンまたはリニアモーション軸受エンドキャップから選択された精密形状の製品を提供する。

本発明によれば、産業用素材として低い密度、高い熱伝導性と電気伝導性、良好な耐蝕性と耐候性、美麗な色相を示すだけではなく、合金化によっては、高い析出硬化効果による優れた機械的特性を示すなど多くの長所を有するアルミニウムとアルミニウム合金とを適用することができる粉末射出成形技術が提供される。

すなわち、本発明の粉末成形方法を通じてアルミニウムまたはアルミニウム合金粉末から複雑な形状を有する成形体を製造し、繋がる脱脂工程と焼結工程とを通じて相対密度が９６％あるいはそれ以上の高密度の焼結体製品を製造する方法が提供される。

さらに、本発明による生成形体の脱脂と焼結とを１つの加熱スケジュールによって単一炉で一段階の過程で行う方法によって、脱脂のために、溶媒抽出器または超臨界流体脱脂設備など別途の副次的な施設を導入する必要がなく、工程数が短縮され、それによるエネルギー低減効果があり、管理人力を減らしうるので、全体として生産費を下げる経済的な効果がある。

本発明による粉末成形方法によって製造されるアルミニウムまたはアルミニウム合金には、アルミニウムに溶解度が低い錫などの低融点の焼結助剤合金元素が必須的に添加されないので、より向上した機械的な特性を有する焼結体の製造が可能である。

このように、本発明による粉末成形方法は、純粋なアルミニウムだけではなく、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−（Ｍｎ）系（米国アルミニウム協会記号ＡＡ２ｘｘｘ系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（ＡＡ６ｘｘｘ系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）系（ＡＡ７ｘｘｘ系）の析出硬化型鍛錬合金を含めたほとんどの商用アルミニウム合金に適用可能なので、多様な用途で要求される精密部品の製造を通じて産業的波及効果が大きいと期待される。

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金基地に、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＣ、ＷＣなどの炭化物、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮなどの窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、フライアッシュ、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などの酸化物、ＭｏＳ_２などの硫化物、ＴｉＢ_２を含むホウ化物、Ｔ−８００などの硬質コバルト耐熱合金、Ｗ、Ｍｏなどの耐火金属の粉末や短繊維あるいはウィスカー、そして、ポリカーボン、黒鉛、炭素ナノチューブ、グラフェン、ダイアモンドなどからなる群から選択した１つ以上の補強材で補強されたアルミニウム基地複合材部品を製造することができる。

特に、本発明による粉末成形方法は、粉末射出成形だけではなく、温間圧縮成形及び温間押出成形法にも適用可能である。

したがって、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウム基地複合材料の精密形状の製品を製造する技術において、新たな工法として技術的、経済的、親環境的価値が高い新たな製造技術を提供する波及効果を有する。

本発明の工程フローチャートを示した図面である。 本発明による粉末射出成形方法によって製造したＡＡ６０６１合金引張試験片射出体の焼結前後の写真を示した図面である［（ａ）射出体、（ｂ）５８０℃、０時間焼結、（ｃ）５９０℃、０時間焼結、（ｄ）６１０℃、２時間焼結］。 ＡＡ６０６１合金粉末（曲線１）と混合粉末（曲線２）との射出性形体を６１０℃で焼結する時、焼結時間による密度の変化を示すグラフを示した図面である。 ６１０℃で焼結したＡＡ６０６１合金射出体試片の光学顕微鏡微細組織を示した図面である。 ＡＡ６０６１合金粉末と混合粉末との射出性形体をそれぞれ６１０℃で３時間焼結した試験片と、それを５４０℃で１時間溶体化処理を行い、１７０℃で８時間人工時効処理（Ｔ６）した試験片に対する常温で引張曲線を示した図面である。 粉末射出成形で製造してＴ６熱処理したＡＡ６０６１合金粉末引張試験片の破断された面の走査電子顕微鏡映像を示した図面である。 本発明によって、Ａｌ−１重量％ Ｍｇ−０．５重量％ Ｓｉ−０．２５重量％Ｃｕアルミニウム合金混合粉末に錫粉末１重量％と炭化珪素５重量％とを混合した複合粉末フィードストックで製作したインペラの射出体（ａ）と焼結体（ｂ）とを示した図面である。 本発明によって、アルミニウム−炭化珪素５重量％複合粉末からなるタービン焼結体を示した図面である。 本発明によって、ＡＡ６０６１合金粉末からなるミニチュアリニアモーション軸受エンドキャップ射出体（ａ）と焼結体（ｂ）とを示し、（ｃ）は、製品図面で焼結過程で発生する変形を防止するために、射出体に臨時にダミーバーが追加されたことを示す。

本発明の重要な観点であるアルミニウムと、その合金からなる複雑な形状の部品を粉末射出成形によって高密度の焼結体で精密に製造するに当って、最も問題となる点は、アルミニウム粉末表面に存在する酸化皮膜に起因する低い焼結性を克服することである。

前述したように、その表面に形成されている酸化アルミニウム皮膜は、熱力学的に非常に安定しているために、アルミニウムの焼結温度のように低い温度では還元がほとんど不可能であり、さらに、粉末射出成形過程でアルミニウム粉末は、塑性変形を経験せず、有機結合剤中で緩く満たされた状態で存在するので、外力によるアルミニウム粉末表面の酸化アルミニウム皮膜の物理的破損も考慮することができない。

それにも、緩く満たしたアルミニウム粉末成形体で焼結が発生することは、酸化アルミニウムがアルミニウムに比べて、熱膨張係数がほぼ１／３以下に小さいために、加熱過程中にアルミニウムの高い熱膨張によってアルミニウム粉末の酸化皮膜の外被が破損されて、露出される新鮮な金属アルミニウムを通じる隣接粉末間の物質移動現象によって緻密化が起こると考慮される。このような効果は、焼結温度が高いほど、さらに有効であると見られる。

もちろん、アルミニウム粉末の原料粉末中の酸素含量がなるべく低く管理することは、非常に重要であり、空気噴霧法で製造した粉末よりは、酸素含量が低いガス噴霧法で製造した粉末を使用することが、高密度の焼結体の製造に有利である。

また、前述したように、加熱過程でアルミニウム粉末表面に存在するフィルム状の酸化皮膜と化学反応を起こして、部分的な還元を誘発させる合金元素の添加が、アルミニウム合金の焼結性の改善に効果的な手段になりうる。

このように、アルミニウム粉末表面に発生した酸化皮膜の物理的な破壊や化学反応による部分還元を通じて設けられる物質移動の通路である新鮮な金属アルミニウムを十分に活用するためには、使用する雰囲気ガス中の酸素濃度あるいは水分含量を低く管理することが重要である。

本発明の他の側面では、アルミニウム及びその合金の場合には、焼結温度が純粋なアルミニウムの溶融点である６６０℃よりも低くなければならず、ほとんど商用アルミニウム合金の場合、液相が形成され始める固相線温度が６００℃以下の温度であるために、脱脂が完了する温度と焼結が開始される温度とが重畳されるので、脱脂工程が未終了した状態で液相アルミニウムが過度に発生して、有機結合剤分解産物と不要な反応が発生しないようにすることも重要である。

前述したように、高密度の焼結体を製造するためには、焼結段階で焼結ガス雰囲気中の酸素含量を低めることが重要である。そのためには、低い酸素含量の乾燥した雰囲気ガスを使用すると共に酸素捕集剤としてマグネシウムブロックを炉内に装入して使用することも効果的に知られている。

しかし、本発明では、別途の焼結助剤や酸素捕集剤を利用せず、高密度の焼結体を製造する方案として、射出成形以後には、単に除去の対象として考慮された成形体内の有機結合剤を用いて焼結を促進させる新たな方法を試みる。

また、本発明によれば、脱脂と焼結工程がアルゴンガス雰囲気下でなされるようにする。したがって、窒素ガス焼結雰囲気を用いる先行技術で、アルミニウム粒子表面で発生して緻密化を阻害する窒化物の形成を防止するための錫などの低融点の焼結助剤元素の添加が必須的ではない。しかし、必要に応じて３重量％以内に添加し、この場合にも、本発明によってアルゴンガス雰囲気で前記脱脂−焼結を実施することが望ましい。

また、本発明において、アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末と補強材とが混合されたアルミニウム複合粉末からなる成形体から有機結合剤を除去する脱脂工程と焼結工程は、アルミニウム及びアルミニウム合金の場合と同一である。しかし、焼結過程でアルミニウムと補強材との間の反応によって望ましくない化合物が形成されるので、各補強材によって適するように合金基地相の成分調節がなされなければならない。

以下、図１を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１によれば、本発明の粉末成形方法は、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末とカルボニル基を有するポリオレフイン共重合体とを含むワックス系熱可塑性有機結合剤を混錬して、フィードストックを準備するフィードストック準備段階（ステップＳ１０）と、前記フィードストックを成形する成形段階（ステップＳ２０）と、前記成形された成形体から有機結合剤を除去する脱脂段階（ステップＳ３０）と、前記脱脂された脱脂体をアルゴンガス雰囲気下で焼結して緻密化を成す焼結段階（ステップＳ４０）と、を含みうる。

特に、本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末の焼結性を高めるために、伝統的な粉末冶金で使用する粉末のサイズよりも小さいながら、酸素含量が高くないアルミニウムまたはアルミニウム合金粉末を選択して焼結性を確保することが望ましい。

したがって、本発明に適するように使われるアルミニウムまたはアルミニウム合金粉末の平均粒度が、望ましくは、０．５〜２０μｍ以上であることが望ましく、より望ましくは、１〜１５μｍである。

本発明によれば、前記アルミニウム合金粉末は、合金化された溶解状態で噴霧されて作られた合金粉末であるか、純粋なアルミニウムと他の合金元素粉末または合金元素の添加のためのＡｌ−Ｍｇのようなマスター合金（Ｍａｓｔｅｒ ａｌｌｏｙ）粉末とが混合された混合粉末であり得る。

本発明では、合金成分中に錫などの低融点の元素を焼結助剤として添加することを高密度焼結のための必須条件として前提しない。

しかし、前記焼結助剤、特に、錫または酸化錫（ＳｎＯ）は、必要に応じて少量添加し、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末１００重量％に対して、錫は０．１〜３重量％、酸化錫は０．３〜５重量％に添加される。しかし、焼結密度の改善には役に立つこともあるが、機械的性質にはむしろ悪影響を及ぼしうる。また、本発明においては、添加しても、窒素ガス雰囲気ではないアルゴンガス雰囲気で実施することがより望ましい。

本発明によれば、フィードストックを製造する過程（ステップＳ１０）で使われる有機結合剤としては、ワックスを基本成分とし、ポリオレフイン、ポリオレフイン共重合体またはこれらの組合わせからなるバックボーンポリマー成分、界面活性剤または潤滑剤として作用する有機物成分で構成され、脱脂終了温度が４９０〜５４０℃であるワックス系熱可塑性有機結合剤またはそれと類似した既に文献上に知られた組成比を有する組成物であり得る。

本発明に効果的に使われるワックス系熱可塑性有機結合剤の一例としては、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、カルボニル基を有するポリオレフイン共重合体、ポリオレフインワックス、その他の必要に応じて添加する添加物などで構成される有機結合剤組成物が挙げられる。

特に、前記ワックス系熱可塑性有機結合剤は、総１００重量％に対して、カルボニル基を有するポリオレフイン共重合体を３〜３０重量％に含んだ有機結合剤組成物であることが望ましい。

本発明の成形段階（ステップＳ２０）は、粉末射出成形、圧縮成形及び圧出成形からなる群から選択された方法によって行うことができる。

本発明によれば、成形体から有機結合剤を除去する脱脂工程（ステップＳ３０）としては、中性ガスをキャリアガスとして利用する加熱脱脂が望ましい。

しかし、ヘクサンやヘプタンを使用する溶媒抽出法や二酸化炭素を用いる超臨界流体抽出脱脂法と加熱脱脂が組合わせられた方法も使われる。この場合には、溶媒抽出や超臨界流体抽出法によってワックス、界面活性剤などの低融点の有機化合物成分を除去する部分脱脂を行い、バックボーンポリマー成分など残りの有機結合剤成分を加熱脱脂によって除去する２段階過程で実施される。

本発明による加熱脱脂工程で使用するキャリアガスとしては、アルゴンガスを使用することが望ましい。

また、本発明によれば、脱脂体を相対密度９６％以上である高密度の焼結体で緻密化させる焼結工程は、アルゴンガス雰囲気で実施するか、焼結炉の内部を１０^−３ｔｏｒｒ以下の真空で作った後に実施するか、あるいはアルゴンガスを再び満たして約１０〜２００ｔｏｒｒの減圧状態で保持しながら、スイープガスで循環させる部分真空中で実施することができる。しかし、特に、アルミニウム合金脱脂体の場合には、常圧のアルゴンガスを焼結雰囲気ガスとして使用することがより望ましい。

前記脱脂（ステップＳ３０）と焼結過程（ステップＳ４０）で使用するアルゴンガスは、水分含量が低い乾燥したガスであることが有利であり、０．１〜２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流し、露点温度が、−４０℃以下であることが望ましい。

特に、本発明において、脱脂工程で加熱脱脂方法のみを採択する場合には、脱脂と焼結とを１つの加熱スケジュールで設定して単一加熱段階で実施することができる。このようにして単一加熱スケジュールで脱脂と焼結とを同じ炉で実施する場合には、より高い緻密化効果が得られ、高密度の焼結体が得られるのに有利である。

本発明において、アルミニウムに合金元素が０．５重量％未満に添加された工業的に純粋なアルミニウム粉末の場合には、６３０〜６５５℃の範囲内の温度で焼結を実施することが望ましい。

本発明において、アルミニウム合金粉末の場合には、高密度の健全なアルミニウム合金焼結体を得るために、合金の固相線温度が４８０℃以上、望ましくは、５２０℃以上、より望ましくは、５４０℃以上であることが望ましい。

前記アルミニウム合金粉末で合金総１００重量％に対して、添加された合金元素の総含量が０．５〜１２重量％であるアルミニウム合金粉末を原料とした成形体の焼結温度は、固相線温度以上から液相が合金総体積１００体積％に対して、３０体積％に存在する温度範囲内であることが望ましい。

さらに、本発明において、前記アルミニウム合金は、マグネシウム含量が０．５％以上であるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−（Ｍｎ）系（米国アルミニウム協会記号ＡＡ２ｘｘｘ系）、Ａｌ−Ｍｇ系（ＡＡ５ｘｘｘ系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−（Ｃｕ）系（ＡＡ６ｘｘｘ系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）系（ＡＡ７ｘｘｘ系）からなる群から選択された１つの商用アルミニウム合金組成物であるか、アルミニウム合金総量１００重量％に対して、Ｍｇ ０．５〜８重量％、Ｚｎ ０〜８重量％、Ｃｕ ０．１〜３重量％、Ｓｉ ０〜５重量％、Ｎｉ ０〜５重量％、Ｆｅ ０〜０．３重量％、Ｍｎ ０〜１重量％、Ｚｒ ０〜０．５重量％、Ｃｒ ０〜０．５重量％、Ａｇ ０〜２重量％、Ｓｃ ０〜０．５重量％、Ｌｉ ０〜２重量％、そして、残りがアルミニウムからなる組成物であり得る。

同時に、アルミニウム合金粉末を使用する代わりに、純粋なアルミニウム粉末と共にマグネシウム、銅、シリコン、亜鉛のような元素粉末またはこれら元素を含むマスター合金粉末を混合して使用しても良い。

本発明での焼結は、アルゴンガスまたは真空中で実施することができるが、アルゴンガス雰囲気で焼結することがより望ましい。

純粋なアルミニウムの場合には、アルゴンガスガス雰囲気下で一次的に焼結を行った後、炉内を真空状態にして、引き続き１時間以上焼結を実施することによって、密度向上をさらに図りうる。

また、本発明では、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末に、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＣ、及びＷＣからなる群から選択された炭化物、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ｃ−ＢＮ、及びｈ−ＢＮからなる群から選択された窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、フライアッシュ、Ｙ_２Ｏ_３、及びＺｒＯ_２からなる群から選択された酸化物、ＭｏＳ_２を含んだ硫化物、ＴｉＢ_２を含むホウ化物、Ｔ−８００などの硬質コバルト合金、ＷまたはＭｏから選択された耐火金属の粉末や短繊維あるいはウィスカー、そして、ポリカーボン、黒鉛、炭素ナノチューブ、グラフェン、及びダイヤモンドからなる群から選択した１つ以上の補強材をさらに含ませて、アルミニウム基地複合材を利用した粉末成形方法を提供する。

前記補強材の平均直径は、０．０５〜４０μｍであり、補強材は、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末１００重量％に対して、１〜３０重量％に含むことが望ましい。

本発明では、前記粉末成形方法によって製造されたアルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末またはアルミニウム基地複合材の焼結体部品を提供する。前記焼結体部品として、インペラ、タービンまたはリニアモーション軸受エンドキャップから選択された精密形状の製品を含むが、これに限定されるものではない。

以下、本発明による粉末射出成形によってアルミニウムまたはアルミニウム合金粉末を用いて相対密度が９６％以上である高密度の複雑な形状製品を製造する方法を、下記の実施例を通じてより詳細に説明する。但し、このような実施例によって、本発明が限定されるものではない。

＜実施例１＞

平均粒度が約６μｍである純度９９．５％のアルミニウム粉末（ＭＥＰ １０５、ドイツのエカグラニュラー社の製品）をパラフィンワックス７０重量％、マイクロクリスタリンワックス１６重量％、カルボニル基を有するポリエチレン共重合体として無水マレイン酸グラフトポリエチレン（ＤＰ−７３０、韓国の現代ＥＰ社の製品）６重量％、ポリエチレンワックス８重量％に組成された有機結合剤と１４０℃の加圧ニーダーで２時間混錬して、固相率が６２％であるフィードストック３００ｇを製造した。製造されたフィードストックを約６ｍｍサイズに細かく砕いて、型締力が８０トンである射出機に装入した後、ＡＳＴＭサブサイズ規格（米国材料試験規格ＡＳＴＭ Ｅ８）の引張試験片を製作した（図１a）。

製造された射出体を切断して、内部に欠陥の存否を肉眼で検査し、また、Ｘ線非破壊検査を通じて調査して、欠陷のない健全な射出体が作られたことを確認した。

このように製作された引張試験片射出体をアルミナボートに入れ、管状炉に装入した後、アルゴンガス（露点温度−５４℃）を０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、単一過程で脱脂−加熱を１つの炉で実施した。

最初には、約１００℃まで１時間にわたって昇温した後、１時間保持し、再び２８０℃まで４時間加熱した後、３時間を保持し、再び３８０℃まで４時間加熱した後に３時間保持した後、再び２時間にわたって５２０℃に加熱し、３０分間保持した後、再び１．５時間昇温させて、６５０℃で２時間保持した後に冷却させた。このようにして作られた引張試験片焼結体は、外観上、欠陷がなく、銀白色の色相を示した。焼結体は、約１２．８％の線形収縮率を示した（図１-b）。アルキメデスの原理による密度測定の結果、相対密度が９６％に表われた。Ｘ線回折実験による相分析で有害な化合物であるＡｌ_４Ｃ_３相の形成は検出されていない。常温引張試験の結果、０．２％、降伏強度７１ＭＰａ、引張強度１３２ＭＰａ、延伸率約２０％に表われた。

＜比較例１＞

実施例１で製作した引張試験片射出体を試片として使用するが、ガス雰囲気を窒素ガスに変えて、ガスの種類が焼結に及ぼす影響を比較する確認実験を実施した。射出体試片をチューブ炉に装入して、実施例１のような単一加熱スケジュールによって脱脂と焼結とを実施した。単にアルゴンガスの代わりに、９９．９９％の高純度の窒素ガスを０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、脱脂と焼結とを実施した。製作された焼結試片は、外観上、濃い暗褐色を帯び、焼結収縮をほとんど起こさず、脆性を示した。相対焼結密度が約６３％である多孔質体であった。Ｘ線回折試験による相分析の結果、ＡｌＮが約２０重量％に生成されていた。

＜実施例２＞

平均粒度が約６μｍであり、純度９９．８％であるガス噴霧アルミニウム粉末（イギリスのアルミニウムパウダーカンパニー社）にパラフィンワックス６０重量％、マイクロクリスタリンワックス２６重量％、カルボニル基を有するポリエチレン共重合体として無水マレイン酸グラフトポリエチレン（韓国、現代ＥＰ、ＤＰ−７３０）８重量％及びポリエチレンワックス６重量％からなる有機結合剤を添加し、ツインカムミキサー（ドイツのハキ社、レオコード９０）を用いて１３５℃で２時間混錬して、固相率が６５％であるフィードストック約５０ｇを製造した。

製造されたフィードストックを鉄臼を使用して約３ｍｍサイズに細かく砕いて、１２０℃に予熱された金型に装入し、約２０ＭＰａの圧力で成形した後に全長が５０ｍｍ、平行部の長さが２０ｍｍ、グリップ部の幅が１６ｍｍ、平行部の幅が５ｍｍである任意規格の小型引張試験片を圧縮成形した。

このように製作された引張試験片射出体をアルミナボートに入れ、管状炉に装入した後、アルゴンガス（露点温度−５４℃）を０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、実施例１とは同様に１つの加熱スケジュールで焼結温度を６５０℃、焼結時間を２時間にして、脱脂−焼結が同じ炉で連続してなされるようにした。このようにして作られた引張試験片焼結体は、明るい銀白色を示し、約１２．８％の収縮率を示した。アルキメデスの原理による密度測定の結果、相対密度が９７．８％に表われた。Ｘ線回折実験による相分析を実施した結果、Ａｌ_４Ｃ_３相の形成が検出されていない。

＜実施例３＞

平均粒度が約６μｍであるガス噴霧で製造されたＡＡ６０６１アルミニウム合金粉末（イギリスのアルミニウムパウダーカンパニー社、組成Ａｌ−０．９１重量％ Ｍｇ−０．７０重量％ Ｓｉ−０．２６重量％ Ｃｕ）にパラフィンワックス５８重量％、マイクロクリスタリンワックス２６重量％、カルボニル基を有するポリエチレン共重合体として無水マレイン酸グラフトポリエチレン（韓国、現代ＥＰ、ＤＰ−７３０）１０重量％及びポリオレフインワックス６重量％からなる有機結合剤５００ｇを坪量して添加し、磁気回転二重刃混錬機に入れ、１４０℃で２時間混錬して、固相率が６７％であるフィードストックを準備した。このように作られたフィードストックを顆粒状に破鎖して、射出機のホッパーに装入した後、射出作業を実施して、内部に欠陷のない健全な引張試験片射出体を製作した。これと共に１１８℃に予熱された金型を用いて温間圧縮成形によって直径２０ｍｍ、高さ４ｍｍであるディスク状の試片も共に準備した。

製作された試験片をアルミナトレーに入れて、チューブ炉に装入し、脱脂と焼結とを単一加熱スケジュールで設定して、アルゴンガス（露点−５３℃）を０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら実施した。最初には、約１００℃まで１時間にわたって昇温を行った後、その温度で１時間を保持し、再び２８０℃まで２時間加熱した後、３時間を保持し、再び３８０℃まで４時間加熱した後に３時間保持した後に、再び２時間にわたって５２０℃に加熱し、その温度で３０分間保持した後、分当たり約１．５℃の昇温速度で焼結温度に加熱した。この際、焼結温度を５８０〜６３０℃、焼結時間を０〜４時間に変化させながら、脱脂−焼結実験を繰り返し実施して、最適焼結が起こる条件を究明した。

図２には、（ａ）射出体、（ｂ）５８０℃、０時間焼結体、（ｃ）５９０℃、０時間焼結体、（ｄ）６１０℃、２時間焼結体の写真であって、焼結体は、銀白色を帯びた。焼結体に対するＸ線回折試験結果からＡｌ_４Ｃ_３炭化物の生成は観察されていない。製造された焼結体に対してアルキメデスの原理を用いる密度測定法によって密度を測定して、相対密度に変換した。３時間の焼結時間を基準にして焼結温度を変化させながら、焼結密度の変化を調査した結果、５８０℃で９４％、６００〜６３０℃の温度区間では、焼結相対密度がほとんど変化がなく、約９８％に表われた。この条件で約１２％の線形収縮率を示した。この結果から最適の焼結温度は、約６００〜６３０℃と見られる。

また、６１０℃で焼結時間による密度変化を調査した結果を図３（カーブ１）に示した。焼結温度に至った時、既に焼結相対密度が９４％に至っており、１時間焼結後に相対密度が９８％に至ることが見られる。６１０℃で焼結した試片を研磨して、光学顕微鏡下で微細組織を調査した結果を図４に示した。微細組織は、非常に均質であり、大きな気孔のない健全な組織で表われた。６１０℃で３時間焼結した試験片を対象にして焼結体試片と５４０℃で１時間溶体化処理を行い、水冷した後に、１７０℃で８時間人工時効処理（Ｔ６）した試片に対して常温で引張試験を実施して、得た引張曲線を図５に示した。引張試験の結果、焼結体試片に対して、０．２％降伏強度９１ＭＰａ、引張強度２２１ＭＰａ、延伸率２０．７％、そして、Ｔ６時效硬化処理した焼結体試片に対して、０．２％降伏強度３０２ＭＰａ、引張強度３３６ＭＰａ、延伸率６．３％の特性が得られた。図６は、引張試験後、破断面を走査電子顕微鏡で観察した映像であって、軟性材料の破断面で典型的に表われるディンプル組織を示した。

＜比較例２＞

実施例３から準備された成形体を単に脱脂と焼結との雰囲気ガス種類のみを異ならせて繰り返し実験した。すなわち、使用したガスは、純度９９．９９％の窒素ガスであり、脱脂−焼結過程で０．４Ｌ／ｍｉｎの流量で流した。

製造された引張試験片焼結体は、相対密度が約６２％である多孔質であり、脆性を示して、引張試験が困難であった。Ｘ線回折による相分析の結果、この試片には、窒化アルミニウムが約１８重量％形成されていた。

＜実施例４＞

この実験は、実施例３に対して、単に使用した金属粉末の種類を変えて繰り返し実施したものである。すなわち、空気噴霧で製造した平均粒度が約５μｍである純粋なアルミニウム粉末（メフラＭＥＰ １０５、ドイツのエカグラニュラー社の製品）、−３２５メッシュサイズの純度が９９．８％であるマグネシウム粉末（韓国のハナＡＭＴ（株）の製品）、粒度が１〜５μｍである純度９９．％の銅粉末（ＣＵ−１０１、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社）、−１０μｍサイズの純度９９．９％であるシリコン粉末（ＳＩ−１０２、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社の製品）を用いてＡＡ６０６１合金と組成が類似したアルミックス３２１合金（Ａｌｕｍｉｘ^(R) 、ドイツのエカグラニュラー社の登録商標；Ａｌ−１重量％ Ｍｇ−０．５重量％ Ｓｉ−０．２５重量％ Ｃｕ）の成分比で組成した前記粉末２５０ｇをボールミルに装入して約２時間混合した。

実施例３と同じ方法で製作したＡＳＴＭサブサイズ引張試験片射出体と圧縮成形で製作した試験片を実施例３と同様にアルゴンガスを０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、単一加熱スケジュールによって脱脂と焼結とを実施するが、焼結温度を６１０℃に設定し、焼結時間は、０〜４時間に変化させた。

図３のカーブ２には、本実験によって焼結時間によって得られる密度の変化を示した。元素金属粉末からなる混合粉末を使用した本実施例の場合には、３時間焼結した時、最大に約９６．２％の相対密度が得られた。

＜実施例５＞

実施例２でのように、平均粒度が約６μｍであるＡＡ６０６１アルミニウム合金粉末（イギリスのアルミニウムパウダーカンパニー社）を使用するが、さらに粒子サイズが１〜５μｍ、純度が９９．９％である錫１重量％（ＳＮ−１０１、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社）を添加した混合粉末を使用し、固相率を６７％にして、実施例２で使用したものと同じ有機結合剤と混錬して、フィードストック５００ｇを製造した。作られたフィードストックを顆粒化し、射出成形を行って、ＡＳＴＭサブサイズ引張試験片を射出成形し、温間圧縮成形によって直径２０ｍｍ、高さ４ｍｍであるディスク状の試片も成形した。

製作された試験片をアルミナトレーに入れて、チューブ炉に装入し、炉内にアルゴンガス（露点−５３℃）を０．４Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、単一加熱スケジュールで脱脂と焼結とを実施した。この際、最適焼結条件を見つけ出すために、焼結温度を５８０〜６３０℃、焼結時間を０〜４時間に変化させながら実験を繰り返した。

製造された引張試験片焼結体は、アルキメデスの原理を用いる密度測定法によって理論密度に比べて、相対密度を算出した。３時間の焼結時間を基準にして焼結温度による焼結密度の変化を調査した結果、５８０℃で９４％、６００〜６３０℃の温度区間では、焼結相対密度がほとんど変化がなく、約９８％に表われた。この条件の試片に対して引張試験を実施し、焼結状態で常温引張試験の結果、引張強度が２１５ＭＰａ、延伸率は１５．２％であった。引張試片焼結体を５４０℃で溶体化処理を行った後、１７０℃で８時間人工時効（Ｔ６）熱処理を行った後に引張試験を行った結果、引張強度２７８ＭＰａ、延伸率が約２．５％である機械的特性が得られた。

＜比較例３＞

実施例３でのように、平均粒度が約６μｍであるＡＡ６０６１アルミニウム合金粉末（イギリスのアルミニウムカンパニー社）を使用するが、さらに粒子サイズが１〜５μｍ、純度が９９．９％である錫１重量％（ＳＮ−１０１、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社）を添加した混合粉末を使用して、固相率が６７％であるフィードストックを製造し、引張試験片射出体を製作した。

製作された試験片をアルミナ製トレーに入れて、チューブ炉に装入して、実施例４の単一加熱スケジュールで加熱して、脱脂と焼結とを実施した。焼結温度と焼結時間は、実施例３でのように、６１０℃、焼結時間を３時間に設定し、純度９９．９９％の窒素ガスを０．４Ｌ／ｍｉｎの流量で流した。

引張試験片焼結体の密度をアルキメデスの原理を用いる密度測定法によって測定した結果、理論密度に比べて、約９６％の焼結密度を示した。焼結状態で常温引張試験の結果、引張強度２１４ＭＰａ、延伸率１２％を示した。引張試片焼結体を５４０℃で溶体化処理を行い、１７０℃で８時間人工時効（Ｔ６）熱処理を行った後には、引張強度２７１ＭＰａ、延伸率が約０．５％である機械的特性が得られた。

＜実施例６＞

実施例３でのように、平均粒度が約６μｍであるＡＡ６０６１アルミニウム合金粉末（イギリスのアルミニウムパウダーカンパニー社）を使用するが、さらに粒子サイズが−５００メッシュ、純度９９．９％である酸化錫（ＳｎＯ）１重量％（−３２５メッシュＳＯ−６０１粉末から−５００メッシュ粉末を分給したものである、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社）を添加した混合粉末を使用し、固相率を６７％にして、実施例２で使用したものと同じ有機結合剤と磁気回転二重刃混錬機を用いて１４０℃で２時間混錬して、フィードストック５００ｇを製造した。作られたフィードストックを顆粒化し、型締力が８０トンである射出成型機を用いて射出成形を実施して、引張試験片を製作した。

製作された試験片をアルミナトレーに入れ、チューブ炉で脱脂と焼結とを単一加熱スケジュールでするが、焼結温度を実施例２でのように、６１０℃、焼結時間を３時間に設定し、アルゴンガス（露点−５３℃）を０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、脱脂−焼結を実施した。

製造された引張試験片焼結体は、アルキメデスの原理を用いる密度測定法によって理論密度に比べて、約９７．９％の焼結密度を示した。焼結状態で常温引張試験の結果、引張強度２０４ＭＰａ、延伸率が１７．４％であった。引張試片焼結体を５４０℃で溶体化処理を行い、１７０℃で８時間人工時効（Ｔ６）熱処理を行った後に引張試験を行った結果、引張強度が２５６ＭＰａ、延伸率が２．３％であった。

＜比較例４＞

実施例５で製作した１重量％ＳｎＯが添加された引張試験片射出体に対して実施例５とは同じ単一加熱スケジュールによる脱脂−焼結実験を実施するが、雰囲気ガスとして純度９９．９９％である高純度窒素ガスを使用し、０．４Ｌ／ｍｉｎの流量で流した。

製造された引張試験片焼結体は、アルキメデスの原理を用いる密度測定法によって理論密度に比べて、約９７．９％の焼結密度を示した。焼結状態で常温引張試験の結果、引張強度２３５ＭＰａ、延伸率が８．５％であった。引張試片焼結体を５４０℃で溶体化処理を行い、１７０℃で８時間人工時効（Ｔ６）熱処理を行った後に引張試験を行った結果、引張強度が２５５ＭＰａ、延伸率が０．４％であった。

＜実施例７＞

実施例４とは同様に、空気噴霧で製造した平均粒度が５μｍである純粋なアルミニウム粉末（メフラＭＥＰ １０５、ドイツのエカグラニュラー社の製品）、−３２５メッシュサイズの純度が９９．８％であるマグネシウム粉末（韓国のハナＡＭＴ（株）の製品）、粒度が１〜５μｍである純度９９．％の銅粉末（ＣＵ−１０１、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社）、−１０μｍサイズの純度９９．９％であるシリコン粉末（ＳＩ−１０２、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社の製品）で組成されたＡｌ−１重量％ Ｍｇ−０．５重量％ Ｓｉ−０．２５重量％ Ｃｕ混合粉末に純度が９９．９％である錫粉末１重量％（ＳＮ−１０１、米国のアトランティックエキップモンエンジニアズ社）、そして、炭化珪素５重量％を約２時間ボールミリングして混合し、実施例１で使用したものと同じ成分の有機結合剤を使用して、固相率が６５％になるように５００ｇを坪量して磁気回転二重刃混錬機に入れ、１４０℃で２時間混錬してフィードストックを準備した。このように作られたフィードストックを顆粒に破鎖して射出機に装入した後、型締力が８０トンである射出機を用いてインペラ射出体を製作した（図７の（ａ））。

このように製作された射出体をインコネル材のレトルトが挿入されたボックス炉に装入して、アルゴンガス雰囲気下で加熱脱脂と焼結処理とを単一過程で実施した。この際、使用したアルゴンガスは、露点が−５３℃である乾燥したものであり、０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で最初には約１００℃まで１時間にわたって昇温した後、その温度で１時間保持し、再び２８０℃まで４時間加熱した後、その温度で４時間を保持し、再び３８０℃まで４時間加熱した後にその温度で４時間保持した後、再び２時間にわたって５２０℃に加熱し、その温度で３０分間保持した後、再び１．５時間昇温して、６０５℃で３時間保持した後に冷却させた。

このようにして作られた引張試験片焼結体は、銀白色を帯びた。このようにして製作したインペラ焼結体を射出体と比較して図７の（ｂ）に示した。

＜実施例８＞

平均粒度６μｍであるＡＡ６０６１合金粉末に純度９９．９％、平均粒度１μｍである炭化珪素（ＳＩ １０１、米国のアトランティックエキップモン社の製品）粉末５重量％を混合した複合粉末と実施例３で使用した有機結合剤組成物を使用して、固相率が６７％であるフィードストックを製作した。このフィードストックと型締力が８０トンである射出機を用いて小型タービン射出体を製作した。製作された射出体をインコネル材のレトルトが挿入されたボックス炉に装入し、実施例７でのように、脱脂と焼結とを１つの加熱スケジュールで実施するが、焼結温度を６１０℃、焼結時間を３時間に設定し、アルゴンガスを０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、１つの加熱スケジュールによって行った。図８は、このようにして作られたタービン焼結体の外観を示す。

＜実施例９＞

実施例３で準備した固相率が６７％であるＡＡ６０６１アルミニウム合金粉末フィードストックを用いてミニチュアリニアモーション軸受の部品であるエンドキャップを製作した。脱脂と焼結は、実施例３とは同一であり、単一加熱スケジュールにしてチューブ炉で実施し、アルゴンガス雰囲気下で焼結温度６１０℃、焼結時間２時間の条件で焼結した。図９の（ａ）は、このように製作したエンドキャップの射出体であり、図９の（ｂ）は、焼結体の外観を示した。射出体と焼結体には、脱脂と焼結過程で発生する成形体の変形を防止するために、“コ”字状である部品の図面（図９の（ｃ））の下部分に臨時にダミーバー（ｄｕｍｍｙ ｂａｒ）が追加されている。これは、焼結後に切削加工で除去される。

以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたとしても、本発明は、これによって限定されず、当業者によって本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内とで多様な修正及び変形が可能であるということはいうまでもない。

Claims (15)

1. アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末、及びカルボニル基を有するポリオレフイン共重合体を含むワックス系熱可塑性有機結合剤を混錬して、フィードストックを準備するフィードストック準備段階と、
   前記フィードストックを成形する成形段階と、
   前記成形された成形体から０．１〜２０Ｌ／ｍｉｎの流量で露点が−４０℃以下であるアルゴンガスを流しながら有機結合剤を除去する脱脂段階と、
   前記脱脂された脱脂体を０．１〜２０Ｌ／ｍｉｎの流量で露点が−４０℃以下であるアルゴンガスを流しながらアルゴンガス雰囲気下で焼結して緻密化を成す焼結段階と、
   を含み、
   前記脱脂段階及び焼結段階は、同じ炉でアルゴンガス雰囲気下で単一工程で行って、成形体に含まれた有機結合剤を除去し、焼結することを特徴とする粉末成形方法。
2. 前記ワックス系熱可塑性有機結合剤は、ワックス系熱可塑性有機結合剤全重量に対して、カルボニル基を有するポリオレフイン共重合体を３〜３０重量％になるように含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
3. 前記カルボニル基を有するポリオレフイン共重合体は、無水マレイン酸グラフトポリエチレンであることを特徴とする請求項１または２に記載の粉末成形方法。
4. 前記アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の平均直径は、１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
5. 前記アルミニウム合金は、マグネシウム含量が０．５重量％以上であるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−（Ｍｎ）（ＡＡ２ｘｘｘ）系、Ａｌ−Ｍｇ（ＡＡ５ｘｘｘ系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ（ＡＡ６ｘｘｘ）系、及びＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）（ＡＡ７ｘｘｘ）系からなる群から選択された１つの商用アルミニウム合金組成物であるか、アルミニウム合金総量１００重量％に対して、Ｍｇ ０．５〜８重量％、Ｚｎ ０〜８重量％、Ｃｕ ０．１〜３重量％、Ｓｉ ０〜５重量％、Ｎｉ ０〜５重量％、Ｆｅ ０〜０．３重量％、Ｍｎ ０〜１重量％、Ｚｒ ０〜０．５重量％、Ｃｒ ０〜０．５重量％、Ａｇ ０〜２重量％、Ｓｃ ０〜０．５重量％、Ｌｉ ０〜２重量％、そして、残りがアルミニウムからなる組成物であることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
6. 前記アルミニウム合金粉末は、合金化された溶解状態で噴霧されて作られた合金粉末であるか、純粋なアルミニウムと他の合金元素粉末または他の合金元素の添加のためのマスター合金粉末とが混合された混合粉末であることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
7. 前記アルミニウム合金粉末全重量に対して、錫を０．１〜３重量％になるようにさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
8. 前記アルミニウム合金粉末１００全重量に対して、酸化錫（ＳｎＯ）を０．３〜５重量％になるようにさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
9. 前記成形段階は、粉末射出成形、温間圧縮成形、及び温間押出成形からなる群から選択された方法によって行うことを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
10. 前記脱脂段階は、溶媒抽出または超臨界流体抽出による部分脱脂とアルゴンガス雰囲気下での加熱脱脂とで連続してなされることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
11. 前記アルミニウム粉末を原料とした成形体の焼結温度は、６３０〜６５５℃であることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
12. 前記アルミニウム合金粉末で合金総１００重量％に対して、添加された合金元素の総含量が０．５〜１２重量％であるアルミニウム合金粉末を原料とした成形体の焼結温度は、固相線温度以上から液相が合金総体積１００体積％に対して、３０体積％に存在する温度範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
13. 前記アルミニウム合金粉末は、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＣ、及びＷＣからなる群から選択された炭化物、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ｃ−ＢＮ、及びｈ−ＢＮからなる群から選択された窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、フライアッシュ、及びＺｒＯ_２からなる群から選択された酸化物、ＭｏＳ_２を含んだ硫化物、ＴｉＢ_２を含んだホウ化物、ＷまたはＭｏから選択された耐熱金属の粉末や短繊維あるいはウィスカー、ポリカーボン、黒鉛、炭素ナノチューブ、グラフェン、及びダイヤモンドからなる群から選択した１つ以上の補強材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末成形方法。
14. 前記補強材の平均直径は、０．０５〜４０μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の粉末成形方法。
15. 前記補強材は、アルミニウム合金粉末全重量に対して、０．１〜３０重量％になるように含ませることを特徴とする請求項１３に記載の粉末成形方法。