JPH0328336A - アルミニウム合金粉末焼結部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば事務機器、コンピューター関連機器等
に用いられる、低熱膨張の高延性高ケイ素アルミニウム
合金粉末焼結部品の製造方法に関する． 最近事務機器、コンピュータ間達機器の分野では、消費
電力の低減、振動による騒音発生の防止、可搬性の向上
等の必要性から軽量なアルミニウム合金製部品の利用が
増えつつある。これらの用途では、軽量化と同時に使用
温度環境が変化しても熱膨張による狂いが生じないよう
部品の熱膨張係数を低減したいとの要請が高まりつつあ
る．本発明は以上の市場勤向を踏まえて、このような用
途に利用可能な低熱膨張の高ケイ素アルミニウム合金部
品の安価な製造方法を提供することを目的としたもので
ある。

［従来の技術及び解決しようとする問題点コ従来、低熱
膨張の高ケイ素アルミニウム合金の複雑形状部品の製造
方法としてはダイキャスト法が一般的であった．しかし
ながらダイキャスト法では３次元的な複雑形状の部品が
造れるといった利点がある一方で、寸法精度が不十分で
あり、また型抜きのためテーバーをつける必要がありそ
のため、鋳造後高コストの機械加工を必要とする場合が
少なくない。またブローホール等の鋳造欠陥のため、特
性面で信頼性に欠けるといった問題が存在した。

また別の方法としては、溶解法で製造したインゴットを
出発原料として、押出法で製造した展伸材を素材として
、旋盤等により機械加工で製造する等の方法も採用され
ている．　しかしながら、Ｓｌ量の増加とともに粗大な
初晶Ｓｉが析出しやすく、またインゴットを鋳造時に偏
析が起りやすく加工性が劣化するため、このような方法
で製造できる合金のＳｉの含有量は高々１２ｗｔ％程度
であり、またかなりの工数の機械加工を必要とし、しか
も加工歩留りが低く、結果的に部品の価格を高める原因
となっていた。

このような問題点を解決するために、ニアネットシエイ
ブ法としての特長を生かせる粉末冶金法で製造する方法
についても試みられている。しかし、アルミニウム及び
アルミニウム合金粉末の表面には安定な酸化被膜が存在
しているため、通常の粉末冶金法すなわち粉末を室温で
プレス成形してその後焼結して部品を得る方法ではアル
ミニウム合金の粉末冶金部品の製造は難しいとされてき
た．そのような難しさを解決するため、アルミニウム合
金の粉末冶金部品の一般的な製造方法としては、純アル
ミニウム粉に銅、マグネシウム、シリコン等の合金用元
素粉をブレンドしたいわゆる素粉末混合法により、焼結
時にこれらの元素とアルミニウムとの低融点の共晶を生
成させる液相焼結による方法が利用されている。しかし
ながら高ケイ素合金はもともと融点が低く、焼結温度を
高めることができず、このような液相焼結を利用できな
いこと、粉末の硬度が大きく成形性が悪く粉末粒子同志
の接触が不十分であること、またそのため表面の酸化被
膜が破壊されにくいこと等の理由により、通常の粉末冶
金法すなわち圧粉成形焼結法では充分な機械的性質、特
に延性の良好な部品を得ることは不可能であった． そのため、高ケイ素のアルミニウム粉末冶金材料の製造
方法として、粉末をプレス成形して得たビレットを熱間
押出しして充分な塑性変形を与えることにより粉末粒子
表面の酸化被膜を破壊して金属同志の接触をはかり、特
性を向上する方法（例：特間昭５２−１　０９４　１　
５）が提案されている。しかしながらこのような方法で
は高価な熱間押出工程を必要として、しかも得られる製
品は中間製品の押出形材であり、最終部品形状に加工す
るためにはさらに鍛造や機械加工を必要とし、歩留りが
低く経済的でないといった問題があった．また、別の方
法としては圧粉成形焼結法でまずブリフォームを得て、
゜それを熱間で型鍛造して部品に加工する方法いわゆる
粉末鍛造法についても試みられている．しかしながら、
粉末鍛造法ではブリフォームの鍛造を熱間で行なうため
、型への焼付きが生じやすい、型寿命が低い、さらに寸
法精度を出しにくく最終的に寸法精度を上げるためには
機械加工に頼らざるを得ないといった種々の問題点が存
在した。

本発明は、上記のような従来技術の欠点を改善し、ニア
ネットシエイブ法としての特長を生かせる通常の粉末冶
金法、すなわち圧粉成形し、その後真空下あるいは窒素
ないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で加熱焼結する
ことにより、特性、特に延性に優れた複雑形状の高ケイ
素アルミニウム合金部品を経済的に製造する方法を提供
することを目的とするものである． ［問題点を解決するための手段コ 本発明は従来技術のかかる問題点を解決するため、成形
性、焼結性さらには焼結部品の特性に及ぼす合金元素の
影響、成形条件、焼結条件を詳細に検討した結果達成し
たものであるゆすなわち高ケイ素合金においても、他の
合金元素の含有量を限定し、さらに成形条件、焼結条件
を選定することにより延性の良好なアルミニウム合金粉
末焼結部品を製造できることを見出し達成したものであ
る。より具体的にはＳｉ：１０〜２０ｗｔ％、Ｍｇ：０
．５ｗｔ％以下、Ｃｕ：２ｗｔ％以下、残部実質的にＡ
ｌと不可避的不純物よりなるアルミニウム合金粉に潤滑
剤をＯ。５ｗｔ％〜２ｗｔ％添加し、第１図に工程を示
すように、該混合粉末を圧粉成形した後、真空下、ある
いは窒素ガスないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で
加熱焼結し、溶体化処理、さらに必要に応じて時効処理
することを特徴とする高延性の高ケイ素アルミニウム合
金焼結部品の製造方法に間するものである。

さらに、他の発明は第２図に工稈を示すように、Ｓｔ　
：　１０〜４５ｗｔ％、Ｍｇ：０．５νｔ％以下、Ｃｕ
：２ｗｔ％以下、残部実質的にＡ１と不可避的不純物よ
りなる合金粉に潤滑剤を０．５ｗｔ％〜２ｖｔ％添加し
、該混合粉末を圧粉成形した後、真空下、あるいは窒素
ガスないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲ス中で加熱焼結
後、該焼結体を再圧縮し、次いで真空下、あるいは窒素
ガスないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で加熱再焼
結し、さらに必要に応じて溶体化処理、時効処理するこ
とを特徴とする高延性の高ケイ素アルミニウム合金焼結
部品の製造方法に間するものである。

以下に本発明をざらに詳細に説明する。

まず各合金成分を規定した理由について説明する。

第１の発明において、熱膨張係数を低減するためにはＳ
ｔは１０ｗｔ％以上必要である。　一方、Ｓｔが２０ｗ
ｔ％を越えると粉末の硬度が高くなり、成形性が低下し
、最終的に得られる焼結体の強度、延性が低下する。　
そのためＳ１は１０ｗｔ％以上２０−ｔ％以下とした。

Ｍｇはアルミニウム合金において材料の固溶強化、時効
硬化に寄与する重要な合金元素である。

そのため、例えばＪＩＳ　　Ｈ４０００のＡｌ−Ｓｉ系
展伸材の合金番号４０３２についてはＭｇは０．８〜１
．３ｗｔ％に規定されている。このような理由から粉末
冶金分野でも多くの場合Ｍｇが合金元素として積極的に
用いられる傾向にある。またアルミニウムの真空ロウ付
けの分野ではＭｇの適量の添加はロウ付け性を改善する
ことが知られており、その原因としてＭｇが酸化被膜を
還元する、蒸発するＭｇがアルミニウムの酸化被膜を破
壊する、あるいは雰囲気の酸素をゲッタリングする等の
機構が考えられている．そのような背景を踏まえて、Ｍ
ｇの高ケイ素系Ａｌ合金の圧粉成形焼結材の特性に及ぼ
す影響について詳細に調べた結果、Ｍｇはかえって材料
特性に極めて重大な悪影響を及ぼすことを見出し、Ｍｇ
の合金量を制限することにより特性改善に成功し本発明
に至ったものである．すなわちＭｇが０．５ｗｔ％を越
えると焼結性が極めて悪くなり、粉末粒子間の結合が不
十分となり、焼結材あるいは焼結後の熱処理材で特に引
張試験において伸びが極めて小さくなることが判明した
。

そのためＭｇは０．５ｗｔ％以下に限定した．さらにこ
のようなＭｇの悪影響を軽減するにはＭｇは０．３ｗｔ
％以下にするのが望ましい。なおＭｇは本発明の趣旨か
らして必ずしも添加する必要は無いが、固溶強化、時効
硬化作用により合金の強度を増す作用も持つため、前記
範囲内で添加することは差し支えない． 適当量のＣｕの添加は時効硬化元素として働き材料の強
度の増加に寄与する．　しかしながら、Ｃｕは２ｗｔ％
を越えると粉末の硬度が高くなり成形性を劣化させ、ま
た２ｗｔ％を越えると合金の融点が低下し、そのため焼
結温度を低く設定する必要が生じ、焼結が進みにくくな
り十分な強度延性を有した焼結材が得られないため２ｗ
ｔ％以下に限定した．なおＣｕは本発明の趣旨からして
必ずしも添加する必要は無く、無添加の場合も本特許の
範囲内に含む。

このようなアルミニウム合金粉の製造方法としては大気
アトマイソング法が最も大量生産に向いており経済的な
方法として適している。アルミニウム合金粉末の粒度は
ｌＯＯメッシュ以下が望ましい．また６３５メッシュ以
上が９０％以上であることが望ましい。５０メッシュ以
上の粉末が多いと金型への充填性が悪く、一方６３５メ
ッシュ以下の粉末が多いと流動性を害し、また成形時に
金型の隙間に入り込みカジリを生じやすいため適当でな
い．　なお、アルミニウム合金粉は圧粉成形前に２５０
℃以上５００℃以下で焼鈍処理を施し軟化させることに
より成形性を高めることもできる． 上記合金粉末に添加する潤滑剤の量は０．５ｗｔ％以下
では潤滑効果が不十分であり、２ｗｔ％以上では潤滑効
果が飽和するだけでなく、粉末の流動性を害し、さらに
潤滑剤は焼結時に揮発飛散するため、不必要に焼結炉内
あるいは真空焼結にあっては排気系を汚染するため２ｗ
ｔ％以下とした．ｖＲ滑剤の種類としては、焼結温度以
下で全て揮発飛散し、材料特性に有害な影響の無いもの
が好ましく、特に有効な潤滑剤としてアミド系潤滑剤を
挙げることができる． 成形圧は５トン／ｃｍ’未満では粉末粒子の変形による
粉末粒子間の接触面積の増大と酸化被膜の破壊が不十分
であり、焼結部品で良好な強度延性が得られないため５
トン／ｃｍ’以上で成形するのが望ましい。また、工程
途中の運搬、取扱等に十分耐える強度を成形体に付与す
るためには真密度比は７５％以上にすることが必要であ
る。

アルミニウム合金粉中のＳｉ等の成分元素の含有量が多
い場合粉末の硬さも増加するため、真密度比を７５％以
上にするためには、合金元素量の増加とともに前記成形
圧力の範囲内で成形圧を高めに設定することが望ましい
。

焼結雰囲気については活性なＡ１合金粉末粒子の酸化を
防ぎ十分焼結を進行させるためには真空、窒素ガス雰囲
気あるいはＡｒガス等の不活性雰囲気中で焼結する必要
がある。真空で焼結する場合その真空度は０．１ｔｏｒ
ｒ以下、さらに望ましくは０．０　１　ｔｏｒ　ｒ以下
にするのが良い。また焼結炉の内部を真空置換後、減圧
下で窒素ガス等の不活性ガスを少量流しながら焼結する
ことも、焼結体から発生するガス成分を除去する効果を
高め、焼結部品の材料特性を改善する。なお窒素ガス雰
囲気あるいはＡｒガス等の不活性雰囲気中で焼結する場
合はガスの純度が重要であり、特にガス中に含まれる水
分は焼結部品の特性に悪影響を及ぼすため、露点を十分
低く管理する必要があり、望ましくは露点は−４０℃以
下゜に保つ必要がある．焼結温度は５５０℃より低いと
元素の拡散が不十分であり、粉末同志の焼結が不十分と
なり、一方５８０℃より高いと液相が生成し、昇温とと
もに液相の量が増し部品としての形状を保てないため、
５５０℃以上、５８０℃以下で焼結するのが望ましい．
焼結時間は材料温度が所定の温度に達した後３０分以上
〜５時間以内とするのが望ましい．３０分以下では拡散
焼結が不十分となり、一方、５時間以上では生産性が悪
くなりコスト高となるだけでなく、結晶粒粗大化により
特性が劣化する． 次いで、このようにして得た焼結体を再圧縮することに
より緻密化をはかるとともに寸法精度を高める。この時
の成形圧は十分真密度比を高め、特性を向上するため圧
粉成形のときの成形圧と同等以上の圧力すなわち５トン
／Ｃ−２以上とするのが望ましい． このようにして得られた再圧縮体は一次焼結体中に存在
していたボアが単につぶされた状態になっているだけで
あり、また加工硬化のため延性が不十分なため、次いで
延性を改善するため溶体化処理を行なう．該溶体化処理
の加熱温度は５００℃以上、５５０＠ｃ以下が望ましい
。

さらに必要に応じて強度を上げる目的で時効処理を採用
することも可能である． 時効条件としては温度：　工６０℃〜１８０℃、時間二
　６時間〜１２時間の範囲内から選択するのが望ましい
． ｊｌ２の発明はＳｉ：　　１０〜４５ｗｔ％．　　　Ｍ
ｇ：０．５ｗｔ％以下、−Ｃｕ：２ｗｔ％以下、残部実
質的にＡ１と不可避的不純物よりなる合金粉に潤滑剤を
０．５ｗｔ％〜２ｗｔ％添加し、該混合粉末を圧粉或形
した後、真空下あるいは窒素ガスないしＡｒガス等の不
活性ガス雰囲気中で加熱焼結して一次焼結体を得て、該
一次焼結体を再圧縮後さらに真空下、あるいは窒素ガス
ないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で加熱再焼結し
、さらに必要に応じて溶体化処理、時効処理することを
特徴とする高延性高ケイ素アルミニウム合金粉末焼結部
品の製造方法に関するものである。

この場合は再圧縮再焼結の実施により、より高ケイ素の
合金、従ってより低熱膨張の合金まで延性に優れた部品
の製造が可能となる。しかしながら４５ｗｔ％を越える
と粉末の硬度が高くなり成形性が低下するだけでなく、
経済的なＡｌ合金粉の製造法として一般的に用いられて
いる大スアトマイジング法で合金粉末を製造する場合、
合金が完全に溶解する液相線温度が高くなり粉末の製造
が難しくなるため、Ｓｉ量を４５ｗｔ％以下に限定した
。ＭｇＳＣｕ濃度、潤滑剤の添加量の規定理由は第１の
発明の場合と同じである。また圧粉成形条件、一次焼結
の条件、再圧縮条件についても第１の発明の場合と同じ
条件で実施することができる。

この場合、再圧縮後さらに再焼結を実施することにより
十分焼結が進行するため、より高ケイ素合金まで延性の
優れた焼結部品の製造が可能となる。再焼結の温度、雰
囲気等の条件は一次焼結の時の条件と同じで差し支えな
い．また再焼結後必要に応じて実施する溶体化処理、時
効処理についても第１の発明と同様な条件で実施するこ
とが可能であり、それにより延性あるいは強度を改善す
ることができる。

［発明の実施例コ 以下本発明の実施例について説明する。

（実施例ｌ） 大気アトマイズ法によりＳｉ，Ｍｇ，ＣｕＪ度の異なる
アルミニウム合金粉を溶製し、それらを原料として各合
金粉にアミド系潤滑剤をｌｗｔ％混合し、成形圧７トシ
／　ｃｍ２で、ＪＩＳＺ２５５０に規定されている引張
試験片形状の圧粉成形体を得た後、これらをＯ．Ｏｉｔ
ｏｒｒ以下の真空下で５７０℃で１時間焼結した．次い
でこのようにして得た焼結体を圧力７トン／　ｃｍ２で
再圧縮した後、５３０℃×１時間加熱、水冷することに
より溶体化処理を行なった（質別Ｔ４）．さらに一部の
試験片について１７５℃×８時間の時効処理を行なった
（質別Ｔ６）後、引張試験に供し強度と延性を評価した
。その結果を合金組成とともに第１表に示す。　本発明
例の材料は伸びが大きく、しかも安定して強度も高いこ
とが分かる。特にＭｇの延性に及ぼす悪影響は顕著であ
り、Ｍｇが０．５ｗｔ％以上の材料は伸びが極めて小さ
く、また引張強度も低い。なお、合金Ｎｏ．Ｂ１６０２
５とＢｌ６６２５のＣｕ濃度が２．５ｗｔ％の合金は焼
結温度５７０℃では焼結工程で一部溶融して試験片形状
を保っていなかったため試験不可能であった。

（実施例２） 実施例１の合金粉に加えてさらに高ケイ素のアルミニウ
ム合金粉を大気アトマイズ法で溶製、実施例１と同様に
、それらの合金粉にアミド系潤滑剤を１％混合して成形
圧６トン／ｃｍ２で引張試験片形状の圧粉成形体を得、
５７０℃、０．０１ｔｏｒｒの真空中で１時間焼結後、
成形圧７トン／ＣＩ１２で再圧縮、次いで５７０℃で０
．０１ｔｏｒｒ以下の真空中で１時間再焼結した。焼結
体の一部には溶体化処理（５３０℃×１時間・水冷、質
第１表 ＊印：焼結工程で溶損 別Ｔ４）とさらに時効処理（１７５℃×８時間，質別Ｔ
６）を実施した後、引張試験を行ない強度と延性を評価
した。その結果を合金組或とともに第２表に示す。本発
明の方法によれば高ケイ素の材料においても伸びが大き
く、しかも強度も高いことが分かる．特に実施例１の場
合と同様、Ｍｇの延性に及ぼす悪影響は顕著であり，Ｍ
ｇが０．５一ｔ％以上の材料は伸びが極めて小さく、ま
た引張強度も低い。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、経済的な量産プロ
セスである通常の粉末冶金法すなわち圧粉或形焼結法で
，精密機械部品として充分な延性を有した低熱膨張の高
ケイ素アルミニウム合金焼結部品を製造することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法を示す工程図第２図は本発明
の他の製造方法を示す工程図であ第１図 第２図 アルミニウム合金粉＋潤滑剤 ↓ アルミニウム合金粉＋潤滑剤 ↓ アルミニウム合金部品

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ：１０〜２０ｗｔ％、Ｍｇ：０．５ｗｔ％以
   下、Ｃｕ：２ｗｔ％以下、残部実質的にＡｌと不可避的
   不純物よりなる合金粉に潤滑剤を０．５ｗｔ％〜２ｗｔ
   ％添加し、該混合粉末を圧粉成形した後、真空下、ある
   いは窒素ガスないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で
   加熱焼結後、再圧縮、溶体化処理を施して、さらに必要
   に応じて時効処理することを特徴とする高延性高ケイ素
   アルミニウム合金粉末焼結部品の製造方法。
2. （２）Ｓｉ：１０〜４５ｗｔ％、Ｍｇ：０．５ｗｔ％以
   下、Ｃｕ：２ｗｔ％以下、残部実質的にＡｌと不可避的
   不純物よりなる合金粉に潤滑剤を０．５ｗｔ％〜２ｗｔ
   ％添加し、該混合粉末を圧粉成形した後、真空下、ある
   いは窒素ガスないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で
   加熱焼結後、該焼結体を再圧縮し、次いで真空下、ある
   いは窒素ガスないしＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中で
   加熱再焼結し、さらに必要に応じて溶体化処理、時効処
   理することを特徴とする高延性高ケイ素アルミニウム合
   金粉末焼結部品の製造方法。