JPH0472002A - Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末焼結部品用の原料粉末および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】 ［産業上の利用分野コ 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Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末
焼結部品の製造方法に関する。

［従来の技術及び解決しようとする課Ｂ］最近、事務機
器、コンピュータ関連機器の分野では、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Ａｌ合金製部品の利用が増えつつある。これ
らの用途では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いう
要請がある１本発明は以上のような用途に利用可能な低
熱膨張のＡｌ−Ｓｉ系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、低熱膨張のＡｌ−Ｓｉ系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、また型抜きのためテーパーをつける必要があり、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＠遣欠陥のため、特性面で信頼
性に欠けるといった問題が存在した。

別の方法としては、溶製インゴットを出発原料とした展
伸材を素材とし、旋盤等による機械加工で製造する方法
も採用されている。しかしながらインゴットの鋳造時に
偏析が起りやすく、またＳｌ量の増加とともに粗大な初
晶Ｓｉが析出し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１７Ｍｔ％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、ニアネントシェイ
プ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。

粉末を金型成形しそれを焼結する通常の圧粉成形焼結法
は、単純なプロセスでニアネットシェイプ部品が製造で
きるため、特にコスト面で大きな利点をもっている。し
かしながらＡｌ−Ｓｉ系合金粉末は硬質で成形圧縮性が
悪く、そのため成型体を十分緻密化できず、また融点が
低いため焼結温度を十分高めることができず、そのため
焼結を十分進行させることが難しい、そのため従来、水
沫では十分な機械的性質、特に延性の良好な部品を得る
ことができなかった０例えば本出願人の提案した特開昭
５３−１２８５１２号公報による手法もその一つである
が、本発明者らの実験によれば強度的にはかなり良好な
特性が得られているものの延性については十分満足でき
る特性とは言えない。延性は材料の信頼性に関わる重要
な指標で、例えば、往復運動をするアーム状部品、比較
的大きな荷重がかかる部品などについては、従来の焼結
合金では延性が低いことがら十分な信頼性が得られず、
適用できない場合があった。

良好な機械的性質を得る為に、圧粉成形焼結法でまずプ
リフォームを得、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、粉末鍛造法ではプリフォームのｇｔ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。

また、Ａｌ−Ｓｉ系合金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
り粉末表面の酸化被膜を十分な破壊と金属同志の接触を
はかり、特性を向上させる手法も提案されている。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、しが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。（例えばアルミニウム粉末冶金研究開発成果
発表会テキスト、ｒアルミニウム粉末冶金のすべて」、
アルミニウム粉末冶金技術研究組合、　（１９８９）、
第３０回シンポジウム、「最近のアルミニウム合金の粉
末冶金技術」、軽金属学会（１９８７）参照、） 本発明は、上記のような従来技術の欠点を改善し、ニア
ネットシェイプ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
ないしアルゴン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、機械的性質、特に延性に優れた複雑形
状のＡｌ−Ｓｉ系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。

［課題を解決するための手段］ 本発明は従来技術のがかる問題点を解決するため、粉末
の成形性、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。

即ち、従来公知の特開昭５３−１２８５１２では主たる
原料粉末としてＡｌ−Ｓｉ合金粉末を用いているのに対
して、本発明では主たる原料粉末として適当量のＣｕを
あらかじめ合金化させたＡ　ｌ　−Ｓ　ｉ　−Ｃｕ合金
粉末（Ａ）に、Ｍｇを単体あるいは母合金粉末（Ｂ）と
して配合した粉末を用いる。さらにその原料粉末に適し
た成形条件、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
出したものである。以下に本発明をさらに詳細に説明す
る。

始めに最終合金組成について述べる。

Ｓｌは熱膨張率を低減するために添加する。その場合Ｉ
Ｑ＋ｉｔ％以上必要で、最終焼結部品に求められる熱膨
張率に応じて決定される０反面、３５−七％を越えると
後述の理由から最終的に実用に耐えうる機械的性質をも
った焼結体が得られなくなる。そのためＳｉは１０〜３
５ｗｔ％とした。

Ｍｇは固溶強化、さらにＳｉとの共存下で時効硬化に寄
与する重要な元素である。しかしながら過剰の添加は延
性、靭性を低下させるためその量は０．２〜２．Ｑｉｉ
ｔ％とした。

Ｃｕも材料の強度増加に寄与する時効硬化元素として重
要である。これも過剰添加による特性低下を招かない範
囲で０．２〜４．０ｗｔ％とした。

次にこれら最終合金組成に至る原料粉末の組成と配合に
ついて述べる。

本発明の原料粉末は２種類の粉末が配合されている。そ
のうちの一方は原料粉末の８０賀し％以上を占める主た
る原料粉末（Ａ）、他方はＭｇ粉末（Ｂ）あるいはその
他の母合金粉末（Ｂ）である。

始めに主たる原料粉末（Ａ）について説明する。

主たる原料粉末（Ａ）はＳｉ　：　１０〜３５−Ｌ％、
Ｃｕ　：　０．２〜２．０ｗｔ％をｔみ、残部がＡｌか
らなり、Ｍｇは不純物レベルの中でも出来るだけ少なく
押えることが望ましい。

Ｓｉは熱膨張率を低減するために１０〜し％以」ニ必要
で、Ｓｉ量の増加に伴って熱膨張率は直線的に低下する
。しかしながら３５ｗｔ％以上になると、硬質なＳｉ品
が増加し相対的に軟質なＡｌマトリクス相が減少するた
め、粉末の成形圧縮性が著しく悪化し、緻密な成形体が
得らなくなり、最終的に良好な機械的性質を有する焼結
部品を製造する事ができなくなる。そのためＳｉは１０
〜３５畦％とした。

Ｃｕは材料の強度の増加に寄与する時効硬化元素として
重要である。さらに本発明者らが調べた結果、適当量Ｃ
ｕが合金化された粉末は後述のＭｇの場合とは逆に焼結
を促進することが判明した。そこで主たる原料粉末であ
るＡｌ−Ｓｉ合金粉末にＣｕを合金化することにした。

しかしながらそのＣｕの量は、２ｗｊ％を越えると合金
の融点が低下し焼結温度をより低く設定する必要が生じ
、そのため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くなる。また粉末が硬質になるため
成形圧縮性が悪化し、ｍ密な成形体が得られず、最終的
に良好な機械的性質を有する焼結部品を製造する事が困
難になる。これらの理由から合金化するＣｕの量は２〜
Ｌ％以下に限定した。

さらに主たる原料粉末（Ａ）は２種以上の異なる粉末を
混合して用いることができる。これは例えば、Ｓｉ量の
異なる（Ａ）粉末を混合することによりＳｉ量を調節し
、求める熱膨張率を得ることができる。

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元素であり、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は性
を改善することが知られている。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。それに対し、本発明者らがＭ
ｇの影響について詳細に調べた結果、Ｍｇはその添加方
法によっては逆に重大な悪影響を及ぼすことを見出した
。即ち、あらかじめＭｇを合金化した粉末は良好に焼結
せず、その焼結材についてはほとんと伸びが得られない
ことが判明した。そこで主たる原料粉末（Ａ）にはＭｇ
を合金化せず、そして必要量のＭｇは単体粉末あるいは
母合金の形で添加することにより主たる原料粉末（Ａ）
の焼結を進行させ、特性を改善することに成功した。

次にＭｇ粉（Ｂχあるいはその他の母合金粉末ＣＢ）に
ついて説明する。

これらの粉末を用いる目的は、上述の理由から主たる原
料粉末（Ａ）にあらかじめ添加しておくことができない
Ｍｇを供給することと同時に、焼結中に適当量の液相を
生じさせ、いわゆる液相焼結により焼結を進行させるこ
とにある。

Ａｌ−Ｓｉ系合金は低融点の共晶をつくるため焼結温度
を十分高くすることができず、そのため拡散・焼結を十
分に進行させてやることが難しく１゜本発明ではこの問
題を解決すべく液相焼結を利用している。即ち、自ら低
融点でありまた主たる原料粉末（Ａ）との反応でより低
融点の共晶を作る粉末（Ｂ）を一部混合してやることに
より焼結中に適当量の液相を生じさせ、その濡れ広がり
を利用し焼結を進行させるものである。

このとき液相の量が少ないと効果が無し１が多（１と発
汗現象などが起り焼結部品としての形状を保てなくなる
。従って良好な液相焼結を行なうため、粉末（Ｂ）は原
料粉末の２０ｖｔ％未溝の配合率とし、またその融解開
始温度は４５０〜５５０℃が望ましい。

ここで粉末（Ｂ）の具体的内容として特許請求項にある
（ａ）〜（ｉ）粉末の利点、選択理由について述べる。

（ａ）Ｍｇ粉末は粉末が軟質で原料粉末の成形圧縮性を
悪化させない利点がある。それに対しくｂ）Ａｌ−Ｍｇ
粉末および（ｄ）Ａ　ｌ　−Ｍ　ｇ　−Ｓ　ｉ粉末はＡ
ｌ、Ｓｉと合金化させることにより（ａ）粉末より融解
開始温度を低く調整でき、また粉末の量、即ち焼結初期
に現れる液相の量をより多くできる利点がある。（ｃ）
Ａｌ−Ｃｕ粉末、（ｅ）Ａ　Ｉ　　Ｃｕ−Ｓｉ粉末はＣ
ｕの添加を目的としたもので（ａ）、（ｂ）、（ｄ）粉
末と組合せて使用する。これは単体Ｃｕは融点が高く液
相生成のための共晶反応が生じにくく、本発明による焼
結条件下では十分拡散均一化させることが困難なため、
Ａｌ、Ｓｉと合金化させ焼結中速やかに液相を生成し濡
れ広がるよう工夫したものである。（ｈ）Ｍ　ｇ　−Ｃ
ｕ粉末は組成を選べば母合金を一種類で済ますことがで
き、原料粉末の製造工程を簡便化できる。さらに（ｆ）
Ａ　ｌ　−Ｍ　ｇ　−Ｃｕ粉末、（ｇ）Ａｌ−Ｍｇ−Ｃ
ｕＳｉ粉末、（ｉ）Ｍｇ−Ｃｕ−Ｓｉ粉末は（ｈ）粉末
の組成にＡｌ．Ｓｉを添加することによりその融解開始
温度を調節し、また配合量も調整できるようにしたもの
である。さらに活性なＭｇの含有量が多く比重差が大き
い金属を合金化する、といった点で製造がやや難しかっ
た（ｈ）粉末の難点を改善したものである。

またさらに細かく液相の発生量を調整する、あるいは市
場において入手しやすい組成の粉末を利用しそれらを組
合せて最終合金組成に調整するといった目的から２種以
上のＣＢ）粉末を混合し用（することも可能である。

さて、これら原料粉末の粒度は５０メツシュ以下６３５
メツシュ以上が９０％以上であることが望ましい。これ
は５０メツシュ以上の粉末が多いと金型への充填性が悪
く、一方６３５メツ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。

さらにこれら合金粉末を加熱焼鈍し軟化させ、粉末の成
型圧縮性を向上させることもできる。

また上記合金粉末に潤滑剤を混合してもよい。

その量は０．５ｗｔ％以下では潤滑効果が不十分であり
、２〜Ｌ％以上では潤滑効果が飽和するだけでなく、粉
末の流動性、成型性を害し、さらに潤滑剤は焼結時に揮
発飛散し、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０゜５〜２ｗｔ％が望ましい、
１ｇｌ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い、そ
ういった点からは金属塩系の潤滑材（例、ステアリン酸
亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸アルミニウ
ムなど）よりもアミド系潤滑材が盟ましく、例えばエチ
レンビスステアロアマイド等を挙げることができる。

次に製造条件について述べる。

成形圧は２　ｔｏｎ／ｃｍ２末満では成形体の緻密化が
足りず粉末同士の接触が不十分で、良好な焼結体強度・
延性が得られない、従って２　ｔｏｎ／ｃ＋＋２以上で
成形する必要がある。さらに成形体の密度を上げるため
より高い圧で成形する場合、金型の寿命。

ラミネーションの発生、金型へのカジリ等の問題があら
れれてくる。そのため実操業上８　ｔｏｎ／ｃｍ”を越
える成形圧は不適である。

さらに原料粉末を７０℃〜２５０”Ｃに加熱した状態で
成形することにより成形体をよりＷ＆密化することも可
能である。

焼結雰囲気については活性なＡｌ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
気あるいはアルゴン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Ｑ　、ｌ
　ｔｏｒｒ以下、望ましくは○、Ｑ　ｌ　ｔｏｒｒ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、焼結体力）ら発生するガス成分を除去する効果
を高める。なお窒素ガス雰囲気あるいはアルゴンガス等
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
、望ましくは露点は一４０℃以下に保つ必要がある。

焼結温度は５００℃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、方５７０℃より高
いと多量の液相が生成し、昇温とともに部品形状を保て
ないため、５００℃以上、５７０℃以下で焼結するのが
望ましい。

またこうして得られた焼結体を再圧縮することにより組
織を緻密化し機械的性質をより向上させることができる
。一般に再圧縮では寸法だしくサイジング）を目的とす
る場合が多くそれと併せて再圧縮条件を選定するが、通
常は３〜１１　ｔｏｎ／ｃＩ２の範囲の再圧縮圧とする
。

さらに再焼結することにより機械的性質、特に延性を改
善することができる。再圧縮により緻密化した組織を再
度焼結することにより拡散・焼結を一層進行させること
ができる。その際の条件は基本的には焼結の場合と同様
である。

またこれら焼結体の合金成分であるＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉは
本来熱処理により機械的性質の向上に寄与するものであ
る。したがって通常のＡｌ合金同様、溶体化−時効熱処
理を施しその機械的性質を調整、向上させることは有効
である。

［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１） 大気アトマイズ法により作成し１００メフシユ〜３２５
メフシユに篩分した表１に示す合金粉末（Ａ）？と表２
に示す純Ｍｇ粉あるいは合金粉末（Ｂ）とを、その配合
組成がほぼＡｌ−１２％Ｓｉ−１％Ｃｕ−０，５％Ｍｇ
となるように表３に示す割合で配合し、さらに潤滑剤と
してアミド系潤滑材を１１１Ｌ％配合し原料粉末とした
。これをＪＩＳ　２２５５０の引張試験片形状に成形圧
４　ｔｏｎ／ｃｍ”で成形し。

それをＯ，０１ｔｏｒｒの真空下、５５０℃で焼結した
。この焼結体にＴ４Ｐ！、処理を施し、引張試験に供し
た。その結果を表３に示す。また本発明に対する比較例
を併せて示す。

（実施例２） 大気アトマイズ法により作成し１０（ｌフシュ〜３２５
メフンコに篩分した表１に示すＡ２〜Ａ４と表２に示す
合金粉末Ｂ６とを所定の割合で配合しさらにアミド系潤
滑剤を１１１Ｌ％合し原料粉末とした。

これを実施例１と同条件で成形−焼結−熱処理し引張試
験に供した。その結果を表４に示す。また本発明に対す
る比較例を併せて示す。

（実施例３） 実施例１および実施例２にある焼結体の一部について、
焼結後５　ｔｏｎ／ｃｍ２で再圧縮し、さらに焼結と同
条件で再焼結した。この焼結体にＴ４熱処理を施し、引
張試験に供した。その結果を８４に示す。

また本発明により作成した焼結合金のＳｉｆｔと熱膨張
率の関係を第１図に示す。図中、黒丸印はＡｌ−Ｓｉ−
Ｃｕ合金粉末のＳｉ量をはじめから最終目的のＳｉ量に
調整した場合、白丸印はＳｉ量の異なるＡｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ合金粉末を組合せて最終目的のＳｉ量よした場合であ
る。

実施例１の結果、表３から明らかなように、本発明によ
るＡｌ−Ｓｉ系焼結合金は良好な引張強度と著しい伸び
を示し、実用材料として十分な特性を有している。特に
伸びは非常に優れている。

比較例１は主たる原料粉末にＣｕ、Ｍｇを含まないＡｌ
−Ｓｉ合金粉末を用いた場合で、特に伸びの点で本発明
に劣っている。主たる原料粉末がＣｕを含まないＡｌ−
Ｓｉ合金粉末の場合、特に十分な延性が得られない。

比較例２は主たる原料粉末にＭｇが含まれるＡｌ−８１
−Ｍｇ合金粉末場合で、良好な特性が得られない。主た
る原料粉末に含まれるＭｇの悪影響が表われている。

比較例３は主たる原料粉末にＭｇとＣｕが含まれるＡｌ
−５Ａｌ−Ｓｉ−ｋＡ合金粉末を用いた場合で、これも
良好な特性が得られない、主たる原料粉末に含まれるＭ
ｇはＣｕと同時に添加しても悪影響を及ぼしている。

比較例４は粉末（Ｂ）を使用せず必要なＣｕ、Ｍｇをす
べてあらかじめ合金化した粉末を原料とした場合で、こ
れも良好な特性が得られない、粉末（Ｂ）による液相焼
結の効果が作用しない場合の例である。

実施例２ではＳｉ量を２０％、３０％とした場合、また
Ｃｕ量を２％まで増やした場合の特性を示す。

Ｓｉ量が増えるとその機械的性質、特に伸びは大きく低
下している。２０％程度までは本工程でもある程度実用
になる材料特性が得られているが３０％に達するとそれ
は困難になってくる。さらに比較例５に示すＳｉ量４Ｑ
％の場合では伸びが０％と実用に耐えられないものとな
っている。

実施例３では再圧縮、再焼結により機械的性質がさらに
改善されている。これは特にＳ】量が多い場合に有効で
、本工程により３０％８１合金でも良好な特性が得られ
ている。

第１図より本発明による焼結合金は低熱膨張率を有し、
また熱膨張率はＳｉ量の増加に伴って直線的に低下して
いる。さらにＳｉ量の異なる合金粉末を混合することに
よりＳｉｆｆｉを調節した場合も同様の熱膨張率を示し
、この手法により熱膨張率を任意に調節できることがわ
かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結合金中のＳｉｆｆｉと熱膨張係数との関係
を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）Ｓｉ：１０〜３５ｗｔ％、Ｃｕ：０．２〜２ｗｔ％
   を含み残部が不可避的不純物を含むＡｌからなるＡｌ−
   Ｓｉ−Ｃｕ合金粉末。 ２）請求項第１項記載の粉末に、混合粉末の成分組成が
   Ｃｕ：０．２〜４．０ｗｔ％、Ｍｇ：０．２〜２．０ｗ
   ｔ％、Ｓｉ：１０．０〜 ３５．０ｗｔ％、残部Ａｌとなるよう、 （ａ）Ｍｇ粉末 （ｂ）Ａｌ−Ｍｇ粉末 （Ｃ）Ａｌ−Ｃｕ粉末 （ｄ）Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ粉末 （ｅ）Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ粉末 （ｆ）Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ粉末 （ｇ）Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｓｉ粉末 （ｈ）Ｍｇ−Ｃｕ粉末 （ｉ）Ｍｇ−Ｃｕ−Ｓｉ粉末 上記（ａ）〜（ｉ）のうちから選ばれた一種以上の粉末
   を２０ｗｔ％末満の配合率で添加配合したＡｌ−Ｓｉ系
   合金粉末焼結部品用原料粉末。 ３）請求項第２項記載の混合粉末を２〜８ｔｏｎ／ｃｍ
   ＾２の加圧力で圧粉成形した後、圧粉体を非酸化性雰囲
   気において５００〜５７０℃の温度範囲で焼結すること
   を特徴とするＡｌ−Ｓｉ系合金粉末焼結部品の製造方法
   。