JPH0578708A - アルミニウム基粒子複合合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度・高強度で機械的特性や物理的特性、
更に耐摩耗性に優れ、かつ粉末鍛造法の適用によりニア
ネットシェイプ素材を得ることが可能となる形状付与自
由度の高い粒子分散アルミニウム基粒子複合合金の製造
方法を提供することを目的とする。 【構成】 分散粒子を含有するアルミニウム合金溶湯を
アトマイズ法によって粉末化した後、分散粒子の平均粒
径を２０ミクロン以下にした該粉末を粉末鍛造法により
温間成形固化することを特徴とするアルミニウム基粒子
複合合金の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒子分散アルミニウム
基粒子複合合金を粉末鍛造法により製造する方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アルミニウム基粒子複合合金
等のＭＭＣ（金属基複合材料）の製造法には鍛造法と粉
末冶金法の２種があり、鍛造法には長繊維強化法、短繊
維強化法、粒子強化法があり、粉末冶金法には短繊維強
化法、粒子強化法がある。粉末冶金法は鍛造法と比較す
ると、マトリックスの合金の自由度が高くより強度の高
いものが得られ易いこと、鍛造欠陥の巣などがなく信頼
性の高い部品が得られることが特徴である。しかし、何
れの方法でも特性と経済性の十分な合金が得られず、殆
ど実用に供せられていないのが実態である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、強化粒子を
均一分散させたＭＭＣの製造において、従来の分散粒子
の添加手段としては、混合法が経済性に優れ、かつ容易
であり物理的特性値の改善には効果がある。しかし、単
純な混合粉末の場合には分散粒子が旧粉末粒界にのみ存
在する為、分散強化が十分に図りにくく、微細な粒子を
分散する場合には粉末粒子間の結合を阻害するという不
都合な面がある。また、鍛造法による場合でも同様に凝
固時の重力偏析や凝固速度が遅いため、分散粒子が凝固
の遅い部分に移動するために分散状態が不均質となって
しまうことが問題となっていた。

【０００４】以上のように、強化粒子を均一に偏析なく
分布させることはＭＭＣの最大の課題である。また、Ｍ
ＭＣは一般に硬質粒子を分散しているために機械加工性
に劣るので、合金をニアネットシェイプ成形して得るこ
とは要求される部品形状に経済的に加工する上で重要な
課題である。

【０００５】この発明は、高精度・高強度で機械的特性
や物理的特性に優れ、且つ耐摩耗性に優れ、更に粉末鍛
造法の適用によりニアネットシェイプ素材を得ることが
可能となる形状付与自由度の高い粒子分散アルミニウム
基粒子複合合金の製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】ＭＭＣ内に強化粒子を均
一に分散させるためには、粉末粒子内に分散粒子を分散
させることが有効であり、その方法としては、粉末製造
時において分散粒子を含有させた溶湯を粉末化する方法
がある。

【０００７】上記の方法としては、溶湯中にセラミック
ス粒子を分散させた溶湯をアトマイズ法により粉末化す
る方法がある。セラミックス粒子を均一に含有する溶湯
は、商品名DURALCANなどの溶解鍛造法による粗大粒子分
散強化インゴットを溶解したり、溶湯を誘導溶解法など
で撹拌することで偏析を防止することが可能である。ア
トマイズは通常のガスまたは空気アトマイズ法で行なう
ことで可能であるが、セラミックス粒子を含有するため
に溶湯の粘度が高くまた溶湯流れを絞ると粒子の滞留な
どを生じるので太いノズルから流出させ比較的粗粉末に
アトマイズすることが必要である。このような複合アト
マイズ粉末の製法は特開昭６３−１２９２７号などに記
載されている公知の方法で可能である。

【０００８】このようにして得られた粉末は、含有され
ていた分散粒子が均一に分散しており、該粉末を粉末鍛
造して、微細な強化粒子を均一に偏析なく分布したアル
ミニウム基粒子複合焼結合金を製造することが可能とな
る。

【０００９】又、粉末内に粒子を分散しておけば、旧粉
末粒界上に分散粒子が存在しないため、粉末の結合を妨
げることがなく熱間押出法のような強力なせん断加工を
加えずとも、粉末鍛造法の適用によりニアネットシェイ
プ素材を得ることが可能となり、形状付与自由度の高い
アルミ合金となる。

【００１０】即ち、この発明は、分散粒子を含有するア
ルミニウム合金溶湯をアトマイズ法によって粉末化した
後、分散粒子の平均粒径を２０ミクロン以下にした該粉
末を粉末鍛造法により温間成形固化することを特徴とす
るアルミニウム基粒子複合合金の製造方法である。

【００１１】又、この発明は、前記アルミニウム合金溶
湯組成が、Ｓｉを４．０〜４０．０重量％，Ｍｇを０．
２〜４．０重量％を同時に含有し、さらに必要に応じて
Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒの内から選
ばれた１種類以上の成分を１０重量％以下含有し、残り
が実質的にアルミニウムからなるものである。

【００１２】又、この発明は、前記複合粉末が、金属間
化合物、炭化物、酸化物、窒化物、ほう化物、硅化物の
内から選ばれた少なくとも１種以上の粒子を２〜４０体
積％含有しているものである。

【００１３】又、この発明における粉末鍛造法は、アル
ミニウム合金粉末を必要に応じて２００〜４５０℃の温
度域で焼鈍した後に、冷間で密度比７０％以上に圧縮成
形し、この成形体を４００〜５５０℃の温度域で真密度
比９９％以上に成形固化するものである。

【００１４】更に、この発明方法により得られるアルミ
ニウム基粒子複合合金は、引張強度が３５kg/mm²以上、
破断伸びが１％以上、衝撃値が０．４kg・m/cm²以上とす
る。

【００１５】

【作用】以下、この発明の組成及び製造条件の範囲限定
の理由を説明する。

【００１６】まず、原料粉末中に予めセラミックス粒子
を含有させておくと分散物の凝集や偏析がなく分散状態
の均一度が高い。原料粉末にセラミックス粒子を含有さ
せる方法としては、溶湯中にセラミックス粒子を分散さ
せた溶湯をアトマイズ法により粉末化する方法があり、
このアトマイズ方法には、噴霧媒としてエア或はヘリウ
ムや窒素等の不活性ガスを用いるガスアトマイズ法や回
転円盤アトマイズ法等があるが、エアアトマイズ法が一
般的である。

【００１７】溶湯の合金成分については、Ｓｉは、熱膨
張率を下げヤング率・硬度・強度及び耐摩耗性を高める
に効果ある成分である。Ｓｉ添加量が４．０重量％以下
ではこの効果は小さい為、本発明では添加下限量を４．
０重量％とした。Ｓｉ添加量が共晶組成の４０重量％を
越えると、初晶Ｓｉが生成され焼結時に粗大化し靭性を
損なうため、上限を４０重量％とした。

【００１８】Ｍｇは、粉末表面で若干量が酸素と結合し
酸化膜を形成し、固化時の表面酸化膜の分断を助長する
働きがある他、Ｓｉと共に存在すると、溶体化・時効処
理を施すことにより機械的特性が改善できる。Ｍｇ量が
０．２重量％以下であるとその効果が不十分となり、
４．０重量％を越えると粉末鍛造体の強度が劣化する。

【００１９】又、素地の強度や素地の硬度を上げて耐摩
耗性を改善したり、耐熱性の改善を図るために、Ｃｕ，
Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ等を有効に含有さ
せる事が可能である。但し、添加の総量が１０重量％を
越えると合金の靭性が低下するほか成形時の圧縮性が悪
化する。

【００２０】分散粒子としては複合化することで熱膨張
率・剛性・強度・耐摩耗性等が改善できるものであれば
よく、加熱により分散や拡散もしくは凝縮成長してはな
らない。このために選ばれる粒子は一部の金属間化合物
（遷移金属アルミナイド、遷移金属間化合物）、炭化物
（アルミカーバイド、シリコンカーバイド、チタンカー
バイド、ボロンカーバイド等）、酸化物（アルミナ、シ
リカ、ムライト、酸化亜鉛、イットリア等）、窒化物
（アルミナイトライド、窒化珪素、チタンナイトライ
ド）、ほう化物（チタンボライド）、硅化物（モリブデ
ンシリサイド）等である。

【００２１】粒子の大きさは、分散強化を目的とした場
合０．１〜１μｍ程度が、複合効果を狙った場合は１〜
１０μｍ程度が、耐摩耗性改善には５〜２０μｍ程度が
望ましい。粒子の平均粒径を２０μｍ以下としたのは、
これより大きくなると成形固化時の加圧によりセラミッ
クス粒子が割れて欠陥となったり、固化体において応力
負荷時に欠陥として働き低靭性や低延性の原因となり、
２０μｍ以下であることが望ましい。

【００２２】もちろん複数種類や粒度分布をもたせた粒
子を分散させることもできる。分散量が２体積％以下で
あると粒子を添加した効果が得られず、４０体積％を越
えると圧縮性が悪化するほか被削性や靭性が劣るため添
加範囲は２〜４０体積％とした。

【００２３】粉末の粒度は流動性、成形性、焼結性等の
各観点から最適分布があるが、通常は３００μｍ以下が
良く、望ましくは１５０μｍ以下を使うと良い。

【００２４】粉末の成形性や圧縮性を改善するため、必
要に応じて粉末を２００〜４５０℃で焼鈍処理してこれ
らを改善させる。焼鈍の温度が２００℃未満では大きな
改善効果がなく、４５０℃以上では粉末の酸化等の問題
があるため、焼鈍の温度範囲は２００〜４５０℃とし
た。焼鈍の保持時間は特には必要なく、目標温度に達す
れば効果は充分であるが、処理の均一性を確保する場合
は３０〜６０分の加熱を施すと良い。

【００２５】粉末は、まず冷間成形により粉末成形体と
するが、この際成形密度比が７０％未満であると成形体
強度が低くなるため密度比は７０％以上と定めた。成形
は温間でする事も可能であるが通常は冷間で行なう。

【００２６】成形体は固化温度に加熱される。加熱雰囲
気は、昇温過程中に粉末表面の吸着水分を充分に除去
し、焼結の妨げとなる酸化膜の成長を抑えるために、Ｎ
₂ ガス、Ａｒガス、真空等の非酸化性雰囲気中にて露点
が０℃以下、望ましくは−３０℃以下の低水蒸気分圧下
で焼結する必要がある。加熱温度域は４００〜５５０℃
で、４００℃以下では、粉末の変形抵抗が大きく、高い
固化圧力が必要となり設備的負荷が大きくなるほか、固
相拡散が充分進行しない。５５０℃を越えると組織が粗
大化し機械的特性が劣化する。

【００２７】粉末固化体は、必要により熱処理を施し、
引張強度３５kg/mm²以上、破断伸びが１％以上、衝撃値
が０．４kg・m/cm²以上の強度を確保する。

【００２８】

【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。

【００２９】表１に示す合金組成（重量％）からなる３
つの溶湯Ａ，Ｂ，Ｃに、表２に示す平均粒径の分散粒子
を含有させてエアアトマイズ法により粒径が５〜３００
μｍの粉末を製造した。この粉末を用いて、面圧４ｔ／
cm² でφ１２０−φ６０×５０mmの円柱タブレットを成
形し密度比が７５％の成形体を作製し、炉内温度４８０
℃で露点が−１０℃のＮ₂ ガス中で加熱後に面圧６ｔ／
cm² で粉末鍛造し固化した。固化体は４８０℃で溶体化
処理した後、１７０℃×１０Ｈｒの時効処理を施した。
図１にNo. 及びNo. の複合材組織写真を５００倍の
倍率で示した。又、比較材として従来の混合方法により
製造した複合材及び鍛造複合材を得て、本発明による成
形体と共にその固体化特性を表２で示した。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明により、高精度・
高密度で機械的特性や物理的特性に優れ且つ耐摩耗性に
優れたアルミニウム複合合金を製造することができ、従
来鉄やチタンが用いられていた各種機械部品や摺動部品
などに必要な機械的強度や物理的特性（ヤング率等）を
アルミニウム合金で実現することができるので、アルミ
ニウム化による軽量化が、自動車をはじめ家電・事務機
・ロボットなど広範な用途で可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明方法により得られたアルミニウム合金
試料No. 及びの複合材組織写真である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分散粒子を含有するアルミニウム合金溶
   湯をアトマイズ法によって粉末化した後、分散粒子の平
   均粒径を２０ミクロン以下にした該粉末を粉末鍛造法に
   より温間成形固化することを特徴とするアルミニウム基
   粒子複合合金の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のアルミニウム合金溶湯組
   成が、Ｓｉを４．０〜４０．０重量％，Ｍｇを０．２〜
   ４．０重量％を同時に含有し、さらに必要に応じてＣ
   ｕ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒの内選ばれた
   １種類以上の成分を１０重量％以下含有し、残りが実質
   的にアルミニウムからなることを特徴とするアルミニウ
   ム基粒子複合合金の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の複合粉末が、金属間化合
   物、炭化物、酸化物、窒化物、ほう化物、硅化物から選
   ばれた少なくとも１種以上の粒子を２〜４０体積％含有
   していることを特徴とするアルミニウム基粒子複合合金
   の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の粉末鍛造法が、アルミニ
   ウム合金粉末を必要に応じて２００〜４５０℃の温度域
   で焼鈍した後に、冷間で密度比７０％以上に圧縮成形
   し、この成形体を４００〜５５０℃の温度域で真密度比
   ９９％以上に成形固化することを特徴とするアルミニウ
   ム基粒子複合合金の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載のアルミニウム基粒子複合
   合金が、引張強度が３５kg/mm²以上、破断伸びが１％以
   上、衝撃値が０．４kg・m/cm²以上であることを特徴とす
   るアルミニウム基粒子複合合金の製造方法。