JPH059506A - アルミニウム合金の粉末鍛造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平面部の靱性を改善したアルミニウム合金粉
末鍛造製品を得る。 【構成】 アルミニウム合金粉末を鍛造して平面部を含
む形状の部材を得る工程中、一次熱間鍛造工程１０にお
いて平面部を平面のまま鍛造して得た一次鍛造体１４の
平面に該当する鍛造面（断面１４ａ）に、二次熱間鍛造
工程１８において熱間鍛造により凹凸を形成して二次鍛
造体２２（断面２２ｂ）を得る。次いで二次鍛造体２２
の凹凸鍛造面が所定平面になるように三次（最終）熱間
鍛造工程２６において熱間鍛造を加えて三次鍛造体３０
（断面３０ｃ）を得る。 【効果】 平面部の合金粉末相互の結合が強固になり、
靱性が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、急冷凝固アルミニウム
合金粉末を用いるアルミニウム合金の粉末鍛造方法に関
し、更に詳しくは、平面部の靱性を改善した鍛造製品を
得るためのアルミニウム合金の粉末鍛造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、急冷凝固粉末を利用したアルミニ
ウム合金が、溶製材では得られない優れた耐摩耗性、耐
熱性、強度などを有するとして注目され、広く研究され
ている。しかし、アルミニウム又はアルミニウム合金は
極めて酸化され易いことから粉末表面に酸化被膜が形成
されるため、通常のプレス成形焼結法では焼結が進行し
にくく、所望の強度が得られない。

【０００３】このため、急冷凝固アルミニウム合金粉末
の固化には、粉末ビレットを熱間押出しして強加工し、
粉末を塑性変化させて表面の酸化被膜を破壊し、これに
より粉末間に金属接触を生じさせる方法により所定の強
度を得ることが一般的に行われている。

【０００４】しかし、この方法では、材料特性としては
優れるものの、横断面が一定な棒状又は板状素材しか製
造できず、これらの素材から機械部品のような種々の形
状の物品を製造するには、更に鍛造や機械加工を施す必
要があり、コスト高となることは避けられない。

【０００５】この対策として、粉末成形体を直接熱間鍛
造して最終形状に近い部品を製造する方法が提案されて
いる（特開昭６３−６０２６５）。この方法によると、
少なくとも２回の熱間鍛造を施すことにより確かに最終
形状に近い部品を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、個々の粉末の
変形量が場所によって異なり、特に最終形状が平面にな
る部分では、粉末の変形量が少ない傾向にあるので、粉
末表面の酸化被膜が十分に破壊されず、したがって粉末
相互の結合が不十分となる。このためこの平面部分の靱
性が部分的に他の箇所より低くなり、衝撃値が下がって
使用時にクラックが生じ易い等の問題があった。

【０００７】本発明は、この最終形状の平面部分の靱性
を改善した鍛造製品を得ることを目的とするアルミニウ
ム合金の粉末鍛造方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明が提供
する請求項１の方法は、急冷凝固アルミニウム合金粉末
を少なくとも２つの熱間鍛造行程により結合固化させて
平面を含む所定形状の部材を製造するアルミニウム合金
の粉末鍛造方法において、前記少なくとも２つの熱間鍛
造工程の内の最後の工程以外の少なくとも１つの熱間鍛
造工程は、前記部材の前記平面の各々に該当する鍛造面
に熱間鍛造により凹凸を形成する過程を有し、前記少な
くとも２つの熱間鍛造行程の内の最後の行程は、前記凹
凸を形成した鍛造面を最終的に所定平面になるように熱
間鍛造する過程を有するようにしたことを特徴とするア
ルミニウム合金の粉末鍛造方法である。

【０００９】又、請求項２の方法は、前記凹凸を形成す
る過程が、前記凹凸中の互いに隣接する凹部と凸部との
段差寸法を 0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲とし且つ凹部
とこれに隣接する凸部とを 0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下の範
囲の半径の円弧により滑らかに接続するように前記凹凸
を形成することを特徴とする請求項１記載の方法であ
る。

【００１０】

【作用】上記のように、最後の熱間鍛造行程に先立つ熱
間鍛造行程において、アルミニウム合金粉末鍛造材の、
最終形状が平面である部分に凹凸を形成した後、最後の
熱間鍛造行程において最終的に平面状に鍛造するので、
この部分の粉末の変形量が十分多くなり、粉末表面の酸
化被膜が破壊され粉末相互の結合が強固なものとなる。

【００１１】

【実施例】本発明者らは、上記の課題を解決するために
種々研究の結果、少なくとも２つの熱間鍛造行程の内の
最後の行程以外の少なくとも１つの熱間鍛造行程におい
て、最終外形形状が平面である部分にあらかじめ意図的
に凹凸を形成した後、最後の熱間鍛造行程において最終
的に平面状に鍛造すればこの課題が解決されることを見
い出した。

【００１２】すなわち、最終外形形状が平面である部分
に凹凸を付けずに初めから平面のまま鍛造すると、この
部分の粉末は単純に押し潰されるのみで粉末表面の酸化
被膜は十分に破壊されないが、中間の熱間鍛造行程で一
旦凹凸を形成してから最終的に平面状に熱間鍛造すれ
ば、この部分の粉末の変形量が十分多くなり、粉末表面
の酸化被膜が破壊され粉末相互の結合が強固なものとな
って、靱性が改善されるのである。

【００１３】尚、この凹凸は、熱間鍛造行程以前の、圧
粉成形行程の段階で形成しても、この段階での成形体の
理論密度比が８０％前後であるため粉末の変形をあまり
伴わない。又、ここで形成した凹凸を、これに続く成形
体の密度を高めるのが主目的である第一次熱間鍛造行程
で平面状に鍛造しても、粉末そのものの変形はやはり多
くない。したがって、酸化被膜も破壊されず、凹凸形成
の効果は少ない。すなわち、本発明に係る平面部への凹
凸形成の過程は、熱間鍛造行程に適用して初めて効果が
得られるものである。

【００１４】上記凹凸の段差及び隣接する凹部と凸部と
の接続部の数値についてその範囲を限定する理由を次に
説明する。最終形状において平面となる部分に上記の凹
凸を形成する段階では、この部分は上に述べたように、
まだ靱性が低い状態にあるので、段差が３ｍｍを超え、
又は凹凸接続部の円弧半径が 0.5ｍｍ未満であるような
凹凸を形成した場合には、凹凸部分にクラックが入り易
くなる。

【００１５】一方、段差が 0.5ｍｍ未満、又は凹凸接続
部の円弧半径が３ｍｍを超えるような凹凸を形成した場
合には、所定の粉末変形量が得られず、したがって、所
定の靱性改善効果が得られないことになる。以上の数値
限定の範囲については、本発明者らが研究の結果見い出
し、その有効性を実験によって確認したところである。

【００１６】凹凸は、上記の数値範囲、すなわち段差に
ついては 0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下、接続部円弧半径につ
いては 0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下でできるだけ間隔を密に
形成する方がよいが、凹凸の形状は、溝状、又は溝が交
差した形状、あるいは独立した山状などでよい。

【００１７】以下に、本発明によるアルミニウム合金の
粉末鍛造方法を、実施例について図１から図４までを参
照して行程別に説明する。図１は、３つの鍛造行程から
なるアルミニウム合金の粉末鍛造方法の実施例を示す工
程図である。

【００１８】まず実施例１として、原料２に Al-Si系原
料の一例として、Al-25Si-3Cu-1Mg-1Fe(数値は重量パー
セント）の組成を有するAl合金溶湯を空気でアトマイズ
して調製した粒度−１００メッシュ（１４９μｍ以下）
のアルミニウム合金粉末（アトマイズ合金粉末）を使用
した場合について述べる。

【００１９】まず前段階の、圧粉成形行程４として、上
記粉末を室温において５ｔ／ｃｍ²の圧力で金型成形
し、密度比８０％で寸法１５×２５×４０ｍｍの圧粉成
形行程製品（成形体６）を得た。

【００２０】ついで、この成形体６に、大気雰囲気中４
８０℃で１ｈ保持の条件下で加熱する加熱処理８を施し
て成形体６内部の不要ガスを除去（脱ガス）した。引き
続いて、一次熱間鍛造行程１０として、この成形体６を
前記熱処理温度と同一の温度において８ｔ／ｃｍ²の 圧
力で一次密閉型鍛造を施すことにより、密度比ほぼ１０
０％で寸法１５×２０×４０ｍｍの一次鍛造製品（一次
鍛造体１４）を得た。

【００２１】この行程１０は、上記成形体６を上下から
鍛造して主として上記成形体の密度比を１００％まで高
めることを目的としており、上下表面の変形は少なく、
粉末表面の酸化被膜を十分に破壊するには至らない。こ
の行程１０では、最終外形形状が平面の部分は、図１の
一次鍛造体断面１４ａに示すように、特に凹凸を付け
ず、ほぼ平面のまま鍛造する（図中、組織の流れ４０ａ
を参照）。

【００２２】次に、二次熱間鍛造行程１８として、前記
一次鍛造体１４を再び前記熱処理温度と同一の温度に加
熱保持しながら１０ｔ／ｃｍ² の圧力で二次密閉型鍛造
を施すことにより、寸法１５×１８×５０ｍｍの二次鍛
造製品（二次鍛造体２２）を得た。

【００２３】この行程１８は、最終外形形状に合わせた
外形形状を付けるために中間段階の鍛造を行う行程であ
るが、本発明の対象の、最終外形形状が平面である部分
については、図１の二次鍛造体断面２２ｂに示すよう
に、意図的に凹凸を形成するように鍛造する。

【００２４】その際、２２ｂのように凹凸の表面に沿っ
て表面下に組織の流れ４０ｂができ、この流れ４０ｂに
よって原料粉末の表面の酸化被膜が十分に破壊されて粉
末相互の結合が進行し、製品の靱性が増す結果が得られ
るのである。最終外形形状が平面である部分が複数箇所
ある場合は、その各箇所ごとにこの凹凸形成過程を実施
する。

【００２５】尚、本実施例においては、一次鍛造体１４
の上下面に図２及び図３に示すような凹凸を付けた。凹
凸の段差寸法及び凹部と凸部との接続部の円弧半径を図
４中の表に示す。

【００２６】更に、三次熱間鍛造行程２６として、前記
の二次鍛造体２２を再び前記温度に加熱保持しながら１
０ｔ／ｃｍ² の圧力で三次密閉型鍛造を施すことによ
り、上下面が平坦な、寸法１５×１５×６０ｍｍの三次
鍛造製品（三次鍛造体３０）を得た。

【００２７】この行程２６は、本実施例のアルミニウム
合金の粉末鍛造方法を構成する３つの熱間鍛造行程の内
の最後の熱間鍛造行程であり、製品に所定の最終形状を
付けるために最終段階の鍛造を行う行程である。

【００２８】本行程２６には、本発明の対象の、最終外
形形状が平面である部分について、前記二次熱間鍛造行
程１８において意図的に形成した凹凸を有する鍛造面
を、図１の三次鍛造体断面３０ｃに示すように、最終的
に所定平面になるように熱間鍛造する過程を含む。

【００２９】すなわち、この過程において、前記凹凸部
分を再び熱間鍛造して最終外形形状の平面部分を得るわ
けである。その際、前記二次熱間鍛造行程１８において
図１の２２ｂのように凹凸の表面に沿って表面下にでき
ていた組織の流れ４０ｂは、最終的に図１の３０ｃに示
すような、平面部の表面に沿った組織の流れ４０ｃに変
わる。

【００３０】この組織の流れの４０ｂから４０ｃへの変
動により、原料粉末の表面の酸化被膜は更に破壊されて
粉末相互の結合がいっそう進行し、製品の靱性が増す傾
向を増大させることになる。尚、最終外形形状が平面で
ある部分が複数箇所ある場合は、その各箇所ごとにこの
凹凸の平面化の過程を実施する。

【００３１】最後の熱間鍛造行程である三次熱間鍛造行
程２６が前記のように終了することにより、熱間鍛造行
程はすべて終了するが、上記三次鍛造体３０には引き続
いて熱処理行程３２により通常の熱処理を施し、所定外
形形状を有する最終的な鍛造製品３４を得る。尚、鍛造
製品３４は必要に応じて機械加工３６等の通常の後行程
処理が可能である。

【００３２】次に、上記二次熱間鍛造行程１８において
形成した凹凸の段差寸法及び凹部と凸部との接続部の円
弧半径の数値範囲制限の効果を検証するため、異なる段
差及び接続部数値を有する凹凸を形成した二次鍛造体２
２の複数例について、それらから得た三次鍛造体３０
を、上平面又は下平面のいずれかの鍛造表面を残して１
０×１０×５６ｍｍの試験片に加工し、この鍛造表面の
クラック発生有無を調べるとともにシャルピー衝撃試験
を実施した。その結果を図４の試験記録表に示す。

【００３３】すなわち、この試験記録表は、上記異なる
凹凸の段差寸法（ｍｍ）と接続部の円弧半径（ｍｍ）と
の組み合わせを、本発明の請求項２記載の範囲内の、0.
8×0.6、1.5×1.0、2.0×2.0、及び2.7×2.5とした本発
明例と、本発明による凹凸は設けたが寸法を範囲外の、
0.4×0.1、0.4×0.6、1.5×0.2、2.5×3.2、及び4.0×
1.5 とした比較例と、更に参考として、上記二次熱間鍛
造行程１８において凹凸を設けない従来法による試験片
とについての比較例について、凹凸寸法、二次鍛造体の
上下面のクラックの有無、及びシャルピー衝撃値を、上
記実施例１及び下記実施例２の場合について記録したも
のである。

【００３４】同試験記録表から、上記寸法制限範囲内で
はクラックの発生がなく衝撃値の上昇度も大きく、範囲
制限の利点が十分認識できた。

【００３５】以上、主として Al-Si系の合金の実施例に
ついて説明したが、本発明の実施はこれに限られるもの
ではなく、 Al-Fe系等の、他のアルミニウム合金にも適
用可能である。中でも Al-Fe系合金は本発明を適用した
場合の衝撃値の上昇度が大きく、その効果が大きい。

【００３６】このことを検証するため、実施例２とし
て、上記実施例の原料と異なる Al-Fe系原料のAl-8Fe-
1.5V-1Zr（数値は重量パーセント） の組成を有するAl
合金溶湯を空気でアトマイズして調製した粒度−１００
メッシュ（１４９μｍ以下）のアルミニウム合金粉末を
使用して、脱ガス及び鍛造加熱条件を４５０℃で１ｈ保
持とした以外はすべて実施例１と同じ条件で、本方法に
より三次鍛造体を製造した。

【００３７】そして、同じく実施例１と同じ条件で、鍛
造表面のクラック発生有無検査とシャルピー衝撃試験を
実施した。その結果は上に説明した試験記録表に示す。
これらの数値からも Al-Fe系合金に対する効果が大きい
ことは明らかである。

【００３８】

【発明の効果】上記のように本発明は、アルミニウム合
金粉末鍛造方法を、最後の熱間鍛造行程に先立つ熱間鍛
造行程において、アルミニウム合金粉末鍛造材の、最終
形状が平面である部分に凹凸を形成した後、最後の熱間
鍛造行程において最終的に平面状に鍛造するようにして
いるので、最終形状が平面である部分の合金粉末相互の
結合が従来技術による場合よりもはるかに強固なものと
なり、結果として、平面部分の靱性が著しく改善されて
他の部分と強度的に平衡のとれた使い易い鍛造製品が得
られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルミニウム合金粉末鍛造方法の実施
例についての工程図である。

【図２】本発明による凹凸を形成した鍛造体の実施例を
示す斜視図である。

【図３】図２のＡ部分の凹凸の部分拡大断面図である。

【図４】本発明による凹凸を形成した鍛造体の実施例と
他の例との試験記録表である。

【符号の説明】

２ 原料 ４ 圧粉成形工程 ６ 成形体 ８ 加熱工程 １０ 一次熱間鍛造工程 １２ 鍛造型 １４ 一次鍛造体 １４ａ 一次鍛造体断面 １６ 加熱工程 １８ 二次熱間鍛造工程 ２０ 鍛造型 ２２ 二次鍛造体 ２２ｂ 二次鍛造体断面 ２４ 加熱工程 ２６ 三次熱間鍛造工程 ２８ 鍛造型 ３０ 三次鍛造体 ３０ｃ 三次鍛造体断面 ３２ 熱処理工程 ３４ 鍛造製品 ３６ 機械加工工程 ４０ａ 組織の流れ ４０ｂ 組織の流れ ４０ｃ 組織の流れ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 急冷凝固アルミニウム合金粉末を少なく
   とも２つの熱間鍛造工程により結合固化させることによ
   り平面を含む所定外形形状の部材を製造するアルミニウ
   ム合金の粉末鍛造方法において、前記少なくとも２つの
   熱間鍛造工程の内の最後の工程以外の少なくとも１つの
   熱間鍛造工程は、前記部材の前記平面の各々に該当する
   鍛造面に熱間鍛造により凹凸を形成する過程を有し、前
   記少なくとも２つの熱間鍛造行程の内の最後の行程は、
   前記凹凸を形成した鍛造面を最終的に所定平面になるよ
   うに熱間鍛造する過程を有することを特徴とするアルミ
   ニウム合金の粉末鍛造方法。
2. 【請求項２】 前記凹凸を形成する過程が、前記凹凸中
   の互いに隣接する凹部と凸部との段差寸法を 0.5ｍｍ以
   上３ｍｍ以下の範囲とし且つ凹部とこれに隣接する凸部
   とを 0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲の半径の円弧により
   滑らかに接続するように前記凹凸を形成することを特徴
   とする請求項１の方法。