JPH11504388A - アルミニウム合金粉末混合物および焼結アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、焼結成分の製造に使用しうるアルミニウム粉末混合物に関する。この粉末は、鉛またはスズを微量添加した析出硬化が可能な７０００系列のＡl−Ｚn−Ｍg−Ｃu合金を基本にする。この粉末混合物は、２−１２重量％の亜鉛、１−５重量％のマグネシウム、０.１−５.６重量％の銅、０.０１−０.３重量％の鉛またはスズおよびその残りのアルミニウムからなる。また、本発明は、上記の粉末混合物と強化元素または化合物を含有する複合粉末を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 アルミニウム合金粉末混合物および焼結アルミニウム合金 技術分野 本発明は、焼結アルミニウム合金を製造するためのアルミニウム合金粉末混合 物に関する。また、本発明は、出発粉末から製造した焼結アルミニウム合金およ びこの焼結アルミニウム合金から製造した物品に関する。 背景技術 粉末冶金(Ｐ／Ｍ)は、機械的および熱的操作によって金属粉末を半完成または 完成製品に変態させる技術である。Ｐ／Ｍ法を使用する利点には、独特の組成、 ミクロ組織および性質を有する特殊合金を製造しうること；二次加工することな く複雑な形状の部品を許容誤差内に製造しうること；粉末として固体状態で製造 されうるのみである耐火性および反応性金属などの合金を製造しうることが含ま れる。通常のＰ／Ｍ法は、ダイ中で金属粉末を圧縮し、ダイから生の部品を取出 し、この部品を制御雰囲気下に炉中で焼結することからなる。出発粉末は、純粋 な元素粉末の混合物、マスター合金粉末の混合物、完全合金粉末またはこれらの 任意の組合せであってよい。非金属微粒子材料を添加して複合体を製造すること もできる。焼結過程は、粉末粒子間に金属結合を形成させる。これにより強度の 大部分が付与される。結合および／または緻密化は、焼結中の液相の発生に助け られることもある。これらは、焼結の完了まで続くこともあるし、続かないこと もある。これらの液相は、元素または化合物の溶融によって、既存の共晶化合物 の初期溶融によって、または焼結中の拡散過程により生成する共晶の溶融によっ て生成することができる。合金は焼結したままの状態で使用することができるし 、また、さらに加工することもできる。二次過程には、コイニング、サイジング 、再圧縮、機械加工、押出しおよび鍛練が含まれる。また、これらを潤滑液で含 浸および／または表面処理することもできる。鉄および鋼、銅およびその合金、 ニッケル、タングステン、チタンおよびアルミニウムを含む多くの金属を、この よう にして加工する。 金属粉末を焼結する際の困難性は、全ての金属上に存在する表面酸化物皮膜の 結果である。この酸化物皮膜は、粒子間溶接および有効な粒子間結合の形成を阻 害するので、焼結の障害である。この問題はアルミニウムの場合に特に大きいが 、これは酸化物(Ａl₂Ｏ₃)の固有の熱力学的安定性のためである。最近のＰ／Ｍ 加工されたアルミニウム合金は、高い機械的強度は必要ではないが低不活性およ び腐食耐性が重要な性質である事務機において主に使用される。しかし、高強度 の圧縮および焼結されたアルミニウム合金が必要とされている。 材料工学における一般的原理は、合金を、応用に対すると同程度に製造過程に 適合させることである(異なる過程は異なる性質を必要とするため)。即ち、鋳鋼 は圧延鋼およびＰ／Ｍ鋼の両方と異なり、方向性を持って凝固させた単結晶ニッ ケル スーパーアロイ タービン羽根は通常の鋳鋼羽根とは異なる組成を持ち、ア ルミニウム押出し合金は鍛造合金とは異なり、この鍛造合金は鋳造合金および急 速凝固合金とは異なる。しかし、これまでこの原理が圧縮および焼結アルミニウ ム合金に適用されたことはなかった。最近の市販合金は、鍛練合金６０６１およ び２０１４(これらは、それぞれＡl-Ｍg-ＳiおよびＡl-Ｃu-Ｓi-Ｍg合金である) を基本とすることが多い。これらは、Ｐ／Ｍ法のために最適化されていない。 米国特許Ｎo.5,304,343は、改善された機械的性質を有する焼結アルミニウム 合金の製造方法を記載している。しかし、この特許の合金は、高価なマスター合 金経路を用いて製造され、２,０００および６,０００系列の合金を基本としてい る。 従って、これまで可能であった範囲よりも広い応用範囲で使用するための、よ り高い引張強度の合金を与えるアルミニウム合金粉末混合物およびこれから製造 される焼結アルミニウム合金が必要とされている。 発明の要約 本発明の目的は、既知の焼結アルミニウム合金よりも改善された機械的性質を 有する焼結アルミニウム合金を製造するためのアルミニウム合金出発粉末を提供 することである。 本発明の第１の態様によれば、焼結アルミニウム合金のための純粋な元素粉末 から混合されたアルミニウム合金出発粉末であって、実質的に２−１２重量％の 亜鉛、１−５重量％のマグネシウム、０.１−５.６重量％の銅、０.０１−０.３ 重量％の鉛またはスズおよびその残りのアルミニウムからなる粉末混合物が提供 される。 これら粉末成分の好ましい濃度は、亜鉛４−８重量％、マグネシウム１.５− ３.５重量％、銅１−４重量％、および鉛またはスズ０.０３−０.１５重量％で ある。 微量元素である鉛またはスズのうち鉛が好ましい。 通常、第１の態様の出発粉末は、固体潤滑剤、例えばステアリン酸もしくはス テアリン酸に基づくワックス、または他の有機潤滑剤を含有する。好ましい固体 潤滑剤は、０.１−２重量％の量のステアリン酸である。ステアリン酸は０.５− １重量％の量であるのが好ましい。 粉末中の亜鉛粒子のサイズは、通常用いられるサイズよりも大きいものである のが有利である。６０メッシュ〜ダストの亜鉛粒子を５０メッシュ〜ダストのア ルミニウム粒子と組合せるのが好ましい(ふるい分けによる粒子サイズはＡＳＴ Ｍ Ｅ-１１のメッシュナンバーである)。以下で説明するように、加熱速度およ び圧縮圧力などの他のパラメーターを変化させて亜鉛サイズの効果を増強するこ とができる。本発明のこの態様を、あらゆる亜鉛含有アルミニウム合金粉末混合 物に適用することができる。 本発明の第２の態様によれば、焼結アルミニウム合金のための複合出発粉末で あって、実質的に第１の態様の粉末と少なくとも１種の強化元素または化合物と からなる粉末が提供される。 この第２の態様の強化元素または化合物は、通常は炭素、カーボランダム、コ ランダム、二ホウ化チタン、飛散灰、サーメット、炭化ケイ素または他の酸化物 、炭化物、窒化物およびホウ化物であるが、これらに限定はされない。第２の態 様の複合粉末において、強化物質は複合体の２−５０容量％を構成するのが普通 であり、その残りが第１の態様の合金粉末である。強化物質の好ましい比率は５ − ３０容量％である。 本発明の第３の態様においては、焼結アルミニウム合金であって、以下の工程 ： (ｉ)第１の態様の粉末または第２の態様の複合体を、６００ＭＰaまでの圧力 で圧縮し；そして (ii)工程(ｉ)で圧縮された材料を５５０−６４０℃の温度で焼結する； によって製造される合金が提供される。 第３の態様の焼結アルミニウム合金を製造する際には、２００−５００ＭＰa の圧縮圧力が好ましい。圧縮した材料の焼結温度への加熱は、通常は５℃／分よ り大きい速度であり、好ましくは１０−４０℃／分の速度である。 通常、圧縮した材料を２時間以下、焼結温度に保持する。好ましい焼結時間お よび温度は、１０−３０分間および６００−６３０℃である。 本発明は、その範囲内に、第３の態様の焼結アルミニウム合金から製造された 物品を包含する。また、例えば粉末鍛造または押出しなどの方法(これらに限定 はされない)によって焼結合金から物品を製造することができる。 図面の簡単な説明 図１は、Ａl−８Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu−０.０７Ｘ合金(ここで、Ｘは鉛また はスズである)の緻密化に対する、鉛およびスズの微量添加の効果を示すグラフ である。負の数は膨張を示し、正の数は収縮を示す。 図２は、焼結材料の研磨した部分の反射光顕微鏡写真であり、Ａl−８Ｚn-２. ５Ｍg−１Ｃu合金の多孔性に対する、鉛の微量添加の効果を示す。(a)に示す材 料は微量元素添加をしなかったものであり、(b)に示す材料は０.０７重量％の鉛 を含有していた。倍率は４６Ｘであった。 図３は、Ａl−８Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu合金の引張強度(Ｔ６条件)に対する、 微量鉛添加の効果を示すグラフである。 図４は、二元Ａl−１０Ｚn合金の焼結中に生成した液相の量に対する、亜鉛粒 子サイズの効果を示すグラフである。小さな粒子は−３２５メッシュであり、大 きい粒子は−１００＋１２０メッシュであった。焼結は、６２０℃で１０分間で あった。加熱速度は１０℃／分であった。時間は、試料が亜鉛の融点以上であっ た時間である。 発明実施の最良の態様および他の態様 上に示したように、本発明は、焼結成分の製造に使用しうるアルミニウム合金 粉末混合物の開発に関する。この焼結成分を、二次加工操作に付すことができる 。具体的には、本発明は、焼結過程を最適化する合金組成および粉末サイズ分布 (特に合金化添加物のもの)に関する。 本材料は、鉛またはスズを微量添加した析出硬化が可能な７０００系列のＡl −Ｚn−Ｍg−Ｃu合金を基本にする。鉛が、高い焼結密度、従って改善された機 械的性質の達成に好ましい。スズは、同様ではあるが低い効果を示す。Ａl−８ Ｚn−２.５Ｍg-１Ｃu合金に１００ppmの鉛を添加すると焼結密度が高くなり、圧 縮物は焼結中に膨張するよりむしろ収縮する。このことは図１に示されており、 一方、ミクロ組織に及ぼす効果は図２に示されている。引張強度に及ぼす鉛の影 響は図３のデータから明らかである。これによると、０.１２重量％のＰbの添加 は、Ａl−８Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu合金の引張強度を３０％以上増加させる。こ の鉛は元素添加物として添加するか、または予め亜鉛と合金化してもよい。 亜鉛は主要な合金添加物である。亜鉛の融点は焼結温度以下であり、亜鉛は多 くの二元および三元の共晶相を生成する。これが焼結を高めるはずである。しか し、亜鉛はアルミニウムに対する溶解性が高く、このことが焼結剤として亜鉛を 使用する障害となっている。小さい亜鉛粒子を使用したときには、全ての亜鉛添 加物がアルミニウムによって迅速に吸収され、液相が全く形成されないかまたは わずかしか形成されず、これが焼結を妨げる。このことが、亜鉛のこれまでの使 用を制限していた。対照的に、大きい亜鉛粒子を使用したときには、亜鉛粒子に 隣接するアルミニウムは局所的に飽和されることになり、増強された液相焼結が 起こるに十分な長さで元素亜鉛が存続する。従って、形成される液相の量は、亜 鉛粒子サイズの関数である。このことが図４に示されている。熱力学的な力は粒 子サイズに反比例するので、また、比較的小さな粒子サイズは粒子の充填を助け るので、亜鉛のサイズを最適化する必要がある。また、亜鉛サイズの効果は、加 熱速度および圧縮圧力などの過程の他の変数に依存する。これらも最適化する必 要がある。基本元素中への添加物の固溶性がある程度存在し、添加物から基本元 素への拡散流が存在する他の系において、同様の粒子サイズ効果が起こる。この 例には、アルミニウム中の銅および鉄中の銅が含まれる。 マグネシウムは、酸化物皮膜を破壊し、また析出硬化に寄与すると考えられる 。銅は、焼結液体によるアルミニウムの湿潤を改善し、硬化を助け、また腐食特 性を改善する。両方を純粋元素として添加する。固体潤滑剤、例えばステアリン 酸またはステアリン酸に基づくワックスを粉末混合物に加えて圧縮過程を助ける ことができる。ある種の熱処理によって焼結前にこれを除去することができ、ま た、焼結温度への加熱中にこれを除去することができる。高純度の窒素雰囲気中 で合金を焼結する。次いで、これをアルミニウム合金のための通常の方法で熱処 理することができる。 以下の表１は、本発明のアルミニウム合金粉末成分のため、および焼結合金を 製造する工程のための通常の値および好ましい値を挙げるものである。全ての組 成は重量％によるものであり、粒子サイズはふるい(ＡＳＴＭ Ｅ-１１のメッシ ュナンバー)によるものである。 以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。これら実施例は、いか なる意味においても本発明を限定するものではない。 実施例１ １０Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu−０.０９Ｐb−残りＡl(重量％)の合金を、タンブ ラーミキサー中で３０分間、元素粉末を固体潤滑剤としての１重量％ステアリン 酸と混合することによって製造した。アルミニウム粉末は空気アトマイズし、６ ０メッシュのふるいに通した。この粉末を金属ダイ中、２１０ＭＰaの圧力で圧 縮することによって直方体の棒を製造した。亜鉛は１００メッシュのふるいに通 した。マグネシウムおよび銅粉末は両方とも−３２５メッシュであった。亜鉛を 、０.９重量％のＰbと予め合金化した。次いで、生の圧縮物を窒素雰囲気下に６ ００℃の温度で３０分間焼結した。２０℃／分の速度で焼結温度まで加熱した。 試 料を空冷し、次いで、空気中４９０℃で１時間、溶体処理した。引張用試料を棒 から切り出した。これは、３３２ＭＰaの引張強度(Ｔ４条件)および１％の破断 点伸びを有していた。 実施例２ ６Ｚn−２.５Ｍg−３Ｃu−０.０５Ｐb−残りＡl(重量％)の組成を用い、実施 例１と同様にして合金を製造した。６１０℃で焼結した。これは、Ｔ４条件で３ １２ＭＰaの引張強度および１.１７％の破断点伸びを有していた。 実施例３ ８Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu−０.０７Ｐb−残りＡl(重量％)の組成および−２０ ０メッシュの亜鉛粒子サイズを用い、実施例１と同様にして合金を製造した。５ ℃／分の速度で焼結温度まで加熱し、２時間焼結した。Ｔ４条件での引張強度は ３２８ＭＰaであり、破断点伸びは５.１３％であった。 実施例４ 実施例３と同様に合金を製造したが、溶体処理後に１３０℃で１５時間、人工 時効させた(Ｔ６条件)。引張強度は４４４ＭＰaであり破断点伸びは１.１％であ った。 実施例５ ８Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu−０.１２Ｐb−残りＡl(重量％)の組成を用い、実施 例１と同様にして合金を製造した。純粋な合金化されていない亜鉛(粒子サイズ −３２５メッシュ)を用いた。純粋な元素鉛(粒子サイズ−３２５メッシュ)を亜 鉛とは別に添加した。この試料を４１０ＭＰaで圧縮し、１０℃／分で焼結温度 まで加熱し、６００℃で２時間焼結した。引張強度は４２４ＭＰaであり、破断 点伸びは０.６５％であった。 実施例６ ０.１２重量％の鉛添加に代えて０.０９重量％のスズを用い、実施例５と同様 に合金を製造した。Ｔ６条件での引張強度は３６５ＭＰaであった。 実施例７ ６Ｚn−２.５Ｍg−１Ｃu−０.０５Ｐb−残りＡl(重量％)の組成を用い、実施 例１と同様にして合金を製造した。アルミニウムは、−３２５メッシュ粉末サイ ズが除去されていた。粒子サイズ−１００メッシュの亜鉛および粒子サイズ−２ ００メッシュの銅を用いた。この合金を４０℃／分で焼結温度まで加熱し、６２ ０℃で２０分間焼結した。これは、Ｔ４条件で３０４ＭＰaの引張強度および５. ５７％の破断点伸びを有していた。 産業上の利用分野 本発明の出発粉末または複合体から製造した合金は、以下に挙げる技術分野に おいて使用する物品を製造するのに適している。この列挙はいかなる意味におい ても完全なものとみなすべきではなく、さらに例示するために挙げたものである にすぎない。 １．焼結および熱処理した自動車成分、例えば、カム軸プーリー、カム軸およ びクランク軸歯車、カム軸ローブ、オイルポンプ歯車、伝達装置成分(同調リン グを含む)、水ポンプ羽根車、軸受キャップおよびバッテリー末端クランプ。 ２．事務機およびコンピューター装置用の焼結および熱処理した成分、例えば 、プーリーおよび歯車。 ３．高サイクルの応力環境用の粉末鍛造成分、例えば、内部燃焼エンジン中の 連結ロッド、自動車サスペンションおよびブレーキ成分、ビデオおよびオーディ オテープレコーダー中の記録ヘッド、およびコンピューター中のディスクドライ ブ成分および関連の装置。 本発明の広い範囲から逸脱することなく上に例示した合金に多くの変化を加え ることができ、本発明の範囲が請求の範囲によってのみ限定されることは理解さ れよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 フオ，シュハイ オーストラリア4066クイーンズランド州 トゥーウォン、シルバン・ロード３／70番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．純粋な元素粉末から混合された焼結アルミニウム合金出発粉末混合物であ って、実質的に２−１２重量％の亜鉛、１−５重量％のマグネシウム、０.１− ５.６重量％の銅、０.０１−０.３重量％の鉛またはスズおよびその残りのアル ミニウムからなる粉末混合物。 ２．各成分の濃度が、亜鉛４−８重量％、マグネシウム１.５−３.５重量％、 銅１−４重量％、および鉛０.０３−０.１５重量％である請求項１に記載の粉末 混合物。 ３．各成分の濃度が、亜鉛４−８重量％、マグネシウム１.５−３.５重量％、 銅１−４重量％、およびスズ０.０３−０.１５重量％である請求項１に記載の粉 末混合物。 ４．固体潤滑剤をさらに含有する請求項１に記載の粉末混合物。 ５．固体潤滑剤が、ステアリン酸もしくはステアリン酸に基づくワックス、ま たは他の有機潤滑剤である請求項４に記載の粉末混合物。 ６．固体潤滑剤が、０.１−２重量％の濃度のステアリン酸である請求項５に 記載の粉末混合物。 ７．ステアリン酸の濃度が０.５−１重量％である請求項６に記載の粉末混合 物。 ８．亜鉛が６０メッシュ〜ダストの粒子サイズを持ち、アルミニウムが５０メ ッシュ〜ダストの粒子サイズを持つ請求項１に記載の粉末混合物。 ９．焼結アルミニウム合金のための複合出発粉末であって、実質的に請求項１ に記載の粉末混合物と少なくとも１種の強化元素または化合物とからなる複合粉 末。 10．強化元素または化合物が、炭素、カーボランダム、コランダム、二ホウ化 チタン、飛散灰、サーメット、炭化ケイ素または他の酸化物、炭化物、窒化物お よびホウ化物から選択される請求項９に記載の複合粉末。 11．強化元素または化合物が複合体の２−５０容量％を構成し、その残りが粉 末混合物である請求項９に記載の複合粉末。 12．強化元素または化合物が複合体の５−３０容量％を構成する請求項11に記 載の複合粉末。 13．焼結アルミニウム合金であって、以下の工程： (ｉ)請求項１に記載の粉末または請求項９に記載の複合体を、６００ＭＰaま での圧力で圧縮し；そして (ii)工程(ｉ)で圧縮された材料を５５０−６４０℃の温度で焼結する； によって製造される合金。 14．圧縮圧力が５０ＭＰa以上である請求項13に記載のアルミニウム合金。 15．圧縮圧力が２００−５００ＭＰaである請求項13に記載のアルミニウム合 金。 16．圧縮された材料が５℃／分より大きい速度で焼結温度まで加熱される請求 項13に記載のアルミニウム合金。 17．速度が１０−４０℃／分である請求項16に記載のアルミニウム合金。 18．圧縮した材料を２時間以下、焼結温度に保持する請求項13に記載のアルミ ニウム合金。 19．圧縮した材料を１０−３０分間、焼結温度に保持する請求項13に記載のア ルミニウム合金。 20．焼結温度が６００−６３０℃である請求項13に記載のアルミニウム合金。 21．請求項13に記載の焼結アルミニウム合金から製造された物品。