JPS6015687B2 - 大気中におけるアルミニウム系焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はアルミニウム系凝結体を製造する方法に関す
るものである。

一般にアルミニウム系競緒体は軽量かつ比較的高強度で
耐食性も高いため、各種の機械部品に使用されているが
、アルミニウム系暁結体の製造に当ってはアルミニウム
粉末を５００〜６００ｑｏ程度の高温で燐結しなければ
ならない。

この暁結温度までの昇溢過程や暁結過程でアルミニウム
粉末の表面の酸化が進行すればアルミニウム粉末粒子相
互間の結合が困難となって競結体として高い強度を得る
ことができなくなる。このため従来は競給を不活性ガス
雰囲気または真空中などの非酸化雰囲気で行うことが多
かった。ところがこのように雰囲気調整する場合、製造
装置のコストや操業コストが著しく高くなり、この結果
アルミニウム系焼縞体を安価に供給できない問題があり
、このため大気中で競精を行えるようにして、雰囲気調
整を不要にするアルミニウム暁結体の製造方法の開発が
要望されている。しかるに従来の大気中暁結によるアル
ミニウム系競結体の製造方法としては、アルミニウム粉
末にマグネシウム粉末または／および亜鉛粉末を少量混
合した混合粉末を原料粉末とし、この混合粉末を、暁結
温度までの昇温過程においてアルミニウムとマグネシウ
ムまたは亜鉛との低融点共晶を生成してこの低級点共晶
がアルミニウム粉末粒子の表面を覆うようにし、この低
融点共晶によりアルミニウム粉末粒子の酸化を防止する
方法（侍公昭５１−１３４４４号）が提案されているだ
けであるが、この方法により製造された暁結体は、溶体
化処理後焼入れ一入工時効硬化処理（Ｔ６処理）を施し
ても、２０ｋｇ／側２程度の強度しか得られず、時効硬
化の効果が低いことが判明した。

また前述の方法では原料粉末としてきわめて細かい粉末
を使用しなければある程度の機械的強度を得ることがで
きず、例えばアルミニウム粉末としては−３５０メッシ
ュのものを３５〜９０％以上用いなければならず、かつ
その他の添加粉末としても−３５０メッシュの粒度のも
のを用いなければならなかった。このため原料粉末のコ
ストが高いと共に、このような微細粉末においては粉末
の流動性が悪いため金型内への粉末充填速度が遅くなり
、この結果生産性が低くなる問題があった。上述のよう
な従来の方法により製造された齢結体の機械的強度を上
昇させるためには、ケイ素や銅等、アルミニウム基地に
対する析出硬化に寄与する金属の粉末を添加することが
考えられる。

そしてこれら金属の内でも特にケイ素が析出硬化に寄与
するものと考えられる。しかしながら本発明者等がケイ
素の添加方法について研究を重ねたところ、ケイ素を単
体粉末として添加した場合アルミニウム中への拡散が遅
く、このため相当長時間焼結してもケイ素粉末がほぼそ
のまま糠結体中に残留し、この結果析出硬化に寄与しな
いだかりでなく、機械的強度をかえって低下させてしま
うことが判明した。この発明は以上のような事情を背景
としてなされたものであって、大気中凝結により高強度
のアルミニウム系暁結体を製造し得るようにし、併せて
原料粉末として粗い粉末を使用できるようにし、これに
よって低コストで高強度のアルミニウム総暁給体を提供
し得るようにすることを目的とするものである。

すなわちこの発明は、競給体の組成がＣｕｌ．０〜６．
０％（重量％、以下同じ）、Ｍｇ０．２〜２．０％、Ｓ
ｉｏ．２〜２．０％、残部Ａそとなるように、Ｓｉｏ．
３〜２．１％を含むアルミニウムーケィ素合金粉末と、
下記の‘ａー，‘ｂ’，‘ｃ’，‘ｄ’，‘ｅ’および
‘ｆ）の内、選ばれた１種以上の粉末および必要に応じ
てアルミニウム粉末とを、上記アルミニウムーケイ素合
金粉末が７の重量％以上を占めるような配合率で混合し
、この混合粉末を圧粉成形した後、圧粉体を５００〜６
５０℃の温度範囲において大気中で暁結し、これにより
前記組成の暁結体を得ることを特徴とするものである。

｛ａ｝ 鋼粉末｛ｂ’マグネシウム粉末 ‘ｃ）アルミニウム−銅合金粉末 ｛ｄ｝アルミニウムーマグネシウム合金粉末‘ｅ｝ 銅
−マグネシウム合金粉末‘ｆ｝ アルミニウム−銅−マ
グネシウム合金粉末以下にこの発明を詳細に説明する。

この発明で使用する原料粉末は前述のように、０．３〜
２．１％のＳｉを含有するアルミニウムーケィ素合金粉
末と、前記（ａ｝〜（ｆ’の内選ばれた１種以上の粉末
および必要に応じてアルミニウム粉末とを、アルミニウ
ムーケィ素合金粉末が７０％以上を占めるように混合し
たものである。

ここで各粉末の具体的配合量は、最終的に得られる焼結
体の組成がＣｕｌ．０〜６．０％、Ｍｇ０．２〜２．０
％、Ｓｉｏ．２〜２．０％、残部Ａそとなるように選定
すれば良い。なお前記‘ａ｝〜‘ｆ｝の内１種以上のも
のを選定する例としては、例えば銅粉末とマグネシウム
粉末とを組合せる場合、あるいはアルミニウム−銅合金
粉末とアルミニウムーマグネシウム粉末とを絹合せる場
合、あるいはアルミニウム−銅−マグネシウム粉末を単
独で使用する場合、あるいはアルミニウム−銅−マグネ
シウム粉末に銅粉末およびマグネシウム粉末を紐合せる
場合、あるいはアルミニウム−銅−マグネシウム合金粉
末にアルミニウム−銅−合金粉末およびアルミニウムー
マグネシウム合金粉末を組合せる場合、銅−マグネシウ
ム合金粉末を銅粉、あるいはマグネシウム粉と粗合せる
場合、さらにはアルミニウム−銅−マグネシウム合金粉
末に‘ａ）〜｛○の内１種を組合せる場合等が挙げられ
る。そして、これらの各組合せにおいて、成分調整のた
めに必要において適当量のアルミニウム粉を配合するこ
とが可能である。前述のようにアルミニウムーケィ素合
金粉末の配合率またはアルミニウムーケィ素合金粉末の
配合率を７０％以上に限定したのは、これらが７０％未
満の場合すなち前記【ａ’，‘ｂ｝，‘ｄ，｛ｄ），‘
ｅはたはｔｆ｝の配合率が３０％を越える場合に、成形
性が悪い銅粉やマグネシウム粉末あるいはアルミニウム
−銅−マグネシウム合金粉末の影響によって圧粉成形時
に圧粉体が充分に繊密化せず、このため圧粉体内部に多
量の空気（酸素）が残留して、これにより焼結時に焼結
体内部の酸化が進行し、充分な機械的強度が得られなく
なるからである。

またアルミニウムーケィ素合金粉末を組成するケイ素を
０．３〜２．１％と規定したのは、０．３％禾満では最
終的に得られる暁結体中のケイ素量が低くなって、後述
するように析出硬化の効果が得られなくなり、また２１
％を越える量ではアルミニウムーケィ素合金粉の圧粉成
形性が低下して圧粉成形時に庄粉体が充分に繊密化して
ないおそれがあると共に、嫌結過程においてアルミニウ
ム−ケイ素合金粉末粒子中に銅、マグネシウムが拡散し
た時にアルミニウム−銅−マグネシウムーケィ素からな
る低融点液相が多くなって暁結体自身が熔融変形してし
まう傾向があるからである。なおこの発明では後述する
ように原料粉末の粒子が粗い場合でも充分な機械的強度
を得ることができるから、アルミニウムーケィ素合金粉
末等の原料粉末としてはタィラ−標準筋−４８メッシュ
程度のものを使用することができる。したがって原料粉
末としては、アトマイジング法により製造された粉末を
そのまま使用することができる。なお、アトマィジング
法によりアルミニウムーケィ素合金粉末またはアルミニ
ウム粉末を製造した場合、粉末粒子の表面に通常薄い酸
化皮膜が生成されるが、後述のようにこの程度の酸化皮
膜は圧粉成形によって破壊されるから、焼結の障害とな
ることはない。上述のようにして配合された粉末は、充
分に混合された後、所定の形状に圧粉成形される。

この圧粉成形手段は任意であり、例えば従来の粉末治金
で使用されているプレスを用いることができる。この場
合金型には予め潤滑剤を塗布しておく。この潤滑剤とし
ては四塩化炭素にステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチ
ウム、あるいはステアリン酸アルミニウム等を溶解した
もの、あるいは鉱物性または植物性潤滑油等、任意のも
のを使用することができる。なおこの発明では原料の混
合粉末中に潤滑剤を含有させないことが望ましい。この
圧粉成形工程では、得られる圧粉体の密度が理論密度の
９０〜９９％程度となるように加圧することが望ましい
。ここで混合粉末は、前述のように圧粉成形性が良好な
アルミニウムーケィ素粉末が７０％以上配合されている
から、全体として圧粉成形性が良好であり、したがって
小さい加圧力で９０〜９９％の密度となるまで圧粉成形
することが可能である。上述のようにして得られた圧粉
体は、これを大気中で５００〜６５０ｏｏの温度で暁結
する。

この競結温度までの圧粉体の昇温速度が遅い場合には、
昇温過程で内部酸化が進行してしまうおそれがあるから
、昇温速度は可及的に高いことが望ましい。このように
昇温速度を高くするためには、予め暁結炉内を焼結温度
に設定しておき、この暁結炉内に圧粉体を速やかに装入
することが望ましい。暁縞時間は焼結温度や嘘結体の組
成に応じて設定すれば良いが、通常は５分以上であれば
充分である。なおこの発明においては特に圧粉体の予備
加熱を必要としない。上述のようにして得られた焼結体
は、通常のアルミニウム展伸材と同様な熱処理、例えば
溶体化処理後焼入一人工時硬化処理（Ｔ６処理）等を施
して製品化する。

以上の各工程において、圧粉成形時には圧粉加圧力によ
ってアルミニウムーケィ素合金粉末粒子の表面の薄い酸
化皮膜が部分的に破壊され、これにより粉末粒子の金属
表面が露出すると共に、他の銅粉末やマグネシウム粉末
等の粒子との金属一金属接触面が生じる。

また圧粉成形過程では、前述のように粉末の圧粉成形性
が良好であることに起因して圧粉体が充分に繊密化され
、内部に含まれる空気（酸素）の量がきわめて少なくｔ
かつオープンポアも少いため、次の焼結温度までの昇温
過程でアルミニウムーケィ素合金粉末粒子の金属表面が
再び酸化されることはない。そして競結温度に達すれば
、前記金属−金属接触面を介して銅やマグネシウムがア
ルミニウムーケイ素合金粉末粒子中へ拡散し、同時にア
ルミニウム−ケイ素合金粉末粒子相互間の結合も相互の
金属接触面においてなされる。また各粒子相互の境界面
で拡散により生じるＡそ−Ｃｕ−Ｍｇ一Ｓｉ合金は低融
点であるから競結中に境界面にわずかに液相が生じ、こ
の液相を介して、アルミニウムーケィ素合金粉末粒子中
への銅やマグネシウムの拡散が速やかに行なわれる。以
上のようにしてアルミニウム素地中にケイ素、銅、およ
びマグネシウムが均一に拡散した暁結体が得られる。

上記焼緒体はその表面の薄い酸化皮膜を除けば、健綾体
内部の総括的組成は、原料混合粉末の成分組成と実質的
に一致している。前述のように最終的に得られた凝結体
の組成は、Ｃｕｌ．０〜６．０％、Ｍ柳．２〜２．０％
、Ｓｉｏ．２〜２．０％、残部Ａ夕となっている。

これらの組成金属の内、銅は析出硬化および固溶強化に
よるアルミニウム基地の強化に寄与する。銅が１．０％
禾満の場合には、アルミニウム基地の強化に効果が生ぜ
ず、６．０％を越える場合には暁結体は逆に脆弱化し、
かつ暁結中に異常な膨張を生じやすくなる。またマグネ
シウムは析出硬化によるアルミニウム基地の強化に寄与
する。マグネシウムが０．２％未満の場合には強化の効
果がなく、２．０％を越える場合には暁鯖体は逆に脆弱
化し、かつ暁鯖中に異常な膨張を生じやすくなる。また
ケイ素は析出硬化によるアルミニウム基地の強化に著し
く寄与し、０．２％未満で強化の効果がほとんどなく、
２．０％を越える場合には焼結体が逆に脆弱化し、かつ
競結中に異常な膨張が生じやすくなる。なお合金粉中に
銅、マグネシウム、ケイ素の他、鉄、ニッケル、ク。

ム、マンガン、コバルト、チタン、モリブデン等を添加
含有させることができる。鉄はアルミニウム中にほとん
ど固溶せず、鉄化合物を形成し、競結体の伸びを低下し
、靭性をそこなうが、ケイ素が共存すると固熔度が増大
し、暁結体の耐力を増加させる効果がある。しかし、こ
れらの効果を顕現する範囲は約０．２〜１．５重量％で
ある。ニッケル、クロム、マンガン、コバルト、モリブ
デン等を各０．０２〜０．５％程度添加すると応力腐食
割れ感受性を高めることないこ、高温領域における焼綾
体の機械的強度を高めることができる。しかし靭‘性を
問題にする場合はこれらの元素の総量は１．０重量％程
度以下に抑えることが望ましい。チタンの添加は結晶粒
の微細化に効果があり０．００５〜０．２５重量％の範
囲が好ましい。以下にこの発明の実施例を託す。

実施例 １ 原料粉末としてアトマィジング法により得られたアルミ
ニウム−０．８４％ケイ素合金粉末、電解鋼粉およびマ
グネシウム粉末とを用い、これら３種の粉末を、最終的
に得られる暁絹体の組成がＡそ−４．４％Ｃｕ−０．５
％Ｍｇ−０．８％Ｓｉとなるべく配合した。

これら粉末の粒度分布、見掛密度、配合重量比は次の第
１表の通りである。・ なお、Ａ〆−０．８４％Ｓｉ合金粉末は混合前に大気中
において３５０ｑｏの温度において２時間焼鈍した。

上記３種の粉末を約３０分間混合し、四塩化炭素のステ
アリン酸亜鉛飽和溶液からなる潤滑剤を金型の内面に塗
布して、該金型に混合粉末を充填した。

そしてプレス装置により理論密度の９８．２％まで圧縮
して圧粉体を得た。この圧粉体の寸法は、ＪＳＰＭ標準
２−６４の引張試験片と同一である。次いでこの圧粉体
をＳＵＳ３０狸製のボートに載置し、大気圏嬢結炉内の
５６０午０に子熱保持された均熱部分に前記ボートを速
やかに装入して、糠結を行った。２５分間加熱、鱗給を
行った試片につき引張試験を行ったところ、引張強ご２
４．６ｋ９／側２、伸び６．３％であった。

またこの試片の表面には黒変が認められず、表面状態は
良好であった。一方前記温度で２び分間加熱、暁結を行
った試片につき、Ｌ処理を施して引張試験を行ったとこ
ろ、引張強さ３５．１ｋ９／肌２であった。実施例 ２
原料粉末として、Ａ夕−０．４％Ｓｉ合金粉末およびＡ
クー４０％Ｃｕ−５％Ｍｇ合金粉末を用い、これら２種
の粉末を、最終的に得られる焼結体の組成がＡそ４．０
％○心一０．５％Ｍｇ−０．３６％Ｓｉとなるべく配合
した。

これら粉末の粒度分布、見掛密度、配合重量比は第２表
の通りである。２ これら２種の粉末を前記実施例１と同様にして混合、圧
粉成形、暁結した。

５８０ｑｏの嫌結温度で２■二間暁結した試片につき引
張試験を行ったところ、引張強さは２０．９ｋ９／側２
、伸びは７．５％であった。

また同じく５８０００において２０分間暁結した試片に
つき、Ｌ処理を施した。この試片について引張試験を行
ったところ、引張強さは３２．７ｋ９／肌２ であった
。実施例 ３ 原料粉末としてＡ〆−０．７５％Ｓｉ合金粉末とＡそ−
８０％Ｃｕ合金粉末、Ａ夕−６０％Ｍｇ合金粉末を用い
、これら３種の粉末を、最終的に得られる焼結体の組成
がＡ〆−５．０％Ｃｕ−０．４％Ｍｇ−０．７％Ｓｉと
なるべく次の第３表の通りで配合した。

なお、Ａそ−０．７５％Ｓｉ合金粉末の粒度分布および
見掛密度は前記実施例１におけるＡクー０．８４％Ｓｉ
合金粉末の粒度分布および見掛密度とほぼ同一である。
第３表これら３種の粉末を前記実施例１と同様にして混
合、圧粉成形した。

５７０℃の焼結温度で３０分間競結した謙片につき引張
試片を行ったところ、引張強さは滋．ｌｋ９／側２ 、
伸びは４．０％であった。

また同じく５８０ｑｏにおいて３０分間晩結した試験に
つき、溶体化処理を行ない、焼入れ後ｔ処理を施した。
この試片について引張試験を行ったところ引張強さは３
３．５ｋ９／帆２ であった。実施例 ４原料粉末とし
てＡ〆−０．６２％Ｓｉ合金粉末とＣｕ一１１．８％Ｍ
ｇ合金粉末を用い、これら２種の粉末を、最終的に得ら
れる暁結体の組成がＡ〆−３．０％Ｃｕ−０．４％Ｍｇ
‐０．６％Ｓｉとなるべく、第４表の通り配合した。

第４表 これら２種に粉末を前記実施例１と同様にして混合、圧
粉成型した。

５７０００の競給温度で３０分間焼結した試片につき引
張試験を行ったところ、引張強さは２０．７ｋ９／肋２
、伸びは９．６％であった。

また同じく５８０ｑｏにおいて３０分間焼結した試片に
つき、港体化処理を行ない焼入れ後Ｔ６処理を施した。
この試片について引張試験を行ったところ引張強さは３
５．２ｋ９／側２であった。実施例 ５ 原料粉末としてＡそ−０．７５％Ｓｉ合金粉末、Ａそ−
６０％Ｃｕ−１０％Ｍｇ合金粉末Ｃｕ粉末、およびＭｇ
粉末を用い、これら４種の粉末を、最終的に得られる焼
結体の組成がＡ〆−４．０％Ｃｕ−０．６％Ｍｇ−０．
７％Ｓｉとなるべく、第５表の通り配合した。

第５表これらを粉末を、前記実施例１と同機にして混合
、圧粉成型した。

５７０℃の競結温度で３粉ご間焼結した試片につき引張
試験を行ったところ、引張強ごは２２．１ｋ９／肌２「
伸びは７．５％であった。

また同じく５７０℃において３０分間焼結した謎片につ
き、溶体化処理を行い、焼入れ後Ｌ処理を施した。この
試片の引張強さは３４．５ｋ９／肋２となつた。実施例
６ 原料粉末としてＡそ−０．５２％Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ−
７％Ｍｇ合金粉末、およびＭ９粉末を用い、これら３種
の粉末を、最終的に得られる暁結体の組成がＡぞ‐２７
％Ｃｕ−０．７％Ｍｇ−０．５％Ｓｉとなるべく、第６
表の通り配合した。

第６表 これらの粉末を前記実施例１と同様にして混合、圧粉成
型した。

５７０００の焼結温度で３０分間暁結した試片につき引
張試験を行ったところ、引張強さは２０．６Ｘ９／肋２
、伸びは１２．５％であった。

また同じく５７０℃において３０分間焼結した試片につ
き、溶体化処理を行い、焼入れ後ｔ処理を施した。この
試片の引張強さは３５．２ｋ９／肋２ であった。以上
の説明で明らかなように、この発明によれば、Ｔ６処理
後の引張強さが３２ｋ９／肋２以上の高い強度となり得
る焼結体を大気中で製造することが可能となった。

すなわちこの発明によれば、成形性が悪い銅粉末やマグ
ネシウム粉末等の配合率を３０％未満に抑制したことに
よって圧粉体を高密度にすることが可能となると共に、
適当量だけケイ素を含有するアルミニウムーケィ素合金
粉末を用いることにより、ケイ素をアルミニウム素地中
に約一に分散させてケイ素による析出硬化作用を充分に
期待することが可能となり、これらの作用と、銅やマグ
ネシウムによる析出硬化や固溶強化とが相挨つて高い強
度が得られるようになったのである。したがってこの発
明の方法は、各種機械部品等、高強度が要求される暁結
部品の製造に適用して最適なものである。またこの発明
の方法は、暁結を大気中で行うため雰囲気ガスを必要と
せず、したがって操業コストが低廉である共に製造装置
のコストも低廉である。

さらにこの発明の方法では、主原料、すなわちアルミニ
ウムーケィ素合金粉末として例えば一４８メッシュ程度
の粗い粉末を使用することができ、したがってアトマイ
ジング法により得られた粉末をそのまま使用できるなど
、粉末製造の手間および費用が従釆法と比較して格段に
少なくて済み、かつまた粗い粉末粒子の混合作業が容易
になると共に、粉末の流動性が良好となって圧粉成形時
における充填速度が遠くなり、この結果生産性を向上さ
せることが可能となる。

以上のようにこの発明によれば高強度のアルミニウム系
競結体を低コストで製造するこが可能となり、かつ生産
性を向上させるとも可能となった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 焼結体の組成がＣｕ１．０〜６．０重量％、Ｍｇ０
   ．２〜２．０重量％、Ｓｉ０．２〜２．０重量％、残部
   Ａｌとなるように、Ｓｉ０．３〜２．１重量％を含むア
   ルミニウム−ケイ素合金粉末と、（ａ） 銅粉末 （ｂ） マグネシウム粉末 （ｃ） アルミニウム−銅合金粉末 （ｄ） アルミニウム−マグネシウム合金粉末（ｅ）
   銅−マグネシウム合金粉末（ｆ） アルミニウム−銅マ
   グネシウム合金粉末 上記（ａ）〜（ｆ）の内から選ば
   れた１種以上の粉末および必要に応じてアルミニウム粉
   末とを、前記アルミニウム−ケイ素合金粉末が７０重量
   ％以上を占めるような配合率で混合し、この混合粉末を
   圧粉成形した後、圧粉成形した後、圧粉体を大気中にお
   いて５００〜６５０℃の温度範囲で焼結して前記組成の
   焼結体を得ることを特徴とするアルミニウム系焼結体の
   製造方法。