JPS6038451B2 - 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焼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暁結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
、アルミニウム系焼鯖体の製造に当ってはアルミニウム
粉末を５００〜６００ｑＣ程度の高温で蛾結しければな
らない。

この焼結温度までの昇温過程や焼結過程でアルミニウム
粉末の表面が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蛭結体として高い強度を得る
ことができなくなる。このため従来は焼結を不活性ガス
雰囲気または真空中などの非酸化性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
果アルミニウム系暁結体を安価に供給できない問題があ
り、このため大気中で焼結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焼綾体の製造方法の開発が
要望されている。しかる従来の大気中暁結よるアルミニ
ウム系糠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、焼結温度
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融共晶がアル
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（
特公昭５１一１３４４４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焼結体は、溶体化処理
後焼入れ一人工時効硬化処理（Ｔ６処理）を施しても、
２０ｋｇ′紘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
のごとき微粉末を３５〜９０００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
粒度の微粉末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、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
り製造された維持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
のまま焼結体中に残留し、この結果析出硬化に寄与しな
いばかりでなく、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。また、ケイ素をアルミニウムーケィ
素２元系母合金粉末として添加することも考えられるが
、この方法でもケイ素が充分にアルミニウム粉末粒子中
へ拡散せず、この結果充分な強度を得ることができない
と共に粉末粒度や暁結体時間等の焼結条件に依って焼結
体の強度を大さくばらつくことが判明した。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、
大気中焼結により高強度のアルミニウム系暁給体を製造
し得るようにし、併せて原料粉末として粗い粉末粒子を
使用できるようにし、これによって低コストで高強度の
アルミニウム系凝結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、焼結体の組成がＣｕｌ．０〜６．
０％（重量％、以下同じ）、Ｍ剣．２〜２．０％、Ｓｉ
ｏ．２〜２．０、残部ふとなるように、アルミニウム粉
末と、次の‘ａ’、【ｂ’、‘ｃ｝、‘ｄーの４種の内
の一種または二種以上の粉末とをアルミニウム粉末が７
０％以上を占めるような割合で混合し、この混合粉末を
圧粉成形した後、この圧粉体を５００〜６５０ｏｏの温
度範囲において大気中で焼結することを特徴とするもの
である。

｛ａ｝ アルミニウム−銅−マグネシウムーケィ素合金
粉末【ｂ｝ アルミニウム−銅−ケイ素合金粉末および
マグネシウム粉末【ｃ）アルミニウムーマグネシウムー
ケィ素合金粉末および銅粉末｛ｄ｝ 銅−アルミニウム
ーケィ素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アルミニウ
ム粉末に前詔ａー、‘ｂ｝、【ｃ’、側の内の一種また
は二種以上の粉末をアルミニウム粉末が７０％以上を占
めるように混合したものである。

ここで【ａ｝、ｔｂ｝、‘ｃはたは｛ｄ｝の粉末の配合
量は、最終的に得られる暁結体の組成がＣｕｌ．０〜６
．０％、Ｍ馳．２〜２．０％、Ｓｉｏ．２〜２．０％、
残部ＡＩとなるようかつ配合量が３０％以下となるよう
に、各合金粉末を組成するアルミニウム、ケイ素、銅お
よび／またはマグネシウムの成分比に応じて設定すれば
良い。上述のようにアルミニウム粉末の配合量を７０％
以上に限定したのは、アルミニウム粉末が７０％未満の
場合すなわち合金粉末を主体とする前記‘ａ｝、｛ｂ）
、【ｃ｝または【ｄ｝の配合量が３０％を越える場合に
、成形性の悪い合金粉末の影響により庄粉成型時に圧粉
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、かつ外部と通じるいわゆるオープ
ンポアが多くなるため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いからである。なおこ
の発明では後述するように原料粉末の粒度が粗い場合で
も充分な機械的強度が得られるから、アルミニウム粉末
その他の原料粉末としてはタィラ−標準節−４８メッシ
ュの粒度のものであれば良い。したがって原料粉末とし
ては、アトマィ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。なおアトマイジング法により
粉末を製造した場合、通常アルミニウム粉末粒子の表面
に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り破壊されるから何等支障は
ない。上述のようにして配合された混合粉末はこれを所
定の形状に圧粉成形する。

この圧粉成形手段は従来の粉末冶金で使用されているプ
レスを用いれば良い。この場合金型には予め潤滑剤とし
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、あるいは鉱物性潤滑油、植物性潤滑油、任意の潤滑
剤を用いることができる。なおこの発明では原料の混合
粉末中には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％程度となるように混合粉末を加圧すること
が望ましい。ここで混合粉末は、前述のように成形性の
良いアルミニウム粉末が７０％以上配合されているから
、全体として成形性が良好であり、したがって小さい加
圧力で理論密度の９０〜９９％程度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５００〜６５０午Ｃの温度で
暁結する。

この焼結温度までの圧粉体の昇塩速度が遅い場合には焼
結が開始される以前の段階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。そして、このように昇温速度を高くするためには
、予め焼結炉内を焼結温度に設定しておき、この焼結炉
内に圧粉体を速やかに装入することが望ましい。嫌結時
間は鱗綾温度や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
特に圧粉体の子億焼結は必要としない。上述のようにし
て得られた焼縞体は、通常のアルミニウム辰伸材と同様
な熱処理、例えば溶体化処理後人工時効硬化処理（Ｔ６
処理）等を施して製品化する。

以上の工程において、圧粉成形時には圧縮加圧力により
アルミニウム粉末粒子表面の酸化皮膜が部分的に破壊さ
れ、これによりアルミニウム粉末粒子の金属表面が露出
すると共に、アルミニウム粉末粒子と添加合金粉末粒子
との金属−金属接触面が生じる。

一方、原料粉末は前述のように成形性の良いアルミニウ
ム粉末が７０％以上配合されているため圧縮成形が良好
であり、したがって圧粉成形過程で圧粉体は充分に繊密
化され、内部に含まれる空気（酸素）の量がきわめて少
なくかつオープンボアも少ない。このため焼結温度まで
の昇温過程でアルミニウム粉末粒子の金層表面が再び酸
化されることはほとんどない。競結温度に達すれば、合
金粉末例えばＡＩ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ合金粉末が完全に
溶融するから、その合金液相がアルミニウム粉末粒子の
金属表面に接する。このとき、合金液相中の銅、マグネ
シウム、ケイ素の濃度はアルミニウム粉末粒子内の銅等
の濃度に比較し格段に大きいため、銅、マグネシウムお
よびケイ素は合金液相中からこれに接するアルミニウム
粉末粒子中へ急速に拡散する。また凝結温度においては
、アルミニウム粉末粒子とこれに接する他のアルミニウ
ム粉末粒子との結合も、相互の金属接触面においてなさ
れる。したがって焼結温度において、添加合金元素のア
ルミニウム粉末粒子中への拡散と、アルミニウム粉末粒
子の焼結結合がなされ、これにより、アルミニウム基地
中に銅、マグネシウム、およびケイ素が均一に拡散され
た焼結体が得られる。なお、添加粉末として前記‘ｂ｝
に示す如くＡＩ−Ｃｕ−Ｓｉ合金粉末およびＭｇ粉末を
使用する場合、Ｍｇ粉末粒子は山一Ｃｕ−Ｓｉ合金液相
を介してアルミニウム粉末粒子へ拡散する過程と、Ｍｇ
粉末粒子が直接アルミニウム粉末粒子の金属表面に接し
て固相−固相拡散、または固相−液相拡散が行なわれる
過程とが考えられる。また添加粉末として前記【ｃ’の
ＡＩ−Ｍｇ−Ｓｉ合金粉末とＣｕ粉末とを使用する場合
も同様である。これらの場合、マグネシウムまたは銅は
、ケイ素と異なり比較的アルミニウム中へ拡散し易く、
また３元合金であるＡＩ−Ｃｕ−Ｓｉ合金またはＡＩ−
Ｍｇ−Ｓｉ合金と併用しているため合金液相の量に比較
しマグネシウム粉末または銅粉末の絶対量が少ないから
、合、金液相を介しての拡散も充分に行われ、したがっ
て前記‘ａ｝の山一Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ４元合金粉末を使
用する場合と比較して拡散速度はさほど低下しない。前
述のように最終的に得られた暁結体の組成は、Ｃｕ１‐
０〜６‐０％、Ｍｇ○‐２〜２．０％、Ｓｉ○‐２〜２
‐０％、残部ＡＩ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％
未満の場合には、アルミニウム基地の強化に効果が生せ
ず、６．０％を越える場合には競緒体は逆に脆弱化し、
かつ焼結体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％を越える場合には焼絹体は逆に脆弱
化し、かつ嫌結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％禾満では強化の効果がほとんどなく
、２０％を越える場合には焼結体が逆に脆弱化し、かつ
焼結中に異常な膨張が生じやすくなる。なお、銅、マグ
ネシウム、ケイ素の池必要に応じて鉄、ニッケル、クロ
ム、マンガン、コバルト、モリブデン、チタン等を添加
することができる。

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、焼結体の伸びを低下し、鋤性をそこなうが、ケイ
素が共存すると、固溶度が増大し、焼結体の耐力を増加
させる効果がある。しし、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結体の機械的強度を高めるこ
とができる。しかし鞠性を問題にする場合はこれらの元
素の総量は１．の重量％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、その
添加量は０．００５〜０．２５重量％の範囲が好ましい
。なおこれらの鉄、ニッケル等の添加金属は予め前述の
Ｎ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ合金やＡＩ−Ｍｇ−Ｓｉ合金中に
合金元素として添加しておき、合金粉末として配合する
ことが望ましい。

このようにすれば競結中に合金液相からアルミニウム粉
末粒子へケイ素等が拡散すると同時に鉄、ニッケル等も
アルミニウム粉末粒子中へ急速に拡散するから、本釆単
体金属の固相としてはアルミニウム粉末粒子中へ拡散困
難な鉄、ニッケル等を均一かつすみやかに拡散させるこ
とができる。以下に本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製造されたア
ルミニウム粉末およびＡＩ−４０％Ｃｕ−５％Ｍｇ−８
％Ｓｉ合金粉末を、最終的に得られる競結体の組成が山
一４０％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ−０．８％Ｓｉとなるよう
に配合した。

これらの粉末の粒度分布、見掛比重および配合重量比は
次の第１表の通りである。第１表 上記２種の粉末を約３職１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混合粉末を圧扮して理論密度の
９８．２％の圧粉体を得た。この圧粉体の寸法は、ＪＳ
ＰＭ標準２一６４の引張試験片と同一である。次にで前
記圧粉体をＳＵＳ３０４製のボートに萩直し、暁給炉内
の５４０ｏｏの子熱保持された灼熱部品に前記ボートを
すみやかに装入して５分間競結を行った。また同様にし
て他の圧粉体を３０分間暁結した。これらの焼綾体につ
いて引張試験を行ったところ、５分間焼結のものでは引
張強度２１．２ｋ９′柵、伸び４．８％であり、また３
０分間蛭絹のものでは引張強度２３．８ｋｇ′磯、伸び
５．６％であった。また両焼結体も共に表面状態は良好
であり、異変は認めなかった。３び分間焼緒を行った競
結体を更に溶体化処理後水焼入し、この後人工時効処理
を施したところ、引張強度３４．０ｋ９′協が得られた
。

実施例 ２前記実施例１とほぼ同様な粒度分布、見掛密
度のアルミニウム粉末９５重量部およびＮ−４０％Ｃｕ
−１０％Ｍｇ−１２％Ｓｉ合金粉末５重量部を混合し、
実施例１と同様な方法によりＮ一２０％Ｃｕ−０．５％
Ｍｇ−０．６％Ｓｉ組成の暁結体を得た。

なお糠結条件は５９０ｑｏ×３０分であった。この暁緒
体の密度は理論密度の９４．２％であり、引張強度は２
２．７ｋｇ／均、伸びは１３．９％であった。またこの
競結体に溶体化処理後焼入れ、人工時効処理を施したと
ころ、引張強度は３４．３ｋ９′磯となった。実施例
３ 前記実施例１とほぼ同様な粒度分布、見頚密度のアルミ
ニウム粉末９４．２重量部およびＮ−６０％Ｃｕ−１０
％Ｍｇ−８％Ｓｉ合金粉末５．母重量部を混合し、実施
例１と同様な方法によりＡＩ−３．５％Ｃｕ−０．５８
Ｍｇ−０．４６％Ｓｉの組成の競結体を得た。

なお焼縞条件は５７０℃×３び分であった。この暁結体
について引張試験を行ったところ、引張強度は２４．６
ｋ９／柵、伸び８．２％であった。またこの暁給体に熔
化処理後焼入れ、人工時効処理を施したところ、引張強
度は３４．８ｋ９／柵となった。実施例 ４ 前記実施例１とほぼ同一の粒度分布、見掛密度のアルミ
ニウム粉末９２．５重量部、およびＡＩ−６０％Ｃｕ−
６．７％Ｍｇ−５．３％Ｓｊ合金粉末７．５重量部を混
合し、実施例１と同様な方法によりＡＩ−４．５％Ｃｕ
−０．５０％Ｍｇ−０．４０％Ｓｉの組成の競給体を得
た。

なお糠給条件は５６０ｑＣ×３０分である。この孫結体
について引張試験を行ったところ、引張強度は２１．８
ｋ９／地、伸びは２．９％あった。またこの焼結体に溶
体化処理後焼入れ、人工時効処理を施したところ、引張
強度は３８．３ｋ９／柵であった。実施例 ５前記実施
例１とほぼ同様な粒度分布、見掛密度のアルミニウム粉
末９２．り重量部ＡＩ−５０％Ｃｕ−８％Ｓｉ合金粉末
５重量部、マグネシウム粉０．亀重量部、およよびＣｕ
−１０％Ｍｇ−１５％Ｓｉ合金粉２重量部を混合し、実
施例１と同様の方法でＮ−４．０％Ｃｕ−０．５１％Ｍ
ｇ−０．６９％Ｓｉの組成の競結体を得た。

なお暁結条件は５６００Ｃ×３０分であった。この煉結
体について引張試験を行ったところ、引張強度は２１．
５ｋｇ／桝、伸び６．３％であった。またこの合金に溶
体化処理後焼入れ、人工時効処理を施したところ、引張
強度は３４．２ｋ９／柵となった。実施例 ６前記実施
例１とほぼ同一の粒度分布、見雛密度のアルミニウム粉
末８９．ａ重量部、ＡＩ−６０．６％Ｃｕ−９．８％Ｍ
ｇ−７．６％Ｓｉ合金粉末５．の重量部、ＡＩ−４．４
％Ｍｇ−８．２％Ｓｉ合金粉末５．の重量部および一３
５０メッシュ１００％で見掛比重１．６６夕／ｃｃの電
解鋼粉０．８重量部を混合し実施例１と同様な方法でＮ
−３．８％Ｃｕ−０．７％Ｍｇ−０．８％Ｓｉの組成の
暁綾体を得た。

なお競結条件は５６０ｑ０×３０分であった。この暁結
体について引張試験を行ったところ、引張強度は２４．
０ｋ９／松、伸びは２．２％であった。またこの暁結体
に溶体化処理後焼入れ、人工時効処理を施したところ、
引張強度は３３．１ｋ９／紘となった。実施例 ７前記
実施例１とほぼ同一の粒度分布、見掛密度のアルミニウ
ム粉末および山一４４％Ｃｕ−８．０％Ｓｉ合金粉末、
マイナス３５０メッシュが１００％で見掛密度０．６４
多／ｃｃのマグネシウム粉を８９．５％：１０％：０．
５％の配合重量比で混合し、実施例１と同様な方法によ
り針４．４％Ｃｕ−０．８Ｍｇ−０．８％Ｓｉの組成の
競結体を得た。

なお焼結条件は５７０００×３び分である。この焼結体
について引張試験を行ったところ引張強度は２０．６Ｘ
９′協伸びは２．５％であった。またこの暁結体に溶体
化処理後焼入れ人工時効処理を施したところ、引張強度
は３２．５ｋ９／ゆであった。実施例 ８前記実施例１
とほぼ同一の粒度分布、見掛密度のアルミニウム粉末お
よびＡＩ−２４．０タＭｇ−２０．０％Ｓｉ合金粉末、
マイナス２００メッシュが１００％で見掛密度１．６６
夕／ｃｃの電解鋼粉を９４．０％：２．５％：３．５％
の配合重量比で混合し、実施例１と同様な方法によりＡ
Ｉ−３．５％Ｃｕ−０．８Ｍｇ−０．６％Ｓｉの組成の
競鯖体を得た。

なお、焼綾条件は５８０℃×３０分である。この焼結体
については引張試験を行なったところ、引張強度は２１
．２ｋ９′協、伸び５．０％であった。またこの焼結体
に溶体化処理後焼入れ人工時効処理を施したところ、引
張強度は３３．１ｋ９′めであった。実施例 ９ 前記実施例１とほぼ同一の粒度分布、見掛密度のアルミ
ニウム粉末およびマイナス２．００メッシュが１００％
で見掛密度１．３０夕／ｃｃのＣｕ−１０％Ｍｇ−１５
％Ｓｉ合金粉を９６％：４％の配合重量比で混合し実施
例１と同様な方法によりＡＩ−３．０％Ｃｕ−０．４％
Ｍｇ−０．６％Ｓｉの組成の焼結体を得た。

なお暁結条件は５８０×３０分である。この焼結体につ
いて引張試験を行なったところ、引張強度は２１．０ｋ
８′協、伸びは６．２％であった。またこの焼絹体に綾
体化処理後、焼入れ人工時効処理を施したところ引張強
度は３３．６ｋ９′めであった。以上の各実施例１〜９
をまとめれば第２表の通りとなる。

第２表 （註）Ｓ：引張強度鷺９／柳，Ｓｒ：Ｔ６ 熱処理後の
引張強度ｂ９／側，Ｅ：伸率多以上の説明および各実施
例から明らかなように、この発明によれば、Ｌ処理後の
引張強度が３４ｋｇ′微以上の高い強度となり得る焼給
体を大気中で製造することが可能となった。

このような高い強度を得ることが可能となったのはケイ
素をアルミニウム素地中に均一に拡散させて、ケイ素の
析出硬化作用を充分に得ることができるようになり、銅
の固熔強化および析出硬化、マグネシウムの析出硬化と
相挨つて高い強度をもたらすようになったためと考えら
れる。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、焼結を大気中で行う
ため、雰囲気ガスを必要とせず、したがって製造装置の
コストが低廉であると共に操業コストも低廉である。さ
らにこの発明の方法では、原料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
ってアトマィジング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コストが従来法と比
較して格段に低廉となり、かつまた粗い粉末を使用する
ことによって原料粉末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でき
る。

以上のようにこの発明によれ‘よ、高強度のアルミニウ
ム系嬢結体を低コストで製造することが可能となり、か
つ生産性を向上させることも可能となる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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となるようにアルミニウム粉末と、（ａ） アルミ
   ニウム−銅−マグネシウム−ケイ素合金粉末、（ｂ）
   アルミニウム−銅−ケイ素合金粉末およびマグネシウム
   粉末、（ｃ） アルミニウム−マグネシウム−ケイ素合
   金粉末および銅粉末、（ｄ） 銅−マグネシウム−ケイ
   素合金粉末 上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の群
   から選ばれた１種または２種以上の粉末とを、アルミニ
   ウム粉末が７０重量％以上を占めるような割合で混合し
   、この混合粉末を圧粉成形した後、圧粉体を５００〜６
   ５０℃の温度範囲にて大気中で焼結して焼結体を得るこ
   とを特徴とするアルミニウム系焼結体の製造方法。