JP2761085B2 - Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末焼結部品用の原料粉末および焼結部品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば事務機器、コンピューター関連機器
等に用いられる、低熱膨張の高延性Al−Si系合金粉末焼
結部品の製造方法に関する。

［従来の技術及び解決しようとする課題］ 最近、事務機器、コンピュータ関連機器の分野では、
消費電力の低減、振動による騒音発生の防止、可搬性の
向上等の必要性から軽量なAl合金製部品の利用が増えつ
つある。これらの用途では使用温度環境が変化しても熱
膨張による狂いが生じないよう部品の熱膨張係数を低減
したいという要請がある。本発明は以上のような用途に
利用可能な低熱膨張のAl−Si系合金部品の安価な製造方
法を提供することを目的としたものである。

従来、低熱膨張のAl−Si系合金の複雑形状部品の製造
方法としてはダイキャスト法が一般的であった。しかし
ながらダイキャスト法では３次元的な複雑形状の部品が
造れるといった利点がある一方で、寸法精度が不十分
で、また型抜きのためテーパーをつける必要があり、鋳
造後高コストの機械加工を必要とする場合が少なくな
い。またブローホール等の鋳造欠陥のため、特性面で信
頼性に欠けるといった問題が存在した。

別の方法としては、溶製インゴットを出発原料とした
展伸材を素材とし、旋盤等による機械加工で製造する方
法も採用されている。しかしながらインゴットの鋳造時
に偏析が起りやすく、またSi量の増加とともに粗大な初
晶Siが析出し加工性が劣化するため、このような方法で
製造できる合金のSiの含有量は高々17wt％程度であり、
またかなりの工数の機械加工を必要とし、しかも加工歩
留りが低く、結果的に部品の価格を高める原因となって
いた。

このような問題点を解決するために、ニアネットシェ
イプ法としての特長を生かせる粉末冶金法で製造する方
法についても試みられている。

粉末を金型成形しそれを焼結する通常の圧粉成形焼結
法は、単純なプロセスでニアネットシェイプ部品が製造
できるため、特にコスト面で大きな利点をもっている。
しかしながらAl−Si系合金粉末は硬質で成形圧縮性が悪
く、そのため成形体を十分緻密化できず、また融点が低
いため焼結温度を十分高めることができず、そのため焼
結を十分進行させることが難しい。そのため従来、本法
では十分な機械的性質、特に延性の良好な部品を得るこ
とができなかった。例えば本出願人の提案した特開昭53
−128512号公報による手法もその一つであるが、本発明
者らの実験によれば強度的にはかなり良好な特性が得ら
れているものの延性については十分満足できる特性とは
言えない。延性は材料の信頼性に関わる重要な指標で、
例えば、往復運動をするアーム状部品、比較的大きな荷
重がかかる部品などについては、従来の焼結合金では延
性が低いことから十分な信頼性が得られず、適用できな
い場合があった。

良好な機械的性質を得る為に、圧粉成形焼結法でまず
プリフォームを得、それを熱間で型鍛造して部品に加工
する方法いわゆる粉末鍛造法についても試みられてい
る。しかしながら、粉末鍛造法ではプリフォームの鍛造
を熱間で行なうため、型への焼付きが生じやすい。型寿
命が低い、さらに寸法精度を出しにくく最終的に寸法精
度を上げるためには機械加工に頼らざるを得ないといっ
た種々の問題点が存在した。

また、Al−Si系合金粉末をプレス成形して得たビレッ
トを熱間押出しして充分な塑性変形を与えることにより
粉末表面の酸化被膜を十分な破壊と金属同志の接触をは
かり、特性を向上させる手法も提案されている。しかし
ながらこのような方法では高価な熱間押出工程を必要と
し、しかも得られる製品は中間製品の押出形材であり、
最終部品形状に加工するためにはさらに鍛造や機械加工
を必要とし、歩留りが低く経済的でないといった問題が
あった。（例えばアルミニウム粉末冶金研究開発成果発
表会テキスト，「アルミニウム粉末冶金のすべて」，ア
ルミニウム粉末冶金技術研究組合，（1989）、第30回シ
ンポジウム，「最近のアルミニウム合金の粉末冶金技
術」，軽金属学会（1987）参照。） 本発明は、上記のような従来技術の欠点を改善し、ニ
アネットシェイプ法としての特長を生かせる通常の粉末
冶金法、すなわち圧粉成形し、その後真空下あるいは窒
素ないしアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で加熱焼
結することにより、機械的性質、特に延性に優れた複雑
形状のAl−Si系合金部品を経済的に製造する方法を提供
することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は従来技術のかかる問題点を解決するため、粉
末の成形性、焼結性さらには焼結部品の特性に及ぼす合
金元素の影響、成形条件、焼結条件を詳細に検討した結
果達成したものである。

即ち、従来公知の特開昭53−128512では主たる原料粉
末としてAl−Si合金粉末を用いているのに対して、本発
明では主たる原料粉末として適当量のCuをあらかじめ合
金化させたAl−Si−Cu合金粉末（Ａ）に、Mgに単体ある
いは母合金粉末（Ｂ）として配合した粉末を用いる。さ
らにその原料粉末に適した成形条件、焼結条件を選定す
ることにより延性の良好なアルミニウム合金粉末焼結部
品を製造できることを見出したものである。以下に本発
明をさらに詳細に説明する。

始めに最終合金組成について述べる。

Siは熱膨張率を低減するために添加する。その場合10
wt％以上必要で、最終焼結部品に求められる熱膨張率に
応じて決定される。反面、35wt％を越えると後述の理由
から最終的に実用に耐えうる機械的性質をもった焼結体
が得られなくなる。そのためSiは10〜35wt％とした。Mg
は固溶強化、さらにSiとの共存下で時効硬化に寄与する
重要な元素である。しかしながら過剰の添加は延性、靭
性を低下させるためその量は0.2〜2.0wt％とした。

Cuも材料の強度増加に寄与する時効硬化元素として重
要である。これも過剰添加による特性低下を招かない範
囲で0.2〜4.0wt％とした。

次にこれら最終合金組成に至る原料粉末の組成と配合
について述べる。

本発明の原料粉末は２種類の粉末が配合されている。
そのうちの一方は原料粉末の80wt％以上を占める主たる
原料粉末（Ａ）、他方はMg粉末（Ｂ）あるいはその他の
母合金粉末（Ｂ）である。

始めに主たる原料粉末（Ａ）について説明する。

主たる原料粉末（Ａ）はSi:10〜35wt％、Cu:0.2〜2.0
wt％を含み、残部がAlからなり、Mgは不純物レベルの中
でも出来るだけ少なく押えることが望ましい。

Siは熱膨張率を低減するために10wt％以上必要で、Si
量の増加に伴って熱膨張率は直線的に低下する。しかし
ながら35wt％以上になると、硬質なSi晶が増加し相対的
に軟質なAlマトリクス相が減少するため、粉末の成形圧
縮性が著しく悪化し、緻密な成形体が得らなくなり、最
終的に良好な機械的性質を有する焼結部品を製造する事
ができなくなる。そのためSiは10〜35wt％とした。

Cuは材料の強度の増加に寄与する時効硬化元素として
重要である。さらに本発明者らが調べた結果、適当量Cu
が合金化された粉末は後述のMgの場合とは逆に焼結を促
進することが判明した。そこで主たる原料粉末であるAl
−Si合金粉末にCuを合金化することにした。しかしなが
らそのCuの量は、2wt％を越えると合金の融点が低下し
焼結温度をより低く設定する必要が生じ、そのため焼結
が進みにくくなり十分な強度延性を有した焼結材が得ら
れなくなる。また粉末が硬質になるため成形圧縮性が悪
化し、緻密な成形体が得られず、最終的に良好な機械的
性質を有する焼結部品を製造する事が困難になる。これ
らの理由から合金化するCuの量は2wt％以下に限定し
た。

さらに主たる原料粉末（Ａ）は２種以上の異なる粉末
を混合して用いることができる。これは例えば、Si量の
異なる（Ａ）粉末を混合することによりSi量を調節し、
求める熱膨張率を得ることができる。

Mgはアルミニウム合金において材料の固溶強化、時効
硬化に寄与する重要な元素であり、またアルミニウムの
真空ロウ付けの分野ではMgの適量の添加はロウ付け性を
改善することが知られている。このような理由から粉末
冶金分野でも多くの場合Mgが合金元素として積極的に用
いられる傾向にある。それに対し、本発明者らがMgの影
響について詳細に調べた結果、Mgはその添加方法によっ
ては逆に重大な悪影響を及ぼすことを見出した。即ち、
あらかじめMgを合金化した粉末は良好に焼結せず、その
焼結材についてはほとんど伸びが得られないことが判明
した。そこで主たる原料粉末（Ａ）にはMgを合金化せ
ず、そして必要量のMgな単体粉末あるいは母合金の形で
添加することにより主たる原料粉末（Ａ）の焼結を進行
させ、特性を改善することに成功した。

次にMg粉（Ｂ）あるいはその他の母合金粉末（Ｂ）に
ついて説明する。

これらの粉末を用いる目的は、上述の理由から主たる
原料粉末（Ａ）にあらかじめ添加しておくことができな
いMgを供給することと同時に、焼結中に適当量の液相を
生じさせ、いわゆる液相焼結により焼結を進行させるこ
とにある。

Al−Si系合金は低融点の共晶をつくるため焼結温度を
十分高くすることができず、そのため拡散・焼結を十分
に進行させてやることが難しい。

本発明ではこの問題を解決すべく液相焼結を利用して
いる。即ち、自ら低融点でありまた主たる原料粉末
（Ａ）との反応でより低融点の共晶を作る粉末（Ｂ）を
一部混合してやることにより焼結中に適当量の液相を生
じさせ、その濡れ広がりを利用し焼結を進行させるもの
である。

このとき液相の量が少ないと効果が無いが多いと発汗
現象などが起り焼結部品としての形状を保てなくなる。
従って良好な液相焼結を行なうため、粉末（Ｂ）は原料
粉末の20wt％未満の配合率とし、またその融解開始温度
は450〜550℃が望ましい。

ここで粉末（Ｂ）の具体的内容として特許請求項にあ
る（ａ）〜（ｉ）粉末の利点、選択理由について述べ
る。

（ａ）Mg粉末は粉末が軟質で原料粉末の成形圧縮性を悪
化させない利点がある。それに対し（ｂ）Al−Mg粉末お
よび（ｄ）Al−Mg−Si粉末はAl、Siと合金化させること
により（ａ）粉末より融解開始温度を低く調整でき、ま
た粉末の量、即ち焼結初期に現れる液相の量をより多く
できる利点がある。（ｃ）Al−Cu粉末、（ｅ）Al−Cu−
Si粉末はCuの添加を目的としたもので（ａ）、（ｂ）、
（ｄ）粉末と組合せて使用する。これは単体Cuは融点が
高く液相生成のための共晶反応が生じにくく、本発明に
よる焼結条件下では十分拡散均一化させることが困難な
ため、Al、Siと合金化させ焼結中速やかに液相を生成し
濡れ広がるよう工夫したものである。（ｈ）Mg−Cu粉末
は組成を選べば母合金を一種類で済ますことができ、原
料粉末の製造工程を簡便化できる。さらに（ｆ）Al−Mg
−Cu粉末、（ｇ）Al−Mg−Cu−Si粉末、（ｉ）Mg−Cu−
Si粉末は（ｈ）粉末の組成にAl、Siを添加することによ
りその融解開始温度を調節し、また配合量も調整できる
ようにしたものである。さらに活性なMgの含有量が多く
比重差が大きい金属を合金化する、といった点で製造が
やや難しかった（ｈ）粉末の難点を改善したものであ
る。

またさらに細かく液相の発生量を調整する、あるいは
市場において入手しやすい組成の粉末を利用しそれらを
組合せて最終合金組成に調整するといった目的から２種
以上の（Ｂ）粉末を混合し用いることも可能である。

さて、これら原料粉末の粒度は50メッシュ以下635メ
ッシュ以上が90％以上であることが望ましい。これは50
メッシュ以上の粉末が多いと金型への充填性が悪く、一
方635メッシュ以下の粉末が多いと流動性を害し、また
成形時に金型の隙間に入り込みカジリを生じやすいため
適当でない。

さらにこれら合金粉末（Ａ）および（Ｂ）を加熱焼鈍
し軟化させ、粉末の成形圧縮性を向上させることもでき
る。

また上記合金粉末に潤滑剤を混合してもよい。その量
は0.5wt％以下では潤滑効果が不十分であり、2wt％以上
では潤滑効果が飽和するだけでなく、粉末の流動性、成
型性を害し、さらに潤滑剤は焼結時に揮発飛散し、不必
要に焼結炉内あるいは真空焼結にあっては排気系を汚染
するため0.5〜2wt％が望ましい。潤滑剤の種類として
は、焼結温度以下で全て揮発飛散し、材料特性に有害な
影響の無いものが好ましい。そういった点からは金属塩
系の潤滑材（例、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチ
ウム、ステアリン酸アルミニウムなど）よりもアミド系
潤滑材が望ましく、例えばエチレンビスステアロアマイ
ド等を挙げることができる。

次に製造条件について述べる。

成型圧は2ton/cm²未満では成型体の緻密化が足りず粉
末同士の接触が不十分で、良好な焼結体強度・延性が得
られない。従って2ton/cm²以上で成形する必要がある。
さらに成形体の密度を上げるためより高い圧で成形する
場合、金型の寿命、ラミネーションの発生、金型へのカ
ジリ等の問題があらわれてくる。そのため実操業上8ton
/cm²を越える成形圧は不適である。

さらに原料粉末を70℃〜250℃に加熱した状態で成形
することにより成形体をより緻密化することも可能であ
る。

焼結雰囲気については活性なAl合金粉末粒子の酸化を
防ぎ十分焼結を進行させるためには真空、窒素ガス雰囲
気あるいはアルゴンガス等の不活性雰囲気中で焼結する
必要がある。真空で焼結する場合その真空度は0.1torr
以下、望ましくは0.01torr以下にするのが良い。また焼
結炉の内部を真空置換後、減圧下で窒素ガス等の不活性
ガスを少量流しながら焼結することも、焼結体から発生
するガス成分を除去する効果を高める。なお窒素ガス雰
囲気あるいはアルゴンガス等の不活性雰囲気中で焼結す
る場合はガスの純度が重要であり、特にガス中に含まれ
る水分は焼結部品の特性に悪影響を及ぼすため、露点を
十分低く管理する必要があり、望ましくは融点は−40℃
以下に保つ必要がある。

焼結温度は500℃より低いと元素の拡散が不十分であ
り、粉末同志の焼結が不十分となり、一方570℃より高
いと多量の液相が生成し、昇温とともに部品形状を保て
ないため、500℃以上、570℃以下で焼結するのが望まし
い。

またこうして得られた焼結体を再圧縮することにより
組織を緻密化し機械的性質をより向上させることができ
る。一般に再圧縮では寸法だし（サイジング）を目的と
する場合が多くそれと併せて再圧縮条件を選定するが、
通常は３〜11ton/cm²の範囲の再圧縮圧とする。

さらに再焼結することにより機械的性質、特に延性を
改善することができる再圧縮により緻密化した組織を再
度焼結することにより拡散・焼結を一層進行させること
ができる。その際の条件は基本的には焼結の場合と同様
である。

またこれら焼結体の合金成分であるCu、Mg、Siは本来
熱処理により機械的性質の向上に寄与するものである。
したがって通常のAl合金同様、溶体化−時効熱処理を施
しその機械的性質を調整、向上させることは有効であ
る。

［発明の実施例］ 以下本発明の実施例について説明する。

（実施例１） 大気アトマイズ法により作成し100メッシュ〜325メッ
シュに篩分した表１に示す合金粉末（Ａ）と表２に示す
純Mg粉あるいは合金粉末（Ｂ）とを、その配合組成がほ
ぼAl−12％Si−１％Cu−0.5％Mgとなるように表３に示
す割合で配合し、さらに潤滑剤としてアミド系潤滑材を
1wt％配合し原料粉末とした。これをJIS Z2550の引張試
験片形状に成形圧4ton/cm²で成形し、それを0.01torrの
真空下、550℃で焼結した。この焼結体にT4熱処理を施
し、引張試験に供した。その結果を表３に示す。また本
発明に対する比較例を併せて示す。

（実施例２） 大気アトマイズ法により作成し100メッシュ〜325メッ
シュに篩分した表１に示すA2〜A4と表２に示す合金粉末
B6とを所定の割合で配合しさらにアミド系潤滑剤を1wt
％合し原料粉末とした。これを実施例１と同条件で成形
−焼結−熱処理し引張試験に供した。その結果を表４に
示す。また本発明に対する比較例を併せて示す。

（実施例３） 実施例１および実施例２にある焼結体の一部につい
て、焼結後5ton/cm²で再圧縮し、さらに焼結と同条件で
再結晶した。この焼結体にT4熱処理を施し、引張試験に
供した。その結果を表４に示す。

また本発明により作成した焼結合金のSi量と熱膨張率
の関係を第１図に示す。図中、黒丸印はAl−Si−Cu合金
粉末のSi量をはじめから最終目的のSi量に調整した場
合、白丸印はSi量の異なるAl−Si−Cu合金粉末を組合せ
て最終目的のSi量とした場合である。

実施例１の結果、表３から明らかなように、本発明に
よるAl−Si系焼結合金は良好な引張強度と著しい伸びを
示し、実用材料として十分な特性を有している。特に伸
びは非常に優れている。

比較例１は主たる原料粉末にCu、Mgを含まないAl−Si
合金粉末を用いた場合で、特に伸びの点で本発明に劣っ
ている。主たる原料粉末がCuを含まないAl−Si合金粉末
の場合、特に十分な延性が得られない。

比較例２は主たる原料粉末にMgが含まれるAl−Si−Mg
合金粉末場合で、良好な特性が得られない。主たる原料
粉末に含まれるMgの悪影響が表われている。

比較例３は主たる原料粉末にMgとCuが含まれるAl−Si
−Mg−Cu合金粉末を用いた場合で、これも良好な特性が
得られない。主たる原料粉末に含まれるMgはCuと同時に
添加しても悪影響を及ぼしている。

比較例４は粉末（Ｂ）を使用せず必要なCu、Mgをすべ
てあらかじめ合金化した粉末を原料とした場合で、これ
も良好な特性が得られない。粉末（Ｂ）による液相焼結
の効果が作用しない場合の例である。

実施例２ではSi量を20％、30％とした場合、またCu量
を２％まで増やした場合の特性を示す。

Si量が増えるとその機械的性質、特に伸びは大きく低
下している。20％程度までは本工程でもある程度実用に
なる材料特性が得られているが30％に達するとそれは困
難になってくる。さらに比較例５に示すSi量40％の場合
では伸びが０％と実用に耐えられないものとなってい
る。

実施例３では再圧縮、再焼結により機械的性質がさら
に改善されている。これは特にSi量が多い場合に有効
で、本工程により30％Si合金でも良好な特性が得られて
いる。

第１図より本発明による焼結合金は低熱膨張率を有
し、また熱膨張率はSi量の増加に伴って直線的に低下し
ている。さらにSi量の異なる合金粉末を混合することに
よりSi量を調節した場合も同様の熱膨張率を示し、この
手法により熱膨張率を任意に調節できることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結合金中のSi量と熱膨張係数との関係を示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−169340（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−128512（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22F 1/00 - 3/26 C22C 1/04 C22C 21/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Si:10〜35wt％、Cu:0.2〜2wt％を含み残部
   が不可避的不純物を含むAlからなるAl−Si−Cu合金粉末
   に、混合粉末の成分組成がCu:0.2〜4.0wt％、Mg:0.2〜
   2.0wt％、Si:10.0〜35.0wt％、残部Alとなるよう、下記
   （ａ）〜（ｉ）のうちから選ばれた一種以上の粉末を20
   wt％未満の配合率で添加配合したAl−Si系合金粉末焼結
   部品用原料粉末。 （ａ）Mg粉末 （ｂ）Al−Mg粉末 （ｃ）Al−Cu粉末 （ｄ）Al−Mg−Si粉末 （ｅ）Al−Cu−Si粉末 （ｆ）Al−Mg−Cu粉末 （ｇ）Al−Mg−Cu−Si粉末 （ｈ）Mg−Cu粉末 （ｉ）Mg−Cu−Si粉末
2. 【請求項２】請求項第１項記載の混合粉末を２〜8ton/c
   m²の加圧力で圧粉成形した後、圧粉体を非酸化性雰囲気
   において500〜570℃の温度範囲で焼結することを特徴と
   するAl−Si系合金粉末焼結部品の製造方法。