JPH04346603A - 高精度アルミニウム合金部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、急冷凝固またはメカニ
カルアロイングなどの方法で得られる高性能アルミニウ
ム合金粉末を用いて、粉末冶金法により寸法精度に優れ
た機械構造部品等を経済的に製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】急冷凝固法やメカニカルアロイング法に
よって得られたアルミニウム合金粉末を原料としてアル
ミニウム合金部品を製造する場合、原料粉末の準安定状
態の合金相を保ち、かつ、微細組織を保つために冷間或
いは比較的低温の熱間で押出もしくは鍛造により粉末材
料を成形固化した後、熱間加工する方法が採られている
。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の方法は
、金型、ダイス及びアルミニウム合金粉末成形体の熱膨
張、熱収縮を伴い、これによる固化体の寸法変化が生じ
るため、熱間加工の終了段階で鉄系焼結部品並の高寸法
精度を得るのが難しい。

【０００４】鉄系焼結部品は、成形、焼結後に焼結体内
に存在する１０〜２０％の空孔を利用し、加圧によりこ
れを部分的に潰して全体としては大きな塑性変形を生じ
させずに局所的に金型に沿った形状に変形することで寸
法精度を高めるいわゆるサイジングを行って高寸法精度
を確保しているが、アルミニウム合金粉末を原料とする
場合には、このような製造方法をそのまま適用すること
ができない。

【０００５】即ち、アルミニウム合金粉末は、表面に形
成されている酸化皮膜が拡散焼結を阻害するので鉄系粉
末で行っている焼結操作を採用すること自体が先ず困難
である。極めて高温の共晶液相を利用すれば焼結可能で
あるが、このような焼結操作は準安定状態の相を著しく
損なうため、実質的に意味がない。

【０００６】また、サイジングは、上述した通り、残留
空孔を利用した圧縮性材料の局所塑性変形法であり、真
密度の鍛造法や伸線、スエージなどの非圧縮性材料の塑
性変形とは変形のメカニズムが全く異なる。従って、サ
イジング対象物が十分な固化強度を有し、且つ適量の残
留空孔を有していることが不可欠であるが、アルミニウ
ム合金粉末の固化体は１０〜２０％もの空孔が内部に残
存すると著しい強度低下を招くためサイジングを行えな
い。なお、強度低下を抑制するべく空孔を無くすとサイ
ジングにならず、真密度の再鍛造となるため寸法精度は
向上しない。

【０００７】このような事情から、粉末材料を用いたア
ルミニウム合金部品は、高寸法精度が要求される場合に
は、成形固化、熱間加工後に機械加工して精度を出して
いるが、これでは生産性に優れず、製造コストも高くつ
く。また、形状の複雑な部品は機械加工による仕上げが
実施不能なケースも生じてくる。

【０００８】そこで、この発明は、上記の不具合を無く
すためにサイジング法を利用できるようにして熱間加工
の終了段階、即ち、表面に黒皮が残されている段階で鉄
系焼結品並の高寸法精度を確保できるようにした高精度
アルミニウム合金部品の製造方法を提供しようとするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の製造方法は、
アルミニウム合金粉末を冷間又は温間成形して成形密度
７５〜９３％の成形体を得る第１工程、上記成形体を、
温度３００〜５６０℃の熱間で押出比３以下の押出加工
及び軸方向圧縮により軸心と並行な部分の表層部には空
孔が無く、中央内部に独立空孔が残存している状態の空
孔率２〜４％の固化体となす第２工程、第２工程で得ら
れた固化体を、冷間又は温間でサイジング処理して仕上
げる第３工程を経て高精度かつ高強度アルミニウム合金
部品を得るようにしたものである。

【００１０】この方法における第２工程は、第１工程で
得られた成形体を空孔率が３〜５％になるまで先ず軸方
向に圧縮し、さらに、同一金型内で引き続き押出加工を
行って空孔率を２〜４％になすもの、又は第１工程で得
られた成形体を先ず押出加工して表層部の空孔を除去し
、さらに、同一金型内で引き続き軸方向圧縮を行って空
孔率を２〜４％になすもののいずれであってもよい。 押出加工を先行させる後者の方法は、加圧面と対向する
面に背圧を加えて押出しを行うとより好ましいものとな
る。

【００１１】また、この第２工程は、第１工程で得られ
た成形体を温度３００〜５６０℃、保持時間１５分〜３
時間の条件で予備加熱し、さらに、金型温度を３００〜
５６０℃にして加工を行うのが望ましい。

【００１２】このほか、使用するアルミニウム合金の原
料粉末は、マトリックスにＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎの中
の少なくとも１種を含有するものが好ましい。粗粒粉末
であると更に良い。

【００１３】

【作用】アルミニウム合金粉末を原料とする部品を成形
固化後にサイジング処理するためには、サイジングに必
要な空孔を残しながら第２工程で得られる固化体の強度
をいかにして高めるかが重要になる。固化体の強度低下
は、残留空孔によるものと表層欠陥によるものがある。 前者の残留空孔による強度低下の原因は、いわゆる連結
空孔の形状に起因する空孔部での応力集中と、水分を含
む酸化性雰囲気が連結空孔を通って内部に浸透すること
による粒界の劣化である。そこで、残留空孔をできるだ
け球状化して応力に耐え易くすると共に、連結空孔を無
くして孤立空孔のみとなすことで残留空孔による強度低
下を抑制することを考え出した。

【００１４】連結空孔の場合、周囲の雰囲気が内部にま
で浸透し、しばしば反応を起こすが、孤立空孔になると
内部への浸透は表層部からの拡散が律速するようになり
反応はきわめて緩慢になる。

【００１５】残留空孔は、通常の粉末冶金法の場合、相
対密度約９４％を境として連結空孔から孤立空孔になる
。これはもとの粉末が変形し、旧粉末粒界どうしが接触
することで空隙が小さくなってゆくが、粒界の３重点の
ような箇所にどうしても空隙が残留する。この空隙が３
次元的に連結しているかどうかはほとんどその相対密度
によって決定され、前記の如く相対密度で約９４％が境
となる。

【００１６】一方、粉末冶金法においては、加熱された
粉末成形体が金型もしくはダイスと接触する部分、つま
り表層部に、空隙に代表される欠陥と粉末の未着部が発
生するため、一般に黒皮を残した状態での強度は低くな
る。これが表層欠陥である。この表層欠陥の発生原因と
しては、■加熱された成形体が金型もしくはダイスと接
触するために成形体の表層部の温度が低下し、粉末が変
形しにくくなり粉末表面の酸化皮膜が十分に分断・破壊
されないために粉末間で金属結合及び拡散接合が抑制さ
れて粒界の３重点のような箇所に空隙が残留することと
、■加熱された成形体の表面は大気中の水分を吸着する
ため表層部は酸化雰囲気にさらされ、粉末表面に酸化皮
膜が生成しやすく粉末どうしが圧着・結合しにくい状態
になるとともに、成形体内に残存している水分及びその
他の有機性成分の蒸発・分解が温度の低下した表層部に
おいては不十分となり、粒界を経て大気中に放出すべき
これ等の成分が表層部に残るために粉末どうしの結合性
が低下することの２つが挙げられる。このうち■の原因
には金型温度を上げて対応する手があるが、この方法は
、金型と粉末成形体との焼き付きを助長するので高寸法
精度の確保等の観点からは不適である。

【００１７】そこで、この発明においては、第１工程で
得られる成形体の成形密度（相対密度）を連結空孔を有
する範囲（７５〜９３％）にとどめ、その後、第２工程
にて材料の降伏強度が下がる熱間で押出比３以下の押出
しと軸方向圧縮を行って粉末粒子間の結合を行うと共に
空孔を孤立化する。このとき、中央内部には孤立空孔を
残留させた状態で、表層欠陥を除去するために表層部に
せん断変形を与えて塑性流動を生じさせ、粉末表面の酸
化皮膜を十分に分断・破壊して粉末どうしを完全に圧着
・結合させることにより表層部のち密化を図る。そして
続く第３工程で中央内部に残留させた孤立空孔を利用し
てサイジングを行う。

【００１８】なお、連結空孔が孤立空孔になるのは、先
に述べたように相対密度で約９４％が境になるが、第２
工程で得る固化体の強度に及ぼす残留空孔量の影響につ
いて調査した結果、残留空孔が存在する状態で真密度時
と大差の無い強度を得るには９５％以上の相対密度に成
形固化する必要があることが判明した（表１）。また、
第３工程でのサイジングは、空孔量が２％以上あれば可
能であることが判った。空孔量が４％を越えてもサイジ
ングは可能であるが、強度面での限界は５％以下である
ので空孔量の上限を４％にした。この空孔量が２％以下
ではサイジングが限りなく鍛造に近づき、変形抵抗の増
大、残留歪の増大、焼き付きの発生などの問題が発生し
て寸法精度が悪化する。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、第１〜第３工程の意義等を工程ごと
にまとめて述べる。

【００２１】−第１工程− 第２工程の熱間加工で成形体の中央内部に孤立空孔を残
留させて成形体を成形固化するには、成形体の内部に存
在する水分やその他の有機成分を熱間加工で十分に分解
し、粒界を経て外部に放出する必要があり、そのために
は、第１工程における成形密度は連結空孔が存在する範
囲でなければならない。その範囲が７５〜９３％である
。

【００２２】また、本発明は高性能なアルミニウム合金
で高寸法精度の機械構造部品を製造することを目的とし
ているので、複雑な形状に成形できることも重要になる
。そのためには、第１工程の圧縮成形を冷間で行うとよ
いが、やや単純な形状の部品の場合には、温間成形を行
うことでより容易に所望の成形体を作ることができる。 原料粉末として比較的粒子の粗いものを用いることも複
雑形状の成形を容易化するのに有効なことである。 何故なら、形状の複雑な部品を作る場合には、粉末成形
体の各部位の密度を均一化して熱間加工時の寸法変化の
バラツキを抑制する必要がある。そのためには只でさえ
流動性の悪いアルミニウム微粉末を高速でハンドリング
して型内に均一に充填することは極めて難しいので、粉
末の流れ性を改善するのが得策である。粗粒粉末は微粉
末に比べて流れ性に優れるため、充填密度の均一化が図
り易い。また、原料粉末をハンドリングする上で重要な
ことは、金型のクリアランスへの脱落粉末による焼付き
の防止である。粗粒粉末は微小クリアランス部に落ち込
み難いのでこの面でも望ましい。

【００２３】−第２工程− 本工程における加熱条件を３００〜５６０℃に限定した
のは、３００℃未満では粉末どうしが十分に圧着せず、
金属結合、固相拡散が生じないために満足な強度が得ら
れない。一方、５６０℃を越えると粉末粒子内の微細組
織が粗大化して急冷凝固による粉末の特性が失われ、高
性能のアルミニウム合金部品が作れないからである。な
お、本工程に供する成形体は、予め３００〜５６０℃に
加熱しておくが、その予備加熱時の３００〜５６０℃下
での保持時間が１５分以下或いは３時間以上であると先
に述べた粉末の圧着不良、微細組織の粗大化が生じ易く
なるので、保持時間は１５分〜３時間とする。

【００２４】加工条件は、３００〜５６０℃の温度下で
軸方向圧縮により熱間コイニングを実施し、引続き、同
一金型内で押出比が３以下の熱間押出を行う。この押出
しで成形体の表層部に剪断変形を与えて塑性流動を生じ
させ、表層部の微小空隙を完全に除去し、さらに、中央
内部に孤立空孔を残存させて全体としての空孔率が２〜
４％の固化体となす。この際の押出比が３を越えると塑
性流動が中央内部にまで至り、中央内部の粉末どうしが
圧着結合してち密化するためサイジングに必要な空孔が
残らず、第３工程での寸法修正が不可能になる。

【００２５】なお、この第２工程は押出加工を先行させ
てもよいが、このときの押出加工を加圧面と対向する面
に背圧を加えて行うと表層部の割れ発生が防止されて固
化体の健全さが損われ難くなる。

【００２６】−第３工程− サイジングは、金型を加熱しないで常温のままで使用す
る冷間サイジング、金型を３００℃以下の一定温度に加
熱して温度制御しながら使用する温間サイジングのいず
れであってもよい。この条件の選択は、形状、第２工程
での寸法精度、鍛造する材質などを考慮して最適な条件
を選ぶことになる。この第３工程で２〜４％の残留空孔
を利用して固化体を局所的に変形させ、高寸法精度を得
る。なお、このサイジングは、一般に使用される油など
の液体又は固体潤滑剤を使用して行うのが望ましい。

【００２７】このほか、原料粉末としてマトリックス中
にＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ（いずれも溶体化時効硬化性
合金元素）から選ばれた元素を１種もしくは１種以上含
有するものを用いると、強度及び靭性の優れたアルミニ
ウム合金部品を得ることができる。

【００２８】

【実施例】（実施例１）上述した本発明の製造方法を用
いて直径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの鍔付き円柱状アルミ
ニウム合金部品を作製した。合金組成を表２に、製造条
件を表３に、得られたＮｏ１〜Ｎｏ８の部品（Ｎｏ１〜
Ｎｏ４までが本発明の方法によるもの）の特性（引張強
度）と寸法精度を表４に各々示す。また、この実験で得
られたＮｏ１の合金部品のサイジング前の表層部組織を
図１に示す。同図の１は軸心と並行な表層部、２は中央
内部に残った空孔である。図２は図１の表層部２の部分
のビッカース硬度分布である。比較のために示した従来
法によるＡｌ合金部品は、押出比を１．０とし、他はＮ
ｏ１の部品と同一製造条件にて作った。

【００２９】なお、Ｎｏ６の部品は予備加熱温度が低過
ぎたために、一方、Ｎｏ７の部品は予備加熱温度が高過
ぎたために引張強度が不充分になっている。また、Ｎｏ
５の部品は押出比が大き過ぎたために、Ｎｏ８の部品は
サイジング不実施のために寸法精度が悪くなっている。

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】（実施例２）本発明の製造方法を用いて外
径４０ｍｍ、内径２７ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング状アル
ミニウム合金部品を作った。材料の合金組成は実施例１
と同じである。製造条件を表５に示す。同表のＮｏ１〜
Ｎｏ６の部品のうちＮｏ１〜Ｎｏ４までが本発明の方法
を利用している。得られた合金部品の特性（圧環強度）
と寸法精度を表６に示す。Ｎｏ５の部品は押出比が大き
過ぎたために、Ｎｏ６の部品はサイジング不実施のため
に寸法精度が出ていないがＮｏ１〜Ｎｏ４の部品は寸法
精度が充分に高まっている。

【００３４】

【表５】

【００３５】

【表６】

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の方法は、
固化体の強度低下を招かずにサイジングに必要な空孔を
中央内部に独立空孔として残存させ、これによって従来
は困難であった鍛造成形後のサイジングを可能ならしめ
たので、アルミニウム合金粉末を用いた部品の寸法精度
を機械加工なしで鉄系焼結部品並に高めることができ、
高強度かつ高寸法精度のアルミニウム合金部品を生産性
良く経済的に製造することが可能になる。

【００３７】また、機械加工による仕上げが困難な複雑
な形状の部品も作ることができるため、高強度アルミニ
ウム合金の利用範囲の拡大にもつながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法で得られたアルミニウム合金部品
の表層部組織を示す図

【図２】図１の部品の表層部のビッカース硬度分布を示
すグラフ

【符号の説明】

１　　軸心と平行な表層部 ２　　残留空孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アルミニウム合金粉末を冷間又は温間
   成形して成形密度７５〜９３％の成形体を得る第１工程
   、上記成形体を、温度３００〜５６０℃の熱間で押出比
   ３以下の押出加工及び軸方向圧縮により軸心と並行な部
   分の表層部には空孔が無く、中央内部に独立空孔が残存
   している状態の空孔率２〜４％の固化体となす第２工程
   、第２工程で得られた固化体を、冷間又は温間でサイジ
   ング処理して仕上げる第３工程を経ることを特徴とする
   高精度アルミニウム合金部品の製造方法。
2. 【請求項２】　　上記第２工程は、第１工程で得られた
   成形体を空孔率が３〜５％になるまで先ず軸方向に圧縮
   し、さらに、同一金型内で引き続き押出加工を行って空
   孔率を２〜４％になすものである請求項１記載の高精度
   アルミニウム合金部品の製造方法。
3. 【請求項３】　　上記第２工程は、第１工程で得られた
   成形体を先ず押出加工して表層部の空孔を除去し、さら
   に、同一金型内で引き続き軸方向圧縮を行って空孔率を
   ２〜４％になし、かつ、押出しを加圧面と対向する面に
   背圧を加えて行うものである請求項１記載の高精度アル
   ミニウム合金部品の製造方法。
4. 【請求項４】　　上記第２工程は、成形体を温度３００
   〜５６０℃、保持時間１５分〜３時間の条件で予備加熱
   し、さらに、金型温度を３００〜５６０℃にして加工を
   行う請求項１、２又は３に記載の高精度アルミニウム合
   金部品の製造方法。
5. 【請求項５】　　原料粉末として、マトリックスにＣｕ
   、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎの中の少なくとも１種を含有するア
   ルミニウム合金粉末を用いる請求項１乃至４のいずれか
   に記載の高精度アルミニウム合金部品の製造方法。