特許 6709430 ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金、その製造方法、及び当該ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて製造されたダイカスト金型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6709430

(24)【登録日】2020年5月27日

(45)【発行日】2020年6月17日

(54)【発明の名称】ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金、その製造方法、及び当該ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて製造されたダイカスト金型

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20200608BHJP

   C22C 33/02 20060101ALI20200608BHJP

   B22F 3/14 20060101ALI20200608BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 304

   C22C33/02 B

   B22F3/14 101B

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-190233(P2016-190233)

(22)【出願日】2016年9月28日

(65)【公開番号】特開2018-53308(P2018-53308A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2019年7月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】竹村 幸司

(72)【発明者】

【氏名】河野 一郎

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 元

(72)【発明者】

【氏名】杉尾 健次郎

【審査官】 鈴木 毅

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１９６５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２３５１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７７４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４８２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０４７３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−００２６０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３８／００ − ３８／６０

Ｃ２２Ｃ ３３／０２

Ｂ２２Ｆ ３／１４ − ３／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄系の母材と、
前記母材中に均一に分散した銅粒子と
を含有し、
前記銅粒子の含有量は、４．０体積％以上２０．０体積％以下であり、
前記銅粒子の平均粒径は、１０μｍ以上５００μｍ以下であり、
前記銅粒子の平均アスペクト比は、０．３０以上１．００以下である
ことを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金。

【請求項2】

請求項１において、
レーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率は、２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
引張り強度は、８５０ＭＰａ以上である
ことを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を製造する方法であって、
鉄系合金粉末と、銅粉末とを、該銅粉末の配合量が７質量％以上５０質量％以下の範囲で略均一に混合して銅含有鉄系合金粉末を得る混合工程と、
前記銅含有鉄系合金粉末について、９００℃以上１０００℃以下の焼結温度範囲、５０ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下の加圧力範囲、及び０．０１ＭＰａ以下の雰囲気圧力範囲、及び１０分以上３０分以下の焼結時間範囲で放電焼結を行い、前記ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を得る焼結工程とを含む
ことを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金の製造方法。

【請求項4】

請求項３において、
前記鉄系合金粉末は、熱間工具鋼であることを特徴とするダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金の製造方法。

【請求項5】

請求項１又は請求項２に記載のダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて製造されたダイカスト金型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金、その製造方法、及び当該ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて製造されたダイカスト金型に関するものである。

【背景技術】

【0002】

アルミニウム合金ダイカスト用金型表面やその鋳抜きピンは、操業中に急激な加熱−冷却に伴う熱応力にさらされることやアルミニウム合金の凝着が発生し易いこと等から、表面に微細なクラックや剥離が生じることが知られている。従って、所定回数のショット毎、或いは金型表面の検査等により、補修が行われている。

【0003】

上記問題を解決するためには、金型用鋼材の機械的特性（強度等）及び熱的特性（熱伝導率等）を向上させることが有効であると考えられる。

【0004】

ここに、鋼材の熱伝導率を向上させる方法として、鋼材の母材金属の溶融状態で熱伝導率の高い元素を添加することが一般的に行われている。

【0005】

しかしながら、溶融させる母材には各元素が固溶できる飽和量が決まっており、例え熱伝導性のよい元素を大量に準備しても、固溶できる許容量が制限され、それ以上では材料偏析や別元素との化合物が発生し、主に局所応力集中の原因となる不具合を引き起こし得る。

【0006】

そこで、例えば、特許文献１には、内燃機関のバルブシートに用いられる鉄系焼結合金において、Ｃ：０．３〜１．６重量％、Ｃｕ：５〜２０重量％、フェロアロイ、セラミックおよび金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも一種：５〜４０重量％、残部としてＣｒおよびＭｏの内少なくとも一種：１〜８重量％を含む鉄系アトマイズ合金粉を含有する合金粉末を６ｔ／ｃｍ^２で圧粉成形した後、温度１１５０℃にて３０分間焼結してなるバルブシート用鉄系焼結合金が開示されている。

【0007】

特許文献１によれば、熱伝導率及び高温強度が向上し且つ耐摩耗性に優れたバルブシートの製造に好適な焼結合金を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平１１−７１６５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１のものでは、熱伝導性を向上させる元素として熱伝導率の高いＣｕを添加するとともに、焼結法を用いてバルブシート用鋼材を製造している。

【0010】

ダイカスト金型の材料として用いられる鋼材においても、焼結法を用いることで、熱伝導性に優れた元素をより多く含有する高熱伝導率且つ高強度の材料をもたらし得ると考えられる。

【0011】

そこで、本発明では、銅を含有する鉄系焼結合金について、機械的特性及び熱的特性の双方に優れた焼結合金をもたらすこと、そのような焼結合金を得るために、母材と結合材の混合工程及び焼結工程の条件を特定して、そのような焼結合金の製造方法を確立すること、及びそのような焼結合金を用いて優れたダイカスト金型をもたらすことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の目的を達成するために、この発明では、鉄系母材中に分散した銅粒子の含有量、大きさ及び形状を特定することにより、機械的特性及び熱的特性の双方に優れた焼結合金を得るようにした。

【0013】

すなわち、ここに開示する第１の技術に係るダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金は、鉄系の母材と、該母材中に均一に分散した銅粒子とを含有するダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金であって、前記銅粒子の含有量は、４．０体積％以上２０．０体積％以下であり、前記銅粒子の平均粒径は、１０μｍ以上５００μｍ以下であり、前記銅粒子の平均アスペクト比は、０．３０以上１．００以下であることを特徴とする。

【0014】

鋳抜きピン等の金型部品は、成形時３５０℃〜５５０℃の高温となる。このような高温の温度域では、金型部品を構成する鋼材の強度が低下しており、短寿命となる。本構成によれば、母材を構成する鉄よりも、熱伝導率の高い銅からなる銅粒子を含有することで、鋼材の熱伝導率が向上する。そうして、鋼材の冷却効率を上げて、成形時の温度域を低下させることができる。そうすると、鋼材の強度が向上し、金型部品をより長寿命化させることができる。

【0015】

第２の技術は、第１の技術において、レーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率は、２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、引張り強度は、８５０ＭＰａ以上である。

【0016】

本構成によれば、機械的特性及び熱的特性の双方に優れた鋼材を得ることができ、金型部品をより長寿命化させることができる。

【0017】

ここに開示する第３の技術に係るダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金の製造方法は、第１又は第２の技術に係るダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を製造する方法であって、鉄系合金粉末と、銅粉末とを、該銅粉末の配合量が７質量％以上５０質量％以下の範囲で略均一に混合して銅含有鉄系合金粉末を得る混合工程と、前記銅含有鉄系合金粉末について、９００℃以上１０００℃以下の焼結温度範囲、５０ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下の加圧力範囲、及び０．０１ＭＰａ以下の雰囲気圧力範囲、及び１０分以上３０分以下の焼結時間範囲で放電焼結を行い、前記ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を得る焼結工程とを含むことを特徴とする。

【0018】

本構成によれば、機械的特性及び熱的特性の双方に優れた鋼材を得ることができ、金型部品をより長寿命化させることができる。

【0019】

第４の技術は、第３の技術において、前記鉄系合金粉末は、好ましくは熱間工具鋼、冷間工具鋼、又はプラスチック金型用鋼等であり、より好ましくは熱間工具鋼である。

【0020】

本構成によれば、機械的特性に優れた鋼材を得ることができる。

【0021】

また、ここに開示する第５の技術に係るダイカスト金型は、第１又は第２の技術に係るダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金を用いて好適に製造することができる。

【0022】

本構成によれば、機械的特性に優れるとともに、熱的特性に優れたダイカスト金型を得ることができるので、金型の冷却効率を高めてより長寿命化させることができる。

【発明の効果】

【0023】

本構成によれば、母材を構成する鉄よりも、熱伝導率の高い銅からなる銅粒子を含有することで、鋼材の熱伝導率が向上する。そうして、鋼材の冷却効率を上げて、成形時の温度域を低下させることができる。そうすると、鋼材の強度が向上し、金型部品をより長寿命化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、一実施形態に係る焼結体の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図2】図２は、Ｃｕ−Ｆｅ状態図である。

【図3】図３は、図１の実施形態に係る焼結体の製造方法の焼結工程における放電焼結の方法を説明するための図である。

【図4】図４は、実施例１１の焼結体の光学顕微鏡像（７０倍）である。

【図5】図５は、実施例１１の焼結体の光学顕微鏡像（１４０倍）である。

【図6】図６は、焼結体の電子線マイクロアナライザ分析によるＦｅについての元素分布である。

【図7】図７は、焼結体の電子線マイクロアナライザ分析によるＣｕについての元素分布である。

【図8】図８は、実施例１の焼結体の引張り試験後の破断面のＳＥＭ像である。

【図9】図９は、レーザーフラッシュ法による熱伝導率測定における、（ａ）測定装置の概略図、及び（ｂ）温度履歴曲線を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

【0026】

＜焼結体の製造方法＞
図１に示すように、本実施形態に係るダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金としての焼結体１は、鉄系合金粉末としての鋼材粉末２と、添加材である銅粉末３とを混合し（Ｓ１）、その混合物を焼結する（Ｓ２）ことにより製造される。

【0027】

［鋼材粉末］
鋼材粉末２は、焼結体１において、基地組織を形成する母材としての役割を有するものであり、焼結体１に十分な機械的強度を付与する観点から、好ましくは熱間工具鋼、冷間工具鋼又はプラスチック金型用鋼等、より好ましくは熱間工具鋼である。熱間工具鋼は、具体的には例えば、ＳＫＤ６１材、ＳＫＤ４材、ＳＫＤ５材、ＳＫＤ６材、ＳＫＤ８材等のダイカスト用鋼材である。

【0028】

鋼材粉末２の調製方法は、例えばアトマイズ法等である。アトマイズ法とは、滴下した溶融金属に、（１）水蒸気を噴霧し、しぶきとして飛散させて粒子化させる水アトマイズ法、もしくは（２）不活性ガスを噴射し、同じく粒子化させるガスアトマイズ法が代表的な、微粒子製造方法のことを指す。

【0029】

鋼材粉末２の平均粒径は、銅粉末３との混合を容易にするとともに、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは３０μｍ以上２００μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以上１５０μｍ以下、特に好ましくは６０μｍ以上１００μｍ以下である。

【0030】

［銅粉末］
銅粉末３は、添加材として加えられることで、焼結体１の熱伝導性を向上させるためのものである。

【0031】

添加材としては、鋼材粉末２の主成分であるＦｅ（熱伝導率２３Ｗ／ｍＫ）よりも高い熱伝導性を有する元素や化合物（以下、元素等という）であることが望ましい。そのような元素等としては、具体的には例えば、Ｃｕ、ＡｌＮ、ＴｉＢ_２等が挙げられる。また、焼結体１の熱伝導率改善に有効な含有量の範囲内において、焼結体１の金型等への成形性の観点から、鋼材粉末２の主成分であるＦｅと焼結体１中で化合物を形成しない元素等であることが望ましい。

【0032】

Ｃｕは、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫであり、Ｆｅよりも高い熱伝導率を有する。

【0033】

また、図２に示すＦｅ−Ｃｕ状態図において、温度域Ｔ１は、鋼材粉末２の焼結に好適な焼結温度範囲であり、９００℃〜１０４０℃である。そして、ドットで示す領域は、ＦｅとＣｕとが化合物を形成する領域である。図２から、温度域Ｔ１において、ＦｅとＣｕとが化合物を形成しないＦｅ含有量の範囲Ｒ１は、４質量％以上９３質量％以下と言える。換言すると、Ｒ１に相当するＣｕ含有量の範囲Ｒ２は、７質量％以上９６質量％以下であることがわかる。

【0034】

従って、ＣｕはＣｕ含有量範囲Ｒ２において、焼結体１の熱伝導性を向上させる銅粉末３として好適と考えられる。

【0035】

銅粉末３の製造方法は、例えば上述のアトマイズ法や、電解法等を採用することができる。電解法は、電気分解によって電極に癒着させる方法である。

【0036】

銅粉末３の平均粒径は、鋼材粉末２との混合を容易にするとともに、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは０．１μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上２００μｍ以下、特に好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下である。

【0037】

［焼結体の調製］
図１に示すように、本実施形態に係る焼結体１の製造方法は、鋼材粉末２及び銅粉末３の混合工程Ｓ１と、鋼材粉末２及び銅粉末３の混合物を焼結する焼結工程Ｓ２とを含む。

【0038】

−混合工程−
混合工程Ｓ１は、鋼材粉末２と銅粉末３とを略均一に混合して混合粉末２８（銅含有鉄系合金粉末）を得る工程である。

【0039】

混合工程Ｓ１において、鋼材粉末２及び銅粉末３の混合は、一般的な混合機を使用することができる。具体的には例えば、Ｖ型混合機、Ｗ型混合機、リボン混合機、ボールミル混合機、及び遊星ボールミル混合機等を用いて行うことができ、好ましくは、Ｖ型混合機、及び遊星ボールミル混合機である。

【0040】

混合工程Ｓ１において両者を略均一に混合することで、次の焼結工程Ｓ２において、鋼材粉末２により形成される基地組織中に銅粉末３により形成される銅粒子が均一に分散した焼結体１を得ることができる。

【0041】

なお、本明細書において、「略均一に混合」された状態とは、完全に均一に混合された状態を含み、上記一般的な混合機を用いて得られる程度に均一に混合された状態をいう。

【0042】

混合工程Ｓ１における、鋼材粉末２及び銅粉末３の全量に対する銅粉末３の配合量は、機械的強度及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは７質量％以上９６質量％以下、熱的特性を優先する場合には７質量％以上５０質量％以下、機械的強度を優先する場合には８質量％以上３５質量％以下が好ましい。

【0043】

−焼結工程−
焼結工程Ｓ２は、混合工程Ｓ１で得た混合粉末を焼結させる工程である。具体的には例えば、放電焼結、及びホットプレス等の方法を採用することができ、好ましくは放電焼結を採用することができる。

【0044】

（放電焼結）
放電焼結には、電源、加圧装置、計測システム及び真空計から構成された計装化された放電焼結機を使用する。電源としては、粉末の予備焼結を行うモード１、抵抗焼結を行うモード２の２つのモードがあり、モード１では直流パルス通電の負荷、モード２では連続通電の負荷を行う。

【0045】

放電焼結の方法は以下のとおりである。図３に示すように、グラファイト製の型２６と上下一対のパンチ２４，２５が、上下一対のグラファイト台２３，２３間に挟まれている。混合粉末２８は、型２６内に充填され、型２６に備えられた熱電対２７により型２６周囲のホットウォールが加熱されるとともに、グラファイト台２３，２３の型２６と反対側に備えられた上下一対のロッド２２，２２を通じて加圧力２１，２１が加えられる。そして、上下パンチ２４，２５に通電し、スパークを発生させてジュール熱で焼結を促進する。

【0046】

（放電条件）
焼結温度範囲は、鉄についてオーステナイト領域で固相拡散を生じさせる観点から、好ましくは７２７℃以上、より好ましくは８００℃以上、特に好ましくは９００℃以上である。また、鉄（融点１５４０℃）よりも融点の低い銅（融点１０８０℃）を含むことから当該銅の融点を超えない温度で焼結させるため、好ましくは１０８０℃未満、より好ましくは１０４０℃以下、特に好ましくは１０００℃以下である。

【0047】

加圧力範囲は、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点からより高い圧力で焼結することが望ましく、一般的な黒鉛で型を製作する場合は４０ＭＰａ程度、特に強度を高めた黒鉛で型を製作する場合は、５０〜６０ＭＰａ程度まで黒鉛型の破損無しに加圧した実績がある。

【0048】

雰囲気圧力範囲は、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは０．１ＭＰａ以下、より好ましくは０．０５ＭＰａ以下、特に好ましくは０．０１ＭＰａ以下である。

【0049】

（焼結時間と焼結体の相対密度について）
一般に、焼結体の相対密度は、アルキメデス法により測定された焼結体の密度と鋼材粉末の真密度から算出することができる。

【0050】

ところで、金属粉末から作製した複合材料の緻密化機構は、粒子の形状や粒径に関係なく大きく３段階に分けられる。上記相対密度は、各々の段階を反映して変化することが知られている。すなわち、
第１段階：粉末粒子接触面部における溶融・気化を伴う微視的溶融による熱気の生成段階、
第２段階：粉末粒子接触部の局所塑性変形又は粒子全体に及ぶ均一塑性変形のいずれかが起こる段階、
第３段階：クリープ（高温）変形による焼結空孔の減少・消滅が起こる段階
である。第１段階は、機構自体が他段階と完全に異なるが、第２段階から第３段階への遷移期では、それぞれの緻密化機構が共存している。

【0051】

ゆえに、相対密度の時間変化を観測することにより焼結工程Ｓ２の終了を判断することができる。具体的には、焼結工程Ｓ２において、相対密度の時間変化が上記第３段階に入り、プラトー領域となったところで焼結工程Ｓ２を終了する。

【0052】

焼結時間範囲は、十分に緻密化された焼結体１を得る観点から、好ましくは５分以上４０分以下、より好ましくは７分以上３５分以下、特に好ましくは１０分以上３０分以下である。

【0053】

また、焼結体１の相対密度は、十分に緻密化されて優れた機械的強度を備えた焼結体１を得る観点から、好ましくは９７．０％以上、より好ましくは９７．２％以上、特に好ましくは９７．４％以上である。

【0054】

＜焼結体＞
［焼結体中の銅の分散状態について］
図４及び図５に示すように、焼結体１は、鋼材粉末２により形成された鋼材組織１２（母材）中に、銅粉末３により形成された粒子状銅組織１３（銅粒子）が均一に分散した組織を有している。

【0055】

図６及び図７に示すように、後述する電子線マイクロアナライザ分析による面分析によれば、Ｆｅの検出される領域ではＣｕは検出されず、Ｃｕが検出される領域ではＦｅが検出されないことから、粒子状銅組織１３のＣｕは、鋼材組織１２中のＦｅと反応していないと考えられる。

【0056】

なお、ここでいう「均一に分散」とは、得られた焼結体１を光学顕微鏡を用いて７０倍の倍率で観察したときに、任意の視野内における焼結体１の面積に対する粒子状銅組織１３の面積の比（以下、「粒子状銅組織１３の面積比」という）のばらつきが±２０％以内の範囲内にあること、又は、得られた焼結体１の任意の場所における熱伝導率や引張り強度等の物性値のばらつきが、±２０％以内の範囲内にあることを意味する。

【0057】

粒子状銅組織１３の平均粒径は、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以上２０５μｍ以下、特に好ましくは２３μｍ以上１６８μｍ以下である。

【0058】

粒子状銅組織１３の平均アスペクト比は、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは０．３０以上１．００以下、より好ましくは０．７４以上０．９３以下、特に好ましくは０．７４以上０．９３以下である。

【0059】

光学顕微鏡像における粒子状銅組織１３の面積比は、機械的特性及び熱的特性に優れた焼結体１を得る観点から、好ましくは０．０４０以上０．２００以下、より好ましくは０．０５０以上０．１００以下、特に好ましくは０．０５２以上０．０７０以下である。

【0060】

上記粒子状銅組織１３の面積比の１００倍を、焼結体１中における粒子状銅組織１３の含有量（体積％）とすると、粒子状銅組織１３の含有量は、好ましくは４．０体積％以上２０．０体積％以下、より好ましくは５．０体積％以上１０．０体積％以下、特に好ましくは５．２体積％以上７．０体積％以下である。

【0061】

［熱伝導率について］
焼結体１の熱伝導率は、焼結体１の熱的特性を向上させる観点から、好ましくは２５．０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは２６．９Ｗ／ｍＫ以上、特に好ましくは３０．０Ｗ／ｍＫ以上である。

【0062】

［引張り強度について］
焼結体１の引張り強度は、焼結体１の機械的強度を確保する観点から、好ましくは８５０ＭＰａ以上、より好ましくは９００ＭＰａ以上、特に好ましくは１０００ＭＰａ以上である。

【0063】

［ダイカスト金型］
焼結体１は、熱的特性に優れており、十分な機械的特性を有していることから、ダイカスト金型の原料として用いることができる。ダイカスト金型としては、例えばアルミニウム合金ダイカスト用の金型やその鋳抜きピン、具体的には例えばシリンダブロックのクランクキャップ締結ボルト穴向け鋳抜きピン等の原料として適用することができる。

【実施例】

【0064】

次に、具体的に実施した実施例について説明する。

【0065】

（実施例１〜５）
実施例１〜５として、焼結体を作製し、相対密度について検討した。

【0066】

＜鋼材粉末＞
鋼材粉末２として、水アトマイズ法により作製された平均粒径８５μｍ（Ｄ_５０＝８５μｍ）のＳＫＤ６１（三菱製鋼株式会社製）の粉末を母材として使用した。

【0067】

＜銅粉末＞
銅粉末３として、水アトマイズ法により作製された平均粒径６３μｍ（Ｄ_５０＝６３μｍ）の銅粉末（Ｅｃｋａ社製）を使用した。

【0068】

＜相対密度評価用の試験片の作製＞
（鋼材粉末及び銅粉末の混合）
Ｖ型混合機により鋼材粉末２及び銅粉末３の混合を行った。

【0069】

アルミニウム製容器に、直径１０ｍｍのステンレスボール（ＳＵＳ３０４）と鋼材粉末２及び銅粉末３の混合物を、ステンレスボールと混合物との重量比が１０：１となるように入れた。これをＶ型混合機に取り付け、５０ｒｐｍ、１２時間の条件でボールミルを行い、鉄の含有量が９２質量％、銅の含有量が８重量％の混合粉末を作製した。

【0070】

（放電焼結）
図３に示す装置を用いて放電焼結を行い、焼結体１として相対密度評価用の試験片を作製した。

【0071】

具体的には、外径Φ３０ｍｍ、内径Φ１０ｍｍ、高さ６０ｍｍのグラファイト（ＩＳＯ６３：東洋炭素株式会社、以下略）製の型及び外径Φ１０ｍｍ、高さ３０ｍｍの２本のグラファイト（ＩＳＯ６３）製のパンチを使用して、焼結体を作製した。なお、型の内部には、混合粉末とグラファイト型の反応防止及び焼結体の離型目的でルービーエヌスプレー（成分：メチルエチルケトン、ジメチルエーテル、イソプロピルアルコール、ニトロセルロース）をバインダとして塗布した。相対密度が１００％になったと仮定したときに外径Φ１０ｍｍ、高さ１５ｍｍの焼結体になるように、混合粉末を型に充填した。

【0072】

＜焼結条件＞
表１に、実施例１〜５の焼結体１について、相対密度評価用試験片作製の際の加圧力、焼結温度及び焼結時間と、得られた試験片の相対密度を示す。

【0073】

【表1】

【0074】

なお、加圧力、焼結温度及び焼結時間以外の焼結条件は、真空度（雰囲気圧力）０．０１Ｐａ以下であった。また、金型外部にカーボンフェルトを巻くことにより放熱を抑制した。また、共通条件として、１５ＭＰａのパンチ間圧力のもとモード１では、直流パルス電流をかけ、パルス電流１００Ａ、パルス電圧５０Ｖ、パルス幅１００ミリ秒を９００秒通電、その後モード２で所定の焼結温度及び加圧力でプラトー領域になるまで所定の焼結時間の間保持した。そして、放電加工により直径１０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの試験片に加工した。

【0075】

＜相対密度＞
表１に示すように、実施例１〜５の焼結条件では、いずれも９７％以上の相対密度を示す焼結体が得られることが判った。

【0076】

＜電子線マイクロアナライザ分析＞
銅が鋼材粉末２由来の鉄と固溶していないことを確かめるため、表１に示す実施例２の焼結体（銅含有量８質量％）について、粗研磨を行い、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｖｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ、ＪＥＯＬ社製ＪＸＡ−８１００）による分析を行った。

【0077】

図６及び図７に結果を示す。図６及び図７のＥＰＭＡによる面分析では、Ｆｅの検出される領域ではＣｕは検出されず、Ｃｕが検出される領域ではＦｅが検出されなかった。

【0078】

（実施例６〜１３及び比較例１）
実施例６〜１３及び比較例１として、焼結体を作製し、熱伝導率及び引張り強度について検討した。実施例６〜１３及び比較例１の鋼材粉末及び銅粉末の条件、及び測定結果を表２に示す。

【0079】

【表2】

【0080】

＜鋼材粉末＞
実施例６〜１３及び比較例１において使用した鋼材粉末は、表１に示す鋼材粉末と同一のものである。鋼材粉末の配合量は表２に示す通りである。

【0081】

＜銅粉末＞
実施例６〜１３において使用した銅粉末の製法、平均粒径Ｄ_５０及び配合量は、表２に示す通りである。なお、電解法により作製された銅粉末については、ＳＣＭ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社製のものを使用した。また、比較例１では、銅粉末を含まず鋼材粉末のみで試験片を作製した。

【0082】

＜熱伝導率測定用の試験片の作製＞
熱伝導率測定用の試験片を放電焼結により作製した。具体的には、相対密度が１００％になったと仮定したときに外径Φ１０ｍｍ、高さ５ｍｍの焼結体になるように、粉末を型に充填したこと、及び、最後に放電加工により直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片に加工したこと以外は、実施例２と同一の条件により作製した。

【0083】

＜引張り試験用の試験片の作製＞
引張り試験用の試験片を放電焼結により作製した。具体的には、所定の角型及びパンチを用いて６５×１２×４ｍｍの試験片を作製したこと、カーボンフェルト量増加による炉内の不純物増加に伴って真空度が０．１Ｐａ以下となったこと、及び、最後に放電加工によりＪＩＳ１４号試験片に加工したこと以外は、実施例２と同一の条件により作製した。

【0084】

＜熱伝導率について＞
作製した試験片に熱処理（５５０℃、８００℃、１０２０℃で各々２時間ずつ保持する）を施し、ロックウェル硬さＨＲＣ４４±２となるようにした。

【0085】

そして、全自動レーザーフラッシュ法熱定数測定装置（ＵＬＶＡＣ社製ＴＣ−７０００）により熱伝導率を測定した。図９（ａ）に測定装置の概略を示す。熱の吸収及び輻射率を良くするために、試験片３４の表裏両面に黒化材（カーボンスプレー）を塗布した。そして、試験片３４を真空室３２中に配置し、レーザー発振器３１からパルスレーザー光を照射した。そして、試験片３４表面に備えられた熱伝導率測定用熱電対３５により試料表面の温度上昇を、また赤外線パイロメータ３６により試験片３４裏面の温度上昇を測定し、時間とともに試験片温度が上昇、再び下降する温度履歴曲線（図９（ｂ））を得て、下記式（１）〜（４）により熱伝導率λを算出した。

【0086】

【数1】

【0087】

ここで、ΔＴは試験片の上昇温度、ΔＴｍは最大上昇温度、αは試験片の熱拡散率、ｔはパルス照射後の経過時間、Ｌは試験片の厚さである。温度履歴曲線において、αｔ／Ｌ^２＝０．１３８８のときΔＴ／ΔＴｍ＝０．５となることが知られている。従って、試験片の上昇温度ΔＴがΔＴｍの半分に達するまでの時間ｔ_１／２を計測すれば、熱拡散率αは式（２）により求めることができる。

【0088】

α＝０．１３８８Ｌ^２／ｔ_１／２ ・・・（２）
また、試験片の最大上昇温度ΔＴｍは、比熱容量Ｃｐと式（３）の関係にある。

【0089】

Ｃｐ＝Ｑ／（ρ・Ｌ・ΔＴｍ） ・・・（３）
ここで、ρは試験片の密度、Ｑはレーザーパルスを当てた時に試験片が吸収する熱量である。そして、温度履歴曲線から熱拡散率α及び比熱容量Ｃｐを求めることにより、熱伝導率λを式（４）により算出することができる。

【0090】

λ＝α・Ｃｐ・ρ ・・・（４）
表２に示すように、焼結体は、実施例６〜１３の全ての焼結体において、比較例１に比べて熱伝導率の上昇が確認された。これは銅の熱伝導率が鋼材粉末の熱伝導率を大きく上回っているためであると考えられる。

【0091】

＜引張り試験について＞
作製した試験片に熱処理（５５０℃、８００℃、１０２０℃で各々２時間ずつ保持する）を施し、ロックウェル硬さＨＲＣ４４±２となるようにした。その後オートグラフ（島津製作所製）に固定し、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分で大気中において引張り試験を行った。

【0092】

全ての引張り試験片が弾性領域で破断した。引張り強度は８５０ＭＰａ以上であり、高い値を示した。なお、表２に示すように、実施例６〜１３の引張り強度は比較例１のものよりも低い値となった。これは、鋼材粉末により形成された母材組織の方が銅組織よりも強度が高いため、銅粉末が配合されていない比較例１で高い強度が得られたと考えられる。

【0093】

図８に示す破断領域のＳＥＭ像によれば、色の異なる領域が３種類観察された。具体的には、ＳＥＭ像の中央付近に存在する銅粉末３により形成された粒子状銅組織１３に由来する領域と、ＳＥＭ像の端に存在する鋼材粉末２により形成された鋼材組織１２に由来する領域とが観察され、さらにこれら両組織に由来する領域の間には空洞１４が形成されていることが判った。このことから、粒子状銅組織１３と鋼材組織１２との界面から試験片の破断が生じるため、銅粉末３を含有しない比較例１に対して、銅粉末３を含有する実施例６〜１３では引張り強度が低下していると考えられる。

【0094】

（実施例１４〜１８）
焼結体１における粒子状銅組織１３の含有量及び形状について検討を行った。

【0095】

＜鋼材粉末＞
実施例１４〜１８において使用した鋼材粉末は、表１に示す鋼材粉末と同一のものである。

【0096】

＜銅粉末＞
実施例１４〜１８において使用した銅粉末の製法、平均粒径Ｄ_５０を表３に示す。

【0097】

【表3】

【0098】

＜光学顕微鏡観察用試験片の作製＞
銅粉末３として、表３に示す銅粉末を用いた以外は、実施例２と同一の条件により、実施例１４〜１８の試験片を作製した。

【0099】

（光学顕微鏡観察）
放電焼結により得られた焼結体中の銅の存在状態を光学顕微鏡（ＯＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて組織観察を行った。放電焼結により作製した試験片を、ファインカッターを用いて切断し、その後＃６００〜＃１２００の研磨紙で研磨した後、３μｍ、１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて鏡面加工した。研磨後は、エタノールで超音波洗浄し、砥粒を除去した。試験片を、腐食を行わずに観察した。

【0100】

図４及び図５に、実施例１６の試験片断面をそれぞれ倍率７０倍及び１４０倍で観察したときの光学顕微鏡像を示す。鋼材粉末２由来の鋼材組織中に銅粉末３由来の銅組織が粒子状に分散しているのが判る。

【0101】

実施例１４〜１８の光学顕微鏡像から、９００μｍ×６００μｍの視野に含まれる粒子状銅組織の粒径及びアスペクト比を測定し、これらの値の各々の平均値を算出し、それぞれ平均粒径及び平均アスペクト比とした。また、同一視野の鋼材組織及び粒子状銅組織の面積比を算出した。当該面積比の１００倍を、焼結体１に含有されるそれぞれ鋼材組織及び粒子状銅組織の含有量（体積％）として算出した。

【産業上の利用可能性】

【0102】

本発明は、銅を含有する鉄系焼結合金について、機械的特性及び熱的特性の双方に優れた焼結合金をもたらすこと、そのような焼結合金を得るために、母材と結合材の混合工程及び焼結工程の条件を特定して、そのような焼結合金の製造方法を確立すること、及びそのような焼結合金を用いて優れたダイカスト金型をもたらすことができるので極めて有用である。

【符号の説明】

【0103】

１ 焼結体（ダイカスト金型用銅含有鉄系焼結合金）
２ 鋼材粉末（鉄系合金粉末）
３ 銅粉末
１２ 鋼材組織（母材）
１３ 粒子状銅組織（銅粒子）
２８ 混合粉末（銅含有鉄系合金粉末）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】