(57)【要約】      （修正有）【課題】旋盤切削性およびドリル切削性に優れ、機械的強度が良好な焼結部品を製造するのに好適な粉末冶金用の鉄基粉末混合物を提供する。【解決手段】鉄基粉末に、被削性改善添加材として、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種とエンスタタイトとを合計量で０．０１〜１．０mass％程度添加混合する。また前記鉄基粉末混合物中にさらに金属石鹸および合金用粉末を配合し、鉄基粉末の表面に被削性改善添加材や合金用粉末を固着させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基粉末に、添加材として、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種とエンスタタイトとを添加したことを特徴とする鉄基粉末混合物。
【請求項２】
前記鉄基粉末混合物中に、さらに金属石鹸を含有させたことを特徴とする請求項１に記載の鉄基粉末混合物。
【請求項３】
前記鉄基粉末混合物中に、さらに合金用粉末を配合したことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄基粉末混合物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄粉、合金鋼粉などの鉄基粉末に、所定の添加材、さらには黒鉛粉および銅粉などの合金用粉末を混合した鉄基粉末混合物に関し、さらに詳しくは、焼結体において優れた被削性が得られ、特に自動車用高強度焼結部品の製造に用いて好適な粉末冶金用の鉄基粉末混合物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の各種機械に採用される鉄系焼結部品は、鉄基粉末混合物を原料とし、歯車などの部品に広く採用されている。鉄基粉末混合物は、鉄基粉末に、銅粉や黒鉛粉、燐化鉄粉などの合金用粉末と、ステアリン酸亜鉛やアミドワックスなどの潤滑剤、さらに必要に応じて切削性改善用粉末を混合して製造するのが一般的である。そして、使用する潤滑剤は、鉄基粉末との混合性や焼結時の散逸性などを考慮して選択されてきた。
【０００３】
上記した鉄基粉末混合物は、金型に充填して圧粉成形され、さらに焼結を行うことによって、所望の形状の部品となる。こうして得られた焼結部品は、寸法精度が良く、複雑な形状のものを製造することができる。但し、非常に厳しい寸法精度が要求される焼結部品を製造する場合には、焼結した後に、さらに機械加工（例えば旋盤切削加工やドリル加工等）を施す必要がある。
【０００４】
しかしながら、焼結部品は、内部に多数の空隙が存在するため、工具には断続的な衝撃が加えられ、また伝熱性が低いため、工具表面での摩擦発熱が放出されず、工具劣化が促進されることから、工具寿命が著しく短い。その結果、機械加工費が増大し、焼結部品の製造コストの上昇を招く。
【０００５】
粉末冶金用の鉄基粉末混合物に、予め快削成分（例えばＳ、MnＳ等）を添加することによって、焼結部品の切削性が改善されることは従来から知られている。この快削成分は、切り屑を容易に破断させる効果、あるいは切削工具に薄い保護膜を形成して切削工具（特にすくい面）の潤滑性を高める効果を有している。
【０００６】
例えば、非特許文献１には、添加した低融点のSiO2−CaO−Al2O3系の複合酸化物が、切削時の摩擦発熱によって軟化することにより、切削工具に薄い保護膜が形成される結果、切削工具（特にすくい面）の潤滑性が高まり、工具の摩耗が低減することが開示されている。
しかしながら、切削速度、切込み量、送り等の切削条件によって摩擦発熱が異なり、複合酸化物の軟化状態が変わること、さらに工具の材質と複合酸化物の濡れ性が異なることから、工具表面に適切な状態で保護膜が形成しない場合があり、切削条件によっては、切削改善効果が得られない、という問題があった。また、これらの添加物は、切屑の微細化効果はなく、切屑の排出性が悪いため、ドリル加工では切削性が改善されず、切削加工の種類が旋盤切削加工に限定されるという不利があった。さらに、MnＳ、Ｓなどの硫化物は、旋盤切削性およびドリル切削性のいずれの切削性をも改善できる添加材として知られているが、添加した焼結体の機械的強度が低下するといった問題もあった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R&D  KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS/Vol.55 No.3（Dec. 2005）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鉄基粉末に予め快削成分を添加することにより、旋盤切削性およびドリル切削性に優れ、かつ機械的強度が良好な焼結部品を製造するのに好適な粉末冶金用の鉄基粉末混合物を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
さて、発明者らは、上記の問題を解決する方策として、旋盤切削性およびドリル切削性に優れ、しかも機械的強度が良好な焼結体を得るための鉄基粉末混合物の添加材について、鋭意検討を重ねた。
その結果、添加材として、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種とエンスタタイトとを複合添加した場合に、さらには好ましくは金属石鹸を併せて添加した場合に、旋盤切削性およびドリル切削性が改善され、しかも機械的強度が良好な焼結体が得られるとの知見を得た。
本発明は上記の知見に立脚するものである。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉄基粉末に、添加材として、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種とエンスタタイトとを添加したことを特徴とする鉄基粉末混合物。
【００１１】
２．前記鉄基粉末混合物中に、さらに金属石鹸を含有させたことを特徴とする上記１に記載の鉄基粉末混合物。
【００１２】
３．前記鉄基粉末混合物中に、さらに合金用粉末を配合したことを特徴とする上記１または２に記載の鉄基粉末混合物。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、機械的強度が良好で、かつ切削性、すなわち旋盤切削性およびドリル切削性に優れる焼結体を実現し得る鉄基粉末混合物を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明の鉄基粉末混合物の原料について説明する。
本発明において、鉄基粉末としては、アトマイズ鉄粉や還元鉄粉などの純鉄粉、または部分拡散合金化鋼粉および完全合金化鋼粉、さらには完全合金化鋼粉に合金成分を部分拡散させたハイブリッド鋼粉などが例示される。
【００１５】
また、合金用粉末としては、黒鉛粉末、Cu，Mo，Niなどの金属粉末、ボロン粉末および亜酸化銅粉末などが例示される。これらの合金用粉末を鉄基粉末に混合させることにより焼結体の強度を上昇させることができる。
この合金用粉末の配合量は、鉄基粉末混合物全体に対し0.1〜５mass％程度とすることが好ましい。というのは、合金用粉末を0.1mass％以上配合することにより、得られる焼結体の強度が有利に向上し、一方５mass％を超えると焼結体の寸法精度が低下するからである。
【００１６】
さて、本発明では、添加材として、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種とエンスタタイトとを複合添加することが重要である。ここに、エンスタタイトとしては、単斜晶系の結晶構造を有することが好ましい。なお、不可避的な不純物として、クリストバライトSiO2を含んでも構わない。
【００１７】
次に、これら添加材の切削性改善機構について述べる。
MnＳ、MoＳ、CaF2は、鉄系材料との反応性が低く、また焼結中に化学変化を起こさないため、焼結体中で析出物として存在する。従って、切削時、切屑生成部で応力集中点となって切屑を微細化する。切屑の微細化は、ドリル切削においては、切屑の排出を促進し、ドリル寿命を延ばす。また、旋盤切削加工においては、切屑と工具の接触面積を低減するため、主としてすくい面の工具摩耗を低減する。
【００１８】
MnＳ、MoＳ、CaF2は、それぞれ異なる粒度分布のものとし、異なる粒度分布の少なくとも２種を添加材として配合し、その配合比率を適宜調整することによって、焼結体の空隙の分布に相当する粒度分布とすることができる。その結果、添加材が、焼結体の空隙中に好適に充填され、結果として焼結体の空孔比率を下げ、切削時の断続切削を低減する効果を発揮する。
ここに、MnＳ、MoＳ、CaF2の好適粒径は、鉄基粉末の粒径に応じて変化するとはいえ、例えば鉄基粉末の平均粒径が80〜100μmの場合には、それぞれ平均粒径で１〜10μm、5〜20μm、10〜50μm程度とすることが好ましい。
なお、上記平均粒径は、JIS R 1629に準拠したレーザ回折・散乱法により粒子径分布を測定し、体積基準の積算分率における50％径を用いる。
【００１９】
また、エンスタタイトは、滑石を焼成して得られた柔かい酸化物であり、切削時、切削表面で容易に変形し、工具表面で潤滑膜を形成する。このエンスタタイトを、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選ばれる少なくとも２種と共に添加することにより、切屑の排出性および工具表面の潤滑性が併せて改善され、ドリル加工および旋盤切削加工のいずれにおいても工具寿命を格段に向上することができる。なお、エンスタタイトの平均粒径は１〜10μm程度とすることが好ましい。
【００２０】
これらMnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選ばれる少なくとも２種とエンスタタイトの添加量は、鉄基粉末混合物全体に対しそれぞれ0.005〜0.995mass％、0.005〜0.995mass％程度で、かつこれらの合計量で0.01〜1.0 mass％程度とすることが好ましい。
というのは、MnＳ、MoＳ、CaF2等の添加量が0.005mass％に満たないと、切屑のチッピング効果が十分でなく、一方0.995mass％を超えると焼結体強度の低下が著しいからである。また、エンスタタイトの添加量が0.005mass％に満たないと、工具表面の潤滑効果が十分でなく、一方0.995mass％を超えると余剰のエンスタタイトが切削面に排出され、外観不良となるからである。さらに、これらの添加材の合計量が0.01mass％に満たないと、機械的強度の低下なしに焼結体の切削性を十分に向上させることが難しく、一方1.0mass％を超えると、成形体を焼結して得た焼結材の機械的強度を低下させることが懸念されるからである。
【００２１】
また、本発明では、添加材中に、さらに金属石鹸を含有させることもでき、かかる金属石鹸を、エンスタタイトと共に添加することによって、成形体の圧縮性が改善されると同時に、成形時の抜出力が低減し、成形性が大幅に向上する。その理由は、次のとおりと考えられる。
すなわち、エンスタタイトは、成形時に鉄基粉末粒子間で剪断応力を受けた際に、結晶面に沿ってへき開し易く、そのため成形体内部の粒子間の摩擦抵抗が低減し、粒子間相互で動き易くなる、という潤滑効果によって、成形体の密度が向上するものと考えられる。また、成形体と金型間にエンスタタイトが存在すると、成形体抜出時に金型表面からの剪断応力を受けてへき開するため、金型表面での成形体のすべり易さが向上し、抜出力が低減するものと考えられる。
なお、これらの効果は、さらにへき開構造を有する有機化合物である金属石鹸を添加することによって、格段に改善される。
【００２２】
ここに、金属石鹸としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウムおよびステアリン酸マグネシウムなどが好適である。この金属石鹸の添加量は、鉄基粉末混合物全体に対し0.02〜1.0 mass％程度とすることが好ましい。というのは、添加量が0.02mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方1.0 mass％を超えると成形体強度の低下を招くからである。
また、エンスタタイトは、潤滑性能を発揮する他、鉄基粉末混合物を成形し、焼結する際に分解しない、すなわち有害な分解ガスを発生させず、焼結を阻害しないため、焼結体の機械的強度の向上にも有効に寄与する。
【００２３】
次に、本発明の鉄基粉末混合物の製造方法について説明する。
鉄基粉末に、添加材として、MnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種とエンスタタイト、さらには金属石鹸、さらに必要に応じて合金用粉末を加えて、１次混合する。ついで、１次混合後の混合物を、上記した添加材のうち少なくとも１種の添加材の融点以上に加熱しつつ撹拌し、混合しながら徐々に冷却して、鉄基粉末の表面に溶融した添加材によって合金用粉末やその他の添加材を固着させる。
なお、上記したMnＳ、MoＳおよびCaF2のうちから選んだ少なくとも２種やエンスタタイト、さらには金属石鹸などの添加材は、必ずしも全量を一度に添加する必要はなく、一部のみを添加して１次混合を行ったのち、残部を添加して２次混合することもできる。
また、混合手段としては、特に制限はなく従来から公知の混合機いずれもが使用できるが、加熱が容易な、高速底部撹拌式混合機、傾斜回転パン型混合機、回転クワ型混合機および円錐遊星スクリュー形混合機などは特に有利に適合する。
【００２４】
次に、本発明の鉄基粉末混合物を用いた鉄基粉末成形体の製造方法および鉄基粉末焼結体の製造方法について説明する。
本発明の鉄基粉末混合物は、通常の成形方法で成形体とすることができる。すなわち、常温で成形することができる。とはいえ、鉄基粉末混合物や金型を加熱したり、金型に潤滑剤を塗布することは有利である。加熱雰囲気で成形を行う場合、鉄基粉末混合物や金型の温度は150℃未満とすることが好ましい。というのは、本発明に従う鉄基粉末混合物は圧縮性に富むので150℃未満の温度でも優れた成形性を示すが、150℃以上になると酸化による劣化が懸念されるからである。
【００２５】
ついで、上記のようにして得られた高密度鉄基粉末成形体に、焼結処理を施して、高密度の焼結体とする。焼結処理については、特に限定されることはなく、従来公知の焼結処理方法いずれもが好適に使用できる。また、焼結処理後に、ガス浸炭熱処理や浸炭窒化処理等の熱処理を適用することも可能である。
【実施例１】
【００２６】
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。
還元純粉末、0.8 mass％の天然黒鉛粉（平均粒径：５μm）および2.0 mass％の銅粉（平均粒径：25μm）に、各種添加材（１次添加材）を添加し、高速底部撹拌式混合機で混合しながら140℃に加熱した後、60℃以下に冷却し、さらに各種添加材（２次添加材）を添加し、500rpmで１分間撹拌後、混合機から混合粉末を排出した。１次および２次添加材の種類と添加量を、表１に併記する。添加材の添加量（質量部）は、鉄基粉末と天然黒鉛粉と銅粉との合計質量：100質量部に対する割合を外数で示したものであるが、内数（質量％）で表した数値とほぼ同じである。なお、MnＳ、MoＳ、CaF2およびエンスタタイト粉末の平均粒径はそれぞれ６μm、４μm、20μｍ、6μmであった。
また、標準材として、上記と同じ鉄基粉末、天然黒鉛粉および銅粉の組成の粉末に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を合計で0.8mass％添加し、Ｖ型容器回転式混合機で混合した混合粉末を用意した(表１参照)。
【００２７】
次に、得られた各鉄基粉末混合物を、室温下で外径：38mm、内径：25mmの超硬製リング型に充填して加圧成形し、厚さ：８mm、密度：6.9 Mg/m3の成形体としたのち、ＲＸガス中にて、1130℃で20分焼結し、圧環強さ試験用の焼結体とした。
圧環強さは、JIS Z 2507に従い、リング焼結体試験片を直径を挟んで両側から圧縮し、リング試験片が破断したときの圧縮応力を圧環強さとして測定した。
【００２８】
さらに、得られた各鉄基粉末混合物を用い、別途、旋盤切削試験用の試験片（外径：60mm，内径：20mm，高さ：20mm）およびドリル切削試験用の試験片（外径：60mm，高さ：20mm）を圧粉成形により作製した。圧粉成形の密度は6.9 Mg/m3とした。また、その後の焼結は上記と同様の条件で行った。
切削性は、表２に示す各材質の切削工具を用いて、旋盤切削試験（切削速度：200m／分、送り：0.1mm／回、切込み深さ：0.5mm）を行い、1000ｍ切削時における切削工具の逃げ面の摩耗幅で評価した。切削工具の逃げ面の摩耗幅が小さいほど、焼結体の切削性が優れているといえる。
また、ドリル切削試験については、ハイス製の直径：３mmのドリルを用いて穿孔試験（ドリル径：３mm、回転数：2500rpm、送り：600mm/min）を行い、ドリルが破損するまでの穿孔数を評価した。
得られた結果を表２に併記する。
【００２９】
【表１】
2010189755.tif 000002
【００３０】
【表２】
2010189755.tif 000003
【００３１】
表２に示した発明例１〜３と比較例１〜４を比較すれば明らかなように、本発明に従う添加材を添加した鉄基粉末混合物を用いて製造した焼結体は、圧環強さの低下はほとんどなく、良好な機械的強度が得られていることが分かる。また、発明例１〜３より、本発明に従う添加材を添加した鉄基粉末混合物を用いて製造した焼結体は、旋盤切削時における工具摩耗が著しく軽減されるだけでなく、ドリル穿孔数も大幅に改善されることが分かる。
これに対し、比較例１，２では、ドリル穿孔数は標準材に比較して著しく改善されたものの、旋盤切削時における工具摩耗の低減は不十分であった。また、比較例３，４では、旋盤切削時の工具摩耗の低減およびドリル穿孔数の改善とも不十分であった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の鉄基粉末混合物を用いることにより、旋盤切削性およびドリル切削性に優れ、また機械的強度が良好な焼結部品を得ることができる。従って、本発明は、例えば自動車用高強度焼結部品等に適用して好適である。