(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い切削性を有する製品に圧粉成形され焼結される、事実上、硬度800マイクロビッカースを超える硬質相材料を含まない鉄基粉末組成物であり、
該鉄基粉末組成物が、鉄に加えて、合金元素であるＣ、Ｐ、Cr、Mn、Cu、NiおよびMoの少なくとも１種を含み、該合金元素の含有量が、それぞれ以下で定義され、
C:1.2重量％以下（ゼロを含む）、P:0.6重量％以下（ゼロを含む）、Cr:25重量％以下（ゼロを含む）、Mn:10重量％以下（ゼロを含む）、Cu:5重量％以下（ゼロを含む）、Ni:8重量％以下（ゼロを含む）、Mo:2重量％以下（ゼロを含む）、
前記鉄基粉末組成物が、切削性を改善する材料として、0.2〜0.6重量％のCaF2粉末を含み、該CaF2粉末は、平均粒径が20〜70μｍ、最大粒径が30〜100μｍであり、
また、前記CaF2粉末の粒子が黒鉛粒子に付着しておらず、
事実上、単体元素としてのＳ（硫黄）が存在しないことを特徴とする鉄基粉末組成物。
【請求項２】
0.05〜0.5重量％のMoS2を更に含む請求項１に記載された鉄基粉末組成物。
【請求項３】
切削性改善材料として、さらにMnSを含み、その量が、CaF2の総重量の30重量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された鉄基粉末組成物。
【請求項４】
高い切削性を有し、事実上、硬度800マイクロビッカースを超える硬質相材料を含まない、請求項１に記載された鉄基粉末組成物を原料とする焼結製品であり、鉄に加えて、合金元素であるＣ、Ｐ、Cr、Mn、Cu、NiおよびMoの少なくとも１種を以下の定義範囲で含み、
C:1.2重量％以下（ゼロを含む）、P:0.6重量％以下（ゼロを含む）、Cr:25重量％以下（ゼロを含む）、Mn:10重量％以下（ゼロを含む）、Cu:5重量％以下（ゼロを含む）、Ni:8重量％以下（ゼロを含む）、Mo:2重量％以下（ゼロを含む）、
さらに、0.2〜0.6重量％のCaF2を含む鉄基焼結製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、部品の粉末冶金製造で用いられる、鉄基粉末組成物に添加されて切削性を改善する粉末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
部品の粉末冶金的製造は以下の作業工程を含むことが多い。一般的には鉄粉や鋼粉である基材粉末は、粉末形態のNi、Cu、Mo、Ｃ（炭素）等の合金元素および潤滑剤と混合される。その後、粉末混合物はプレス機で圧粉成形され、ほぼ最終形状の圧粉体（グリーン・ボディ）として知られたものに加工される。圧粉成形後、必要とする強度、硬さ、伸び率等が得られるように圧粉体が焼結される。
【０００３】
部品の粉末冶金的製造の主要利点の１つは、圧粉成形し焼結することにより、最終形状またはそれにごく近い形状の加工素材を生産できることにある。しかしながら、引き続いて機械加工の必要な場合もある。例えば、高い許容誤差の要求される場合や、最終部品が直接プレスできない形状を有し、焼結後に機械加工する必要のある場合である。具体的には、圧粉成形の方向を横切る穴、切欠きやねじ等の形状は後で機械加工する必要がある。
【０００４】
より高い強度を有し、従ってより硬い新しい焼結鋼が継続的に開発されており、粉末冶金的製造において部品の機械加工が主要問題の１つになっている。このことが、粉末冶金的製造が部品を製造する上で最も低コストの有効な方法か否かの評価を行うことを難しくする要因となっている。従って、焼結鋼の切削性を改善する上で有効な新しい添加物への期待が高まってきている。こうした添加物は、焼結材の引張り強さや伸び率等の機械的性質にさほど影響を与えないことが重要である。
現在、鉄基粉末混合物に添加して焼結後の部品を機械加工し易くする多くの物質が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする問題点】
汎用されている粉末添加剤は、例えば、EP−0183666に記載されたMnSがある。この特許は、かかる粉体の添加により焼結鋼の切削性がいかに改善されたかを説明している。しかしながら、機械加工の困難な材料、この場合では約HV180を超える硬さを有する材料は、MnSの添加によって適切に機械加工を行うことはできない。しかも、MnSの添加により、焼結後の材料強度が許容できないほど低下することがよくある。
【０００６】
USP  4927461には、六方晶BN（窒化硼素）を鉄基粉末混合物に添加して焼結後の切削性を改善することが記載されている。微細なBN粉末（0.05〜1.0μｍ）を塊粒状に処理すれば、MnSの添加と同様に、焼結後の鉄基粉末混合物の切削性を同じように改善することができる。ただし、適当量のBN粉末を添加すれば、焼結後の強度への影響は、MnSを添加した場合より少なくて済む。しかしながら、BNの添加によっても、MnSの場合と同様に、工業生産においてHV200を超える硬さの材料を機械加工することはできない。
【０００７】
WO  91/14526は、いかにして少量のTeおよび（または）SeとMnSを用い、機械加工の困難な粉末冶金材料の切削性を約２倍に高めるかを説明している。Teおよび／またはSeを添加すること自体が周囲環境への配慮を必要とし、これら添加物は極少量でも健康に害を及ぼすため、今後の規制はさらに強化される趨勢にある。
【０００８】
本発明の１つの目的は、鉄基または鋼基粉末組成物に添加され、焼結を終えてできた部品の切削性を改善する粉末を提供することにある。特に、本発明は、機械加工の困難な材料、例えば、約HV180を超える硬さと約700MPaを超える強さを有する材料の切削性を改善し、硬質相材料を事実上含まない作用物質を提供する。
【０００９】
本発明の他の目的は、焼結部品の強度や焼結中の寸法変化等の機械的性質に及ぼす影響の少ないかまたはこれらに全く影響のない、周囲環境に事実上害を及ぼさない切削性改善材料を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、フッ化カルシウム粒子を含有する材料を鉄基粉末組成物と混合することにより達成できることが判明した。本発明によると、これらの粒子は実質的に遊離しており（すなわち、以下に説明するように、黒鉛粒子に付着しておらず）、100μｍ未満の平均粒径を有する。この平均粒径は20μｍ〜70μｍの範囲にあるのが好ましい。粒径が大きすぎると焼結部品の強度に悪い影響が及び、満足できる切削性改善の効果が得られなくなる。この観点で、本発明では、フッ化カルシウム（CaF2）粒子の最大粒径を30〜100μｍとする。また、粉末添加物が微細すぎると、切削性の改善効果が不十分となる。フッ化カルシウム粒子は合成物でも天然物でもよい。特に好ましい原材料は高品位の螢石である。フッ化カルシウムの純度もまた切削性改善効果に影響し、使用する螢石等の原材料の不純物の含有量は３重量％、好ましくは２重量％を超えてはならないことが判明した。本発明によると、切削性改善粉末であるフッ化カルシウムは、鉄粉または鋼粉に、粉末組成物の重量にして約0.2〜0.6重量％添加するのが好ましく、最も好ましくは0.2〜0.5重量％添加される。CaF2の重量にして0.1重量％未満の含有量では、切削性について十分な改善効果が得られないが、0.6重量％を超える含有量のCaF2は、強度や寸法変化に悪影響を与える。
【００１１】
CaF2をベースとするフッ素系コンパウンドの使用例の１つに、荷重印加状態にある室温表面と高温表面との間の摩擦を減らす固体潤滑剤がある。このことは、ASLE会報16/1巻、42〜49頁、「高温作業用の固体潤滑剤コーティングの改良」に報告されている。また、硬質相材料を含む弁座等の焼結製品の耐摩耗性の改善を主な目的として、粉末冶金材料の潤滑剤としてフッ化カルシウムを用いることについても、例えば、USP  4274876、USP  4836848、特開昭53−123314号公報、SU−885−319、SU−1114−70、SU−1481−262、特開昭63−42348号公報およびEP−277239に記載されている。
【００１２】
SU−1585−069は、CaF2やＳを添加して粉末冶金材料の切削性を改善できるが、CaF2を非常に多く（２〜３％）添加することを教示している。一方、Ｓは従来の一般材料および粉末冶金材料の切削性を改善することでよく知られている。従って、この文献は、粉末冶金材料の切削性を改善しようとする当業者にとってありふれたもので重要な指針になるとは考えられない。CaF2の添加量を事実上減らす以前に、まずＳを除去しなければならないためである。本発明による添加物をMnS等の他の従来の切削性改善添加物と組み合わせる場合でも、単体元素としての硫黄元素を事実上含んでいないことが好ましい。この硫黄元素は周囲環境にとり好ましくない上に、寸法変化に及ぼす影響が大きい。
【００１３】
特開昭63−137137号公報は、焼結により得られる部品の切削性を改善するために、すなわち、本発明と同じ目的で、CaF2を鉄基粉末混合物に添加することを明らかにしている。しかしながら、この日本特許出願によれば、鉄または鋼の組成物に添加される際、フッ化カルシウムは遊離した状態でなく、黒鉛に完全にまたは部分的に付着していなければならない。黒鉛に付着したフッ化物を使用する目的は、黒鉛が鉄母材に完全に溶解してしまうのを防ぐためである。溶解しない黒鉛は、機械加工中に、工具と材料の間に潤滑膜を形成する作用がある。さらに、前記日本特許出願には、比較的粗い炭素粒子を添加するよう明記してあるが、このことは最終部品の強度に悪影響を及ぼす。従って、日本特許出願は、遊離フッ化カルシウム粒子が切削性を改善することについて何ら示唆しない。本発明が、この日本特許出願の発明に勝る点は、本発明においては炭素を使用する必要が全くないので、炭素にフッ化物を吸着させる工程がなくて済むことと、炭素を添加した方が望ましい場合は微細な炭素粒子を用いることができ、その結果、比較的高い強度が得られることにある。
【００１４】
本発明は、前記添加物を含有する鉄基粉末組成物およびこれらの組成物からなる鉄基焼結製品を対象とする。本発明の鉄基粉末組成物は実質的に硬質相材料を含まない。硬質相材料が鉄または鋼の組成物に含まれている場合、前記粉末添加物が顕著な切削性改善効果を発揮しないことは前もって実験が証明している。ここで使用した用語「硬質相材料」とは、合金の硬さを実質的に超える（すなわち、800マイクロビッカースを超える）硬さを有する非金属物質を指す。硬質相材料の例としては、炭化物、窒化物、酸化物および硼化物がある。
【００１５】
本発明の鉄基粉末組成物は、以下で規定される。
高い切削性を有する製品に圧粉成形され焼結される、事実上、硬度800マイクロビッカースを超える硬質相材料を含まない鉄基粉末組成物であり、
該鉄基粉末組成物が、鉄に加えて、合金元素であるＣ、Ｐ、Cr、Mn、Cu、NiおよびMoの少なくとも１種を含み、該合金元素の含有量が、それぞれ以下で定義され、
C:1.2重量％以下（ゼロを含む）、P:0.6重量％以下（ゼロを含む）、Cr:25重量％以下（ゼロを含む）、Mn:10重量％以下（ゼロを含む）、Cu:5重量％以下（ゼロを含む）、Ni:8重量％以下（ゼロを含む）、Mo:2重量％以下（ゼロを含む）、
前記鉄基粉末組成物が、切削性を改善する材料として、0.2〜0.6重量％のCaF2粉末を含み、該CaF2粉末は、平均粒径が20〜70μｍ、最大粒径が30〜100μｍであり、
また、前記CaF2粉末の粒子が黒鉛粒子に付着しておらず、
事実上、単体元素としてのＳ（硫黄）が存在しないことを特徴とする鉄基粉末組成物。
本発明の鉄基粉末組成物を原料として得られる鉄基焼結製品は、以下の特徴を有する。
高い切削性を有し、事実上、硬度800マイクロビッカースを超える硬質相材料を含まない、請求項１に記載された鉄基粉末組成物を原料とする焼結製品であり、鉄に加えて、合金元素であるＣ、Ｐ、Cr、Mn、Cu、NiおよびMoの少なくとも１種を以下の定義範囲で含み、
C:1.2重量％以下（ゼロを含む）、P:0.6重量％以下（ゼロを含む）、Cr:25重量％以下（ゼロを含む）、Mn:10重量％以下（ゼロを含む）、Cu:5重量％以下（ゼロを含む）、Ni:8重量％以下（ゼロを含む）、Mo:2重量％以下（ゼロを含む）、
さらに、0.2〜0.6重量％のCaF2を含む鉄基焼結製品。
【００１６】
本発明の特有の観点によれば、本発明の成立以前には、切削性を改善するために硫黄を混合していた周知の鉄や鋼の組成物にCaF2が用いられる。しかしながら、硫黄は焼結中に膨張するのに対し、この工程中CaF2は実質的に寸法に影響しないので、これらの周知の組成物は硫黄のように焼結中に膨張する他の物質と混合することもできる。このような膨張する物質には、例えば、MoS2がある。この物質は、鉄基組成物の重量にして0.05〜0.5重量％、好ましくは0.1〜0.3重量％混合してもよい。また、本発明の鉄基粉末組成物は、切削性改善材料として、CaF2の総重量の30重量％以下のMnSを含むことができる。
【００１７】
本発明により添加物を用いて、粉末冶金的に部品を製造する方法は、従来のやり方、すなわち以下の工程を経て行われるのが最も一般的である。基材粉末、すなわち鉄粉または鋼粉は、粉末状の本発明の添加物とともに、Ni、Cu、Moおよび選択的にＣ等の所望の合金元素と混合される。この粉末混合物は、圧粉成形に先立って、従来の潤滑剤、例えばステアリン酸亜鉛と混合される。ステアリン酸亜鉛は引き続いて行われる焼結に伴って消失する。混合作業は、合金元素が材料中に均一に混ざるようにして行われる。その後、粉末混合物はプレス機で圧粉成形され、ほぼ仕上り形状の圧粉体として知られたものに加工される。圧粉成形は、通常、400〜800MPaの圧力の下で行われる。圧粉成形圧力を高めても、密度だけは増加するが、工具の摩耗が甚だしい。圧粉成形圧力がこれよりも低いと、ほとんどの構造要素として使い物にならないほど密度が低くなる。圧粉成形後、圧粉体は焼結され、必要とする強度、硬さ、伸び率等を得るようにする。焼結は、Cuが合金元素として使えるように、1083℃を超える温度で行わなければならない。材料中の拡散率を高め焼結時間を短縮するには、最高温度が好ましい。しかしながら、ほとんどの生産炉では1150℃以下の温度でしか扱えない。現在、慣用されている焼結温度は1120℃である。この温度の下では、30分の焼結で概ね好ましい特性が得られている。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を幾つかの非限定的実施例に基づいて説明する。
これらの実施例で用いられる材料の全ては、CaF2を除き、スウェーデン国、ホガナス・アクチボラゲットから市販されているものを使用できる。CaF2は、スウェーデン国、インデスコ・アクチボラゲットの供給する高純度（CaF299％）の高品位螢石である。以下の実施例における材料は全て、600MPaでISO  2740−1973に則る標準引張り試験棒と、直径50mm、厚さ12mmの円盤に圧粉成形してある。材料は、実験用網ベルト炉内で、0.5％相当の炭素ポテンシャルを有する吸熱性雰囲気にて30分間、1120℃で焼結した。試験棒を使用して、EN−10002−１による引張り強さ、ISO  6507/1−1992による硬さと寸法変化を測定した。穿孔試験には円盤を使用し切削性指数を求めた。この切削性指数とは、６つの同じドリルが摩耗してしまうまでに６つの円盤に開けることのできる穴の数の平均値として求められる。穿孔作業は、一定速度／一定送りの高速ドリルにより冷却剤を用いずに行った。
【００１９】
実施例１
表１に記載した組成を持つ６種類の材料をMnSとCaF2のいずれか一方の添加物と混合し、機械的性質や切削性に及ぼす添加物の影響を評価した。使用したMnSは、切削性改善のために広く用いられている市販の品質のものである。CaF2は63μｍのふるいにかけ、ふるい分けされた微細粒子を使用した。前記材料は前述した方法により処理したが、Fe＋0.6％Ｐの材料だけは解離アンモニア中で焼結した。表１から分かるように、比較の結果、CaF2を含む材料の方が、MnSを含む材料よりも切削性が大幅に向上している。引張り強さを比較してみると、CaF2を添加した方が、MnSを添加した場合に比べて著しく影響が少なく、寸法変化はCaF2の方が小さい。
【００２０】
【表１】
0003635088.tif 000002
【００２１】
実施例２
Fe＋４％Ni＋1.5％Cu＋0.5％Mo＋0.5％Ｃの材料を、＜63μｍふるい分けCaF2の量を変えて混合した。材料は前述した方法により処理し、切削性と引張り強さを測定した。CaF2を添加してない材料は、引張り強さが736MPa、硬さが205HV10、そして切削性指数が４であった。結果を図１に示す。図１から判るように、本発明の範囲に含まれる量のCaF2を添加した場合、切削性は顕著に増加する。また、図１から明らかなように、CaF2の量を増やせば、引張り強さは許容できないレベルまで低下する。
【００２２】
実施例３
Fe＋４％Ni＋1.5％Cu＋0.5％Mo＋0.5％Ｃの材料を、異なった粒子寸法すなわち粒径にふるい分けしたCaF20.3％と混合した。最大粒径は、範囲20μｍ〜150μｍであった。材料は前述の方法により処理し、切削性と引張り強さを測定した。結果は図２に示す。CaF2を添加してない材料は、引張り強さが736MPa、硬さが205HV10、そして切削性指数が４であった。切削性は、CaF2の最大粒径が30μｍ〜100μｍである時が最も高い。引張り強さの影響は、最大粒径が大きくなるにしたがって減少するが、引張り強さの減少が許容できなくなるのは、最大粒径が140μｍを超えてからである。平均粒径は、最大粒径の1/2〜2/3である。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄基焼結材の切削性と引張り強さに及ぼすCaF2濃度の影響を示すグラフ。
【図２】鉄基焼結材の切削性と引張り強さに及ぼす焼結原料粉末中のCaF2のふるい分け（最大粒径）の影響を示すグラフ。
【図１】
0003635088.tif 000003
【図２】
0003635088.tif 000004