(57)【要約】【課題】高強度が得られ、切削性の良好な高強度焼結部品を製造できる鉄基混合粉を提供すること。【解決手段】Ｎｉ：０．５〜３質量％、Ｍｏ：０．７超〜４質量％、Ｍｎ：０．４〜１．０質量％、Ｓ：０．２〜０．８質量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金鋼粉と、Ｎｉ粉と、Ｃｕ粉と、黒鉛粉とを含む鉄基混合粉であって、前記合金鋼粉と、前記Ｎｉ粉と、前記Ｃｕ粉と、前記黒鉛粉との合計量に対して、前記Ｎｉ粉を０．５〜５質量％、前記Ｃｕ粉を０．５〜３質量％、前記黒鉛粉を０．２〜１．０質量％含有することを特徴とする高強度焼結部品用鉄基混合粉を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ：０．５〜３質量％、Ｍｏ：０．７超〜４質量％、Ｍｎ：０．４〜１．０質量％、Ｓ：０．２〜０．８質量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金鋼粉と、Ｎｉ粉と、Ｃｕ粉と、黒鉛粉とを含む鉄基混合粉であって、前記合金鋼粉と、前記Ｎｉ粉と、前記Ｃｕ粉と、前記黒鉛粉との合計量に対して、前記Ｎｉ粉を０．５〜５質量％、前記Ｃｕ粉を０．５〜３質量％、前記黒鉛粉を０．２〜１．０質量％含有することを特徴とする高強度焼結部品用鉄基混合粉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末冶金用鉄基混合粉に関し、特に切削性の良好な高強度焼結部品の製造に好適な鉄基混合粉に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉を金型内で加圧して成形したのち、焼結して焼結体とする粉末冶金法は、非常に複雑な形状の機械部品を寸法精度よく製造できるため、高い寸法精度を要求されるギヤ等の自動車用部品の製造に広く利用されている。金属粉として鉄粉を用いる場合には、鉄粉にさらにＣｕ粉、黒鉛粉等を混合して、さらに成形潤滑剤を０．８〜１．２質量％混合した後、成形・焼結して、５．０〜７．２ｇ／ｃｍ3程度の密度を有する焼結体としている。
【０００３】
これら焼結部品には、高強度であることが要求されている。強度の向上のためには合金元素を添加した焼結体に、さらに焼入焼戻等の熱処理を施して製品化することが一般的に行われている。
【０００４】
例えば、高強度部品用として、鉄鋼粉表面にＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏの粉末を同時に拡散付着させた熱処理における寸法変化のばらつきの小さい、部分合金化合金鋼粉が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、最近では、焼結部品の製造コストの低減のために、焼結後の焼入れ焼戻し等の熱処理の省略が指向され、焼結後の熱処理を省略しても、高強度の焼結部品が確保できる原料粉が要望されている。
【０００５】
このような要望に対し、質量比で、Ｎｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部Ｆｅからなる組成の合金粉末に、Ｃｕ粉を１〜２％、Ｎｉ粉を１〜３％、黒鉛を焼結後のＣ量が０．２〜０．７％になるように配合した混合粉末を、圧縮成形し、圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結し、焼結炉中で５〜２０℃／ｍｉｎで冷却する鉄系焼結合金の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
また、質量比で、Ｎｉ：０．５〜３％およびＭｏ：０．７超〜４％、残部Ｆｅからなる組成の合金粉末に、Ｎｉ粉を１〜５％、Ｃｕ粉を０．５〜３％、黒鉛粉を０．２〜０．９％含有する鉄基混合粉が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平１−２１５９０４号公報
【特許文献２】特開平９−８７７９４号公報
【特許文献３】特開２０００−２８２１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２、特許文献３に記載された技術では、焼結後に高強度は得られるものの、焼結体が硬すぎるため、切削性が悪い場合があるという問題が残されていた。
【０００８】
本発明は、上記した状況に鑑み、高強度が得られ、切削性の良好な高強度焼結部品を製造できる鉄基混合粉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、強度を低下させずに切削性を改善する方法について鋭意検討した。その結果、ＭｎとＳとを含有する合金鋼粉を原料とする鉄基混合粉を用いることにより、強度を低下させることなく、焼結体の切削性を向上させることが可能であるという知見を得た。
【００１０】
本発明は上記した知見に基づき、さらに検討を加え完成されたものである。すなわち、本発明は、Ｎｉ：０．５〜３質量％、Ｍｏ：０．７超〜４質量％、Ｍｎ：０．４〜１．０質量％、Ｓ：０．２〜０．８質量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金鋼粉と、Ｎｉ粉と、Ｃｕ粉と、黒鉛粉とを含む鉄基混合粉であって、前記合金鋼粉と、前記Ｎｉ粉と、前記Ｃｕ粉と、前記黒鉛粉との合計量に対して、前記Ｎｉ粉を０．５〜５質量％、前記Ｃｕ粉を０．５〜３質量％、前記黒鉛粉を０．２〜１．０質量％含有することを特徴とする高強度焼結部品用鉄基混合粉である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、切削性の良好な高密度の高強度焼結部材の原料として好適な鉄基混合粉が得られる。また、焼結後の熱処理を施さずに高強度の焼結部品が製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明では、強度向上のための合金元素として、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕを、切削性向上のための合金元素としてＭｎ、Ｓを選択した。本発明の鉄基混合粉は、前記の元素を含有するものであり、合金鋼粉と、Ｎｉ粉と、Ｃｕ粉と、黒鉛粉とを含むものである。本発明では、焼結促進の観点からＮｉ粉を添加する共に、基地の焼入れ性向上の観点から合金鋼粉もＮｉを含有するものである。Ｍｏは合金鋼粉として添加し、Ｃｕの添加は、Ｃｕの液相焼結による焼結促進のためＣｕ粉による添加とする。
【００１３】
合金鋼粉は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓを含有する鉄合金の粉末であり、合金鋼を製造後に粉化した、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓが予め合金化された予合金化合金鋼粉である。予合金化合金鋼粉は、所定量の合金元素を含有する溶鋼を溶製し、水アトマイズして製造される。水アトマイズは、通常公知の装置および方法を用いて行えばよく、特に限定されるものではない。合金鋼粉は、水アトマイズ後、常法に従い、仕上還元処理、粉砕を施して使用する。
【００１４】
予合金化合金鋼粉である合金鋼粉の組成限定理由について説明する。
【００１５】
Ｎｉ：０．５〜３質量％とする。Ｎｉは、マルテンサイト変態開始温度を低温側に移行させて組織を微細化し、基地を強化し、強度を向上させる。しかし、Ｎｉが０．５質量％未満では強度を向上させる効果が充分でなく、一方、Ｎｉを３質量％を超えて含有させると合金鋼粉粒子が著しく硬化し、圧縮性が著しく低下し、密度が低下するため、強度、靱性が低下する。このため、Ｎｉは０．５〜３質量％の範囲に限定した。好ましくは１〜２．５質量％である。
【００１６】
Ｍｏ：０．７超〜４質量％とする。Ｍｏは、固溶強化、焼入れ性向上により強度を向上させる元素であり、しかも予合金化しても圧縮性の低下は少ない。しかし、Ｍｏが０．７質量％以下では、強度を向上させる効果が十分でなく、一方、Ｍｏを４質量％を超えて含有させると鋼粉粒子が硬化し、圧縮性が著しく低下し、密度が低下するため、強度、靱性が低下する。このためＭｏは０．７超〜４質量％の範囲に限定した。好ましくは０．７超〜３質量％である。
【００１７】
Ｍｎ：０．４〜１．０質量％、Ｓ：０．２〜０．８質量％とする。ＭｎとＳは焼結体中にＭｎＳを形成し、切削性を向上させる。しかし、Ｍｎが０．４質量％未満では、切削性を向上させる効果が充分ではなく、一方、Ｍｎを１．０質量％を超えて含有させると合金鋼粉粒子が著しく硬化し、圧縮性が著しく低下し、密度が低下するため、強度、靱性が低下する。このため、Ｍｎは０．４〜１．０質量％の範囲に限定した。好ましくは０．５〜０．９質量％である。また、Ｓは０．２質量％未満では切削性を向上させる効果が充分ではなく、Ｓを０．８質量％を超えて含有させると、焼結時に蒸発するＳが焼結炉を汚染する。このため、Ｓは０．２〜０．８質量％の範囲に限定した。好ましくは０．３〜０．７質量％である。
【００１８】
合金鋼粉は、上記した成分以外は残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｓｉ：０．１質量％以下、Ｐ：０．０２質量％以下が許容できる。
【００１９】
次に、合金鋼粉と混合する、鉄基混合粉中に含有されるＮｉ粉、Ｃｕ粉および黒鉛粉の含有量の限定理由について説明する。なお、以下に示す混合粉中の各粉の含有量は、合金鋼粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉および黒鉛粉の合計量（鉄基混合粉全量）に対する質量％で表示する。
【００２０】
Ｎｉ粉：０．５〜５質量％とする。Ｎｉ粉は、焼結を活性化し、空孔を微細化して、強度を高くする。Ｎｉ粉の含有量が０．５質量％未満では、焼結を活性化させる効果が十分でなく、一方、５質量％を超えると残留オーステナイトが著しく増加し強度が低下する。このため、Ｎｉ粉の含有量は０．５〜５質量％の範囲に限定した。好ましくは、Ｎｉ粉の含有量は１〜３質量％である。Ｎｉ粉としては、熱分解法により製造したカルボニルニッケル粉、Ｎｉ酸化物を還元したＮｉ粉など、公知のものを用いればよい。
【００２１】
Ｃｕ粉：０．５〜３質量％とする。Ｃｕ粉は、焼結時に液相を形成し、焼結を促進し、強度を向上させる。Ｃｕ粉の含有量が、０．５質量％未満では強度を向上させる効果が十分でなく、３質量％を超えると脆化して強度も低下する。このため、Ｃｕ粉の含有量は、０．５〜３質量％の範囲とした。好ましくは、Ｃｕ粉の含有量は１〜２質量％である。Ｃｕ粉としては、電解Ｃｕ粉やアトマイズＣｕ粉等の公知のものを用いればよい。
【００２２】
黒鉛粉：０．２〜１．０質量％とする。黒鉛粉は、焼結時に合金鋼粉中に容易に拡散し、固溶強化により強度を高くする元素である。黒鉛粉の含有量が、０．２質量％未満では強度を向上させる効果が十分でなく、一方、１．０質量％を超えると、初析セメンタイトが粒界に析出し、強度が低下する。このため、黒鉛粉の含有量は０．２〜１．０質量％の範囲とした。好ましくは０．４〜０．９質量％である。
【００２３】
本発明の鉄基混合粉では、合金鋼粉に、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉を添加・混合した後、熱処理を施して、拡散付着させた、部分合金化合金鋼粉としてもよい。部分合金化合金鋼粉とすると、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉の偏析を防止することができる。
【００２４】
また、本発明では、上記した合金鋼粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉および黒鉛粉を混合した混合粉１００質量部に対して、潤滑剤０．３〜１質量部を、必要に応じて添加することが好ましい。潤滑剤としては、成形時の粉末同士あるいは粉末と金型間の摩擦を低減する金属石鹸（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など）、脂肪酸アミド（ステアリン酸アミド、エチレンビスステアロアミド、エルカ酸アミド）などの公知の潤滑剤が好適である。
【００２５】
潤滑剤は、合金鋼粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、黒鉛粉に添加し混合しても、あるいは、潤滑剤を合金鋼粉に混合した後、加熱・冷却して、合金鋼粉に潤滑剤を付着させたものとして添加してもよい。潤滑剤を添加した前記の処理を行なった後に、さらに粉末の潤滑剤を添加することもできる。また、合金鋼粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、黒鉛粉および潤滑剤を混合後、加熱・冷却して、合金鋼粉に、潤滑剤をバインダーとして、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉および黒鉛粉を付着させてもよい。このようにすることにより、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉および黒鉛粉の偏析を防止することができる。また、さらに粉末の潤滑剤を添加することもできる。
【００２６】
本発明の鉄基混合粉を用いた成形体の成形方法としては、公知のいずれの方法も用いることが可能である。例えば、鉄基混合粉を室温とし、金型を５０〜７０℃に加熱する方法は、粉末の取り扱いが容易であり、圧粉体密度がさらに向上するため好適である。また、鉄基混合粉、金型ともに１２０〜１３０℃に加熱する温間成形を行なうこともできる。
【００２７】
焼結は、１１００〜１３００℃程度で施すことが好ましく、特に安価で量産可能なメッシュベルト炉を用いる場合は１１６０℃以下で焼結させることが好ましい。メッシュベルト炉以外にも、例えば、トレープッシャー式の焼結炉、急冷装置の付属した焼結炉等も好適に使用可能である。
【実施例１】
【００２８】
表１に示す組成の予合金を溶製し、水アトマイズ法で粉化した後、仕上還元処理を施して合金鋼粉とした。次に、これらの合金鋼粉に、表１に示す割合でＮｉ粉、Ｃｕ粉、黒鉛粉を配合し、さらに合金鋼粉、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、黒鉛粉からなる混合粉１００質量部に対し、０．４質量部のステアリン酸亜鉛を添加し、１３０℃に加熱して合金鋼粉の表面にＮｉ粉、Ｃｕ粉、黒鉛粉を付着させた後、さらにステアリン酸亜鉛０．４質量部を混合して、Ｎｏ．１〜２９の鉄基混合粉を作製した。表１において、粉末（Ｎｉ粉、Ｃｕ粉、黒鉛粉）の組成は、合金鋼粉と粉末の合計である鉄基混合粉全量に対する質量％で示している。また、合金鋼粉（予合金）の組成は、合金鋼粉のみでの組成であり、残部は鉄および不可避的不純物である。
【００２９】
得られた鉄基混合粉を、日本粉末冶金工業会（ＪＡＭＡ）のＭ０４−１９９２に準拠して、成形圧力６８６ＭＰａで引張試験片形状の成形体に成形した。これらの成形体に、窒素水素混合ガス（Ｎ2−１０vol.Ｈ2）雰囲気中で１１３０℃で２０分加熱し、冷却速度３０℃／分で冷却する条件で焼結を施し、焼結体とした。焼結後に大気中で１８０℃で６０分の焼き戻しを行なった。
【００３０】
得られた焼結体について、密度測定、引張試験および切削性試験を実施した。引張試験は、引張り速度５ｍｍ／分で行い、引張強度を求めた。切削性試験は、外径６０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形の試験片を直径１ｍｍのハイスドリルで１００００ｒｐｍ、０．０１２ｍｍ／ｒｅｖの条件で加工が不可能になるまで加工した際の孔の数を測定し、３回の平均ドリル穿孔個数を工具寿命として評価した。これらの結果を、表１に併せて示す。
【００３１】
【表１】
2006241533.tif 000002
【００３２】
表１によれば、本発明の鉄基混合粉を用いて製造した本発明例の焼結体は、ドリル穿孔個数が１００個以上であり切削性が良好で、かつ引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度の焼結体であった。一方、鉄基合金粉の組成が本発明範囲外である比較例では、引張強さが７５０ＭＰａ未満であるか、ドリル穿孔個数が６０個以下であり切削性が劣っていた。
【００３３】
混合粉Ｎｏ．１、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．２２の焼結体では、それぞれ、合金鋼粉中のＭｏ、Ｎｉや、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉の割合が少ないため、強度向上効果が少なく、高強度が得られなかった。また、混合粉Ｎｏ．４、Ｎｏ．８の焼結体では、それぞれ、合金鋼粉中のＭｏ、Ｎｉの割合が高すぎ、合金鋼粉粒子が硬化するため密度が著しく低下し、高強度が得られなかった。また、混合粉Ｎｏ．２１の焼結体では、Ｎｉ粉の割合が高く、残留したオーステナイトが著しく多くなるため、高強度が得られなかった。また、混合粉Ｎｏ．２５の焼結体では、Ｃｕ粉の割合が高く脆化するため、高強度が得られなかった。また、混合粉Ｎｏ．２６、Ｎｏ．２９の焼結体では、それぞれ、黒鉛粉の割合が本発明の範囲外であるため、強度向上効果が少なく、高強度が得られなかった。さらに、混合粉Ｎｏ．９、Ｎｏ．１３の焼結体では、Ｍｎ、Ｓの割合が低く、引張強度は高いが、切削性が低下した。また、混合粉Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１６の焼結体では、Ｍｎ、Ｓの割合が高く、切削性は良好だが、引張強度が低下した。