(57)【要約】【課題】切削性に優れた鉄基燒結合金およびその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｕ：０．５〜６質量％、Ａｌ：０．１〜３質量％、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｏ：０．０５〜１質量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びに、Ｃｕを含むＦｅ基合金結晶粒と結晶粒界と散在している黒鉛からなる素地中に、Ａｌ：１〜２０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ合金結晶粒１と、このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒１から結晶粒界に沿って伸びるＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相２からなる部分組織が分散している組織を有する切削性に優れた鉄基焼結合金。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：０．５〜６質量％、Ａｌ：０．１〜３質量％、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｏ：０．０５〜１質量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ、
Ｃｕを含むＦｅ基合金結晶粒と散在している黒鉛からなる素地中に、Ａｌ：１〜２０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ合金結晶粒と、このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒から結晶粒界に沿って伸びるＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相からなる部分組織が分散して存在する組織を有することを特徴とする切削性に優れた鉄基焼結合金。
【請求項２】
Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末、Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末およびＣ粉末を混合し、圧密成形し、仮焼し、焼結する切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法であって、
前記仮焼および焼結のうち少なくともいずれか一方の工程を酸素を含む雰囲気中で行ない、
前記Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末は、Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成のＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末であることを特徴とする請求項１記載の切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項３】
Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末：０．１〜２５質量％、Ｃ粉末：０．３〜１．７質量％、Ｃｕ粉末：０．５〜６質量％を含有し、残部がＦｅ粉末となるように配合し、混合し、圧密成形し、仮焼し、焼結する切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法であって、前記仮焼および焼結のうち少なくともいずれか一方の工程を酸素を含む雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項１記載の切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、オイルポンプのギヤ、ハブなどの各種機械部品の材料として使用される切削性に優れた鉄基焼結合金およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、オイルポンプのギヤ、ハブなどの各種機械部品の材料として鉄基焼結合金が用いられており、この鉄基焼結合金の１つとして、Ｃｕ：１〜３質量％、Ａｌ：０．１〜３質量％、Ｃ：０．３〜０．８質量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する鉄基焼結合金があることは知られている。この従来の鉄基焼結合金は切削性が不十分であるので、さらに１％程度のＭｎＳまたはＭｎＯ粉末を添加して焼結し切削性を改善している。このＭｎＳまたはＭｎＯ粉末を添加し焼結して得られた焼結体は、図２に示されるように、Ｃｕを含むＦｅ基合金結晶粒４および粒界相６からなる素地中にＭｎＳまたはＭｎＯ粒子７が均一分散した組織を有している。これら従来の技術は極めて一般的な技術であり、例えば、特開平３−２６７３５４号公報に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−２６７３５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来のＭｎＳまたはＭｎＯ添加して焼結して得られたＭｎＳまたはＭｎＯ粒子が素地中に均一分散した組織を有する鉄基焼結合金は依然として切削性が十分でない。したがって、この従来の鉄基焼結合金に切削加工を施すと、工具の寿命が短いという欠点があった。そのために一層切削性に優れた鉄基焼結合金が求められていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、各種機械部品の材料として使用することのできる一層切削性に優れたの鉄基焼結合金を得るべく研究を行っていたところ、
（イ）Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末、Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末並びにＣ粉末を混合し、圧密成形し、仮焼し、燒結して作製したＣｕ：０．５〜６質量％、Ａｌ：０．１〜３質量％、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｏ：０．０５〜１質量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する鉄基焼結合金は、焼結中にＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末に含まれるＡｌが素地中に拡散し減少してＡｌ：１〜２０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ合金結晶粒に変化すると共に、このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒から結晶粒界に沿って伸びるＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相を有する組織（以下、この組織を「部分組織」という）が形成され、この部分組織を有する鉄基焼結合金は、ＭｎＳ粉末またはＭｎＯ粉末を微量添加した従来の鉄基焼結合金よりも切削性が格段に優れている、
（ロ）前記部分組織を有する鉄基焼結合金は、酸素を必須成分として含有させるために、前記仮焼および焼結のうち少なくともいずれか一方の工程を酸素を含む雰囲気中で行なうことが好ましい、という知見を得たのである。
【０００６】
この発明は、かかる知見にもとづいて成されたものであって、
（１）Ｃｕ：０．５〜６質量％、Ａｌ：０．１〜３質量％、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｏ：０．０５〜１質量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、
並びに、Ｃｕを含むＦｅ基合金結晶粒と結晶粒界と散在している黒鉛からなる素地中に、Ａｌ：１〜２０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ合金結晶粒と、このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒から結晶粒界に沿って伸びるＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相からなる部分組織が分散している組織を有する切削性に優れた鉄基焼結合金、
（２）Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末、Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末およびＣ粉末を混合し、圧密成形し、仮焼し、焼結する切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法であって、前記仮焼および焼結のうち少なくともいずれか一方の工程を酸素を含む雰囲気中で行ない、前記Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末は、Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成のＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末である前記（１）記載の切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法、に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明の切削性に優れた鉄基焼結合金を製造するための原料粉末の一つである前記Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末は、ＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５、ＦｅＡｌ２、ＦｅＡｌ、Ｆｅ３Ａｌなどの金属間化合物が主体となっているので極めて硬質な粉末ではあるが、焼結中にＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末に含まれるＡｌが素地中に拡散してＡｌ含有量が減少し、Ａｌ：１〜２０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなる軟質のＦｅ−Ａｌ合金結晶粒に変化する。このように変化したＦｅ−Ａｌ合金結晶粒は軟質でありかつなじみ性が良いために耐摩耗性を向上させる。
さらに、この軟質なＦｅ−Ａｌ合金結晶粒から粒界に沿ってＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相が形成され、この酸化物粒界相が存在することにより凝着が阻止されて切粉の発生がしやすくなり、切削性が一段と向上する。前記酸化物粒界相はＦｅＡｌＯ４，Ａｌ２Ｏ４，ＡｌＯ，Ｆｅ２Ｏ３，ＦｅＯ，ＣｕＯ，Ｃｕ２Ｏなどが考えられるが、狭い幅の酸化物粒界相の具体的な構造式は特定できない。
【０００８】
この組織を図面に基づいて一層具体的に説明する。図１は、Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末が焼結中にＡｌが素地中に拡散してＡｌ含有量が減少し、Ａｌ：１〜２０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ合金結晶粒に変化した部分におけるこの発明の鉄基燒結合金の顕微鏡組織写生図である。
【０００９】
図１において、１はＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末に含まれるＡｌが周囲に拡散し減少して生成したＦｅ−Ａｌ合金結晶粒である。このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒１からＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相２が粒界に沿って成長している。このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒１およびこのＦｅ−Ａｌ合金結晶粒１から粒界に沿って成長している酸化物粒界相２を含めて「部分組織」と総称する。
【００１０】
原料粉末として添加したＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末を包囲して存在するＦｅ粉末は、焼結中にＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉から拡散してきたＡｌを吸収し、Ａｌを含むＣｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒３が生成する。しかし、Ｆｅ−Ａｌ合金結晶粒１から離れた位置にある素地はＡｌを含まないＣｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒４で構成されており、大部分の素地はＣｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒４、粒界相６および黒鉛５とで構成されている。したがって、部分組織から離れた所の組織は、Ａｌを含まないＣｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒４で構成されており、大部分の素地はＣｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒４、粒界相６および黒鉛５とで構成されている。
【００１１】
この発明の切削性に優れた鉄基焼結合金の製造方法をさらに具体的に述べると、原料粉末として、Ｆｅ粉末、Ｃ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末を用意し、Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末：０．１〜２５質量％、Ｃ粉末：０．３〜１．７質量％、Ｃｕ粉末：０．５〜６質量％を含有し、残部がＦｅ粉末となるように配合し、さらに必要に応じて得られた配合粉末に金型成形時の潤滑剤（例えば、ステアリン酸亜鉛粉末またはエチレンビスアマイド）を添加してダブルコーンミキサーで混合し、プレス成形し、圧密成形し、得られた圧密成形体を仮焼し、燒結することにより作製する。
この発明の切削性に優れた鉄基焼結合金は酸素を必須成分として含有するために、仮焼および焼結のうち少なくともいずれか一方の工程を酸素を含む雰囲気中で行なうことが好ましい。すなわち、前記仮焼および焼結は、一層具体的には、
（ｉ）酸素を含む雰囲気中、温度：４００〜８００℃で加熱することにより仮焼し、次いで真空、水素あるいは水素を含む窒素雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃（一層好ましくは１１１０〜１２５０℃）で焼結する、
（ｉｉ）　真空、水素あるいは水素を含む窒素雰囲気中、温度：４００〜８００℃で加熱することにより仮焼し、次いで、酸素を含む雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃（一層好ましくは１１１０〜１２５０℃）で焼結する、または、
（ｉｉｉ）　酸素を含む雰囲気中、温度：４００〜８００℃で加熱することにより仮焼し、次いで酸素を含む雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃（一層好ましくは１１１０〜１２５０℃）で焼結する、ことにより行なわれる。
この時、原料粉末としてＡｌ：３０質量％未満を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末を添加してもＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相は生成しないので切削性の改善は見られない。また、原料粉末としてＡｌ：８０質量％を越えて含有するＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末を添加してもＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相は生成ないので切削性の改善は見られない。
【００１２】
つぎに、この発明の切削性に優れた鉄基焼結合金の成分組成を上記のごとく限定した理由について説明する。
（ａ）Ｃｕ
Ｃｕは、密度、強度および耐摩耗性を向上させる効果があるが、その含有量が０．５質量％未満ではその効果が十分でなく、一方、６質量％を越えるとかえって強度が低下するようになるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含有量は０．５〜６質量％に定めた。Ｃｕの含有量の一層好ましい範囲は１〜４質量％である。
【００１３】
（ｂ）Ａｌ
Ａｌは、Ａｌ：３０〜８０質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末として添加し、焼結中に素地に拡散させて軟質なＦｅ−Ａｌ合金結晶粒を形成させると共に、このＦｅ−Ａｌ合金結晶粒から粒界に沿ってＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相を形成する作用があるが、その含有量が０．１質量％未満ではその効果が十分でなく、一方、３質量％を越えて含有してもそれ以上の効果が少ない。したがって、Ａｌの含有量は０．１〜３質量％に定めた。Ａｌの含有量の一層好ましい範囲は０．１３〜２質量％である。
【００１４】
（ｃ）Ｃ
Ｃは、黒鉛として析出することにより摺動性を向上させ、また硬さと強度を向上させる作用を有するが、その含有量が０．１質量％未満では効果が十分でなく、一方、１．２質量％を越えて含有するとＣの偏析が多くなって寸法のばらつきが大きくなって、各種機械部品の材料としては好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．１〜１．２質量％に定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．２〜０．９質量％である。
【００１５】
（ｄ）Ｏ
Ｏは、Ｆｅ−Ａｌ合金結晶粒からＦｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＯを含む酸化物粒界相を成長させ、この酸化物粒界相が凝着を阻止して切粉の発生をしやすくし、切削性が一段と向上させる作用を有するが、その含有量が０．０５質量％未満では効果が十分でなく、一方、１質量％を越えて含有すると靭性が低下するので好ましくない。したがって、Ｏの含有量は０．０５〜１質量％に定めた。Ｏの含有量の一層好ましい範囲は０．１５〜０．８５質量％である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
原料粉末として、平均粒径：８０μｍのＦｅ粉末、表１に示される平均粒径および成分組成を有するＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末Ａ〜Ｅ、平均粒径：２５μｍのＣｕ粉末、平均粒径：５０μｍのＡｌ粉末、平均粒径：１０μｍのＭｎＳ粉末、並びに平均粒径：１８μｍの黒鉛粉末を用意した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
実施例１
前記Ｆｅ粉末、表１に示されるＦｅ−Ａｌ金属間化合物硬質粉末Ａ〜Ｅ、Ｃ粉末および黒鉛粉末を表２〜３に示される配合組成となるように配合し、さらに金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末を外掛けで０．８質量％に当たる量だけ添加してダブルコーンミキサーで混合し、プレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体を天然ガス：１０容量％、残部：空気からなる混合ガス雰囲気中、温度：７００℃、３０分保持の条件で加熱することにより仮焼し、さらにＮ２−５％Ｈ２　の混合雰囲気中、温度：１１２０℃、２０分保持の条件で焼結したのち、０．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却することにより、表２〜３に示される成分組成を有する本発明焼結合金１〜１４からなる縦：２４ｍｍ、横：８ｍｍ、高さ：４ｍｍの寸法を有する焼結合金抗折試験片および直径：８０ｍｍ×高さ：４０ｍｍの寸法を有する円柱状切削試験用焼結合金ブロックを作製した。
【００１９】
従来例１
Ａｌ粉末、ＭｎＳ粉末、Ｆｅ粉末、Ｃ粉末および黒鉛粉末を表４〜５に示される配合組成となるように配合し、さらに金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末を外掛けで０．８質量％に当たる量だけ添加してダブルコーンミキサーで混合し、プレス成形して圧粉体を作製した。この圧粉体を天然ガス：１０容量％、残部：空気の混合雰囲気中、温度：７００℃、３０分保持の条件で加熱することにより仮焼し、さらにＮ２−５％Ｈ２　の混合雰囲気中、温度：１１２０℃、２０分保持の条件で焼結したのち、０．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、表４〜５に示される成分組成を有し従来焼結合金１〜１４からなる縦：２４ｍｍ、横：８ｍｍ、高さ：４ｍｍの寸法を有する抗折試験片および直径：８０ｍｍ×高さ：４０ｍｍの寸法を有する切削試験用ブロックを作製した。
【００２０】
得られた本発明焼結合金１〜１４および従来焼結合金１〜１４からなる抗折試験片をＩＳＯ３３２５に基づき、支点間距離２０ｍｍで抗折試験を行うことにより抗折力を測定し、さらに切削試験用ブロックを超硬合金製スローアウエイチップを用いて切削速度：１２０ｍ／分、切込み：：０．５ｍｍ、送り速度：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．の条件で旋削し、フランク摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削距離を測定し、その結果を表２〜表５に示すことにより切削性を評価した。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
【表３】
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【００２３】
【表４】
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【００２４】
【表５】
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【００２５】
表２〜表５に示される結果から、表２〜表３に示される本発明焼結合金１〜１４と表４〜表５に示される従来焼結合金１〜１４を比較すると、本発明焼結合金１と従来焼結合金１、本発明焼結合金２と従来焼結合金２…本発明焼結合金１４と従来焼結合金１４とはそれぞれ成分組成がほぼ同じであるが、部分組織（Ｆｅ−Ａｌ合金結晶粒およびこのＦｅ−Ａｌ合金結晶粒から粒界に沿って成長している酸化物粒界相を有する組織）を有する本発明焼結合金１〜１４は、ＭｎＳが分散している従来焼結合金１〜１４に比べて、抗折力はほぼ同じであるにもかかわらず、フランク摩耗が０．２ｍｍになるまでの切削距離が格段に長いことから、本発明焼結合金１〜１４は従来焼結合金１〜１４に比べて切削性が格段に優れていることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
上述のように、この発明によると、ＭｎＳ、ＭｎＯなどの切削性改善成分を添加しなくても切削性が格段に優れているの鉄基焼結合金を提供することができるところから、低コストで精密な寸法を必要とする各種機械部品の材料として適しており、機械産業の発展に大いに貢献し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＦｅ基焼結合金の組織を示す顕微鏡組織写生図である。
【図２】従来のＦｅ基焼結合金の組織を示す顕微鏡組織写生図である。
【符号の説明】
１　Ｆｅ−Ａｌ合金結晶粒
２　酸化物粒界相
３　Ａｌを含むＣｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒
４　Ｃｕ含有Ｆｅ基合金結晶粒
５　黒鉛
６　粒界相
【図１】
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【図２】
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