(57)【要約】【課題】焼結体の寸法変化の低減が可能な鉄基粉末冶金用混合粉を提案する。【解決手段】鉄粉、銅粉、黒鉛粉および潤滑材を含む混合粉に対し、鉄粉、銅粉、および黒鉛粉の合計量に対する外添加で0.05〜１質量％の炭酸塩を含有させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄粉、銅粉、黒鉛粉および潤滑材を含み、鉄粉、銅粉、および黒鉛粉の合計量１００質量％に対して0.05〜１質量％の炭酸塩を含有する鉄基粉末冶金用混合粉。
【請求項２】
前記鉄粉が還元鉄粉またはアトマイズ鉄粉である請求項１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【請求項３】
前記炭酸塩が炭酸カルシウムである請求項１または２に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【請求項４】
前記鉄粉、銅粉、および黒鉛粉の合計量１００質量％に対して、0.05〜１質量％の硼砂および／または硼酸を添加した請求項１〜３のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【請求項５】
前記炭酸塩の比表面積が0.5m2/g以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉を原料とする鉄基焼結合金。
【請求項７】
前記鉄基粉末冶金用混合粉中の炭酸塩含有量（CBｐ）と前記鉄基焼結合金中の炭酸塩含有量（CBｓ）との比率（CBｓ/ CBｐ）×100が２％以下である請求項６に記載の鉄基焼結合金。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉を、圧縮成形により成形体とし、室温から400〜700℃まで、１分当たり100℃以下の平均昇温速度で加熱し、昇温も含め15分以上加熱保持して潤滑材成分を除去した後、焼結温度まで昇温する鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項９】
請求項６または７に記載の鉄基焼結合金を用いる焼結機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末冶金技術に供して好適な鉄基粉末冶金用混合粉、鉄基焼結合金および焼結機械部品、並びに鉄基焼結合金の製造方法に関するものであって、特に、かかる鉄基粉末冶金用混合粉を用いた圧粉体を焼結した際の鉄基焼結合金の寸法変化の変動の低減を図ろうとするものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金法によって製造される焼結機械部品は、少ない仕上げ加工量で最終部品形状が得られるため、特に、複雑形状の部品において、高生産性を実現できることを最大のメリットとしている。従って、その製造工程における寸法変化の制御が重要である。
【０００３】
粉末冶金法において、鉄、銅、カーボン系の焼結合金は、輸送機械などの機械部品として最も広く用いられている成分系であって、鉄、銅、黒鉛の粉末を混合したのち、粉末成形に必要な潤滑材粉末を添加し、さらに、成形、焼結することで得ることができる。
【０００４】
ここで、鉄、銅、カーボン系焼結合金の焼結工程では、黒鉛粉から鉄粉へのカーボン拡散、銅粉の溶融と鉄生地への拡散、そして鉄の相変態と焼結の進行とが相次いで起こるため、図１に示すように、それぞれの工程で極めて複雑な寸法変化挙動を示す。なお、図中、ΔＡは、最終的な寸法変化量を示す。
【０００５】
この複雑な寸法変化挙動に対し、特許文献１では、銅粉中のPb含有量を0.05wt％以下とすることで、焼結中の寸法変化率を制御できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６９４９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近年の材料費の高騰、また、焼結機械部品の寸法精度向上に対する要求の増大、切削屑の処理にかかる環境問題等を考慮すると、特許文献１に記載された技術であっても、未だ十分な寸法変化制御をしているとは言いがたい。
【０００８】
本発明は、上記した現状に鑑み開発されたもので、上記した従来技術の問題点を克服し、焼結体としたときの寸法変化の低減が可能な鉄基粉末冶金用混合粉、および鉄基焼結合金、並びに焼結機械部品の製造方法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、発明者は、上記の目的を達成するために、鉄基粉末冶金用混合粉の原料となる鉄基粉末の合金成分およびその添加手段について種々検討を重ね、以下に述べる知見を得た。
【００１０】
すなわち、鉄、銅、カーボン系焼結合金を用いる焼結機械部品の製造においては、その焼結工程で、銅の融点に至るまでの昇温時のカーボンの拡散（浸炭）が、寸法精度に影響することは知られていた。しかしながら、このカーボンの拡散は、鉄粉、銅粉、黒鉛粉等の粉末特性や、粉末成形、焼結などの条件等、種々の要因によって変動するために、最終的な焼結体の寸法変化を正確に把握することは困難であった。
【００１１】
そこで、発明者は、鉄、銅、カーボン系焼結合金の焼結過程における寸法の変動要因について、再度検討したところ、銅粉の溶融時に発生する銅膨張現象が、焼結過程における寸法の変動に対し、最も大きな影響を及ぼす因子であることを突き止めた。
そして、この銅膨張現象に対してさらに詳細に検討したところ、焼結工程における銅の融点まで昇温するに先立って、原料鉄粉中に十分な量のカーボンを拡散させておくことで、焼結体の膨張を抑制できることを知得した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉄粉、銅粉、黒鉛粉および潤滑材を含み、鉄粉、銅粉、および黒鉛粉の合計量１００質量％に対して0.05〜１質量％の炭酸塩を含有する鉄基粉末冶金用混合粉。
【００１３】
２．前記鉄粉が還元鉄粉またはアトマイズ鉄粉である前記１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【００１４】
３．前記炭酸塩が炭酸カルシウムである前記１または２に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【００１５】
４．前記鉄粉、銅粉、および黒鉛粉の合計量１００質量％に対して、0.05〜１質量％の硼砂および／または硼酸を添加した前記１〜３のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【００１６】
５．前記炭酸塩の比表面積が0.5m2/g以上である、前記１〜４のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
【００１７】
６．前記１〜５のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉を原料とする鉄基焼結合金。
【００１８】
７．前記鉄基粉末冶金用混合粉中の炭酸塩含有量（CBｐ）と前記鉄基焼結合金中の炭酸塩含有量（CBｓ）との比率（CBｓ/CBｐ）×100が２％以下である前記６に記載の鉄基焼結合金。
【００１９】
８．前記１〜５のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉を、圧縮成形により成形体とし、室温から400〜700℃まで、１分当たり100℃以下の平均昇温速度で加熱し、昇温も含め15分以上加熱保持して潤滑材成分を除去（脱脂）した後、焼結温度まで昇温する鉄基焼結合金の製造方法。
【００２０】
９．前記６または７に記載の鉄基焼結合金を用いる焼結機械部品。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、焼結時の寸法精度の悪化が効果的に抑制されるので、焼結機械部品の製造において、仕上げ加工の加工量をより少なくすることができ、もって粉末冶金法のメリットを最大限拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系焼結合金焼結時の熱膨張曲線を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、鉄粉、銅粉、黒鉛粉および潤滑材を含む混合粉に対し、炭酸塩を含有することを特徴としている。
【００２４】
具体的には、鉄粉と銅粉と黒鉛粉との合計量：100質量％に対して、0.05〜１質量％の炭酸塩を含有させることを特徴としている。
すなわち、本発明では、炭酸塩を、上記所定の範囲で含有することにより、混合粉成形体を焼結した際の寸法変化を効果的に小さくすることができる。なお、上記含有量の好適範囲は、0.1〜0.3質量％である。
また、炭酸塩の種類は、以下に説明する二酸化炭素の熱解離が生じるものであれば特に限定されないが、入手のしやすさ等から炭酸カルシウムや、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウムなどが好ましい。
【００２５】
ここで、上記の寸法変化を効果的に小さくできる効果について、発明者は、以下のように考えている。
以下の式（１）〜（３）に示されるように、本発明では、炭酸カルシウムの熱分解により生じる二酸化炭素（ＣＯ２）が、黒鉛粉からの浸炭性ガス（一酸化炭素：ＣＯ）の生成を助けるため、鉄粉へのカーボン（Ｃ＊）の拡散が促進される。そして、鉄粉へのカーボンの拡散が促進されることで、銅融点に到達する時点の鉄中のカーボン濃度が安定する。その結果、銅膨張が抑制され、寸法精度の悪化を防止することができるのである。
ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２    ・・・（１）    
Ｃ（黒鉛）＋ＣＯ２→２ＣＯ    ・・・（２）
２ＣＯ→ＣＯ２＋Ｃ＊          ・・・（３）
【００２６】
また、炭酸カルシウムなどの炭酸塩には、さまざまな粒子径のものが市販されているが、前記式（２）の反応によって黒鉛からの浸炭ガス生成を十分に促進するためには、炭酸塩の反応界面の大きさを表す指標である比表面積が0.5m2/g以上であることが好ましい。炭酸塩の比表面積が0.5m2/g以上であれば、一般的な焼結プロセスの処理時間内に十分な前記式（１）〜（３）の反応が起こり、浸炭を促進する作用が得られ易いからである。
なお、本発明における炭酸塩の比表面積の上限に制限はないが、混合粉の流動性が悪化するため、10m2/g程度以下とするのが好ましい。
【００２７】
混合粉における銅粉の配合量は、0.1〜５質量％とすることが好ましい。
混合粉へ配合された銅粉は、焼結時に液相となり、鉄粉へ拡散し、焼結部品の強度を増加させ焼結収縮を防止する効果を有する。混合粉における銅粉の配合量が、0.1質量％未満では、その効果が認められない一方で、５質量％を超えると焼結中の寸法変化が大きくなって、所望の寸法精度が得られない。このため、混合粉１００質量％中、銅粉の配合量は、0.1〜５質量％の範囲とするのが好ましい。
【００２８】
混合粉における黒鉛粉の配合量は、２質量％以下とすることが好ましい。
黒鉛粉は、焼結中に鉄粉へ容易に拡散し、合金化して、焼結体の強度を上昇することができるため、必要に応じ配合するが、２質量％を超える黒鉛粉の添加は、焼結体の寸法精度が劣化するため、２質量％以下とする。なお、黒鉛粉は、鱗片状の天然黒鉛粉が好適である。また、配合量の下限は、0.1質量％程度が好ましい。このため、混合粉１００質量％中、黒鉛粉の配合量は、0.1〜２質量％の範囲とするのが好ましい。
【００２９】
本発明で使用する鉄粉（鉄系粉）は、還元鉄粉、アトマイズ鉄粉、電解鉄粉等いずれも好適に適用でき、とくに限定する必要はないが、表面に不純物が少ない還元鉄粉や、製造の容易なアトマイズ鉄粉が好適である。
【００３０】
その他、混合粉には、潤滑材を添加する。潤滑材としては、粉末冶金に常用されるものであれば特に限定されないが、ステアリン酸亜鉛、ワックスなどが好適である。なお、添加量に関しても特に限定はされず、常法に従う。
【００３１】
本発明では、上記混合粉に対し、所定の炭酸塩を添加することで、鉄基粉末冶金用混合粉を得ることができる。そして、この鉄基粉末冶金用混合粉を、成形、焼結等の工程を経るといった、鉄基焼結合金を得るための常法に従うことで、仕上げ加工の加工量が少なく、かつ焼結体の強度と靭性が共に向上した鉄基焼結合金を得ることができる。
なお、上記した組成の鉄基粉末冶金用混合粉は、圧縮成形により、所定の寸法の成形体とされ、非酸化性雰囲気で焼結するのが、焼結体の寸法制御に関してより有利である。
【００３２】
また、本発明では、さらに、硼砂および／または硼酸を添加した鉄基粉末冶金用混合粉を用いて、これを成形し、焼結を行う際に、鉄粉表面の酸化層を溶融する、いわゆるフラックス効果を誘発することによって、浸炭反応の妨げとなる鉄粉表面の炭素拡散バリアを除去することができる。
この際、硼砂および／または硼酸の添加量が過大であると、焼結合金の組織に黒鉛を析出させ、強度を低下させる。そこで、硼砂および／または硼酸を添加する場合は、粉末冶金用混合粉に対し、鉄粉、銅粉、および黒鉛粉の合計量１００質量％に対する外添加で0.05〜１質量％の範囲で添加することが好ましい。
【００３３】
さらに、本発明に従う鉄基焼結合金を得るための焼結条件は、室温から400〜700℃まで、１分当たり100℃以下の平均昇温速度で加熱し、潤滑材がほぼ完全に溶融、蒸発して除去されるまで、昇温も含め15分以上加熱保持したのち、焼結温度まで昇温する。なお、上記焼結温度は、1000〜1250℃程度の範囲が好ましい。
【００３４】
上記条件で焼結を行った場合、潤滑材成分がほぼ完全に除去（脱脂）されて、鉄粉表面が潤滑材成分に覆われていない状態が得られるので、その後の昇温中にフラックス成分の溶融による鉄粉表面の酸化物等の浸炭阻害物質の除去や、炭酸塩の分解による二酸化炭素の生成により活発化される黒鉛粉から鉄粉への浸炭などが円滑に行われるため、有利である。
【００３５】
また、特に、前記鉄基粉末冶金用混合粉中の炭酸塩含有量をCBｐとし、前記鉄基焼結合金中の炭酸塩含有量をCBｓとした時、比率：（CBｓ/CBｐ）×100が２％以下となるように、焼結炉内のCO2濃度を下げた焼結条件に調整することで、より仕上げ加工の加工量が少なく、かつ焼結体の強度と靭性が共に向上した鉄基焼結合金を得ることができる。好ましくは、比率：（CBｓ/CBｐ）×100が１％以下である。一方、製造コストに問題なければ、（CBｓ/CBｐ）×100の下限は０％であってもよい。
【００３６】
さらに、本発明では、前記鉄基焼結合金を用いる焼結機械部品の製造方法であって、焼結機械部品の製造工程中、焼結工程までは、前記した鉄基焼結合金の製造条件に従うことで、仕上げ加工の加工量がより少ない焼結機械部品を製造することができる。なお、本発明で限定される製造条件以外の製造条件は、焼結機械部品を製造するための公知公用の製造条件に従えば良い。
【実施例】
【００３７】
アトマイズ鉄粉（JFEスチール(株)製、JIP−301A）：97.2質量％、電解銅粉：2.0質量％、天然黒鉛粉：0．8質量％に、潤滑材としてステアリン酸亜鉛：0.8質量％を外添加した鉄基粉末冶金用混合粉に、炭酸カルシウムなどを外添加（発明例）した。また、更に加えて硼砂を外添加した。
本実施例における適用設備／適用工程／適用作業、および、操業条件／加工条件は、以下のとおりである。
原料粉末を、Ｖミキサにて30分間均一に混合し、万能試験機（（株）島津製作所製、2000ｋＮオートグラフ）を用いて、35mm外径×14mm内径の金型に粉末を充填し、成形圧力：490MPaで高さ10mmとなるように圧粉成形したのち、ベルト幅６インチのメッシュベルト炉で1130℃のRXガス雰囲気中で焼結してサンプルを得た。各サンプルについて、外径寸法の金型に対する変化率（焼結後の外形寸法変化率）と、JIS Z 2507-2000に従って圧環強さを測定した。尚、それぞれ100個のサンプルについて、焼結後の外径寸法変化率を求め、標準偏差を算出した。
なお、上記焼結条件は、室温から400〜700℃の範囲まで、１分当たり100℃以下の平均昇温速度で加熱し、潤滑材がほぼ完全に溶融、蒸発して除去されるまで、昇温も含め15分以上加熱保持したのち、最終的に1130℃の焼結温度まで昇温した。ただし、比較例３については、室温から400〜700℃の範囲まで、昇温も含め10分間加熱保持したのち、最終的に1130℃の焼結温度まで昇温した。
ここで、本実施例では、比較例１の圧環強さ：684MPaに対し、圧環強さが９％以上低下（圧環強さ：622MPa以下）した場合、圧環強さ不足により不合格とした。
他方、焼結後の外形寸法変化率の標準偏差が0.015以下であれば、焼結体の外形寸法変化率のばらつきが小さく、合格とした。
【００３８】
【表１】
2016035105.tif 000002
【００３９】
【表２】
2016035105.tif 000003
【００４０】
表１に示したように、本発明によれば、焼結体の外形寸法変化率のばらつきを有効に低減できると共に、焼結体圧環強さは、炭酸塩を添加しない場合と比較して、それ以上か、９％未満の低下に抑えられる。一方、炭酸塩を添加しないと、焼結体の外形寸法変化率のばらつきが有効に低減できない。また、炭酸塩の含有量が本発明の範囲を超えると、炭酸塩を添加しない場合と比較して９％以上の焼結体圧環強さの低下が起こる。
【００４１】
また、表２に示したように、本発明によれば、鉄基粉末冶金用混合粉中の炭酸塩含有量（CBｐ）と前記鉄基焼結合金中の炭酸塩含有量（CBｓ）との比率（CBｓ/ CBｐ）×100を２％以下にすると、さらに焼結体の外形寸法変化率のばらつきを有効に低減することができる。
【図１】
2016035105.tif 000004