CN100463746C - 铁系烧结构件及其制造方法、和烧结机械部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供不仅以高标准实现强度和切削性、而且仅对各个必要位置赋予这些特性的铁系烧结构件的制造方法。其在铁系烧结构件用粉末的粉末成形体或加热该粉末成形体而得到的烧结体的表面的至少一部分上，放置将金属粉末成形而得到的熔浸材料，在碳的扩散温度以上的温度且熔浸材料的熔点以上的温度下烧结放置有上述熔浸材料的上述粉末成形体或烧结体，此时，上述铁系烧结构件用粉末，是相对于从烧结后呈现珠光体组织的铁系烧结材料用的粉末混合物中除去了石墨粉末的铁系粉末混合物，以混合比计，添加0.01～1.0质量%的氧化硼、和0.1～2.0质量%的石墨粉末的粉末，上述金属粉末为铜粉末或铜合金粉末。
Description
技术领域
本发明涉及铁系烧结构件的制造方法及利用其得到的铁系烧结构件、和烧结机械部件，特别是涉及在一个烧结构件中可以分别以高标准设定强度优良的位置和切削性优良的位置的铁系烧结构件的制造技术。
背景技术
利用粉末冶金法制造的铁系烧结构件制造成本低廉、强度和耐磨耗性等机械特性优良，因此被利用于各种领域.这种铁系烧结构件在用于机械部件等中时，烧结后有时需要机械加工，这时需要特别良好的切削性。
因此，考虑到这点，为了提高铁系烧结构件的切削性，提出了种种技术。即，日本特许第3325173号公报公开了在利用粉末冶金法制成的含碳的铁系材料的成形体、预烧结体和烧结体的表面涂布和在气孔中含浸含硼的溶液，之后烧结和再烧结的铁系烧结材料的改性方法。另外，日本特许第3410326号公报公开了一种铁系烧结合金的制造方法，该方法具备：在碳的扩散温度以下的温度下加热含碳的铁系烧结合金用粉末的粉末成形体或该粉末成形体而得到的预烧结体的表面上，涂布含硼化合物的糊状顶涂剂的工序；和在碳的扩散温度以上的温度下烧结涂布有上述顶涂剂的上述粉末成形体或预烧结体的工序.
日本特许第3413628号公报还公开了一种用于得到铁系烧结材料的铁系粉末混合物，所述铁系烧结材料是相对于从烧结后呈现珠光体组织的铁系烧结材料用的粉末混合物中除去了石墨粉末的铁系粉末混合物，添加配合比为0.01～1.0质量％的氧化硼、和0.1～2.0质量％的石墨粉末，而且呈现烧结后在由铁素体和珠光体构成的基体组织中分散了石墨的组织。此外，日本特开2000-144350号公报还公开了一种在基体中分散有游离石墨的易切削性铁系烧结合金，其基体硬度为150～250HV，且全体组成以质量比计，为P：0.1～1.0％、B：0.003～0.31％、O：0.007～0.69％、C：0.1～2.0％，余量为Fe和不可避免的杂质。
但是，上述日本特许第3325173号公报和日本特许第3410326号公报记载的技术，是利用被涂布等在规定位置上的硼化合物抑制烧结粉末成形体等时的碳的扩散，抑制基体中珠光体的生成，生成切削性良好的由铁素体和珠光体构成的组织。这种技术虽然可以提高必要位置的切削性，但是需要在预烧结前或烧结前在成形体等上涂布硼化合物的工序、和涂布糊状顶涂剂的工序。为此，需要在烧结前花费精力，同时需要顶涂剂的涂布工序中使用的设备，制造经济上有问题。
另外，上述日本特许第3413628号公报和日本特开2000-144350号公报记载的技术，通过使原料粉末的组成最佳化，利用氧化硼抑制碳向基体的扩散，得到切削性良好的由铁素体和珠光体构成的组织。这种技术仅通过选定材料粉末即可简便地提高烧结构件的切削性，但烧结构件的不需要切削性的位置的强度降低.为此，在实际应用于机械部件时，无法分别赋予强度和切削性，尚有改良的余地。
近年来，特别是随着汽车部件等的高性能化，不仅要求以高标准实现强度和切削性，还要求在一个烧结部件内仅对各个必要位置赋予这些特性.例如，要求在具备用于被螺栓紧固箍紧的螺栓孔的烧结机械部件中，通过将与螺栓支撑面接触的部分的强度变得较高，可充分耐受上述接触部分上产生的应力，而且通过将其他部分的切削性变得较高，可高效地实施机械加工。
本发明是鉴于以上现状而成的，其目的在于提供铁系烧结构件的制造方法及利用其得到的铁系烧结构件、和烧结机械部件，所述铁系烧结构件不仅可以高标准实现强度和切削性，还可仅对各个必要位置赋予这些特性.
发明内容
本发明人鉴于上述需求，对于可高标准地仅赋予各个必要位置强度和切削性的铁系烧结构件的制造技术进行了锐意探讨.在以往技术中，如上所述，在制造铁系烧结构件时，作为原料粉末，准备铁粉末和碳粉末的同时，加入溶液状态或粉末状态的硼化合物，进行烧结，由此，不含氧化硼时作为由铁素体和珠光体构成的组织，赋予了作为珠光体组织的粉末优良的切削性。
该铁素体组织生成的机制如下。即，硼化合物(氧化硼)的熔点约为500℃，烧结时达到上述温度则液化了的硼化合物在碳周围形成被膜，阻断碳向基体的扩散。结果，与铁素体组织相比，较多地形成了珠光体组织。
因此，对于保持这种氧化硼引起的铁素体生成所导致的提高切削性效果的同时、仅提高必要位置的强度的方法，本发明人进行了探讨。一般作为提高铁系烧结构件的强度的方法，已知对烧结体实施铜熔浸。铜熔浸是利用毛细管力将铜填充至烧结体的气孔中而提高烧结体的密度、和通过铜向基体的扩散而提高淬透性，由此提高熔浸后的烧结体的强度的方法。发明人实际上是在由含有铁、碳和氧化硼的混合粉末构成的成形体和其烧结体中熔浸了铜或铜合金。结果，发现不仅上述烧结体密度提高和淬透性提高导致强度提高，而且由于下述现象在熔浸后烧结体的强度提高。
即，在含有铁、碳和氧化硼的混合粉末的成形体上放置将铜粉末或铜合金粉末成形得到的熔浸材料，进行烧结(熔浸)时，烧结温度若达到约500℃将在碳周围形成液状的氧化硼被膜。但是，烧结温度进一步上升，达到铜或铜合金的熔点(例如，以单质粉(味粉)使用铜时，约为1083℃)时，熔融的铜或铜合金浸入气孔中，攻击包围着碳的硼化合物的被膜，将其破坏。另外，即使在铜或铜合金的熔点附近也发生碳向铁基体的扩散，因此一旦碳从硼化合物的被膜中被释放，可自由地在基体中扩散。为此，在熔浸了铜的位置上，碳充分向基体扩散，结果基体以珠光体组织为主，强度提高。与此相对，在熔浸了铜的位置以外，形成了由铁素体和珠光体组织构成的基体，维持了良好的切削性.
本发明的第1铁系烧结构件的制造方法是基于上述见解完成的，其特征在于，在铁系烧结构件用粉末的粉末成形体或该粉末成形体的烧结体的表面的至少一部分上，放置将金属粉末成形而得到的熔浸材料，在碳的扩散温度以上的温度且熔浸材料的熔点以上的温度下烧结放置有上述熔浸材料的上述粉末成形体或烧结体，上述铁系烧结构件用粉末，是相对于从烧结后呈现珠光体组织的铁系烧结材料用的粉末混合物中除去了石墨粉末的铁系粉末混合物，以配合比计，添加0.01～1.0质量％的氧化硼、和0.1～2.0质量％的石墨粉末的粉末，上述金属粉末为铜粉末或铜合金粉末，上述铁系烧结构件的组织为下述组织，即，熔浸的部分为珠光体组织，此外的部分为由铁素体和珠光体构成的组织。
另外，本发明人利用与上述第1铁系烧结构件的制造方法同样的见解，对于在铁系烧结材料中熔浸铜或铜合金的其他方法进行了探讨。结果，得出如下见解：通过使铁系混合粉末中含有规定量的磷，可高效地实现铁素体的强化，可进一步提高切削性。即，如果磷含量不足，则缺乏铁素体的强化作用，无法充分获得基体的硬度。与此相对，其含量过多，则烧结中Fe-P液相的产生量增多，烧结中易发生成形体的砂型倒塌(型くずれ)。
本发明的第2铁系烧结构件的制造方法是基于上述见解完成的，其特征在于，在铁系烧结构件用粉末的粉末成形体或加热该粉末成形体而得到的烧结体的表面的至少一部分上，放置将金属粉末成形而得到的熔浸材料，在碳的扩散温度以上的温度且熔浸材料的熔点以上的温度下烧结放置有上述熔浸材料的上述粉末成形体或烧结体，上述铁系烧结构件用粉末，是以质量比计由P：0.1～1.0％、B：0.003～0.31％、O：0.007～0.69％、C：0.1～2.0％，余量为Fe和不可避免的杂质构成的粉末，上述金属粉末为铜粉末或铜合金粉末，上述铁系烧结构件的组织为下述组织，即，熔浸的部分为珠光体组织，此外的部分为由铁素体和珠光体构成的组织。
第3铁系烧结构件的制造方法的特征在于，在上述第2制造方法中，进一步含有1.0～5.0质量％的Cu。通过如此含有Cu，可实现维持切削性的同时提高强度。虽然Cu也在基体中扩散而强化，但Cu含量不足1.0质量％，则缺乏其效果。另一方面，Cu含量超过5质量％，则生成软质的Cu相强度降低，同时烧结时产生的Cu液相导致尺寸收缩，和由于液相收缩出现易于向Fe基体扩散的Cu引起的Cu膨胀现象而引起在制品的各部分发生微小的收缩和膨胀，结果制品整体的尺寸变化的偏差增大、尺寸精度变差。
上面为本发明的铁系烧结构件的制造方法，但本发明还涉及利用这些制造方法得到的铁系烧结构件。另外，本发明的上述制造方法特别可应用于烧结机械部件的制造，例如，在具备用于被螺栓紧固箍紧的螺栓孔的烧结机械部件中，通过对与螺栓的接触部分实施上述熔浸，可使其硬度为200～600HV，可充分确保强度，不对此外的部分实施熔浸，可使其硬度为100～190HV，可充分确保切削性。
利用本发明的铁系烧结构件的制造技术，制造铁系烧结构件时，在最佳化铁系烧结构件用粉末的组成的同时，仅将由铜或铜合金构成的熔浸材料应用于必要位置，由此可得到不仅高标准地实现强度和切削性、还仅在各个必要位置上赋予了这些特性的烧结构件。
附图说明
图1为表示用作汽车部件的轴承盖的主视图.
图2为表示图1所示的轴承盖的使用形态的主视图。
图3为表示图2所示的轴承盖的制造方法的工序图。
图4为烧结后的轴承盖的组织照片，图中(a)表示熔浸部分，(b)表示非熔浸部分。
符号说明
10 轴承盖
10a 凹部
10b 与螺栓支撑面接触的部分
11 气缸体
11a 凹部
12 轴承
12a 上侧轴承
12b 下侧轴承
13 曲轴
14a、14b 螺栓
具体实施方式
图1为表示汽车部件等中使用的轴承盖10的主视图。该轴承盖10在使用时，如图2所示，为了在汽车引擎的气缸体11的侧壁上通过轴承12安装曲轴而使用，在使与上侧轴承12a和下车轴承12b的接触面位置吻合后，从上侧轴承12a的上方安装，被螺栓14a、14b箍紧固定于气缸体11上.另外，如图1所示的轴承盖10的凹部10a通常与由铝合金构成的气缸体11的凹部11a一体地被表面装饰加工。
考虑到这种轴承盖10的加工形态(表面装饰加工)和使用形态(螺栓紧固)，要求赋予上述凹部10a优良的切削性的同时，还要求与螺栓支撑面接触的部分10b具有优良的强度.考虑到这些要求特性，下面以轴承盖为例说明本发明的铁系烧结构件的制造技术涉及的优选实施方式。
图3为表示图2所示的轴承盖的制造方法的工序图。在该图中，首先利用铁系烧结构件用粉末制备粉末成形体，同时用铜粉末或铜合金粉末成形熔浸材料。如上所述，本发明的目的在于最终分别赋予烧结体的必要位置强度和切削性。强度可通过在后述烧结(熔浸)工序中在粉末成形体中熔浸铜或铜合金来赋予。为此，作为赋予强度的前提，根据其材料选择事先赋予不进行熔浸的烧结体部分切削性是关键。
出于这种观点，制造铁系烧结构件时，上述铁系烧结构件用粉末为：
(1)相对于从烧结后呈现珠光体组织的铁系烧结材料用的石墨粉末中除去了石墨粉末的铁系粉末混合物，以混合比计，添加0.01～1.0质量％的氧化硼、和0.1～2.0质量％的石墨粉末的粉末(下面有时简称为“混合粉末1”)；或
(2)以质量比计，由P：0.1～1.0％、B：0.003～0.31％、O：0.007～0.69％、C：0.1～2.0％，余量为Fe和不可避免的杂质构成的粉末(下面有时简称为“混合粉末2”)。
下面叙述混合粉末1、2的各成分的限定理由。
(混合粉末1的各成分的限定理由)
为了赋予烧结体优良的切削性，使烧结后的基体组织为由铁素体和珠光体而非珠光体构成的组织、作为固体润滑剂使游离石墨分散是重要的。为此，必需限定铁系烧结材料用粉末的碳量。在烧结体中，为了使基体为铁素体主体的组织的同时得到游离石墨，以往采用在不足碳的扩散温度下进行烧结、不使碳扩散在基体中的方法，但是由于烧结温度低，基体铁粉之间形成的颈(ネツク)的生长不充分，烧结体强度显著降低，这是个问题。
为此，发明人对于防止烧结体的低强度化、且实现游离石墨的分散的方法进行了探讨。结果，确认了通过含有0.01～1.0质量％的氧化硼、0.1～2.0质量％的石墨粉末，即使烧结温度为碳的扩散温度以上的温度下时，通过利用氧化硼抑制碳向基体的扩散可使烧结体的基体组织为由铁素体和珠光体构成的组织、获得优良的切削性，而且可使铁粉末之间形成的颈充分成长、获得规定的强度。
在此，对于氧化硼含量的限定理由进行叙述。如上所述，氧化硼含量若不足0.01质量％，则即使氧化硼在500℃附近液化，但由于其量不够，无法彻底包围石墨周围，缺乏抑制石墨向基体的扩散效果，基体组织称为珠光体主体的组织。而含量即使超过1.0质量％，则不仅无法获得更好的碳扩散抑制效果，而且由于氧化硼大量残留于基体中，烧结体强度降低。因此，将氧化硼的含量设为0.01～1.0质量％。
另外，对于石墨粉末含量的限定理由进行叙述。如上所述，相应于氧化硼的含量含有石墨粉末。其含量若不足0.1质量％，则在基体中扩散的碳量过少，不仅无法获得期望的强度，而且未扩散的游离石墨的量少，无法获得切削性改善效果。另一方面，如果石墨粉末的添加量超过2.0质量％，则无法充分抑制碳向基体的扩散，基体组织为珠光体。因此，将石墨的含量设为0.1～2.0质量％。
(混合粉末2的各成分的限定理由)
如果P：P的含量不足0.1质量％，则缺乏铁素体的强化作用，结果无法显著提高基体的硬度。另一方面，如果P含量超过1.0质量％，则烧结中Fe-P液相的产生量增多，易发生烧结中的压粉体的砂型倒塌。因此，将P的含量设为0.1～1.0质量％。虽然可以以单质粉的方式添加P，但由于毒性强，优选以Fe-P合金粉的方式添加。
B、O：通过以氧化硼的方式添加来含有B和O。B：0.003～0.31质量％、O：0.007～0.69质量％作为B2O3为0.01～1.0质量％，如果低于各自的下限，则烧结时无法抑制碳向基体的扩散。另一方面，如果超过各自的上限，不仅无法期待更好的碳扩散抑制效果，而且氧化硼大量残留在基体中，使烧结体的强度降低。因此，将B的添加量设为0.003～0.31质量％、O的添加量设为0.007～0.69质量％。
以石墨粉末的方式添加C：C，但其含量如果不足0.1质量％，则在基体中扩散的碳量过少，不仅无法获得所期望的强度，而且未扩散的游离石墨量少，无法获得切削性的改善效果。另一方面，如果石墨粉末的添加量超过2.0质量％，则无法充分抑制C向基体的扩散，基体组织为珠光体.因此，将C的含量设为0.1～2.0质量％。
使用上述铁系烧结构件用粉末(混合粉末1或混合粉末2)，制备图3所示的轴承盖形状的粉末成形体的同时，如该图所示，准备将铜粉末或铜合金粉末成形得到的熔浸材料。在此，作为铜合金例如可使用由铜和钴构成的合金。
然后，为了使熔浸材料浸入在与螺栓箍紧时与螺栓支撑面接触的部分，如图3所示在粉末成形体上放置熔浸材料，在此状态下进行烧结(熔浸)。应说明的是，熔浸材料的放置状态并不限于图3所示的形态，通过适当改变粉末成形体在炉内的姿态，也可在需要熔浸粉末成形体的位置附近的任何表面放置熔浸材料。
进而，在碳向基体的扩散温度以上的温度(约850～900℃)以上、且熔浸材料的熔点以上的温度(例如，作为熔浸材料以单质使用铜时，为1083℃以上)下进行烧结。应说明的是，为了实现铜向铁基体的扩散导致的强度提高、和铁粉末之间形成的颈的充分生长导致的强度提高，且防止氧化硼的挥发，优选使烧结温度设在1050～1150℃的范围内。另外，将烧结环境设为还原性气体环境。
在这种烧结工序中，首先烧结温度如果达到约500℃，则铁系烧结构件用粉末中所含的氧化硼液化，氧化硼包围碳周围，形成被膜，阻断碳向基体的扩散.然后，烧结温度如果达到熔浸材料的熔点，则熔融的铜等浸入气孔中，攻击包围着碳的氧化硼的被膜，破坏该被膜.由此，如果碳从氧化硼的被膜中被释放，则可自由地在基体中扩散，在熔浸了铜等的位置上，碳充分向基体扩散，结果基体成为珠光体组织，烧结体的强度部分提高.
另外，在熔浸了铜或铜合金的位置上，由于毛细管力，铜等侵入至气孔中，气孔的填充导致了烧结体密度的提高，由此也将提高强度。而且，浸入至气孔中的铜等进一步向基体中扩散，提高淬透性，由此也将提高强度。
由此，结果可得到一种轴承盖，其气缸体和经表面加工的凹部具备良好的切削性，同时使用时与施加了相当应力的螺栓支撑面接触的部分具备良好的强度.应说明的是，图3所示的例子中，在熔浸前设置有螺栓孔，但本发明并不限于这种形态，也可通过机械加工在熔浸后设置螺栓孔。
上面为本发明能够优选的实施方式的一个例子。在上述例子中，在由铁系烧结部件用粉末构成的粉末成形体上放置熔浸材料并进行了烧结，但优选在该放置前事先在400～950℃的温度下预烧结粉末成形体。利用该假烧结事先除去铁系烧结构件用粉末中的成形润滑剂，由此可提高熔浸性。
另外，在铁系烧结构件用粉末(混合粉末1或混合粉末2)中，也可进一步含有氮化硼。此时，通过将铁系烧结构件用粉末中的氮化硼的含量限定于0.06～2.25质量％，不降低基体的强度就可发挥断屑(チツプブレ—キング)效果和固体润滑效果，可进一步提高切削性。即，氮化硼的含量不足0.06质量％时，缺乏上述效果，超过2.25质量％时，基体的强度下降。应说明的是，作为氮化硼的添加形态，如日本特许第3413628号公报和日本特开2000-144350号公报记载的，优选添加含有10～40质量％的氧化硼的比较廉价的粉末(氧化硼和氮化硼的混合粉末)0.1～2.5质量％，与氧化硼一起添加。
实施例
(铜熔浸对切削性和强度的影响)
作为原料粉末，准备以质量比含有Cu：3.0质量％、C：1.0质量％、B2O3：0.7质量％的、余量为Fe和不可避免的杂质的铁系烧结构件用粉末，用V型混合机混合30分钟后，将混合粉末压粉成形为密度6.7g/cm3，得到如图3所示的轴承盖形状的粉末成形体。另外，压粉成形纯铜粉末，得到如图3所示的2个熔浸材料。
然后，在还原性环境中、690℃下预烧结上述粉末成形体后，为了在预烧结体的与螺栓支撑面接触的部分上浸入熔浸材料，以图3所示的形态在预烧结体上放置熔浸材料，在该状态下、在还原性环境中、1130℃下进行烧结(熔浸)。
图4为烧结后的轴承盖的组织照片，图中(a)表示熔浸部分，(b)表示非熔浸部分。如图4(a)所示，对于熔浸部分，基体组织呈珠光体，由于铜熔浸气孔消失。为此，推测为获得了良好强度的物质。作为硬度试验的结果，基体硬度为250HV，这与本申请权利要求5相符，获得了良好的硬度。因此，在熔浸部分，可确认即使与螺栓支持面接触时，也获得了可充分耐受的强度。
与此相对，如图4(b)所示，对于非熔浸部分，基体组织呈铁素体和珠光体。为此，获得了良好的切削性。应说明的是，对于非熔浸部分也进行了硬度试验，但基体硬度为140HV，与本申请权利要求5相符。因此，在非熔浸部分(含有轴承盖的凹部)中，未能获得熔浸部分那样的硬度，但可确认获得了通常与由铝合金构成的气缸体的凹部一体地表面加工所需的充分的切削性。
如上所述，根据本发明可提供不仅以高标准实现强度和切削性、而且仅对各个必要位置赋予这些特性的铁系烧结构件。因此，考虑到可适用于汽车和自动两轮车中使用的各种铁系烧结构件，本发明是有前途的。
Claims (5)
1.一种铁系烧结构件的制造方法，其在铁系烧结构件用粉末的粉末成形体或加热该粉末成形体而得到的烧结体的表面的至少一部分上，放置将金属粉末成形而得到的熔浸材料，在碳的扩散温度以上的温度且熔浸材料的熔点以上的温度下烧结放置有上述熔浸材料的上述粉末成形体或烧结体，其特征在于，上述铁系烧结构件用粉末，是相对于从烧结后呈现珠光体组织的铁系烧结材料用的粉末混合物中除去了石墨粉末的铁系粉末混合物，以混合比计，添加0.01～1.0质量％的氧化硼、和0.1～2.0质量％的石墨粉末的粉末，上述金属粉末为铜粉末或铜合金粉末，上述铁系烧结构件的组织为下述组织，即，熔浸的部分为珠光体组织，此外的部分为由铁素体和珠光体构成的组织。
2.一种铁系烧结构件的制造方法，其在铁系烧结构件用粉末的粉末成形体或加热该粉末成形体而形成的烧结体的表面的至少一部分上，放置将金属粉末成形而得到的熔浸材料，在碳的扩散温度以上的温度且熔浸材料的熔点以上的温度下烧结放置有上述熔浸材料的上述粉末成形体或烧结体，其特征在于，上述铁系烧结构件用粉末，是以质量比计由P：0.1～1.0％、B：0.003～0.31％、O：0.007～0.69％、C：0.1～2.0％，余量为Fe和不可避免的杂质构成的粉末，上述金属粉末为铜粉末或铜合金粉末，上述铁系烧结构件的组织为下述组织，即，熔浸的部分为珠光体组织，此外的部分为由铁素体和珠光体构成的组织。
3.如权利要求2所述的铁系烧结构件的制造方法，其特征在于，上述铁系烧结构件用粉末进一步含有1.0～5.0质量％的Cu。
4.利用权利要求1～3中任一项所述的制造方法得到的铁系烧结构件。
5.一种烧结机械部件，其为利用权利要求1～3中任一项所述的制造方法得到的、具备用于被螺栓紧固箍紧的螺栓孔的烧结机械部件，其特征在于，熔浸了铜或铜合金的与螺栓的接触部分的硬度为200～600HV，此外的部分的硬度为100～190HV。
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