CN102463348A - 粉末冶金用铁基混合粉末 - Google Patents

Abstract

一种粉末冶金用铁基混合粉末，其通过提高使用含有Mo、Mn的低合金钢粉的铁基混合粉末的流动性，能够提高压粉体成形密度并极大地降低压粉成形后的拔出力，从而能够同时实现烧结体密度和强度的提高以及制造成本的降低。以铁基粉末作为主要成分的用于粉末冶金的铁基混合粉末，其铁基粉末使用如下水雾化合金钢粉：含有Mo：0.3～1.0质量％及Mn：0.1～0.25质量％作为预合金，余量为铁及杂质，并且向该铁基混合粉末中添加0.5～4.0质量％的Cu粉、0.3～1.0质量％的石墨粉和0.01～5.0质量％的片状粉末，该片状粉末的长径的平均粒径为100μm以下，厚度为10μm以下，并且长径比为5以上。

Description

粉末冶金用铁基混合粉末

技术领域

本发明涉及适用于粉末冶金技术的铁基混合粉末，特别涉及用于提高压粉成形体的密度并降低压粉成形后将压粉体从模具中拔出时的拔出力以实现有效提高烧结体的密度和强度的铁基混合粉末。

背景技术

就粉末冶金工艺来说，将原料粉末混合后，将混合粉运输并填充到模具中进行加压成形，然后将制造的成形体(称为压粉体)从模具中取出，并根据需要实施烧结等后处理。

在上述粉末冶金工艺中，为了实现制品品质的提高和制造成本的降低，需要同时实现：运输工序中粉末的高流动性、加压成形工序中的高压缩性、以及将压粉体从模具中拔出的工序中的低拔出力。

作为改善铁基混合粉末的流动性的方法，专利文献1中公开了通过添加富勒烯类能够改善铁基粉末的流动性。

另外，专利文献2中公开了通过添加具有小于500nm的平均粒径的粒状无机氧化物来改善粉末的流动性的方法。

但是，即使使用这些方法，也不能在维持流动性的基础上，充分地实现高压缩性和低拔出力。

此外，为了提高压粉体的成形密度或降低拔出力，有效的是在对铁基混合粉末进行加压成形的温度下使用软质且具有延伸性的润滑剂。其原因是，由于加压成形，润滑剂从铁基混合粉末中渗出并附着于模具表面，从而降低了模具与压粉体之间的摩擦力。

但是，这种润滑剂由于具有延伸性，因而也容易附着到铁粉、合金用粉末的粒子上，因此，存在反而不利于铁基混合粉末的流动性、填充性的问题。

而且，混合如上所述的碳材料、微粒及润滑剂成为使铁基混合粉末的理论密度(假定空隙率为零的情况)降低、从而使成形密度降低的主要原因，因此不优选大量添加。

因此，以往极难使铁基混合粉末兼具流动性、高成形密度和低拔出力。

然而，特别是对于作为汽车部件的齿轮等来说，要求具有高强度和高疲劳特性。在通过粉末冶金法制造这样的部件时，为了改善强度和疲劳特性，通常添加合金成分。

例如，专利文献3中，通过使Ni、Cu、Mo等粉末扩散附着于纯铁粉而谋求它们的合金化。但是，由该方法制得的钢粉，尽管压缩性优良，但存在如下问题：由于合金元素、尤其是Ni的扩散较慢，因此为了使合金元素在铁基体中充分扩散，必须进行长时间的烧结。

此外，专利文献4中公开了一种铁基粉末混合物，其通过向含有C和Mo且实质上不含Mn和Cr的低合金钢粉中添加Cu粉和/或Ni粉，进而添加石墨粉而得到。

此外，专利文献5中公开了一种使Cu粉熔接于含有Mo、Mn、C的合金钢粉而得到的铁基粉末混合物。

但是，含有Mo、Mn的低合金钢粉，由于这些元素的固溶硬化，因此成形时密度难以增高，并且为了得到所期望的强度，必须在高压下进行成形，因此存在模具寿命缩短的问题。

专利文献1：日本特开2007-31744号公报

专利文献2：日本特表2002-515542号公报

专利文献3：日本特公昭45-9649号公报

专利文献4：日本特开昭61-163239号公报

专利文献5：日本特开昭63-114903号公报

发明内容

本发明鉴于上述现状而完成，其目的在于提供一种粉末冶金用铁基混合粉末，其通过提高使用含有Mo、Mn的低合金钢粉的铁基混合粉末的流动性，能够提高压粉体的成形密度并极大地降低压粉成形后的拔出力，从而能够同时实现烧结体的密度和强度的提高以及制造成本的降低。

本发明人为了达到上述目的，对向铁基混合粉末中添加的添加材料反复进行了各种研究。

结果得到如下见解：通过向铁基混合粉末中添加适量的片状粉末，能够极大地改善流动性，并且能够同时改善成形密度和拔出力，因此能够有效改善烧结体的密度和强度。

本发明是立足于上述见解而完成的。

即，本发明的要点构成如下。

1.一种粉末冶金用铁基混合粉末，是以铁基粉末作为主要成分的用于粉末冶金的铁基混合粉末，其特征在于，

所述铁基粉末是如下水雾化合金钢粉：以相对于所述铁基混合粉末总体的比率计，含有Mo：0.3～1.0质量％及Mn：0.1～0.25质量％作为预合金，余量由铁及不可避免的杂质组成，

在所述铁基混合粉末中，以相对于所述铁基混合粉末总体的比率计，含有0.5～4.0质量％范围内的Cu粉、0.3～1.0质量％范围内的石墨粉和0.01～5.0质量％范围内的片状粉末，所述片状粉末的长径的平均粒径为100μm以下，厚度为10μm以下，并且长径比即长径相对于厚度的比率为5以上。

2.如上述1所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述片状粉末为选自二氧化硅、硅酸钙、氧化铝及氧化铁中的至少一种。

3.如上述1或2所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述铁基混合粉末还含有有机粘合剂。

4.如上述1～3中任一项所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述铁基混合粉末还含有游离润滑剂。

发明效果

根据本发明，通过向铁基混合粉末中添加适量的片状粉末，流动性优良自不必说，还能同时实现高成形密度和低拔出力，结果是能够以高生产率和低制造成本得到密度和强度优良的烧结体。

附图说明

图1是用于说明片状粉末的长径比的模式图。

具体实施方式

以下，对本发明进行具体说明。

本发明中使用的片状粉末是指由厚度方向的粒径与平铺(拡がり)方向的粒径相比非常小的平板状粒子构成的粉末。如图1所示，本发明的特征在于，一次粒子的长径1的平均粒径为100μm以下，且厚度2为10μm以下，并且长径比(长径相对于厚度的比率)为5以上。

上述片状粉末，在铁基混合粉末的成形压缩工序中，能够降低粉体的重排、塑性变形中涉及的粉体间的摩擦力、以及粉体与模具间的摩擦力，从而能够实现成形密度的提高。而且，在成形体的拔出工序中，通过降低压粉体与模具间的摩擦力，能够极大地降低拔出力。认为这些效果由于如下原因而得到：由于片状粉末的扁平的形状，片状粉末在铁基混合粉末间有效排列，从而有效地防止了金属粉末之间及金属粉末与模具之间的直接接触，降低了摩擦力。

作为片状粉末，优选氧化物，作为其具体例，可以列举鳞片状二氧化硅(サンラブリ一，AGCェスァィテック制)、花瓣状硅酸钙(フロ一ラィト，トクャマ制)、板状氧化铝(セラフ，キンセィマテック制)以及鳞片状氧化铁(AM-200，チラン工业制)等，但对于成分、晶体结构并没有特殊规定。

根据本发明人的研究可知，构成物质的原子间的结合方式主要包括共价结合和离子结合，优选电导率较低的物质形成的片状粉末，特别优选氧化物。其中，特别优选如上所述的鳞片状二氧化硅、花瓣状硅酸钙、板状氧化铝及鳞片状氧化铁。

另一方面，鳞片状石墨等由金属或半金属形成的片状粉末的电导率高，对实现兼具高成形密度和低拔出力的本发明效果的帮助一般较小，因此并不怎么优选。但例示的鳞片状石墨作为碳源是有效的。

这里，当上述片状粉末的长径比小于5时，不能得到上述效果，因此，本发明中将片状粉末的长径比规定为5以上。更优选为10以上，进一步优选为20以上。另外，长径比没有上限，但一般使其为300以下。优选为200以下。

长径比通过以下方法进行测定。

使用扫描电子显微镜观察片状粉末，对随机选择的100个以上的粒子的长径1和厚度2进行测量，计算各个粒子的长径比。由于长径比存在长径比分布，因此将长径比定义为各粒子的长径比的平均值。

另外，在本发明中，作为片状粉末的一种形态，可以列举针状粉末。该针状粉末是指由形状为细针状或棒状的粒子构成的粉末，但添加片状粉末时所引起的降低摩擦力的效果更大。

此外，当片状粉末的长径的平均粒径大于100μm时，不能与粉末冶金中常用的铁基混合粉末(平均粒径：约100μm)均匀混合，从而不能发挥上述效果。

因此，必须使片状粉末的长径的平均粒径为100μm以下。更优选为40μm以下，进一步优选为20μm以下。更进一步优选为1～17μm。

另外，上述平均粒径可以使用通过JIS R 1629中规定的激光衍射/散射法测定的粒径分布中体积基准的积分百分率为50％时的粒径。

此外，当片状粉末的厚度大于10μm时，不能发挥上述效果。因此，必须使片状粉末的厚度为10μm以下。更有效的片状粉末的厚度为1μm以下，进一步有效的为0.5μm以下。需要说明的是，厚度的实用最小值为0.01μm。厚度的优选下限为0.05μm。

而且，就本发明来说，当片状粉末相对于铁基混合粉末的混合量小于0.01质量％时，无法表现出片状粉末的添加效果。另一方面，当大于5.0质量％时，会导致拔出力显著上升，因此不优选。因此，使片状粉末的混合量为0.01～5.0质量％。更优选为0.05～2.0质量％的范围。进一步优选为0.1～0.5质量％的范围。另外，这些添加比率以内数(内数)表示在铁基混合粉末总体中所占的比率。

在本发明中，作为铁基混合粉末的主要成分的铁基粉末，优选水雾化合金钢粉，关于合金成分，在后面论述。需要说明的是，各合金成分，包括预合金成分及添加合金成分，均用相对于铁基混合粉末总体的比率来表示。

首先，对预合金成分进行说明。

Mo：0.3～1.0质量％

Mo是通过水雾化合金钢粉的固溶强化、淬透性提高来提高烧结部件的强度的有用元素。但是，当含量小于0.3质量％时，不能充分满意地提高烧结部件的强度；另一方面，当大于1.0质量％时，不仅烧结部件的强度提高效果饱和，而且反而导致压缩性降低，结果成形密度不增大，不能得到高强度。因此，将Mo限定在0.3～1.0质量％的范围内。优选为0.3～0.6质量％。

Mn：0.1～0.25质量％

Mn与Mo同样，是通过水雾化合金钢粉的固溶强化、淬透性提高来提高烧结部件的强度的有用元素。但是，当含量小于0.1质量％时，同样不能充分满意地提高烧结部件的强度；另一方面，当大于0.25质量％时，Mn的氧化变得容易进行，合金钢粉的压缩性及烧结部件的强度降低。因此，将Mn限定在0.1～0.25质量％的范围内。

作为铁基粉末的合金钢粉的余量组成为Fe及不可避免的杂质(C、S、O、N等)。

接下来，对添加合金成分进行说明。

Cu粉：0.5～4.0质量％

Cu是通过水雾化合金钢粉的固溶强化、淬透性提高来提高烧结部件的强度的有用元素。并且，Cu粉在烧结时熔融而变为液态，还起到使水雾化合金钢粉的粒子相互粘着的作用。但是，当添加量小于0.5质量％时，其添加效果不足；另一方面，当大于4.0质量％时，不仅烧结部件的强度提高效果饱和，而且还导致切削性降低。因此，将Cu粉限定在0.5～4.0质量％的范围内。优选的上限为3.0质量％。

另外，在添加Cu粉时，只要添加量满足上述范围，则可以采用以下任意一种方法：

(a)将Cu粉添加到水雾化合金钢粉中，然后仅进行混合；

(b)通过有机粘合剂使Cu粉附着到水雾化合金钢粉的表面；

(c)将水雾化合金钢粉与Cu粉混合，然后进行热处理，使Cu粉在水雾化合金钢粉表面附着扩散。

石墨粉：0.3～1.0质量％

作为石墨粉的主要成分的C，是通过在烧结时与铁固溶而使固溶强化和淬透性提高、并由此提高烧结部件的强度的有用元素。另外，在烧结后的渗碳热处理等中从外部对烧结体进行渗碳时，添加的石墨量可以较少。但是，在烧结时不进行渗碳热处理时，若石墨粉的添加量小于0.3质量％，则其添加效果不足；另一方面，如果大于1.0质量％，则出现过共析，因此渗碳体析出，从而导致强度降低。因此，将石墨粉限定在0.3～1.0质量％的范围内。

另外，在添加石墨粉时，只要添加量满足上述范围，则可以采用以下任意一种方法：

(a)向水雾化合金钢粉中添加石墨，然后仅进行混合；

(b)通过有机粘合剂使石墨粉附着于水雾化合金钢粉的表面。

接着，对本发明中能够使用的有机粘合剂及游离润滑剂进行说明。需要说明的是，这些有机粘合剂、游离润滑剂的添加量用相对于粉末冶金用铁基混合粉末：100质量份的比例来表示。

作为有机粘合剂，适合使用脂肪酸酰胺、金属皂等，但除此之外，也可以使用聚烯烃、聚酯、(甲基)丙烯酸聚合物及醋酸乙烯酯聚合物等公知的有机粘合剂。这些有机粘合剂可以各自单独使用，也可以并用2种以上。并用2种以上的有机粘合剂时，可以将它们的至少一部分以共熔物的形式使用。当上述有机粘合剂的添加量小于0.01质量份时，不能使合金用粉末均匀且充分地附着于铁粉的表面。另一方面，当大于1.0质量份时，铁粉之间发生附着聚集，因此流动性可能降低。因此，优选使有机粘合剂的添加量为0.01～1.0质量份。

此外，为了使粉末冶金用铁基混合粉末的流动性、成形性提高，还可以添加游离润滑剂。优选使所述游离润滑剂的添加量为1.0质量份以下。并且优选为0.01质量份以上。作为上述游离润滑剂，金属皂(例如硬脂酸锌、硬脂酸锰、硬脂酸锂等)、双酰胺(例如亚乙基双硬脂酸酰胺等)、含单酰胺的脂肪酸酰胺(例如硬脂酸单酰胺、芥酸酰胺等)、脂肪酸(例如油酸、硬脂酸等)以及热塑性树脂(例如聚酰胺、聚乙烯、聚缩醛等)由于具有降低压粉体的拔出力的效果，因而优选。除此之外，当然也可以使用公知的游离润滑剂。

在本发明中，通过使有机类润滑剂的混合量比以往低，并将其用片状粉末代替，能够在确保优良的拔出力的同时改善流动性和成形密度。即，通常，减少上述有机类润滑剂时拔出力上升，但在本发明中，通过添加片状粉末，能够避免该不良影响。此外，通过含有片状粉末来代替有机类润滑剂，还能够改善成形密度。而且，由于片状粉末的存在，流动性也得到改善。

从充分发挥上述优点的观点出发，优选使有机类润滑剂的混合量为0.8质量份以下。更优选为0.5质量份以下。另外，作为有机类润滑剂的下限值，优选为有机粘合剂与游离润滑剂的各下限值的总和，即为0.02质量份。

另外，有机类润滑剂由有机粘合剂、有机游离润滑剂和有机非游离润滑剂(通过粘合剂附着于铁粉表面的有机类润滑剂)中的至少任意一种构成，但有机非游离润滑剂在多数情况下能够由有机粘合剂代替来发挥其作用，因此，有机粘合剂和有机游离润滑剂的总量成为有机类润滑剂的量。

接着，对本发明的铁基混合粉末的制造方法进行说明。

向铁基粉末中添加本发明的片状粉末、粘合剂、润滑剂等添加材料，进而加入合金用粉末，然后进行混合。另外，上述粘合剂、润滑剂等添加材料没有必要一次添加全部用量，可以仅添加一部分并进行第一次混合，然后再添加余量并进行第二次混合。

此外，作为混合方法，没有特殊限制，可以使用现有公知的混合机。例如，可以使用现有公知的搅拌翼型混合机(例如亨舍尔混合机等)、容器旋转型混合机(例如V型混合机、双锥形混合机等)。在需要加热的情况下，特别适合使用容易进行加热的高速底部搅拌式混合机、倾斜转盘型混合机(傾斜回転バン型混合機)、旋转塔型混合机(回転タヮ型混合機)及行星运动式圆锥螺杆型混合机等。

另外，本发明中，除上述添加材料之外，还可以根据目的添加用于改善特性的添加材料。例如，以改善烧结体的切削性为目的，可以例示添加MnS等用于改善切削性的粉末。关于合金成分，优选限定为以上列举添加的成分。

本发明的铁基混合粉末以铁基粉末作为主要成分。这里，作为主要成分的定义是铁基混合粉末中的铁含量为50质量％以上。

实施例

作为铁基粉末，使用表1所示的水雾化合金钢粉。并且，Cu粉以及石墨粉的添加量如表1所示。另外，作为有机粘合剂，使用硬脂酸单酰胺、亚乙基双硬脂酸酰胺。

以各种比例向上述铁基粉末中添加片状粉末和游离润滑剂，然后进行混合，制成粉末冶金用铁基混合粉末。另外，作为片状粉末，使用鳞片状二氧化硅(サンラブリ一，AGCェスァィテック制)、花瓣状硅酸钙(フロ一ラィト，トクャマ制)、板状氧化铝(セラフ，キンセィマテック制)以及鳞片状氧化铁(AM-200，チラン工业制)。另外，作为游离润滑剂，使用硬脂酸锂、硬脂酸锌以及亚乙基双硬脂酸酰胺。

此外，使用扫描电子显微镜观察片状粉末，将随机选择的50个粒子的各长径比的平均值作为长径比。

将这些铁基混合粉末的混合比例示于表1。

然后，将所得到的各铁基混合粉末填充到模具中，在室温且压力690MPa下，对依照粉末冶金工业会JPMAM04-1992制得的拉伸试件进行加压成形。在RX气体气氛中、在1130℃的条件下，对上述成形体实施20分钟的烧结。对于No.14、15、18、19，在烧结后实施淬火回火处理(在氩气中、90℃、30分钟→60℃油淬火→回火180℃、60分钟)。

对于所得到的烧结体，测定密度及拉伸强度。另外，本发明中，目标密度为7.20Mg/m³以上，目标拉伸强度(非淬火处理材料的情况)为540MPa以上。

将测定结果一并记入表1。

由表1可知，使用本发明的铁基混合粉末得到的烧结体，密度均为7.20Mg/m³以上，拉伸强度均为540MPa以上，且均得到了密度和强度均优良的烧结体。

与此相对，不含作为合金用粉末的Cu粉的No.7、作为预合金成分的Mn量少的No.9、作为预合金成分的Mo量少的No.11、作为合金用粉末的石墨粉量少的No.16，尽管烧结体的密度均良好，但在强度方面均较差。此外，作为预合金成分的Mo量过多的No.12、片状粉末的添加量少的No.18、片状粉末的添加量过多的No.19，仅得到了低密度的烧结体。而且，作为合金用粉末的Cu粉过多的No.8、作为预合金成分的Mn量过多的No.10、作为合金用粉末的石墨粉量过多的No.17，仅得到了密度和强度均低的烧结体。

Claims (5)

1.一种粉末冶金用铁基混合粉末，是以铁基粉末作为主要成分的用于粉末冶金的铁基混合粉末，其特征在于，

所述铁基粉末是如下水雾化合金钢粉：以相对于所述铁基混合粉末总体的比率计，含有Mo：0.3～1.0质量％及Mn：0.1～0.25质量％作为预合金，余量由铁及不可避免的杂质组成，

在所述铁基混合粉末中，以相对于所述铁基混合粉末总体的比率计，含有0.5～4.0质量％范围内的Cu粉、0.3～1.0质量％范围内的石墨粉和0.01～5.0质量％范围内的片状粉末，所述片状粉末的长径的平均粒径为100μm以下，厚度为10μm以下，并且长径比即长径相对于厚度的比率为5以上。

2.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述片状粉末为选自二氧化硅、硅酸钙、氧化铝及氧化铁中的至少一种。

3.如权利要求1或2所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述铁基混合粉末还含有有机粘合剂。

4.如权利要求1或2所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述铁基混合粉末还含有游离润滑剂。

5.如权利要求3所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其特征在于，所述铁基混合粉末还含有游离润滑剂。

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