CN105263653A - 粉末冶金用合金钢粉以及铁基烧结体的制造方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明，通过使铁基粉末含有还原铁粉，并且以相对于合金钢粉总体的比率计含有0.2～1.5质量％的Mo，而且以相对于合金钢粉总体的比率计含有0.5～4.0质量％的Cu粉和0.1～1.0质量％的石墨粉，可以得到一种以铁基粉末为主成分的粉末冶金用合金钢粉，使用该粉末冶金用合金钢粉的烧结体能够以高水平兼顾强度和韧性。

Description

粉末冶金用合金钢粉以及铁基烧结体的制造方法

技术领域

本发明涉及适合提供于粉末冶金技术的粉末冶金用合金钢粉，特别是涉及试图提高使用这种合金钢粉的烧结材料的强度和韧性的技术。

此外，本发明还涉及使用上述粉末冶金用合金钢粉制造的强度和韧性优良的铁基烧结体的制造方法。

背景技术

粉末冶金技术能够以与制品形状极为相近的形状(所谓的近净形)、且以高的尺寸精确度制造复杂形状的部件，因此，能够大幅降低切削成本。因此，粉末冶金制品在多方面被用作各种机械构造物或其部件。

此外，最近，为了实现部件的小型化、轻量化，强烈要求提高粉末冶金制品的强度，特别是对铁基粉末制品(铁基烧结体)的高强度化要求强烈。

作为铁基烧结体前阶段的粉末冶金用铁基粉末成型体一般如下进行制造：对于铁基粉末，混合铜粉、石墨粉等合金用粉末、以及硬脂酸、硬脂酸锌等润滑剂，制成铁基粉末混合粉，再将其填充到模具中进行加压成型。根据成分，可以将铁基粉末分类为铁粉(例如纯铁粉等)、合金钢粉等。此外，根据制法进行分类时，可以分类为雾化铁粉、还原铁粉等，在这些分类中，铁粉这个词语在包括合金钢粉的广义上使用。

由通常的粉末冶金工序得到的粉末冶金用铁基粉末成型体的密度一般为6.8～7.3Mg/m³左右。该铁基粉末成型体在之后被实施烧结处理，制成铁基烧结体，进一步根据需要实施精压加工、切削加工等，制成粉末冶金制品。而且，在需要更高强度的情况下，有时也在烧结后实施渗碳热处理、光亮热处理。

在此，一直以来，在原料粉的阶段，作为加入了合金元素的粉末，已知有如下粉末：

(1)在纯铁粉中配合了各合金元素粉末的混合粉、

(2)将各元素完全合金化的预合金钢粉、

(3)使各合金元素粉末在纯铁粉、预合金钢粉的表面部分扩散的扩散附着合金钢粉、等。

上述(1)所示的在纯铁粉中配合各合金元素粉末的混合粉，具有能够确保与纯铁粉相当的高压缩性的优点。但是却存在如下问题：由于各合金元素粉末的偏析较大，因此特性的变动较大，此外，合金元素未向Fe中充分扩散，依旧是不均匀组织，无法实现有效的基体强化。

因此，上述在纯铁粉中配合了各合金元素粉末的混合粉无法满足近年来的特性稳定化、高强度化的要求，其使用量正不断减少。

此外，上述(2)所示的将各元素完全合金化的预合金钢粉是通过将钢水雾化而制造的，虽然其可以通过均匀组织而实现基体强化，但是因固溶硬化作用而导致压缩性下降成为问题。

而且，上述(3)所示的扩散附着合金钢粉，是通过在纯铁粉、预合金钢粉中配合各元素的金属粉末，并在非氧化性或还原性的气氛下进行加热，使各金属粉末在纯铁粉、预合金钢粉的表面部分地扩散接合而制造的，因此，其能够兼具上述(1)的铁基混合粉和上述(2)的预合金钢粉的优点。

因此，在能够防止合金元素的偏析，并且确保与纯铁粉相当的高压缩性的同时，形成了部分合金富集相分散的复合组织，因此具有基体强化的可能性，正在作为用于高强度的扩散附着合金钢粉进行开发。

如上所述，为了提高粉末冶金制品的强度、韧性，可以考虑高合金化。然而，在该高合金化时，构成原材料的合金钢粉硬化而导致压缩性下降，产生了加压成型时设备负担增大的问题。此外，合金钢粉的压缩性的下降，通过烧结体的密度下降而抵消了高强度化。也就是说，为了提高粉末冶金制品的强度、韧性，要求一种尽可能抑制压缩性的下降，同时使烧结体高强度化的技术。

作为如上所述在维持压缩性的同时使烧结体高强度化的技术，一般如下进行：向铁基粉末中添加改善淬透性的Ni、Cu和Mo等合金元素。作为对该目的有效的元素，例如，在专利文献1中公开了如下技术：以不会损害压缩性的范围(Mo：0.1～1.0质量％)向铁粉中添加作为预合金元素的Mo，进一步使Cu和Ni以粉末的形式在该铁粉的粒子表面扩散附着，由此兼顾压粉成型时的压缩性和烧结后的部件强度。

此外，专利文献2中提出了使两种以上的合金元素、特别是Mo和Ni、或者再加上Cu在铁钢粉表面扩散附着而成的用于高强度烧结体的粉末冶金用合金钢粉。

在该技术中，进一步提出了对各扩散附着元素进行控制，从而使对于粒径：44μm以下的微粒粉的扩散附着浓度落在对于该铁钢粉总体的扩散附着浓度的0.9～1.9倍的范围内，通过对该较宽范围的限定，确保了烧结体的冲击韧性。

另一方面，目前还提出了以Mo作为主要的合金元素，并且不含Ni、Cu的Mo系合金钢粉。例如，在专利文献3中，为了形成自扩散速度快的Fe的α单一相而促进烧结，提出了以1.5～20质量％的范围含有铁素体稳定化元素Mo作为预合金的合金钢粉。对于该合金钢粉，通过使粒径分布等适合于加压烧结工序，可以得到高密度的烧结体，此外，由于不使用扩散附着型的合金元素，因此可以得到均匀并且稳定的组织。

同样地，作为以Mo为主要合金元素的粉末冶金用合金钢粉，还有专利文献4中公开的技术。该技术提出了使Mo：0.2～10.0质量％在铁基粉末表面扩散附着而成的合金钢粉，所述铁基粉末含有1.0质量％以下的Mn，或进一步含有小于0.2质量％的Mo作为预合金。铁基粉末可以使用雾化铁粉，也可以使用还原铁粉，平均粒径优选为30～120μm。该合金钢粉不仅压缩性优良，而且可以得到高密度并且高强度的烧结部件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公昭63－66362号公报

专利文献2：日本特开昭61－130401号公报

专利文献3：日本特公平6－89365号公报

专利文献4：日本特开2002－146403号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，在专利文献1和2记载的技术中，由于Ni在烧结时的扩散慢，因此存在有为了使Ni在铁粉、铁钢粉中充分扩散而需要长时间烧结的问题。

此外，在专利文献3记载的技术中，由于Mo添加量较高，为1.8质量％以上，压缩性低，因此具有无法获得高成型密度的缺点。因此，在应用通常的烧结工序(不加压1次烧结)时，仅可以得到低烧结密度的材料，存在有无法获得充分的强度、韧性的问题。

进而，专利文献4中记载的技术适合于包括烧结体的再压缩和再烧结的粉末冶金工序。也就是说，在通常的烧结法中，存在有前述效果得不到充分发挥的问题。

如上所述，通过本发明人们的研究可知，对于使用上述专利文献1～4记载的任一合金钢粉的烧结体，很难以高水平兼顾强度和韧性。

本发明是鉴于上述现状而进行开发的，其目的在于克服上述现有技术的问题，提出一种粉末冶金用合金钢粉，使用该粉末冶金用合金钢粉的烧结体的强度和韧性能够以高水平得到兼顾，同时提出一种使用了该粉末冶金用合金钢粉的铁基烧结体的制造方法。

用于解决问题的方法

本发明人们为了实现上述目的而对铁基粉末的合金成分及其添加方法反复进行了各种研究，结果得到下述见解。

即，得到了如下见解：在使Mo在铁基粉末表面扩散附着的合金钢粉中，如果在该铁基粉末中使用还原铁粉，同时添加规定量的Cu粉和石墨粉，则在对该合金钢粉进行成型、烧结时，还原铁粉的烧结性得到改善，烧结体的气孔微细化，同时由于添加铜粉而促进了烧结，以及由于添加铜粉、石墨粉而产生了固溶强化、淬透性提高的效果，因此烧结体的强度和韧性均得到提高。

本发明基于上述见解而完成。

即，本发明的要点构成如下所述。

1.一种粉末冶金用合金钢粉，是使含Mo合金粉末附着在铁基粉末表面的粉末冶金用合金钢粉，

其中，上述铁基粉末含有还原铁粉，并且以相对于上述合金钢粉总体的比率计含有0.2～1.5质量％的Mo，以及以相对于上述合金钢粉总体的比率计含有0.5～4.0质量％的Cu粉和0.1～1.0质量％的石墨粉。

2.根据前述1所述的粉末冶金用合金钢粉，其中，铁基粉末的氧含量为0.2质量％以下。

3.一种铁基烧结体的制造方法，其中，

以Mo量相对于粉末冶金用合金钢粉为0.2～1.5质量％，混合含有还原铁粉的铁基粉末和Mo原料粉末，然后，通过热处理使Mo在所述铁基粉末的表面扩散附着，进而以相对于所述合金钢粉总体的比率计添加0.5～4.0质量％的Cu粉和0.1～1.0质量％的石墨粉并进行混合，然后依次进行加压成型处理、烧结处理，得到铁基烧结体。

发明效果

根据本发明的粉末冶金用合金钢粉，由于不需要使用Ni，并且压缩性高，因此即使采用通常的烧结法，也能够经济地得到兼具有高强度和高韧性的烧结材料(铁基烧结体)。

具体实施方式

以下，具体地说明本发明。

对于本发明的粉末冶金用合金钢粉而言，其特征在于，使含Mo粉末在铁基粉末的表面扩散附着，含有上述铁基粉末为还原铁粉的混合粉。并且，通过将上述混合粉与适量的Cu粉和石墨粉混合，制成成型体，并进行烧结，从而使烧结体的气孔有效地微细化，同时促进了烧结。

对于根据本发明烧结体的气孔有效地微细化并促进了烧结的理由，发明人考虑如下。

一般而言，由于烧结体中存在大量的气孔，因此在气孔部分应力集中，存在有烧结体的强度、韧性下降的倾向。然而，对于根据本发明的粉末冶金用合金钢粉而言，通过使烧结体的气孔微细化，缓和了应力集中的程度，同时使得烧结颈部强韧化。

而且，对于本发明的粉末冶金用合金钢粉而言，由于Mo在烧结体的气孔周围部富集，同时通过Cu促进了烧结，由此气孔周围部被进一步强化，同时由于基体部中Mo少，因此其与烧结颈部相比，碳化物难以生成，从而在组织整体上形成了高韧性的组织。

也就是说，可以认为，通过气孔分布和Mo分布的控制，以及由Cu产生的烧结促进效果，使得本发明能够兼顾烧结体的高强度和高韧性。

以下，对本发明的限定理由进行说明。需要说明的是，以下所示的“％”表示质量％，并且只要没有特别说明，则是指相对于本发明的粉末冶金用合金钢粉(含Mo粉末的扩散附着后)总体的比率(质量％)。

在本发明中，作为铁基粉末，使用还原铁粉作为主体。还原铁粉优选使用对制造钢材时产生的轧屑或铁矿石进行还原而得到的还原铁粉。还原铁粉与雾化铁粉相比，成型性良好，难以因成型而生成粗大的气孔。此外，由于烧结性也良好，因此粗大的气孔少，并且通过对气孔微细化，烧结体的强度、韧性提高，因此优选。另外，作为还原铁粉的表观密度，只要是1.7Mg/m³至3.0Mg/m³左右即可。更优选为2.2～2.8Mg/m³。

此外，也可以在不损害烧结体的强度、韧性的范围内向还原铁粉中添加雾化铁粉等。具体而言，如果铁基粉末中的还原铁粉为80％以上，则对本发明而言便是足够的。更优选铁基粉末中的还原铁粉为90％以上。

在此，对于本发明中使用的还原铁粉的粒径，可以使用在粉末冶金中通常使用的最大粒径小于180μm的铁粉。即，只要使用通过了JISZ8801中规定的网眼直径为180μm的筛子的粉末即可。

此外，本发明中使用的还原铁粉的氧含量为0.3％以下，优选为0.25％以下，更优选为0.2％以下。其原因在于，还原铁粉的氧含量低，则压缩性优良，同时烧结得到促进，可以获得高强度、高韧性。另外，对于还原铁粉的氧含量的下限值，没有特别限定，优选为0.1％左右。

另一方面，作为Mo原料粉末，可以使用作为目标的含Mo粉末本身，或者可以使用能够还原为含Mo粉末的Mo化合物。Mo原料粉末的平均粒径为50μm以下，优选为20μm以下。需要说明的是，所谓平均粒径，是中值粒径(所谓的d50)。

在此，作为含Mo粉末，以Mo的纯金属粉末为代表，氧化Mo粉末或Fe－Mo(钼铁)粉末等Mo合金粉末也有利地适合。此外，作为Mo的化合物，优选Mo碳化物、Mo硫化物、Mo氮化物等。

在本发明中，含Mo粉末优选均匀地附着在铁基粉末的表面。在没有均匀附着的情况下，在对粉末冶金用合金钢粉进行附着处理后进行粉碎时、或运输等时，其容易从铁基粉末表面脱落，因此游离状态的含Mo粉末特别容易增加。如果对这种状态的合金钢粉进行成型、烧结，存在有碳化物的分散状态产生偏析的倾向。

因此，为了提高烧结体的强度、韧性，优选使含Mo粉末均匀地附着在铁基粉末的表面，减少因脱落等而产生的游离状态的含Mo粉末。

扩散附着的Mo量为0.2～1.5％。如果低于0.2％，则淬透性提高效果小，强度提高效果也小。另一方面，如果超过1.5％，则淬透性提高效果饱和，烧结体组织的不均匀性反而提高，因此无法获得高强度和韧性。因此，将扩散附着的Mo量设定为0.2～1.5％。优选0.3～1.0％的范围。

进而，分别在本发明中的粉末冶金用合金钢粉中添加0.5～4.0％范围的Cu粉和0.1～1.0％范围的石墨粉，并进行混合。

在此，Cu是通过铁基粉末的固溶强化、淬透性提高，从而提高烧结部件的强度的有用元素。此外，Cu粉在烧结时熔融而成为液相，还具有使铁基粉末粒子彼此粘合(固着)的作用。

然而，如果添加量小于0.5％，则其添加效果不足，另一方面，如果超过4.0％，则不仅烧结部件的强度提高效果饱和，而且导致了切削性的下降。因此，将Cu粉限定在0.5～4.0％的范围内。优选为1.0～3.0％的范围。另外，Cu粉的平均粒径优选为约50μm以下。

作为石墨粉主成分的C，在烧结时在铁中固溶，是通过固溶强化、淬透性提高从而提高烧结部件的强度的有用元素。另外，在烧结后通过渗碳热处理等从外部渗碳至烧结体的情况下，添加的石墨量可以较少，但如果小于0.1％，则无法获得上述效果。另一方面，在烧结时不进行渗碳热处理的情况下添加石墨粉，如果超过1.0％，则由于过共析，因此渗碳体析出，导致强度下降。因此，将石墨粉限定在0.1～1.0％的范围内。另外，石墨粉的平均粒径优选为约50μm以下。

合金钢粉的余量为铁和杂质。作为合金钢粉中含有的杂质，可以列举C、O、N、S等，如果它们分别为C：0.02％以下，O：0.3％以下，N：0.004％以下，S：0.03％以下，则没有特别的问题。特别是，O优选为0.25％以下。如果杂质量超过该范围，则合金钢粉的压缩性下降，难以压缩成型为具有足够密度的预成型体。

接着，对本发明的粉末冶金用合金钢粉的制造方法进行说明。

首先，准备作为铁基粉末的还原铁粉以及作为含Mo粉末原料的Mo原料粉末。

铁基粉末是所谓的还原铁粉。此外，对于Mo原料粉末而言，如上所述，以Mo的纯金属粉末为代表，氧化Mo粉末或Fe－Mo(钼铁)粉末等Mo合金粉末也有利地适合。此外，作为Mo的化合物，Mo碳化物、Mo硫化物、Mo氮化物等是优选的。

接着，以前述比率(相对于粉末冶金用合金钢粉，Mo量为0.2～1.5％)混合上述铁基粉末和Mo原料粉末。对于混合方法，没有特别限制，例如，可以使用亨舍尔混合机、锥形混合机等进行。

进而，将该混合物保持在高温下，在铁基粉末与Mo原料粉末的接触面使Mo向铁中扩散并接合，接着，添加Cu粉和石墨粉，由此可以得到本发明的粉末冶金用合金钢粉。

在此，作为热处理的气氛，还原性气氛、含氢气氛是优选的，尤其适合为氢气气氛。需要说明的是，也可以在真空下施加热处理。此外，优选的热处理温度为800～1000℃的范围。进而，Cu粉和石墨粉的添加方法也可以根据常规方法进行。

如上所述，在进行热处理，即扩散附着处理时，由于通常铁基粉末和含Mo粉末烧结而形成凝固的状态，因此进行粉碎和分级以达到所希望的粒径。进而，可以根据需要实施退火。需要说明的是，作为粉末冶金用合金钢粉的粒径，优选为180μm以下。

在本发明中，可以根据目的添加用于改善特性的添加材料。例如，为了改善烧结体的强度，可以适当添加Ni粉，此外，为了改善烧结体的切削性，可以适当添加MnS等切削性改善用粉末。

进一步，对使用本发明的粉末冶金用合金钢粉制造烧结体时的优选成型条件、烧结条件进行说明。

在使用本发明的粉末冶金用合金钢粉进行加压成型时，可以另外混合粉末状的润滑剂。此外，还可以将润滑剂涂布或附着在模具上进行成型。无论哪种情况下，作为润滑剂，可以优选使用硬脂酸锌、硬脂酸锂等金属皂、亚乙基双硬脂酸酰胺等酰胺系蜡以及其他公知的润滑剂中的任一种。另外，在混合润滑剂时，相对于粉末冶金用合金钢粉100质量份优选将其设定为0.1～1.2质量份左右。

在对本发明的粉末冶金用合金钢粉进行加压成型时，优选在400～1000MPa的施加压力下进行。其原因在于，如果施加压力小于400MPa，则得到的成型体的密度降低，烧结体的特性下降，另一方面，如果高于1000MPa，则模具的寿命变短，在经济上变得不利。另外，加压时的温度优选设定为常温(约20℃)～约160℃的范围。

此外，本发明的粉末冶金用合金钢粉的烧结，优选在1100～1300℃的温度范围内进行。其原因在于，如果烧结温度低于1100℃，则烧结无法进行，烧结体的特性下降，另一方面，如果高于1300℃，则烧结炉的寿命变短，在经济上变得不利。另外，烧结时间优选设定为10～180分钟的范围。

对于得到的烧结体，可以根据需要实施渗碳淬火、光亮淬火、高频淬火以及渗碳氮化处理等强化处理，但即使在不实施强化处理的情况下，使用了本发明的粉末冶金用合金钢粉的烧结体与现有的烧结体(未实施强化处理的烧结体)相比，其强度和韧性也得到改善。需要说明的是，各强化处理按照常规方法实施即可。

实施例

以下，通过实施例进一步详细地说明本发明，但本发明并不受以下例子的任何限定。

铁基粉末使用表观密度：2.60g/cm³的还原铁粉，或表观密度：3.00g/cm³的雾化铁粉。向这些铁基粉末中以规定的比率添加氧化Mo粉末(平均粒径：10μm)，并在V型混合机中混合15分钟后，在露点：30℃的氢气气氛中进行热处理(保持温度：900℃，保持时间：1h)，制造使表1所示的规定量的Mo在铁基粉末表面扩散附着的粉末冶金用合金钢粉。

接着，对于这些粉末冶金用合金钢粉，添加表1所示量的铜粉(平均粒径：30μm)和石墨粉(平均粒径：5μm)，进一步相对于得到的合金钢粉的混合粉100质量份添加0.6质量份亚乙基双硬脂酸酰胺后，在V型混合机中混合15分钟。然后，加压成型至密度：7.0g/cm³，制作长55mm、宽10mm、厚10mm的片状成型体。

对该片状成型体实施烧结，制成烧结体。该烧结在丙烷转变气体气氛中，在烧结温度：1130℃、烧结时间：20分钟的条件下进行。

由于将得到的烧结体提供于JISZ2241中规定的拉伸试验，因此将其加工为平行部直径为5mm的圆棒拉伸试验片。此外，在用于JISZ2242中规定的夏比冲击试验的情况下，使用如下得到的试验材料：将得到的烧结体直接以烧结后的形状进行碳势0.8质量％的气体渗碳(保持温度：870℃、保持时间：60分钟)，然后进行淬火(60℃、油淬火)和退火(保持温度：180℃、保持时间：60分钟)。

将这些烧结体提供于JISZ2241中规定的拉伸试验和JISZ2242中规定的夏比冲击试验，测定拉伸强度(MPa)和冲击值(J/cm²)。将各测定结果一同示于表1。

[表1]

如表1所示，将发明例和比较例的拉伸强度和冲击值进行比较，发明例均显示出了拉伸强度：1000MPa以上、冲击值：14.0J/cm²以上，能够以高水平兼顾强度和韧性，而比较例在拉伸强度和冲击值的至少任一者中比发明例差。

另外，在表1中一并示出了作为以往材料的4Ni材料(4Ni－1.5Cu－0.5Mo)的结果。可知发明例即使不使用Ni，也可以得到与以往的4Ni材料同等以上的特性。

Claims (3)

1.一种粉末冶金用合金钢粉，是使含Mo合金粉末附着在铁基粉末表面的粉末冶金用合金钢粉，

其中，上述铁基粉末含有还原铁粉，并且以相对于上述合金钢粉总体的比率计含有0.2～1.5质量％的Mo，以及以相对于上述合金钢粉总体的比率计含有0.5～4.0质量％的Cu粉和0.1～1.0质量％的石墨粉。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金用合金钢粉，其中，铁基粉末的氧含量为0.2质量％以下。

3.一种铁基烧结体的制造方法，其中，

以Mo量相对于粉末冶金用合金钢粉为0.2～1.5质量％，混合含有还原铁粉的铁基粉末和Mo原料粉末，然后，通过热处理使Mo在所述铁基粉末的表面扩散附着，进而以相对于所述合金钢粉总体的比率计添加0.5～4.0质量％的Cu粉和0.1～1.0质量％的石墨粉并进行混合，然后依次进行加压成型处理、烧结处理，得到铁基烧结体。