CN105324504A - 烧结机械部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

使用相对于扩散合金钢粉100wt％混合有0.05～0.35wt％的平均粒径为8μm以下的石墨粉末的混合粉末、或相对于完全合金钢粉100wt％混合有0.15～0.35wt％的平均粒径为8μm以下的石墨粉末的混合粉末，形成密度为7.5g/cm³以上的烧结体。

Description

烧结机械部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及烧结机械部件及其制造方法。

背景技术

烧结体是将混合金属粉末压缩成形后在规定的温度下进行烧结而获得的。烧结体可以制成净型锻造(ネットシェイプ)制品或接近净型锻造制品，通过成品率、加工工序数的削减从而能够低成本化，因此被用于机械部件等。其中，铁系烧结体由于机械性质优异，而被广泛用于汽车部件、电气制品等中。

但是，烧结体的内部残留有很多空孔，这些空孔成为应力集中源，产生熔炼材中的龟裂之类的行为，因此成为拉伸·压缩·弯曲强度、冲击强度等静态强度或疲劳强度等动态强度降低的原因。

例如，通过对混合粉末交替实施压缩成形工序和烧结工序各两次、从而实现烧结体的高密度化的技术是已知的(例如，专利文献1)。但是，此时，存在制造成本变高的问题。

例如，专利文献2中，通过使用粗的具有粒度分布的金属粉末，不使用二段成形·二段烧结等耗费成本的处理而实现了烧结体的高密度化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开平4－337001号公报

专利文献2:日本特表2007－537359号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，如上述专利文献2所述，仅使用粒度大的金属粉末的情况下，有时无法将铁系烧结体提高到7.5g/cm³以上的超高密度。

本发明的目的在于，利用低成本的方法将包含铁系烧结金属的机械部件的密度提高到7.5g/cm³以上。

用于解决课题的手段

在将混合粉末的压缩成形体(压粉体)烧结时，混合粉末中所配合的石墨粉末在合金钢粉内固溶，因此存在石墨粉末的位置形成空孔。通常，石墨粉末使用的是比合金钢粉微细的粉末，因此上述那样的与石墨粉末的固溶相伴随的空孔是微细的。因此，密度不那么高的铁系烧结体(即，内部产生了某种程度的空孔的烧结体)中，上述那样的与石墨粉末的固溶相伴随的空孔的影响小，其影响未加以考虑。与此相对，根据本发明人等的验证明确了：7.5g/cm³以上的超高密度的烧结体中，石墨粉末的尺寸及配合比例对烧结体的密度影响大。因此，本发明使用平均粒径为8μm以下的极其微细的石墨粉末、且将混合粉末中的石墨粉末的配合比例抑制为较低(扩散合金粉的情况下，相对于合金钢粉100wt％为0.05～0.35wt％，完全合金粉的情况下，相对于合金钢粉100wt％为0.15～0.35wt％)。由此，不使用二段成形·二段烧结等高成本的方法也能够将烧结体的密度提高至7.5g/cm³以上的超高密度。

即，本发明的特征在于，其为使用包含合金钢粉及石墨粉末的混合粉末形成的烧结机械部件，前述合金钢粉为扩散合金钢粉，相对于前述合金钢粉100wt％，前述石墨粉末为0.05～0.35wt％，前述石墨粉末的平均粒径为8μm以下，密度为7.5g/cm³以上。此外，本发明的特征在于，其为使用包含合金钢粉及石墨粉末的混合粉末形成的烧结机械部件，前述合金钢粉为完全合金钢粉，相对于前述合金钢粉100wt％，前述石墨粉末为0.15～0.35wt％，前述石墨粉末的平均粒径为8μm以下，密度为7.5g/cm³以上。

此外，本发明的特征在于，其为烧结机械部件的制造方法，包含：混合工序，相对于扩散合金钢粉100wt％混合0.05～0.35wt％的平均粒径为8μm以下的石墨粉末，获得混合粉末；压粉工序，将前述混合粉末压缩成形，获得压粉体；以及烧结工序，将前述压粉体在规定的烧结温度下烧结，获得密度为7.5g/cm³以上的烧结体。此外，本发明的特征在于，其为烧结机械部件的制造方法，包含：混合工序，相对于完全合金钢粉100wt％混合0.15～0.35wt％的平均粒径为8μm以下的石墨粉末，获得混合粉末；压粉工序，将前述混合粉末压缩成形，获得压粉体；以及烧结工序，将前述压粉体在规定的烧结温度下烧结，获得密度为7.5g/cm³以上的烧结体。

如果使用通过了网眼为180μm的筛而除去了粗大的粒子的合金钢粉作为上述混合粉末中包含的合金钢粉，则能够切实防止在烧结体中形成粗大的气孔。

作为上述合金钢粉，可以使用例如在Fe-Mo合金的周围扩散附着有Ni的扩散合金钢粉。此时，扩散合金钢粉优选为如下组成：含有1.5～2.3wt％的Ni、0.5～1.5wt％的Mo，余部由Fe及不可避免的杂质构成。

或者，作为上述合金钢粉，可以使用Fe－Mo－Ni完全合金钢粉。此时，完全合金钢粉优选为如下组成：含有0.5～0.7wt％的Ni、0.6～1.1wt％的Mo，余部由Fe及不可避免的杂质构成。

上述烧结机械部件可以优选用作齿轮或凸轮。

发明的效果

如上所述，根据本发明，能够利用低成本的方法将包含铁系烧结金属的机械部件的密度提高到7.5g/cm³以上。

附图说明

图1为环压疲劳强度试验中使用的圆筒状试验片的侧面图及剖面图。

图2(A)为使用了进行过分级的粉末的试验片(实施品)的剖面扩大图。

图2(B)为使用未进行分级的粉末的试验片(比较品)的剖面扩大图。

具体实施方式

以下对本发明的一实施方式的烧结机械部件的制造方法进行说明。本实施方式中，经过混合工序、压缩成形工序、烧结工序、及热处理工序来制造烧结机械部件。

混合工序中，将合金钢粉、石墨粉末、及润滑剂按照规定的比例混合。

作为合金钢粉，可以使用例如含有Ni及Mo作为合金成分、余部为Fe及不可避免的杂质的合金钢粉。Ni具有强化烧结体的机械性质、提高热处理后的烧结体的韧性的效果。此外，Mo具有强化烧结体的机械性质、提高热处理时的淬火性的效果。合金钢粉优选预先用网眼为180μm的筛进行过筛而分级。

作为合金钢粉，可以使用例如在Fe合金的周围扩散附着有其它金属的扩散合金钢粉，具体而言，可以使用在Fe合金的周围扩散附着有Ni、Mo、Mn、Cr中的至少一种的合金钢粉。本实施方式中，使用在Fe-Mo合金的周围扩散附着有Ni的扩散合金钢粉。从而，通过使Ni等金属扩散附着于Fe合金，烧结前的合金钢粉的硬度受到抑制，确保了压缩成形时的成形性。其结果是，能够配合较多量的Ni。具体而言，本实施方式的扩散合金钢粉中的Ni的配合比例设为1.5～2.3wt％、优选1.7～2.2wt％。此外，Mo具有提高淬火性的效果，即使多量添加，其效果也饱和，成为使成形性恶化的原因。因此，扩散合金钢粉中，Mo的配合比例设为0.5～1.5wt％、优选0.8～1.2wt％、更优选0.9～1.1wt％。

此外，作为合金钢粉，还可以使用完全合金钢粉，具体而言，可以使用包含Ni、Mo、Mn、Cr中的至少一种以及Fe的完全合金粉。本实施方式中，使用Fe－Mo－Ni完全合金钢粉。此时，完全合金钢粉中，Ni的配合比例设为0.45～0.9wt％、优选0.5～0.7wt％、更优选0.5～0.6wt％。完全合金钢粉中，Mo的配合比例设为0.6～1.1wt％、优选0.8～1.1wt％、更优选0.9～1.1wt％。

石墨粉末例如使用人造石墨。石墨粉末使用平均粒径为8μm以下的石墨粉末，优选使用2～6μm的石墨粉末、更优选使用3～4μm的石墨粉末。使用扩散合金钢粉作为合金钢粉时，相对于合金钢粉100wt％，石墨粉末的配合比例设为0.05～0.35wt％、优选0.1～0.3wt％、更优选0.15～0.25wt％。另一方面，使用完全合金钢粉作为合金钢粉时，相对于合金钢粉100wt％，石墨粉末的配合比例设为0.15～0.35wt％、优选0.15～0.25wt％。

润滑剂是为了降低将混合粉末压缩成形时模具和粉末间、或粉末彼此间的摩擦而添加的。作为润滑剂，可以使用金属皂、酰胺蜡等，例如，使用乙撑双硬脂酰胺(EBS)。

压缩成形工序中，通过将上述混合粉末投入到模具的模腔并进行压缩成形，从而形成规定形状的压粉体。此时，成形时的温度优选为室温以上、润滑剂的熔点以下。特别是，在比润滑剂的熔点低10～20℃的温度下进行成形时，由于降低了粉末的屈服强度、提高压缩性，因此能够提高成形密度。此外，必要时，可以在模具表面涂覆用于降低摩擦的被膜(DLC被膜等)。

若提高成形压力，则能够增大压粉体的密度。另一方面，成形压力过高时，在压粉体的内部产生由密度不均引起的分层(lamination)(层状剥离)、模具破损等。本实施方式中，在1000～1400MPa左右的成形压力下进行压缩成形工序，压粉体的密度为7.4g/cm³以上。

然后，烧结工序中，在规定的烧结温度下对压粉体进行烧结。烧结温度设定在例如1100～1350℃的范围内。烧结工序在氮气和氢气的混合气体、氩气等非活性气氛下进行。通过对压粉体进行烧结，压粉体中的石墨粉末在合金钢粉内固溶，存在石墨粉末的部分形成空孔。与此同时，通过合金钢粉的烧结结合，压粉体整体收缩。其结果是，与石墨粉末的固溶所引起的密度降低相比，压粉体的收缩所引起的密度上升的效果更大，烧结体的密度比压粉体的密度更高。烧结体的密度设为7.5g/cm³以上、优选7.55g/cm³以上、更优选7.6g/cm³以上。

此后，对烧结体实施热处理。本实施方式中，对烧结体实施渗碳淬火回火处理。由此，表面的硬度变高，并且可确保内部的韧性，因此可抑制龟裂的发展。

通过以上步骤，完成了本发明的实施方式的烧结机械部件。该烧结机械部件例如可以作为齿轮、凸轮使用。使用了扩散合金钢粉时的烧结机械部件，内部硬度为300～500HV(优选400～500HV)、径向抗压强度为1750MPa以上(优选1900MPa以上、更优选2000MPa以上)、环压疲劳强度290MPa以上(优选315MPa以上、更优选340MPa以上)。另一方面，使用了完全合金钢粉时的烧结机械部件，内部硬度为300～500HV(优选350～450HV)、径向抗压强度为1500MPa以上(优选1600MPa以上)、环压疲劳强度290MPa以上(优选315MPa以上)。

实施例1

为了确认本发明的效果，进行了以下所示的评价试验。作为部分扩散合金粉，使用了JFESTEELCORPORATION制的SIGMALOY2010。作为完全合金粉，使用了株式会社神户制钢所制的46F4H。作为润滑剂，添加了0.5wt％的LONZAjapan株式会社制的ACRAWAXC。作为石墨粉末，使用了人造石墨。使用将这些混合而成的混合粉末，经过压缩成形工序、烧结工序、及热处理工序，制作了试验片。试验片是外径为φ23.2mm、内径为φ16.4mm、轴向尺寸为7mm的圆筒形状。烧结工序利用氮气及氢气气氛的推盘式炉以1250℃×150min的条件进行。热处理工序：在880℃×60min的条件下实施渗碳处理后，在840℃下进行淬火，在180℃×60min的条件下进行回火。

按照下述所示来改变试验片的组成，测定各试验片的烧结密度、硬度、径向抗压强度、环压疲劳强度。烧结密度的测定方法基于JISZ2501、表面硬度(RockwellHRA)的测定方法基于JISZ2245、内部硬度(维氏HV0.1)的测定方法基于JISZ2244、径向抗压强度的测定方法基于JISZ2507。关于径向抗压强度的试验条件在0.5mm/min的冲程控制下进行。

环压疲劳强度使用了通过以下方法测定的值。如图1所示，对圆筒状试验片的半径(至厚度中心的半径)为R、厚度为h、轴向尺寸为d的试验片，施加直径方向的重复荷重W，直至试验片破损为止。重复荷重W的极大值和极小值之比设为0.1。持续施加1×10⁷次重复荷重W也没有发生破损时的最大拉伸应力σ_max作为该试验片的环压疲劳强度。需要说明的是，最大拉伸应力σ_max用以下的数学式1来定义。

[数学式1]

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M}{AR}(\frac{1}{\mathrm{\κ}}\·\frac{\frac{h}{2}}{R-\frac{h}{2}}-1)$

上式中，A为试验片的截面面积，用A＝d·h来表示。最大弯曲力矩M用M＝0.318WR来表示。截面系数κ用以下的数学式2来表示。

[数学式2]

$\mathrm{\κ}=\frac{R}{h}\left(\ln \frac{1+\frac{h}{2R}}{1-\frac{h}{2R}}\right)-1$

(1)关于石墨粉末的添加量

首先，对改变混合粉末中的石墨粉末的添加量时烧结体的特性进行了比较。具体而言，制作使平均粒径为3.4μm的人造石墨的添加量在0～0.8wt％的范围变化的试验片，测定各试验片的烧结密度、表面硬度、内部硬度、径向抗压强度、及环压疲劳强度。需要说明的是，烧结密度及表面硬度为热处理前的烧结体的值，内部硬度、径向抗压强度、及环压疲劳强度为热处理后的烧结体的值。径向抗压强度的评价是：小于1600MPa时为×、1600～1750MPa时为△、1750～1900MPa时为○、1900MPa以上时为◎。环压疲劳强度的评价基准是：小于290MPa时为×、290～315MPa时为△、315～340MPa时为○、340MPa以上时为◎。将其结果示于以下的表1及表2。

[表1]

[表2]

根据表1的结果可知，使用扩散合金钢粉时，石墨粉末的添加量期望为0.05～0.35wt％、优选0.1～0.3wt％、更优选0.15～0.25wt％。此外，根据表2的结果可知，使用完全合金钢粉时，石墨粉末的添加量期望为0.15～0.35wt％、优选0.15～0.25wt％。

(2)关于石墨粉末的粒径

然后，对改变石墨粉末的粒径时烧结体的特性进行了比较。具体而言，使用使平均粒径在1.0～10.0μm的范围变化的人造石墨制作试验片，测定这些试验片的烧结密度。将其结果示于以下的表3。烧结密度的评价基准是：小于7.47g/cm³时为×、7.47～7.50g/cm³时为△、7.50g/cm³以上时为○。

[表3]

根据表3的结果可知，石墨粉末的平均粒径期望为8μm以下、优选6μm以下、更优选4μm以下。此外，根据该结果可知，石墨粉末的平均粒径期望为1μm以上、优选2μm以上、更优选3μm以上。

(3)关于合金钢粉末的粒度

然后，对改变合金粉末的粒度时烧结体的特性进行了比较。具体而言，对使用了进行过分级的合金钢粉的试验片(实施品)和使用了未进行分级的合金钢粉的试验片(比较品)进行比较。分级是使合金钢粉通过网眼为180μm的筛而除去粗大粒子来进行的。将其结果示于以下的表4。此外，观察实施品及比较品的剖面的结果是，比较品的剖面观察到了最大约150μm的粗大空孔(黑色部分为空孔){参照图2(A)}。与此相对，实施品的剖面则几乎没有观察到粗大空孔{参照图2(B)}。

[表4]

由表4的结果及图2可以确认，使用通过了网眼180μm的筛、除去了粗大粒子的合金钢粉，粗大空孔的形成受到抑制。

(4)关于Ni的添加量

对改变了合金钢粉中的Ni的添加量的试验片的烧结密度及径向抗压强度进行了测定。将其结果示于以下的表5及表6。烧结密度的评价基准是：小于7.50g/cm³时为×、7.50～7.55g/cm³时为△、7.55～7.60g/cm³以上时为○、7.60g/cm³时为◎。径向抗压强度的评价基准与上述(1)相同。

[表5]

[表6]

根据表5的结果可知，使用扩散合金钢粉时，Ni的添加量期望为1.5～2.3wt％、优选1.7～2.2wt％左右。此外，使用完全合金钢粉时，Ni的添加量为0.45～0.9wt％、优选0.5～0.7wt％左右。

(5)关于Mo的添加量

对改变了合金钢粉中的Mo的添加量的试验片的烧结密度及径向抗压强度进行了测定。将其结果示于以下的表7及表8。烧结密度的评价基准与上述(4)相同。径向抗压强度的评价基准与上述(1)相同。

[表7]

[表8]

根据表7的结果可知，使用扩散合金粉时，Mo的添加量期望为0.5～1.5wt％、优选0.8～1.2wt％左右。此外，使用完全合金粉时，Mo的添加量期望为0.6～1.1wt％、优选0.8～1.1wt％。

Claims (10)

1.一种烧结机械部件，其为使用包含合金钢粉及石墨粉末的混合粉末而形成的烧结机械部件，

所述合金钢粉为扩散合金钢粉，相对于所述合金钢粉100wt％，所述石墨粉末为0.05～0.35wt％，所述石墨粉末的平均粒径为8μm以下，密度为7.5g/cm³以上。

2.一种烧结机械部件，其为使用包含合金钢粉及石墨粉末的混合粉末而形成的烧结机械部件，

所述合金钢粉为完全合金钢粉，相对于所述合金钢粉100wt％，所述石墨粉末为0.15～0.35wt％，所述石墨粉末的平均粒径为8μm以下，密度为7.5g/cm³以上。

3.根据权利要求1或2所述的烧结机械部件，其中，所述合金钢粉是通过了网眼为180μm的筛的粉末。

4.根据权利要求1所述的烧结机械部件，其中，所述合金钢粉为在Fe-Mo合金的周围扩散附着有Ni的扩散合金钢粉。

5.根据权利要求4所述的烧结机械部件，其中，所述扩散合金钢粉含有1.5～2.3wt％的Ni、0.5～1.5wt％的Mo，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

6.根据权利要求2所述的烧结机械部件，其中，所述合金钢粉为Fe－Mo－Ni完全合金钢粉。

7.根据权利要求6所述的烧结机械部件，其中，所述完全合金钢粉含有0.45～0.9wt％的Ni、0.6～1.1wt％的Mo，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的烧结机械部件，其作为齿轮或凸轮使用。

9.一种烧结机械部件的制造方法，包含：

混合工序，相对于扩散合金钢粉100wt％混合0.05～0.35wt％的平均粒径为8μm以下的石墨粉末，获得混合粉末；

压粉工序，将所述混合粉末压缩成形，获得压粉体；以及

烧结工序，将所述压粉体在规定的烧结温度下烧结，获得密度为7.5g/cm³以上的烧结体。

10.一种烧结机械部件的制造方法，包含：

混合工序，相对于完全合金钢粉100wt％混合0.15～0.35wt％的平均粒径为8μm以下的石墨粉末，获得混合粉末；

压粉工序，将所述混合粉末压缩成形，获得压粉体；以及

烧结工序，将所述压粉体在规定的烧结温度下烧结，获得密度为7.5g/cm³以上的烧结体。