CN107829015B - 耐磨性铁基烧结合金的制造方法和耐磨性铁基烧结合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐磨性铁基烧结合金的制造方法和耐磨性铁基烧结合金。由混合粉末压粉成形出成形体，一边使来自纯铁粉末的组织相变为铁素体组织和珠光体组织的混合组织，使来自铁合金粉末的组织相变为马氏体组织，一边对成形体进行烧结，在将混合粉末整体设为100质量％时，在所述混合粉末中，铁合金粉末为15～40质量％，铜粉末为1.2～1.8质量％，石墨粉末为0.5～1.0质量％，余量为纯铁粉末，在将铁合金粉末整体设为100质量％时，铁合金粉末包含Cr：2.5～3.5质量％、Mo：0.4～0.6质量％，余量包含Fe以及不可避免的杂质。

Description

耐磨性铁基烧结合金的制造方法和耐磨性铁基烧结合金

技术领域

本发明涉及使烧结合金的耐磨性提高的含有硬质粒子的耐磨性铁基烧结合金的制造方法和耐磨性铁基烧结合金。

背景技术

一直以来阀座等有时应用以铁为基体的烧结合金。为了使耐磨性进一步提高，有时使烧结合金含有硬质粒子。在含有硬质粒子的情况下，向硬质粒子中混合石墨粒子和铁粒子而制成粉末，由该混合了的粉末压粉成形为成形体。然后，通常通过加热成形体来进行烧结从而制成烧结合金。

作为这样的烧结合金的制造方法，曾提出了下述的烧结合金的制造方法，即：将以还原铁粉为基体而混合了石墨粉末、Mo粉末、Co粉末、Ni粉末、CaF粉末的混合粉末压粉成形为成形体，对成形体进行烧结。采用该制造方法制造的烧结合金，在由奥氏体组织、珠光体组织和铁素体组织构成的Fe－C－Co－Ni基体中分散了由FeMo合金构成的硬质粒子和CaF₂微细粒子(例如，参照日本特开昭60－258450)。

发明内容

但是，使用日本特开昭60－258450所记载的制造方法制造的耐磨性铁基烧结合金，为了确保耐蚀性和耐磨性，添加有Ni、Co，但由于这些金属昂贵，所以耐磨性铁基烧结合金的成本增高。

本发明提供与以往相比能够廉价地使耐蚀性和耐磨性提高的耐磨性铁基烧结合金的制造方法和耐磨性铁基烧结合金。

本发明人反复专心研究的结果，着眼于以比以往低的比例含有Cr和Mo的铁合金粉末。认为通过采用这样的铁合金粉末和纯铁粉末，在烧结时能够使纯铁粉末的组织相变成为作为铁基体的组织的铁素体组织和珠光体组织的混合组织，并且使利用Cr和Mo提高了淬硬性的铁合金粒子的组织相变成为比铁基体的组织硬的马氏体组织。由此，认为相变成为马氏体组织的铁合金粒子成为硬质粒子，其能够使烧结合金的耐磨性提高。进而，认为通过在烧结合金中添加Cr和Cu，也能够使烧结合金的耐蚀性提高。

本发明是鉴于这样的想法而完成的，本发明的方案涉及一种耐磨性铁基烧结合金的制造方法，该制造方法包括：由包含纯铁粉末、铁合金粉末、铜粉末和石墨粉末的混合粉末压粉成形出成形体的成形工序；和对所述成形体进行烧结的烧结工序。在将所述铁合金粉末整体设为100质量％时，所述铁合金粉末包含Cr：2.5～3.5质量％、Mo：0.4～0.6质量％，余量包含Fe以及不可避免的杂质，在将所述混合粉末整体设为100质量％时，在所述混合粉末中，所述铁合金粉末为15～40质量％，所述铜粉末为1.2～1.8质量％，所述石墨粉末为0.5～1.0质量％，余量为纯铁粉末，在所述烧结工序中，使来自所述纯铁粉末的组织成为铁素体组织和珠光体组织的混合组织，使来自所述铁合金粉末的组织成为马氏体组织。

本发明的第2方案涉及一种耐磨性铁基烧结合金，其包含C：0.5～1.0质量％、Cr：0.45～1.20质量％、Mo：0.075～0.200质量％、Cu：1.2～1.8质量％，余量包含Fe以及不可避免的杂质。其特征在于，在所述耐磨性铁基烧结合金中，由马氏体组织构成的硬质粒子分散在由铁素体组织和珠光体组织的混合组织构成的铁基体中，所述C和所述Cu包含在所述铁基体和所述硬质粒子中，所述Cr和所述Mo至少包含在所述硬质粒子中，在将所述耐磨性铁基烧结合金的整体设为100质量％时，含有15.3～40.9质量％的所述硬质粒子。

根据本发明，与以往相比能够低成本地使耐蚀性和耐磨性提高。

附图说明

下面将参照附图描述本发明例示性实施例的特征、优点、技术和工业意义，附图中相同标记表示相同部件，其中：

图1是在实施例和比较例中采用的耐磨性试验的示意性概念图。

图2是在实施例和比较例中采用的切削性评价试验的示意性概念图。

图3是在实施例和比较例中采用的腐蚀性评价试验的示意性概念图。

图4A是实施例1涉及的烧结合金的组织照片。

图4B是实施例2涉及的烧结合金的组织照片。

图5是表示实施例1～4及比较例1、2涉及的铁合金粉末的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的磨损量比的关系的图。

图6是表示实施例1～4及比较例1涉及的铁合金粉末的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的腐蚀减量比的关系的图。

图7是表示实施例3～5及比较例3～5涉及的烧结合金的Cu的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的磨损量比的关系的图。

图8是表示实施例3～5及比较例3涉及的烧结合金的Cu的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的腐蚀减量比的关系的图。

图9是表示实施例4～6及比较例6、7涉及的烧结合金的C的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的磨损量比的关系的图。

具体实施方式

以下，详述本发明的实施方式涉及的耐磨性铁基烧结合金(以下称为烧结合金)及其制造方法。

本实施方式涉及的耐磨性铁基烧结合金的制造方法，包括：由包含纯铁粉末、铁合金粉末、铜粉末和石墨粉末的混合粉末压粉成形出成形体的成形工序；和对成形体进行烧结的烧结工序。以下，依次说明铁合金粉末、纯铁粉末、铜粉末、以及石墨粉末，进而对混合了这些粉末的混合粉末、使用该混合粉末压粉成形出的成形体、以及对成形体进行烧结而得到的烧结合金进行说明。

1.关于铁合金粉末

铁合金粉末是在烧结时使作为铁合金粉末的组织的铁素体组织、或者铁素体组织和珠光体组织的混合组织成为马氏体组织，以对烧结合金的铁基体提高硬度、抑制烧结合金的磨料磨损为目的的粉末。

在将铁合金粉末整体设为100质量％时，铁合金粉末包含Cr：2.5～3.5质量％、Mo：0.4～0.6质量％，余量包含Fe以及不可避免的杂质。铁合金粉末可以通过准备将上述组成调配为上述比例的熔液，并采用将该熔液进行喷雾化的雾化处理来制造。另外，作为另一种方法，也可以通过将使熔液凝固而成的凝固体机械性粉碎来进行粉末化。作为雾化处理，可以是气体雾化处理和水雾化处理中的任意一种，当考虑烧结性等时，更优选能够得到圆形粒子的气体雾化处理。

在此，作为上述的铁合金粉末的组成的下限值以及上限值，可以考虑后述的组成限定理由，进而在其范围之中考虑硬度、固体润滑性、密合性、或成本等，根据所应用的材料的各项特性的重视程度来适当变更。

1－1.Cr：2.5～3.5质量％

在铁合金粉末中以2.5～3.5质量％的范围含有的Cr能够在烧结时使存在于成形体中的来自铁合金粉末的铁合金粒子的淬硬性提高，能够使在烧结后担当相对于铁基体较硬的硬质粒子的马氏体组织在铁合金粒子中析出。另外，Cr能够在烧结时在铁合金粒子中生成Cr碳化物，使烧结合金的耐磨性提高。进而，Cr能够在烧结合金的表面形成钝态膜，使烧结合金的耐蚀性提高。

在此，在Cr的含量小于2.5质量％的情况下，由于Cr的含量过少，因此上述的铁合金粒子的淬硬性不充分，烧结合金的耐蚀性也不充分。另一方面，在Cr的含量超过3.5质量％的情况下，由于Cr的含量过多，因此导致铁合金粉末的硬度变得过高，从混合粉末向成形体的成形性下降。由此，有时不能确保烧结合金的密度，烧结合金的耐磨性下降。从这样的观点出发，Cr的含量更优选为2.8～3.2质量％。

1－2.Mo：0.4～0.6质量％

在铁合金粉末中以0.4～0.6质量％的范围含有的Mo，能够在烧结时使存在于成形体中的来自铁合金粉末的铁合金粒子的淬硬性提高，能够在烧结后使担当相对于铁基体较硬的硬质粒子的马氏体组织在铁合金粒子中析出。另外，Mo能够在烧结时在铁合金粒子中形成Mo碳化物，使烧结合金的耐磨性提高。进而，固溶在硬质粒子中的Mo和Mo碳化物在使用烧结合金的高温使用环境下进行氧化，形成Mo氧化皮膜，能够得到有益于烧结合金的固体润滑性。

在此，在Mo的含量小于0.4质量％的情况下，由于Mo的含量过少，因此上述的铁合金粒子的淬硬性不充分，也不能够充分期待上述的固体润滑性。另一方面，在Mo的含量超过0.6质量％的情况下，由于Mo的含量过多，因此铁合金粉末的硬度变得过高，从混合粉末向成形体的成形性下降。由此，有时不能确保烧结合金的密度，烧结合金的耐磨性下降。从这样的观点出发，Mo的含量更优选为0.45～0.55质量％。

1－3.铁合金粉末的粒径

作为铁合金粉末的粒径，可以根据烧结合金的用途、种类等适当地选择，铁合金粉末的粒径优选为20～180μm的范围，进一步优选为44～105μm的范围。再者，本说明书中所说的“粒径”是指依据JIS－Z8801标准测定出的粒径。

在此，在铁合金粉末的粒径小于20μm的情况下，由于其粒径过小，因此有时烧结合金的耐磨性受损。另一方面，在铁合金粉末的粒径超过180μm的情况下，由于其粒径过大，因此有时烧结合金的切削性下降。

2.关于纯铁粉末

成为烧结合金的铁基体的纯铁粉末是由纯铁构成的粉末，在纯铁中，Fe为99质量％以上(更优选为99.9质量％以上)，余量为不可避免的杂质。纯铁粉末是由铁素体组织构成的粉末，在烧结后，变为由铁素体组织和珠光体组织的混合组织构成的铁基体。纯铁粉末可以是气体雾化粉末、水雾化粉末或还原粉末。铁粒子的粒径优选为180μm以下的范围。

3.关于铜粉末

构成铜粉末的Cu，是用于通过在烧结时熔融、在铁基体和铁合金粒子(硬质粒子)中固溶扩散，从而使铁基体的硬度上升、并且使烧结合金的耐蚀性提高的元素。在本实施方式中，铜粉末是由纯铜构成的粉末，在纯铜中，Cu为99质量％以上(更优选为99.9质量％以上)，余量为不可避免的杂质。铜粉末可以采用与上述的纯铁粉末同样的方法制造。铜粉末的粒径优选为10～80μm的范围。

4.关于石墨粉末

构成石墨粉末的C是用于通过在烧结时在铁基体和铁合金粒子(硬质粒子)中固溶扩散，从而使它们的硬度提高、提高淬硬性的元素。石墨粉末可以是由天然石墨和人造石墨中的任一种石墨构成的粉末，也可以是它们混合而得到的粉末。石墨粉末的粒径优选为1～45μm的范围。作为优选的由石墨粒子构成的粉末，可以列举石墨粉末(日本石墨制：CPB－S)等。

5.关于混合粉末的混合比例

以包含纯铁粉末、铁合金粉末、铜粉末和石墨粉末的方式制作混合粉末。在将混合粉末整体设为100质量％时，在混合粉末中，铁合金粉末为15～40质量％的范围，铜粉末为1.2～1.8质量％的范围，石墨粉末为0.5～1.0质量％的范围，余量为纯铁粉末。

5－1.铁合金粉末：15～40质量％

由于在将混合粉末整体设为100质量％时，铁合金粉末为15～40质量％的范围，因此能够利用来自铁合金粉末的由马氏体组织构成的硬质粒子，使烧结合金的耐磨料磨损性提高。另外，能够利用铁合金粉末中含有的Cr来使烧结合金的耐蚀性提高。更优选在将混合粉末整体设为100质量％时，铁合金粉末为15～25质量％的范围。

在相对于混合粉末整体，铁合金粉末的比例小于15质量％的情况下，由于铁合金粉末的比例过少，因此烧结合金中所含有的来自铁合金粉末的硬质粒子(马氏体组织)的量不充分。因此，烧结合金的耐磨性下降。由于铁合金粉末的比例过少，因此烧结合金中的Cr的含量也少，烧结合金的耐蚀性也不充分(例如参照后述的比较例1等)。

另一方面，在相对于混合粉末整体，铁合金粉末超过40质量％的情况下，由于铁合金粉末的比例过多，因此烧结合金中所含有的由马氏体组织构成的硬质粒子的比例过于增加，会降低切削性(例如，参照后述的比较例2等)。

5－2.铜粉末：1.2～1.8质量％

由于相对于混合粉末整体，铜粉末为1.2～1.8质量％的范围，因此能够使铁基体的硬度提高，使烧结合金的耐蚀性提高。更优选的是，在将混合粉末整体设为100质量％时，铜粉末为1.4～1.6质量％的范围。

在相对于混合粉末整体，铜粉末低于1.2质量％的情况下，由于铜粉末的比例过少，因此不能确保烧结合金的铁基体的硬度，在相对于烧结合金发生了金属接触时，有时铁基体产生塑性变形，容易被剥掉，发生粘着磨损。另外，有时不能充分得到由铜带来的耐蚀性的效果，烧结合金的耐蚀性下降(例如参照后述的比较例3等)。

另一方面，在相对于混合粉末整体，铜粉末超过1.8质量％的情况下，由于铜粉末的比例过多，因此在高温使用环境下，由于Cu导致在烧结合金的表面难以形成Mo氧化皮膜等，在相对于烧结合金发生了金属接触时，发生粘着磨损，耐磨性下降(例如参照后述的比较例4、5等)。

5－3.石墨粉末：0.5～1.0质量％

由于相对于混合粉末整体，含有0.5～1.0质量％的石墨粉末，因此能够使铁基体的硬度提高，使烧结时的淬硬性提高，能够提高烧结合金的耐磨性。更优选在将混合粉末整体设为100质量％时，石墨粉末为0.8～0.9质量％的范围。

在相对于混合粉末整体，石墨粉末低于0.5质量％的情况下，由于石墨粉末的比例过少，因此在烧结合金的铁基体中铁素体组织变多，烧结合金的硬度变低。由此，烧结合金的耐磨性下降(例如参照后述的比较例6等)。

另一方面，在相对于混合粉末整体，石墨粉末超过1.0质量％的情况下，由于石墨粉末的比例过多，因此在烧结合金中生成较多的Cr碳化物和Mo碳化物，烧结合金的耐蚀性下降(例如，参照后述的比较例7等)。

6.关于耐磨性铁基烧结合金的制造方法

使用金属模将这样得到的混合粉末压粉成形为成形体。在成形体中以与混合粉末相同的比例包含纯铁粉末、铁合金粉末、铜粉末和石墨粉末。接着，对成形体进行烧结(烧结工序)。

具体而言，在烧结工序中，在将加热温度设为1050℃～1200℃、将加热时间设为10分钟～60分钟的条件下，对成形体进行加热，将在所述条件下加热了的成形体以20℃/分～300℃/分的冷却速度进行冷却。作为烧结气氛，也可以是惰性气体气氛等的非氧化性气氛，作为非氧化性气氛，可列举氮气气氛、氩气气氛、或减压了的气氛(接近真空的气氛)。

由此，碳和铜在来自纯铁粉末的成形体的纯铁粒子、和来自铁合金粉末的成形体的铁合金粒子中固溶扩散。在此，由于铁合金粒子少量地含有Cr和Mo，因此与纯铁粒子相比，淬硬性高。

因此，在加热成形体后将其冷却时，能够使纯铁粒子的组织相变成为铁素体组织和珠光体组织的混合组织，使来自铁合金粉末的铁合金粒子的组织相变成为马氏体组织。

再者，在本实施方式中，纯铁粉末的组织在加热前是铁素体组织，合金粉末的组织在加热前是铁素体组织、或铁素体组织和珠光体组织的混合组织，在烧结时的加热状态下，它们相变成为奥氏体组织。然后，在将被加热了的成形体(烧结合金)冷却时，它们相变成为上述的组织。

这样，由铁素体组织和珠光体组织的混合组织构成的纯铁粒子成为烧结合金的铁基体。另一方面，由马氏体组织构成的铁合金粒子成为烧结合金中所含的的硬质粒子。在此，硬质粒子是比铁基体硬的粒子。

在此，在烧结工序中，在加热温度小于1050℃的情况下，有可能Cu没有成为液相状态，未熔融的Cu残留在烧结合金中，在加热温度超过1200℃的情况下，有可能烧结途中的成形体熔融。

另外，在烧结工序中，在加热时间小于10分钟的情况下，有时成形体的烧结不充分，在烧结时间超过60分钟的情况下，看不到更进一步的烧结性的效果，有时各组织的晶粒生长，烧结合金的强度下降。

在烧结工序中，在冷却速度小于20℃/分的情况下，铁合金粒子的组织难以相变成为马氏体组织，有可能烧结合金的耐磨性下降。另一方面，在冷却速度超过300℃/分的情况下，成为铁基体的纯铁粒子的组织也有可能相变成为马氏体组织，导致烧结合金的切削性下降。

7.关于耐磨性铁基烧结合金

在将烧结合金整体设为100质量％时，这样得到的烧结合金包含C：0.5～1.0质量％、Cr：0.45～1.20质量％、Mo：0.075～0.200质量％、Cu：1.2～1.8质量％，余量包含Fe和不可避免的杂质。另外，在烧结合金中，由马氏体组织构成的硬质粒子分散在由铁素体组织和珠光体组织构成的铁基体中。C和Cu包含在铁基体和硬质粒子中，Cr和Mo至少包含在硬质粒子中。在此，Cr和Mo的大半部分存在于硬质粒子内或其界面，少量的Cr和Mo存在于铁基体的界面附近。在将烧结合金的整体设为100质量％时，含有15.3～40.9质量％的硬质粒子。

7－1.C：0.5～1.0质量％

通过使烧结合金中所含有的C为0.5～1.0质量％，能够提高烧结合金的耐磨性。在C的含量小于0.5质量％的情况下，由于铁基体的碳含量少，因此铁素体组织变多，烧结合金的耐磨性下降。另一方面，在C的含量超过1.0质量％的情况下，会在烧结合金中存在较多的Cr碳化物和Mo碳化物，烧结合金的耐蚀性下降。更优选的是，在将烧结合金设为100质量％时，C的含量为0.8～0.9质量％。

7－2.Cr：0.45～1.20质量％

通过使烧结合金中所含有的Cr为0.45～1.20质量％，能够提高烧结合金的耐磨性和耐蚀性。在Cr的含量小于0.45质量％的情况下，由于Cr的含量过少，因此有时不能充分发挥由Cr带来的耐磨性和耐蚀性的效果。另一方面，在Cr的含量超过1.20质量％的情况下，由于Cr的含量过多，因此有时烧结合金的切削性下降。更优选的是，在将烧结合金设为100质量％时，Cr的含量为0.5～1.0质量％。

7－3.Mo：0.075～0.200质量％

通过使烧结合金中所含有的Mo为0.075～0.200质量％，能够提高烧结合金的耐磨性和耐蚀性。在Mo的含量小于0.075质量％的情况下，由于Mo的含量过少，因此有时不能充分地发挥由Mo碳化物带来的耐磨性，有时不能充分地发挥高温使用环境下的由Mo氧化物带来的固体润滑性。另一方面，在Mo的含量超过0.200质量％的情况下，由于Mo的含量过多，因此有时烧结合金的耐磨性下降。更优选的是，在将烧结合金设为100质量％时，Mo的含量为0.084～0.1833质量％。

7－4.Cu：1.2～1.8质量％

通过使烧结合金中所含有的Cu为1.2～1.8质量％，能够使铁基体的硬度提高，使烧结合金的耐蚀性提高。在Cu的含量小于1.2质量％的情况下，由于Cu的含量过少，因此不能确保烧结合金的铁基体的硬度，在相对于烧结合金发生了金属接触时，有时铁基体塑性变形，容易被剥掉，发生粘着磨损。另外，有时烧结合金的耐蚀性下降。另一方面，在Cu的含量超过1.8质量％的情况下，由于Cu的含量过多，因此在高温使用环境下由于Cu而导致难以在烧结合金的表面形成Mo氧化皮膜等，在相对于烧结合金发生了金属接触时，发生粘着磨损，耐磨性下降。更优选的是，在将烧结合金设为100质量％时，Cu的含量为1.4～1.6质量％的范围。

7－5.硬质粒子：15.3～40.9质量％

以上述的组成为前提，在烧结合金中，由马氏体组织构成的硬质粒子分散在由铁素体组织和珠光体组织构成的铁基体中。如上述那样，硬质粒子是来自铁合金粉末(成形体的铁合金粒子)、且由马氏体组织构成的粒子。再者，铁基体是来自纯铁粉末(成形体的纯铁粒子)、且由铁素体组织和珠光体组织的混合组织构成的基体。再者，硬质粒子由马氏体组织构成，因此比由铁素体组织和珠光体组织的混合组织构成的铁基体硬。

通过使烧结合金中所含有的硬质粒子，相对于烧结合金整体含有15.3～40.9质量％，能够确保烧结合金的耐磨性，并且确保烧结合金的切削性。在烧结合金中所含有的硬质粒子相对于烧结合金整体小于15.3质量％的情况下，由于硬质粒子过少，因此烧结合金的耐磨性下降。另一方面，在硬质粒子相对于混合粉末整体超过40.9质量％的情况下，由于硬质粒子的比例过多，因此烧结合金中所含的由马氏体组织构成的硬质粒子的比例增加，会降低烧结合金的切削性。更优选的是，在将烧结合金设为100质量％时，铁合金粉末为15.3～25.5质量％的范围。

8.耐磨性铁基烧结合金的应用

采用上述的制造方法得到的烧结合金，在高温使用环境下的机械强度以及耐磨性比以往的烧结合金高。例如，能够很适合地应用于处于高温的使用环境下的以压缩天然气或液化石油气为燃料的内燃机的阀系(例如阀座、阀导承)、涡轮增压器的废气旁通阀(waste gate valve)。

例如，在用烧结合金形成了内燃机的排气阀的阀座的情况下，即使呈现了阀座与阀接触时的粘着磨损、和双方滑动时的磨料磨损混合的磨损形态，也能够使这些的阀座的耐磨性比以往更进一步提高。特别是，在以压缩天然气或液化石油气为燃料的使用环境下，难以形成Mo氧化皮膜，但即使在这样的环境下，也能够降低所述粘着磨损。

以下，针对具体地实施本发明的实施例，与比较例一同进行说明。

〔实施例1：铁合金粉末的最适量(下限值)〕

使用以下所示的制造方法制造了实施例1涉及的烧结合金。作为纯铁粉末，准备了雾化铁粉(へガネス公司制：ASC100.29)。纯铁粉的粒径为20～180μm。作为铁合金粉末，准备了在将铁合金粉末整体设为100质量％时包含Cr：3.0质量％、Mo：0.5质量％、余量为Fe和不可避免的杂质(Fe－3.0Cr－0.5Mo)、采用雾化法制造出的铁合金粉末(へガネス公司制)。铁合金粉末的粒径为180μm以下。而且，准备了铜粉末(福田金属箔粉工业公司制：CE－20－NP)和石墨粉末(日本石墨工业制：CPB－S)。

由这些粉末以表1所示的比例进行混合，制作了混合粉末。具体而言，混合粉末通过将下述比例的各粉末用V型混合器混合30分钟而制作出，在将混合粉末整体设为100质量％时，铁合金粉末为15质量％，铜粉末为1.5质量％，石墨粉末为0.7质量％，其余量为纯铁粉末(具体而言，为82.8质量％)。

接着，使用成形模，将所得到的混合粉末根据后述的各试验，以784MPa的加压力压粉成形为呈环形形状的试样(成形体)。通过在1120℃的惰性气氛(氮气气氛)中将压粉成形体加热60分钟，并以50℃/分的冷却速度进行冷却，从而进行烧结，制作出实施例1涉及的烧结合金的试样。

〔实施例2：铁合金粉末的最适量(上限值)〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。实施例2是用于评价铁合金粉末的最适量的实施例。实施例2与实施例1不同的点是，如表1所示，以相对于混合粉末整体为40质量％的比例添加了铁合金粉末。

〔实施例3、4：铜粉末的最适量〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。实施例3、4是用于评价铜粉末的最适量的实施例。实施例3、4与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体为20质量％的比例添加了铁合金粉末。而且，实施例3、4与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体依次为1.2质量％、1.8质量％的比例添加了铜粉末。

〔实施例5、6：石墨粉末的最适量〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。实施例5、6是用于评价石墨粉末的最适量的实施例。实施例5、6与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体为20质量％的比例添加了铁合金粉末。而且，实施例5、6与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体依次为0.5质量％、1.0质量％的比例添加了石墨粉末。

〔比较例1、2：铁合金粉末的最适量的比较例〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。比较例1、2是用于评价铁合金粉末的最适添加量的比较例。比较例1、2与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体依次为5质量％、60质量％的比例添加了铁合金粉末。

〔比较例3～5：铜粉末的最适量的比较例〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。比较例3～5是用于评价铜粉末的最适添加量的比较例。比较例3～5与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体为20质量％的比例添加了铁合金粉末。而且，比较例3～5与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体依次为0.5质量％、3.0质量％、9.0质量％的比例添加了铜粉末。

〔比较例6、7：石墨粉末的最适量的比较例〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。比较例6、7是用于评价石墨粉末的最适添加量的比较例。比较例6、7与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体为20质量％的比例添加了铁合金粉末。比较例6、7与实施例1不同的点如表1所示，以相对于混合粉末整体依次为0.3质量％、1.5质量％的比例添加了石墨粉末。

〔比较例8〕

与实施例1同样地制作了烧结合金的试样。比较例8与实施例1不同的点是使用了下述混合粉末，在所述混合粉末中，含有相对于混合粉末整体为10质量％的比例的铁合金粉末(Fe-75Mo)、为6.0质量％的比例的钴粉末、为6.0质量％的比例的镍粉末、为0.5质量％的比例的石墨粉末、和其余量的纯铁粉。再者，铁合金粉末(Fe－75Mo)是含有相对于铁合金粉末整体为75质量％的Mo的粉末。比较例8是以往制造的烧结合金。

＜耐磨性试验＞

使用图1所示的试验机，对实施例1～6及比较例1～8涉及的烧结合金的阀座的试样进行耐磨性试验，评价了它们的耐磨性。在该试验中，如图1所示，使用丙烷气体燃烧器10作为加热源，将由烧结合金构成的环形形状的阀座(试样)12和阀13的阀面14之间的滑动部设为丙烷气体燃烧气氛。阀面14是对SUH3(SEA标准)进行了氮化处理的阀面。将阀座12的表面温度控制为200℃，利用弹簧16在阀座12和阀座14接触时赋予25kgf的载荷，以3250次/分的比例使阀座12和阀面14相接触来进行了8小时的磨损试验。测定了磨损试验后的阀座12和阀面14的轴向的磨损深度的总计量来作为轴向磨损量(磨损量)。在表1中示出其结果。再者，在表1中，对于实施例1～6及比较例1～7算出了以比较例8的磨损量为基准的磨损量比。

图5是表示实施例1～4及比较例1、2涉及的铁合金粉末的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的磨损量比的关系的图。图7是表示实施例3～5及比较例3～5涉及的烧结合金的Cu添加量与以比较例8为基准的烧结合金的磨损量比的关系的图。

＜切削性评价试验＞

使用图2所示的试验机，对实施例1～6及比较例1～8涉及的烧结合金的试样进行切削性评价试验，评价了它们的切削性。在该试验中，对于实施例1～6及比较例1～8分别准备了6个外径30mm、内径22mm、全长9mm的试样21。使用数控车床(NC车床)，采用被覆有氮化钛铝的超硬的刀具22，对以转速970rpm旋转的试样21以进刀量0.3mm、进给量0.08mm/rev、切削距离320m、湿式的条件来进行纵向进给切削。然后，利用光学显微镜，测定了刀具22的后隙面的最大磨损深度来作为刀具磨损量。在表1中示出其结果。

＜腐蚀性评价试验＞

使用图3所示的试验机，对实施例1～6及比较例1、3、6～8涉及的烧结合金的试样进行腐蚀性评价试验，评价了它们的腐蚀性。具体而言，实施例1～6和比较例1、3、6～8的每一例都准备了外径29.21mm、内径20mm、长度6.5mm的环状的试样31。如图3所示，将准备的试样31悬吊于梁33上，在悬吊于梁33上的状态下，将试样31浸渍在容器32内的腐蚀液L(pH2.62)中，用盖34盖住容器32。将浸渍条件设为1小时、70℃的条件，在该条件下浸渍后，将试样31在大气中放置15分钟。从将试样浸渍到腐蚀液中起到放置在大气中为止作为一个周期，对各试样进行了25个周期的腐蚀。测定实施25个周期之前和实施之后的重量变化，将其作为腐蚀减量。再者，在表1中，对于实施例1～6及比较例1、3、6，7，算出了以比较例8的腐蚀减量为基准的腐蚀减量比。在表1中示出其结果。

再者，图6是表示实施例1～4及比较例1涉及的铁合金粉末的添加量与以比较例8为基准的烧结合金的腐蚀减量比的关系的图。图8是表示实施例3～5及比较例3涉及的烧结合金的Cu添加量与以比较例8为基准的烧结合金的腐蚀减量比的关系的图。图9是表示实施例4～6及比较例6、7涉及的烧结合金的C添加量与烧结合金的以比较例8为基准的磨损量比的关系的图。

＜组织观察和硬质粒子的比例＞

用显微镜观察了实施例1和2的试样的组织照片。其结果示于图4A和图4B。图4A是实施例1涉及的烧结合金的组织照片，图4B是实施例2涉及的烧结合金的组织照片。从图4A和图4B可知，在烧结合金中分散有由马氏体组织(照片中的黑色部分)构成的硬质粒子。另外，铁基体的组织是铁素体组织和珠光体组织的混合组织(照片中的灰色和白色部分)。

如上述那样，由于为了提高淬硬性而使铁合金粉末含有Cr和Mo，因此硬质粒子来自铁合金粉末。进而，Cu和C在烧结时均匀地分散在烧结合金中，Cr以及Mo进行合金化而保持在铁合金粒子中，因此如以下那样进行计算。

首先，算出了铁合金粉末的比例(质量％)相对于混合粉末中所添加的纯铁粉末的比例(质量％)和铁合金粉末的比例(质量％)的合计量之比。接着，该比乘以混合粉末中所添加的铜粉末的比例(质量％)和石墨粉末的比例(质量％)的合计量，从而算出了在铁合金粒子中扩散的Cu和C的比例(质量％)。将铁合金粒子的比例(质量％)与在其中扩散的Cu以及C的比例(质量％)相加所得的值作为硬质粒子相对于烧结合金的比例(质量％)。在表1中示出其结果。

根据这些的混合粉末中所添加的各粉末的比例，算出了烧结合金中所含的各成分的含量。在表1中示出其结果。由表1可以明确，实施例1～6涉及的烧结合金的各成分的含量满足本发明涉及的烧结合金的各成分的含量的范围(C：0.5～1.0质量％，Cr：0.45～1.20质量％，Mo：0.075～0.200质量％，Cu：1.2～1.8质量％)。

表1

(结果1：铁合金粉末(硬质粒子)的最适量)

如图5所示，实施例1～4涉及的烧结合金的磨损量比，小于比较例1的烧结合金的磨损量比。这是因为，实施例1～4，与比较例1相比，通过在混合粉末中添加了更多的铁合金粉末，烧结合金中所含的硬质粒子的比例多的缘故。从这一点来看，铁合金粉末的添加量，相对于混合粉末整体为15质量％以上即可，烧结合金的硬质粒子的比例，相对于烧结合金为15.3质量％以上即可(参照实施例1等)。除此以外，可以认为，比较例1的烧结合金由于Mo少，因此在高温使用时难以在烧结合金的表面形成Mo氧化物，因而也不能期待Mo氧化物的作为固体润滑剂的效果。从这一点来看，烧结合金中所含的Mo的含量为0.075质量％以上即可(参照实施例1等)。

如图6所示，实施例1～4涉及的烧结合金的腐蚀减量比，大于比较例1的烧结合金的腐蚀减量比。这是因为，比较例1，与实施例1～4相比，通过在混合粉末中添加了更多的铁合金粉末，会在烧结合金的表面形成由烧结合金中所含的Cr来构建的钝态膜，烧结合金的耐蚀性提高。从这一点来看，烧结合金中所含的Cr的含量为0.45质量％以上即可(参照实施例1等)。

另一方面，比较例2涉及的烧结合金，在切削性评价试验中产生了刀具的缺损以及折损(参照表1)。这是因为，比较例2由于铁合金粉末的比例过多，因此烧结合金中所含的由马氏体组织构成的硬质粒子的比例过多的缘故。从这一点来看，铁合金粉末的添加量相对于混合粉末整体为40质量％以下即可，烧结合金的硬质粒子的比例，相对于烧结合金为40.9质量％以下即可(参照实施例2等)。

(结果2：铜粉末(Cu)的最适量)

如图7所示，实施例3～5涉及的烧结合金的磨损量比小于比较例4、5的烧结合金的磨损量比。可以认为这是因为，比较例4、5，与实施例3～5相比，由于在混合粉末中添加了较多的铜粉末，因此在高温使用环境下起因于Cu难以在烧结合金的表面形成Mo氧化皮膜等的缘故。由此，可以认为，比较例4、5涉及的烧结合金，通过与作为对手材料的阀之间的金属接触，发生了粘着磨损。从这一点来看，铜粉末的添加量相对于混合粉末整体为1.8质量％以下即可，Cu相对于烧结合金的含量为1.8质量％以下即可(参照实施例4等)。

另一方面，如图8所示，实施例3～5涉及的烧结合金的腐蚀减量比，小于比较例3的烧结合金的腐蚀减量比。这是因为，比较例3与实施例3～5相比，在混合粉末中所添加的铜粉末过少，因此不能充分地呈现由Cu带来的耐蚀性的缘故。

另外，比较例3在耐磨性试验中发生了粘着磨损。可以认为这是因为，不能够通过Cu来确保烧结合金的铁基体的硬度，通过与作为对手材料的阀之间的金属接触，铁基体发生塑性变形，表面被剥掉的缘故。从这一点来看，铜粉末的添加量相对于混合粉末整体为1.2质量％以上即可，Cu相对于烧结合金的含量为1.2质量％以上即可(参照实施例3等)。

(结果3：石墨粉末(C)的最适量)

如图9所示，实施例4～6涉及的烧结合金的磨损量比，小于比较例6的烧结合金的磨损量比。这是因为，比较例6与实施例4～6相比，在混合粉末中所添加的石墨粉末过少，因此在烧结时的铁基体中难以生成珠光体组织。由此，可以认为由于烧结合金的铁基体的铁素体组织变多，因此烧结合金的硬度变低，烧结合金的耐磨性下降。从这一点来看，石墨粉末的添加量相对于混合粉末整体为0.5质量％以上即可，C相对于烧结合金的含量为0.5质量％以上即可(参照实施例5等)。

如表1所示，实施例4～6涉及的烧结合金的腐蚀减量比小于比较例7的烧结合金的腐蚀减量比。可以认为这是因为，比较例7与实施例4～6相比，在混合粉末中所添加的石墨粉末过多，因此在烧结合金中生成较多的Cr碳化物和Mo碳化物，烧结合金的耐蚀性下降。从这一点来看，石墨粉末的添加量相对于混合粉末整体为1.0质量％以下即可，C相对于烧结合金的含量为1.0质量％以下即可。

而且，如表1所示，实施例1～6涉及的烧结合金，与比较例8的烧结合金相比，磨损量比小，腐蚀减量比也小，刀具磨损量也小。根据这样的结果可以说，实施例1～6不像比较例8之类的以往的烧结合金那样使用Ni、Co等就能够以低成本使耐蚀性和耐磨性提高。

以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不被上述的实施方式限定，能够进行各种的设计变更。

Claims (3)

1.一种耐磨性铁基烧结合金的制造方法，其特征在于，包括：

由包含纯铁粉末、铁合金粉末、铜粉末和石墨粉末的混合粉末压粉成形出成形体的成形工序；和

对所述成形体进行烧结的烧结工序，

在将所述铁合金粉末整体设为100质量％时，所述铁合金粉末包含Cr：2.5～3.5质量％、Mo：0.4～0.6质量％，余量包含Fe以及不可避免的杂质，

在将所述混合粉末整体设为100质量％时，在所述混合粉末中，所述铁合金粉末为15～40质量％，所述铜粉末为1.2～1.8质量％，所述石墨粉末为0.5～1.0质量％，余量为纯铁粉末，

在所述烧结工序中，使来自所述纯铁粉末的组织成为铁素体组织和珠光体组织的混合组织，使来自所述铁合金粉末的组织成为马氏体组织。

2.根据权利要求1所述的耐磨性铁基烧结合金的制造方法，其特征在于，

在所述烧结工序中，在将加热温度设为1050℃～1200℃、将加热时间设为10分钟～60分钟的条件下对所述成形体进行加热，将在所述条件下加热了的所述成形体以20℃/分～300℃/分的冷却速度冷却。

3.一种耐磨性铁基烧结合金，其特征在于，包含C：0.5～1.0质量％、Cr：0.45～1.20质量％、Mo：0.075～0.200质量％、Cu：1.2～1.8质量％，余量包含Fe以及不可避免的杂质，

在所述耐磨性铁基烧结合金中，由马氏体组织构成的硬质粒子分散在由铁素体组织和珠光体组织的混合组织构成的铁基体中，

所述C和所述Cu包含在所述铁基体和所述硬质粒子中，

所述Cr和所述Mo至少包含在所述硬质粒子中，

在将所述耐磨性铁基烧结合金的整体设为100质量％时，含有15.3～40.9质量％的所述硬质粒子。