CN111344090B

CN111344090B - 粉末冶金用混合粉

Info

Publication number: CN111344090B
Application number: CN201880073768.8A
Authority: CN
Inventors: 吉田真规; 高松洋平
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: CA3089506A1; EP3744441A4; EP3744441A1; CN111344090A; BR112020014533B1; US20210060640A1; TW201936942A; JP2019127654A; BR112020014533A2; BR112020014533B8; TWI694157B; JP6929259B2

Abstract

本发明是粉末冶金用混合粉，以铁基粉末为主体，含有CaS、MnS和MoS₂中的任意一种以上的硫化物的粉末，和0.005质量％以上且0.025质量％以下的氧化镁的粉末，上述氧化镁的平均粒径(D50)为0.5μm以上且5.0μm以下。

Description

粉末冶金用混合粉

技术领域

本发明涉及粉末冶金用混合粉。

背景技术

在粉末冶金中，通过烧结铁基粉末，能够得到例如网状等的复杂形状的烧结体。这样的烧结体，例如可作为汽车零件等的结构用零件利用。在提高零件的尺寸精度的要求的高涨中，需要对于烧结体再实施切削加工，从而进一步提高尺寸精度。

另外，削减零件的制造成本的要求也很大，因此切削加工的成本削减也受到重视。在切削加工中，通过延长切削工具的寿命，可以抑制成本，但上述这样的烧结体可切削性差，切削工具的寿命有变短的倾向。

因此，使用在铁基粉末中混合有提高可切削性而延长切削工具的寿命的添加材的粉末冶金用混合粉。具体来说，作为提高可切削性的添加材(可切削性改善材)，可利用例如硫化锰(MnS)、硫(S)等的粉末。这些可切削性改善材，作为降低切削时的阻力的润滑剂发挥功能，或具有作为切屑断开的起点的作用，延长切削工具的寿命。

一般来说，粉末冶金用混合粉中的可切削性改善材的含量越大，所形成的烧结体的可切削性越提高，切削工具寿命越长。但是，若加大可切削性改善材的含量，则烧结材料的径向抗压强度等的力学特性恶化，或发生因烧结前后的尺寸变化率发生变化而需要重新做成形模具这样的问题。因此，一般来说，粉末冶金用混合粉中的可切削性改善材的含量为0.3质量％至0.5质量％左右。

另外，从切削加工的低成本化和生产率提高的要求出发，切削速度的高速化的需求大，但上述的可切削性改善材，高速切削时的效果比较小。作为可切削性改善材而添加硫化物0.3质量％以上时，烧结时硫蒸发，也会产生污染烧结体的外观，或污染烧结炉内而容易对烧结炉造成损害这样的问题。

例如在日本特开平9－279204号公报中，提出有一种含有0.02～0.3重量％的CaO－Al₂O₃－SiO₂系复合氧化物的粉末的粉末冶金用铁系混合粉。在上述公报中记述有通过使用以Ca为主体的复合氧化物，可以实现降低烧结体的力学特性恶化，防止烧结体的污染和烧结炉的损伤，降低高速切削下的切削工具磨损。

但是，由于对零件的尺寸精度提高和低成本化的要求的进一步提高，要求可切削性更优异的粉末冶金用混合粉。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开平9－279204号公报

发明内容

鉴于上述实际情况，本发明的课题在于，提供一种能够形成可切削性优异的烧结材的粉末冶金用混合粉。

为了解决上述课题而形成的本发明的一个方式的粉末冶金用混合粉，以铁基粉末为主体，含有CaS、MnS和MoS₂中的任意一种以上的硫化物的粉末，和0.005质量％以上且0.025质量％以下的氧化镁的粉末，上述氧化镁的平均粒径D50为0.5μm以上且5.0μm以下。

在该粉末冶金用混合粉中，认为上述硫化物作为润滑剂发挥功能，并且生成使粒径比较小的氧化镁粒子附着于切削工具的表面的氧化物，从而抑制切削工具被烧结体中硬的氧化物等切削。因此，烧结该粉末冶金用混合粉所形成的烧结材，可切削性优异，能够使切削工具的寿命比较长。

在该粉末冶金用混合粉中，优选上述硫化物的合计含量为0.04质量％以上且0.20质量％以下。据此构成，能够抑制烧结该粉末冶金用混合粉所形成的烧结材的力学特性等降低。

在此，所谓“铁基粉末”，意思是纯铁粉、铁合金粉或它们的混合粉。另外，所谓“为主体”，意思是含有90质量％以上。所谓“平均粒径D50”，意思是由激光衍射散射法测量的粒径分布中累计体积为50％的粒径。

如以上，本发明的粉末冶金用混合粉，能够形成可切削性优异的烧结材。

具体实施方式

以下，详细说明本发明的实施方式。

[粉末冶金用混合粉]

本发明的一个实施方式的粉末冶金用混合粉，以铁基粉末为主体，含有硫化物的粉末和氧化镁(MgO)的粉末。另外，该粉末冶金用混合粉，例如也可以还含有铜粉、石墨粉、粉末润滑剂等。

＜铁基粉末＞

作为该粉末冶金用混合粉的构成主体的铁基粉末，未特别限定，例如能够使用还原铁基粉末、雾化铁基粉末、电解铁基粉末等。

另外，作为铁基粉末，不限于纯铁粉，例如还能够使用将合金元素预合金化的钢粉(预合金钢粉)、合金元素被部分合金化的钢粉(部分合金化钢粉)等，也可以使用将这些多种混合的粉末。作为上述合金元素，例如能够含有铜、镍、铬、钼、硫等改善烧结体的特性的已知的元素。

作为铁基粉末的平均粒径D50，只要是能够作为粉末冶金用主原料粉末使用的大小即可，没有特别限定，例如能够为40μm以上且120μm以下。

＜硫化物的粉末＞

在烧结该粉末冶金用混合粉而得到的烧结体中，硫化物以该粒子状态残留。这些硫化物因为比作为烧结体的主体的铁基体柔软，所以会提高烧结体的可切削性，并且具有润滑性而减轻切削时的摩擦，因此延长了切削工具的寿命。

另外，烧结体中的硫化物，在切削速度大时，由于切削时的放热导致脱硫而生成氧化物。该氧化物被认为附着在切削工具的表面而形成保护切削工具的皮膜，并且成为使非常硬的氧化镁附着于切削工具的表面的粘合剂。

作为如上述这样能够高效率地提高可切削性，使氧化镁附着的硫化物，可使用CaS、MnS和MoS₂中的任意一种以上。

作为硫化物的合计含量的下限，优选为0.04质量％，更优选为0.06质量％。另一方面，作为硫化物的合计含量的上限，优选为0.20质量％，更优选为0.18质量％。硫化物的合计含量低于上述下限时，有可能不能充分地提高可切削性。反之，硫化物的合计含量高于上述上限时，烧结该粉末冶金用混合粉所得到的烧结体的力学特性有可能恶化。

作为CaS和MnS等的硫化物的平均粒径D50的下限，优选为1.0μm，更优选为1.5μm。另一方面，作为硫化物的平均粒径D50的上限，优选为10μm，更优选为8μm。这些硫化物的平均粒径D50低于上述下限时，有可能难以使之均等地分散在该粉末冶金用混合粉中，或有可能造成该粉末冶金用混合粉不必要的高价。反之，这些硫化物的平均粒径D50高于上述上限时，有可能不能充分提高烧结该粉末冶金用混合粉所得到的烧结体的可切削性。

＜氧化镁的粉末＞

氧化镁在化学上是稳定的硬的材料。因此，氧化镁的粉末，在烧结该粉末冶金用混合粉所得到的烧结体中也作为微粒子存在。该氧化镁的微粒子，借助由上述硫化物所产生的氧化物而附着于切削工具的表面，保护切削工具，提高烧结体的可切削性。

作为氧化镁的含量的下限，为0.005质量％，优选为0.010质量％。另一方面，作为氧化镁的含量的上限，为0.025质量％，优选为0.020质量％。氧化镁的含量低于上述下限时，有可能不能减少切削工具的磨损。反之，氧化镁的含量高于上述上限时，烧结时的尺寸变化率有可能变大，或烧结体的例如径向抗压强度等的力学特性有可能不充分。

作为氧化镁的平均粒径D50的下限，为0.5μm，优选为0.7μm。另一方面，作为氧化镁的平均粒径D50的上限，为5.0μm，优选为3.0μm。氧化镁的平均粒径D50低于上述下限时，MgO的凝集形成。另外，有可能不容易使之均等地分散在该粉末冶金用混合粉中。此外，使重量比率一定时，MgO的粒子数变多，存在于铁粉粒子与铁粉粒子的边界的MgO增加，因此阻碍烧结。其结果是，尺寸变化率有可能变大，或径向抗压强度等的力学特性有可能不充分。另一方面，氧化镁的平均粒径D50高于上述上限时，阻碍烧结而有可能招致强度降低，或使切削工具残缺而加速磨损，或氧化镁粒子不能附着于切削工具，从而切削工具的寿命有可能变短，或有可能使加工精度降低。总之，如果是粒径充分小的氧化镁，则不会对切削工具造成加速磨损这样大的损害，氧化镁能够附着于切削工具的表面而延长切削工具的寿命。

＜铜粉＞

铜粉作为结合铁基粉末粒子彼此的粘合剂发挥功能，提同烧结该粉末冶金用混合粉而得到的烧结体的强度。

作为该铜粉，能够广泛使用粉末冶金用中所使用的材料，例如能够使用电解铜粉、雾化铜粉等。

铜粉也可以单纯混合在铁基粉末中，但也可以使用粘合剂使之附着于铁基粉末表面，也可以与铁基粉末混合进行热处理，从而使之扩散附着于铁基粉末表面。

作为铜粉的含量的下限，虽然也根据烧结体所要求的强度或硬度来确定，但优选为0.8质量％，更优选为1.0质量％。另一方面，作为铜粉的含量的上限，优选为5.0质量％，更优选为3.0质量％，特别优选为2.0质量％。铜粉的含量低于上述下限时，烧结体的强度提高效果有可能不充分。反之，铜粉的含量高于上述上限时，则阻碍碳的扩散，烧结体的强度有可能不充分。

作为铜粉的平均粒径D50的下限，优选为5μm，更优选为10μm。另一方面，作为铜粉的平均粒径D50的上限，优选为50μm，更优选为40μm。铜粉的平均粒径D50低于上述下限时，有可能难以使之均等地分散在该粉末冶金用混合粉中，或该粉末冶金用混合有可能成为不必要的高价。反之，若铜粉的平均粒径D50高于上述上限，则有可能不能充分提高烧结该粉末冶金用混合粉所得到的烧结体的强度。

＜石墨粉＞

石墨粉在该粉末冶金用混合粉的烧结时与铁反应而形成硬的珠光体相，由此提高得到的烧结体的强度。

作为石墨粉，例如能够使用天然石墨粉、人造石墨粉等。

石墨粉也可以单纯混合在铁基粉末中，但也可以使用粘合剂使之附着在铁基粉末表面。

作为石墨粉的含量的下限，优选为0.2质量％，更优选为0.5质量％。另一方面，作为石墨粉的含量的上限，优选为1.5质量％，更优选为1.0质量％。石墨粉的含量低于上述下限时，烧结体的强度提高效果有可能不充分。反之，石墨粉的含量高于上述上限时，烧结体的韧性有可能不充分。

作为石墨粉的平均粒径D50的下限，优选为1μm，更优选为3μm。另一方面，作为石墨粉的平均粒径D50的上限，优选为30μm，更优选为20μm。石墨粉的平均粒径D50低于上述下限时，有可能难以使之均等分散在该粉末冶金用混合粉中，或该粉末冶金用混合粉有可能成为不必要的高价。反之，石墨粉的平均粒径D50高于上述上限时，在烧结该粉末冶金用混合粉得到的烧结体中发生偏析，有可能不能充分地提高强度。

＜粉末润滑剂＞

粉末润滑剂，在对于该粉末冶金用混合粉进行压粉成形时降低粒子间的摩擦而提高成形性，延长模具寿命。该粉末润滑剂在烧结时蒸发乃至热分解而消失。

作为粉末润滑剂，例如可使用硬脂酸锌等的金属皂类，乙撑双酰胺等的非金属皂类等的粉末。

作为粉末润滑剂的含量的下限，优选为0.2质量％，更优选为0.5质量％。另一方面，作为粉末润滑剂的含量的上限，优选为1.5质量％，更优选为1.0质量％。粉末润滑剂的含量低于上述下限时，该粉末冶金用混合粉的压粉成形性有可能不充分。反之，粉末润滑剂的含量高于上述上限时，压粉后烧结该粉末冶金用混合粉所得到的密度变低，烧结体的强度有可能不充分。

作为粉末润滑剂的平均粒径D50的下限，优选为3μm，更优选为5μm。另一方面，作为粉末润滑剂的平均粒径D50的上限，优选为50μm，更优选为30μm。粉末润滑剂的平均粒径D50低于上述下限时，有可能难以使之均等地分散在该粉末冶金用混合粉中，或该粉末冶金用混合粉有可能成为不必要的高价。反之，粉末润滑剂的平均粒径D50高于上述上限时，有可能不能使烧结该粉末冶金用混合粉所得到的烧结体的强度充分提高。

＜优点＞

在该粉末冶金用混合粉中，认为硫化物作为润滑剂发挥功能，并且生成使粒径小的氧化镁粒子附着于切削工具的表面的氧化物，抑制切削工具被烧结体中的硬的氧化物等切削。因此，烧结该粉末冶金用混合粉所形成的烧结材，可切削性优异，能够使切削工具的寿命比较长。

[其他的实施方式]

上述实施方式，不限定本发明的构成。因此，上述实施方式，可以基于本说明书的记述和技术常识，对上述实施方式各部的构成要素进行省略、置换或追加，这些全部应解释为属于本发明的范围。

【实施例】

以下，基于实施例详述本发明，但并非基于该实施例的记述而限定性地解释本发明。

按下面表1所示的比例，在铁基粉末中混合铜粉、石墨粉、可切削性改善材、氧化镁、粉末润滑剂，制作粉末冶金用混合粉No.1～15。还有，表中的“－”表示没有调合该材料。

还有，作为铁基粉末，使用神户制钢所社的平均粒径D50为70μm的雾化纯铁粉“アトメル300M”。作为铜粉，使用福田金属箔粉工业社的筛网为250μm的水雾化铜粉“CuAtW－250”。作为石墨粉，使用日本石墨工业社的平均粒径D50约为23μm的“CPB”。作为MnS和CaS，使用将平均粒径D50为2.4μm的石膏(CaSO₄)在氢等的还原气体气氛中进行了还原的平均粒径D50为4.9μm的硫化钙(表中的“CaS”)，或平均粒径D50为4.9μm的硫化锰(表中的“MnS”)。作为氧化镁使用的有：平均粒径D50为0.7μm的、平均粒径D50为2.5μm的、或平均粒径D50为3.2μm的。作为粉末润滑剂，使用平均粒径D50为27μm的乙撑双酰胺系蜡。

【表1】

对于上述粉末冶金用混合粉No.1～15，分别用模具进行压粉成形，制成外径64mm、内径24mm、高20mm的环状的成形体。还有，压粉成形以成形体的密度达到7.00g/cm³的方式设定条件。将所得到的成形体，在含有10体积％的氢气的氮气气氛下以温度1120℃烧结60分钟，得到烧结体。

测量各试制品在烧结时的尺寸变化率(成形体基准和模具基准)、径向抗压强度和洛氏硬度(B标尺)。另外，将10个各试制品的烧结体重叠，进行对其侧面实施车削加工的试验。作为切削工具，使用的是采用了三菱マテリアル社的金属陶瓷“NX2525”的刀片“SNMN120408”。另外，作为切削条件为，圆周速度200m/分钟、进刀量0.15mm/pass、送给量0.08mm/rev，进行干式切削，切削5287m。

测量上述车削试验后的切削工具的后刀面的平行磨损宽度(flank磨损宽度Vb)。

测量上述车削试验后的烧结体的切削加工面的表面粗糙度Ra(算术平均粗糙度)和Rz(最大高度)。该表面粗糙度的测量，使用ミツトヨ社的表面粗糙度测量仪“SJ－410”，使截止值为λc＝0.8mm、λs＝2.5μm，测量长度为5.0mm，测量3处并计算其平均值。

上述的各测量值一并显示在以下表2中。

【表2】

烧结含有硫化物和0.010质量％以上且0.020质量％以下的氧化镁，氧化镁的平均粒径D50为0.5μm以上且5.0μm以下的粉末冶金用混合粉No.1～3、5、7、8、11、13所得到的烧结体，成形性和机械的强度充分，且切削工具的磨损小。

此外，对于由No.1、5、8、13、14、15制成的烧结体，进行用钻头实行开孔的试验。作为上述钻头，使用OSG社的直径3.8mm的超硬涂层钻“AD－4D”。作为加工条件，钻头的圆周速度为2m/min(4358rpm)，进给速度为450mm/min(0.103mm/rev)，作为切削油，则一边对烧结体浇ユシロ化学工业社的水溶性油剂“ユシローケンEC50”一边进行切削。为了获取切削距离，形成180处深10mm的非贯通孔。

在上述开孔试验中，每次形成30处非贯通孔，测量钻头的后刀面磨损宽度(flank磨损宽度Vb)。该测量结果显示在以下的表3中。

【表3】

后刀面磨损宽度[μm]

烧结含有硫化物和氧化镁的粉末冶金用混合粉No.1、5、8、13所得到的烧结体，与烧结不含有硫化物和氧化镁这两种的粉末冶金用混合粉No.14所得到的烧结体，和烧结含有硫化物但不含有氧化镁的粉末冶金用混合粉No.15所得到的烧结体比较，切削工具的磨损小。

按下面表4所示的比例，在铁基粉末中混合铜粉、石墨粉、可切削性改善材、氧化镁、粉末润滑剂，制作粉末冶金用混合粉No.16～32。还有，表中的“－”表示没有调合该材料。

还有，作为铁基粉末、铜粉、石墨粉、氧化镁和粉末润滑剂，使用的与上述粉末冶金用混合粉No.1～15相同。另外，作为可切削性改善材，使用与上述粉末冶金用混合粉No.1～15相同的硫化锰，以及通过了100目的金属丝网的平均粒径D50为46.1μm的硫(表中的“S”)和平均粒径D50为13.5μm的硫化铁(表中的“FeS”)。

【表4】

对于上述粉末冶金用混合粉No.16～32，分别与上述粉末冶金用混合粉No.1～15同样以模具进行压粉成形，由此制成环状的成形体，将所得到的成形体在含有10体积％的氢气的氮气气氛下，以温度1130℃烧结60分钟，得到烧结体。

测量各试制品的烧结时的尺寸变化率(成形体基准和模具基准)、径向抗压强度、和洛氏硬度(B标尺)。另外，将10个各试制品的烧结体重叠，进行对其侧面实施车削加工的试验。作为切削工具，使用采用了住友电工社的立方晶氮化硼“BN7500”的刀片“2NU－CNGA120408LF”。另外，作为切削条件为，圆周速度200m/分钟、进刀量0.1mm/pass、送给量0.1mm/rev，进行干式切削，切削2735m。

上述的各测量值一并显示在以下的表5中。

【表5】

烧结含有硫化物和0.010质量％以上且0.020质量％以下的氧化镁，氧化镁的平均粒径D50为0.5μm以上且5.0μm以下的粉末冶金用混合粉No.16～19、22～25所得到的烧结体，成形性和机械的强度充分，且切削工具的磨损小。

按下面表6所示的比例，在铁基粉末中混合铜粉、石墨粉、可切削性改善材、氧化镁、粉末润滑剂，制作粉末冶金用混合粉No.33～39。还有，表中的“－”表示没有调合该材料。

还有，作为铁基粉末、铜粉、石墨粉、氧化镁和粉末润滑剂，使用的与上述粉末冶金用混合粉No.1～15相同。另外，作为可切削性改善材，使用与上述粉末冶金用混合粉No.1～15相同的硫化锰以及平均粒径D50为5.0μm的二硫化钼(表中的“MoS₂”)。

【表6】

对于上述粉末冶金用混合粉No.33～39，分别与上述粉末冶金用混合粉No.16～32同样以模具进行压粉成形，制成环状的成形体，以No.16～32同样的条件烧结所得到的成形体，得到烧结体。

测量各试制品的烧结时的尺寸变化率(成形体基准和模具基准)、径向抗压强度、以及洛氏硬度(B标尺)。另外，将10个各试制品的烧结体重叠，进行对其侧面实施车削加工的试验。作为切削工具，使用提采用了住友电工社的立方晶氮化硼“BN7500”的刀片“2NU－CNGA120408LF”。另外，作为切削条件为，圆周速度200m/分钟、进刀量0.1mm/pass、送给量0.1mm/rev，进行干式切削，切削2735m。

上述的各测量值一并显示在以下的表7中。

【表7】

烧结含有硫化物和0.010质量％以上且0.020质量％以下的氧化镁的粉末冶金用混合粉No.33～37所得到的烧结体，成形性和机械强度充分，且切削工具的磨损小。另外，若比较No.33和No.34，则作为硫化物使用了二硫化钼的No.34，与作为硫化物使用了硫化锰的No.33相比，后刀面的平行磨损宽度抑制得小。此外，作为硫化物使用了硫化锰和二硫化钼这两种的No.35～37，与作为硫化物只使用了硫化锰和二硫化钼的任意一方的No.33和No.34相比，后刀面的平行磨损宽度抑制得较小。还有，在No.33与No.18和No.39与No.32中，各种成分的调合量相同，但由于各材料的分批配料不同，因此认为测量值会发生差异。

【产业上的可利用性】

本发明的粉末冶金用混合粉，适合利用在烧结后需要进行切削的高精度的零件的制造中。

Claims

1.一种粉末冶金用混合粉，是形成可切削性优异的烧结材的粉末冶金用混合粉，由如下成分构成：

作为主体的铁基粉末；

CaS、MnS和MoS₂中的任意一种以上的硫化物的粉末；

氧化镁的粉末；

铜粉；

石墨粉；

粉末润滑剂，

上述CaS、MnS和MoS₂中的任意一种以上的硫化物的粉末的合计含量为0.04质量％以上且0.20质量％以下，

上述氧化镁的粉末为0.005质量％以上且0.025质量％以下，

上述氧化镁的平均粒径D50为0.5μm以上且3.2μm以下，

上述硫化物的平均粒径D50为4.9μm以上且10μm以下。