CN112368408B - 铁基烧结构件、铁基粉末混合物及铁基烧结构件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一实施方式涉及一种铁基烧结构件，其具有包含铁基体和分散于该铁基体的气孔的金属组织，所述铁基烧结构件含有铁、0.1～3.5质量％的碳、铝、钠和硫，在与上述气孔相接的上述铁基体的表面富集有铝、钠和硫，上述气孔内包含游离碳。

Description

铁基烧结构件、铁基粉末混合物及铁基烧结构件的制造方法

技术领域

本发明的实施方式涉及铁基烧结构件、铁基粉末混合物以及铁基烧结构件的制造方法。

背景技术

通过粉末冶金法制造的铁基烧结构件由于能够制造用熔炼法所无法获得的特殊的金属组织的铁基构件，因此适用于各种用途。

需要特殊的金属组织的用途之一，有轴承盖用铁基烧结构件。轴承盖是保持将内燃机的曲轴可自由旋转地进行轴支撑的轴承的构件。轴承盖例如，外观形成大致拱形，用螺栓紧固固定于铝合金制的汽缸体来使用。图1为表示将轴承盖安装于汽车发动机的汽缸体的状态的侧面示意图。汽缸体2中，形成有将轴承盖1定位并收纳的矩形状的凹部2a、以及收纳轴承3的半圆状的凹部2b。轴承盖1形成收纳轴承3的半圆状的凹部，外形为拱形。轴承盖1由汽缸体2的矩形凹部2a的嵌合部进行定位，被螺栓4、4固定来使用。适用于这样的轴承盖1的铁基烧结构件需要保持曲轴5，因此要求机械强度。此外，为了将轴承盖1与铝合金制的汽缸体2的各半圆弧在被螺栓紧固的状态下成为同芯，通常对于由各半圆弧形成的圆的内周实施切削加工。因此，适用于轴承盖的铁基烧结构件要求与铝合金同样程度的切削性。

作为提高铁基烧结构件的切削性的对策，通常是使具有固体润滑效果的硫化锰或石墨分散于铁基烧结构件的气孔的方法。然而，使用硫化锰来制造的铁基烧结构件中，添加至作为原料的铁基粉末混合物中的硫化锰粉末阻碍由铁基粉末彼此的扩散引起的接合，其结果是存在机械强度降低的倾向。此外，石墨容易扩散至铁基体中而消失，因此如果要获得使石墨分散于气孔内的铁基烧结构件，则需要在难以发生石墨向铁基体中的扩散的、例如小于1,000℃的温度进行烧结。然而，在难以发生石墨扩散的温度时，缺乏由铁基粉末彼此的扩散引起的接合，存在铁基烧结构件的机械强度变低的倾向。

在这样的状况下，开发了下述方法：在作为通常的铁基烧结构件的烧结温度的1,000～1,200℃的温度范围进行烧结，促进由铁基粉末彼此的扩散引起的接合以获得高机械强度，并且抑制石墨向铁基体中的扩散，使石墨分散于铁基体中以改善切削性(参照专利文献1)。

专利文献1涉及添加有氧化硼粉末0.01～1.0重量％以及石墨粉末0.1～2.0重量％的切削性优异的铁系烧结材料用粉末混合物，并且涉及添加有含有10～40重量％氧化硼的氮化硼粉末0.1～2.5重量％以及石墨粉末0.1～2.0重量％的切削性优异的铁系烧结材料用的粉末混合物。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平09-241701号公报

发明内容

发明所要解决的课题

专利文献1中，为了抑制石墨向铁基体中的扩散，使用氧化硼或含有氧化硼的氮化硼，但是氧化硼粉末昂贵，包含氧化硼的氮化硼虽然不及氧化硼粉末但也是昂贵的。因此由专利文献1获得的铁基烧结构件的原料成本变高，期望便宜的提高切削性的方法。

由上述可知，本发明的实施方式的目的在于提供兼具高机械强度和优异的切削性的便宜的铁基烧结构件。此外，本发明的其它实施方式的目的在于提供能够制造兼具高机械强度和优异的切削性的铁基烧结构件的便宜的铁基粉末混合物。进一步，本发明的其它实施方式的目的在于提供能够制造兼具高机械强度和优异的切削性的铁基烧结构件的便宜的制造方法。

用于解决课题的方法

本发明包含各种实施方式。以下列举实施方式的例子。本发明并不限定于以下实施方式。

本发明的一实施方式涉及一种铁基烧结构件，其具有包含铁基体以及分散于该铁基体的气孔的金属组织，所述铁基烧结构件含有铁、0.1～3.5质量％的碳、铝、钠和硫，在与上述气孔相接的上述铁基体的表面富集有铝、钠和硫，上述气孔内包含游离碳。

上述铁基烧结构件优选含有上述0.1～3.5质量％的碳、0.5～6.0质量％的铜、以及铝、钠和硫，余量由铁和不可避免的杂质构成。

本发明的另一实施方式涉及一种铁基烧结构件，其具有包含铁基体以及分散于该铁基体的气孔的金属组织，所述铁基烧结构件含有铁、0.1～3.5质量％的碳、铝、钠和硫，在与上述气孔相接的上述铁基体的表面中，铝浓度大于或等于0.1质量％，钠的浓度大于或等于0.05质量％，硫的浓度大于或等于0.05质量％。

上述铁基烧结构件优选含有上述0.1～3.5质量％的碳、0.5～6.0质量％的铜、以及铝、钠和硫，余量由铁和不可避免的杂质构成。

本发明的另一实施方式涉及一种铁基粉末混合物，其含有选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种、石墨粉末0.1～3.5质量％、以及包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末0.05～1.5质量％，以上述混合粉末的质量为基准计，上述硫酸钠的含量大于或等于0.5质量％。

上述高级脂肪酸优选包含选自由硬脂酸、12-羟基硬脂酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、蓖麻油酸和山嵛酸所组成的组中的至少1种。

此外，上述铁基粉末混合物优选由如下成分构成：石墨粉末0.1～3.5质量％、铜粉末0～10质量％、上述混合粉末0.05～1.5质量％、作为余量的选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种以及不可避免的杂质。

本发明的另一实施方式涉及一种铁基烧结构件的制造方法，其包括：将上述铁基粉末混合物填充至模具，进行压缩成型，获得压粉体；以及在非氧化性气体气氛中，将上述压粉体在大于或等于碳向铁基体中的扩散温度的温度进行烧结。

上述大于或等于碳向铁基体中的扩散温度的温度优选为1,000～1,200℃。

发明的效果

根据本发明的实施方式，能够提供兼具高机械强度和优异的切削性的便宜的铁基烧结构件。此外，根据本发明的其它实施方式，能够提供能制造兼具高机械强度和优异的切削性的铁基烧结构件的便宜的铁基粉末混合物。进一步，根据本发明的其它实施方式，能够提供能制造兼具高机械强度和优异的切削性的铁基烧结构件的便宜的制造方法。

附图说明

图1为表示将轴承盖安装于汽车发动机的汽缸体的状态的一例的侧面示意图。

图2为表示实施例所使用的混合粉末的扫描型电子显微镜照片(SEM)和利用能量分散型X射线分析(EDS)得到的元素分布的映射图像(倍率200倍)。

图3为由实施例和比较例获得的烧结体的截面的光学显微镜照片(倍率200倍)。

图4为表示由实施例获得的烧结体的表面利用电子射线显微分析仪(EPMA)得到的元素分布的映射图像(倍率3,000倍)。

图5为表示实施例和比较例中实施的车床加工工序的示意图。

图6为表示实施例和比较例中使用的切削工具的立体示意图。

图7为表示由实施例和比较例获得的烧结体的切削性的评价结果的图表。

具体实施方式

对于本发明的实施方式进行说明。本发明并不限定于以下实施方式。

[铁基烧结构件]

作为本发明的一实施方式的铁基烧结构件具有包含铁基体以及分散于铁基体的气孔的金属组织。铁基体由铁基粉末形成，通过铁基粉末间的间隙残留而形成气孔。铁基体优选为珠光体或铁氧体与珠光体的混合组织。铁基烧结构件在气孔内包含没有扩散至铁基体中的游离碳。

铁基烧结构件含有铁、0.1～3.5质量％的碳、铝、钠和硫。碳的含量是以铁基烧结构件的质量作为基准的含量，例如，能够按照燃烧-红外线吸收法(JIS G 1211-3：2013)来进行测定。

在铁基烧结构件中，如果碳的含量大于或等于0.1质量％，则能够获得铁基烧结构件的切削性提高的优异效果。另一方面，如果碳的含量小于或等于3.5质量％，则能够防止气孔过度增加，能够维持铁基烧结构件的机械强度。因此，铁基烧结构件所包含的碳设为0.1～3.5质量％。碳的含量优选为0.3～2.5质量％，更优选为0.5～1.5质量％，进一步优选为0.6～1.0质量％。

一般而言，铁基烧结构件的制造所使用的铁粉末和/或铁合金粉末(在本说明书中，有时将选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种称为“铁基粉末”。)含有制钢时混入的铝、钠和硫作为杂质。如果举出一例，则作为杂质的铁基粉末所含有的铝、钠和硫以铁基粉末的质量为基准计均为0.01质量％左右。

根据一实施方式，铁基烧结构件中，除了来源于铁基粉末的杂质以外，在与气孔相接的铁基体的表面(在本说明书中，有时将与气孔相接的铁基体的表面称为“气孔表面”或“气孔与铁基体的界面”。)，具有富集的铝、钠和硫。能够通过对铁基烧结构件的表面使用例如电子射线显微分析仪(EPMA)进行面分析来确认铝、钠和硫富集地存在。所谓“铝、钠和硫富集地存在于与气孔相接的铁基体的表面”，是指对于铝、钠和硫的各自而言，“与气孔相接的铁基体的表面”中的浓度比在“未与气孔相接的铁基体的表面”所检测到的浓度高。具体而言，是指利用面分析得到的“与气孔相接的铁基体的表面”中的铝、钠和硫的检测量各自比“未与气孔相接的铁基体的表面”中的铝、钠和硫的检测量高，这能够通过利用面分析得到的映射图像来确认。对于确认，能够使用电子射线显微分析仪(例如，株式会社岛津制作所制“EPMA-1600W”)，条件为例如，加速电压15kV，试样电流100nA。

此外，根据一实施方式，铁基烧结构件中，在气孔表面，铝浓度大于或等于0.1质量％，钠的浓度大于或等于0.05质量％，硫的浓度大于或等于0.05质量％。铝、钠和硫的浓度能够通过例如使用电子射线显微分析仪(EPMA)对铁基烧结构件的表面中的气孔表面进行面分析来测定。铝浓度优选为0.1～1.0质量％，更优选为0.12～0.5质量％，进一步优选为0.15～0.3质量％。钠浓度优选为0.05～1.0质量％，更优选为0.15～0.6质量％，进一步优选为0.3～0.5质量％。硫浓度优选为0.05～0.5质量％，更优选为0.08～0.3质量％，进一步优选为0.15～0.25质量％。它们的含量(质量％)以进行了气孔表面的面分析的范围的铁基烧结构件的质量作为基准。“进行了气孔表面的面分析的范围”能够设为范围内包含气孔表面的倍率3,000倍的视场范围。气孔表面的面分析能够对铁基烧结构件的表面的任意部位进行。作为含量，能够采用使用电子射线显微分析仪(例如，株式会社岛津制作所制“EPMA-1600W”)以加速电压15kV、试样电流100nA的条件测定得到的值。优选铁基烧结构件在使用了EPMA并在上述条件下的倍率3,000倍的视场范围内，具有至少1处铝浓度大于或等于0.1质量％、钠的浓度大于或等于0.05质量％、硫的浓度大于或等于0.05质量％的部位。

根据优选的一实施方式，铁基烧结构件在气孔表面富集有铝、钠和硫，并且在气孔表面，铝浓度大于或等于0.1质量％，钠的浓度大于或等于0.05质量％，硫浓度大于或等于0.05质量％。

铁基体所含有的铝、钠和硫的浓度没有特别限定，通常以铁基体的质量为基准计，均优选小于0.05质量％，更优选小于0.03质量％，进一步优选为0.0质量％。铝、钠和硫的浓度能够如下测定：在例如利用扫描型电子显微镜(SEM)观察得到的1,000倍的视场中，通过能量分散型X射线分析(EDS)对铁基体的表面未与气孔相接的部分进行面分析来测定。未与气孔相接的铁基体的面分析只要对于铁基烧结构件的表面的任意部位进行即可。

认为在铁基烧结构件中，气孔与铁基体的界面的铝、钠和硫以氧化物和/或复合氧化物的形态存在。可推测由于界面所存在的铝、钠和硫，使得铁基烧结构件能够在气孔内保持碳，其结果是能够获得优异的切削性。

从获得优异的切削性的观点考虑，铁基烧结构件中的游离碳的含量以铁基烧结构件的质量为基准计，优选大于或等于0.1质量％，更优选大于或等于0.15质量％，进一步优选大于或等于0.3质量％，特别优选大于或等于0.35质量％。另一方面，从获得充分的强度的观点考虑，游离碳的含量以铁基烧结构件的质量为基准计，优选小于或等于0.6质量％，更优选小于或等于0.5质量％，进一步优选小于或等于0.45质量％。游离碳的含量为以铁基烧结构件的质量作为基准的含量，例如，能够按照游离碳定量方法(JIS G 1211-5：2011)进行测定。

铁基烧结构件也可以含有铜。在优选的一实施方式中，铁基烧结构件含有铁、0.1～3.5质量％的碳、0.5～6.0质量％的铜以及铝、钠和硫。更优选铁基烧结构件含有0.1～3.5质量％的碳、0.5～6.0质量％的铜以及铝、钠和硫，余量由铁和不可避免的杂质构成。铜的含量为以铁基烧结构件的质量作为基准的含量，例如，能够按照铁和钢-ICP发射光谱分析方法(JIS G 1258：2014)进行测定。

铁基烧结构件的制造方法没有特别限定。优选为使用后述的铁基粉末混合物进行制造的方法、使用后述的铁基烧结构件的制造方法的方法。

[铁基粉末混合物]

作为本发明的一实施方式的铁基粉末混合物含有选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种、石墨粉末0.1～3.5质量％、以及合计为0.05～1.5质量％的高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠。硫酸钠的含量以高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的合计的质量为基准计，大于或等于0.5质量％。作为高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠，能够使用包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末。

此外，作为本发明的一实施方式的铁基粉末混合物含有选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种、石墨粉末0.1～3.5质量％以及包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末0.05～1.5质量％。以混合粉末的质量为基准计，硫酸钠的含量大于或等于0.5质量％。铁基粉末混合物中，作为代替氧化硼粉末的有效的成分，含有包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末。

(混合粉末)

混合粉末包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠。作为高级脂肪酸的铝盐，能够使用一般所使用的成型润滑剂粉末。从获得作为润滑剂的充分的效果的观点考虑，高级脂肪酸的碳原子数优选大于或等于12，更优选大于或等于14，进一步优选大于或等于16。此外，从提高切削性，并且获得压粉体的高密度的观点考虑，高级脂肪酸的碳原子数优选小于或等于28，更优选小于或等于26，进一步优选小于或等于22。

作为高级脂肪酸的铝盐，可举出例如，硬脂酸铝、12-羟基硬脂酸铝、月桂酸铝、肉豆蔻酸铝、棕榈酸铝、蓖麻油酸铝、山嵛酸铝等的粉末。优选为硬脂酸铝。高级脂肪酸的铝盐可以单独使用1种，或可以组合使用多种。高级脂肪酸的铝盐与氧化硼粉末或包含氧化硼的氮化硼粉末相比极其便宜，因此能够大幅降低原料成本。

以混合粉末的质量为基准计，硫酸钠的含量大于或等于0.5质量％，优选为0.5～10质量％。如果硫酸钠的含量大于或等于0.5质量％，则能够使铝、钠和硫富集于铁基烧结构件的气孔表面，和/或使适当量的铝、钠和硫存在于气孔表面。另一方面，如果硫酸钠的含量小于或等于10质量％，则铁基烧结构件的气孔表面所存在的铝、钠和硫不会变得过多，能够不阻碍铁基粉末彼此的结合而进行烧结。硫酸钠的含量优选大于或等于0.5质量％，更优选大于或等于1质量％，进一步优选大于或等于1.5质量％。此外，硫酸钠的含量优选小于或等于5质量％，更优选小于或等于3质量％，进一步优选小于或等于2质量％。

混合粉末中，作为余量，含有高级脂肪酸的铝盐和不可避免的杂质。高级脂肪酸的铝盐的含量以混合粉末的质量为基准计，优选大于或等于95质量％。混合粉末通过将高级脂肪酸的铝盐粉末与硫酸钠粉末进行混合来获得。此外，也能够将作为“高级脂肪酸的铝盐”市售的含有少量硫酸钠的高级脂肪酸的铝盐粉末用作混合粉末。

混合粉末的含量以铁基粉末的质量为基准计为0.05～1.5质量％。如果混合粉末的含量大于或等于0.05质量％，则能够使铝、钠和硫富集于铁基烧结构件的气孔表面，和/或使适当量的铝、钠和硫存在于气孔表面。另一方面，如果混合粉末的含量小于或等于1.5质量％，则铁基烧结构件的气孔表面所存在的铝、钠和硫不会变得过多，能够不阻碍铁基粉末彼此的结合而进行烧结。混合粉末的含量优选大于或等于0.1质量％，更优选大于或等于0.5质量％。此外，混合粉末的含量优选小于或等于1.2质量％，更优选小于或等于1质量％。

一般而言，高级脂肪酸的金属盐的粉末用作在原料粉末中添加的成型润滑剂，价格便宜。此外，高级脂肪酸的金属盐在烧结时的升温过程中分解而被除去，因此不会阻碍由烧结引起的铁基粉末彼此的扩散接合。如果作为这样的高级脂肪酸的金属盐，在使用高级脂肪酸的铝盐的同时使用硫酸钠，则在升温过程中高级脂肪酸的铝盐分解而产生的铝与钠和硫富集于铁基体与气孔的界面而残留。可认为残留的铝、钠和硫成为防止碳从石墨粉末扩散的屏障，抑制碳向铁基体中的扩散，从而烧结后获得的铁基烧结构件在气孔内含有游离碳。

(铁基粉末)

铁基粉末包含选自由铁(Fe)粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种。作为铁合金所包含的元素，可举出铜(Cu)、镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)、锰(Mn)、钛(Ti)、铝(Al)、碳(C)等。作为铁基粉末，可以单独使用1种粉末，也可以混合使用2种以上的粉末。

(石墨粉末)

铁基粉末混合物中，以铁基粉末的质量为基准计含有0.1～3.5质量％的石墨粉末。如果石墨粉末的含量大于或等于0.1质量％，则在烧结后获得的铁基烧结构件的气孔内分散的游离碳的量变得充分，能够获得切削性提高的效果。另一方面，如果石墨粉末的添加量小于或等于3.5质量％，则烧结后获得的铁基烧结构件的气孔的量不会变得过多，能够维持铁基烧结构件的机械强度。石墨粉末通过铝、钠和硫被抑制向铁基体中的扩散，大部分以游离碳的形式残留在气孔内。石墨粉末的一部分扩散至铁基体中，使铁基体的组织成为珠光体或珠光体与铁氧体的混合组织而有助于铁基体的机械强度的提高，其结果是铁基烧结构件的机械强度得以提高。

(任意的粉末)

铁基粉末混合物也可以包含任意的粉末。作为任意的粉末，可举出例如，铁基粉末以外的金属粉末和/或金属合金粉末、成型润滑剂粉末等。通过任意的粉末，能够将烧结体进行改性、增强等。任意的粉末能够根据所期望的烧结体的特性，适当选择来使用。铁基粉末混合物优选包含选自由铜(Cu)粉末和铜合金粉末所组成的组中的至少1种，更优选包含铜粉末。在包含选自由铜(Cu)粉末和铜合金粉末所组成的组中的至少1种的情况下，其含量以铁基粉末的质量为基准计优选大于或等于0.5质量％。此外，含量以铁基粉末的质量为基准计优选小于或等于10质量％，更优选小于或等于6质量％。

此外，在成型工序中，压模法所使用的铁基粉末混合物通常包含成型润滑剂粉末，可以仅使用高级脂肪酸的铝盐的粉末作为成型润滑剂粉末，或也可以并用铝盐以外的高级脂肪酸盐的粉末、蜡等通常使用的成型润滑剂粉末。

(组成)

根据一实施方式，铁基粉末混合物如果含有铁粉末和/或铁合金粉末作为主成分，且含有石墨粉末0.1～3.5质量％以及混合粉末0.05～1.5质量％，则可以是任何粉末混合物。

例如，铁基粉末混合物包含选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种、石墨粉末0.1～3.5质量％、铜粉末0～10质量％以及上述混合粉末0.05～1.5质量％。优选铁基粉末混合物包含石墨粉末0.1～3.5质量％，铜粉末0～10质量％，上述混合粉末0.05～1.5质量％以及作为余量的选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种以及不可避免的杂质。铜粉末的含量优选为0.5～6质量。

铁基粉末混合物能够广泛用于结构用烧结构件的制造。特别适于铁-铜-碳系的烧结构件的制造。

[铁基烧结构件的制造方法]

根据一实施方式，铁基烧结构件的制造方法具有下述工序：将上述铁基粉末混合物填充至模具，进行压缩成型，获得压粉体(成型工序)；以及在非氧化性气体气氛中，将压粉体在大于或等于碳向铁基体中的扩散温度的温度进行烧结(烧结工序)。铁基烧结构件的制造方法可以进一步具有任意工序。

(成型工序)

在成型工序中，将铁基粉末混合物填充至所期望的模具，进行压缩成型，获得压粉体。成型方法没有特别限制，能够应用例如压模法。在通常的压模法中，将原料粉末填充至模具的模孔中并通过上下冲床进行压缩成型，将所得的压粉体从模具中取出。由于铁基粉末混合物包含作为成型润滑剂粉末起作用的高级脂肪酸的铝盐，因此将压粉体从模孔中取出时，能够防止压粉体与模具的模孔的擦伤(カジリ)。高级脂肪酸的铝盐优选均匀地分散于压粉体的内部。

(烧结工序)

在烧结工序中，利用烧结炉通过预定的气氛和温度将所得的压粉体进行烧结。能够获得优异的切削性和强度的机理虽然还不清楚，但认为如下。即，如果将压粉体在大于或等于碳向铁基体中的扩散温度的温度进行烧结，则高级脂肪酸的铝盐的粉末和硫酸钠在用于烧结的升温过程(200～600℃)中分解。作为金属成分的铝以及由硫酸钠的分解而产生的钠和硫的至少一部分吸附于铁基粉末的表面，并且与吸附于铁基粉末表面的水分在高温(500℃左右)下脱附而产生的氧、或者结合于铁基粉末表面的氧在高温(900～1,000℃左右)下被还原而产生的氧进行结合，成为铝、钠和硫的氧化物和/或复合氧化物，并残留于铁基粉末结合之后的铁基体的表面，即，铁基体与气孔的界面。可推测：氧化物和/或复合氧化物在碳从石墨粉末向铁基体中扩散之前，被覆铁基体表面，结果是被覆作为屏障起作用，防止碳从气孔内部的石墨粉末向铁基体中扩散。

在烧结工序的升温过程中，从850℃左右起，若干碳开始从石墨粉末向铁基粉末和/或铁基体中扩散，随着温度的上升，碳的扩散量增大，在1,000～1,200℃，碳的扩散显著地进行。如果将包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的压粉体进行烧结，则在碳扩散的温度，在铁基粉末和/或铁基体与气孔的界面形成铝、钠和硫的氧化物或复合氧化物。氧化物和/或复合氧化物作为碳从石墨粉末向铁基粉末(和铁基体)中扩散的屏障起作用，铁基粉末的扩散接合进行，即使在碳显著地扩散的1,000～1,200℃的烧结温度下，碳从石墨粉末向铁基粉末(和铁基体)中的扩散也得以抑制。因此，烧结后获得的铁基烧结构件的金属组织中，游离碳残留并分散于气孔内。此外，此时，由铁基粉末彼此的扩散引起的接合充分地进行，烧结充分地进行。其结果是所得的烧结体中，烧结充分地进行而机械强度增大，另一方面由于碳分散于气孔内，因此切削性也变高。

如果利用电子射线显微分析仪(EPMA)对铁基烧结构件的表面的金属组织进行面分析，则相比于在未与气孔相接的铁基体的表面检测到的铝、钠和硫的量，在气孔表面检测到的铝、钠和硫的量增多。作为原料之一的铁基粉末中包含作为制钢时的不可避免的杂质的铝、钠和硫。可认为在未与气孔相接的铁基体的表面检测到的铝、钠和硫来源于铁基粉末所包含的不可避免的杂质，在气孔表面检测到的铝、钠和硫来源于高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠。

作为原料粉末，在使用不含硫酸钠，而包含高级脂肪酸的铝盐的粉末的铁基粉末混合物的情况下，铝没有残留于铁基体与气孔的界面。详细情况还不清楚，但是在本发明的实施方式中，认为由于铝、钠以及硫共存，因此它们存在于铁基体与气孔的界面。以上所说明的理由为推测，并不限定本发明。

烧结温度为大于或等于碳的扩散温度的温度，优选为1,000～1,200℃。一般而言，在大于或等于碳开始从石墨粉末扩散的850℃左右的温度、且小于1,000℃的温度进行烧结的情况下，能够进一步抑制碳从石墨粉末向铁基体中的扩散。然而，如果在大于或等于1,000℃进行烧结，则由铁基粉末彼此的扩散引起的接合充分地进行，所得的铁基烧结构件的机械强度变高。另一方面，如果烧结温度小于或等于1,200℃，则能够抑制烧结炉的损耗。热处理的气体气氛设为氮气等非氧化性气体气氛。

(任意的工序)

作为铁基烧结构件的制造方法所可以具有的任意的工序，可举出：将烧结体切削成所期望的形状的切削工序、将粉末进行混合的混合工序、将有机物等除去的脱脂工序、将烧结体进行压缩的再压缩工序以及将烧结体的表面进行处理的表面处理工序等。例如，切削加工可以为旋削加工、转削加工、或这两者。作为切削工具的材料，可举出金属陶瓷、陶瓷、超硬合金、高速工具钢、金刚石烧结体、cBN烧结体等。

实施例

对于本发明的实施方式，通过实施例进行具体地说明。本发明的实施方式并不限定于以下实施例。

＜铁基粉末混合物的制作＞

[实施例1]

铁粉、铜粉、石墨粉末以及包含硬脂酸铝和硫酸钠的混合粉末(A)以成为表1所示的含有比率的方式投入至10kg用V型混合机中，混合30分钟，获得了铁基粉末混合物。

[实施例2]

将混合粉末(A)变更为包含硬脂酸铝和硫酸钠的混合粉末(B)，除此以外，与实施例1同样地操作，获得了铁基粉末混合物。

[比较例1]

将混合粉末(A)变更为硬脂酸锌粉末，除此以外，与实施例1同样地操作，获得了铁基粉末混合物。

以下示出实施例1和2以及比较例1所使用的粉末。

铁粉：粒径小于或等于180μm的水雾化铁粉

铜粉：粒径小于或等于150μm的电解铜粉

石墨粉末：平均粒径20μm的天然石墨粉末

混合粉末(A)：示于下述表1中

混合粉末(B)：示于下述表1中

硬脂酸锌粉末：平均粒径13μm

[表1]

混合粉末中的硫酸钠的含量按照以下步骤测定。

(1)在磁性坩埚中精密称量混合粉末约1.0g，为了避免混合粉末飞散而用小火进行碳化之后，在950～1,000℃的电炉中完全灰化。

(2)在干燥器中放冷30分钟后，将灰化物精密称量一次之后，放入至300ml烧杯中，添加蒸馏水200ml，煮沸30分钟。

使用No.5A定量滤纸(ADVANTEC集团制)进行过滤，在烧杯中一边使沉淀物流入，一边用蒸馏水20ml洗涤3次。

(3)将滤纸上残留的沉淀物与滤纸一起放入坩埚中，进行干燥，再次进行灰化。

(4)在干燥器中放冷30分钟后，精密称量灰化物。

(5)由下述式，算出硫酸钠(Na₂SO₄)的含量(质量％)。

硫酸钠含量(质量％)＝

(第一次灰化后的灰化物的质量(g)-第二次灰化后的灰化物的质量(g))/混合粉末的质量(g)×100

将混合粉末(A)的利用扫描型电子显微镜(SEM)得到的照片以及利用能量分散型X射线分析(EDS)得到的铝、钠和硫的分布的评价结果示于图2中。在图2中，上层为SEM照片，下层为表示由EDS得到的元素分布的图像(倍率200倍)。

表2显示各粉末相对于铁粉的质量的含有比率(质量％)。

[表2]

	铁粉	铜粉	石墨粉末	混合粉末(A)	混合粉末(B)	硬脂酸锌粉末
							实施例1	100.0	3.0	1.0	0.8	-	-
实施例2	100.0	3.0	1.0	-	0.8	-
							比较例1	100.0	3.0	1.0	-	-	0.8

＜烧结体的制作＞

[实施例3]

按照以下方法，使用由实施例1获得的铁基粉末混合物，制作了烧结体。

(烧结体的制作)

成型工序

将由实施例1获得的铁基粉末混合物填充至模具，以使压粉体的密度成为6.75g/cm³的方式调节压力，获得了外径40mm、全长20mm的压粉体。

在成型工序中，能够将压粉体以良好的状态从模具中取出，压粉体没有产生擦伤、缺口等不良状况。通过混合粉末(A)，获得了充分的润滑效果。

烧结工序

在烧结炉内，在非氧化气氛下(N₂+5体积％H₂气氛下)，将压粉体在1,130℃加热20分钟，获得了烧结体(铁基烧结构件)。将所得的烧结体的截面的光学显微镜照片示于图3中(倍率200倍)。

(烧结体的评价)

(1)铝、钠和硫的浓度

对于获得的烧结体的表面，通过电子射线显微分析仪(株式会社岛津制作所制“EPMA-1600W”，以测定条件：加速电压15kV，试样电流100nA)进行了面分析。将与气孔相接的铁基体的表面中的铝、钠和硫的浓度示于表3中。

(2)碳含量

将烧结体所包含的碳的含量按照JIS G 1211-3：2013进行了测定。将结果示于表3中。

(3)游离碳量

将烧结体所包含的游离碳的量按照JIS G 1211-5：2011进行了测定。将结果示于表3中。

[实施例4和比较例2]

将由实施例1获得的铁基粉末混合物分别变更为由实施例2或比较例1获得的铁基粉末混合物，除此以外，与实施例3同样地操作而制作了烧结体。将所得的烧结体的截面的光学显微镜照片示于图3中。

此外，与实施例3同样地操作，测定(1)铝、钠和硫的浓度，(2)碳含量以及(3)游离碳量。将结果示于表3中。此外，对于实施例4的烧结体，将表示铝(Al)、钠(Na)、硫(S)、碳(C)和氧(O)的浓度分布的图像示于图4中(倍率3,000倍)。另外，SEM图像中的暗的部分为气孔。图像中的亮的部分为检测到各个元素的部位。铝、钠和硫富集而存在的部分的厚度为约2μm。

[表3]

＜切削性和强度的评价＞

通过切削实施例3和4以及比较例2的烧结体，确认切削工具的摩耗量，来评价烧结体的切削性。此外，通过测定实施例3和4以及比较例2的烧结体的表面的硬度，来评价烧结体的强度。

(烧结体的切削性)

通过车床加工对烧结体的端面进行了切削。车床加工按照以下条件进行实施。图5为表示车床加工工序的示意图。图5中，11表示切削工具，14表示支架，15表示烧结体，图5(a)为侧面示意图，图5(b)为正面示意图。图6为表示用于切削之后的切削工具的立体示意图。图6中，11表示切削工具，12表示前刀面(face)，13表示后刀面(flank)，13a表示后刀面的摩耗部，13b表示摩耗部的宽度。

切削机械：NC车床(Numerical Control(数控)车床)

切削工具：金属陶瓷制一次性刀片(材质：NX2525，三菱材料株式会社制“TNMG160404”)

切削速度：350m/min

进给：0.03mm/rev

加工量：0.10mm

图7为表示切削距离与后刀面的摩耗量的关系的图。如图7所示那样，使用含有高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末制作而成的烧结体能够大幅抑制切削工具的摩耗，切削性优异。如果使用含有高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末，则能够防止切削工具的劣化，因此能够抑制铁基烧结构件的制造成本。

(烧结体的强度)

将烧结体的表面的维氏硬度按照JIS Z 2244：2009进行了测定。

将测定结果示于表4中。

[表4]

	维氏硬度
		实施例3	157HV0.1
实施例4	210HV0.1
		比较例2	245HV0.1

如表4所示，使用含有高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末制作而成的烧结体具有充分的强度。

产业上的可利用性

作为本发明实施方式的铁基烧结构件的烧结进行从而具有高机械强度，游离碳分散于气孔内而具有优异的切削性，并且价格便宜。作为本发明实施方式的铁基烧结构件例如，适合于组装于铝合金制的汽缸盖而与铝合金一起被切削加工的轴承盖。

本申请的公开与2018年7月5日申请的日本特愿2018-128224号所记载的主题相关，其全部公开内容通过引用而援用至本申请中。

符号的说明

1：轴承盖，2：汽缸体，2a：矩形的凹部，2b：半圆状的凹部，3：轴承，4：螺栓，5：曲轴，11：切削工具，12：前刀面，13：后刀面，13a：摩耗部，13b：摩耗部的宽度，14：支架，15：烧结体。

Claims (6)

1.一种铁基烧结构件，其具有包含铁基体以及分散于该铁基体的气孔的金属组织，

所述铁基烧结构件含有铁、0.1～3.5质量％的碳、铝、钠和硫，

在所述气孔内包含游离碳，

所述游离碳的含量以铁基烧结构件的质量为基准计为0.1～0.6质量％，

在与所述气孔相接的所述铁基体的表面富集有铝、钠和硫，

在与所述气孔相接的所述铁基体的表面中，铝浓度为0.1～1.0质量％，钠的浓度为0.05～1.0质量％，硫的浓度为0.05～0.5质量％，

所述铁基体所含有的铝、钠和硫的浓度以铁基体的质量为基准计均小于0.03质量％。

2.根据权利要求1所述的铁基烧结构件，其含有0.1～3.5质量％的碳、0.5～6.0质量％的铜、以及铝、钠和硫，余量由铁和不可避免的杂质构成。

3.一种权利要求1或2所述的铁基烧结构件的制造方法，其包括：

将铁基粉末混合物填充至模具，进行压缩成型，获得压粉体，其中，所述铁基粉末混合物含有选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种、石墨粉末0.1～3.5质量％、以及包含高级脂肪酸的铝盐和硫酸钠的混合粉末0.05～1.5质量％，所述硫酸钠的含量以所述混合粉末的质量为基准计大于或等于0.5质量％；以及

在非氧化性气体气氛中，将所述压粉体在大于或等于碳向铁基体中的扩散温度的温度进行烧结。

4.根据权利要求3所述的铁基烧结构件的制造方法，所述大于或等于碳向铁基体中的扩散温度的温度为1,000～1,200℃。

5.根据权利要求3所述的铁基烧结构件的制造方法，所述高级脂肪酸包含选自由硬脂酸、12-羟基硬脂酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、蓖麻油酸和山嵛酸所组成的组中的至少1种。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的铁基烧结构件的制造方法，所述铁基粉末混合物由如下成分构成：石墨粉末0.1～3.5质量％、铜粉末0～10质量％、所述混合粉末0.05～1.5质量％、作为余量的选自由铁粉末和铁合金粉末所组成的组中的至少1种以及不可避免的杂质。

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