JP2000144350A - 快削性鉄系焼結合金およびその製造方法 - Google Patents
快削性鉄系焼結合金およびその製造方法Info
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Abstract
ら被削性を大幅に改善する。 【解決手段】 重量比で、P:0.1〜1.0%、S
i:2.0〜3.0%の少なくとも1種と、B:0.0
03〜0.31%、O:0.007〜0.69%、C:
0.1〜2.0%、残部がFeおよび不可避不純物より
なる全体組成を有し、基地硬さがHv150〜250で
あるとともに遊離黒鉛が分散する快削性鉄系焼結合金で
ある。
Description
金およびその製造方法に係り、特に、鉄系材料の混合粉
末に硼素化合物粉末を添加して焼結することにより、被
削性を改善する技術に関する。
に製造できるため、加工に要する製造コストを削減で
き、しかも比重の大きく異なる元素や固溶しにくい異種
合金を分散させること等が可能でり耐摩耗性などの特性
を付与することができるため、種々の技術分野で多用さ
れている。たとえば、自動車や自動二輪車等の機械部品
には、複雑な形状であっても機械加工をかなり省略する
ことが可能であることから、鉄系焼結合金製の機械部品
が動弁系や軸受など多岐にわたって応用されている。し
かしながら、そのような鉄系焼結合金製の機械部品であ
っても、多くのものは機械加工を施す必要があるため、
被削性が悪いことが欠点となっている。
従来、原料粉として硫黄を含有する鉄粉を使用したり、
硫化物を原料粉に添加、混合する方法や、焼結体を硫化
水素ガス雰囲気で硫化処理する方法などが採用されてい
る。しかしながら、改削成分である硫黄を焼結合金の基
地中に分散させる方法では、被削性の改善には限界があ
る。また、硫黄は、焼結合金の強度を低下させる元素で
あり、特に、靭性を低下させる原因になるとともに、焼
結合金の腐食を促進する恐れもあるので用途に制限があ
る。
する技術も提供されている。このような焼結合金では、
切削加工中に気孔中の樹脂がチップブレーキングの起点
となるため、切屑の分断性が良好である。しかしなが
ら、このような方法では、使用する樹脂の種類によって
はバイト等の切削工具の寿命を短くするものがあり、し
かも、焼結合金の用途によっては、切削加工後に気孔か
ら樹脂を抜き取る必要が生じる場合があるという欠点が
ある。
01号公報において、炭素を含む鉄系材料の混合粉末
に、硼素化合物粉末を添加して焼結する鉄系焼結合金の
改質方法を提案した。この提案に係る技術によれば、基
地中への炭素の拡散が硼素によって抑制され、鉄系焼結
合金の硬さを低下させて被削性を向上させることができ
る。
車合金の高性能化の要請に伴い、更なる被削性の改善が
が要求されるようになってきた。よって、本発明は、上
記した先の提案に係る鉄系焼結合金をさらに改良した快
削性鉄系焼結合金とその製造方法を提供することを目的
としている。
炭素含有量が増えると材料が硬くなり、それに伴って被
削性が低下することが知られている。ところが、本発明
者の検討によれば、鉄系焼結部品の基地が純鉄に近くて
硬さがあまりに低いと、逆に切削工具の摩耗が増加する
という知見を得た。図1は、C量を変えることで作製し
た、種々の硬さを有する4種類(A〜D)のFe−1.
5Cu−C系焼結部品と、前述の特開平9−15770
6号公報に開示された手法により被削性を改善したFe
−1.5Cu−C系焼結部品(E)を切削加工した場合
の切削工具の摩耗量を示す線図である。従来、硬さが最
も低い部品Aの被削性が最も優れており、工具摩耗量が
最も少ないと予想していたが、実際は、図1から判るよ
うに、部品の表層部の硬さがHv110〜120(lo
ad荷重=100gf)である最も軟質な部品Aの摩耗
量が最も多く、硬さがHv200〜230の部品Cで最
小となっている。そして、硬さがHv150〜250で
あれば、切削工具の摩耗量が部品Aの摩耗量に対して大
幅に低減されることが判る。これは、鉄系焼結部品の基
地であるフェライトは粘性が高いため、切削加工の際に
刃先に凝着摩耗が発生するためと考えられる。また、図
1より、特開平9−157706号公報に開示された手
法により被削性を改善したものは、最も摩耗量が少な
く、被削性改善の効果が顕著に表れているが、基地硬さ
を高めて、凝着摩耗の発生を抑制することによって、更
なる被削性改善の余地が存在することが考えられる。そ
こで、本発明者は、フェライトを合金化して硬さを高め
たところ、所定の範囲の硬さのときに切削工具の摩耗が
著しく低減されることを見出した。
基づいてなされたもので、重量比で、P:0.1〜1.
0%、Si:2.0〜3.0%の少なくとも1種と、
B:0.003〜0.31%、O:0.007〜0.6
9%、C:1.0〜2.0%、残部がFeおよび不可避
不純物よりなる全体組成を有し、基地硬さがHv150
〜250であるとともに遊離黒鉛が分散していることを
特徴としている。なお、ここでHvとは、100gfの
荷重をかけた場合のヴィッカース硬さのことを指す。
め、これが固体潤滑剤として機能し、被削性を向上させ
る。また、硼素を0.003重量%以上含有しているた
め、黒鉛がCとして拡散するのを防止し、基地のパーラ
イト化を防止するとともに遊離黒鉛の残存を確実にす
る。本発明者の検討によれば、硼素により被削性が改善
される理由は次のとおりである。
合物(例えば酸化硼素(B2O3))粉末は、焼結のた
めの昇温で温度がCの基地への拡散温度より低い500
℃程度となると溶解し、これが黒鉛粉の表面を覆う。こ
れにより、黒鉛粉のCがフェライト基地に拡散してパー
ライトを生成することができず遊離黒鉛として残留し、
これが固体潤滑剤として機能し被削性を著しく改善す
る。特に、本発明では、PおよびSiを含有させること
により、基地硬さを上記のように設定しているため、更
なる被削性の改善を達成している。
と、フェライト強化の作用が乏しく、その結果、基地の
硬さが得られずに被削性の改善効果が乏しくなる。一
方、Pの含有量が1.0重量%を上回ると、焼結中での
Fe−P液相の発生量が多くなり、焼結中の圧粉体の型
くずれが生じ易くなる。よって、Pの含有量は0.1〜
1.0重量%とした。なお、Pは単味粉の形態で添加す
ることも可能であるが、毒性が強いため、Fe−P合金
粉の形態で添加することが望ましい。
早く基地中に拡散するが、純Siは高価であるため、工
業的にはFe−Si合金粉の形態で添加する方が経済的
であり望ましい。Siの含有量が2.0重量%未満であ
ると、フェライト強化の作用が乏しく、その結果、基地
の硬さが得られずに被削性の改善効果が乏しくなる。一
方、Siの含有量が3.0重量%を上回ると、Fe−S
i合金粉末が硬くなって成形時の圧縮性が低下する。そ
の結果、成形体に必要な密度が得られず強度が低下す
る。よって、Siの含有量は2.0〜3.0重量%とし
た。
その添加量(つまりCの含有量)が0.1重量%未満で
あると、基地中に拡散する炭素の量があまりにも少な
く、所望の強度が得られないばかりでなく、未拡散の遊
離黒鉛の量が少なくて被削性改善の効果が得られなくな
る。一方、黒鉛粉末の添加量が2.0重量%を上回る
と、C拡散抑制の取りこぼしが多く生じてパーライトが
生じるようになる。
で添加することにより主として含有される。B:0.0
03〜0.31重量%、O:0.007〜0.69重量
%はB 2O3として0.01〜1.0重量%であり、各
々の下限を下回ると焼結時に黒鉛粉からのCの拡散を抑
制できず、上限を上回るとそれ以上のCの拡散抑制の効
果が期待できないばかりでなく、酸化硼素が基地中に多
く残存して材料強度を低下させる。
で、被削性を維持したまま強度の向上を図ることが可能
である。その場合のCuの含有量は1.0〜5.0重量
%が好適である。Cuも基地中に拡散して強化するが、
Cuの含有量が1.0重量%未満ではその効果が乏し
い。一方、Cuを5.0重量を超えて含有すると、軟質
なCu相が生じて強度が低下するとともに、焼結時にC
u液相の発生による寸法収縮、および液相発生によりF
e基地へ容易に拡散したCuによるCu膨張現象により
製品の各部でミクロ的な収縮と膨張が生じ、結果として
製品全体の寸法変化のばらつきが大きく、寸法精度が悪
くなる。なお、Cuは単味粉の形態で添加され、Cu粉
末および黒鉛粉末の平均粒径は、通常に用いられる範囲
の1〜10μmである。
Nを0.06〜2.25重量%基地中に分散させること
で被削性の一層の向上を図ることが可能である。BNは
チップブレーキング効果と固体潤滑効果を有するので、
被削性をさらに向上させることができる。BN量が0.
06重量%に満たないと上記効果が乏しく、2.25重
量%を超えると、基地の強度が低下する。
比で、P:0.1〜1.0%、Si:2.0〜3.0%
の少なくとも1種と、残部がFeおよび不可避不純物か
らなる組成を有する鉄系粉末と、黒鉛粉末:0.1〜
2.0%および酸化硼素粉末:0.01〜1.0%とを
混合粉末全体の重量比で添加することにより製造するこ
とができる。酸化硼素粉末を0.1重量%以上添加する
のは、それよりも少ないと焼結時に黒鉛粉からのCの拡
散を抑制することができず、パーライト化が進んでしま
うからである。また、1.0重量%を超えて添加しても
これ以上のCの拡散抑制効果が期待できないばかりでな
く、酸化硼素が基地中に多く残存して材料強度を低下さ
せる。
単味で添加する方法と窒化硼素を添加する方法があり、
窒化硼素を添加することにより、基地中にBNを分散さ
せることができる。窒化硼素の市販粉末は、その製造方
法に起因して生じる残留物として酸化硼素を含有してお
り、この酸化硼素を5重量%以下に低減させた窒化硼素
の市販粉末が粉末冶金用として使用されていた。ところ
が、この窒化硼素の市販粉末は、純度が高いために高価
であるという欠点がある。そこで、本発明者は、窒化硼
素に含まれる酸化硼素の量を調査したところ、酸化硼素
の量が10〜40重量%である窒化硼素の市販粉末は比
較的安価であり、この粉末を酸化硼素粉末に換えて0.
1〜2.5重量%添加することにより、黒鉛の拡散が抑
制されパーライトの生成が抑制されることを見出した。
したり、サイジングを施す必要がある自動車エンジンの
ベアリングキャップ、シンクロナイザーハブ、汎用エン
ジン用の各種ギヤ、OA機器合金、工作機械合金などに
適用することにより、加工性および工具寿命を向上させ
ることができる。
具体的に説明する。 A.焼結体の作製 表1に示す配合比で原料粉末を用意し、これをV型ミキ
サーで30分間混合した後に、混合粉末を密度6.6g
/cm3に圧粉成形し、外径32mm、内径15mm、
高さ10mmの圧粉体を各5個づつ作製した。次いで、
それぞれの圧粉体を1130℃の還元性ガス(分解アン
モニアガス)雰囲気で60分間加熱して焼結した。
耗幅を工具摩耗量として評価した。切削試験は、立方晶
窒化硼素(CBN)製のスローアウエイチップを用いて
NC旋盤で行い、切削速度を180mm/分、送りを
0.04mm/rev、切込量を0.15mmとし、水
溶性切削油を用いて7000mの距離を切削した。次い
で、焼結体を研磨してランダムにマイクロビッカース硬
さを測定し、その平均値とともに工具摩耗量を表1に併
記した。
2に記載した。また、表2に記載したP含有量と基地硬
さおよび工具摩耗量を図2に示した。図2から判るよう
に、Pの含有量が0.1重量%になると基地硬さが大き
く上昇し、Pの含有量が増えるに従って硬さが増加して
いる。また、Pの含有量が0.1重量%のときに工具摩
耗量が飛躍的に減少していることも判る。さらに、Pの
含有量が1.0重量%を超える試料No.6では、焼結
中にFe−P液相の発生量が多くて型くずれが生じ、焼
結体を形成することができなかった。このように、Pの
含有量を0.1〜1.0重量%とした本発明の数値限定
の根拠を確認する結果が得られた。
表2に併記した。また、表2に記載したSi含有量と基
地硬さおよび工具摩耗量を図3に示した。図3から判る
ように、Siの含有量が2.0重量%になると基地硬さ
が大きく上昇し、Siの含有量が増えるに従って硬さが
増加している。また、Siの含有量が2.0重量%のと
きに工具摩耗量が飛躍的に減少していることも判る。さ
らに、Siの含有量が3.0重量%を上回る試料No.
10では、粉末の圧縮性の低下による強度の低下が生じ
ていた。このように、Siの含有量を2.0〜3.0重
量%とした本発明の数値限定の根拠を確認する結果が得
られた。
き出して表2に併記した。また、表2に記載した酸化硼
素粉末添加量と基地硬さおよび工具摩耗量を図4に示し
た。図4から判るように、酸化硼素粉末を0.01重量
%添加することで基地硬さが急激に減少し、それに伴っ
て工具摩耗量も急激に減少している。ただし、酸化硼素
粉末の添加量が1.0重量%を上回る試料17では、被
削性は良好であるが基地の強度が低下した強度低下が確
認された。このように、酸化硼素粉末の添加量を0.0
1〜1.0重量%とした本発明における数値限定の根拠
を確認する結果が得られた。
る試料を抜き出して表3に併記した。また、表3に記載
したCu粉添加量と基地硬さおよび工具摩耗量を図5に
示した。図5から判るように、Cu粉の添加による顕著
な基地硬さ、工具摩耗量の変化はないが、Cu粉の添加
により強度は向上し、添加量の増加にしたがい強度が向
上している。ただし、試料No.22では、Cu液相の
発生とCu膨張現象が増加したことにより寸法精度が低
下していた。このように、Fe−C系合金(試料No.
18)においても本発明の効果が確認でき、さらにCu
の含有量を1.0〜5.0重量%の範囲で被削性を低下
させることなく強度の改善が確認され、本発明における
数値限定の根拠を確認する結果が得られた。
試料を抜き出して表3に併記した。また、表3に記載し
た黒鉛粉添加量と基地硬さおよび工具摩耗量を図6に示
した。図6から判るように、黒鉛粉末の添加量が0.1
重量%のときに工具摩耗量が飛躍的に減少していること
が判る。また、黒鉛添加量が2.0重量%を上回る試料
No.28では、パーライトが生成されたために工具摩
耗量が増加した。このように、Cの含有量を0.1〜
2.0重量%とした本発明の数値限定の根拠を確認する
結果が得られた。
硼素を含有するとともに基地の硬さをHv150〜25
0としているので、黒鉛からのCの拡散を防止するとと
もに遊離黒鉛として残存させ、ある程度の硬さがありな
がら被削性を飛躍的に向上させることができる。
である。
係を示す線図である。
関係を示す線図である。
耗量との関係を示す線図で
の関係を示す線図である。
の関係を示す線図である。
15)
基づいてなされたもので、重量比で、P:0.1〜1.
0%、Si:2.0〜3.0%の少なくとも1種と、
B:0.003〜0.31%、O:0.007〜0.6
9%、C:0.1〜2.0%、残部がFeおよび不可避
不純物よりなる全体組成を有し、基地硬さがHv150
〜250であるとともに遊離黒鉛が分散していることを
特徴としている。なお、ここでHvとは、100gfの
荷重をかけた場合のヴィッカース硬さのことを指す。
Claims (6)
- 【請求項1】 重量比で、P:0.1〜1.0%、S
i:2.0〜3.0%の少なくとも1種と、B:0.0
03〜0.31%、O:0.007〜0.69%、C:
1.0〜2.0%、残部がFeおよび不可避不純物より
なる全体組成を有し、基地硬さがHv150〜250で
あるとともに遊離黒鉛が分散していることを特徴とする
快削性鉄系焼結合金。 - 【請求項2】 Cuを1.0〜5.0重量%さらに含有
することを特徴とする請求項1に記載の快削性鉄系焼結
合金。 - 【請求項3】 さらにBNが0.06〜2.25重量%
基地中に分散していることを特徴とする請求項1または
2に記載の快削性鉄系焼結合金。 - 【請求項4】 重量比で、P:0.1〜1.0%、S
i:2.0〜3.0%の少なくとも1種と、残部がFe
および不可避不純物からなる組成を有する鉄系粉末と、
黒鉛粉末:0.1〜2.0%および酸化硼素粉末:0.
01〜1.0%とを混合粉末全体の重量比で添加するこ
とを特徴とする快削性鉄系焼結合金の製造方法。 - 【請求項5】 前記混合粉末に、Cu粉末を混合粉末全
体の重量比で1.0〜5.0%添加することを特徴とす
る請求項4に記載の快削性鉄系焼結合金の製造方法。 - 【請求項6】 前記酸化硼素粉末に換えて、酸化硼素を
10〜40重量%含有する窒化硼素粉末を前記混合粉末
全体の重量比で0.1〜2.5%添加することを特徴と
する請求項4に記載の快削性鉄系焼結合金の製造方法。
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