JP2001131660A - 銅系高強度焼結部品用合金粉末 - Google Patents
銅系高強度焼結部品用合金粉末Info
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Abstract
イヤモンド工具等を製造するために必要な原料として、
成形性を劣化させない範囲で硬さや強度の高い粉末を提
供することにより、焼結体の硬さが高くしかも強度が高
い焼結部品の製造を可能にすることを課題とする。 【解決手段】 Feを1〜5重量%含み、さらにSnを
5〜12重量%含み残部がCu及び不可避不純物よりな
り見掛密度が3.5g/cm3以下であることを特徴とす
る銅合金粉末。
Description
結部品を製造するための粉末冶金用の粉末に関するもの
である。
摺動材用として多く使用されており、鉄系の材料を相手
材として含油で使用する場合は多孔質での使用が多い。
この場合には高密度では使用せず、銅系材料の軟質性が
有効に利用されてきたことが、高強度の銅系焼結合金用
の粉末が開発されなかった原因の一つと考えられる。
u−Sn系,Cu−Zn系の粉末が主であり、鋳造材の
組成を粉末としたものであるが、高強度の焼結体を得る
ためには、焼結体の最終組成またはマトリックスを高強
度なものにすることが必要である。最近この従来の銅系
の焼結合金に対して、さらに過酷な条件でも使用可能な
高強度の材料に対する要求も多く、このことも含めて硬
さが高く、強度の大きい材料が求められるようになって
きた。
ミニウム青銅または高力黄銅系は、いずれもAlを含み
通常の窒素+水素等の焼結雰囲気では焼結が困難であ
り、いまだに焼結合金としては実用化されていないのが
現状である。また、Cu−Zn−Ni系の洋白もあるが
Niを多く含むため高価であり、装飾品用的な用途が主
であり、また強度もそれほど高くないので高強度材料と
しては使われていない様である。
%以上と多く含む合金は焼結時に、Znが蒸発し、焼結
体の重量が減少しやすく個々の部品で変動しやすい。ま
た焼結炉を汚染する事もCu−Zn系の焼結材があまり
好まれない理由でもある。バネ用材料として良く用いら
れるリン青銅は、その名前のとうりリンを含むため硬さ
が高く粉末にすると球状化するため成形しにくく、粉末
冶金用としては不向きである。また、ベリリウム銅は有
害元素のベリリウムを含むことと、熱処理が必要なこと
により粉末冶金用としては敬遠されている。
材料、軸受け材料、ギヤ部品、ダイヤモンド工具等を製
造するために必要な原料として、成形性を劣化させない
範囲で硬さや強度の高い粉末、すなわち、圧粉体抗折力
20kgf/cm2 以上、粉末硬さ(HV)130〜180で、この粉末を
使用した焼結体の圧環強さが40〜80kgf/mm2 で、焼結体
マトリックス硬さ(HV)120 以上である、硬さと強度が高
い焼結部品を製造可能な原料粉末を提供することを課題
とする。
めに本発明は、Feを1〜5重量%含み、さらにSnを
5〜12重量%含み残部がCu及び不可避不純物よりな
り、見掛密度が3.5g/cm3以下であることを特徴と
する銅合金粉末である。本願発明者は成形性を劣化させ
ない範囲で硬さ強度の大きい原料粉末を提供するため検
討を重ねた結果、成形性、焼結性、粉末のハンドリング
性、従来の粉末との適合性等を考慮し、基本材料として
Cu−Sn系を選択した。Snは5重量%以下では十分
な強度が得られず12重量%以上では硬さが高くなりす
ぎ、脆さが見られ圧縮成形には不向となる。そこでSn
は5〜12重量%が良好である。強度をさらに重視する
場合このSn重量%は6〜11%が好適であり、さらに
は、7〜11%が最適である。
度と、高温での耐軟化性等を考慮し検討を重ねた結果、
上記Cu−Snに新たにFeを1〜5重量%合金化させ
て硬さが高い合金を粉末とし、これを原料粉末に焼結部
品にすることで目的が達成できることを見いだした。こ
の組成範囲をはずれFe重量%が1%以下では従来の粉
末と十分な差が見られず、焼結体での強度と、高温での
耐軟化性等の特性が不十分である。また5%以上では強
度の上昇が鈍り遊離したFeが多くなり組成が不均一に
なる。また、粉末の硬さが高くなり成形性が低下し実用
性に欠ける。また6%以上では融点が上昇し溶解とアト
マイズにおいて不利になるためFe重量%は1〜5%が
好適であり、さらには2〜4%が最適である。
ならず成形、焼結の後、良好な硬さや強度を示す事に対
し、特定の考察に束縛されるわけではないが、この合金
中の各元素について状態図から考察すると、CuとSn
は中間相をいくつか持つが、Cu側のSnの固溶限は大
きく本組成範囲ではほぼα相のみである。Cuに対して
FeはCu側に包晶反応を持ち比較的小さい固溶限を示
し、多く添加した場合低温でFeリッチ相とα相に分離
偏析するが5%以下の少量では、これも少なくほぼ均一
に固溶した合金となりこれが硬さや強度を向上するもの
と考えられる。また、SnとFeも中間相をいくつか持
ち、これはFe3Sn,Fe3Sn2,FeSn,FeSn2の組成でこれらが
マトリックスに均一微細に分散すると、これも強度、高
温での耐軟化性等を改善できると考えられる。
各元素の粉末のMIXまたは母合金粉末のMIX粉から
製造しようとすると、各元素の固相中での拡散速度が小
さいことと、粉末表面での化合物生成により各元素の拡
散が阻害され、またこの化合物が脆い層を形成するため
とも思われるが、均一な焼結合金が得られず強度が低く
目的を達成できない。
粉末を完全合金粉末として製造することが均一な焼結合
金を得るためには非常に有効である。また、この合金粉
末を使用し粉末冶金で軸受け等の部品を製造することの
理由は第一に最終形状に近い部品が得やすいこと、第二
に微細で均一な組織が得られること、第三に多孔質な部
品が製造できこの多くの孔に潤滑油、潤滑用金属、潤滑
用樹脂等を含浸できることである。
造するが、各金属地金は溶解時の液相では十分均質であ
る。これが水アトマイズにより急冷凝固するため粉末内
部において、この均質な状態がほぼ保たれる。さらに、
焼結体においてもMIX粉からの製造ではないため偏析
がほとんど無く均質な部品が得られることになる。
u−SnやCu−Zn系に比べ硬さが高い傾向にあるた
め成形性が良いとはいえない。またこの粉末は従来のC
u−Snに比較してFeを含み融点が高く合金の表面張
力が高くなるためか、見掛密度が高くなる傾向がある。
そこで粉末の見掛密度を更に低くするために粉末の製造
条件の工夫が必要である。この成形性は圧粉体の抗折力
で測定するが、見掛密度が3.5g/cm3をこえると圧
粉体の抗折力が10kgf/cm3以下となり圧粉体の保
形性が悪くハンドリング性が特に劣化する。
掛密度が3.5g/cm3以下であることが必要である。
さらに好ましくは3.2g/cm3以下であり、最も好ま
しくは3.0g/cm3以下である。この場合、粉末が不
規則化することで表面の凹凸が大きくなり粉末どうしの
接触面積が多くなり、成形性はもとより焼結性において
も良好な結果が得られることもわかった。次に本発明を
更に詳細に説明する。
金になるように地金を溶解後、中間坩堝の底に設けた細
孔より流下し、これに高速の水ジェットを吹きつけ粉砕
する水アトマイズ法を用いる。この水アトマイズ法で
は、ガスアトマイズ法による粉末より当然不規則形状に
はなるが、その不規則度合いの指針になり粉末成形性の
判断の目安でもある見掛密度を上記のような3.5g/
cm3以下にするのはなかなか容易とは言えない。しかし
この見掛密度を低くする方法は、従来から幾つか考案が
されており代表的には特公昭43−6389号に見られ
る様な逆円錐のコニカルジェットを用いることが有効
で、さらに特公平5−7442号の様にコニカルジェッ
トを発生するリングノズルの上下の差圧を発生させてよ
り高い噴霧角度でアトマイズすることも見掛密度3.5
g/cm3以下の不規則度合いの高い粉末を得る方法の一
つである。
イズして得られた合金粉末は脱水、乾燥後、所定の分級
を行い製品となる。また、粉末を特公昭52−3747
5号の様な熱処理または、単純な加熱造粒熱処理によっ
て低見掛密度の不規則形状粉にすることも可能である。
しかし望ましくは、アトマイズのみで上記特性を達成す
る方が単純で、エネルギーやコストの面からも好まし
い。
いて、更に詳細に説明する。粉末の成形性は見掛密度,
圧粉体抗折力で知ることができる。粉末硬さ,焼結体マ
トリックス硬さは焼結前後の硬さを知ることができ、焼
結後の硬さが重要である。また圧環強さは焼結性の目安
となり、またトータルな粉末の特性をも示す。これらの
特性の測定は下記の手段で行った。 ・見掛密度をISO−3923の測定法に従って求め
た。 ・圧粉体抗折力はステアリン酸亜鉛を0.5%添加し、
ISO−3995の測定法に従って、成形密度6.6g
/cm3で求めた。 ・粉末および焼結体マトリックス硬さは微小硬度計を用
いて荷重10gfで求めた。 ・圧環強さは成形密度6.6g/cm3、75%水素+2
5%窒素の雰囲気、780℃、20分焼結し、JIS−
Z 2507の測定法に従って求めた。 表1に、本発明の粉末と比較例の粉末および焼結体の特
性比較を示す。
る実施例1〜6は、比較例1〜3のCu粉Sn粉Fe粉
MIX粉にくらべて見掛密度が高く成形性が劣るが、見
掛密度が3.5g/cm3以下で、しかも圧粉体抗折力が
20kgf/cm3以上あり、実用上十分である。
nに比べ粉末自体の硬さが高いのみならず、粉末硬さに
対して焼結後の硬さの低下が少なく高温での耐軟化性が
優れていることがわかる。また、焼結性を表す圧環強さ
も40kgf/mm2 以上と高く、焼結特性が良好である
ことがわかる。
X粉であり粉末硬さ、焼結体マトリックス硬さはバラツ
キが大きく測定できなかった。このように、本発明粉は
圧粉体抗折力がMIX粉ほどは高くはないが実用上十分
である。また、圧環強さと焼結体マトリックス硬さがそ
ろって高い焼結合金が得られる優れた粉末である。
焼結体の断面組織と図2に従来Cu−10Sn粉の焼結
体の断面組織とをそれぞれ示す。本発明のCu−10S
n−3Feの焼結体断面は、Feが3%合金化したこと
で従来のCu−10Snでは見られなかった析出物がマ
トリックスに微細に分散した組織となり従来の組織とは
全く異なっていることがわかる。この微細な析出物が硬
さ、圧環強さを高くし、さらに焼結時の軟化を進みにく
くしている原因と思われる。この析出物はFeリッチ相
またはFe−Sn相あるいはFe−Sn−X相と考えら
れ、これが微細に分散することで粉末の硬さが高くな
り、更に焼結体の強度が向上すると考えられる。
った組成のCu−Sn−Fe系の合金粉末を提供する事
により、銅系の高強度の焼結合金の製造を可能にする産
業上有用な発明である。
の断面組織
Claims (1)
- 【請求項1】 Feを1〜5重量%含み、さらにSnを
5〜12重量%含み残部がCu及び不可避不純物よりな
り、見掛密度が3.5g/cm3以下であることを特徴と
する銅合金粉末。
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JP31758999A JP4177534B2 (ja) | 1999-11-09 | 1999-11-09 | 銅系高強度焼結部品用合金粉末 |
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- 1999-11-09 JP JP31758999A patent/JP4177534B2/ja not_active Expired - Fee Related
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