JP2004513232A - 粉末冶金製品用混合物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、粉末冶金製品用混合物及びその製造方法に関する。更にこの発明は、粉末冶金製品及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
粉末冶金では、ある種の粉末を所定の割合で混合した後、混合粉末をダイセットを用いて加圧下で所望の形状に成形し、次いで焼結して最終粉末冶金製品とする。
【0003】
粉末冶金製品の一つの利点は、実質的に最終形状の粉末冶金製品を機械加工作業なしでダイ中で成形されるために、機械加工作業が不要となるということである。近時、高精度でかつより複雑な形状のものが要求されている。従って、粉末冶金製品に対しても機械加工作業が必要とされている。しかし、一般に、粉末冶金製品は被削性に乏しい。
【0004】
特許文献1:米国特許5,938,814号公報及び特許文献2:特公昭56−45964号(以下、‘964刊行物と称する)は、被削性が良好な鋼粉末を開示している。これら公報の内容はその全てがこの明細書で引用されるものである。
【0005】
‘964刊行物に開示された鋼粉末では、鋼粉末は、0.15乃至0.5重量%のSと、Mn/S平衡量よりも最大で0.3重量%多い量のMnとを含む。MnはSと結合するために用いられ、MnSはMnがSと結合された後は、容易に酸化されることはない。
【0006】
一般に、粉末冶金製品は機械強度が劣っている。その理由は、粉末冶金製品は、加圧下で成形され、焼結されることにより製造されるために、その中に多くのポアを有しているためと思われる。
【0007】
【特許文献1】
米国特許5,938,814号公報、(請求項)
【0008】
【特許文献2】
特公昭56−45964号公報、(請求項)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、実質的に疲労強度を劣化させることなく被削性を改善した粉末冶金製品を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、粉末冶金用混合物は鉄粉末、グラファイト粉末及び約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)を含む。鉄粉末は、MnSを含む鉄粒子を有する鉄粒子である。この混合物はMnSを約0.65乃至約1.40重量%含む。グラファイト粉末は混合物中に、粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるように含まれる。炭素量(C重量%)と銅量(Cu重量%)は、下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために、上記炭素の重量%と上記銅の重量%が決められる。
【0011】
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
本発明の他の態様によれば、混合物から作られた粉末冶金製品で、この混合物は鉄粉末、グラファイト粉末及び約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)を含む。鉄粉末は、MnSを含む鉄粒子を有する鉄粒子である。この混合物はMnSを約0.65乃至約1.40重量%含む。グラファイト粉末は混合物中に、粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるように含まれる。炭素量(C重量%)と銅量(Cu重量%)は、下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために、上記炭素の重量%と上記銅の重量%が決められる。
【0012】
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
さらに異なる本発明の他の態様によれば、粉末冶金製品用混合物を製造する方法であって、鉄粉末中の鉄粒子中にMnSを付着する工程、この鉄粉末にグラファイト粉末を加え、粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるようにする工程、鉄粉末に約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)を加える工程を含み、下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために、上記炭素の重量%と上記銅の重量%を決める工程を有する。
【0013】
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
混合物は、MnSを約0.65乃至約1.40重量%含む。
【0014】
更に異なる本発明によれば、粉末冶金製品は、鉄と、約0.3乃至約0.7重量%の炭素(C)と、約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)とを含む。鉄は、MnSを含む鉄粒子を有する。この製品は、MnSを約0.65乃至約1.40重量%含む。下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために、上記炭素の重量%と上記銅の重量%が決められる。
【0015】
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明のより完全な評価とそれに付随する多くの利点は、以降の詳細な説明において容易に明らかになる。
【0017】
以下、好適な具体例を、添付する図面に基づいて説明する。
【0018】
粉末冶金では、幾つかの元素を加えて鉄粉末に混合した後、この混合物をダイセットを用いて加圧下で所望形状の圧粉体に成形する。このような金属製品には、例えば、図1に示すような結合ロッドがある。結合ロッド1は、例えば、自動車の内燃機関に用いられる。この結合ロッド1は、小端部2と大端部3を有する。小端部2はピストンに結合されるものである。大端部3はクランクシャフトに結合されるものである。大端部3は二つの半部(3a,3b)を有し、互いにボルトを介して結合されるものである。
【0019】
本発明のこの実施例では、MnSなどの粉末冶金製品の被削性を改善する被削性改善元素は、鉄粉末の鉄粒子中に付着して、粉末冶金製品の被削性を改善している。鉄粉末は多くの鉄パーティクルを有する。この付着鉄粉末中には、図2に示すように、一つの鉄パーティクル(P)が複数の鉄粒子(g)を含んでいる。MnSは、図2にドットで示され、実質的に均一に鉄粒子(g)中に付着している。
【0020】
MnSに加えて、Ni及び/又はMoなどの粉末冶金製品の機械的強度を改善する元素を鉄パーティクル中に付着させることができる。さらに、Ni及び/又はMo粉末は鉄粉末と単純に混合することもできる。更には、Ni及び/又はMoは、拡散結合により鉄粒子と結合させることもできる。
【0021】
本発明者は、銅量と炭素量が粉末冶金製品の被削性及び疲労強度に及ぼす影響を研究した。この研究のために、ベース粉末として、MnS付着粉末、純粋鉄粉末及び0.3重量%のMnSを加え混合した純粋鉄粉末を用いて、幾つかのFe−Cu−C混合物を用意した。表1は純粋鉄粉末とMnS付着粉末の化学成分(重量%)を示す。
【0022】
【表1】
付着鉄の製造工程では、溶融及び精練工程の溶融鉄中にマンガン(Mn)と硫黄(S)が加えられる。次いで、アトマイズ工程で鉄粉末が作られる。従って、MnSは、鉄粒子中に付着される。特公昭56−45964号(特許文献2)ではこのような手順を開示している。この公報の内容はその全てを引用することにより、この明細書に組み込まれる。グラファイト粉末と銅(Cu)は鉄粉末中に加えられる。図2は、MnS付着鉄粉末の1つのパーティクル(P)の拡大断面図である。パーティクル(P)をナイタールによりエッチングし、粒子境界を観察できるようにした。MnS粒子は鉄粒子全面に亘って実質的に均一に付着している。鉄粉末は多くの鉄パーティクルを有する。この付着鉄粉末中では、図2に示すように、一つの鉄パーティクル(P)が複数の鉄粒子(g)を有する。MnSは、ドットで示されるが、鉄粒子(g)中に実質的に均一に付着されている。
【0023】
銅粉末は、150メッシュ(105μm)で分級され、90%の銅粉末が200メッシュ(75μm)を通過する。グラファイト(Gr)粉末は、D50の9.1μmとD90の20.9μmとを有する。潤滑剤(Lub)は、純正ワックス等級から選択される。MnS粉末はD50の8.5μmとD90の32.4μmとを有する。混合物は典型的にFe−Cu−C組成である。全ての試料混合物をサンプル製品に成形した。このサンプル製品は、588MPaで単軸静圧プレスを用いることにより、外径90mm、高さ45mmを有する。これらの試料製品を1140℃(2084°F)で40分、純粋窒素雰囲気中でプッシャータイプの焼結炉中で焼結した。
【0024】
これら試料を鍛造用に予熱する前に、グラファイト潤滑剤を焼結材料の表面に被覆して、焼結材料と鍛造型の間の摩擦を軽減し、且つ、酸化(脱炭)を防止するようにした。焼結材料を1050℃(1922°F)に30分間鍛造用予熱炉内で予熱した。鍛造は、1600トンの機械鍛造プレスを用いて980MPaの圧力で行われた。
【0025】
(1)疲労強度
疲労強度を測定するために、JIS(日本工業規格)1タイプの1974のJIS Z 2274による回転曲げ疲労試験試料を用意した。1974のJIS Z 2274の内容は、その全てがこの明細書に引用して組み込まれる。疲労強度を小野回転曲げ疲労方法により測定した。回転速度は3,600rpmであった。疲労限度は107サイクルとして規定された。
【0026】
(2)被削性
被削性は、例えば穿孔中の切削抵抗などの押圧力により決められた。押圧力の低減は被削性の改善を意味する。穿孔条件は次のとおりである。
【0027】
ドリル:5mm径の高速鋼ドリル
速度:800rpm
穿孔の深さ:10mm
送り速度:0.05mm/回転数
潤滑剤:潤滑剤なし
【表2】
表2は、粉末を鍛造した試料の化学組成と機械的特性を示す。試料は銅(2〜3重量%)と炭素(0.2〜0.6重量%)を種々に組み合わることにより、被削性及び疲労強度に関するそれらの影響を研究した。2重量%Cu−0.45重量%C(試料3,9)、及び3重量%Cu−0.45重量%C(試料6,11)のような試料につき、これらを、付着された鉄ベース材料及び純粋の鉄ベース材料との間で同等に比較することができた。これらの比較によれば、付着されたベース材料は純粋の鉄ベース材料よりも疲労強度が高かった。表2中、(FS)は疲労強度を、(TS)は抗張力を、(HRB)は硬さを示す。
【0028】
次に、試料3,9,13(Fe−2.0重量%Cu−0.45重量%C)を比較すると、粉末鍛造条件で、付着鉄粉末は純粋鉄ベースよりも疲労強度が20N/mm2高いこと(MnS混合ベースに対して+30N/mm2)が示され、付着鉄粉末は純粋鉄ベースよりも28kgf押圧力が低い(MnS混合ベース材料に対して9kgf低い)こと(良好な被削性)が示された。
【0029】
表2を参照すれば、添加物の寄与は付着されたものと純粋鉄ベース材料との間の違いに見られる。各特性に関して添加効果を決定するために、付着されたものと純粋鉄粉末との両方に関して各機械特性用に回帰分析をおこなった。表3は以下の式の係数を示す。
【0030】
ターゲットの特性=A×(重量%Cu)+B×(重量%C)+C
重量%Cu:銅の重量%
重量%C:炭素の重量%
A及びB:係数
【表3】
疲労強度(FS)に関して、付着粉末混合物に対する銅の係数は純粋鉄粉末ベース混合物のそれよりも二倍大きかった。付着粉末混合物中の(FS)に関する炭素の影響は純粋鉄粉末ベース混合物のそれよりも半分の大きさであった。他方、抗張力(TS)の場合、純粋鉄ベースに対して、ベース上の銅と炭素の両方に関して約70%であった。
【0031】
この情報に基づいて、添加物は予期された機械的特性に影響するのみならず、異なるベース粉末中で異なる挙動も示す。
【0032】
図3と4は、式(1)に従ったそれぞれの疲労強度を得るために、銅量と炭素量との間の関係を示したものである。明らかに、純粋鉄ベース粉末鍛造(P/F)材料の疲労強度は、粉末鍛造条件下で、付着ベース粉末鍛造材料よりも炭素量に対する感受性が高かった。これは、純粋な鉄ベースは全製造工程において、均一な特性を得るために、付着ベースと比較して、より正確な炭素制御が要求されることを示している。他方、付着ベース材料は銅量に対して純粋鉄ベースよりも感受性が高いが、銅の寄与は炭素の1/3よりも低い。添加物の偏析を防ぐ幾つかの方法が知られている。例えば、拡散結合法、有機結合剤処理などである。これらの処理がされた粉末は偏析を防ぐのに有効である。しかし、圧粉体の状態中のみである。粉末鍛造部品製造の場合には、脱炭がベース粉末の酸素によって起こるだけでなく、焼結及び鍛造中に起こる。粉末鍛造が適用される付着粉末の利点の一つに、炭素量に対して感受性が低いことが挙げられる。
【0033】
純粋鉄ベース粉末では、被削性を劣化させることなく疲労強度を高めることは実質的に不可能であった。しかし、本発明者は、銅量(Cu重量%)と炭素量(C重量%)とを調整することにより、被削性を劣化することなく疲労強度を向上できることを見出した。被削性は、硬さが減少するので改善される。式(1)と表3によれば、本発明者は疲労強度(MPa)と銅量(Cu重量%)及び炭素量(C重量%)との関係、硬さ(HRB)と銅量(Cu重量%)及び炭素量(C重量%)との関係を、以下のように見出した。
【0034】
ターゲットの疲労強度(MPa)
=22.61×(重量%Cu)+66.63×(重量%C)+280.84
ターゲットの硬さ(HRB)
=2.99×(重量%Cu)+22.96×(重量%C)+78.91
上記の関係に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために、銅量(Cu重量%)及び炭素量(C重量%)が決められる。
【0035】
図5は、疲労強度(MPa)と、銅量(Cu重量%)及び炭素量(C重量%)との関係、及び硬さ(HRB)と、銅量(Cu重量%)及び炭素量(C重量%)との関係を示す。線分(F)は、疲労強度FSが383(MPa)を得るためのCとCuの量の組み合わせを示す。線分(H)は、硬さHRが104(HRB)を得るためのCとCuの量の組み合わせを示す。104(HRB)よりも少ない硬さHRは、線分Hの下側で得られる。被削性を劣化させることなく、また、コストを増加させることなく、疲労強度を増加させるために、炭素(C)量は約0.3〜約0.7重量%、銅(Cu)量は約2.0〜5.0重量%である。好ましくは、銅(Cu)量は約3.0〜約5.0重量%である。
【0036】
この粉末では、鉄粒子中に付着しているMnS量は約0.65〜約1.40重量%である。もしMnS量が0.65重量%よりも少なくなると、被削性が劣化する。他方、もし、MnS量が1.40重量%よりも多くなると、疲労強度が減少する。好ましくは、MnS量は約0.65〜1.00重量%である。この範囲では、被削性が劣化することなく、また実質的なコスト増加がなく、疲労強度が増加する。より好ましくは、MnS量は約0.65〜0.90重量%である。
【0037】
粉末冶金用混合物は、鉄粉末、グラファイト粉末、及び約2.0〜約5.0重量%の銅(Cu)を含む。好ましくは、銅(Cu)は、約3.0〜約5.0重量%である。鉄粉末は、鉄粒子を含み、この鉄粒子にはMnSをそのなかに含む。この混合物は、MnSを約0.65〜1.40重量%含む。グラファイト粉末は粉末冶金製品中の炭素量が約0.3〜0.7重量%となるように混合物に添加される。以下の関係に基づいて、ターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために、炭素量(C重量%)と銅量(Cu重量%)は決められる。
【0038】
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
【0039】
【実施例】
銅粉末は150メッシュ(105μm)で分級され、90%の銅粉末が200メッシュ(75μm)を通過した。グラファイト(Gr)粉末はD50の9.1μmとD90の20.9μmである。潤滑剤(Lub)を純正ワックス等級から選択する。MnS粉末はD50の8.5μmとD90の32.4μmである。混合物は典型的なFe−Cu−C組成である。混合物を所望形状の圧粉体に成形した。圧粉体をプッシャタイプの焼結炉で純粋窒素雰囲気下で、1140℃(2084°F)、40分焼結する。鍛造用焼結圧粉体を予熱する前に、グラファイト潤滑剤を焼結された圧粉体の表面に被覆して、終結された圧粉体と鍛造型との間の摩擦を減少させ、且つ、酸化(または脱炭)を防ぐようにする。焼結された圧粉体を1050℃(1922°F)、30分間、鍛造用予熱炉で予熱する。鍛造を1600トン機械鍛造プレスを用いて980MPaの圧力で行なう。従って、粉末冶金製品が製造される。
【0040】
明らかに、上記教示に基づいて、本発明の各種変更、修正が可能である。従って、この請求項の範囲内において、ここに特に記載されたもの以外についても実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
結合ロッドの正面図。
【図2】
MnS付着鉄の粒子(P)の拡大断面図。
【図3】
疲労強度と、MnS付着鉄基粉末から作られた粉末冶金製品中の炭素と銅との関係を示す図。
【図4】
疲労強度と、純粋鉄基粉末から作られた粉末冶金製品中の炭素と銅との関係を示す図。
【図5】
疲労強度(MPa)と、銅量(Cu重量%)と炭素量(C重量%)との関係、及び硬さ(HRB)と銅量(Cu重量%)と炭素量(C重量%)との関係を示す図。
【符号の説明】
1 結合ロッド
2 小端部
3 大端部
3a,3b 半部
4 ボルト
Claims (16)
- 粉末冶金製品用混合物であって、
MnSを含む鉄粒子を有する鉄粉末が含まれ、MnSはこの混合物に約0.65乃至約1.40重量%含まれ、混合物中に粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるようにグラファイト粉末が含まれ、且つ、約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)が含まれ、
下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために上記炭素の重量%と上記銅の重量%が決められている粉末冶金製品用混合物。
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91 - 上記炭素の重量%と上記銅の重量%は以下の関係式を満たす請求項1の混合物。
66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)≧102.16、及び
22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)≦25.09 - この混合物は、MnSを約0.65乃至約1.00重量%含む請求項1の混合物。
- この混合物は、MnSを約0.65乃至約0.90重量%含む請求項3の混合物。
- 混合物から作られる粉末冶金製品であって、この混合物は、
MnSを含む鉄粒子を有する鉄粉末が含まれ、MnSはこの混合物に約0.65乃至約1.40重量%含まれ、粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるように混合物中にグラファイト粉末が含まれ、且つ約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)が含まれ、
下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために上記炭素の重量%と上記銅の重量%が決められている粉末冶金製品。
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91 - この混合物は、MnSを約0.65乃至約1.00重量%含む請求項5の粉末冶金製品。
- この混合物は、MnSを約0.65乃至約0.90重量%含む請求項6の粉末冶金製品。
- この粉末冶金製品は、鍛造製品(forged product)であって、混合物を加圧下で所望形状に成形した後、鍛造して製造される請求項5の粉末冶金製品。
- 粉末冶金製品用混合物を製造する方法であって、
鉄粉末中の鉄粒子中でMnSを予備合金化(pre‐alloying)する工程であって、MnSはこの混合物に約0.65乃至約1.40重量%含む工程と、
この鉄粉末にグラファイト粉末を加え、粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるようにする工程と、
鉄粉末に約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)を加える工程と、
上記炭素の重量%と上記銅の重量%を決めて、下記の関係式に基づいてターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得る工程とを備えた粉末冶金製品用混合物を製造する方法。
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91 - この混合物は、MnSを約0.65乃至約1.00重量%含む請求項9の方法。
- この混合物は、MnSを約0.65乃至約0.90重量%含む請求項10の方法。
- 粉末冶金製品用混合物を製造する方法であって、
混合物製造過程で混合物を製造する工程を具備し、この工程は、
鉄粉末中の鉄粒子中でMnSを予備合金化する工程であって、この混合物がMnSを約0.65乃至約1.40重量%含む工程と、
この鉄粉末にグラファイト粉末を加え、粉末冶金製品中の炭素(C)量が約0.3乃至約0.7重量%となるようにする工程と、
鉄粉末に約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)を加える工程と、
下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために上記炭素の重量%と上記銅の重量%を決める工程と、
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
加圧下で混合物を圧粉体に成形する工程と、
圧粉体を焼結する工程と、
を備えた粉末冶金製品用混合物を製造する方法。 - 焼結された圧粉体を鍛造する工程を備えた請求項12の方法。
- この混合物は、MnSを約0.65乃至約1.00重量%含む請求項12の方法。
- この混合物は、MnSを約0.65乃至約0.90重量%含む請求項12の方法。
- 粉末冶金製品であって、
MnSを含む鉄粒子を有する鉄が含まれ、MnSはこの製品に約0.65乃至約1.40重量%含まれ、
約0.3乃至約0.7重量%の炭素(C)が含まれ、
約3.0乃至約5.0重量%の銅(Cu)が含まれ、
下記の関係式に基づくターゲットの疲労強度FS(MPa)とターゲットの硬さHR(HRB)を得るために上記炭素の重量%と上記銅の重量%が決められる粉末冶金製品。
FS=66.63×(重量%C)+22.61×(重量%Cu)+280.84
HR=22.96×(重量%C)+2.99×(重量%Cu)+78.91
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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