JP2009173958A - 粉末冶金用混合粉末およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 優れた耐摩耗性と耐熱性を有する焼結部材を得るために好適な粉末冶金用混合粉末およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 Moを予合金化して2.4〜14％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する鉄基粉末に、有機バインダーを介して黒鉛粉を付着させてなる粉末冶金用混合粉末である。
【選択図】 無

Description

本発明は、優れた耐摩耗性と耐熱性を有する焼結部材製造用の粉末冶金用混合粉末およびその製造方法に関するものである。

粉末冶金技術は、複雑な形状の部材を高寸法精度で製造できるので、各種部材の製造コストを削減できる。そのため、粉末冶金技術を適用して成形および焼結を施した部材（以下、焼結部材という）は、様々な分野で利用されている。そして、焼結部材の軽量化，小型化の観点から、焼結部材の強度を向上する技術が種々検討されている。
高強度の焼結部材を得るためには、その素材となる鉄粉の強度を高める必要がある。粉末冶金用鉄粉の強度を高める技術としては、合金元素を添加して固溶強化を生じさせる技術が広く知られている。一般に合金元素は、溶鋼の段階で添加される。溶鋼に合金元素を添加（いわゆる予合金化）すれば、均質な固溶状態を得ることが可能であり、固溶強化の効果を有効に活用できる。

合金元素を予合金化した鉄粉（以下、鉄基粉末という）は、強度が向上する一方で、圧縮性が低下するという問題が生じる。そこで鉄基粉末の強度の向上と圧縮性の改善とを両立させる技術が種々検討されている。
たとえば特許文献１には、合金化粉末を鉄基粉末の表面に付着させ、さらに高温に加熱して保持することによって合金化粉末に含有される合金元素を鉄基粉末に拡散させて、鉄基粉末と合金化粉末とを拡散接合（以下、拡散付着という）させる技術が開示されている。合金化粉末としてはCu粉やNi粉，Mo粉等が一般に知られており、これらの合金化粉末と鉄基粉末を混合機で混合することによって合金化粉末を鉄基粉末に付着させた後、800〜1000℃に保持して拡散付着させる。

合金化粉末および鉄基粉末は、それぞれ粒径や比重が異なる。比重が軽くかつ粒径が小さい合金化粉末は、混合する際に偏析が生じ易い。混合中に合金化粉末が偏析すると、鉄基粉末混合ロット内に合金化粉末の量にバラツキが生じる。しかも、混合機を用いて混合した後、合金化粉末と鉄基粉末が容易に剥離するので、鉄基粉末に付着する合金化粉末の量は必ずしも一定ではない。鉄基粉末に合金化粉末を拡散付着させると、剥離を防止することは可能となり、偏析に起因する付着量のバラツキを減らすことが可能となると考えられる。

また黒鉛粉は800〜1000℃の加熱で容易に鉄基粉末に完全に拡散するので、鉄基粉末が硬化してしまい、圧縮性が低下する。したがって黒鉛粉を付着させるにあたって、拡散付着は工業的に採用されず、後述するバインダーによる付着が常用される。
特許文献２においては、粉末粒径が250μｍ以下であって、なかでも、粉末粒径10〜44μｍを15％以上含み、粉末粒径100〜250μｍを５〜20％含有した、粒度分布を制限した重量％でMo：1.5〜20％もしくはＷ：3.0〜20％を含むか、MoならびにＷは合計で1.5％＜Mo＋Ｗ＜20％の条件を含み、残部がFeおよび不可避的不純物が提案されている。特許文献２では、予め合金化された溶鋼をアトマイズ法により粉末化した予合金粉末であるにも関わらず、微粉末のみでなく、比較的多量に粗粉末を含んで粒度が適正に調整されているために、高密度の焼結体が製造できる粉末冶金用アトマイズ予合金鋼粉を提供し、成形密度7.6mg／mm³以上を目指すものであるが、その想定する工法は静水圧を利用したＨＩＰ法を想定しており、一般の金型を利用した粉末冶金を想定しておらず、プロセスコストが高く、焼結機械部品メーカーに受け入れられる価格で部品を提供できないという問題がある。また、その原料の混合方法は、Ｖ型ミキサー，Ｗコーンミキサー等を用いる単純混合法である。

特許文献３では、Mo：３〜14重量％，Cu：１〜８重量％，Ｃ：0.3〜2.0重量％を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、Moの大部分が鉄基地中に均一に固溶し、かつ微細なCu相が均一に分散している組織を有している耐熱，耐摩耗性に優れたバルブシート用鉄基焼結合金を提案している。内熱機関の高出力化，高回転化による熱的および機械的負荷の増大に対応できる高負荷エンジン用の高性能バルブシート素材である。炭素量が0.3〜2.0重量％と限定されているのは、炭素量が共析組成よりも低いと軟らかいフェライトを生じ、耐摩耗性が劣化し好ましくなく、また逆に炭素量が高いと粗い初晶の炭化物を生じ加工しづらくなるとともに、脆くなるため好ましくないからである。それゆえ、フェライトと炭化物は生じないことが好ましいが、現実的には炭素量を厳密にコントロールするのは原料粉の酸素量や焼結炉の雰囲気等に影響されるため難しく、５体積％以下のフェライト，炭化物の生成は許容せざるを得ない問題点がある。

それゆえ、この特性改善に有害な炭化物やフェライトをさらに減少せしめ、歩留りの向上やさらなる高い耐摩耗性や耐熱性が求められている。なお、本素材は通常の金型を用いた成形−焼結−焼入れ（特許文献３ではガス冷）−焼戻し工程にて製造され、部品密度が低い点が特許文献２と異なるところである。
特公昭45-9649号公報 特公平6-89365号公報 特公平6-60370号公報

本発明は、優れた耐摩耗性と耐熱性を有する焼結部材（たとえばバルブシート等）を得るために好適な、高強度と高圧縮性を兼ね備えた粉末冶金用混合粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、Moを予合金化して2.4〜14％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する鉄基粉末に、有機バインダーを介して黒鉛粉を付着させてなる粉末冶金用混合粉末である。
本発明の粉末冶金用混合粉末においては、黒鉛粉の含有量は0.3〜2.0％であることが好ましい。さらに、黒鉛粉の付着率が60％以上であることが好ましい。

また本発明は、Moを予合金化して2.4〜14％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する鉄基粉末と、黒鉛粉と、有機バインダーとを混合して、鉄基粉末に有機バインダーを介して黒鉛粉を付着させる粉末冶金用混合粉末の製造方法である。
本発明の粉末冶金用混合粉末の製造方法においては、黒鉛粉の含有量は0.3〜2.0％であることが好ましい。さらに、黒鉛粉の付着率が60％以上であることが好ましい。

なお、各元素と黒鉛粉の含有量の単位は質量％であり、粉末冶金用混合粉末の質量に対する比率である。
また、黒鉛粉の付着率は次式で算出される。
黒鉛粉の付着率（％）＝100×〔（−100＃／＋200＃）の黒鉛粉量〕／混合粉末の黒鉛粉量
黒鉛粉の付着率は、混合粉末を篩分け機（たとえば商品名：ロータップ）等で分級した後、−100＃／＋200＃の粒度範囲の粉末の中の黒鉛粉量を、混合粉末全体の黒鉛粉量で除した値である。黒鉛粉の付着の程度が小さい場合、−100＃／＋200＃の粉末中の黒鉛粉が剥離，分離し、小粒径側に移動するので、黒鉛粉の付着率は小さくなる

本発明によれば、優れた耐摩耗性と耐熱性を有する焼結部材を歩留り良く得ることができる。

本発明では、Moを予合金化して含有する鉄基粉末に、有機バインダーを介して合金化粉末を付着させて粉末冶金用混合粉末とする。なお、各元素の含有量の単位は、いずれも質量％であり、粉末冶金用混合粉末の質量に対する比率を百分率で示す値である。
Moは、予合金化されて粉末冶金用混合粉末の強度を高めるとともに、焼結によってフェライト相を生成させる作用を有する。フェライト相中ではFeの自己拡散が促進されるので、焼結部材の気孔を閉塞し、焼結部材の強度が向上する。Moの含有量が2.4％未満では、この効果が得られない。一方、14％を超えると、粉末冶金用混合粉末の圧縮性が劣化する。したがって、Moは2.4〜14％の範囲内とする。

フェライト相が過剰に生成すると、焼結部材の軟化（すなわち耐摩耗性，耐熱性の劣化）を招く。焼結部材の軟化を防止するためには、フェライト相の面積率は３％以下が好ましい。Mo含有量が上記の範囲内であれば、フェライト相の面積率が３％を超える惧れはない。なお、フェライト相の面積率（％）は、焼結部材の表面積に対するフェライト相の面積の比率を百分率で示す値である。さらに好ましくは２％以下である。

鉄基粉末は、Moに加えて、Niを予合金化して含有しても良い。Niは、粉末冶金用混合粉末の強度を高める作用を有する。Niの含有量が２％未満では、この効果が得られない。一方、20％を超えると、粉末冶金用混合粉末の圧縮性が劣化する。したがって、Niは２〜20％の範囲内が好ましい。
鉄基粉末の上記した以外の成分は、Feおよび不可避的不純物である。

また単純混合法では、鉄粉，合金化粉末，潤滑剤を混合機で混合することが多く、偏析を防止する効果はない。
偏析防止方法としては、有機物をバインダーとして鉄粉と黒鉛粉を作用させる方法であれば、特に手段は問わない。実際、各鉄粉製造メーカーで種々の方法にて偏析防止処理が工業的に行なわれている。

しかも黒鉛粉は有機バインダーによって鉄基粉末から容易には剥離しないので拡散付着させる必要はない。もっとも、拡散付着処理を施そうとすると、Ｃの拡散計数が大きいので、鉄粉中に固溶してしまい、結果として圧縮性が低下し、実用には適さない。
得られた粉末冶金用混合粉末を焼結して焼結部材とする際に、Ｃが鉄基粉末に拡散し、焼結部材の強度を高める。しかし焼結によって鉄基粉末に拡散するＣが少ない場合は、フェライト相が過剰に生成するので、焼結部材の強度が低下する。一方、Ｃが多量に拡散すると、炭化物が析出して強度の低下を招く。したがって黒鉛の付着量は、粉末冶金用混合粉末のＣ含有量に換算して0.3〜2.0％の範囲内が好ましい。

有機バインダーは、鉄基粉末と黒鉛粉を接合する接着力を有するものを使用する。たとえば、ステアリン酸モノアミド，エチレンビスステアリン酸アミド，メチレンビスステアリン酸アミド，オレイン酸アミド等が好ましい。なお、有機バインダーは、粉末冶金用混合粉末を焼結して焼結部材とする際に気化あるいは焼失するので、焼結部材には残留しない化合物を選定する必要がある。

さらに、合金化粉末としてCu粉を鉄基粉末に付着させても良い。その場合は、鉄基粉末，黒鉛粉，有機バインダーに加えてCu粉を混合機に投入して混合する。Cuは、粉末冶金用混合粉末を焼結して焼結部材とする際に、微細なCu相を析出させて、焼結部材の耐摩耗性と耐熱性を向上する作用を有する。Cu含有量が１％未満では、この効果が得られない。一方、８％を超えると、結晶粒界に粗大なCu相が生成して、強度の低下を招く。したがって、Cu粉の付着量は、粉末冶金用合金鋼粉のCu含有量に換算して１〜８％の範囲内が好ましい。

以上に説明した粉末冶金用混合粉末は、MoあるいはNiが均一に分散し、また黒鉛粉の偏析が小さく、特性が均一である。したがって、その粉末冶金用混合粉末を焼結することによって、優れた耐摩耗性と耐熱性を有する焼結部材を歩留り良く得ることができる。
この粉末冶金用混合粉末を用いて焼結部材を製造するにあたって、潤滑剤や切削性改善剤を添加しても良い。

潤滑剤は、粉末冶金用混合粉末を金型に充填して加圧成形した後、金型から抜出すときの抜出力を低減する作用を有する。潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛，ステアリン酸アミド，オレイン酸アミド，エチレンビスステアリン酸アミド，メチレンビスステアリン酸アミド，脂肪酸アミド類，低分子ポリエチレンワックス等が好適である。
切削性改善剤は、粉末冶金用混合粉末を加圧成形し、さらに焼結して得た焼結部材を所定の寸法精度に切削加工する際の切削性を改善する作用を有する。切削性改善剤としては、MnＳ，CaＦ，Ca−Al−Si−Ｏ系酸化物，エンスタタイト等が好適である。なお、これらの切削性改善剤以外でも、勿論、適用が可能である。

種々の成分の鉄基粉末に黒鉛粉を混合し、粉末冶金用混合粉末を得た。鉄基粉末の平均粒径は78μｍ，黒鉛粉の平均粒径は16μｍ，Cu粉の平均粒径は20μｍであった。使用した鉄基粉末の成分は表１に示す通りであり、いずれも添加元素（すなわちMo，Ni）を予合金化して含有させた。なお、鉄粉のＯ量は0.2％以下、Ｃは0.005％以下，Ｎは50ppm以下である。黒鉛粉は天然黒鉛を使用した。Cu粉は電解Cu粉を使用した。また、鉄基粉末に付着した黒鉛の量を、炭化物の面積率を反映するので、これを表１に示す。表１に示す各元素の含有量は、粉末冶金用混合粉末の質量に対する比率である。

また、黒鉛粉の付着率も表１に示す。なお、鉄基粉末のMo，Ni以外の成分および粒度分布は全ての例で共通であり、表２および表３に示す。
鉄基粉末と黒鉛粉との単純混合法ではＶ型ミキサーを用い、偏析防止法ではヘンシェルミキサーを使用した。偏析防止処理のための混合方法は、有機バインダーとしてオレイン酸アミドを添加し、有機バインダーを介して鉄基粉末に黒鉛粉を付着させる混合方法（以下、偏析防止混合という）と、有機バインダーを使用せず単に鉄基粉末に黒鉛粉を付着させる混合方法（以下、単純混合という）の２種類とした。

発明例１〜４は、Mo含有量が本発明の範囲を満足し、かつ偏析防止混合を採用した例である。比較例１は、Mo含有量が本発明の範囲を満足するものの、有機バインダーを使用せず単純混合を採用した例である。これらの粉末冶金用混合粉末を金型に充填して、７トン／cm²（＝686MPa）で加圧成形し、さらに焼結（焼結温度1170℃，保持時間30分）して円盤状（直径11mm，厚み10mm）の試験片を作製した。

次いで、光学顕微鏡を用いて各試験片の表面を100倍で５視野ずつ観察し、フェライト相および炭化物の面積を測定した。その結果を、面積率（％）に換算して表１に示す。面積率（％）は、観察した視野の表面積に対するフェライト相の面積の比率を百分率で示す値である。
表１から明らかなように、発明例は、フェライト相の面積率と炭化物の面積率が比較例に比べて少ない。したがって本発明によれば、フェライト相と炭化物が少ない耐磨耗性と耐熱性に優れた焼結部材が容易に得られることが確かめられた。

Claims (6)

1. Moを予合金化して質量％で2.4〜14％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する鉄基粉末に、有機バインダーを介して黒鉛粉を付着させてなることを特徴とする粉末冶金用混合粉末。
2. 前記黒鉛粉の含有量が0.3〜2.0％であることを特徴とする請求項１に記載の粉末冶金用混合粉末。
3. 前記黒鉛粉の付着率が60％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の粉末冶金用混合粉末。
4. Moを予合金化して質量％で2.4〜14％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する鉄基粉末と、黒鉛粉と、有機バインダーとを混合して、前記鉄基粉末に前記有機バインダーを介して前記黒鉛粉を付着させることを特徴とする粉末冶金用混合粉末の製造方法。
5. 前記黒鉛粉の含有量が0.3〜2.0％であることを特徴とする請求項４に記載の粉末冶金用混合粉末の製造方法。
6. 前記黒鉛粉の付着率が60％以上であることを特徴とする請求項４または５に記載の粉末冶金用混合粉末の製造方法。