JP2015183212A - 鉄基焼結材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の鉄基焼結材は、Moを含みCrを実質的に含まないベース鉄粉とCrを含む強化粉末と炭素源粉末とを少なくとも含む混合粉末を加圧成形した成形体を焼結して得られた焼結体からなる鉄基焼結材である。本発明の鉄基焼結材は、全体を100質量%としたときに、Mo:0.1〜1.5%、Cr:0.01〜2.5%、C:0.2〜1%を含み、ベイナイト相からなる基地中にマルテンサイト相が分散した複合組織からなることを特徴とする。特に、原料粉末の配合組成や粒度等を制御することにより、微細なベイナイト相からなる基地中に、島状のマルテンサイト相が分散した島状複合組織からなる高靱性で高強度な鉄基焼結材が得られる。
【選択図】図22B
Description
(1)本発明の鉄基焼結合金は、モリブデン(Mo)を含みクロム(Cr)を実質的に含まないベース鉄粉とCrを含む強化粉末と炭素源粉末とからなる混合粉末を、加圧成形した成形体の焼結体からなる鉄基焼結材であって、前記焼結体全体を100質量%(単に「%」ともいう。)としたときに、Mo:0.1〜1.5%、Cr:0.01〜2.5%、C:0.2〜1%を含み、ベイナイト相からなる基地中にマルテンサイト相が分散した複合組織からなることを特徴とする。
本発明は、次のような鉄基焼結材の製造方法としても把握できる。すなわち本発明は、Moを含みCrを実質的に含まないベース鉄粉とCrを含む強化粉末と炭素源粉末とから少なくともなる混合粉末を金型へ充填して加圧成形した成形体を得る成形工程と、該成形体を酸化防止雰囲気で焼結させた焼結体を得る焼結工程とを備え、上述した鉄基焼結材が得られることを特徴とする鉄基焼結材の製造方法でもよい。
(1)本明細書でいう粉末の粒度は、粉末粒子の平均粒径により特定される。この「平均粒径」は、レーザー回折式粒度分布測定器による粒度分布測定により特定される。
(1)必須元素
本発明に係る鉄基焼結材は、Fe以外にMo、CrおよびCを必須元素とする。Moはベース鉄粉から主に供給され、鉄基焼結材となる焼結体全体(または混合粉末全体)を100%として0.1〜1.5%さらには0.2〜1.2%さらには0.3〜1%含まれていると好ましい。Crは強化粉末から主に供給され、焼結体全体を100%として0.01〜2.5%、0.1〜1.5%さらには0.2〜0.7%含まれていると好ましい。
本発明に係る鉄基焼結材は、上述した必須元素以外に、例えば、Mn、Siを含有すると好ましい。なお、このような強化元素は、ベース鉄粉やCrを含む粉末とは別な粉末として主に供給されると、Mn等が均質的に分散した金属組織が得られて好ましい。
本発明の鉄基焼結材は、ベイナイト相からなる基地中にマルテンサイト相が分散した複合組織からなる。所望の強度および靱性が得られる限り、ベイナイト相とマルテンサイト相の存在割合、析出形態等は問わない。もっとも、その複合組織が、ベイナイト相の基地中にマルテンサイト相が孤立した島状に点在している島状複合組織であると、鉄基焼結材の高強度化と共に著しい高靱性化も図れて好ましい。
本発明に係る焼結体は、少なくともベース鉄粉と強化粉末と炭素源粉末を所望組成に配合した混合粉末の成形体を焼結してなる。
(1)成形工程
成形工程は、上述した混合粉末を加圧成形して成形体を得る工程である。成形圧力は問わないが、例えば、350〜1200MPaさらには600〜900MPaの範囲とすると良い。成形工程は、冷間成形(室温成形)でも温間成形でも良い。また、混合粉末と金型との潤滑は、内部潤滑剤を混合粉末に配合して行ってもよいし、金型潤滑により行ってもよい。金型潤滑を行う場合、金型潤滑温間加圧成形法(詳細は特許3309970号公報等を参照)を用いると好ましい。
焼結工程は、成形体を加熱して焼結体を得る工程である。焼結温度および焼結時間は、鉄基焼結材の所望特性、生産性等を考慮して適宜選択されるが、それらが過大ではエネルギーコストが増大し、それらが過小では機械的特性の確保が困難となる。焼結温度は、例えば、1050℃〜1300℃、1100〜1250℃さらには1120〜1170℃とすると好ましい。本発明の場合、ベース鉄粉にCrが含まれないため、一般的な焼結温度でも十分に高強度化と高靱性化の両立を図ることができる。焼結時間(焼結温度を保持する時間)は、例えば、0.1〜3時間さらには0.1〜1時間であると好ましい。なお、焼結工程は、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の酸化防止雰囲気でなされると好ましい。
本発明に係る複合組織を得るには、少なくともA1変態点(さらにはA3c変態点)以上に加熱されてオーステナイト化した焼結体の冷却速度が重要となる。冷却速度が過小ではマルテンサイト相が形成されず高強度化を図れない。冷却速度が過大ではマルテンサイト相が過多となり高靱性化を図れない。そこで900℃から300℃まで加熱された焼結体を冷却する際に、その平均冷却速度を10〜80℃/分さらには40〜60℃/分とすると、高強度化と高靱性化を高次元で両立した鉄基焼結材が得られて好ましい。このような冷却工程(焼入工程)は、上述した焼結工程と独立して別途行うことも可能であるが、焼結工程の一部として行うと効率的である。つまり焼結時の加熱によりオーステナイト化している焼結体を、そのまま上記の冷却速度で冷却すると好ましい。
本発明の鉄基焼結材は、その用途を問わないが、例えば、各種プーリー、変速機のシンクロハブ、エンジンのコンロッド、ハブスリーブ、スプロケット、リングギヤ、パーキングギヤ、ピニオンギヤ、サンギヤ、ドライブギヤ、ドリブンギヤ、リダクションギヤ等の素材や製品に用いることができる。なお本発明の鉄基焼結材は、要求仕様に応じて、他の熱処理(焼鈍、焼準、時効、調質、浸炭、窒化等)が適宜施されてもよい。
(1)原料粉末
原料粉末として、ベース鉄粉と、炭素源粉末である黒鉛(Gr)粉(日本黒鉛社製天然黒鉛J−CPB/平均粒径:5μm)と、強化粉末であるCr系鉄粉およびFeMSC粉とを用意した。
表3Aと表3B(適宜、両者を併せて「表3」という。)に示す割合(配合量)で各原料粉末を秤量し、それをボールミルで30分間回転混合して均一な混合粉末を調製した(混合工程)。
キャビティ形状の異なる3種の金型を用意して、前述した金型潤滑温間加圧成形法により各混合粉末を加圧成形した。この際、金型はバンドヒータにより150℃(成形温度)に加熱した。この加熱した金型の内周面には、水に分散させた1%の溶液ステアリン酸リチウム(LiSt)溶液(高級脂肪酸系潤滑剤)を塗布した。成形圧力は表3に示すように392〜980MPaの範囲で調整した。その他、金型潤滑温間加圧成形法に関しては、特許3309970号公報等の記載を参照にした。
バッチ式焼結炉(島津メクテム株式会社製PVSGgr20/20)を用いて、100%窒素ガス雰囲気中で各成形体を焼結した。焼結温度は表3に示すように1100〜1250℃の範囲で調整した。その焼結温度を保持する均熱保持時間は30分間とした。
冷却後の各焼結体を、再度、大気雰囲気中で200℃×60分間加熱して、低温焼戻しを行った。
(1)密度、密度変化、寸法変化、
各試料に係る計測用試験片を用いて、焼結前後の寸法および重量を測定し、成形体の密度(G.D.)、焼結体の(嵩)密度(S.D.)、焼結前後の密度変化率(Δρ)、焼結前後の寸法変化率(ΔD)を算出した。なお、変化率は、焼結後の数値から焼結前の数値値を引いた差分を、焼結前の数値で除して求めた。こうして得られた結果を表4Aと表4B(適宜、両者を併せて「表4」という。)にまとめて示した。
各試料に係る焼結後の引張試験片を用いて、オートグラフ(株式会社島津製作所)で引張試験を行い、各試験片が破断するまでの強度(引張強さ)と伸びを測定した。このときの試験速度は1.2mm/minとした。また、各引張試験片のチャック部のビッカース硬さを30kgfで測定した。さらに、各試料に係る焼結後のシャルピー衝撃試験片を用いて、シャルピー衝撃試験機(30kg・m)により各試験片の衝撃値を測定した。こうして得られた結果を表4にまとめて示した。
各試料の金属組織を、光学顕微鏡を用いて400倍で観察した。各金属組織中にあるマルテンサイト相の割合(マルテンサイト面積率)は,画像解析ソフト(旭化成エンジニアリング株式会社製A像君)を用いて算出した。得られた結果を表4に併せて示した。なお、各試料の金属組織の観察には、上述した衝撃試験片から採取した切断片を樹脂に埋め込み、その表面を鏡面研磨後、3%ナイタールで数十秒間腐食させて得られた標本を用いた。
表3および表4に示すように、各試料の製造条件と特性を試料群1〜9に分類して整理した。これら各試料群ごとに、各試料の特徴を以下に説明する。
(1)Cr量の影響
原料粉末の配合組成を、Cr量の異なるFe−Cr粉:2%または0%(無配合)、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉(ベース鉄粉)とした各試料について、引張強さとシャルピー衝撃値(単に「衝撃値」ともいう。)をそれぞれ図2Aと図2Bに示した。
FeMSC粉を無配合または1%配合とし、Fe−Cr粉の種類と配合量を変化させた各試料について、引張強さを図4A(FeMSC粉:0%)および図4B(FeMSC粉:1%)に、衝撃値を図5A(FeMSC粉:0%)および図5B(FeMSC粉:1%)にそれぞれ示した。なお、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉(ベース鉄粉)は前述した場合と同様である。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:ベース鉄粉とした各試料について、引張強さと衝撃値をそれぞれ図7Aと図7Bに示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:0%(無配合)または2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉またはFe−1.5%Cr−0.2%Mo粉とした各試料について、引張強さと衝撃値をそれぞれ図9Aと図9Bに示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:2%、FeMSC粉:x%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉とした各試料について、引張強さと衝撃値を図11に示した。また、それら各試料の金属組織を図12に示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:x%、残部:Fe−0.85%Mo粉とした各試料について、引張強さと衝撃値を図13に示した。また、それら各試料の金属組織を図14に示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉とし、そのFe−13%Cr粉の粒度(平均粒径)を種々変更した各試料について、引張強さと衝撃値をそれぞれ図15Aと図15Bに示した。また、それら各試料の金属組織を図16に示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉とし、焼結温度を種々変更した各試料の引張強さと衝撃値を図17に示した。また、それら各試料の金属組織を図18に示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉とし、焼結後の冷却速度を種々変更した各試料の引張強さと衝撃値を図19に示した。また、それら各試料の金属組織を図20に示した。
原料粉末の配合組成をFe−13%Cr粉:0%(無配合)または2%、FeMSC粉:1%、Gr粉:0.6%、残部:Fe−0.85%Mo粉とし、成形圧力を変更して種々の焼結体密度からなる各試料の引張強さと衝撃値をそれぞれ図21Aと図21Bに示した。
表4に示した各試料の特性に基づいて、マルテンサイト面積率と、引張強さまたは衝撃値との関係を、それぞれ図22Aと図22Bにまとめて示した。なお、成形圧力が784MPaでない試料と、ベース鉄粉がFe−1.5%Cr−0.2%Mo粉の試料については、図22Aおよび図22Bにプロットしなかった。同系統のベース鉄粉(Mo系鉄粉)を用いており密度も同レベルである試料について、マルテンサイト面積率と引張強さまたは衝撃値との関係を表すためである。
Claims (13)
- モリブデン(Mo)を含みクロム(Cr)を実質的に含まないベース鉄粉とCrを含む強化粉末と炭素源粉末とからなる混合粉末を加圧成形した成形体の焼結体からなる鉄基焼結材であって、
前記焼結体全体を100質量%(単に「%」ともいう。)としたときに、Mo:0.1〜1.5%、Cr:0.01〜2.5%、C:0.2〜1%を含み、
ベイナイト相からなる基地中にマルテンサイト相が分散した複合組織からなることを特徴とする鉄基焼結材。 - 前記複合組織は、前記ベイナイト相の基地中に前記マルテンサイト相が孤立した島状に点在している島状複合組織である請求項1に記載の鉄基焼結材。
- 前記複合組織は、組織全面に対する前記マルテンサイト相の合計面積の割合であるマルテンサイト面積率が5〜45%である請求項1または2に記載の鉄基焼結材。
- 前記強化粉末は、さらにマンガン(Mn)を含み、
前記焼結体全体を100%としたときに、Mn:0.2〜1.5%である請求項1〜3のいずれかに記載の鉄基焼結材。 - Moを含みCrを実質的に含まないベース鉄粉とCrを含む強化粉末と炭素源粉末とからなる混合粉末を金型へ充填して加圧成形した成形体を得る成形工程と、
該成形体を酸化防止雰囲気で焼結させた焼結体を得る焼結工程とを備え、
請求項1〜4のいずれかに記載の鉄基焼結材が得られることを特徴とする鉄基焼結材の製造方法。 - 前記ベース鉄粉の少なくとも一種は、Mo:0.1〜3%と残部:FeからなるMo系鉄粉である請求項5に記載の鉄基焼結材の製造方法。
- 前記強化粉末の少なくとも一種は、Cr:0.5〜25%と残部:FeからなるCr系鉄粉である請求項5に記載の鉄基焼結材の製造方法。
- 前記Cr系鉄粉は、平均粒径が5〜65μmである請求項7に記載の鉄基焼結材。
- 前記強化粉末の少なくとも一種は、FeとMnとケイ素(Si)の合金粉(「FeMS粉」という。)またはFeとMnとSiとCの合金粉(「FeMSC粉」という。)である請求項5に記載の鉄基焼結材の製造方法。
- 前記焼結工程は、焼結温度を1120〜1170℃とする工程である請求項5に記載の鉄基焼結材の製造方法。
- 前記焼結工程は、前記焼結温度を保持する時間である焼結時間を0.1〜1時間とする工程である請求項10に記載の鉄基焼結材の製造方法。
- 前記焼結工程は、900℃から300℃まで10〜80℃/分の平均冷却速度で前記焼結体を冷却する冷却工程を含む請求項5または10に記載の鉄基焼結材の製造方法。
- さらに、前記焼結体を170〜230℃に加熱する低温焼戻工程を備える請求項5または12に記載の鉄基焼結材の製造方法。
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