JP2019512604A - 切削加工容易な金属粉末組成物 - Google Patents

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Abstract

本発明は、鉄基粉末に加えて、少量の切削性向上添加剤を含む鉄基粉末組成物に関するものである。この切削性向上添加は少なくともハロイサイトを含む。本発明はさらに、この切削性向上添加剤の使用、および切削が容易な鉄基焼結部材の製造方法にも関する。

Description

本発明は、切削性の向上した金属粉末部品を製造するための金属粉末組成物、および粉末金属部品を製造する方法に関するものである。
粉末冶金製造技術の主な利点の1つは、圧縮成形および焼結によって、最終形状または最終形状に非常に近い形で部材を製造することが可能なことである。しかし、次工程として切削加工が必要な場合がある。例えば、寸法精度が厳しい場合や、部材の最終形状が直接プレスできないような形状になっている場合に切削加工が必要になる。具体的には、圧縮方向横方向の穴、アンダーカットおよびねじ山のような形状は、後続の切削加工を必要とする。
強度および硬度をさらに向上させた新しい焼結鋼を開発し続けたことにより、切削加工は部材の粉末冶金製造技術において課題となっている。粉末冶金的製造技術による部材の製造が最も費用効果の高い方法であるかどうかを評価する際には、しばしば制限要因になる。
今日では、焼結後の部材の切削加工を容易にするために鉄基粉末混合物に添加される物質が多く知られている。最も一般的な粉末添加剤は、ＭｎＳ（硫化マンガン）である。これは、例えば、欧州特許出願公開第０１８３６６６号に、焼結鋼の切削性がその粉末の混合によってどのように改善されるかが記載されている。
米国特許第４，９２７，４６１号は、焼結後の切削性を向上させるために、六方晶系ＢＮ（窒化ホウ素）を鉄基粉末混合物に０．０１重量％および０．５重量％添加することを記載している。
米国特許第５，６３１，４３１号は、鉄基粉末組成物の切削性を向上させるための添加剤に関するものであり、この特許によれば、添加剤は、粉末組成物の０．１〜０．６重量％のフッ化カルシウム粒子を含有する。
特開平０８−０９５６４９号公報には切削性向上物質が記載されている。これは、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＣａＯを含み、アノーサイトまたはゲーレン石の結晶構造を有するものである。アノーサイトは、長石群に属し、モース硬度が６〜６．５のテクトケイ酸塩であり、ゲーレナイトは、モース硬度が５〜６のソロケイ酸塩である。
米国特許第７，３００，４９０号には、硫化マンガン粉末（ＭｎＳ）とリン酸カルシウム粉末またはヒドロキシアパタイト粉末との組み合わせからなる圧粉および焼結された部品を製造するための粉末混合物が記載されている。
国際公開第２００５/１０２５６７号には、切削性向上剤として使用される六方晶窒化ホウ素粉末とフッ化カルシウム粉末との組み合わせが開示されている。硫黄と組み合わせられた酸化ホウ素、ホウ酸またはホウ酸アンモニウムなどのホウ素含有粉末は、米国特許第５，９３８，８１４号に記載されている。
切削性向上添加剤として使用される粉末の他の組み合わせは、欧州特許出願公開第１９８５３９３号に記載されており、その組み合わせは、タルクおよびステアタイトおよび脂肪酸から選択される少なくとも１つを含有する。切削性向上物質としてのタルクは特開平１−２５５６０４号公報に記載されている。
欧州特許出願公開第１００２８８３号は、金属部品、特に弁座用インサートを製造するための金属粉末混合物を記載している。記載された混合物は、摩擦を低減し、すべり摩耗を防止し、切削性を改善するために、０．５〜５％の固体潤滑剤を含有する。実施形態の１つでは、雲母が固体潤滑剤として言及されている。耐摩耗性および高温安定性を有する部材の製造に使用されるこのタイプの粉末混合物は、常に合金成分（通常は１０重量％超）および硬質相（通常は炭化物）を多量に含む。
米国特許第４，２７４，８７５号は、欧州特許出願公開第１００２８８３号に記載されているものと同様の物品の製造方法であって、成形および焼結する前に０．５〜２重量％の粉末雲母を金属紛に添加する工程を含む粉末冶金による製造方法を教示する。具体的には、どのような種類の雲母も使用できることが開示されている。
さらに、特開平１０−３１７００２号公報には、摩擦係数を低減した粉末および焼結体が記載されている。粉末は、１〜１０重量％の硫黄、３〜２５重量％のモリブデン、残部が鉄である化学組成を有する。さらに、固体潤滑剤および硬質相材料が添加される。
国際公開第２０１０/０７４６２７号は、鉄基粉末に加えて、フィロケイ酸塩の群からの少なくとも１つのケイ酸塩を含む少量の切削性向上添加剤を含む鉄基の粉末組成物を開示する。添加剤の具体例としては、白雲母、ベントナイト、カオリナイトである。
圧粉して焼結された部品の切削加工は非常に複雑であり、部材の合金系の種類、合金元素の量、温度、雰囲気および冷却速度などの焼結条件、部材の焼結密度、寸法および形状などのパラメータの影響を受ける。また、切削加工の種類や切削加工パラメータの影響を受けることは明らかであり、切削の結果に非常に重要である。粉末冶金組成物に添加される提案された切削加工性向上剤の多様性は、ＰＭ切削加工技術の複雑な性質を反映している。
欧州特許出願公開第０１８３６６６号明細書 米国特許第４，９２７，４６１号明細書 米国特許第５，６３１，４３１号明細書 特開平０８−０９５６４９号公報 米国特許第７，３００，４９０号明細書 国際公開第２００５/１０２５６７号 米国特許第５，９３８，８１４号明細書 欧州特許出願公開第１９８５３９３号明細書 特開平１−２５５６０４号公報 欧州特許出願公開第１００２８８３号明細書 米国特許第４，２７４，８７５号明細書 特開平１０−３１７００２号公報 国際公開第２０１０/０７４６２７号
本明細書において「含有する」（ｃｏｎｔａｉｎｓ，ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）という用語は、明示的に言及されたもの以外の他の物質または種が存在できることを意味する。また、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｓ，ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」という用語は、明示的に言及されたもの以外の他の物質または種が存在しないことを意味する。
本発明は、焼結された鋼の切削性を向上させるための新たな添加剤を開示するものである。具体的には、この添加物は、焼結部材の穿孔のような切削加工を容易にする。特に、コンロッド、主軸受キャップ及び可変バルブタイミング（ＶＶＴ）部材のような鉄、銅及び炭素を含有する焼結鋼の穿孔を容易にする。旋削加工、フライス削りおよびねじ切り加工などの他の切削加工も、新しい切削性向上添加剤によって促進される。さらに、新しい添加物は、高速度鋼、炭化タングステン、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素などのいくつかのタイプの工具材料によって切削される部品に使用することができ、工具もコーティングすることができる。
従って、本発明の目的は、切削性を向上させるための金属粉末組成物用の新しい添加剤を提供することである。
本発明の別の目的は、様々なタイプの焼結鋼に対して種々の切削加工に使用される添加剤を提供することである。
本発明の別の目的は、圧粉され焼結された部材の機械的特性に影響を与えないか、または無視できる程度の影響しか与えない新しい切削性向上添加剤を提供することである。
本発明の更なる目的は、新しい切削性向上添加剤を含有する粉末冶金組成物、およびこの組成物からの成形部品を作製する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、切削性の向上した焼結部材、特にＦｅ−Ｃｕ−Ｃを含有する焼結部材を提供することである。しかし、本発明はＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系に限定されない。ステンレス鋼粉末、拡散接合粉末、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉなどの様々な合金元素を有する低合金粉末を焼結してなる部材も、新しい削性向上添加剤の恩恵を受けることができる。
鉄基粉末組成物に粉末形態の所定のハロイサイト化合物を含有する切削性向上添加剤を添加することにより、鉄基粉末組成物からの焼結部材の切削性が著しく向上することが判明した。さらに、添加量が極端に少なくても切削性に効果が得られるので、非金属物質の添加による圧縮性への悪影響が最小限に抑えられることが期待される。
本発明によれば、上記の目的の少なくとも１つ、および以下の説明から明らかな他の目的が、本発明の様々な具体例によって達成される。
本発明の第１の観点は、焼結された鋼部材の切削加工を容易にする、ハロイサイトを含有する新しい切削性向上添加剤である。
本発明の第２の観点は、鉄基粉末と少量の粉末形態の切削性向上添加剤を含む鉄基粉末組成物であり、切削性向上添加剤がハロイサイトを含有する。
本発明の第３の観点は、鉄基粉末組成物の切削性向上添加剤に含まれるハロイサイト粉末の使用である。
本発明の第４の観点は、鉄基粉末組成物を作製する方法であって、鉄基粉末を提供する段階と、鉄基粉末に粉末形態の切削性向上添加剤を混合する段階とを含み、切削性向上添加剤がハロイサイトを含有する。
本発明の第５の観点は、切削性の向上した鉄基焼結部品の製造方法であって、上記具体例の鉄基粉末組成物を準備する段階と、鉄基粉末組成物を４００〜１２００ＭＰａの圧縮圧力で成形する段階と、成形された部品を７００〜１３５０℃の温度で焼結する段階と、任意で焼結された部品を熱処理する段階とを含む。
本発明の第６の観点は、新しい切削性向上添加剤を含有する焼結部材である。一具体例では、焼結部材は鉄、銅および炭素を含有する。他の具体例では、焼結部材は、コンロッド、主軸受キャップ及び可変バルブタイミング（ＶＶＴ）部材の群から選択される。
ハロイサイトは天然に生成するケイ酸塩鉱物であり、カオリナイトと同様の組成を有するが、層間に追加の水分子を含み、カオリナイトで一般に観察される板状形態と比較して管状形態を有する。その結果、水和したハロイサイトは、カオリナイトよりも大きな基底間隔を有する。その完全に水和した形態は、Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４−２Ｈ２Ｏにより表される。ハロイサイトが中間層水を失うとき、それはしばしば部分的に脱水された状態で観察される。この場合、ハロイサイトは、エチレングリコール溶媒和の後の粉末Ｘ線回折（ＸＲＰＤ）分析によって、カオリナイトから同定または区別することができる。２つの鉱物は、エイジングの進行とともに（ハロイサイトとカオリナイトとの間の）遷移相が見出されないので、独立して形成されるようである。また、ハロイサイトは、カオリナイトよりも早く形成される準安定前駆物質であり、ハロイサイト粒径はカオリナイトの粒径よりも小さく、通常はハロイサイトの比表面積（ＳＳＡ）はカオリナイトの比表面積（ＳＳＡ）よりも大きい。
切削性向上添加剤（第１の観点）
本発明による切削性向上添加剤は、比表面積（ＢＥＴ法で測定したＳＳＡ）が少なくとも１５ｍ２／ｇ、好ましくは少なくとも２０ｍ２／ｇ、より好ましくは少なくとも２５ｍ２／ｇであるハロイサイトを含有し、マンガン硫化物、六方晶窒化ホウ素、他のホウ素含有物質、フッ化カルシウム、白雲母、タルク、エンスタタイト、ベントナイト、カオリナイト、チタン酸塩、アノーサイト、ゲレニトール、硫化カルシウムなどの他の公知の切削性向上添加剤を含むか、混合されていてもよい。好ましい物質は、硫化マンガン、六方晶窒化ホウ素、フッ化カルシウム、白雲母のような雲母、ベントナイト、カオリナイト、チタン酸塩である。本発明の切削性向上添加剤がハロイサイトに加えて他の切削性向上物質を含有する場合、切削性向上添加剤中のハロイサイトの含有量は５０重量％以上である。本発明による切削性向上添加剤は、ハロイサイトのみを含有してもよい。
ＳＳ−ＩＳＯ １３３２０−１による測定では、本発明による切削性向上添加剤に含まれるハロイサイトの粒径Ｘ９０は、５０μｍ未満、好ましくは４０μｍ未満、より好ましくは３０μｍ未満、より好ましくは２０μｍ未満μm未満、例えば１５μｍ未満または１０μｍ未満である。これに代えて、または加えて、平均粒径Ｘ５０は、２５μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満、より好ましくは１０μｍ未満、例えば８μｍ未満または５μｍ未満などにできる。しかし、粒径は０．１μｍよりも大きく、好ましくは０．５μｍよりも大きく、より好ましくは１μｍよりも大きく、すなわち粒子の少なくとも９０重量％が０．５μｍよりも大きく、または１μｍよりも大きくできる。粒径が０．５μｍ未満である場合、添加剤を他の鉄基粉末組成物と混合して均一な粉末混合物を得ることが困難となる可能性がある。粒径が大きすぎると、機械的強度および寸法変化などの焼結特性に悪影響を与えるまた、５０μｍを超える粒径は、切削性向上性能および機械的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。
したがって、本発明による切削性向上添加剤に含まれるハロイサイトの好ましい粒径分布の例は、
Ｘ９０が５０μｍ未満であり、Ｘ５０が２５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．１μｍ超、又は
Ｘ９０が３０μｍ未満であり、Ｘ５０が１５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．１μｍ超、又は
Ｘ９０が２０μｍ未満であり、Ｘ５０が１５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．５μｍ超、又は
Ｘ９０が１０μｍ未満であり、Ｘ５０が５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．５μｍ超
である。
好ましい粒径分布の他の例は、
Ｘ９０が５０μｍ未満であり、Ｘ５０が２５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．５μｍ超、又は
Ｘ９０が３０μｍ未満であり、Ｘ５０が１５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．５μｍ超、又は
Ｘ９０が２０μｍ未満であり、Ｘ５０が１０μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が１μｍ超、又は
Ｘ９０が１０μｍ未満であり、Ｘ５０が５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が１μｍ超
である。
鉄基粉末組成物（第２の観点）
鉄基粉末組成物中の切削性向上添加剤の量は、０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％である。切削性向上添加剤の量が少ないと意図された切削性向上効果が得られず、量が多いとむしろ切削性に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明による切削性向上添加剤は、本質的にいずれの鉄系粉末組成物にも使用することができる。したがって、鉄基粉末組成物に含まれる鉄基粉末は、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉などの純鉄粉であってもよい。また、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕなどの合金化元素を含む低合金鋼粉末およびステンレス鋼粉末などの予合金化された粉末、さらに合金元素が鉄基粉末の表面に拡散接合された部分合金化された鋼粉末も使用できる。また、鉄基粉末組成物は、粉末形態の合金元素を含有してもよい。すなわち合金元素を含有する粉末が、鉄基粉末組成物中に別個の粒子として存在してもよい。
切削性向上添加剤は、組成物中に粉末形態で存在する。切削性向上添加剤粉末粒子は、遊離粉末粒子として鉄基粉末組成物と混合されてもよく、または鉄基粉末粒子に結合剤を用いて結合されてもよい。
本発明による鉄基系粉末組成物から製造された圧粉され焼結された部品の機械的特性に悪影響を及ぼさないように、切削性向上添加剤の量は、金属粒子間の焼結を著しく妨げない程度に少なくしなければならない。このことは、切削性向上添加剤粉末粒子が鉄または鉄基粉末粒子の表面に結合している場合、切削性向上添加剤は、鉄または鉄基粉末粒子上に密着した被覆としてではなく、個々の離散粒子として存在することを意味する。
したがって、切削性向上添加剤の最大含有量は、鉄基粉末組成物の１重量％、好ましくは０．５重量％、好ましくは０．４重量％、好ましくは０．３重量％である。本発明による鉄基粉末組成物は、黒鉛、結合剤および潤滑剤のような他の添加剤および他の従来の切削性向上添加剤を含むこともできる。潤滑剤は０．０５〜２重量％、好ましくは０．１〜１重量％で添加することができる。黒鉛は０．０５〜２重量％、好ましくは０．１〜１重量％添加することができる。
第２の観点の一具体例として、鉄基粉末組成物は、鉄基粉末組成物の少なくとも９０重量％の含有量の鉄粉末（鉄粉末は少なくとも９９重量％の鉄を有する）、０．１〜１重量％の黒鉛、０．１〜１重量％の潤滑剤、任意で０．２〜５重量％の銅粉末、任意で０．２〜４重量％のニッケル、そして０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又はそれらからなる。
第２の観点の別の具体例として、鉄基粉末組成物は、鉄基粉末組成物の少なくとも９２重量％の含有量の鉄粉末（鉄粉末の組成は少なくとも９９重量％の鉄を有する）、０．１〜１重量％の黒鉛、０．１〜１重量％の潤滑剤、０．２〜５重量％の銅粉末、そして０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又はそれらからなる。
第２の観点の別の具体例として、鉄基粉末組成物は、鉄基粉末組成物の少なくとも９３重量％の含有量の鉄粉末（鉄粉末の組成は少なくとも９９重量％の鉄を有する）、０．１〜１重量％の黒鉛、０．１〜１重量％の潤滑剤、０．２〜４重量％のニッケル粉末、そして０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又はそれらからなる。
第２の観点の別の具体例として、鉄基粉末組成物は、鉄基粉末組成物の少なくとも９０重量％の含有量の鉄粉末（鉄粉末の組成は少なくとも９９重量％の鉄を有する）、０．１〜２重量％の燐、好ましくは０．１〜１重量％の燐に相当する鉄燐粉末、任意で最大１重量％の黒鉛、０．１〜１重量％の潤滑剤、そして０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又はそれらからなる。
第２の観点の別の具体例として、鉄基粉末組成物は、鉄基粉末組成物の少なくとも９０重量％の含有量の予合金化または拡散合金化された鉄粉末（鉄粉末は、少なくとも９０重量％の鉄、最大１０重量％の合金元素を有する）、０．１〜１重量％の黒鉛、０．１〜１重量％の潤滑剤、そして０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又はそれらからなる。任意で、最大４重量％の銅粉末、及び／又は最大４重量％のニッケルを鉄基粉末組成物に含有できる。
第２の観点のさらに別の具体例として、鉄基粉末組成物は、鉄基粉末組成物の少なくとも９０重量％の含有量のステンレス鋼粉末（ステンレス鋼粉末は、少なくとも５０重量％の鉄、最大で合計４５重量％の合金元素（ＳｉおよびＣｒを含み、任意でＮｉ、Ｍｏ、Ｎｂを含む）を有する）、任意で最大１重量％の黒鉛、０．１〜１重量％の潤滑剤、そして０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又はそれらからなる。
方法（第４および第５の観点）
本発明による粉末冶金による部材の製造は、従来の方法、すなわち以下の方法によって行うことができる。鉄または鋼の粉末をニッケル、銅、モリブデン、および任意で炭素などの望ましい合金元素、ならびに本発明による切削性向上添加剤と混合することができる。合金元素は、予合金化または拡散合金化されたものとして、または鉄基粉末に、または混合合金元素、拡散合金化粉末、または予合金化粉末の組み合わせとして添加できる。この混合粉末は、圧縮する前に、従来の潤滑剤、例えばステアリン酸亜鉛またはアミドワックスと混合することができる。混合粉末中の細かい粒子は、混合粉末の偏析を最小限にし、流動性を向上させるために、結合剤によって鉄基粉末に結合させることができる。その後、混合粉末をプレス工具で圧粉して、最終形状に近い成形体を得ることができる。圧縮は、一般に４００〜１２００ＭＰａの圧力で行う。圧縮後、成形体を７００〜１３５０℃の温度で焼結し、０．０１〜５℃／ｓの速度で冷却して、その最終強度、硬さ、伸び等を得る。任意で、所望のミクロ組織を達成するために焼結部品にさらに熱処理を行うことができる。
焼結部材（第６の観点）
焼結部材は、焼結中に分解して消失する有機潤滑剤を除いて、鉄基粉末組成物中に存在する全ての物質を含有する。鉄基粉末組成物中の潤滑剤の含有量は１重量％以下であるため、合金元素、切削性向上剤等の含有量は、焼結部材においても鉄基粉末組成物と実質的に同じであるとみなされる。以下のパーセントは、焼結部材に対する重量％である。明記された元素のほかに、焼結部材は不可避不純物を１重量％以下、好ましくは０．５重量％以下含有する。
第６の観点の一具体例では、焼結部材は、焼結部材の少なくとも９０重量％のＦｅ、０．１〜１重量％のＣ、任意で０．２〜５重量％のＣｕ、任意で０．２〜４重量％のＮｉ、任意でＭｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｎなどの合金元素、及び０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又は、それらからなる。
第６の観点の一具体例では、焼結部材は、焼結部材の少なくとも９２重量％のＦｅ、０．１〜１重量％のＣ、０．２〜５重量％のＣｕ、及び０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又は、それらからなる。
第６の観点の一具体例では、焼結部材は、焼結部材の少なくとも９３重量％のＦｅ、０．１〜１重量％のＣ、０．２〜４重量％のＮｉ、及び０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又は、それらからなる。
第６の観点の一具体例では、焼結部材は、焼結部材の少なくとも９６重量％のＦｅ、任意で０．１〜１重量％のＣ、０．１〜２重量％、好ましくは０．１〜１重量％の燐、及び０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又は、それらからなる。
第６の観点の一具体例では、焼結部材は、焼結部材の少なくとも５０重量％のＦｅ、任意で０．１〜１重量％のＣ、最大４５重量％の他の合金元素（ＳｉおよびＣｕを含む）、及び０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、好ましくは０．１〜０．３重量％の第１の観点による切削性向上添加剤を含有するか、又は、それらからなる。
以下、本発明を非限定的実施例により説明する。
切削性向上添加剤
２つの異なる供給源に由来する新しい切削性向上添加剤、ハロイサイトを試験し、以下の表１に示す切削性向上添加剤として知られている一般的なケイ酸塩鉱物と比較した。主要な化学組成は、一般的なＸ線粉末回折（ＸＲＰＤ）分析により決定した。ＳＳＡ（比表面積）は、ＩＳＯ ９２７７：２０１０に従ってＢＥＴ法により測定し、水分含有量は、空気中で、２３０℃で３０分間、５ｇの粉末を乾燥させた後の材料の重量減の測定によって測定した。粒径は、ＩＳＯ １３３２０：１９９９に従うレーザー回折によって決定した。
表１に示す材料の平均粒径Ｘ５０は、全て同程度である。Ｘ９０の場合（９０重量％の粒子がその値よりも小さい粒径を有することを意味する）、ハロイサイトＡはハロイサイトＢよりも小さい。ハロイサイトＢの粒径は、カオリナイトおよび雲母の粒径と同程度である。ハロイサイトＡの粒径はタルクの粒径と同程度である。ハロイサイト材料はいずれも、カオリナイトと同様の化学組成を有するが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を多量に含有する雲母やタルクなどの他のケイ酸塩鉱物とは異なっている。予想通り、ハロイサイト材料は、他のケイ酸塩鉱物材料よりもずっと高い割合の水分を含有する。水分は、その化学組成物中に存在する層間水に由来するものである。完全に水和されたハロイサイトの場合、化学式から、１２．２％Ｈ２Ｏを含有する。従って、表１に記載されたハロイサイト材料は部分的に脱水されたものであり、すなわち構造中に約２５％のＨ２Ｏがまだ残っている。
表２に示すように、６つの粉末冶金組成物を調製した。各混合物は、スウェーデンのホガネス社（Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢ）から入手可能なアトマイズ純鉄粉末ＡＳＣ１００．２９、ＡＣｕＰｏｗｄｅｒ社（米国）から入手可能な銅粉末Ｃｕ１６５を２重量％、Ａｓｂｕｒｙ Ｇｒａｐｈｉｔｅ社（米国）から入手可能な黒鉛粉末Ｇｒ１６５１を０．８５重量％、およびＬｏｎｚａ社（米国）から入手可能な潤滑剤ＡｃｒａｗａｘＣを０．７5重量％含有した。混合物Ｎｏ．１およびＮｏ．２は、本発明による切削性向上添加剤０．３重量％を含み、Ｎｏ．３〜Ｎｏ．５の混合物は、公知の混合物０．３重量％を含有させた。参照材として切削性向上添加剤を含有しない混合物Ｎｏ．６を使用した。
混合物は、６．９ｇ／ｃｍ３のグリーン密度のリング形状（高さ２０ｍｍ、内径３５ｍｍ、外径５５ｍｍ）のグリーン体試料に一軸圧縮により圧粉した。その後、１１２０℃、９０％窒素／１０％水素の雰囲気で３０分間焼結を行った。室温まで冷却した後、試料を切削性試験に供した。
また、粉末冶金組成物を６．９ｇ／ｃｍ３のグリーン密度に一軸圧縮により圧粉した後、１１２０℃、９０％の窒素／１０％水素の雰囲気で３０分間焼結することにより、ＩＳＯ ３３２５による抗折強度試験試料を製造した。室温まで冷却した後、試料をＩＳＯ ３３２５による抗折強度（ＴＲＳ）試験に供した。
焼結試料の切削性は、穿孔および旋削により評価した。
穿孔のために１／８インチの無被覆の高速鋼ドリルビットを使用して、湿式状態、すなわち冷却剤を使用して１８ｍｍ深さの盲穴を穿孔した。各混合物から製造された材料の切削性を、ドリルが使用不可（切削工具の過度の摩耗または破損）になる前に穿孔された穴の数により評価した。穿孔試験１および穿孔試験２の２つの試験を、１回転あたり０．０７５ｍｍおよび０．１３ｍｍの異なる送り速度でそれぞれ実施した。リング試料１個あたり最大３６個の穴が開けられた。
旋削のためにＴｉＣＮ被覆炭化物インサートを使用して、湿式状態、すなわち冷却剤を使用してリング試料の内径（ＩＤ）を旋削した。旋削パラメータは、速さ２７５ｍｍ／分、送り０．１ｍｍ／回転、深さ０．５ｍｍ、長さ２０ｍｍ／カットであった。リング試料１個あたり最大３０カットを行った。工具摩耗は、それぞれ９０カット（旋削１）および１８０カット（旋削２）で評価した。過度の工具の摩耗は、工具摩耗（フランク摩耗）が２００μｍを超えるときと考えられる。
以下の表３に、切削性試験およびＴＲＳ試験の結果を示す。
本発明による混合物１および混合物２を用いた試験では、工具が使用不可になることなしに、１８０穴および７２穴穿孔後に穿孔１および穿孔２をそれぞれ停止した。既知の切削性向上添加剤のいずれも、多少の改善を示すカオリナイトを除いて、切削性向上添加剤を添加していない参照材と比較して、穿孔の改善を示さない。
旋削加工に対しては、本発明による切削性向上添加剤および公知の切削性向上物質の両方が、切削性向上添加剤を含まない参照材と比較して、９０カット（旋削１）後の摩耗がかなり減少した。しかし、１８０カット（旋削２）後では、混合物３、４、５に使用された切削性向上剤で過剰な工具摩耗が観察された一方、本発明による切削性向上添加剤を用いた混合物１および混合物２は、旋削加工性向上に優れた性能を示した。ＴＲＳ試験は、ハロイサイトの添加がマイカおよびタルクと比較してＴＲＳに与える影響が小さいことを示している。
表３から、切削性を向上させる添加剤としてのハロイサイトは、穿孔と旋削の両方において優れた結果を示すことが明らかである。

Claims (16)

  1. ０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の切削性向上添加剤を含む鉄基粉末組成物であって、前記切削性向上添加剤が粉末形状のハロイサイトを含有する、鉄基粉末組成物。
  2. 前記切削性向上添加剤がハロイサイトからなる、請求項１に記載された鉄基粉末組成物。
  3. ＳＳ−ＩＳＯ １３３２０−１に従った測定によれば、ハロイサイトの粒度分布は、Ｘ９０が３０μｍ未満であり、Ｘ５０が１５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．１μｍよりも大きい、請求項１または請求項２に記載された鉄基粉末組成物。
  4. ＳＳ−ＩＳＯ １３３２０−１に従った測定によれば、ハロイサイトの粒度分布は、Ｘ９０が２０μｍ未満であり、Ｘ５０が１０μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が１μｍよりも大きい、請求項３に記載された鉄基粉末組成物。
  5. ＳＳ−ＩＳＯ １３３２０−１に従った測定によれば、ハロイサイトの粒度分布は、Ｘ９０が１０μｍ未満であり、Ｘ５０が５μｍ未満であり、少なくとも９０重量％が０．５μｍよりも大きい、請求項３に記載された鉄基粉末組成物。
  6. ハロイサイトの比表面積は、ＩＳＯ １０９２７７：２０１０に従ったＢＥＴ法により測定して、少なくとも１５ｍ２/ｇ、好ましくは少なくとも２０ｍ２/ｇ、より好ましくは少なくとも２５ｍ２/ｇである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された鉄基粉末組成物。
  7. 鉄基粉末組成物中の切削性向上添加剤に含まれるハロイサイト化合物の使用。
  8. 鉄基粉末組成物を作製する方法であって、
    鉄基粉末を提供する段階と、
    前記鉄基粉末に切削性向上添加剤を混合する段階と
    を含み、
    前記切削性向上添加剤が、ハロイサイトを含有し、
    前記切削性向上添加剤の含有量が、前記鉄基粉末組成物の０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％である、鉄基粉末組成物を作製する方法。
  9. 前記切削性向上添加剤がハロイサイトからなる、請求項８に記載された鉄基粉末組成物を作製する方法。
  10. 切削性の向上した鉄基焼結部品の製造方法であって、
    請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された鉄基粉末組成物を準備する段階と、
    前記鉄基粉末組成物を４００〜１２００ＭＰａの圧縮圧力で成形する段階と、
    成形された部品を７００〜１３５０℃の温度で焼結する段階と、
    任意で、焼結された部品を熱処理する段階と
    を含む、鉄基焼結部品の製造方法。
  11. 焼結された部材であって、
    少なくとも９０％のＦｅ、
    ０．１〜１％のＣ、
    任意で、０．２〜５％のＣｕ、
    任意で、最大４％のＮｉ、
    任意で、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｍｎなどの他の合金元素、および
    前記部材の０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の切削性向上添加剤を含有し、
    前記切削性向上添加剤がハロイサイトを含有する、焼結された部材。
  12. 前記切削性向上添加剤がハロイサイトからなる、請求項１１に記載された焼結された部材。
  13. ０．２〜５％のＣｕを含有する、請求項１１又は請求項１２に記載された焼結された部材。
  14. ０．２〜４％のＮｉを含有する、請求項１１から請求項１３までのいずれか１項に記載された焼結された部材。
  15. 焼結された部材であって、
    少なくとも９６％のＦｅ、
    ０．１〜２％、好ましくは０．１〜１％のＰ、および
    前記部材の０．０１〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％、好ましくは０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０５〜０．３重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％の切削性向上添加剤を含有し、
    前記切削性向上添加剤がハロイサイトを含有する、焼結された部材。
  16. 前記焼結された部材は、コンロッド、主軸受キャップ及び可変バルブタイミング（ＶＶＴ）部材の群から選択される、請求項１１から請求項１４までのいずれか１項に記載された焼結された部材。
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