JP3303026B2 - 高強度鉄基焼結合金およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車部品およ
びコンプレッサー部品などの各種機械部品の材料として
使用される軽量でかつ強度の優れた鉄基焼結合金および
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車部品およびコンプレッサ
ー部品などの各種機械部品の材料として鉄基焼結合金が
用いられており、この鉄基焼結合金として、Ｎｉ：０．
２〜２．２重量％、Ｍｎ：０．１〜０．５重量％、Ｍ
ｏ：０．１〜０．５重量％、Ｃ：０．３〜１．０重量％
を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成
を有する鉄基焼結合金（特開平１−２７２７０５号公報
参照）、Ｎｉ：４．０重量％、Ｃｕ：１．４重量％、Ｍ
ｏ：０．５重量％、Ｃ：０．７重量％を含有し、残りが
Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成並びに平均密度：
６．８〜７．４ｇ／ｃｃを有する鉄基焼結合金（特開昭
６２−２８８７１３号公報参照）、Ｃ：０．１重量％以
下、Ｍｎ：０．０８重量％以下、Ｃｒ：０．５〜３重量
％、Ｍｏ：０．１〜２重量％、Ｓ：０．０１重量％以
下、Ｐ：０．０１重量％以下、Ｏ：０．２重量％以下を
含有し、さらにＮｉ：０．２〜２．５重量％およびＣ
ｕ：０．５〜２．５重量％の内の１種または２種を含有
し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有す
る鉄基焼結合金（特開平５−２８７４５２号公報参照）
などが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、自動車
部品およびコンプレッサー部品などの各種機械部品の材
料として一層軽量で高強度の鉄基焼結合金が求められて
おり、これら要求に対して、前記特開平１−２７２７０
５号公報記載の鉄基焼結合金は、密度：７．６ｇ／ｃｃ
以上の高密度にしなければ十分な強度が得られず、した
がって、この鉄基焼結合金は軽量化が求められている自
動車部品およびコンプレッサー部品などの各種機械部品
の材料として適当でなく、一方、特開昭６２−２８８７
１３号公報または特開平５−２８７４５２号公報記載の
鉄基焼結合金は平均密度：６．８〜７．４ｇ／ｃｃで軽
量であるが、引張り強さおよび／または疲労強度が不足
し、十分な機械的強度が得られない、などの課題があっ
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述のような観点から、自動車部品およびコンプレッサ
ー部品などの各種機械部品の材料として軽量で一層高強
度の鉄基焼結合金を得るべく研究を行った結果、原料と
して、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉
末などの要素粉末を用意し、これら原料粉末をＳｉＣ粉
末とともに混合し、成形し、焼結すると、焼結中にＳｉ
Ｃが分解し、素地中にＳｉおよびＣが固溶し、焼結して
得られた鉄基焼結合金は従来と同じ密度：６．８〜７．
４ｇ／ｃｃの範囲内にあるにもかかわらず、従来より高
強度の鉄基焼結合金が得られる、という知見を得たので
ある。

【０００５】この発明は、かかる知見にもとづいて成さ
れたものであって、 （１）Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、Ｃ粉末および
Ｎｉ粉末からなる混合粉末を焼結して得られたＮｉ：１
〜５重量％、Ｍｏ：０．５〜４重量％、Ｓｉ：０．３〜
３重量％、Ｃ：０．３〜１．０重量％を含有し、残りが
Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成、並びに密度：
６．８〜７．４ｇ／ｃｃを有する高強度鉄基焼結合金、 （２）Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ
粉末、およびＣｕ粉末からなる混合粉末を焼結して得ら
れたＮｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．５〜４重量％、Ｓ
ｉ：０．３〜３重量％、Ｃ：０．３〜１．０重量％を含
有し、さらにＣｕ：１〜３重量％を含有し、残りがＦｅ
および不可避不純物からなる組成、並びに密度：６．８
〜７．４ｇ／ｃｃを有する高強度鉄基焼結合金、に特徴
を有するものである。

【０００６】この発明の高強度鉄基焼結合金は、原料と
して、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ
粉末、およびＣｕ粉末を用意し、これら原料粉末を混合
し、成形し、焼結することにより作られる。前記従来の
鉄基焼結合金は、いずれも合金鋼粉末を原料としている
が、原料として合金鋼粉末を用いると成形時の圧粉性が
低下するのでこの発明の高強度鉄基焼結合金は要素粉末
または部分拡散粉末を用いることが好ましく、特に、原
料としてＳｉＣ粉末を使用することにより焼結中にＳｉ
Ｃを分解させ、素地中にＳｉおよびＣとして固溶せしめ
ることが好ましい。

【０００７】したがって、この発明は、 （３）原料として、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、
Ｃ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を混合
し、成形し、焼結する前記（１）記載の高強度鉄基焼結
合金の製造方法、 （４）原料として、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、
Ｃ粉末、Ｎｉ粉末、およびＣｕ粉末を用意し、これら原
料粉末を混合し、成形し、焼結する前記（２）記載の高
強度鉄基焼結合金の製造方法、にも特徴を有するもので
ある。

【０００８】この発明の高強度鉄基焼結合金を一層具体
的に述べると、原料粉末として、Ｆｅ−Ｍｏ粉末、Ｓｉ
Ｃ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末および黒鉛粉末を用意し、
これら原料粉末を金型成形時の潤滑剤であるステアリン
酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラミドとともに混
合し、プレス成形して圧粉体を作製し、圧粉体を窒素を
含む水素雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃で焼結
する。焼結温度は１１１０〜１２６０℃が一層好まし
い。

【０００９】この温度で焼結すると、原料として添加し
たＳｉＣ粉末はＳｉとＣに分解する。Ｓｉは易酸化性の
ため焼結を阻害し、焼結中の合金化が困難になるといわ
れているが、ＳｉＣ粉末はＳｉ近傍のＣにより還元され
るために素地への拡散および合金化が容易になるものと
考えられる。得られた焼結体は、マルテンサイト、ベイ
ナイト、パーライト、フェライトおよびオーステナイト
の全部またはその一部の混合組織となる。また、製品に
よってさらに強度が必要とされる場合は、焼結体に焼き
入れおよび焼戻しの熱処理を行っても良い。

【００１０】つぎに、この発明の高強度鉄基焼結合金の
成分組成を上記のごとく限定した理由について説明す
る。

【００１１】（ａ）Ｎｉ Ｎｉは、疲労強度および靭性を向上させる作用がある
が、その含有量が１重量％未満ではその効果が十分でな
く、一方、５重量％を越えて含有してもその効果が少な
い。したがって、Ｎｉの含有量は１〜５重量％に定め
た。Ｎｉの含有量の一層好ましい範囲は１．５〜４．５
重量％である。

【００１２】（ｂ）Ｍｏ Ｍｏは、強度を向上させる作用があるが、その含有量が
０．５重量％未満では強度向上の効果が得られず、一
方、Ｍｏが４重量％を越えて含有すると靭性が低くなり
すぎるところから、Ｍｏ含有量を０．５〜４重量％に定
めた。Ｍｏの含有量の一層好ましい範囲は０．８〜２．
０重量％である。

【００１３】（ｃ）Ｓｉ Ｓｉは、フェライトおよびマルテンサイトを硬化させる
作用があるが、その含有量が０．３重量％未満では硬度
向上の効果が得られず、一方、Ｓｉが３重量％を越えて
含有すると靭性が低くなりすぎるので好ましくない。し
たがって、Ｓｉ含有量を０．３〜３重量％に定めた。Ｓ
ｉの含有量の一層好ましい範囲は０．５〜２重量％であ
る。

【００１４】（ｄ）Ｃ Ｃは、強度および硬さを向上させる作用があるが、その
含有量が０．３重量％未満では効果が十分でなく、一
方、１．０重量％を越えて含有する靭性を低下させるの
で好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．３〜
１．０重量％に定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲
は０．５〜０．８重量％である。

【００１５】（ｅ）Ｃｕ Ｃｕは、強度向上と共に、焼結体を膨脹させ、寸法を調
整させる作用があるが、その含有量が１重量％未満では
その効果が十分でなく、一方、３重量％を越えると寸法
のバラツキが大きくなり、靭性も低下するところから、
Ｃｕの含有量は１〜３重量％に定めた。Ｃｕの含有量の
一層好ましい範囲は１．５〜２．５重量％である。

【００１６】

【発明の実施の形態】

実施例１ 原料粉末として、平均粒径：４５μｍのＦｅ−Ｍｏ粉
末、平均粒径：３μｍのＳｉＣ粉末、平均粒径：６μｍ
のＮｉ粉末、平均粒径：２２μｍのＣｕ粉末および平均
粒径：１７μｍの黒鉛粉末並びに従来焼結合金を製造す
るための合金鋼粉末を用意し、これら原料粉末を表１〜
表２に示される配合組成となるように配合し、さらに金
型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末またはエ
チレンビスステアラミドを所定量添加して混合し、プレ
ス成形して１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍの寸法を有す
る圧粉体を作製した。この圧粉体をＮ₂ −２０％Ｈ₂ の
混合雰囲気中、温度：１２５０℃、６０分保持の条件で
焼結し、表３〜表４に示される成分組成および密度を有
する本発明焼結合金１〜１５、比較焼結合金１〜２およ
び従来焼結合金１〜３を作製した。

【００１７】得られた本発明焼結合金１〜１５、比較焼
結合金１〜２および従来焼結合金１〜３を機械加工によ
り引張り試験片、片持ち回転曲げ疲労試験片を作製した
後、引張り速度：１．５ｍｍ／分の引張り試験による引
張り強さおよびＪＩＳ Ｚ２２７４に規定されている回
転速度：４０００ｒｐｍの片持回転曲げ疲労試験による
１０⁷ 回での疲労強さを測定し、その結果を表５に示し
た。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】

【表５】

【００２３】表１〜表５に示される結果から、本発明焼
結合金１〜１５と従来焼結合金１〜３を比較すると、本
発明焼結合金１〜１５は従来焼結合金１〜３と比べて、
引張り強さおよび疲労強さが優れていることが分かる。
しかし、この発明の範囲から外れている成分組成を有す
る比較焼結合金１〜２は、引張り強さおよび疲労強さの
うちの少なくともいずれかが劣ることが分かる。

【００２４】実施例２ 実施例１で作製した本発明焼結合金１〜１５、比較焼結
合金１〜２および従来焼結合金１〜３からなる引張り試
験片および片持ち回転曲げ疲労試験片を９３０℃に加熱
し、この温度から油焼き入れし、ついで１６０℃、９０
分保持の焼戻し処理を施したものを実施例１と同じ試験
を行い、その結果を表６に示した。

【００２５】

【表６】

【００２６】表６に示される結果から、本発明焼結合金
１〜１５、比較焼結合金１〜２および従来焼結合金１〜
３を熱処理することにより、いずれも引張り強さおよび
疲労強さが向上するが、本発明焼結合金１〜１５と従来
焼結合金１〜３を比較すると、本発明焼結合金１〜１５
は従来焼結合金１〜３と比べて、引張り強さおよび疲労
強さが優れていることが分かる。しかし、この発明の範
囲から外れている成分組成を有する比較焼結合金１〜２
は、引張り強さおよび疲労強さが劣ることが分かる。

【００２７】

【発明の効果】上述のように、この発明の焼結合金は、
軽量で優れた引張り強さおよび疲労強さを有するので、
自動車部品およびコンプレッサー部品などの各種機械部
品の材料として優れた効果をもたらすものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−104406（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−3654（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−20143（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−50907（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202046（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−291361（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−87794（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−219040（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−17645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−208450（ＪＰ，Ａ) 特公 昭45−1534（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 304 C22C 33/02 C22C 38/12 C22C 38/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、Ｃ粉末
   およびＮｉ粉末からなる混合粉末を焼結して得られたＮ
   ｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．５〜４重量％、Ｓｉ：
   ０．３〜３重量％、Ｃ：０．３〜１．０重量％を含有
   し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並び
   に密度：６．８〜７．４ｇ／ｃｃを有することを特徴と
   する高強度鉄基焼結合金。
2. 【請求項２】Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ粉末、Ｃ粉
   末、Ｎｉ粉末、およびＣｕ粉末からなる混合粉末を焼結
   して得られたＮｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．５〜４重
   量％、Ｓｉ：０．３〜３重量％、Ｃ：０．３〜１．０重
   量％を含有し、さらにＣｕ：１〜３重量％を含有し、残
   りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びに密
   度：６．８〜７．４ｇ／ｃｃを有することを特徴とする
   高強度鉄基焼結合金。
3. 【請求項３】原料として、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ
   粉末、Ｃ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末
   を混合し、成形し、焼結することを特徴とする請求項１
   記載の高強度鉄基焼結合金の製造方法。
4. 【請求項４】原料として、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、ＳｉＣ
   粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ粉末、およびＣｕ粉末を用意し、こ
   れら原料粉末を混合し、成形し、焼結することを特徴と
   する請求項２記載の高強度鉄基焼結合金の製造方法。