JP3346305B2 - 高強度鉄基焼結合金 - 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、エンジン部品を
始めとす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使用される高密度で強度の優
れた鉄基焼結合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジン部品を始めとする自動
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
材料として鉄基焼結合金が用いられており、この鉄基焼
結合金の１つとして、Ｃｕ：０．５〜９．７重量％、Ｎ
ｉ：０．００５〜３重量％、Ｃ：１．５重量％以下を含
有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有
する鉄基焼結合金があることは知られている（特開昭６
１−１０４０５２号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、エンジ
ン部品を始めとす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さらに高強度の鉄基
焼結合金が求められているが、従来の鉄基焼結合金では
強度が十分でなく、一層高強度の鉄基焼結合金が求めら
れている。

【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使用することの
できる一層高強度の鉄基焼結合金を得るべく研究を行っ
ていたところ、 （ａ）Ｃｕ：２０．８〜３０重量％、Ｎｉ：０．５〜
４．８重量％、Ｃ：０．０００５〜０．８５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
する鉄基焼結合金は、従来の鉄基焼結合金よりも強度が
格段に優れている、 （ｂ）この（ａ）に記載の鉄基焼結合金は、Ｆｅを主成
分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金
相で包囲することにより、Ｆｅ基合金相とＦｅ基合金相
をＣｕ基合金相により結合した状態の組織を有する、 （ｃ）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相はＮｉ、Ｃ
ｕおよびＣを含みかつＦｅを５０重量％以上含むＦｅ合
金相であり、前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相はＮ
ｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０重量％以上含む
Ｃｕ合金相であり、前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉお
よびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよ
びＣの濃度よりも大きいことが一層好ましい、 （ｄ）前記鉄基焼結合金の密度は、７．０〜８．２Ｍｇ
／ｍ³ の範囲内にあることが一層好ましい、などの知見
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）Ｃｕ：２０．８〜３０重量％、Ｎｉ：０．５〜
４．８重量％、Ｃ：０．０００５〜０．８５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Ｎｉ、ＣｕおよびＣを含みＦｅを５０重量％以上含
むＦｅ基合金相を、Ｎｉ、ＦｅおよびＣを含みＣｕを５
０重量％以上含むＣｕ基合金相で包囲することにより結
合してなり、かつ前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉおよ
びＣの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの
濃度よりも大きい組織を有する高強度鉄基焼結合金、 （２）前記高強度鉄基焼結合金は、密度：７．０〜８．
２Ｍｇ／ｍ³ を有する前記（１）記載の高強度鉄基焼結
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、Ｆｅ粉
末にＣｕ−Ｎｉ合金粉末（Ｎｉ：２〜５０重量％を含有
し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる母合金粉
末）を配合し、さらにこれにＣ粉末を配合し混合して得
られた混合粉末を圧密成形し焼結して作ることができ
る。

【０００７】この発明の高強度鉄基焼結合金の製造方法
をさらに具体的に述べると、原料粉末として、Ｆｅ粉
末、Ｃ粉末およびＣｕ−Ｎｉ合金粉末を用意し、Ｆｅ粉
末にＣｕ：２０．８〜３０重量％、Ｎｉ：０．５〜４．
８重量％含むようにＣｕ−Ｎｉ合金粉末を配合し、さら
に得られた配合粉末に金型成形時の潤滑剤（例えば、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）
を添加してダブルコーンミキサーで混合し、プレス成形
して圧粉体を作製し、圧粉体を水素を含む窒素雰囲気
中、温度：１１００〜１３００℃（一層好ましくは１１
１０〜１２５０℃）で焼結する。

【０００８】この発明の高強度鉄基焼結合金の製造方法
において、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末を配合する理由は、Ｃｕ
−Ｎｉ合金粉末を配合して得られた混合粉末の焼結が下
記のメカニズムによるものと考えられる。すなわち、Ｃ
ｕ−Ｎｉ合金粉末を配合すると、焼結初期段階において
Ｃｕ−Ｎｉ合金の固液共存域に昇温されても一気に大量
のＣｕ液相が発生するのではなく、穏やかに焼結が進行
し、焼結体に歪み、撓みなどの変形は生じさせない。焼
結中期段階において、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末のＮｉはＦｅ
との親和性が高いため、Ｆｅ粉末中に拡散する。Ｆｅ粉
末中のＮｉ濃度が高くなるとＣｕのＦｅへの固溶限が高
くなるため、ＦｅへのＣｕの拡散も活発になり、Ｆｅと
Ｃｕの密着性が向上する。焼結後期段階においては、Ｃ
ｕ−Ｎｉ合金相中のＮｉ含有量が低下しているため、Ｃ
ｕ−Ｎｉ合金粉末の融点が下がり、一気に多量の液相が
発生し、ダイナミックな液相焼結が進行する。なお、焼
結後期段階において一気に多量の液相が発生しても、既
に十分な焼結が進行した後であるので焼結体に歪み、撓
みは発生しない。

【０００９】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。 （ａ）Ｃｕ Ｃｕは、密度、強度および耐摩耗性を向上させる効果が
あるが、その含有量が２０．８重量％未満ではその効果
が十分でなく、一方、３０重量％を越えるとかえって強
度が低下するようになるので好ましくない。したがっ
て、Ｃｕの含有量は２０．８〜３０重量％に定めた。

【００１０】（ｂ）Ｎｉ Ｎｉは、Ｃｕ基合金相中においてＣｕ合金相の融点を上
昇させ、液相焼結をコントロールし、また強度および靭
性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５重量
％未満ではその効果が十分でなく、一方、４．８重量％
を越えて含有してもそれ以上の効果が少ない。したがっ
て、Ｎｉの含有量は０．５〜４．８重量％に定めた。Ｎ
ｉの含有量の一層好ましい範囲は１〜４重量％である。

【００１１】（ｃ）Ｃ Ｃは、Ｆｅ粉末およびＣｕ−Ｎｉ合金粉末を還元しまた
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０．０００５重量％未満では効果が十分でなく、一
方、０．８５重量％を越えて含有するとＣｕ合金液相の
Ｆｅ粉末粒界への浸透を阻害して空孔を発生させ、さら
にＦｅ粉末が微細化を阻害するとともに黒鉛粒子が素地
中に析出して強度および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０．０００５〜０．８
５重量％に定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は
０．００１〜０．３重量％であり、さらに一層好ましい
範囲は０．００２〜０．２重量％である。

【００１２】

【発明の実施の形態】原料粉末として、平均粒径：５５
μｍのＦｅ粉末、表１に示される平均粒径および成分組
成を有するＣｕ−Ｎｉ合金粉末Ａ〜Ｄおよび平均粒径：
１８μｍの黒鉛粉末を用意した。

【００１３】

【表１】

【００１４】前記Ｆｅ粉末、表１に示されるＣｕ−Ｎｉ
合金粉末Ａ〜Ｄ、および黒鉛粉末を表２〜表３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を外掛けで０．８重量
％に当たる量だけ添加してダブルコーンミキサーで混合
し、プレス成形して３０ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍの寸法
を有する圧粉体を作製した。この圧粉体をＮ₂ −５％Ｈ
₂ の混合雰囲気中、温度：１１２０℃、２０分保持の条
件で焼結したのち、０．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却
し、表２〜表３に示される成分組成を有する本発明焼結
合金１〜８、比較焼結合金１〜５および従来焼結合金を
作製した。

【００１５】得られた本発明焼結合金１〜８、比較焼結
合金１〜５および従来焼結合金の密度を測定し、その結
果を表４〜表５に示したのち、さらにこれら焼結合金を
ＩＳＯ３３２５に基づき、支点間距離２５ｍｍで抗折試
験を行うことにより抗折力を測定し、またロックウェル
Ｂスケール硬さを測定し、その結果を表４〜表５に示し
た。

【００１６】さらに、前記ダブルコーンミキサーで混合
して得られた混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製
し、この圧粉体をＮ₂ −５％Ｈ₂ の混合雰囲気中、温
度：１１２０℃、２０分保持の条件で焼結したのち、
０．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、表２〜表３に示
される成分組成を有する本発明焼結合金１〜８、比較焼
結合金１〜５および従来焼結合金からなるＪＩＳＺ２２
４２に準じたノッチ無しのシャルピー衝撃試験片を作製
した。これらシャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー
衝撃値を測定し、その結果を表４〜表５に示した。

【００１７】さらに、前記本発明焼結合金１〜８の微細
組織の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記
Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５
０重量％以上含み、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、Ｆｅおよ
びＣを含みかつＣｕを５０重量％以上含み、さらにＦｅ
基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、Ｃｕ基合金
相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大きいことをＥ
ＰＭＡにより確認した。

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】

【表４】

【００２１】

【表５】

【００２２】表２〜表５に示される結果から、本発明焼
結合金１〜８と従来焼結合金を比較すると、本発明焼結
合金１〜８は従来焼結合金と比べて、密度が高く、抗折
力、ロックウェルＢスケール硬さおよびシャルピー衝撃
値が高い値を示すことが分かる。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１〜５
は、密度、抗折力、ロックウェル硬さおよびシャルピー
撃値のうちの少なくともいずれかが劣ることが分かる。

【００２３】

【発明の効果】上述のように、この発明の鉄基焼結合金
は、密度および抗折力が高い値を示し、さらにロックウ
ェルＢスケール硬さおよびシャルピー衝撃値が高い値を
示すことから、強度、靭性および硬さに優れ、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
として適しており、機械産業の発展に大いに貢献し得る
ものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−38354（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−165307（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−47944（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−271879（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−306433（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−329007（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−143638（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−66117（ＪＰ，Ａ) 特公 昭45−18567（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 304 C22C 1/10 C22C 33/02 C22C 38/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｕ：２０．８〜３０重量％、Ｎｉ：
   ０．５〜４．８重量％、Ｃ：０．０００５〜０．８５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Ｎｉ、ＣｕおよびＣを含みＦｅを５０重量
   ％以上含むＦｅ基合金相を、Ｎｉ、ＦｅおよびＣを含み
   Ｃｕを５０重量％以上含むＣｕ基合金相で包囲すること
   により結合してなり、かつ前記Ｆｅ基合金相に含まれる
   ＮｉおよびＣの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉお
   よびＣの濃度よりも大きい組織、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】 前記高強度鉄基焼結合金は、密度：７．
   ０〜８．２Ｍｇ／ｍ³ を有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。