JP3346310B2 - 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、特に各種摺動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、Ｎｉのいずれか一方または
双方で０．５〜１５．０重量％、Ｂ：０．０１〜０．１
重量％、Ｍｏ：０．１〜１．０重量％、Ｃ：１．５〜
３．５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があることは知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、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は十分な強
度が得られず、したがって、この従来の鉄基焼結合金よ
りも一層強度の優れた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：２０．３〜４０重量％、Ｎｉ：０．６〜１
４重量％、Ｃ：１．０〜３．０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し、さらにＦ
ｅを主成分とするＦｅ基合金相とＣｕを主成分とするＣ
ｕ基合金相からなり、Ｆｅ基合金相とＦｅ基合金相をＣ
ｕ基合金相で接合してなる素地とその素地中に遊離黒鉛
相が析出分散しており、前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基
合金相はＮｉ、Ｃｕ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Ｎｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５
０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組織を有する
鉄基焼結合金は従来よりも強度が一層優れている、 （ｂ）前記鉄基焼結合金の密度は、７．０〜７．９ｇ／
ｃｃの範囲内にあることが好ましい、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：２０．３〜４０重量％、Ｎｉ：０．６〜
１４重量％、Ｃ：１．０〜３．０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し、さら
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基合金相で結合してなる素地中に
遊離黒鉛相が析出分散しており、かつ前記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：７．０〜７．
９ｇ／ｃｃ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】この発明の前記（１）または（２）記載の
比較的軽量で高強度鉄基焼結合金は、Ｆｅ粉末、遊離黒
鉛相が析出するに十分な量のＣ粉末およびＣｕ：２０．
３〜４０重量％、Ｎｉ：０．６〜１４重量％含むように
Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末を混合し、成形し、焼結することに
より作られる。

【０００７】この発明の高強度鉄基焼結合金の製造方法
でＣ粉末を遊離黒鉛相が析出するに十分な量を添加する
が、遊離黒鉛相が析出するに十分な量とは高強度鉄基焼
結合金で目標とするＣ含有量の１．１倍である。したが
って、この発明の高強度鉄基焼結合金の製造方法におけ
るＣ粉末の添加量は、具体的には、１．１〜３．３重量
％である。

【０００８】この発明の高強度鉄基焼結合金は、原料粉
末として、Ｆｅ粉末、Ｃ粉末、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末を用
意し、これら原料粉末を所定量となるように配合し、混
合して得られた混合粉末に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
ミドを添加し、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℃で焼結することによ
り製造する。この時の焼結温度は１１１０〜１２００℃
が一層好ましい。

【０００９】この発明の高強度鉄基焼結合金は、Ｃｕ−
Ｎｉ合金（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Ｃｕ：２
０．３〜４０重量％、Ｎｉ：０．６〜１４重量％含むよ
うに添加して製造することが好ましい。その理由はＣｕ
−Ｎｉ合金粉末を含む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。

【００１０】すなわち、Ｃｕ−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、Ｃｕ−Ｎｉ合金相中のＮｉ含有
量が低下しているため、Ｃｕ−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。この結果、
十分に焼結され、かつＣｕとＦｅの密着性に優れた焼結
体が得られ、また、多量の液相が発生するにもかかわら
ず、焼結体に歪み、撓みは発生させない。

【００１１】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。 （イ）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２０．３重量％未満では液相の発
生量が十分でなく、したがって密度、強度および耐摩耗
性の効果が十分でなく、一方、４０重量％を越えると液
相が過大となり、焼結中に変形が生じて寸法のバラツキ
が大きくなるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含
有量は２０．３〜４０重量％に定めた。Ｃｕの含有量の
一層好ましい範囲は２１〜３５重量％である。

【００１２】（ロ）Ｎｉ Ｎｉは、Ｃｕ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Ｆｅ合金相の強
度および靭性を向上させる作用があるが、その含有量が
０．６重量％未満ではその効果が十分でなく、一方、１
４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０．６〜１４重量％に定め
た。Ｎｉの含有量の一層好ましい範囲は２〜６重量％で
ある。

【００１３】（ハ）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１．０重量％未満では遊離黒鉛相が析出しなく
なって摩擦係数が大きくなり、摺動部品の材料としては
好ましくなく、一方、３．０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１．０〜３．０重量％に定めた。Ｃの含有量の一
層好ましい範囲は１．１〜１．６重量％である。

【００１４】

【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〜Ｅおよび平均粒径：
１８μｍの黒鉛粉末を用意した。

【００１５】

【表１】

【００１６】実施例１ 前記Ｆｅ粉末、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末Ａ〜Ｅ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％
Ｈ₂ の混合雰囲気中、温度：１１５０℃、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１〜１３、比較焼結合金１〜６および従来焼結合
金を作製した。

【００１７】得られた本発明焼結合金１〜１３、比較焼
結合金１〜６および従来焼結合金の密度を測定し、その
結果を表４に示したのち、さらにこれら焼結合金をＩＳ
Ｏ３３２５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に示した。

【００１８】さらに、この発明の高強度鉄基焼結合金の
組織を一層理解しやすくするために、本発明焼結合金３
を切断し、研磨し、金属顕微鏡による組織写真を取り、
その組織写真を図１に示した。図２は本発明焼結合金３
の金属組織の写生図である。図２において１はＦｅ基合
金相、２はＣｕ基合金相、３は遊離黒鉛相である。図１
の組織写真および図２金属組織の写生図から明らかなよ
うに、本発明焼結合金はＦｅ基合金相をＣｕ基合金相か
らなる結合相で結合してなる素地を有し、その素地中に
遊離黒鉛相が析出分散していることが分かる。

【００１９】さらに、前記本発明焼結合金３の組織写真
の部分の成分含有量を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
５０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Ｆ
ｅ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
確認した。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】表２〜表４に示される結果から、本発明焼
結合金１〜１３と従来焼結合金を比較すると、本発明焼
結合金１〜１３は従来焼結合金と比べて、密度が高く、
抗折力およびロックウェルＢスケール硬さが優れている
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１〜６は、密度、抗折力
およびロックウェル硬さのうちの少なくともいずれかが
劣ることが分かる。

【００２４】

【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スケール硬さが高い値を示すことから、強度およ
び耐摩耗性に優れ、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の高強度鉄基焼結合金の金属顕微鏡に
よる組織写真である。

【図２】この発明の高強度鉄基焼結合金の組織の写生図
である。

【符号の説明】

１ Ｆｅ基合金相 ２ Ｃｕ基合金相 ３ 遊離黒鉛相

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−165307（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−38354（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９−68010（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 33/02 103

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｕ：２０．３〜４０重量％、Ｎｉ：
   ０．６〜１４重量％、Ｃ：１．０〜３．０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
   し、さらに、Ｎｉ、ＣｕおよびＣを含みＦｅを５０重量％以上含むＦ
   ｅ基合金相を、Ｎｉ、ＦｅおよびＣを含みＣｕを５０重
   量％以上含むＣｕ基合金相で結合してなる素地中に遊離
   黒鉛相が析出分散しており、かつ前記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．
   ０〜７．９ｇ／ｃｃ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。