JP3413628B2

JP3413628B2 - 黒鉛分散鉄系焼結材料を得るための鉄系粉末混合物

Info

Publication number: JP3413628B2
Application number: JP07309696A
Authority: JP
Inventors: 唯之筒井; 玻胡; 啓石井; 英雄四方; 純酒井
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 2003-06-03
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: JPH09241701A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、被削性を改
良した鉄系焼結材料を得るための粉末混合物に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、鉄系焼結材料の被削性を改善
させるため、硫化物を原料粉末に混合添加したり、樹脂
の含浸を施した材料が実用に広く供されている。なお、
特開平３−７９７０１号公報には鉄系焼結材料の粉末混
合物として窒化硼素粉末を混合して切削工具との摩擦係
数を低くすることが開示され、またその窒化硼素粉末と
しては酸化硼素を５重量％以下に低減させたものを使用
することも可能であると記載されている。ところが、同
公報記載の場合は窒化硼素粉末の純度が高く高価で経済
性から採用しにくく、被削性の点でもいまだ満足できな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、近年は、例
えば、自動車の軽量化に伴って、自動車部品にアルミ合
金が多く使用されるようになってきた。そのため、自動
車部品に使用されている、鉄系焼結材料はアルミ合金と
同時に加工されることも多いことから、アルミ合金（例
えばＡＤＣ１４）と同等の被削性が鉄系焼結材料に求め
られるようになってきた。しかしながら、上記の如き従
来の方法では、このような近年の要求に十分に応えられ
なかった。

【０００４】そこで、本発明の目的は以上の問題を解消
するため、被削性により優れる鉄系焼結材料を得るため
の粉末混合物を経済的に提供できるようにすることにあ
る。他の目的は、以下の内容説明の中で順次に明らかに
して行く。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、焼結後にパーライト組織を呈す
る鉄系焼結材料用の粉末混合物より黒鉛粉末を除いた鉄
系粉末混合物に対し、配合比で、酸化硼素粉末を０．０
１〜１．０重量％と、黒鉛粉末を０．１〜２．０重量％
とを添加した、焼結後にフェライトとパーライトからな
る基地組織中に黒鉛が分散した組織を呈する鉄系焼結材
料を得るための鉄系粉末混合物である。また、請求項２
の発明は、焼結後にパーライト組織を呈する鉄系焼結材
料用の粉末混合物より黒鉛粉末を除いた鉄系粉末混合物
に対し、配合比で、酸化硼素１０〜４０重量％を含有す
る窒化硼素粉末を０．１〜２．５重量％（酸化硼素の量
が０．０１〜１．０重量％に相当）と、黒鉛粉末を０．
１〜２．０重量％とを添加した、焼結後にフェライトと
パーライトからなる基地組織中に黒鉛が分散した組織を
呈する鉄系焼結材料を得るための鉄系粉末混合物であ
る。以上の発明の粉末混合物により、焼結後の金属組織
中に未拡散の黒鉛が分散した組織を有してより被削性に
優れるものとなる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は次のような知見に基づい
て完成された。先ず、黒鉛は、固体潤滑剤としての効果
があり被削性の改善に有効である。黒鉛を分散させるた
めに、従来炭素の拡散温度以下で焼結を行った材料が実
用に供されていたが焼結温度が低いために強度が低くな
るという問題があった。そこで、本発明者らは、炭素の
拡散を抑制させ黒鉛を分散させた焼結材料を得るため検
討を重ねた結果、酸化硼素の量が０．０１重量％以上添
加されることにより、炭素の拡散が抑制されフェライト
とパーライトからなる基地組織中に黒鉛が分散した材料
となることが分かった。

【０００７】さらに、この酸化硼素の添加方法として、
酸化硼素を単味で添加する方法と窒化硼素を添加する方
法があることを見出した。窒化硼素は、特開平３−７９
７０１号公報にも切削工具との摩擦係数を低くすること
が開示されている。しかし、窒化硼素の市販粉末は、そ
の製造方法から生じる残留物である酸化硼素を含有して
おり、この酸化硼素を５重量％以下に低減させた窒化硼
素の市販粉末が粉末冶金用として使用されていた。この
ため、この酸化硼素を５重量％以下に低減させた窒化硼
素の市販粉末は純度が高いために高価である。そこで、
本発明者らは、窒化硼素に含まれる酸化硼素の量を調査
した結果、酸化硼素の量が１０〜４０重量％を含有する
窒化硼素（以下、粗窒化硼素粉末と略称することもあ
る）の市販粉末は比較的安価であり、この粉末を０．１
〜２．５重量％と黒鉛粉末を０．１〜２．０重量％とを
添加することにより、黒鉛の拡散が抑制され、フェライ
トとパーライトからなる基地組織中に黒鉛と窒化硼素が
分散した組織となって、アルミ合金と同等の被削性を有
する焼結鋼を製造することができることを見出した。

【０００８】次に、本発明の成分組成について説明す
る。含有量は重量％である。酸化硼素粉末の量は、０．
０１重量％未満では黒鉛の拡散を抑制させずにパーライ
ト組織となる。また、１．０重量％を超えて添加しても
これ以上の炭素の拡散抑制効果は見られないばかりでな
く、酸化硼素が基地中に多く残存するために材料強度を
低下させる。このため、酸化硼素粉末の最適添加量の範
囲を０．０１〜１．０重量％とした。なお、この粉末は
通常用いられる平均粒径１〜２０μｍ程度のものであれ
ばよい。

【０００９】ここで、前記酸化硼素として、酸化硼素を
１０〜４０重量％を含有する窒化硼素粉末を用いること
もできる。このときは、窒化硼素中に含まれる酸化硼素
の量が１０重量％未満の場合は原料粉末の価格が上昇
し、経済的から好ましくない。また、４０重量％を超え
た場合は窒化硼素の量が少なくなり窒化硼素の被削性改
善におよぼす効果が顕著でない。このため、使用する窒
化硼素粉末としては酸化硼素を１０〜４０重量％を含有
しているものに特定した。この窒化硼素の添加量として
は、酸化硼素の最適量と窒化硼素中に含まれる酸化硼素
の最適量により決まるものであり、その範囲を０．１〜
２．５重量％とした。なお、この粉末は通常用いられる
平均粒径１〜２０μｍ程度のものであればよい。

【００１０】また、黒鉛粉末の添加量は、０．１重量％
未満では基地中に拡散する炭素の量が少なく所望の強度
が得られないばかりでなく、未拡散の黒鉛量も少なく被
削性改善の効果が少ない。また、２．０重量％を超えて
添加した場合は、パーライト組織となり被削性を低下さ
せるため、酸化硼素の添加量を多くする必要があるが、
その被削性改善におよぼす効果は少ないため、黒鉛の最
適添加量の範囲を０．１〜２．０重量％とした。なお、
この粉末は通常用いられる平均粒径１〜１０μｍ程度の
粒径であればよい。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の鉄系焼結料用粉末混合物を実
施例と比較例により更に説明する。［実施例１］実施例１は、純鉄粉末と酸化硼素粉末と黒鉛粉末とを用
い、これらを重量％で各種の配合比に混合して圧粉成形
体に作製し、その圧粉成形体を焼結して評価したときの
例である。ここでは、表１に示す比の配合粉を調合する
とともに、各配合粉に成形潤滑剤としてステアリン酸亜
鉛を０.８重量％添加し、Ｖ型回転混粉機にて３０分間
混合した後、１２．５×３２×５(ｍｍ)の形状で密度
６．７ｇ／ｃｍ^３になるよう圧粉成形した。その各圧粉
成形体を、同一焼結炉を使用し、還元性雰囲気として水
素を７５％含む窒素中(分解アンモニアガス中)で、加熱
温度を約１１３０℃に設定し６０分間保った後、室温ま
で冷却することにより焼結した。なお、使用した粉末の
粒度は、酸化硼素粉末は平均粒径２μｍのもの、黒鉛粉
末は平均粒径５μｍのものである。

【００１２】前記各焼結体は同一条件で試料として１０
個ずつ作成し、それを用いて穴あけ加工（各５個ずつ）
と曲げ強さ（各５個ずつ）によって評価した。表１には
その平均を示している。ここで、穴あけ加工試験では、
φ３のＨＳＳドリルを使用して、ドリルの回転数１００
０ｒｐｍ、試験荷重９ｋｇｆの条件で各焼結体に穴あけ
加工を行い、このときの貫通時間（秒）を測定した。ま
た、曲げ強さ試験はＪＩＳＺ２２４８（金属材料曲
げ試験方法）の３点曲げ方法により行なったときの曲げ
強さ（ＭＰａ）を測定した。

【００１３】

【表１】

【００１４】何れの改良材１〜３も、顕微鏡写真からフ
ェライトとパーライトの基地中に未拡散の黒鉛が分散し
た組織となっていることが確認された。また、表１にお
いて、酸化硼素粉末の量は、改良材３と比較材２から明
かな如く１．０重量％を超えて添加してもそれ以上の炭
素の拡散抑制効果が期待できず、酸化硼素が基地中に多
く残存するために材料強度を曲げ強さで４６０から２３
０ＭＰａまで低下させることが分かる。これに対し、
０．０１重量％以下未満になると黒鉛の拡散を抑制せず
にパーライト組成になって被削性が低下し、比較例１の
場合では貫通時間が６０秒と極端に悪くなる。このこと
から、酸化硼素量の好適な範囲としては０．０１〜１．
０重量％といえる。また、黒鉛粉末の添加量は、改良材
３と比較材４から明かな如く２．０重量％を超えて添加
すると被削性が低下し、比較例４の様に貫通時間が５０
秒と極端に悪くなる。これに対し、０．１重量％未満で
は基地中に拡散する炭素の量が少なく所定の強度が得ら
れず、比較材３の場合では曲げ強さで２００ＭＰａと極
端に低下する。このことから、黒鉛添加量の好適な範囲
としては０．１〜２．０重量％といえる。

【００１５】［実施例２］実施例２は、純鉄粉と酸化硼素を含有した粗（低品位）
窒化硼素粉末と黒鉛粉末とを用いて、実施例１の改良材
２の酸化硼素および黒鉛の配合比に合わせて混合して圧
粉成形体に作製した後、その圧粉成形体を焼結して評価
したときの例である。ここでは、純鉄粉９６．５重量％
に、酸化硼素を２０重量％含有する窒化硼素粉末を２．
５重量％(したがって、酸化硼素の量が０．５重量％と
なる)、黒鉛粉末を１．０重量％の比で配合粉を調合す
るとともに、その配合粉に成形潤滑剤としてステアリン
酸亜鉛を０.８重量％添加し、実施例１と同様な条件で
混合した後、１２．５×３２×５(ｍｍ)の形状で密度
６．７ｇ／ｃｍ^３になるよう圧粉成形し、還元性雰囲気
として水素を７５％含む窒素中(分解アンモニアガス中)
で、加熱温度を約１１３０℃に設定し６０分間保った
後、室温まで冷却することにより焼結した。そして、表
２は、実施例１と同様にドリルにより穴あけ加工を行
い、このときの貫通時間の測定と曲げ試験を行ったとき
の結果を前記改良材２と共に示している。なお、使用し
た粗窒化硼素粉末は平均粒径２．９μｍのものである。

【００１６】

【表２】

【００１７】改良材４も、顕微鏡写真からフェライトと
パーライトの基地中に未拡散の黒鉛が分散した組織とな
っていることが確認された。また、表２の改良材４は特
に曲げ強さが改良材２と同じことに加え、貫通時間が８
秒と短く、被削性で改良材２よりも更に改善されること
が分かった。これは粗窒化硼素粉末の形で添加された材
料の場合、被削性が改良材１〜３の酸化硼素と黒鉛との
場合に比し未拡散の黒鉛と窒化硼素の相乗効果でより改
善されたものと考えられる。

【００１８】［実施例３］実施例３は、本発明の粉末混合物において、酸化硼素の
添加量を変えたものを各種の焼結雰囲気で焼結を行いそ
のときの酸化硼素の添加量（重量％）と結合炭素量（重
量％）との関係を調べた例である。ここでは、純鉄粉
に、黒鉛粉末を１．０重量％と、成形潤滑剤としてステ
アリン酸亜鉛を０．８重量％と、酸化硼素粉末の添加量
を０重量％、０．０１重量％、０．２重量％、０．４
重量％、０．６重量％、０．８重量％、１．０重量
％、１．２重量％に変化させて配合したもの（黒鉛粉末
と成形潤滑剤との添加量を一定にし、純鉄粉と酸化硼素
粉末の添加量を変えた７つの試料）について、Ｖ型回転
混粉機にて３０分間混粉した後、１２．５×３２×５
(ｍｍ)の形状で密度６．７ｇ／ｃｍ^３になるよう圧粉成
形した。その各圧粉成形体を、同じタイプの焼結炉を使
用し、焼結雰囲気として、ブタン変成ガス、窒素ガス、
分解アンモニアガス雰囲気中で加熱温度を約１１３０℃
に設定し６０分間保って焼結を行いそのときの結合炭素
量（重量％）をＪＩＳＧ１２１１に規定する遊離炭素
定量方法にしたがって測定した。この測定結果を図１に
示している。なお、使用した純鉄粉末、酸化硼素粉末、
黒鉛粉末の粒度は実施例１と同じである。

【００１９】図１において、酸化硼素の添加量が０．０
１〜１．０重量％においては何れの焼結雰囲気において
も、優れた被削性を示す結合炭素量である０．２〜０．
４％の範囲内にあることが分かる。

【００２０】

【発明の効果】以上の本発明に係る粉末混合物は、これ
を原料にして得られる焼結体は黒鉛の拡散が抑制されフ
ェライトとパーライトの基地中に黒鉛が分散して強度を
低下せずに被削性に優れたものとなる。また、酸化硼素
としては粗窒化硼素（酸化硼素を１０〜４０重量％含有
するもの）を用いることも可能なことから、経済性にも
優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例３に係る酸化硼素の添加量と結
合炭素量との関係を遊離炭素定量方法にて調べた結果を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−22107（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−127454（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−152656（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 1/00 B22F 3/10 C22C 33/02 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結後にパーライト組織を呈する鉄系焼
結材料用の粉末混合物より黒鉛粉末を除いた鉄系粉末混
合物に対し、配合比で、酸化硼素粉末を０．０１〜１．０重量％と、
黒鉛粉末を０．１〜２．０重量％とを添加した、焼結後
にフェライトとパーライトからなる基地組織中に黒鉛が
分散した組織を呈する鉄系焼結材料を得るための鉄系粉
末混合物。
【請求項２】焼結後にパーライト組織を呈する鉄系焼
結材料用の粉末混合物より黒鉛粉末を除いた鉄系粉末混
合物に対し、配合比で、酸化硼素１０〜４０重量％を含有する窒化硼
素粉末を０．１〜２．５重量％と、黒鉛粉末を０．１〜
２．０重量％とを添加した、焼結後にフェライトとパー
ライトからなる基地組織中に黒鉛が分散した組織を呈す
る鉄系焼結材料を得るための鉄系粉末混合物。
【請求項３】前記鉄系粉末混合物の最大成分が純鉄粉
末である請求項１または２に記載の鉄系粉末混合物。