JP4177534B2

JP4177534B2 - 銅系高強度焼結部品用合金粉末

Info

Publication number: JP4177534B2
Application number: JP31758999A
Authority: JP
Inventors: 真利菊川; 義朗新見; 修岩津
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2019-11-09
Also published as: JP2001131660A

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、銅系で高強度の焼結部品を製造するための粉末冶金用の粉末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
銅系の焼結材料は一般に軸受け用または摺動材用として多く使用されており、鉄系の材料を相手材として含油で使用する場合は多孔質での使用が多い。この場合には高密度では使用せず、銅系材料の軟質性が有効に利用されてきたことが、高強度の銅系焼結合金用の粉末が開発されなかった原因の一つと考えられる。
【０００３】
従来から銅系の焼結合金用粉末としてはＣｕ−Ｓｎ系，Ｃｕ−Ｚｎ系の粉末が主であり、鋳造材の組成を粉末としたものであるが、高強度の焼結体を得るためには、焼結体の最終組成またはマトリックスを高強度なものにすることが必要である。
最近この従来の銅系の焼結合金に対して、さらに過酷な条件でも使用可能な高強度の材料に対する要求も多く、このことも含めて硬さが高く、強度の大きい材料が求められるようになってきた。
【０００４】
しかし、高強度の銅合金として有名なアルミニウム青銅または高力黄銅系は、いずれもＡｌを含み通常の窒素＋水素等の焼結雰囲気では焼結が困難であり、いまだに焼結合金としては実用化されていないのが現状である。
また、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ系の洋白もあるがＮｉを多く含むため高価であり、装飾品用的な用途が主であり、また強度もそれほど高くないので高強度材料としては使われていない様である。
【０００５】
鋳造材ではよく使用されるＺｎを２０重量％以上と多く含む合金は焼結時に、Ｚｎが蒸発し、焼結体の重量が減少しやすく個々の部品で変動しやすい。また焼結炉を汚染する事もＣｕ−Ｚｎ系の焼結材があまり好まれない理由でもある。
バネ用材料として良く用いられるリン青銅は、その名前のとうりリンを含むため硬さが高く粉末にすると球状化するため成形しにくく、粉末冶金用としては不向きである。
また、ベリリウム銅は有害元素のベリリウムを含むことと、熱処理が必要なことにより粉末冶金用としては敬遠されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、銅系の摺動材料、軸受け材料、ギヤ部品、ダイヤモンド工具等を製造するために必要な原料として、成形性を劣化させない範囲で硬さや強度の高い粉末、すなわち、圧粉体抗折力20kgf/cm²以上、粉末硬さ(HV)130〜180で、この粉末を使用した焼結体の圧環強さが40〜80kgf/mm²で、焼結体マトリックス硬さ(HV)120 以上である、硬さと強度が高い焼結部品を製造可能な原料粉末を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明は、Ｆｅを１〜５重量％含み、さらにＳｎを５〜１２重量％含み残部がＣｕ及び不可避不純物よりなり、見掛密度が３．５ｇ／cm³以下であることを特徴とする銅合金粉末である。
本願発明者は成形性を劣化させない範囲で硬さ強度の大きい原料粉末を提供するため検討を重ねた結果、成形性、焼結性、粉末のハンドリング性、従来の粉末との適合性等を考慮し、基本材料としてＣｕ−Ｓｎ系を選択した。Ｓｎは５重量％以下では十分な強度が得られず１２重量％以上では硬さが高くなりすぎ、脆さが見られ圧縮成形には不向となる。そこでＳｎは５〜１２重量％が良好である。強度をさらに重視する場合このＳｎ重量％は６〜１１％が好適であり、さらには、７〜１１％が最適である。
【０００８】
これに本発明の目的である焼結部品での強度と、高温での耐軟化性等を考慮し検討を重ねた結果、上記Ｃｕ−Ｓｎに新たにＦｅを１〜５重量％合金化させて硬さが高い合金を粉末とし、これを原料粉末に焼結部品にすることで目的が達成できることを見いだした。この組成範囲をはずれＦｅ重量％が１％以下では従来の粉末と十分な差が見られず、焼結体での強度と、高温での耐軟化性等の特性が不十分である。また５％以上では強度の上昇が鈍り遊離したＦｅが多くなり組成が不均一になる。また、粉末の硬さが高くなり成形性が低下し実用性に欠ける。また６％以上では融点が上昇し溶解とアトマイズにおいて不利になるためＦｅ重量％は１〜５％が好適であり、さらには２〜４％が最適である。
【０００９】
本発明組成の合金粉末が粉末においてのみならず成形、焼結の後、良好な硬さや強度を示す事に対し、特定の考察に束縛されるわけではないが、この合金中の各元素について状態図から考察すると、ＣｕとＳｎは中間相をいくつか持つが、Ｃｕ側のＳｎの固溶限は大きく本組成範囲ではほぼα相のみである。Ｃｕに対してＦｅはＣｕ側に包晶反応を持ち比較的小さい固溶限を示し、多く添加した場合低温でＦｅリッチ相とα相に分離偏析するが５％以下の少量では、これも少なくほぼ均一に固溶した合金となりこれが硬さや強度を向上するものと考えられる。
また、ＳｎとＦｅも中間相をいくつか持ち、これはFe₃Sn,Fe₃Sn₂,FeSn,FeSn₂の組成でこれらがマトリックスに均一微細に分散すると、これも強度、高温での耐軟化性等を改善できると考えられる。
【００１０】
本発明の合金粉末と同一組成の焼結合金を各元素の粉末のＭＩＸまたは母合金粉末のＭＩＸ粉から製造しようとすると、各元素の固相中での拡散速度が小さいことと、粉末表面での化合物生成により各元素の拡散が阻害され、またこの化合物が脆い層を形成するためとも思われるが、均一な焼結合金が得られず強度が低く目的を達成できない。
【００１１】
そこで本願発明の粉末の様に、目標組成の粉末を完全合金粉末として製造することが均一な焼結合金を得るためには非常に有効である。
また、この合金粉末を使用し粉末冶金で軸受け等の部品を製造することの理由は第一に最終形状に近い部品が得やすいこと、第二に微細で均一な組織が得られること、第三に多孔質な部品が製造できこの多くの孔に潤滑油、潤滑用金属、潤滑用樹脂等を含浸できることである。
【００１２】
本発明の合金粉末は、水アトマイズ法で製造するが、各金属地金は溶解時の液相では十分均質である。これが水アトマイズにより急冷凝固するため粉末内部において、この均質な状態がほぼ保たれる。さらに、焼結体においてもＭＩＸ粉からの製造ではないため偏析がほとんど無く均質な部品が得られることになる。
【００１３】
このＣｕ−Ｓｎ−Ｆｅ合金粉末は従来のＣｕ−ＳｎやＣｕ−Ｚｎ系に比べ硬さが高い傾向にあるため成形性が良いとはいえない。またこの粉末は従来のＣｕ−Ｓｎに比較してＦｅを含み融点が高く合金の表面張力が高くなるためか、見掛密度が高くなる傾向がある。そこで粉末の見掛密度を更に低くするために粉末の製造条件の工夫が必要である。この成形性は圧粉体の抗折力で測定するが、見掛密度が３．５ｇ／cm³をこえると圧粉体の抗折力が１０ｋｇｆ／cm³以下となり圧粉体の保形性が悪くハンドリング性が特に劣化する。
【００１４】
そのため良好な成形性を得るためには、見掛密度が３．５ｇ／cm³以下であることが必要である。さらに好ましくは３．２ｇ／cm³以下であり、最も好ましくは３．０ｇ／cm³以下である。
この場合、粉末が不規則化することで表面の凹凸が大きくなり粉末どうしの接触面積が多くなり、成形性はもとより焼結性においても良好な結果が得られることもわかった。次に本発明を更に詳細に説明する。
【００１５】
【発明実施の形態】
実際の粉末製造には上記の組成の合金になるように地金を溶解後、中間坩堝の底に設けた細孔より流下し、これに高速の水ジェットを吹きつけ粉砕する水アトマイズ法を用いる。この水アトマイズ法では、ガスアトマイズ法による粉末より当然不規則形状にはなるが、その不規則度合いの指針になり粉末成形性の判断の目安でもある見掛密度を上記のような３．５ｇ／cm³以下にするのはなかなか容易とは言えない。しかしこの見掛密度を低くする方法は、従来から幾つか考案がされており代表的には特公昭４３−６３８９号に見られる様な逆円錐のコニカルジェットを用いることが有効で、さらに特公平５−７４４２号の様にコニカルジェットを発生するリングノズルの上下の差圧を発生させてより高い噴霧角度でアトマイズすることも見掛密度３．５ｇ／cm³以下の不規則度合いの高い粉末を得る方法の一つである。
【００１６】
このようにして高速の水ジェットでアトマイズして得られた合金粉末は脱水、乾燥後、所定の分級を行い製品となる。
また、粉末を特公昭５２−３７４７５号の様な熱処理または、単純な加熱造粒熱処理によって低見掛密度の不規則形状粉にすることも可能である。
しかし望ましくは、アトマイズのみで上記特性を達成する方が単純で、エネルギーやコストの面からも好ましい。
【００１７】
【実施例・比較例】
本発明の粉末について実施例に基づいて、更に詳細に説明する。
粉末の成形性は見掛密度，圧粉体抗折力で知ることができる。
粉末硬さ，焼結体マトリックス硬さは焼結前後の硬さを知ることができ、焼結後の硬さが重要である。
また圧環強さは焼結性の目安となり、またトータルな粉末の特性をも示す。
これらの特性の測定は下記の手段で行った。
・見掛密度をＩＳＯ−３９２３の測定法に従って求めた。
・圧粉体抗折力はステアリン酸亜鉛を０．５％添加し、ＩＳＯ−３９９５の
測定法に従って、成形密度６．６ｇ／cm³で求めた。
・粉末および焼結体マトリックス硬さは微小硬度計を用いて荷重１０ｇｆで
求めた。
・圧環強さは成形密度６．６ｇ／cm³、７５％水素＋２５％窒素の雰囲気、
７８０℃、２０分焼結し、ＪＩＳ−Ｚ２５０７の測定法に従って求めた。表１に、本発明の粉末と比較例の粉末および焼結体の特性比較を示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１に示したように、本発明の合金粉である実施例１〜６は、比較例１〜３のＣｕ粉Ｓｎ粉Ｆｅ粉ＭＩＸ粉にくらべて見掛密度が高く成形性が劣るが、見掛密度が３．５ｇ／cm³以下で、しかも圧粉体抗折力が２０ｋｇｆ／cm³以上あり、実用上十分である。
【００２０】
また、本発明粉は比較例４のＣｕ−１０Ｓｎに比べ粉末自体の硬さが高いのみならず、粉末硬さに対して焼結後の硬さの低下が少なく高温での耐軟化性が優れていることがわかる。
また、焼結性を表す圧環強さも４０ｋｇｆ／mm²以上と高く、焼結特性が良好であることがわかる。
【００２１】
比較例１〜３はＣｕ粉Ｓｎ粉Ｆｅ粉のＭＩＸ粉であり粉末硬さ、焼結体マトリックス硬さはバラツキが大きく測定できなかった。
このように、本発明粉は圧粉体抗折力がＭＩＸ粉ほどは高くはないが実用上十分である。
また、圧環強さと焼結体マトリックス硬さがそろって高い焼結合金が得られる優れた粉末である。
【００２２】
図１に本発明Ｃｕ−１０Ｓｎ−３Ｆｅ粉の焼結体の断面組織と図２に従来Ｃｕ−１０Ｓｎ粉の焼結体の断面組織とをそれぞれ示す。
本発明のＣｕ−１０Ｓｎ−３Ｆｅの焼結体断面は、Ｆｅが３％合金化したことで従来のＣｕ−１０Ｓｎでは見られなかった析出物がマトリックスに微細に分散した組織となり従来の組織とは全く異なっていることがわかる。
この微細な析出物が硬さ、圧環強さを高くし、さらに焼結時の軟化を進みにくくしている原因と思われる。
この析出物はＦｅリッチ相またはＦｅ−Ｓｎ相あるいはＦｅ−Ｓｎ−Ｘ相と考えられ、これが微細に分散することで粉末の硬さが高くなり、更に焼結体の強度が向上すると考えられる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は従来無かった組成のＣｕ−Ｓｎ−Ｆｅ系の合金粉末を提供する事により、銅系の高強度の焼結合金の製造を可能にする産業上有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣｕ−１０Ｓｎ−３Ｆｅ合金の焼結体の断面組織
【図２】従来のＣｕ−１０Ｓｎ合金の焼結体の断面組織

Claims

Ｆｅを１〜５重量％含み、さらにＳｎを５〜１２重量％含み残部がＣｕ及び不可避不純物よりなり、見掛密度が３．５ｇ／cm³以下であることを特徴とする銅合金粉末。