JP4367133B2

JP4367133B2 - 高強度焼結部品用の鉄基粉末混合物

Info

Publication number: JP4367133B2
Application number: JP2004007533A
Authority: JP
Inventors: 繁宇波; 聡上ノ薗
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-01-15
Also published as: JP2005200698A

Description

本発明は、粉末冶金用鉄基粉末混合物に関し、特に自動車用の高強度焼結部品の製造に適用して好適なものである。

金属粉を金型内で加圧−成形したのち、焼結して焼結体とする粉末冶金法は、複雑な形状の機械部品も精度よく製造することができるため、高い寸法精度が要求されるギヤ等の自動車用部品の製造に広く利用されている。
金属粉として鉄粉を用いる場合には、通常、鉄粉にCu粉や黒鉛粉等の合金成分を混合し、さらに成形性を向上させるための潤滑剤を 0.8〜1.2 質量％程度混合した後、成形し、ついで焼結を行うことにより、 5.0〜7.2 g/cm³ 程度の密度を有する焼結体としている。
また、これらの自動車用部品には、高強度であることが要求されている。そこで、一層の強度向上のために、合金元素を添加した焼結体に、さらに焼入−焼戻等の熱処理を施して製品化することが一般的に行われている。

例えば、特許文献１には、高強度粉末冶金部品用原料粉として、Ｃ，Ｎ，Si，Al，Ｏを低減すると共に、Mn，Cr，Mo，Ｖのうちから選んだ１種または２種以上の元素を予合金成分として含有させ、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる、圧縮性、成形性および熱処理特性に優れる合金鋼粉が提案されている。

また、特許文献２には、自動車用高強度部品用原料粉として、鉄粉の表面にCu，Ni，Moの粉末を同時に付着拡散させた、熱処理における寸法変化のばらつきの小さい部分合金化合金鋼粉が提案されている。

ところで、最近では、焼結部品の製造に際し、製造コスト低減のために、弱酸化性雰囲気中で焼結温度を低下させた低温焼結や、焼結後における熱処理の省略が指向されている。
そのため、かような低温焼結を実施した場合であっても、あるいはその後の熱処理を省略したとしても、高強度の焼結部品が確保できる原料粉の開発が要望されている。

しかしながら、特許文献１に記載されたような、Cr，Mnなどの易酸化性合金元素を溶鋼の状態で予合金化させた予合金化合金鋼粉を用いて、弱酸化性雰囲気中で焼結すると、予合金化された合金元素が酸化されて、所望の強度を有する焼結部品が得られないという問題があった。
この点、特許文献２に記載のような、鉄粉に、NiやMo，Cu等の合金元素を部分合金化させた部分合金化合金鋼粉を用いた場合には、合金元素の酸化という問題はないが、この部分合金化合金鋼粉は、圧縮性が低いだけでなく、焼結後の熱処理によって高強度の確保を意図しているため、焼結のままでは引張強さ：800 MPa 以上の高強度を達成できないという問題があった。

このような問題に対し、特許文献３では、重量比率で、Ni：３〜５％、Mo：0.4 〜0.7％、残部Feからなる組成の合金粉末に、Cu粉を１〜２％、Ni粉を１〜３％、黒鉛粉を焼結後のＣ量が 0.2〜0.7 ％になるように混合した混合粉末を、圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結し、その際、焼結炉中で５〜20℃/minの速度で冷却することからなる鉄系焼結合金の製造方法が提案されている。

また、特許文献４には、重量比率で、Ni：0.5 〜３質量％およびMo：0.7 超〜４質量、残部Feおよび不可避的不純物の組成になる合金粉末に、Ni粉を１〜５質量％、Cu粉を 0.5〜３質量％、黒鉛粉を0.2 〜0.9 質量％混合させた鉄基混合粉が提案されている。

特公昭58−10962 号公報特開平１−215904号公報特開平９−87794 号公報特開2000−282103号公報

しかしながら、上記特許文献３および特許文献４に記載された技術では、いずれも合金鋼粉中にNiが予合金化されているため、焼入れ性は高いものの、合金鋼粉の圧縮性が低下することから、高い圧粉体密度が得られず、そのため高強度の焼結体が得られないという問題があった。
また、いずれの文献でも、潤滑剤を 0.8質量％程度添加しているため、脱ろう時間の短い焼結条件では、焼結の初期段階まで脱ろうに費やされ、実質的な焼結時間が短くなるため、高強度の焼結体が得られないという問題があることも判明した。

本発明は、上記の実状に鑑み開発されたもので、高い圧粉体密度が得られ、また脱ろう時間の短い厳しい焼結条件下でも、焼結のままで引張強さが 800 MPa以上の高強度焼結体を得ることができる鉄基粉末混合物を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく、潤滑剤の種類および添加方法について鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
すなわち、潤滑剤中に適量の極圧添加剤を含有させることにより、圧粉成形時における抜出力を上昇させることなしに、潤滑剤の添加量を効果的に低減することができ、その結果、圧粉体密度が向上するだけでなく、焼結時における潤滑剤の脱ろう効率も向上するため、焼結体の強度が有利に向上するとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えた末に、完成されたものである。

すなわち、本発明は、NiおよびMoを予合金化した合金鋼粉に、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉を混合した鉄基混合粉：100 質量部に対し、極圧添加剤としてオレフィンポリサルファイド、ジペンジルジサルファイド、ジブチルジチオカルバミン酸モリブデンおよびジ−２−エチルヘキシルホスホロジチオエートモリブデン塩のうちから選んだ少なくとも１種を10〜80質量％の範囲で含有する潤滑剤が0.05〜0.5 質量部の割合で添加され、前記合金鋼粉におけるNiおよびMoの予合金化率が、Ni：0.5〜３質量％、Mo：0.7超〜４質量％、また前記鉄基混合物におけるNi粉、Cu粉および黒鉛粉の混合割合が、Ni粉：0.5〜５質量％、Cu粉：0.5〜３質量％、黒鉛粉：0.2〜1.0質量％であることを特徴とする高強度焼結部品用の鉄基粉末混合物である。

本発明の鉄基粉末混合物を原料として使用することにより、高密度の高強度焼結部品を得ることができる。
また、本発明の鉄基粉末混合物は、比較的低い焼結温度でも焼結が促進されて高強度の焼結部品を得ることができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明の主原料である合金鋼粉について説明する。本発明では、強度向上のための合金元素として、Ni，MoおよびCuを選択した。これら合金元素は、炭化水素変成ガス雰囲気中で焼結を行っても、酸化することがなく、強度を効率良く向上させることができる。
これらの合金元素のうち、Niは、焼結の活性化による空孔の微細化および基地強化のために、粉体による添加と予合金化による添加の両方とする。
また、Cuは、焼結時に液相を形成して焼結を促進させるために、粉体で添加する。
さらに、Moは、粉体で添加すると拡散し難いので高強度の合金を形成し難く、また予合金化しても圧縮性の低下が少ないため、予合金化により添加する。

上述したとおり、本発明における合金鋼粉は、Ni，Moが予合金化された予合金化合金鋼粉である。かかる予合金化合金鋼粉は、所定量の合金元素を含有する溶鋼を、溶製したのち、例えば水アトマイズにより製造することができる。水アトマイズは、通常公知の装置および方法を用いて行えばよく、特に限定されることはない。なお、この予合金化合金鋼粉は、水アトマイズ後、常法に従い、仕上還元処理、ついで解砕処理が施されるのは言うまでもない。

上述した予合金化合金鋼粉におけるNiおよびMoの好適含有量（予合金化率）は次のとおりである。
Ni：0.5 〜３質量％
Niは、マルテンサイト変態開始温度を低温側に移行させることにより、基地組織を微細化して、強度を向上させる有用元素である。しかしながら、Niの予合金化率が 0.5質量％未満では強度の向上効果が充分ではなく、一方３質量％を超えて予合金化させると鋼粉が著しく硬化し、圧縮性が著しく低下して、強度および靭性がともに低下する。このため、Niの予合金化率は 0.5〜３質量％の範囲に限定した。好ましくは 0.5〜２質量％の範囲である。

Mo：0.7 超〜４質量％
Moは、固溶強化および変態強化により強度を向上させる有用元素であり、しかも予合金化しても圧縮性の低下は少ない。しかしながら、Moの予合金化率が 0.7質量％以下では強度を向上させる効果が十分でなく、一方４質量％を超えて予合金化させると鋼粉が硬化し、圧縮性が著しく低下して、強度および靭性がともに低下する。このため、Moの予合金化率は 0.7超〜４質量％の範囲に限定した。好ましくは 0.7超〜３質量％の範囲である。
また、Ｃは、鋼粉の硬化による圧縮性の低下を避けるために、0.02質量％以下が好適である。

合金鋼粉において、上記した成分以外は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物のうち、SiやMn，Ｓ，Ｐ等は、それぞれSi：0.1 質量％以下、Mn：0.3 質量％以下、Ｓ：0.02質量％以下、Ｐ：0.02質量％以下で許容できる。

次に、鉄基混合粉における、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉の混合割合を前記の範囲に限定した理由について説明する。
なお、鉄基混合粉中における各粉体の混合割合は、合金鋼粉、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉の合計量（混合粉全量）に対する質量％で表示する。

Ni粉：0.5 〜５質量％
Ni粉は、焼結を活性化し、空孔を微細化して、強度を向上させるために添加する。しかしながら、Ni粉の混合割合が 0.5質量％に満たないと焼結を活性化させる効果が十分でなく、一方５質量％を超えると残留オーステナイトが著しく増加して、強度の低下を招く。このため、Ni粉の混合割合は 0.5〜５質量％の範囲に限定した。好ましくは２〜４質量％の範囲である。
なお、Ni粉としては、熱分解法により作成したカルボニルニッケル粉、Ni酸化物を還元して作成したNi粉など公知のものを用いればよい。

Cu粉：0.5 〜３質量％
Cu粉は、焼結時に液相形成により空孔を球状化して焼結を促進し、強度を向上させるため添加する。しかしながら、Cu粉の混合割合が 0.5質量％未満では強度を向上させる効果が十分でなく、一方３質量％を超えると脆化する。このため、Cuの混合割合は 0.5〜３質量％の範囲とした。好ましくは１〜２質量％の範囲である。
なお、Cu粉としては、電解Cu粉やアトマイズCu粉など公知のものを用いればよい。

黒鉛粉：0.2 〜1.0 質量％
黒鉛粉は、焼結時に鉄粉中に拡散して固溶強化により強度を高くする元素である。しかしながら、黒鉛粉の混合割合が 0.2質量％未満では強度を向上させる効果が十分でなく、一方 1.0質量％を超えると、初析セメンタイトが粒界に析出し、強度が低下する。このため、黒鉛粉の混合割合は 0.2〜1.0 質量％の範囲とした。

次に、本発明に従う潤滑剤について説明する。
さて、粉末成形において、潤滑剤は、成形時における粉末同士および粉末と金型との間の摩擦の低減、さらには成形後の金型からの抜出力の低下を目的として添加されるが、圧粉体密度を高める観点からは、むしろ逆効果であり、潤滑剤の添加量はできるかぎり低減した方が好ましい。
従って、できるだけ少ない潤滑剤添加量で、粉末同士および粉末と金型との間の摩擦を低減し、かつ成形後の金型からの抜出力を低下することができれば、圧粉体密度を有利に向上させることが可能になる。

そこで、上記の観点から、潤滑剤の種類について検討を重ねた。
その結果、潤滑剤の一部または全部について、極圧添加剤を利用すれば、潤滑剤の総添加量を有利に低減できることが究明されたのである。

極圧添加剤は、金属と反応して熱的に安定な潤滑膜を形成する。本発明の場合、添加した極圧添加剤が、成形時に合金鋼粉と反応し、合金鋼粉の表面に潤滑層を形成する。この潤滑層により、合金鋼粉同士および合金鋼粉と金型との接触が防止されるので、良好な潤滑状態で成形することが可能となる。しかも、極圧添加剤による潤滑膜は、熱的に安定しているため、連続成形により金型の温度が上昇しても、熱劣化を起こさず、安定した潤滑性を維持することができる。

本発明に適用可能な極圧添加剤としては、有機いおう化合物および有機金属化合物等が挙げられる。
具体的には、オレフィンポリサルファイド、ジペンジルジサルファイド、ジブチルジチオカルバミン酸モリブデンおよびジ−２−エチルヘキシルホスホロジチオエートモリブデン塩が挙げられる。なお、これらは、２種以上を混合して使用することもできる。
また、極圧添加剤以外の潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛およびオレイン酸などの公知の粉末成形用潤滑剤を好適に使用することができる。

本発明では、上記した極圧添加剤を、潤滑剤中に、少なくとも10質量％含有する。というのは、極圧添加剤の含有比率が10質量％に満たないと、十分な潤滑効果が得られず、抜出性が低下するからである。
一方、極圧添加剤の含有比率の上限は、引張強さをさらに大きくする観点から80質量％とする。

上述したように、潤滑剤の一部として、極圧添加剤を利用することにより、従来に比べて潤滑剤の総添加量を低減できることができる。
すなわち、本発明では、潤滑剤の添加量は、合金鋼粉、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉の混合体である鉄基混合粉：100 質量部に対し、0.05〜0.5 質量部で済む。
この点、従来の潤滑剤の添加量は、粉末同士および粉末−金型間の摩擦の低減および金型からの抜出力の低下の面から約 0.8質量部であったことは、前述したとおりである。

なお、極圧添加剤を含む潤滑剤は、合金鋼粉、Ni粉、Cu粉、黒鉛粉の混合体である鉄基混合粉に単に混合する、あるいは鉄基混合粉に潤滑剤を混合した後、加熱・冷却して、粉末に潤滑剤を付着させる形で添加してもよい。付着させた後に、さらに粉末の潤滑剤を添加することもできる。
また、前記の付着工程で、潤滑剤をバインダーとして、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉を付着させてもよい。このようにすることにより、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉の偏析を防止することができる。また、さらに粉末の潤滑剤を添加することもできる。

さらに、本発明の鉄基粉末混合物は、弱酸化性であるRXガス雰囲気中での1100〜1200℃の低温焼結を施しても、焼結のままでの 800 MPa以上の高強度を有する焼結体とすることができる。しかしながら、この条件に限定されるものではなく、N₂，酸化性であるAXガス等他の雰囲気中で高温焼結を行うこともできることは言うまでもない。

Mo：1.0 質量％およびNi：2.1 質量％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる溶鋼を溶製し、水アトマイズ法で粉体とした後、仕上還元処理を施して、予合金鋼粉とした。ついで、この予合金鋼粉に、Ni粉：2.0 質量％、Cu粉：1.5 質量％および黒鉛粉：0.6 質量％を混合したのち、表１に示す潤滑剤をＶ型ブレンダで添加混合した。
得られた鉄基粉末混合物を、日本粉末冶金工業会（JPMA ）のM04-1992に準拠して、成形圧力：686 MPa で引張試験片形状に成形した。ついで、これらの成形体に、RXガス雰囲気中で、特に脱ろうのための保持はせずに、昇温速度：60℃／分、1130℃×20分、冷却速度：60℃／分の条件で焼結を施し、焼結体とした。焼結後、大気中にて 180℃、60分の焼戻し処理を施した。
かくして得られた焼結体の密度および引張強さについて調べた結果を、表１に併記する。
なお、焼結体の密度はJIS Z 2501、引張強さはJIS Z 2550に従い測定した。

同表に示したとおり、本発明に従い、潤滑剤として極圧添加剤を10質量％以上80質量％以下含有するものを用いた場合には、潤滑剤の添加量が0.5 質量％以下という少ない量で、引張強さが810 MPa 以上の高強度焼結体を得ることができた。

表２に示す量のMo，Niを予合金化した合金溶鋼を溶製し、水アトマイズ法で粉体とした後、仕上還元処理を施して、予合金鋼粉とした。ついで、これらの予合金鋼粉に、表２に示す量のNi粉、Cu粉、黒鉛粉を混合し、さらに得られた鉄基混合粉：100 質量部に対し、潤滑剤として、極圧添加剤（ジブチルジチオカルバミン酸モリブデン）：25質量％を含有し、残部は実質的にステアリン酸亜鉛からなる潤滑剤：0.4 質量部をＶ型ブレンダで添加混合した。
得られた鉄基粉末混合物を、実施例１と同様にして成形、焼結して得た焼結体の密度および引張強さについて調べた結果を、表２に併記する。

同表から明らかなように、Mo，Niの予合金化率およびNi粉、Cu粉および黒鉛粉の混合割合が本発明の好適範囲を満足する鉄基粉末混合物を用いた場合にはいずれも、焼結体密度が 7.08 Mg/m以上、引張強さが 840 MPa以上という高強度焼結体を得ることができた。
これに対し、No.1, 5, 9, 14, 18の比較例はそれぞれ、合金鋼粉中のMo、Ni量、Ni粉量、Cu粉量、黒鉛粉量が少なく、強度向上の効果が小さいため、高強度焼結体が得られていない。
また、No.4, 8 はそれぞれ、Mo, Ni量が多すぎ、鋼粉粒子が硬化するため、焼結体密度が著しく低下し、高強度が得られていない。No.13 は、Ni粉量が多すぎ、残留オーステナイトが著しく多くなるため、高強度が得らていない。No.17 は、Cu粉量が多すぎるため、高強度が得られていない。

Claims

NiおよびMoを予合金化した合金鋼粉に、Ni粉、Cu粉および黒鉛粉を混合した鉄基混合粉：100 質量部に対し、極圧添加剤としてオレフィンポリサルファイド、ジペンジルジサルファイド、ジブチルジチオカルバミン酸モリブデンおよびジ−２−エチルヘキシルホスホロジチオエートモリブデン塩のうちから選んだ少なくとも１種を10〜80質量％の範囲で含有する潤滑剤が0.05〜0.5 質量部の割合で添加され、前記合金鋼粉におけるNiおよびMoの予合金化率が、Ni：0.5〜３質量％、Mo：0.7 超〜４質量％、また前記鉄基混合物におけるNi粉、Cu粉および黒鉛粉の混合割合が、Ni粉：0.5〜５質量％、Cu粉：0.5〜３質量％、黒鉛粉：0.2〜1.0質量％であることを特徴とする高強度焼結部品用の鉄基粉末混合物。