JP4902280B2 - 粉末鍛造部材、粉末鍛造用混合粉末および粉末鍛造部材の製造方法ならびにそれを用いた破断分割型コンロッド - Google Patents
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Description
まず、本発明に係る粉末鍛造部材の構成、すなわち、成分組成、組織、密度、および焼結プリフォーム中のフリーCu割合の限定理由を説明する。
Cは地鉄の強度を確保するために必須の元素であり、従来はC含有量を増加することで、地鉄組織中のフェライトを減少させパーライトを増加させることによって地鉄の硬さおよび強度を上昇させていた。これに対し、本発明では、地鉄の硬さの上昇を抑制するためにC含有量は従来とは逆に減少させ、0.4%以下とする。ただし、C含有量を少なくしすぎるとCuの含有量を増加しても地鉄の強度が十分に確保できなくなるため0.2%以上とする。よって、C含有量は0.2〜0.4%とする。
Cuは、焼結、鍛造のための加熱時に地鉄組織のフェライト相中に固溶して固溶強化の作用をなし、また、冷却時に一部析出して地鉄の強度を向上させる元素であり、従来品ではFe−C系の共析温度付近でのフェライト相中への固溶限2%程度で用いられる例がほとんどであった。いっぽう、オーステナイト相中へのCuの固溶限は約8%であり、従来品より加熱温度を高めることおよび/または加熱時間を延長することで地鉄中に3%以上のCuを固溶させることも十分可能である。本発明は、このオーステナイト相中へ従来品より多量のCuを固溶させ、冷却過程で生成するフェライト相の固溶強化を図るものである。Cu含有量は、3.0%未満では十分に目的とする固溶強化の効果を発揮できず、他方5.0%を超えるとフリーCuが残存しやすくなり、フリーCu割合を10%以下に制限するには焼結時間の延長など加熱時間を長くする必要があるため、生産性が低下する。よって、Cu含有量は3〜5%とする。好ましくは3〜4%である。
Mnは、地鉄の脱酸作用を有するとともに、焼入れ性を高めて地鉄の強度を向上させるのに有用な元素である。しかしながら、Mnは酸素との親和性が高く、粉末製造過程あるいは予備成形品の焼結過程で雰囲気中の酸素と反応し酸化物を作りやすく、Mnの含有量が0.5%を超えると、Mn酸化物の還元が難しくなり、Mn酸化物による密度の低下や強度の低下等粉末鍛造部材の品質特性の劣化が顕著になる。よって、Mn含有量は0.5%以下(0を含まない)とする。好ましくは0.4%以下(0を含まない)である。
本発明に係る粉末鍛造部材は、不可避的不純物としてP、S、Si、O、Nその他の元素を含むものであってもよい。
上記のように、フェライト相の固溶強化のため、従来の2倍近いCuを含有させることから、地鉄中に未溶解のCu(すなわち、フリーCu)が残存しやすいため、鍛造時に熱間脆性により鍛造割れが発生したり、ひどい場合は成形焼結工程から鍛造工程へのハンドリング中に焼結プリフォームが破損したりするおそれが高まる。このため、本発明では、鍛造開始時における焼結プリフォーム中のフリーCu割合を10%以下とする。ここで、フリーCu割合とは、添加したCu全量のうち、地鉄中に未溶解のCuの割合をいい、以下の方法で定量を行うことができる。すなわち、被測定部材である焼結プリフォームの断面をペーパおよびバフで研磨した後ピクリン酸で腐食し、工学顕微鏡を用いて400倍で0.2mm×0.3mmの範囲を3ヶ所写真撮影し、画像処理にて銅色の部分の合計面積を測定する。いっぽう、同様の方法により基準材の銅色の部分の合計面積を測定しておく。なお、基準材としては、上記被測定部材と成分配合、形状および成形圧力が同一の条件で成形した成形物を、Cuが地鉄中に実質的に固溶しない1000℃、20minの条件で焼結した物を使用する。そして、フリーCu割合は、フリーCu割合(%)=[被測定部材のCu色の部分の合計面積]/[基準材のCu色の部分の合計面積]×100の式を用いて算出すればよい。
粉末鍛造部材中のフェライト率は、40%未満では靭性が不足し、破断分割後の自己整合性が十分に得られず、他方90%を超えると靭性が高くなりすぎて伸びが大きくなるため、破断分割時に変形して寸法精度が悪化する。よって、粉末鍛造部材中のフェライト率は40〜90%とする。
粉末鍛造部材の密度は、理論密度に対する相対密度が97%未満になると疲労強度の低下度合いが大きくなる。よって、粉末鍛造部材の理論密度に対する相対密度は97%以上とするのが好ましい。相対密度を97%以上とすることで、粉末鍛造部材の硬さがHRC33以下、片振り引張疲労限度が325MPa以上となり、被削性を確保しつつ疲労強度に優れた粉末鍛造部材が得られる。
粉末鍛造部材の被削性を改善することを目的として、予備成形時に(すなわち、粉末鍛造用混合粉末に)被削性改善材を添加してもよい。被削性改善剤としては、例えばMnS、MoS2、B2O3、またはBNの粉末を用いることができ、これらを単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。被削性改善材の添加量は、その合計量で0.05%未満では被削性改善効果が十分に得られず、他方0.6%を超えると鉄材の占有面積が低下することおよび疲労亀裂の起点となる非金属が増加することにより疲労強度が大きく低下する傾向を示す。よって、被削性改善材の添加量は合計量で0.05〜0.6%とするのが好ましい。
次に、粉末鍛造混合粉末(以下、単に「混合粉末」ともいう。)の成分組成の限定理由を説明する。
混合粉末のC含有量は、最終的に得られる粉末鍛造部材のC含有量が0.2〜0.4%となるように、混合粉末中の酸素量および焼結時の雰囲気ガスの種類を考慮して調整する必要がある。つまり、焼結過程においてN2ガス等不活性ガス雰囲気を用いた場合は混合粉末中の酸素および雰囲気ガス中の不純物酸素によってCが酸化消費され、焼結プリフォーム(すなわち、粉末鍛造部材)は混合粉末よりC含有量が低くなるため、混合粉末のC含有量は粉末鍛造部材のC含有量より高めの0.2%超、0.5%以下に調整する。一方、RXガス等カーボンポテンシャルの高い雰囲気ガスを用いた場合は、通常、混合粉末中の酸素によるCの酸化消費量以上に雰囲気ガスによる浸炭が進み、焼結プリフォーム(すなわち、粉末鍛造部材)は混合粉末よりC含有量が高くなるため、混合粉末のC含有量は粉末鍛造部材のC含有量より低めの0.1%以上、0.4%未満に調整する。よって、混合粉末のC含有量は、0.1〜0.5%の範囲で、混合粉末の酸素含有量および焼結雰囲気ガスの種類に応じてC含有量の変化を予測して設定すればよい。
混合粉末中の酸素含有量が高くなると消費されるC量のバラツキも大きくなり、粉末鍛造部材のC含有量を目標の0.2〜0.4%にすることが困難となるため混合粉末の酸素含有量は0.3%以下とする。
Cu、Mn、被削性改善材は、Cのように焼結時に消費されたり生成したりしないので、混合粉末中のこれら各成分の含有量は、粉末鍛造部材中のこれら各成分の含有量と同じとする(厳密には、焼結時におけるC量の増減により、これら各成分の含有量の値はごくわずか変化するが、無視しうる範囲である。)。
次に、上記構成を満足する粉末鍛造部材を製造する方法について説明する。
表1に示す成分組成の純鉄粉鉄基粉末に焼結後のC含有量が0.3%、Cu含有量が4%となるように黒鉛粉と銅粉を添加し、さらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を0.75%添加し30min混合して混合粉を作製し、これを成形面圧6ton/cm2で予備成形して成形プリフォームを作製した。
上記実施例1と同じ表1に示す成分組成の純鉄粉鉄基粉末に、鍛造後のC含有量が0.1〜0.6%、Cu含有量が2〜5%となるように黒鉛粉と銅粉の添加量を種々変更して添加して混合粉末を作製し、この混合粉末を上記実施例1と同様の条件にて予備成形して、成形プリフォームを作成した。そして、この成形プリフォームを、N2ガス雰囲気下にて600℃で10分脱蝋後、N2ガス雰囲気下1120℃で30分焼結を行って焼結プリフォームを作製した。その後、この焼結プリフォームをN2ガス雰囲気下1050℃で30分加熱後10ton/cm2の鍛造圧力にて鍛造し、上記実施例1と同様のコンロッドの形状を模擬した粉末鍛造部材の試験片を作製した。そして、この試験片について、上記実施例1と同様の条件にて引張の疲労試験を行うとともに、機械加工後の表面のHRC硬さを測定した。
つぎに、上記実施例2の試験片No.218と同じ成分組成(C:0.3%、Cu:3.5%)で、鍛造圧力のみを2.5〜10ton/cm2の範囲で種々変更し、その他の条件は上記実施例2と同じ条件で粉末鍛造部材の試験片を作製し、疲労限度に及ぼす粉末鍛造部材の相対密度の影響を調査した。なお、疲労限度の測定に併せて試験片のHRB硬さも測定した。試験結果を表4に示す。
つぎに、上記実施例3と同じく、実施例2の試験片No.218と同じ成分組成(C:0.3%、Cu:3.5%)で、種々の被削性改善剤をその添加量を変更して添加し、その他の条件は上記実施例2と同じ条件で粉末鍛造部材の試験片を作製し、被削性に及ぼす影響を調査した。被削性は、直径5mmのSKHドリルを用い200rpmの回転数、0.12mm/revの切削速度で試験片の表面から穴明けをした際におけるスラスト力を測定し、これを被削性の指標として用いた。表5に測定結果を示す。
つぎに、酸素含有量の異なる鉄基粉末を用いて混合粉末の酸素含有量を変化させて、上記実施形態1と同様の条件にて粉末鍛造部材の試験片を作製した。なお、鍛造後のC含有量は0.3%、Cu含有量は4%に目標を設定し、C含有量の調整は、黒鉛粉の添加量を0.3%+(鉄基粉末の酸素含有量%−0.05%)×3/4とすることにより行った。そして、この試験片について、C含有量と疲労限度を測定し、これらに及ぼす混合粉末の酸素含有量の影響を調査した。
つぎに、C含有量の異なる鉄基粉末を用い、黒鉛粉の添加量を調整することにより同じ成分組成の混合粉末を作製し、上記実施形態1と同様の条件にて成形プリフォームと粉末鍛造部材の試験片を作製した。なお、鍛造後のC含有量は0.3%、Cu含有量は4%に目標を設定した。そして、成形プリフォームおよび粉末鍛造部材の密度と、粉末鍛造部材の疲労限度を測定した。
Claims (11)
- 混合粉末を予備成形した後に焼結して形成された焼結プリフォームを高温下で鍛造してなる粉末鍛造部材であって、鍛造開始時における焼結プリフォーム中のフリーCu割合が10%以下であるとともに、鍛造後の成分組成が、質量%で、C:0.2〜0.4%、Cu:3〜5%、Mn:0.5%以下(0を含まない)、残部鉄および不可避的不純物よりなり、かつ、フェライト率が40〜90%であることを特徴とする被削性および疲労強度に優れた粉末鍛造部材。
- 理論密度に対する相対密度が97%以上である請求項1に記載の被削性および疲労強度に優れた粉末鍛造部材。
- 硬さがHRC33以下、片振り引張疲労限度が325MPa以上である請求項2に記載の被削性および疲労強度に優れた粉末鍛造部材。
- MnS、MoS2、B2O3およびBNからなる群より選ばれた少なくとも1種の被削性改善材が、合計量で0.05〜0.6質量%含まれる請求項1〜3のいずれか1項に記載の被削性および疲労強度に優れた粉末鍛造部材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の粉末鍛造部材を用いて製造されたことを特徴とする破断分割型コンロッド。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の粉末鍛造部材の原料として用いられる混合粉末であって、潤滑剤を除いた部分の成分組成が、質量%で、C:0.1〜0.5%、Cu:3〜5%、Mn:0.4%以下(0を含まない)、O:0.3%以下、残部鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする粉末鍛造用混合粉末。
- 請求項4に記載の粉末鍛造部材の原料として用いられる混合粉末であって、潤滑剤を除いた部分の成分組成が、質量%で、C:0.1〜0.5%、Cu:3〜5%、Mn:0.4%以下(0を含まない)、O:0.3%以下を含み、さらに、MnS、MoS2、B2O3およびBNからなる群より選ばれた少なくとも1種の被削性改善材を、合計量で0.05〜0.6質量%含み、残部鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする粉末鍛造用混合粉末。
- 質量%で、C:0.05%未満、O:0.3%以下、残部鉄および不可避的不純物よりなる鉄基粉末に、黒鉛粉と、銅粉と、潤滑剤とを添加してなる請求項6に記載の粉末鍛造用混合粉末。
- 質量%で、C:0.05%未満、O:0.3%以下、残部鉄および不可避的不純物よりなる鉄基粉末に、黒鉛粉と、銅粉と、MnS、MoS2、B2O3およびBNからなる群より選ばれた少なくとも1種の被削性改善材と、潤滑剤とを添加してなる請求項7に記載の粉末鍛造用混合粉末。
- 請求項6または8に記載の粉末鍛造用混合粉末を予備成形した後に焼結して焼結プリフォームを形成する成形焼結工程と、この焼結プリフォームを高温下で鍛造して粉末鍛造部材を形成する鍛造工程とを備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の被削性および疲労強度に優れた粉末鍛造部材の製造方法。
- 請求項7または9に記載の粉末鍛造用混合粉末を予備成形した後に焼結して焼結プリフォームを形成する成形焼結工程と、この焼結プリフォームを高温下で鍛造して粉末鍛造部材を形成する鍛造工程とを備えたことを特徴とする請求項4に記載の被削性および疲労強度に優れた粉末鍛造部材の製造方法。
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