JP5108531B2 - 鉄基複合粉末 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金用複合粉末、および、該粉末冶金用複合粉末から、粉末冶金による焼結部材を製造する方法に関するものである。具体的に云えば、本発明は、粉末冶金用複合粉末を用いた、銅、ニッケルおよびモリブデンを含む焼結部材の製造に関するものである。

粉末冶金分野では、高強度焼結部材の製造に、銅、ニッケルおよびモリブデンが長期間に亘って合金元素として使用されてきた。

鉄基焼結部材は、合金元素を純鉄粉末と混合することによって作ることができる。しかし、これは、焼結部材の寸法と機械的性質に変動をもたらすことのある偏在とダスト発生について問題を生じ得る。偏在を回避するために、合金元素は、鉄粉と予合金化または拡散合金化することができる。或る方法では、モリブデンが鉄粉と予合金化され、次いで、この予合金化された鉄粉は、モリブデン、ニッケルおよび銅を含む鉄基粉末組成物から焼結部材を製造するために、銅およびニッケルと拡散合金化される。

しかしながら、モリブデンが予合金化され、かつ、銅とニッケルが拡散合金化された粉末から鉄基焼結部材を製造する際、鉄基焼結部材の合金元素量が、拡散合金化された使用粉末中の合金元素量と事実上等しいであろうことは明らかである。異なる特性を生じる、焼結部材中の合金元素の異なる量に到達するためには、異なる量の合金元素を含む鉄基粉末を使用しなければならない。

本発明は、モリブデン、銅およびニッケルから選択される合金元素を含む鉄基焼結部材の所望の各化学組成のために特別な粉末を製造する必要性を排除する方法を提供する。また、本発明は、寸法変化と引っ張り強度を予定値に制御するための方法を提供するものである。特定の実施例では、寸法変化は炭素量および密度とは無関係である。

簡単に云えば、本発明は、三種類の異なる鉄基粉末から成る粉末冶金用複合粉末に関するものである。これらの鉄基粉末のうちの第一種は、モリブデンで予合金化された鉄心粒子からなり、これは追加的に、銅と拡散合金化される。そして、第二の鉄基粉末は、ニッケルと拡散合金化されるモリブデンで予合金化された鉄心粒子から成る。第三の鉄基粉末は事実上、モリブデンで予合金化された鉄の粒子から成る。

本発明はまた、二種類の拡散合金化された鉄基粉末に関する。

本発明による方法は、これら三種類の鉄基粉末を予定量で組合せ、この複合粉末を黒鉛と混合し、得られた混合物を圧密化し、得られた圧粉体を焼結する工程から成る。

本発明の別の特徴は、予定強度と、焼結中の予定寸法変化とを有する焼結部材の製造方法である。

本発明による粉末冶金用複合粉末は、以下のものを含む、
モリブデンで予合金化され、６〜１５重量％（好適には、８〜１２重量％）の銅が拡散合金化された鉄心粒子から事実上成る鉄基粉末Ａ、
モリブデンで予合金化され、４．５〜８重量％（好適には、５〜７重量％）のニッケルが拡散合金化された鉄心粒子から事実上成る鉄基粉末Ｂ、および
モリブデンで予合金化された鉄心粒子から事実上成る鉄基粉末Ｃ。

鉄基粉末Ａ、Ｂ、Ｃにおける鉄心粒子中の予合金化されたモリブデンの量は、それぞれ、０．３〜２重量％（好適には、０．５〜１．５重量％）で変化してよい。一実施形態では、全ての三種類の粉末中の鉄心粒子は、同一量のモリブデンと予合金化される。２％を超えるＭｏ量では、コスト増を正当化する強度向上がない。０．３％未満のＭｏ量は、顕著な強度向上効果がない。

鉄心粒子に拡散合金化される銅およびニッケル量は、上限が、銅：１５％、ニッケル：１２％である。鉄心粒子に拡散合金化される銅およびニッケルの下限は、本発明の利点を得るために、焼結部材に要求される量よりも事実上高くすべきである。従って、実際上の理由から、モリブデンで予合金化された鉄心粒子から事実上成り、かつ、鉄心粒子に拡散合金化された少なくとも６％の銅を含む鉄基粉末と、モリブデンで予合金化された鉄心粒子を含み、かつ、鉄心粒子に拡散合金化された少なくとも４．５％のニッケルを含む鉄基粉末は、特に興味深い。

粉末Ａ，ＢおよびＣは、それぞれ、モリブデンで予合金化された鉄粒子から事実上成るが、不可避的不純物以外のその他の元素を鉄粒子に予合金化してもよい。かかる元素は、ニッケル、銅、クロムおよびマンガンであってよい。

本発明による鉄基複合粉末から焼結部材を製造するために、粉末Ａ、Ｂ、Ｃの各量が決定され、かつ、予定強度のために要求される量の黒鉛と混合される。得られた混合物は、圧密化と焼結の前に、他の添加物と混合することができる。鉄基複合粉末に混合される黒鉛の量は、最大１％（好適には、０．３〜０．７％）である。

他の添加物は、潤滑剤、バインダー、その他の合金元素、硬質相材料、切削性向上剤から成る群から選択される。

鉄基複合粉末の一実施形態によれば、粉末Ｃは、事実上、ＣｕおよびＮｉを含まない。

粉末Ａ，ＢおよびＣ間の関係は、好適には、銅量が、焼結部材の０．２〜２重量％、ニッケル量が０．１〜４重量％であり、かつ、モリブデン量が０．３〜２重量％（好適には、０．５〜１．５重量％）になるように選択される。

一実施形態では、銅量は０．２〜２％（好適には、０．４〜０．８％）であり、ニッケル量は０．１〜４％である。この特定の実施形態では、焼結中の寸法変化は、炭素量および焼結密度と無関係であることが判った。

予定された寸法変化と強度を有する焼結部材を製造するために、焼結部材の、銅、ニッケルおよび炭素の量は、それぞれ、図表（例えば、図１〜図４）によって決定される。その際、粉末Ａ，ＢおよびＣの要求量は、それぞれ、当業者によって決定され得る。

粉末は、最終の所望炭素量を得るために、黒鉛と混合される。鉄基複合粉末は、４００〜１０００ＭＰａの圧密化圧力で圧密化され、得られた圧粉体が、保護雰囲気中で、１０〜６０分、１１００〜１３００℃の焼結処理が施される。焼結体には、熱処理、表面緻密化、機械加工等の、追加の後処理を施すことができる。

図１〜図４の例示グラフは、圧密化圧力：６００ＭＰａ、窒素９０％および水素１０％の雰囲気中での３０分、１１２０℃の焼結に有効である。

本発明によれば、各種量のモリブデン、銅およびニッケルを含む焼結部材が製造可能である。このことは、三種類の異なる鉄基複合粉末を用いて達成される。これらの粉末は、実際の焼結部材のために要求される化学組成を有する粉末を得るために、異なる割合で混合される。

要約すれば、本発明の特別な利点は、焼結の間の寸法変化および焼結部材の強度を制御できるということである。寸法変化を制御できるという利点は、既存加圧工具の使用を容易にするだろう。焼結部品を製造する時、炭素量と密度の或る一定の分散は不可避であろう。密度および炭素量とは無関係の寸法変化を有する鉄基複合粉末を用いることによって、焼結後の寸法分散は減り、その後の機械加工および機械加工コストを低減化できる。

以下、本発明の非限定的実施例について説明する。

例１
この例は、約６００ＭＰａの所望の強度と、三つのレベルの寸法変化（−０．１％、０．０％および＋０．１％）を有する合金化組成物を選択する仕方を示す。これは、表１による鉄基複合粉末において、二つの炭素レベル、０．５％Ｃと、０．３％Ｃについて夫々成された。この場合、低炭素量は表２に見られ得るように、より良い延性を生じる。

本発明による粉末組合せ体は、０．８５％のモリブデンで予合金化された鉄基粉末の表面に拡散合金化された１０％の銅を含む粉末Ａ、０．８５％のモリブデンで予合金化された鉄基粉末の表面に拡散合金化された５％のニッケルを含む粉末Ｂ、および、０．８５％のモリブデンで予合金化された鉄基粉末Ｃとから調製された。

鉄基複合粉末は、それぞれ、０．３％と０．５％の焼結材炭素量を生じさせるために、潤滑剤としての０．８％のアミドワックス（ａｍｉｄｅ ｗａｘ）および黒鉛と混合された。得られた混合物は、圧密化され、ＩＳＯ２７４０による引っ張り試験試料を得た。

圧密化圧力は６００ＭＰａ、焼結条件は、１１２０℃、３０分、９０％Ｎ_２／１０％Ｎ_２であった。表２に、本発明による鉄基複合粉末からの他の機械的性質が示されている。本発明による鉄基複合粉末が図３に従った予定の寸法変化を有することが明らかに認められる。

例２
この例は、０．６％Ｃｕと２％Ｎｉを含む本発明による鉄基複合粉末と、表３に示されるような炭素量と焼結密度とは無関係な寸法変化を有する特定の実施例を例証する。これらの組鉄基複合粉末で得られた結果は、Ｄｉｓｔａｌｏｙ ＡＢ（ＨｏｇａｎａｓＡＢ，Ｓｗｅｄｅｎから入手し得る）で得られた結果、および本発明による鉄基複合粉末と同じ化学的組成を有する粉末で得られた結果と比べられるが、その場合、モリブデンで予合金化された鉄基粉末は、表面に拡散合金化されたニッケルと銅の両者を含む。これは、表３に「固定組成」として表示されている。

本発明による鉄基複合粉末は、０．８５％のモリブデンで予合金化された鉄基粉末の表面に拡散合金化された１０％の銅を含む粉末Ａと、０．８５％のモリブデンで予合金化された鉄基粉末の表面に拡散合金化された５％のニッケルを含む粉末Ｂと、０．８５％のモリブデンで予合金化された鉄基粉末から成る粉末Ｃとで調製された。

表３は、０．６％の銅と、２％のニッケルと、０．８３％のモリブデンの全含量を含む、粉末Ａ，粉末Ｂおよび粉末Ｃの混合物が、既知粉末であるＤｉｓｔａｌｏｙＡＢ、および、予合金化された０．８３％のモリブデンと、鉄基粉末の表面に拡散合金化された０．６％の銅および２％のニッケルを含む鉄基粉末と比較された特定例を示す。表３に開示されている如く、本発明による鉄基複合粉末で作られた焼結試料の寸法変化は、既知粉末であるＤｉｓｔａｌｏｙＡＢ、または、銅およびニッケルの両者と拡散合金化された鉄基粉末と比べると、炭素量および密度とは、事実上無関係である。

鉄基複合粉末は、表３による焼結炭素量を得るために、潤滑剤としての０．８％アミドワックスおよび黒鉛と混合された。得られた混合物は、表３による異なる圧密化圧力で、ＩＳＯ２７４０に従って引っ張り試験試料として圧密化された。引っ張り試験試料は、９０％窒素と１０％水素の雰囲気中で３０分、１１２０℃の焼結が施された。表４には、別の機械的性質が示されている。

予め定められた強度と寸法変化に関して、粉末冶金用複合粉末中の銅およびニッケル量を決定するためのグラフ。 予め定められた強度と寸法変化に関して、粉末冶金用複合粉末中の銅およびニッケル量を決定するためのグラフ。 予め定められた強度と寸法変化に関して、粉末冶金用複合粉末中の銅およびニッケル量を決定するためのグラフ。 予め定められた強度と寸法変化に関して、粉末冶金用複合粉末中の銅およびニッケル量を決定するためのグラフ。

Claims (8)

1. ０．３〜２質量％のモリブデン、０．６〜１．６質量％の銅、０．４〜２．３質量％のニッケル、残部が鉄及び不可避不純物である粉末冶金用鉄基複合粉末において、該粉末冶金用鉄基複合粉末が、
   ０．３〜２質量％のモリブデンで予合金化された鉄心粒子に６〜１５重量％の銅が拡散合金化された鉄基粉末Ａと、
   ０．３〜２質量％のモリブデンで予合金化された鉄心粒子に４．５〜８重量％のニッケルが拡散合金化された鉄基粉末Ｂと、
   ０．３〜２質量％のモリブデンで予合金化された、銅およびニッケルを含まない鉄の粒子から成る鉄基粉末Ｃと
   からなる粉末冶金用鉄基複合粉末。
2. 粉末Ａ中の銅量が８〜１２重量％である請求項１に記載された粉末冶金用鉄基複合粉末。
3. 粉末Ｂ中のニッケル量が５〜７重量％である請求項１または請求項２に記載された粉末冶金用鉄基複合粉末。
4. 粉末Ａ，ＢまたはＣの各々におけるモリブデン量が同一である請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された粉末冶金用鉄基複合粉末。
5. 最大１重量％の黒鉛を更に含む請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された粉末冶金用鉄基複合粉末。
6. 潤滑剤、バインダー、硬質相材料、切削性向上剤から成る群から選択された他の添加物を含む請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された鉄基複合粉末。
7. 請求項１から請求項４までのいずれか１項または請求項６に記載された粉末冶金用鉄基複合粉末を最大１重量％の黒鉛と混合する段階と、
   圧縮体を成形するために前記混合物を圧密化する段階と、
   前記圧縮体を焼結する段階とによって、
   ０．３〜２重量％のモリブデン、０．６〜１．６質量％の銅、０．４〜２．３質量％のニッケル、残部が鉄及び不可避不純物である鉄基焼結部材を製造する方法。
8. ０．３〜２質量％のモリブデン、０．６〜１．６質量％の銅、０．４〜２．３質量％のニッケル、残部が鉄及び不可避不純物であり、予定強度と、焼結の間における予定寸法変化とを有する焼結部材を製造する方法において、
   予定の強度と寸法変化を得るために必要とされる、焼結部材中の銅、ニッケル、モリブデンおよび炭素の必要量を決定する段階と、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された粉末冶金用鉄基複合粉末中の粉末Ａ，ＢおよびＣのそれぞれの量を決定する段階と、
   決定された量の粉末Ａ，ＢおよびＣを、最大１重量％の黒鉛およびその他の任意添加物と混合する段階と、
   粉末圧縮体を形成するために前記で得た混合物を圧縮する段階と、
   前記粉末圧縮体を焼結する段階とを含む焼結部材の製造方法。

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