JP5613049B2 - 鉄基複合粉末 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金用鉄基複合粉末と、それらから焼結粉末冶金部材を製造するための方法とに関する。より具体的には、本発明は、これらの複合体を用いることによって、ニッケルを含有する焼結部材、及び、銅と一緒にニッケルを含有する焼結済み構成部品を製造することに関する。

粉末冶金分野において、銅及びニッケルは、長きに亘り、高強度の焼結部材を製造するときの合金元素として用いられてきた。
焼結鉄基部材は、合金元素を鉄基粉末と混合することによって製造され得る。しかし、このことは、粉塵、及び焼結部材の寸法及び機械特性の変動を生じる恐れのある偏析の問題を引き起こすことがある。粉末冶金で用いられるニッケル粉に関する限りでは、ニッケル粉塵は有害であり、作業環境問題を生じるので、「掃粉(dusting)」が存在しないことは、最も重要である。偏析を回避するために、合金化元素は、鉄粉と予合金化されるか、又は拡散合金化されることがある。１つの方法において、ニッケル及び銅を含有する鉄基粉末組成物から焼結部材を製造するため、鉄粉は、銅及びニッケルと拡散合金化される。
特許文献１は、モリブデンで予合金化され、６〜１５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と、モリブデンで予合金化され、４．５〜８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と、モリブデンで予合金化された鉄の粒子から事実上成る鉄基粉末Ｃとを含む粉末冶金用複合粉末に関する。
特許文献２は、基地形成粉末と硬質相形成粉末を含む粉末混合物を圧粉成形する耐摩耗性部材の製造方法に関する。前記基地形成粉末は、最大粒径４６μｍの粉末をその９０質量％以上含み、前記硬質相形成粉末の前記粉末混合物の４０〜７０質量％である。前記二種の粉末の混合物は、圧粉成形され焼結される。前記硬質相形成粉末は、Ｍｏ：２０〜６０質量％、Ｃｒ：３〜１２質量％、Ｓｉ：１〜１２質量％、並びに残部がＣｏおよび不可避不純物からなっていてもよい。前記基地形成粉末は、１９から２０ページに記載の様に粉体ＡからＥのうちの１つを用いて得られる。
米国特許出願公開第２００１／００２８８５９号明細書は、室温および温間成形温度において、優れた流動性を有し、さらには成形時の抜出力低減が可能な成形性が改善された粉末冶金用鉄基粉末混合物を提供する。この鉄基粉末混合物は、鉄基粉末と潤滑剤と合金用粉末を含む。

しかし、銅及びニッケルが拡散合金化されている粉末から焼結鉄基部材を製造する場合、該焼結鉄基部材中の合金元素の含有量は、用いられた拡散合金化粉末中の合金元素の含有量と実質的に同一になること、及び、焼結部材中の異なる合金元素の含有量を実現して、異なる特性を生じさせるためには、異なる含有量の合金元素を含有する鉄基粉末を用いなければならないことは自明である。

国際公開第２００６／０８３２０６号 英国特許出願公開第２４３１１６６号明細書 米国特許出願公開第２００１／００２８８５９号明細書

１つの課題は、とりわけ、合金元素（例えば、ニッケル、又は銅と組み合わされたニッケル由来の合金元素）を含有する焼結鉄基部材の各々の異なる化学組成については、特定の粉末が必要であるということである。もう１つの課題は、ニッケル、又は銅成分と組み合わされたニッケル由来の、合金化元素を含有し、純鉄粉と複合された上記焼結鉄基部材の適切な機械特性を確保することである。

本発明の１つの目的は、とりわけ、従来技術の持つ上記技術的課題を解決することである。ニッケルを含有する拡散合金化された粉末が、本質的に純粋な鉄粉と組み合わされて用いられる場合と、ニッケルと合金化された鉄基粉末が、表面に拡散により接合された銅を含有する鉄粉、及び本質的に純粋な鉄粉と組み合わされて用いられる場合との両方において、鉄粉に拡散により接合されるニッケルの含有量が、
− 圧縮成形された部材と焼結された部材との間の寸法変化、
− 焼結された部材の機械特性、
− 拡散により接合されたニッケルを含有する粉末の圧縮性、及び
− 鉄粉に対するニッケルの接合の程度、
のような特性を得るために最も重要であることが、意外にも見出だされた。

多量の接合されたニッケル粒子と組み合わされた、鉄、ニッケル及び炭素を含有する部材について、十分な硬度、引張強度及び降伏強度、並びに十分に小さく且つ安定な寸法変化とを得るためには、ニッケルを含有する拡散合金化粉末の表面に拡散合金化されたニッケルの量は、４〜７重量％の間、好ましくは４．５〜６重量％の間であることが望ましいことが見出だされた。
更に本発明は、ニッケル、又は銅と組み合わされたニッケル由来の合金元素を含有する焼結鉄基部材の各々の所望の化学組成を得るために特定の粉末を作る必要性が排除される方法を提供する。本発明はまた、鉄粉、銅と拡散により合金化された鉄粉、及び、ニッケルと拡散合金化された鉄粉の複合物であって、合金元素の偏析が最小限に抑えられ、従って、前記複合物から作製される構成部品の機械特性の変動が最小限に抑えられる複合物をもたらすという利点を提供する。

要するに、本発明は、実質的に純粋な鉄粉と混合されたニッケルと合金化された鉄基粉末の粉末冶金用複合粉末に関する。ニッケルと合金化された鉄基粉末は、ニッケルと拡散合金化されている鉄のコア粒子を含有する。加えて、粉末冶金用粉末は、追加的に銅と拡散合金化された純鉄粉粒子を更に含有することができる。本発明はまた、ニッケルと拡散合金化されている鉄のコア粒子を含有する鉄基粉末に関する。

本発明はまた、本質的に純粋な鉄粉末を、表面に拡散接合されたニッケルを有する鉄粉と複合させる工程、又は、本質的に純粋な鉄粉末を、表面に拡散接合されたニッケルを有する該鉄粉、及び表面に拡散接合された銅を有する鉄粉と結合させる工程と；所定量の鉄基粉末を混合する工程、場合によっては、前記配合物を黒鉛及び／又は任意的に他の添加剤と混合する工程と；前記混合物を圧縮成形する工程と；得られた未焼結体を焼結して、無視できる合金元素の変動及び機械特性の変動を有する焼結体にする工程と；を含む方法にも関する。

具体的には、本発明による鉄基粉末冶金用複合粉末は、例えば、
− 鉄のコア粒子から本質的になる鉄基粉末であって、ニッケル４〜７重量％、好ましくは４．５〜６重量％が、それらコア粒子に拡散合金化されている、鉄基粉末Ａ、及び
− 純鉄粒子から本質的になる鉄基粉末Ｂ、
を含んでなるか、又は本質的にそれらからなる。
前記鉄基粉末Ｂが純鉄粒子から本質的になるということ、若しくは本質的に純粋な鉄粒子からなるということ、又は、前記鉄基粉末Ａがニッケルと拡散合金化された鉄のコア粒子から本質的になるということは、該粒子の総量が、定義された粒子、及び極微量の他の成分のみを含有することを意味する。ここに、「極微量の」とは、他の成分が意図的には添加されていないということを表す。

とりわけ、本質的に純粋な鉄粉は、他の如何なる金属とも予合金化されていない。
任意的に、粉末冶金用複合粉末は、鉄のコア粒子に拡散合金化されている銅を含有する該コア粒子から本質的になる鉄基粉末Ｃを含有することができる。「本質的に〜からなる(essentially consisting of)」は、粉末Ｃに関しても粉末Ａ及びＢに関するのと同一の定義を有する。
適切な粉末は、スウェーデン国、ホガナス社(Hoganas AB)から入手できる、鉄粉に拡散合金化された銅を約１０重量％含有するディスタロイＣｕ及びディスタロイＡＣｕ、又は、スウェーデン国、ホガナス社から入手できる、鉄粉に拡散によって合金化された銅を約２５重量％含有するディスタロイＭＨであってもよい。
不純物としての他の元素、例えば、粉末Ａ、Ｂ及びＣのベース粉末に予合金化されているニッケル、銅、クロム、ケイ素、リン及びマンガンが存在することがある。

本発明による複合粉末から焼結部材を製造するために、粉末Ａ及びＢ、又は粉末Ａ、Ｂ及びＣの各々の量が決定されて、十分な機械特性を得るために必要な量の黒鉛と混合され、得られた混合物は、圧縮成形及び焼結の前に他の添加剤と混合されることがある。複合粉末に混合される黒鉛の量は、最大で１％であり、好ましくは０．２〜０．８％である。
他の添加剤は、潤滑剤、結合剤、他の合金元素、硬質相材料、機械加工性改良剤からなる群から選ばれることがある。

粉末Ａ、Ｂ及びＣの間の関係は、好ましくは、銅含有量が焼結部材の０〜４重量％、好ましくは０．５〜３重量％となり、ニッケル含有量が焼結部材の０．５〜６重量％、好ましくは１〜５重量％となるように選ばれる。
それら粉末は、最終的に所望の炭素含有量が得られるように、黒鉛と混合される。粉末配合物は、４００〜１０００ＭＰａの間の圧縮圧力で圧縮成形され、得られた未焼結体は、不活性雰囲気中、１１００〜１３００℃で１０〜６０分間焼結される。焼結体は、例えば、熱処理、表面高密度化、機械加工のような更なる後処理にかけられることがある。

本発明によると、様々な量のニッケル、又は銅及びニッケルを含有する焼結部材を製造することができる。このことは、２種類（Ａ及びＢ）又は３種類（Ａ及びＢ及びＣ）の異なる粉末の配合物を用いることによって達成され、この配合物は実際の焼結部材に必要な化学組成を有する粉末を得るために、様々な割合で混合される。

この実施例は、鉄粉の表面に拡散接合されたニッケルの様々な含有量の影響を実証する。
鉄粉の表面に拡散接合された様々な含有量のニッケルを含有する複数種類の鉄基粉末は、表１に従い、ニッケル粉〔英国のインコ・ヨーロッパ社(the company INCO Europe Ltd)からのＩＮＣＯ１２３〕をそれぞれ、２重量％、４重量％、６重量％、１０重量％、１５重量％及び２０重量％、鉄粉〔スウェーデン国、ホガナス社からのＡＳＣ１００．２９〕と混合することによって作製された。次いで、混合された粉末は、それら粉末を、解離アンモニアの雰囲気（水素２５％、窒素７５％）の中で６０分間８４０℃でアニーリングすることによって、拡散接合処理された。得られた材料は更に粉砕されて篩にかけられ、２１２μｍ未満の粒度を有する粉末が得られた。

金属組織及び機械特性
上記で作製された粉末は、表１に基づいて、ＡＳＣ１００．２９（試料２−２及び４−４を除く）、ドイツ国、クロップミール社(Kropfmuhl AG)からの黒鉛ＵＦ４、及び、潤滑剤としての、ドイツ国、クラリエント(Clariant)からのアミドワックスと更に混合され、ニッケル２重量％又は４重量％、黒鉛０．８％、及びアミドワックス０．８％を含有する粉末冶金用組成物が得られた。比較のため、混合されたニッケル粉を２重量％又は４重量％、黒鉛を０．８％、及びアミドワックスを０．８％含有する粉末冶金用組成物が作製された（試料２−０及び４−０）。
ＩＳＯ ２７４０に従って、それら組成物を６００ＭＰａでプレスして、引張り試験試料にした。それら試料を、窒素９０％／水素１０％の雰囲気中で１１２０℃で３０分間更に焼結した。

得られた焼結済み試料は、ＥＮ １０００２−１に従って引張り強度及び降伏強度について試験が行われ、ＩＳＯ ４４９８に従って硬度について試験が行われ、ＩＳＯ ４４９２に従って寸法変化について試験が行われた。
光学顕微鏡法によって、金属組織学的試験を行った。表２は、金属組織学的試験による結果を示し、表３は、機械的検査による結果を示す。

表２中に表わされる結果は、ニッケル粉が鉄粉と混合される場合、マトリックス中のニッケルの分布は不均一となり、より望ましくない金属組織が得られることを示す。これらの望ましくない組織は、例えば、大きな領域の粗いパーライト、又は大きな領域のオーステナイト及び粗いパーライトを含む（試料２−０及び４−０）。一方、１０重量％以上のニッケルが、鉄粉に拡散接合される（拡散により合金化される）場合、試料は、大きな領域の粗いパーライト、大きなオーステナイト領域、及び大きなオーステナイト領域と粗いパーライトとの組み合わせ、等の同様により好ましくない金属組織を含有する。この様な組織は機械特性（とりわけ、疲労強度）に悪影響を有する。６重量％のニッケルが鉄粉に拡散接合される場合、より微細なもの及びより粗いもの双方のパーライト領域を含有する金属組織が得られる。

表３は、ニッケル粉が鉄粉に混合される場合、寸法変化は、ニッケル粉が鉄粉に拡散接合される場合に比べて実質的により高いことを示す。更に、引張り強度及び降伏強度は、鉄粉に拡散接合されたニッケルの量（１０重量％は容認できないものと見なされるであろう。）が増大することによって悪影響を受ける。

圧縮率の測定
鉄粉の表面に拡散接合されたニッケルを２重量％、４重量％、６重量％、１０重量％、１５重量％及び２０重量％含有する、得られた拡散接合粉末に、更に圧縮率についての試験を行った。それら試料を、ＩＳＯ３９２７に従って、潤滑された金型工具(lubricated tool die)を用いて、６００ＭＰａで圧縮して、圧粉密度測定用試料を得た。表４は、圧粉密度測定の結果を示す。

表４からの結果は、１０重量％以上のニッケル粉が鉄粉に拡散接合される場合、容認できないほどの圧縮率に及ぼす悪影響が得られることを示す。

接合の度合いの測定
ＩＳＯ１３３２０−１に従い、レーザー回折法（インストルメント・シンパテック(instrument Sympatec)）によって、鉄粉の表面に拡散接合されたニッケルを２重量％、４重量％、６重量％、１０重量％、１５重量％及び２０重量％含有する、拡散接合された粉末についてそれぞれ８．８μｍ及び１８μｍより小さい粒子の量を測定した。表５は、接合の度合いの測定結果を示す。

拡散接合された粉末の製造に用いられた鉄粉の実質的に全ての粒子は、８．８μｍより大きく、鉄粉の粒子の約０．６重量％のみが１８μｍより小さいので、８．８μｍより小さい粒子の量、及び１８μｍより小さい粒子の０．６重量％の他の粒子の量は、実質的にニッケル粒子であり、接合されなかったニッケル粉の量を推定することができる。表５は、ニッケル粉が、結果として得られる拡散接合された粉末の、６重量％より実質的に大きい場合、該ニッケル粉の約１０％超が、結合されていないニッケルとして存在しており、更に、１０μｍより小さい、より微細な呼吸性粉塵(respirable dust)としても存在するであろうということを示す。

この実施例は、拡散接合されたニッケルを含有する粉末が、拡散接合された銅を含有する鉄粉及び黒鉛と組み合わされる場合における、鉄粉の表面に拡散接合されたニッケル粉の量が、焼結部材の機械特性に及ぼす影響を示す。
実施例１に従って、様々なニッケル含有量の鉄基粉末すなわち、鉄粉の表面に拡散接合されたニッケル粉をそれぞれ、５重量％、６重量％、１０重量％、１５重量％及び２０重量％含有する鉄ベース粉末を製造した。

得られた、ニッケルを含有する拡散接合された粉末は、銅を含有する、拡散接合された鉄粉ディスタロイ(Distaloy)ＡＣｕ（スウェーデン国、ホガナス社(hoganas AB)から入手可能であり、コア鉄粉に拡散により接合された銅１０％を含有する）、黒鉛、及びアミドワックス０．８％と実施例１に記述されるように更に混合された。表６は、得られた組成物を示す。
実施例１に従って、試料を作り、試験を行った。次の表７は、結果を示す。

表７に表わす結果は、銅が混合されると、より高い引張り強度、降伏強度、及び硬度が得られること、並びに、機械特性は、鉄粉に拡散接合されるニッケルの量（１０重量％は容認できないものと考えられるであろう。）を増大させることによって悪影響を受けることを示す。

Claims (26)

1. 粉末冶金用複合粉末において、
   − 本質的に純粋な鉄のコア粒子からなる鉄基粉末であって、該鉄基粉末Ａ１００重量％に基づきニッケル４〜７重量％が、該コア粒子に拡散合金化されている該鉄基粉末Ａ、及び
   − 純鉄、及び極微量の他の成分の粒子からなる粉末Ｂ、
   を含んでなる、上記粉末冶金用複合粉末。
2. 前記鉄基粉末Ａ１００重量％に基づき、ニッケル４．５〜６重量％が、前記コア粒子に拡散合金化されている、請求項１に記載の粉末冶金用複合粉末。
3. 銅が拡散合金化されている鉄のコア粒子からなる鉄基粉末Ｃを更に含有する、請求項１〜２のいずれか１項に記載の粉末冶金用複合粉末。
4. 前記コア粒子に拡散合金化されている前記銅は、前記鉄基粉末Ｃの５〜３０重量％を構成する、請求項３に記載の粉末冶金用複合粉末。
5. 前記コア粒子に拡散合金化されている前記銅が、前記鉄基粉末Ｃの５〜１５重量％を構成する、請求項４に記載の粉末冶金用複合粉末。
6. 前記粉末冶金用複合粉末中の銅の量は、０〜４重量％の範囲内である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粉末冶金用複合粉末。
7. 前記粉末冶金用複合粉末中の銅の量は、０．５〜３重量％の範囲内である、請求項６に記載の粉末冶金用複合粉末。
8. 前記粉末冶金用複合粉末中のニッケルの量は、０．５〜６重量％の範囲内である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の粉末冶金用複合粉末。
9. 前記粉末冶金用複合粉末中のニッケルの量は、１〜５重量％の範囲内である、請求項８に記載の粉末冶金用複合粉末。
10. 黒鉛を更に含有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の粉末冶金用複合粉末。
11. 黒鉛を１重量％以下含有する、請求項１０に記載の粉末冶金用複合粉末。
12. 黒鉛を０．２〜０．８重量％含有する、請求項１１に記載の粉末冶金用複合粉末。
13. 潤滑剤、結合剤、硬質相材料、機械加工性改良剤からなる群から選ばれる添加剤を更に含有する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の粉末冶金用複合粉末。
14. 本質的に純粋な鉄のコア粒子を含有する、拡散合金化された鉄基粉末において、
    該鉄基粉末Ａ１００重量％に基づきニッケル４〜７重量％が、該コア粒子に拡散合金化されている、上記鉄基粉末。
15. 前記鉄基粉末Ａ１００重量％に基づき、ニッケル４．５〜６重量％が、該コア粒子に拡散合金化されている、請求項１４に記載の拡散合金化された鉄基粉末。
16. 粉末冶金用複合粉末の製造方法において、
    − 鉄基粉末Ａであって、本質的に純粋な鉄のコア粒子であって該鉄基粉末Ａ１００重量％に基づきニッケル４〜７重量％が拡散合金化されている該コア粒子を含有す上記鉄基粉末Ａを混合する工程、及び
    − 純鉄の粒子から実質的に成る粉末Ｂを該鉄基粉末Ａと混合して該粉末冶金用複合粉末を形成する工程、
    を含む、上記製造方法。
17. 前記鉄のコア粒子に、前記鉄基粉末Ａ１００重量％に基づきニッケルが４．５〜６重量％拡散合金化されている請求項１６に記載の製造方法。
18. − 銅が拡散合金化されている鉄のコア粒子を含有する鉄基粉末Ｃを前記粉末冶金用複合粉末に混合する工程を更に含む、請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記粉末冶金用複合粉末の中の銅の量は、０．５〜４重量％の範囲内である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記粉末冶金用複合粉末の中の銅の量は、０．５〜３重量％の範囲内である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記粉末冶金用複合粉末の中のニッケルの量は、０．５〜６重量％の範囲内である、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記粉末冶金用複合粉末の中のニッケルの量は、１〜５重量％の範囲内である、請求項２１に記載の方法。
23. 黒鉛を前記粉末冶金用複合粉末に混合する工程を更に含む、請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 潤滑剤、結合剤、他の合金元素、硬質相材料、機械加工性改良剤からなる群から選ばれた添加剤を前記粉末冶金用複合粉末に混合する工程を更に含む、請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の方法により得られた粉末冶金用複合粉末を圧縮成形して圧縮成形体を形成する工程を含む、圧縮成形体の製造方法。
26. 請求項２５に記載の方法により得られた圧縮成形体を焼結する工程を含む、焼結体の製造方法。