JP6197718B2 - 鉄系粉末混合物、同鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体、及び同鉄系焼結体から得られる鉄系部品 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系粉末混合物、同鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体、及び同鉄系焼結体から得られる鉄系部品に関する。

例えばコンロッド、バルブシート及びギヤ（歯車）等の自動車部品において、鉄系焼結体を加工して得られる部品が広く使用されている。かかる鉄系焼結体は、鉄系粉末を成型して焼結する粉末冶金法によって得られる。

一方、昨今の地球環境保護意識の高まりを受け、自動車部品に限らず、種々の産業機械分野において、部品の軽量化を目的とする薄肉化が求められている。所望の疲労強度及び／又は機械強度を維持しながら薄肉化を達成するためには、部品を構成する材料の疲労試験後の破断強度及び／又はヤング率の向上が図られるのが一般的である。

焼結体の疲労試験後の破断強度を向上させようとする場合、焼結体の密度、断面空孔数及び最大空孔径を制御することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。一方、焼結体のヤング率を向上させようとする場合、高いヤング率を有する材料（高ヤング率材料）を鉄系粉末に配合することが知られている。しかしながら、高ヤング率材料は一般的に高い硬度を有する。そのため、高ヤング率材料を鉄系粉末に配合すると、同鉄系粉末から得られる鉄系焼結体の被削性が悪化する虞がある。

特開平１０−３１７０９０号公報

前述したように、当該技術分野においては、鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体の疲労試験後の破断強度及び／又はヤング率を向上させるための種々の技術が提案されている。しかしながら、塑性加工によって鉄系焼結体から得られる鉄系部品のヤング率を被削性の悪化を伴わずに向上させることができる技術は未だ確立されていない。

そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、鉄系焼結体の平均断面空孔数及び密度を特定の範囲に収めることにより、同鉄系焼結体のみならず、同鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品においても、被削性の悪化を招く高ヤング率材料を配合すること無くヤング率を向上させることができることを見出した。更に、本発明者は、特定の粒度分布を有する鉄系粉末混合物を焼結することにより、上記「特定の範囲の平均断面空孔数及び密度を有する鉄系焼結体」を得ることができることを見出した。

かかる点に鑑み、本発明に係る鉄系粉末混合物は、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１質量％以上且つ３５質量％以下含有する鉄系粉末混合物である。このような粒度分布を有する鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体は、従来技術に係る同様の鉄系焼結体と比較して、より高いヤング率を有する。更に、このような鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品は、従来技術に係る同様の鉄系部品と比較して、より高いヤング率を有する。即ち、本発明に係る鉄系粉末混合物は、同鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体及び同鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品のヤング率を、被削性の悪化を伴わずに向上させることができる。

更に、本発明に係る鉄系焼結体は、鉄系粉末を焼結することによって得られる鉄系焼結体であって、２０００個／ｍｍ^２以上且つ６０００個／ｍｍ^２以下の平均断面空孔数を有し、７．４ｇ／ｃｍ^３未満の密度を有する、鉄系焼結体である。このような鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品は、従来技術に係る同様の鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品と比較して、より高いヤング率を有する。即ち、本発明に係る鉄系焼結体によれば、鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品のヤング率を、被削性の悪化を伴わずに向上させることができる。

加えて、本発明に係る鉄系部品は、本発明に係る鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品である。上述したように、本発明に係る鉄系部品は、被削性の悪化を伴わずに高いヤング率を達成することができる。

（ａ）は従来技術に係る鉄系粉末混合物から得られた焼結体の断面の光学顕微鏡写真であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態（第１形態）に係る鉄系粉末混合物から得られた焼結体の断面の光学顕微鏡写真である。 図１に示されている焼結体（ａ）及び（ｂ）において粉末の間に形成される空孔を表す模式図である。 図１に示されている焼結体（ａ）及び（ｂ）のヤング率を表す棒グラフである。 鍛造前の焼結体における平均断面空孔数と鍛造後の密度との関係を表す模式的なグラフである。 超微粉の含有率に対する焼結体のヤング率の変化を表す模式的なグラフである。 鉄系粉末混合物における超微粉以外の鉄系粉末の粒度分布によって超微粉の配合によるヤング率の向上効果の大きさが異なることを示す模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態（第２形態）に係る鉄系粉末混合物の粒径分布を示す模式的なグラフである。

前述したように、本発明によれば、鉄系焼結体の平均断面空孔数及び密度を特定の範囲に収めることにより、同鉄系焼結体のみならず、同鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品においても、被削性の悪化を伴わずにヤング率を向上させることができる。更に、このような特定の範囲の平均断面空孔数及び密度を有する鉄系焼結体は、特定の粒度分布を有する鉄系粉末混合物を焼結することによって得ることができる。本発明を実施するための幾つかの形態につき、以下に詳しく説明する。

先ず、本発明の第１の実施形態（以降、「第１形態」と称される場合がある）に係る鉄系粉末混合物は、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１質量％以上且つ３５質量％以下含有する鉄系粉末混合物である。

上記鉄系粉末混合物を構成する鉄系粉末は、鉄を主成分とする粉末である限り、特に限定されない。このような鉄系粉末の具体例としては、例えば、所謂「炭素鋼」の粉末を挙げることができる。更に、上記鉄系粉末混合物を構成する鉄系粉末は、鉄以外の金属を少量含有してもよい。より具体的には、上記鉄系粉末混合物を構成する鉄系粉末は、例えば、０．８％の炭素を含有する鉄系粉末及び０．８％の炭素及び２％の銅を含有する鉄系粉末であってもよい。加えて、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末もまた、鉄を主成分とする粉末である限り、特に限定されない。このような粒径を有する鉄系粉末の具体例としては、例えば、所謂「カルボニル鉄粉」を挙げることができる。尚、本明細書において、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末は、以降「超微粉」と称される場合がある。

上記のように、第１形態に係る鉄系粉末混合物は、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末（超微粉）を１質量％以上且つ３５質量％以下（所定量）含有する。詳しくは後述するように、このように所定量の超微粉を含有する第１形態に係る鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体は、所定量の超微粉を含有しない従来技術に係る鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体と比較して、同じ密度であっても、より高いヤング率を有する。更に、第１形態に係る鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品は、従来技術に係る同様の鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品と比較して、より高いヤング率を有する。

超微粉の含有率が１質量％未満であると、超微粉の配合によるヤング率の向上効果が不十分となるので望ましくない。一方、超微粉の含有率が３５質量％を超えると、超微粉の配合により、結果として得られる鉄系焼結体の内部に形成される空孔の大きさが増大し、且つ同空孔の数が減少する。その結果、同鉄系焼結体及び／又は同鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品のヤング率が却って低下するので望ましくない。

即ち、第１形態に係る鉄系粉末混合物によれば、高ヤング率材料を配合すること無く（即ち、被削性の悪化を招くこと無く）、鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体のヤング率を向上させることができる。加えて、第１形態に係る鉄系粉末混合物によれば、高ヤング率材料を配合すること無く（即ち、被削性の悪化を招くこと無く）、鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品のヤング率を向上させることができる。

ここで、上記につき、添付図面を参照しながら更に詳しく説明する。図１の（ａ）は従来技術に係る鉄系粉末混合物から得られた焼結体の断面の光学顕微鏡写真であり、図１の（ｂ）は第１形態に係る鉄系粉末混合物から得られた焼結体の断面の光学顕微鏡写真である。より具体的には、図１の（ａ）に示されている焼結体に対応する従来技術に係る鉄系粉末混合物は、０．８％の炭素及び２％の銅を含有する鉄系粉末を含んでなる混合物である。一方、図１の（ｂ）に示されている焼結体に対応する第１形態に係る鉄系粉末混合物は、上記従来技術に係る鉄系粉末混合物と同様の鉄系粉末混合物に、超微粉（１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末）を所定量（混合物全体に対して１質量％以上且つ３５質量％）配合してなる混合物である。従来技術に係る焼結体（ａ）及び第１形態に対応する焼結体（ｂ）は何れも、それぞれに対応する鉄系粉末混合物を８ｔ／ｃｍ^２の圧力下で成形し、１１５０℃の温度において焼結させることによって製造した。

図１の顕微鏡写真における黒い部分は焼結体の断面に存在する空孔を表している。図１からも明らかであるように、第１形態に対応する焼結体（ｂ）は、従来技術に係る焼結体（ａ）と比較して、同じ密度であるものの、断面における空孔が小さく且つその数が多い。具体的には、本例においては、何れの焼結体も密度は７．１１ｇ／ｃｍ^３であるものの、焼結体（ａ）における平均断面空孔数は１８１５個／ｍｍ^２であるのに対し、焼結体（ｂ）における平均断面空孔数は３８４６個／ｍｍ^２であった。尚、本明細書において、平均断面空孔数とは、７×１０ｍｍの面積の焼結体の断面を１５視野、光学顕微鏡を用いて観察した際に認められる空孔の１ｍｍ^２当たりの平均数を指す。

上記のように、所定量の超微粉を含有する第１形態に係る鉄系粉末混合物から得られた焼結体（ｂ）は、従来技術に係る焼結体（ａ）と比較して、同じ密度であるものの、断面における空孔が小さく且つその数が多い。これは、図２に示されているように、従来技術に係る焼結体（ａ）においては鉄系粉末の間に比較的大きい空孔が存在するのに対し、第１形態に対応する焼結体（ｂ）においては、このような比較的大きい空孔が超微粉によって分断され、より小さい空孔がより多く形成されるためであると考えられる。

上記のように、より小さい空孔がより多く形成された第１形態に対応する焼結体（ｂ）は、従来技術に係る焼結体（ａ）と比較して、同じ密度であっても、より高いヤング率を有する。図３は、図１に示されている焼結体（ａ）及び（ｂ）のヤング率を表す棒グラフである。図３に示されているように、焼結体（ａ）及び（ｂ）は同じ密度を有するにも拘わらず、より小さい空孔がより多く形成された第１形態に対応する焼結体（ｂ）は、従来技術に係る焼結体（ａ）より高いヤング率を呈する。

更に、第１形態に対応する焼結体（ｂ）を塑性加工することによって得られる鉄系部品は、従来技術に係る焼結体（ａ）を塑性加工することによって得られる鉄系部品と比較して、より高いヤング率を有する。図４は、鍛造前の焼結体における平均断面空孔数と鍛造後の密度との関係を表す模式的なグラフである。この例においては、種々の平均断面空孔数を有する鉄系焼結体を、７ｔ／ｃｍ^２の面圧下、１１５０℃における鍛造処理に付した。図４に示されているように、鍛造前の密度が同じであっても、鍛造前の焼結体における平均断面空孔数が多くなるほど、鍛造後の密度もより高くなる。同じ密度であるにも拘わらず鍛造前の焼結体における平均断面空孔数が多いということは、上述したように、個々の空孔が小さいことを意味する。従って、図４に示されている鍛造前の焼結体における平均断面空孔数と鍛造後の密度関係との関係は、個々の空孔が小さいほど、例えば鍛造等の塑性加工に付された際に空孔が潰れ易いことを表していると考えられる。

一般に、上記のような焼結体を塑性加工することによって得られる部品のヤング率は、その密度が高いほど高い傾向がある。即ち、塑性加工前の焼結体の内部に形成された空孔が小さく、塑性加工時に潰れ易いほど、塑性加工後の部品のヤング率が大きくなる傾向がある。即ち、塑性加工前の焼結体の平均断面空孔数が多いほど、塑性加工後の部品のヤング率が大きくなる傾向がある。

ところで、以上説明してきたような超微粉の配合によるヤング率の向上効果は、前述したように、超微粉の含有率によって変化する。例えば、図５には、超微粉の含有率に対する焼結体のヤング率の変化を表す模式的なグラフが示されている。上述した第１形態に係る鉄系粉末混合物における超微粉（１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末）の好ましい含有率の範囲（１質量％以上且つ３５質量％以下）は、図５のグラフにおける範囲（Ｐ）に該当する。本発明者は、種々の圧力（８ｔ／ｃｍ^２及び９ｔ／ｃｍ^２）及び温度（１１５０℃及び１２５０℃）にて成形及び焼結された焼結体について検討した結果、この超微粉の好ましい含有率の範囲（Ｐ）の中でも範囲（Ｑ）においては、より高いヤング率が達成されることを見出した。

即ち、図５のグラフにおける範囲（Ｑ）は、第１形態に係る鉄系粉末混合物における超微粉の含有率のより好ましい範囲であると言うことができる。従って、第１形態の１つの変形例は、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１０質量％以上且つ２７質量％以下含有する鉄系粉末混合物である。これにより、当該変形例に係る鉄系粉末混合物によれば、被削性の悪化を招くこと無く、鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体のヤング率を更に向上させることができる。加えて、当該変形例に係る鉄系粉末混合物によれば、被削性の悪化を招くこと無く、鉄系粉末混合物から得られる鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品のヤング率を更に向上させることができる。

ところで、本発明者は、所定量の超微粉の配合によるヤング率の向上効果の大きさが、鉄系粉末混合物を構成する超微粉以外の鉄系粉末の粒度分布によって異なることを見出した。このことを、図６を参照しながら詳しく説明する。図６は、鉄系粉末混合物における超微粉以外の鉄系粉末の粒度分布によって超微粉の配合によるヤング率の向上効果の大きさが異なることを示す模式的なグラフである。図６の右側に示されているように、２０μｍを超え且つ４５μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末（微粉）のみに所定量の超微粉を配合しても焼結体のヤング率の向上効果は小さい。しかしながら、図６の左側に示されているように、微粉から粗粉（１５０μｍを超え且つ２１０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末）までの種々の粒径を有する鉄系粉末を所定の比率にて配合した鉄系粉末混合物に所定量の超微粉を配合すると、著しく大きいヤング率の向上効果を得ることができる。

そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、特定の粒度分布（配合比）を有する鉄系粉末混合物において、所定量の超微粉の配合によるヤング率の向上効果をより大きくすることができることを見出した。具体的には、鉄系粉末混合物において、所定量（１質量％以上且つ３５質量％以下、より好ましくは１０質量％以上且つ２７質量％以下）の超微粉（１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末）以外の鉄系粉末が特定の粒度分布となるように配合されている場合に、より大きいヤング率の向上効果を得ることができる。

即ち、本発明の第２の実施形態（以降、「第２形態」と称される場合がある）に係る鉄系粉末混合物は、１μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１質量％以上且つ３５質量％以下含有する鉄系粉末混合物であって、
２０μｍを超え且つ４５μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１７質量％以上且つ２６質量％以下、
４５μｍを超え且つ７５μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１８質量％以上且つ２７質量％以下、
７５μｍを超え且つ１０６μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１３質量％以上且つ２０質量％以下、
１０６μｍを超え且つ１５０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１２質量％以上且つ１９質量％以下、及び
１５０μｍを超え且つ２１０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を４質量％以上且つ６質量％以下、
含有する鉄系粉末混合物である。

図７は、本発明の第２の実施形態（第２形態）に係る鉄系粉末混合物の粒径分布を示す模式的なグラフである。図７によって示されている粒度分布の範囲に入るように各種鉄系粉末成分を配合することにより、当該鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体のヤング率を大幅に向上させることができる。更に、このようにヤング率が大幅に向上された鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品のヤング率もまた大幅に向上させることができる。

ところで、前述したように、そもそも本発明は、鉄系焼結体の平均断面空孔数及び密度を特定の範囲に収めることにより、同鉄系焼結体のみならず、同鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品においても、被削性の悪化を伴わずにヤング率を向上させることができることを本発明者が見出したことに端を発する。具体的には、このような鉄系焼結体の平均断面空孔数は、２０００個／ｍｍ^２以上且つ６０００個／ｍｍ^２以下であることが好ましい。更に、このような鉄系焼結体の密度は、７．４ｇ／ｃｍ^３未満であることが好ましい。

即ち、本発明の第３の実施形態（以降、「第３形態」と称される場合がある）に係る鉄系焼結体は、
鉄系粉末を焼結することによって得られる鉄系焼結体であって、
２０００個／ｍｍ^２以上且つ６０００個／ｍｍ^２以下の平均断面空孔数を有し、
７．４ｇ／ｃｍ^３未満の密度を有する、
鉄系焼結体である。

上記のように、第３形態に係る鉄系焼結体は、鉄系粉末を焼結することによって得られる。鉄系粉末の焼結条件は、例えば、鉄系粉末の性状及び目的とする鉄系焼結体の性状等に応じて、適宜定めることができる。具体的には、第３形態に係る鉄系焼結体は、例えば、８ｔ／ｃｍ^２乃至９ｔ／ｃｍ^２の圧力下にて鉄系粉末を成形し、１１５０℃乃至１２５０℃の温度において焼結させることによって製造することができる。このようにして得られる第３形態に係る鉄系焼結体は、２０００個／ｍｍ^２以上且つ６０００個／ｍｍ^２以下の平均断面空孔数を有する。これにより、同鉄系焼結体は、被削性の悪化を招くこと無く、高いヤング率を達成する（図１及び図３を参照）。更に、同鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品においても、高いヤング率を達成することができる。

加えて、前述したように、鉄系焼結体を塑性加工することによって鉄系部品を得る際には、塑性加工前の鉄系焼結体における平均断面空孔数が多くなるほど、塑性加工後の鉄系部品の密度もより高くなる（図４を参照）。従って、例えば軽量化等の観点からは、塑性加工前の鉄系焼結体における密度は低い方が望ましい。そのため、第３形態に係る鉄系焼結体の密度は、７．４ｇ／ｃｍ^３未満であることが好ましい。

ところで、前述したように、上記のような鉄系焼結体は、前述のような本発明に係る鉄系粉末混合物を焼結させることによって得ることができる。

そこで、本発明の第４の実施形態（以降、「第４形態」と称される場合がある）に係る鉄系焼結体は、
前記第１形態又は第２形態に係る鉄系粉末混合物を焼結することによって得られる鉄系焼結体であって、
２０００個／ｍｍ^２以上且つ６０００個／ｍｍ^２以下の平均断面空孔数を有し、
７．４ｇ／ｃｍ^３未満の密度を有する、
鉄系焼結体である。

更に、上述のような本発明に係る鉄系焼結体は、前述したように、塑性加工によって鉄系部品とすることができる。

従って、本発明の第５の実施形態（以降、「第５形態」と称される場合がある）に係る鉄系部品は、
前記第３形態又は第４形態に係る鉄系焼結体を塑性加工することによって得られる鉄系部品である。

上記において、塑性加工とは、当業者に周知であるように、例えば鍛造及び転造等、加工対象となる材料に大きな力を加えて塑性変形させることにより、同材料を目的とする形状とする加工方法である。即ち、上記塑性加工は、鉄系焼結体の塑性変形を伴う加工方法である限り特に限定されず、鍛造及び転造以外の種々の加工方法を包含する概念である。このような加工方法により、本発明に係る鉄系焼結体の内部に形成された小さい空孔が加工時の塑性変形に伴って潰れることにより、高い密度及びヤング率を有する鉄系部品を製造することができる。このような鉄系部品の具体例としては、例えばコンロッド、バルブシート及びギヤ（歯車）等の自動車部品を挙げることができる。しかしながら、上記鉄系部品は、鉄系焼結体の塑性加工によって製造することが可能である限り特に限定されず、上述した自動車部品以外の種々の鉄系部品を包含する概念である。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び変形例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び変形例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。

Claims (2)

1. １μｍ以上且つ２０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１質量％以上且つ３５質量％以下、
   ２０μｍを超え且つ４５μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１７質量％以上且つ２６質量％以下、
   ４５μｍを超え且つ７５μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１８質量％以上且つ２７質量％以下、
   ７５μｍを超え且つ１０６μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１３質量％以上且つ２０質量％以下、
   １０６μｍを超え且つ１５０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を１２質量％以上且つ１９質量％以下、及び
   １５０μｍを超え且つ２１０μｍ以下の粒径を有する鉄系粉末を４質量％以上且つ６質量％以下、
   含有する鉄系粉末混合物。
2. 請求項１に記載の鉄系粉末混合物からなる鉄系焼結体を鍛造することによって得られる鉄系部品。