JPH01255603A - 焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉末冶金用鉄基混合粉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 焼結機械部品などの原料としての粉末冶金用鉄基混合粉
に関し、とくに焼結後の被削性と機械的性質の有利な改
善を図ることについての開発研究の成果を提案して、粉
末冶金の属する技術の分野における活用を目指すもので
ある。

自動車、精密機械および家庭用電気器具などにおける使
用の度合いが近年来著しく増進しつつある焼結機械部品
は元来、切削加工を省略し得るところに特徴をそなえて
いたが、形状が複雑な場合や、高い寸法精度が要求され
る場合などにも適用されるに至って、焼結後に穴あけ、
孔操りのほか、周面や端面の切削、その他溝切りなどの
切削加工が必要とされる。

ところで焼結鋼材は、溶製鋼材とは違って内部に残存す
る空孔のため上記のような加工の際、断続切削になるこ
とに加えて、空孔が保温の役目を果して熱伝導を阻みそ
の結果切削工具の刃先温度が高くなることなどから、切
削工具の寿命が短縮されがちであり、被削性の改善が要
望される所以であり、ここに焼結鋼材の機械的性質との
両立がのぞまれるのは、いうまでもない。

（従来の技術） 焼結鋼材の被削性を改善する方法としては、快削成分と
して古くから知られているｓ、ｐｂ。

ＳｅおよびＴｅをはじめ、それらの化合物たとえばＴ　
ａ　Ｓ　ｚ　、　Ｔ　ａ　Ｓ　ｅ　ｚ　　、　Ｔ　ｉ　
Ｓ　ｅ　ｚおよびＭ　ｏ　Ｓ　ｅ　ｚなどを添加する（
特開昭４８−８０４０９号公報）　、Ｂａ５Ｏ，。

ＢａＳを添加する（特公昭４６−３９５６４号公報）、
ＣａＳまたはＣａ５Ｏ，を添加する（特公昭５２−１６
６８４号公報）ことなどがすでに開示されている。

（発明が解決しようとする課題） 快削成分のうちＳは焼結鋼材に適用しようとすると焼結
の際雰囲気中の水素と化合して硫化水素を発生するため
、焼結炉の炉内れんがや発熱体を損傷させるだけでなく
、焼結体の寸法が膨張気味になり、しかも機械的強度の
低下が著しいので好ましくない。

また同じ＜ｐｂは、融点が３３０　’Ｃと低いだけでな
く、鉄中に全く固溶しないので焼結鋼材中に均一に分散
させることが困難な上、環境上、公害の問題もあるので
、これもまた好ましくない。

次にＳｅやＴａＳｅｚなどもＳと同様、焼結中にセレン
化水素を発生させて、炉内れんがや発熱体の損傷を招く
不利がある。

次にＢａＳ、ＣａＳは吸湿性があり、またＢａＳＯ４や
Ｃａ　Ｓ　Ｏｓを用いても焼結中にＢａＳやＣａＳに変
化して吸湿性を帯びるため、焼結鋼が錆易いという欠点
を招く不利がある。

上記のような問題を有利に解決して、焼結機械部品の機
械的性質を損うことなしに被削性を有利に改善し、あわ
せて焼結中における炉内れんがや発熱体の損傷のほか焼
結製品の錆発生の原因となることのない、粉末冶金用鉄
基混合粉を提案することがこの発明の目的である。

（課題を解決するための手段） さて発明者らは、上述した従来の問題を解決するため、
硫化物以外の種々の添加物について検討したところ、上
記の目的の達成のためには、添加物としてＭｇＯ−３ｉ
Ｏ，系複合酸化物で、しかもＭｇＯとＳｉｎｇとのモル
比が一定の範囲内にあり、かつ一定の粒度範囲内にある
ものが特に有効であることの知見を得た。この知見に基
き、上記の目的は、次の事項を骨子とする構成によって
有利に成就される。

モル比でＭｇＯ／Ｓｉｇｈ　（７）値が１．０〜３．０
の範囲のＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物よりなる平均粒
径３〜２０μｍの粉末を、鉄系原料粉末中に０．１〜１
．５　ｗｔ％の割合いで配合した組成に成ることを特徴
とする、焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉末冶
金用鉄基混合粉。

モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ□の値が１．０〜３．０の範囲
のＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物よりなる平均粒径３〜
２０μｍの粉末を、混合物全体に対する重量として０．
１〜１．５　ｗｔ％の割合いにて、添加合金成分粉末と
共に、鉄系原料粉の粒子表面へオイル結合剤と潤滑剤と
の混合加熱体を用いて固着して成ることを特徴とする、
焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉末冶金用鉄基
混合粉。

モル比でＭｇ　Ｏ／　Ｓ　ｉ　Ｏｚの値が１．０〜３．
０の範囲のＭｇＯ−３ｉ０２系複合酸化物よりなる平均
粒径３〜２０μｍの粉末と、同じく平均粒径３〜２０μ
ｍのガラス粉末とを、それらの合計量で鉄系原料粉末中
に０．１〜１．５　ｗｔ％の割合いで配合した組成にな
ることを特徴とする、焼結後の被削性と機械的性質に優
れる、粉末冶金用鉄基混合粉。

モル比でＭｇＯ／Ｓｔｏｗの値が１．０〜３．０の範囲
のＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物よりなる平均粒径３〜
２０μｍの粉末と、同じく平均粒径３〜２０μｍのガラ
ス粉末とを、それらの合計量で混合物全体に対する重量
として０．１〜１．５　ｈｔ％の割合いにて、添加合金
成分粉末とともに、鉄系原料粉の粒子表面へオイル結合
剤と潤滑剤との混合加熱体を用いて固着して成ることを
特徴とする、焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉
末冶金用鉄基混合粉。

以上のとおりである。

ところで溶製鋼材における被削性改善には次の３種に分
類される手法が知られている。

（１）ぜい化作用・・・・・・・・・添加成分Ｓ、Ｐ、
Ｎ（２）工具潤滑作用・・・・・・添加成分Ｐｂ、Ｂｉ
（３）工具保護作用・・・・・・添加成分Ｃａ実際には
上掲各成分を単独で使用する場合の他、他の成分と複合
して使用することも多いがこれらの作用のうち、ぜい化
作用による被削性改善法については、焼結鋼材に適用し
たとき焼結鋼材の著しい強度低下をもたらし、とくにＰ
、Ｎは鉄粉粒子を硬化させて変形しにくくするので原料
粉の圧縮性の低下を来す点でも適合しないのは明らがで
ある。

しかるにすでに触れたとおり焼結銅材は溶製鋼材と比較
して熱伝導性が悪いので、切削速度の如何によって異な
るものの切削時の刃先温度は溶製鋼材の場合よりも６０
〜１５０°Ｃ程度高目となることから、被削性改善法と
しては工具潤滑作用さらには工具保護作用を示す添加成
分が好ましい。とは言え、これらの作用を目脂した従来
の添加成分には、さきに述べた不利がありやはり焼結鋼
の場合には適合しない。

そこで発明者らは、焼結時にも焼結雰囲気に対し安定で
、なおかつ鉄粉緒特性や焼結体の機械的性質に悪影響を
及ぼさない被削性改善添加物として種々の成分について
検討した結果、ＭｇＯと、ＳｉＯ□との複合酸化物のう
ち、特定の成分かつ粒度範囲の粉末並びにこれとガラス
粉との混合粉がとくに優れていることを見い出したもの
である。

（作　用） 前述したように焼結鋼材は、溶製鋼材よりも切削時に工
具の刃先温度が６０〜１５０°Ｃ高くなることから切削
工具の短命化を招くが、ＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物
を添加すると、このＭｇＯ−３ｉ０２系複合酸化物がＦ
ｅと反応して、ＭｇＯ−３ｉＯ，−ＦｅＯ系複合酸化物
を生成して比較的低融点となるために切削温度において
溶融し、これが切削時に切削工具表面を保護、潤滑する
と共に、切削工具と焼結鋼とのＣの拡散反応を阻止する
ことによって切削工具の組成変化を防ぐため、切削工具
寿命の延長化が図られるものと推察される。

しかもＭｇＯ−３ｉ０２系複合酸化物は、元来比較的軟
かい（モース硬さ１〜４）のに加え、減摩作用や潤滑作
用に冨むため、鉄粉成形時には潤滑剤としても働き、鉄
粉の圧縮性の低下や焼結時における寸法変化などの悪影
響が少ないという利点もある。

次にＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物のＭｇＯ／５ｉ０２
モル比を１．０〜３．０に限定した理由について説明す
る。

ＭｇＯ／ＳｉＯ□モル比が３．０を超えると、低融点組
成物の量が減少するため、切削性の改善効果が低下する
。実際には、モル比５．０まで切削性改善効果が見られ
るが、この効果を十分に生かすべく、酸化物の添加量を
増すと焼結体の機械的特性が劣化してくる。したがって
、モル比を３．０までと規定すべきである。

一方、ＭｇＯ／ＳｉＯ□モル比が１．０未満では切削性
の改善効果は十分であっても、焼結体の機械的性質を、
酸化物無添加の時と同等に保つことは、酸化物の粒度な
どを選んでも、不可能である。これは、ＭｇＯ／ＳｉＯ
□モル比１．０未満のＭｇＯ／ＳｉＯ□系複合酸化物は
、結晶水を持ちやすく、焼結体の製造時に通常鉄系粉末
に添加混合して用いられる黒鉛が、焼結の昇温過程で、
この結晶水と反応して、部分的に脱炭をおこし、炭素の
部分的なロスやガス発生による空孔の増加などが引起さ
れ結果として、焼結体の機械的強度を劣化させるためと
考えられる。

かくして、ＭｇＯ／ＳｉＯ□のモル比を１．０〜３．０
と規定するが、モル比が２．０のＭｇＯ／ＳｉＯ□系酸
化物はフォルステライトとして知られており、上記のモ
ル比範囲内に適合している。

またかようなＭ　ｇ　Ｏ／　Ｓ　ｉ　Ｏを系複合酸化物
の配合量が０．１　ｗｔ％に満だないと、その添加効果
に乏しく、一方１．５　ｗｔ％を超えると被削性改善効
果は良好ではあるものの、鉄基粉末の圧縮性および焼結
体の機械的性質の劣化を招くので、配合量は０．１〜１
．５　ｗｔ％とする。

一方上記の複合酸化物粉の粒度は、平均粒径が３μｍ未
満であると、鉄系粉末粒子が細かい酸化物粉末で過密に
おおわれ、圧粉体を焼結する時の焼結性が阻害され、焼
結体の強度が劣化する。−方、平均粒径が２０μｍを超
えると、焼結体中に均一微細に分散し難くなるから、切
削性改善効果が減少するし、大きな介在物となるから、
焼結体の疲労強度の面からも好ましくない。したがって
、複合酸化物の粒度は、平均粒径３〜２０μｍとする。

またすでに述べた切削性改善用の酸化物粉末を鉄系粉末
に混合する場合、偏析によって焼結体中に大きな介在物
が残って欠陥となることを防ぐためにはバインダーを用
いた偏析防止処理を施すことが有用である。すなわち、
オイル結合剤と潤滑剤との混合加熱体の利用であり、こ
こにオイル結合剤としては植物油または樹脂酸、たとえ
ば大豆油、米糠油、スピンドル油やオレイン酸の如きを
これらの２種類以上が調合されたものも含め、また潤滑
剤としてはステアリン酸亜鉛などの金属石鹸、ステアリ
ン酸などの高級脂肪酸またはワックス粉末など一般に用
いられる粉末冶金用潤滑剤を指す。　混合加熱体という
のは、潤滑剤とオイル結合剤とが加熱されて、一体化し
たものを指称する。

この混合加熱体により、添加酸化物粉末が鉄粉粒子表面
に良く分散して固着されるから、焼結体中に大きな介在
物となって、疲れ破壊の起点となるなどの弊害が避けら
れ、機械的特性が向上する。

さらに切削性改善用の添加粉末として、すでに述べたＭ
ｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物粉末に加えて、ガラス粉末
を用いて一層の切削性向上効果が得られる。

ここにガラス粉末とは、ソーダ石灰ガラス、はうけい酸
ガラス、鉛ガラスなどの粉末をいう。ソーダ石灰ガラス
、はうけい酸ガラス、鉛ガラスなどのいわゆるガラスも
、種類によって異なるが溶融温度が１３５０〜１８００
°Ｃであり、溶融温度より低い温度で徐々に軟化はじめ
るためにＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物と同様に切削時
にはガラスが切削工具面に付着して、切削工具を保護、
潤滑し、かつ切削工具と焼結鋼との炭素の拡散反応を防
止して切削工具寿命を大幅に向上させるものと思われる
。

このようにＬ４ｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物粉末とガラ
ス粉末とを同時に添加することにより切削工具に付着す
る酸化物液相の種類が多くなって、切削条件の広い範囲
にわたり切削工具の寿命を向上させることができる。

上述したとおり、ＭｇＯ−３ｉＯｚ系複合酸化物とガラ
スとは、作用的に共通する面があるので鉄系原料粉末へ
の適合添加量は、合計量にて０．１〜１．５　ｗｔ％と
する。また、ガラス粉末の粒度も、酸　　　−化物粉末
と同様の理由で３〜２０ｕｌＴｌとする。

以上の快削成分は、何れも焼結の際、熱的に安定なＭｇ
ＯやＳｉｎｇ等の酸化物を主成分としているため、焼結
時に有害なガスを発生することがなく、焼結炉の炉内れ
んがや発熱体あるいは配管類を損傷させることはない。

またこのような併用の場合でも複合酸化物およびガラス
の偏析を、さきに触れたようにしてバインダーによって
防止することが有用である。

（実施例） 実施例１ 重量割合で５７％ＭｇＯ−４３％ＳｉＯ□組成のフオル
ステライト粉末に、さらに試薬のＭｇＯまたはＳｉＯ□
を種々の割合で混合して焼成し、ＭｇＯ／ＳｉＯ□モル
比の影響を調べた。ここに表１に示す組成になる６種（
記号Ａ−Ｆ）のＭｇＯ−３ｉＣｈ系複合酸化物を準備し
た。

表　　１ これらのＭｇＯ−ＳｉＯ２系複合酸化物を粉砕、空気分
級して、平均粒径（マイクロトラック法によるメジアン
径。以下同様）１１〜１５μｍとし、それぞれ、アトマ
イズ鉄粉（−８０メツシユ）に混合粉中で０．５　ｗｔ
％の割合いを占めるように加え、さらに慣例に従い天然
黒鉛粉を０．５　ｗｔ％、電解Ｃｕ扮を２．０　ｗｔ％
の割合いとなるように加えて混合したのち、固体潤滑剤
としてステアリン酸亜鉛を該混合粉に対し１．ＯｗＬ％
の割合いにて混合した。

かような混合粉から、それぞれ圧粉密度６．９ｇ／ｃｍ
３のＪＳＰＭ標準引張試験用の試験片および切削試験用
の内径２０ｍｍ、外径６０ｍｍ、高さ３０ｍｍのリング
試験片を作製し、ついで流量４Ｑ／ｍｉｎの分解アンモ
ニアガス雰囲気中で６００°Ｃ１３０ｍ１ｎ（７）脱ろ
う後、１２５０°Ｃで６０　ｍｉｎの焼結を施した。

また、比較のため、 Ｇ：　上記酸化物のかわりに、タルク粉末（Ｍ　ｇ　０
３１．７％、ＳｉＯ□６１，８％、Ａ２゜Ｏ，’０．２
％、ＣａＯＯ，２％、ＦｅＯＯ，９％；　ＭｇＯ／　Ｓ
　ｉ　Ｏｚモル比０．７６）を平均粒径１２μｍとして
、０．５％加えた場合と、 ＩＪ：　　酸化物を添加しない場合と の試験も行なった。

かくして得られた各焼結体の引張強さならびに、切削工
具の横進面摩耗量および焼結体の表面粗さについて調べ
た結果を表２に示す。ここに横進面摩耗量と表面粗さを
調べた切削試験の切削条件は次のとおりである。

切込み・・・・・・・・・１．０　ｍｍ送　リ・・・・
・・・・・Ｏ，１０ｍｍ／　ｒ　ｅ　ｖ切削速度・・・
・・・２００　ｍ／ｍｉｎ切削距離・・・・・・１２７
２ｍ 切削工具・・・・・・超硬ＪＩＳ　ＰＩＯ種表　　２ ＊はこの発明に適合する例 表２から、添加剤を加えたＡ−Ｃ，は、加えないＨにく
らべ、工具摩耗量や表面粗さがいずれも改善されている
が、工具摩耗量はとくにＡ−Ｅが少なく、表面粗さもと
くにＡ−Ｅが少ない。一方、強度は、Ｈにくらべ、Ｂ−
Ｆは低下が少なく、好ましいが、Ａ、Ｇは相当劣化して
いる。したがって、Ｍ　ｇ　Ｏ／　Ｓ　ｉ　Ｏｚモル比
が１．０〜３．０の範囲の、Ｂ−Ｅが優れた総合評価を
得ている。

実施例２ 実施例１のＭｇＯ−３ｉＯ□系酸化物粉末Ｄ（Ｍ　ｇ　
Ｏ／　Ｓ　ｉ　Ｏｚモル比１．９７、平均粒径１４μｍ
）を、切削性改善添加物として用い、実施例１と同様の
鉄粉、銅粉、潤滑剤の配合で、同様の試験を行なったが
、粉末りの添加量を変化させその添加■の影響を調べた
。結果を表３に示す。

表　　３ ＊はこの発明に適合する例 表３から明らかなように、切削性と強度とのかね合いで
、添加量０．１〜１．５％が適している。

実施例３ 実施例１のＭｇＯ−３ｉＯｚ系酸化物粉末Ｄ（ＭｇＯ／
ＳｉＯ□モル比１．９７）を切削性改善添加物として用
いたが、粉砕と空気分級の選択により、平均粒径を変化
させた。試験は実施例１と同様に行なって評価して粒度
の影響を調べた。結果を表４に示す。

表　　　４− ＊はこの発明に適合する例 焼結体の強度の観点からは平均粒径３〜２０μｍの範囲
が好結果を得ている。

実施例４ 実施例１のＭ　ｇ　Ｏ−Ｓ　ｉ　Ｏｚ系酸化物粉末Ｄ（
ＭｇＯ／５ｉ０２モル比１．９７、平均粒径１４μｍ）
と併せて、７３％Ｓｉｎｇ　　１３％ＮａｚＯ１０％Ｃ
ａＯ−４％ＭｇＯ組成のソーダガラス粉末（平均粒径１
７μｍ）を切削性改善添加物として用い、実施例１と同
様の鉄粉、銅粉、潤滑剤の配合で、同様の試験を行なっ
たが、粉末りの添加量は０．５％とし、ソーダガラス粉
末の添加量を変化させガラス複合添加の影響を調べた。

結果を表５に示す。

表　　　５ 明らかに、ＭｇＯ−３ｉＯ□系酸化物とガラスとの複合
添加によって、−層の切削性改善がはかられている。た
だし、合計添加量が１．５％を超えると機械的強度の劣
化が著しい。

実施例５ 実施例４におけるソーダガラス無添加の場合、およびソ
ーダガラス０．５０ｗｔ％添加の場合と同一の条件の試
験を標準とし、これらに、それぞれ、混合粉末の状態で
バインダー添加による偏析防止処理を行ない、その効果
をバインダー添加の影響としてたしかめた。すなわち、
実施例４における成形に供する混合粉末（鉄粉、銅粉、
黒鉛粉、切削性改善添加粉およびステアリン酸亜鉛）に
、さらにオレイン酸を０．３％添加し、混合し、１０５
°Ｃに加熱し、冷却した。次に実施例１と同様に試験片
を作製し、焼結を施した。結果を表６に示す。

表６に示されたとおり、バインダー添加により、切削性
と機械的強度がともにより改良される。

（発明の効果） 以上述べたように、この発明の鉄基混合粉を原料に用い
ることによって、焼結時における焼結炉内れんが及び発
熱体の損傷を起こすことなく、焼結後の寸法変化、機械
的性質を従来の鉄粉と同等に保ちながら、被削性に優れ
た焼結機械部品を得ることができその効果は多大である
。

特許出願人　　川崎製鉄株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が１．０〜３．０
   の範囲のＭｇＯ−ＳｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均
   粒径３〜２０μｍの粉末を、鉄系原料粉末中に０．１〜
   １．５ｗｔ％の割合いで配合した組成に成ることを特徴
   とする、焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉末冶
   金用鉄基混合粉。 ２、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が１．０〜３．０
   の範囲のＭｇＯ−ＳｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均
   粒径３〜２０μｍの粉末を、混合物全体に対する重量と
   して０．１〜１．５ｗｔ％の割合いにて、添加合金成分
   粉末と共に、鉄系原料粉の粒子表面へオイル結合剤と潤
   滑剤との混合加熱体を用いて固着して成ることを特徴と
   する、焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉末冶金
   用鉄基混合粉。 ３、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が１．０〜３．０
   の範囲のＭｇＯ−ＳｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均
   粒径３〜２０μｍの粉末と、同じく平均粒径３〜２０μ
   ｍのガラス粉末とを、それらの合計量で鉄系原料粉末中
   に０．１〜１．５ｗｔ％の割合いで配合した組成になる
   ことを特徴とする、焼結後の被削性と機械的性質に優れ
   る、粉末冶金用鉄基混合粉。 ４、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が１．０〜３．０
   の範囲のＭｇＯ−ＳｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均
   粒径３〜２０μｍの粉末と、同じく平均粒径３〜２０μ
   ｍのガラス粉末とを、それらの合計量で混合物全体に対
   する重量として０．１〜１．５ｗｔ％の割合いにて、添
   加合金成分粉末とともに、鉄系原料粉の粒子表面へオイ
   ル結合剤と潤滑剤との混合加熱体を用いて固着して成る
   ことを特徴とする、焼結後の被削性と機械的性質に優れ
   る、粉末冶金用鉄基混合粉。