JPH01255604A

JPH01255604A - 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

Info

Publication number: JPH01255604A
Application number: JP63083901A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Takagi; 高城　重彰; Kazuo Sakurada; 桜田　一男; Ritsuo Okabe; 岡部　律男
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1988-04-05
Publication date: 1989-10-12
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPH0711007B2

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】（産業上の利用分野）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・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、円面や端面の切削、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たして熱伝導を阻み、
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Ｔａ５ｚ、　Ｔａ
Ｓｅｚ、　ＴｉＳｅｚおよびＭｏＳｅ４などを添加する
（特開昭４８−８０４０９号公報）　、Ｂａ５Ｏｎ、　
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５２−１
６６８４号公報）ことなどがず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、焼結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ＴａＳｅ、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Ｂａ５Ｏ，
やＣａ５Ｏ，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。

（課題を解決するだめの手段）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、切
削性を改善するためには、ＭｇＯ−５ｉＯ□系酸化物が
きわめて大きな効力を有することを見い出した。そして
、ＭｇＯ−５ｉＯ□系酸化物の中でも、タルクは入手し
やすく、コスト的にも好適であることに注目するに至っ
た。

ところが、タルクの粉末を単に鉄系粉末に混合したのみ
では、焼結体の切削は容易になるが、機械的強度が、ど
うしても低下してしまうという問題に直面した。発明者
らが詳細にこの強度低下の原因を調査した結果、タルク
に含まれる結晶水が大きく悪影響していることを見出し
た。すなわち、タルクは一般に化学式３　Ｍｇ０・４Ｓ
ｉＯ□・Ｈ２Ｏで表わされるように、重量で（以下同様
）約５％の結晶水を含有しており、この結晶水は、焼結
のための昇温時、６００〜１０００°Ｃ付近で分解・離
脱するが、この温度域は、鉄粉が炭素源として添加され
た黒鉛と反応を始める領域であり、結晶水の存在または
離脱に起因して、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ひきおこされると考えられ、結果的
に焼結体強度が低下する。

このような弊害を防ぐため、発明者らが鋭意検討した結
果、タルクと同等のＭｇＯ／５ｔｏ２モル比程度のＭｇ
Ｏ−５ｉＯ□複合酸化物であっても、結晶水を持たない
組成、すなわち無水のタルクであれば、上記の問題が解
決されることを見出した。さらにはこの無水タルクの粒
度を適正にすることによって、切削性改善添加物を加え
ても、はとんど焼結体の機械的特性が劣化しない条件を
見出すに至った。

以上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。

１、　モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ□の値が０．５以上１，
０未溝の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−５
ｉＯｚ系複合酸化物よりなる粉末を、鉄系原料粉末に配
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／ＳｉＯ２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−３
ｉＯｚ系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの粉
末を、鉄系原料粉末に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。

３、　モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−３
ｉ０２系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの粉
末を、合金成分粉末とともに、鉄系原料粉末の粒子表面
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。

４、　モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−３
ｉ０２系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの粉
末と、ガラス粉末とを、鉄系原料粉末に配合して成るこ
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。

５、　モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ□の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−５
ｉＯ，系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの粉
末と、ガラス粉末とを、合金成分粉末とともに、鉄系原
料粉末の粒子表面へ、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
。

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実際には上掲各元素を
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かである。

しかるにすでに触れたとおり焼結鋼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６
０〜１５０°Ｃ程度高目となることがら被削性改善法と
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。とは云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焼結鋼材の場合に
はやはり適合しない。

そこで発明者らは、焼結時にも焼結雰囲気に対し安定な
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、上記した無水のＭｇＯとＳｉｎ、との複合酸化物粉
末並びにこれとガラス粉との混合粉が優れていることを
見い出したものである。

（作　用）前述したように焼結綱材は、溶製鋼材よりも切削時に工
具の刃先温度が６０〜１５０°Ｃ高（なることから切削
工具の短命化を招くが、上記組成の？ＩｇＯ−ＳｉＯ□
系複合酸化物を添加すると、このＭｇＯ−５ｉＯ２系複
合酸化物がＦｅと反応して、ＭｇＯ−５ｉＯ□＝ＦｅＯ
系の複合酸化物を生成し、比較的低融点となるため切削
温度において熔融し、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−ＳｉＯ２系複合酸化物は、元来比較的顧
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。

かかるＭｇＯ−５ｉｎ２系複合酸化物のうち、ＭｇＯ／
ＳｉＯ２のモル比が０．７５で、化学式３　Ｍｇ０・４
ＳｉＯ□・ＨｚＯで表わされるタルクはとくに入手が容
易で、コスト的にも有利である。ところがその反面、前
述のように結晶水が焼結時に悪影響を及ぼすので、結晶
水をもたない無水のタルクを用いる。

無水タルクを得るにはタルクを大気中１２００°Ｃ程度
で１時間程度焼成すると良い。こうして結晶水は２ｗｔ
％程度まで脱水されれば事実上へい害を伴うことはない
。

この無水のタルクは、化学量論的には３　ＭｇＯ・４Ｓ
ｉＯ□で、モル比ＭｇＯ／ＳｉＯ２は０．７５であるが
、天然のタルクを原料とすることを考え、この組成のば
らつきを見込むとモル比でＭｇＯ／ＳｉＯ２の値が０．
５以上１．０未満の範囲をこの発明の適合範囲とする。

この範囲内で十分な効果があることは、のちの実施例で
実証する。なお、無水化したタルクは吸湿して結晶水を
再び持つようになりやすいので、無水タルク粉末や、そ
れを用いた混合粉末の貯蔵には、吸湿しないよう深冷分
離で得たＮ２等の不活性ガス中または除湿した空気中で
の保管、加熱状態での保管等の注意が必要である。

つぎに、複合酸化物の粒度を、平均粒径で８〜２０μｍ
とする必要のあることの理由について述べる。

平均粒径は、たとえばマイクロトラック法によるメジア
ン径などを用いるが、これが８μｍよりも細かすぎると
、吸湿しやすく、結晶水が回復してしまって、焼結時に
機械的特性が劣化する。−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なくなるので、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、平均粒径で８〜２０μｍとする
。

またすでに述べた切削性改善用の複合酸化物粉末を鉄系
原料粉末に混合する際、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
であって、たとえば大豆油、米糠油、スピンドル油、オ
レイン酸であり、これら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、添加酸化物粉末が原料鉄粉粒子
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。

またこの混合加熱体は、無水のＭｇＯ−５ｉＯ□系酸化
物の一部を被覆するから、吸湿により該酸化物が結晶水
を回復する問題の解決にも寄与する。

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
をさらに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しはじ
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、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
。

またＭｇＯ−３ｉｎ、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（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−３ｉｎ、系複合酸化物とガラ
スとは、作用効果的に共通する面があるのでこれらを併
用する場合は合計量においてＭｇＯ−５ｉｎ２系複合酸
化物単独の場合と同様に０．１　ｗｔ％〜１．５智ｔ％
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５ｉＯｚ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
粉末の偏析を、さきに触れたようにバイングーによって
防止することが有用である。

以上何れの場合にあっても複合酸化物粉末、またさらに
これとガラス粉末との混合粉末は、鉄系原料粉末との混
合物中に占める重量割合いにて０．１　ｉ＋ｔ％〜１．
５　ｗｔ％の範囲で好適であり、また混合加熱体を用い
るときその配合量については同様に０．１　ｗｔ％〜１
．５　ｗｔ％が好ましい。

（実施例）尖施拠土重量割合で３１゜７％ＭｇＯ−６１．８％Ｓｉｎｇ組成
のタルク粉末りに、さらに試薬のＭｇＯまたはＳｉＯ□
を種々の割合で混合して大気中１２００°Ｃで１時間焼
成し、表１に示す組成になる４種（記号Ａ−Ｄ）のＭｇ
Ｏ−５ｉｎ２系複合酸化物を準備しＭｇＯ／ＳｉＯ□モ
ル比の影響を８周べた。

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Ｎｌ〜１５μｍとし、それぞれ、アトマイ
ズ鉄粉（−８０メツシユ）に０．５　ｗｔ％加えた。さ
らに天然黒鉛粉を０．５　ｗｔ％、電解Ｃｕ粉を２．Ｏ
ｗｔ％添加して混合したのち固体潤滑剤としてステアリ
ン酸亜鉛を該混合物に対し１．Ｏｗｔ％添加混合した。

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６０柵、高さ３０ｍｍのリング試
験片を作製し、ついで流量４ｆｆｉ／ｍｉｎの分解アン
モニアガス雰囲気中で６００°Ｃ、３０ｍ１ｎの脱ろう
後、１２５０°Ｃで６０ｍ１ｎの焼結を施した。焼成し
た酸化物粉末が吸湿するのを防ぐため、上記のテストは
すべて１日のうちに行なった。

また、比較のため、Ｄ二上記酸化物のかわりに、結晶水をもつ通常のタルク
粉末（台ｇｏ　３１．７％、５ｉＯｚ　６１．８％、Ａ
ｈａ３０．２％、Ｃａ００．２％、ＦｅＯＯ，９％；　
　ＭｇＯ／ＳｉＯ２モル比０．７６）を平均粒径１２μ
ｍとして、０．５％加えた場合と、Ｅ二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・・・・・・・・１．０ｍｍ送り　・・・・・・・・・・０．１０ｍｍ／ｒｅν切削
速度・・・・・・２００　ｍ／ｍｉｎ切削距離・・・・
・・１２７２ｍ切削工具・・・・・・超硬ＪＩＳ　ＰＩＯ種表２表２から、複合酸化物粉を加えた試料Ａ−Ｄは、加えな
い已にくらべ、工具摩耗量や表面粗さがいずれも改善さ
れているが、一方、強度は、已にくらべ、この発明によ
るＡ−Ｃは低下が少なく、好ましいのに反し、結晶水を
もつタルクを用いたＤは相当低下した。

実施炭Ｉ実施例１のＭｇＯ５ｉ（ｈ系酸化物粉末Ｂ　（ＭｇＯ／
ＳｉＯ２モル比０．７６、平均粒径１２μｍ　）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Ｂ
の添加量を変化させ添加量の影響を調べた。

結果を表３に示す。

表３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　ｗｔ％が適している。

叉ｌ桝主実施例１のＭＭｇＯ−５ｉｎ系酸化物粉末Ｂ　（ＭｇＯ
／ＳｉＯ□モル比０．７６）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と同様に行なって粒度の影響
を評価した。結果を表４に示す。

表４焼結体の強度の観点からは、平均粒径８〜２０μｍの範
囲が好結果を得ている。

尖崖■土実施例１のＭｇＯ−５ｉｎ２系酸化物粉末Ｂ　（ＭｇＯ
／Ｓｉｎ□モル比０．７６、平均粒径１２μｍ）と併せ
て、７３％５ｉＯｚ　　１３％Ｎａｚ０　１０％ＣａＯ
−４％ＭｇＯ組成のソーダガラス粉末（平均粒径１７μ
ｍ）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Ｂ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、ＭｇＯＳｉ０ｇ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ｉバインダー添加の影響を検討するため、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．
５％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、その効果をだしかめた。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改良され、好ましい実施態様であ
る。

（発明の効果）以上述べたように、この発明に従う粉末冶金用鉄基混合
粉は、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。

Claims

【特許請求の範囲】１、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−Ｓ
ｉＯ＿２系複合酸化物よりなる粉末を、鉄系原料粉末に
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０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−Ｓ
ｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの
粉末を、鉄系原料粉末に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。３、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−Ｓ
ｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの
粉末を、合金成分粉末とともに、鉄系原料粉末の粒子表
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。４、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−Ｓ
ｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの
粉末と、ガラス粉末とを、鉄系原料粉末に配合して成る
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。５、モル比でＭｇＯ／ＳｉＯ＿２の値が０．５以上１．
０未満の範囲にあり、かつ結晶水を持たないＭｇＯ−Ｓ
ｉＯ＿２系複合酸化物よりなる平均粒径８〜２０μｍの
粉末と、ガラス粉末とを、合金成分粉末とともに、鉄系
原料粉末の粒子表面へ、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。