JPH06510331A - 焼結後良好な寸法安定性を有する鉄基粉末組成物 - 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】 焼結後良好な寸法安定性を有する 鉄基粉末組成物 本発明は、圧粉および焼結の後に１法安定性を有する製品、すなわち、局部的な 密度突差のさいにも類似の寸法変化を本来的に示す製品が得られる鉄基粉末に関 するものである。

従来技術による粉末冶金法の大きな長所は、種々複合性の異なる成分を、圧粉直 後に最終形状に焼結することができるため、たとえば従来の期末加工品に比較す ると、比較的限定された後処理以外は要求されない点にある。

また、新粉末冶金材月の開発では、焼結の間の寸法変化を小さく抑えることが目 指されている。寸法変化が著しければ、τ１法安定性の維持が実際に難しくなる からである。このことが特に重要な場合は、焼結後に正しい寸法に調節すること が難しい高強度材料の場合である。したがって、重要な、１月よ、−１法変化が 最小であることであり、かつまた処理パラメータ、すなわち焼結時間、焼結温度 、炭素含有量、合金物質の分配なとに出来るだけ無関係であることである。１９ ７０年代の高強度拡散合金材料の開発の場合には、第一の目的は、寸法変化を前 記処理変数と出来るだけ無関係にすることにある。

拡散合金技術により、合金物質Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏは均等に［オ料中に分配され、 これら物質の含有量は、他の処理パラメータ、すなわち時間、温度、Ｃ含有量の 変化が一１法変化に１直かの影響しか及ぼさないように選定することができる。

他方、寸法変化は、これらの材料内の密度水準の差違に応して一定ではないこと が判明している。

粉末混合物の圧粉のさい、密度は、圧縮された成分内で、特に幾何形状が複雑な 場合には、実際にはかなり不均一になる。たとえば約０．４　ｇ　／　ｃｍ’の 密度差は、実際には珍しいことではない。この結果、また、焼結時に異なる寸法 変化が生じ、それにより材料に“ひずみ”が発生し、そのけ料が不良品としては ねられることになる。

本発明の一つのｌ」的は寸法安定的な焼結製品を得ることにある。ここて１０い る“寸法安定的”という表現は、固有密度差にも拘らず製品が類似のマｊ法変化 を示すことを意味している。したがって、本発明によれば、固有密度差を有して いても、最低密度が約６．７　ｇ　／　ｃｍ’の場合に、特に６．８〜７．２　 ｇ　／　ｃｍ’の密度の場合に、最高的０゜０７９６、好ましくは最高的０．０ ５％の寸法変化を示すような製品を製造することができる。焼結過程の間の寸法 変化は、しかし、ゼロにする必要はない。プレス工具の′：１法が、すてに設８ ］段階で焼結後に正しい形状が得られるように調節できるからである。

本発明の別の目的は、圧粉と焼結の後、高強度を有する寸法安定的な製品が得ら れるような鉄基粉末材料を製造することにある。たとえば、本発明による鉄基粉 末材料により、約４５０１ＪＰａＥ上、特に５００−１０００ＩＪＰａ　、好ま しくは５５０〜９５０　ＭＰａの引張り強度を有する焼結製品を、随伴的な熱処 理なしに！２Ｘｊ￥することができる。

本発明の更に別の目的は、簡Ｊｇで廉価の低温焼結処理により前述の特性を有す る製品を製造てきる粉末を提供することにある。

本発明には、また、圧粉と焼結の漫に良好な寸法安定性と高強度を示すだけてな く、高い疲れ強さをも示す粉末が含まれている。これらの粉末の場合、ニッケル 含有量が比較的高く、好ましくは２〜４．５重量％である。

本発明によれば、前記の目的は、鉄に加えて、０．５〜４．５重量９６のニッケ ル、０．６５〜２．２５重量％のモリブデン、０．３５〜０．６５の炭素を含有 する粉末組成物により達成される。本発明は、また、前記の粉末組成物から製造 される製品と、前記粉末組成物を主成分とした製品を製造する方法に関するもの である。本発明のその他の特徴は、添付の請求の範囲に記載されている。

本発明とほぼ等しい含有量の成分Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏを含有する組成物は、すてに ＥＰｏ、３３４．９６８により公知である。これらの公知の組成物は、焼結し、 熱処理（焼入れど焼ちとし）した後、きわめて高強度かつ高硬Ｉｔであることを 特徴とする製品の製造に使用する目的のものである。しかしながら、前記のＥＰ 刊行物には、熱処理を伴わないｊ、ｌ純な焼結により寸法安定的かつ高強度の製 品を製造する場合に、これらの粉末組成物がどのような特別な利点を存するか、 という点については全く情ＦＦＩも指示も記載されていない。寸法精度は熱処理 によって減じられることは周知であるから、ＥＰｏ、３３４．９６８に開示され ている方法を用いて、本発明の目的を達成することは不可能である。

ＤＯ３２，＋　１２．９４４にも、本発明による粉末組成物が、前記ＤＯ３刊行 物で提案されている範囲内に収まるｒｉ度の量のＮｉとＭ　ｏとを含む粉末組成 物が開示されている。しかしながら、このＤＯ３２，１１２，９４４の組成物ら 必須成分としてＭｎを含んでいる。これに対して、本発明による粉末組成物に含 まれるＭｎは望ましくない不純物である。したがって、本発明によればＭｎ含有 量は最小限であり、０．３重量９６未満、好ましくは０．１重量％未満である。

ｉ（１記ＤＯ３刊行物には、更に、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｆｅが完全に予合金化さ れた粉末として言及されている。更にまた、ＤＥＩ、　２０７．６３４を参照す ると、この場合にはＮｉおよび（または）Ｍｏおよび（または）Ｍｎが、鉄基粉 末に純粋物質として、もしくは母合金として添加さ第１るか（含有されている合 金物質のうちの少なくとも２つが化学的に均一の粉末を形成することを意味する ）、又はフェロアロイ粉末として添加される（鉄が含有さ第１ている化学的に均 一の材料だが、本発明の材料よりも事実上高い合金含有量を有している）。

これらの粉末混合物の変化形式は本発明には含まれていない。また、ｎｉｔ記複 数刊行物は、本発明により得られる諸利点については、何も教えたり提案したり していない。

本発明による粉末組成物は、いわゆる低温焼結、すなわち約１＋５０°Ｃ未満の 温度での焼結に使用するのに適している。この種の焼結はベルト炉で行なうのが 好ましい。この種の炉での焼結は、通常、約■１２０°Ｃ−１１４０°Ｃの温度 て最高１時間、一般には２０〜４０分間行なわれる。粉末組成物が焼結炉へ入れ られる前に、先ず潤滑剤がｌ尾大され、その後で高圧によりプレス工具内で成形 される。高い抵抗を有する製品の場合、圧粉圧は実際には約６００　ＭＰａであ る。

本発明による粉末組成物の場合、好ましい粉末はニッケル含イＴＭが１．０〜３ ．０重量％の範囲で、また、モリブデン含有量が０．８〜２．０重量％の範囲で 、それぞれ異なる粉末である。この場合、最良の成績は、Ｎｉ含有量〉Ｍｏ含有 量の組成物の場合に得られ、特に好ましい組成は、モリブデン１．５重量９６、 ニッケル約２重量％を含有する組成である。高い疲れ強度を要する製品の場合に は、ニッケル含イｒ量をより高くし、好ましくは２〜４重量９６とする。

前述の物質にｊ」１１えて、粉末組成物には不純物が含有さｉｔでいてらよいが 、その含有量は出来るだけ低い値にす・＼きである。本発明による組成物に含ま れる不純物は、たとえは銅、タングステン、燐である。これらの不純物は、寸法 安定性を害するものである。このほかの不純物て、酸化のために焼結製品に悲影 響を及ぼずものに、クロム、マンガン、ソリコン、アルミニウムがある。不純物 の総合有量は２重量％以下、好ましくは１重量％未満に維持す・＼きである。加 えて、本発明による粉末組成物には、当業者には周知の種類の潤滑剤を任意に含 有させることができる。特に好ましい一実施例の場合、水アトマイジング法によ り製造された鉄基粉末内にＭｏが固溶体として含有されている。この実施例によ り得られる粉末は、　Ｍｏが鉄に予合金化されていない粉末に比較して、より均 一な組織をミクロの水準で焼結成分に与えることができる。同時に、焼結密度は 、Ｍｏが鉄に予合金化されている場合にのみ、有意な影響を受けることがない。

他方、鉄基粉末中にＮｉが固溶体として含有されている場合は、材料の用縮性が 害され、焼結密度も同じく害される（後述の例は、たとえば、表２の材料Ｂが、 池の［オ料と比較して、使用圧粉圧て焼結後、極めて低い値の密度を有すること を示している。この材料は、鉄基粉末中の予合金元素として約２重量％のＮｉと 、０．５重量９６のＭ　ｏとを含有している。他方、Ｈ料Ａは、約１．５重量９ ６の八（０て完全予合金化された材料であり、同じ処理条件での焼結後、材料Ｂ よりはるかに高い密度を有している）。したがって、Ｎｉは金属形態であるのが 好ましく、Ｍ　ｏにより予合金化された鉄基粉末で拡散合金化される。Ｎｉは、 また、この場合、予合金化された粉末と混合してもよい。

合金含有範囲は、本発明の材料が既述の条件のうち少なくとも３つの条件を満足 させねばならなし１点を考廖（こ入れて選定される。この３つの条件とは、特定 限界［勺で、製品内の密度水準が異ｔぶるにも拘らず寸法安定ｆｉ’］　ｉＬ焼 結製品が得られること、また圧粉と焼結の後（こ高強度の」゛法安定的な製品が 製造できる鉄基粉末材料力（得ら第１ること、更に、熱処理を伴わｔｌい簡単か つ廉価な低温焼結；こより、前述の特性を存する製品を製造できる粉末力（１％ られることの３点である。

添（ｊの第１図〜第３１３は、焼結時に密度ｙｋ準力く異ｆｌる場合、−１法安 定性がとのように変化するか、また、Ｎｉ。

Ｍｏ、Ｃの合金物質の含有量が異なる場合、弓１グ長り弓虫度が焼結密度により どのように影響される力１を示しｔこものである。これらの図は圧粉・焼結され ｌこ第５）米温合物を示している。これら混合物では、ＭＯは（含有されてしす る場合のことであるが）、事実上２００μｍ未満の粒子１゛法を有する水アトマ イシング法により製造さ第１た鉄基＄５）米中に予合金化されており、他方、Ｎ ｉｌよ（含有さ第１ている場合には）事実」１１５μｍ未満のｔ立子」法を有し 、Ｋから鉄基粉末に拡散合金化されたしのである。事実上１５〃ｍ未満の粒子寸 法を有する黒鉛形態のＣ（よ、ｉ検力１ら粉末に添ＩＪ［＋されｔこ。これらの 粉末混合物（ま、ベル１・炉を用い１１２０°Ｃの温度て３０分間（こわｌこり 、材艷）の炭素含有量に相応する炭素ボテンシャルの吸熱雰囲気内（こで焼結さ れた。

第１ａ図は密度とＮｉ含有量とが増大すると、引張り強度がどのように改善され るかを示したものであり、他方、第１ｂ図は、本発明による材料の場合に、密度 水準が異なっても、寸法変化は類似している点を示した図である。Ｎｉ含ずｒ量 が過大な場合、または過少な場合、言いかえると、本発明の材料の設定限界値を 外れた場合には、密度水準が異なるさいの寸法変化の差違が過大となる。第２ａ 図は、炭素含有量の増加により引張り強度が改善されることを示したしのてあり 、第２ｂ図は、炭素含有量が過大の場合には、密度水準が異なると、寸法変化の 差違が過大となることを示すものである。第３ａ図と第３ｂ図とは、約６．７　 ｇ　／　ｃｍ’を超える密度の場合、強度及び類似の寸法変化の要求に応えるに は、一定食有量の〜１ｏが必要どされることを示した図である。

本発明を以下の実例で説明する。この例は本発明の一実施例を説明するものに過 ぎず、本発明を限定するもの２つの異なる粉末（Ａ、Ｂ）を、ＭＯと、Ｍｏ及び Ｎｉどにより合金化された鉄溶融物を水アトマイジング法により製造した。酸素 含有量は、製造された粉末を還元雰囲気内で焼鈍することにより低減された。１ ■Ｉえて、Ｎｉは、Ｍｏ　（Ｃ，Ｄ）と予合金化された鉄基粉末に対し２つの含 有量で、還元雰囲気内で拡散焼鈍された。非合金鉄粉ら、水アトマイジング法に より製造され、焼鈍により酸素含有量が低減された。得られた粉末は、次に、異 なる量のＭｏ、Ｎｉ、Ｃｕ　（Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ）とともに焼鈍された。これら異 なる粉末の化学組成は、次の表１の通りである。

Ａ　１．５１　残部 Ｂ　１．９２　０．４８　〃 Ｃ″″　１．９８　１．５２　” Ｄ”　２．９７　１．５０　〃 Ｅ”　２．０１　１．４８　” Ｆ　３．９２　０．５４　１．４７　ＮＧ　３．９９　０．５３　” Ｈ１，７２０，５３１，４７ ０本発明による粉末。

事実上２００μｍ未満の寸法の粒子を存する異なる粉末に、事実上１５μｍ未満 の粒子′：１法の黒鉛０．５％と、潤滑剤としてケソリューブ（Ｋｅｎｏｌｕｂ ｅ）　０．６％とを添加した。混合後、引張り試験片を、それぞれ４００，６０ ０．８００ＭＰａてＩｆ扮した。焼結は、炭素ボテンシャル０．５９’６の還元 雰囲気（エンドガス）内で３０分間、１１２０°Ｃにて行／ｊっだ。炭素含有量 の制御のため、メタンを添加した。焼結後、密度の異なる別々の材料について引 張り強度と一１法変化を測定した。成績は次の表２に示焼結密度の異なる場合の 引張り強度と寸法変化材料Ａ、Ｂ、Ｆ、Ｈは公知の材料であり、表に示されてい るように、け料Ｆは高強度であり、密度の変化による一１法変化の差違か比較的 小さい。材料Ｇは同様の形式で製造されたが、Ｃｕは添加されなかった。したが って、強度値は低下するか、依然として許容範囲内である。他！ｙ、”：Ｉ法度 化の差違は、６．７　ｇ　／　ｃｍ”を超える密度範囲では、なお過大である。

材料Ｆ中のＮｉ含有量を４重量？６から１．７５重［９６（＝を１料）１）に引 下げることにより、異なる密度での一１法変化の差違は低減されるが、依然とし て過大である。手合金山された材料ＡとＢの場合、異なる密度での′？１法変比 変化違は低い値だが、強度値が過小である。

しかしながら、材料Ｂより高いＭ　ｏ含有量とＮｉ添加物とを組合せることによ り、高強度で、かつまた異なる密度での−ｊＩＪ：￥化の差違が低い値の材料が 得られることが１゛呼明した。表２から明らかなように、これらの特性は、ｉｔ 　ｙ、ｉ　ｃ及びＦεの特性と類似している。但し、これらの材料の場合は、Ｍ 　ｏがＴ−合金化されるか（すなわち水アトマイノンク’ｒｉｉｉに添ＩＪ１１ されている）、又は拡散合金化されている。唯一の異なる点は１１法変化の水準 のみである。

このことは本発明と矛盾しない。Ｎｉ添加量を更に増せば（１４料Ｄ）、強度は 高められるか、寸法変化の差違はｉｔ　ｎ　ｃとＥより僅かに高い値となる。し かし、異なる密度での１法変化の差違は本発明の要求通りの値となっている。

ＦＩＧ、１゜ ソυ百復漫　（ｇ／ｃｍ３） ＦＩＧ、３゜ ソ１ｇ　％シフ！　（ｇ／ｃｍ３） 補正書の写しく翻訳文）提出書く曲法帽８４条の８）平成　５　年　１２　月　 １０　日はミ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも約６．７ｇ／ｃｍ３の密度を有する寸法安定的な焼結体を製造す る鉄基粉末組成物において、この組成物か、鉄に加えて、Ｎｉ約０．５〜４．５ 重量％、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、Ｃ約０．３５〜０．６５重量％、不 純物約２重量％未満、好ましくは約１重量％未満、任意に添加される潤滑剤から 事実上成ることを特徴とする寸法安定的な焼結体を製造する鉄基粉末組成物。 ２．事実上、Ｎｉ約０．５〜３．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、 Ｃ約０．３５〜０．６５重量％から成ることを特徴とする請求項１記載の鉄基粉 末組成物。 ３．事実上、Ｎｉ約１，０〜３．０重量％、Ｍｏ約０．８〜２．０重量％から成 ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の鉄基粉末組成物。 ４．Ｎｉ約２〜４．５重量％を含有することを特徴とする請求項１記載の鉄基粉 末組成物。 ５．寸法安定的な焼結体を製造する組成物において、この組成物が、鉄に加えて 、事実上、Ｎｉ約０．５〜４．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、Ｃ 約０．３５〜０．６５重量％、不純物約２重量％未満、好ましくは約１重量％未 満、任意に添加される潤滑剤から成り、しかもＭｏが、水アトマイジング法によ り粉化された鉄基粉末中に固溶体として存在していることを特徴とする寸法安定 的な焼結体を製造する組成物。 ６．Ｎｉが金属形態で存在していることを特徴とする請求項１から請求項３まで のいずれか１項に記載の組成物。 ７．Ｎｉが鉄基粉末に拡散合金化されていることを特徴とする請求項１から請求 項３までのいずれか１項に記載の組成物。 ８．少なくとも約６．７ｇ／ｃｍ３の密度を有する寸法安定的な焼結体を製造す る方法において、次の段階、すなわち ａ）鉄粉を製造する段階、 ｂ）鉄粉にＮｉおよび（または）Ｍｏを拡散合金化するか、もしくは鉄粉にＮｉ および（または）Ｍｏの金属粒子を混合する段階、 ｃ）得られた粉末に炭素を添加し、含有成分の量を次のように選定する段階、す なわち、結果として得られる粉末組成物が、鉄に加えて、事実上、Ｎｉ約０．５ 〜４．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、Ｃ約０．３５〜０．６５重 量％、不純物約２重量％未満、好ましくは約１重量％未満、任意に添加される潤 滑剤から成るように選定する段階、 ｄ）前記粉末成分を圧粉する段階、 ｅ）圧粉された組成物を焼結する段階を有することを特徴とする寸法安定的な焼 結体を製造する方法。 ９．粉末組成物が、事実上、Ｎｉ約０．５〜３．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２ ．２５重量％、Ｃ約０．３５〜０．６５重量％から成ることを特徴とする請求項 ８記載の方法。 １０．少なくとも約６．７ｇ／ｃｍ３の密度を有する寸法安定的な焼結体を製造 する方法において、次の段階、すなわち ａ）鉄とモリブデンの溶融物を製造する段階、ｂ）前記溶融物を水アトマイジン グ法により粉化する段階、 ｃ）得られた粉末にＮｉを拡散合金化するか、もしくは前記粉末にＮｉ金属粒子 を混合する段階、ｄ）得られた粉末に炭素を添加し、含有成分の量を次のように 選定する段階、すなわち、得られる粉末組成物が、鉄に加えて、事実上、Ｎｉ約 ０．５〜４．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、Ｃ約０．３５〜０． ６５重量％、不純物約２重量％未満、好ましくは約１重量％未満、任意に添加さ れる潤滑剤から成るように選定する段階、ｅ）前記粉末組成物を圧粉する段階、 ｆ）圧粉された組成物を焼結する段階を有することを特徴とする寸法安定的な焼 結体を製造する方法。 １１．前記組成物が、事実上、Ｎｉ約０．５〜３．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜 ２．２５重量％、Ｃ約０．３５〜０．６５重量％から成ることを特徴とする請求 項１０記載の方法。 １２．請求項１０または請求項１１に記載の寸法安定的な焼結体を製造する方法 において、圧粉された粉末組成物が約１０７０℃〜１１５０℃、好ましくは１１ ００℃〜１１４０℃の温度で焼結されることを特徴とする寸法安定的な焼結体を 製造する方法。 １３．鉄基粉末組成物の使用において、前記組成物が、鉄に加えて、事実上、Ｎ ｉ約０．５〜４．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、Ｃ約０．３５〜 ０．６５重量％、不純物約２重量％未満、好ましくは約１重量％未満、任意に添 加される潤滑剤から成り、少なくとも約６．７ｇ／ｃｍ３の密度を有する寸法安 定的な焼結体を製造するためのものであることを特徴とする鉄基粉末組成物の使 用。 １４．前記粉末組成物が、Ｎｉ約０．５〜３．５重量％、Ｍｏ約０．６５〜２． ２５重量％、Ｃ約０．３５〜０．６５重量％から成ることを特徴とする請求項１ ３記載の鉄基粉末組成物の使用。 １５．前記粉末組成物が、Ｎｉ約１．０〜３．０重量％、Ｍｏ約０．８〜２．０ 重量％から成ることを特徴とする請求項１３記載の鉄基粉末組成物の使用。 １６．前記粉末組成物が、Ｎｉ約２．０〜４．０重量％、Ｍｏ約０．８〜２．０ 重量％から成ることを特徴とする請求項１３記載の鉄基粉末組成物の使用。 １７．粉末組成物にもとづく少なくとも約６．７ｇ／ｃｍ３の密度を存する寸法 安定的な焼結体において、前記粉末組成物が、鉄に加えて、事実上、Ｎｉ約０． ５〜４．５重量％６、Ｍｏ約０．６５〜２．２５重量％、Ｃ約０．３５〜０．６ ５重量％、不純物約２重量％未満、好ましくは約１重量％未満から成ることを特 徴とする寸法安定的な焼結体。