JPH07507838A - 鉄基粉末組成物、焼結製品および焼結製品の切削性を改善する方法 - 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】 焼結された鉄基粉末の切削性改善剤である粒状ＣａＦ２とＢａＦ２本発明は、部 品の粉末冶金的製造で用いられる、鉄基粉末組成物に添加されて切削性を改善す る粉末に関するものである。

部品の粉末冶金的製造は以下の作業工程を含むことか多い。一般的には鉄粉や鋼 粉である基材粉末は、粉末形態のＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃ（炭素）等の合金元素お よびｆｍｔｆｔ剤と混合される。その後、粉末混合物はプレス磯て圧粉成形され 、はぼ最終形状の圧粉体（グリーン・ボディ）として知られたものに加工される 。圧粉成形後、必要とする強度、硬さ、伸び率等が得られるように圧粉体が焼結 される。

部品の粉末冶金的製造の主要利点の１つは、圧む）成形し焼結することにより、 最終形状またはそれにごく近い形状の加工素材を生産できることにある。しかし ながら、引き続いてａ械加工の必要な場合もある。例えば、高い許容誤差の要求 される場合や、最終部品か直接プレスできない形状を存し、焼結後に機械加工す る必要のある場合である。具体的には、用粉成形の方向を横切る穴、切欠きゃね し等の形状は後でａ械加工する必要かある。

より高い強度を存し、従ってより硬い新しい焼結鋼か継続的に開発されており、 粉末冶金的製造において部品のＶ１減加工が主要問題の１つになっている。この ことが、粉末冶金的製造か部品を製造する上で最も低コストの有効な方法か否か の計画を行うことを難しくする要因となっている。従って、焼結鋼の切削性を改 善する上で有効な新しい添加物への期待か高まってきている。こうした添加物は 、焼結材の引張り強さや伸び率等の機械的性質にさほど影響を与えないことが重 要である。

現在、鉄基粉末２昆合物に添加して焼結１表の部品を機械加工し易くする多くの 物質か知られている。

汎用されている粉末添加剤は、例えは、ＥＰ−０１８３６６６に記載されたＭｎ Ｓかある。この特許は、かかる粉体の添加により焼結鋼の切削性かいかに改善さ れたかを説明している。しかしなから、機械加工の困難な材料、この場合ては約 Ｉ（Ｖ２Ｏ３を超える硬さを有する［オ料は、ＭｎＳの添加によって適切に機械 加工を行うことばてきない。しかも、ＭｎＳの添加により、焼結後の材料強度が 許容できないほど低下することがよくある。

ＵＳＰ　４９２７４６１には、六方晶ＢＮ（窒化硼素）を鉄基粉末混合物に添加 して焼結後の切削性を改善することか記載されている。微細なりＮ粉末（０゜０ ５〜１．　０μｍ）を塊粒状に処理すれば、ＭｎＳの添加と同様に、焼結後の鉄 基粉末混合物の切削性を同じように改善することができる。ただし、適当量のＢ Ｎ粉末を添加すれば、焼結後の強度への影響は、ＭｎＳを添加した場合より少な くて済む。しかしなから、ＢＮの添加によっても、ＭｎＳの場合と同様に、工業 生産においてＨＶ２００を超える硬さの材料を機械加工することはできない。

Ｗｏ　９１／１４５２６は、いかにして少量のＴｅおよび（または）ＳｅとＭｎ Ｓを用い、機械加工の困難な粉末冶金材料の切削性を約２倍に高めるかを説明し ている。Ｔｅおよび（または）Ｓｅを添加すること自体が周囲環境への配慮を必 要とし、これら添加物は極少量でも健康に害を及はすため、今後の規制はさらに 強化される趨勢にある。

本発明の１つの目的は、鉄基または鋼基粉末組成物に添加され、焼結を終えてで きた部品の切削性を改善する粉末を提供することにある。特に、本発明は、機械 加工の困難な材料、例えば、約ＨＶＩ８０を超える硬さと約７００ＭＰａを超え る強さを有する材料の切削性を改善し、硬質相材料を事実土倉まない作用物質を 提供する。

本発明の他の目的は、焼結部品の機械的性質に及はす影響の少ないがまたはこれ らに全く影響のない、周囲に事実上古を及ぼさない切削性改善材料を提供するこ とにある。

これらの目的は、フッ化カルシウムとフッ化バリウムの化合物の粉末を合作する 材料を鉄基粉末組成物と混合することにより達成できることが判明した。好まよ り製造される。最も好ましい溶融物は共晶組成である３８重量％のＣａＦ２と６ ２重量％のＢａＦｚを含む。冷却後、この溶融物は粉砕され鉄基粉末組成物に加 える粉体に加工される。本発明によれば、粉砕した粉末粒子は実質的に遊離して おり（すなわち、以下に説明するように、黒鉛粒子に付着しておらず）、１００ μｍ未満の平均粒径を有する。この平均粒径は２０μｍ〜７０μｍの範囲にある のが好ましい。粒径が大きすぎると焼結部品の強度に悪い影響が及び、満足のい く切削性改善効果が得られなくなる。また、粉末添加物か微細すぎると、切削性 の改善効果か不十分となる。フッ化物粒子は、合成物でも天然物でもよい。フッ 化物の純度もまた切削性改善効果に影響し、例えば、使用する蛍石の原材料の不 純物の含有量は３重量％、好ましくは２重量％を超えてはならないことが判った 。本発明によると、切削性を改善するフッ化物含有粉末は、鉄粉または鋼粉に、 粉末組成物の重量にして約０．１〜１．Ｏｔ量％、好ましくは０．　３〜０．９ 重量％添加される。ＢａＦｔ／ＣａＦ＊の重量にして０．　１重量％未満の含有 量では、切削性について十分な改善効果か得られないが、約１．０９６を超える 含有量では、強度や寸法変化に悪影響がある。

Ｃａ　Ｆ　２をｌ＼−スとするフッ素系コンパウンドの使用例の１つに、荷重印 加状態にある室温表面と高温表面との間の摩擦を減らず固体妨潤滑剤がある。こ のことは、△ＳＬＥ会報１６／１巻、４２〜４９頁、「高温作業用の固体腔潤滑 剤コーティングの改良」に報告されている。また、硬質相材料を含む弁座等の焼 結製品の耐摩耗性の改善を主な目的として、粉末冶金材料の抑潤滑剤としてフッ 化カルシウムおよび（または）フッ化バリウムを用いることについても、例えば 、ＵＳＰ　４２７４８７６、ＵＳＰ　４８３６ｇ４Ｂ、特開昭５３−１２３３１ ４．５Ｕ−８８５−３１９，５Ｕ−１１１４−７０，５Ｕ−１４８１−２６２、 ＪＰ−６３ｉ２３４８およびＥＰ−２７７２３９に記載されている。

５Ｕ−１５８５−０（ｉ９は、ＣａＦ２やＳを添加して粉末冶金材料の切削性を 改善できるが、Ｃａ　Ｆ　２を非常に多く　（２〜３％）添加することを教示し ている。

一方、Ｓは従来の一般材料および粉末冶金材料の切削性を改善することでよく知 られている。従って、この文献は、粉末冶金材料の切削性を改善しようとする当 業考にとって、ありふれたもので重要な指釘になるとは考えられない。

ＣａＦ２の添加量を！ド実上減らす以前に、まずＳを除去しなければならないた めである。本発明による添加物をＭｎＳ等の他の従来の切削性改善添加物と組み 合わせる場合でも、事実上硫黄元素を含んでいないことが好ましい。この硫黄元 素は周囲環境にとり好ましくない上に、１法変化に及はす影響が大きい。

ＪＰ−６３−１３７１３７は、焼結により得られる部品の切削性を改善するため に、すなわち、本発明と同じ目的で、ＣａＦ、またはＢａＦｚを鉄基粉末混合物 に添加することを明らかにしている。しかしながら、この日本特許出願によれば 、鉄または鋼の組成物に添加される際、フッ化物は遊離した状態でなく、黒鉛に 完全にまたは部分的に付着していなければならない。黒鉛にｆ１着したフッ化物 を使用する目的は、黒鉛が鉄付活に完全に溶解してしまうのを防ぐためである。

溶解しない黒鉛は、機械加工中に、工具と材料の間に潤滑膜を形成する作用があ る。さらに、前記日本特許出願には、比較的粗い炭素粒子を添加するよう明記し であるが、このことは最終部品の強度に悪影響を及はす。従って、日本特許出願 は、遊離フッ化物粒子か切削性を改善することについて何ら示唆しない。本発明 か、この日本特許出願の発明に勝る点は、本発明においては炭素を使用する必要 か全くないので、炭素にフッ化物を吸着させる工程がなくて済むことと、炭素を 添加した方が望ましい場合は微細な炭素粒子を用いることができ、その結果、比 較的高い強度か得られることにある。

前述した添加物の他に、本発明は、添加物を含有する鉄基または鋼基粉末組成物 およびこれらの組成物からなる焼結製品をも含んでいる。これら粉末組成物は実 質的に硬質相材料を含まないことが好ましい。硬質相材料が鉄または鋼の組成物 に含まれている場合、本発明の添加物か顕著な切削性改善効果を発揮しないこと は前もって実験が証明している。ここで使用した用語［硬質相材料」とは、合金 の硬さを実質的に超える　（すなわち、８００マイクロビツカースを超える）硬 さを存する非金属物質を指す。硬質相材料の例としては、炭化物、窒化物、酸化 物および硼化物がある。

本発明の粉末組成物は、鉄と添加物に加えて、従来よりこの種の粉末組成物に含 まれていた他の物質、例えば、Ｃ，ＰｌＣｒｌＭｎｌＣｕｌＮｉおよび（または ）Ｍｏを含有してもよい。これらの物質は粉末組成物に以下の割合で含まれてい るのか好ましい。すなわち、Ｃ０，１〜２ｆｆｉ量％、ＰＯ〜０．６重量％、Ｃ ｒ０〜２５ｆｆｉｆｆｉ９６、ＭｎＯ〜１０重量９６．６００〜５重１％、Ｎｉ Ｏ〜８重量９６およびＭｏ０〜２重足％。そして、前述の添加物は０．１−１． ０重量９６、好ましくは０．３〜０．９重量％含まれる。

本発明の特許の観点によれば、本発明の成立以前には、切削性を改善するために 硫黄を混合していた周知の鉄や鋼の組成物にＣａＦｚとＢａＦ、か用いられる。

しかしなから、硫黄は焼結中に膨張するのに対し、この工程中Ｃａ　Ｆ　２とＢ ａＦｚは実質的に−ｊ法に影響しないので、これらの周知の組成物は硫黄のよう 〜０５重量９６、好ましくはＯ，１〜０．３重量％混合してもよい。

本発明により添加物を用いて、粉末冶金的に部品を製造する方法は、従来のやり 方、すなわち以下の工程を経て行われるのか最も一般的である。基材粉末、すな わち鉄粉または鋼粉は、粉末状の本発明の添加物とともに、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍ。

および選Ｕく的にＣ等の所望の合金元素と混合される。この粉末混合物は、圧粉 成形に先立って、従来の潤滑剤、例えばステアリン酸亜鉛と混合される。ステア リン酸亜鉛は引き続いて行われる焼結に伴って消失する。混合作業は、合金元素 か材料中に均一に混ざるようにして行われる。その後、粉末混合物はプレス機て 圧粉成形され、はぼ最終形状の圧粉体として知られたものに加工される。圧粉成 形は、通常、４００〜８００〜ＩＰａのｍ力の下で行われる。圧粉成形圧力を高 めても、密度たけは増加するか、工具の摩耗が法だしい。圧粉成形圧力かこれよ りも低いと、はとんとの構造要素として使い物にならないほと密度か低くなる。

圧粉成形１＆、圧扮体は焼結され、必要とする強度、硬さ、伸び率等を得るよう にする。

焼結は、Ｃｕか合金元素として使えるように、１０８３°Ｃを超える温度で行わ なけれはならない。材料中の拡散率を高め焼結時間を短縮するには、最高温度か 好ましい。しかしなから、はとんどの生産炉では１１５０°Ｃ以下の温度でしか 扱えない。現在、ｉｎ用されている焼結温度は１１２０°Ｃである。この温度の 下では、３０分の焼結で概ね好ましい特性か得られている。

以下、本発明を幾つかの非限定的実施例に基づいて説明する。

これらの実施例で用いられる材料の全ては、Ｃａ　Ｆ　２とＢ　ａ　Ｆ　ｘを除 き、スウ工−デン国、ホガナス・アクチボラゲットから市販されているものを使 用できる。

Ｃａ　）　ｘは、スウェーデン国、インデスコ・アクチボラゲットの供給する高 純度（ＣａＦ２９９％）の高品位蛍石であり、またＢａＦａは独国、カリケミ・ アクチェンゲゼルシャフトから供給されている。以下の実施例における材料は全 て、６００ＭＰａでＩＳＯ２７４０−１９７３に則る標準引張り試験棒と、直径 ５０ｍｍ、厚さ１２ｍｍの円盤に圧粉成形しである。材料は、実験用網ベルト炉 内で、０．５％相当の炭素ポテンシャルを有する吸熱性雰囲気にて３０分間、１ １２０°Ｃて焼結した。試験棒を使用して、ＥＮ−１０００２−１による引張り 強さ、ＩＳＯ６５０７／１−１９９２による硬さと寸法変化を測定した。穿孔試 験には円盤を使用し切削性指数をめた。この切削性指数とは、６つの同しドリル が摩耗してしまうまでに６つの円盤に開けることのできる穴の数の平均値として められる。穿孔作業は、一定速度／一定送りの高速トリルにより冷却剤を用いず に行った。

全ての試験には、Ｎｉ４％、Ｃｕ１．５％、Ｍｏ０．５％、Ｃ０１５％および残 部としてのＦｅから成る高強度の鉄基材料の試験材料を使用した。この試験材料 は、以下に特定した条件で圧粉成形し焼結した後、約７００ＭＰａの強度および 硬さ約１（Ｖ２Ｏ３を存していた。

実施例１ 前記試験材料には、ＣａＦｚ／ＢａＦ２粉末とＭｎＳ粉末を含む３種類の粉末組 成物を混合した。Ｃａ　Ｆ　２とＢ　ａ　Ｆ　２の粉末はフッ化物の共晶混合物 から成る。

この粉末は、最初に１１５０°Ｃて溶融され、その後、粒径はぼ１００μｍ未満 の粉末に粉砕された。３種類の粉末混合物は、０．２重量％ＣａＦ＊　／ＢａＦ ２＋０．４重量９６Ｍｎ５．０４重量％ＣａＦｚ　／ＢａＦｚ　＋０．４重量％ ＭｎＳ。

および０．４重量％ＣａＦｚ　／ＢａＦｔ　＋０．２重量％ＭｎＳである。使用 した基準材料は、ＭｎＳを０．５重量％添加した材料と何も添加しなかった材料 である。それぞれの混合物は圧縮力６００ＭＰａて圧粉成形され、その後、ベル ト炉内で、０．　５％相当の炭素ポテンシャルを存する吸熱性雰囲気にて３０分 間、温度１１２０°Ｃて焼結した。圧粉成形作業により、材料は粉体冶金材料の 標準引張り試験棒と、直径５０ｍｍ、厚さ１２ｍｍの円盤に粉体成形した。その 後、焼結した円盤の穿孔試験を行なった。この試験では、ドリルか摩耗してしま うまて１＝各円盤に形成した穴の数を用い、材料の切削性を測定した。高速鋼ト リルを使１■し、ドリル送りは冷却剤を用いずに一定速度で行われた。引張り試 験棒は、引張り試験により通常の方法で評価した。第１ａ図、第１ｂ図は、それ ぞれ穿孔試験と引張り試験から得た結果を示している。第１ａ図から明らかなよ うに、基準材のフッ化物を含む化学化合物か粉末添加剤に必要である。第４ｂ図 を見れば、各種の切削性添加剤による強度変化の程度が明らかである。図面から 明らかなように、フッ化物を含む切削性改善添加剤の強度に及はす影響は、Ｍｎ Ｓだけを含む添加剤に比べて小さい。

実施例２ 前述の試験材料に対し異なる重量比をもって、０．６重量％のＣａＦ２／Ｂ　ａ 　Ｆ　２および０．　２重量％のＭｎＳからなる粉末組成物が混合された。先ず 、ＣａＦｘ／ＢａＦ２扮末とこれに混入したフッ化物を共に溶融し、その後、こ れを粉砕して所定重徴比の粉末が作られた。ＣａＦｚ／ＢａＦｚ粉末は、粒径は ぼ１００μｎ〕未満を有する。使用した基準材料は実施例１のものと同してあっ た。

混合物を圧粉成形し、実施例１と同じようにして焼結して試験を行なった。第２ ａ図、第２ｂ図は、試験による測定結果を示す。第２ａ図から明らかなように、 本発明の材料は、基準材料に比べて切削性添加剤に向上した。第２ｂ図は、本発 明による添加剤は、強度に及ぼす影響の小さいことを示している。

実施例３ 前述の試験材料に対して、（粉体組成物の総重量を基に）０．３〜０．９重量％ ＣａＦｔ／ＢａＦｔの範囲て変化する添加剤からなり、また共晶組成を有する粉 体か混合された。鉄基粉末組成物に混ぜる前に、先ずＣａ　Ｆ　ｚ　／　Ｂ　ａ 　Ｆ　２粉末を互いに溶融し、その後に粉砕して粉末にした。使用した基準材料 は、実施例１のものと同じ材料である。混合物は圧粉成形され、実施例１と同し ようにして焼結した。第３ａ図、第３ｂ図は、試験による測定結果を示している 。第３ａ図から明らかなように、本発明の材料は基準材料に比べて切削性か大幅 に向上した。

第３ｂ図は、本発明の粉末を鉄基粉末混合物に添加した場合、強度に及はす影響 の非常に小さいことを示している。

実施例４ 前述の試験材料には、共晶組成のＣａ　Ｆ　２　／　Ｂ　ａ　Ｆ　ｘか０．３〜 １．　１重量％の範囲で変化する添加剤からなる粉末組成物を混合した。この粉 末組成物は、粉末組成物の総重量を基に０２重量％のＭｎＳと共に溶融し、その 後に粉砕して粉末にした。使用した基準材料は、実施例１のものと同し材料であ る。混合物は圧粉成形され、実施例１と同じようにして焼結した。第４ａ図、第 ４ｂ図は、試験による測定結果を示している。第４ａ図から明らかなように、本 発明の材料は周知の添加剤に比へて切削性か大幅に向上した。ＣａＦｔ／ＢａＦ ｔと共にＭｎＳを添加すれば全く予期しなかった相乗効果か得られ、従来から使 用してきた混合物に比へて切削性か改善される。第４ｂ図は、本発明による粉末 を鉄基粉末組成物に添加した場合、強度には大きな影響のないことを示している 。ＭｎＳはそれ自身か強度を高める効果かあるため、他の添加剤に組み合わせて 鉄基混合物にＭｎＳを添加すれは顕著な効果が帰られる。

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Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．事実上、硬質相材料を含まない鉄粉または鋼粉から作られた焼結晶の切削性 を改善する材料であって、この材料が、事実上、フッ化カルシウムとフッ化バリ ウムの化合物の粉末から成り、これらフッ化物の粒子が黒鉛に付着しておらず、 選択的に、事実上Ｓ（硫黄）が存在しない１またはそれ以上の切削性改善剤と組 み合わされることを特徴とする材料。
2. ２．請求項１に記載された材料において、フッ化カルシウムとフッ化バリウムの 化合物は溶融により作られることを特徴とする材料。
3. ３．請求項１または請求項２に記載された材料において、フッ化カルシウムとフ ッ化バリウムの重量比が２０：８０〜６０：４０であることを特徴とする材料。
4. ４．請求項２から請求項３までのいずれか１項に記載された材料において、溶融 粉末が、共晶組成、すなわち、約３８重量％のフッ化カルシウムと約６２重量％ のフッ化バリウムを含むことを特徴とする材料。
5. ５．請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された材料において、当該 材料が、フッ化カルシウムとフッ化バリウムの総重量を基であって、多くとも３ ０重量９６、好ましくは、多くとも２０重量％のＭｎＳを含むことを特徴とする 材料。
6. ６．改善された切削性を有する製品に圧粉成形し焼結される、事実上、硬質相材 料を含まない、０．１〜１．２重量％のＣ、０〜０．６重量％のＰ、０〜２５重 量％のＣｒ、０〜１０重量％のＭｎ、０〜５重量％のＣｕ、０〜８重量％のＮｉ および０〜２重量％のＭｏを含む鉄基粉末組成物であって、切削性改善添加剤と してフッ化カルシウムとフッ化バリウムの粉末化合物を０．１〜１．０重量％含 むことを特徴とする鉄基粉末組成物。
7. ７．請求項６に記載された組成物において、切削性改善添加剤が、さらに、フッ 化カルシウムとフッ化バリウムの総重量の多くとも３０重量％、好ましくは、多 くとも２０重量％の量のＭｎＳを含んでいることを特徴とする組成物。
8. ８．請求項６または請求項７に記載された組成物において、０．０５〜０．５重 量％、好ましくは、０．１〜０．３重量％のＭｏＳ２を含むことを特徴とする組 成物。
9. ９．改善された切削性を有し、事実上、硬質相材料を含まない焼結製品であって 、当該製品は、ＣＯ，１〜１．２重量％、ＰＯ〜０．６重量％、ＣｒＯ〜２５重 量％、ＭｎＯ〜１０重量％、ＣｕＯ〜５重量％、ＮｉＯ〜８重量％およびＭｏ０ 〜２重量％、そして０．１〜１．０重量％のフッ化カルシウムとフッ化バリウム の化合物粉末を、選択成分としての、切削性改善添加剤であるＭｏＳと共に含む 焼精製品。