JPS58126958A - 鋳鉄組織を有する焼結材料及びその製造方法 - 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】 この発明は、粉末冶金法によって得られる鋳鉄組織を有
する焼結材料、及びその製造方法に関するものである。

現在、耐摩耗性、被削性、振動吸収能等にすぐれた特性
を有する普通鋳鉄が、価格も安いということとも相俟っ
て、機械部品として多方面に幅広い用途を有しているが
、鋳鉄のこのすぐれた特性は、主として均一にかつ多量
に分散した遊離黒鉛によるものであることが知られてい
る。例えば、鋳鉄製の摺動材にあっては、遊離黒鉛が摺
動面に固体潤滑剤として作用して減摩効果を発揮すると
ともに、遊離黒鉛の残留孔が油溜９として保油に役立つ
ものであシ、また切削加工時には細かく分布した遊離黒
鉛がチップブレーカ−となって被剛性を向上させるとい
う役割をも担っているのである。

また、鋳鉄部品の製造は鋳造法に頼らざるを得なかった
ために、粉末冶金法に比して量産性に劣るという本質的
な問題点をも抱えていた。

これまでも、鋳鉄の有するすぐれた諸性質を備えるとと
もに、粉末冶金の量産性をも兼ね備えた焼結材料及びそ
の製造法に関する研究は種々試みられてきていたが、次
に示すような理晶から成功するに至らなかったのである
。すなわち、（ａ）　　鉄系合金に黒鉛を多量に（鋳鉄
なみに３重量％程度）添加し、焼結すると、セメンタイ
トが析出して基地が硬くなり、機械的特性が低下し、焼
結温度を下げればセメンタイトの析出は防げるが強度が
得られない。

（ｂ）　　Ｓｉのような黒鉛化安定元素を添加してセメ
ンタイトの析出を防ぐ方法が考えられるが、ＳｌをＦｅ
中に拡散固溶させる条件は、約１２００℃以上の加熱を
要するなど、通常の鉄系焼結材料の焼結温度に比しては
るかに高い温度が要求されることから製造コストが高く
なるうえ、焼結雰囲気を厳しくコントロールしないと８
１を酸化させてしまう恐れがある。

そこで本発明者等は、上述のような観点から、通常の鉄
系焼結材料の製造条件の下で、パーライト相、及びフェ
ライト相からなる基地に遊離黒鉛が分散した鋳鉄組織を
有する材料を粉末冶金法によって得べく研究を行なった
結果、鉄系焼結原料中のＳｉ源たるフェロシリコン粉末
の粒度を特定の　嘩範囲に調整するとともに、Ｃ及びＳ
ｉ原料の組成範囲を適当に選択することによってその目
的を達成できることを見出し、先に特願昭５６−１１６
４６９号（以下先行発明という）として、１５〜７５％
（以下チは重量％とする）の８１を含有し、かつ平均粒
径が１〜１０μｍのフェロシリコン粉末を８１量で０８
〜２．５％と、平均粒径２０μｍ以下の黒鉛粉末の２〜
５チと、鉄粉とからなる配合組成を有する原料粉末を均
一に混合し、通常の粉末成形方法で成形した後、還元性
雰囲気中にて所定温度で焼結することからなる、焼結材
料の製造方法を提案した。

しかしながら、昨今のこの種材料に対する要求にはさら
に厳しいものがあシ、本発明者等も、前記先行発明によ
って得られる鋳鉄組織を有する焼結材料よりもより強度
及び耐摩耗性にすぐれ、さらに加工性の面から考えて被
剛性も良好な鋳鉄組織の焼結材料、並びにその確実で高
能率的な製造法を見出すべく、さらに研究を重ねたとこ
ろ、先行発明に使用するのとほぼ同じ組成′の原料中に
、特定量のＣｕ及びＰを添加して焼結を行なうと、添加
されたＣｕ成分によってもたらされる基地を強化し、パ
ーライトを安定化させる作用によって焼結材料自体の耐
摩耗性が一段と向上し、また、添加されたＰ成分によっ
てもたらされる基地を強化し焼結を促進させるという作
用によって焼結材料自体の強度及び耐摩耗性が一層向上
するにもかかわらず、その被剛性が何ら損なわれること
がないとの知見を得るに至ったのである。

したがって、この発明は上記知見にもとづいてなされた
もので、焼結材料を、Ｓｉ：０．８〜３．０係。

Ｃ：１〜５％、　Ｃｕ：　１〜４％、　Ｐ　：　０．０
２〜０．４０％、’Ｆｅ及び不可避不純物：残りからな
る組成で構成するとともに、その組織を、遊離黒鉛、フ
ェライト相、及びパーライト相からなる鋳鉄組織とする
ことによって強度及び耐摩耗性に特にすぐれるとともに
、被剛性や振動吸収性にもすぐれた特性を付与せしめた
ことに特徴を有するものであシ、さらには、１５〜７５
チの８１を含有し、かつ平均粒径が１〜１０μｍのフェ
ロシリコン粉末：Ｓ１量で０．８〜３．０％と、平均粒
径２０μｍ以下の黒鉛粉末：１〜５％と、銅粉：１〜４
チとを含有するとともに、さらに、６〜１２％のＰを含
有するＣｕ−２合金粉末および０３〜２８％のＰを含有
するＦｅ−２合金粉末のうちの１種以上：Ｐ量で０．０
２〜０４％と、残りが鉄粉とからなる配合組成を有する
原料粉末を均一に混合し、通常の粉末成形方法で成形し
た後、還元性雰囲気中で、１０５０〜１１６０℃の温度
範囲にて焼結することによって、遊離黒鉛、フェライト
相、及びパーライトからなる鋳鉄組織を有する焼結材料
を製造し得るようにしたことに特徴を有するものである
。

すなわち、上記のような焼結によって鋳鉄組織を有する
材料が得られるのは、鉄系焼結原料中のＳ　ｉ　源りる
フェロシリコン粉末の粒度な特定の範囲に調整すると、
焼結原料鉄粉粒子表層に８１成分が均一に分布し、該Ｓ
１が焼結時に酸化することなくＦｅ中に固溶してＦｅの
α相を安定化させると共に、Ｆｅ粒子間の拡散を早め、
したがって、焼結が促進されるという事実や、Ｃ及びＳ
１原料の組成範囲を適轟に選択することにより、約１０
５０℃の加熱温度でγ相となったＦｅ粒子がＣの固溶限
を増し、そして、Ｃ粉末の粒度を特定値以下に規制する
ことにより、ＣがＦｅ粗粒中容易に拡散するようになり
、ついでＦｅ中に固溶したこれら周辺の微細なＣが、冷
却過程で８１の黒鉛化促進作用によって空孔や未固溶の
黒鉛を核として析出し、最終的には、遊離黒鉛のまわり
に８１−フェライト相があり、さらにその外側にパーラ
イト相のある、いわゆる鋳鉄組織が得られるという技術
的理由によるものである。

なお、上記焼結材料の製造に使用する鉄粉としては、粉
末冶金用原料として通常使われているものが好適であり
、粉末の成形には通常の条件、例えば４〜６　ｔｏｎ／
ｃｙ＋を程度の成形圧力が適用され、また焼結の際の還
元性雰囲気としては、例えばアンモニア分解ガスが好適
である。さらに、原料中に添加する銅粉や、Ｆｅ−Ｐ合
金粉、Ｃｕ−Ｐ合金粉も、均一な混合が可會ビであれば
どのような粒度のもの　　　。

でも採用できる。

ついで、この発明の焼結材料、並びにその製造方法にお
いて、焼結材料の成分組成範囲、フェロシリコン粉末中
の８１含有量、フェロシリコン粉末の配合量、黒鉛粉末
の配合量、Ｆｅ−Ｐ合金中のＰ含有量、　Ｃｕ　−Ｐ合
金中のＰ含有量、Ｆｅ−２合金粉末及びＣｕ−２合金粉
末の配合量、フェロシリコン粉末及び黒鉛粉末の平均粒
径、及び焼結温度を上記の通シに限定した理由を説明す
る。

■　焼結材料の８１含有量 Ｓ１成分には、焼結材料の強度を向上させ、被削性を改
良する作用があるが、その含有量が０．８％未満では前
記作用に所望の効果が得られず、一方３．０％を越える
と逆に強度低下をきたすことから、その含有量を０８〜
３．０％と限定した。

■　焼結材料のＣ含有量 Ｃ成分の含有量が１多未満では鋳鉄に匹適する摺動特性
を持たせることができず、一方５チを越えて含有させる
と均一な配合が困難となシ、また強度低下も著しくなる
ことから、その含有量を１〜５％と限定した。

■　焼結材料のＣｕ含有量 Ｃｕ成分には、焼結材料の基地を強化し、パーライトを
安定化させる効果によって強度及び耐摩耗性を向上させ
る作用があるが、その含有量が１チ未満ではその効果が
明瞭に現われず、一方４％を越えて含有させてもぐれ以
上の効果の向上は認められず、不経済でもあるので、そ
の含有量を１〜４％と限定した。

■　焼結材料のＰ含有量 Ｐ成分には、焼結材料の基地を強化し、焼結を促進させ
ることによって強度及び耐摩耗性を向上させる作用があ
るが、その含有量が０．０２％未満では前記作用に所望
の効果が得られず、一方０．４０チを越えて含有させる
と基地が硬化して被剛性が悪くなることから、その含有
量を０．０２〜０４０チと限定した。

■　原料のフェロシリコン粉末中のＳｉ含有量焼結金属
中へのＳｌ源としてのフェロシリコン粉末中の８１含有
量が１５％未満では、フェロシリコン粉末が軟かくなっ
て粉砕するのが難しく、一方７５％を越えるとフェロシ
リコン粉末としての量、すなわち添加Ｓｌ量に規制され
てフェロシリコン粉末の配合総量が少なくなシ、鉄粉表
面への十分なまぶし被覆ができなくなることから、その
含有量を１５〜７５％と限定した。

■　原料のＦｅ−Ｐ合金粉末中のＰ含有量Ｐの含有量が
０．３〜２８チ程度のＦｅ−Ｐ合金が、市場で入手でき
る一般的なものであるうえ、Ｐの含有量が０．３％未満
では粉末添加量を多くすることが必要となって成分調整
が困難となるのに対して、その含有量が２８％を越えた
組成のものは、製造が極端に難しくなることから、その
含有量を００３〜２８％と限定した。

■　原料のＣｕ−Ｐ合金粉末中のＰ含有量Ｐの含有量が
６チ未満では、所定のＰ添加量に対してＣＵの添加量が
多くなりすぎて不経済であシ、一方１２％を越えて含有
させたＣｕ７Ｐ合金は、その製造が極端に困難となるこ
とから、その含有量を６〜１２％と限定した。

■　原料への、フェロシリコン粉末、黒鉛粉末。

Ｆｅ−Ｐ合金粉末、及びＣｕ−Ｐ合金粉末の配合量 焼結の際に、配合原料各々間の相対的な目減りがほとん
どないので、前記所定の成分組成の焼結材料が得られる
ように、その配合量を、フェロシリコン粉末＝Ｓｌ量で
０．８〜３．０％、黒鉛粉末：１〜５％、銅粉：１〜４
％、Ｆｅ−Ｐ合金粉末及びｃｕ−Ｐ合金粉末＝Ｐ量で０
．０２〜０．４０％と限定した。

■　フェロシリコン粉末の粒径 配合するフェロシリコン粉末の平均粒径が１μｍ未満で
は、この粉末原料の酸化が早まって取扱いが困難となる
のに対して、その平均粒径が１０μｍを越えると鉄粉粒
子への拡散が遅くなってα相の形成が遅れ、機械的特性
が低下するようになることから、その平均粒径な１〜１
０μｍと限定した。

［相］　黒鉛粉末の粒径 配合する黒鉛粉末の平均粒径が２０μｍを越えると比表
面積が小さくなって鉄粉粒子内への拡散　ｉが遅くなる
こ左から、その平均粒径を２０μｍ以下と限定した。好
ましくは、この平均粒径が１５μｍ以下が最適である。

■　焼結温度 焼結温度が１０５０’ｃ未満では、Ｓｉの多くが未拡散
で残るので得られた焼結材料に十分な強度が期待できず
、一方１１６０℃を越えると組成によっては液相が出始
めて焼結材料の変形が起きることから、その温度を１０
５０〜１１６０℃と限定した。

つぎに、この発明を実施例によフ比較例と対比しながら
説明する。

実施例 それぞれ第１表に示される原料粉末を用意し、これら原
料粉末を第１表に示される配合組成に配合し、混合して
から４ｔｏｎ／ｃ＋＋ｔの圧力で圧粉体に成形し、つい
でこれらの圧粉体をアンモニア分解ガス雰囲気中、同じ
く第１表に示される温度で焼結することによって、実質
的に配合組成と同デの成分組成をもち、かついずれも１
ＯＩＫＸＩＯ關×５Ｏｎの寸法を有する本発明焼結材料
１〜２１及び比較焼結材料１〜５を製造し、さらに、溶
製したＦｅ１２の従来の鋳鉄も用意した。

そして、これら材料のそれぞれについて、引張強さ、摩
擦摩耗特性、及び被剛性を測定し、その結果も併せて第
１表に示した。

なお、摩擦摩耗特性は、ピンオンディスク型試験機にて
、上記各種焼結材料及び溶製の従来鋳鉄よシ形成したピ
ンを使用し、かつ５４５Ｃのｃｒメッキ材で作ったディ
スクを用い、速度：１ｍ／ｓｅｃ。

荷重：６ｋｇｆ／ｃ！ｔの条件で試験し、試験後の比摩
耗量を測定することによって評価し、被剛性能は、５、
５　、、厚の試料を直径３．２　、、φのキリで貫通す
るに要する時間で示したもので１）、キリの材質：高速
度鋼２回転数：　４０　Ｏｒｐｍ、押付カニ５ｋｇｆと
いう条件下で測定したものである。

第１表に示される結果から、本発明焼結材料１〜２１は
、Ｃδ及びＰを含有しない比較焼結材料１〜５に比して
、被剛性がほとんど同等の状態で、強度及び耐摩耗性が
一段と改善されていることが明らかであり、また本発明
焼結材料１〜２１のもつ特性は、溶製の従来鋳鉄に比し
て、被剛性はほぼ同等であるが、強度及び耐摩耗性につ
いては著しくすぐれているものである。

上述のように、この発明によれば、比較的簡単な操作で
、鋳鉄組織を有する焼結材料をコスト安く製造すること
ができるので、鋳鉄と同等の緒特性を有する機械部品は
勿論のこと、小物で複雑な形状の機械部品をも能率良く
量産できるなど工業上有用な効果がもたらされる′ので
ある。

出願人　三菱金属株式会社 代理人　　富　　１）　和　　夫

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　Ｓｉ　：　０．８〜３．０％、Ｃ：１〜５チ
   、 Ｃｕ：１〜４チ、 Ｐ　：　０．０２〜０．４０％、 Ｆｅ及び不可避不純物：残シ、 （以上重量俤）からなる組成を有するとともに、遊離黒
   鉛、フェライト相、及びパーライト相からなる鋳鉄組織
   を有することを特徴とする焼結材料。 （２１１５〜７５チの８１を含有し、かつ平均粒径が１
   〜１０μｍのフェロシリコン粉末：　Ｓｉ　量で０８〜
   ３．０チ、 平均粒径２ｏμｍ以下の黒鉛粉末：ｌ〜５チ、銅粉：１
   〜４％、 を含有するとともに、さらに、 ６〜１２チのＰを含有するＣｕ−Ｐ合金粉末及び０．３
   〜２８％のＰを含有するＦｅ−Ｐ合金粉末のうちの１種
   以上：Ｐ量で０．０２〜０．４０チ、を含有し、 鉄粉：残シ、 （以上重量％）からなる配合組成を有する原料粉末を均
   一に混合し、通常の粉末成形方法で成形した後、還元性
   雰囲気中で１０５０〜１１６０℃の温度範囲にて焼結す
   ることを特徴とする、遊離黒鉛、フェライト相、及びパ
   ーライト相からなる鋳鉄組織を有する焼結材料の製造法
   。