JPS5838481B2 - 粉末熱間鍛造部品の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、優れた機械的性質を有する粉末熱間鍛造部品
の経済的な製法に関する。

粉末熱間鍛造技術は、焼結体の空孔を潰し、強度、靭性
を向上させる有効な方法として古くから知られている。

特に鉄系材料の粉末熱間鍛造による製法は、数多くの研
究と実用化への開発が行われた。

従来、本方法における最大の問題点は、製品の市場に３
ける価格競争力が弱い、即ち、製法の経済性にあった。

溶製鋼材に匹敵する高強度を得る為には、高価な原料粉
を用い、高価な製造法に依らねばならなかった。

従って、粉末熱間鍛造の実用化には、製品の経済性の向
上に寄与する安価な原料粉末と、安価な工程が待望され
ていた。

一方で、資源の有効利用、エネルギーの節減が叫ばれる
様になり、産業廃棄物として大量に排出される切削切粉
の粉末冶金への利用が提唱された。

切削切粉は、準鉄金属、鋼材、鋳鉄等の多種多様なもの
があり、特にその内でも鋳鉄切粉が取り扱いの容易さか
ら注目された。

切粉は、その捷１の姿で固められたり、種々の方法で粉
砕された後、型押成形され、熱間鍛造を施された。

この方法に耘いては、原料コスト、製造工程コスト共、
比較的安価ではあったが、最終的に得られた鍛造品は鋳
鉄と大差がなく、従って粉末熱間鍛造品として市場の求
めている諸性能を満足し得なかった。

この様に、一方では安価な原料、安価な工程が望１れて
おり乍ら、その要求にかなう製法は存在せず粉末熱間鍛
造品の普及も進んでいない。

本発明者らは、この様な安価で強度特性の優れた粉末熱
間鍛造品を実現すべく探索を重ねた結果、鋳鉄切削切粉
粉砕粉の熱間鍛造体が強度的に劣るのは、粒界に督ける
酸化物の介在と組織中に含有される片状黒鉛片と、その
周囲の空孔に原因があり、これらを低減出来るならば、
基地相の合金元素の強化能によって、充分強度の優れた
材料となり得ると考えた。

基地組織中の黒鉛粒子を除去するには、化学的な方法、
熱的な方法、機械的な方法と種々考えられたが、余分な
工程を含めることによって経済性が損われることを防ぐ
為、粉砕工程に耘ける粉砕条件の選択と粉砕粉の分級条
件の選択によって、黒鉛の除去率を高めることが出来、
全炭素量として１〜２φの粉末を得ることが可能となっ
た。

即ち、母材中に３係近く含有される球状黒鉛粒子を粉砕
し、微細な粉末粒子として基地相より除去し、比重及び
粒度の違いを利用して連続的に分級除去することが可能
となった。

この様にして得られた低黒鉛粉末を、母材鋳鉄の比重の
８０〜８５係の密度に予備成形した。

この比重の範囲は成形体の空孔率として、脱ガス性と強
度面から最適の範囲となる値を選んだものである。

予備成形体は、加熱中の表面脱炭中、搬送中の表面酸化
を防ぐ為に更に熱間鍛造用潤滑剤を塗布された。

鍛造の為の予備加熱条件は （ａ） 遊離黒鉛をオーステナイト中に固溶させる。

（ｂ） 粉末粒子を充分焼結させ、塑性加工能を高め
る。

（ｃ） 粉末中の酸化物を還元減少させる。

ことが必要条件である。

第１図に示した加熱温度と焼結の進行度合の尺度として
選んだ強度の関係から、本発明にむいて、原料粉末に対
して還元性である雰囲気中で母材鋳鉄の融点以上の温度
に１で加熱することが最良の結果を得る条件であること
を見出した。

こ＼に釦いて、母材鋳鉄の融点以上に加熱しても、予備
成形体が融解しないのは、前記粉末の低黒鉛化処理法に
よって、もはや粉末の融点が高温に変化していること、
及び加熱過程に卦いて黒鉛がオーステナイトに固溶し、
黒鉛と鉄合金との共晶温度に達した時には、僅かな黒鉛
粒子しか残留していないことの２つの理由による。

この様に母材の融点以上に加熱した場合に成形体が形部
れを発生することなく、逆に極めて優れた性能を示すこ
とは全く新しい知見である。

この加熱の時間は、前記３条件即ち、炭素のオーステナ
イトへの固溶と、粒子の焼結と、酸化物の還元にとって
、必要欠くべからざるものであり、従来の誘導加熱によ
る成形体鍛造方法等とは本質的に異なるものである。

この時間は予備成形体の形状や大きさによっても左右さ
れる為、小さい物の場合は２分間、内部１で均一に加熱
するのに時間のか＼る物の場合には１５分間程度が必要
である。

しかし乍ら次に述べる鍛造条件の制約により、いたづら
に長時間の加熱は望１しくない。

又雰囲気は原料粉末に対して還元性であることが必要で
、この条件によって、はじめて均一な組織を有する鍛造
体が得られる。

鍛造条件の制約は （ａ） 金型の強度を越えない温度であること（ｂ）
金型の摩耗、焼付きが著しくならないこと（ｃ）潤
滑剤が劣化して摩擦が大きくならないこと（ｄ） 成
形体の内部が均一な相であることである。

従って、前記加熱条件は、直接鍛造するには不適切な温
度条件であり、その中間に温度調整処理が必要である。

本発明では、この両者の条件を満足させる為に、９００
〜】１５０°Ｃの温度範囲が得られる調節帯を設けるこ
とにより少なくも、高温加熱された予備成形体の表面温
度が前記温度範囲内に制御され、金型の強度、寿命を損
うことなく、良好な鍛造処理を行うことを可能ならしめ
た。

更に本鍛造処理にわいて、元の母材鋳鉄比重の１００〜
１１０饅の比重の鍛造品が得られることを見出した。

即ち、母材鋳鉄中に含有されていた黒鉛粒子が大巾に除
去されていること、及び黒鉛粒子と基地相との間に存在
する空隙が減少し、しかも鍛造によって空隙が潰される
ことにより、極めて緻密な材料を得ることが出来る。

この場合、鍛造圧力を高め、含有炭素量を低下させるこ
とにより、最高１１０％の比重１で実測することが可能
であるが、実用的には１０５％程度の比重の鍛造体を得
るのが望ましい。

１ｏｏ％以下になると実際には空孔や空隙が目立つ様に
なり、強度、靭性が低下するので車重しくない。

この様にして得られた鍛造体は、見掛上高笛度化されて
いるが、粒子と粒子の圧着面においては微量の酸化物膜
が存在して、原子的な結合が必ずしもなされておらず、
その１＼の状態で使用した場合機械的強度特性が充分で
ない。

この為、鍛造体を加熱焼結し、固溶炭素によって酸化物
を還元することにより、圧着面において拡散焼結を充分
行わしめる必要がある。

この焼結は、オーステナイト領域で行わなければ効果が
なく、より望１しくは炭素の最大固溶限を示す温度附近
で行うことが良い結果を得る。

この場合の雰囲気ガスとして、従来は水素ガスやアンモ
ニア分解ガス等、いわゆる原料粉末に対して還元性の高
価なガスが必要とされていたが、本発明は、その様なガ
スは不要であり、より経済性の高いブタン変成ガスの様
な原料粉末に対して弱酸化性のガス中にむいて、必要且
つ充分な拡散焼結効果の得られることを見出した。

この発明によって高価な雰囲気炉で焼結したり、鍛造後
の拡散焼結せざるを得なかった問題点が解決され、鍛造
のプロセスコストを大巾に低減することが可能となった
。

なち・本発明に釦いて、選ばれるべき材質組成は、実質
的にＦＣＤ鋳鉄切粉の組成であるところのＳｉ ２〜３
％ 、 Ｍｎ０．２〜０．９ ％及び、前述した黒鉛
含有量の低減による効果から、特許請求の範囲に記した
領域を決定した。

実施例 ＦＣＤ球状黒鉛鋳鉄（Ｆｅ −２，６％Ｓｉ −０，８
％Ｍｎ−３，２％Ｃ）の切削切粉を高速・・ンマーミル
によって微粉砕し、サイクロンによって含有黒鉛微粒子
を除去分離し、−６０メツシユの粉末を得た。

得られた粉末の炭素量は全炭素量１．７％、遊離炭素量
１．６優であった。

この粉末を］ ＯＸＩ Ｏ１×５５山の短冊形状に圧縮
成形し、５．７ｇ／ＣＣ（母材比重の８０係）の比重を
得た。

この成形体に熱間鍛造用潤滑剤を塗布した後、１２００
°Ｃ１０分間、水素ガス中で加熱後、直ちに１０５０℃
に制御された保持炉に投入し、５分後に金型内で鍛造し
７．５５ｇ／ＣＣの密度を得た。

鍛造体を更に１１３０°Ｃ２０分間ブタン吸熱性変戒ガ
ス吸熱性教戒結した後、焼入れ焼戻し処理を行い強度特
性を測定した。

従来法との比較を第１表に示す。表中、従来法Ａ−Ｄは
以下の内容である。

Ａ：本発明の工程に更に前工程として水素ガス中１１３
０℃２０分間焼結を加え、一旦冷却後１０５０°Ｇに窒
素中で再加熱するいわゆる焼結鍛造方法 Ｂ：本発明の工程から拡散焼結工程を除いた工程による
もの Ｃ：本発明の工程から拡散焼結工程を除き、前工程とし
て焼結工程を加えたもの Ｄ：市販されているＦＣ鋳鉄切削切粉を原料とした粉末
熱間鍛造体 Ｅ：本発明の工程における拡散焼結雰囲気が水素ガスで
ある工程によるもの いずれも熱処理後の硬さをＨＲＣ４０に揃えて強度を比
較した。

従来必要とされていた鍛造加熱前一旦冷却する前焼結工
程は、Ａと本発明によるものとの比較で明らかな如く全
く必要でない。

しかし、後工程の拡散焼結は省略するとＢの如く性能が
劣化するので不可欠な条件である。

又、例え前焼結を加えても、後工程の拡散焼結を省略す
ると、Ｃの如く良好な性能は得られない。

又、本発明の原料調製法に依らない場合には、いかなる
工程をもっても、得られる機械的特性値は、Ｄに示され
た如く、全く低いものであり、粉末熱間鍛造部品として
市場の要求を満たすことは到底不可能である。

又、拡散焼結雰囲気は必ずしも弱酸化性雰囲気に限定さ
れない還元性雰囲気中で、Ｅの如く優れた特性が得られ
ることも明らかである。

以上述べた如く、本発明は、低廉且つ高性能の粉末熱間
鍛造部品を製造する具体的且つ詳細な方法を提示するも
のであり、従来公知の粉末熱間鍛造技術にない独創的且
つ有用な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は加熱温度と焼結の進行度を説明するための図表
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量パーセントで、Ｓｉ ２〜３ ％ 、 Ｍｎ
   ０．２〜０．９ ％ 、 Ｃ１，０〜２．０％残部実
   質鉄よりなる粉末熱間鍛造部品の製法において （ａ）ＦＣＤ鋳鉄を母材とする切削切粉を衝撃作用によ
   って粉砕し、サイクロンによって含有黒鉛微粒子を除去
   分離し、原料粉末の炭素量を１．０〜２．０％に調整す
   ること。 （ｂ） 前記原料粉末を、母材比重の８０〜８５％の
   種度に予備成形し、前記成形量の表面に熱間鍛造用潤滑
   剤を塗布すること。 （ｃ）前記予備成形体を母材融点以上１３００°Ｃ以下
   の、前記予備成形体に対して還元性である雰囲気中で２
   分〜１５分間加熱後少なくも予備成形体の表面温度が９
   ００〜１１５０℃になる様冷却後、金型内で鍛造し、母
   材比重の１００〜１１０％の比重にすること。 （ｄ） 前記鍛造体をオーステナイト化温度以上で前
   記予備成形体に対しては弱酸化性である雰囲気中におい
   て加熱保持し、拡散焼結すること。 以上の各工程段階より成ることを特徴とする粉末熱間鍛
   造部品の製法。