TWI238090B - Raw or granulated powder for sintering, and their sintered compacts - Google Patents

Description

1238090 ⑴ 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域] 本發明係有關燒結用原料粉末，可得到燒結密度高， 且均句特性之改質燒結用低合金鋼微粉末等之燒結用原料 粉末及該燒結用原料粉末經造粒之燒結用造粒粉末，以及 有關使用該燒結用原料粉末或燒結用造粒粉末所得之燒結 體。 【先前技術】 製造燒結零件時，燒結製品所要求之項目，如高密度 尺寸安精度’及種種特性如抗拉強度、硬度、疲勞強度、 衝擊強度、耐磨耗性等之特性，及均勻性，同時滿足密度 、尺寸精度及此等之特性並不容易。 向來得到低合金鋼之燒結體之代表方法，已知預混法 及預合金法。 預混法爲均勻混合鐵粉及金屬粉或合金粉，以此成形 後加熱燒結固熔添加元素之方法。此方法由混合至成形爲 止之階段，鐵粉中混合之添加金屬粉或合金粉因比重差異 而分離’偏析，或燒結時添加元素不能充分進行擴散，有 不均勻之難點，由於燒結體之不均勻性，產生燒結體之強 度或尺寸差異，產生品質上的問題。 在成形階段，得到高燒結密度且均勻特性之燒結體已 知有射出成型燒結法。此方法，一般使用粉末粒徑細之羧 基鋼粉或羧基鎳粉等之羧基金屬粉之混合粉。但是，此等 -5 - (5) 123809ο S i爲製鋼時脫氧之必要元素，爲提高 胃益元素，由燒結用原料粉末之壓縮性觀丨 1 · 〇重量％。 Μ n與S 1同樣爲製鋼時脫氧之必要元 ~ &作用，依含量多時噴霧粉末之氧變高燒 及考慮燒結用原料粉末之壓縮性以低 1 °重量％以下。

Ni爲有利於提高強度及靭性之元素。 時強度及靭性降低無實用性，超過1 0.0重 闻’定爲1.0〜10.0重量％。 其次說明因應必要而添加之元素。上述 末’可選擇至少含有1種Cr 2.0重量％以下 %以下，C u 3.0重量％以下，N b 0 · 1 5〜1 ·( Ti 〇·〇5重量％以下所成。

Cr爲提昇淬火性賦與燒結體高強度之 而添加，其效果於2.0重量％時約略飽和， 變高，故上限爲2.0重量％。

Nb與碳及氮生成結合力強之Nb碳 高結晶微細化及強度效果之元素。存在於 ，結晶粒徑愈小愈容易於燒結中之粒界移 改善燒結密度。 向來，低合金鋼於燒結溫度之組織以 元素之擴散速度慢，又由於結晶粒容易成 性差燒結密度有不能提高之問題。本實施 燒結品強度之 點定爲 0.05〜 素’有提高淬 i結性惡化之觀 者爲佳，定爲 1 .0重量％以下 ί量％則價格變 燒結用原料粉 ，Mo 3.0重量 )重量％以下， 元素，依必要 同時製造成本 ,化合物，具提 i晶粒內之空孔 f消失，依此可 :氏相爲主相， 丨粗大粒，燒結 [態由添加適量 -9- 1238090 (6) 之N b，分佈析出微細N b碳氮化物，同時防止結晶之粗大 化效果，爲得到更高密度之燒結體，N b之添加效果很大 〇 依熱力學溫度愈高Nb碳氮化物之析出量愈低，於 1 2 0 0 °C以上之燒結溫度得到該效果之N b添加量，理想爲 0.15重量％以上。低於0.15重量％時不能充分發揮上述 效果。又，Nb之含量多時成本變高，且添加1 . 〇重量％ 以上時效果飽和，又生成粗大Nb化合物對燒結體產生不 良影響，故上限設爲1 . 〇重量％。

Mo可提高淬火性，爲防止淬火及退火時之軟化，改 善耐鈾性之因應必要而添加之元素。但是，添加量多時製 造成本提高，其效果亦飽和，故定爲3.0重量％以下。 C u與Μ 〇同樣因應改善耐鈾性而添加之元素。但是 ，添加量多時製造成本提高，其效果亦飽和，故定爲3.0 重量％以下。

Ti與Nb同樣形成碳氮化物，依必要而添加，析出 微細之碳氮化物，同時提高燒結密度及強度。 但是，T i含量多時，不僅效果飽和，噴霧時之溶液 噴頭節流有不良影響，依情形噴頭有閉塞之問題，或由於 產生增加粉末氧氣，同時燒結性下降之問題，上限定爲 0.0 5 重量％。 此等燒結用原料粉末之平均粒徑爲8.5 μ m以下，理 想爲8 // m以下。平均粒徑超過8 · 5 // m時，不能得到 9 7 %以上燒結密度之燒結體，由於燒結體中殘留大量閉合 -10- 1238090 (7) 性空孔，不能得到安定特性之燒結體。 平均粒徑愈小燒結密度愈高，可降低燒結溫度。又’ 可防止燒結之結晶之粗大化，可得到高安定特性之燒結11 〇 本實施型態所使用之粘合劑，可列舉如聚乙_酉# (PVA)、聚乙烯吡咯烷酮 （PVP)、硬脂酸、石繼、鱲、_ 朊酸鹼、洋菜、阿拉伯膠、樹脂、蔗糖等。此種粘合劑可 單獨使用一種，或二種以上組合使用。其中亦以結合性高 ，以加熱可脫粘合劑特性高，又低價格的觀點，以聚乙嫌 醇或聚乙烯吡咯烷酮爲理想。 又，本實施型態所使用之粘合劑，不限定於上述之示 例，具作爲粘合劑之機能者，由公知物中依鹼化度或聚合 度適當的選擇使用。 粘合劑之配合量依成形法、使用之合金鋼粉末等而異 ’據此合倂適當調整。因此，粘合劑之配合量，能達成本 發明之效果者無特別的限制。 燒結用原料粉末之製造方法，依預合金法合金元素預 先熔解於鐵中，由其熔湯，可以水噴霧法、或氣噴霧法、 氣噴霧法加水噴霧法等公知之製造法而製造。 又’粘合劑使用以溶劑溶解之溶液（以下以「粘合劑 溶液」稱之）之粘合劑配合量，依合金鋼粉末之粒子形狀 或粒度分佈適當的選擇，無特別的限定，例如相對於1 〇 〇 重量水爲0.5〜1 0重量％，理想之配合量爲1〜5重量％ -11 - (8) 1238090 本實施型態之燒結原料粉末適合使用於壓縮成型、及 射出成型（MIM ·· metal injecti〇n molding)。 (實施型態2)燒結用造粒料末 本實施型態之燒結用造粒粉末，係實施型態丨所說明 之原料用燒結粉末，使用粘合劑造粒所形成。 本實施型態之燒結用造粒粉末，以使用粘合劑溶液所 形成者爲理想。 造粒用之粘合劑，可使用與實施型態1所記載者相同 〇 又，粘合劑溶液所使用之溶劑，例如水，或如甲醇、 乙醇之醇類等溶劑。又，此等之溶劑，可單獨使用一種， 或二種以上組合使用。 壓縮成型燒結用之造粒粉末，依改善流動性或成型性 可達成高塡充率、燒結後之尺寸精度或材質特性良好之燒 結體之觀點，其平均粒徑以1 〇〜1 5 0 // m者爲理想。 本實施型態之燒結用造粒粉末適合使用於壓縮成型、 及射出成型（MIM : metal injection molding)。 (實施型態3 )燒結體之製造方法 本實施型態之燒結體之@ ^方法，係具備製造燒結用 原料（實施型態1之燒結用原料粉末或實施型態2之燒結 用造料粉末）之第1步驟及燒結由上述第1步驟形成所得 之燒結用原料之第2步驟。 -12- 1238090 Ο) 第1步驟之燒結用原料之製造方法，如先前之說明， 此處不再說明。又，因應必要可添加石墨。 第 2步驟至少具備1 200〜1 400 °c，理想爲1 2 5 0〜 1 3 8 0 °C溫度條件之燒結階段爲理想。 由上述溫度條件燒結可得到高密度且鏡面性高的零件 。上述環境之壓力條件，適時的設定爲加壓或減壓，以真 空環境中進行爲理想。以此條件進行燒結時，可防止成型 體或燒結體之氧化。 又，第1步驟所得之造粒粉末成型後，進行燒結前， 事先可含脫脂處理步驟。特別是，進行射出成型時，通常 ，由於比進行壓縮成型使用更多之粘合劑，以脫脂處理爲 理想。最終得到之燒結體，殘留大量粘合劑時，例如，產 生膨脹或龜裂等之不良，粘合劑之成分殘留於燒結體，對 所得之燒結體之型狀有不良之影響。特別是粘合劑等殘留 粘合劑來源之碳元素時，由於耐蝕性顯著下降，必要留意 〇 又，成型及脫脂之方法 條件，無特別的限制，一般 壓縮成型時，爲減少原料粉末間之摩擦或粉末與模具之摩 擦，改善壓縮性之目的，相對於全體原料添加混合〇 . 5〜 1.5 重量％之硬脂酸鉛或阿克拉蠟 （ACRAWAX)等的潤 滑劑，其次以該粉末塡充模具後，上下沖床以2〜8t/ cm2 之壓力壓縮成指定形狀。其次該成型體於氫氣或氨氣環境 中以5 00〜7 00°C加熱〇·5〜2小時，進行脫脂處理。 射出成型時，首先原料粉末配合相對於1 00重量份原 -13- 1238090 (10)

料粉末2〜20重量份、理想爲5〜15重量份聚乙細等之 熱可塑性聚合物樹脂或巴西棕櫚鱲等之粘合劑，及因應必 要之界面活性劑等後，以150〜180°C混練0.5〜1小時。 其次該成型體於氫氣或氨氣環境中以5 00〜7 00 °C加熱〇.5 〜2小時，進行脫脂處理。所得之燒結體之相對密度爲 97%以上，理想爲98%以上，特別理想爲99%以上，相對 密度於上述範圍時，可得到高鏡面性，又耐蝕性、機械性 優之零件。 【實施方式】 [實施例1] C : 0.4 8 重量 ％、S i : 0 · 1 2 重量 ％、Μη : 0 · 3 1 重量 ％ 、Ni : 2.1重量％、Nb : 0.3 1重量％、其餘爲不可避免之 雜質所成之組成之合金元素配合後熔解，由其熔湯以水噴 霧法製造平均粒徑8 ·2 M m之燒結用低合金鋼微粉。此燒 結用低合金鋼微粉添加粘合劑混合，於模具中射出成型後 ，脫脂，於真空環境之燒結爐以1 3 0 0 °C燒結2小時，得 到燒結體。 又，燒結用低合金鋼微粉之平均粒徑’以市售之雷射 反射式粒度分布測定裝置（日本日機股份有限公司製’裝 置名：SRA7995) 測定。 [實施例2] 以實施例1所使用之相同組成之燒結用低合金鋼微粉 -14- 1238090 (11) 爲原料粉末，依以下要領進行造粒。即，於轉動流動造粒 裝置（日本股份有限公司 POWDEX 製，裝置名： MULTIPLEX GRANULAR MP 01)投入原料粉末，連續供 給造粒裝置造粒用之粘合劑造粒，得到平均粒徑爲3 5 # m 之造粒粉末。又，造粒用之粘合劑係以甲醇爲溶劑之聚乙 烯醇（以下以PVA稱之）5重量％溶液，使用含有PVa 有效量爲1重量°/。者。

其次此造粒粉末，添加 1重量％阿克拉蠟 (ACRAWAX LONZA公司製）爲潤滑劑，使用壓榨機，成 型壓力5 t/ cm2成形直徑30 mm，厚度5 mm之圓盤型 試驗片（以下以「圓盤試驗片」稱之），及日本粉末冶金 工業會規格（JPMA Μ 04 - 1 992規定之燒結金屬材料拉 力試驗片（以下以「拉力試驗片」稱之）。 此等試驗片於氨氣分解氣體之環境以4 0 0 °C脫脂，於 真空環境之燒結爐以1 3 0 0 °C燒結2小時，得到燒結體。 [實施例3] 燒結用低合金鋼微粉之組成改爲C : 0.4 2重量％、Si • 0 · 1 5重量％、Μ η : 0 · 2 3重量％、n i : 2 · 0重量％，燒結 用低合金鋼微粉之平均粒徑爲4.5 // m以外，以實施例1 同樣的方法，得到所望之燒結體。 [實施例4 ] 以實施例3所使用之組成相同組成之燒結用低合金鋼 -15- (12) 1238090 微粉作爲原料粉去淮行ί_ r刀禾丫了 ^，平均粒徑爲* 〇 a❿之造粒 粉末以外’與實施例2同樣方法得到燒結體。 [實施例5] 燒結用低合金鋼微粉之組成爲C : 0.32重量。/。、Si : 〇»25 重量 ％、Mn : 〇·23 重量 ％、m : 2 〇 重量 ％、^ · 〇·5 重里 /〇、Nb 0.22 重量％、Mo 〇·5 重量％、（:u 0.23 重量 ％ 、T! 0.02重量％，燒結用低合金鋼微粉之平均粒徑爲6 5 # m以外’以實施例丨同樣的方法，得到所望之燒結體。 [實施例6] 以實施例5所使用之組成相同組成之燒結用低合金鋼 微粉作爲原料粉末進行造粒，平均粒徑爲48 μ m之造粒 粉末以外，與實施例2同樣方法得到燒結體。

[實施例7 ] 燒結用低合金鋼微粉之組成爲C : 0.3 0重量％、S i : 0.20 重量％、Μη: 0.12 重量。/。、Ni: 8.0 重量％、Nb 0.82 重量％、Mo 0 · 5重量％，燒結用低合金鋼微粉之平均粒徑 爲6.2 // m以外，由實施例1同樣的方法，得到所望之燒 結體。 [實施例8 ] 以實施例7所使用之組成相同組成之燒結用低合金鋼 -16· 1238090 (13) 微粉作爲原料粉末進行造粒，平均粒徑爲45 // m之造粒 粉末以外，與竇施例2同樣方法得到燒結體。 [比較例] 以表1所記載之組成、粉末平均粒徑及造粒平均粒徑 製造燒結體，作爲比較例1〜6。 [試驗例1 ]相對密度之測定 以貫施例2、4、6、8所得之燒結體（圓盤狀試驗片 )爲被驗5式料’進行相對密度之測定。相對密度首先以日 本粉末冶金工業會規格「燒結金屬材料-密度、含油 率及解放氣孔率試驗方法」J Ρ Μ Α Μ 0 1 - 1 9 9 2爲準測定 燒結體密度，由其燒結密度與真密度値，求百分比。 結果如表1所示。又，燒結體之組成粉末平均粒徑（ β m)造粒平均粒徑（# m)合倂列示。圖1所示爲射出成 型（MIM)燒結用低合金鋼之平均粒徑與MIM燒結密度 之關係。 實施例2、4、6、8所得之燒結體之任一者，其相對 1¾'度均爲9 7 %以上’判明得到高密度之燒結體。 [試驗例2 ]機械性質之評價 以貫施例2、4、6、8所得之燒結體（拉力試驗片） 爲被試驗片。進行燒結體之機械性質評價（強度均勻性、 伸度均勻性）。試驗方法係使用INSTR〇N型萬能試驗機 -17- (14) 1238090 (4 2 0 6 型），以1 m m / m i η之應力進行拉力試驗。 (1 )強度均勻性之評價 上述拉力試驗，1試料實施1 0次求出燒結體之拉力 強度。相對於其平均値之差異求出百分比，以此評價均勻 性。評價基準如下。 〇：低於10% △ : 10%以上〜15 %以下 X : 15%以上 (2)伸度均勻性之評價 上述拉力試驗，1試料實施1 〇次求出燒結體之伸率 。相對於其平均値之差異求出百分比，以此評價均勻性。 評價基準如下。 〇：低於10% △ : 10%以上〜15°/。以下 X : 1 5%以上 [試驗例3]滲碳淬火之評價 以實施例2、4、6、8所得之燒結體（圓盤狀試驗片 )爲被驗試料’進丫了滲δ灰丨卒火之測定。 試驗方法依定法實施’進行指定目標硬度之火退火處 理後，進行硬度測定，其自標硬度與實績硬度之差爲基準 評價。評價基準如下。 -18- 1238090 (15) 〇 :低 於 土 3 % Δ :士 3 %以上 土 5 %以 X :土 5 %以上 (16)1238090

組成（％) 粉末平 均粒徑 (//m) 造粒平 均粒徑 (//m) 相對密度 (%) 實施例 C Si Μη Ρ S Cr Ni Mo Cu Nb Ti 射出 成型 壓縮 成型 1 0.48 0.12 0。31 0.014 0.004 0.04 2.10 0.31 8.2 97.8 2 0.48 0.12 0.31 0.014 0.004 0.04 2.10 0.31 35 98.1 3 0.42 0.15 0.23 0.015 0.003 0.04 2.00 4.5 98.9 4 0.42 0.15 0.23 0.015 0.003 0.04 2.00 40 99.0 5 0.32 0.25 0.23 0.018 0.005 0.50 2.00 0.5 0.23 0.22 0.02 6.5 99.3 6 0.32 0.25 0.23 0.018 0.005 0.50 2.00 0.5 0.23 0.22 0.02 48 99.1 7 0.30 0.20 0.12 0.012 0.011 0.02 8.04 0.82 6.2 98.3 8 0.30 0.20 0.12 0.012 0.011 0.02 8.04 0.82 45 98.5 比較例 1 0.35 0.22 0.28 0.016 0.003 0.03 8.8 95.9 2 0.35 0.22 0.28 0.016 0.003 0.03 45 96.1 3 0.46 0.16 0.19 0.015 0.006 0.01 0.31 10.8 95.4 4 0.46 0.16 0.19 0.015 0.006 0.01 0.31 40 95.8 5 0.40 0.29 0.32 0.010 0.008 0.56 0.5 0.02 11.2 93.6 6 0.40 0.29 0.32 0.010 0.008 0.56 0.5 0.02 38 - 94.9

-20- (17) 1238090

機械強_ ^ 渗碳》宰；ρ 實施例 強度均勻性 ---.… j率均勻性 1少 H/入 1 r* \K 均勻个生 2 〇 v J IJZ —^ 〇 4 〇 〇 〇 6 〇 --- 一 〇 〇 8 〇 〇 — —^ 〇 比較例 ^ 2 Δ _ Δ 〜---—^ X 4 X — X X 6 X X X

【發明的功效】 本發明相關之燒結用原料粉末或燒結造粒粉末，製造 成本低、流動性或成型性、及燒結性被改善，可得到高燒 結密度之燒結體。又，具有安定之特性，可得到燒結後之 滲碳淬火深度亦良好之燒結體。 【圖式簡單說明】 [圖1 ]所示爲射出成型（Μ IΜ)燒結用低合金鋼之 平均粒徑與 ΜΙΜ燒結密度之關係圖。 -21 -

Claims (1)

1. fsw—頁 0年r月K(1 旦 拾、申請專利範圍 第9 3 1 0 2 1 9 6號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國94年5月4日修正 1· 種燒結用原料粉末’其特徵係以Fe爲主成分 e :0.8重量％以下’ Si: 0.05〜1.0重量％，Μη: 1 〇番息0 以下，N i : 1 · 〇〜1 〇 · 〇重量％所成之燒結用原料粉末，該 燒結用原料粉末之平均粒徑爲8 · 5 // m以下者。 2 ·如申請專利範圍第1項之燒結用原料粉末，_進_ 至少含有1種選自Cr:2.0重量％以下、Mo 3.0重量％以下 、（:u 3.0重量％以下、Nb 0.15〜1.0重量％、Ti:〇.〇5重量 %以下所成者。 3 ·如申請專利範圍第1或第2項之燒結用原料粉末， 其中上述燒結用原料粉末係由預合金法所製造者。 4 · 一種燒結用造粒粉末，其特徵爲使用如申請專利範 圍第1項之燒結用原料粉末使用粘合劑造粒所成者。 5 .如申請專利範圍第4項之燒結用造粒粉末，其中上 述燒結用造粒粉末之平均粒徑爲1 0〜1 5 0 # m者。 6 . —種燒結體，其特徵爲使用如申請專利範圍第1項 之燒結用原料粉末所製造之相對密度爲97%以上者。 7 . —種燒結體’其特徵爲使用如申請專利範圍第4項 之燒結用造粒粉末所製造之相對密度爲97%以上者。 8 . —種燒結體之製造方法’其特徵爲具備：將如申請 ；1238090 t .? ..〆；、. Γ ' i ：v^< 〆··.. ”··j>* - i. . ·: — i * 、. .. .’「. - T/； mi 專利範圍第1項之燒結用原料粉末予以成形後，以指定溫 度條件燒結之階段者。 9 . 一種燒結體之製造方法，其特徵爲具備：將如申請 專利範圍第4項之燒結用造粒粉末予以成形後，以指定溫 度條件燒結之階段者。 -2-