TWI392747B

TWI392747B - Iron powder for powder metallurgy and powder sintered body

Info

Publication number: TWI392747B
Application number: TW97129415A
Authority: TW
Inventors: Takahiro Kudo; Satoshi Furuta; Yuuji Taniguchi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2013-04-11
Also published as: KR101187136B1; CN101772389A; WO2009019952A1; CN101772389B; KR20100039380A; JP5260913B2; JP2009035796A; TW200936780A

Description

粉末冶金用鐵系混合粉末及鐵粉燒結體

本發明係關於粉末冶金用鐵系混合粉末及鐵粉燒結體，尤其關於可製得合適的鐵粉燒結體作為汽車用的高強度燒結構件的粉末冶金用鐵系混合粉末及鐵粉燒結體。

將金屬粉於模具內進行加壓‧成形之後，經燒結作為燒結體的粉末冶金法，係因複雜形狀的機械零件亦可精度良好地製造，故廣泛應用於要求高尺寸精度之齒輪等的汽車零件的製造。

現實中，使用模具之壓製成形的制約上，多數的燒結零件於最終步驟須施予一些機械加工。然而，燒結零件係與同一組成之熔化材料相比確定被削性為差。因此，作為其改善方法已知有採取種種方式，例如，於粉末冶金用鐵系混合粉末或鐵粉燒結體等中進行添加MnS粉或氧化物等的方法。

例如，專利文獻1中，揭示一種粉末冶金用鐵基混合粉(粉末冶金用鐵系混合粉末)，其係使用焦磷酸鈣作為切削性改善用粉末，此焦磷酸鈣相對於鐵基粉末、合金用粉末及切削性改善用粉末之合計量，以Ca換算為含有0.02～0.40質量%。

專利文獻2中，揭示之粉末冶金用鐵系混合粉末係含有CaO-Al₂ O₃ -SiO₂ 系複合氧化物0.05～0.15質量%；專利文獻3中，揭示之粉末冶金用鐵系混合粉末係含有CaO-Al₂ O₃ -SiO₂ 系複合氧化物0.02～0.3質量%。又，專利文獻4中揭示之燒結材料(燒結體)係使CaO-MgO-SiO₂ 系的複合氧化物分散於金屬基質中。

專利文獻5中揭示之機械構造用鋼(快削鋼)係C：於0.1～0.6質量%之熔化材料，規定選自由Na、Li、B及Si所成之群的氧化物的鋼中所含之個數；專利文獻6中揭示之快削鋼係C：於0.02～0.15質量%之熔化材料，規定選自由Na、Li、B及Si所成之群的氧化物的鋼中所含之個數。

專利文獻7中揭示之燒結汽門導管(Valve Guide)材料(燒結體)為以波來鐵(pearlite)作為主體的基地中呈現銅或銅錫系合金相及游離石墨分散的組織。又，專利文獻8中揭示之快削性鐵系燒結合金(燒結體)係以混合粉末全體的質量比，混合添加石墨粉末0.1～2.0質量%及氧化硼粉末0.01～1.0質量%。

然而，以往之粉末冶金用鐵系混合粉末或鐵粉燒結體等中，有以下所示之問題。

專利文獻1～4中記載之發明係例如專利文獻2中記載，使用之氧化物雖謂比較低熔點的，但實際之熔點為超過1000℃者，故此等之氧化物可謂高熔點。因此，有只能適用於可熔融氧化物之V200m/min左右以上的高速切削的問題。

專利文獻5、6中記載之快削鋼係以熔化材料為對象者，且與燒結零件係於材料上不相同的，故與燒結零件之技術係基本上為不同者。因此，對燒結零件不能直接應用專利文獻5、6中記載之技術。

亦即，專利文獻5、6中記載之發明，係對於鐵基質中以球或橢圓形狀均等地存在的氧化物，因燒結體有氣孔存在，因此氧化物係於燒結中熔融像覆蓋鐵粉表面地(亦即並非於鐵中)存在氣孔中。進而，專利文獻5、6中記載之發明效果係在於提高因熔融脆化之切屑分斷性一點。此點係因於鐵粉燒結體原本就有氣孔存在，故不只以熔融脆化為目標，可謂效果亦不同。又，鐵粉燒結體具有氣孔，因於強度上為不利的，故以比熔化材料還多的C量以確保強度。

專利文獻7、8中記載之發明係例如專利文獻8中記載，所添加之B₂ O₃ 在燒結中熔融而抑制朝向石墨之鐵粉中的滲碳，且使游離石墨殘留於燒結體之氣孔中。雖經由游離石墨的潤滑效果被削性提高，但因滲碳被抑制因此有強度降低的問題。

其它，為使被削性提高而一般所實行之添加MnS係因S而有作業環境被污染的問題或成為強度降低的原因的問題。

專利文獻1：日本特開2004-115847號公報

專利文獻2：日本特開平9-279203號公報

專利文獻3：日本特開平9-279204號公報

專利文獻4：日本特開平8-260113號公報

專利文獻5：日本特開2001-214239號公報

專利文獻6：日本特開2001-214240號公報

專利文獻7：日本特開2002-069599號公報

專利文獻8：日本特開2000-144350號公報

本發明係鑒於前述情事而發明，其目的係於提供不會使強度降低，且於一般的切削條件範圍之V100～200m/min左右的切削中，亦可製得具有良好的被削性的鐵粉燒結體的粉末冶金用鐵系混合粉末及鐵粉燒結體。

為達成前述目的，本發明人等係對於以下敘述事項進行研討。

切削時生成之切屑雖於工具前刀面(rake face)前之剪切區域剪切變形，但因鐵粉燒結體具有氣孔，故切屑之剪切變形時以氣孔為起點之龜裂係沿著切屑中之鐵粉界面向剪切變形方向產生。因此，本發明人等著眼於此舉動，以使鐵粉界面平滑減低此切屑內之剪切變形力，亦即與減低切削抵抗有關，推測能否抑制工具摩耗。其結果，作為使鐵粉界面平滑的手段，發現可藉由複合氧化物以致潤滑效果，遂而完成本發明。

亦即，本發明係關於以下(1)至(4)。(1)一種粉末冶金用鐵系混合粉末，其為含有鐵基粉末、石墨粉、Cu粉及複合氧化物的粉末冶金用鐵系混合粉末，其特徵係前述複合氧化物為於800℃下具有10⁵ (poise)以下的黏性，且前述複合氧化物的含量係相對於混合粉末全質量為0.05～1.5質量%。

若為如此構成，則粉末冶金用鐵系混合粉末因含有於800℃之黏性為10⁵ (poise)以下的複合氧化物，在以粉末冶金用鐵系混合粉末所製造之鐵粉燒結體的切削中此複合氧化物熔融而鐵粉界面變為平滑。藉此，於鐵粉燒結體之切削時之切屑內的剪切變形力減低，可抑制工具摩耗。進而，複合氧化物之含量相對於混合粉末全質量，使為0.05～1.5質量%，可不會降低機械特性(強度等)地提高被削性。(2)如(1)記載之粉末冶金用鐵系混合粉末，其中前述複合氧化物為含有選自由B、Na、Li、K、Mn、Mg、Ca、Ba及Si所成之元素群中之至少1種元素的氧化物。

若為如此構成，則被削性被進一步提高的同時，可抑制強度的降低。(3)如(1)記載之粉末冶金用鐵系混合粉末，其中前述複合氧化物的熔點為1000℃以下。(4)一種鐵粉燒結體，其特徵為藉由將(1)至(3)中任一項記載之粉末冶金用鐵系混合粉末的壓粉體進行燒結而製得。

若為如此構成，則本發明之鐵粉燒結體可藉由將粉末冶金用鐵系混合粉末之壓粉體進行燒結而製得，故可不會降低強度且具有良好的被削性。

若依據本發明的粉末冶金用鐵系混合粉末，可不使強度降低地求得被削性經提高的鐵粉燒結體。於是，此鐵粉燒結體，係因鐵粉燒結體中所含之複合氧化物在切削中熔融而發揮潤滑效果，故可抑制工具摩耗且使工具壽命提高。

若依據本發明的鐵粉燒結體，可不使燒結體之強度降低使被削性提高。因此，可抑制工具摩耗且使工具壽命提高。

實施發明之最佳形態

以下，對本發明之粉末冶金用鐵系混合粉末(以下，適宜地亦稱混合粉末)及鐵粉燒結體(以下，適宜地亦稱燒結體)，進行詳細地說明。

又，本說明書中，以質量定義之所有的百分率等係與以重量定義之百分率為相同意思。

《粉末冶金用鐵系混合粉末》

粉末冶金用鐵系混合粉末係於鐵基粉末混合石墨粉、Cu粉及複合氧化物者。以下，對各構成進行說明。

＜鐵基粉末＞

作為鐵基粉末(鐵粉)，取代霧化鐵粉(atomized iron powder)鐵粉、還原鐵粉等之純鐵粉、或純鐵粉，較合適地可使用預先將合金元素經合金的鋼粉(預合金鋼粉)或合金元素部分被經合金化的鋼粉(部分合金化鋼粉)。又，此等可單獨使用，亦可經混合使用。

＜石墨粉＞

為以C而成的元素礦物的石墨粉，係藉由固溶強化可有效果的使燒結體的強度提高。

本發明係石墨粉的含量不做特別規定。但是，係與石墨粉之含量與燒結體的強度有相關，以被削性之觀點而言含量係作大致地規定。

通常，於燒結體中壓環強度係必需為630MPa左右，故於強度面之實用觀點而言，石墨粉的含量(C的含量)多以0.4質量%以上被應用。於本發明之複合氧化物添加材料(燒結體)中，與氧化物無添加材料相比，以強度沒有降低且可使被削性提高為目的，但石墨粉之含量未達0.4質量%時，強度過低而不實用。因此，石墨粉的含量以為0.4質量%以上為佳。又，以謀求提高強度之觀點而言，以0.6質量%以上為佳。

對於上限亦沒有特別規定，但超過3.0質量%則因初生雪明碳體(primary cementite)的影響而強度容易變低，因此使為3.0質量%以下為佳。又，比Fe-C系的燒結體更需要強度時，因應所需的強度程度而添加Mo及Ni等的合金元素，故即使於此情形亦不會有強度降低，且可使被削性提高。

＜Cu粉＞

Cu粉係不僅提高燒結性而且有助於有效地提高燒結體的強度及疲勞特性，為此以含有0.5質量%以上為佳。一方面，超過3.5質量%則易招致強度及疲勞特性之降低。因此，Cu粉含量以0.5～3.5質量%為佳。又，使含有此Cu粉作為CuP、CuP、CuSi及CuMn粉亦為同等的作用。

＜複合氧化物＞

本發明中複合氧化物係指混合2種以上之所定元素的氧化物者。

混合粉末因含有複合氧化物(以下，適宜地亦稱氧化物)，藉此複合氧化物的潤滑效果，可使鐵粉界面平滑。藉此，可使燒結體之切削時的切削抵抗降低，且可抑制工具摩耗。

又，單獨添加氧化物時，因氧化物的熔點高故切削時及燒結時氧化物無法熔融。因此，沒有提高被削性的效果，且又氧化物的粒徑大時，係成為降低強度的要因。但是，含有B之單獨的氧化物(例如，B₂ O₃ )雖為低熔點(B₂ O₃ 的熔點：450℃)，但經由抑制朝向鐵粉中的石墨之滲碳的抑制滲碳作用故使強度降低。

本發明中，使為複合氧化物可謀求低熔點化。

複合氧化物於800℃之黏性為10⁵ (poise)以下。

燒結體之切削時之刀尖溫度係亦依據鋼材組成，為乾式之V150m/min且盡可能為800℃。本發明中藉由前述之複合氧化物的潤滑效果使工具壽命提高，但對於提高被削性係於刀尖溫度範圍中之氧化物黏性為重要的，且有使於800℃之黏性為10⁵ (poise)以下的必要性。於800℃之黏性超過10⁵ (poise)，則複合氧化物硬質化且無法發揮潤滑效果。

又，下限係無特別規定，但未達10^-2 (poise)時沒有黏性且難以獲得潤滑效果，因此以10^-2 (poise)以上為佳。又，以往之活用氧化物的快削鋼係稱之為Belag的氧化皮膜附著於工具刀尖，藉此氧化皮膜的保護作用抑制工具摩耗。此時之氧化物黏性係(一般來說在於軟化點)為10⁸ (poise)左右。

複合氧化物的含量係相對於混合粉末全質量為0.05～1.5質量%。

複合氧化物的含量未達0.05質量%係對於求得潤滑效果，含量為不足的且無法獲得提高被削性的效果。另一方面，超過1.5質量%則此複合氧化物係成為機械特性(強度等)降低等的燒結體中之缺陷的原因。又，更佳為0.1～0.5質量%。

其中，複合氧化物係以含有選自由B、Na、Li、K、Mn、Mg、Ca、Ba及Si所成之元素群中之至少1種元素的氧化物為佳。

亦即，複合氧化物為由2種以上的氧化物所成者，但其中之至少一種的氧化物為前述之元素的氧化物為佳。

經由本發明人等之研討，可知使前述之元素的氧化物經複合化含有，則不會使強度降低且被削性進一步地提高。

作為滿足前述條件的複合氧化物，可列舉如，Na₂ O-SiO₂ 、B₂ O₃ -Na₂ O-SiO₂ 、B₂ O₃ -K₂ O、B₂ O₃ -Li₂ O及B₂ O₃ -Na₂ O等，其它係作為黏性為10⁵ (poise)以下的複合氧化物，可列舉B₂ O₃ -MnO、B₂ O₃ -CaO、Li₂ O-MnO及Na₂ O-BaO-SiO₂ 等。

又，使複合氧化物為由2種以上之氧化物所成時，除前述之B、Na、Li、K、Mn、Mg、Ca、Ba或Si的氧化物以外的氧化物係亦可為Al₂ O₃ 或FeO等。

其中，對於經由複合氧化物的潤滑效果而增加被削性提高的效果，複合氧化物軟化或熔融係為必要的。例如，複合氧化物的熔點大約為1000℃以下，且複合氧化物的軟化點係一般謂為熔點的70%左右的溫度。因此，為使複合氧化物軟化，熔點以1000℃為標準。又，複合氧化物的熔點與黏性不一定在於比例關係，但係有相關關係。因此，從使複合氧化物為適當的黏性的觀點而言，熔點以大約1000℃以下為佳。

又，複合氧化物的粒徑以80μm以下為佳。本發明中之複合氧化物的熔點假設大約在1000℃以下，但一般之鐵粉的燒結係在1120～1250℃下進行，因此燒結時熔融軟化且於燒結後沒有保留下添加時的原形。因此，添加之複合氧化物的粒徑對被削性、強度直接影響並不大。但是，添加時之複合氧化物的大小在燒結後容易成為氣孔，因此複合氧化物的粒徑，係以比為約100μm的鐵基粉末之徑小的80μm作為上限者為佳，而50μm以下更佳。又，下限係無特別規定，但粒徑若微細則為此亦需花費粉碎成本。

又，於製作前述複合氧化物之際，複合氧化物的製作溫度不一定必需要在熔點以上進行熔融(意即預熔化)，若比自熔點約低100℃左右的溫度高(例如，熔點若為1000℃，則製作溫度大約900℃以上，特別沒有上限)。又，「製作複合氧化物」係指使原料熔融即使不均一化，而保持高溫使之擴散，可謂近均一化的狀態。

本發明所述之混合粉末，係除前述之石墨粉、Cu粉及複合氧化物以外，亦可為將為潤滑劑之有機物作為成形用而混合之構成無妨。作為有機物，例如，硬脂酸鋅、乙烯雙硬脂醯胺等。又，有機物的混合量，係作為有機物之全混合粉末中的摻合質量%以於0.5～1.2質量%的範圍內為佳。含量未達0.5質量%係於燒結體之製造之際難發揮作為潤滑劑的機能。另一方面，超過1.2質量%時容易成為燒結體之密度降低的原因。

接著，對本發明所述之鐵粉燒結體，詳細地說明。

《鐵粉燒結體》

鐵粉燒結體係可藉由將前述說明之粉末冶金用鐵系混合粉末的壓粉體進行燒結而製得。

作為鐵粉燒結體的製造方法之一例，首先使用混合機等混合前述之鐵基粉末、石墨粉、Cu粉及複合氧化物，作為粉末冶金用鐵系混合粉末。混合之際時，作為潤滑劑亦可添加硬脂酸鋅0.75質量%。接著將此粉末冶金用鐵系混合粉末例如以5t/cm² 的成形壓予以成形作為壓粉體。於是，將此壓粉體於為弱酸化性的RX氣體、N₂ 氣體、AX氣體等的氛圍中，藉由溫度：1100～1250℃、時間：15～60分鐘的條件進行燒結，可得鐵粉燒結體

如以上說明地，若依據本發明所述之粉末冶金用鐵系混合粉末，不會使強度降低且即使於一般的切削條件範圍的V100～200m/min左右的切削時，亦可得具有良好的被削性的鐵粉燒結體。

又，本發明所述之鐵粉燒結體係不會使強度降低且即使於一般的切削條件範圍的V100～200m/min左右的切削時，亦可得具有良好的被削性。因此，可抑制工具摩耗且使工具壽命提高。

實施例

以下，對本發明所述之粉末冶金用鐵系混合粉末及鐵粉燒結體的實施例，與其比較例比較進行具體地說明。

第1實施例

對表1中所示之成分組成的鐵粉，以所定量(參照表3)加入石墨粉末0.8質量%、Cu粉2.0質量%、表2中所示之氧化物粉末，進一步加入作為潤滑劑之硬脂酸鋅0.75質量%，以60分鐘、V型混合機予以混合作為粉末冶金用鐵系混合粉末。接著，此粉末冶金用鐵系混合粉末以模具成形，使為尺寸：外徑64mm、內徑24mm、高度20mm之環狀壓粉體，將此壓粉體於含10%氫之氮氛圍中，進行以1120℃‧30分鐘的燒結。燒結體之密度，係調整成形時之成形壓力使成為6.8～6.85g/cm³ 。

又，表2中之氧化物的熔點係狀態圖，液相黏性係主要使用文獻值。

評價如此進行所製得的鐵粉燒結體的強度及被削性。

《被削性》

被削性係經由切削試驗來進行。

＜切削試驗＞

首先，將螺絲穿過3個燒結體，使預備環配置於兩側後藉由夾上螺帽，其後將螺絲固定於車床(lathe)的中心。使用之切削工具為住友電工Hardmetal公司製G10E(K種超硬)。切削條件以切削速度：150m/min、進給速度：0.1mm/rev、切口量：0.5mm、切削長度：100m、切削樣式：乾式連續切削。經由此切削試驗測定切削工具之最大閒隙面(clearance face)摩耗寬度Vbmax。合格判定基準係以摩耗寬度為70μm以下者為合格。

《強度》

強度係依據JIS Z 2507中規定之燒結含油軸承的壓環強度試驗方法進行。第1實施例中，假設適用於要求更強度的燒結構件，為確認添加石墨粉末0.8質量%時的效果，合格判定基準以壓環強度780MPa以上者為合格。

此等試驗結果示於表3。又，表3中，對於未滿足本發明的範圍者，於數值劃下線表示。

如表3所示地，實施例1～10係滿足本發明之範圍，故具有足夠的強度且同時具被削性優異。

另一方面，比較例1係因不含複合氧化物，故摩耗寬度大且被削性差。比較例2係為單獨添加B₂ O₃ ，因抑制滲碳而強度降低。比較例3係因複合氧化物的含量未達下限值，故摩耗寬度大且被削性差。比較例4係因複合氧化物的含量超過上限值，故強度降低。比較例5係因複合氧化物於800℃時之黏性超過上限值(使用表2之No.1的複合氧化物)，故摩耗寬度大且被削性差。

第2實施例

接著，調查影響石墨粉的含量，因此石墨粉末的添加量(C之添加量)以0.4質量%、0.6質量%或0.8質量%，而不添加複合氧化物或添加0.3質量%進行試驗。又，燒結體的製作方法、或強度及被削性的評價方法與前述第1實施例相同。但是，第2實施例中，為調查影響石墨粉的含量，且強度及被削性的合格判定基準無特別規定。

此等試驗結果示於表4(試驗No.1～6)。

如表4所示地，即使石墨粉末的添加量為0.4質量%、0.6質量%、0.8質量%之任一者，於添加複合氧化物時強度不會降低地且被削性提高。

對於以上結果，將燒結體中之氧化物的含量與摩耗寬度(μm)的關係示於圖1；燒結體中之氧化物的含量與壓環強度(MPa)的關係示於圖2；壓環強度(MPa)與摩耗寬度(μm)的關係示於圖3；氧化物於800℃時之黏性與摩耗寬度(μm)的關係示於圖4；燒結體中之石墨粉(C)的含量與壓環強度(MPa)的關係示於圖5。又，圖3、5中，於製圖時，有一部份標繪之點重複的地方。

對照表3，如圖1～4所示地，添加氧化物0.05~1.5質量%的燒結體係工具摩耗被抑制，又具有足夠的強度。但是氧化物的含量超過1.5質量%時強度大大地降低，而未達0.05質量%時被削性為很低。又，完全不添加氧化物的情形，係被削性降低(摩耗寬度變大)，單獨添加B₂ O₃ 的情形，因抑制滲碳而強度為降低。進而，添加於800℃之黏性超過10⁵ (poise)的氧化物時，係被削性為降低。

對照表4，如圖5所示地，強度係因應石墨粉末添加量而提高。又，不添加複合氧化物時被削性降低，而添加複合氧化物則強度不減地且被削性提高。於是，滿足本發明之範圍的燒結體中，可知即使石墨粉末為0.4質量%或0.6質量%的情形，亦可適用於一般所要求之強度的燒結構件。

以上，對本發明所述之粉末冶金用鐵系混合粉末及鐵粉燒結體示出最佳的實施形態及實施例詳細地說明，但本發明之主旨係不限定於前述之內容。又，本發明之內容係基於前述之記載亦可廣泛改變‧變更等係不言自明地。

本發明參照特定的態樣詳細地說明，但不偏離本發明之精神與範圍地可作各種變更及修正，對該業者而言係清楚地。

又，本申請為基於2007年8月3日提出申請的日本特許申請(特願2007-203443)，以引用方式援用其全部。

又，其中引用之所有的參照係納入作為整體。

產業上之可利用性

若依據本發明之粉末冶金用鐵系混合粉末，可不使強度降低地求得被削性經提高的鐵粉燒結體。於是，此鐵粉燒結體，係因鐵粉燒結體中所含之複合氧化物在切削中熔融而發揮潤滑效果，故可抑制工具摩耗且使工具壽命提高。

又，若依據本發明之鐵粉燒結體，可不使燒結體的強度降低地使被削性提高。因此，可抑制工具摩耗且提高工具壽命。

[圖1]示燒結體中之氧化物的含量、與摩耗寬度(μm)之關係的圖表。

[圖2]示燒結體中之氧化物的含量、與壓環強度(MPa)之關係的圖表。

[圖3]示壓環強度(MPa)與摩耗寬度(μm)之關係的圖表。

[圖4]示氧化物於800℃的黏性與摩耗寬度(μm)之關係的圖表。

[圖5]示於燒結體中之石墨粉(C)的含量與壓環強度(MPa)之關係的圖表。

Claims

一種粉末冶金用鐵系混合粉末，其為含有鐵基粉末、石墨粉、Cu粉及複合氧化物的粉末冶金用鐵系混合粉末，其特徵係前述複合氧化物(但是矽酸鈉除外)為於800℃下具有10⁵ (poise)以下的黏性，前述複合氧化物的含量係相對於混合粉末全質量為0.05~1.5質量%。
如申請專利範圍第1項之粉末冶金用鐵系混合粉末，其中前述複合氧化物為含有選自由B、Na、Li、K、Mn、Mg、Ca、Ba及Si所成之元素群中之至少1種元素的氧化物。
如申請專利範圍第1項之粉末冶金用鐵系混合粉末，其中前述複合氧化物的熔點為1000℃以下。
一種鐵粉燒結體，其特徵為藉由將申請專利範圍第1項至第3項中任一項之粉末冶金用鐵系混合粉末的壓粉體進行燒結而製得。