JP2004323939A

JP2004323939A - 焼結部品の製造方法

Info

Publication number: JP2004323939A
Application number: JP2003122546A
Authority: JP
Inventors: Yoshitsugu Tsuchiya; 嘉嗣土屋
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】粉末材料を金型成形した後に機械加工を施す焼結部品を、高強度の確保と高形状精度の確保を両立させて製造できる方法を提供する。
【解決手段】１）還元鉄粉７０質量％以上、添加金属粉２９質量％以下、２）Ｆｅの水アトマイズ粉７０質量％以上、添加金属粉２９質量％以下、３）Ｆｅ合金の水アトマイズ粉８０質量％以上、添加金属粉１９質量％以下、上記１）〜３）のいずれかと、カーボン粉：０．４〜１．０質量％と、潤滑剤：０．１質量％以下とを混合した混合粉１を準備する工程Ｉ、その混合粉を金型潤滑成形する工程ＩＩ、金型潤滑成形して得られた成形体を切削または研削する工程ＩＩＩ、切削または研削した成形体を焼結する工程ＩＶを経て焼結部品を製造するようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機械加工を必要とする焼結部品を高強度と良好な形状精度を確保して作製することを可能ならしめる焼結部品の製造方法とその方法で得られる焼結部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下記特許文献１は、形状が複雑などの理由により全体を金型成形するのが困難な部品を容易に作製することができる方法として、材料の金属粉末を金型成形が可能な範囲の形状で成形し、得られた成形体を機械加工した後に焼結する方法を開示している。
【０００３】
また、下記特許文献２は、金型潤滑成形法（金型に潤滑剤を付着させて成形を行う方法。以下ではこの方法によって得られる成形体を金型潤滑成形体と言う）で金属粉末を成形した後に、得られた成形体を焼結して高密度と高い面圧疲労強度を有する鉄基焼結体を得る方法を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５５−１２２８０４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１５５３０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１が開示している方法は、複雑な部品を製造するのに適した方法である。何故なら、硬度が高まった焼結体を機械加工するのは困難であるが、焼結前の成形体は簡単に機械加工することができ、これにより金型成形が困難な部位を有する複雑な焼結部品であっても容易に作製することが可能になる。ところが、この方法では、金型に対する成形体の焼き付きを防止するために材料の金属粉末に潤滑剤を添加しているので、高強度部品を得るのが難しい。成形体の内部に取り込まれた潤滑剤が焼結部品の密度を低下させ、部品強度が犠牲になる。
【０００６】
一方、特許文献２の方法は、金型を潤滑するので材料の金属粉末に添加する潤滑剤の量が微量でよく、焼結体の密度を高めて高強度を得ることができる。また、金型の寿命が長く、部品の脱潤滑剤の工程も短縮できる利点がある。
【０００７】
しかしながら、金型潤滑成形体を焼結前に機械加工すると、成形体の一部が欠けるなどして良好な品質を維持できなくなることが多い。
【０００８】
ＰＯＷＤＥＲＭＩＸＥＳＷＩＴＨＨＩＧＨＧＲＥＥＮＳＴＲＥＮＧＴＨには、潤滑剤混合粉末の成形体の機械加工品の比較例（良くない例）として金型潤滑成形体の機械加工品のデータが示されており、これを見ると金型潤滑成形体は、潤滑剤添加金属粉を成形して機械加工する方法に比べて機械加工が難しいことが分かる。
【０００９】
以上要するに、特許文献１、２が示しているような従来の製造方法では、複雑な部品を焼結前に機械加工すると、得られる焼結部品の高強度と高品質を両立させるのが難しい。
【００１０】
そこで、この発明は、焼結前に粉末成形体を機械加工する手順を経て高強度と高品質を両立した焼結部品を作製できるようにすることを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、１）還元鉄粉７０質量％以上、添加金属粉２９質量％以下、２）Ｆｅの水アトマイズ粉７０質量％以上、添加金属粉２９質量％以下、３）Ｆｅ合金の水アトマイズ粉８０質量％以上、添加金属粉１９質量％以下、
上記１）〜３）のいずれかと、カーボン粉：０．４〜１．０質量％と、潤滑剤：０．１質量％以下とを混合した粉末を準備する工程、
その混合粉を金型潤滑成形する工程、
金型潤滑成形して得られた成形体を切削または研削する工程、
切削または研削した成形体を焼結する工程を含む焼結体の製造方法を提供する。
なお、ここで云うＦｅ合金とは、合金成分として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎのうち少なくとも一種以上を含む金属を指す。
【００１２】
この方法における混合粉の金型潤滑成形は、混合粉及び金型の温度が１００℃以上、成形圧６００ＭＰａ以上の条件下で行うのがよい。
【００１３】
また、還元鉄粉又はＦｅもしくはＦｅ合金の水アトマイズ粉は、沈降法（流体中での粉体粒子の沈降速度から粒子の大きさを求める方法）による平均粒径が６０〜１００μｍのもの、
カーボン粉は、粒径（ＪＩＳＺ８８０１のふるい法による粒径）２０μｍ以下の粒子がカーボン粉の総量の７０％以上を占めるものがよい。
【００１４】
添加金属粉がＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎの中から選ばれた少なくとも１種であり、この添加金属粉として粒径（上記のふるい法による粒径）４５μｍ以下の金属粒子が添加金属粉の総量の８０％以上を占めるものを用いるのも有効なことである。
【００１５】
このほか、焼結体は焼結後に熱処理（焼入れ）するが、その焼入れを、焼結工程における冷却過程での焼結部品の冷却速度を１℃／ｓｅｃ以上にして行うのも好ましい。このような工程を経て製造される焼結部品は、従来のように焼結体を切削、研削することが困難であるが、この発明の方法によれば容易に切削、研削を行え、金型成形が困難な部位を有する複雑な焼結部品であっても、従来より少ない工程で作製することができる。
【００１６】
なお、この発明においては、上記の方法で製造されて、焼結前に切削または研削された部位に焼結肌を残している焼結部品も併せて提供する。この焼結部品はＦｅの質量％が７０〜９９％であり、Ｃ及びＦｅ以外の金属成分が残部を占める組成になっているものが特に好ましい。
【００１７】
また、焼結前の切削または研削により、加工面の面粗さがＲｚ＝２．５以下になっているものが好ましい。加工面が焼結前に切削または研削された面であることは、加工面に粉末の脱落痕があることによって見分けることができる。
【００１８】
【作用】
Ｆｅの含有量が７０質量％以上又はＦｅ合金の含有量が８０質量％以上の混合粉を用いると、金型潤滑成形して得られる成形体の強度が高くなる。
【００１９】
カーボン粉は焼結後の焼結部品の硬度を高めるのに必要である。このカーボン粉は、少なすぎると部品の硬度が不足し、多すぎると部品が脆くなるので、添加量を０．４〜１．０質量％の範囲とする。カーボン粉は焼結部品の硬度を高めるほか、成形体を切削或いは研削加工するときの潤滑効果も発揮し、従って、小さな粒子が成形体の各部に広く分布していることが望ましく、具体的には２０μｍ以下の粒子が総量の７０％以上を占めるものを用いるのがよい。
【００２０】
また、添加金属粉は必須ではないが、成形体の強度をより高めるのに有効である。この添加金属粉は多すぎると逆効果になるので、その添加量を、還元鉄粉又はＦｅの水アトマイズ粉を用いる場合には２９質量％以下、Ｆｅ合金の水アトマイズ粉を用いる場合には１９質量％以下に制限する。
【００２１】
潤滑剤は、切削、研削加工中に潤滑効果を発揮する。また、粉末同士を結びつける働きをし、これも成形体の強度を高めるのに役立つ。Ｆｅ密度７．８６ｇ／ｃｍ^３に対し、潤滑剤密度１ｇ／ｃｍ^３であるので、潤滑剤の量が少なければ成形体の密度が高まり、これにより内部空孔が少なくなるため、粉末同士の接触面積が増大して成形体、およびそれを焼結して得られる部品の強度が向上する。
【００２２】
この強度向上に加え、内部空孔減少により成形体の切削形態は断続切削よりも連続切削に近い状態になるため、焼結する前の成形体を切削加工あるいは研削加工したときの成形体の欠けや加工面の荒れが少なくなる。
【００２３】
なお、金型潤滑成形は、混合粉及び金型の温度が１００℃以上、成形圧６００ＭＰａ以上の条件下で行うのがよい。温間金型潤滑成形を行うと粉末の塑性変形が容易になり、空孔が小さくなって成形体の密度、強度が冷間成形や金型を潤滑せずに温間成形を行う場合よりも高まる。成形体の密度は成形圧にも左右され、成形圧が高くなるほどその密度は高まる。
【００２４】
また、ＦｅまたはＦｅ合金として、粒径の大きい粉末（好ましくは平均粒径が６０〜１００μｍ）を用いると当該粉が全質量の７０％以上を占めるので、大きい金属粒子の割合が大きくなる。成形体強度として現われるのは、基本的に大きな粉末であるＦｅまたはＦｅ合金粉同士の絡みつきがメインであり、塑性変形の起点となる小さな粒子（カーボン、添加金属粉）が残りを占めることにより、材料の混合粉が塑性変形し易くなって粉末同士の絡みつきがよくなる。図２に、粉末粒子の粒度と見かけ密度・成形体強度の関係のイメージ図を示す。このように、粒径の大きな粉末粒子を多く使用すると成形体の強度がさらに高まり、切削加工、研削加工時の欠けや加工面の荒れがより少なくなる。
【００２５】
成形体の強度は、添加金属の無い混合粉を用いる場合よりも添加金属を僅かに加えた混合粉を用いる場合の方がより向上する。添加金属粉は、４５μｍ以下の粒径の粒子が８０％以上を占めるものがＦｅまたはＦｅ合金の粒子間に入り込み易く、これによって粉末の充填密度が高まり、ＦｅまたはＦｅ合金の粒子間に入り込んだ添加金属粉（Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ）が塑性変形の起点になるため、粉末同士の絡みつきがより良くなって成形体の強度がさらに向上する。
【００２６】
このほか、焼結工程における冷却過程において、１℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で焼結体を冷却すると、焼結工程と焼入れ工程を統合でき、製造の簡略化が図れる。
【００２７】
この発明の方法で作製される焼結部品は、焼結前に切削または研削された部位に焼結肌を残したものになる。部材を切削または研削加工するとその部材の加工面に粉末の脱落が生じるが、加工面の面粗度はＲｚ２．５以下となる。また、加工面に加工工具の送りマークが残るが、焼結によりその送りマークは変形してなだらかになり、そのため、機械加工した部位の焼結肌は、焼結体を機械加工して得られる肌面に対して機能的に遜色がない。
【００２８】
また、Ｒｚ＝２．５以下であれば、十分な仕上がり精度を保ったまま凸凹による表面積の増加の効果で焼結時に内部まで加熱され易くなり、焼結性が向上し、焼結工程の冷却過程での放熱量も増加するので、材料特性（硬度や強度）が改善される効果がある。
【００２９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を以下に述べる。図１に、この発明の製造方法の一例を示す。まず、工程Ｉにおいて所定の混合粉、即ち、還元鉄粉又はＦｅの水アトマイズ粉：７０質量％以上と、カーボン粉：０．４〜１．０質量％と、添加金属粉：２９質量％以下と、潤滑剤：０．１質量％以下とを混合するか、又はＦｅ合金の水アトマイズ粉：８０質量％以上、添加金属粉：１９質量％以下と、カーボン粉：０．４〜１．０質量％と、潤滑剤：０．１質量％以下とを混合した混合粉１を準備する。
【００３０】
次に、工程ＩＩにおいて準備した混合粉１を金型潤滑成形法で金型２による成形が可能な範囲の形状に成形し、さらに、得られた成形体３の一部を、工程ＩＩＩにおいて切削、或いは研削加工して所望の部品形状に仕上げる。
【００３１】
その後、機械加工を終えた成形体３を工程ＩＶにおいて焼結し、さらに、工程Ｖにおいて加熱、油焼入れを行って所望の焼結部品４を得る。
【００３２】
なお、焼結工程ＩＶの冷却過程において、加熱した部品を１℃／ｓｅｃ以上の速度で冷却（所謂シンターハードニング処理）すると、焼入れがなされ、後段の熱処理、油漬の工程が不要になる。
【００３３】
以下に、この発明の方法の実施例と比較例を挙げる。
【００３４】
表１に示す組成の混合粉Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４（本発明用）と比較用混合粉Ｎｏ．５及びＮｏ．６を準備した。これ等の混合粉は、請求項３、４、５での規定条件を満たすものである。
【００３５】
そして、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の混合粉を金型と共に１３０℃の温度に加温して金型潤滑法で温間成形した。金型にはエチレンビスアミド系潤滑剤を塗布したが、この潤滑剤は、高級脂肪酸系潤滑剤でもよい。また、潤滑剤の塗布は固体粉末を噴射して行ったが、液体分散などで行ってもよい。Ｎｏ．５の混合粉も、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の混合粉と同様の条件で金型潤滑法で温間成形した。
【００３６】
一方、Ｎｏ．６の混合粉は、その混合粉と金型を共に１３０℃の温度に加温して金型無潤滑により温間成形した。
【００３７】
成形圧６００ＭＰａ、８００ＭＰａ、１０００ＭＰａの各条件で得られた成形体の密度、硬度、強度を表２に示す。
【００３８】
得られた成形体は外形φ３４ｍｍ、内径φ２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形状である。
【００３９】
次に、それぞれの成形圧において得られた成形体の外周を切れ味の良いバイトを用いて下記の条件で旋削した。
【００４０】

切削加工後の成形体の仕上がり面粗さと欠け量を表３に示す。
【００４１】
また、切削加工後の成形体を、ベルト炉を用いて１１３０℃、２０分の条件で焼結し、その後、冷却速度１℃／ｓｅｃと０．５℃／ｓｅｃの２条件で冷却した。この焼結と冷却はともに、Ｎ_２／Ｈ_２＝９０／１０の混合ガス雰囲気下で行った。こうして得られた焼結部品の引っ張り強度と硬度を表４に示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
【表２】

【００４４】
【表３】

【００４５】
【表４】

【００４６】
表２からわかるように、この発明の方法によれば、密度、硬度、強度に優れた粉末成形体が得られる。
【００４７】
また、表３からわかるように、潤滑剤を０．１質量％以下にしたもの（粉種１〜４）の方が潤滑剤を０．１質量％以上含むもの（粉種５、６）に比べて切削加工による成形体の欠け量が小さく、仕上がり面粗さが向上する。また、上述した「ＰＯＷＤＥＲＭＩＸＥＳＷＩＴＨＨＩＧＨＧＲＥＥＮＳＴＲＥＮＧＴＨ」に示されているような従来の温間成形品（粉種５）よりも欠け量が小さく、仕上がり面粗さが向上する。
【００４８】
さらに、焼結工程での冷却過程における冷却速度を１℃／ｓｅｃ以上にして焼入れを行ったものは、引っ張り強度と硬度に優れる焼結部品が得られる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の方法によれば、金型潤滑成形法によって切削または研削加工を高品位に行える成形体を得ることができ、形状が複雑等の理由により焼結前に機械加工を施す焼結部品を高強度と高品質を両立して作製することが可能になる。
【００５０】
なお、沈降法による平均粒径が６０〜１００μｍのＦｅやＦｅ合金粉を用いた混合粉、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎの中から選ばれた少なくとも１種の金属を添加した混合粉、あるいは添加金属粉として粒径４５μｍ以下の金属粒子が添加金属粉の総量の８０％以上を占めるものを用いた混合粉を使用してこの発明の方法で製造される焼結部品は、強度及び機械加工面の品位がより高まる。
【００５１】
また、焼結工程の冷却過程における冷却速度を１℃／ｓｅｃ以上にして行う方法は、焼結と焼入れの工程を統合でき、生産性の面で有利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法の概要を示す工程図
【図２】粉末粒子の粒度と見かけ密度・成形体強度の関係のイメージ図
【符号の説明】
１混合粉
２金型
３成形体
４焼結部品

Claims

１）還元鉄粉７０質量％以上、添加金属粉２９質量％以下、２）Ｆｅの水アトマイズ粉７０質量％以上、添加金属粉２９質量％以下、３）Ｆｅ合金の水アトマイズ粉８０質量％以上、添加金属粉１９質量％以下、
上記１）〜３）のいずれかと、カーボン粉：０．４〜１．０質量％と、潤滑剤：０．１質量％以下とを混合した粉末を準備する工程、
その混合粉を金型潤滑成形する工程、
金型潤滑成形して得られた成形体を切削または研削する工程、
切削または研削した成形体を焼結する工程を含む焼結部品の製造方法。
混合粉の金型潤滑成形を、混合粉及び金型の温度が１００℃以上、成形圧６００ＭＰａ以上の条件下で行う請求項１に記載の焼結部品の製造方法。
還元鉄粉又はＦｅもしくはＦｅ合金の水アトマイズ粉として、沈降法による平均粒径が６０〜１００μｍのものを用いる請求項１または２に記載の焼結部品の製造方法。
カーボン粉として、粒径（ＪＩＳＺ８８０１のふるい法による粒径）２０μｍ以下の粒子がカーボン粉の総量の７０％以上を占めるものを用いる請求項１または２に記載の焼結部品の製造方法。
添加金属粉がＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎの中から選ばれた少なくとも１種であり、この添加金属粉として粒径（ＪＩＳＺ８８０１のふるい法による粒径）４５μｍ以下の金属粒子が添加金属粉の総量の８０％以上を占めるものを用いる請求項１または２に記載の焼結部品の製造方法。
焼結工程における冷却過程での部品の冷却速度を１℃／ｓｅｃ以上とする請求項１乃至５のいずれかに記載の焼結部品の製造方法。
請求項１乃至６のいずれかに記載の方法で製造される焼結部品であって、焼結前に切削または研削された部位に焼結肌を残していることを特徴とする焼結部品。
Ｆｅの質量％が７０〜９９％であり、Ｃ及びＦｅ以外の金属成分が残部を占めることを特徴とする請求項７に記載の焼結部品。
焼結前の切削または研削により、加工面の面粗さがＲｚ＝２．５以下となっており、かつ、その加工面に粉末の脱落があることを特徴とする請求項７または８に記載の焼結部品。