JP3869853B2 - Mo,P,Cを含有する鉄ベース粉末 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は圧縮と焼結により部品製造用鉄ベース粉末に関する。特に本発明は本質的にニッケルを含まない粉末組成物に関するもので、焼結すると価値ある部品が得られる。これらの部品は例えば自動車工業で使用できる。また、本発明は粉末冶金で製造したこの粉末の部品と、粉末冶金によりかかる部品の製造方法にも関する。
技術背景
ニッケルは粉末冶金の分野での鉄ベース粉末組成物では比較的普通の合金元素であり、ニッケルを8%まで含有する鉄粉末から製造した焼結部品の引張り強度を改善する。更に、ニッケルは焼結を促進し、硬化性を増加させ、また好ましい延伸効果がある。しかし、特にニッケルは高価であり、粉末の加工中粉塵問題が生じ、少量でアレルギー反応を起すためニッケルを含まない粉末の需要が増えている。従って、環境的見地からニッケルの使用は回避すべきである。
本発明の背景として問題は従って少くともある点ではニッケル含有組成と本質的に同じ性質を有するニッケルを含有しない粉末組成物を見い出すことにある。
この状況下で現在商業上使用している合金系はFe−P、Fe−P−Cを含み、またある程度Fe−Mo−Pを含む。これらの2種の炭素を含まない材料は引張り強さが適切で、延性が極めて良好である。Fe−P−C系は強度を向上させる(450〜650MPa)が、延性は低下する。
Fe−P−C−Cu−Mo合金は1984年トロントでの国際粉末冶金会議と、1984年デュセルドルフでの国際粉末冶金会議と展示会で提出された研究から既に公知であり、ライ・ホーイー、リウ・チャンシ・イン・ホンユーの論文で報告されている。
第1の論文は焼結済み鉄ベース合金中でのリン分布の調査と、リンが粒界に析出するかどうかの問題に関するもので、その研究の目的は焼結済みFe−P−Cu−Mo合金中でのリン分布の効果と、焼結と熱処理後の機械的性質と破断形態へのその効果を確立することである。
第2の論文はリンが焼結合金中での焼戻し脆性を起すかどうかを見出し、焼結と熱処理後のFe−P−C−Cu−Mo合金の機械的性質、微細構造、破断形態を検討することを目的とする研究に関する。
両論文はそのMo含有量が本発明の組成物のものより低い合金に関する。しかし、本発明の主目的は低温と高温の両方の焼結後には引続いて熱処理を行わなくとも引張り強さの高い製品を提供することにある。従って、本発明が解決する問題は前記論文で検討されている問題とは異なるものである。
公告特許WO71919582と91/18123(スウェーデン特許公告468466に対応する)はFe、Mo、P、Cを含有する粉末組成物に関するもので、両公告は本発明の組成物とは異なっており、それらの異なる性質のため他の目的を意図した粉末組成物を開示している。
国際特許公告WO91/19582は耐衝撃性部品、即ち、衝撃エネルギーが高い部品の製造用の組成物を開示している。これらの公知の組成物の重要な特徴は炭素含有量が低いこと、即ち、0.1重量%以下であることである。その上、衝撃エネルギーは材料の延性を示し、延性が高いと一般に引張り強さが低くなる。従って、この公告では高い引張り強さを得る仕方は教示されていない。
WO91718123はMo(またはWとMo)含有量が3重量%と15重量%の範囲で変化する粉末組成物を開示している、この場合、Moは高温強度と耐摩耗性改善のため添加している。その下限は望ましい耐摩耗性と高温強度を得るには充分量の炭化物形成元素が必要であるという事実を考慮して選択している。
本発明の組成物の開発は全く意外にも引張り強さを800MPa以上の値まで向上させることを可能にした。
本発明の金属粉末は鉄と不可避不純物に加えてMo:0.6〜2.0重量%、P:0.2〜0.8重量%、Cu:0〜2重量%、Mn:0〜0.3重量%、C:0.2〜0.8重量%から本質的に成るものである。また、金属粉末の約1重量%までの量の不可避金属が存在できる。不純物の例はS、Si、Cr、Niである。
Moは鉄粉末に混合、又は拡散結合してもよいが、好ましくはFeと予備合金化され、Pはリン化鉄、好ましくはFe3Pの形で添加するのが好ましい。
Moを添加すると材料の硬化性が高くなるので、Mo量は少くとも0.6重量%とすべきである。しかし、Mo量が増えると圧縮性、すなわち密度が減少するのでMo量は好ましくは2.0重量%未満、とすべきである。
P量が増えると焼結中の液相量が増え、これにより小孔の丸みが増し、P分散が容易になり、材料強度が向上する。またP量が増えると材料の硬化性と強度が高くなる。過剰量のPを用いると、冷却中にFe3Pが生成し、粒界に生成するときは材料は脆くなる。
通常黒鉛粉末として添加するCの量が0.2%未満であると、引張り強さは低くなり過ぎ、また、C量が0.8%を超えると焼結部は脆くなりすぎる。本発明の組成物から製造した部品は、そのC量が比較的低いので延性がよく、引張り強さは良好であるが、Cの量がこれより大きい組成物から製造した製品は延性が低く、引張り強さは高くなる。従って本発明の組成物を1250℃で焼結したときには800MPaまでの強度値が得られた。1120℃での焼結では約670MPaの強度が得られた、両方の温度用の好ましい組成物はP:0.4〜0.5%、C:0.5〜0.6%、Mo:0.7〜1.7%を含有するものであった。また、本発明の粉末は任意合金元素としてCuを含んでいてもよい。Cuは硬化性、従って、材料の引張り強さを向上させるCu量が多いとスエリング(swelling)のため密度に悪影響を及ぼす。また、硬化性を改善するためMnを任意元素として添加できる。しかし、Mn量が多いと酸化の問題が生ずる。
これらの任意合金元素であるCuとMnのほかに、本発明の粉末は不純物、例えばS、Si、Cr及びNiを好ましくは全粉末組成物の1重量%未満の量を含んでもよい。
本発明の好ましい態様ではアスタロイ▲R▼Mo(スウェーデン)のオガネス
ア・ベーから購入できる)を母体粉末として用いる。Mo:1.5%、Mn:0.1%含有するこの粉末にリン、例えば平均粒径が約10μm、P含有量が約15.6%のリン鉄を加える。
Mo、P及びCを含有する粉末組成物は特許出願WO91/19582で公知である。しかし、これらの組成物ではC量は0.1%未満とすべきとしており、更に、この特許出願の主目的である焼結製品の衝撃エネルギーを向上させるためニッケルを任意成分として含有させてもよいとしている。Fe、Mo及びPを含有するこれらの公知組成物に本発明に基づくCの添加は材料の硬化性を向上させ、C量を増すことにより引張り強さを向上する。更に、このC添加は焼結中の収縮を抜本的に減少させる。また、衝撃エネルギーが減少する。
本発明を以下の実施例でさらに詳しく説明する。
実施例
アスタロイ▲R▼Moを母体粉末として用い、ASC100.29(スウェーデンのホンガネス・アー・ベーから市販されている純鉄粉末)を参考粉末として若干の試験で用いた。リンは平均粒径が10μm、P含有量15.6%のリン鉄として添加した。クロプフミュール社(ドイツ)の超微粒子黒鉛を添加した。ステアリン酸亜鉛0.8%を総ての混合物に添加した。リン及び黒鉛は0.7%までの量を添加した。
引張り強さと衝撃強さ試験棒に600PMaでプレス成型し1120℃と1250℃で焼結した。焼結時間は30分で、雰囲気はN2/H2(=25/75)、又はN2/H2(=95/5)であった。
その結果を次表に総括する。表中、HV10はビッカース硬度、TSは引張り強さ、Aは伸びである。
本発明は圧縮と焼結により部品製造用鉄ベース粉末に関する。特に本発明は本質的にニッケルを含まない粉末組成物に関するもので、焼結すると価値ある部品が得られる。これらの部品は例えば自動車工業で使用できる。また、本発明は粉末冶金で製造したこの粉末の部品と、粉末冶金によりかかる部品の製造方法にも関する。
技術背景
ニッケルは粉末冶金の分野での鉄ベース粉末組成物では比較的普通の合金元素であり、ニッケルを8%まで含有する鉄粉末から製造した焼結部品の引張り強度を改善する。更に、ニッケルは焼結を促進し、硬化性を増加させ、また好ましい延伸効果がある。しかし、特にニッケルは高価であり、粉末の加工中粉塵問題が生じ、少量でアレルギー反応を起すためニッケルを含まない粉末の需要が増えている。従って、環境的見地からニッケルの使用は回避すべきである。
本発明の背景として問題は従って少くともある点ではニッケル含有組成と本質的に同じ性質を有するニッケルを含有しない粉末組成物を見い出すことにある。
この状況下で現在商業上使用している合金系はFe−P、Fe−P−Cを含み、またある程度Fe−Mo−Pを含む。これらの2種の炭素を含まない材料は引張り強さが適切で、延性が極めて良好である。Fe−P−C系は強度を向上させる(450〜650MPa)が、延性は低下する。
Fe−P−C−Cu−Mo合金は1984年トロントでの国際粉末冶金会議と、1984年デュセルドルフでの国際粉末冶金会議と展示会で提出された研究から既に公知であり、ライ・ホーイー、リウ・チャンシ・イン・ホンユーの論文で報告されている。
第1の論文は焼結済み鉄ベース合金中でのリン分布の調査と、リンが粒界に析出するかどうかの問題に関するもので、その研究の目的は焼結済みFe−P−Cu−Mo合金中でのリン分布の効果と、焼結と熱処理後の機械的性質と破断形態へのその効果を確立することである。
第2の論文はリンが焼結合金中での焼戻し脆性を起すかどうかを見出し、焼結と熱処理後のFe−P−C−Cu−Mo合金の機械的性質、微細構造、破断形態を検討することを目的とする研究に関する。
両論文はそのMo含有量が本発明の組成物のものより低い合金に関する。しかし、本発明の主目的は低温と高温の両方の焼結後には引続いて熱処理を行わなくとも引張り強さの高い製品を提供することにある。従って、本発明が解決する問題は前記論文で検討されている問題とは異なるものである。
公告特許WO71919582と91/18123(スウェーデン特許公告468466に対応する)はFe、Mo、P、Cを含有する粉末組成物に関するもので、両公告は本発明の組成物とは異なっており、それらの異なる性質のため他の目的を意図した粉末組成物を開示している。
国際特許公告WO91/19582は耐衝撃性部品、即ち、衝撃エネルギーが高い部品の製造用の組成物を開示している。これらの公知の組成物の重要な特徴は炭素含有量が低いこと、即ち、0.1重量%以下であることである。その上、衝撃エネルギーは材料の延性を示し、延性が高いと一般に引張り強さが低くなる。従って、この公告では高い引張り強さを得る仕方は教示されていない。
WO91718123はMo(またはWとMo)含有量が3重量%と15重量%の範囲で変化する粉末組成物を開示している、この場合、Moは高温強度と耐摩耗性改善のため添加している。その下限は望ましい耐摩耗性と高温強度を得るには充分量の炭化物形成元素が必要であるという事実を考慮して選択している。
本発明の組成物の開発は全く意外にも引張り強さを800MPa以上の値まで向上させることを可能にした。
本発明の金属粉末は鉄と不可避不純物に加えてMo:0.6〜2.0重量%、P:0.2〜0.8重量%、Cu:0〜2重量%、Mn:0〜0.3重量%、C:0.2〜0.8重量%から本質的に成るものである。また、金属粉末の約1重量%までの量の不可避金属が存在できる。不純物の例はS、Si、Cr、Niである。
Moは鉄粉末に混合、又は拡散結合してもよいが、好ましくはFeと予備合金化され、Pはリン化鉄、好ましくはFe3Pの形で添加するのが好ましい。
Moを添加すると材料の硬化性が高くなるので、Mo量は少くとも0.6重量%とすべきである。しかし、Mo量が増えると圧縮性、すなわち密度が減少するのでMo量は好ましくは2.0重量%未満、とすべきである。
P量が増えると焼結中の液相量が増え、これにより小孔の丸みが増し、P分散が容易になり、材料強度が向上する。またP量が増えると材料の硬化性と強度が高くなる。過剰量のPを用いると、冷却中にFe3Pが生成し、粒界に生成するときは材料は脆くなる。
通常黒鉛粉末として添加するCの量が0.2%未満であると、引張り強さは低くなり過ぎ、また、C量が0.8%を超えると焼結部は脆くなりすぎる。本発明の組成物から製造した部品は、そのC量が比較的低いので延性がよく、引張り強さは良好であるが、Cの量がこれより大きい組成物から製造した製品は延性が低く、引張り強さは高くなる。従って本発明の組成物を1250℃で焼結したときには800MPaまでの強度値が得られた。1120℃での焼結では約670MPaの強度が得られた、両方の温度用の好ましい組成物はP:0.4〜0.5%、C:0.5〜0.6%、Mo:0.7〜1.7%を含有するものであった。また、本発明の粉末は任意合金元素としてCuを含んでいてもよい。Cuは硬化性、従って、材料の引張り強さを向上させるCu量が多いとスエリング(swelling)のため密度に悪影響を及ぼす。また、硬化性を改善するためMnを任意元素として添加できる。しかし、Mn量が多いと酸化の問題が生ずる。
これらの任意合金元素であるCuとMnのほかに、本発明の粉末は不純物、例えばS、Si、Cr及びNiを好ましくは全粉末組成物の1重量%未満の量を含んでもよい。
本発明の好ましい態様ではアスタロイ▲R▼Mo(スウェーデン)のオガネス
ア・ベーから購入できる)を母体粉末として用いる。Mo:1.5%、Mn:0.1%含有するこの粉末にリン、例えば平均粒径が約10μm、P含有量が約15.6%のリン鉄を加える。
Mo、P及びCを含有する粉末組成物は特許出願WO91/19582で公知である。しかし、これらの組成物ではC量は0.1%未満とすべきとしており、更に、この特許出願の主目的である焼結製品の衝撃エネルギーを向上させるためニッケルを任意成分として含有させてもよいとしている。Fe、Mo及びPを含有するこれらの公知組成物に本発明に基づくCの添加は材料の硬化性を向上させ、C量を増すことにより引張り強さを向上する。更に、このC添加は焼結中の収縮を抜本的に減少させる。また、衝撃エネルギーが減少する。
本発明を以下の実施例でさらに詳しく説明する。
実施例
アスタロイ▲R▼Moを母体粉末として用い、ASC100.29(スウェーデンのホンガネス・アー・ベーから市販されている純鉄粉末)を参考粉末として若干の試験で用いた。リンは平均粒径が10μm、P含有量15.6%のリン鉄として添加した。クロプフミュール社(ドイツ)の超微粒子黒鉛を添加した。ステアリン酸亜鉛0.8%を総ての混合物に添加した。リン及び黒鉛は0.7%までの量を添加した。
引張り強さと衝撃強さ試験棒に600PMaでプレス成型し1120℃と1250℃で焼結した。焼結時間は30分で、雰囲気はN2/H2(=25/75)、又はN2/H2(=95/5)であった。
その結果を次表に総括する。表中、HV10はビッカース硬度、TSは引張り強さ、Aは伸びである。
Claims (8)
- Mo:0.6〜2.0重量%、P:0.2〜0.8重量%、Cu:0〜2重量%、Mn:0〜0.3重量%、C:0.2〜0.8重量%、不可避不純物:1重量%以下から本質的に成る、粉末圧縮、焼結により、部品を製造するための鉄ベース粉末。
- Mo量が0.7〜1.7重量%である、請求項1記載の粉末。
- P量が0.4〜0.5重量%である、請求項1又は2に記載の粉末。
- Pがリン化鉄、好ましくはFe3Pの形で存在する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の粉末。
- C量が0.5〜0.6重量%である、請求項2又は3に記載の粉末。
- Moが鉄粉末と予備合金化されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の粉末。
- Feのほかに、Mo:0.2〜2.0重量%、P:0.2〜0.8重量%、Cu:0〜2重量%、Mn:0〜0.3重量%、C:0.2〜0.8重量%、不可避不純物:約1重量%以下から本質的に成る粉末冶金で製造した部品。
- Feのほかに、Mo:0.6〜2.0重量%、P:0.2〜0.8重量%、Cu:0〜2重量%、Mn:0〜0.3重量%、C:0.2〜0.8重量%、不可避不純物:1重量%以下から本質的に成る鉄ベース粉末を用い、
この粉末を所要の形に圧縮し、
圧縮物を焼結することを特徴とする粉末冶金で焼結部品を製造する方法。
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