JP3869853B2 - Ｍｏ，Ｐ，Ｃを含有する鉄ベース粉末 - Google Patents

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。

Claims (8)

1. 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。
2. Ｍｏ量が０．７〜１．７重量％である、請求項１記載の粉末。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。