JP5772998B2

JP5772998B2 - 切削性に優れる焼結部材用の鉄基混合粉末

Info

Publication number: JP5772998B2
Application number: JP2014014756A
Authority: JP
Inventors: 由紀子尾▲崎▼; 高橋　克則; 克則高橋; 久宏松永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2014111844A

Description

本発明は、切削性に優れる焼結部材の用途に供して好適な、快削性焼結部材用の鉄基混合粉末に関するものである。

粉末冶金技術は、複雑な形状の機械部品を、極めて高い寸法精度を維持しつつ生産できるので、その機械部品の製造コストを大幅に低減することが可能である。そのために、粉末冶金技術を用いて製造した各種の機械部品が多方面に利用されている。さらに最近では、機械部品の小型化あるいは軽量化の要求が高まっており、小型軽量かつ十分な強度を有する機械部品を製造するための粉末冶金用原料粉が種々検討されている。

例えば、特許文献１、２および３には、鉄粉あるいは合金鋼粉の表面に合金用粉末を付着させた粉末冶金用原料粉が提案されている。このように鉄成分を主体とする粉末（以下、鉄基粉末という）は、通常、副原料粉末、例えば銅粉、黒鉛粉、リン化鉄粉、硫酸マンガン粉等、および潤滑剤、例えばステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウム等を添加して使用される。

以上の原材料を混合して得られた粉末は、焼結時の収縮等を考慮した部品形状の金型に充填され、加圧成形された後、還元雰囲気中で焼結されて機械部品となる。
この焼結工程においては、加熱とともに粉末冶金用原料粉間の相互に熱拡散が進行して材料強度が増大する。この時、熱拡散による不均一な収縮が起きるため、一般に、焼結後の材料は切削加工によって所望の寸法に整える。また、横穴や斜めの穴等加圧成形で付与することが困難な構造についても、焼結後のドリル加工やボーリング加工を施して所望の寸法に整えている。

上記した焼結材は、材料内部に多数の気孔が存在し、かつ、金属組織が不均質であるため、硬さが不均一となり、切削加工をする時の切削工具に伝わる衝撃が断続的となる。また、材料内部の気孔が熱を伝達しにくいため、切削時に発生する摩擦熱がこもり易く、切削工具の寿命が他の鉄系材料の加工に比べて短く、鉄系焼結部品の製造コストを押し上げる主要因となっている。

これに対して、粉末冶金用の鉄基粉末混合物に快削成分（例えばＳ、MnS等）を添加することによって、焼結部品の切削性が改善されることは従来から知られている。快削成分は、切り屑を容易に破断させる効果、あるいは切削工具に薄い構成刃先を形成して、切削工具（特にすくい面）の潤滑性を高める効果を有しているが、焼結時に焼結炉内をＳで汚染する、また、焼結部品の外観不良を生じさせ、発錆を加速する等の結果、部品外観を損なうという問題があった。

特開平０１−２１９１０１号公報特開平０２−２１７４０３号公報特開平０３−１６２５０２号公報

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、成形体の焼結に際し、焼結炉の炉内環境に悪影響を及ぼすことなく、しかも、切削性に優れ、外観の良好な焼結部品を製造するのに好適な焼結部材用の鉄基粉末混合物を提案することを目的とする。

発明者らは、切削性に優れ、また外観の良好な焼結部品用の鉄基混合粉末について鋭意検討を重ねた。その結果、酸化物の粉末、とりわけSiO₂-CaO-MgO系酸化物粉末の微粒子を混合させることが有用であるとの知見を得た。さらに、上記SiO₂-CaO-MgO系酸化物粉末は、MgOの一部をAl₂O₃および／またはTiO₂で置換すると良いことも分かった。
本発明はこれらの知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）焼結部材用の鉄基粉末に、SiO₂-CaO-MgO系の酸化物粉末を該鉄基粉末：100質量部に対して、0.01〜1.0質量部の割合で配合し、かつ該酸化物粉末がMgOの一部を、酸化物粉末：100質量部に対して、0.1〜25質量部のAl₂O₃および／またはTiO₂で置換してなることを特徴とする快削性焼結部材用の鉄基混合粉末。

本発明によれば、切削時における工具磨耗が抑制され、切削性に優れた焼結体を得ることができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明において、鉄基粉末としては、アトマイズ鉄粉や還元鉄粉などの純鉄粉、または部分拡散合金化鋼粉および完全合金化鋼粉、さらには完全合金化鋼粉に合金成分を部分拡散させたハイブリッド鋼粉などが例示される。
本発明は、かかる鉄基粉末に、切削性を高めるためのSiO₂-CaO-MgO系酸化物粉末を混合したことを特徴とするものである。

上記した鉄粉や合金粉の製造方法には、種々の種類があるが、その成形性や成形体の特性、焼結体の特性等を考慮すると、水アトマイズ鉄粉、還元鉄粉を使用することが特に好適である。これらの鉄粉は粒子表面に凹凸が存在し、加圧成形をすると、これらが絡み合うので成形体および焼結体の強度が高くなる。

また、この明細書において開示する発明は、上記した鉄基粉末中に、SiO₂-CaO-MgO系酸化物粉末を、鉄基粉末：100質量部に対して、0.01〜1.0質量部の割合で混合することが重要である。というのは、酸化物粉末の混合割合が0.01質量部未満の場合には、鉄基粉末の流動性に改善効果が見られない。一方、1.0質量部を超えた場合には、加圧成形した圧粉体の成形密度を低下させるとともに、焼結体の密度も低下させ、その結果、焼結体の強度を落とすことになるからである。なお、SiO₂-CaO-MgO系の配合比は特に限定されないが、mass％で、SiO₂：40〜55％、CaO：30〜50％、およびMgO：０〜20％程度とするのが好ましい。
さらに、本発明では、酸化物粉末のMgOの一部をAl₂O₃および／またはTiO₂で置換することが重要である。この置換量は、酸化物粉末：100質量部に対して、0.1〜25質量部とする。

上記した酸化物粉末は、鉄粉の流動性を改善する効果を有する微細な粉末であり、その融点が1000〜1800℃のものを使用することが好ましい。
この融点範囲では、鉄基粉末を成形した後に焼結する際、酸化物が融解して鉄粉と反応し、より低融点の粗大な酸化物に成長するおそれが少ない。また、一般には、原子間の凝集力が弾性的性質を決める傾向にあり、原子間の凝集力が比較的低い低融点の物質は、弾性係数も低い傾向にある。それゆえ、酸化物の融点としては比較的低温に属している上記した酸化物粉末は、酸化物の中では弾性係数が低いものと考えられる。このことより、焼結体の切削時において、上記した酸化物粉末は、その切削面上で容易に変形できるため、切削工具と被削材の切削面の間に拡がって工具の磨耗を抑制し、切削性改善効果を有することができる。

つまり、融点が1000℃未満の場合、酸化物が焼結中に融解し凝集してしまうため、焼結体の強度が低下するおそれが生じる。一方、融点が1800℃を越えると、弾性係数が上昇するために、酸化物が工具表面に拡がりにくくなり、工具の磨耗を加速させるおそれが生じる。

酸化物粉末の平均粒径は、レーザー回折法による測定での50％累積透過分布d₅₀の値が0.5〜10μmの範囲となることが好ましい。
というのは、一般に、粉末粒子の表面に細かな凹凸があると、粒子間の接触面積が小さくなるため粒子間付着力が小さくなり、粉末の凝集状態が解消することが知られている。鉄粉にも凹凸が存在するが、その表面粗度は、算術平均粗さRaで10μm程度であり、粉末の凝集状態が解消するには十分な凹凸とはいえないからである。

すなわち、酸化物粉末の平均粒径が0.5μmに満たないと、鉄粉表面の凸凹や鉄粉表面に存在する潤滑剤等に埋没するおそれがあると共に、酸化物粉末が凝集したまま鉄粉の表面に付くおそれがある。
一方、平均粒径が10μmを超えると、はじめから鉄粉表面に存在する凸凹の曲率と同等となり、粒子を付着させる意義が薄れ、さらに、酸化物粉末は、焼結時に分解することなくそのまま焼結体中に存在する。そのため、酸化物粉末の粒径が大きすぎると焼結体の強度低下を招く。なお、好ましくは、１〜５μmの範囲である。

本発明に使用する潤滑剤および結合剤の種類は、加熱して溶融するもの、もしくは加熱して固化するもの等、従来公知の潤滑剤および結合剤がいずれも使用できるが、固化した後で潤滑性を有するものが好ましい。その理由は、粉体粒子間の摩擦力を低下させ、粉体の流動性を向上させ、加圧成形初期の粒子再配列を促すためである。
具体的には、金属石鹸、アミドワックス、ポリアミド、ポリエチレン、酸化ポリエチレン等を使用する。特に、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸モノアミド、およびエチレンビスステアロアミド等が好ましく、これらの潤滑剤および結合剤は単体で使用しても良いし、２種以上を混合して使用しても良い。

上記した潤滑剤および結合剤は、その融点以上で溶融し、混合槽内にある原料粉体の各粒子表面を濡らす。水アトマイズ鉄粉や還元鉄粉は、表面に凹凸が存在するので、その凹凸に局所的に結合剤が溜まる傾向がある。そのため、鉄基粉末表面の潤滑剤および結合剤の分布は均一ではない。
潤滑剤および結合剤の分布を均一にするためには、鉄基粉末表面と潤滑剤および結合剤との濡れ性を改善する必要がある。そこで、鉄基粉末表面と潤滑剤および結合剤との濡れ性を改善するために、濡れ改善剤を使用することが好ましい。

濡れ改善剤を使用する場合には、潤滑剤および結合剤、鉄粉、その他の合金成分を加熱混合する前に、予め鉄基粉末の表面を濡れ改善剤で被覆しておく必要がある。濡れ改善剤として、シランカップリング剤を用いる場合には、混合槽に鉄粉を装入し、そこにシランカップリング剤を投入して１〜10分程度室温で撹拌すればよい。その後、上記した潤滑剤および結合剤、その他の合金成分を投入して加熱混合する。
なお、濡れ改善剤の混合量は、特に限定はないが、鉄基粉末に対し0.01〜0.1mass％程度が好ましい。

以下、本発明の製造工程について、その一例を具体的に説明する。
本発明では、機械撹拌式混合機を用いて、鉄粉と黒鉛、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉等の各種合金成分、潤滑剤および結合剤を混合して作製する切削性に優れた焼結部材用の鉄基混合粉末の製造過程で、酸化物粒子を同時に添加混合して製造する。

また、本発明では、機械撹拌式混合機の一種である高速ミキサーを用いて、鉄粉と黒鉛、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉等の各種合金成分、および結合剤を加熱混合し、さらに、この混合粉末の成形性を確保するために、潤滑剤を添加して作製する切削性に優れた焼結部材用の鉄基混合粉末の製造過程で、最後の潤滑剤を添加混合する際に、切削性改善粒子である酸化物粒子を同時に添加混合して製造することもできる。

その手順は、まず、高速ミキサーに所定量の鉄粉を装入し、ここに、黒鉛、Ｃｕ粉等の合金成分と結合剤を添加する。これらの原料を投入した後、加熱混合を開始する。高速ミキサーにおける回転翼の回転数は、その混合槽の大きさ、回転翼の形状によって異なるが、一般には、回転翼先端の周速で１〜10m/秒程度である。ついで、混合槽内の温度が結合剤の融点以上になるまで加熱混合し、融点以上の温度で１〜30分程度混合する。混合終了後、混合槽内を冷却する。この冷却過程で結合剤が固化するが、その際に、合金成分等の副原料が鉄粉の表面に付着する。

切削性改善粒子である酸化物粒子を添加する効果は、明確に解明されてはいないが、発明者らは以下の通りと考えている。
つまり、融点を1000〜1800℃に調整した酸化物粒子を鉄基粉末に添加して焼結することで、焼結体内部に酸化物粒子が存在することとなる。この内部の酸化物粒子が切削時の工具と被削材の摩擦発熱により軟化し、被削材表面に移動または溶出して、工具と被削材の間の摩擦を低減するとともに、被削材表面に移動した酸化物粒子の被膜が摩擦発熱による工具の酸化劣化を防止することで、工具磨耗ならびに工具欠損が同時に低減し、その結果、切削性が改善されるものと考えられる。

［実施例１］
アトマイズ純鉄粉（商品名：JFEスチールJIP301A）に、合金用粉末として、0.8mass％の黒鉛粉末（平均粒径：４μm）と、２mass％の電解銅粉を添加し、この鉄粉と合金用粉末からなる鉄基粉末に対し、切削性改善用粉末として表１に示す配合割合および平均粒径になるSiO₂-CaO-MgO系粉末を添加した。さらに、鉄基粉末と切削性改善用粉末とを含む粉末全体で、0.8mass％の比率になる潤滑剤を添加し、所定時間混合して鉄基混合粉末とした。
なお、比較例として、本発明に従う切削性改善用粉末を含有しないもの（比較例１）、および従来使用されてきたMnSを添加したもの（比較例２）も準備した。

これら鉄基混合粉末を金型に充填した後、圧縮成形を施した。形状は、JIS Z 2507「焼結軸受−圧環強さ試験方法」に準ずる外径：60mm、内径：20mm、高さ：25mmのリング形状とし、成形密度は6.9Mg/m³とした。
ついで、これらの試験片成形体を、メッシュベルト炉のRX混合ガス雰囲気中で、1130℃×20分の条件により焼結して焼結体とし、これらを３つ重ねた円筒状の形で旋盤にセットし、外周を研削した。1000ｍ切削したところで切削を止め、工具チップの横逃げ面のアブレッシブ磨耗の幅を測定した。

切削工具は、超硬：P10種相当の直方体のチップを用いて、切削速度：200m/分、送り：0.1mm/rev、切込み深さ：0.5mmの条件で切削を実施した。
試験結果を表１に併記する。

表１に示したとおり、本発明に従う鉄基混合粉末を用いた焼結体はいずれもチップの横逃げ面のアブレッシブ磨耗の幅が0.10mm以下と、従来のMnSを添加した比較例２と比べて、極めて小さいことがわかる。また、切削改善材を添加しない比較例１は、アブレッシブ磨耗の幅が大きく、それによって切削抵抗が増大し、1000ｍの切削も困難であった。

［実施例２］
還元鉄粉（商品名：JFEスチールJIP255M）に、合金用粉末として、0.8mass％の黒鉛粉末（平均粒径：４μm）と、２mass％のアトマイズ銅粉を添加し、この鉄粉と合金用粉末からなる鉄基粉末に対し、切削性改善用粉末として表２に示す配合割合および平均粒径になるSiO₂-CaO-MgO系粉末を添加した。さらに、鉄基粉末と切削性改善用粉末とを含む粉末全体で、0.8mass％の比率になる潤滑剤を添加し、所定時間混合して鉄基混合粉末とした。
なお、比較例として、本発明に従う切削性改善用粉末を含有しないもの（比較例３）および、従来使用されてきたMnSを添加したもの（比較例４）も準備した。

これら鉄基混合粉末を金型に充填した後、圧縮成形を施した。形状は、実施例１と同様に外径：60mm、内径：20mm、高さ：25mmのリング形状とし、成形密度は6.9Mg/m³とした。
ついで、これらの試験片成形体を実施例１と同じ条件で焼結体とし、これらを３つ重ねた円筒状の形で旋盤にセットし、外周を研削した。1000ｍ切削したところで切削を止め、工具チップの横逃げ面のアブレッシブ磨耗の幅を測定した。

切削工具は、超硬：P10種相当の直方体のチップを用いて、切削速度：200m/分、送り：0.1mm/rev、切込み深さ：0.5mmの条件で切削を実施した。
試験結果を表２に併記する。

表２に示したとおり、本発明に従う鉄基混合粉末を用いた焼結体はいずれもチップの横逃げ面のアブレッシブ磨耗の幅が0.12mm以下と、従来のMnSを添加した比較例４と比べて、極めて小さいことがわかる。また、切削性改善用粉末を添加しない比較例３は、アブレッシブ磨耗の幅が大きく、それによって切削抵抗が増大し、1000ｍの切削も困難であった。

本発明によれば、切削工具の寿命低下を招くことがなく、かつ、製造コストの上昇を招くことのない、切削性に優れた焼結部材を提供することができる。さらに、この切削性に優れた焼結体により、切削加工の必要な部品でも、小型軽量かつ十分な強度を有する機械部品を提供することができる。

Claims

焼結部材用の鉄基粉末に、SiO₂-CaO-MgO系の酸化物粉末を該鉄基粉末：100質量部に対して、0.01〜1.0質量部の割合で配合し、かつ該酸化物粉末がMgOの一部を酸化物粉末：100質量部に対して、0.1〜25質量部のAl₂O₃および／またはTiO₂で置換してなることを特徴とする快削性焼結部材用の鉄基混合粉末。