JPH0610003A - 粉末冶金用鉄基複合粉末及びその焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 焼結温度を高くして組織の緻密化を図った場
合であっても、結晶粒の粗大化を効果的に抑制し、もっ
て焼結体の強度及び靭性の向上を図る。 【構成】 鉄系粉末粒子の表面に、化学式：Ｘ−Ｂ（こ
こでＸは、Ti, Zr, Hf,Nb, Mo, Ｖ，Ｗ及びTaのうちか
ら選んだ少なくとも一種）で示される硼化物粒子を、0.
01〜２％の範囲で部分的に付着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高強度・高靭性焼結
部品の製造に供して好適な粉末冶金用鉄基複合粉末及び
この複合粉末を用いた焼結体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄系焼結材料は、自動車などの機械部品
などに多く利用されているが、最近これらの部品に対し
て高強度と共に高靭性化の要求が高まってきている。か
かる高強度・高靭性化を達成するためには、合金化の他
に、例えば特公昭49-16325号公報に開示されているよう
な再圧縮による密度の向上などが挙げられる。しかし、
再圧縮プロセスの採用は経済的な面で不利が伴う。

【０００３】一方、合金化は従来から広く実施されてお
り、 純鉄粉に Ni, Cu, Mo 粉等を混合する方法、 予合金化する方法、 純鉄粉に Ni, Cu, Mo 粉等を拡散付着させる方法 などが知られている。しかし、上記したいずれの合金化
方法においても、強度の増加は靭性の低下を招く。ま
た、緻密化を目的として焼結温度を高くすると結晶粒が
粗大化し、緻密化効果により期待したほどには強度、靭
性は向上しない。さらに結晶粒の粗大化を抑制するため
に焼結温度を低減すると密度が低下し、強度、靭性が共
に損なわれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】焼結体の結晶粒を微細
化することは、強度と靭性を同時に向上するために有効
な方法である。合金元素の単なる添加では、強度は増加
するが、それに伴ない靭性は低下する。また組織の緻密
化を図るべく焼結温度を高くした場合には結晶粒の粗大
化を招き、やはり期待したほどの強度、靭性の向上は望
み得ない。この発明は、上記の問題を有利に解決するも
ので、焼結温度を高くして組織の緻密化を図ったとして
も、結晶粒の粗大化を効果的に抑制し、もって焼結体の
強度及び靭性を共に向上させることができる粉末冶金用
鉄基複合粉末を、それを用いた焼結体と共に提案するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、化
学式：Ｘ−Ｂ（ここでＸは、Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, Ｖ，
Ｗ及びTaのうちから選んだ少なくとも一種）で示される
硼化物粒子：0.01〜２wt％を、鉄系粉末粒子の表面に部
分的に付着させたことを特徴とする粉末冶金用鉄基複合
粉末（第１発明）である。

【０００６】またこの発明は、化学式：Ｘ−Ｂ（ここで
Ｘは、Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, Ｖ，Ｗ及びTaのうちから選
んだ少なくとも一種）で示される硼化物粒子：0.01〜２
wt％（以下単に％で示す）と、Ni粉：0.5 〜3.5 ％、Cu
粉：0.5 〜3.5 ％、Mo粉：0.5 〜3.5 ％及び黒鉛粉：0.
1 〜１％のうちから選んだ一種又は二種以上とを、鉄系
粉末粒子の表面に部分的に付着させたことを特徴とする
粉末冶金用鉄基複合粉末（第２発明）である。

【０００７】上記第１及び第２発明において、鉄系粉末
粒子の表面に対する、硼化物粒子や金属粉粒子、黒鉛粒
子などの付着は、潤滑剤とバインダーとの共溶融物によ
って行うことが有利である。

【０００８】さらにこの発明は、第１発明の鉄基複合粉
末を、成形したのち、焼結してなる焼結体（第３発明）
である。

【０００９】またさらにこの発明は、第２発明の鉄基複
合粉末を、成形したのち、焼結してなる焼結体（第４発
明）である。

【００１０】なおこの発明において、鉄系粉末粒子と
は、純鉄粉の他に、Ni, Cu, Mo, Cr,Ｗ及びMnなどが予
合金化された鉄合金粉末をも含むものである。

【００１１】

【作用】この発明に従い、鉄系粉末粒子の表面に、上記
したような硼化物粒子を付着させることにより、焼結温
度を高くした場合であっても焼結粒の粗大化が効果的に
抑制される。これは硼化物の結晶粒界ピンニング効果に
よる。

【００１２】この発明の複合粉末は、1200℃以上の高温
で焼結に供されるときに特に有効である。また、この発
明における結晶粒の粗大化防止効果は、鉄系粉末粒子の
平均粒径が 45 μm 以下のときにより顕著である。

【００１３】次に、合金元素を上記の範囲に限定した理
由について説明する。 化学式：Ｘ−Ｂ（ここでＸは、Ti, Zr, Hf, Nb, Mo,
Ｖ，Ｗ及びTaのうちから選んだ少なくとも一種）で示さ
れる硼化物粒子：0.01〜２％ 上記のＸ−Ｂ粒子を、鉄系粉末粒子の表面に部分的に付
着させることにより、焼結時における結晶粒の粗大化が
抑制され、その結果、焼結体の強度、靭性が向上する。
しかしながら含有量が0.01％未満ではその効果が弱く、
一方２％を超えると延性破壊エネルギーの低下を招き、
強度、靭性が劣化する。

【００１４】ところで、Ｘ−Ｂ粒子を鉄系粉末粒子と単
純に混合した場合には、Ｘ−Ｂ粒子が偏析し易く、その
結果、焼結粒の異常成長が生じて混粒となり、強度、靭
性の低下を招くことがある。この問題を解決するために
は、Ｘ−Ｂ粒子の鉄系粉末粒子の表面に対する付着手段
として、潤滑剤とバインダーとの共溶融物を利用するこ
とが有利である。

【００１５】ここに潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛
などの金属石けん、ステアリン酸などの高級脂肪酸又は
ワックス類などの通常の粉末冶金で用いられる潤滑剤が
使用できる。またバインダーとしては、熱可塑性の酢酸
ビニル、ポリアクリル酸、ポリビニルブチラール、セル
ロース誘導体系のエチルセルロース及びメチルセルロー
ス等をはじめとして、熱硬化性のフェノール樹脂、さら
には植物油、鉱物油、その他脂肪酸などのオイル、例え
ば米糖油、スピンドル油、オレイン酸などが有利に適合
する。上記バインダーは、ベースの鉄粉とＸ−Ｂ粒子と
の混合時に、潤滑剤と同時又は段階的に添加し、いずれ
にしても均一に分散するまでに十分な時間混合する。こ
のように均一に分散混合した状態でこれらの混合粉末
を、例えば90〜200 ℃に加熱して（バインダー、潤滑剤
によって異なる）潤滑剤とバインダーの共溶融物（潤滑
剤とバインダーの加熱融合体）によってベースの鉄粉に
Ｘ−Ｂ粒子を固着させるのである。

【００１６】この発明では、上記したＸ−Ｂ粒子の他、
焼結体の要求強度レベルに応じてさらにNi, Cu, Mo及び
黒鉛粉のうちから選んだ少なくとも一種を、以下の範囲
で添加することができる。 Ni粉：0.5 〜3.5 ％ Niは、Fe基地に固溶して焼結体を強化し、また靭性を向
上させる。しかしながら含有量が 0.5％に満たないと、
固溶強化はもとより、焼入性向上による高強化化、さら
にはマトリックスの靭性改善効果が得られない。一方、
3.5％を超えると、過剰なオーステナイト相が生成し、
強度低下が生じる。

【００１７】Mo粉：0.5 〜3.5 ％ Moは、Fe基地に固溶して焼結体を強化すると共に、炭化
物を形成して強度及び硬さを向上させる他、焼入性の向
上にも寄与が大きい。しかしながら 0.5％に満たない
と、固溶強化及び焼入性増加による高強度化が達成され
ない。一方、3.5％を超えると靭性が阻害される。なおN
i, Moに関しては、Fe−NiやFe−Mo, Fe−Ni−Mo粉の形
での添加も可能である。

【００１８】Cu粉：0.5 〜3.5 ％ Cuは、Fe基地に固溶して焼結体を強化すると共に、焼入
性の向上にも効果が大きい。しかしながら 0.5％に満た
ないと固溶強化及び焼入性増加による高強度化が達成さ
れず、一方、3.5 ％を超えると靭性が阻害される。

【００１９】黒鉛粉：0.1 〜１％ 黒鉛は、Fe基地にＣとして固溶して焼結体を強化するだ
けでなく、炭化物の形成による高強度化にも寄与する。
しかしながら含有量が 0.1％未満では高強度化が達成で
きず、一方、１％を超えると粒界セメンタイトの析出に
より強度が低下する。

【００２０】次に、この発明の原料鋼粉を用いた成形、
焼結方法について説明すると、成形に関しては、一般に
用いられる圧縮成形、射出成形でよい（射出成形の場合
は任意にコンパウンドを作製できる）。また焼結につい
ても、同様に、一般に用いられる AX,RX, N₂ガス雰囲気
中あるいは真空中で実施することができる。さらに、必
要な場合は、焼結後に熱処理を行うが、この熱処理と
は、浸炭及び／又は浸窒処理、焼入れ焼戻し処理などを
指す。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 純鉄粉（平均粒径：32μm ）に、表１に示す硼化物粒子
を所定量と、黒鉛粉末を 0.9％添加し、さらにステアリ
ン酸亜鉛：１％、オレイン酸：0.19％を添加し混合し
た。これらの混合粉末を、 120℃で15分間攪拌しながら
加熱してステアリン酸亜鉛とオレイン酸の共溶融物によ
って、ベース鉄粉粒子の表面に硼化物粒子と黒鉛粉を付
着させて複合粉末を製造した。ついで、これらの鋼粉を
７ t/cm²で圧縮成形後、1250℃のAXガス中で焼結し、さ
らに浸炭焼入れ、焼戻し処理を施した。なお浸炭焼入れ
条件は、 930℃×120min、カーボンポテンシャル：1.0
％であり、また焼戻し条件は 180℃×60min である。か
くして得られた焼結体の引張試験及びシャルピー衝撃試
験（切欠なし）結果を表１に併記する。

【００２２】

【表１】

【００２３】同表より明らかなように、この発明に従
い、適正量の硼化物粒子を純鉄粉の表面に付着させた場
合に、とりわけ良好な引張強さ及びシャルピー吸収エネ
ルギーが得られている。

【００２４】実施例２ 純鉄粉（平均粒径：32μm ) に、TiB₂，NbB₂及びVB₂ を
それぞれ0.03％と、黒鉛粉：0.15％とを添加し、実施例
１と同様にして複合粉末を製造した。また、同じ組成の
粉末を、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛：0.8 ％のみを
用いて単純混粉した。なお、このときの粉体では、一部
に硼化物粒子の偏析が見られた。以上の２種類の粉末を
用い、実施例１と同様の条件で、成形、焼結、浸炭焼入
れ、焼戻し処理を施して、焼結体を製造した。かくして
得られた焼結体の引張試験及びシャルピー衝撃試験（切
欠なし）結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】同表より明らかなように、潤滑剤とバイン
ダーとの共溶融物によって、ベース鉄粉粒子の表面に硼
化物粒子を付着させた方が、より優れた特性値が得られ
た。

【００２７】実施例３ Cr：１％含む予合金鋼粉（平均粒径：25μm ）に、Ti
B₂：0.4 ％と、表３に示す Cu, Mo, Ni 金属粉を所定量
と、さらに黒鉛粉：0.9 ％とを添加し、実施例１と同様
にして複合粉末を製造した。ついで、これらの粉末を７
t/cm²で成形後、95％N₂−５％H₂中にて、1250℃,60 mi
n焼結した。かくして得られた焼結体の引張試験及びシ
ャルピー衝撃試験（切欠なし）結果を表３に併記する。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、たとえ高温
焼結を行った場合であっても、焼結時における結晶粒の
粗大化を効果的に抑制することができ、ひいては焼結体
の強度、靭性を併せて向上させることができる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学式：Ｘ−Ｂ（ここでＸは、Ti, Zr,
   Hf, Nb, Mo, Ｖ，Ｗ及びTaのうちから選んだ少なくとも
   一種）で示される硼化物粒子：0.01〜２wt％を、鉄系粉
   末粒子の表面に部分的に付着させたことを特徴とする粉
   末冶金用鉄基複合粉末。
2. 【請求項２】 化学式：Ｘ−Ｂ（ここでＸは、Ti, Zr,
   Hf, Nb, Mo, Ｖ，Ｗ及びTaのうちから選んだ少なくとも
   一種）で示される硼化物粒子：0.01〜２wt％と、Ni粉：
   0.5 〜3.5 wt％、Cu粉：0.5 〜3.5 wt％、Mo粉：0.5 〜
   3.5 wt％及び黒鉛粉：0.1 〜１wt％のうちから選んだ一
   種又は二種以上とを、鉄系粉末粒子の表面に部分的に付
   着させたことを特徴とする粉末冶金用鉄基複合粉末。
3. 【請求項３】 鉄系粉末粒子の表面に対する、硼化物粒
   子の付着が、潤滑剤とバインダーとの共溶融物によるも
   のである請求項１記載の粉末冶金用鉄基複合粉末。
4. 【請求項４】 鉄系粉末粒子の表面に対する、硼化物粒
   子並びに金属粉粒子及び／又は黒鉛粒子の付着が、潤滑
   剤とバインダーとの共溶融物によるものである請求項２
   記載の粉末冶金用鉄基複合粉末。
5. 【請求項５】 請求項１記載の鉄基複合粉末を、成形し
   たのち、焼結してなる焼結体。
6. 【請求項６】 請求項２記載の鉄基複合粉末を、成形し
   たのち、焼結してなる焼結体。