JPS5938355A

JPS5938355A - 鉄系焼結体

Info

Publication number: JPS5938355A
Application number: JP14717382A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Suganuma; 菅沼　徹哉; Kouji Kazuoka; 数岡　幸治
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-08-25
Filing date: 1982-08-25
Publication date: 1984-03-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、焼き入れ性、被削性にづぐれ、高強度、高靭
性の鉄系焼結体に関するものである。

一般に機械構造用鉄系焼結体は、所定の製品形状のもの
が焼結体として作ることができるために、焼結体を切削
加工したりすることは少ない。しかし、型成形が困難な
複雑な形状の場合は、得られた鉄系焼結体を切削加工す
る場合がある。また、用途によっては焼き入れ等の熱処
理を行なって耐摩耗性等の向上を計る場合がある。

通常、焼き入れ性が必要な焼結体については、ニッケル
モリブデン焼結鋼あるいはクロムマンガン焼結鋼等の焼
結材料が使用される。しかし、これらの焼結材料は、コ
ストが高く、またブタン変性還元ガスで焼結しにくい等
の問題点を有している。さらに、これらの焼結材料は焼
き入れ性は良いが、被削性が悪い等の問題点も有する。

また、通常の鉄系の機械構造用焼結材料では、密度６゜
８０／ｃｍ３で引張強度が５０　ｋｇ／　ｍｍ２　、伸
びが１゜０〜１．５％が限度であり、それ以上の引張強
度、伸びを有する鉄系焼結体を作るのが困難である。

本発明は、上記問題を克服するもので、被剛性の悪化が
少なく、焼き入れ性にすぐれ、低コストで高強度、高靭
性をもつ鉄系焼結体を提供することを目的とづる。

発明者は多数の鉄系合金を検討した結果、得られる焼結
体が０．０７重邑％ないし０．１２重呈％（以下％は重
量％を示す）のリンを含有することにより被剛性の悪化
が少なく、高周波焼き入れ、焼き戻し等の熱処理におい
−Ｃ１ビッカース硬度で８００程度の硬さを得ることが
でき、かつ熱処理歪が小さい鉄系焼結体を得ることがで
きることを発見し、本発明を完成したものである。

すなわち本発明の鉄系焼結体は、銅１．５〜２゜５重量
％、炭素０．６〜０．９重量％、リン０゜０７〜０．１
２％、残部鉄および不ｉＪ避の不純物からことを特徴と
するものである。

本発明の鉄系焼結体で、リンの間を０．０７〜０．１２
％ととしたのは、リンの割合が０．０５％満たないと引
張強さが小さく、かつ伸びも小さくなりすぎるからであ
る。また逆に、リンが０゜１２％を越えて存在している
場合には被剛性が極度に悪化する。銅の量を１．５〜２
．５％としたのは、１．５％未満では引張強さ、伸びが
十分でなく、逆に、２．５％を越えて存在する場合には
焼き入れ、焼き戻し時の歪発生が大きく、引張強さも十
分でないためである。炭素の吊を０．６〜０．９％にし
たのは、炭素の吊が０．６％未満では、焼き入れ効果が
少なく、十分な硬さを得られないこと、また１、２％を
越える場合には焼き入れ、焼き戻し時の歪が大きく伸び
も小さくなるＩＣめである。

本発明の鉄系焼結体を構成する鉄粒子中のリン化鉄（Ｆ
ｅ３Ｐ）の粒径は１〜５ミクロン程度で、結晶粒内に均
一に分散しているのが好ましい。リン化鉄の粒径が１ミ
クロンより小さい場合には、機械的性質の向上への効果
がない。逆に５ミクロンより大きいと被削性が悪くなる
。また、顕微鏡組織的には微細、なパーライト組織が出
現づるとともに、リンを固溶したフェライトが面積率で
５〜１５％含まれ粒界から離れた粒内に存在しているの
が良い。フェライトがこの条件を満たしていないと引張
り強度さ低くなる。

さらに本発明の鉄系焼結体の有孔多孔率は５％以内であ
ることが望ましい。密度では６．８以上、より好ましく
は６．８〜７．１９／ｃｍ３程度が好ましい。

この鉄系焼結体を！！８１造する方法は、全体の組成が
銅１．５〜２．５重量％、炭素０．６〜０．９重量％リ
ン０．０７〜０．１２重量％、残部鉄及び不可避の不純
物となる様にリン鉄合金粉末、鉄粉末、銅粉末、黒鉛粉
末を混合して原料粉末を得る工程。得られた原料粉末を
型内で圧縮して圧密体を得る工程、圧密体を焼結して鉄
系焼結体を製造する工程とより成ることを特徴と１６も
のである。この原料粉末を得る工程は、リン成分原料と
して、リン、鉄の合金粉末を用いる。このリン鉄合金粉
末として、得られる鉄系焼結体のリン含有量に近い、リ
ン鉄合金粉末を用いるのが好ましい。

しかし、リンの含有量の多い、リン鉄合金粉末と、リン
を含まない鉄粉末の混合体でリン及び鉄の組成範囲に入
る様に、その混合粉末の割合を調節して使用することも
できる。このリン鉄合金粉末として、リンの含有ｆｆ１
０．４〜Ｏ１７％残部鉄及び不可避の不純物から成る合
金粉末あるいはリン量１４〜２３％残部鉄及び不可避の
不純物から成るリン鉄合金粉末を用いることができる。

これらのリン鉄合金粉末の粒径は、粒径が細かい稈好ま
しい。しかしながら、粒径の細かい粉末はコスト高とな
るため、平均粒径３５ミクロン以下のものあるいは１０
０メツシユのふるい通過の粉末を用いるのが好ましい。

銅成分としては、銅粉末を用いるのが良い。尚、鉄鋼合
金粉末等の使用も可能と思われるが、鉄銅合金粉末は硬
く圧縮が困難である。銅粉末としては、平均粒径２５〜
３５ミクロンの粉末を用いるのが経済的である。

黒鉛粉末としても、細かＧプれば細かい稈好ましいが、
軽済性をも考慮し、平均粒径１〜５ミクロン程度のもの
が最適である。黒鉛粉末以外の炭素粉未使用も考えられ
るが合金化が困難で高価であり、黒鉛が望ましい。

鉄粉としては、噴霧鉄粉その他種々の鉄粉を用いること
ができる。ここでは主として噴霧鉄粉を用いた。本発明
考が実験した範囲においては、噴霧鉄粉中に含まれる酸
化物中の酸素としては、１００〜４０，０Ｏｐｐｎの表
面酸素と、５００１）Ｈ以下の内部酸素を持つものであ
れば十分に使用することができた。しかし、４０００ｐ
ｐｍ以上の表面酸素あるいは５００　ｐｐｍ以上の内部
酸素を持つ鉄粉を使用する場合には、得られる鉄系焼結
体の機械的性質が悪化するのが認められた。

焼結工程にあいＵ、８４０℃から９８０℃における加熱
昇温速度を１分あたり、５〜１２℃としたのは、加熱昇
温速度が１２℃を越える場合には、ステライトの出現に
ばらつきを生じ易く、Ｆｅ３Ｐの粒径が過大となるとと
もに被削性が″劣化するからである。逆に、５℃未満の
加熱速度では、非常に加熱速度が遅く実用的でないため
である。又、１１２０℃前後における焼結温度での保持
時間は、１５分未満の場合には、十分な焼結が行われに
くく、引っ張り強さ、伸び共に低い。又３０分以上加熱
した場合においても、その加熱時間延長による引っ張り
強さ伸び等の向上はあまり期待できなく、実用的でない
。そのために、１５分〜３０分の加熱保持時間とした。

冷却過程において、加熱温度から８８０℃までの冷却速
度は、１分当り１５℃以上の急冷却を行うと、寸法ばら
つきが増加する。又、５℃以下の冷却温度は、実用的で
ないために、１分間当り、５℃〜１５℃とした。

以下、実施例により説明する。

この実施例では、本発明の組成範囲にある第１表に示す
試料Ｎｏ、１〜８の８種類の試料および本発明の組成範
囲外のＮｏ、１０１〜１０８の８種類、合計１６種類の
鉄系焼結体を作った。この１６杆類の鉄系焼結体は、８
１１１表の化学組成となる様に、鉄粉末、リン鉄合金粉
末、銅粉末、黒鉛粉末を混合したものである。なお、こ
れらの組成原料以外に全体の１％のステアリン酸亜鉛よ
りなる型潤滑剤を配合した。尚、ここで用いた。リン鉄
合金粉末は、第１表の表に示す、０．４％から２１％の
リン合金を含む種々のリン鉄合金粉末を用いた。又、リ
ンの含有量が０．８％未満のリン鉄合金粉末は、１００
メツシユのふるいを通過したものである。そしてリンの
含有量が１０％以上のリン鉄合金粉末は、それらの平均
粒径が２５〜３５ミクロンであった。黒鉛粉末としては
、平均粒径１〜２ミクロンのものを用いた。又、銅粉末
としては、平均粒径２５〜３０ミクロンの銅粉末を用い
た。さらにリンおよび鉄の組成範囲を調整づる鉄粉とし
ては、４２メツシユのふるいを通過した噴ｎ鉄粉を用い
た。尚、用いた噴霧鉄粉の表面酸素量は１５００〜４０
００　Ｄｌ）ｍの酸素と内部酸素として、３００〜５０
０１）Ｉ）ＩＩＩの酸素を含むものであった。さらに原
料粉末を調整する混合方法としては、第１表に示すＡ、
８２種類の混合方法を採用した。混合方法Ａは、すべて
の原料粉末を所定割合に配合した後、Ｖ型混合機で３０
分間混合するもので□ある。混合方法Ｂは、リン鉄合金
粉末と、銅合金粉末の２種類について、まず、Ｖ型混合
機で３０分間混合した後、この混合粉末に噴霧鉄粉、黒
鉛粉末、型潤滑剤、を投入し、さらにＶ型混合機で３０
分間混合する混合方法である。

得られた１６種類の原料混合粉末は、それぞれ、圧縮成
形型に入れ、１０１１２当り、４５００〜７０００ｋｌ
ｆｆの荷重をかけ、外径５０ｍｍ内径１１３ｍｍ、高さ
２８ＲＩ１１及びＪＳＰＭ標準用の圧密体を得た。そし
て、この圧密体を第１表に示す焼結条件で焼結した。な
お、焼結ガス雰囲気としてはブタン変性還元ガスを用い
た。

この様にして得られた焼結体の特性を第２表に示す。第
２表においては、焼結体の特性として、密度、顕微鏡観
察による鉄粒子中のリン酸鉄の粒径、フェライトの面積
率を測定した。又、ｖ１帖体の被削性、焼き入れ性、機
械的性質を調べた。

被削性評価試験は、旋盤を用い、外形５Ｑｍｍ内径１８
１のリング状被削性評価用テストピースを用い、試験片
を１分間１０００回転、送り量１回転当り０．０５ｍｍ
、切り込み１１０ｎ＋ｍの条件で、バイトに５ＫＨ５７
を使用し、切削油なしの条件で切削し、バイトの摩耗量
を測定した、第２表にその結果を示す。

焼き入れ性としては、得られた焼結体より外径５Ｑｎｖ
内径１８１！ｌＩｎのリング状テストピースを作り、こ
の試験片を誘導加熱コイルにより、９００℃に３秒間加
熱保持し、その後、水冷し、更に３５０℃で１０秒間焼
き戻しを行った。この熱処理を行った後の表面硬さを加
ｌ１２００ｇのビッカース硬度計を用いて、ビッカース
硬度を測定だ。尚、焼き入れ歪は、外径真円度の変化で
測定した。

機械的性質としては、ＪＳＰＭ標準２の引っ張り試験片
を用い、Ｊ　ｌ５Ｚ２２４１の金属材料引っ張り試験方
法により、インストロン型試験機で、室温２０±５℃、
引っ張り速度１分当り１１ｎｆｆｌで引つ張り試験を行
い、引張り強さと破断までの伸びを求めた。これらの結
果を第２表に示す。

第２表より明らかな様に本発明の、組成範囲内にある、
試料Ｎｏ、１〜Ｎｏ、８の８種類の鉄系焼結体は、いず
れも６０ｋｇ以上の引っ張り強さと、１．５％の伸びを
示し、機械的性質が、良好であった。又、焼きいれ後の
、硬さもビッカース硬度で、６６０〜８８０と非常に良
い焼き入れ牲をもつ。又、歪量は、３３〜８７ミクロン
程麿の比軸的小さなものであった。被削性を示寸刃具摩
耗量は、３４〜９５ミクロン程度であった。

焼結体を構成する鉄粒子中のリン化鉄の大きさは、１〜
３ミクロン、フェライト面積率は、５〜１５％であった
。

比較例の試料Ｎｏ　、　１０１〜Ｎｏ　、　’１０５に
示づ様に、゛リンの配合量が０．０５％のものについて
は、引っ張り強さが４８に９．４７ｋｑと低く、かつ伸
びも１．０％と小さい。逆にリンの配合量が０．１５％
と多いと、試料Ｎｏ、１０２、Ｎｏ。

１０６に示す様に被削性を示す刃具摩耗量が２５８ミク
ロン、２７１ミクロンという様に大きく、被削性が極度
に悪化する。

銅の量が１．０％と少ないと、試料Ｎｏ１０３、Ｎｏ、
１０７に示す様に、引っ張り強さが４２ｋｏ。

４１　ｋｇ、伸びが１．０％と機械的性質が悪い。逆に
銅の配合量が、３．５％と多いと、試料Ｎｏ。

１０４、Ｎｏ、１０８に示す様に、焼き入れ性を示す歪
量が、１５３ミクロン、１３７ミクロンと歪量が非常に
多く、なる。又、機械的性質を示プ引っ張り強さが５３
ｋａ、伸びが０．５％と機械的性質も悪い。

炭素量についてみれば、黒鉛の配合ｍが０．５％と少な
いと、試料Ｎｏ、１０３、Ｎｏ、１０７に見られる様に
、引っ張り強さが４１に９、伸びが１．０％と機械的性
質が悪い。又、逆に黒鉛配合量が、１．２％と大きいと
、試料Ｎｏ、１０４、Ｎｏ、１０８に見られる様に、焼
き入れ焼き戻し時の歪が大きく、伸びも劣る。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）銅１．５〜２．５重量％、炭素０．６〜０．９重
量％、リン０．０７〜０．１２％、残部鉄および不可避
の不純物からなることを特徴とする焼き入れ性、被削性
にすぐれた鉄系焼結体。
（２）ｔ９？ｉが６．８〜７．１（１／ｃｍ３　、引張
強さが６０　ｋｇ／ｍｍ２以上、伸びが１．０％以上で
ある特許請求の範囲第１項記載の鉄系焼結体。
（３）焼結体を構成する粒子の該粒子内のにお１ノるリ
ン化鉄の粒径は１〜５ミクロンであり、フェライトが面
積率で５〜１５％含まれている特許請求の範囲第１項記
載の鉄系焼結体。
（４）リン化鉄はＦｅ３Ｐである特許請求の範囲第３項
記載の鉄系焼結体。
（５）全体の組成が銅１．５〜２．５小ｆｆ１％、炭素
０．６〜０．９重量％、リン０．０７〜０゜１２重量％
、残部鉄及び不可避の不純物となる様にリン鉄合金粉末
、鉄粉末、銅粉末、炭素粉末を混合して原料粉末を得る
工程、得られた原料粉末を型内で圧縮して圧密体を得る
■稈、この圧密体を焼結して鉄系焼結体を製造する工程
、とより成ることを特徴とする焼き入れ性、被削性にす
ぐれた鉄系焼結体の製造方法。
（６）リン鉄合金粉末として、リン含有量０゜４〜０．
７％のリン鉄合金の１００メツシユふるいを通過した粉
末を用いる特許請求の範囲第５項記載の製造方法。
（７）リン鉄合金粉末として、リンの含有ｍ１４〜２３
％のリン鉄合金で平均粒子径が２５〜３５ミクロンの粉
末を用いる特許請求の範囲第５項記載の製造方法。
（８）鉄粉は４２メツシユのふるいを通過した噴霧鉄粉
であり、銅粉はその平均粒径が２５〜３５ミクロンであ
り、黒鉛粉はその平均粒径が１〜５ミクロンであり、か
つ原料粉末の中に０．５〜１．５％の型ＩＩＷｉ剤を含
む特許請求の範囲第５項記載の製造方法。
（９）焼結工程は、８４０℃から９４０℃の加熱速度が
１分当り５〜１２℃であり、焼結温度は、約１１２０℃
でその焼結温度における保持時間は１５〜３０分であり
、１１３８℃〜８８０℃までの冷却速度は、１分当り５
〜１５℃である特許請求の範囲第５項記載の製造方法。