專(zhuān)利名稱：鐵基燒結(jié)合金、鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件及這些的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將包含錳(Mn)及硅(Si)的原料粉末燒結(jié)而成的鐵基燒結(jié)合金或鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件與這些的制造方法。具體來(lái)講，本發(fā)明涉及一種強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良、成本低廉、可以無(wú)Cu或無(wú)Ni的鐵基燒結(jié)合金及其制造方法(以下將這些發(fā)明稱為“第1發(fā)明”)。另外，本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良的高密度鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件及其制造方法(以下將這些發(fā)明稱為“第2發(fā)明”)。
背景技術(shù)：
(第1發(fā)明的背景)為了削減機(jī)械部件等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造成本，通常考慮利用鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，其是加熱、燒結(jié)以鐵為主要成分的原料粉末進(jìn)行加壓成形后的粉末成形體而成的。只要使用鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，就可以得到接近最終形狀的制品(燒結(jié)體)，通過(guò)消減機(jī)械加工和提高成品率等，可以謀求結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造成本和材料成本的降低。因此，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的強(qiáng)度和燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性變得很重要。
從這種觀點(diǎn)考慮，一直以來(lái)大多使用將包含了Fe-Cu-C組成的原料粉末的粉末成形體燒結(jié)而成的Fe-Cu-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件用。其原因在于，Cu是對(duì)鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)度提高及燒結(jié)前后的尺寸精度的穩(wěn)定有效的元素。因而，通常認(rèn)為在與一般的鋼鐵材料不同的鐵基燒結(jié)合金的情況，Cu幾乎是其必要成分。
(第2發(fā)明的背景)為了消減機(jī)械部件等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造成本，通?？紤]利用鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，其是加熱、燒結(jié)以鐵為主要成分的原料粉末進(jìn)行加壓成形后的粉末成形體而成的。只要使用鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，就可以得到接近最終形狀的制品(燒結(jié)體)，通過(guò)削減機(jī)械加工和提高材料利用率等，可以謀求結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造成本和材料成本的降低。因此，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的強(qiáng)度和燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性很重要。一直以來(lái)采用如下方法作為其對(duì)策。
首先，使用Fe-Cu-C類(lèi)組成的原料粉末。這是由于Cu是對(duì)鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的強(qiáng)度提高及燒結(jié)前后的尺寸精度的穩(wěn)定有效的元素的緣故。但是，即使使用這樣的組成的原料粉末，當(dāng)燒結(jié)體的密度低時(shí)，結(jié)果也沒(méi)有希望得到高強(qiáng)度的燒結(jié)體。另外，包含Cu的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件在成本方面和再循環(huán)方面等也不優(yōu)選。
作為提高燒結(jié)體的密度的方法，通?？紤]進(jìn)行2次成形2次燒結(jié)(2P2S)的方法。但是，由于該方法是反復(fù)進(jìn)行成形及燒結(jié)，因此，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)體的成本上升而不優(yōu)選。還有將燒結(jié)體進(jìn)行鍛造、致密化(高密度化)的粉末鍛造法。但是，由于該方法不能維持燒結(jié)體的尺寸精度，因此，會(huì)犧牲粉末燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)法謀求作為本來(lái)目的的利用鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的低成本化。
US6346133[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]US6364927[專(zhuān)利文獻(xiàn)3]專(zhuān)利3309970號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)4]特開(kāi)昭58-210147號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)5]特表平10-510007號(hào)公報(bào)[非專(zhuān)利文獻(xiàn)1]High Strength Si-Mn-Alloyed Sintered Steels.P.M.Int.vol 17.No.1(1985)[非專(zhuān)利文獻(xiàn)2]“Effect of Sinter-Hardening on the Properties ofHigh Temperature Sintered PM Steels”，Advances in Powder Metallurgy &Particulate Materials，MPIF，2002，part13，pp1～13[非專(zhuān)利文獻(xiàn)3]“New focus on chromium may sidestep alloy costincreases”，MPR.September(2004)，PP16～19發(fā)明內(nèi)容(第1發(fā)明的解決課題)但是，Cu粉末的單價(jià)高、鐵基燒結(jié)合金中的用量也較多。因此，自然而然的，使鐵基燒結(jié)合金的制造成本上升。而且，Cu不僅是導(dǎo)致鋼鐵材料的熱脆化原因的元素，還是是用冶煉等難以除去的元素。因此，使用有Cu的鐵基燒結(jié)合金要避免向廢鋼鐵等中混入，其再循環(huán)困難，使用包含Cu的鐵基燒結(jié)合金在環(huán)境對(duì)策上不一定優(yōu)選。
除了Cu以外，鐵基燒結(jié)合金中常用的元素還有Ni。Ni也和Cu同樣，是對(duì)提高鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的強(qiáng)度等有效的元素。但是，Ni粉末也是高價(jià)的，使鐵基燒結(jié)合金的制造成本上升。另外，Ni是變態(tài)反應(yīng)性元素，有時(shí)其使用也不優(yōu)選。
上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2和非專(zhuān)利文獻(xiàn)1公開(kāi)的是，不使用Cu、而使其含有Mn和Si來(lái)謀求強(qiáng)度的提高等的鐵基燒結(jié)合金。但是，那些畢竟只是在實(shí)驗(yàn)室水平，且在Mn和Si的組成和添加方法等方面，和后述的本發(fā)明不同。
專(zhuān)利文獻(xiàn)3公開(kāi)的是粉末成形體的超高密度成形方法。專(zhuān)利文獻(xiàn)4及專(zhuān)利文獻(xiàn)5公開(kāi)的是，將Si-Mn-Fe母合金的粉碎粉和鐵粉的混合粉末壓縮成形及使其燒結(jié)而成的鐵基燒結(jié)合金。但是，這些專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)的鐵基燒結(jié)合金和后述的本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的C、Mn、Si等組成不同，兩者的目的也不同。
另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)5中，還公開(kāi)了使其含有Mo而替代Ni的鐵基燒結(jié)合金。但是，其強(qiáng)度未必充分，為了進(jìn)一步高強(qiáng)度化，必須另外進(jìn)行淬火、回火等熱處理。當(dāng)然這樣的熱處理需要很多時(shí)間及工時(shí)，使鐵基燒結(jié)合金的制造成本上升。
相對(duì)于此，非專(zhuān)利文獻(xiàn)2或3公開(kāi)的要旨是，即使省略燒結(jié)工序后的熱處理，也可以得到高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金(燒結(jié)硬化合金鋼)。但是，非專(zhuān)利文獻(xiàn)2和本發(fā)明不同，沒(méi)有公開(kāi)含有Mn和Si的鐵基燒結(jié)合金。非專(zhuān)利文獻(xiàn)3公開(kāi)的是含有Cr、Mn、Si、Mo的燒結(jié)硬化合金鋼。但是，其燒結(jié)硬化合金鋼的淬火性不充分，只用燒結(jié)工序不一定呈現(xiàn)足夠高的強(qiáng)度。
另外，由于目前的燒結(jié)硬化合金鋼的前提在于，在燒結(jié)工序加熱后，以比較大的冷卻速度進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，因此，進(jìn)行燒結(jié)硬化還必須在目前的燒結(jié)爐上設(shè)計(jì)另外的強(qiáng)制冷卻設(shè)備。但是，制造設(shè)備的變更需要大量的費(fèi)用，實(shí)際上很少采用。
通常還考慮大量地使用Cr等來(lái)改善燒結(jié)硬化合金鋼的淬火性。但是，由于含Cr粉末非常容易被氧化，其還原也困難，因此，使用有那樣的粉末的鐵基燒結(jié)合金，迄今為止還沒(méi)有實(shí)用化。
本發(fā)明是鑒于這樣的情況而完成的，其目的在于，提供一種即使抑制了Cu或Ni的使用，也可以確保得到強(qiáng)度等機(jī)械特性和燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性的鐵基燒結(jié)合金及其制造方法。而且，其目的在于，提供一種鐵基燒結(jié)合金及其制造方法，其不僅強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良，制造成本也低廉。
(第2發(fā)明的解決課題)本發(fā)明者已經(jīng)確立了通過(guò)1次成形得到超高密度粉末成形體的方法(上述專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。由于將該粉末成形體燒結(jié)，可以得到高密度燒結(jié)體。亦即，無(wú)需進(jìn)行2次成形2次燒結(jié)，通過(guò)1次成形1次燒結(jié)，可以得到超高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。
但是，本發(fā)明者為了謀求鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的進(jìn)一步高強(qiáng)度化，對(duì)原料粉末的配合組成和燒結(jié)溫度等進(jìn)行各種變更，使上述超高強(qiáng)度粉末成形體高溫?zé)Y(jié)時(shí)，有的燒結(jié)體上產(chǎn)生氣泡(blister)。產(chǎn)生了這樣氣泡的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件自然其尺寸精度差，其密度及強(qiáng)度降低。
本發(fā)明是鑒于這樣的情況而完成的，其目的在于，提供一種抑制燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生氣泡，燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良的高密度高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件及其制造方法。
需要說(shuō)明的是，上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1及2和非專(zhuān)利文獻(xiàn)1公開(kāi)的是含有Si的鐵基燒結(jié)合金。但是，在作為前提的課題及粉末成形體的密度、Si的組成等多方面，這些和后述的本發(fā)明不同，兩者實(shí)質(zhì)上毫無(wú)關(guān)系。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)4及5公開(kāi)的是將Si-Mn-Fe母合金的粉碎粉和鐵粉的混合粉末壓縮成形及使其燒結(jié)而成的鐵基燒結(jié)合金。但是，在作為前提的課題等方面，這些情況也和后述的本發(fā)明不同，兩者之間沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的關(guān)系。
(第1發(fā)明的解決手段)本發(fā)明者為了解決該課題進(jìn)行了專(zhuān)心致志地研究，重復(fù)進(jìn)行嘗試法結(jié)果最新發(fā)現(xiàn)，使其含有適量的Mn和Si，可以得到高強(qiáng)度的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良的鐵基燒結(jié)合金，于是完成了本發(fā)明。
(1)鐵基燒結(jié)合金亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，是將主要包含鐵(Fe)的原料粉末進(jìn)行加壓成形的粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而成的，其特征在于，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，碳(C)為0.1～1.0質(zhì)量％、錳(Mn)為0.01～1.5質(zhì)量％、該Mn和硅(Si)的合計(jì)為0.02～3.5質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，其強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，通過(guò)使其適量含有C和Mn及Si，未必使其含有Cu等，其強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。與使用Cu的場(chǎng)合相比，Mn和Si可以比較廉價(jià)地得到，且其用量也可以較少。因而，根據(jù)本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，還可以降低原料成本。
包含適量的Mn及Si兩種元素時(shí)，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的機(jī)械特性(強(qiáng)度和延展性)大大提高，而且尺寸穩(wěn)定性也優(yōu)良。
特別是對(duì)于提高鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)度，Mn是有效的元素。將鐵基燒結(jié)合金整體設(shè)定為100％時(shí)，Mn的下限值優(yōu)選為0.01質(zhì)量％、0.05質(zhì)量％、0.1質(zhì)量％、0.2質(zhì)量％、0.3質(zhì)量％。當(dāng)Mn過(guò)少時(shí)，其效果欠缺。但是，根據(jù)原料粉末中含有的合金元素的種類(lèi)不同，即使Mn為微量，也可以得到足夠強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金。另一方面，Mn的上限值優(yōu)選為2質(zhì)量％、1.5質(zhì)量％、1.2質(zhì)量％(特別是低于1.2質(zhì)量％)、1.15質(zhì)量％、1.1質(zhì)量％、1.0質(zhì)量％(特別是低于1.0質(zhì)量％)、0.9質(zhì)量％、0.8質(zhì)量％。當(dāng)Mn過(guò)多時(shí)，鐵基燒結(jié)合金的延伸率減少、韌性降低，尺寸變化也增加從而妨礙其尺寸穩(wěn)定性。例如，Mn的組成范圍優(yōu)選為0.2～2質(zhì)量％以及0.3～1.5質(zhì)量％。需要說(shuō)明的是，在本說(shuō)明書(shū)中，只要沒(méi)有特意事先說(shuō)明，就說(shuō)明其成分元素的各上限值和各下限值可以任意組合。
Si也有助于提高鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)度，特別是大大有助于鐵基燒結(jié)合金的尺寸穩(wěn)定性。特別是在Si和Mn共存時(shí)，該趨勢(shì)大。相對(duì)Mn的使鐵基燒結(jié)合金的尺寸增加的趨勢(shì)的作用，Si的作用是使鐵基燒結(jié)合金的尺寸減少的趨勢(shì)。通常認(rèn)為，由于兩種元素共存，這些趨勢(shì)相抵消，確保鐵基燒結(jié)合金的尺寸穩(wěn)定性。
當(dāng)Si過(guò)少時(shí)，鐵基燒結(jié)合金的尺寸穩(wěn)定性欠缺，當(dāng)其過(guò)多時(shí)，尺寸收縮量大而不優(yōu)選。將鐵基燒結(jié)合金整體設(shè)定為100％時(shí)，Si的下限值優(yōu)選為0.1質(zhì)量％、0.2質(zhì)量％、0.3質(zhì)量％。另一方面，Si的上限值優(yōu)選為3質(zhì)量％、2.5質(zhì)量％、2質(zhì)量％、1.2質(zhì)量％。而且，Si的組成范圍優(yōu)選為0.1～3質(zhì)量％以及0.2～2質(zhì)量％。如果以Mn及Si合計(jì)，優(yōu)選為0.3～5質(zhì)量％以及0.5～3.5質(zhì)量％。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金包含適量的C。C是鐵基燒結(jié)合金的重要強(qiáng)化元素。在燒結(jié)中，C發(fā)生擴(kuò)散使鐵基燒結(jié)合金固溶強(qiáng)化是不言而喻的，通過(guò)適量包含C，可以進(jìn)行鐵基燒結(jié)合金的所謂淬火、回火的熱處理，由此可以進(jìn)一步大大提高鐵基燒結(jié)合金的機(jī)械特性。C過(guò)少時(shí)其效果欠缺，C過(guò)多時(shí)延展性降低。
將鐵基燒結(jié)合金整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，C的下限值優(yōu)選為0.1質(zhì)量％、0.2質(zhì)量％、0.3質(zhì)量％、0.35質(zhì)量％、0.4質(zhì)量％。另一方面，C的上限值優(yōu)選為1.0質(zhì)量％、0.8質(zhì)量％、0.7質(zhì)量％、0.6質(zhì)量％。而且，C的組成范圍優(yōu)選為0.1～1.0質(zhì)量％以及0.2～0.8質(zhì)量％。
而且，本發(fā)明的情況和一般的碳鋼相比，可以以更少的C量謀求高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金的高強(qiáng)度化。其理由未必明確，但考慮其由Mn及Si導(dǎo)致的影響強(qiáng)。具體來(lái)講，通常認(rèn)為其理由在于，通過(guò)添加Mn及Si，C的材料利用率提高，而且，淬火性也提高?？傊?，由于與目前的相比，在低碳量方面可以謀求鐵基燒結(jié)合金的高強(qiáng)度化，因此，不僅可以謀求高強(qiáng)度化，也能確保高韌性。亦即，可以得到高水平的兼顧通常具有背反關(guān)系的強(qiáng)度和韌性的鐵基燒結(jié)合金。
除了上述元素以外，也可以含有鉬(Mo)、鉻(Cr)、鎳(Ni)等合金元素。特別是在進(jìn)行調(diào)質(zhì)等熱處理時(shí)，優(yōu)選含有這些元素。這些元素的適宜含有量，由于因C量等不同而發(fā)生變化，因此不能一概而定，例如，將鐵基燒結(jié)合金整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其適宜含量為Mo為0.1～3質(zhì)量％以及0.2～2質(zhì)量％；Cr為0.2～5質(zhì)量％以及0.3～3.5質(zhì)量％；Ni為0.5～6質(zhì)量％以及1～4質(zhì)量％。
需要說(shuō)明的是，從鐵基燒結(jié)合金的無(wú)Ni化觀點(diǎn)，特別優(yōu)選Cr或Mo的1種以上作為合金元素。包含這些合金元素的鐵基燒結(jié)合金的詳細(xì)情況如后所述。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金無(wú)需使其含有Cu，其強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。當(dāng)本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金是本質(zhì)上不含Cu的無(wú)Cu鐵基燒結(jié)合金時(shí)，鐵基燒結(jié)合金的再循環(huán)性提高，在環(huán)境對(duì)策方面優(yōu)選。另外，通過(guò)抑制高價(jià)的Cu的使用，也可以謀求鐵基燒結(jié)合金的低成本化。而且，當(dāng)鐵基燒結(jié)合金是無(wú)Cu鐵基燒結(jié)合金時(shí)，還可以回避由Cu引起的鐵基燒結(jié)合金的熱脆化。
另一方面，Ni是對(duì)鐵基燒結(jié)合金的高強(qiáng)度化有效的元素，再循環(huán)性等問(wèn)題少。但是，Ni是所謂的變態(tài)反應(yīng)性元素，有時(shí)其使用不優(yōu)選。因而，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金優(yōu)選本質(zhì)上不含Ni的無(wú)Ni鐵基燒結(jié)合金。因而認(rèn)為，如本發(fā)明這樣的無(wú)Cu或無(wú)Ni的鐵基燒結(jié)合金，作為環(huán)境和諧型高強(qiáng)度燒結(jié)合金，今后其利用范圍會(huì)逐步擴(kuò)大。
但是，本說(shuō)明書(shū)中所述的本發(fā)明涉及的鐵基燒結(jié)合金，沒(méi)有完全排除含有Cu和Ni。與上述過(guò)的Mn和Si一起含有適量的Cu和Ni的情況也包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。另外，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金中，不考慮粉末成形體的成形體密度和鐵基燒結(jié)合金的燒結(jié)體密度。另外，通過(guò)本說(shuō)明書(shū)整體說(shuō)明，鐵基燒結(jié)合金是包含鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的廣泛概念。
本說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的“強(qiáng)度”和“尺寸穩(wěn)定性”，因原料粉末的組成、成形壓力、燒結(jié)條件(溫度、時(shí)間、環(huán)境等)等而異。因而，這些“強(qiáng)度”和“尺寸穩(wěn)定性”不能一概而定。勉強(qiáng)說(shuō)的話，強(qiáng)度以抗彎強(qiáng)度計(jì)，優(yōu)選為900MPa以上、1000MPa以上、1100MPa以上、1200MPa以上、1300MPa以上以及1400MPa以上。
尺寸穩(wěn)定性以燒結(jié)前后的尺寸變化率計(jì)，優(yōu)選為±1％以內(nèi)、±0.5％以內(nèi)、±0.3％以內(nèi)以及±0.1％以內(nèi)。
另外，本說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的“鐵基燒結(jié)合金”與其形態(tài)無(wú)關(guān)，例如，可以是錠狀、棒狀、管狀、板狀等材料，也可以是最終形狀或接近它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件)。
(2)鐵基燒結(jié)合金的制造方法上述鐵基燒結(jié)合金，例如通過(guò)如下所述的本發(fā)明的制造方法來(lái)制造。亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的制造方法的特征在于，其具有如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和強(qiáng)化粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，作成粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉末包含純鐵或鐵合金中的至少一種，所述強(qiáng)化粉末含有Mn及Si作為粉末整體；以及燒結(jié)工序，將該粉末成形體進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，在該燒結(jié)工序后得到前述的本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金。
在此，對(duì)在確保本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性方面重要的Mn及Si附帶說(shuō)一下。Mn及Si與C、磷(P)及硫(S)一起稱為鋼的五元素，在熔煉的鋼鐵材料中是一般的強(qiáng)化元素。但是，該Mn及Si在鐵基燒結(jié)合金領(lǐng)域已幾乎不再使用。Mn及Si和氧的親和力非常高，容易形成氧化物。為此，這是由于通常認(rèn)為是鐵基燒結(jié)合金的金屬組織內(nèi)部夾雜了氧化物，其機(jī)械特性劣化的緣故。這種情況，在將Mn及Si加入作為與Fe類(lèi)粉末不同的粉末加入到原料粉末中時(shí)是明顯的。
還考慮使用將Mn及Si預(yù)先合金化而成的Fe類(lèi)粉末，但其Fe類(lèi)粉末質(zhì)地非常硬，粉末成形體的本身成形變困難。因此，在本發(fā)明的制造方法中，不是使Mn及Si與Fe類(lèi)粉末合金化，而是使其作為與Fe類(lèi)粉末不同的強(qiáng)化粉末混雜在原料粉末中。
燒結(jié)工序是將包含Mn及Si的粉末成形體在可以充分抑制Mn及Si的氧化的抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱(加熱工序)。該燒結(jié)工序中的加熱工序，可以在惰性氣體中混雜了氫氣(H2)的還原性環(huán)境中進(jìn)行，例如，當(dāng)其在氧分壓相當(dāng)于10-19Pa以下的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行時(shí)，則更安全地謀求鐵基燒結(jié)合金的低成本化。實(shí)際上，本發(fā)明者是在那樣的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)工序，得到上述本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金。其詳細(xì)情況如后所述。
總之，無(wú)需使用Cu和Ni，通過(guò)使用Mn及Si作為強(qiáng)化元素，可以成功地得到超越目前的Fe-Cu(-C)類(lèi)鐵基燒結(jié)合金的特性的Fe-Mn-Si(-C)類(lèi)鐵基燒結(jié)合金。根據(jù)本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，還可以顯現(xiàn)出和機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳鋼同等水平的機(jī)械特性。
(3)鐵基燒結(jié)合金(含有Cr、Mo)本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了可以進(jìn)一步高強(qiáng)度化的新型組成的鐵基燒結(jié)合金。亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，是將主要包含鐵(Fe)的原料粉末進(jìn)行加壓成形的粉末成形體燒結(jié)而成的，其特征在于，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其包含Cr為0.2～5.0質(zhì)量％、Mo為0.1～1質(zhì)量％、Mn為0.1～1.2質(zhì)量％、Si為0.1～1.2質(zhì)量％、C為0.1～0.7質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，其強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，由于適量含有促進(jìn)淬火性的合金元素(Cr及Mo)，因此，其淬火性提高，例如，即使鐵基燒結(jié)合金為大的東西，也可以進(jìn)行在其內(nèi)部符合C量的充分淬火。
淬火后的鐵基燒結(jié)合金形成馬氏體組織實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，為了確保延伸率等韌性，也可以進(jìn)行回火等熱處理。
(4)鐵基燒結(jié)合金(含有Cr、Mo)的制造方法這樣的鐵基燒結(jié)合金，例如通過(guò)如下所述的制造方法來(lái)得到。亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的制造方法的特征在于，其具有如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和C類(lèi)粉末和強(qiáng)化粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，作成粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉末含有Cr及Mo，剩余部分主要由Fe構(gòu)成，所述C類(lèi)粉末以C為主要成分，所述強(qiáng)化粉末含有Mn及Si作為粉末整體；和燒結(jié)工序，將該粉末成形體在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，而得到前述過(guò)的鐵基燒結(jié)合金。
但是，鐵基燒結(jié)合金的淬火，雖然是在燒結(jié)工序完成后對(duì)得到的鐵基燒結(jié)合金進(jìn)行另外的熱處理，但是根據(jù)本發(fā)明其未必是必須的。亦即，利用在燒結(jié)工序進(jìn)行的加熱工序和其后的冷卻工序，也可以進(jìn)行淬火。即所謂的燒結(jié)硬化。
燒結(jié)工序的加熱工序，從淬火的觀點(diǎn)來(lái)講，必須在A1相變點(diǎn)(約730℃)以上進(jìn)行加熱奧氏體處理，通常的燒結(jié)溫度為1050℃以上以及1100℃以上。當(dāng)謀求燒結(jié)體的更高強(qiáng)度化時(shí)，可以選擇1200℃以上、1250℃以上、1300℃以上以及1350℃以上的更高的燒結(jié)溫度。例如，本發(fā)明的燒結(jié)工序優(yōu)選具有在1100～1370℃的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行加熱的加熱工序。
燒結(jié)工序的冷卻工序，是在上述加熱工序之后進(jìn)行的將鐵基燒結(jié)合金的溫度從燒結(jié)溫度降至室溫附近的工序。從淬火的觀點(diǎn)嚴(yán)格地來(lái)講，是將鐵基燒結(jié)合金的溫度從燒結(jié)溫度降至Ms點(diǎn)以下的工序。
通過(guò)將該冷卻工序中的冷卻速度加大，可以對(duì)鐵基燒結(jié)合金可靠地進(jìn)行淬火。例如，優(yōu)選將冷卻速度設(shè)定為5℃/秒以上以及10℃/秒以上。但是，為了得到這樣的冷卻速度，通常需要進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，另外需要為此所使用的裝置，就不能稱得上是能夠消減制造成本的燒結(jié)硬化了。
在本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的情況，即使冷卻速度小也能進(jìn)行充分淬火。具體來(lái)講，即使冷卻速度為3℃/秒以下、2℃/秒以下以及1℃/秒，也可以進(jìn)行淬火。提到冷卻速度為1℃/秒以下，是通常的(帶式)連續(xù)燒結(jié)爐的冷卻速度程度。因而，根據(jù)本發(fā)明，無(wú)需裝設(shè)另外的設(shè)備來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，就可以對(duì)鐵基燒結(jié)合金進(jìn)行淬火。例如，本發(fā)明的燒結(jié)工序，優(yōu)選具有在前述加熱工序后進(jìn)行冷卻速度為1℃/秒以下的冷卻的冷卻工序。
本發(fā)明的燒結(jié)工序通過(guò)具有上述加熱工序及冷卻工序，可以在燒結(jié)工序后得到前述過(guò)的具有馬氏體組織的鐵基燒結(jié)合金。而且，由于可以與燒結(jié)工序完成同時(shí)結(jié)束淬火，因此，可以謀求高強(qiáng)度鐵基燒結(jié)合金的制造成本的降低。而且，不必要另外裝設(shè)急冷設(shè)備，很有可能在工業(yè)水平的實(shí)用化。
雖然可以進(jìn)行這樣的燒結(jié)硬化的原因尚不明確，但是通常認(rèn)為，這是由于Cr及Mo與Mn及Si的協(xié)同效果使鐵基燒結(jié)合金的淬火性顯著提高的緣故。
需要說(shuō)明的是，當(dāng)然，本發(fā)明為了在燒結(jié)工序完成后調(diào)整強(qiáng)度和韌性等，另外進(jìn)行熱處理也沒(méi)有關(guān)系。例如，在淬火后也可以另外進(jìn)行通常進(jìn)行的回火等。
(第2發(fā)明的解決手段)本發(fā)明者為了解決前述課題進(jìn)行了專(zhuān)心致志地研究，重復(fù)進(jìn)行嘗試結(jié)果最新發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使其含有適量的Si，可以得到?jīng)]有產(chǎn)生氣泡等的、高強(qiáng)度的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良的高密度鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，于是完成了本發(fā)明。
(1)鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件是將主要包含鐵(Fe)的原料粉末進(jìn)行加壓成形的粉末成形體燒結(jié)而成的，其特征在于，其將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，包含Si為0.01～2質(zhì)量％、C為0.1～0.8質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，其體積密度(ρ’)與理論密度(ρ0’)之比，即燒結(jié)體密度比(ρ’/ρ0’×100％)為96％以上的高密度。
(2)鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法該鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，例如通過(guò)如下所述的本發(fā)明的制造方法來(lái)得到。亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法的特征在于，其具有如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和C類(lèi)粉末和Si類(lèi)粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，得到的成形體的體積密度(ρ)與燒結(jié)體的理論密度(ρ0’)之比的成形體密度比(ρ/ρ0’×100％)為96％以上的粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉末包含純鐵或鐵合金的至少一種，所述C類(lèi)粉末主要含有C，所述Si類(lèi)粉末包含Si的單質(zhì)、合金或化合物；和燒結(jié)工序，將該粉末成形體進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，在該燒結(jié)工序后，可以得到上述的高密度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。
(3)原委及作用效果如前述專(zhuān)利文獻(xiàn)3所述，本發(fā)明者確立了通過(guò)1次成形工序得到高密度粉末成形體的工業(yè)方法。當(dāng)依照其成形方法時(shí)，可以得到例如成形體密度比為96％以上以及97％以上的超高密度粉末成形體。而且，通過(guò)使該超高密度粉末成形體進(jìn)行1次燒結(jié)，同樣可以得到超高密度燒結(jié)體(鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件)。
但是，當(dāng)成形體密度比或燒結(jié)體密度比成為約96％～約97％的高密度時(shí)，本發(fā)明者確認(rèn)其粉末成形體或燒結(jié)體的所有特性急劇變化。例如，粉末成形體的情況，如果其密度比至95％左右，雖然在其密度比增加的同時(shí)，其強(qiáng)度也增加，但當(dāng)其密度比超過(guò)96％～97％左右時(shí)，其強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系地增加。其它機(jī)械性質(zhì)(特別是延展性和疲勞特性等)和磁特性等也顯示出同樣的趨勢(shì)。
其一，最新明確了在使超高密度粉末成形體(例如，成形體密度比為96％以上)燒結(jié)時(shí)，其容易產(chǎn)生氣泡(blister)。當(dāng)產(chǎn)生這樣的氣泡時(shí)，當(dāng)然其燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性極端差。具體來(lái)講，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的尺寸比粉末成形體的尺寸大大擴(kuò)大，燒結(jié)體密度也降低。另外，其氣泡成為鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的內(nèi)部缺陷，其氣泡劇烈時(shí)，產(chǎn)生破裂，燒結(jié)體無(wú)法保留原形?？傊F基燒結(jié)合金構(gòu)件成為不良制品。
通常認(rèn)為，產(chǎn)生這樣的氣泡的原因在于，在燒結(jié)工序的加熱過(guò)程中，附著在原料粉末的粒子表面的水分和氧化物等被還原、分解，生成H2O、CO、CO2等各種氣體。通常認(rèn)為，這些氣體被關(guān)在粉末成形體內(nèi)或燒結(jié)體內(nèi)的封閉孔內(nèi)，在燒結(jié)工序的加熱過(guò)程中膨脹，在燒結(jié)體上產(chǎn)生氣泡。當(dāng)然，如果粉末成形體的密度是如目前的低水平的話，由于其產(chǎn)生的氣體通過(guò)原料粉末的粒子間形成的空隙向外放出，較少產(chǎn)生如上所述的氣泡。
當(dāng)形成如本發(fā)明所述的密度比為96％以上的超高密度成形體時(shí)，各構(gòu)成粒子的接觸情況也和目前的不同，各構(gòu)成粒子呈緊密粘合狀態(tài)。而且，其內(nèi)部存在的微小的殘留氣孔通常認(rèn)為通過(guò)周?chē)牧Ｗ有纬擅芊獾莫?dú)立氣孔。認(rèn)為在其氣孔部分產(chǎn)生的氣體沒(méi)有逸出的場(chǎng)所，在燒結(jié)工序的高溫加熱過(guò)程中異常膨脹，破壞金屬粒子間的鍵合，產(chǎn)生大的氣泡。
產(chǎn)生這樣的的氣泡的程度，因原料粉末的組成、粉末粒徑、粉末成形體的成形壓力、燒結(jié)條件(特別是溫度)等而變化。
原料粉末只包含純鐵粉和低合金粉末時(shí)，即使將高密度成形后的粉末成形體燒結(jié)，也不怎么產(chǎn)生上述氣泡。但是，原料粉末中包含C(石墨粉末等)時(shí)，經(jīng)常產(chǎn)生這種氣泡。通常認(rèn)為這是由于附著在原料粉末的粒子表面的氧和水分通過(guò)C被還原、分解，生成大量的CO和CO2的緣故。特別是在石墨粉末的配合量相對(duì)原料粉末整體100質(zhì)量％為0.1～0.8質(zhì)量％以及0.3～0.5質(zhì)量％時(shí)，產(chǎn)生最劇烈的氣泡。通常認(rèn)為這是由于將石墨在燒結(jié)工序中碳浸于Fe類(lèi)粉末中時(shí)，形成CO氣體擴(kuò)散至Fe中的緣故。
但是，相反地，原料粉末中過(guò)量的含有石墨粉末等時(shí)，燒結(jié)體的氣泡卻難以產(chǎn)生。將包含該原料粉末的高密度成形體進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，粉末成形體中的石墨通過(guò)燒結(jié)中的反應(yīng)而擴(kuò)散等，原來(lái)石墨粒子存在的位置可以形成新的氣孔。當(dāng)石墨量多時(shí)，其氣孔量也多，燒結(jié)體內(nèi)部則難以形成密閉孔。通常認(rèn)為，燒結(jié)體內(nèi)部產(chǎn)生的CO氣體等通過(guò)這些氣孔等向外部放出，則難以產(chǎn)生氣泡。
當(dāng)然，如前所述，如果原料粉末中不含有石墨粉末等，則也可以抑制氣泡。但是，由于不含有作為鋼材的重要元素之一的C的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件難以謀求利用熱處理而提高機(jī)械特性的，因此不優(yōu)選。
當(dāng)使成形體密度比為96％以上甚至是97％以上的高密度成形體燒結(jié)時(shí)，不管使用的原料粉末的粒徑如何，都會(huì)產(chǎn)生如前所述的氣泡。不過(guò)，使用粒徑微細(xì)的原料粉末時(shí)，上述氣泡更容易產(chǎn)生。通常認(rèn)為，這是由于原料粉末越是微粉(例如，粒徑為45μm以下)，燒結(jié)體內(nèi)部的密閉孔的密閉性越高，產(chǎn)生的CO氣體等的逸出越少的緣故。同樣，就粉末成形體的成形壓力而言也是如此。亦即，其成形壓力越高，內(nèi)部密閉孔的密閉性越高，越容易產(chǎn)生氣泡。例如，當(dāng)使在1200MPa以上以及1300MPa以上超高壓成形后的粉末成形體燒結(jié)時(shí)，容易產(chǎn)生氣泡。
但是，由于原料粉末的粒度和成形壓力對(duì)氣泡的影響，作為原料粉末的堵塞情況(換言之，燒結(jié)體內(nèi)部的封閉孔形成情況)，只要用成形體密度比進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)即可。
根據(jù)燒結(jié)條件(特別是燒結(jié)溫度)的不同，燒結(jié)體產(chǎn)生氣泡的情況也會(huì)變化。產(chǎn)生氣泡的原因即被關(guān)在燒結(jié)體內(nèi)部的密閉孔內(nèi)的CO氣體等，燒結(jié)溫度越高，其氣體壓力越上升。其結(jié)果，燒結(jié)溫度越高，燒結(jié)體越容易產(chǎn)生大的氣泡。實(shí)際上，從謀求提高燒結(jié)體強(qiáng)度的觀點(diǎn)考慮，使燒結(jié)溫度高至1150℃以上、1200℃以上、1250℃以上、1300℃以上以及1350℃以上時(shí)，在燒結(jié)體上容易產(chǎn)生氣泡。
根據(jù)這種情況，即使將包含含有石墨粉末等的原料粉末的超高密度粉末成形體在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，也可以尋求不產(chǎn)生上述氣泡的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件及其制造方法。
為了解決該課題，本發(fā)明者想出抑制產(chǎn)生氣泡原因的的CO氣體等的本身產(chǎn)生的方法。其原因在于，只要在原料粉末中存在的氧和其周?chē)嬖诘氖勰┑劝l(fā)生反應(yīng)生成CO氣體等氣體之前，使氧作為穩(wěn)定的固體(氧化物)固定在燒結(jié)體中即可。本發(fā)明者確認(rèn)了，與C相比，與O的親和力強(qiáng)的氧化物生成的自由能低的Mn和Si有其效果，亦即，有作為氧吸收劑的效果。
Mn和Si與O的親和力非常高，氧化物生成的自由能很低。另外，其是作為鋼的基本元素可以比較廉價(jià)地得到的元素，也不影響鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的再循環(huán)性。特別是包含作為鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的主要成分的Fe與Mn和Si的合金或金屬間化合物的(微細(xì))粉末(例如，F(xiàn)e-Mn-Si粉末)，在比Mn和Si單質(zhì)與O的親和力高、氧化物生成的自由能低方面，可以更廉價(jià)地得到。只要使用這樣的Fe-Mn-Si粉末等，就可以更低成本地得到不產(chǎn)生氣泡、高強(qiáng)度高密度鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。
而且，本發(fā)明者使用各種組成的Fe-Mn-Si粉末進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)Si比Mn抑制燒結(jié)體的氣泡的效果大。于是，由此本發(fā)明者完成了前述本發(fā)明。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，由于實(shí)質(zhì)上不產(chǎn)生氣泡，因此形成繼承了粉末成形體的尺寸精度和高密度的構(gòu)件。因而，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，由于在高密度高強(qiáng)度的同時(shí)，尺寸精度也優(yōu)良，因此成本低。
根據(jù)本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，由于不是通過(guò)目前的那樣的2P2S，而是通過(guò)一次加壓成形和一次燒結(jié)(1P1S)而得到這樣優(yōu)良的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，因此，可以抑制制造成本。而且，由于根據(jù)本發(fā)明的制造方法還可以得到接近最終形狀的燒結(jié)制品，因此可以期待利用(接近)最終形狀(net-shape)的加工工時(shí)的消減、材料利用率的提高、制品單價(jià)的降低等。
利用本發(fā)明還可以制造屬于超越了目前概念的高密度領(lǐng)域的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。其結(jié)果，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的保護(hù)范圍從低密度的擴(kuò)展到超高密度的，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的用途顯著擴(kuò)大。
本發(fā)明的情況，在抑制鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的氣泡方面，Si是重要元素。當(dāng)Si過(guò)少時(shí)，其效果欠缺，當(dāng)其過(guò)多時(shí)，燒結(jié)時(shí)的尺寸收縮量變大而不優(yōu)選。Si的下限值優(yōu)選為0.01質(zhì)量％、0.02質(zhì)量％以及0.05質(zhì)量％。Si的上限值優(yōu)選為2質(zhì)量％。
需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明中，考慮氣泡的產(chǎn)生情況及鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的通用性等，C量設(shè)定為0.1～0.8質(zhì)量％。當(dāng)C過(guò)少時(shí)，得不到高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，當(dāng)C過(guò)多時(shí)，其延展性降低而不優(yōu)選。C量?jī)?yōu)選為0.2～0.6質(zhì)量％以及0.3～0.5質(zhì)量％。
Mn和Si都是提高鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的機(jī)械特性(強(qiáng)度和延展性)的元素。當(dāng)Mn過(guò)少時(shí)，其效果欠缺，當(dāng)其過(guò)多時(shí)，相反地會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，還妨礙燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性。將鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，優(yōu)選含有Mn和Si的合計(jì)量為3.5質(zhì)量％以下、3質(zhì)量％以下以及2.5質(zhì)量％以下，而且，其合計(jì)為0.02質(zhì)量％以上、0.03質(zhì)量％以上以及0.05質(zhì)量％以上。這時(shí)，Mn的下限值優(yōu)選為0質(zhì)量％、0.01質(zhì)量％、0.02質(zhì)量％、0.05質(zhì)量％、0.1質(zhì)量％以及0.2質(zhì)量％。Mn的上限值優(yōu)選為1.5質(zhì)量％、1.2質(zhì)量％(特別是低于1.2質(zhì)量％)、1.15質(zhì)量％、1.1質(zhì)量％、1.05質(zhì)量％、1.0質(zhì)量％(特別是低于1.0質(zhì)量％)，以及1～0.5質(zhì)量％的范圍也可以。
除了上述元素以外，也可以含有鉬(Mo)、鉻(Cr)、鎳(Ni)等合金元素。特別是在進(jìn)行調(diào)質(zhì)等熱處理時(shí)，優(yōu)選含有這些元素。這些元素的適宜含有量，由于因C量等不同而發(fā)生變化，因此不能一概而定，例如，將鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其適宜含有Mo為0.3～2質(zhì)量％以及0.5～1.5質(zhì)量％，Cr為0.3～5質(zhì)量％以及0.5～3.5質(zhì)量％，Ni為0.5～6質(zhì)量％以及1～4質(zhì)量％。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件無(wú)需使其含有Cu，其強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。亦即，根據(jù)本發(fā)明，可以制成實(shí)質(zhì)上不含有通過(guò)冶煉難以除去的Cu的無(wú)Cu鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。因而，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的再循環(huán)性提高，在環(huán)境對(duì)策方面優(yōu)選。另外，通過(guò)抑制Cu的使用，也可以謀求鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的材料成本的降低，同時(shí)還可以回避由Cu引起的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的熱脆化。
但是，本說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，沒(méi)有完全排除含有Cu的情況。與上述的Si及C一起含有適量Cu的情況也包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
本說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的“強(qiáng)度”和“尺寸穩(wěn)定性”，因原料粉末的組成、成形體密度(或成形壓力)、燒結(jié)條件(溫度、時(shí)間、環(huán)境等)等而異。因而，這些“強(qiáng)度”和“尺寸穩(wěn)定性”不能一概而定。勉強(qiáng)說(shuō)的話，強(qiáng)度以抗彎強(qiáng)度計(jì)，優(yōu)選為1000MPa以上、1500MPa以上、2000MPa以上、2500MPa以上以及3000MPa以上。
尺寸穩(wěn)定性優(yōu)選在燒結(jié)中不產(chǎn)生氣泡，燒結(jié)前后的尺寸變化率為±1％以內(nèi)、±0.5％以內(nèi)、±0.3％以內(nèi)以及±0.1％以內(nèi)。需要說(shuō)明的是，該尺寸變化率是由粉末成形體的尺寸和將其燒結(jié)而成的燒結(jié)體的尺寸的測(cè)量結(jié)果求出的，其測(cè)量位置設(shè)定為測(cè)量容易因氣泡而發(fā)生尺寸變化的方向的尺寸。
尺寸穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，不依照上述尺寸變化率，也可以根據(jù)成形體密度比和燒結(jié)體密度比的對(duì)比來(lái)進(jìn)行。亦即，本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，其前述燒結(jié)體密度比相對(duì)于成形體密度比，優(yōu)選為±1％、±0.5％以內(nèi)、±0.3％以內(nèi)以及±0.1％以內(nèi)。
本說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的“鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件”與其形態(tài)無(wú)關(guān)，例如，可以是錠狀、棒狀、管狀、板狀等材料，也可以是最終形狀或接近它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因而，也可以將該鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件簡(jiǎn)單地改稱為“鐵基燒結(jié)合金”。


圖1是表示1150℃燒結(jié)體(鐵基燒結(jié)合金)的Mn量和抗彎強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖2是表示1250℃燒結(jié)體的Mn量和抗彎強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖3是表示1150℃燒結(jié)體的Mn量和撓曲量的關(guān)系的圖。
圖4是表示1250℃燒結(jié)體的Mn量和撓曲量的關(guān)系的圖。
圖5是表示1150℃燒結(jié)體的Mn量和尺寸變化的關(guān)系的圖。
圖6是表示1250℃燒結(jié)體的Mn量和尺寸變化的關(guān)系的圖。
圖7是表示燒結(jié)體密度和抗彎強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖8是表示燒結(jié)體密度和撓曲量的關(guān)系的圖。
圖9是表示三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果的圖。
圖10是表示拉伸試驗(yàn)片形狀的圖。
圖11是表示拉伸強(qiáng)度和FMS粉末組成的關(guān)系的圖。
圖12是表示延伸率和FMS粉末組成的關(guān)系的圖。
圖13是表示成形體密度和燒結(jié)后的殘留碳(C)量的關(guān)系的圖。
圖14是表示配合碳(C)量和拉伸強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖15是表示配合碳(C)量和延伸率的關(guān)系的圖。
圖16是表示成形壓力和燒結(jié)體密度比的關(guān)系的圖。
圖17A是產(chǎn)生了氣泡的燒結(jié)體的外觀照片。
圖17B是產(chǎn)生了氣泡的燒結(jié)體的剖面照片。
具體實(shí)施例方式
I.實(shí)施方式(第1發(fā)明的實(shí)施方式)例舉實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，預(yù)先說(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)中說(shuō)明的內(nèi)容，包含以下的實(shí)施方式，不僅可以適合于本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，也適合其制造方法。另外，在此當(dāng)然也包括含有Cr和Mo的淬火性提高了的鐵基燒結(jié)合金及其制造方法。而且，預(yù)先說(shuō)明哪個(gè)實(shí)施方式是否為最佳，因?qū)ο?、要求性能等而不同?br> (1)原料粉末原料粉末包含作為鐵基燒結(jié)合金主要成分的Fe類(lèi)粉末和包含Mn及Si的強(qiáng)化粉末。
Fe類(lèi)粉末可以是純鐵粉，也可以是鐵合金粉，還可以是這些的混合粉末。鐵合金粉中包含的合金元素不考慮。該合金元素首先有C、Mn、Si、P、S等。Mn及Si也可以作為強(qiáng)化粉末添加，也可以在Fe類(lèi)粉末中少量含有。但是，當(dāng)C、Mn、Si等的含量增加時(shí)，F(xiàn)e類(lèi)粉末成為硬質(zhì)而成形性降低。因此，當(dāng)Fe類(lèi)粉末是鐵合金粉時(shí)，設(shè)定C為0.02質(zhì)量％以下、Mn為0.2質(zhì)量％以下、Si為0.1質(zhì)量％以下即可。
除了這些以外的合金元素，還有Mo、Cr、Ni、V、Co、Nb、W等。這些合金元素是對(duì)鐵基燒結(jié)合金的熱處理性的提高、鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)化有效的元素。這些合金元素的適宜含量為將原料粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，Mo為0.1～3質(zhì)量％以及0.2～2質(zhì)量％，Cr為0.2～5質(zhì)量％以及0.3～3.5質(zhì)量％，Ni為0.5～6質(zhì)量％以及1～4質(zhì)量％。需要說(shuō)明的是，這些合金元素沒(méi)有必要作為鐵合金粉含有在原料粉末中，也可以作為Fe以外的合金或化合物的粉末等混雜在原料粉末中。
強(qiáng)化粉末作為包含一種或兩種以上的粉末整體，只限于含有Mn及Si，則不考慮其存在方式。例如，強(qiáng)化粉末也可以是包含Mn及Si的合金或化合物的1種Mn-Si類(lèi)粉末。另外，也可以是將包含Mn的單質(zhì)、合金或化合物的Mn類(lèi)粉末與包含Si的單質(zhì)、合金或化合物的Si類(lèi)粉末組合而成的復(fù)合粉末。而且，也可以是將該Mn-Si類(lèi)粉末與包含Mn的單質(zhì)、合金或化合物的Mn類(lèi)粉末與包含Si的單質(zhì)、合金或化合物的Si類(lèi)粉末中的2種以上的粉末組合而成的復(fù)合粉末。
Mn-Si類(lèi)粉末優(yōu)選為包含作為鐵基燒結(jié)合金的主要成分的Fe與Mn及Si的合金或金屬間化合物的Fe-Mn-Si粉末(以下適當(dāng)將該粉末稱為“FMS粉末”)。該粉末可以比較廉價(jià)地制造而得到。
該FMS粉末優(yōu)選為以該FMS粉末整體為100質(zhì)量％計(jì)，Mn為15～75質(zhì)量％、Si為15～75質(zhì)量％、Mn和Si的合計(jì)為35～95質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe。當(dāng)Mn和Si過(guò)少時(shí)，成為有延展性的鐵合金，難以將其粉碎成微粉。另外，當(dāng)FMS粉末在原料粉末中的添加量也多時(shí)，就會(huì)使鐵基燒結(jié)合金的成本升高。另一方面，當(dāng)Mn和Si過(guò)多時(shí)，由于調(diào)整成分的成本升高，因此不優(yōu)選。更優(yōu)選Mn為20～65質(zhì)量％、Si為20～65質(zhì)量％、Mn和Si合計(jì)為50～90質(zhì)量％。
FMS粉末中的Mn和Si的組成比不受限制，優(yōu)選其組成比(Mn/Si)為1/3～3以及1/2～2，特別優(yōu)選其組成比為1左右(0.9～1.1)，即FMS粉末中的Mn及Si為大致相當(dāng)?shù)谋壤?約1∶1)。其原因在于，這時(shí)容易得到強(qiáng)度、延展性、尺寸穩(wěn)定性等任一個(gè)都優(yōu)良，均衡良好的鐵基燒結(jié)合金。
FMS粉末中含有的O量?jī)?yōu)選為0.4質(zhì)量％以下以及0.3質(zhì)量％以下。當(dāng)原料粉末中的O量增加時(shí)，由Mn和Si的強(qiáng)化作用不能充分發(fā)揮。而且，在成形體密度比超過(guò)96％之類(lèi)的超高密度粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，其內(nèi)部存在的O會(huì)成為產(chǎn)生氣泡(blister)的原因。關(guān)于這一點(diǎn)如后所述。
原料粉末中配合的強(qiáng)化粉末的比例，根據(jù)使用的粉末組成和所希望的鐵基燒結(jié)合金的特性(鐵基燒結(jié)合金中的Mn和Si的組成)而異。例如，使用FMS粉末(Mn為15～75質(zhì)量％、Si為15～75質(zhì)量％、Mn和Si合計(jì)為35～95質(zhì)量％)作為強(qiáng)化粉末時(shí)，將原料粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，配合0.05～5質(zhì)量％以及0.1～4質(zhì)量％即可。而且，其下限值優(yōu)選為0.2質(zhì)量％、0.3質(zhì)量％、0.4質(zhì)量％以及0.5質(zhì)量％。
強(qiáng)化粉末的粒徑越小，越容易得到成形體密度比和燒結(jié)體密度比提高、成分變動(dòng)和離析等少的均質(zhì)鐵基燒結(jié)合金。但是，粒徑過(guò)小的粉末因難以得到而成本高。還容易發(fā)生凝集等，操作性差。因此，當(dāng)強(qiáng)化粉末的粒徑為100μm以下、63μm以下、45μm以下以及25μm以下時(shí)，容易均勻分散。使用在上述范圍內(nèi)容易得到的強(qiáng)化粉末即可。需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書(shū)中所謂的粒徑是利用篩分來(lái)指定的。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金是通過(guò)Mn及Si來(lái)強(qiáng)化的，同時(shí)通過(guò)含有C以謀求更進(jìn)一步的高強(qiáng)度化。特別是通過(guò)淬火、回火等熱處理，可以很容易地改善或調(diào)整鐵基燒結(jié)合金的機(jī)械特性。
向鐵基燒結(jié)合金引入C，通常也考慮使用包含C的Fe類(lèi)粉末(Fe類(lèi)合金粉末)。但是，從原料粉末的成形性和C量的配合調(diào)整的容易性等考慮，使C類(lèi)粉末混雜在原料粉末中即可。C類(lèi)粉末可以使用C幾乎為100％的石墨粉末為代表(Gr粉末)，除此之外，也可以使用Fe-C合金粉和各種碳化物粉末等。C類(lèi)粉末等的配合量，如前所述，使鐵基燒結(jié)合金的C量成為約0.1～約1.0質(zhì)量％即可。
(2)成形工序本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，主要包含成形工序和燒結(jié)工序。在此，首先對(duì)成形工序進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
成形工序是將混合了前述Fe類(lèi)粉末和強(qiáng)化粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，作成粉末成形體的工序。這時(shí)的成形壓力、粉末成形體的密度(或成形體密度)、粉末成形體的性質(zhì)等不受限制。
其中，考慮粉末成形體的處理性，其成形壓力及成形體密度至少不是容易破碎的程度即可。例如，成形壓力優(yōu)選為350MPa以上、400MPa以上以及500MPa以上。成形體密度比優(yōu)選為80％以上、85％以上以及90％以上。成形壓力及成形體密度比越高，越容易得到高強(qiáng)度鐵基燒結(jié)合金，可以根據(jù)鐵基燒結(jié)合金的用途、規(guī)格來(lái)選擇最合適的成形壓力及成形體密度比。另外，成形工序可以是冷成形或者熱成形，也可以在原料粉末中添加內(nèi)部潤(rùn)滑劑。添加內(nèi)部潤(rùn)滑劑時(shí)，將內(nèi)部潤(rùn)滑劑也包含在內(nèi)看作原料粉末。
但是，如專(zhuān)利文獻(xiàn)3公開(kāi)的，本發(fā)明者在工業(yè)水平上確立了可以進(jìn)行超越了目前的一般的成形壓力的超高壓成形的粉末成形體的成形方法。根據(jù)此成形方法，也可以在1000MPa以上、1200MPa以上、1500MPa以上以及約2000MPa以上的超高壓進(jìn)行粉末成形。由此得到的粉末成形體的密度可以達(dá)到96％以上、97％以上、98％以上以及至99％。下面，對(duì)該優(yōu)良的成形方法(以下將該成形方法適當(dāng)稱為“模具潤(rùn)滑熱壓成形法”)進(jìn)行說(shuō)明。
模具潤(rùn)滑溫壓成形法(成形工序)包含如下工序向內(nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具填充前述原料粉末的填充工序；和將該模具內(nèi)的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅?，使接觸該模具內(nèi)面的該原料粉末的表面生成金屬皂被膜的溫?zé)峒訅撼尚喂ば颉?br> 根據(jù)該成形方法，即使成形壓力相當(dāng)大，也不會(huì)發(fā)生用一般的成形方法發(fā)生的不良情況。具體來(lái)講，可以抑制原料粉末和模具的內(nèi)面之間的磨損、排壓的過(guò)大化、模具壽命的降低等。下面，對(duì)該成形方法的填充工序及熱壓成形工序進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。
(a)填充工序在將原料粉末向模具(模穴)填充之前，在模具的內(nèi)面涂敷高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑(涂敷工序)。在此使用的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑，除了高級(jí)脂肪酸自身以外，也可以是高級(jí)脂肪酸的金屬鹽。高級(jí)脂肪酸的金屬鹽中有鋰鹽、鈣鹽或鋅鹽等。特別優(yōu)選硬脂酸鋰、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅等。除此之外，也可以使用硬脂酸鋇、棕櫚酸鋰、油酸鋰、棕櫚酸鈣、油酸鈣等。
涂敷工序可以如下進(jìn)行例如，在加熱后的模具內(nèi)，將在水、水溶液或乙醇溶液等中分散的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑進(jìn)行噴霧。當(dāng)高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑分散在水等中時(shí)，容易將高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑均勻地向模具的內(nèi)面噴霧。當(dāng)在加熱后的模具內(nèi)將其噴霧時(shí)，水分等迅速地蒸發(fā)，高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑均勻地向模具的內(nèi)面附著。模具的加熱溫度，優(yōu)選考慮后述的熱壓成形工序的溫度，例如，加熱到100℃以上即可?？墒?，為了形成高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的均勻的膜，優(yōu)選使其加熱溫度為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的熔點(diǎn)以下。例如，使用硬脂酸鋰作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑時(shí)，將其加熱溫度設(shè)定為低于220℃即可。
需要說(shuō)明的是，使高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑分散在水等中時(shí)，將其水溶液整體的質(zhì)量設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，當(dāng)以0.1～5質(zhì)量％以及0.5～2質(zhì)量％的比例含有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑時(shí)，在模具的內(nèi)面形成均勻的潤(rùn)滑膜而優(yōu)選。
另外，使高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑向水等中分散時(shí)，當(dāng)在上述水中添加表面活性劑時(shí)，可以謀求高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的均勻分散。作為上述的表面活性劑可以使用例如烷基酚類(lèi)表面活性劑、壬基酚聚氧乙烯醚(EO)6、壬基酚聚氧乙烯醚(EO)10、陰離子性非離子型表面活性劑、硼酸酯類(lèi)エマルボンT-80等?？梢詫⑦@些兩種以上組合使用。例如，使用有硬脂酸鋰作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑時(shí)，優(yōu)選同時(shí)使用壬基酚聚氧乙烯醚(EO)6、壬基酚聚氧乙烯醚(EO)10及硼酸酯類(lèi)乳化劑T-80三種表面活性劑。其原因在于，這時(shí)與只添加這些中的一種時(shí)相比，硬脂酸鋰向水等的分散性進(jìn)一步活化。
為了得到適用于噴霧的有粘度的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的水溶液，將其水溶液整體設(shè)定為100體積％時(shí)，優(yōu)選將表面活性劑的比例設(shè)定為1.5～15體積％。
除此之外，也可以添加少量的消泡劑(例如，硅類(lèi)消泡劑等)。這是由于當(dāng)水溶液發(fā)泡劇烈時(shí)，在將其噴霧時(shí)難以在模具的內(nèi)面形成均勻的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的被膜的緣故。將其水溶液整體體積設(shè)定為100體積％時(shí)，消泡劑的添加比例，例如為約0.1～約1體積％即可。
在水等中分散好的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的粒子，當(dāng)其最大粒徑低于30μm時(shí)為適宜。這是由于當(dāng)其最大粒徑為30μm以上時(shí)，高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的粒子容易在水中沉淀，難以將高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑均勻涂敷在模具的內(nèi)面的緣故。
分散有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的水溶液的涂敷，可以使用例如涂敷用噴槍和靜電槍等來(lái)進(jìn)行。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明者通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的涂敷量和粉末成形體的排出壓力的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選將高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑附著在模具的內(nèi)面，使其膜厚為約0.5～約1.5μm。
(b)溫?zé)峒訅撼尚喂ば驅(qū)⒃趦?nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具內(nèi)填充好的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅撼尚?，使接觸該模具內(nèi)面的原料粉末(或粉末成形體)的表面生成金屬皂被膜，通常認(rèn)為，利用該金屬皂被膜的存在可以進(jìn)行工業(yè)水平的超高壓成形。該金屬皂被膜牢固地結(jié)合在其粉末成形體的表面，發(fā)揮的潤(rùn)滑性能遠(yuǎn)比附著在模具的內(nèi)表面的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑優(yōu)良。其結(jié)果，使模具的內(nèi)面和粉末成形體的外面的接觸面間的摩擦力顯著降低，雖然是高壓成形，也不會(huì)發(fā)生磨損。另外，在非常低的排壓下將粉末成形體從模具中取出，模具壽命也不會(huì)極端縮短。
金屬皂被膜是由例如，高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑和原料粉末中的Fe在溫?zé)岣邏合掳l(fā)生機(jī)械化學(xué)反應(yīng)形成的高級(jí)脂肪酸的鐵鹽被膜。其代表例是，作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的硬脂酸鋰或硬脂酸鋅和Fe反應(yīng)生成的硬脂酸鐵被膜。
本工序中所謂的“溫?zé)帷?，只要是達(dá)到促進(jìn)原料粉末和高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑反應(yīng)的程度的加熱狀態(tài)即可。一般來(lái)講，將成形溫度設(shè)定為100℃以上即可。其中，從防止高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的變質(zhì)的觀點(diǎn)考慮，適宜設(shè)定為200℃以下。將成形溫度設(shè)定為120～180℃更合適。
本工序中所謂的“加壓”，只要在考慮鐵基燒結(jié)合金的規(guī)格的同時(shí)在形成金屬皂被膜的范圍內(nèi)適當(dāng)確定即可?？紤]模具壽命和生產(chǎn)性，優(yōu)選將其成形壓力的上限設(shè)定為2000MPa。當(dāng)成形壓力為1500MPa左右時(shí)，得到的粉末成形體的密度也接近真密度(成形體密度比為98～99％)，即使加壓至2000MPa以上，也沒(méi)有希望更進(jìn)一步高密度化。
需要說(shuō)明的是，當(dāng)使用該模具潤(rùn)滑熱壓成形法時(shí)，沒(méi)有必要使用內(nèi)部潤(rùn)滑劑，可以得到更高密度的粉末成形體。另外，使其粉末成形體燒結(jié)時(shí)，也不會(huì)伴隨內(nèi)部潤(rùn)滑劑的分解、放出等而污染爐內(nèi)。其中，事先說(shuō)明，本發(fā)明沒(méi)有排除內(nèi)部潤(rùn)滑劑的使用。
(3)燒結(jié)工序燒結(jié)工序是將成形工序得到的粉末成形體在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)的工序。
考慮鐵基燒結(jié)合金的所希望特性、生產(chǎn)性等來(lái)適當(dāng)選擇燒結(jié)溫度及燒結(jié)時(shí)間。燒結(jié)溫度越高，在越短的時(shí)間內(nèi)得到高強(qiáng)度鐵基燒結(jié)合金。但是，當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生液相，尺寸收縮變大，不優(yōu)選。當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)低時(shí)，強(qiáng)化元素的擴(kuò)散變得不充分，不優(yōu)選。另外，如果燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，則鐵基燒結(jié)合金的生產(chǎn)性降低。燒結(jié)溫度適宜為900～1400℃以及1100～1350℃。特別是為了得到高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金時(shí)，適宜將燒結(jié)溫度設(shè)定為1150℃以上。另外，考慮燒結(jié)溫度、鐵基燒結(jié)合金的規(guī)格、生產(chǎn)性、成本等，燒結(jié)時(shí)間適宜設(shè)定為0.1～3小時(shí)以及0.1～2小時(shí)。
燒結(jié)環(huán)境適宜為抗氧化環(huán)境。強(qiáng)化粉末中含有的Mn及Si是和O的親和力極強(qiáng)的非常容易被氧化的元素。特別是使用FMS粉末時(shí)，與Mn及Si的單質(zhì)相比，其氧化物生成自由能低，可能會(huì)與加熱爐內(nèi)僅有的O鍵合，在燒結(jié)體內(nèi)部形成Mn及Si的氧化物。由于這樣的氧化物的夾雜，會(huì)使鐵基燒結(jié)合金的機(jī)械特性劣化，因此不優(yōu)選。因此，燒結(jié)環(huán)境優(yōu)選真空環(huán)境、惰性氣體環(huán)境、氮?dú)猸h(huán)境等抗氧化環(huán)境。即使是這樣的環(huán)境，其中的殘留氧(氧分壓)還成問(wèn)題時(shí)，也可以采用在氮?dú)庵谢旌狭藬?shù)體積％(例如5～10％)氫氣(在低露點(diǎn)(例如-30℃以下)純化而成的高純度氫氣)的還原環(huán)境。
但是，由于氫氣的使用在工業(yè)上不太優(yōu)選，因此，本發(fā)明的燒結(jié)工序更優(yōu)選在氧分壓相當(dāng)于10-19Pa以下(以CO濃度計(jì)為100ppm以下)的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。在這樣的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境下，即使在燒結(jié)中FMS粉末和附著于原料粉末等的O反應(yīng)形成復(fù)合氧化物等，其也進(jìn)一步分解。其結(jié)果，可以得到?jīng)]有氧化物等夾雜物的健全組織的鐵基燒結(jié)合金。需要說(shuō)明的是，實(shí)現(xiàn)極低氧分壓的惰性氣體(N2氣)環(huán)境的連續(xù)燒結(jié)爐有市售品(關(guān)東冶金工業(yè)株式會(huì)社制オキシノン爐)。
(4)超高密度鐵基燒結(jié)合金本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，其密度的高低不受限制。亦即，可以是象目前的鐵基燒結(jié)合金那樣的，將低壓成形后的粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而成的低密度鐵基燒結(jié)合金而成，也可以是將使用上述的模具潤(rùn)滑熱壓成形法進(jìn)行高壓成形后的高密度粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而成的高密度鐵基燒結(jié)合金。不管哪種情況，都可以利用Mn及Si謀求鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性的提高。但是，為了得到能與通過(guò)2次成形2次燒結(jié)(2P2S)得到的燒結(jié)體和鍛造燒結(jié)體還有熔煉材料相匹敵的高強(qiáng)度鐵基燒結(jié)合金，優(yōu)選粉末成形體和燒結(jié)體是更高密度的。例如，成形體密度比和燒結(jié)體密度比適宜為92％以上、95％以上、96％以上以及97％以上。
但是，根據(jù)本發(fā)明者的研究可知，將這樣的超高密度的粉末成形體(例如，成形體密度比為96％以上)進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，容易發(fā)生氣泡(blister)。特別是原料粉末中因石墨粉末等而含有C時(shí)，容易發(fā)生那樣的氣泡。當(dāng)發(fā)生這樣的氣泡時(shí)，當(dāng)然其燒結(jié)前后的尺寸穩(wěn)定性極端差。具體來(lái)講，鐵基燒結(jié)合金的尺寸比粉末成形體的尺寸大大擴(kuò)大，燒結(jié)體密度極端降低。而且，可以在鐵基燒結(jié)合金內(nèi)部由氣孔而形成的氣泡，不僅成為鐵基燒結(jié)合金的內(nèi)部缺陷，而且其氣泡劇烈時(shí)，發(fā)生破裂，燒結(jié)體無(wú)法保留原形?？傊?dāng)發(fā)生這樣的氣泡時(shí)，其鐵基燒結(jié)合金成為不良制品。
發(fā)生這樣的氣泡的原因在于，在燒結(jié)工序的加熱過(guò)程中，附著在原料粉末的粒子表面的水分和氧化物等被還原、分解，生成H2O、CO和CO2等各種氣體。通常認(rèn)為這些氣體被關(guān)在燒結(jié)體內(nèi)的封閉孔內(nèi)，在燒結(jié)工序的加熱過(guò)程中膨脹，在燒結(jié)體上發(fā)生氣泡。當(dāng)然，通常認(rèn)為如果粉末成形體的密度是如目前之類(lèi)的低密度，由于其產(chǎn)生的氣體通過(guò)原料粉末的粒子間形成的空隙向外放出，故發(fā)生如上所述的氣泡的情況少。
當(dāng)形成如本發(fā)明所述的密度比為92％以上以及96％以上的超高密度成形體時(shí)，通常認(rèn)為各組成粒子的接觸情況也和目前的不同，各組成粒子呈緊密粘合狀態(tài)。其內(nèi)部存在的微小的殘留氣孔也通過(guò)周?chē)牧Ｗ有纬擅荛]的獨(dú)立氣孔。通常認(rèn)為，在該部分產(chǎn)生的氣體沒(méi)有逸出的場(chǎng)所，由于燒結(jié)工序中的高溫加熱而成為異常高壓，而且破壞金屬粒子間的接觸和鍵合，膨脹后的結(jié)果是產(chǎn)生大的氣泡。
為了得到高強(qiáng)度尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良的鐵基燒結(jié)合金，謀求一種鐵基燒結(jié)合金及其制造方法，該合金即使在將包含含有石墨等C的原料粉末的超高密度粉末成形體在高溫下進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，也不發(fā)生上述氣泡。
本發(fā)明者認(rèn)為，通過(guò)在原料粉末中存在的O和其周?chē)嬖诘氖确磻?yīng)生成CO氣體等氣體之前，使該O作為穩(wěn)定的固體(氧化物)固定在燒結(jié)體中，來(lái)抑制CO氣體等的發(fā)生。具體來(lái)講，認(rèn)為將與相比C與O的親和力強(qiáng)的氧化物生成自由能低的物質(zhì)(即氧吸收劑)添加在原料粉末中。而且最新發(fā)現(xiàn)，前述強(qiáng)化粉末中含有的Mn和Si(特別是Si)有作為上述氧吸收劑的效果。
亦即，通過(guò)使鐵基燒結(jié)合金中含有Si等，不僅可以謀求提高如前所述的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，而且還可以謀求防止燒結(jié)超高密度成形體時(shí)的氣泡。
由此，根據(jù)本發(fā)明，可以得到從低密度的到超高密度的高強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良且成本低廉的鐵基燒結(jié)合金，鐵基燒結(jié)合金的應(yīng)用范圍(用途)顯著擴(kuò)大。特別是只要利用上述的模具潤(rùn)滑熱壓成形法，無(wú)需像目前的那樣采用2P2S和粉末鍛造法，通過(guò)1次加壓成形和1次燒結(jié)(1P1S)，就可以得到更高強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良、成本低廉的鐵基燒結(jié)合金。這樣的高密度的鐵基燒結(jié)合金及其制造方法，例如，進(jìn)行如下規(guī)定。
亦即，鐵基燒結(jié)合金規(guī)定為是將主要包含鐵(Fe)的原料粉末進(jìn)行加壓成形后的粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而成的鐵基燒結(jié)合金，其特征在于，其將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，包含Si為0.01～2質(zhì)量％、C為0.1～1.0質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，其體積密度(ρ’)與理論密度(ρ0’)之比，即燒結(jié)體密度比(ρ’/ρ0’×100％)為92％以上以及96％以上的高密度。
另外，其制造方法規(guī)定為其特征在于，其具有如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和C類(lèi)粉末和Si類(lèi)粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，得到體積密度(ρ’)與理論密度(ρ0’)之比即成形體密度比(ρ’/ρ0’×100％)為92％以上以及96％以上的粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉末包含純鐵或鐵合金中的至少一種，所述C類(lèi)粉末主要含有C，所述Si類(lèi)粉末包含Si的單質(zhì)、合金或化合物；和燒結(jié)工序，將該粉末成形體進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，在該燒結(jié)工序后，可以得到上述的高密度的鐵基燒結(jié)合金。
(5)燒結(jié)前后的C變化量和尺寸穩(wěn)定性本發(fā)明者最新發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原料粉末中混雜FMS粉末時(shí)，燒結(jié)前后的C量的變化顯著減小。而且可知，C變化量越小，鐵基燒結(jié)合金的尺寸變化也越小。而且還可知，其C變化量和燒結(jié)前的粉末成形體的密度有關(guān)。亦即，粉末成形體的密度越高，其燒結(jié)前后的C變化量越小，當(dāng)粉末成形體接近真密度時(shí)，其燒結(jié)前后的C量幾乎沒(méi)有變化，也表明穩(wěn)定。
通常認(rèn)為，過(guò)去在燒結(jié)中C散逸，燒結(jié)前后C量減少10～20％左右是正常的。但是，根據(jù)本發(fā)明，其燒結(jié)前后的C變化量可以非常小，可以提高原料粉末中混雜的C類(lèi)粉末的材料利用率，削減鐵基燒結(jié)合金的原料成本。特別是由于Gr粉末比較昂貴，通過(guò)提高其材料利用率，可以大大降低原料成本。
另外，由于原料粉末的配合組成幾乎直接反映燒結(jié)后的合金組成，因此，可以制造所希望的組成的鐵基燒結(jié)合金。這樣一來(lái)，利用C的鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)化作用也可以穩(wěn)定地發(fā)揮，不只是尺寸穩(wěn)定性，從強(qiáng)度等機(jī)械特性的觀點(diǎn)考慮，鐵基燒結(jié)合金的品質(zhì)管理也變得容易。
這樣的C變化量變小的理由尚不明確，根據(jù)現(xiàn)狀推測(cè)如下。亦即，在燒結(jié)過(guò)程中，原料粉末中含有的氧(O)通過(guò)同一原料粉末中含有的FMS粉末優(yōu)先放入，結(jié)果和Gr粉末等C幾乎不反應(yīng)。因此，通常認(rèn)為，成為CO和CO2等排到外部的C急劇減少，可以顯著抑制鐵基燒結(jié)合金中的C量的減少。例如，本發(fā)明者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，在從室溫到1350℃的范圍測(cè)定放出的氧量時(shí)，根據(jù)FMS粉末的有無(wú)，其放出氧量從0.1％減少到0.06％。
根據(jù)以上情況，本發(fā)明粉末成形體的成形體密度比(ρ/ρ0’×100％)優(yōu)選為92％以上、94％、96％以上以及98％以上。另外，希望本發(fā)明的制造方法的成形工序是可以得到這樣的高密度粉末成形體的工序。
即使不是成形體密度比，著眼于燒結(jié)體密度比，這種情況也同樣。其原因在于，隨著C變化量的降低，燒結(jié)前后的重量變化及尺寸變化變小，成形體密度比和燒結(jié)體密度比之間變得沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的不同。因此，可以說(shuō)本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的燒結(jié)體密度比(ρ’/ρ0’×100％)也優(yōu)選為92％以上、94％、96％以上以及98％以上。
需要說(shuō)明的是，有關(guān)上述燒結(jié)前后的C變化量的內(nèi)容，不拘泥于鐵基燒結(jié)合金或Fe類(lèi)粉末的組成。但是，當(dāng)含有的Cr比Mo多時(shí)，C變化量有變小的傾向。
(6)其它本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金，根據(jù)其規(guī)格，還可以進(jìn)行退火、正火、老化、調(diào)質(zhì)(淬火、回火)、浸碳、氮化等熱處理工序。當(dāng)然，鐵基燒結(jié)合金優(yōu)選為根據(jù)熱處理種類(lèi)不同的組成(C、Mo、Cr等)。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金的形態(tài)和用途不受限制。當(dāng)例舉使用本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金得到的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的一個(gè)實(shí)例時(shí)，在汽車(chē)領(lǐng)域有各種滑輪、變速器的同步輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、轂套、鏈輪齒、環(huán)形齒輪、制動(dòng)齒輪、小齒輪等。其它還有中心輪、傳動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、減速齒輪等。
(第2發(fā)明的實(shí)施方式)例舉實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。需要預(yù)先說(shuō)明的是，本說(shuō)明書(shū)中說(shuō)明的內(nèi)容包含以下的實(shí)施方式，不只適用于本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，也適用于其制造方法。另外，預(yù)先說(shuō)明哪個(gè)實(shí)施方式是否為最佳，根據(jù)對(duì)象、要求性能等而不同。
(1)原料粉末原料粉末包含F(xiàn)e類(lèi)粉末、C類(lèi)粉末及Si類(lèi)粉末。
Fe類(lèi)粉末可以是純鐵粉，也可以是鐵合金粉，或者也可以是這些的混合粉末。鐵合金粉中包含的合金元素不受限制。該合金元素首先有C、Mn、Si、P、S等。C可以作為C類(lèi)粉末配合，Si可以作為Si類(lèi)粉末配合，也可以在Fe類(lèi)粉末中少量含有。其中，當(dāng)C和Si等的含量增加時(shí)，F(xiàn)e類(lèi)粉末成為硬質(zhì)而成形性降低。因此，F(xiàn)e類(lèi)粉末是鐵合金粉時(shí)，設(shè)定C為0.02質(zhì)量％以下、Si為0.1質(zhì)量％以下即可。
除了這些以外的合金元素還有Mo、Cr、Ni、V等。這些合金元素是對(duì)鐵基燒結(jié)合金的熱處理性的提高、鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)化有效的元素。這些合金元素的適宜含量為將原料粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，Mo為0.3～2質(zhì)量％以及0.5～1.5質(zhì)量％，Cr為0.3～5質(zhì)量％以及0.5～3.5質(zhì)量％，Ni為0.5～6質(zhì)量％以及1～4質(zhì)量％。需要說(shuō)明的是，這些合金元素沒(méi)有必要作為鐵合金粉含有在原料粉末中，也可以作為Fe以外的合金或化合物的粉末等混雜在原料粉末中。
從原料粉末的成形性和配合的容易性等考慮，C類(lèi)粉末使用石墨(Gr粉末)等為宜。如前所述，其配合量以使鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的C量成為約0.1～約0.8％為宜。
Si類(lèi)粉末只要含有Si，可以是一種粉末，也可以是兩種以上的粉末，其存在形態(tài)不受限制。具體來(lái)講，Si類(lèi)粉末為Si的單質(zhì)、合金或化合物的粉末。該Si類(lèi)粉末優(yōu)選為包含作為鐵基燒結(jié)合金的主要成分的Fe與Mn及Si的合金或金屬間化合物的Fe-Mn-Si粉末(以下適當(dāng)將該粉末稱為“FMS粉末”)。該粉末可以比較廉價(jià)地制造而得到。Fe-Mn-Si粉末優(yōu)選為以該Fe-Mn-Si粉末整體為100質(zhì)量％計(jì)，Si為15～75質(zhì)量％、Mn為15～75質(zhì)量％、Si和Mn合計(jì)為35～95質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe。當(dāng)Si和Mn過(guò)少時(shí)，成為有延展性的鐵合金，難以將其粉碎成微粉。另外，當(dāng)FMS粉末在原料粉末中的添加量也多時(shí)，就會(huì)使鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的成本升高。另一方面，當(dāng)Si和Mn過(guò)多時(shí)，由于用于成分調(diào)整的成本升高，因此不優(yōu)選。更優(yōu)選Si為20～65質(zhì)量％、Mn為20～65質(zhì)量％、Mn和Si合計(jì)為50～90質(zhì)量％。
FMS粉末中的Mn和Si的組成比不受限制，優(yōu)選其組成比(Mn/Si)為1/3～3，特別優(yōu)選其組成比為1左右(0.9～1.1)，即FMS粉末中的Mn及Si為大致相當(dāng)?shù)谋壤?約1∶1)。這時(shí)容易抑制氣泡。另外，得到強(qiáng)度、延展性、尺寸穩(wěn)定性等均衡的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。
FMS粉末中含有的O量?jī)?yōu)選為0.4質(zhì)量％以下以及0.3質(zhì)量％以下。其原因在于，當(dāng)原料粉末中的O量增加時(shí)，導(dǎo)致燒結(jié)體氣泡的CO等氣體也增加。并且，其原因還在于，與燒結(jié)體中的氧化物的增加有關(guān)，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的機(jī)械特性會(huì)劣化。
原料粉末中配合的Si類(lèi)粉末的比例，根據(jù)使用的粉末組成、成形體密度比、燒結(jié)條件等而異。例如，使用FMS粉末(Si為15～75質(zhì)量％、Mn為15～75質(zhì)量％、Si和Mn合計(jì)為35～95質(zhì)量％)作為Si類(lèi)粉末時(shí)，將原料粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，配合0.01～5質(zhì)量％以及0.05～3質(zhì)量％以及0.1～2質(zhì)量％即可。
Si類(lèi)粉末的粒徑越小，越能得到成形體密度比和燒結(jié)體密度比提高、成分變動(dòng)和離析等少的均質(zhì)鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。但是，粒徑過(guò)小的粉末因難以得到而成本高。還容易發(fā)生凝集等，操作性差。因此，Si類(lèi)粉末使用粒徑為63μm以下以及45μm以下以及25μm以下容易得到的物質(zhì)即可。順便提一下，原料粉末(Fe類(lèi)粉末或低合金鋼粉)的粒徑為200μm以下以及180μm以下程度就足夠了。需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書(shū)中所謂的粒徑，是利用篩分來(lái)判定的。
(2)成形工序本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，主要包含成形工序和燒結(jié)工序。在此，首先對(duì)成形工序進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
成形工序是將混合了前述Fe類(lèi)粉末和C類(lèi)粉末和Si類(lèi)粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，作成粉末成形體的工序。在本發(fā)明中，粉末成形體的形狀和成形壓力自身不作為問(wèn)題對(duì)待，其以成形體密度比為96％以上的高密度成形體為對(duì)象。其原因在于，成形體密度比小的物質(zhì)，在其燒結(jié)中不怎么發(fā)生氣泡。
本發(fā)明者已經(jīng)確立了可以得到這樣的高密度成形體的成形方法(參照專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。根據(jù)該成形方法，可以在工業(yè)水平進(jìn)行超越了目前水平的成形壓力為1000MPa以上、1200MPa以上、1500MPa以上以及約2000MPa的超高壓成形。由此得到的粉末成形體的密度可以達(dá)到96％以上、97％以上、98％以上以及至99％。下面，對(duì)該優(yōu)良的成形方法(以下將該成形方法適當(dāng)稱為“模具潤(rùn)滑熱壓成形法”)進(jìn)行說(shuō)明。
模具潤(rùn)滑熱壓成形法(成形工序)包含如下工序向內(nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具填充前述原料粉末的填充工序；將該模具內(nèi)的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅?，使接觸該模具內(nèi)面的該原料粉末的表面生成金屬皂被膜的溫?zé)峒訅撼尚喂ば颉?br> 根據(jù)該成形方法，即使成形壓力相當(dāng)大，也不會(huì)發(fā)生用一般的成形方法發(fā)生的諸類(lèi)不良情況。具體來(lái)講，可以抑制原料粉末和模具的內(nèi)面之間的磨損、排壓的過(guò)大化、模具壽命的降低等。下面，對(duì)該成形方法的填充工序及熱壓成形工序進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。
(a)填充工序在將原料粉末向模具(模穴)填充之前，在模具的內(nèi)面涂敷高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑(涂敷工序)。在此使用的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑，除了高級(jí)脂肪酸自身以外，也可以是高級(jí)脂肪酸的金屬鹽。高級(jí)脂肪酸的金屬鹽有鋰鹽、鈣鹽或鋅鹽等。特別優(yōu)選硬脂酸鋰、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅等。除此之外，也可以使用硬脂酸鋇、棕櫚酸鋰、油酸鋰、棕櫚酸鈣、油酸鈣等。
涂敷工序可以如下進(jìn)行例如，在加熱好的模具內(nèi)，將在水、水溶液或乙醇溶液等中分散好的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑進(jìn)行噴霧。當(dāng)高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑分散在水等中時(shí)，容易將高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑均勻地向模具的內(nèi)面噴霧。當(dāng)在加熱好的模具內(nèi)將其噴霧時(shí)，水分等很快蒸發(fā)，高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑均勻地向模具的內(nèi)面附著。模具的加熱溫度，優(yōu)選考慮后述的熱壓成形工序的溫度，例如，加熱到100℃以上即可。可是，為了形成高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的均勻的膜，優(yōu)選使其加熱溫度為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的熔點(diǎn)以下。例如，使用硬脂酸鋰作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑時(shí)，將其加熱溫度設(shè)定為低于220℃即可。
需要說(shuō)明的是，使高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑分散在水等中時(shí)，將其水溶液整體的質(zhì)量設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，當(dāng)以0.1～5質(zhì)量％以及0.5～2質(zhì)量％的比例含有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑時(shí)，在模具的內(nèi)面形成均勻的潤(rùn)滑膜，因此優(yōu)選。
另外，使高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑向水等中分散時(shí)，當(dāng)在上述水中添加表面活性劑時(shí)，可以謀求高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的均勻分散。作為上述的表面活性劑可以使用例如有烷基酚類(lèi)表面活性劑、壬基酚聚氧乙烯醚(EO)6、壬基酚聚氧乙烯醚(EO)10、陰離子性非離子型表面活性劑、硼酸酯類(lèi)エマルボンT-80等。可以將這些兩種以上組合使用。例如，使用有硬脂酸鋰作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑時(shí)，優(yōu)選同時(shí)使用壬基酚聚氧乙烯醚(EO)6、壬基酚聚氧乙烯醚(EO)10及硼酸酯類(lèi)乳化劑T-80三種表面活性劑。其原因在于，這時(shí)與只添加這些中的一種時(shí)相比，硬脂酸鋰向水等的分散性進(jìn)一步活化。
為了得到適用于噴霧的有粘度的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的水溶液，將其水溶液整體設(shè)定為100體積％時(shí)，優(yōu)選將表面活性劑的比例設(shè)定為1.5～15體積％。
除此之外，也可以添加少量的消泡劑(例如，硅類(lèi)消泡劑等)。這是由于當(dāng)水溶液發(fā)泡劇烈時(shí)，在將其噴霧時(shí)難以在模具的內(nèi)面形成均勻的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的被膜的緣故。將其水溶液整體體積設(shè)定為100體積％時(shí)，消泡劑的添加比例，例如為約0.1～約1體積％即可。
在水等中分散好的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的粒子，當(dāng)其最大粒徑低于30μm時(shí)適宜。這是由于當(dāng)其最大粒徑為30μm以上時(shí)，高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的粒子容易在水溶液中沉淀，難以將高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑均勻涂敷在模具的內(nèi)面的緣故。
分散有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的水溶液的涂敷，可以使用例如涂敷用噴槍和靜電槍等來(lái)進(jìn)行。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明者通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的涂敷量和粉末成形體的排出壓力的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選將高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑附著在模具的內(nèi)面，以使其膜厚為0.5～1.5μm左右。
(b)溫?zé)峒訅撼尚喂ば驅(qū)⒃趦?nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具內(nèi)填充好的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅撼尚危菇佑|該模具內(nèi)面的原料粉末(或粉末成形體)的表面生成金屬皂被膜，通常認(rèn)為，利用該金屬皂被膜的存在可以進(jìn)行工業(yè)水平的超高壓成形。該金屬皂被膜牢固地結(jié)合在其粉末成形體表面，發(fā)揮的潤(rùn)滑性能遠(yuǎn)比附著在模具的內(nèi)表面的高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑優(yōu)良。其結(jié)果，使模具的內(nèi)面和粉末成形體的外面的接觸面間的摩擦力顯著降低，雖然是高壓成形，也不會(huì)發(fā)生磨損。另外，在非常低的排壓下將粉末成形體從模具中取出，模具壽命也不會(huì)極端縮短。
金屬皂被膜是由例如，高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑和原料粉末中的Fe在溫?zé)岣邏合掳l(fā)生機(jī)械化學(xué)反應(yīng)形成的高級(jí)脂肪酸的鐵鹽被膜。其代表例是，作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的硬脂酸鋰或硬脂酸鋅和Fe反應(yīng)生成的硬脂酸鐵被膜。
本工序中所謂的“溫?zé)帷保灰沁_(dá)到促進(jìn)原料粉末和高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的反應(yīng)的程度的加熱狀態(tài)即可。一般來(lái)講，將成形溫度設(shè)定為100℃以上即可。其中，從防止高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的變質(zhì)的觀點(diǎn)考慮，適宜設(shè)定為200℃以下。將成形溫度設(shè)定為120～180℃更合適。
本工序中所謂的“加壓”，只要在考慮鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的規(guī)格的同時(shí)在形成金屬皂被膜的范圍內(nèi)適當(dāng)確定即可?？紤]模具壽命和生產(chǎn)性，優(yōu)選將其成形壓力的上限設(shè)定為2000MPa。當(dāng)成形壓力為1500MPa左右時(shí)，得到的粉末成形體的密度也接近真密度(成形體密度比為98～99％)，即使加壓至2000MPa以上，也不可能希望更進(jìn)一步高密度化。
需要說(shuō)明的是，當(dāng)使用該模具潤(rùn)滑熱壓成形法時(shí)，沒(méi)有必要使用內(nèi)部潤(rùn)滑劑，可以得到更高密度的粉末成形體。另外，使其粉末成形體燒結(jié)時(shí)，也不會(huì)伴隨內(nèi)部潤(rùn)滑劑的分解、放出等而污染爐內(nèi)。其中，事先說(shuō)明本發(fā)明沒(méi)有排除內(nèi)部潤(rùn)滑劑的使用。
(3)燒結(jié)工序燒結(jié)工序是將成形工序得到的粉末成形體在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)的工序。
考慮鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的所希望特性、生產(chǎn)性等來(lái)適當(dāng)選擇燒結(jié)溫度及燒結(jié)時(shí)間。燒結(jié)溫度越高，可以在越短時(shí)間得到高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。但是，當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生液相，尺寸變化變大，不優(yōu)選。當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)低時(shí)，強(qiáng)化元素的擴(kuò)散不充分，不優(yōu)選。另外，如果燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，則鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的生產(chǎn)性降低。燒結(jié)溫度適宜為1100～1400℃以及1150～1350℃。特別是為了得到高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件時(shí)，適宜將燒結(jié)溫度設(shè)定為1200℃以上。另外，考慮燒結(jié)溫度、鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的規(guī)格、生產(chǎn)性、成本等，燒結(jié)時(shí)間適宜設(shè)定為0.1～3小時(shí)以及為0.1～2小時(shí)。
在此，關(guān)于作為對(duì)燒結(jié)環(huán)境和抑制高強(qiáng)度燒結(jié)體的氣泡有效的元素的Si和Mn進(jìn)行說(shuō)明。首先，Si和C、Mn、磷(P)及硫(S)一起稱為鋼的五元素，在熔煉的鋼鐵材料中是普通的強(qiáng)化元素。但是，Si類(lèi)粉末中的Si是和氧的親和力極高、非常容易氧化的元素。使用FMS粉末作為Si類(lèi)粉末時(shí)，F(xiàn)e-Mn-Si合金(化合物)比Si單質(zhì)的氧化物生成自由能低，可能會(huì)與加熱爐內(nèi)僅有的O鍵合，在燒結(jié)體內(nèi)部形成Si的氧化物。由于這樣的氧化物的夾雜，會(huì)使鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的機(jī)械特性劣化，因此不優(yōu)選。因此，含有Si的鐵基燒結(jié)合金現(xiàn)在幾乎沒(méi)有了。
在本發(fā)明的制造方法中，為了抑制由于含Si的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的劣化，在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)工序。具體來(lái)講，有真空環(huán)境、惰性氣體環(huán)境、氮?dú)猸h(huán)境等。即使是這樣的環(huán)境，其中的殘留氧(氧分壓)還成問(wèn)題時(shí)，可以采用在氮?dú)庵谢旌狭藬?shù)％的氫氣(在低露點(diǎn)純化而成的高純度氫氣)的還原環(huán)境。但是，由于氫氣的使用在工業(yè)上不太優(yōu)選，因此，本發(fā)明的燒結(jié)工序更優(yōu)選在氧分壓相當(dāng)于10-19Pa以下(以CO濃度計(jì)為100ppm以下)的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)這樣的極低氧分壓的惰性氣體(N2氣)環(huán)境的連續(xù)燒結(jié)爐有市售品(關(guān)東冶金工業(yè)株式會(huì)社制オキシノン爐)。
在這樣的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境下，即使在燒結(jié)中Si類(lèi)粉末和附著于原料粉末等的O反應(yīng)形成復(fù)合氧化物等，其也進(jìn)一步分解，可以得到?jīng)]有氧化物等夾雜物的健全組織的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，抑制其劣化。
(4)其它本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，根據(jù)其規(guī)格，還可以進(jìn)行退火、正火、老化、調(diào)質(zhì)(淬火、回火)、浸碳、氮化等熱處理工序。當(dāng)然，鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件優(yōu)選為根據(jù)熱處理種類(lèi)不同的組成(C、Mo、Cr等)。
本發(fā)明的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的形態(tài)和用途不受限制。當(dāng)例舉鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的用途的一個(gè)實(shí)例時(shí)，在汽車(chē)領(lǐng)域有各種滑輪、變速器的同步輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、鏈輪齒、環(huán)形齒輪、小齒輪等。其它還有中心輪、傳動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪等各種齒輪部件。
(第1發(fā)明的實(shí)施例)例舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體地說(shuō)明，A第1實(shí)施例～第5實(shí)施例(試樣的制造)(1)準(zhǔn)備純鐵粉(ヘガネス社制ASC100.29、粒徑20～180μm)作為Fe類(lèi)粉末、Fe-Mn-Si粉末(FMS粉末)作為強(qiáng)化粉末。
FMS粉末是將在Ar氣環(huán)境中熔煉而成的如表6所示的各種組成的鑄錠(ingot)在大氣中粉碎，篩分成粒徑為25μm以下(500目)的粉末。下面，通過(guò)表6中表示的編號(hào)(I～I(xiàn)X)規(guī)定FMS粉末的組成。另外，再準(zhǔn)備作為Mn類(lèi)粉末的Fe-75.6％Mn粉末(福田金屬箔粉社制)、作為Si類(lèi)粉末的Fe-76.4％Si粉末(福田金屬箔粉社制)作為強(qiáng)化粉末。這些的粉末粒度都是-250目(63μm以下)。組成的單位為質(zhì)量％(只要不特別說(shuō)明，則以下相同)。
再準(zhǔn)備作為C類(lèi)粉末的石墨(Gr)粉末(日本石墨社制JCPB)。該粉末的粒徑為45μm以下。而且，為了制造含有Cu的比較材料，準(zhǔn)備Fe-10％Cu部分?jǐn)U散的合金粉末(ヘガネス社制DistaloyACu、粒徑20～180μm)。
將這些各種粉末進(jìn)行配合使其為所希望的組成，充分進(jìn)行球磨式旋轉(zhuǎn)混合，準(zhǔn)備好包含各種試樣中的每一個(gè)的均勻的混合粉末的原料粉末。
(2)粉末成形體主要利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法進(jìn)行。具體情況如下所述。準(zhǔn)備具有Φ23mm的圓柱型模穴和10×55mm的抗彎試驗(yàn)片型模穴的2種超硬質(zhì)模具。在各模具的內(nèi)周面預(yù)先進(jìn)行TiN涂敷處理，使其表面粗糙度為0.4Z。各模具用帶式加熱器預(yù)先加熱至150℃。在加熱好的模具的內(nèi)周面，將分散有作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的硬脂酸鋰(LiSt)的水溶液用噴槍以1cm3/秒左右的比例進(jìn)行均勻涂敷(涂敷工序)。由此，在各模具的內(nèi)周面形成約1μm左右的LiSt被膜。
在此使用的水溶液，是在水中添加了表面活性劑和消泡劑形成的溶液中使LiSt分散而成的。表面活性劑使用壬基酚聚氧乙烯醚醚(EO)6、(EO)10及硼酸酯類(lèi)乳化劑T-80，其相對(duì)水溶液整體(100體積％)的添加比例分別為1體積％。消泡劑使用FS消泡劑(antifoam)80，其相對(duì)水溶液整體(100體積％)的添加比例為0.2體積％。LiSt使用熔點(diǎn)約為225℃、平均粒徑為20μm的。其分散量相對(duì)上述水溶液100cm3為25g。將分散有LiSt的水溶液進(jìn)一步用球磨式粉碎裝置進(jìn)行微細(xì)化處理(聚四氟乙烯涂層鋼球100小時(shí))。將由此得到的原液稀釋20倍，將最終濃度1％的水溶液供給上述涂敷工序。
向在內(nèi)面形成了LiSt的均勻被膜的各模具的模穴自然填充前述各種原料粉末(填充工序)。原料粉末是用干燥機(jī)預(yù)先加熱至和模具相同的溫度150℃。
將模具中填充好的各原料粉末用各種成形壓力成形，得到粉末成形體(熱壓成形工序)。不管是哪種成形壓力的情況，模具的內(nèi)面都不會(huì)發(fā)生磨損等，可以在低的排出力將粉末成形體很容易地從模具取出。
需要說(shuō)明的是，一部分試樣以添加了作為內(nèi)部潤(rùn)滑劑的LiSt0.8％混合后的混合粉末作為原料粉末使用。這時(shí)通常進(jìn)行室溫成形，得到粉末成形體(參照表5)。純鐵粉等和LiSt(粉末狀)的混合用V型混合器和旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)進(jìn)行。另外，采用模具潤(rùn)滑熱壓成形法以外的成形方法時(shí)，為了防止模具的損傷，將成形壓力設(shè)定為392MPa、490MPa、588MPa及686MPa四個(gè)階段。
(3)用連續(xù)燒結(jié)爐(關(guān)東冶金工業(yè)制オキシノン爐)，將得到的各粉末成形體在1150℃或1250℃的氮?dú)猸h(huán)境中分別燒結(jié)(燒結(jié)工序)。保溫時(shí)間設(shè)定為30分鐘，燒結(jié)后的冷卻速度為40℃/min(0.67℃/秒)。需要說(shuō)明的是，其燒結(jié)爐內(nèi)設(shè)定的環(huán)境為以CO濃度計(jì)為50～100ppm(換算成氧分壓相當(dāng)于10-19～10-21Pa)的極低氧分壓環(huán)境。由此得到各種由鐵基燒結(jié)合金構(gòu)成的Φ23mm的圓柱型試樣和10×55mm的抗彎試驗(yàn)片型試樣。
(實(shí)施例的測(cè)定)(1)使用上述圓柱型試樣，從其燒結(jié)前后的重量和尺寸，通過(guò)計(jì)算求出成形體密度、燒結(jié)體密度及尺寸變化(外徑的變化)。
(2)使用上述抗彎試驗(yàn)片型試樣，利用支點(diǎn)間距離40mm的三點(diǎn)彎曲進(jìn)行抗彎試驗(yàn)。由此求出各試樣折斷時(shí)的強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)和撓度。另外，利用維氏硬度計(jì)，在荷重30kg下測(cè)定抗彎試驗(yàn)片型試樣側(cè)面的硬度。
(實(shí)施例的內(nèi)容和評(píng)價(jià))(1)第1實(shí)施例(試樣No.E1～E14、試樣No.E00～E03)使用將由前述的純鐵粉和包含F(xiàn)e-75.6％Mn粉末及Fe-76.4％Si粉末的強(qiáng)化粉末和石墨粉末混合而成的各種組成的原料粉末，利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法成形為粉末成形體，將該粉末成形體燒結(jié)得到試樣No.E1～14。將得到的粉末成形體及燒結(jié)體(Fe-Mn-Si-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金)的各種特性和各配合組成一起表示于表1A及表1B。表中的粉末成形體的特性(密度)表示的是以在1150℃燒結(jié)而成的粉末成形體為代表的(以下相同)。在1250℃燒結(jié)而成的粉末成形體的特性也和在1150℃燒結(jié)而成的粉末成形體的幾乎一致，兩者之間實(shí)質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，粉末成形體的特性非常穩(wěn)定。
需要說(shuō)明的是，試樣No.E00是沒(méi)有強(qiáng)化粉末的Fe-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金的情況，試樣No.E01～E03是使用前述Fe-10％Cu粉末代替強(qiáng)化粉末的Fe-Cu-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金的情況。
試樣No.E1～E5是一面將Mn+Si量設(shè)定為2％固定，一面將其比例(組成比)進(jìn)行各種變更而成的物質(zhì)?？梢源_認(rèn)，相對(duì)試樣No.E02(C量和試樣No.E2等相同為0.6％，Cu量也和這些的Mn+Si量相同為2％)，Mn/Si為3～1/3的試樣No.E2～4都可以得到同等以上的強(qiáng)度。
另一方面，如試樣No.E1和試樣No.E5，只含有Mn或Si中的一種時(shí)，停留在和試樣No.E02同等程度的強(qiáng)度。如試樣No.E1只含有Mn時(shí)，尺寸變化量變大為正數(shù)側(cè)。另一方面還可知，如試樣No.E2～E5含有Si時(shí)，其尺寸變化小、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。特別是如No.E3，Si量為1％左右時(shí)，其尺寸變化幾乎為零。
試樣No.E6～E14是設(shè)定Mn/Si＝1固定，使Mn+Si量及C量變化而成的物質(zhì)。當(dāng)C量固定時(shí)觀察到，如試樣No.E9～E11，Mn+Si量為2％時(shí)，可知燒結(jié)體的強(qiáng)度都最高。另外，比較試樣No.E9～E11和試樣No.E01～E03可知，C量只要相同，含有Mn及Si與含有Cu的相比，可以得到更高強(qiáng)度的燒結(jié)體。
而且，通過(guò)Mn及Si強(qiáng)化過(guò)的燒結(jié)體，與通過(guò)Cu強(qiáng)化過(guò)的燒結(jié)體相比可知，其撓曲量大幅度提高，顯示出非常優(yōu)良的延展性。另外，比較試樣No.E6～8和試樣No.E01～03可知，如果C量相同，與Cu相比，使用少量的Mn+Si可以得到更高強(qiáng)度、高延展性的燒結(jié)體。需要說(shuō)明的是，不管上述的哪種趨勢(shì)，在燒結(jié)溫度為1150℃或1250℃都是相同的。
(2)第2實(shí)施例(試樣No.E17～E27)使用將由前述純鐵粉和FMS粉末(I號(hào)、II號(hào)及III號(hào))和石墨粉末混合而成的各種組成的原料粉末，利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法成形為粉末成形體，將該粉末成形體燒結(jié)得到試樣No.E17～E27。將得到的粉末成形體及燒結(jié)體(Fe-Mn-Si-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金)的各種特性和各配合組成一起表示于表2A及表2B。需要說(shuō)明的是，在此使用的FMS粉末是將Mn+Si量設(shè)定為66％(粉末整體為100％)固定，使Mn/Si在2～1/2的范圍變化而成的物質(zhì)。
將FMS粉末的配合量為2％固定，C量分別不同的試樣No.E18～E20、這些和Mn+Si量在同等程度的范圍內(nèi)的試樣No.E6～E8或試樣No.E9～E11進(jìn)行比較，試樣No.E18～E20的強(qiáng)度及延展性都優(yōu)良。亦即，可知，與以強(qiáng)化粉末作為Fe-Mn粉末和Fe-Si類(lèi)粉末進(jìn)行配合相比，作為Fe-Mn-Si粉末進(jìn)行配合的，可以得到機(jī)械特性優(yōu)良的燒結(jié)體。該趨勢(shì)，在燒結(jié)溫度1150℃或1250℃都是相同的。
使用有I號(hào)FMS粉末時(shí)，與C量相同的試樣No.E17、E19、E27和試樣No.E21～E26相比，不管燒結(jié)溫度，隨著FMS粉末量的增加，其強(qiáng)度就增加。使用有II號(hào)FMS粉末時(shí)，燒結(jié)溫度為1150℃時(shí)FMS粉末為2％的燒結(jié)體的強(qiáng)度最大，燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)FMS粉末為3％的強(qiáng)度最大。使用有III號(hào)FMS粉末時(shí)，不管燒結(jié)溫度，F(xiàn)MS粉末為2％時(shí)燒結(jié)體的強(qiáng)度最大。
試樣No.E17～E27的尺寸都是穩(wěn)定的。特別是比較試樣No.E01～E03的Fe-Cu-C類(lèi)燒結(jié)體和試樣No.E1的Fe-Mn-C類(lèi)燒結(jié)體可知，相對(duì)C量變化和成形壓力的變化的尺寸變化非常小，顯示出優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性。雖然隨著FMS粉末量的增加燒結(jié)體的尺寸有增加(即膨脹)的趨勢(shì)，但是如由試樣No.E21～23那樣可知，使用有II號(hào)FMS粉末時(shí)，其尺寸變化幾乎不受FMS粉末量的影響，非常穩(wěn)定。因而，通常認(rèn)為，當(dāng)適量使用Mn/Si＝1/2左右(Mn/Si＝0.3～0.7)的FMS粉末時(shí)，從尺寸穩(wěn)定性方面考慮特別優(yōu)選。需要說(shuō)明的是，不管上述的哪種趨勢(shì)，在燒結(jié)溫度1150℃或1250℃都是相同的。
(3)第3實(shí)施例(試樣No.E46～E60)使用將由前述純鐵粉和FMS粉末(V號(hào)、VI號(hào)及VII號(hào))和石墨粉末混合而成的各種組成的原料粉末，利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法成形為粉末成形體，將該粉末成形體燒結(jié)得到試樣No.E46～E60。將得到的粉末成形體及燒結(jié)體(Fe-Mn-Si-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金)的各種特性和各配合組成一起表示于表3A及表3B。需要說(shuō)明的是，使用Mn+Si量為80％(粉末整體為100％)固定、Mn/Si為3～1的FMS粉末，C量設(shè)定為0.6％固定。之所以VI號(hào)FMS粉末的Si量為33％，只是組成稍微偏離目的30％，對(duì)其自身沒(méi)有特別的意圖。
由試樣No.E46～E50可知，使用有V號(hào)FMS粉末時(shí)，F(xiàn)MS粉末為2％時(shí)(試樣No.E48)的強(qiáng)度最大。由試樣No.E51～E55可知，使用有VI號(hào)FMS粉末時(shí)，F(xiàn)MS粉末為2.5％時(shí)(試樣No.E54)的強(qiáng)度最大。由試樣No.E56～E60可知，使用有VII號(hào)FMS粉末時(shí)，F(xiàn)MS粉末為3％時(shí)(試樣No.E60)的強(qiáng)度最大。
不管使用哪種FMS粉末時(shí)，其量越增加，燒結(jié)體的硬度越大。相反地，不管使用哪種FMS粉末時(shí)，其量越增加，其撓度(延展性)越低。另外，不管使用哪種FMS粉末時(shí)，其量越增加，尺寸變化量越增加。需要說(shuō)明的是，不管上述的哪種趨勢(shì)，在燒結(jié)溫度為1150℃或1250℃都是相同的，燒結(jié)溫度為高溫時(shí)(1250℃)的燒結(jié)體的強(qiáng)度、延展性及尺寸穩(wěn)定性的任一特性都優(yōu)良。
每個(gè)燒結(jié)溫度與Mn量相關(guān)，將以上結(jié)果進(jìn)行整理，顯示在圖1～圖6中。圖1及圖2表示Mn量和抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，圖3及圖4表示Mn量和撓曲量的關(guān)系，圖5及圖6表示Mn量和燒結(jié)前后的尺寸變化量的關(guān)系。
從FMS粉末的配合量來(lái)看，存在抗彎強(qiáng)度為最高的多個(gè)配合量，由圖1及圖2可知，作為燒結(jié)體的整體組成來(lái)看，都是在Mn量為1.2％左右抗彎強(qiáng)度顯示出最高值的趨勢(shì)。另一方面，隨著FMS粉末量的增加，撓曲量及尺寸變化基本上為單調(diào)減少。從這些結(jié)果考慮，將燒結(jié)體(鐵基燒結(jié)合金)整體設(shè)定為100％，Mn量的上限優(yōu)選設(shè)定為1.5％以下、1.4％、1.3％以及1.2％。另一方面，Si量的上限適宜設(shè)定為2.0％以及1.5％。
(4)第4實(shí)施例(試樣No.E31、E44、E45)對(duì)FMS粉末的粒徑和燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)體的特性的影響進(jìn)行了如下研究。
首先，準(zhǔn)備將VI號(hào)FMS粉末分別粉碎成-250目(粒徑為63μm以下)、-350目(粒徑為45μm以下)及-500目(粒徑為25μm以下)的粉末。利用篩分進(jìn)行篩選。
順便說(shuō)一下，由于Fe-Mn-Si類(lèi)鑄錠(FMS鑄錠)脆，因此通過(guò)將其機(jī)械粉碎可以容易地得到FMS粉末。但是，具有VI號(hào)組成的FMS鑄錠(Mn及Si量少，延展性較高的物質(zhì))，只用機(jī)械粉碎不容易作成-250目(-63μm以下)的微粉。
然后，將具有上述3種粒徑的各種FMS粉末和前述純鐵粉及石墨粉末混合，配制成Fe-2FMSVI-0.6C組成的原料粉末。將各種原料粉末利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法成形為粉末成形體，將該粉末成形體燒結(jié)得到試樣No.E31、E44、E45。得到的粉末成形體及燒結(jié)體(Fe-Mn-Si-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金)的各種特性如表4所示。
使用的FMS粉末的粒徑越小，燒結(jié)體的強(qiáng)度越高，但FMS粉末的粒度對(duì)燒結(jié)體的硬度、撓曲量、尺寸變化的影響小。
另一方面，燒結(jié)溫度越高，不管使用哪種粒度的FMS粉末的場(chǎng)合，其強(qiáng)度、硬度、延展性(撓度)都會(huì)提高。得知只要是使用有粒度為-250目左右的FMS粉末的燒結(jié)體，就會(huì)充分超過(guò)作為比較材料的Fe-Cu-C類(lèi)燒結(jié)體(試樣No.E02)的強(qiáng)度。當(dāng)然，只要使用更細(xì)的FMS粉末，就會(huì)得到比目前的燒結(jié)體強(qiáng)度更高的燒結(jié)體。
(5)第5實(shí)施例利用與可以進(jìn)行高密度成形的模具潤(rùn)滑熱壓成形法不同的成形方法(普通的成形方法)，成形粉末成形體，將該粉末成形體燒結(jié)而成。將由此得到的試樣No.E41、E42及E04的粉末成形體及燒結(jié)體的各種特性和各配合組成一起表示于表5。
試樣No.E41及E42是在使用有VI號(hào)FMS粉末(-250目粉末)的Fe-2FMSVI-0.8C組成的原料粉末中分別添加0.1％及0.8％的內(nèi)部潤(rùn)滑劑(LiSt)而成形、燒結(jié)而成的。試樣No.E41含有0.1％的內(nèi)部潤(rùn)滑劑，是在和上述模具潤(rùn)滑熱壓成形法相同的成形條件成形而成的，試樣No.E42是利用沒(méi)有模具潤(rùn)滑的室溫成形法成形而成的。
試樣No.E04是在Fe-2Cu-0.8C組成的原料粉末中分別添加0.8％的內(nèi)部潤(rùn)滑劑(LiSt)室溫成形(和試樣No.E42同樣)、燒結(jié)而成的。燒結(jié)工序都和Fe-Cu-C類(lèi)燒結(jié)體的一般燒結(jié)條件一致，在N2-5％H2環(huán)境中進(jìn)行1140℃×20分鐘。燒結(jié)后的試樣的冷卻速度約為40℃/min。
實(shí)驗(yàn)表明，即使在利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法以外的一般成形方法成形時(shí)，而且，即使在不是極低氧分壓的氮?dú)猸h(huán)境的N2-5％H2環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，使用有FMS粉末的Fe-Mn-Si類(lèi)燒結(jié)體(試樣No.E41、E42)顯示出和目前的Fe-Cu-C類(lèi)燒結(jié)體(試樣No.E04)同等以上的強(qiáng)度和延展性。
將這些結(jié)果用燒結(jié)體密度進(jìn)行整理，結(jié)果如圖7及圖8所示。圖7表示燒結(jié)體密度和抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，圖8表示燒結(jié)體密度和撓曲量的關(guān)系?？梢源_認(rèn)，抗彎強(qiáng)度及撓曲量都和燒結(jié)體密度的增加一起基本上單調(diào)增加(比例)。而且，圖9表示對(duì)試樣No.E42和試樣No.E04的燒結(jié)體進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。由此可以確認(rèn)，本發(fā)明的燒結(jié)體具有和目前的燒結(jié)體同等以上的耐疲勞性。
B第6實(shí)施例～第8實(shí)施例(試樣的制造)(1)準(zhǔn)備作為Fe類(lèi)粉末的鐵合金粉(ヘガネス社制AstaloyCrM粒徑20～180μm及ヘガネス社制AstaloyMo粒徑20～180μm)及前述純鐵粉(ヘガネス社制ASC100.29)、作為強(qiáng)化粉末的前述FMS粉末、作為C類(lèi)粉末的前述Gr粉末。作為鐵合金粉的AstaloyCrM的組成是Fe-3Cr-0.5Mo(質(zhì)量％)，AstaloyMo的組成是Fe-1.5Mo(質(zhì)量％)。FMS粉末使用了前述表6的VI號(hào)、VII號(hào)及VIII號(hào)粉末。FMS粉末的制法、分級(jí)、粒徑等如前所述。
將這些各種粉末進(jìn)行配合，以使其為所希望的組成，充分進(jìn)行球磨式旋轉(zhuǎn)混合，準(zhǔn)備好包含各試樣中的每一個(gè)的均勻的混合粉末的原料粉末。
(2)粉末成形體是利用前述模具潤(rùn)滑熱壓成形法制造的。各種條件等基本相同。但是，粉末成形體的形狀設(shè)定為Φ23mm的圓柱型及如圖10所示的拉伸試驗(yàn)片形狀。準(zhǔn)備具有符合這些形狀的模穴的2種超硬質(zhì)模具，進(jìn)行模具潤(rùn)滑熱壓成形。
(3)用連續(xù)燒結(jié)爐(關(guān)東冶金工業(yè)制オキシノン爐)，使得到的各粉末成形體在1150℃、1250℃或1350℃的氮?dú)猸h(huán)境中分別燒結(jié)(燒結(jié)工序)。保溫時(shí)間(加熱工序的時(shí)間)、燒結(jié)后的冷卻速度(冷卻工序的速度)、燒結(jié)爐內(nèi)的環(huán)境都和前述情況同樣設(shè)定。
但是，如前所述，得到的試樣是Φ23mm的圓柱型試樣和如圖10所示的拉伸試驗(yàn)片型試樣。而且，拉伸試驗(yàn)片型試樣是在大氣環(huán)境中進(jìn)行了200℃×60分鐘的加熱(回火工序)。
(實(shí)施例的測(cè)定)(1)使用上述圓柱型試樣，從其燒結(jié)前后的重量和尺寸，通過(guò)計(jì)算求出成形體密度、燒結(jié)體密度及尺寸變化(外徑的變化)。
(2)使用上述拉伸試驗(yàn)片型試樣，以基準(zhǔn)點(diǎn)距離為22mm，利用英斯特朗試驗(yàn)器以拉伸速度為0.5mm/分鐘進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。利用維氏硬度計(jì)，在負(fù)重30kg下測(cè)定拉伸試驗(yàn)片型試樣夾頭部的硬度。
(實(shí)施例的內(nèi)容和評(píng)價(jià))
(1)第6實(shí)施例(試樣No.E137～E144)在前述AstaloyCrM中，以0.5質(zhì)量％的比例配合Gr粉末、以1質(zhì)量％的比例配合各FMS粉末，使用由此混合而成的原料粉末，成形各種粉末成形體。使這些粉末成形體在1250℃燒結(jié)作成燒結(jié)體(Fe-Cr-Mo-Mn-Si-C類(lèi)鐵基燒結(jié)合金)，得到試樣No.E137～E144。將得到的粉末成形體及燒結(jié)體的各種特性和各配合組成一起表示于表7。順便說(shuō)一下，F(xiàn)MS粉末的VI號(hào)、VII號(hào)及VIII號(hào)是分別將Mn/Si比變化為1.5、1及0.6的粉末。
以表7所示的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，F(xiàn)MS粉末的組成的不同對(duì)拉伸強(qiáng)度(MPa)及延伸率(％)的影響如圖11及圖12所示。由圖11及圖12可以了解如下情況。
使用有FMS粉末的試樣(E131、E143、E144)與沒(méi)有使用FMS粉末的試樣(E137)相比，拉伸強(qiáng)度提高了200～300MPa左右。特別是即使成形壓力為784MPa時(shí)，使用有FMS粉末的試樣也顯示出大致1500MPa以上的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)然，將成形壓力設(shè)定為1176MPa的試樣，顯示出充分超過(guò)1600MPa的更高的拉伸強(qiáng)度。因而可知，利用FMS粉末的鐵基燒結(jié)合金的高強(qiáng)度化，與FMS粉末的種類(lèi)和成形壓力的大小無(wú)關(guān)。而且本實(shí)施例的場(chǎng)合，在燒結(jié)工序的冷卻工序中無(wú)需進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，用通常的冷卻速度可以得到超高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金。另外，本實(shí)施例的燒結(jié)體的尺寸變化，也在成為基準(zhǔn)的試樣No.E137的同等以下。因而，使用有本實(shí)施例的FMS粉末的各鐵基燒結(jié)合金，都是可以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度、同時(shí)尺寸變化小、制造成本降低的物質(zhì)。
(2)第7實(shí)施例使用前述純鐵粉或鐵合金粉、0.5質(zhì)量％的Gr粉末和、1質(zhì)量％的FMS粉末(VI號(hào))，制造如表8所示的各種試樣。粉末成形體的成形壓力設(shè)定為784MPa或1176MPa，粉末成形體的燒結(jié)溫度設(shè)定為1250℃。使用由此得到的各試樣，用使FMS粉末混合在原料粉末中形成的試樣和未混合FMS粉末的試樣，測(cè)定燒結(jié)前后的C量的變化。將各試樣的特性和其組成及成形壓力一起表示于表8。需要說(shuō)明的是，C量是利用燃燒-紅外線吸收法求出的。
由表8可知，沒(méi)有使用FMS粉末的試樣，與其組成無(wú)關(guān)，配合的C量(Gr量)減少6～14％。特別是與成形壓力為1176MPa時(shí)的相比，成形壓力為784MPa時(shí)的C量的減少幅度大。另一方面，使用有FMS粉末的試樣，C量的減少幅度僅為2～6％。特別是在1176MPa的高壓下成形時(shí)，C量的減少幅度小，僅為2～4％。
由此可知，通過(guò)這樣使用FMS粉末，因燒結(jié)而減少的C量變得非常少，配合的C量幾乎殘留在鐵基燒結(jié)合金中。而且還表明，越是包含成形壓力大的粉末成形體的試樣，減少的C量越少，殘留的C量越多。因而，通過(guò)使用FMS粉末，沒(méi)有必要估計(jì)C量的減少部分而預(yù)先過(guò)量配合Gr粉末，從而也可以謀求降低其過(guò)剩部分。因而，可以謀求使用的Gr粉末的材料利用率的提高、鐵基燒結(jié)合金的原料成本的降低。而且，得到所希望的組成的鐵基燒結(jié)合金比較容易，即使在大量生產(chǎn)時(shí)，也可以得到強(qiáng)度和尺寸等穩(wěn)定的高品質(zhì)鐵基燒結(jié)合金，其品質(zhì)管理也變得容易。
從使用有AstaloyCrM粉末和0.5質(zhì)量％的Gr粉末的各種試樣的特性考慮，粉末成形體的成形體密度和燒結(jié)體的碳量的關(guān)系如圖13所示。由該圖可知，包含F(xiàn)MS粉末時(shí)(AstaloyCrM-1％FMSVI-0.5C)，隨著粉末成形體的成形體密度的上升，燒結(jié)后的C量也增加(亦即，燒結(jié)前后的C變化量變小)，當(dāng)成形體密度為7.4g/cm3(密度比94％)以上時(shí)，C量幾乎沒(méi)有減少(減少幅度為2％以下左右)。相對(duì)于此可知，不含F(xiàn)MS粉末時(shí)(AstaloyCrM-0.5C)，當(dāng)粉末成形體的成形體密度減少時(shí)，燒結(jié)后的C量也急劇減少(亦即，燒結(jié)前后的C變化量急劇增大)。而且，這時(shí)即使成形體密度為7.4g/cm3以上，C量的減少幅度也不可能為6％以下。因而，通過(guò)使原料粉末中含有FMS粉末，在成形體密度較寬的范圍區(qū)域，可以提高C量的材料利用率。
(3)第8實(shí)施例使用前述鐵合金粉(AstaloyCrM)、Gr粉末、FMS粉末(VI號(hào))，制造各粉末的配合量、成形壓力及燒結(jié)溫度分別不同的各種試樣。將各試樣的各種特性和其組成及成形壓力一起表示于表9～11。表9、表10、表11是分別將燒結(jié)溫度設(shè)定為1150℃、1250℃及1350℃的場(chǎng)合。另外，以表10所示的試樣(成形壓力784MPa)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，Gr粉末的配合量(配合C量)和拉伸強(qiáng)度或延伸率的關(guān)系分別如圖14及圖15所示。
首先，由圖14可知，原料粉末中含有FMS粉末時(shí)，Gr粉末為0.4～0.6質(zhì)量％時(shí)拉伸強(qiáng)度顯示最大值。另外，F(xiàn)MS粉末的配合量越多的組成，拉伸強(qiáng)度的最大值變得更大。即使FMS粉末的配合量、成形壓力及燒結(jié)溫度不同，該趨勢(shì)也基本成立。其次可知，F(xiàn)MS粉末的配合量越增加，在配合C量更少的區(qū)域拉伸強(qiáng)度顯示出最大值。即使成形壓力及燒結(jié)溫度不同，該趨勢(shì)也基本成立。另外，如果將含有FMS粉末的情況和不含F(xiàn)MS粉末的情況進(jìn)行比較即可知，即使微少地配合FMS粉末，鐵基燒結(jié)合金的拉伸強(qiáng)度也會(huì)急劇增加。特別是在配合C量少的組成域，其效果顯著。
其次，由圖15可知，延伸率隨配合C量的增加而降低。另外，含有FMS粉末對(duì)延伸率幾乎沒(méi)有影響，反而含有FMS粉末的試樣的延伸率和不含F(xiàn)MS粉末的試樣的延伸率沒(méi)有顯著差別。
因而，通過(guò)配合FMS粉末，可以得到不僅避免了延伸率減少，同時(shí)拉伸強(qiáng)度增大的鐵基燒結(jié)合金。亦即，可以得到確保韌性的高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金。
如表9～表11所示，存在著燒結(jié)溫度越上升，得到的鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)度越高的趨勢(shì)。在一般的燒結(jié)溫度為1150℃，無(wú)需進(jìn)行特別的熱處理，就可以得到1000MPa以上、1100MPa以上、1200MPa以上以及1300MPa以上的鐵基燒結(jié)合金。如果燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)，則可以得到1400MPa以上、1500MPa以上以及1600MPa以上的鐵基燒結(jié)合金。另外，將成形體密度為96％以上的超高密度粉末成形體在1350℃燒結(jié)時(shí)，可以得到1600MPa以上、1700MPa以上以及1800MPa以上的超高強(qiáng)度的鐵基燒結(jié)合金。
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+(Fe-Mn粉末+Fe-Si粉末)
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+(Fe-Mn粉末+Fe-Si粉末)
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+FMs粉末
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+FMS粉末
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+FMS粉末
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+FMS粉末
Fe-2FMS VI-0.6C組成的粉末成形體及燒結(jié)體的特性與FMS粉末的粒度及燒結(jié)溫度的關(guān)系
原料粉末純鐵粉+石墨粉末+FMS粉末+內(nèi)部潤(rùn)滑劑
各FMS粉末的配合組成和原料粉末中的Mn量和Si量
原料粉末Astaloy CrM+石墨粉末+FMS粉末
原料粉末Fe類(lèi)粉末+石墨粉末+FMS粉末
原料粉末Astaloy CrM(Fe-3Cr-0.5Mo)+FMS VI粉末(Fe-50Mn-33Si)+Gr粉末燒結(jié)溫度1150℃
原料粉末Astaloy CrM(Fe-3Cr-0.5Mo)+FMS VI粉末(Fe-50Mn-33Si)+Gr粉末燒結(jié)溫度1150℃
原料粉末Astaloy CrM(Fe-3Cr-0.5Mo)+FMS VI粉末(Fe-50Mn-33Si)+Gr粉末燒結(jié)溫度1250℃
原料粉末Astaloy CrM(Fe-3Cr-0.5Mo)+FMS VI粉末(Fe-50Mn-33Si)+Gr粉末燒結(jié)溫度1250℃
原料粉末Astaloy CrM(Fe-3Cr-0.5Mo)+FMS VI粉末(Fe-50Mn-33Si)+Gr粉末燒結(jié)溫度1350℃
原料粉末Astaloy CrM(Fe-3Cr-0.5Mo)+FMS VI粉末(Fe-50Mn-33Si)+Gr粉末燒結(jié)溫度1350℃

(第2發(fā)明的實(shí)施例)例舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體地說(shuō)明，(試樣的制造)(1)準(zhǔn)備作為Fe類(lèi)粉末的ヘガネス社制的Astaloy Mo(Fe-1.5Mo、粒徑20～180μm)、ヘガネス社制的Distaloy AE(Fe-4.0Ni-1.5Cu-0.5Mo、粒徑20～180μm)、JFEスチ一ル社制的KIP30CRV(Fe-3Cr-0.3Mo-0.3Mn-0.3V、粒徑20～180μm)及JFEスチ一ル社制的KIP 103V(Fe-1Cr-0.3Mo-0.3V、粒徑20～180μm)。
準(zhǔn)備作為Si類(lèi)粉末的Fe-Mn-Si粉末(FMS粉末)。該FMS粉末是將在Ar氣環(huán)境中熔煉而成的如表22所示的各種組成的Fe-Mn-Si類(lèi)鑄錠(ingot)在大氣中粉碎，篩分成粒徑為25μm以下的粉末。下面，通過(guò)表22中的編號(hào)(I～I(xiàn)II)規(guī)定FMS粉末的種類(lèi)。順便說(shuō)一下，由于Fe-Mn-Si類(lèi)鑄錠(FMS鑄錠)脆，因此通過(guò)將其機(jī)械粉碎可以容易地得到FMS粉末。但是，Si+Mn量為35％以下的FMS鑄錠延展性較高，只用機(jī)械粉碎難以作成微粉。
在本實(shí)施例中，從FMS鑄錠的粉碎性及使FMS粉末的配合量變少的觀點(diǎn)考慮，設(shè)定使用Si+Mn量較多(例如80質(zhì)量％)的FMS粉末。FMS粉末的各合金組成，從燒結(jié)體的尺寸精度的觀點(diǎn)考慮，選定利用熱力學(xué)平衡相求出的液相溫度不同的物質(zhì)。
除了FMS粉末以外，再準(zhǔn)備純Si粉末(福田金屬箔粉社制)、作為Si類(lèi)粉末的Fe-76.4％Si粉末(福田金屬箔粉社制)和、作為Mn類(lèi)粉末的Fe-75.6％Mn粉末(福田金屬箔粉社制)。組成的單位為質(zhì)量％(只要不特別說(shuō)明，則以下同樣)。這些粉末都使用粉末粒度為-500目(25μm以下)的。再準(zhǔn)備作為C類(lèi)粉末的石墨(Gr)粉末(日本石墨社制JCPB)。該粉末的粒徑為45μm以下。
將這些各種粉末進(jìn)行配合，以使其為所希望的組成，充分進(jìn)行球磨式旋轉(zhuǎn)混合，配制包含各試樣中每一個(gè)均勻的混合粉末的原料粉末。
(2)粉末成形體主要是利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法進(jìn)行。具體情況如下所述。準(zhǔn)備具有Φ23mm的圓柱型模穴和10×55mm的抗彎試驗(yàn)片型模穴的2種超硬質(zhì)模具。在各模具的內(nèi)周面預(yù)先進(jìn)行TiN涂敷處理，使其表面粗糙度為0.4Z。各模具用帶式加熱器預(yù)先加熱至150℃。在加熱好的模具的內(nèi)周面，將分散有作為高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的硬脂酸鋰(LiSt)的水溶液用噴槍以1cm3/秒左右的比例進(jìn)行均勻涂敷(涂敷工序)。由此，在各模具的內(nèi)周面形成約1μm左右的LiSt被膜。
在此使用的水溶液，是在水中添加了表面活性劑和消泡劑形成的溶液中使LiSt分散而成的。表面活性劑使用壬基酚聚氧乙烯醚(EO)6、(EO)10及硼酸酯類(lèi)乳化劑T-80，其相對(duì)水溶液整體(100體積％)的添加比例分別為1體積％。消泡劑使用FS消泡劑80，其相對(duì)水溶液整體(100體積％)，添加0.2體積％。LiSt使用熔點(diǎn)約為225℃、平均粒徑為20μm的。其分散量相對(duì)上述水溶液100cm3為25g。將分散有LiSt的水溶液進(jìn)一步用球磨式粉碎裝置進(jìn)行微細(xì)化處理(聚四氟乙烯涂層鋼球100小時(shí))。將由此得到的原液稀釋20倍，將最終濃度1％的水溶液供給上述涂敷工序。
向內(nèi)面形成了LiSt均勻被膜的各模具的模穴自然填充前述各種原料粉末(填充工序)。原料粉末是用干燥機(jī)預(yù)先加熱至和模具相同的溫度150℃的。
將模具中填充好的各原料粉末用各種成形壓力成形，得到粉末成形體(熱壓成形工序)。不管是哪種成形壓力的情況，模具的內(nèi)面都不會(huì)發(fā)生磨損等，可以在低的排出壓力下將粉末成形體很容易地從模具取出。
(3)用連續(xù)燒結(jié)爐(關(guān)東冶金工業(yè)制オキシノン爐)，將得到的各粉末成形體在1350℃的氮?dú)猸h(huán)境中燒結(jié)(燒結(jié)工序)。保溫時(shí)間設(shè)定為30分鐘，燒結(jié)后的冷卻速度為40℃/min。需要說(shuō)明的是，其燒結(jié)爐內(nèi)設(shè)定的環(huán)境為以CO濃度計(jì)為50～100ppm(換算成氧分壓相當(dāng)于10-19～10-21Pa)的極低氧分壓環(huán)境。由此得到包含各種鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的Φ23mm的圓柱型試樣和10×55mm的抗彎試驗(yàn)片型試樣。
需要說(shuō)明的是，抗彎試驗(yàn)片在燒結(jié)后進(jìn)行了淬火·回火熱處理。淬火是在氮?dú)猸h(huán)境中加熱850℃×1小時(shí)后，在60℃的油中進(jìn)行急冷。其后的回火是在大氣中進(jìn)行加熱200℃×1小時(shí)。
(測(cè)定)(1)使用上述圓柱型試樣，從其燒結(jié)前后的重量和尺寸，通過(guò)計(jì)算求出成形體密度(G.D)及其密度比、燒結(jié)體密度(S.D)及其密度比、以及尺寸變化(高度變化ΔT及外徑變化ΔD)。需要說(shuō)明的是，產(chǎn)生了氣泡的試樣的燒結(jié)體密度為參考值。
(2)使用上述抗彎試驗(yàn)片型試樣，利用支點(diǎn)間距離40mm的三點(diǎn)彎曲進(jìn)行抗彎試驗(yàn)。由此求出各試樣折斷時(shí)的強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)和撓度。另外，利用維氏硬度計(jì)，在荷重30kg測(cè)定抗彎試驗(yàn)片型試樣側(cè)面的硬度。
(比較例試樣No.HS8)配合前述的Astaloy Mo粉末及石墨(Gr)粉末，配制混合了各種組成的原料粉末。這些原料粉末是不含Si類(lèi)粉末的物質(zhì)。將這些原料粉末利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表21所示的試樣No.HS8的各燒結(jié)體(鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件)。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表21。
在試樣No.HS8中，Gr粉末的配合量為0(只有Astaloy Mo)的燒結(jié)體，都是尺寸稍稍收縮致密化過(guò)的。而且，沒(méi)有發(fā)生氣泡?？梢源_認(rèn)，這是由于成形壓力為1960MPa時(shí)的燒結(jié)體密度為7.86g/cm3(燒結(jié)體密度比99.7％)的非常超高密度的緣故。
在試樣No.HS8中，Gr粉末的配合量為0.3～0.6％的燒結(jié)體，在成形壓力為1568MPa以上或1960Mpa以上時(shí)產(chǎn)生氣泡?？梢源_認(rèn)，產(chǎn)生氣泡是由于尺寸變化(特別是高度尺寸)在正數(shù)側(cè)發(fā)生大的變化，還可以確認(rèn)，燒結(jié)體的密度比急劇降低。例如，在將成形體密度比為98％以上的粉末成形體燒結(jié)時(shí)，也由于其燒結(jié)體密度比超過(guò)成形體密度比的±1％而急劇降低至90％以下，因此可以判定產(chǎn)生了氣泡。
圖16表示在使用有Gr粉末的配合量為0.5％的原料粉末時(shí)，成形體密度比及燒結(jié)體密度比和成形壓力的關(guān)系。圖17A、圖17B分別表示發(fā)生了氣泡的試樣(Gr粉末的配合量為0.5％、成形壓力為1960MPa)的外觀照片及其剖面照片。由圖17B可知，燒結(jié)體的內(nèi)部形成了大的氣孔是產(chǎn)生氣泡的原因。
(各種實(shí)施例)(1)第1實(shí)施例(試樣No.HS9～HS12)配合前述的Astaloy Mo粉末和石墨(Gr)粉末和I號(hào)的FMS粉末，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。使用該原料粉末，利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表12所示的試樣No.HS9～HS12的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表12。
由試樣No.HS9可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.01％的極微量時(shí)，與Gr粉末的配合量無(wú)關(guān)，成形壓力為1568MPa以上的試樣產(chǎn)生了氣泡。由試樣No.HS10可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.05％時(shí)，Gr粉末的配合量為0.5％、成形壓力為1568MPa以上的試樣產(chǎn)生了氣泡。由試樣No.HS11可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.1％時(shí)，只有Gr粉末的配合量為0.5％、成形壓力為1960MPa以上的試樣產(chǎn)生了氣泡。
在此，表中的高度變化(ΔT)是Φ23的圓柱型試樣的壓縮方向的尺寸變化量。該ΔT最顯著地表示氣泡的行為。該ΔT的負(fù)值意味燒結(jié)體由粉末成形體收縮而成。只要是ΔT為負(fù)值的燒結(jié)體，就不會(huì)產(chǎn)生氣泡，作為鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件則沒(méi)有實(shí)用上的問(wèn)題。即使ΔT為正值，如果是ΔT為0.5％以下的燒結(jié)體，其密度幾乎沒(méi)有降低，沒(méi)有實(shí)用上的問(wèn)題。另一方面，相反地，當(dāng)該ΔT超過(guò)1％時(shí)，燒結(jié)體的氣泡用肉眼就可以很容易地判定。通常認(rèn)為，ΔT為負(fù)值時(shí)自然不用說(shuō)，只要ΔT為+0.5％以下或燒結(jié)體密度比為96％以上，其燒結(jié)體就沒(méi)有實(shí)用上的問(wèn)題。
從表12的各試樣考慮，為了防止超高密度燒結(jié)體(C0.3～0.6％)的氣泡，F(xiàn)MS粉末的配合量?jī)?yōu)選為0.1％以上以及0.2％以上。當(dāng)將其換算成Si量時(shí)，可以說(shuō)Si量?jī)?yōu)選為0.02％以上以及0.04％以上。
(2)第2實(shí)施例(試樣No.HS13～16)配合前述的Astaloy Mo粉末和石墨(Gr)粉末和II號(hào)的FMS粉末，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法，將該原料粉末在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表13所示的試樣No.HS13～HS16的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表13。
由試樣No.HS13可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.01％的極微量時(shí)，與Gr粉末的配合量無(wú)關(guān)，成形壓力為1568MPa以上的試樣產(chǎn)生了氣泡。
由試樣No.HS14可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.05％時(shí)，Gr粉末的配合量為0.3％、成形壓力為1568MPa以上時(shí)或Gr粉末的配合量為0.5％、成形壓力為1960MPa以上時(shí)，ΔT稍微成為大的正值。但是，由于這些ΔT都為0.5％以下，因此，可以說(shuō)這些沒(méi)有產(chǎn)生氣泡。
由試樣No.HS15及HS16可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.1％以上的燒結(jié)體，與Gr粉末的配合量和成形壓力無(wú)關(guān)，ΔT都是負(fù)值，那些試樣中沒(méi)有產(chǎn)生氣泡。
從表13的各試樣考慮，為了防止超高密度燒結(jié)體(C0.3～0.6％)的氣泡，F(xiàn)MS粉末的配合量?jī)?yōu)選為0.1％以上以及0.2％以上。當(dāng)將其換算成Si量時(shí)，可以說(shuō)Si量?jī)?yōu)選為0.03％以上以及0.06％以上。
(3)第3實(shí)施例(試樣No.HS17～20)配合前述的Astaloy Mo粉末和石墨(Gr)粉末和III號(hào)的FMS粉末，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法，將該原料粉末在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表14所示的試樣No.HS17～HS20的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表14。
由試樣No.HS17可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.01％的極微量時(shí)，與Gr粉末的配合量無(wú)關(guān)，成形壓力為1568MPa以上的試樣產(chǎn)生了氣泡。
由試樣No.HS18可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.05％時(shí)，Gr粉末的配合量為0.3％、成形壓力為1568MPa以上時(shí)或Gr粉末的配合量為0.5％、成形壓力為1960MPa以上時(shí)，ΔT成為正值。但是，這些ΔT都非常小(0.15％以下)，這些沒(méi)有產(chǎn)生氣泡。
由試樣No.HS19及HS20可知，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.1％以上的燒結(jié)體，與Gr粉末的配合量和成形壓力無(wú)關(guān)，ΔT都是負(fù)值，那些試樣沒(méi)有產(chǎn)生氣泡。
從表14的各試樣考慮，為了防止超高密度燒結(jié)體(C0.3～0.6％)的氣泡，F(xiàn)MS粉末的配合量?jī)?yōu)選為0.05％以上、0.1％以上以及0.2％以上。當(dāng)將其換算成Si量時(shí)，可以說(shuō)Si量?jī)?yōu)選為0.02％以上、0.04％以上以及0.08％以上。
(4)第4實(shí)施例(試樣No.HS11、HS15、HS19)在上述試樣No.HS11、HS15、HS19中，將Gr粉末的配合量設(shè)定為0.5％、FMS粉末的配合量設(shè)定為0.1％、成形壓力設(shè)定為1568MPa，分別制成和各試樣同樣的抗彎試驗(yàn)片型燒結(jié)體。對(duì)這些進(jìn)行前述過(guò)的熱處理，得到抗彎試驗(yàn)片(鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件)。用該試驗(yàn)片進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)，研究其各自的彎曲強(qiáng)度特性。該結(jié)果如表15所示。
不管是使用有哪種FMS粉末的試驗(yàn)片，都有充分的密度，發(fā)揮出延展性，沒(méi)有因FMS粉末種類(lèi)的不同而導(dǎo)致顯著的不同。如果再考察表12～14所示的尺寸變化(ΔT及ΔD)，可以說(shuō)優(yōu)選II號(hào)的FMS粉末，但其它FMS粉末實(shí)質(zhì)上也沒(méi)有問(wèn)題。
(5)第5實(shí)施例(試樣No.HS1～HS7、試樣No.C1、C2)配合前述的各種低合金粉末和石墨(Gr)粉末和II號(hào)的FMS粉末，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法，將該原料粉末在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到試樣No.HS1～HS7及試樣No.C1、C2的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表16及表17。需要說(shuō)明的是，原料粉末的配合，根據(jù)第5實(shí)施例的結(jié)果使用有II號(hào)的FMS粉末。使用有Astaloy Mo的試樣No.HS1～HS4，是使FMS粉末的配合量在0.1～1質(zhì)量％的范圍內(nèi)變化而成的。其它的Fe類(lèi)粉末的情況是將FMS粉末的配合量設(shè)定為0.5質(zhì)量％固定。其中，試樣No.C1、C2沒(méi)有配合FMS粉末。Gr粉末的配合量，全部試樣都設(shè)定為0.5質(zhì)量％固定。
由表16可知使用有Distaloy AE以外的Fe類(lèi)粉末的試樣，全都是高度變化ΔT為負(fù)值而顯示出燒結(jié)體的收縮。另一方面還可知，使用還含有1.5％Cu的Distaloy AE時(shí)，燒結(jié)體的氣泡最容易發(fā)生。但是，盡管Distaloy AE本來(lái)不是在1350℃這樣的高溫下燒結(jié)的材料，但是當(dāng)包含其的燒結(jié)體的ΔT低于+0.3％時(shí)，可以和目前的普通燒結(jié)體同程度地抑制氣泡。由此可以確認(rèn)，F(xiàn)MS粉末不依賴于Fe類(lèi)粉末的種類(lèi)，發(fā)揮出抑制燒結(jié)體氣泡的效果或尺寸穩(wěn)定性效果。
另外，使用有Distaloy AE以外的Fe類(lèi)粉末的試樣，大部分外徑變化ΔD為負(fù)值，特別是成形壓力超過(guò)1000MPa的試樣的ΔD為±0.1％以內(nèi)，非常小。由此可知，根據(jù)本發(fā)明，可以充分期待鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的最終成形(net-shape)化。
由表17可知在原料粉末中配合有FMS粉末的試樣，全都是不依賴于Fe類(lèi)粉末的種類(lèi)，不僅是高強(qiáng)度而且是延展性(位移量)優(yōu)良的。只要和不含F(xiàn)MS粉末的試樣No.C1、C2比較就可明了。由試樣No.HS1～HS4表明，使用有Astaloy Mo的情況，F(xiàn)MS粉末的配合量為0.1～0.2％(Mn、Si0.03～0.1％)時(shí)顯現(xiàn)強(qiáng)度的峰值。
在Fe類(lèi)粉末中，使用有Astaloy Mo的試樣是最高的強(qiáng)度。但是，即使是使用有Fe-Cr低合金類(lèi)的KIP 30CRV和KIP 103V的試樣，只要和試樣No.C1、C2比較就可明了，其強(qiáng)度及延展性提高了。
(6)第6實(shí)施例(試樣No.HS29、HS21～23)使用Fe-76.4％Si粉末替代FMS粉末制成燒結(jié)體。亦即，配合AstaloyMo粉末和石墨(Gr)粉末和Fe-76.4％Si粉末(-500目)，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法，將該原料粉末在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表18所示的試樣No.HS29、HS21～23的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表18。
雖然只有試樣No.HS29中的在1960Mpa下成形的試樣的ΔT稍稍為正值，但為0.5％以下。除此之外，任何一種試樣都沒(méi)有產(chǎn)生氣泡，高度變化ΔT及外徑變化ΔD都為負(fù)值，尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。由表18的結(jié)果可以確認(rèn)，Si是對(duì)防止燒結(jié)體的氣泡和確保尺寸穩(wěn)定性非常有效的元素。需要說(shuō)明的是，這時(shí)在燒結(jié)體整體(或粉末成形體整體)中，Si量占0.015～0.15％。
(7)第7實(shí)施例(試樣No.HS24)使用Fe-75.6％Mn粉末替代FMS粉末制成燒結(jié)體。亦即，配合AstaloyMo粉末和石墨(Gr)粉末和Fe-75.6％Mn粉末(-500目)，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法，將該原料粉末在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表19所示的試樣No.HS24的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表19。
這時(shí)，Gr粉末的配合量為0.3％、0.5％中的成形壓力為1568MPa以上的試樣都產(chǎn)生了氣泡，燒結(jié)體的高度及外徑擴(kuò)張了。由表19的結(jié)果可以確認(rèn)，Mn對(duì)防止燒結(jié)體的氣泡和尺寸的穩(wěn)定化不太有效。
(8)第8實(shí)施例(試樣No.HS25～28及試樣No.HS 30)使用替代FMS粉末的純Si粉末制成燒結(jié)體。亦即，配合Astaloy Mo粉末和石墨(Gr)粉末和純Si粉末(-500目)，進(jìn)行混合配制成各種組成的原料粉末。利用模具潤(rùn)滑熱壓成形法，將該原料粉末在各種成形壓力下進(jìn)行成形，將得到的各粉末成形體燒結(jié)，得到如表20所示的試樣No.HS25～28的燒結(jié)體。將各粉末成形體及各燒結(jié)體的特性和各自的原料粉末的配合組成一起表示于表20。
如試樣No.HS25及HS26所示，Si量為0.01％及0.02％時(shí)，在1568MPa以上的壓力下成形的試樣產(chǎn)生了氣泡。相對(duì)于此，如試樣No.HS27、HS28及HS30所示，Si量為0.03％以上時(shí)，在1960MPa的超高壓下成形的試樣也沒(méi)有產(chǎn)生氣泡。
FMS I添加試樣的成形體和燒結(jié)體的特性

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)成形體密度比通過(guò)(成形體密度)/(燒結(jié)體的真密度)求出這時(shí)的燒結(jié)體的真密度設(shè)定為7.88g/cm3. FMS II添加試樣的成形體和燒結(jié)體的特性

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)成形體密度比通過(guò)(成形體密度)/(燒結(jié)體的真密度)求出這時(shí)的燒結(jié)體的真密度設(shè)定為7.88g/cm3. FMS III添加試樣的成形體和燒結(jié)體的特性

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)成形體密度比通過(guò)(成形體密度)/(燒結(jié)體的真密度)求出這時(shí)的燒結(jié)體的真密度設(shè)定為7.88g/cm3. FMS粉末對(duì)密度和強(qiáng)度特性的影響

燒結(jié)1350℃，30分鐘，氮環(huán)境下熱處理850℃油淬火，200℃回火 各種低合金鋼中FMS II添加試樣的形成體和燒結(jié)體特性

成形體密度比通過(guò)(成形體密度)/(燒結(jié)體的真密度)求出燒結(jié)體的真密度值使用下述值A(chǔ)staloyMo材7.88g/cm3DistaloyAE材7.88g/cm3KIP30CRV材7.83g/cm3KIP103V材7.85g/cm3 各種低合金鋼中FMS II添加試樣的密度和強(qiáng)度特性

1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)成形體密度比通過(guò)(成形體密度)/(燒結(jié)體的真密度)求出燒結(jié)體的真密度值使用下述值A(chǔ)staloyMo材7.88g/cm3DistaloyAE材7.88g/cm3KIP30CRV材7.83g/cm3KIP103V材7.85g/cm3 Fe-76.4％Si合金粉末添加試樣的成形體和燒結(jié)體的特性

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)Fe-Si合金粉末-500目 Fe-75.6％Mn合金粉末添加試樣的成形體和燒結(jié)體的特性

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)Fe-Mn合金粉末-500目 純Si粉末添加試樣的成形體和燒結(jié)體的特性

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)純Si粉末-500目 石墨添加量和密度及尺寸變化

基礎(chǔ)粉末AstaloyMo 1350℃，30分鐘，氮?dú)庵袩Y(jié)成形體密度比通過(guò)(成形體密度)/(燒結(jié)體的真密度)求出 FMS粉末的化學(xué)成分

權(quán)利要求
1.一種鐵基燒結(jié)合金，通過(guò)將主要包含鐵(Fe)的原料粉末進(jìn)行加壓成形后形成的粉末成形體燒結(jié)而得到，其特征在于，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其包含碳(C)為0.1～1.0質(zhì)量％、錳(Mn)為0.01～1.5質(zhì)量％、該Mn和硅(Si)合計(jì)為0.02～3.5質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，其強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)合金，其中，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其還包含鉻(Cr)0.2～5.0質(zhì)量％。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)合金，其中，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其還包含鉬(Mo)0.1～3.0質(zhì)量％。
4.如權(quán)利要求2或3所述的鐵基燒結(jié)合金，其具有馬氏體組織。
5.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)合金，其是實(shí)質(zhì)上不含銅(Cu)的無(wú)Cu鐵基燒結(jié)合金或?qū)嵸|(zhì)上不含鎳(Ni)的無(wú)Ni鐵基燒結(jié)合金。
6.一種鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其特征在于，其包括如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和強(qiáng)化粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，作成粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉末包含純鐵或鐵合金中的至少一種，所述強(qiáng)化粉末含有錳(Mn)及硅(Si)作為粉末整體；和燒結(jié)工序，將該粉末成形體在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，在該燒結(jié)工序后，可以得到如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)合金。
7.如權(quán)利要求6所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述強(qiáng)化粉末是將包含Mn及Si的合金或化合物的1種Mn-Si類(lèi)粉末；或者是將該Mn-Si類(lèi)粉末，包含Mn的單質(zhì)、合金或化合物的Mn類(lèi)粉末，及包含Si的單質(zhì)、合金或化合物的Si類(lèi)粉末中的2種以上的粉末組合而成的復(fù)合粉末。
8.如權(quán)利要求7所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述Mn-Si類(lèi)粉末是包含F(xiàn)e、Mn及Si的合金或金屬間化合物的Fe-Mn-Si粉末。
9.如權(quán)利要求8所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，將該Fe-Mn-Si粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，所述Fe-Mn-Si粉末包含Mn為15～75質(zhì)量％、Si為15～75質(zhì)量％、Mn和Si合計(jì)為35～95質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，氧(O)為0.4質(zhì)量％以下。
10.如權(quán)利要求9所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述Mn和所述Si的組成比(Mn/Si)為1/3～3。
11.如權(quán)利要求9所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，將所述原料粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，所述Fe-Mn-Si粉末的含量為0.5～5質(zhì)量％。
12.如權(quán)利要求6所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述強(qiáng)化粉末包含粒徑為100μm以下的粒子。
13.如權(quán)利要求6所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述原料粉末還包含石墨(Gr)粉末。
14.如權(quán)利要求6所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述成形工序包含如下工序填充工序，向內(nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具填充所述原料粉末；和溫?zé)峒訅撼尚喂ば颍瑢⒃撃＞邇?nèi)的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅?，使接觸該模具內(nèi)面的該原料粉末的表面上生成金屬皂被膜。
15.如權(quán)利要求6所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述燒結(jié)工序是在氧分壓相當(dāng)于10-19Pa以下的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行的工序。
16.一種鐵基燒結(jié)合金，通過(guò)將主要包含鐵(Fe)的原料粉末加壓成形后形成的粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而得到，其特征在于，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其包含Cr為0.2～5.0質(zhì)量％、Mo為0.1～1質(zhì)量％、Mn為0.1～1.2質(zhì)量％、Si為0.1～1.2質(zhì)量％、C為0.1～0.7質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，其強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。
17.如權(quán)利要求16所述的鐵基燒結(jié)合金，其具有馬氏體組織。
18.如權(quán)利要求1或16所述的鐵基燒結(jié)合金，其中，體積密度(ρ’)與理論密度(ρ0’)之比即燒結(jié)體密度比(ρ’/ρ0’×100％)為92％以上。
19.一種鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其特征在于，具有如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和C類(lèi)粉末和強(qiáng)化粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，作成粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉含有Cr及Mo，剩余部分主要為Fe；所述C類(lèi)粉末以C為主要成分；所述強(qiáng)化粉末含有Mn及Si作為粉末整體；和燒結(jié)工序，將該粉末成形體在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，在該燒結(jié)工序后，可以得到如權(quán)利要求16所述的鐵基燒結(jié)合金。
20.如權(quán)利要求19所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述C類(lèi)粉末是Gr粉末。
21.如權(quán)利要求19所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述強(qiáng)化粉末是包含F(xiàn)e、Mn及Si的合金或金屬間化合物的Fe-Mn-Si粉末。
22.如權(quán)利要求21所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述Fe-Mn-Si粉末包含粒徑為63μm以下的粒子。
23.如權(quán)利要求13或20所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述成形工序是得到粉末成形體的體積密度(ρ)與理論密度(ρ0’)之比，即成形體密度比(ρ/ρ0’×100％)為92％以上的粉末成形體的工序。
24.如權(quán)利要求23所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述成形工序包含如下工序填充工序，向內(nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具填充前述原料粉末；和溫?zé)峒訅撼尚喂ば?，將該模具?nèi)的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅海菇佑|該模具內(nèi)面的該原料粉末的表面上生成金屬皂被膜。
25.如權(quán)利要求19所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述燒結(jié)工序包含如下工序加熱工序，在1100～1370℃的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行加熱；和冷卻工序，在該加熱工序后以1℃/秒以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在該冷卻工序后，可以得到如權(quán)利要求17所述的鐵基燒結(jié)合金。
26.如權(quán)利要求25所述的鐵基燒結(jié)合金的制造方法，其中，所述惰性氣體環(huán)境是氧分壓相當(dāng)于10-19Pa以下的極低氧分壓的氮?dú)猸h(huán)境。
27.一種鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，通過(guò)將主要包含鐵(Fe)的原料粉末進(jìn)行加壓成形后形成的粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而得到，其特征在于，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，包含硅(Si)為0.01～2質(zhì)量％、碳(C)為0.1～0.8質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，具有體積密度(ρ’)與理論密度(ρ0’)之比，即燒結(jié)體密度比(ρ’/ρ0’×100％)為96％以上的高密度。
28.如權(quán)利要求27所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，其中，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其還包含和所述Si合計(jì)為3.5質(zhì)量％以下的錳(Mn)。
29.如權(quán)利要求27所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，其是實(shí)質(zhì)上不含銅(Cu)的無(wú)Cu鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。
30.如權(quán)利要求27所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件，其是在1次加壓成形和1次燒結(jié)后得到的。
31.一種鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其特征在于，具有如下工序成形工序，將混合了Fe類(lèi)粉末和C類(lèi)粉末和Si類(lèi)粉末的原料粉末進(jìn)行加壓成形，得到成形體的體積密度(ρ)與燒結(jié)體的理論密度(ρ0’)之比即成形體密度比(ρ/ρ0’×100％)為96％以上的粉末成形體，其中，所述Fe類(lèi)粉末包含純鐵或鐵合金中的至少一種，所述C類(lèi)粉末主要含有C，所述Si類(lèi)粉末包含Si的單質(zhì)、合金或化合物；和燒結(jié)工序，將該粉末成形體在抗氧化環(huán)境中進(jìn)行加熱、使其燒結(jié)，在該燒結(jié)工序后，可以得到如權(quán)利要求27所述的高密度的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件。
32.如權(quán)利要求31所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的體積密度(ρ’)與理論密度(ρ0’)之比，即燒結(jié)體密度比(ρ’/ρ0’×100％)相對(duì)于所述成形體密度比在±1％的范圍內(nèi)。
33.如權(quán)利要求31所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述Si類(lèi)粉末是包含Mn及Si的合金或化合物的Mn-Si類(lèi)粉末。
34.如權(quán)利要求33所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述Mn-Si類(lèi)粉末是包含F(xiàn)e、Mn及Si的合金或金屬間化合物的Fe-Mn-Si粉末。
35.如權(quán)利要求34所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，將該Fe-Mn-Si粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，所述Fe-Mn-Si粉末包含Mn為15～75質(zhì)量％、Si為15～75質(zhì)量％、Mn和Si合計(jì)為35～95質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe，氧(O)為0.4質(zhì)量％以下。
36.如權(quán)利要求35所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，將所述原料粉末整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，所述Fe-Mn-Si粉末的含量為0.01～5質(zhì)量％。
37.如權(quán)利要求31所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述Si類(lèi)粉末包含粒徑為50μm以下的粒子。
38.如權(quán)利要求31所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述成形工序包含如下工序填充工序，向內(nèi)面涂敷有高級(jí)脂肪酸類(lèi)潤(rùn)滑劑的模具填充前述原料粉末；和溫?zé)峒訅撼尚喂ば?，將該模具?nèi)填充的原料粉末進(jìn)行溫?zé)峒訅海菇佑|該模具內(nèi)面的該原料粉末的表面上生成金屬皂被膜。
39.如權(quán)利要求38所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述成形工序的成形壓力為1150MPa以上。
40.如權(quán)利要求31所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述燒結(jié)工序是在氧分壓相當(dāng)于10-19Pa以下的極低氧分壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行的工序。
41.如權(quán)利要求31所述的鐵基燒結(jié)合金構(gòu)件的制造方法，其中，所述燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度為1200℃以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鐵基燒結(jié)合金，通過(guò)將主要包含F(xiàn)e的原料粉末加壓成形后形成的粉末成形體進(jìn)行燒結(jié)而得到，將整體設(shè)定為100質(zhì)量％時(shí)，其包含C為0.1～1.0質(zhì)量％、Mn為0.01～1.5質(zhì)量％、該Mn和Si合計(jì)為0.02～3.5質(zhì)量％、剩余部分主要為Fe。發(fā)現(xiàn)通過(guò)利用適量的Mn及Si，在強(qiáng)化鐵基燒結(jié)合金的同時(shí)，顯現(xiàn)出優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性。其結(jié)果，可以抑制、廢棄使用一直以來(lái)認(rèn)為對(duì)鐵基燒結(jié)合金的強(qiáng)化幾乎必須的Cu和Ni，可以提高鐵基燒結(jié)合金的再循環(huán)性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其成本的降低。
文檔編號(hào)C22C33/02GK1946865SQ20058001266
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
發(fā)明者近藤干夫, 松本伸彥, 三宅賢武, 竹本惠英, 谷野仁 申請(qǐng)人:株式會(huì)社豐田中央研究所, 豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社