本發(fā)明涉及作為粉末冶金制品的原料粉的鐵基合金粉末、和將該鐵基合金粉末作為原料并由燒結(jié)鍛造法制造的燒結(jié)鍛造部件。
背景技術(shù)：
在粉末冶金制品中，燒結(jié)鍛造制品在汽車發(fā)動機(jī)的連桿等特別要求高強(qiáng)度的部件中使用。
作為燒結(jié)鍛造制品的原料粉，多數(shù)情況下使用在純鐵粉中混合了cu粉和石墨粉的fe-cu-c系的鐵基合金粉末(專利文獻(xiàn)1～4)。另外，也有時在原料粉中進(jìn)一步添加用于改善切削性的mns等切削性改善劑(專利文獻(xiàn)1、4和5)。
在此，近年來，在面向連桿的用途中，正在進(jìn)行發(fā)動機(jī)的小型化、高性能化等，進(jìn)一步要求高強(qiáng)度的材料。因此，正在進(jìn)行關(guān)于cu量、c量最優(yōu)化的研究(專利文獻(xiàn)1、2和5)，但強(qiáng)度提高的效果有限。
另外，在專利文獻(xiàn)3中提出了使mo或ni、cu等合金元素在鐵粉中預(yù)合金化的鐵基合金粉末等。然而，合金元素不僅成本高，而且在鐵基合金粉末中形成馬氏體等較硬的組織，因此存在使用含有上述合金元素的鐵基合金粉末的燒結(jié)體的切削性變差的問題點(diǎn)。
與此相對，在專利文獻(xiàn)4中提出了通過僅使cu在鐵粉中預(yù)合金化而維持燒結(jié)體的切削性、同時提高燒結(jié)體強(qiáng)度的技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1：美國專利第6391083號說明書
專利文獻(xiàn)2：美國專利申請公開第2006/86204號說明書
專利文獻(xiàn)3：美國專利第390166l號說明書
專利文獻(xiàn)4：日本特表2011-509348號公報
專利文獻(xiàn)5：日本專利第4902280號公報
專利文獻(xiàn)6：日本特開平10-96001號公報
專利文獻(xiàn)7：日本特開平8-92604號公報
專利文獻(xiàn)8：日本特開2004-232004號公報
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
然而，在上述的專利文獻(xiàn)4所記載的技術(shù)中，鐵基合金粉末粒子的硬度上升而壓縮性降低。因此，使用了上述鐵基合金粉末的成型體的強(qiáng)度容易降低。另外，上述鐵基合金粉末的成型需要高壓縮力，因此存在成型模具容易磨損而導(dǎo)致成型模具的壽命降低之類的問題點(diǎn)。應(yīng)予說明，針對這些問題，提出了使cu粒子擴(kuò)散附著在鐵粉中來確保壓縮性的技術(shù)(專利文獻(xiàn)6)，但燒結(jié)后的cu的分布容易變得不均勻，強(qiáng)度提高的效果有限。
另外，作為提高燒結(jié)體強(qiáng)度的對策，也考慮使燒結(jié)溫度為高溫，但消耗大量的能量，因此希望燒結(jié)溫度低溫化。
本發(fā)明的目的在于，解決上述現(xiàn)有技術(shù)的課題，提供一種粉末冶金用鐵基合金粉末，其與以往的cu預(yù)合金化鐵基合金粉末相比壓縮性優(yōu)異，同時與以往的混合了cu粉末的鐵基合金粉末相比，即便在低溫下燒結(jié)，也能夠制造高強(qiáng)度的燒結(jié)鍛造部件。
另外，本發(fā)明的目的在于提供一種使用了該鐵基合金粉末的燒結(jié)鍛造部件。
應(yīng)予說明，在本發(fā)明中高強(qiáng)度表示在cu量同等的情況下，燒結(jié)鍛造后的部件強(qiáng)度比以往的燒結(jié)鍛造后的部件強(qiáng)度高。
另外，作為使cu在原料鐵粉中預(yù)合金化的現(xiàn)有技術(shù)，有上述專利文獻(xiàn)4。然而，該技術(shù)是用于提高將預(yù)合金化后的原料鐵粉僅與石墨粉混合并燒結(jié)后的原料鐵粉中的cu分布的均勻性的。因此，該技術(shù)并不是啟示用于兼得壓粉成型時的壓縮性和燒結(jié)鍛造后的cu分布的均勻性的最佳cu配比(預(yù)合金cu與擴(kuò)散附著cu之比)的技術(shù)。
即，本發(fā)明的主旨構(gòu)成如下。
1.一種粉末冶金用鐵基合金粉末，是使cu以粉末的形態(tài)擴(kuò)散附著于將cu預(yù)合金化了的原料鐵粉的表面而得的鐵基合金粉末，含有2.0～5.0質(zhì)量％的cu，剩余部分由fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，
上述cu的1/10～8/10擴(kuò)散附著于上述原料鐵粉的表面，并且剩余的cu已預(yù)合金化。
2.一種燒結(jié)鍛造部件，以上述1所述的鐵基合金粉末為原料。
根據(jù)本發(fā)明，鐵粉表面的cu分布變得更均勻，因此與以往的fe-cu-c系的鐵基合金粉末相比，即使在較低的燒結(jié)溫度下，燒結(jié)后的部件中的cu分布也變得均勻。因此，能夠以低成本制造機(jī)械強(qiáng)度高的燒結(jié)鍛造部件。
具體實(shí)施方式
以下，對本發(fā)明進(jìn)行具體說明。
在本發(fā)明中，鐵基合金粉末中含有的cu量為2.0～5.0質(zhì)量％的范圍。
如果鐵基合金粉末中含有的cu量小于2.0質(zhì)量％，則由cu添加得到的燒結(jié)鍛造部件的強(qiáng)度提高效果變得不充分。另一方面，即使鐵基合金粉末中含有的cu量超過5.0質(zhì)量％，與添加5.0質(zhì)量％的cu的情況相比，燒結(jié)鍛造部件的強(qiáng)度也不會有太大提高。因此，鐵基合金粉末中含有的cu量的上限為5.0質(zhì)量％。
應(yīng)予說明，上述cu以外的鐵基合金粉末的剩余部分為fe和不可避免的雜質(zhì)。
另外，本發(fā)明的最大特征在于使上述鐵基合金粉末中含有的cu量的1/10～8/10以粉末的形態(tài)擴(kuò)散附著于已預(yù)合金化的原料鐵粉的表面，剩余的cu預(yù)先在原料鐵粉中預(yù)合金化。
如果上述擴(kuò)散附著的cu量小于鐵基合金粉末中含有的cu量的1/10，則鐵基合金粉末的壓縮性提高的效果變低。另一方面，如果擴(kuò)散附著的cu量超過鐵基合金粉末中含有的cu量的8/10，則在預(yù)合金化的原料鐵粉的表面上的cu分布的均勻性不提高，燒結(jié)鍛造部件的強(qiáng)度提高效果有限。
另外，在本發(fā)明中，使cu以粉末的形態(tài)擴(kuò)散附著于已預(yù)合金化的原料鐵粉的表面意味使平均粒徑(d50)：50μm以下左右、優(yōu)選20μm以下左右的cu粉末擴(kuò)散附著于預(yù)合金化后的原料鐵粉的表面。應(yīng)予說明，這里所說的cu粉末的平均粒徑(d50)是指利用激光衍射·散射法以體積基準(zhǔn)測量累積粒度分布，其值為50％的粒徑。
將本發(fā)明的鐵基合金粉末埋入到樹脂中后進(jìn)行研磨，利用epma對其粒子截面的元素分布進(jìn)行成像時，觀察已預(yù)合金化的cu的分布。另一方面，利用epma對鐵基合金粉末的粒子表面進(jìn)行成像時，觀察到在鐵基合金粉末的粒子表面因擴(kuò)散附著了的cu粉末而使cu比粒子內(nèi)部稠化的情形。
應(yīng)予說明，cu粉末粒子越細(xì)，燒結(jié)鍛造后的cu的均勻性越好，但平均粒徑為20μm以下的金屬銅粉的成本較高。因此，以金屬銅粉為原料時的cu粉末的平均粒徑的下限值優(yōu)選為10μm左右。另外，在本發(fā)明中可用作銅源的粉末可以應(yīng)用金屬銅、氧化銅等在鐵基合金粉末中使用的以往公知的物質(zhì)。
此外，在專利文獻(xiàn)7中例示的氧化銅粉雖然為20μm以下的粒徑，但成本較低，因此可以優(yōu)選應(yīng)用。
作為在本發(fā)明中使用的鐵基合金粉末原料的鐵粉(在本發(fā)明中，稱為原料鐵粉)只要是在鐵基合金粉末用途中使用的公知的鐵粉，就可以使用任何粉末。
應(yīng)予說明，本發(fā)明的原料鐵粉的雜質(zhì)量優(yōu)選c抑制為0.01質(zhì)量％以下，o抑制為0.15質(zhì)量％以下，si抑制為0.05質(zhì)量％以下，mn抑制為0.12質(zhì)量％以下，p抑制為0.015質(zhì)量％以下，s抑制為0.015質(zhì)量％以下，cr抑制為0.03質(zhì)量％以下，n抑制為0.01質(zhì)量％以下，以及其它元素抑制為0.01質(zhì)量％以下。
另外，原料鐵粉的粒徑是任意的，但工業(yè)上能夠以低成本制造的是在水霧化法中平均(d50)為30～150μm的范圍的粒徑。因此，原料鐵粉的粒徑使用水霧化法時優(yōu)選平均(d50)為30～150μm的范圍的粒徑。
應(yīng)予說明，這里所說的原料鐵粉的平均粒徑(d50)是指由jisz2510中記載的干式篩分法測定的平均粒徑。而且，平均粒徑是根據(jù)由上述篩分法測定的粒度分布算出質(zhì)量基準(zhǔn)的累積粒度分布，利用內(nèi)插法求出其值為50％的粒徑。
接下來，對使cu以粉末的形態(tài)擴(kuò)散附著于原料鐵粉的表面的方法進(jìn)行說明。
在本發(fā)明中使用的擴(kuò)散附著方法按照用于使cu粉末擴(kuò)散附著于鐵粉等的表面的常規(guī)方法即可，但優(yōu)選使用后述的擴(kuò)散附著熱處理。應(yīng)予說明，使用氧化銅粉作為cu粉末時，通過在還原氣氛下進(jìn)行擴(kuò)散附著熱處理來還原氧化銅粉，成為金屬cu粉附著于已預(yù)合金化的原料鐵粉表面的遵從本發(fā)明的鐵基合金粉末。
接下來，對遵從本發(fā)明的鐵基合金粉末的制造方法進(jìn)行說明。
對于上述原料鐵粉，將上述成分范圍的cu預(yù)合金化后，利用以往公知的任意方法(水霧化法、氣霧化法或電解法等)制成cu已預(yù)合金化的原料鐵粉。應(yīng)予說明，通過應(yīng)用水霧化法能夠以低成本進(jìn)行制造，因此優(yōu)選在cu已預(yù)合金化的原料鐵粉的制造中應(yīng)用水霧化法。
熱處理：在本發(fā)明中，出于除去原料鐵粉中含有的氧、碳的目的，可以進(jìn)行在還原氣氛中、800～1000℃的溫度范圍保持0.5～2小時左右的熱處理。
cu粉末混合：使用以往公知的任意方法(v型混合機(jī)、雙錐型混合機(jī)、亨舍爾混合機(jī)或諾塔混合機(jī)等)來混合cu預(yù)合金化后的原料鐵粉和cu粉末。應(yīng)予說明，在粉末混合時，為了防止混合cu銅粉末的偏析，可以添加機(jī)油等粘合劑。
擴(kuò)散附著熱處理：通過對上述cu粉末的混合物實(shí)施在還原氣氛(氫氣、氫氮混合氣體等)中、以700～1000℃的溫度范圍保持0.5～2小時左右的熱處理，從而使cu粉末擴(kuò)散附著于預(yù)合金化后的原料鐵粉的表面。
應(yīng)予說明，在省略了上述的事前的除去氧、碳的熱處理的情況下，由該工序除去原料鐵粉中含有的碳、氧。
另外，本發(fā)明中的擴(kuò)散附著的方法可以使用以往公知的任意方法，例如在專利文獻(xiàn)6中記載的方法、在專利文獻(xiàn)8中記載的方法都可以適當(dāng)?shù)厥褂谩?/p>
粉碎和分級：在本發(fā)明中，可以利用錘式粉碎機(jī)等公知的任意方法進(jìn)行粉碎后，利用篩等分級為規(guī)定的粒度。
在本發(fā)明中，從操作的容易性等考慮，鐵基合金粉末的平均粒徑(d50)與原料鐵粉同樣優(yōu)選為30～150μm左右。應(yīng)予說明，這里所說的鐵基合金粉末的平均粒徑(d50)可以由與原料鐵粉的平均粒徑相同的方法測定并求出。
接下來，對使用了本發(fā)明的鐵基合金粉末的燒結(jié)鍛造部件的制造方法(燒結(jié)鍛造法)進(jìn)行說明。
在前述的鐵基合金粉末中將規(guī)定量(例如，0.3～0.8質(zhì)量％)的碳以石墨粉的形態(tài)進(jìn)行混合(混合法可以應(yīng)用公知的任意方法)。
應(yīng)予說明，對于石墨粉而言，天然石墨或人造石墨、炭黑等以往公知的物質(zhì)都可以應(yīng)用。
另外，也可以對本發(fā)明的鐵基合金粉末進(jìn)一步混合cu粉來調(diào)整燒結(jié)鍛造部件的最終cu量。
可以同時(或者在另一工序中)在0.3～1.0質(zhì)量％的范圍混合硬脂酸鋅等潤滑劑。此外，也可以將mns等改善切削性的物質(zhì)以粉末的形態(tài)在0.1～0.7質(zhì)量％的范圍進(jìn)行混合。
接下來，使用模具壓縮成型為規(guī)定的形狀。上述壓縮成型使用在燒結(jié)鍛造時使用的公知技術(shù)即可。
此外，在非活性或還原性的氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)溫度優(yōu)選1120～1250℃的范圍。應(yīng)予說明，燒結(jié)溫度越為高溫，cu分布越均勻，因而優(yōu)選，但成本變高，因此在本發(fā)明中，優(yōu)選1120～1250℃的范圍。更優(yōu)選為1120～1180℃的范圍。
在此，在上述燒結(jié)前，為了除去上述潤滑劑，可以追加在400～700℃的溫度范圍保持一定時間的脫脂工序。
在本發(fā)明中，在燒結(jié)后不冷卻地連續(xù)進(jìn)行熱鍛造，或者暫時冷卻后再加熱而進(jìn)行熱鍛造。應(yīng)予說明，鍛造條件為公知的鍛造條件即可，但鍛造時的溫度優(yōu)選1000～1200℃的范圍。
上述以外的燒結(jié)鍛造部件的制造條件或設(shè)備、其方法等可以應(yīng)用公知的。
實(shí)施例
·鐵基合金粉末的制造
如表1所示，使用水霧化法將添加了l.0～6.0質(zhì)量％的cu的鋼水制造成cu已預(yù)合金化的原料鐵粉。應(yīng)予說明，一部分原料鐵粉未進(jìn)行cu的預(yù)合金化。另外，原料鐵粉的雜質(zhì)含量均為si≤0.05質(zhì)量％、mn≤0.15質(zhì)量％、p≤0.025質(zhì)量％和s≤0.025質(zhì)量％。
接下來，在將cu預(yù)合金化了的原料鐵粉和未將cu預(yù)合金化的原料鐵粉中添加平均粒徑：25μm的電解銅粉作為擴(kuò)散附著用的cu源，使用v型混合機(jī)混合15分鐘。應(yīng)予說明，在一部分條件下，不進(jìn)行這樣的cu的添加。作為擴(kuò)散附著用的cu源，使用平均粒徑15μm的霧化銅粉(no.4a)、平均粒徑5μm的霧化銅粉(no.15)或平均粒徑2.5μm的氧化亞銅粉(no.14和no.17a)。另外，no.16是在本發(fā)明的鐵基合金鋼粉中進(jìn)一步混合規(guī)定量的cu粉。
此外，對這些粉末實(shí)施以下的擴(kuò)散附著熱處理和粉碎。
擴(kuò)散附著熱處理：在氫氣氛中，以溫度：920℃熱處理30分鐘，制造表1中示出的成分的鐵基合金粉末。
粉碎：使用錘式粉碎機(jī)將固化成餅狀的熱處理體粉碎，用開孔尺寸為180μm的篩進(jìn)行分級，將篩下物作為產(chǎn)品。粉碎后的產(chǎn)品的c量和o量在任意條件下均為c≤0.01質(zhì)量％、o≤0.25質(zhì)量％。應(yīng)予說明，確認(rèn)了添加氧化亞銅作為cu粉的no.14和no.17a通過該處理而將氧化亞銅還原成金屬銅。
·燒結(jié)鍛造部件的制造和評價
鐵基合金粉末：相對于100質(zhì)量份，添加石墨粉：0.6質(zhì)量份、潤滑劑(硬脂酸鋅)：0.8質(zhì)量份和mns粉末：0.6質(zhì)量份，使用雙錐型混合機(jī)進(jìn)行混合，得到混合粉。
以規(guī)定的壓力將該混合粉壓縮成型為10mm×10mm×55mm的長方體形狀。將壓縮成型后的壓縮密度一并記載在表1中。
接下來，在rx氣氛下，以表1中記載的燒結(jié)溫度燒結(jié)20分鐘。
進(jìn)一步暫時冷卻到室溫后，加熱到1120℃進(jìn)行鍛造，制作部件密度：7.8mg/m3以上的試驗(yàn)片。
從該試驗(yàn)片切出長度：50mm×直徑：3mm的拉伸試驗(yàn)片，測定屈服應(yīng)力和斷裂前最大應(yīng)力(拉伸強(qiáng)度)。
將測定結(jié)果也一并記載在表1中。
[表1]
cu添加量小于本發(fā)明范圍的no.1與發(fā)明例相比屈服應(yīng)力低。另外，cu添加量高于本發(fā)明的范圍的no.24的壓粉密度變?yōu)榈椭怠?/p>
在原料鐵粉中僅混合了cu的現(xiàn)有例(no.2、no.7和no.8)分別與以cu添加量為代表的其它條件相同的發(fā)明例(no.2與no.3a和4～5，no.7與no.9～11，no.8與no.12)相比，燒結(jié)鍛造后的屈服應(yīng)力低。認(rèn)為其原因在于鐵粉表面的cu分布的不均勻性。
cu沒有擴(kuò)散附著在預(yù)合金化后的原料鐵粉中的現(xiàn)有例(no.6、no.19和no.23)分別與其它條件相同的發(fā)明例(no.6與no.3a和4～5，no.19與no.9～11和16～17，no.23與no.20～22和no.21a)相比，壓縮密度低，壓縮性差。認(rèn)為原因在于cu在原料鐵粉中過多地預(yù)合金化。
cu擴(kuò)散附著量低于本發(fā)明范圍的條件(no.18)與其它條件相同的發(fā)明例(no.10～11、16～17)相比，壓縮密度低，壓縮性差。認(rèn)為原因在于cu在原料鐵粉的基體中過多地預(yù)合金化。
cu擴(kuò)散附著量高于本發(fā)明范圍的條件(no.3、no.8a和no.19a)分別與其它條件相同的發(fā)明例(no.3與no.3a和4～5，no.8a與no.9～11和16～17，no.19a與no.20～22和no.21a)相比，屈服應(yīng)力低。認(rèn)為原因在于燒結(jié)部件內(nèi)的cu分布的不均勻性。
擴(kuò)散附著的cu粉的粒徑小的水平(no.4a和no.15)與cu粉的粒徑粗、其它條件相同的水平(分別為no.4和no.12)相比，屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度變?yōu)楦叩闹?。認(rèn)為這是由于鐵粉表面的cu分布更均勻。
另外，使用平均粒徑為2.5μm的氧化亞銅粉作為擴(kuò)散附著的cu粉的no.14與cu粉粒徑粗、其它條件相同的no.12相比，屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度變得更高。另一方面，與cu粉粒徑粗、燒結(jié)溫度為1250℃的no.13顯示幾乎同等的屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度。這表明擴(kuò)散附著的cu粉的粒徑越小，在低燒結(jié)溫度下燒結(jié)部件中的cu分布也越均勻，更顯著地體現(xiàn)本發(fā)明的效果。
應(yīng)予說明，與在鐵粉中混合了cu的現(xiàn)有例中燒結(jié)溫度為1170℃的no.8相比，燒結(jié)溫度為1120℃的發(fā)明例(no.10～11和16～17)的屈服應(yīng)力變高，認(rèn)為其原因在于因?yàn)樽駨谋景l(fā)明，所以低燒結(jié)溫度下燒結(jié)部件中的cu分布也更均勻。