專利名稱：燒結用鐵基混合物粉末和鐵基燒結合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及至少包含鐵基粉末、石墨粉末和比鐵基粉末硬的硬質粉末的燒結用鐵基混合物粉末，并且更具體地涉及可以用來燒結具有優(yōu)異的切削性的鐵基燒結合金的燒結用鐵基混合物粉末。
背景技術：
常規(guī)上，偶爾使用其中混合有鐵基粉末、石墨粉末和比鐵基粉末硬的硬質粉末的燒結用鐵基混合物粉末。在用這樣的燒結用鐵基混合物粉末填充模具之后，通過模壓成型產生壓實體。通過對該壓實體進行燒結，可以獲得鐵基燒結合金。在燒結期間，石墨粉末中的碳溶解在鐵基粉末中(與鐵基粉末形成固溶體)，從而使鐵基粉末硬化。然后，以這種硬化的鐵基粉末的鐵為基體(base)，將硬質粉末分散到鐵基燒結合金中。根據需要對如此燒結出的鐵基燒結合金進行切削，并獲得成品。然而，如此獲得的鐵基燒結合金的內部多孔，并且與通過熔化獲得的金屬合金相比具有較高的切削阻力。因此，常規(guī)的實踐是向混合物粉末中進一步添加諸如BaS、CaS、MnS等含有S的粉末作為易切削組分。然而，當使用含有S的粉末時，在燒結期間可能產生諸如H2S、S0x等氣體，S的含量可能會下降，并因此在某些情況下可能無法實現(xiàn)對切削性的充分改善。因此，鑒于這樣的情況，已經提出了一種燒結用鐵基混合物粉末，在該燒結用鐵基混合物粉末中，例如，混合諸如堿土金屬氟化物粉末等金屬氟化物粉末來代替含有S的粉末(參見例如專利文獻I)。由于金屬氟化物粉末對鐵基粉末中的凹部的粘附性，所以自該燒結用鐵基混合物粉末燒結的鐵基燒結合金使得能夠改善切削性。

引用文獻列表專利文獻PTL:日本公開特許公報(特開)第2002-155301A號

發(fā)明內容
技術問題然而，即使在使用專利文獻I中公開的金屬氟化物粉末的情況下，當與燒結用鐵基混合物粉末的其它粉末混合時，金屬氟化物粉末的粒子有時會凝集。因此，在對其中金屬氟化物粉末的粒子已經發(fā)生凝集的鐵基燒結合金進行切削時，該金屬氟化物粉末不能充分地用作易切削組分，并且對于切削工具的切削阻力增加，從而潛在地縮短了切削工具的壽命O鑒于該情況進行了本發(fā)明，并且本發(fā)明一方面在于，提供了燒結用鐵基混合物粉末，該燒結用鐵基混合物粉末即使在使用金屬氟化物粉末時也能夠減小由其燒結的鐵基燒結合金的切削阻力并且能夠減緩切削工具壽命的縮短，并且提供了使用該燒結用鐵基混合物粉末的鐵基燒結合金。
問題的解決方案為了解決上述問題，本發(fā)明人通過勤奮研究認識到:當在燒結用鐵基混合物粉末中混入金屬氟化物粉末時，優(yōu)選地將金屬氟化物粒子分散在燒結用鐵基混合物粉末之內。本發(fā)明人還已經發(fā)現(xiàn)，粒子的形狀對金屬氟化物粒子的有利分散很重要，粒子的形狀越接近球形，粒子變得越容易凝集，相反，粒子的形狀越偏離球形(即，粒子具有更多的凹部和凸部)，粒子越容易分散在燒結用鐵基混合物粉末之內。本發(fā)明是以本發(fā)明人的這些新發(fā)現(xiàn)為基礎的，并且根據本發(fā)明的一個實施方案的燒結用鐵基混合物粉末包含:鐵基粉末、石墨粉末、比鐵基粉末硬的硬質粉末和金屬氟化物粉末，其中，關于用下式表示的粒子凹凸度:粒子凹凸度=(粒子的截面的周長)2/(所述截面的截面積Χ4π)，金屬氟化物粉末的粒子凹凸度在2至5的范圍內。根據本發(fā)明的一個實施方案，由于金屬氟化物粉末的粒子凹凸度在2至5的范圍內，因而金屬氟化物粉末的粒子形狀是易于粘附到鐵基粒子和硬質粒子(易于與鐵基粒子和硬質粒子接合)的形狀。因此，待在燒結用鐵基混合物粉末中混合的金屬氟化物粉末的粒子變得可更容易分散(即，不太可能凝集)。另外，由于用作易切削組分的金屬氟化物分散在自這樣的燒結用鐵基混合物粉末燒結的鐵基燒結合金中的鐵基粒子和硬質粒子之中，因而可以減小鐵基燒結合金的切削阻力并且減緩切削工具壽命的縮短。換句話說，當金屬氟化物粉末的粒子凹凸度小于2時，金屬氟化物粉末粒子在混合期間易于凝集。而凹凸度超過5的金屬氟化物粉末粒子難以制得。在本發(fā)明中所使用的術語“粒子凹凸度”是表明粒子的凹/凸形狀的指數(shù)，其中，隨著粒子的形狀變得更接近于球形(即，隨著粒子的截面變得更接近于真正的圓)，粒子的凹凸度接近于I。此外，術語“粒子的截面的周長”是指粒子(如堿土金屬氟化物粉末粒子)的給定截面的周長，而術語“截面的截面積”是指針對上述周長測量的截面的截面積。此外，在本發(fā)明中所使用的術語“鐵基”是指主要組分(基體)為鐵的材料。另外，金屬氟化物粉末的實例可以包括氟化鉀、氟化鈉、氟化鈣、氟化鎂、氟化鍶、氟化鋇、氟化鉛、氟化硒、氟化碲等。金屬氟化物粉末優(yōu)選地可以是堿土金屬氟化物粉末，堿土金屬氟化物粉末可以進一步優(yōu)選為氟化鍶粉末。根據本發(fā)明的一個實施方案，將堿土金屬氟化物粉末分散為沒有引起燒結體變脆并且沒有溶解于鐵基體或由于氣化而消失。另外，在上述之中，與其它金屬氟化物粉末(例如氟化鋇、氟化鉛等)相比，氟化鍶粉末具有較低的密度，即4.24，并且據推測，當添加相同量(相同質量百分數(shù))的氟化物時，與其它氟化物相比，氟化鍶的體積將最大。因此，據推測，與其它粉末如鐵基粉末、硬質粉末等接觸的氟化鍶的量會增加，從而改善了與這些粉末的接合。據推測，所得到的鐵基燒結合金的切削性與使用其它金屬氟化物的鐵基燒結合金相比將因此得到改善。優(yōu)選地，相對于燒結用鐵基混合物粉末的總量，可以包含0.5質量％至3質量％的堿土金屬氟化物粉末。根據本發(fā)明的一個實施方案，通過添加堿土金屬氟化物粉末，可以減小切削阻力，提高切削工具壽命 ，而且還可以減小對燒結合金的表面損傷。換句話說，當堿土金屬氟化物粉末的含量小于0.5質量％時，在某些情況下，可能不能提高所得到的鐵基燒結合金的切削性。然而，當堿土金屬氟化物粉末的含量超過3質量％時，堿土金屬氟化物粉末變得過量，從而增加了對燒結合金的表面損傷的可能性。另外，關于上述粉末的含量，堿土金屬氟化物粉末粒子的平均粒度優(yōu)選地可以在I微米至20微米的范圍內。通過將其保持在這樣的范圍內，可以減小切削阻力并且還可以延長切削工具的壽命，從而還使得能夠減小對燒結合金的表面損傷。具體而言，當堿土金屬氟化物粉末(粒子)的平均粒度超過20微米時，堿土金屬氟化物變得難以在鐵基燒結合金中的晶界處分散。這可能導致切削阻力增加和切削工具壽命的縮短，從而增加對所得到的燒結合金的表面損傷的可能性。還可以向燒結用鐵基混合物粉末中添加潤滑劑、粘合劑等。優(yōu)選地，還可以添加硅樹脂作為粘合劑。根據本發(fā)明的一個實施方案，通過添加硅樹脂，可以提高混合物粉末和堿土金屬氟化物之間的結合力。此外，由于硅樹脂是熱固性樹脂，所以在通過對燒結用鐵基混合物粉末進行模壓成型來制造壓實體并且進一步燒結壓實體時，可以維持上述結合力而不使娃樹脂軟化。此外，即使通過溫模具潤滑(warm mold lubrication)方法等來制造壓實體時，也可以維持上述結合力。本發(fā)明的有利效果根據本發(fā)明的一個實施方案，即使使用金屬氟化物粉末，也可以減小鐵基燒結合金的切削阻力并且減緩切削工具壽命的縮短。


[圖1]圖1是示出了根據 實施例1和比較例I的氟化物粉末(氟化鍶粉末的粒子)的投影圖和粒子凹凸度的圖。[圖2]圖2是示出了關于根據實施例1和比較例I的氟化鍶粉末的粒子凹凸度與切削工具磨損量之間關系的圖。[圖3]圖3是根據實施例2的樣品的金相組織的放大圖。[圖4A]圖4A是示出了實施例3和比較例2的關于切削工具磨損量的測試結果的圖。[圖4B]圖4B是示出了實施例3和比較例2的關于切削阻力的測試結果的圖。[圖4C]圖4C是示出了對實施例3和比較例2的關于拉托拉(rattler)值的測試結果的圖。[圖5A]圖5A是示出了實施例4和比較例2的關于切削工具磨損量的測試結果的圖。[圖5B]圖5B是示出了實施例4和比較例2的關于切削阻力的測試結果的圖。[圖5C]圖5C是示出了實施例4和比較例2的關于拉托拉值的測試結果的圖。
具體實施方案下面描述本發(fā)明的實施方案。根據本發(fā)明的一個實施方案的混合物粉末可以是燒結用鐵基混合物粉末，以用于通過燒結來制造用于內燃機的閥座等。通過對該燒結用鐵基混合物粉末進行模壓成型來制造壓實體并且進一步燒結壓實體，可以獲得鐵基燒結合金。根據本發(fā)明的一個實施方案的燒結用鐵基混合物粉末可以是包含鐵基粉末、石墨粉末、比鐵基粉末硬的硬質粉末和金屬氟化物粉末的混合物粉末。
該鐵基粉末可以是包含主要組分為鐵的粒子的粉末，并且可以包括:純鐵粉末如霧化鐵粉末和還原粉末等、其中使合金化元素預合金化的鋼粉末(預合金化的鋼粉末)、其中使合金化元素部分合金化的鋼粉末(部分合金化的鋼粉末)等。此外，它可以是其中這些粉末進行混合的粉末。鐵基粉末構成鐵基燒結合金的基體。此外，鐵基粉末的平均粒度優(yōu)選地可以是80微米至100微米，并且相對于燒結用鐵基混合物粉末的總量，鐵基粉末含量優(yōu)選地可以為40質量％至90質量％。另外，石墨粉末可以是包含石墨的粉末。通過將石墨粉末包含在混合物粉末中，C(碳)在燒結期間擴散并且通過溶解于其中來增強鐵基燒結合金。此外，包含適量C的鐵基燒結合金使得能夠進行如淬火和回火等熱處理，通過該熱處理可以改善鐵基燒結合金的機械性能。另外，由于諸如原料粉末的成型性、C含量容易調整等原因，沒有在鐵基粉末中預先包含C。此外，石墨粉末還可以包含金屬粉末如銅等、或合金粉末。石墨粉末的平均粒度優(yōu)選地可以為25微米以下，并且相對于燒結用鐵基混合物粉末的總量，石墨粉末的含量優(yōu)選地可以為0.2質量％至5質量％。當石墨粉末的含量超過5質量％時，延展性可能顯著下降，并且強度可能下降。

硬質粉末可以是包含比鐵基粉末的鐵粒子硬的硬質粒子的粉末。通過將硬質粒子分散在鐵基燒結合金中，可以提高鐵基燒結合金的耐磨性。構成硬質粉末的硬質粒子的實例可以包括:(I)以質量百分數(shù)計，包含20%至70%的Mo、0.2%至3%的C和1%至15%的Mn、余量包含不可避免的雜質和Co的粒子；(2)以質量百分數(shù)計，包含20%至70%的Mo、
0.5 %至3 %的C、5 %至40 %的Ni和I %至20 %的Mn、余量包含不可避免的雜質和Fe的粒子；⑶以質量百分數(shù)計，包含20 %至60 %的Mo、0.2 %至3 %的C、5 %至40 %的N1、I %至15%的Mn和0.1%至10%的Cr、余量包含不可避免的雜質和Fe的粒子；(4)以質量百分數(shù)計，包含20%至40%的Mo、0.5%至1.0%的C、5%至30%的N1、l%至10%的Mn、l%至10%的Cr、5%至30%的Co和0.05%至2%的Y、余量包含不可避免的雜質和Fe的粒子；等等。對其沒有特別的限制，只要硬質粒子比鐵粒子硬即可，并且，舉例來說，除了這些粒子之外，還可以包括Si等。此外，硬質粉末的平均粒度優(yōu)選地可以為80微米至120微米，并且相對于燒結用鐵基混合物粉末的總量，硬質粉末的含量優(yōu)選地可以為10質量％至60質量％。接下來，在金屬氟化物粉末(包括金屬氟化物粒子的粉末)中，制備氟化鍶粉末(包括氟化鍶粒子的粉末)作為堿土金屬氟化物粉末(包括堿土金屬氟化物粒子的粉末)。目前為止，一般通過從其中堿土金屬溶解在氟化氫中的溶液中沉淀出堿土金屬氟化物粒子來制造在如燒結等冶金中使用的堿土金屬氟化物粉末如氟化鍶粉末等，這樣的粉末粒子具有接近于球形的形狀。然而，在本發(fā)明的實施方案中，使用磨機等將氟化鍶(堿土金屬)晶體密實在一起的塊狀材料或將通過對氟化鍶(堿土金屬)晶體進行熔化而獲得的塊狀材料粉碎，以制造具有凹部和凸部的粒子。然后，假設粉末的粒子凹凸度=(粒子的截面的周長)2/(所述截面的截面積X4 π )，對粉碎條件如磨機的粉碎部件的形狀、粉碎負載等進行選擇，使得氟化鍶粒子的凹凸度將落在2至5的范圍內，從而制得氟化鍶。應當注意，隨著粒子的凹凸度接近1，粒子變得更接近球形。對于使氟化鍶粒子沉淀出的方法，粒子的凹凸度極其接近I。因而，由于使得氟化鍶粉末的粒子凹凸度落在2至5的范圍內，因此該氟化鍶粉末粒子的形狀有助于粘附于鐵基粒子和硬質粒子。因此，就燒結用鐵基混合物粉末而言，待混合的氟化鍶粉末粒子變得可容易分散(不太可能凝集)。另外，由于用作易切削組分的氟化鍶分散在自該燒結用鐵基混合物粉末燒結的鐵基燒結合金中的鐵基粒子和硬質粒子之中，因而可以減小鐵基燒結合金的切削阻力并且減緩切削工具壽命的縮短。另外，相對于燒結用鐵基混合物粉末的總量，氟化鍶粉末的含量優(yōu)選地可以為0.5質量％至3質量％，并且氟化鍶粉末的平均粒度可以優(yōu)選地在I微米至20微米的范圍內。通過采用這樣的范圍內，可以減小切削阻力，還可以提高切削工具壽命，而且還可以減小對燒結合金的表面損傷。還可以向燒結用鐵基混合物粉末中添加潤滑劑、粘合劑等。舉例來說，作為粘合齊U，還可以向燒結用鐵基混合物粉末中添加硅樹脂如甲基系的硅樹脂。當向燒結用鐵基混合物粉末中添加該硅樹脂時，優(yōu)選地可以通過用有機溶劑將其稀釋、使其與鐵粉末和氟化鍶混合、并通過加熱和干燥去除任何過量的有機溶劑來添加這種樹脂。相對于燒結用鐵基混合物粉末的總量，硅樹脂的含量優(yōu)選地可以為I質量％以下。通過添加硅樹脂，可以提高混合物粉末與堿土金屬氟化物之間的結合力。另外，由于硅樹脂是熱固性樹脂，所以在通過對燒結用鐵基混合物粉末進行模壓成型來制造壓實體并且進一步燒結壓實體的過程中，可以維持上述結合力而不使硅樹脂軟化。此外，因為硅樹脂耐受至少為150°C的溫度，所以即使通過溫模具潤滑方法等來制造壓實體時，也可以維持上述結合力。此外，作為潤滑劑，燒結用鐵基混合物粉末可以包含熱塑性樹脂粉末、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸、油酸酰胺、硬脂酸酰胺、硬脂酸酰胺和亞乙基雙硬脂酸酰胺的熔融混合物、亞乙基雙硬脂酸酰胺、分子量為10000以下的聚乙烯、或者亞乙基雙硬脂酸酰胺與分子量為10000以下的聚乙烯的熔融混合物。實施例

下面通過實施例來描述本發(fā)明。實施例1通過混合鐵基粉末、石墨粉末、比鐵基粉末硬的硬質粉末、金屬氟化物粉末和潤滑劑來制造燒結用鐵基混合物粉末。具體而言，制備鐵基粉末(Fe)-L I質量％的石墨粉末(Gr) -30質量％的硬質粉末-1質量％的氟化鍶粉末(SrF2) -0.8質量％的潤滑劑(ZnSt)。鐵基粉末是通過還原方法制造的純鐵粉末，并且形成所述鐵基粉末的鐵基粒子是平均粒度為100微米的粉末。通過氣體霧化方法制造硬質粉末，并且形成硬質粉末的硬質粒子包含:0.8質量％的(:、1.1質量％的5丨、5.1質量％的胞、21質量％的附、6質量％的0、39質量％的Mo、22質量％的&)、4.5質量％的？6、0.2質量％的￥。該硬質粉末是平均粒度為100微米的粉末。另外，通過使用磨機等將氟化鍶(堿土金屬)晶體密實在一起的塊狀材料粉碎來制造氟化鍶粉末。該粉末的粒子是具有凹部和凸部并且平均粒度為5微米的粒子。此外，粉末粒子凹凸度定義為:粉末粒子凹凸度=(粒子的截面的周長)2/(所述截面的截面積Χ4π)，改變粉碎條件如磨機的旋轉速度等，使得凹凸度將落在如圖3所示的2至5的范圍內，從而制得氟化銀粉末。
關于凹凸度，(I)在放大的情況下對粉末進行觀察(用電子顯微鏡拍照并成像)，并隨后(2)使用成像軟件對該圖像進行圓度測量處理(粉末為黑色而其它為白色的二值化(binarization)處理)，(3)使用成像軟件，將其周長取作粒子的截面的周長，并且測量其面積作為該截面的截面積，而且使用上面提到的公式進行圓度(凹凸度)測量。在此，對于隨機選擇的粒子，進行N= 10次測量。應當注意，對于圖2中的實施例1，凹凸度是通過這樣的測量次數(shù)(即，N= 10)獲得的平均值，并且所測得的凹凸度從左起為2.2、2.65、3.5和
5.0，這全部都落在2至5的范圍內。圖1示出了凹凸度為2.65的氟化鍶粒子的圖像，其為實施例之一。在784MPa和室溫下，對這些燒結用鐵基混合物粉末進行模壓成型，并且其后在1120°C下燒結，以獲得由鐵基燒結合金制成的并且具有與閥座相對應的形狀的樣品。在該實施例中，通過篩分法來測量平均粒度。具體而言，使用符合JIS Z8801-1標準的試驗篩，基于篩網中被篩過的開口的尺寸來確定粒子的尺寸。具體地，通過使用數(shù)種具有不同篩網尺寸的篩子進行篩分，通過計算留在每個篩子上的重量比來確定按質量計的粒度分布。比較例I以與實施例1類似的方式制得由鐵基燒結合金制成的樣品。與實施例1的不同之處在于氟化鍶粉末。具體地，比較例I中的氟化鍶粉末是通過從其中氟化鍶溶解在氟化氫中的溶液中沉淀出堿土金屬氟化物粒子而獲得的粉末，其粒子凹凸度為1.0。圖1中示出了凹凸度為1.0的比較例I的氟化鍶粒子的圖像。<切削工具磨損量測量試驗>在進給速率為0.3mm并且切削速度為0.08mm/轉的情況下，使用切削工具(材料:碳化物)對實施例1 和比較例I的樣品進行300道切削加工(一道對應于一個閥座的切削長度)。然后，使用光學顯微鏡，測量切削工具的側面(flank face)的最大磨損深度，作為切削工具磨損量圖2中示出了結果。結果I及其討論與比較例I相比，實施例1中的切削工具磨損量較小。據推測，這是因為包含凹凸度為2至5的粒子的氟化鍶粉末具有易于粘附到鐵基粒子和硬質粒子(易于與鐵基粒子和硬質粒子接合)的形狀，并且待混合的氟化鍶粉末的粒子在燒結用鐵基混合物粉末中可更容易分散(不太可能凝集)。因此，據進一步推測，因為用作易切削組分的氟化鍶粉末分散在自該燒結用鐵基混合物粉末燒結的鐵基燒結合金中的鐵基粒子和硬質粒子之中，所以減小了鐵基燒結合金的切削阻力，并且存在較少的切削工具磨損量。實施例2以與實施例1類似的方式制得由鐵基燒結合金制成的樣品。與實施例1的不同之處在于以下事實:通過改變粉碎條件，制得了粒子凹凸度為2.75(其中，N= 10，粒子凹凸度的平均值:2.75，最小值:2.18，最大值:3.21)的粉末。<顯微鏡觀察>切取實施例2的樣品，并且使用電子顯微鏡觀察其截面。圖3中示出了結果?！锤鞣N組分的測量〉通過X射線原子吸收光譜來測量實施例2的樣品的Sr含量和F含量(添加量)。下表I中給出了結果。應當注意，在表I中給出的值中，理論值表示相對于添加的I質量％的氟化鍶，Sr和F的各自比例(按質量百分數(shù)計)，分析值表示測量的Sr和F的各自比例(按質量百分數(shù)計)。與分析值一起提供的括號中的值表示用各自的理論值除分析值而計算出的值。[表 I]
權利要求
1.一種燒結用鐵基混合物粉末，包含: 鐵基粉末； 石墨粉末； 比所述鐵基粉末硬的硬質粉末；和 金屬氟化物粉末，其中， 關于用下式表示的粒子凹凸度: 粒子凹凸度=(粒子的截面的周長)2/(所述截面的截面積Χ4π)， 所述金屬氟化物粉末的所述粒子凹凸度在2到5的范圍內。
2.根據權利要求1所述的燒結用鐵基混合物粉末，其中所述金屬氟化物粉末包括堿土金屬氟化物粉末。
3.根據權利要求2所述的燒結用鐵基混合物粉末，其中所述堿土金屬氟化物粉末包括氟化鍶粉末。
4.根據權利要求2或3所述的燒結用鐵基混合物粉末，其中相對于所述燒結用鐵基混合物粉末的總量，包含0.5質量％至3質量％的所述堿土金屬氟化物粉末。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的燒結用鐵基混合物粉末，其中所述堿土金屬氟化物粉末的平均粒度在I微米至20微米的范圍內。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的燒結用鐵基混合物粉末，還包含有機硅樹脂。
7.一種鐵基燒結合金，其通過對根據權利要求1至6中任一項所述的燒結用鐵基混合物粉末進行模壓成型來制造壓實體并且進一步燒結所述壓實體燒結而獲得。
全文摘要
提供了燒結用鐵基混合物粉末和使用該燒結用鐵基混合物粉末的鐵基燒結合金，即使在使用金屬氟化物粉末時，也能夠減小鐵基燒結合金的切削阻力并且能夠減緩切削工具壽命的縮短。所述燒結用鐵基混合物粉末包含鐵基粉末、石墨粉末、比鐵基粉末硬的硬質粉末和金屬氟化物粉末。關于用下式表示的粒子凹凸度粒子凹凸度＝(粒子的截面的周長)2/(所述截面的截面積×4π)，金屬氟化物粉末的粒子凹凸度在2到5的范圍內。
文檔編號C22C33/02GK103080349SQ201180041460
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者安藤公彥, 亀甲忠義, 山田聰美 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社精密燒結合金