CN107835864A - 粉末冶金用铁基粉末及粉末冶金用铁基粉末的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种粉末冶金用铁基粉末，其包含铁基粉末和复合氧化物粉末，以质量％计，所述复合氧化物包含：15％到30％的Si，9％到18％的Al，3％到6％的B，0.5％到3％的Mg，2％至6％的Ca，0.01％到1％的Sr和45％到55％的O。

Description

粉末冶金用铁基粉末及粉末冶金用铁基粉末的制造方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金用铁基粉末以及粉末冶金用铁基粉末的制造方法。

本申请要求于2016年2月8日提交的日本专利申请No.2016-022293的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

在专利文献1和专利文献2中公开了将含有铁基粉末的原料粉末与切削性改善用粉末混合，从而提供具有改善的切削性的烧结体，压制该混合粉末以形成成形体，并且烧结该成形体以形成烧结体。作为切削性改善用粉末的具体实例，专利文献1中公开了硫化锰(MnS)粉末和氮化硼(BN)粉末，专利文献2公开了作为CaO-Al₂O₃-SiO₂基复合氧化物粉末的钙长石粉末和钙铝黄长石粉末。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2002-3980

专利文献2：日本未审查专利申请公开No.9-279203

发明内容

本公开的一种粉末冶金用铁基粉末，其包含铁基粉末和复合氧化物粉末，并且

以质量％计，所述复合氧化物包含：

15％到30％的Si，

9％到18％的Al，

3％到6％的B，

0.5％到3％的Mg，

2％至6％的Ca，

0.01％到1％的Sr，和

45％到55％的O。

本公开的制造粉末冶金用铁基粉末的方法为通过将铁基粉末与复合氧化物粉末混合来制造粉末冶金用铁基粉末的方法，所述方法包括以下步骤：

将复合氧化物加热至该复合氧化物的熔点以上，然后进行冷却或快速冷却以制备复合氧化物玻璃料，以质量％计，所述复合氧化物包含：

15％到30％的Si，

9％到18％的Al，

3％到6％的B，

0.5％到3％的Mg，

2％至6％的Ca，

0.01％到1％的Sr，和

45％到55％的O；

将所述复合氧化物玻璃料粗粉碎至平均粒径为20μm以下，以制备粗粉；

通过不使用研磨介质的气流粉碎机将所述粗粉细粉碎至预定的粒径，以制备细粉；和

通过使用能够破碎所述细粉的聚集体的剪切力混合机将所述细粉与所述铁基粉末混合。

附图说明

图1是示出了切削试验1的结果的图表。

图2示出了在切削试验1中切削后，切削工具的切削刃的工具显微镜图像。

图3示出了在切削试验1的切削后，切削工具的后刀面的场致发射扫描型电子显微照片。

图4示意性地示出了根据本实施方案的烧结体在切削过程中复合氧化物的状态。

图5示出了在切削试验2的切削后，样品No.1的表面和截面的场致发射扫描型电子显微照片。

图6示出了在切削试验2中的切削后，试样No.101的表面和截面的场致发射扫描型电子显微照片。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

当将烧结体用于需要高精度的部件、或者当将其形成难以通过使用模具进行加压成型而形成的形状时，会进一步对烧结体进行切削等机械加工，因此烧结体需要具有良好的切削性。

通常已知，以改善切削性的量添加MnS或BN作为切削性改善用粉末会使机械性能降低。遗憾的是，添加CaO-Al₂O₃-SiO₂基复合氧化物粉末作为切削性改善用粉末的切削性改善机理尚未明确，例如，如果工作条件不是最佳条件，则工具的寿命会不期望地变短。

为了满足近来对高效率生产汽车部件的需求，需要通过使用具有足够切削性的烧结体来实现高效加工并延长加工工具的寿命，并且还需要开发提供这种烧结体的材料。

因此，本公开的目的是提供一种粉末冶金用铁基粉末，该铁基粉末提供具有高切削性的铁基烧结体。本公开的另一目的是提供一种用于制造粉末冶金用铁基粉末的方法，其提供具有高切削性的铁基烧结体。

[本公开的效果]

根据本公开，可以提供一种粉末冶金用铁基粉末，其能够提供具有高切削性的铁基烧结体。根据本公开，还可以提供用于制造这种可提供具有高切削性的铁基烧结体的粉末冶金用铁基粉末的方法。

[本发明实施方案的描述]

首先，将列举和描述本发明的实施方案。

(1)根据本发明的实施方案的粉末冶金用铁基粉末，其包含铁基粉末和复合氧化物粉末，并且以质量％计，复合氧化物包含：15％到30％的Si，9％到18％的Al，3％到6％的B，0.5％到3％的Mg，2％至6％的Ca，0.01％到1％的Sr，和45％到55％的O。

主要由于以下三个原因，使用该粉末冶金用铁基粉末得到的铁基烧结体具有高切削性。首先，在铁基烧结体的切削过程中(在使用冷却剂的湿式加工过程中)，在切削工具的切削刃温度(即，约450℃至780℃)下，复合氧化物热软化并覆盖切削工具的切削刃表面以形成保护膜。来源于复合氧化物的保护膜的至少一部分介于铁基烧结体与切削工具之间，因此能够抑制构成元素(特别是除了源自复合氧化物的元素以外的其他构成元素)在铁基烧结体和切削工具之间相互扩散。这可以降低切削工具的扩散磨损。

其次，复合氧化物对Fe(Fe形成了铁基烧结体的基体)的亲和性低于切削工具对Fe的亲和性。由于源自复合氧化物的保护膜的至少一部分介于铁基烧结体和切削工具之间，所以能够抑制Fe黏附在切削工具的切削刃上，因此可以减少切削工具的黏附磨损。

再次，在上述工具切削刃温度下，复合氧化物被热软化并在切削方向上延伸并跟随切削工具的切削刃。切削方向是指切削工具的切削刃相对于工件(烧结体)的运动方向。热软化的复合氧化物起到润滑剂的作用，由此可以降低切削时的加工阻力，因此铁基烧结体具有高切削性。

(2)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，以质量％计，所述复合氧化物还包含选自以下元素中的至少一种元素：0.005％至1％的Na，0.005％到1％的K，0.005％到2％的Ti，和0.005％到5％的Ba。

根据本实施方案，在铁基烧结体的加工点处，在工具切削刃温度下热软化的复合氧化物的粘度能够有效地降低，并且可以提高复合氧化物的流动性。这有助于在切削工具的切削刃表面上形成保护膜，并且还可以提供更好的润滑性。

(3)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述复合氧化物粉末在粉末冶金用铁基粉末中的含量为0.01质量％至0.3质量％。

当在粉末冶金用铁基粉末中含有0.01质量％以上的复合氧化物粉末时，可以提供含有足量复合氧化物粉末的铁基烧结体。在这种情况下，源自复合氧化物的保护膜容易持续形成于切削工具的切削刃表面上，并且还可以提供更好的润滑性。当粉末冶金用铁基粉末中复合氧化物粉末的含量过高时，铁基粉末的含量相对较低，导致强度低。因此，当复合氧化物粉末在粉末冶金用铁基粉末中的含量为0.3质量％以下，则可以提供具有足够强度的烧结体。

(4)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述复合氧化物的软化点为780℃以下，并且其在所述软化点处的粘度为1×10^7.6dPa·s以下。

当复合氧化物的软化点为780℃以下时，在铁基烧结体的加工点处，复合氧化物在工具切削刃温度下的热软化，从而具有更低的粘度和更高的流动性，这有助于在切削工具的切削刃表面上形成保护膜，并且还可以提供更好的润滑性。特别地，当软化点处的粘度为1×10^7.6dPa·s以下时，可以充分确保热软化的复合氧化物的流动性。

(5)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述复合氧化物的玻璃化转变温度为680℃以下。

当复合氧化物的玻璃化转变温度为680℃以下时，则在铁基烧结体的加工点处，复合氧化物在工具切削刃温度下热软化，从而具有更低的粘度和更高的流动性，这有助于在切削工具的切削刃表面上形成保护膜，并且还可以提供更好的润滑性。

(6)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述复合氧化物粉末的平均粒径为10μm以下，该平均粒径不大于所述铁基粉末的平均粒径的1/5，并且所述复合氧化物粉末的最大粒径为20μm以下。

当复合氧化物粉末为细粉末时，即具有10μm以下的平均粒径时，则在铁基烧结体的加工点处，复合氧化物在工具切削刃温度下容易热软化，从而改善了铁基烧结体的切削性。当复合氧化物粉末与铁基粉末相比足够小时，复合氧化物的颗粒容易介于铁基粉末之间，并且复合氧化物粉末容易均匀地分散在铁基烧结体中。均匀分散在铁基烧结体中的复合氧化物粉末有助于提高铁基烧结体的切削性。

(7)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述复合氧化物粉末的平均粒径为5μm以下，该平均粒径不大于所述铁基粉末的平均粒径的1/10，并且所述复合氧化物粉末的最大粒径为10μm以下。

复合氧化物粉末越细，铁基烧结体的切削性越好。

(8)在粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述复合氧化物含有30质量％以上的非晶质成分。

当复合氧化物含有30质量％以上的非晶质成分时，在铁基烧结体的加工点处，复合氧化物在工具切削刃温度下热软化，并且容易表现出润滑性并容易形成保护膜。

(9)在粉末冶金用铁基粉末的一个实施方案中，粉末冶金用铁基粉末还包含以下粉末中的至少一者：石墨粉末，和选自Cu、Ni、Cr和Mo粉末中的至少一种非Fe金属粉末。

将上述任何一种粉末与铁基粉末预先混合可以提供具有更高强度的铁基烧结体。

(10)在含有石墨粉末的粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述石墨粉末的平均粒径为2μm至30μm，并且基于所述粉末冶金用铁基粉末的总量，所述石墨粉末的含量为0.2质量％至3.0质量％。

当具有上述尺寸的石墨粉末的含量在上述范围内时，C可以在烧结期间扩散以实现固溶强化，由此提供具有更高强度的铁基烧结体。

(11)在含有非Fe金属粉末的粉末冶金用铁基粉末的一个示例性实施方案中，所述非Fe金属粉末的平均粒径为10μm至100μm，并且基于所述粉末冶金用铁基粉末的总量，所述非Fe金属粉末的含量为0.5质量％至6.5质量％。

含量在上述范围的具有上述尺寸的非Fe金属粉末的存在可以提高烧结性，并提供具有更高的强度和疲劳特性的铁基烧结体。

(12)根据本发明的一个实施方案的粉末冶金用铁基粉末的制造方法为通过将铁基粉末与复合氧化物粉末混合来制造粉末冶金用铁基粉末的方法，所述方法包括以下步骤：

·将复合氧化物加热至该复合氧化物的熔点以上，然后进行冷却或快速冷却以制备复合氧化物玻璃料，以质量％计，所述复合氧化物包含：15％到30％的Si，9％到18％的Al，3％到6％的B，0.5％到3％的Mg，2％至6％的Ca，0.01％到1％的Sr，和45％到55％的O；

·将所述复合氧化物玻璃料粗粉碎至平均粒径为20μm以下，以制备粗粉；

·通过不使用研磨介质的气流粉碎机将所述粗粉细粉碎至预定的粒径，以制备细粉；和

·通过使用能够破碎所述细粉的聚集体的剪切力混合机将所述细粉与所述铁基粉末混合。

在将粗制复合氧化物加工成细粉之后，通过混合细粉同时破碎其聚集体，使复合氧化物粉末均匀分散在粉末冶金用铁基粉末中。复合氧化物粉末的均匀分散提供了具有高切削性的铁基烧结体。

(13)在粉末冶金用铁基粉末的制造方法的一个实施方案中，所述气流粉碎机为喷射磨。

通过使用喷射磨，能够在短时间内容易地进行微粉碎，因此能够提高生产率。

(14)在粉末冶金用铁基粉末的制造方法的一个示例性实施方案中，所述混合机为双锥式混合机、搅拌混合机或偏心混合机。

通过使用双锥式混合机、搅拌混合机或偏心混合机，能够充分破碎细粉的聚集体，并使复合氧化物粉末均匀地分散在铁基烧结体中。

[本发明的实施方案的细节]

以下将对根据本发明实施方案的粉末冶金用铁基粉末和用于制造粉末冶金用铁基粉末的方法进行更加详细地描述。

[粉末冶金用铁基粉末]

根据一个实施方案的粉末冶金用铁基粉末包含铁基粉末和复合氧化物粉末。粉末冶金用铁基粉末还可以包含以下粉末中的至少一者：石墨粉末，和选自Cu、Ni、Cr和Mo粉末中的至少一种非Fe金属粉末。根据实施方案的粉末冶金用铁基粉末的主要特征在于，复合氧化物包含特定范围内的Si、Al、B、Mg、Ca、Sr和O。复合氧化物可以进一步含有选自Na、K、Ti和Ba中的至少一种元素。将在下面对这些组分进行描述。

<<铁基粉末>>

铁基粉末是由含有铁作为主要成分(铁基粉末的铁(Fe)含量为99.0质量％以上)的颗粒构成的粉末。铁基粉末可以是(例如)：纯铁粉末，如雾化铁粉末或还原铁粉末；预先与合金元素合金化而制备的预合金化钢粉末；或者通过部分扩散使合金元素合金化而制备的部分扩散合金化钢粉末。这些粉末可以单独使用或作为混合物使用。铁基粉末形成烧结体的基体，其中该烧结体通过使用粉末冶金用铁基粉末得到。铁基粉末可以具有约50μm至约150μm的平均粒径(D50直径：基于质量的累积分布曲线中对应于50％处的粒径)，并且基于粉末冶金用铁基粉末的总量，铁基粉末的含量为92.0质量％至99.9质量％。

<<石墨粉末>>

石墨粉末是含有石墨的粉末。当粉末冶金用铁基粉末中包含石墨粉末时，C可以在烧结期间扩散以实现固溶强化，由此提供强度更高的烧结体。石墨粉末的平均粒径可以为约2μm至约30μm，并且基于粉末冶金用铁基粉末的总量，石墨粉末的含量可以为0.2质量％至3.0质量％。

<<非Fe金属粉末>>

非Fe金属粉末是包含选自Cu、Ni、Cr和Mo中的至少一种金属元素的粉末。在粉末冶金用铁基粉末中存在非Fe金属粉末可以提高可烧结性，并提供具有更高的强度和疲劳特性的烧结体。非Fe金属粉末的平均粒径可以为约10μm至约100μm，并且基于粉末冶金用铁基粉末的总量，非Fe金属粉末的含量为0.5质量％至6.5质量％。特别地，在使用Cu粉末作为非Fe金属粉末的情况下，Cu粉末的平均粒径可以为约10μm至约80μm，并且基于粉末冶金用铁基粉末的总量，Cu粉末的含量为0.5质量％至3.0质量％。

<<复合氧化物粉末>>

复合氧化物粉末是由含有多种金属元素的氧化物(复合氧化物)的颗粒构成的粉末。在粉末冶金用铁基粉末中复合氧化物粉末的存在改善了使用粉末冶金用铁基粉末得到的烧结体的切削性。在烧结体的加工点处，复合氧化物粉末在工具切削刃温度下热软化，从而在工具的切削刃表面上形成保护膜并用作润滑剂。热软化的复合氧化物可以降低切削工具的扩散磨损、黏附磨损和切削阻力，并且改善烧结体的切削性。在下面的试验例中将描述源自复合氧化物的保护膜和润滑效果的细节。

(组成)

该复合氧化物含有特定范围的Si、Al、B、Mg、Ca、Sr和O。复合氧化物可以进一步含有特定范围的选自Na、K、Ti和Ba中的至少一种元素。下面将描述元素的含量和效果。将复合氧化物的组成计为100％，元素的含量为相对于复合氧化物的组成的质量比例。

·Si

Si的含量为15质量％至30质量％。Si是有助于提高具有非晶质成分的复合氧化物的强度、并且形成复合氧化物的基础的元素。当Si含量为15质量％以上时，可以成功地产生该效果。Si含量可以为17质量％以上，或者18.5质量％以上。当Si含量为30质量％以下时，可以降低复合氧化物的熔点。Si含量可以为26质量％以下，或者23质量％以下。

·Al

Al的含量为9质量％至18质量％。Al是这样的元素，其可提高复合氧化物的化学耐久性，并提高复合氧化物的稳定性以提高非晶质形成的能力，由此抑制复合氧化物的结晶化。当Al含量为9质量％以上时，可以成功地产生该效果。Al含量可以为11质量％以上，或者12.5质量％以上。若Al含量过高，则复合氧化物的熔融性变差，从而使得粘度上升，导致玻璃化转变温度上升以及软化点上升。如果复合氧化物的玻璃化转变温度和软化点过高时，则在烧结体的加工点处，复合氧化物在工具切削刃温度下不容易热软化，这妨碍了在工具的切削刃表面上形成保护膜，并使得难以产生润滑效果。当Al含量为18质量％以下时，可以降低玻璃化转变温度和软化点，并且可以提供具有更高切削性的烧结体。Al含量可以为16质量％以下，或者15.5质量％以下。

·B

B的含量为3质量％至6质量％。B是有助于提高复合氧化物的熔融性的元素。当B含量为3质量％以上时，可以成功地产生该效果，并且可以降低玻璃化转变温度和软化点。B含量可以为3.5质量％以上，或者4.0质量％以上。当B含量为6质量％以下时，可以确保复合氧化物的化学耐久性。B含量可以为5.8质量％以下，或者5.5质量％以下。

·Mg

Mg的含量为0.5质量％至3质量％。Mg是有助于提高复合氧化物的稳定性的元素。当Mg含量为0.5质量％以上时，可以成功地产生该效果。Mg含量可以为0.8质量％以上，或者1.0质量％以上。当Mg含量为3质量％以下时，容易形成具有非晶质成分的复合氧化物。Mg含量可以为2.7质量％以下，或者2.4质量％以下。

·Ca

Ca的含量为2质量％至6质量％。Ca是有助于提高复合氧化物的稳定性并提高复合氧化物的化学耐久性的元素。当Ca的含量为2质量％以上时，可以成功地产生该效果。Ca含量可以为2.4质量％以上，或者2.8质量％以上。当Ca含量为6质量％以下时，可以抑制粘度的增加。Ca含量可以为5.5质量％以下，或者5.0质量％以下。

·Sr

Sr的含量为0.01质量％至1质量％。Sr是有助于提高复合氧化物的稳定性的元素。当Sr含量为0.01质量％以上时，可以成功地产生该效果。Sr含量可以为0.05质量％以上，或者0.10质量％以上。Sr含量过高时则不能产生上述效果，因此Sr含量为1质量％以下。Sr含量可以为0.7质量％以下，或者0.5质量％以下。

·O

O的含量为45质量％至55质量％。当O含量为45质量％以上时，可以提高复合氧化物的稳定性和化学耐久性。O含量可以为46质量％以上，或者48质量％以上。过高的O含量容易形成粗大的复合氧化物，这会影响烧结体的切削性、强度以及其他性质。当O含量为55质量％以下时，可以提供具有更高的切削性和强度的烧结体。O含量可以为54质量％以下，或者52质量％以下。

·Na、K、Ti、Ba

Na和K是有助于降低玻璃化转变温度并降低粘度的元素。这些元素各自的含量可以为0.005质量％至1质量％。Na含量可以为0.01质量％至0.8质量％，或者0.015质量％至0.06质量％。K含量可以为0.008质量％至0.8质量％，或者0.01质量％至0.5质量％。Ti和Ba是提高复合氧化物的稳定性、并且还提高复合氧化物的化学耐久性的元素。Ti的含量为0.005质量％至2质量％，并且可以为0.15质量％至1.5质量％，或为0.3质量％至1.0质量％。Ba的含量为0.005质量％至5质量％，可以为0.8质量％至4.3质量％，或为1.5质量％至3.6质量％。

(组织)

复合氧化物优选含有30质量％以上的非晶质成分。当复合氧化物含有大量的非晶质成分时，在烧结体的加工点处，复合氧化物在工具切削刃温度下可被热软化并显示出润滑性，并且还可形成源自复合氧化物的保护膜。复合氧化物中的非晶质成分的量可以为50质量％以上，或者70质量％以上。基本上整个复合氧化物可以是非晶质的。可以通过使用场致发射扫描型电子显微镜(FE-SEM)，由铁基基材和复合氧化物之间的对比度差异来确定复合氧化物的位置，然后通过使用透射电子显微镜(TEM)获得电子衍射图并由此确定结晶状态，从而测定复合氧化物中的非晶质成分。

复合氧化物的软化点优选为780℃以下。烧结体加工点处的工具切削刃温度取决于用作工件的烧结体的组成，并且在使用冷却剂的湿式加工中为约450℃至780℃。在稳定加工时，即使工具切削刃温度为约450℃，工具切削刃温度也会局部升高到600℃以上。当复合氧化物的软化点为780℃以下时，则复合氧化物在烧结体加工点处的工具切削刃温度下被热软化，从而具有更高的流动性，由此复合氧化物可以表现出润滑性，并且还可以形成源自复合氧化物的保护膜。当烧结体加工点处的工具切削刃温度为约450℃至700℃时，复合氧化物的软化点可以为700℃以下，600℃以下，或500℃以下。可以通过以下方法测量工具切削刃温度。将光纤插入形成在烧结体中的小孔(约φ1mm)中，并且通过光纤检测发射自烧结体的辐射的波长。通过使用双色温度计由波长确定当切削刃通过孔时切削刃的绝对温度。可以通过热机械分析(TMA)或运动粘度测量来测量软化点。

复合氧化物在上述软化点处的粘度优选为1×10^7.6dPa·s以下。通过具有这样的粘度，能够充分确保热软化的复合氧化物的流动性，并且能够在烧结体的加工点处的工具切削刃温度下有效地表现出润滑性，并且工具的切削刃表面能够被源自复合氧化物的保护膜充分地覆盖。

复合氧化物的玻璃化转变温度优选为680℃以下。当复合氧化物的玻璃化转变温度为680℃以下时，则复合氧化物在烧结体的加工点处的工具切削刃温度下会被热软化，从而具有更低的粘度和更高的流动性，因此复合氧化物可以表现出润滑性，并且还可以形成源自复合氧化物的保护膜。复合氧化物的玻璃化转变温度可以为550℃以下或450℃以下。复合氧化物的玻璃化转变温度可以通过例如差示扫描量热法(DSC)或TMA测量。可选地，可以由复合氧化物的组成计算玻璃化转变温度和软化点，或者可以使用(例如)热力学平衡计算软件和热力学数据库FactStage来计算玻璃化转变温度和软化点。

复合氧化物粉末优选具有10μm以下的平均粒径。当复合氧化物粉末为细粉末时，复合氧化物在烧结体的加工点处的工具切削刃温度下容易被加热，因此容易软化，从而提高烧结体的可切削性。更优选的是，复合氧化物粉末具有5μm以下的平均粒径，还更优选为3μm以下，特别优选为1.2μm以下。复合氧化物粉末的最大粒径优选为20μm以下，更优选为15μm以下，进一步优选为10μm以下。当复合氧化物粉末的平均粒径为0.2μm以上、或者0.4μm以上时，复合氧化物粉末在其制造过程中易于处理。

复合氧化物粉末的平均粒径优选不大于铁基粉末的平均粒径的1/5。当复合氧化物粉末与铁基粉末相比足够小时，复合氧化物的颗粒容易介于铁基粉末之间，并且复合氧化物粉末容易均匀地分散在烧结体中。均匀分散在烧结体中的复合氧化物粉末有助于提高烧结体的切削性。复合氧化物粉末的平均粒径更优选不大于铁基粉末的平均粒径的1/10，进一步优选不大于铁基粉末的平均粒径的1/20。

(含量)

粉末冶金用铁基粉末中复合氧化物粉末的含量优选为0.01质量％至0.3质量％。在粉末冶金用铁基粉末中含有0.01质量％以上的复合氧化物粉末的情况下，复合氧化物粉末不会聚集，并且趋于均匀分散在烧结体中。在这种情况下，可以在工具的切削刃表面上持续形成源自复合氧化物的保护膜，并且该保护膜可以减小切削工具的扩散磨损和黏附磨损。另外，可以有效地发挥润滑效果，从而降低切削时的加工阻力。当粉末冶金用铁基粉末中复合氧化物粉末的含量过高时，复合氧化物粉末趋于聚集，因此可能局部形成粗大的复合氧化物。在这种情况下，会提供具有更低强度的烧结体。因此，当粉末冶金用铁基粉末中的复合氧化物粉末的含量为0.3质量％以下时，则可以提供具有足够强度的烧结体。粉末冶金用铁基粉末中的复合氧化物粉末的含量可以为0.03质量％至0.22质量％，或者0.05质量％至0.16质量％。

<<其他>>

除了上述粉末之外，粉末冶金用铁基粉末还可以含有用作成形用润滑剂的有机物质。有机物质的实例包括硬脂酸锌、硬脂酰胺、亚乙基双硬脂酸酰胺、油酸酰胺、棕榈酸酰胺、山俞酸酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钠和硬脂酸铝。以粉末冶金用铁基粉末的总量为100质量％计，有机物质的含量优选为约0.3质量％至约1.2质量％。0.3质量％以上的有机物质可以减少与模具的摩擦并且可以提高生产率。1.2质量％以下的有机物质可以使得成形体密度的降低很少，因此烧结体的密度降低很少。有机物质的含量可以为0.5质量％至1.0质量％。当采用模具润滑成形(其中将润滑剂涂布于模具)时，添加至粉末冶金用铁基粉末的润滑剂的量可以为0.3质量％以下。

[粉末冶金用铁基粉末的制造方法]

根据本实施方案的粉末冶金用铁基粉末典型地可以通过如下方法制备：制备复合氧化物玻璃料，粗粉碎玻璃料以制备粗粉，将粗粉细粉碎以制备细粉，并将细粉末与铁基粉末混合，从而制成混合粉末(粉末冶金用铁基粉末)。

·复合氧化物玻璃料的制备

将含有在特定范围内的Si、Al、B、Mg、Ca、Sr和O的复合氧化物加热到其熔点以上的温度，然后冷却或快速冷却以制备复合氧化物玻璃料。复合氧化物可以进一步含有在特定范围内的选自Na、K、Ti和Ba中的至少一种元素。这些元素的含量与上述复合氧化物粉末中的元素的含量相同。可以根据复合氧化物的组成适当设定加热温度，并且其可以为约1,000℃至1,700℃。

·通过粗粉碎玻璃料制备粗粉

将复合氧化物玻璃料粗粉碎至平均粒径为20μm以下，以制备复合氧化物粗粉。粗粉碎可以是(例如)使用颚式破碎机、辊式破碎机、捣碎机、布朗磨机(Brown mill)或球磨机的机械粉碎。

·通过细粉碎粗粉制备细粉

将复合氧化物粗粉细研磨至预定的粒径以制备细粉。通过不使用研磨介质的气流粉碎机进行细粉碎。气流粉碎机可以是例如喷射磨。在不存在研磨介质的情况下进行细粉碎可以防止污染，实现没有残留粗颗粒的粉碎，并抑制过度细粉碎。

·通过将细粉与铁基粉末混合来生产混合粉末

将复合氧化物细粉与铁基粉末混合以制备混合粉末(粉末冶金用铁基粉末)。可以任选地将石墨粉末和/或选自Cu、Ni、Cr和Mo粉末中的至少一种非Fe金属粉末与混合粉末混合。通过使用能够破碎细粉的聚集体的剪切力混合机进行强制搅拌和混合，从而进行粉末的混合。混合机可以是(例如)双锥式混合机、搅拌混合机或偏心混合机。强制搅拌和混合粉末可以使复合氧化物细粉均匀地分散在铁基粉末中。可通过两步混合法将粉末混合，该两步混合法包括：将复合氧化物粉末与石墨粉末(其比重与复合氧化物的比重相当)预混合以制备预混粉末；并将预混粉末与铁基粉末以及任选的非铁金属粉末混合。

[烧结体的制造方法]

烧结体通常可以通过以下方法制备，该方法包括：对通过上述制造方法得到的粉末冶金用铁基粉末进行压缩成形，从而制作成形体，并且烧结该成形体，以制造烧结体。

·成形体的制备

首先，将通过上述制造方法得到的粉末冶金用铁基粉末填充至模具中并进行压缩成形，从而制备成形体。成形压力可以为例如约400MPa至约1,200MPa。通过调整模具型腔的形状，可以获得复杂形状的成形体。

·烧结体的制造

将上述成形体在氮气或变换气体气氛(converted gas atmosphere)中、约1,000℃至1,350℃下烧结约10分钟至120分钟，从而制造烧结体。

[应用]

根据实施方案的粉末冶金用铁基粉末适合用于各种铁基烧结体。根据实施方案的用于制造粉末冶金用铁基粉末的方法可以用于铁基烧结体的制造等领域。

[试验例1]

使用含有铁基粉末和复合氧化物粉末的粉末冶金用铁基粉末来制造烧结体，并对该烧结体进行切削试验。

·样品No.1和101

提供铁基粉末、石墨粉末、Cu粉末和复合氧化物粉末作为原料粉末。铁基粉末含有Fe、0.18质量％的Mn和0.004质量％的S。铁基粉末的平均粒径为74.55μm。试验例中的平均粒径是通过Microtrac法(激光衍射/散射)测定的D50直径(基于质量的累积分布曲线中对应于50％处的粒径)。铁基粉末的D10直径(基于质量的累积分布曲线中对应于10％处的粒径)为31.39μm，D95直径(基于质量的累积分布曲线中对应于95％处的粒径)为153.7μm，并且最大粒径为228.2μm。石墨粉末的平均粒径，即D50直径为28μm。Cu粉末的平均粒径，即D50直径为30μm。

所使用的复合氧化物粉末由具有表1所示组成的复合氧化物构成。表1所示的各复合氧化物的含量为相对于复合氧化物的组成的质量比例，其中复合氧化物的组成以100％计。各复合氧化物粉末的平均粒径，即D50直径为0.87μm。各复合氧化物粉末的D10直径为0.55μm，D95直径为3.30μm，最大粒径为10.09μm。各复合氧化物粉末通过如下方法制备：将具有表1所示组成的复合氧化物加热至熔点以上，然后进行冷却从而制备复合氧化物玻璃料，用球磨机粗粉碎该复合氧化物玻璃料，然后用喷射磨细粉碎所述粗粉。对于得到的各复合氧化物粉末，使用FE-SEM，根据复合氧化物粉末与铁基基材之间的对比度的差异确定其位置，然后通过使用TEM获得电子衍射图并由此确定结晶状态，从而测定复合氧化物中非晶质成分的量为35质量％。

如此提供的上述粉末，使得铁基粉末、Cu粉末、石墨粉末和复合氧化物粉末的质量比为97.1:2.0:0.8:0.1，并进一步添加成形润滑剂，其中相对于该粉末的总质量，成形润滑剂的质量比为0.8，并且使用搅拌混合机进行混合以制备混合粉末(粉末冶金用铁基粉末)。在混合中，可以将润滑剂涂布至模具而不是混合成形润滑剂，即有机物质。

将混合粉末填充至模具中，并在700MPa的压力下进行压缩成形，从而制作外径60mmφ、内径10mmφ、高度40mm的圆筒状成形体。

将该成形体在变换气体气氛中、1,130℃下热处理15分钟，从而制得烧结体(样品No.1至3和No.101)。

·样品No.111

样品No.111是使用这样的粉末冶金用铁基粉末得到的样品，该粉末冶金用铁基粉末含有铁基粉末、石墨粉末、Cu粉末作为原料粉末，并且不含复合氧化物粉。其他条件与样品No.1至3相同。

<<机械性能>>

由样品No.1至3、101和111的各烧结体制作用于机械性能试验的试样，并测定洛氏硬度HRB、维氏硬度Hv、横向断裂强度TRS。使用市售的硬度计以B标尺测量洛氏硬度。通过三点弯曲测量横向断裂强度。结果如表2所示。结果表明，是否存在复合氧化物对烧结体的机械性能没有影响。

[表2]

<<切削试验1>>

使用车床切削样品No.1至3、101和111的各烧结体的侧表面。在以下条件下使用各种切削工具进行切削：切削速度200m/min；进给速度0.1mm/转；切削深度0.2mm；湿式。所使用的切削工具是：刀尖半径为0.8mm、前角为0°的烧结硬质合金刀片；刀尖半径为0.8mm、前角为0°的金属陶瓷刀片；以及配备有刀尖半径为1.2mm、前角为0°的立方氮化硼(CBN)刀片的工具。当使用烧结硬质合金刀片或金属陶瓷刀片时，切削长度为2,500mm，当使用CBN刀片时，切削长度为4,500mm。

·切削工具的后刀面磨损量

对于各烧结硬质合金、金属陶瓷和CBN切削工具，切削后测量后刀面磨损量。具体而言，在工具显微镜下观察切削后的切削工具的切削刃，使用千分尺测定磨损量。结果如图1所示。

图1表明，当使用上述切削工具切削样品No.1至3(各样品均包含软化点为780℃以下的复合氧化物粉末)时，其后刀面磨损量小于切削样品No.101(其含有软化点为1,000℃的复合氧化物粉末)和样品No.111(不含复合氧化物粉末)的后刀面磨损量。在使用烧结硬质合金切削工具切削样品的情况中，与样品No.101相比，后刀面磨损量减少多达约76％(样品No.1)、约75％(样品No.2)和约76％(样品No.3)。类似地，与样品No.111相比，后刀面磨损量减少多达约66％(样品No.1)、约65％(样品No.2)和约65％(样品No.3)。在使用CBN切削工具切削样品的情况中，与样品No.101相比，后刀面磨损量减少多达约59％(样品No.1)、约55％(样品No.2)和约57％(样品No.3)。类似地，与样品No.111相比，后刀面磨损量减少多达约72％(样品No.1)、约70％(样品No.2)和约71％(样品No.3)。在使用金属陶瓷切削工具切削样品的情况中，与样品No.101相比，后刀面磨损量减少多达约78％(样品No.1)、约77％(样品No.2)和约77％(样品No.3)。类似地，与样品No.111相比，后刀面磨损量减少多达约76％(样品No.1)、约75％(样品No.2)和约75％(样品No.3)。

·切削工具的切削刃的观察

例如，在切削后观察硬质合金切削工具的切削刃。图2示出了在切削样品No.2和样品No.111之后切削工具的切削刃的工具显微镜图像。图2中，上半部分示出了前刀面，下半部分示出了后刀面。在用于切削样品No.2的切削工具的切削刃中，几乎没有发现黏附磨损。相反，在用于切削样品No.111的切削工具的切削刃中，发现了显著的黏附磨损。

切削工具的切削刃的黏附磨损的一个原因在于，在烧结体的加工点处的工具切削刃温度下，烧结体的构成元素和切削工具的构成元素彼此相互扩散，并且烧结体的构成元素黏附到切削工具上。因此，对切削工具表面上的黏附物进行检查。图3示出了在切削样品No.2和样品No.111之后，切削工具的后刀面的场致发射扫描型电子显微照片(150X)。在用于切削样品No.2的切削工具的后刀面上没有发现黏附物。相反，在用于切削样品No.111的切削工具的后刀面上发现厚的黏附物。分析黏附物，发现其包含Fe，这归因于构成烧结体(其用作工件)的基体的Fe的黏附。

由此发现，在样品No.2的烧结体中，抑制了构成烧结体基体的Fe在切削工具上的黏附，因此减少了切削工具的黏附磨损，并且减少了切削工具的后刀面磨损量。还发现样品No.1和3的烧结体呈现相同的现象。将参考图4描述在样品No.1至3的烧结体中能够抑制Fe在切削工具上的黏附的机制。

当用切削工具100分别切削样品No.1至3的烧结体1(以下简称为烧结体)时，取决于烧结体1组成的不同，切削工具100的切削刃温度升高到约450℃至780℃。如图4中的上图所示，随着切削工具100的切削刃温度的升高，烧结体1的构成元素与切削工具100的构成元素在彼此间相互扩散。烧结体1包含具有特定组成的复合氧化物20，当切削工具100与复合氧化物20接触时，复合氧化物20在上述工具切削刃温度下发生热软化。热软化的复合氧化物20具有更低的粘度和更高的流动性，因此如图4的中间部分所示，其覆盖了切削工具100的切削刃表面，从而形成保护膜120。至少部分的保护膜120介于烧结体1(基体部10)和切削工具100之间，从而起到抑制构成元素、特别是源自复合氧化物的元素以外的其他构成元素在烧结体1和切削工具100之间相互扩散的作用。当进一步切削烧结体1时，形成在切削刃表面上的保护膜120沿着切削工具100的后刀面和前刀面延伸，从而形成滞留部分140并黏附，如图4的下部所示。由于复合氧化物20均匀分散在烧结体1中，因此持续进行以下循环：(1)切削工具100与复合氧化物20接触；(2)复合氧化物20热软化从而形成保护膜120；(3)具有保护功能的保护膜120形成滞留部分140。由于复合氧化物20的这种状态，总能在切削工具100的切削刃表面上形成保护膜120，其结果是，能够抑制Fe在切削工具100上的黏附。

<<切削试验2>>

用车床切削样品No.2和101的各烧结体的侧表面。使用包括金属陶瓷切槽工具的切削工具在以下条件下进行切削：切削速度200m/min；进给速度0.1mm/转；切削深度0.2mm；湿式。

·烧结体的加工截面的观察

为了检查复合氧化物的组成对切削性的影响，切削后观察烧结体的加工截面。图5示出切削后样品No.2的表面、和在该表面中观察到的复合氧化物的截面的场致发射扫描型电子显微照片(10,000X)，其中该横截面是通过聚焦离子束(FIB)处理获得的。在样品2的表面发现的深色部分是复合氧化物。如截面中所示，样品2的复合氧化物具有这样的形状：其具有埋没在烧结体中距表面约3μm以内的表面区域中的部分，并且还具有自该埋没部分起沿着切削方向延伸并暴露在表面上的暴露延伸部分。换句话说，在样品No.2中，复合氧化物在切削方向上延伸。

图6示出了切削后样品No.101的表面、和在该表面中观察到的复合氧化物的截面的场致发射扫描型电子显微照片(10,000X)，其中该截面是通过FIB处理获得的。在样品No.101的表面发现的深色部分是复合氧化物。样品No.101的复合氧化物不具有在切削方向上延伸的部分并具有裂纹。换句话说，在样品No.101中，复合氧化物没有在切削方向上延伸，并且具有裂纹。

由上述结果发现，在样品No.2的烧结体中，由于复合氧化物具有特定的组成，因此具有低玻璃化转变温度和低软化点，进而在切削时的工具切削刃温度下，复合氧化物热软化并沿着切削方向延伸。这种热软化的复合氧化物可起到润滑剂的作用，从而降低了切削时的切削阻力。还发现样品No.1和3的烧结体呈现相同的现象。以下将参考图4说明样品No.1至3的烧结体中复合氧化物沿切削方向延伸的机理。

当用切削工具100分别切削样品No.1至3的烧结体1(以下简称为烧结体)时，取决于烧结体1组成的不同，切削工具100的切削刃温度升高到约450℃至780℃。当切削工具100与复合氧化物20接触时，复合氧化物20在上述工具切削刃温度下热软化，使得其具有更低的粘度和更高的流动性。如图4的下部所示，热软化的复合氧化物20以沿着切削工具100的切削刃的方式延伸，并且随后变形为不规则形状，该不规则形状具有：位于远离切削工具100的烧结体1内部的基体部10中的埋没部分21；和自埋没部分21起在切削方向上延伸并暴露在表面上的暴露延伸部分22。由于复合氧化物20均匀地分散在烧结体1中，所以切削工具100总是与复合氧化物20的暴露延伸部分22接触。复合氧化物20可以用作润滑剂以提供更好的切削性。

<<切削试验3>>

对样品No.1至3、101和111的各烧结体反复进行与上述切削试验2相同的切削试验直到切削工具磨损，从而造成加工表面出现浑浊或剥离、或者加工端面出现毛刺等品质异常为止。由被切削的烧结体的数量来确定工具寿命。经确定，工具寿命如下：样品No.1，249个；样品No.2，244个；样品No.3，245个；样品No.101，47个；和样品No.111，95个，这表明样品1至3的烧结体实现了显著改善的工具寿命。

上述切削试验的结果表明，通过在烧结体中存在具有特定组成的复合氧化物，可以提供更高的切削性和更长的工具寿命。这是因为，如“切削工具的切削刃的观察”和“烧结体的加工截面的观察”中所述，在烧结体的切削过程中，复合氧化物在工具切削刃温度下热软化，从而发挥以下两个功能。(1)热软化的复合氧化物覆盖切削工具的切削刃表面以形成保护膜，并且该膜抑制Fe黏附至切削工具，从而减少了黏附磨损。(2)热软化的复合氧化物以沿着切削工具的切削刃的方式延伸，其结果是，复合氧化物充当了润滑剂，从而降低了切削时的切削阻力。

本发明不应被解释为局限于上述说明，并且其由所附权利要求所限定。在权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都将被包括在其范围内。例如，在上述试验例中，可以改变粉末冶金用铁基粉末的组成、粒径和生产条件中的至少一者。关于组成，例如，可以改变选自Si、Al、B、Mg、Ca、Sr和O中的至少一种元素的含量，或者可以包含特定范围内的选自Na、K、Ti和Ba中的元素。

参考符号列表

1：烧结体

10：基部，20：复合氧化物,21：埋没部分，22：暴露延伸部分

100：切削工具，120：保护膜，140：滞留部分。

Claims (14)

1.一种粉末冶金用铁基粉末，其包含铁基粉末和复合氧化物粉末，

其中，以质量％计，所述复合氧化物包含：

15％到30％的Si，

9％到18％的Al，

3％到6％的B，

0.5％到3％的Mg，

2％至6％的Ca，

0.01％到1％的Sr，和

45％到55％的O。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，

其中，以质量％计，所述复合氧化物还包含选自以下元素中的至少一种元素：

0.005％至1％的Na，

0.005％到1％的K，

0.005％到2％的Ti，和

0.005％到5％的Ba。

3.根据权利要求1或2所述的粉末冶金用铁基粉末，其中所述复合氧化物粉末在所述粉末冶金用铁基粉末中的含量为0.01质量％至0.3质量％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，

其中所述复合氧化物的软化点为780℃以下，并且其在所述软化点处的粘度为1×10^7.6dPa·s以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中所述复合氧化物的玻璃化转变温度为680℃以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，

其中所述复合氧化物粉末的平均粒径为10μm以下，该平均粒径不大于所述铁基粉末的平均粒径的1/5，并且所述复合氧化物粉末的最大粒径为20μm以下。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，

其中所述复合氧化物粉末的平均粒径为5μm以下，该平均粒径不大于所述铁基粉末的平均粒径的1/10，并且所述复合氧化物粉末的最大粒径为10μm以下。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中所述复合氧化物含有30质量％以上的非晶质成分。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，还包含以下粉末中的至少一者：石墨粉末，和选自Cu、Ni、Cr和Mo粉末中的至少一种非Fe金属粉末。

10.根据权利要求9所述的粉末冶金用铁基粉末，其中所述石墨粉末的平均粒径为2μm至30μm，并且基于所述粉末冶金用铁基粉末的总量，所述石墨粉末的含量为0.2质量％至3.0质量％。

11.根据权利要求9或10所述的粉末冶金用铁基粉末，其中所述非Fe金属粉末的平均粒径为10μm至100μm，并且基于所述粉末冶金用铁基粉末的总量，所述非Fe金属粉末的含量为0.5质量％至6.5质量％。

12.一种通过将铁基粉末与复合氧化物粉末混合来制造粉末冶金用铁基粉末的方法，所述方法包括以下步骤：

将复合氧化物加热至该复合氧化物的熔点以上，然后进行冷却或快速冷却以制备复合氧化物玻璃料，以质量％计，所述复合氧化物包含：

15％到30％的Si，

9％到18％的Al，

3％到6％的B，

0.5％到3％的Mg，

2％至6％的Ca，

0.01％到1％的Sr，和

45％到55％的O；

将所述复合氧化物玻璃料粗粉碎至平均粒径为20μm以下，以制备粗粉；

通过不使用研磨介质的气流粉碎机将所述粗粉细粉碎至预定的粒径，以制备细粉；和

通过使用能够破碎所述细粉的聚集体的剪切力混合机将所述细粉与所述铁基粉末混合。

13.根据权利要求12所述的制造粉末冶金用铁基粉末的方法，其中所述气流粉碎机为喷射磨。

14.根据权利要求12或13所述的制造粉末冶金用铁基粉末的方法，其中所述混合机为双锥式混合机、搅拌混合机或偏心混合机。