JP3871781B2 - 金属質粉成形素材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結金属による各種構造用機械部品を得るために好適な、金属質粉成形素材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼結金属を得る工程の基本は、原料粉末の混合−圧粉成形−焼結−後処理（熱処理等）である。前記工程のみで製品が得られる場合もあるが、多くの場合、各工程の間または後に、目的に応じて追加加工や各種処理が施される。
【０００３】
例えば、特開平１−１２３００５号公報には、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために、混合した粉末を圧粉成形して予備成形体を形成し、この予備成形体を仮焼結して成形素材を形成した後、この成形素材を再圧縮成形（冷間鍛造）し、焼結（本焼結）する製造方法が開示してある。
【０００４】
詳しくは、前記成形素材の再圧縮成形（冷間鍛造）工程を仮圧縮成形工程と本圧縮成形工程とから構成してなり、成形素材の表面には液状潤滑剤を塗布して仮圧縮成形した後、成形素材に負圧を作用させて潤滑剤を吸引除去し、その後成形素材を本圧縮成形するようにしてある。
【０００５】
これによって、前記予備成形体の内部に残留する潤滑剤が予備成形体内部の微小空隙の圧潰消滅を妨げてポーラス状となることを防止することにより、製品の密度を７．４〜７．５ｇ／ｃｍ 3 に高め、従来に比較して機械的強度の高い製品が得られるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来例にあっては、成形素材の再圧縮成形工程に着目して、この再圧縮成形での密度を高めることによって、比較的に機械的強度の高い製品を得るようにしているのであるが、これによって得られる製品の機械的強度には限界がある。
【０００７】
そこで、更に製品の機械的強度を高めるためには、製品の炭素量、即ち金属粉に添加する黒鉛の量を増加させることが効果的であると考えられるけれども、一般には、黒鉛の量を増加させると成形素材の伸びが小さくなると共に、硬さが増すから、成形素材を再圧縮成形する場合の変形能が低下し、再圧縮成形が困難となる問題が招来することになる。
【０００８】
例えば、第２回粉末冶金開発事例発表会講演テキスト（昭和６０年１１月１５日、日本粉末冶金工業会発行）９０頁の記載によれば、炭素量が０．０５〜０．５％の成形素材において、伸びは最大でも１０％であり、この場合の硬さはＨＲＢ８３となることが示されている。しかしながら、前記成形素材の伸びが１０％以下で、硬さがＨＲＢ６０を超えると、成形素材の再圧縮成形が困難となることは経験が教えるところであり、このため、更に伸びが大きく、硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材を得ることが望まれていた。
【０００９】
発明者等は、焼結金属による機械的強度の高い構造用各種機械部品を得るための研究を重ねており、それによれば、予備成形体を仮焼結して成形素材を形成して、この成形素材を再圧縮成形し、本焼結することによって機械部品を得る場合に、成形素材は、再圧縮成形の容易さと、得られる機械部品の機械的性質を決定する重要な因子を担っており、このためには、所定量の黒鉛を含有し、伸びが大きく、硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材を得ることが必要であることを認め、研究を進めた。
【００１０】
研究の結果、前記所定量の黒鉛を含有した成形素材の性質、とりわけ成形素材の再圧縮成形の容易さのために重要な性質である伸び及び硬さは、この成形素材を形成する前の予備成形体の密度と、この予備成形体を焼結して得られる成形素材の組織、とりわけ成形素材中に含まれる黒鉛の形態によって決定されることを知見した。
【００１１】
本発明は前記従来の実情に鑑みて案出されたもので、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために好適な、所定量の黒鉛が含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する金属質粉成形素材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ 3 以上の予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結してなり、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有して、伸びが１０％以上で且つ硬さがＨＲＢ６０以下である構成にしてある。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を成形ダイスの成形空間内に充填する工程と成形ダイスの成形空間が、上パンチが挿入される大径部と、下パンチが挿入される小径部と、これら大径部と小径部とを繋ぐテーパ部と、上パンチ及び下パンチの一方または両方が、成形ダイスの成形空間に臨む端面の外周端部に、成形空間の容積を増大させる切欠きを備え、上パンチおよび下パンチで加圧する工程と、成形工程で得られた予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を得る工程と、からなる構成にしてある。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結してなり、金属粉の組織は全体がフェライト組織又は黒鉛の近傍にパーライトが析出している組織を有する構成にしてある。
【００１５】
請求項１記載の発明において、本発明の金属質粉成形素材（以下、成形素材という）は、金属質粉を圧粉成形して得られる予備成形体を、８００〜１０００℃の温度で仮焼結して得られる。
【００１６】
前記金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を再圧縮成形、再焼結して得られる機械部品の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００１７】
前記予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、この予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができ、請求項１記載の発明においては、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さはＨＲＢ６０以下とされる。
【００１８】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の組織は、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織とされる。これは、前記金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態を示している。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００１９】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００２０】
また、前記仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００２１】
したがって、請求項１記載の発明によれば、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために好適な、所定量の黒鉛が含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００２２】
また、請求項１記載の発明によれば、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さはＨＲＢ６０以下とされるから、従来よりも優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００２３】
請求項２記載の発明において、前記予備成形体は成形工程によって得られ、成形素材は成形工程で得られた予備成形体を焼結工程で仮焼結して得られる。
【００２４】
前記成形工程で圧粉成形する金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を再圧縮成形、再焼結して得られる機械部品の機械的強度を鋳鍛造材と同程度に高めることができる。
【００２５】
前記成形工程で形成される予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、この予備成形体を焼結工程で仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができる。
【００２６】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体を焼結工程で仮焼結することによって、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織をもった成形素材が得られる。前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態では、金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態となる。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記焼結工程で仮焼結された成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００２７】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、焼結工程での仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００２８】
また、前記焼結工程の仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００２９】
また、前記予備成形体の成形工程は、請求項２記載の発明にあっては、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧して行われる。この場合に、前記予備成形体は全体として７．３ｇ／ｃｍ3以上の高密度となり、予備成形体と成形ダイスとの摩擦が大きくなるけれども、上パンチ及び下パンチの一方または両方に設けた切欠き部分で、予備成形体の密度が局部的に低密度となって摩擦が低下することになる。このため、前記予備成形体は成形ダイスの成形空間に形成されたテーパ部の作用と相俟って、成形ダイスから容易に離型され、密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体が容易に得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳述する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態を示す金属質粉成形素材の製造工程説明図、図２は予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取り出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取り出す状態（ｄ）で示す説明図、図３は黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図４は成形素材の組織を示す図面、図５は密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図６は密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図７は密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図８は密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図９は粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１０は粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１１は試験片を、平面図（ａ）及び側面図（ｂ）で示す図面である。
【００３２】
図において１は成形工程、２は焼結工程で、本発明の成形素材Ｓは、これら成形工程１と焼結工程２とを経て得られる。前記成形素材Ｓは再圧縮成形（例えば冷間鍛造）された後、再焼結され、所定の機械部品が得られることになる。
【００３３】
先ず、前記成形工程１では、この実施の形態において図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、金属質粉３を成形ダイス４の成形空間５内に充填し、上パンチ６及び下パンチ７で加圧して、予備成形体８を得る。この場合に、前記金属質粉３及び成形ダイス４は常温状態にある。
【００３４】
詳しくは、前記金属質粉３は、鉄を主成分とする金属粉３ａに０．３重量％以上の黒鉛３ｂを混合して形成される。前記金属質粉３に添加する黒鉛３ｂの量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材Ｓを再圧縮成形、再焼結して得られる機械部品の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００３５】
前記金属質粉３が充填される成形ダイス４の成形空間５は、上パンチ６が挿入される大径部９と、下パンチ７が挿入される小径部１０と、これら大径部９と小径部１０とを繋ぐテーパ部１１とを備えている。
【００３６】
前記成形ダイス４の成形空間５内に挿入される上パンチ６及び下パンチ７の一方または両方、この実施の形態においては上パンチ６には、成形ダイス４の成形空間５に臨む端面１２の外周端部に、成形空間５の容積を増大させる切欠き１３が形成してある。前記切欠き１３はこの実施の形態において断面が鉤形で環状に形成してある。
【００３７】
１４は前記成形ダイス４の成形空間５内に挿入されるコアで、このコア１４によって、成形空間５内で形成される予備成形体８は略円筒状に形成されることになる。
【００３８】
前記成形工程１は、先ず、成形ダイス４の成形空間５内に鉄を主成分とする金属粉３ａに０．３重量％以上の黒鉛３ｂを混合してなる金属質粉３を充填する（図２（ａ）参照）。
【００３９】
次に、前記成形ダイス４の成形空間５内に上パンチ６及び下パンチ７を挿入して金属質粉３を加圧する。詳しくは、前記上パンチ６が成形空間５の大径部９内に挿入され、下パンチ７が成形空間５の小径部１０内に挿入されて加圧される。このとき、前記切欠き１３が形成された上パンチ６は大径部９内で停止するようになっている（図２（ｂ）参照）。
【００４０】
前記金属質粉３が加圧され、圧粉成形された後、上パンチ６を後退（上昇）させると共に、成形ダイス４を下降させ（図２（ｃ）参照）、圧粉成形された予備成形体８を成形空間５内から取り出す（図２（ｄ）参照）。
【００４１】
ところで、一般に、金属質粉を圧粉成形する場合には、圧粉成形品の密度が高くなるにつれて、圧粉成形品と成形型との間の摩擦が増大することや、圧粉成形品のスプリングバック等によって、成形型内から圧粉成形品を取り出すことが困難となる。このため、高密度の圧粉成形品を得ることが困難であるとされているところ、前記成形工程１においてはこれが有利に解決される。
【００４２】
即ち、前記成形ダイス４の成形空間５はテーパ部１１を備えているから、このテーパ部１１が所謂抜き勾配となって、圧粉成形された予備成形体８の取り出しが容易に行える。また、前記上パンチ６には、成形ダイス４の成形空間５に臨む端面１２の外周端部に、成形空間５の容積を増大させる切欠き１３が形成してあるから、この切欠き１３の部分で局部的に予備成形体８の密度が低くなり、予備成形体８と成形ダイス４との間の摩擦や、予備成形体８のスプリングバック等が低く抑えられ、予備成形体８の取り出しが容易になる。
【００４３】
これによって、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体８を容易に得ることができる。
【００４４】
前記予備成形体８の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、この予備成形体８を焼結工程２で仮焼結して得られる成形素材Ｓ（後に詳述する）の伸びを大きくすることができる。即ち、図３に示すように、前記予備成形体８の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、成形素材Ｓの伸びを１０％以上とすることができるのである。
【００４５】
次に、前記成形工程１で得られた予備成形体８を焼結工程２で仮焼結する。これによって、図４に示すように、金属粉３ａの粒界に黒鉛３ｂが残留している組織を持った成形素材Ｓが得られる。前記金属粉３ａの粒界に黒鉛３ｂの全部が残留している場合には、金属粉３ａの組織は全体がフェライト（Ｆ）組織であり、黒鉛３ｂの一部が残留している場合には、金属粉３ａの組織は、フェライト地に、黒鉛３ｂの近傍にパーライト（Ｐ）が析出した組織を呈する。少なくとも、前記金属粉３ａの全体がパーライト組織であったり、金属粉３ａの結晶粒界に黒鉛３ｂが析出した組織とはなっていない。このため、前記成形素材Ｓは伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００４６】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体８では金属粉３ａ粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後に伸びが大きな成形素材Ｓが得られる。即ち、前記金属粉３ａの粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが空隙を介して予備成形体８の内部に深く侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって大きな伸びが得られる。このことは、前記成形素材Ｓの伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることにより、黒鉛３ｂの量の影響を殆ど受けないことを示している。これは、前記予備成形体８を仮焼結するときに、炭素の拡散が殆ど生じないからである。また、前記予備成形体８を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材Ｓの硬さも低く抑えられることになる。
【００４７】
また、前記焼結工程２によって、金属粉３ａの粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸び、好ましくは１０％以上の伸びが得られることになるのである。
【００４８】
前記焼結工程２の仮焼結温度は、好ましくは８００〜１０００℃の温度が選択される。前記焼結工程２の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、この焼結工程２を経て得られる成形素材Ｓを再圧縮成形（例えば冷間鍛造）して所定形状の製品を得る場合に、この再圧縮成形での変形抵抗を小さくして成形加工を容易にするために、成形素材Ｓに優れた変形能が付与される。即ち、図５及び図６に示すように、前記予備成形体８を８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、伸びが１０％以上の成形素材Ｓが得られる。また、図７及び図８に示すように、８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、硬さがＨＲＢ６０以下の成形素材Ｓが得られる。前記成形素材ＳのＨＲＢ６０以下の硬さは、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼を焼鈍して得られる硬さよりも軟らかいものである。
【００４９】
また、前記成形素材Ｓの降伏応力は、図９及び図１０に示すように、仮焼結温度が８００〜１０００℃の範囲において２０２〜２７２ＭＰａとなり、この値は、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼の降伏応力よりも小さな値となる。
【００５０】
したがって、所定量の黒鉛３ｂが含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材Ｓ及びその製造方法が得られる。
【００５１】
また、前記成形工程１の成形ダイス４にテーパ部１１を形成すると共に、上パンチ６に切欠き１３を形成したことにより、密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体８を容易に得ることができる。
【００５２】
また、前記焼結工程２の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、金属粉３ａの粒界に黒鉛３ｂが残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さがＨＲＢ６０以下となり、従来よりも優れた変形能を有する成形素材Ｓが得られる。
【００５３】
以上、実施の形態を図面に基づいて説明したが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、前記予備成形体８は、金属質粉３及び成形型を所定温度に加熱して、金属質粉３の降伏点を低下させた状態で行う、所謂温間成形によって形成するようにしてもよい。
【００５４】
また、前記上パンチ６に、成形空間５の容積を拡大させる切欠き１３を形成した実施の形態について述べたが、この切欠き１３は下パンチ７に設けてもよく、また、上パンチ６及び下パンチ７の両方に設けてもよい。
【００５５】
【実施例】
具体的に次のような条件で実験した結果、次のような結果が得られた。
【００５６】
実験例１：鉄を主成分とする、平均粒径が８０μｍの金属粉末に、０．５重量％の、平均粒径が２０μｍの黒鉛を混合して金属質粉を形成し、この金属質粉を圧粉成形して、密度が７．３ｇ／ｃｍ3の予備成形体を形成した。前記予備成形体を窒素ガス雰囲気のステンレスメッシュ炉内で、９００℃で６０分間仮焼結して成形素材を得た。その結果、前記成形素材の伸びは１６．２％、硬さはＨＲＢ４８．８であった。なお、仮焼結時間を６０〜１２０分の範囲で変化させて実験したが、成形素材の伸び及び硬さへの影響は殆どなかった。
【００５７】
また、前記成形素材を冷間鍛造し、１１００℃で再焼結した状態の製品から図１１に示す試験片を作成して引張り試験をした結果、引張り強度は６３７Ｎ／ｍｍ2であった。また、再焼結後に更に熱処理を加えた製品の引張り強度は１０００Ｎ／ｍｍ2であった。なお、前記試験片の密度は炭素鋼の密度と同じ７．８７ｇ／ｃｍ3 であった。
【００５８】
実験例２：鉄を主成分とする、平均粒径が８０μｍの金属粉末に、０．５重量％の、平均粒径が２０μｍの黒鉛を混合して金属質粉を形成し、この金属質粉を圧粉成形して、密度が７．５ｇ／ｃｍ3の予備成形体を形成した。前記予備成形体を窒素ガス雰囲気のステンレスメッシュ炉内で、９００℃で６０分間仮焼結して成形素材を得た。その結果、前記成形素材の伸びは１６．９％、硬さはＨＲＢ５０．６であった。なお、仮焼結時間を６０〜１２０分の範囲で変化させて実験したが、成形素材の伸び及び硬さへの影響は殆どなかった。
【００５９】
また、前記成形素材を冷間鍛造し、１１００℃で再焼結した状態の製品から図１１に示す試験片を作成して引張り試験をした結果、引張り強度は６３７Ｎ／ｍｍ2であった。また、再焼結後に更に熱処理を加えた製品の引張り強度は１０００Ｎ／ｍｍ2であった。なお、前記試験片の密度は炭素鋼の密度と同じ７．８７ｇ／ｃｍ3であった。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために好適な、所定量の黒鉛が含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する金属質粉成形素材及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を示す金属質粉成形素材の製造工程説明図である。
【図２】 予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取り出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取り出す状態（ｄ）で示す説明図である。
【図３】 黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図４】 成形素材の組織を示す図面である。
【図５】 密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図６】 密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図７】 密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図８】 密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図９】 粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１０】 粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１１】 試験片を、平面図（ａ）及び側面図（ｂ）で示す図面である。
【符号の説明】
１ 成形工程
２ 焼結工程
３ 金属質粉
３ａ 金属粉
３ｂ 黒鉛
８ 予備成形体
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結金属による各種構造用機械部品を得るために好適な、金属質粉成形素材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼結金属を得る工程の基本は、原料粉末の混合−圧粉成形−焼結−後処理（熱処理等）である。前記工程のみで製品が得られる場合もあるが、多くの場合、各工程の間または後に、目的に応じて追加加工や各種処理が施される。
【０００３】
例えば、特開平１−１２３００５号公報には、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために、混合した粉末を圧粉成形して予備成形体を形成し、この予備成形体を仮焼結して成形素材を形成した後、この成形素材を再圧縮成形（冷間鍛造）し、焼結（本焼結）する製造方法が開示してある。
【０００４】
詳しくは、前記成形素材の再圧縮成形（冷間鍛造）工程を仮圧縮成形工程と本圧縮成形工程とから構成してなり、成形素材の表面には液状潤滑剤を塗布して仮圧縮成形した後、成形素材に負圧を作用させて潤滑剤を吸引除去し、その後成形素材を本圧縮成形するようにしてある。
【０００５】
これによって、前記予備成形体の内部に残留する潤滑剤が予備成形体内部の微小空隙の圧潰消滅を妨げてポーラス状となることを防止することにより、製品の密度を７．４〜７．５ｇ／ｃｍ 3 に高め、従来に比較して機械的強度の高い製品が得られるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来例にあっては、成形素材の再圧縮成形工程に着目して、この再圧縮成形での密度を高めることによって、比較的に機械的強度の高い製品を得るようにしているのであるが、これによって得られる製品の機械的強度には限界がある。
【０００７】
そこで、更に製品の機械的強度を高めるためには、製品の炭素量、即ち金属粉に添加する黒鉛の量を増加させることが効果的であると考えられるけれども、一般には、黒鉛の量を増加させると成形素材の伸びが小さくなると共に、硬さが増すから、成形素材を再圧縮成形する場合の変形能が低下し、再圧縮成形が困難となる問題が招来することになる。
【０００８】
例えば、第２回粉末冶金開発事例発表会講演テキスト（昭和６０年１１月１５日、日本粉末冶金工業会発行）９０頁の記載によれば、炭素量が０．０５〜０．５％の成形素材において、伸びは最大でも１０％であり、この場合の硬さはＨＲＢ８３となることが示されている。しかしながら、前記成形素材の伸びが１０％以下で、硬さがＨＲＢ６０を超えると、成形素材の再圧縮成形が困難となることは経験が教えるところであり、このため、更に伸びが大きく、硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材を得ることが望まれていた。
【０００９】
発明者等は、焼結金属による機械的強度の高い構造用各種機械部品を得るための研究を重ねており、それによれば、予備成形体を仮焼結して成形素材を形成して、この成形素材を再圧縮成形し、本焼結することによって機械部品を得る場合に、成形素材は、再圧縮成形の容易さと、得られる機械部品の機械的性質を決定する重要な因子を担っており、このためには、所定量の黒鉛を含有し、伸びが大きく、硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材を得ることが必要であることを認め、研究を進めた。
【００１０】
研究の結果、前記所定量の黒鉛を含有した成形素材の性質、とりわけ成形素材の再圧縮成形の容易さのために重要な性質である伸び及び硬さは、この成形素材を形成する前の予備成形体の密度と、この予備成形体を焼結して得られる成形素材の組織、とりわけ成形素材中に含まれる黒鉛の形態によって決定されることを知見した。
【００１１】
本発明は前記従来の実情に鑑みて案出されたもので、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために好適な、所定量の黒鉛が含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する金属質粉成形素材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ 3 以上の予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結してなり、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有して、伸びが１０％以上で且つ硬さがＨＲＢ６０以下である構成にしてある。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を成形ダイスの成形空間内に充填する工程と成形ダイスの成形空間が、上パンチが挿入される大径部と、下パンチが挿入される小径部と、これら大径部と小径部とを繋ぐテーパ部と、上パンチ及び下パンチの一方または両方が、成形ダイスの成形空間に臨む端面の外周端部に、成形空間の容積を増大させる切欠きを備え、上パンチおよび下パンチで加圧する工程と、成形工程で得られた予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を得る工程と、からなる構成にしてある。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結してなり、金属粉の組織は全体がフェライト組織又は黒鉛の近傍にパーライトが析出している組織を有する構成にしてある。
【００１５】
請求項１記載の発明において、本発明の金属質粉成形素材（以下、成形素材という）は、金属質粉を圧粉成形して得られる予備成形体を、８００〜１０００℃の温度で仮焼結して得られる。
【００１６】
前記金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を再圧縮成形、再焼結して得られる機械部品の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００１７】
前記予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、この予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができ、請求項１記載の発明においては、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さはＨＲＢ６０以下とされる。
【００１８】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の組織は、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織とされる。これは、前記金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態を示している。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００１９】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００２０】
また、前記仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００２１】
したがって、請求項１記載の発明によれば、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために好適な、所定量の黒鉛が含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００２２】
また、請求項１記載の発明によれば、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さはＨＲＢ６０以下とされるから、従来よりも優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００２３】
請求項２記載の発明において、前記予備成形体は成形工程によって得られ、成形素材は成形工程で得られた予備成形体を焼結工程で仮焼結して得られる。
【００２４】
前記成形工程で圧粉成形する金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を再圧縮成形、再焼結して得られる機械部品の機械的強度を鋳鍛造材と同程度に高めることができる。
【００２５】
前記成形工程で形成される予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、この予備成形体を焼結工程で仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができる。
【００２６】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体を焼結工程で仮焼結することによって、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織をもった成形素材が得られる。前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態では、金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態となる。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記焼結工程で仮焼結された成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００２７】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、焼結工程での仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００２８】
また、前記焼結工程の仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００２９】
また、前記予備成形体の成形工程は、請求項２記載の発明にあっては、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧して行われる。この場合に、前記予備成形体は全体として７．３ｇ／ｃｍ3以上の高密度となり、予備成形体と成形ダイスとの摩擦が大きくなるけれども、上パンチ及び下パンチの一方または両方に設けた切欠き部分で、予備成形体の密度が局部的に低密度となって摩擦が低下することになる。このため、前記予備成形体は成形ダイスの成形空間に形成されたテーパ部の作用と相俟って、成形ダイスから容易に離型され、密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体が容易に得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳述する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態を示す金属質粉成形素材の製造工程説明図、図２は予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取り出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取り出す状態（ｄ）で示す説明図、図３は黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図４は成形素材の組織を示す図面、図５は密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図６は密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図７は密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図８は密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図９は粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１０は粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１１は試験片を、平面図（ａ）及び側面図（ｂ）で示す図面である。
【００３２】
図において１は成形工程、２は焼結工程で、本発明の成形素材Ｓは、これら成形工程１と焼結工程２とを経て得られる。前記成形素材Ｓは再圧縮成形（例えば冷間鍛造）された後、再焼結され、所定の機械部品が得られることになる。
【００３３】
先ず、前記成形工程１では、この実施の形態において図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、金属質粉３を成形ダイス４の成形空間５内に充填し、上パンチ６及び下パンチ７で加圧して、予備成形体８を得る。この場合に、前記金属質粉３及び成形ダイス４は常温状態にある。
【００３４】
詳しくは、前記金属質粉３は、鉄を主成分とする金属粉３ａに０．３重量％以上の黒鉛３ｂを混合して形成される。前記金属質粉３に添加する黒鉛３ｂの量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材Ｓを再圧縮成形、再焼結して得られる機械部品の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００３５】
前記金属質粉３が充填される成形ダイス４の成形空間５は、上パンチ６が挿入される大径部９と、下パンチ７が挿入される小径部１０と、これら大径部９と小径部１０とを繋ぐテーパ部１１とを備えている。
【００３６】
前記成形ダイス４の成形空間５内に挿入される上パンチ６及び下パンチ７の一方または両方、この実施の形態においては上パンチ６には、成形ダイス４の成形空間５に臨む端面１２の外周端部に、成形空間５の容積を増大させる切欠き１３が形成してある。前記切欠き１３はこの実施の形態において断面が鉤形で環状に形成してある。
【００３７】
１４は前記成形ダイス４の成形空間５内に挿入されるコアで、このコア１４によって、成形空間５内で形成される予備成形体８は略円筒状に形成されることになる。
【００３８】
前記成形工程１は、先ず、成形ダイス４の成形空間５内に鉄を主成分とする金属粉３ａに０．３重量％以上の黒鉛３ｂを混合してなる金属質粉３を充填する（図２（ａ）参照）。
【００３９】
次に、前記成形ダイス４の成形空間５内に上パンチ６及び下パンチ７を挿入して金属質粉３を加圧する。詳しくは、前記上パンチ６が成形空間５の大径部９内に挿入され、下パンチ７が成形空間５の小径部１０内に挿入されて加圧される。このとき、前記切欠き１３が形成された上パンチ６は大径部９内で停止するようになっている（図２（ｂ）参照）。
【００４０】
前記金属質粉３が加圧され、圧粉成形された後、上パンチ６を後退（上昇）させると共に、成形ダイス４を下降させ（図２（ｃ）参照）、圧粉成形された予備成形体８を成形空間５内から取り出す（図２（ｄ）参照）。
【００４１】
ところで、一般に、金属質粉を圧粉成形する場合には、圧粉成形品の密度が高くなるにつれて、圧粉成形品と成形型との間の摩擦が増大することや、圧粉成形品のスプリングバック等によって、成形型内から圧粉成形品を取り出すことが困難となる。このため、高密度の圧粉成形品を得ることが困難であるとされているところ、前記成形工程１においてはこれが有利に解決される。
【００４２】
即ち、前記成形ダイス４の成形空間５はテーパ部１１を備えているから、このテーパ部１１が所謂抜き勾配となって、圧粉成形された予備成形体８の取り出しが容易に行える。また、前記上パンチ６には、成形ダイス４の成形空間５に臨む端面１２の外周端部に、成形空間５の容積を増大させる切欠き１３が形成してあるから、この切欠き１３の部分で局部的に予備成形体８の密度が低くなり、予備成形体８と成形ダイス４との間の摩擦や、予備成形体８のスプリングバック等が低く抑えられ、予備成形体８の取り出しが容易になる。
【００４３】
これによって、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体８を容易に得ることができる。
【００４４】
前記予備成形体８の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、この予備成形体８を焼結工程２で仮焼結して得られる成形素材Ｓ（後に詳述する）の伸びを大きくすることができる。即ち、図３に示すように、前記予備成形体８の密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることによって、成形素材Ｓの伸びを１０％以上とすることができるのである。
【００４５】
次に、前記成形工程１で得られた予備成形体８を焼結工程２で仮焼結する。これによって、図４に示すように、金属粉３ａの粒界に黒鉛３ｂが残留している組織を持った成形素材Ｓが得られる。前記金属粉３ａの粒界に黒鉛３ｂの全部が残留している場合には、金属粉３ａの組織は全体がフェライト（Ｆ）組織であり、黒鉛３ｂの一部が残留している場合には、金属粉３ａの組織は、フェライト地に、黒鉛３ｂの近傍にパーライト（Ｐ）が析出した組織を呈する。少なくとも、前記金属粉３ａの全体がパーライト組織であったり、金属粉３ａの結晶粒界に黒鉛３ｂが析出した組織とはなっていない。このため、前記成形素材Ｓは伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００４６】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体８では金属粉３ａ粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後に伸びが大きな成形素材Ｓが得られる。即ち、前記金属粉３ａの粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが空隙を介して予備成形体８の内部に深く侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって大きな伸びが得られる。このことは、前記成形素材Ｓの伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3以上とすることにより、黒鉛３ｂの量の影響を殆ど受けないことを示している。これは、前記予備成形体８を仮焼結するときに、炭素の拡散が殆ど生じないからである。また、前記予備成形体８を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材Ｓの硬さも低く抑えられることになる。
【００４７】
また、前記焼結工程２によって、金属粉３ａの粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸び、好ましくは１０％以上の伸びが得られることになるのである。
【００４８】
前記焼結工程２の仮焼結温度は、好ましくは８００〜１０００℃の温度が選択される。前記焼結工程２の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、この焼結工程２を経て得られる成形素材Ｓを再圧縮成形（例えば冷間鍛造）して所定形状の製品を得る場合に、この再圧縮成形での変形抵抗を小さくして成形加工を容易にするために、成形素材Ｓに優れた変形能が付与される。即ち、図５及び図６に示すように、前記予備成形体８を８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、伸びが１０％以上の成形素材Ｓが得られる。また、図７及び図８に示すように、８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、硬さがＨＲＢ６０以下の成形素材Ｓが得られる。前記成形素材ＳのＨＲＢ６０以下の硬さは、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼を焼鈍して得られる硬さよりも軟らかいものである。
【００４９】
また、前記成形素材Ｓの降伏応力は、図９及び図１０に示すように、仮焼結温度が８００〜１０００℃の範囲において２０２〜２７２ＭＰａとなり、この値は、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼の降伏応力よりも小さな値となる。
【００５０】
したがって、所定量の黒鉛３ｂが含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材Ｓ及びその製造方法が得られる。
【００５１】
また、前記成形工程１の成形ダイス４にテーパ部１１を形成すると共に、上パンチ６に切欠き１３を形成したことにより、密度が７．３ｇ／ｃｍ3以上の予備成形体８を容易に得ることができる。
【００５２】
また、前記焼結工程２の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、金属粉３ａの粒界に黒鉛３ｂが残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さがＨＲＢ６０以下となり、従来よりも優れた変形能を有する成形素材Ｓが得られる。
【００５３】
以上、実施の形態を図面に基づいて説明したが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、前記予備成形体８は、金属質粉３及び成形型を所定温度に加熱して、金属質粉３の降伏点を低下させた状態で行う、所謂温間成形によって形成するようにしてもよい。
【００５４】
また、前記上パンチ６に、成形空間５の容積を拡大させる切欠き１３を形成した実施の形態について述べたが、この切欠き１３は下パンチ７に設けてもよく、また、上パンチ６及び下パンチ７の両方に設けてもよい。
【００５５】
【実施例】
具体的に次のような条件で実験した結果、次のような結果が得られた。
【００５６】
実験例１：鉄を主成分とする、平均粒径が８０μｍの金属粉末に、０．５重量％の、平均粒径が２０μｍの黒鉛を混合して金属質粉を形成し、この金属質粉を圧粉成形して、密度が７．３ｇ／ｃｍ3の予備成形体を形成した。前記予備成形体を窒素ガス雰囲気のステンレスメッシュ炉内で、９００℃で６０分間仮焼結して成形素材を得た。その結果、前記成形素材の伸びは１６．２％、硬さはＨＲＢ４８．８であった。なお、仮焼結時間を６０〜１２０分の範囲で変化させて実験したが、成形素材の伸び及び硬さへの影響は殆どなかった。
【００５７】
また、前記成形素材を冷間鍛造し、１１００℃で再焼結した状態の製品から図１１に示す試験片を作成して引張り試験をした結果、引張り強度は６３７Ｎ／ｍｍ2であった。また、再焼結後に更に熱処理を加えた製品の引張り強度は１０００Ｎ／ｍｍ2であった。なお、前記試験片の密度は炭素鋼の密度と同じ７．８７ｇ／ｃｍ3 であった。
【００５８】
実験例２：鉄を主成分とする、平均粒径が８０μｍの金属粉末に、０．５重量％の、平均粒径が２０μｍの黒鉛を混合して金属質粉を形成し、この金属質粉を圧粉成形して、密度が７．５ｇ／ｃｍ3の予備成形体を形成した。前記予備成形体を窒素ガス雰囲気のステンレスメッシュ炉内で、９００℃で６０分間仮焼結して成形素材を得た。その結果、前記成形素材の伸びは１６．９％、硬さはＨＲＢ５０．６であった。なお、仮焼結時間を６０〜１２０分の範囲で変化させて実験したが、成形素材の伸び及び硬さへの影響は殆どなかった。
【００５９】
また、前記成形素材を冷間鍛造し、１１００℃で再焼結した状態の製品から図１１に示す試験片を作成して引張り試験をした結果、引張り強度は６３７Ｎ／ｍｍ2であった。また、再焼結後に更に熱処理を加えた製品の引張り強度は１０００Ｎ／ｍｍ2であった。なお、前記試験片の密度は炭素鋼の密度と同じ７．８７ｇ／ｃｍ3であった。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、焼結金属による機械的強度の高い機械部品を得るために好適な、所定量の黒鉛が含まれ、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する金属質粉成形素材及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を示す金属質粉成形素材の製造工程説明図である。
【図２】 予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取り出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取り出す状態（ｄ）で示す説明図である。
【図３】 黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図４】 成形素材の組織を示す図面である。
【図５】 密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図６】 密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図７】 密度が７．３ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図８】 密度が７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図９】 粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１０】 粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3及び７．５ｇ／ｃｍ3の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１１】 試験片を、平面図（ａ）及び側面図（ｂ）で示す図面である。
【符号の説明】
１ 成形工程
２ 焼結工程
３ 金属質粉
３ａ 金属粉
３ｂ 黒鉛
８ 予備成形体
Claims (3)
- 鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ 3 以上の予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結してなり、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有して、伸びが１０％以上で且つ硬さがＨＲＢ６０以下であることを特徴とする、金属質粉成形素材。
- 鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を成形ダイスの成形空間内に充填する工程と
成形ダイスの成形空間が、上パンチが挿入される大径部と、下パンチが挿入される小径部と、これら大径部と小径部とを繋ぐテーパ部と、上パンチ及び下パンチの一方または両方が、成形ダイスの成形空間に臨む端面の外周端部に、成形空間の容積を増大させる切欠きを備え、上パンチおよび下パンチで加圧する工程と、
成形工程で得られた予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を得る工程と、
を有することを特徴とする金属質粉成形素材の製造方法。 - 鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ 3 以上の予備成形体を８００〜１０００℃の温度で仮焼結してなり、金属粉の組織は全体がフェライト組織又は黒鉛の近傍にパーライトが析出している組織を有することを特徴とする、金属質粉成形素材。
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