JP7141827B2

JP7141827B2 - 簡易な機械加工のための粉末金属組成物

Info

Publication number: JP7141827B2
Application number: JP2017558781A
Authority: JP
Inventors: フー、ボー
Original assignee: ホガナスアクチボラグ（パブル）
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2022-09-26
Anticipated expiration: 2036-02-01
Also published as: EP3253512B1; RU2017130646A; MX2017009985A; US20180016664A1; JP2021088771A; JP2018508660A; EP3253512A1; DK3253512T3; RU2017130646A3; CA2973310A1; CN107208204A; TWI769130B; BR112017014277A2; KR102543070B1; CA2973310C; KR20170110703A; ES2944536T3; PL3253512T3; RU2724776C2; WO2016124532A1

Description

発明の技術分野
本発明は、新規な機械加工性改善剤を含有する粉末金属部品を製造するための粉末金属組成物並びに粉末金属部品の製造方法であって、改善された機械加工性を有するものに関する。

発明の背景
粉末冶金製造の主な利点の１つは、コンパクト化すること及び焼結することによって、最終的な形状又は最終的な形状に非常に近い形状のコンポーネントを製造することが可能になることである。しかしながら、それに続く機械加工が必要な場合がある。これは、例えば、高い耐性要求のために、又は最終的なコンポーネントが、直接的に加圧することはできず、焼結後に機械加工を必要とする形状を有するために、必要になり得る。より具体的には、コンパクト化する方向を横切る穴、アンダーカット及びねじ山等の形状には、それに続く機械加工が必要となる。
機械加工は、より高い強度とより高い硬度を有する新規な焼結鋼を継続的に開発することによって、コンポーネントの粉末冶金製造における課題となってきた。それは、粉末冶金製造が、コンポーネントを製造するための最も費用効果の高い方法であるかどうかを評価する際に、しばしば制限要因になる。

今日では、焼結後のコンポーネントの機械加工を容易にするために、鉄系粉末混合物に添加される多くの既知の物質が存在する。最も普通の粉末添加剤は、ＭｎＳ（硫化マンガン）であり、これは、例えば、欧州特許第０１８３６６６号において言及されており、焼結鋼の機械加工性が、このような粉末を混合することによって、どのように改善されるかが記載されている。
米国特許第４９２７４６１号には、焼結後の機械加工性を改善するために、六方晶ＢＮ（窒化ホウ素）０．０１重量％及び０．５重量％を、鉄系粉末混合物に添加することが記載されている。
米国特許第５６３１４３１号は、鉄系粉末組成物の機械加工性を改善するための添加剤に関する。この特許によれば、添加剤には、フッ化カルシウム粒子が、粉末組成物の０．１重量％～０．６重量％の量にて含有されている。
日本国特許出願第０８－０９５６４９号には、機械加工性改善剤が記載されている。この薬剤には、Ａｌ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－ＣａＯが含まれ、そしてアノーサイト又はゲーレナイト結晶構造を有する。アノーサイトは、テクトケイ酸塩であり、長石グループに属し、モース硬度６から６．５を有し、そしてゲーレナイトは、モース硬度５～６を有するソロケイ酸塩である。

米国特許第７，３００，４９０号には、硫化マンガン粉末（ＭｎＳ）とリン酸カルシウム粉末又はヒドロキシアパタイト粉末との組合せからなる加圧され及び焼結された部品を製造するための粉末混合物が記載されている。
国際公開第２００５／１０２５６７号パンフレットには、機械加工改善剤として使用される六方晶窒化ホウ素粉末とフッ化カルシウム粉末との組合せが開示されている。
酸化ホウ素、ホウ酸又はホウ酸アンモニウム等のホウ素含有粉末は、硫黄と組合せて、米国特許第５，９３８，８１４号に記載されている。
機械加工添加剤として使用されるべき粉末の他の組合せは、欧州特許公開第１９８５３９３Ａ１号に記載されており、この組合せには、タルク及びステアタイト及び脂肪酸から選択される少なくとも１種が含有される。
機械加工改善剤としてのタルクは、特開平１－２５５６０４号に記載されている。
欧州特許出願第１００２８８３号には、金属部品、特に弁座インサートを作成するための粉末化金属ブレンド混合物が記載されている。記載されているブレンドには、低摩擦及びすべり摩耗並びに機械加工性の改善を提供するために、固体潤滑剤０．５％～５％が含有されている。実施態様の１つには、雲母が固体潤滑剤として挙げられている。耐摩耗性及び高温安定性コンポーネントの製造に使用されるこれらのタイプの粉末混合物には、常に、多量の合金元素、典型的には１０重量％超、及び硬質相、典型的には炭化物が含有される。

米国特許第４，２７４，８７５号には、欧州特許第１００２８８３号に記載されているものと同様の物品を、粉末化雲母を金属粉末に、コンパクト化及び焼結の前に、０．５重量％～２重量％の間の量にて添加する段階を含む粉末冶金により製造する方法が教示されている。具体的には、任意のタイプの雲母を使用できることが開示されている。
更に、日本国特許出願第１０３１７００２号には、摩擦係数が低減された粉末又は焼結コンパクトが記載されている。この粉末の化学組成は、硫黄１～１０重量％、モリブデン３～２５重量％及び残部は鉄である。更に、固体潤滑剤及び硬質相材料が添加される。
ＷＯ２０１０／０７４６２７には、鉄系粉末に加えて、少量の機械加工性改善添加剤を含む鉄系粉末組成物が開示され、前記添加剤には、フィロケイ酸塩の群から選択される少なくとも１種のケイ酸塩が含まれる。添加剤の具体例としては、白雲母、ベントナイト及びカオリナイトである。

加圧され及び焼結されたコンポーネントの機械加工は、非常に複雑であり、そしてコンポーネントの合金系のタイプ、合金元素の量、温度、雰囲気及び冷却速度等の焼結条件、コンポーネントの焼結密度、コンポーネントのサイズ及び形状等のパラメーターによって影響を受ける。また、機械加工操作のタイプ及び機械加工速度は、機械加工操作の結果の非常に重要なパラメーターであることも明らかである。粉末冶金組成物に添加される提案された機械加工改善剤の多様性は、ＰＭ機械加工技術の複雑な性質を反映している。

発明の概要
本発明により、焼結鋼の機械加工性を改善するための、特定のチタン酸塩を含有する新規な添加剤を開示する。具体的には、新規な添加剤によって、焼結鋼の穿孔などの、特に、鉄、銅及び炭素を含有する焼結コンポーネントで、例えば、連接棒、主軸受キャップ及び可変バルブタイミング（ＶＶＴ）コンポーネントの穿孔の機械加工操作が容易になる。旋盤加工、フライス加工、溝加工、リーミング、ねじ切り等の他の機械加工操作も、新規な機械加工性改善剤によって容易になる。新規な添加剤を、プレ合金化、拡散合金化、焼結硬化鋼及びステンレス鋼に添加すると、機械加工性の改善において優れた特性を達成できる。更に、新規な添加剤は、高速度鋼、炭化タングステン、サーメット、セラミックス、及び立方晶窒化ホウ素等の幾つかのタイプの工具材料によって機械加工されるべきコンポーネントに使用することができ、そして工具は、コーティングされていてもよい。

発明の目的
本発明の目的は、機械加工性改善のために、粉末金属組成物の新規な添加剤を提供することである。
本発明の別の目的は、種々のタイプの焼結鋼の種々の機械加工操作で使用されるような添加剤を提供することである。
本発明の別の目的は、加圧され、そして焼結されたコンポーネントの機械的特性に影響を与えないか、又は影響を無視できる程度の新規な機械加工性改善物質を提供することである。
本発明の更なる目的は、新規な機械加工性改善添加剤を含有する粉末冶金組成物、及びこの組成物から得られるコンパクト化部品を調製する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、改善された機械加工性を有する焼結コンポーネント、特に鉄－銅－炭素を含有する焼結コンポーネントを提供することである。

粉末形態の規定されたチタン酸塩化合物を含む機械加工性改善剤を、鉄系粉末組成物に含有させることによって、鉄系粉末組成物から作成された焼結コンポーネントの機械加工性が、非常に改善されることが今や見出された。更に、添加量が非常に少ない場合であっても、機械加工性に好ましい効果が得られるので、追加的な物質を添加することによる圧縮性への悪影響を最小限に抑えられる。また、添加されたチタン酸塩から機械的特性へ与える影響は許容可能であることも示されている。
本発明によれば、上記の目的の少なくとも１つ、及び以下の議論から明らかな他の目的は、本発明の種々の態様によって達成される。

図１は、焼結サンプルの機械加工の前後の機械加工工具の刃先の摩耗を示す。図２は、焼結サンプルの機械加工の前後の機械加工工具の刃先の摩耗を示す。図３は、腐食試験を受けた焼結サンプルを示す。

発明の詳細な説明
本発明の第１態様によれば、少なくとも鉄系粉末、及び粉末形態の少量の機械加工性改善添加剤を含む鉄系粉末組成物であって、前記添加剤が、以下の式；ＭｘＯ^＊ｎＴｉＯ_２による粉末形態の少なくとも１種の合成チタン酸塩化合物を含み、式中、ｘは、１又は２であり得、そしてｎは、１以上で２０未満、好ましくは１０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ等のアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、鉄系粉末組成物が提供される。第１態様の一実施態様によれば、チタン酸塩には、少なくとも１種のアルカリ金属が含有される。
第１態様の別の実施態様によれば、チタン酸塩化合物は、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸バリウム又はこれらの混合物の群から選択されることができる。第１態様の別の実施態様によれば、チタン酸塩化合物は、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択されることができ、好ましくは、前記チタン酸塩化合物は、チタン酸カリウム及びチタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択される。

本発明の第２態様によれば、新規な機械加工性改善添加剤であって、前記添加剤が、以下の式；ＭｘＯ^＊ｎＴｉＯ_２による粉末形態の少なくとも１種の合成チタン酸塩化合物を含み、式中、ｘは、１又は２であり得、そしてｎは、１以上で２０未満、好ましくは１０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ等のアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、添加剤が提供される。
第２態様の一実施態様では、チタン酸塩には、少なくとも１種のアルカリ金属が含有される。
第２態様の別の実施態様によれば、チタン酸塩化合物は、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸バリウム又はこれらの混合物の群から選択されることができる。第２態様の別の実施態様によれば、チタン酸塩化合物は、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択されることができ、好ましくは、チタン酸塩化合物は、チタン酸カリウム及びチタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択される。

本発明の第３態様によれば、鉄系粉末組成物中の機械加工性改善添加剤に含まれる、粉末形態のチタン酸塩化合物の使用が提供される。前記チタン酸塩は、以下の式；ＭｘＯ^＊ｎＴｉＯ_２による粉末形態の少なくとも１種の合成チタン酸塩化合物であり、式中、ｘは、１又は２であり得、そしてｎは、１以上で２０未満、好ましくは１０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ等のアルカリ土類金属又はこれらの組合せである。
第３態様の一実施態様では、チタン酸塩には、少なくとも１種のアルカリ金属が含有される。
第３態様の一実施態様によれば、チタン酸塩化合物は、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸バリウム又はこれらの混合物の群から選択されることができる。第３態様の別の実施態様では、チタン酸塩化合物は、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択されることができ、好ましくは、チタン酸塩化合物は、チタン酸カリウム及びチタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択される。

本発明の第４態様によれば、鉄系粉末を供給すること；及び前記鉄系粉末を、上記態様による粉末形態の、機械加工性改善添加剤及び任意選択的に他の粉末材料と混合することを含む、鉄系粉末組成物を調製する方法が提供される。
本発明の第５態様によれば、上記態様による鉄系粉末組成物を調製すること；前記鉄系粉末組成物を、コンパクト化圧力４００～１２００ＭＰａにてコンパクト化すること；前記コンパクト化部品を、温度７００～１３５０℃にて焼結すること；及び任意選択的に、前記焼結コンポーネントを熱処理すること、を含む改善された機械加工性を有する鉄系焼結コンポーネントを製造する方法が提供される。

本発明の第６態様によれば、上記の態様による新規な機械加工性改善剤を含有する焼結コンポーネントが提供される。第６態様の一実施態様では、焼結コンポーネントには、鉄、銅及び炭素が含有される。別の実施態様では、焼結コンポーネントは、連接棒、主軸受キャップ及び可変バルブタイミング（ＶＶＴ）コンポーネントの群から選択される。第６態様の別の実施態様によれば、焼結コンポーネントには、例えばＮｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｍｎ等の他の合金元素の１種以上が含有される。
機械加工改善添加剤又は機械加工改善剤には、粉末形態の規定されたチタン酸塩化合物が含まれる。好ましくは、粉末形態のチタン酸塩は、チタン酸塩化合物の粒子の平均アスペクト比が最大で５であるという点で、同じ化学組成物を有する繊維状チタン酸塩と区別される形状を有する。アスペクト比は、小さい寸法の１つに対する大きい寸法の比として定義されるが、通常、それは、平均直径に対する平均長さの比、即ち、平均直径で割算した平均長さとして定義される。アスペクト比は、顕微鏡下の画像分析に従って決定することができる。繊維状の形態、即ち、アスペクト比が５を超えるチタン酸塩は、他のＦｅ系粉末組成物と混合して均一な混合物を得ることが困難である場合がある。

チタン酸塩化合物は、化学式ＭｘＯ^＊ｎＴｉＯ_２を有する合成セラミックのグループに属し、式中、Ｍ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属、若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ等のアルカリ土類金属、又はこれらの組合せであり、その結果、ｘは１又は２であり得、そしてｎは、１以上、そして２０未満、好ましくは１０未満であり、そして必ずしも整数である必要はない。本発明による機械加工性改善添加剤に含まれることができるか、又はそれを構成することができるチタン酸塩化合物の例としては、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム及びチタン酸バリウム又はこれらの混合物が挙げられ、好ましくは、チタン酸塩化合物は、チタン酸カリウム及びチタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択される。

本発明による機械加工性改善添加剤は、硫化マンガン、六方晶窒化ホウ素、他のホウ素含有物質、フッ化カルシウム、白雲母等の雲母、タルク、エンスタタイト、ベントナイト、カオリナイト等の他の既知の機械加工性改善添加剤を含むことができるか、又はこれらと混合することができる。
鉄系粉末組成物中、それ故に焼結コンポーネント中の機械加工性改善添加剤の量は、０．０５重量％と１．０重量％、好ましくは０．０５重量％と０．５重量％、好ましくは０．０５重量％と０．４重量％、好ましくは０．０５重量％と０．３％、そしてより好ましくは０．１重量％と０．３重量％の間であり得る。鉄系粉末組成物中の本発明によるチタン酸塩又は機械加工性改善添加剤の添加量は、特に有利には、０．１重量％超で０．５重量％未満、好ましくは０．１２重量％超で０．４重量％以下、例えば０．１５重量％と０．４重量％の間、そして最も好ましくは０．１２重量％超で０．３重量％以下、例えば０．１５重量％と０．３重量％の間である。
より少ない量では、機械加工性に意図する効果が得られない場合があり、そして、より高い量では、機械的性質に悪影響を及ぼす場合がある。

本発明による機械加工性改善添加剤に含まれるチタン酸塩の、ＳＳ－ＩＳＯ１３３２０－１に準拠して測定される粒子サイズＸ９５は、５０μｍ未満、好ましくは４０μｍ未満、より好ましくは３０μｍ未満、より好ましくは２０μｍ未満、例えば１５μｍ未満又は１０μｍ未満であることができる。これに代えて又はこれに加えて、平均粒子サイズＸ５０は、２５μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満、より好ましくは１０μｍ未満、例えば８μｍ又は５μｍ未満であり得る。しかしながら、粒子サイズは、０．１μｍ超で、好ましくは０．５μｍ超であり、即ち、粒子の少なくとも９５重量％が、０．５μｍ超であり得る。粒子サイズが、０．５μｍ未満である場合、添加剤を、他のＦｅ系粉末組成物と混合して、均一な粉末混合物を得ることが、困難である場合がある。粒子サイズが、微細すぎると、焼結特性に悪影響を及ぼすこともある。粒子サイズが５０μｍ超では、機械加工性及び機械的特性に悪影響を及ぼす場合がある。
従って、本発明による機械加工性改善剤に含有されるチタン酸塩の好ましい粒子サイズ分布の例としては；
Ｘ９５が５０μｍ未満であり、Ｘ５０が２５μｍ未満であり、そして少なくとも９５重量％が０．１μｍ超である、又は、
Ｘ９５が３０μｍ未満であり、Ｘ５０が１５μｍ未満であり、そして少なくとも９５重量％が０．１μｍ超である、又は、
Ｘ９５が２０μｍ未満であり、Ｘ５０が１０μｍ未満であり、そして少なくとも９５重量％が０．５μｍ超である。

鉄系粉末組成物
本発明による機械加工性改善添加剤は、本質的に任意の鉄系（ｆｅｒｒｏｕｓ）粉末組成物に使用することができる。従って、鉄系粉末組成物に含まれる鉄系粉末は、アトマイズ鉄粉末、還元鉄粉末等の純粋な鉄粉末であることができる。Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ等の合金元素を含む低合金化鋼粉末及びステンレス鋼粉末等のプレ合金化粉末も使用することができ、更に、合金元素が鉄系粉末の表面に拡散結合した部分的合金化鋼粉末も使用することができる。また、鉄系粉末組成物は、粉末形態の合金元素を含有することができ、即ち、合金元素含有粉末（１種又は複数種）は、鉄系粉末組成物中に別の粒子として存在する。
機械加工性改善添加剤は、組成物中に粉末形態で存在する。添加剤粉末粒子は、遊離粉末粒子として鉄系粉末組成物と混合する、又は、鉄系粉末粒子に、例えば結合剤によって、結合させることができる。
また、本発明による鉄系粉末組成物には、グラファイト、結合剤及び潤滑剤等の他の添加剤、並びに他の従来の機械加工性改善剤を含めることができる。潤滑剤は、０．０５重量％～２重量％、好ましくは０．１重量％～１重量％にて添加することができる。グラファイトは、０．０５重量％～２重量％、好ましくは０．１重量％～１重量％にて添加することができる。

プロセス
本発明によるコンポーネントの粉末冶金製造は、従来的な方法にて、即ち、以下の方法、鉄系粉末、例えば鉄又は鋼粉末等を、ニッケル、銅、モリブデン及び任意選択的に炭素等の任意の所望の合金元素、並びに本発明による機械加工性改善添加剤と混合することができる。更に、合金元素は、プレ合金化若しくは拡散合金化して鉄系粉末に、又は混合合金元素、拡散合金化粉末若しくはプレ合金化粉末の間の組合せとして、添加することができる。この粉末混合物は、コンパクト化する前に、従来の潤滑剤、例えばステアリン酸亜鉛又はアミドワックスと混合することができる。混合物中のより微細な粒子は、偏析を最小限にし、そして粉末混合物の流動性を改善するために、結合物質によって、鉄系粉末に結合させることができる。その後、粉末混合物を、加圧工具でコンパクト化して、最終的な形状に近い未焼結体（ｇｒｅｅｎｂｏｄｙ）として知られるものを得ることができる。コンパクト化は、一般的に、圧力４００～１２００ＭＰａにて行う。コンパクト化後、コンパクトは、温度７００～１３５０℃にて焼結することができ、そして最終的な強度、硬度、伸び等が得られる。任意選択的に、所望の微細構造を得るために、焼結部品を更に熱処理することができる。

本発明を、以下の非限定的な例にて説明する。
機械加工性改善剤
下表（表１）に従う物質を、本発明による機械加工性改善剤の例として使用した。

表２は、ＳＳ－ＩＳＯ１３３２０－１に準拠して測定した、表１に列挙した物質に対する典型的な粒子サイズ分布を示す。なお、本願におけるＭｘＯ ^＊ｎＴｉＯ _２の「 ^＊」は、我が国において分子同士の結合に慣用的に付与される「・」と同義であり、そのため、当該ＭｘＯ ^＊ｎＴｉＯ _２は、ＭｘＯ・ｎＴｉＯ _２と表記することもできる。

例１
５つの鉄系粉末組成物を、純粋なアトマイズ鉄粉末ＡＳＣ１００．２９（スウェーデンのＨoｇａｎaｓＡＢから入手可能）、銅粉末Ｃｕ１６５（米国のＡＣｕＰｏｗｄｅｒから入手可能）２重量％、グラファイト粉末Ｇｒ１６５１（米国のＡｓｂｕｒｙＧｒａｐｈｉｔｅから入手可能）０．８５重量％、及び潤滑剤ＡｃｒａｗａｘＣ（米国のＬｏｎｚａから入手可能）０．７５重量％を混合することにより調製した。混合物番号１を、基準として使用し、そして混合物番号１には、機械加工性改善物質が含有されないが、混合物番号２～５には、本発明による機械加工性改善剤０．１５重量％が含有された。
これらの混合物を、ＳＳ－ＩＳＯ３３２５に準拠して、抗折力（ＴＲＳ）のサンプル中にコンパクト化し、未焼結密度６．８ｇ／ｃｍ^３にし、その後、３０分間、窒素９０％／水素１０％の雰囲気中で、１１２０℃にて焼結した。周囲温度に冷却後、サンプルを、ＳＳ－ＩＳＯ３３２５に準拠して抗折力について、ＳＳ－ＥＮＩＳＯ６５０６にしたがって硬度（ＨＲＢ）を試験した。コンパクトダイと焼結サンプルの間の寸法変化（ＤＣ）も測定した。

表３から明らかなように、本発明による種々の機械加工性改善剤を、０．１５重量％の含有量にて添加したが、焼結による特性や機械的な特性上に有意な影響はなかった。
更に、この混合物を、未焼結密度６．９ｇ／ｃｍ^３に一軸加圧することによって、高さ＝２０ｍｍ、内径＝３５ｍｍ、外径＝５５ｍｍのリングの形状の未焼結サンプルにコンパクト化し、その後、３０分間、窒素９０％／水素１０％の雰囲気中で、１１２０℃にて焼結した。周囲温度に冷却後、サンプルを機械加工性について試験した。
機械加工性試験は、１／８インチのプレーンな（コーティングされていない）高速度鋼ドリルビットを用いて、湿潤状態にて、即ち、冷却剤を用いて、深さ１８ｍｍの盲穴を穿孔するように行った。本発明による種々の機械加工性改善剤を、例えば、切削工具の過度の摩耗又は破損等のドリル破壊前の全切削距離について評価した。表４は、機械加工性試験の結果を示す。

表４は、本発明による試験した機械加工性改善剤の全てが、この改善剤を添加しない材料と比べて、焼結材料の機械加工性において非常に改善されたことを、明確に示している。

例２
以下の例は、機械加工性改善剤であるチタン酸カリウムの粒子サイズが機械加工性に及ぼす影響を示す。
種々の粒子サイズ分布を有するチタン酸カリウムを使用したことを除いて、例１に記載したのと同様の鉄系粉末組成物を調製した。例１に従って焼結サンプルを調製し、そして例１に記載したのと同様のドリル試験を行った。以下の表５は、機械加工パラメーター及びその結果を示す。

混合物番号７～９の場合、３２４０ｍｍの切削の後でさえも、切削工具は破損せず、混合物番号１０の場合、切削距離９５４ｍｍの後、切削工具は破損したが、機械加工性改善剤を添加していない混合物番号６から得られた結果と比べて非常に改善されている。図１は、機械加工前後のドリルビットの刃先摩耗を示している。この図から、本発明による機械加工性改善剤が、刃先摩耗を驚くほど高いレベルまで軽減することが明確になる。機械加工性改善剤を使用しない場合には切削距離が僅か５４ｍｍ後に工具が破損した過度の刃先摩耗と比べて、切削距離３２４０ｍｍ後に極僅かな摩耗が検出できるだけである。

例３
以下の例は、本発明による機械加工性改善剤の効果を、既知のそのような薬剤と比較して示す。比較用の鉄系粉末組成物には、既知の機械加工性改善剤を、即ち、混合物番号１２には、粒子サイズ分布Ｘ９５＝９μｍを有するフッ化カルシウム粉末、そして混合物番号１３には、粒子サイズ分布Ｘ９５＝１０μｍを有する硫化マンガン粉末ＭｎＳを使用した。混合物番号１４～１６、１６ａ及び１６ｂには、例２の混合物番号７に記載したのと同じ本発明による機械加工性改善剤が含有された。鉄系粉末組成物及び試験サンプルを、例１の記載に従って調製した。ＴｉＮ被覆高速度鋼穿孔を使用し、ドリルは、直径１／８インチを有し、そして穴は、乾燥状態で、即ち、冷却剤無しで深さ１０ｍｍまで穿孔したことを除いて、例１に従って機械加工性試験を行った。
以下の表６は、機械加工性改善添加剤及び試験結果を示す。

混合物番号１３並びに１６、１６ａ及び１６ｂから作成されたサンプルの機械加工性試験は、工具が破損することなく、切削距離３６００ｍｍ後に終了した。この結果から、本発明による機械加工性改善剤の添加量が０．１５重量％未満の場合、機械加工性改善における特性は制限され、一貫しないことがわかる。しかしながら、０．０５％という低い量ですら、機械加工性改善剤を使用しない場合と比べて、幾らかの改善性が未だ見られる。
コンパクト化前に、ＩＳＯ４４９０－２００８に準拠してホールフロー（ＨａｌｌＦｌｏｗ）を、以下の表６ａによる混合物について測定した。ＳＳ－ＩＳＯ３３２５に準拠して抗折力（ＴＲＳ）のサンプルを、例１に記載したのと同じ方法にて調製した。ＩＳＯ３９９５－１９８５に準拠して、未焼結強度を、幾つかの焼結していない未焼結ＴＲＳサンプルについて測定し、そして残りのＴＲＳのサンプルを、焼結工程に付し、その後、例１に記載したように抗折力を測定した。コンパクト化ダイと焼結サンプルとの間の寸法変化もまた測定した。
表６ａは、ホールフロー試験、焼結していないサンプルの未焼結強度試験、ダイと焼結サンプルとの間の寸法変化の測定、及び焼結サンプルの抗折力の試験の結果を示す。

表６ａから明らかなように、チタン酸塩を０．５％以上の含有量にて添加すると、粉末混合物の流れ、コンパクト化サンプルの未焼結強度、寸法変化及び抗折力等の材料特性が著しく影響を受ける。

例４
以下の例は、９０％を超えるマルテンサイト微細構造を含有する焼結硬化サンプルを切削する場合について、本発明による機械加工性改善剤の効果を、既知のこのような薬剤と比較して示す。鉄系粉末組成物を、プレ合金化鉄粉末ＡｓｔａｌｏｙＭｏＮｉ（Ｆｅ＋１．２％Ｍｏ＋１．３５％Ｎｉ＋０．４％Ｍｎ）（米国のＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａｎＨoｇａｎaｓから入手可能）、銅粉末Ｃｕ１６５（米国のＡＣＵＰｏｗｄｅｒから入手可能）２重量％、グラファイト粉末Ｇｒ１６５１（米国のＡｓｂｕｒｙＧｒａｐｈｉｔｅから入手可能）０．９重量％、及び潤滑剤ＩｎｔｒｏｌｕｂｅＥ（スウェーデンのＨoｇａｎaｓＡＢから入手可能）０．６重量％を混合することにより調製した。混合物番号１７を、基準として使用し、そして混合物番号１７には、機械加工性改善物質が含有されないが、混合物番号１８には、例３に記載した既知の機械加工性改善剤である硫化マンガンＭｎＳ０．５重量％が含有された。混合物番号１９には、例３に記載した本発明による機械加工性改善剤０．１５重量％が含有された。
この混合物を、例１の記載に従ってリングの形状の未焼結サンプルにコンパクト化した。その後、未焼結サンプルを、毎秒２℃の冷却速度を使用して、サンプルを、周囲温度に冷却したことを除いて、例１の記載に従って焼結した。空気中で、１時間、２０４℃にて焼戻した後、サンプルを機械加工性試験に使用した。
機械加工性試験は、旋盤操作にて行った。立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）インサートを使用して、サンプルを乾燥状態にて、即ち、冷却剤無しで、過度の工具摩耗（２００μｍ超）が観察されるまで切削した。
以下の表７は、機械加工性試験の機械加工パラメーター及びその結果を示す。

図２は、機械加工性改善剤を含有するサンプルの機械加工後の工具の摩耗状態を示す。表及び図から、本発明による機械加工性改善剤が、工具摩耗を驚くほど高いレベルに軽減することが明確になる。機械加工性改善剤を使用しない場合に切削距離７５４ｍ後に破損を観察した工具、及び既知の機械加工改善剤であるＭｎＳを使用した場合に切削距離１０３６ｍ後に破損を観察した工具と比べて、切削距離４８９８ｍ後に、極僅かなクレーター摩耗を検出できるだけである。従って、本発明による機械加工性改善剤は、焼結硬化鋼に対して非常に機械加工性を改善できることが分かる。

例５
以下の例は、ステンレス鋼サンプルを切削する場合、本発明による機械加工性改善剤の効果を、既知のこのような薬剤と比較して示す。鉄系粉末組成物を、３０４Ｌステンレス鋼粉末（Ｆｅ＋１８．５％Ｃｒ＋１１％Ｎｉ＋０．９％Ｓｉ）（米国のＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａｎＨoｇａｎaｓから入手可能）、及び潤滑剤ＡｃｒａｗａｘＣ（米国のＬｏｎｚａから入手可能）１．０重量％を混合することにより調製した。混合物番号２０を、基準として使用し、そして混合物番号２０には、機械加工性改善物質が含有されないが、混合物番号２１には、例３に記載した既知の機械加工性改善剤である硫化マンガンＭｎＳ０．５重量％が含有された。混合物番号２２には、例３に記載した本発明による機械加工性改善剤０．１５重量％が含有された。
この混合物を、例１の記載に従ってリングの形状の未焼結サンプルにコンパクト化し、未焼結密度６．５ｇ／ｃｍ^３にし、その後、４５分間、水素１００％の雰囲気中で１３１５℃にて焼結した。周囲温度に冷却した後、サンプルを機械加工性試験に使用した。
機械加工性試験は、旋盤操作にて行った。コーティングされた炭化タングステンインサートを使用して、サンプルを湿潤状態にて、即ち、冷却剤を使用して、過度の工具摩耗（２００μｍ超）が観察されるまで切削した。
以下の表８は、機械加工性試験の機械加工パラメーター及びその結果を示す。

混合物番号２２の場合、５０８７ｍｍの切削後に少しだけ初期の工具摩耗が生じたが、混合物番号２０及び２１の場合、同じ距離を切削した後、過度の工具摩耗が生じた。この結果から、本発明による機械加工性改善剤が、既知の機械加工性改善剤であるＭｎＳよりも、はるかに良好に機械加工操作を容易にするが、本発明による機械加工性改善剤の添加量は、より少ないことが分かる。更に、本発明による機械加工性改善剤は、０．１５％という少ない含有量で、ステンレス鋼の機械加工性の改善に優れた効果を有することに注目すべきである。

例６
この例は、本発明による機械加工性改善剤の、焼結サンプルの腐食に対する影響を示す。
例１に記載の鉄系粉末組成物を調製した。１つの組成物には、機械加工性改善剤が含有されず、別の組成物には、ＭｎＳ０．５重量％が含有され、そして３番目の組成物には、Ｘ９５＝９μｍを有するチタン酸カリウム０．１５％が含有された。リングの形状の未焼結サンプル及び焼結サンプルを、例１に記載したように調製した。その後、焼結サンプルを、４５℃及び相対湿度９５％の湿度室内に置いた。サンプルを、試験開始時、１日後及び４日後に視覚的に検査した。
図３は、ＭｎＳを含有するサンプルが激しい腐食を示すのとは対照的に、新規な機械加工性改善剤を含有するサンプルの場合は、４日後に殆ど腐食を検出することができなかったことを示している。機械加工性改善剤を添加されていないサンプルと比較すると、本発明による機械加工性改善剤は、ある程度の腐食防止効果を有するとすら結論付けることができる。

例７
例７は、機械加工性改善剤としてのチタン酸塩が、アルカリ金属を含有しない、即ち、アルカリ土類金属のチタン酸塩からなる場合、機械加工性は、制限された程度に影響を受けるだけであることを示している。
４つの鉄系粉末組成物を、純粋なアトマイズ鉄粉末ＡＳＣ１００．２９（スウェーデンのＨoｇａｎaｓＡＢから入手可能）、銅粉末Ｃｕ１６５（米国のＡＣｕＰｏｗｄｅｒから入手可能）２重量％、グラファイト粉末Ｇｒ１６５１（米国のＡｓｂｕｒｙＧｒａｐｈｉｔｅから入手可能）０．８５重量％、及び潤滑剤ＡｃｒａｗａｘＣ（米国のＬｏｎｚａから入手可能）０．７５重量％を混合することにより調製した。混合物番号２３を基準として使用し、そして混合物番号２３には、機械加工性改善物質が含有されないが、混合物番号２４～２６には、機械加工性改善剤０．１５重量％が含有された。物質ＰＴの粒子サイズは、Ｘ９５＝９μｍ、物質ＢＴの粒子サイズは、Ｘ９５＝７μｍ、そして物質ＣＴの粒子サイズは、Ｘ９５＝１０μｍであった。
混合物を、未焼結密度６．９ｇ／ｃｍ^３に一軸加圧することによって、高さ＝２０ｍｍ、内径＝３５ｍｍ、外径＝５５ｍｍのリングの形状の未焼結サンプルにコンパクト化し、その後、窒素９０％／水素１０％の雰囲気中で、１１２０℃にて３０分間、焼結した。周囲温度まで冷却した後、サンプルを機械加工性について試験した。
機械加工性試験は、１／８インチのプレーンな（コーティングされていない）高速度鋼ドリルビットを用いて、湿潤状態にて、即ち、冷却剤を用いて、深さ１８ｍｍの盲穴を穿孔した。機械加工性改善剤を、例えば、切削工具が過度の摩耗又は破損する等のドリル破壊前の全切削距離について評価した。表９は、機械加工性試験の結果を示す。

表９は、本発明によるサンプルである混合物番号２４の場合に認められた機械加工性の顕著な改善と比べて、混合物２６の場合は、制限された改善が得られたことを示している。混合物番号２５は、ある程度の改善を示している。

Claims

少量の機械加工性改善添加剤を含む鉄系粉末組成物であって、前記添加剤が、粉末形態の合成チタン酸化合物のみからなり、前記チタン酸化合物が以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で２０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記チタン酸化合物が以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で１０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、請求項１記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記合成チタン酸化合物が、少なくとも１種のアルカリ金属を含有する、請求項１又は２に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記合成チタン酸化合物が、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸バリウム又はこれらの混合物の群から選択される、請求項１又は２に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記合成チタン酸化合物が、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択される、請求項１又は２に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記合成チタン酸化合物が、チタン酸カリウム及びチタン酸マグネシウムカリウム又はこれらの混合物の群から選択される、請求項３に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
機械加工性改善添加剤の含有量が、０．０５～１．０重量％の間である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
機械加工性改善添加剤の含有量が、０．０５～０．４重量％の間である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
機械加工性改善添加剤の含有量が、０．１と０．３重量％の間である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記チタン酸化合物の含有量が、０．１重量％超で０．５重量％未満である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記チタン酸化合物の含有量が、０．１２重量％超で０．４重量％以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
前記チタン酸化合物の含有量が、０．１２重量％超で０．３重量％以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物。
鉄系粉末焼結鋼用組成物中の機械加工性改善添加剤である合成チタン酸化合物の単独の使用であって、前記合成チタン酸化合物が、粉末形態であり、そして前記チタン酸化合物が、以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で２０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、
前記単独の使用。
前記チタン酸化合物が、以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で１０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、
請求項１３記載の使用。
鉄系粉末を供給すること；及び
前記鉄系粉末を機械加工性改善添加剤、及び任意選択的に他の粉末材料と混合することを含む鉄系粉末焼結鋼用組成物を調製する方法であって、
前記機械加工性改善添加剤が、合成チタン酸化合物のみからなり、前記合成チタン酸化合物が、粉末形態であり、そして前記チタン酸化合物が、以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で２０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、
前記方法。
前記チタン酸化合物が、以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で１０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、請求項１５に記載の方法。
請求項１～１２のいずれか一項に記載の鉄系粉末焼結鋼用組成物を調製すること；
前記鉄系粉末焼結鋼用組成物を、コンパクト化圧力４００～１２００ＭＰａにてコンパクト化すること；
コンパクト化部品を、温度７００～１３５０℃にて焼結すること；及び
任意選択的に、焼結部品を熱処理すること、
を含む、改善された機械加工性を有する鉄系焼結部品を製造する方法。
機械加工性改善剤を含有する焼結鋼コンポーネントであって、前記機械加工性改善剤が、合成チタン酸化合物のみからなり、前記合成チタン酸化合物が、粉末形態であり、そして前記チタン酸化合物が、以下の式；ＭｘＯ・ｎＴｉＯ_２に従い、式中、ｘは、１又は２であり、そしてｎは、１以上で２０未満の数であり、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるアルカリ金属若しくはＭｇ、Ｃａ、Ｂａから選択されるアルカリ土類金属又はこれらの組合せである、焼結鋼コンポーネント。
前記チタン酸化合物が、チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸バリウム又はこれらの混合物の群から選択される、請求項１８に記載の焼結鋼コンポーネント。
前記チタン酸化合物が、０．１重量％超で０．５重量％未満の量で存在する、請求項１８～１９のいずれか一項に記載の焼結鋼コンポーネント。
前記チタン酸化合物が、０．１２重量％超で０．４重量％以下の量で存在する、請求項１８～１９のいずれか一項に記載の焼結鋼コンポーネント。
前記チタン酸化合物が、０．１２重量％超で０．３重量％以下の量で存在する、請求項１８～１９のいずれか一項に記載の焼結鋼コンポーネント。
前記焼結鋼コンポーネントが、銅を更に含有する、請求項１８～２２のいずれか一項に記載の焼結鋼コンポーネント。
前記焼結鋼コンポーネントが、連接棒、主軸受キャップ及び可変バルブタイミング（ＶＶＴ）コンポーネントの群から選択される、請求項１８～２３のいずれか一項に記載の焼結鋼コンポーネント。