粉末冶金用金属粉末、复合物、造粒粉末以及烧结体的制作方法

文档序号:9226675阅读:561来源:国知局
粉末冶金用金属粉末、复合物、造粒粉末以及烧结体的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及粉末冶金用金属粉末、复合物(compound)、造粒粉末、烧结体以及烧结 体的制造方法。
【背景技术】
[0002] 在粉末冶金法中,通过在将含有金属粉末和粘结剂的组合物成型为所期望的形状 而得到成型体之后将成型体脱脂、烧结,从而制造烧结体。在这种烧结体的制造过程中,在 金属粉末的粒子彼此之间发生原子的扩散现象,由此成型体慢慢地致密化,从而达到烧结。
[0003] 例如,在专利文献1中,已经提出一种粉末冶金用金属粉末,其含有Zr以及Si,其 余部分由选自由Fe、Co以及Ni组成的组的至少一种和不可避免元素构成。根据这种粉末 冶金用金属粉末,通过Zr的作用而使烧结性提高,进而能够容易地制造高密度的烧结体。
[0004] 近年来,通过如此得到的烧结体正在被广泛地应用于各种机械部件、结构件等。
[0005] 可是,有些烧结体的用途也有时需要更进一步的致密化。在这种情况下,虽然通过 对烧结体再进行像热等静压处理(HIP处理)这样的追加处理而实现了高密度化,但是在作 业工时大幅度地增加的同时,不可避免高成本化。
[0006] 于是,对实现不实施追加处理等而能够制造高密度烧结体的金属粉末的期待不断 在提尚。
[0007] 【在先技术文献】
[0008] 【专利文献】
[0009] 专利文献1 :日本特开2012 - 87416号公报

【发明内容】

[0010] 本发明的目的在于提供能够制造高密度的烧结体的粉末冶金用金属粉末、复合物 及造粒粉末、高密度烧结体以及能够制造高密度的烧结体的烧结体制造方法。
[0011] 上述目的通过下述的本发明达到。
[0012] 本发明的粉末冶金用金属粉末的特征在于,在将从由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta 组成的组中选择的一种元素作为第一元素,将从所述组中选择的一种元素、即元素周期表 中的族比所述第一元素大的元素或者元素周期表中的族与所述第一元素相同且元素周期 表中的周期比所述第一元素大的元素作为第二元素时,所述粉末冶金用金属粉末包括具有 以下区域的粒子:以Fe为主成分的第一区域Pl ;第二区域P2,所述第一元素在第二区域P2 的含有率比所述第一元素在所述第一区域Pl中的含有率变高、且Si在第二区域P2的含有 率比Si在所述第一区域Pl中的含有率变高、且Fe在第二区域P2的含有率比Fe在所述第 一区域Pl中的含有率变低;以及第三区域P3,所述第二元素在第三区域P3的含有率比所 述第二元素在所述第一区域Pl中的含有率变高、且Si在第三区域P3的含有率比Si在所 述第一区域Pl中的含有率变高、且Fe在第三区域P3的含有率比Fe在所述第一区域Pl中 的含有率变低,在所述粒子中所述第一区域Pl占有50体积%以上,且所述第一区域Pl为 准晶质。
[0013] 由此,在粉末冶金用金属粉末已供于粉末冶金时,第二区域P2以及第三区域P3移 动至烧结体中的金属晶体的晶粒边界,晶粒的显著生长受到抑制,进而获得具有更加微细 的晶体的烧结体。其结果,不实施追加处理而获得高密度的烧结体。
[0014] 在本发明的粉末冶金用金属粉末中,优选所述第二区域P2以及所述第三区域P3 是各自的〇含有率比〇在所述第一区域Pl中的含有率变高的区域。
[0015] 由此,在粒子中,Fe等变得易于被还原,晶体内部的氧混入量变得较少。因此,粉 末冶金用金属粉末的烧结性变得更高,进而获得更高密度的烧结体。
[0016] 在本发明的粉末冶金用金属粉末中,优选所述第二区域P2以及所述第三区域P3 存在于所述第一区域Pl中且相互分离。
[0017] 由此,粒子在结构上的均匀性变得更高,因此能够使烧结体中的晶粒的微细化这 种效果均匀地发挥。其结果,获得更加均质的烧结体。
[0018] 在本发明的粉末冶金用金属粉末中,优选在所述粒子的截面,所述第二区域P2以 及所述第三区域P3分别呈粒状,所述第二区域P2的粒径以及所述第三区域P3的粒径分别 为所述粒子的粒径的〇. 01%以上〇. 9%以下。
[0019] 由此,第二区域P2以及第三区域P3分别变得更易于移动至烧结体中的金属晶体 的晶粒边界,因此能够更加可靠地抑制晶粒的显著生长。其结果,获得更高密度且机械特性 高的烧结体。
[0020] 在本发明的粉末冶金用金属粉末中,优选在所述粒子中,所述第一区域Pl由单晶 体构成。
[0021] 由此,可以认为,在粉末冶金用金属粉末已供于粉末冶金时,第二区域P2以及第 三区域P3变得更易于移动至烧结体中的金属晶体的晶粒边界。其结果,更可靠地抑制晶体 的肥大化,进而获得具有更加微细的晶体的烧结体。
[0022] 在本发明的粉末冶金用金属粉末中,优选含有个数比50%以上的所述粒子。
[0023] 由此,第二区域P2以及第三区域P3所带来的晶粒微细化的效果变得更加显著,能 够更可靠地制造具有微细的晶体的烧结体。
[0024] 在本发明的粉末冶金用金属粉末中,优选在所述粒子中,Fe作为主成分而含有,Cr 以10质量%以上30质量%以下的比例含有,Si以0. 3质量%以上1. 2质量%以下的比例 含有,C以0.005质量%以上1.2质量%以下的比例含有,所述第一元素以0.01质量%以 上〇. 5质量%以下的比例含有,所述第二元素以〇. 01质量%以上〇. 5质量%以下的比例含 有。
[0025] 由此,获得能够制造高密度且具有高耐腐蚀性和机械特性的烧结体的粉末冶金用 金属粉末。
[0026] 本发明的复合物的特征在于,包括本发明的粉末冶金用金属粉末;以及将所述粉 末冶金用金属粉末的粒子彼此粘结的粘结剂。
[0027] 由此,获得能够制造高密度的烧结体的复合物。
[0028] 本发明的造粒粉末的特征在于,将本发明的粉末冶金用金属粉末造粒而成。
[0029] 由此,获得能够制造高密度的烧结体的造粒粉末。
[0030] 本发明的烧结体的特征在于,在将从由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta组成的组中选 择的一种元素作为第一元素,将从所述组中选择的一种元素、即元素周期表中的族比所述 第一元素大的元素或者元素周期表中的族与所述第一元素相同且元素周期表中的周期比 所述第一元素大的元素作为第二元素时,所述烧结体包括具有以下区域的粒子:以Fe为主 成分的第一区域Sl ;第二区域S2,所述第一元素在第二区域S2的含有率比所述第一元素在 所述第一区域Sl中的含有率变高、且Si在第二区域S2的含有率比Si在所述第一区域Sl 中的含有率变高、且Fe在第二区域S2的含有率比Fe在所述第一区域Sl中的含有率变低; 以及第三区域S3,所述第二元素在第三区域S3的含有率比所述第二元素在所述第一区域 Sl中的含有率变高、且Si在第三区域S3的含有率比Si在所述第一区域Sl中的含有率变 高、且Fe在第三区域S3的含有率比Fe在所述第一区域Sl中的含有率变低。
[0031] 由此,不实施追加处理而获得高密度的烧结体。
[0032] 在本发明的烧结体中,优选所述第二区域S2以及所述第三区域S3是各自的0含 有率比〇在所述第一区域Sl中的含有率变高的区域。
[0033] 由此,获得在机械特性上卓越的烧结体。
[0034] 在本发明的烧结体中,优选在所述烧结体的截面,所述第二区域S2以及所述第三 区域S3分别呈粒径为IOnm以上1000 nm以下的粒状。
[0035] 由此,第二区域S2以及第三区域S3分别不损害烧结体的机械特性而有助于抑制 Fe等的氧化,因此能够实现尤其是在机械特性上卓越的烧结体。
[0036] 本发明的烧结体制造方法的特征在于,具有:将包括以下的粉末冶金用金属粉末 的组合物成型,获得成型体的工序;以及烧制所述成型体,获得烧结体的工序,在所述粉末 冶金用金属粉末中,在将从由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta组成的组中选择的一种元素作为 第一元素,将从所述组中选择的一种元素、即元素周期表中的族比所述第一元素大的元素 或者元素周期表中的族与所述第一元素相同且元素周期表中的周期比所述第一元素大的 元素作为第二元素时,所述粉末冶金用金属粉末包括具有以下区域的粒子:以Fe为主成分 的第一区域(Pl);第二区域(P2),所述第一元素在第二区域(P2)的含有率比所述第一元素 在所述第一区域(Pl)中的含有率变高、且Si在第二区域(P2)的含有率比Si在所述第一 区域(Pl)中的含有率变高、且Fe在第二区域(P2)的含有率比Fe在所述第一区域(Pl)中 的含有率变低;以及第三区域P3,所述第二元素在第三区域(P3)的含有率比所述第二元素 在所述第一区域(Pl)中的含有率变高、且Si在第三区域(P3)的含有率比Si在所述第一 区域(Pl)中的含有率变高、且Fe在第三区域(P3)的含有率比Fe在所述第一区域(Pl)中 的含有率变低,所述第一区域(Pl)占所述粒子50体积%以上,且所述第一区域(Pl)为准 晶质。
[0037] 由此,能够不实施追加处理而制造高密度的烧结体。
【附图说明】
[0038] 图1是示意性地显示本发明的粉末冶金用金属粉末的实施方式中所含有的粒子 的截面的图。
[0039] 图2是图1上所示的粒子截面的局部放大图(由点划线包围的部分的放大图)。
[0040] 图3的(a)、(b)是本发明的粉末冶金用金属粉末中所含有的粒子的截面的透射式 电子显微镜(TEM)图像的一例。
[0041] 图4是图3所示的粒子截面的能量分散型X射线分析的映射(mapping)分析结果 的一例。
[0042]图5的(a)、(b)是本发明的粉末冶金用金属粉末中所含有的粒子的截面的TEM图 像的一例。
[0043] 图6的(a)、(b)是现有的粉末冶金用金属粉末中所含有的粒子的截面的TEM图像 的一例。
[0044] 图7是示意性地显示本发明的烧结体的实施方式的截面的图。
[0045] 图8的(a)、(b)是本发明的烧结体的截面的透射式电子显微镜图像的一例。
[0046] 图9是图8所示的烧结体截面的能量分散型X射线分析的映射分析结果的一例。
[0047] 符号说明
[0048] 1粒子 10烧结体
[0049] Pl第一区域Pl P2第二区域P2
[0050] P3第三区域P3 Sl第一区域Sl
[0051] S2第二区域S2 S3第三区域S3。
【具体实施方式】
[0052] 以下,根据附图上所示的优选实施方式而对本发明的粉末冶金用金属粉末、复合 物、造粒粉末、烧结体以及烧结体的制造方法详细地进行说明。
[0053] [粉末冶金用金属粉末]
[0054] 首先,对本发明的粉末冶金用金属粉末的实施方式进行说明。
[0055] 在粉末冶金中,通过在将包括粉末冶金用金属粉末以及粘结剂的组合物成型为所 期望的形状之后脱脂、烧制,从而能够获得所期望的形状的烧结体。根据这种粉末冶金技 术,与其他冶金技术相比,具有能够近净形(接近于最终形状的形状)制造复杂、微细的形 状的烧结体这样的优点。
[0056] -直以来,作为用于粉末冶金的粉末冶金用金属粉末,进行了通过适当改变其组 成来谋求所制造的烧结体的高密度化的尝试。然而,由于在烧结体上易于形成空穴,因而要 获得与熔制材同等的机械特性,就必须在烧结体上谋求更进一步的高密度化。
[0057] 例如,以前,有时通过对所得到的烧结体再实施热等静压处理(HIP处理)等追加 处理而谋求高密度化。然而,由于这种追加处理伴随很多的麻烦、成本,因此成为扩大烧结 体的用途时的桎梏。
[0058] 鉴于上述那样的问题,本发明人对用于不进行追加处理而获得高密度烧结体的条 件反复进行了专心研宄。其结果,发现通过使金属粉末中所含有的各粒子的组织最优化而 谋求烧结体的高密度化,直至完成了本发明。
[0059] 具体而言,本实施方式所涉及的粉末冶金用金属粉末包括以Fe为主成分的第一 区域PU主要含有后述的第一元素及Si的第二区域P2、以及主要含有后述的第二元素及Si 的第三区域P3形成于同一粒子内的粒子。另外,第一区域Pl在该粒子中占有50体积%以 上且为准晶质。根据包括这种粒子的金属粉末,在烧制工序中粒子彼此烧结时,就会促进该 烧结,进行致密化。其结果,能够不进行追加处理而制造充分地高密度的烧结体。
[0060] 于是,这种烧结体成为在机械特性上卓越的烧结体。因此,也能够将烧结体广泛地 应用于诸如机械部件、结构件这样的施加外力的用途。
[0061] 此外,所谓第一元素是选自由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta七元素组成的组的一种 元素;所谓第二元素是选自由所述七元素组成的组的一种元素且是元素周期表中的族比第 一元素大的元素、或者是选自由所述七元素组成的组的一种元素的同时还是元素周期表中 的族与已选择作为第一元素的元素相同的元素且是元素周期表中的周期比第一元素大的 元素。
[0062] 以下,针对本实施方式所涉及的粉末冶金用粉末的结构进一步详述。此外,在以下 的说明中,将粉末冶金用金属粉末也仅称为"金属粉末",将构成粉末冶金用金属粉末的多 数粒子的各个也仅称为"粒子"。
[0063] 图1是示意性地显示本发明的粉末冶金用金属粉末的实施方式中所含有的粒子 的截面的图,图2是图1所示的粒子截面的局部放大图(由点划线包围的部分的放大图)。
[0064] 图1所示的粒子1由Fe基合金构成,如图2所示,包括有第一区域P1、第二区域 P2以及第三区域P3。其中,图2所示的第一区域Pl占有粒子1的50体积%以上。此外, 该体积比率能够通过第一区域Pl在粒子1的截面中所占的面积的比率而简易地求出。另 一方面,图2所示的第二区域P2以及第三区域P3分别呈粒状,在彼此已分离的状态下散布 在第一区域Pl中。
[0065] 第一区域Pl是以Fe为主成分的区域。这种第一区域Pl即使在金属粉末的烧结 后也能够占优势地存在,因此左右烧结体的机械特性。通过将第一区域Pl设定为以Fe为 主成分的区域,从而烧结体成为具有来自于Fe基合金的卓越的机械特性的烧结体。
[0066] 此外,第一区域Pl只要Fe的含有率为50质量%以上即可。
[0067] 另一方面,在第二区域P2中,第一元素的含有率比第一元素在第一区域Pl中的含 有率变高,且Si的含有率比Si在第一区域Pl中的含有率变高,并且Fe的含有率比Fe在 第一区域Pl中的含有率变低。
[0068] 换而言之,在将第一元素在第一区域Pl中的含有率设为El (Pl)、将第一元素在第 二区域P2中的含有率设为El (P2)、将Si在第一区域Pl中的含有率设为Si (Pl)、将Si在 第二区域P2中的含有率设为Si (P2)、将Fe在第一区域Pl中的含有率设为Fe (Pl)、将Fe 在第二区域P2中的含有率设为Fe (P2)时,粒子1的第一区域Pl以及第二区域P2满足由 下述式⑴~⑶表示的关系的全部:
[0069] El (P2) > El(Pl) (1)
[0070] Si (P2) > Si (Pl) (2)
[0071] Fe (P2) < Fe(Pl) (3)
[0072] 另外,在第三区域P3中,第二元素的含有率比第二元素在第一区域Pl中的含有率 变高,且Si的含有率比Si在第一区域Pl中的含有率变高,并且Fe的含有率比Fe在第一 区域Pl中的含有率变低。
[0073] 换而言之,在将第二元素在第一区域Pl中的含有率设为E2 (Pl)、将第二元素在第 三区域P3中的含有率设为E2 (P3)、将Si在第三区域P3中的含有率设为Si (P3)、将Fe在 第三区域P3中的含有率设为Fe (P3)时,粒子1的第一区域Pl以及第三区域P3满足由下 述式⑷~(6)表示的关系的全部:
[0074] E2(P3) > E2(P1) (4)
[0075] Si (P3) > Si (Pl) (5)
[0076] Fe (P3) < Fe(Pl) (6)
[0077] 包括这种第一区域PU第二区域P2以及第三区域P3的粒子I在已供于粉末冶金 时,烧结时的致密化变得特别地高。其结果,能够不进行追加处理而制造高密度的烧结体。
[0078] 于是,通过实现烧结体的高密度化,从而获得在机械特性上卓越的烧结体。这种 烧结体成为也能够广泛地应用于诸如机械部件、结构件这样的施加较大外力的用途的烧结 体。
[0079] 以下,针对构成粒子1的Fe基合金的组成的一例进一步详细说明。
[0080] Fe是Fe基合金中含有率最高的成分(主成分),对烧结体的特性带来很大的影 响。Fe在整个粒子1中的含有率为50质量%以上。由此,在占有粒子1的50体积%以上 的第一区域Pl中,Fe成为主成分。
[0081] (Si)
[0082] Si (硅)是向所制造的烧结体赋予耐腐蚀性以及高机械特性的元素,通过使用包 括Si的金属粉末,从而获得能够长期维持高机械特性的烧结体。
[0083] Si在金属粉末中的含有率优选设定为0. 3质量%以上1. 2质量%以下,更优选设 定为〇. 4质量%以上1质量%以下,进一步优选设定为0. 5质量%以上0. 9质量%以下。如 果Si的含有率低于上述下限值,则对于有些整体的组成,添加 Si的效果就变得微弱,因此 有可能所制造的烧结体的耐腐蚀性、机械特性下降。另一方面,如果Si的含有率超过上述 上限值,则对于有些整体的组成,Si就变得过于多,因此有可能耐腐蚀性、机械特性反而下 降。
[0084](第一元素以及第二元素)
[0085] 第一元素以及第二元素使碳化物、氧化物(以下,也统称为"碳化物等")析出。而 且,一般认为在金属粉末烧结时,该析出后的碳化物等阻碍晶粒的显著生长。其结果,变得 难以如上所述在烧结体中生成空穴,同时防止晶粒的肥大化,进而获得高密度且机械特性 高的烧结体。
[0086] 除此以外,详细情况将后述,析出后的碳化物等促进二氧化硅在晶界处集聚,其结 果,在抑制晶粒肥大化的同时,谋求烧结的促进和高密度化。
[0087] 此外,第一元素以及第二元素虽然是选自由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta七元素组 成的组的两种元素,但优选包括属于长周期型元素周期表的3A族或4A族的元素(Ti、Y、Zr、 Hf)。通过包括属于3A族或4A族的元素而作为第一元素以及第二元素的至少一个,从而除 去在金属粉末中以氧化物形式含有的氧,进而能够特别地提高金属粉末的烧结性。
[0088] 另外,第一元素虽然如上所述为选自由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta这七元素组成 的组的一种元素即可,但优选设定为由上述七元素组成的组中的、属于长周期型元素周期 表的3A族或4A族的元素。属于3A族或4A族的元素除去在金属粉末中以氧化物形式含有 的氧,进而能够特别地提高金属粉末的烧结性。由此,能够实现在烧结后残存于晶粒内的氧 浓度降低。其结果,能够实现烧结体的氧含有率降低,进而实现高密度化。并且,这些元素 由于是活性高的元素,因此可以认为带来快速的原子扩散。因此,该原子扩散成为驱动力而 高效地缩短金属粉末的粒子间距离,通过在粒子间形成颈部而促进成型体的致密化。其结 果,能够实现烧结体的更进一步的高密度化。
[0089] 另一方面,第二元素虽然如上所述为选自由Ti、V、Y、Zr、Nb、Hf以及Ta这七元素 组成的组的一种元素且为与第一元素不同的元素即可,但优选设定为由上述七元素组成的 组中的、属于长周期型元素周期表的5A族的元素。属于5A族的元素由于特别地使上述的 碳化物等高效地析出,因此能够高效地阻碍烧结时的晶粒显著生长。其结果,能够促进微细 晶粒的生成,进而能够实现烧结体的高密度化和机械特性的提高。
[0090] 此外,在由上述那样的元素构成的第一元素与第二元素的组合中,彼此互不妨碍 地发挥各自的效果。因此,包括这种第一元素以及第二元素的金属粉末就成为能够制造格 外高密度的烧结体的金属粉末。
[0091] 另外,更优选采用第一元素为属于4A族的元素、第二元素为Nb的组合。
[0092] 另外,进一步优选采用第一元素为Zr或Hf、第二元素为Nb的组合。
[0093] 通过采用这种组合,从而上述的效果变得更加显著。
[0094] 另外,在第一元素尤其为Zr的情况下,Zr由于是铁素体生成元素,因此使体心立 方晶格相析出。该体心立方晶格相由于与其他晶格相相比而在烧结性上卓越,因而有助于 烧结体的高密度化。
[0095] 此外,Zr的原子半径比Fe的原子半径稍大。具体而言,Fe的原子半径大约为 0· 117nm,Zr的原子半径大约为0· 145nm。因此,Zr虽然固溶于Fe中,但是未达到完全的固 溶,部分Zr以碳化物等的形式析出。由此,适量的碳化物等就会析出,因此能够在实现促进 烧结与高密度化的同时,有效地抑制晶粒肥大化。
[0096] 另外,在第二元素尤其为Nb的情况下,Nb的原子半径虽然比Fe的原子半径稍大, 但与Zr的原子半径相比却略小。具体而言,Fe的原子半径大约为0. 117nm,Nb的原子半径 大约为0. 134nm。因此,Nb虽然固溶于Fe中,但是未达到完全的固溶,部分Nb以碳化物等 的形式析出。由此,适量的碳化物等就会析出,因此能够在实现促进烧结与高密度化的同 时,有效地抑制晶粒肥大化。
[0097] 第一元素在金属粉末中的含有率设定为0.01质量%以上0.5质量%以下,但优选 设定为〇. 03质量%以上0. 3质量%以下,更优选设定为0. 05质量%以上0. 2质量%以下。 如果第一元素的含有率低于上述下限值,则对于有些整体的组成,添加第一元素的效果就 变得微弱,因此所制造的烧结体的高密度化就变得不足。另一方面,如果第一元素的含有率 超过上述上限值,则对于有些整体的组成,第一元素就变得过于多,因此上述的碳化物等的 比例变得过于多,高密度化反而会受损。
[0098] 第二元素在金属粉末中的含有率设定为0.01质量%以上0.5质量%以下,但优选 设定为〇. 03质量%以上0. 3质量%以下,更
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