JP2004232004A

JP2004232004A - Alloy steel powder with excellent surface pressure fatigue properties for iron-based sintering heat treatment materials

Info

Publication number: JP2004232004A
Application number: JP2003019747A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Unami; 繁宇波; Yukiko Ozaki; 由紀子尾崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP4093070B2

Abstract

【課題】面圧疲労特性が良好な焼結材料を従来に比して経済的に得ることができる、面圧疲労特性に優れた鉄系焼結熱処理材料用合金鋼粉を提供する。
【解決手段】Ｍｏ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、好ましくはＭｏ：１．０ｍａｓｓ％超〜２．０ｍａｓｓ％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる予合金鋼粉表面に、Ｃｕ：０．１〜０．８ｍａｓｓ％を配合した鉄系焼結熱処理材料用合金鋼粉である。
【選択図】図１An alloy steel powder for an iron-based sintering heat treatment material having excellent surface pressure fatigue characteristics, which can economically obtain a sintered material having good surface pressure fatigue characteristics as compared with the prior art.
Kind Code: A1 A pre-alloyed steel powder containing Mo: 0.5 to 2.0 mass%, preferably Mo: more than 1.0 mass% to 2.0 mass%, and the balance of Fe and unavoidable impurities has Cu: It is an alloy steel powder for iron-based sintering heat treatment material containing 0.1 to 0.8 mass%.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面圧疲労特性に優れた鉄系焼結熱処理材料用合金鋼粉、すなわち、各種焼結部品の中でも、特に高い面圧疲労特性が要求される部品の製造に供して好適な鉄系焼結熱処理材料用の合金鋼粉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のギヤなど、高強度や高面圧疲労特性が要求される鉄系部品を粉末冶金法で製造する場合、強度および疲労特性の向上のためには、合金元素を添加し、さらに浸炭処理や浸窒処理を施すとともに、その後に焼入れ、焼戻し処理が施される。
【０００３】
純鉄粉中に合金成分を固溶させて合金鋼粉を製造する予合金鋼粉では、合金成分を多く含有させると、鋼粉の圧縮性が損なわれることが多く、その場合に高い焼結密度が得られなくなり、結果的に疲労特性の向上が望めない。
この点、例えば特許文献１では、純鉄粉にＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏなどの合金成分粉末を拡散付着すること（以下、“部分合金化”と称する。）によって上述の問題の解決を図っている。
【０００４】
しかしながら、上記の方法にて製造された部分合金化鋼粉は、圧縮性には優れるものの、異種金属粉を混粉後加熱することにより拡散を生じさせて部分的に合金化するだけなので、成分的に完全に均一なものが得られる予合金鋼粉に比べると、焼結体の組織の均一性が低く、合金成分濃度の低い部分や、Ｎｉ濃度のオーステナイト相が疲労破壊の起点となり、疲労特性低下の原因となる。
【０００５】
このように、上記した部分合金化鋼粉では圧縮性が高く、焼結体の強度の向上は図り得るものの、面圧疲労特性の点では十分とは言い難かった。
そこで、これらの欠点を解消するために、合金成分の一部を予合金化するとともに、残りの合金成分を部分合金化して配合することが提案されている（特許文献２，３参照）。特許文献２では、Ｆｅ‐０．１〜１．０ｗｔ％Ｍｏ予合金鋼粉の表面にＮｉ：２．５ｗｔ％以下および／またはＣｕ：２．０ｗｔ％以下の粉末を拡散付着させてなる粉末が開示されている。また、特許文献３では、Ｎｉ：０．２５〜０．５ｗｔ％、Ｍｏ：０．２５〜１．０ｗｔ％、不純物としてのＭｎおよびＣｒそれぞれ０．３ｗｔ％以下、残部Ｆｅからなる鉄合金粉の表面に、組成全体に対しＣｕ：１〜３ｗｔ％および／またはＭｏ：１．０ｗｔ％以下をなす金属粉、あるいはさらに黒鉛粉末：０．４〜１．２ｗｔ％を配合してなる粉末冶金用合金粉末が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭４５−９６４９号公報
【特許文献２】
特開昭５９−２１５４０１号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１３７１０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献２，３に開示された合金鋼粉では、面圧疲労強度を考慮した合金設計がなされていなかった。
そこで、本発明は、面圧疲労特性が良好な焼結材料を従来に比して経済的に得ることができる、面圧疲労特性に優れた鉄系焼結熱処理材料用合金鋼粉を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく合金成分の添加方法について鋭意研究を重ねた結果、合金成分の一部を予合金化するとともに残りの合金成分を部分合金化して配合する合金鋼粉で、合金成分、合金量を最適化することが初期の目的を達成する上で極めて有効であるとの知見を得た。
【０００９】
すなわち、本発明は、Ｍｏ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、好ましくはＭｏ：１．０ｍａｓｓ％超〜２．０ｍａｓｓ％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる予合金鋼粉表面に、Ｃｕ：０．１〜０．８ｍａｓｓ％を配合してなることを特徴とする面圧疲労特性に優れた鉄系焼結熱処理材料用合金鋼粉である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る合金鋼粉は上述の構成を有するものであるが、本発明においてそのように粉末組成を限定した理由についてさらに詳述する。
本発明では、合金元素としてＭｏ、Ｃｕを選択する。ＭｏおよびＣｕはＲＸガス（炭化水素変成ガス）のような弱酸化性雰囲気での焼結を行っても酸化することがなく、効率良く強度の向上が可能となる。予合金鋼粉を得るには、所定量の合金元素を予合金した溶鋼を溶製し、水アトマイズすることにより、予合金化したＭｏ含有合金鋼粉とする。水アトマイズは、通常公知の装置および方法を用いて行えばよく、特に限定する必要はない。
【００１１】
鋼粉は、水アトマイズ後、常法に従い、仕上還元処理、粉砕を施されるのは言うまでもない。
はじめに予合金鋼粉の組成の限定理由について説明する。
Ｍｏ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％
Ｍｏは、固溶強化、焼入性向上により基地強度を向上させる元素である。しかし、Ｍｏが０．５ｍａｓｓ％未満では焼入性を向上させる効果が充分ではなく、一方、Ｍｏを２．０ｍａｓｓ％を超えて含有させると鋼粉粒子が硬化し、著しく圧縮性が低下し得られる密度が低下するため面圧疲労特性が低下する。このため、Ｍｏは０．５〜２．０ｍａｓｓ％の範囲に限定した。なお、より高い面圧疲労強度を得るには、Ｍｏを１．０ｍａｓｓ％超〜２．０ｍａｓｓ％の範囲で含有することが好ましい（図２参照）。
【００１２】
次に、拡散付着配合する組成の限定理由について説明する。
Ｃｕ：０．１〜０．８ｍａｓｓ％
Ｃｕの少量の配合は本発明の重要な特徴である。
Ｃｕは、焼結時に液相が生成し、液相焼結により焼結ネック部の強度を向上させ、また、鉄中に拡散し、固溶強化、焼入性強化の元素でもあることが知られている。しかし、従来の特許文献２所載の実施例（第３表）あるいは特許文献３所載の特許請求の範囲のように、Ｃｕを０．８ｍａｓｓ％超の範囲にまで配合すると、面圧疲労特性が低下してしまうことが判明した。この理由は明らかではないが、Ｃｕ液相生成量が多くなりすぎると、Ｃｕ膨張が生じて密度を低下させてしまうことと、焼結ネック部を脆化させてしまうことによるものと推定される。また、Ｃｕが０．１ｍａｓｓ％未満では面圧疲労特性を向上させる効果が充分ではなかった（図１参照）。このため、Ｃｕは０．１〜０．８ｍａｓｓ％の範囲に限定した。
【００１３】
上述したような合金鋼粉を成形、焼結することにより、その焼結体の熱処理における寸法精度を向上させることができ、また得られた焼結・熱処理体の面圧疲労特性は極めて良好である。
なお、ここでいう成形、焼結とは、一般に粉末冶金部品を製造する方法を意味し、例えば、室温あるいは１００〜１５０℃で４〜１０ｔ／ｃｍ^２（ ≒３９２〜９８１ＭＰａ）の圧力による圧粉成形後、１１００〜１３００℃におけるＮ_２、ＡＸまたはＲＸガス中での焼結が好適である。また必要に応じて、成形に先立ち黒鉛を強度向上を目的として添加することもでき、その添加による含有量は０．１〜１．０ｍａｓｓ％が好適である。
【００１４】
【実施例】
次のような焼結・熱処理体の製造および面圧疲労特性調査実験を行った。
Ｍｏ、Ｃｕを、表１に示す含有量になるように、それぞれ予合金成分、部分合金成分として添加してなる合金鋼粉に、黒鉛を０．５ｍａｓｓ％、ステアリン酸リチウムを０．８ｍａｓｓ％の含有量となるように添加し、混合したのち、成形圧力６８６ＭＰａ、成形温度１３０℃の条件で、外径：６０ｍｍ、高さ：６ｍｍの成形体を作製した。これらの成形体を対象に、ＲＸガス雰囲気中、１１３０℃、２０分間の条件で焼結を行い、次いで９００℃の温度で６０分間の浸炭処理（カーボンポテンシャル０．９ｍａｓｓ％Ｃ）に続いて油焼入れを行ったのち、１８０℃の温度で６０分間の焼戻し処理を行った。
【００１５】
このようにして得られた焼結・熱処理体について、６球式面圧疲労試験による疲労強度（面圧耐久疲れ強さ）を調べた。
この実験において、Ｃｕ部分合金化鋼粉は、ベース粉末（Ｍｏ予合金鋼粉）にＣｕ粉を所定量混合したものを水素ガス中にて９００℃、６０分間の加熱処理後、解砕・分級して得たものである。
【００１６】
実験結果を表１に併記する。また、面圧耐久疲れ強さとＣｕ量、Ｍｏ量との関係をそれぞれプロットして図１、図２に示す。表１および図１、図２より明らかなように、本発明によって、面圧疲労特性に優れた焼結・熱処理体を得ることができた。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【発明の効果】
本発明の合金鋼粉は、焼結・熱処理材において、面圧疲労特性に優れ、例えば自動車のカムギアのような高疲労特性を要求される焼結部品を低コストで製造可能な原料鋼粉として偉効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼粉のＣｕ量と成形・焼結体の面圧耐久疲れ強さの関係を示す図である。
【図２】鋼粉のＭｏ量と成形・焼結体の面圧耐久疲れ強さの関係を示す図である。
【符号の説明】
１請求項１の請求範囲
２請求項２の請求範囲[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is an alloy steel powder for iron-based sintering heat treatment materials having excellent surface pressure fatigue properties, that is, iron which is suitable for production of parts requiring particularly high surface pressure fatigue properties among various sintered parts. The present invention relates to an alloy steel powder for a system sintering heat treatment material.
[0002]
[Prior art]
When manufacturing iron-based parts that require high strength and high surface pressure fatigue properties, such as automobile gears, by powder metallurgy, alloy elements are added and carburizing and A nitriding treatment is performed, followed by quenching and tempering.
[0003]
In pre-alloyed steel powder, which is made by dissolving alloy components in pure iron powder to produce alloy steel powder, if a large amount of alloy components is contained, the compressibility of the steel powder is often impaired. Density cannot be obtained, and as a result, improvement in fatigue characteristics cannot be expected.
In this respect, for example, Patent Document 1 attempts to solve the above-described problem by diffusing and attaching an alloy component powder such as Ni, Cu, and Mo to pure iron powder (hereinafter, referred to as "partial alloying"). .
[0004]
However, although the partially alloyed steel powder produced by the above method is excellent in compressibility, it is only partially alloyed by causing diffusion by mixing and heating different kinds of metal powders. Compared to pre-alloyed steel powder, which is completely homogeneous in nature, the structure of the sintered body is less uniform, and the lower alloy component concentration and the austenite phase with Ni concentration become the starting point of fatigue fracture, It causes the characteristic deterioration.
[0005]
As described above, although the partially alloyed steel powder has high compressibility and can improve the strength of the sintered body, it cannot be said that the surface pressure fatigue property is sufficient.
In order to solve these disadvantages, it has been proposed to pre-alloy a part of the alloy components and partially alloy the remaining alloy components to mix them (see Patent Documents 2 and 3). In Patent Document 2, powder obtained by diffusing and adhering powder of Ni: 2.5 wt% or less and / or Cu: 2.0 wt% or less to the surface of Fe-0.1 to 1.0 wt% Mo prealloyed steel powder is used. It has been disclosed. Further, in Patent Document 3, Ni: 0.25 to 0.5 wt%, Mo: 0.25 to 1.0 wt%, Mn and Cr as impurities are each 0.3 wt% or less, and the balance of Fe is An alloy for powder metallurgy comprising a metal powder comprising Cu: 1 to 3 wt% and / or Mo: 1.0 wt% or less based on the entire composition, or graphite powder: 0.4 to 1.2 wt%. A powder is disclosed.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 45-9649 [Patent Document 2]
JP-A-59-215401 [Patent Document 3]
JP-A-63-137102
[Problems to be solved by the invention]
However, in the alloy steel powders disclosed in Patent Documents 2 and 3, the alloy is not designed in consideration of the surface pressure fatigue strength.
Therefore, the present invention provides an alloy steel powder for an iron-based sintering heat treatment material having excellent surface pressure fatigue properties, which can economically obtain a sintered material having good surface pressure fatigue properties as compared with the conventional one. The purpose is to:
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have conducted intensive studies on a method of adding alloy components to achieve the above object, and as a result, alloy steel powder in which a part of the alloy components is pre-alloyed and the remaining alloy components are partially alloyed and blended. Thus, it was found that optimizing the alloy composition and the amount of the alloy was extremely effective in achieving the initial purpose.
[0009]
That is, the present invention provides a pre-alloyed steel powder containing Mo: 0.5 to 2.0 mass%, preferably Mo: more than 1.0 mass% to 2.0 mass%, and the balance of Fe and unavoidable impurities. Cu: An alloy steel powder for an iron-based sintering heat treatment material having excellent surface pressure fatigue characteristics, characterized by containing 0.1 to 0.8 mass%.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The alloy steel powder according to the present invention has the above-mentioned configuration, and the reason why the powder composition is limited in the present invention will be described in more detail.
In the present invention, Mo and Cu are selected as alloy elements. Mo and Cu do not oxidize even when sintered in a weakly oxidizing atmosphere such as RX gas (hydrocarbon conversion gas), and the strength can be efficiently improved. In order to obtain a pre-alloyed steel powder, a molten steel in which a predetermined amount of alloying element is pre-alloyed is smelted and water atomized to obtain a pre-alloyed Mo-containing alloy steel powder. The water atomization may be usually performed using a known device and method, and there is no particular limitation.
[0011]
It goes without saying that steel powder is subjected to finish reduction treatment and pulverization after water atomization according to a conventional method.
First, the reasons for limiting the composition of the pre-alloyed steel powder will be described.
Mo: 0.5 to 2.0 mass%
Mo is an element that improves matrix strength by solid solution strengthening and hardenability. However, if Mo is less than 0.5 mass%, the effect of improving the hardenability is not sufficient. On the other hand, if Mo is contained in excess of 2.0 mass%, the steel powder particles are hardened and the compressibility may be significantly reduced. The surface pressure fatigue properties are reduced due to the reduced density. For this reason, Mo was limited to the range of 0.5 to 2.0 mass%. In order to obtain a higher surface pressure fatigue strength, Mo is preferably contained in a range of more than 1.0 mass% to 2.0 mass% (see FIG. 2).
[0012]
Next, the reasons for limiting the composition for diffusion adhesion will be described.
Cu: 0.1 to 0.8 mass%
The small loading of Cu is an important feature of the present invention.
It is known that Cu forms a liquid phase during sintering, improves the strength of the sinter neck by liquid phase sintering, and is also an element that diffuses into iron, strengthens solid solution and hardenability. Have been. However, when Cu is blended in a range of more than 0.8 mass% as in the conventional examples described in Patent Document 2 (Table 3) or the claims described in Patent Document 3, the surface pressure fatigue properties are reduced. Was found to decrease. The reason for this is not clear, but it is presumed that if the amount of the Cu liquid phase generated is too large, Cu expansion occurs to lower the density, and the sinter neck becomes brittle. . Further, if Cu is less than 0.1 mass%, the effect of improving the surface pressure fatigue properties is not sufficient (see FIG. 1). For this reason, Cu is limited to the range of 0.1 to 0.8 mass%.
[0013]
By forming and sintering the alloy steel powder as described above, the dimensional accuracy in the heat treatment of the sintered body can be improved, and the surface pressure fatigue characteristics of the obtained sintered / heat treated body are extremely good. is there.
The term “forming or sintering” as used herein generally means a method of manufacturing a powder metallurgy part. For example, a compacting method using a pressure of 4 to 10 t / cm ² (≒ 392 to 981 MPa) at room temperature or 100 to 150 ° C. After molding, sintering at 1100 to 1300 ° C. in N ₂ , AX or RX gas is preferred. If necessary, graphite can be added prior to molding for the purpose of improving strength. 1-1.0 mass% is suitable.
[0014]
【Example】
The following sintered and heat-treated bodies were manufactured and surface pressure fatigue properties were investigated.
0.5 mass% of graphite and 0.8 mass% of lithium stearate were added to alloy steel powder obtained by adding Mo and Cu as prealloy components and partial alloy components, respectively, so as to have the contents shown in Table 1. After adding and mixing so as to obtain the contents, a molded body having an outer diameter of 60 mm and a height of 6 mm was produced under the conditions of a molding pressure of 686 MPa and a molding temperature of 130 ° C. These compacts are sintered in an RX gas atmosphere at 1130 ° C. for 20 minutes, then carburized at a temperature of 900 ° C. for 60 minutes (carbon potential 0.9 mass% C), followed by oil. After quenching, tempering treatment was performed at a temperature of 180 ° C. for 60 minutes.
[0015]
The sintered / heat-treated body thus obtained was examined for the fatigue strength (surface pressure durability fatigue strength) by a 6-ball type surface pressure fatigue test.
In this experiment, the Cu partially alloyed steel powder was prepared by mixing a predetermined amount of Cu powder with a base powder (Mo prealloyed steel powder) in a hydrogen gas at 900 ° C. for 60 minutes, followed by crushing and classification. It was obtained.
[0016]
The experimental results are also shown in Table 1. The relationship between the surface pressure durability fatigue strength and the amounts of Cu and Mo is plotted and shown in FIGS. As is clear from Table 1, FIG. 1 and FIG. 2, a sintered / heat-treated body having excellent surface pressure fatigue properties was obtained by the present invention.
[0017]
[Table 1]

[0018]
【The invention's effect】
The alloy steel powder of the present invention is excellent in surface pressure fatigue properties in a sintered and heat-treated material, and is used as a raw steel powder capable of producing low cost sintered parts requiring high fatigue properties such as cam gears of automobiles. It works great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing the relationship between the amount of Cu in steel powder and the surface pressure durability fatigue strength of a molded / sintered body.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Mo content of steel powder and the surface pressure durability fatigue strength of a molded / sintered body.
[Explanation of symbols]
1 Claim 1 Claim 2 Claim 2

Claims

Mo: 0.5 to 2.0 mass%, pre-alloyed steel powder consisting of the balance Fe and unavoidable impurities, and Cu: 0.1 to 0.8 mass% mixed with the surface pressure. Alloy steel powder for iron-based sintering heat treatment materials with excellent fatigue properties.

Mo: contains more than 1.0 mass% to 2.0 mass%, and is characterized by being mixed with 0.1 to 0.8 mass% of Cu on the surface of a pre-alloyed steel powder containing the balance of Fe and unavoidable impurities. Alloy steel powder for iron-based sintering heat treatment materials with excellent surface pressure fatigue properties.