JPH0159322B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野） 本発明は、耐摩耗焼結合金用原料として優れた
特性を有する鋼粉に関し、特にこの明細書で開示
する鋼粉は、かかる耐摩耗性を害することなく成
形体強度、焼結密度、焼結体形状歪みの点でも優
れた性質を示す内燃機関の例えばカム、タペツト
等の機械部品の製造に好適に用いられる焼結原料
鋼粉についての提案である。 （従来技術とその問題点） 近年、耐摩耗機械部品として粉末冶金法による
焼結合金が使用されるようになつてきており、例
えばCrなどを含有する合金鋼粉に必要に応じて
添加物を加えたものを原料粉末とし、この粉末を
成形し焼結することによつて所望の焼結機械部品
が製造されている。 一般に、焼結機械部品の製造に供されるものの
うち本発明で対象とするような耐摩耗焼結合金鋼
は、通常優れた耐摩耗性を実現するための硬質相
と、優れた靭性を実現するための母相との混相状
態の組織（混合組織）を現出させることを基本と
して種々の合金組成を工夫することにより、成形
体強度や焼結密度などの総合特性の向上をはかる
こととしている。 このような混合組織を得るための焼結体製造方
法としては、ひとつには均質組成の合金鋼粉を形
成・焼結していく方法があり、この方法によると
粉末粒子の硬さが高くなり、圧縮性と成形性が低
下するので好ましい傾向が見られる。 一方、もう一つの方法として、比較的軟かいい
わゆる焼結後の母相に近い組成をもつ合金鋼粉
と、焼結後の硬質相に近い組成をもつ硬質の合金
鋼粉とを個別に用意し、それらを混合して成形、
焼結し所望の焼結合金とする方法がある。たとえ
ば、特開昭57−57860号公報に提案されている、
硬質のFe−Mo−Ｐ−Ｃ合金粉末と、比較的軟か
いFe−CrまたはFe−Cr−Ni系粉末とを混合、成
形、焼結する方法がある。 しかしながら、上述した方法においてはいずれ
も原料粉末性状についての検討が十分なされてい
ないとか言い難く、前記特開昭57−57860号公報
においても、原料粉末の粒度として150メツシユ
以下との記述があるにとどまつている。そのため
に成形体の強度が不十分であつたり、焼結体中に
空孔が残存して焼結密度が上がらなかつたり、焼
結組織が粗大化したりする問題点が残されてい
た。 焼結密度が不足すると、残存する空孔に起因し
て耐ピツチング性の著しい劣化を招くので、でき
るだけ真密度に近い高密度とする必要があり、そ
のためにはできる限り高密度の焼結体が必要とさ
れる。また焼結組織が粗大化して硬質相が異常に
発達すると、靭性が損なわれることから、できる
限り微細な焼結体組織とすることが要求され、従
つて鋼粉の組成はかような問題が皆無となるよう
に設定することが強く求められる。さらに成形技
術上の制約から、密度の低い成形体を焼結によつ
て高密度化する必要があるため、低密度でも成形
体の強度が維持され、しかも形状歪が少なく均一
に焼結する鋼粉性状が必要とされる。 （発明の目的） 本発明の目的は、鋼粉組成と並んで鋼粉の見掛
密度および粒度が、焼結合金としての特性に及ぼ
す重要な因子であることを知見し、これらの因子
の好適範囲を見つけることによつて耐摩耗焼結合
金用の原料として優れた鋼粉を提案することにあ
る。この目的達成のための本発明の要旨とすると
ころは、この明細書の頭書に記載した特許請求の
範囲に掲記したとおりである。 （発明の動機） 本発明において第１の提案する鋼粉は、焼結後
の硬質相に近い組成をもつ焼結合金用鋼粉として
Ｃ：2.5〜５％（重量パーセント、以下同様）、
Si：0.3〜2.0％、Ｐ：１〜３％、Cr：１〜10％、
Mo：５〜15％、および３％以下の不可避不純物
を含み、残部がFeであるアトマイズ鋼粉であつ
て、見掛密度が2.0〜3.5ｇ/cm³を示し、かつ350メ
ツシユ以下の粒子を重量百分率で50％以上の粒度
構成の鋼粉が、優れていることを見出した。 また本発明として第２に提案する鋼粉は、Ｃ：
2.5〜5.0％、Si：0.3〜2.0％、Ｐ：１〜３％、
Cr：１〜10％、Mo：５〜15％および不可避不純
物：３％以下を含み、残部はFeよりなり、見掛
密度が2.0〜3.5ｇ/cm³で、350メツシユ以下を50％
以上含む粒度構成になる、焼結後の硬質相に近い
組成をもつアトマイズ鋼粉と、焼結後の母相に近
い比較的軟らかい組成をもつFe−Cr系アトマイ
ズ鋼粉との混合粉末であつて、その混合粉末の組
成が、Ｃ：１〜３％、Si：0.3〜2.0％、Ｐ：0.5〜
1.5％、Cr：５〜15％、Mo：3.0〜6.5％および不
可避不純物：３％以下を含み、残部はFeの組成
になり、しかも見掛密度が2.0〜3.5ｇ/cm³を示し、
かつ350メツシユ以下の重量百分率が50％以上で
ある鋼粉が、優れていることを見出した。 上述した本発明法で用いるアトマイズ鋼粉を製
造する方法としては、溶鋼を水などの液体流ジエ
ツトによつて噴霧する方法が好適であり、例えば
特公昭52−19540号記載の方法を採用することが
できる。たたし、本発明のような微細で特定見掛
密度をもつた粉末を効率良く製造するためには、
通常の粉末冶金用鋼粉を製造するときのアトマイ
ズ条件とは異なる条件にする必要である。例え
ば、溶鋼に対する噴霧媒の供給比率を大きくした
り、噴霧媒の圧力を大きくしたりするほか、さら
に噴霧ノズル部分の改善などによつて、本発明で
用いる鋼粉を高効率、高歩止まりで製造すること
が可能である。 さらに本発明の鋼粉としては、Ｃ、Ｎ、Ｏ各量
を低減したり、硬さを下げたりする目的で、該鋼
粉を焼鈍してから使用することもできる。 本発明の鋼粉のうちの第１のものは、比較的軟
かい他の種の鋼粉例えばFe−Cr系鋼粉と混合し
て成形、焼結するのが望ましい。この場合該鋼粉
を用いると、焼結体中に硬質相を形成るのは勿論
であるが、焼結時に、一部液相を出現させるとい
う液相焼結によつて高密度化を促進するのにも効
果を発揮するなど、優れた原料鋼粉を提供でき
る。以下にこの鋼粉の組織、見掛密度についてそ
の限定理由を説明する。 Ｃは、Fe、Cr、MoおよびＰと結合して基地の
強化および硬質相の形成に役立つとともに、低融
点相を形成して液相焼結による焼結体の密度上昇
に効果があるが、2.5％未満ではの効果が小さく、
５％をこえると、硬質相が網状に晶出し、結晶粒
も粗大化して靭性を著しく低下させるとともに、
アトマイズ時のCOガス発生によつて鋼粉粒子が
中空になる傾向があるので、2.5〜５％の範囲と
する。 Siは、焼結体にあつてFe中に固溶して基地を
強化する他、アトマイズ時に溶鋼の酸化を防止す
る効果を有する。0.3％未満では酸化防止の効果
は見られず、2.0％を超えると焼結体の硬さが低
下し、耐摩耗性を損ねるとともに鋼粉に含まれる
Siの酸化物が焼結時に十分還元されず、焼結を防
げて焼結密度の低下を招く。 Ｐは、FeおよびＣと結合して低融点共晶を形
成し、液相焼結による焼結体の密度上昇に役立
つ。その量が１％未満では効果が少なく、３％を
こえると共晶が網状に晶出して靭性を著しく低下
させるので、１〜３％の範囲とする。 Crは、焼結後の基地の強化、FeまたはＣとの
結合による硬質相の形成に役立つ。さらに焼結時
に、混合の相手粉末であるFe−Cr系鋼粉との拡
散、焼結を促進し、焼結体の密度向上に役立つ。
これらの効果は１％未満のCr量では十分でなく、
10％をこえても効果が飽和して経済的に不利であ
るので、１〜10％の範囲とする。 Moは、焼結後の基地の強化、FeまたはＣとの
結合による硬質相の形成、Fe−Mo−Ｃ低融点共
晶の形成による密度上昇に役立つ。その量が、５
％未満では効果は小さく、15％をこえると焼結時
に出現する液相量が過多となつて、焼結体が脆く
なるとともに形状が歪むので、５〜15％の範囲と
する。 また不可避不純物としては、溶解素材から混入
するMn、Ｓ、Alなどの他、おもにアトマイズ中
の鋼粉の酸化によつて捕獲されるＯ、溶解中ある
いはアトマイズ中などに捕獲されるＮなどがあ
り、鋼粉の成形性、圧縮性および焼結合金の耐摩
耗性を極端に損わないためには、これらを合計で
３％以下に限定する必要がある。 次に、本発明において鋼粉の見掛密度を2.0〜
3.5ｇ/cm³とし、鋼粉粒度構成を、350メツシユ以
下の粒子が重量百分率で50％以上となるようにす
る理由につき説明する。 水などの液体を噴霧媒とするアトマイズ法は、
比較的自由に粉末の合金組成を選定することがで
きる点、および工程が簡単である点において、有
利な鋼粉製造技術である。したがつて粉末冶金用
として広く用いられているが、通常の粉末冶金用
鋼粉は、いずれも350メツシユ以下の微粉量が50
％未満である。ところが、微細組織の高密度焼結
合金を得るためには、このような比較的粒度の粗
い鋼粉では十分な効果が得られない。すなわち、
粉末の粒度が粗いと焼結性が悪いため、高密度の
焼結合金が得られにくくなるとともに、焼結中の
合金の結晶粒も大きくなるので、粒界に形成され
る炭化物が成長粗大化しやすい。また、成形体に
大きな空孔が形成されやすいため、焼結中におこ
る収縮が等方均一に進行しにくく、焼結体の形状
歪みが大きくなる。さらに、焼結体に大きな空孔
が残存して耐ピツチング性を劣化させる。 このような問題点は、鋼粉の粒度を細かくする
ことによつてある程度解決されるが、単に細かく
するのみでは、とくに低密度の成形体を用いて形
状歪みの少ない高密度焼結体を得ることは困難で
ある。本発明者らの知見によれば、粒度とともに
粒度形状が重要な因子であり、そのため鋼粉の見
掛密度を適切な範囲に調整することが必要とな
る。通常アトマイズ鋼粉をふるい分けた微粉は粒
子形状が球形に近く、見掛密度が高い。このよう
な粉末は成形したときに粒子同志の接触が得られ
にくいので、とりわけ低密度成形体の場合に、成
形体強度が低くなるとともに、健全な焼結挙動を
示さず、焼結密度が十分に上がらない傾向にあ
る。これを回避するには、見掛密度を3.5ｇ/cm³以
下とする必要がある。 一方、見掛密度が異常に低い鋼粉は、粒子形状
が極端に不規則であり、成形時にブリツジ現象を
おこして成形体に大きな空孔が生じる。その結
果、焼結体中に空孔が残つて焼結密度が上昇しな
いとともに、形状歪みがおこりやすい。これを回
避するには、見掛密度は2.0ｇ/cm³以上が必要であ
る。 以上説明したような見掛密度で限定される粒子
形状をもつ鋼粉であつて、しかも350メツシユ以
下の粒子が50％以上含まれるような微粒粉を用い
ると、低成形密度であつても均一な焼結が可能と
なり、高密度で形状歪みのない、組織の細かい焼
結体が得られるのである。見掛密度が2.0〜3.5
ｇ／cm³であつても、350メツシユ以下の粒子が50％
未満の鋼粉にあつては、このような健全な焼結体
を得ることはできない。 なお、微粒の鋼粉を通常の金型によつて成形す
る場合粒子が金型のダイとパンチとの間にはさま
つて金型かじりをおこしやすいので、湿式成形や
造粒を行なうことが望ましい。 本発明鋼粉のうち第２のものは、上述したよう
に硬質の鋼粉を、比較的軟かいFe−Cr系鋼粉と
混合してなる混合鋼粉であり、成形体の強度、焼
結後の焼結体の硬質相量、密度および機械的性質
などに対する要請を満たすべく、組成および粉末
性状が限定されているものであつて、その限定理
由は以下のとおりである。 まず、Ｃは、Fe、Cr、MoおよびＰと結合して
基地の強化および硬質相の形成を促進するととも
に、低融点相を形成し、密度の上昇に役立つもの
である。混合粉中の総Ｃ量が１％未満ではその効
果が小さく、３％をこえると硬質相が網状に晶出
し、結晶粒が粗大化して靭性が低下する他、混合
粉中の硬質粒子の割合が過多となつて、粉末の成
形が困難になる。よつて、Ｃ量は１〜３％の範囲
に限定されている。 Siは、混合粉を構成する双方の鋼粉の望ましい
Si量によつて定まるもので、上述の第１の硬質の
鋼粉について述べたと同一の理由により、0.3〜
2.0％と定める。 Ｐは、FeまたはＣと結合して硬質相を構成し、
耐摩耗性を向上させるとともに、液相の出現を促
進して密度の上昇に役立つものである。混合粉中
の総Ｐ量が0.5％未満では上記効果が小さい。一
方で、1.5％をこえると共晶が網状に晶出して靭
性を著しく低下させるので、0.5〜1.5％の範囲に
定める。 Crは、焼結後の基地の強化と靭性の向上に効
果があるとともに、Fe、Ｃとの結合による硬質
相の形成に役立つ。混合粉中の総Cr量が５％未
満ではこれらの効果が小さく、15％をこえると効
果が飽和して経済的に不利になるため、５〜15％
の範囲とする。 Moは、焼結体基地の強化および硬質相の形成
に寄与するとともに、FeまたはＣと結合して低
融点共晶を晶出し、液相焼結による密度上昇に役
立つ。混合粉中の総Mo量が３％未満では、硬質
相の析出量が少なく、また液相量が少なくなるた
めに密度が上がらず、耐摩耗性が低下する。一方
その量が6.5％をこえると、液相量が過多となつ
て焼結体が脆くなるとともに、形状歪みをおこし
やすくなる。 混合粉中の不可避不純物量は、混合粉を構成す
る双方の鋼粉の不純物量により自動的に定まるも
のであつて、第１の発明鋼粉について述べたと同
一の理由により、３％以下に限定される。 鋼粉の見掛密度と粒度については、第１の発明
鋼粉において展開したのと同一の議論が混合粉に
ついても成り立つものであり、見掛密度2.0〜3.5
ｇ／cm³、350メツシユ以下の粒度の含有量を50％以
上と限定する。さらに混合粉中の構成鋼粉の偏析
を防止するためには、構成鋼粉の見掛密度と粒度
は同程度のものを用いることが望ましい。 またかかる混合粉において、第１の発明鋼粉の
配合割合は、30〜70％好ましくは40〜60％程度と
するのが望ましい。 なお、上記混合粉に、潤滑剤やバインダー、ま
たＣ量調整用として黒鉛粉などのＣ源を添加した
ものや、さらに、粉末を造粒処理したものも、本
質的に本発明に包含される。 （実施例） 実施例 １ 特公昭52−19540号公報に記載されているよう
な水アトマイズ装置を用い、溶鋼ノズル径５〜10
mm、水圧120〜170Kgf/cm²、水：溶鋼比５〜10/
Kgの条件により、所定のアトマイズ鋼粉を製造
し、ふるい分けて粒度構成することによつて、い
ずれも100メツシユ以下の本発明の第１による合
金鋼粉および比較用鋼粉を第１表のごとくに得
た。

【表】 同様の方法によつて、Fe−Cr系鋼粉を製造し、
第２表に示すものを得た。

【表】 つぎに、第１表の鋼粉101と第２表の鋼粉201と
を等重量比で混合して混合粉301を、また102と
202とを等重量比で混合して混合粉302を、以下同
様にして混合粉303〜308を第３表のごとくに得
た。このうち301〜305は本発明の第２の鋼粉であ
る。

【表】 つづいてこれらの合金鋼粉301〜308にエポキシ
樹脂液を、鋼粉100重量部に対して2.0重量部添加
混合し、2.5t/cm²の圧力で、幅10.0mm、長さ35.1
mm、厚み6.5mmの試験片を成形し、アンモニア分
解ガス中1080℃で60分焼結した。 本発明による鋼粉および比較用鋼粉を使用した
場合の、圧粉密度、成形体破損、焼結密度比、焼
結体形状歪みを第４表にまとめて示す。ここにお
いて、成形体破損は、成形体を高さ30cmから鋼板
上に落下させ、破損の有無によつて成形体強度を
判断したものである。焼結密度比較は、真密度に
対する比で示し、焼結体形状歪みは、同一の試験
片の幅の測定値に、測定位置によつて最大0.02mm
をこえる差がある場合に歪みありと判定した。

【表】

【表】 いずれの焼結体も、平均10μｍ程度の硬質相が
分散した組織となつていたが、本発明鋼粉と比較
鋼粉とでは、第４表に示したような特性差が確認
された。 本発明鋼粉301〜305を使用したものは、成形体
強度が大きく、焼結密度が高く、焼結体の形状歪
みが無く、優れた焼結合金鋼となつている。 これに対し、鋼粉307は350メツシユ以下の含有
量が本発明の適正範囲に満たないため、焼結密度
が十分に上がらず、形状歪みが現れた。鋼粉306
および308は、見掛密度が本発明の適正範囲を逸
脱したもので、いずれも焼結密度が不十分である
とともに、見掛密度の小さい鋼粉306にあつては
焼結体形状歪みが生じ、一方見掛密度の大きい鋼
粉308にあつては成形体強度が不足した。 実施例 ２ 実施例１と同様の水アトマイズ法で、第５表に
示すような種々の成分組成になる本発明の第１合
金鋼粉および比較鋼粉を用意した。また同様の方
法で、第６表に示すような種々の成分組成になる
Fe−Cr合金鋼粉を用意した。なお用意した鋼粉
はいずれも、表中に示した成分の他、不純物とし
てAl：0.01〜0.02％、Ni：0.10〜0.15％、Ｎ：
0.006〜0.010％を含有していた ついで第５表および第６表に示した鋼粉を、第
７表に示す種々の配合割合で混合し、第７表に示
す成分組成、見掛密度および−325メツシユ含有
量になる鋼粉を得た。 なお得られた鋼粉はいずれも、表中に示した成
分の他、不純物としてAl：0.01〜0.02％、Ni：
0.10〜0.15％、Ｎ：0.006〜0.010％を含有してい
た。

【表】

【表】

【表】

【表】 第７表に示した鋼粉を用い、実施例１と同様に
して焼結体を作製した。 かくして得られた焼結体の焼結密度比、また耐
摩耗性の指標としての硬さ、さらには靭性および
強度の指標としての抵抗力について調べた結果を
第８表に示す。

【表】

【表】 同表より明らかなように、鋼粉組成がこの発明
の適正範囲を満足する鋼粉No.312、313、316、
317、320、321、324、325、326、329、330はいず
れも、十分な焼結密度、硬さおよび靭性・強度を
そなえていた。 これに対し、Ｃが不足するNo.311、Ｐが不足す
るNo.319、Crが不足するNo.323およびMoが不足す
るNo.328はいずれも、焼結密度が低く、そのため
硬さと靭性・強度が不十分であつた。またNo.314
はＣ、No.322はＰ、No.331はMoが過多のため、靭
性が劣化し、抵抗力が不十分であつた。さらにNo.
315はSiが不足するため、鋼粉の酸素量が高く、
焼結体の硬さと靭性・強度が低く、逆にSiが過多
のNo.318は硬さが不十分であつた。なおNo.327のよ
うにCrを増加しても、No.326に比べて諸特性の向
上はみられず、むしろ低下する傾向にあつた。 （発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、耐摩耗焼
結合金鋼製造に供する成形性や圧縮性等にも優れ
た原料鋼粉が得られ、ひいては優れた機械的性質
を示す焼結合金を製造するのに有効である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：2.5〜5.0重量％ Si：0.3〜2.0重量％ Ｐ：１〜３重量％ Cr：１〜10重量％ Mo：５〜15重量％ 不可避不純物：３重量％以下 残部Feよりなるアトマイズ鋼粉であつて、見掛
   密度が2.0〜3.5ｇ/cm³で、350メツシユ以下を50重
   量％以上含む粒度構成を有するものである耐摩耗
   焼結合金用鋼粉。 ２ Ｃ：2.5〜5.0重量％ Si：0.3〜2.0重量％ Ｐ：１〜３重量％ Cr：１〜10重量％ Mo：５〜15重量％ 不可避不純物：３重量％以下 残部Feよりなり、見掛密度が2.0〜3.5ｇ/cm³で、
   350メツシユ以下を50重量％以上含む粒度構成に
   なるアトマイズ鋼粉と、Fe−Cr系アトマイズ鋼
   粉との混合粉末であつて、 Ｃ：１〜３重量％ Si：0.3〜2.0重量％ Ｐ：0.5〜1.5重量％ Cr：５〜15重量％ Mo：3.0〜6.5重量％ 不可避不純物：３重量％以下 残部Feよりなり、しかも見掛密度が2.0〜3.5ｇ/
   cm³で、350メツシユ以下を50重量％以上含む粒度
   構成を有するものである耐摩耗焼結合金用鋼粉。