JPH03264642A - 鉄基高強度焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、粉末冶金による熱処理を施さず焼結密度が７
　、０　Ｏｇ７ｃｍ３以上で、焼結のままで引張強さが
１００　Ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高強度を有する鉄基高強
度焼結体の製造方法に関する。

〈従来の技術〉 鉄系焼結材料は自動車部品などに多く利用されている。

　最近、これらの部品に対し、高密度でかつ高強度が要
求されるようになってきた。　高強度化に対しては、特
開昭６１−２３１１０２号公報で示されているように高
合金化、あるいは特開昭５７−１６４９０１号公報で示
されているように合金組成の最適化がなされている。　
以上の技術は高強度化にはきわめて有効であり、強度部
材への適用が可能である。　しかし、疲労特性からみた
場合、密度などが十分でない。　合金鋼粉焼結体の高密
度化に関しては特開昭６１−４４１０４号公報に開示さ
れているような焼結鍛造を利用する方法があるが、金型
寿命や製品形状の面から制約が多い。

また、−度焼結した後、再度金型中て１回目の加圧と同
様に冷間中で加圧する２回加圧法は、焼結鍛造に比べて
金型寿命や製品形状の面での制約が少なく、実用的であ
る。　しかし、最終的な強度を得るため、２回目の加圧
・焼結後に熱処理を実施しなければならず、経済的でな
い。　一方、純鉄粉に合金元素を粉末の状態で混合する
場合は密度の点ではブリアロイ鋼粉より優れるが、添加
合金元素粉末の偏析が問題となりてくる。

〈発明が解決しようとする課題〉 高強度は一般に合金元素の添加、熱処理による組成のマ
ルテンサイト化、析出強化などによフて達成される。　
しかし、粉末冶金製品の場合には合金元素を過剰添加す
ると粉末の圧縮性を低下させ、焼結体の密度が増加しな
い。

また、純鉄粉に合金元素を粉末の状態で混合する場合は
、添加合金元素粉末の偏析が問題となってくる。　粉末
冶金における焼結体の高強度化には焼入れ、焼もどし処
理を行い組織の制御を行うことがもっとも有効である。

　しかし、この処理は合金元素の添加とあいまフて効果
を発揮するものである。　そこで、本発明者らは焼結の
ままで組織制御を行い従来にない高密度、高強度の焼結
体の製造方法を開発した。

本発明は、このような鉄基高強度焼結体の製造方法を提
供することを目的としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために本発明の第１の態様によれば
、Ｃｒ　：　０．５〜５．０ｗｔ％を含有する予合金鋼
粉粒子の表面に、 Ｃｕ　：　０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．５〜２．
０ｗｔ％およびＷ：０．０５〜１．０ｗｔ％から選ばれ
る少なくとも１種とＮｉ：０．５〜５．０ｗｔ％を、と
もに粒度４５μｍ以下の粉を部分的に拡散付着させた合
金鋼粉で、 かつＮ　ｉ　＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり
、０．２０ｗｔ％以下に制御した０を含み、残部はＦｅ
および不可避的不純物よりなる粉末冶金合金鋼粉を用い
、 これに黒鉛を０．５〜１．２ｗｔ％混合して成形、焼結
することを特徴とする鉄基高強度焼結体の製造方法が提
供される。

また、本発明の第２の態様によれば、Ｃｒ二０．５〜５
．０ｗｔ％とＶ：０．０１〜０．５ｗｔ％、Ｎｂ　：　
０．００５〜０．１ｗｔ％およびＢ：０．００１〜０．
０１ｗｔ％から選ばれる少なくとも１種を含有する予合
金鋼粉粒子の表面に、 Ｃｕ　：　０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．５〜２．
０ｗｔ％およびＷ：０．０５〜１０ｗｔ％から選ばれる
少なくとも１種とＮｉ：０．５〜５．０ｗｔ％を、とも
に粒度４５μｍ以下の粉を部分的に拡散付着させた合金
鋼粉で、 かつＮ　ｉ　＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり
、０．２０ｗｔ％以下に制御した０を含み、残部はＦｅ
および不可避的不純物よりなる粉末冶金合金鋼粉を用い
、 これに黒鉛を０５〜１．２ｗｔ％混合して成形、焼結す
ることを特徴とする鉄基高強度焼結体の製造方法が提供
される。

ここで、前記焼結体の組織中に含まれるオーステナイト
相は、５〜２０ｖｏＪ２％であり、かつ塑性変形を与え
たときに前記オーステナイト相の８５％以上がマルテン
サイト組織に変態するものであるのが好ましい。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。

本発明者らは、焼結体の高密度、高強度化について鋭意
研究した結果、用いる銅粉の組成および焼結体中のオー
ステナイト量が焼結体の高強度化に著しく影響すること
を見いだした。

本発明の第１の態様において、合金成分を上記の範囲に
限定した理由について説明する。

本発明では、予合金成分および拡散により予合金鋼粉粒
子表面に付着させる（以下、複合合金化という）成分を
各々要求される機能から選択した。

すなわち、予合金成分としては、銅粉の圧縮性に与える
影響が少なく、かつ少量の添加で焼結体の焼入性を向上
させ、しかも比較的難還元性でその酸化物の水素還元が
困難なため、拡散付着によっては圧縮性を損なわずに複
合合金化するのが難しい成分が対象となるが、本発明で
はかかる成分としてＣｒを選択した。　Ｃｒは、焼入性
が高く、Ｎｉの２倍の焼入性を有しているので、焼結体
の強度を向上させるための主成分とした。　さらにこれ
を予合金化させることは、以下の点でもきわめて有益で
ある。

すなわち （１）予合金化により焼結鋼組織の均一性が向上する。

（２）Ｃｒは鉄中に予合金化されることにより、その活
量が低下するため、耐酸化性が向上し、Ｃｒより易還元
性の元素の酸化物の複合合金化が可能となる。

（３）Ｃｒは少量で焼入性が向上するため、添加量が低
減でき、銅粉の圧縮性を低下させることが少ない。

（４）ＣｒはＮｉに比へて安価であり経済性に優れてい
る。

Ｃｒ添加量の上限については、易還元性酸化物の複合合
金化による複合合金化後の鋼粉○量の上限および圧縮性
を考慮して５．０ｗｔ％（以下、単に％で示す）とした
。　一方、下限は上記のＣｒ添加効果が得られる０、５
％とした。

上述の予合金鋼粉粒子の粒子表面に複合合金化される合
金成分としてＮｉ、ＣｕｌＭｏ、Ｗを選択した理由は以
下の通りである。　これらの元素はいずれも、鋼粉粒子
への付着によって、圧縮性を損なわずに、複合合金化か
でき、焼結体の高強度化に有効な元素である。

すなわち、Ｎ１はその添加により鉄粉の焼結性を向上さ
せるのに加えて、焼結鋼の強度・靭性の向上に著しい効
果を発揮する。　さらに、Ｎｉはオーステナイト相の生
成元素であり、延性を向上させる。　しかしながら添加
量が０．５％に満たないと固溶強化および焼入性向上に
よる高強度化、オーステナイト相による延性向上効果お
よびマトリックスの靭性改善効果が得られない。　一方
、５．０％を越えて過度に添加されると過剰なオーステ
ナイト相が生成し、強度低下が生じる。　よって、０５
〜５．０％の範囲に限定した。

Ｃｕは、添加効果が表れる０、１％を下限、方圧縮性が
損なわれない１．０％を上限とし、０．１〜１０％の範
囲とする。

Ｍｏは、焼結体の焼入性を向上させる。　しかし、ＭＯ
は、添加量０．５％に満たないとその添加効果に乏しく
、一方２．０％を越えて過度に添加されると、機械的特
性を劣化させるのて、０．５〜２．０％の範囲で添加す
るものとした。

Ｗも、Ｍｏと同様の効果があり、焼結体の焼入性を高め
るのに有効に寄与する。　しかしながら添加量か０．０
５％に満たないとその添加効果に乏しく、一方１．０％
を越えると圧縮性が阻害されるので、００５〜１．０％
の範囲で添加するものとした。

ここに、各々単独使用でも焼結鋼特性を向上させる働き
を有するが、オーステナイト生成元素であるＮｉを必ず
添加し、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗのうち少なくとも１種以上組み
合わせて添加すると、その働きが一層高められる。　　
しかしながら、過度の添加は、銅粉製造時に複合成分間
の反応が起こり、化合物を生成し圧縮性が低下するため
、これらの合計量（Ｎ　ｉ　＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ）は１０
．０％以下にすることが肝要である。

なお鋼粉Ｏ量は銅粉の圧縮性を低下させる作用があるた
め、その混入は極力低減することが望ましいが、０２０
％以下で許容できる。

１ 上記複合合金鋼粉を用いることにより、焼結体の高密度
化は達成できる。　また、銅粉かＣｒを含有しているた
め、焼入性が優れ、黒鉛添加にともない焼結のみでマル
テンサイト組織が得られ、高強度焼結体となる。　黒鉛
添加量が０．５％に満たないと焼結体組織にフェライト
が存在し強度が得られない。　一方、１．２％を越える
とマルテンサイト変態開始温度が室温以下となり多量の
オーステナイトが残留するため強度を低下させるので、
０．５〜１．２％の範囲に限定した。

予合金鋼粉表面に拡散付着させたＮｉなとの作用により
、残留オーステナイトも同時に焼結体中に存在する。　
しかし、焼結体に塑性変形を与えることによフてマルテ
ンサイトに変態（以下、この変態により生ずるマルテン
サイトをひずみ言秀起マルテンサイトとし）う）するこ
とで、さらに高強度が得られる。

本発明は、圧縮性、焼入性の優れた複合合金鋼粉を用い
た焼結体で、マルテンサイトを主体２ とする組織中に含まれるオーステナイト相が５〜２０ｖ
ｏｕ％であり、かつ塑性変形を与えたときに、上記オー
ステナイト相の８５％以上がマルテンサイト組織に変態
することを特徴とする。

焼結体中のオーステナイト量の制御は、本発明の特徴の
１つである。　オーステナイト量が５％未満では、全量
がひずみ誘起マルテンサイト変態しても高強度にならな
い。　一方、２０％を越えると塑性変形時にマルテンサ
イトに変態する比率が少なくなるので、結果的に高強度
が得られない。　なお、焼結体中のオーステナイト量を
５〜２０％に制御する方法としては、黒鉛添加量と複合
合金化元素量を変化させてマルテンサイト変態開始温度
を制御することにより達成できる。　つぎに、引張また
は圧縮応力が負荷されたときに、オーステナイトは全量
の８５％以上がマルテンサイトにひずみ誘起変態する必
要がある。　変態する量が８５％未満であると残留した
オーステナイトのために高強度は得られない。

複合合金法により予合金鋼粉粒子の粒子表面に部分的に
拡散付着させる成分はＣｕ、Ｍ。

およびＷのうちから選んた少なくとも１種とＮｉとし、
その成分は粒度（平均粒径３〜１０μｍ）４５μｍ以下
の微粉を用いる。　複合合金化成分粒子が４５μｍを越
える粗粒てあれはオーステナイトが安定となりマルテン
サイトに変態しにくくなり高強度が得られない。

本発明の製造方法により、焼結体のままで焼結密度が７
　、　ＯＯｇ／ｃｍ３以上で、かつ引張強さが１００　
Ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高強度を有する鉄基高強度焼結体
を得ることができる。

つぎに、本発明の第２の態様について説明するが、前記
第１の態様と説明が重複する部分の説明は省略する。

予合金成分としては、ざらにＣｒに加えて、同様にその
酸化物の水素還元か困難なため複合合金化が難しく、し
かも少量の添加てＣｒの働きを一層高める合金元素とし
てＶ、Ｎｂ、Ｂがある。　種々検討の結果、添加量は以
下のように限定した。

■は、焼入性の向上に効果かある。　しかし、その添加
量が０．０１％に満たないとその効果に乏しく、一方０
．５％を越えると、逆に焼入性が低下するため、０．０
１〜０．５％の範囲に限定した。

Ｎｂは、結晶粒を微細化する効果を有し、焼結体の強度
、靭性の向上に寄与する。　しかし、添加量が０．００
５％に満たないとその添加効果に乏しく、一方０．１％
を越えるとむしろ靭性を低下させるので、０００５〜０
．１％の範囲に限定した。

Ｂは、焼結鋼の焼入性を高めるのに有効に寄与するが、
添加量が０．００１％に満たないと添加効果に乏しく、
一方０．０１％を越えると靭性が劣化するため０．００
１〜０．０１％の範囲に限定した。

焼結は、各鋼粉に粉末冶金用黒鉛と潤滑材のステアリン
酸亜鉛を混合した後成形体を作製５ し、１２５０℃で６Ｑｍｉｎ間行えばよい。

そのときの雰囲気は、７５％Ｎ２−２５％Ｈ２雰囲気を
用いれはよい。

上記のようにＶ、Ｎｂ、Ｂの添加量を限定することによ
り、Ｃｒの働きを一層高めることかできる。

〈実施例〉 以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

（実施例１） Ｃｒを０．３〜５．８％の範囲で含有する水アトマイズ
鋼粉、ならびにＣｒ：０．３〜５．８％の他Ｖ＋ＣＩ　
Ｎｏ、ｓ％、Ｎｂ：０〜０．１５％、Ｂ　Ｏ〜００１５
のうちから選んだ少なくとも１ｆ！１を含有する水アト
マイズ鋼粉を、各々０．０１Ｔｏｒｒの減圧雰囲気中で
１１５０℃、２４０ｍ１ｎ間焼鈍し、鋼粉中のＣで水ア
トマイズ鋼粉表面の酸化物を除去した後、通常の粉末冶
金用鋼粉製造に用いられる６ 解砕・ふるい分は操作を経て、種々のＣｒ含有鋼粉を得
た。

つぎにかかる銅粉に、Ｎｉ金属粉末、Ｃｕ金属粉末を最
終鋼粉中にＮｉ　：Ｏ〜５．８％、Ｃｕ：Ｏ〜１５％に
なるように、またＭｏ酸化物粉末、Ｗ酸化物粉末を最終
鋼粉中にＭ。

Ｏ〜２５％、Ｗ：０〜１５％になるように、種々の組合
せで混合した後、Ｎｉ、ＣｕＭｏ、Ｗを予合金鋼粉粒子
表面に部分的に拡散付着させるため、複合合金化処理を
施した。

複合合金化処理は、水素霊囲気（露点−３０℃）中て７
５０℃、５０ｍ１　ｎ間知熱する条件で実施した。

このような複合合金化処理後、解砕・ふるい分は操作を
施して、種々の成分組成になる合金鋼粉を得た。

その後、各鋼粉は粉末冶金用黒鉛を０．９％および潤滑
剤のステアリン酸亜鉛を１％混合した後、圧カフ　ｔ／
ｃｍ２で引張試験片に成形した。

この圧粉体を７５％Ｎ、−２５％Ｈ２雰囲気で１２５０
℃、６０ｍ１ｎ間焼結を施した。

焼結後の冷却速度は１７℃／ｍｉｎとした。

表１に、実施例１〜１８、比較例１〜１３の焼結密度、
焼結体中の試験前のオーステナイト量、試験後のオース
テナイト量および引張強さについて調べた結果を示す。

本発明例１〜３はいずれも高強度が得られた。　比較例
１はＣｒ含有量が０３％とＣｒ含有量下限の０．５％を
下回ったため、焼入性が向上せず、強度が得られなかっ
た。　比較例２はＣｒ含有量が５８％とＣｒ含有量上限
の５．０％を越えるため、Ｃｒの固溶硬化の影響で圧縮
性が低下した。　比較例３．４はプリアロイ鋼粉である
ため、焼結密度が実施例に比べて低く、また、残留オー
ステナイトが存在しないか、または存在しても安定なた
め、強度が得られなかった。

本発明例４〜１８、比較例５〜１３において、本発明例
４〜１８は、いずれも含有量がこの発明の適正範囲内を
満足しているため高強度が得られ、範囲外の比較例５〜
１３は比較例１〜４と同様の理由で強度か低下した。

（実施例２） 実施例１と同様に黒鉛を０．３〜１．５重量％を添加・
混合し、焼結体を作製した後、引張試験に供した。　実
験に用いた合金鋼粉の化学組成は３％Ｃｒ−２％Ｎｉ−
１％Ｍｏで、試験前のオーステナイト量と試験後のオー
ステナイト量および引張強さを表２に示す。

本発明例１９〜２２は本発明において限定された範囲の
オーステナイト量において、塑性変形を付与した後、そ
の８５ｖＯρ％以上が変態し、・優れた特性を有してい
ることがわかる。

（実施例３） ４５μｍ以下と４５μｍ超の粒度の異なる２種類のＮｉ
金属粉末を用いて３％Ｃｒ−２％Ｎｉ−１％ＭＯ合金鋼
粉を実施例１と同様に製造した。

その後、各銅粉は粉末冶金用黒鉛を０．９％および潤滑
剤のステアリン酸亜鉛を１％混合し９ た後、圧カフ　ｔ／ｃｍ２　　で引張試験片に成形した
。

この圧粉体を７５％Ｎ２−２５％Ｈ２雰囲気で１２５０
℃、６０ｍ１ｎ間の焼結を施した。

焼結後の冷却速度は１７℃／分とした。

表３に引張試験前のオーステナイト量と試験後のオース
テナイト量および引張強さを示す。

４５μｍ超のＮｉ金属粉末を用いると、オステナイトが
安定となり、ひずみ話起変態を起こさず高強度が得られ
なかった。

すなわち、４５μｍ超のＮｉ金属粉末を用いた比較例１
６は残留オーステナイトの変態率が６８８５％と低いた
め高強度が得られないのに対し、４５μｍ以下のＮｉ金
属粉末を用いた本発明例２３は変態率が８９．０％と高
いため弓張強さが１３０　、　３　Ｋｇｆ／ｍｍ２とい
う高強度の焼結体を得ることかてきた。

０ ２４ 〈発明の効果〉 本発明は、以上説明したように構成されているので、オ
ーステナイト第２相を、応力負荷時にマルテンサイトへ
ひずみ誘起変態させる現象を利用して、焼結のままで従
来にない高密度、高強度を有する焼結体を製造すること
が可能となり、焼結部品の用途をさらに拡大することか
できた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ｃｒ：０．５〜５．０ｗｔ％を含有する予合金鋼
   粉粒子の表面に、 Ｃｕ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．５〜２．０ｗ
   ｔ％およびＷ：０．０５〜１．０ｗｔ％から選ばれる少
   なくとも１種とＮｉ：０．５〜５．０ｗｔ％を、ともに
   粒度４５μｍ以下の粉を部分的に拡散付着させた合金鋼
   粉で、 かつＮｉ＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり、０
   ．２０ｗｔ％以下に制御したＯを含み、残部はＦｅおよ
   び不可避的不純物よりなる粉末冶金合金鋼粉を用い、 これに黒鉛を０．５〜１．２ｗｔ％混合して成形、焼結
   することを特徴とする鉄基高強度焼結体の製造方法。 （２）前記焼結体の組織中に含まれるオーステナイト相
   は、５〜２０ｖｏｌ％であり、かつ塑性変形を与えたと
   きに前記オーステナイト相の８５％以上がマルテンサイ
   ト組織に変態するものである請求項１記載の鉄基高強度
   焼結体の製造方法。 （３）Ｃｒ：０．５〜５．０ｗｔ％とＶ： ０．０１〜０．５ｗｔ％、Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗ
   ｔ％およびＢ：０．００１〜０．０１ｗｔ％から選ばれ
   る少なくとも１種を含有する予合金鋼粉粒子の表面に、 Ｃｕ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．５〜２．０ｗ
   ｔ％およびＷ：０．０５〜１．０ｗｔ％から選ばれる少
   なくとも１種とＮｉ：０．５〜５．０ｗｔ％を、ともに
   粒度４５μｍ以下の粉を部分的に拡散付着させた合金鋼
   粉で、 かつＮｉ＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり、０
   ．２０ｗｔ％以下に制御したＯを含み、残部はＦｅおよ
   び不可避的不純物よりなる粉末冶金合金鋼粉を用い、 これに黒鉛を０．５〜１．２ｗｔ％混合して成形、焼結
   することを特徴とする鉄基高強度焼結体の製造方法。 （４）前記焼結体の組織中に含まれるオーステナイト相
   は、５〜２０ｖｏｌ％であり、かつ塑性変形を与えたと
   きに前記オーステナイト相の８５％以上がマルテンサイ
   ト組織に変態するものである請求項３記載の鉄基高強度
   焼結体の製造方法。