JPH04147950A

JPH04147950A - 被削性および耐食性に優れた焼結合金鋼およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04147950A
Application number: JP27027390A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Maruta; 慶一丸田; Sadakimi Kiyota; 禎公清田; Hiroshi Otsubo; 宏大坪
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1992-05-21

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、粉末冶金法によって製造される被削性および
耐食性に優れた焼結合金鋼およびその製造方法に関する
。

〈従来の技術〉近年、粉末冶金による焼結部品の適用分野は、著しい伸
びを示している。　その中でも焼結ステンレス鋼はその
需要が増大し、複雑な形状の部品への要求が高まってき
ている。　形状の複雑さが増すにつれて焼結後の後加工
が必須となり、工程的にも重要になっている。　しかし
、ステンレス鋼は加工が困難であり、特に耐食性に優れ
ているオーステナイト系ステンレスは一般にねばく、ま
た加工硬化が顕著であるために工具の摩耗が著しく被削
性が劣悪であることが問題である。　さらに鋼粉の焼結
体では内部に多数の空孔が存在するために、被削性が悪
いとともに耐食性も低下する。

ステンレス鋼の被削性を向上させるために改良されたＡ
ｌ５Ｉ３０３という快削ステンレス鋼があるが、この材
料は耐食性が著しく低下してしまう、　このように耐食
性と被削性は相反するものであり、この両者に優れた材
料が望まれている。

焼結体の場合は、たとえば、特公昭５８−５２００１号
、特公昭５９−２５００２号にのべられているような快
削性ステンレス鋼粉、または特公昭５４−２８８１８号
、特公昭５５−１４８６２号に記されている焼結合金が
開発されている。　この前者の鋼粉はＳ、Ｓｅ等の成分
を混入し、マトリックス中にＭ　ｎ　Ｓ　ｅ、ＭｎＳを
生成させて被削性を向上させようとするものであり、後
者は焼結体の空孔な切り屑破砕性に利用し焼結体の密度
をある程度まで下げることで被削性の向上を狙ったもの
である。

しかし、ＭｎＳｅやＭｎＳなどの非金属介在物は人工汗
の環境下で溶出し耐食性を低下させる。　また、焼結体
中の空孔は耐食性を低下させるばかりでなく、部材の熱
伝導率が減少することで切削時に発生する熱が工具近傍
から逃げず、その結果工具摩耗を早めることになる。

〈発明が解決しようとする課題〉本発明の目的は、ステンレス焼結体の耐食性を低下させ
ることなく被削性を向上させようとするものである。

具体的には、オーステナイト系ステンレスにフェライト
相を適正な割合だけ含む２相ステンレスで、かつ焼結体
密度を９２％以上有する被削性および耐食性に優れた焼
結合金鋼およびその製造方法を提供する。

〈課題を解決するための手段〉本発明者らは種々の検討を重ねた結果、次のような結論
にいたった。　すなわち、Ｃｒ。

Ｎｉ、Ｍｏ等の基本成分をある割合で含有し、平均粒径
を１５μｍ以下としたものを原料粉末とし、これを成形
、脱脂した後、真空焼結と非酸化性雰囲気とを組み合わ
せることで、焼結体密度を９２％以上とすることができ
、焼結体中にフェライト相を適正な割合生成させること
で、耐食性の低下を防ぎつつ被削性を著しく向上させる
ことを見出した。

すなわち、本発明の第１の態様によれば、オーステナイ
ト系焼結ステンレス合金鋼であって、Ｃｒ：１５〜３０
重量％、Ｎｉミニフル２重量％、Ｃ：０．０６重量％以
下、および０：０．３重量％以下をそれぞれ含有し、該
焼結体中のフェライト相が０．５〜２５体積％で、かつ
焼結体密度が９２％以上であることを特徴とする被削性
および耐食性に優れた焼結合金鋼が提供される。

また、本発明の第２の態様によれば、オーステナイト系
焼結ステンレス合金鋼であって、Ｃｒ：１５〜３０重量
％、Ｎｉミニフル２重量％、Ｍｏ：０．５〜５重量％、
Ｃ：０．Ｑ６重量％以下、およびＯ：０．３重量％以下
であり、焼結体中のフェライト相が０．５〜２５体積％
で、かつ焼結体密度が９２％以上であることを特徴とす
る被削性および耐食性に優れた焼結合金鋼が提供される
。

ここで、さらに、Ｓ：０．０２〜０．３０重量％、Ｓｅ
　：　０．０１〜０．３０重量％、およびＴｅ：０．０
１〜０．３０重量％のうち１種または２種以上を含んで
いてもよい。

さらに、本発明の第３の態様によればＣｒ：１５〜３０
重量％、およびＮｉミニフル２重量％を含み、平均粒径
１５μｍ以下の鋼粉を用い、これに結合剤を添加混合し
て成形した後、該成形体中の結合剤を減圧下または非酸
化性雰囲気中で加熱して除去し、成形体中のＣ／Ｏモル
比を０．３〜３に調整し、その後１３５０’Ｃ以下、圧
力３０ｔｏｒｒ以下の減圧下で焼結し、さらに非酸化性
雰囲気下で焼結することを特徴とする被削性および耐食
性に優れた焼結合金銅の製造方法が提供される。

さらに、本発明の第４の態様によれば、Ｃｒ：１５〜３
０重量％、Ｎｉミニフル２重量％、およびＭｏ：０．５
〜５重量％を含み、平均粒径１５μｍ以下の鋼粉を用い
、これに結合剤を添加混合して成形した後、該成形体中
の結合剤を減圧下または非酸化性雰囲気中で加熱して除
去し、成形体中のＣ／Ｏモル比を０．３〜３に調整し、
その後１３５０℃以下、圧力３０ｔｏｒｒ以下の減圧下
で焼結し、さらに非酸化性雰囲気下で焼結することを特
徴とする被削性および耐食性に優れた焼結合金鋼の製造
方法が提供される。

ここで、さらに、Ｓ：０．０２〜０．３０重量％、Ｓｅ
　：　０．０１〜０．３０重量％、およびＴｅ：Ｏ，Ｏ
ｆ　〜０．３０重量％のうち１種または２種以上を含ん
でいてもよい。

Ｃ／Ｏモル比を０．３〜３に調整するに際し、湿潤水素
下または大気中で熱処理するのが好ましい。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。　まず、上述し
たように、本発明においてＣｒ。

Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃ，Ｏの組成および量を規定したのは、被
削性および耐食性に太き（影響する元素であると考えら
れるからである。

Ｃｒ：１５〜３０重量％Ｃｒ含有量が高い程、耐食性は向上する。

下限値を１５重量％としたのは、これ未満では充分な耐
食性が得られず、また、適正なオーステナイト相および
フェライト相の２相組織にならない。　また３０重量％
を越えて加えるとフェライト相が適正な範囲を越えて多
量に発生し部材自身が脆化する。　よって、上記の範囲
と規定した。

Ｎｉミニフル２重量％Ｎｉはオーステナイト相の生成に最も有効な元素であり
、焼結体耐食性を向上させる。　７重量％未満ではフェ
ライト相が多くなり過ぎて耐食性が低下し、２５重量％
を越えて加えると逆にフェライト相が無くなり被削性が
低下する、　有効な２相ステンレス組織とし、被削性お
よび耐食性を向上させるために上記の範囲と規定した。

Ｃ：０．０６重量％Ｃは低い程、耐食性が向上するのは一般に知られている
。　　０．０６重量％を越えて含有すると、焼結体中に
Ｃｒの炭化物が生成しＣｒ欠乏相ができて耐食性が極端
に低下する。　また焼結中に液相が発生し空孔が粗大化
することもある。　よって上記範囲とした。

０：０．３重量％以下鋼粉表面に酸化物の層が残っていると、焼結を阻害する
ことは知られている。　０は低い程焼結体の緻密化は進
行するが、０．３重量％を越えて残っていると焼結が進
行せず所定の密度が達成できず、その結果耐食性、被削
性ともに低下する。　よって上記範囲とした。

Ｍｏ二０．５〜５重量％ＭＯは耐食性向上に最も有効な元素である。

そこで、Ｍｏを上記した成分Ｃｒ、Ｎｉ。

Ｃ９０に加える場合、５重量％の上限を越えて含有した
場合は部材の脆化が著しく、よって上記範囲と規定した
。

Ｓ　：　０．０２〜０．３０重量％、Ｓｅ＋０．０１〜
０．３０重量％、Ｔｅ：０．０１〜０．３０重量％のう
ち１種または２種以上これらの元素は快削成分であり、
焼結体の被削性を高める効果がある。　そこで上記した
成分に必要に応じて付加する場合、過度の添加は耐食性
を低下させ、鋼粉の圧縮性を阻害したりするため、添加
成分数および添加量を上記のように規定した。

フェライト相は脆い組織であるが、焼結体中の粒界に生
成し切削加工する際に切り屑破砕性が助長され、被削性
を向上させる効果がある。

ただし０．５体積％未満であると被削性に対する効果が
無（、逆に２５体積％を越えた場合には被削性に対する
効果は変わらないが焼結体が脆くなりすぎ、さらに耐食
性が急激に低下するため、フェライト量は上記範囲に規
定した。

焼結体密度比は耐食性および被削性に直接影響を及ぼす
因子である。　密度比が９２％未満の焼結体中には気孔
が多数残っており、しかも閉塞化していす外部と通じて
いるので焼結体の内部まで腐食環境にさらされることに
なり耐食性が著しく低下する。　また、空孔が残ってい
ると焼結体の熱伝導率が低下するため、切削加工時に工
具近傍に熱がたまり、その結果工具摩耗が促進する。　
従って密度比の下限を９２％とした。

上述したような組成および特性を有する焼結合金鋼を製
造する方法につき以下に説明する。

まず、上記組成の原料粉を用意する。　このとき、原料
粉の平均粒径は焼結体の密度を大きく左右する。　微粉
を用いる程焼結が進行し密度が上昇する。　原料粉の平
均粒径が１５％ｍ以上の粗粉を使用した場合、焼結体密
度比は９２％を越えず焼結体内部の空孔が粗大で、要求
される耐食性および被削性が得られない。

従って、原料粉の平均粒径を１５μｍ以下と規定した。

使用する鋼粉（原料粉）の平均粒径が小さいため鋼粉の
みでは成形が困難であり、また成形したとしても成形体
に割れが生じたり、金型を傷める等の問題がある。　そ
こで鋼粉に結合剤を混合して成形をおこなう、　結合剤
としては、一般に用いられているワックス、樹脂または
これらの混合物等を用いても成形は可能である。　結合
剤の添加量は成形方法によって異なる。　成形方法とし
ては射出成形、押出成形、金型を用いたプレス成形のい
ずれでも良いが、たとえば射出成形では結合剤は／Ｏ〜
１５重量％必要であり、金型成形では０．５〜２重量％
である。

成形後、結合剤を除去するために減圧下または非酸化性
雰囲気中で加熱する。　加熱温度および昇温速度は結合
剤の分解、蒸発する温度により決定される。

結合剤を除去した後、Ｃ／Ｏモル比が所定の範囲内に入
っているかいないかを確認し、入っていなければＣ／Ｏ
調整をおこないＣ／Ｏモル比を適正値に調整する。　Ｃ
／Ｏモル比が０．３〜３の範囲に入っていない場合、焼
結後のＣ９０の量が前述した値にならず、その結果、耐
食性、被削性ともに低下する。　そのため、焼結前のＣ
／Ｏモル比を前記の通り規定する。　Ｃ／Ｏモル比の調
整は脱脂体を湿潤水素または大気中で加熱することによ
っておこなわれる。

その後、焼結をおこなう。　その際、１３５０℃以下の
温度で３０ｔｏｒｒ以下の真空中で焼結し、その後、非
酸化性雰囲気中で焼結することで密度比９２％以上の焼
結体を得ることができる。

焼結の前段ではＣｒの還元が目的である。

しかし、１３５０℃を越えた温度では焼結体表面よりＣ
ｒが過度に蒸発し過ぎて耐食性が劣化するため、温度の
上限を１３５０℃とした。

Ｃｒ酸化物の還元には減圧下が適している。

しかし、３０ｔｏｒｒを越えるとＣｒ酸化物の還元が進
行しにくいため、上限を３０ｔｏｒｒと規定した。

焼結の後段では焼結体の緻密化および合金元素の均一化
が目的である。　雰囲気を非酸化性としたのは高温下で
のＣｒの蒸発を抑制するためであり、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２
などの不活性ガスや、Ｈ２、Ｃｏ、ＣＨ４等の還元ガス
、または燃焼排ガスを用いる。

〈実施例〉以下、本発明を実施例に従って具体的に説明する。

（実施例１）Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ合金元素の添加量の影響を調べるため
に、表１に組成を示す鋼粉（残部は不可避的不純物およ
びＦｅ）を高圧水アトマイズによって製造した。　粉末
の平均粒径を同表中に示すが、１５μｍ以下となってい
る。　これらの鋼粉に結合剤（熱可塑性樹脂、ポリマー
およびパラフィン）を／Ｏ〜１５重量％の範囲で加え、
混練してコンパウンドを作製した。

このコンパウンドを用いて射出成形をおこない、シャル
ピー試験片を成形した。　結合剤の除去は窒素雰囲気中
／Ｏ℃／ｈの昇温速度で６００℃まで加熱しておこなっ
た。　結合剤除去の後、Ｃ／Ｏモル比が０．５〜１の範
囲であることを確認して、Ｏ，１ｔｏｒｒ以下の真空中
で１１５０℃で６０ｍ１ｎ焼結し、引き続いてＡｒ雰囲
気中で１３５０℃で１２０ｍ１ｎ焼結し供試材を製造し
た。

この焼結体を用いて耐食性および被削性の評価をおこな
った。

（１）耐食性耐食性はシャルピー試験片を各鋼種／Ｏ個ずつ５％Ｎａ
Ｃ１水溶液中に温度５０℃で２４ｈ保持し試験片全量に
発錆が認められない場合を良好、その中の１個にでも錆
が出た場合は発錆として評価した。

（２）切削性切削性試験はシャルピー試験片に１ｍｍφドリル（ハイ
ス製）による穴明は加工をおこない、ドリルが使用不能
になり破断するまでの八個数で被削性を評価した。

（３）フェライト量焼結体中のフェライト量はＸ線回折によって定量化した
。

表２に各鋼種の実験結果を示す。　各焼結体ともに密度
およびＣ１Ｏ量は適正値が得られている。　発明例１〜
４および比較例１〜４はＣｒ量をかえたもの、発明例５
〜８および比較例５〜７はＮｉ量をかえたもの、発明例
９〜１１および比較例８，９はＭｏ量をかえたものであ
る。　Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏが本発明の範囲内であ□るもの
は被削性および耐食性ともに良好な結果を示す。　しか
し比較例１はＣｒ、フェライト量が少なく被削性、耐食
性ともに悪（、比較例２はフェライト量は適正な範囲で
あるが、Ｃｒが少ないために耐食性が悪い。　逆に比較
例３．４はＣｒ、フェライト量が高すぎるために耐食性
が低下している。　Ｎｉ量についても比較例５は少なす
ぎて耐食性が悪く、比較例６．７は高すぎるために有効
な２相組織ができず被削性が急激に悪くなる。　Ｍｏは
添加しすぎる（比較例８．９）とフェライト相が多くな
り耐食性が低下する。

更にＭｏを添加しない系においても、Ｃｒ。

Ｎｉ添加量の効果については同様なことがいえる。

（実施例２）ここでは、同じ組成における焼結体中のフェライト量の
影響について述べる。　Ｃｒ＝２６．２ｗｔ％、Ｎ１＝
１５．１ｗｔ％、Ｍ　ｏ　＝３．５ｗｔ％であるアトマ
イズ鋼粉を用いて実施例１と同じようにしてシャルピー
試験片を製造した。　ｃ、ｏｌおよび密度が適性値であ
ることを確認して、フェライト量を変えるためにＡｒ雰
囲気中で１／Ｏ０〜１３００℃の温度で２０分間の容体
化処理を施し、表３に示すフェライト量の試験片を製造
し、被削性および耐食性を評価した。　同表中に実験結
果を示す。

耐食性はすべて良好であるが、被削性はフェライト量が
減少する程低下し、フェライト量が０．５ｖｏ１％未満
（比較例１４）になると急激に悪化している。

（実施例３）次に、鋼粉の平均粒径の影響について調べた。　表４に
示すように平均粒径が１５μｍ以下のものと２０μｍを
越えるものと２種類製造し、この鋼粉を用いて実施例１
と同じようにして試験片を製造し、被削性および耐食性
を評価した。　実験結果を表５に示す。　平均粒径が１
５μｍ以下のものは焼結体密度比も９２％を越えており
、被削性および耐食性も良好である。　しかし、平均粒
径が２０μｍを越えたものでは焼結体密度比が９２％を
達成できず、耐食性、被削性ともに急激に低下している
。

（実施例４）次に、焼結条件の影響について述べる。

表４（発明例２１）に示す１５μｍ以下の鋼粉を用いて
、実施例１と同じようにして成形、脱脂をおこなった。

　焼結は■１１５０’Ｃｘ　１　ｈ　（／Ｏ−’ｔｏｒ
ｒ）　−＋　１３５０℃Ｘ２ｈ（Ａｒ）　　　０１３５
０℃Ｘ２ｈ（０，１ｔｏｒｒ）　、■１３５０℃Ｘ　２
　ｈ　（／Ｏ０ｔｏｒｒ）、■１３５０℃×２ｈ（水素
中、露点−４０℃）の４条件で実施した。　実験結果を
表６に示す。　条件■のみが適正なＣ１Ｏ値が得られ特
性も良好であり、他の条件ではＣ／Ｏが適正値とならず
耐食性が低下している。

（実施例５）次に、Ｃ／Ｏ調整の効果について述べる。

表７に示すＣ量の高い鋼粉を用いて、実施例１と同じよ
うにして試験片を成形、脱脂をおこなった。　この段階
でのＣ／Ｏモル比は３．８である。　次にこの中の一部
の試験片について、■湿潤水素中４５０℃で／Ｏ　Ｌ′
Ｉｉ　ｎ保持（発明例２３）　■大気中３５０℃で／Ｏ
ｍ　ｉ　ｎ保持（発明例２４）、の２条件でＣ／′０モ
ル比を各々０．６．０．７に調整した。　その後−Ｃ／
’　Ｏ調整しないもの（比較例１９）を含め、実施例゛
と同じ条件で焼結し、被削性および耐食性の評価をおこ
なった。　実験結果を表８に示す。　ｒ／Ｏ調整したも
のは適正なＣ９Ｏ値が得られ特性も良好であるが、Ｃ／
Ｏ調整しないものはＣ＋　Ｏ値が適正でな（耐食性が急
激に低下している。

（実施例６）ここでは、Ｓ、ＳｅおよびＴｅなどの快削性元素添加の
効果について述べる。　表９に示すようにＳ、Ｓｅおよ
びＴｅを単独または複合添加した鋼粉を水アトマイズに
よって噴霧製造した。　この鋼粉を用いて、実施例１と
同じように成形、脱脂および焼結をおこない、耐食性と
被削性を評価した。　表／Ｏに実験結果を示す。　快削
性元素を添加することで、被削性の一層の向上が図れる
ことがわかる。　ただし、比較例２０のように添加しす
ぎると耐食性を低下させることになる。

表実施例１で使用した鋼粉（その１）アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例１で使用した鋼粉（その２）アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例１の実験結果（そのｌ）アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例１の実験結果（その２）アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例２の実験結果表実施例３で使用した鋼粉アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例３の実験結果アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例４の実験結果アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例５で使用した鋼粉表実施例５の実験結果アンダーラインは本発明範囲をはずれていることを示す
。

表実施例６で使用した鋼粉の組成表実施例６の実験結果〈発明の効果〉本発明によれば、オーステナイト相にフェライト相を適
正量含有させ、焼結体密度を９２％以上とすることで被
削性および耐食性に優れた焼結合金鋼を得ることができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）オーステナイト系焼結ステンレス合金鋼であって
、Ｃｒ：１５〜３０重量％、Ｎｉ：７〜２５重量％、Ｃ
：０．０６重量％以下、および０：０．３重量％以下を
それぞれ含有し、該焼結体中のフェライト相が０．５〜
２５体積％で、かつ焼結体密度が９２％以上であること
を特徴とする被削性および耐食性に優れた焼結合金鋼。
（２）オーステナイト系焼結ステンレス合金鋼であって
、Ｃｒ：１５〜３０重量％、Ｎｉ：７〜２５重量％、Ｍ
ｏ：０．５〜５重量％、Ｃ：０．０６重量％以下、およ
びＯ：０．３重量％以下であり、焼結体中のフェライト
相が０．５〜２５体積％で、かつ焼結体密度が９２％以
上であることを特徴とする被削性および耐食性に優れた
焼結合金鋼。
（３）さらに、Ｓ：０．０２〜０．３０重量％、Ｓｅ：
０．０１〜０．３０重量％、およびＴｅ：０．０１〜０
．３０重量％のうち１種または２種以上を含む請求項１
または２に記載の被削性および耐食性に優れた焼結合金
鋼。
（４）Ｃｒ：１５〜３０重量％、およびＮｉ：７〜２５
重量％を含み、平均粒径１５μｍ以下の鋼粉を用い、こ
れに結合剤を添加混合して成形した後、該成形体中の結
合剤を減圧下または非酸化性雰囲気中で加熱して除去し
、成形体中のＣ／Ｏモル比を０．３〜３に調整し、その
後１３５０℃以下、圧力３０ｔｏｒｒ以下の減圧下で焼
結し、さらに非酸化性雰囲気下で焼結することを特徴と
する被削性および耐食性に優れた焼結合金鋼の製造方法
。
（５）Ｃｒ：１５〜３０重量％、Ｎｉ：７〜２５重量％
、およびＭｏ：０．５〜５重量％を含み、平均粒径１５
μｍ以下の鋼粉を用い、これに結合剤を添加混合して成
形した後、該成形体中の結合剤を減圧下または非酸化性
雰囲気中で加熱して除去し、成形体中のＣ／Ｏモル比を
０．３〜３に調整し、その後１３５０℃以下、圧力３０
ｔｏｒｒ以下の減圧下で焼結し、さらに非酸化性雰囲気
下で焼結することを特徴とする被削性および耐食性に優
れた焼結合金鋼の製造方法。
（６）さらに、Ｓ：０．０２〜０．３０重量％、Ｓｅ：
０．０１〜０．３０重量％、およびＴｅ：０．０１〜０
．３０重量％のうち１種または２種以上を含む請求項４
または５に記載の被削性および耐食性に優れた焼結合金
鋼の製造方法。
（７）Ｃ／Ｏモル比を０．３〜３に調整するに際し、湿
潤水素下で熱処理する請求項４〜６のいずれかに記載の
焼結合金鋼の製造方法。
（８）Ｃ／Ｏモル比を０．３〜３に調整するに際し、大
気中で熱処理する請求項４〜６のいずれかに記載の焼結
合金鋼の製造方法。