JPH075923B2 - 圧縮性および成形性に優れる粉末冶金用高合金鋼粉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、耐熱焼結合金鋼部品などを粉末冶金法によっ
て製造する際に用いられる、Co含有の高合金鋼粉に関
し、その圧縮性および成形性を改善したものである。

＜従来の技術＞ 焼結合金鋼は、自動車部品などに盛んに使用されてお
り、最近では高合金組成の部品も増加してきた。重要な
用途に、耐熱部品があり、自動車エンジンの排気側弁座
リングなどが実用化している。これらの耐熱部品は、合
金元素としてCoを用いることが多く、たとえば6.5％
（重量％、以下同様）Coを含有する合金鋼粉を原料とし
ている。耐熱性向上のためには、さらに多量のCo添加が
必要であることが多く、７〜25％のCoを含む焼結合金鋼
が検討されている。Coが７％以上になると、今までのプ
リアロイ鋼粉では、鋼粉粒子が硬くなるため、鋼粉の圧
縮性と成形性が劣化し、部品製造上大きな問題となる。
一方、鉄粉と合金元素の粉末、たとえばCo粉を混合し
て、いわゆる混粉法で部品を製造すれば、粉末の圧縮性
においては問題がないが、焼結時の均一拡散合金化をね
らって、Coの微粉を用いると、粉末の流れ性が悪く、成
形性が極端に劣化して、圧粉体の欠損がひんぱんに生じ
る問題がおきる。

これらの点を解決するため、母合金法と称して、Co含有
量の更に高いFe−Co合金粉を純鉄粉等と混合して用いる
方法が考えられ、類似の技術が特公昭61−36043号にも
見られるが、Co以外の添加元素も含めて、優れた組成の
母合金法はこれまで存在しなかった。

ところで溶製材料の耐熱合金鋼に用いられる元素は、C
o,Cr,Ni,Mo,Vなどだが、粉末冶金の場合、焼結までの過
程で難還元性の酸化物が形成されると、還元されずに部
品の品質を劣化させるので、その酸化物がFeの酸化物よ
り易還元性の元素であるCo,Ni,Moなどが好まれて多用さ
れる。ここで、Niの一部は等重量のCuで、Moの一部は２
倍重量のＷで置き換えることができる。現在、焼結鋼の
組成として検討されることが多いのは、Co:3〜25％,Ni:
0.2〜10％,Mo:0.2〜15％である。CuやＷを含む時は、Ni
をNi＋Cu（Ni含有量とCu含有量との和を示す。以下同
様）で置きかえることができ、また、MoをMo＋1/2W（Mo
含有量とＷ含有量の1/2との和を示す。以下同様）で置
きかえることができる。

＜発明が解決しようとする課題＞ このような状況に鑑み、本発明はこのような組成範囲の
合金元素を含み、しかもCo含有量が３〜25％にわたっ
て、圧縮性および成形性に優れた合金鋼粉を提供するも
のである。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、重量割合で、Co:10〜36％,Ni＋Cu:0.2〜20
％,Mo＋1/2W:0.15％以下を含有し、残部がFeおよび不可
避的不純物からなる組成範囲の合金鋼粉と、Mo＋1/2W:
0.2〜19％,Co＋Ni＋Cu:2％以下を含有し、残部がFeおよ
び不可避的不純物からなる組成範囲の合金鋼粉との混合
粉で、必要に応じて粉末冶金用純鉄粉も混合でき，その
平均組成がCo:3〜25％,Ni＋Cu:0.2〜10％,Mo＋1/2W:0.2
〜15％の範囲にあり、残部がFeおよび不可避的不純物か
らなることを特徴とする圧縮性および成形性に優れる粉
末冶金用高合金鋼粉である。但し、Ni＋CuはNiとCuの含
有量の和、Mo＋1/2WはMoの含有量とＷの含有量の半分の
和、Co＋Ni＋CuはCo,NiおよびCuの含有量の和のそれぞ
れ表示である。

＜作用＞ 以下、本発明の限定範囲の根拠を詳細に説明する。

まず、第１鋼粉のCo量を10〜36％とするが、これは後述
する実施例に示すように、最終組成を一定とした時、混
合合金鋼粉の圧縮性と成形性が、最適となるために選定
している。最終組成が与えられた時、第１鋼粉のCoが10
％未満であると、第１鋼粉よりも柔かい第２鋼粉の配合
割合が必然的に小さくなるので、総体的な圧縮性と成形
性が劣化する。一方でCoが36％を超えると、第１鋼粉そ
のものが硬くなりすぎて、これも圧縮性と成形性が劣化
する原因となる。適切な範囲は10〜36％である。

第１鋼粉のNi＋Cu量は、0.2〜20％とする。

Ni＋Cu量の下限は、最終焼結材料のNi＋Cuの下限量を確
保するため、自動的に定められる。上限は、Coと同様、
圧縮性と成形性を向上させる範囲として定められる。

第１鋼粉には、基本的にMoやＷを含有しないことが望ま
しい。これは本発明者らの検討の結果の知見に基づくも
ので、本発明の重要なポイントである。すなわち、Moや
Ｗは、それ自体を鉄粉に合金化しても、あまり圧縮性や
成形性を損わないが、CoやNiあるいはCuが合金化する
と、相乗効果によって、格段にそれらの劣化が著しくな
るのである。後述の実施例で、適正範囲が具体的にデー
タとして示されるが、第１鋼粉のMo＋1/2Wの上限量は0.
15％である。これを超えると、圧縮性と成形性の低下が
顕著になる。

本発明では、このように第１鋼粉中のMoやＷの含有量を
極力制限し、第２鋼粉にMoやＷを含有させる。第２鋼粉
中のMo＋1/2Wは0.2〜19％とする。この下限は、最終組
成の下限量を確保するために必然的に定められる。上限
は、第１鋼粉のCoやNi＋Cuと同様、混合合金鋼粉全体の
圧縮性、成形性が劣化しないための条件として与えられ
る。これらは、後述する実施例で具体的なデータによっ
て裏付けられる。

第２鋼粉には、基本的にCo,Ni,Cuを含有しないが、その
理由は、第１鋼粉のMoやＷを制限する理由と同様であ
る。ただし、Co＋Ni＋Cuが２％までならば悪影響が小さ
いので許容できる。

本発明の第２の形態は、第１鋼粉、第２鋼粉に加え、粉
末冶金用の純鉄粉をさらに混合した場合である。この場
合の利点は、限られた組成範囲の第１鋼粉と第２鋼粉
に、純鉄粉を混合することにより、多様な最終組成の混
合合金鋼粉が得られるとともに、第２表（２）の実施例
15,16,18に示すように圧縮性や成形性が向上する点にあ
る。

この粉末冶金用純鉄粉はアトマイズ法あるいは酸化スケ
ールの還元によって得られる。

また、第１鋼粉、第２鋼粉とも、それぞれ１種の鋼粉で
ある必要はなく、夫々の組成範囲内で２種以上の鋼粉を
配合して用いても良い。すなわち、たとえば第１鋼粉が
２種の鋼粉の配合により成り、第２鋼粉が３種の鋼粉の
配合により成るものを配合して最終鋼粉を得ることがで
きる。

なお、これらの合金鋼混合粉末に、ステンレス鋼粉，粉
末冶金で通常用いられる黒鉛粉や、潤滑剤としてステア
リン酸亜鉛，ステアリン酸等を添加した混合粉末も本発
明の範囲に含まれる。

＜実施例＞ 実施例に用いる鋼粉は、すべて所定組成の溶鋼を水アト
マイズによって粉化し、H₂ガス中980℃で30分間の仕上
還元を施し、−80＃粒度として用いた。いずれの鋼粉
も、不純物として、 C:0.002〜0.016％,Si:0.01〜0.03％， Mn:0.05〜0.32％， P:0.003〜0.029％， S:0.006〜0.026％,O:0.06〜0.23％を含有していた。

本発明法における第３の粉末として用いる純鉄粉は、同
様に水アトマイズと仕上還元ののちに、−80＃として用
いた。不純物は、 C:0.003％,Si:0.01％,Mn:0.06％,P:0.008％,S:0.010％,
O:0.07％であった。

比較用のプリアロイ鋼粉も、同様の製法で調達した。ま
た、従来の混粉法による比較例では、純鉄粉は上記同じ
アトマイズ粉を用い、Niは平均粒径７μ、Cuは平均粒径
13μ、Coは平均粒径５μ、Moは平均粒径10μ、Ｗは平均
粒径９μの、それぞれ単体の金属粉末を上記純鉄粉に混
合した。

実施例の鋼粉、比較例の鋼粉の組成を第１表に示す。

これらの鋼粉は、ステアリン酸亜鉛0.8％，黒鉛粉（平
均粒径19μ）0.5％を混合し、成形圧力7t/cm²で、直径1
1.3mm、高さ11.3mmの円柱状に成形し、圧粉体の密度に
よって圧縮性を、ラトラー値によって成形性を評価し
た。その結果を配合後の鋼粉の組成と共に第２表にまと
めて示す。

比較例1,実施例１〜4,比較例２〜４は、最終組成がCo:7
％,Ni:1.4％,Mo:1.4％の場合である。第１図にこの結果
を整理して示す。第１鋼粉中のCoが10〜36％の範囲にあ
ると、従来のプリアロイ法に比べ、圧縮性が良好（圧粉
密度が高い）で、かつ成形性も優れて（ラトラー値が低
い）いる。また、混粉法に比べると、成形性が格段に向
上している。

実施例5,6,比較例５〜７は、最終組成がCo:8％,Ni:6％,
Mo:2％の場合である。第２図に示すように、第１鋼粉中
Ni量が本発明範囲の0.2〜20％であれば、優れた成形性
と圧縮性が得られていることがわかる。

実施例7,8,比較例8,9は、最終組成Co:10％,Ni:3％,Mo:1
％の場合である。第３図に示すように、第１鋼粉中のMo
量を0.15％以下におさえると、優れた圧縮性と成形性が
得られる。

実施例9,10,比較例10,11は、最終組成がCo:8％,Ni:4％,
Mo:8％の場合である。第４図に示すように、第２鋼粉中
のMo量が0.2〜19％ならば、圧縮性，成形性に優れたも
のが得られる。

実施例11〜13,比較例12〜15は、最終組成がCo:22％,Ni:
9.5％,Mo:2.5％の場合である。第５図に示すように、第
２鋼粉中のCo＋Ni＋Cu量を２％以内におさえると、圧縮
性と成形性の総合特性が、従来のプリアロイ法や混粉法
に比べて向上する。

実施例14,15,比較例16,17は、最終組成がCo:8％,Ni:1.5
％,Cu:0.5％,Mo:1.5％,W:2％の場合である。第２表から
明らかなように、Niの一部をCuで、Moの一部をＷで置き
かえた場合も、本発明法は従来法よりも優れた圧縮性と
成形性をもたらす。実施例15は、第３の粉末として、純
鉄粉を20％配合しているが、これも非常に優れた特性を
示している。

実施例16,比較例18,19は、最終組成がCo:3％,Cu:1％,W:
2％の場合である。このように低Co量の時も、第２表か
らわかるように、本発明法の効果が十分に見られる。

実施例17および実施例18は、最終組成が実施例14,15,比
較例16,17と同様に、最終組成がCo:8％,Ni:1.5％,Cu:0.
5％,Mo:1.5％,W:2％であるが、第１鋼粉，第２鋼粉が複
数の場合である。いづれも本発明の効果が達成されてい
る。

実施例19,比較例20,21は、最終組成がCo:4.5％,Ni:1.5
％,Mo:14.5％と、Mo含有量が高い場合である。第２鋼粉
のMoを19％以内とすることにより、高い圧縮性，成形性
が得られる。

＜発明の効果＞ 以上、実施例に示したとおり、本発明によれば、７％以
上の高Co組成はもとより、３％以上のCo組成において
も、圧縮性や成形性が従来のプリアロイ法，混粉法によ
りも大幅に向上しており、Co:3〜25％,Ni＋Cu:0.2〜10
％,Mo＋1/2W:0.2〜15％の最終組成に対して、極めて有
用な合金鋼粉が与えられることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は、それぞれ、第１鋼粉中のCo量，第
１鋼粉中のNi量，第１鋼粉中のMo量，第２鋼粉中のMo
量，第２鋼粉中のCo＋Ni＋Cu量が、混合された合金鋼粉
の圧縮性と成形性に及ぼす影響を示すものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 純一 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株式 会社技術研究本部内 (72)発明者 古君 修 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株式 会社技術研究本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量割合で、 Co:10〜36％ Ni＋Cu:0.2〜20％ Mo＋1/2W:0.15％以下 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成
   範囲の合金鋼粉と、 Mo＋1/2W:0.2〜19％ Co＋Ni＋Cu:2％以下 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成
   範囲の合金鋼粉との混合粉であり、平均組成が Co:3〜25％ Ni＋Cu:0.2〜10％ Mo＋1/2W:0.2〜15％ の範囲にあり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる
   ことを特徴とする圧縮性および成形性に優れる粉末冶金
   用高合金鋼粉。 但し、Ni＋CuはNiとCuの含有量の和、Mo＋1/2WはMoの含
   有量とＷの含有量の半分の和、Co＋Ni＋CuはCo,Niおよ
   びCuの含有量の和のそれぞれ表示である。
2. 【請求項２】重量割合で、 Co:10〜36％ Ni＋Cu:0.2〜20％ Mo＋1/2W:0.15％以下 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成
   範囲の合金鋼粉と、 Mo＋1/2W:0.2〜19％ Co＋Ni＋Cu:2％以下 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成
   範囲の合金鋼粉と、 粉末冶金用純鉄粉との混合粉であり、平均組成が Co:3〜25％ Ni＋Cu:0.2〜10％ Mo＋1/2W:0.2〜15％ の範囲にあり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる
   ことを特徴とする圧縮性および成形性に優れる粉末冶金
   用高合金鋼粉。 但し、Ni＋CuはNiとCuの含有量の和、Mo＋1/2WはMoの含
   有量とＷの含有量の半分の和、Co＋Ni＋CuはCo,Niおよ
   びCuの含有量の和のそれぞれ表示である。