JPH08209202A - 切削性に優れた高強度焼結材料用合金鋼粉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 切削性に優れかつ高強度を有する焼結体を
得ることができる粉末冶金用合金鋼粉を提供する。 【解決手段】 重量比でＢ：0.001 〜0.3 ％、Cr：0.02
〜0.07％、Mn：0.1 ％未満を含み、必要に応じてさらに
Ｓ、SeおよびTeから選ばれる１種以上を合計で0.03〜0.
15％含み、残部がFeと不可避的不純物である鉄粉に、重
量比でNi：0.5 〜７％、Cu：0.5 〜３％およびMo：0.05
〜3.5 ％から選ばれる１種以上が部分合金化されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末冶金用鉄粉に
係わり、とくに焼結後の矯正（サイジング）が可能で焼
結体の切削性に優れ、かつ焼入れ後に高強度が得られる
焼結材料用合金鋼粉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金用鉄粉は、鉄粉にCu粉、黒鉛粉
などを添加混合し、金型中で圧粉成形して焼結し、通常
5.0 〜7.2g/cm³の密度を有する焼結機械部品などの製造
に用いられる。粉末冶金法は寸法精度が良く複雑な形状
の焼結体を製造できるが、寸法精度の厳しい部品を製造
する場合には、焼結後の切削加工、あるいはドリル孔明
け加工が必要となることがある。

【０００３】粉末冶金製品は一般に切削性が劣り、溶製
材に比べると工具寿命が短い問題点を有しているため機
械加工時のコストが高価になる欠点を有している。粉末
冶金製品における切削性の劣化は、粉末冶金製品に含ま
れる気孔による断続切削あるいは熱伝導率の低下による
切削温度の上昇に起因すると言われている。切削性の改
善を行うために、Ｓ、MnS などの快削成分を鉄粉に混合
することが多い。これらのＳ、MnS は切り屑の破断を容
易にする効果、あるいは工具にＳ、MnS の薄い構成刃先
を形成し、工具すくい面での潤滑作用により切削性の向
上をもたらすといわれている。

【０００４】特公平3-25481 号公報においては若干のMn
（0.1 〜0.5 ％）とSi、Ｃなどを含む純鉄粉にさらにＳ
を0.03〜0.07％添加した溶湯を、水または気体で噴霧し
て製造した粉末冶金用鉄粉が提案されている。この方法
においては切削性は従来材の２倍弱しか向上しておら
ず、一層の向上が必要であった。また、成形性を改善す
る目的で粉末冶金用鉄粉にＢを含有させる技術が特開昭
61-253301 号公報に述べられている。同発明において
は、Ｃ：0.10％以下、Mn：2.0 ％以下、酸素量が0.30％
以下であり、更にCr：0.10〜5.0 ％、Ni：0.10〜5.0
％、Si：2.0 ％以下、Cu：0.10〜10.0％、Mo：0.01〜3.
0 ％、Ｗ：0.01〜3.0％、Ｖ：0.01〜2.0 ％、Ti：0.005
〜0.50％、Zr：0.005 〜0.50％、Nb：0.005〜0.50％、
Ｐ：0.03〜1.0 ％及びＢ：0.0005〜1.0 ％からなる群の
うち１種又は２種以上を含有し、更に必要に応じてＳ：
1.0 ％以下を含み、残部が実質的にFeからなる合金鋼粉
が提案されている。

【０００５】しかしながら、この組成の合金鋼粉は、Cr
が0.10％以上と高い上に、この組成を得るには鉄鉱石、
ミルスケールなどの酸化鉄を粉コークスなどの還元剤で
粗還元した粉末に、予め合金化した水噴霧母合金粉末、
すなわちＣ：0.50％以下、Mn：5.0 ％以下、酸素量が1.
5 ％以下であり、さらにCr：0.10〜20.0％、Ni：0.15〜
20.0％、Si：5.0 ％以下、Cu：0.15〜20.0％、Mo：0.01
5 〜15.0％、Ｗ：0.015 〜15.0％、Ｖ：0.015 〜5.0
％、Ti：0.01〜2.0 ％、Zr：0.01〜2.0 ％、Nb：0.01〜
2.0 ％、Ｐ：0.04〜2.0 ％、およびＢ：0.0010〜2.0 ％
からなる群のうちの１種または２種以上を含有し、さら
に必要に応じてＳ：４％以下を含み、残部が実質的にFe
からなる水噴霧母合金粉末を、仕上げ還元後の合金元素
量が上記所望量になるように混合・調整し、しかる後に
該混合粉末を還元雰囲気中で仕上げ還元することが必要
とされ、非常に複雑でコストの高い製造方法をとらねば
ならない。

【０００６】ところで、特に自動車部品としてのギヤな
どには高強度や高疲労特性が要求される。これらの部品
を粉末冶金法で製造する場合には、強度および疲労特性
を向上させるために合金成分を添加する方法が一般的で
ある。例えば、特公昭45−9649号公報では、純鉄粉にN
i、Cu、Moなどの粉末を拡散付着することによって合金
化成分として添加している。しかしながら、この製法に
よる鋼粉は圧縮性および焼結体強度に優れているが、そ
の焼結体の硬度が高いため、焼結後の矯正がほとんど不
可能でかつ切削性が悪いという問題点があった。

【０００７】また、前述の特公平３−25481 号公報にお
いて開示された方法において製造した鉄粉を用い、Ni、
Cu、Moなどの合金化成分粉末を拡散付着させても、焼結
体生地が硬いためＳの効果だけでは切削性は改善しな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の欠点に鑑み、焼結後の矯正が可能で切削性に
優れかつ光輝焼入れあるいは浸炭処理後に高強度を有す
る焼結体を得ることができる粉末冶金用合金鋼粉を提供
することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、特願平6-
208949号、特願平6-235025号において、水を用いた噴霧
法により製造されたＳ、Cr、Mnを所定量含む粉末冶金用
鉄粉を焼結すると、焼結鋼の気孔に残留黒鉛が、鉄粒子
内および粒界に５μm 以内のMnＳが存在し、切削性に優
れる焼結鋼が容易に得られることを提案した。

【００１０】特願平6-208949号による粉末冶金用鉄粉を
純窒素雰囲気中での焼結途中で急冷し、残留黒鉛の分析
を行った結果、残留黒鉛は焼結中の浸炭が阻害された結
果生成することがわかった。さらに黒鉛の浸炭を阻害す
る効果は鉄粉表層部に存在するFeＳが有効であり、また
さらにCrを併用して添加することにより、残留黒鉛量が
一層増加することを発見した。

【００１１】また、Ｓ以外に焼結中の浸炭を阻害し、残
留黒鉛量を増加させる合金元素の調査を行った結果、溶
製材料において鉄中への溶解度が少なく、結晶粒界に偏
析し易いSeおよびTeはＳと同様に残留黒鉛を生成させる
効果があった。また、これとは別に、Ｂを含有する溶鋼
を水でアトマイズ噴霧すると、Ｂの一部が水により容易
に酸化されて鉄粉表面にＢ系酸化物が析出し、このＢ系
酸化物が焼結中に鉄粉中への黒鉛の浸炭を抑制するた
め、焼結体中の残留黒鉛量を増加させ、切削性を向上さ
せる作用があることを知見した。また、焼結体中のフェ
ライトの含有量が増加するので矯正も可能となった。ま
た、光輝焼入れ、浸炭熱処理後は残留黒鉛が鉄粒子内に
再固溶しベーナイトやマルテンサイトを主体とする組織
となり、高強度が得られる。

【００１２】これらの知見を基に鋭意実験を行い、検討
を加えた結果、重量％でCr：0.02〜0.07％、Mn：0.1 ％
未満で、残部がFeと不可避的不純物であるアトマイズ鉄
粉に、さらにＢを0.001 〜0.3 ％含有させた鉄粉に、重
量比でNi：0.5 〜７％、Cu：0.5 〜３％およびMo：0.05
〜3.5 ％から選ばれる１種以上を拡散付着させた部分合
金化鋼粉を用いて得られた焼結材料は、浸炭処理、光輝
焼入れ後にはベーナイトやマルテンサイトを主体とする
組織となり高強度材料が得られるばかりでなく、焼結ま
までは矯正が可能で優れた切削性を示すことを見い出し
た。

【００１３】さらには、上記Ｂを含むアトマイズ鉄粉
に、さらにＳ、SeおよびTeから選ばれる１種以上を合計
で0.03〜0.15％含ませることで、Ni：0.5 〜７％、Cu：
0.5 〜３％およびMo：0.05〜3.5 ％から選ばれる１種以
上を拡散付着させた部分合金化鋼粉を用いて得られた焼
結材料は、一層優れた切削性を示すことを見い出した。
すなわち本発明は、重量比でＢ：0.001 〜0.3 ％、Cr：
0.02〜0.07％、Mn：0.1 ％未満を含み、必要に応じてさ
らにＳ、SeおよびTeから選ばれる１種以上を合計で0.03
〜0.15％含み、残部がFeと不可避的不純物である鉄粉
に、重量比でNi：0.5 〜７％、Cu：0.5 〜３％およびM
o：0.05〜3.5 ％から選ばれる１種以上が部分合金化さ
れていることを特徴とする切削性に優れた高強度焼結材
料用合金鋼粉である。

【００１４】なお、部分合金化する元素源としては、Ni
およびCuの場合はそれらの金属粉末が、Moの場合は金属
粉末だけでなくMoO₃粉末が、それぞれ好適に使用でき
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は、Ｂ系酸化物ならびに
Ｓ、Se、Teによる浸炭防止作用により、焼結合金鋼の気
孔に生成する残留黒鉛の作用によって焼結合金鋼の切削
性を向上させるものである。また、Ni、Cu、Moのいずれ
か１種以上を拡散付着により部分合金化させているの
で、通常のFe−Cu−Ｃ系、Fe−Ｃ系の配合で成形、焼結
することにより、残留黒鉛を有する切削性の優れた高強
度焼結合金鋼を容易に得ることができる。

【００１６】以下に本発明において重要な働きをする各
元素の作用および限定範囲について詳細に説明する。 Ｂ：0.001 〜0.3 ％ 前述したように、Ｂを含有する溶鋼を水でアトマイズ噴
霧すると、Ｂの一部が水により容易に酸化されて鉄粉表
面にＢ系酸化物が析出し、このＢ系酸化物が焼結中に鉄
粉中への黒鉛の浸炭を抑制するため、焼結体中の残留黒
鉛量を増加させ、結果として焼結合金鋼の切削性を向上
させるとともに焼結後の矯正を可能ならしめる。Ｂ系酸
化物は非常に安定でＨ₂ と反応することがほとんどない
ので、Ｈ ₂ を含む雰囲気で熱処理したとしても切削性が
低下することはない。

【００１７】Ｂが0.001 ％未満では添加したことによる
切削性の向上は認められない。Ｂが0.3 ％を超えた場合
には、固溶硬化のため焼結合金鋼の硬度が高くなり、切
削性を低下させる。なお、切削性と製造コストとの兼ね
合いで、好ましい範囲は0.005 〜0.03％である。また、
理由は明確でないが、焼結後の光輝焼入れや浸炭熱処理
後は残留した黒鉛が固溶し、マルテンサイトやベーナイ
トを生成せしめ、Ni、Moと相まって高強度が得られる。

【００１８】なお、切削性の向上は残留黒鉛によるもの
であるから、Ｂを含有しない鉄粉にFe−Ｂ合金粉を混合
添加しても切削性は改善されない。 Cr：0.02〜0.07％ 鉄粉中のCrは焼結時に生成する残留黒鉛を増加させる効
果を有する。Crが0.02％未満ではCrを添加したことによ
る切削性の向上が認められない。Crが0.07％を超えた場
合には、炭化物のため焼結合金鋼の硬度が高くなり、切
削性を低下させる。切削性と製造コストの兼ね合いで、
好ましい範囲は0.04〜0.06％である。

【００１９】Mn：0.1 ％未満 Mnは0.1 ％未満とする。Mnが0.1 ％以上では、焼結鋼中
の残留黒鉛が少なく切削性が悪い。この理由はMn自体が
残留黒鉛を減少させる合金元素であることと、鉄粉が
Ｓ、SeないしTeを含む場合には粉末中のMnがＳ、Se、Te
と結合しやすく、焼結鋼中の残留黒鉛を増加させるのに
有効なＳ、Se、Teが減少するからである。なお、転炉に
おけるMn低減のための精錬コストと切削性の観点から、
好ましいMnの範囲は0.04〜0.08％である。

【００２０】Ni：0.5 〜７％、Cu：0.5 〜３％、Mo：0.
05〜3.5 ％のいずれか１種以上 Ni、Cu、Moは、強度を高めるために添加する。添加量は
それぞれNi：0.5 〜７％、Cu：0.5 〜３％、Mo：0.05〜
3.5 ％に限定される。各元素が下限未満では添加したこ
とによる強度の向上が認められない。また、各元素が上
限を超えた場合、切削性が急激に低下する。

【００２１】Ｓ、Se、Teのうちの１種以上の合計：0.03
〜0.15％ 水を用いた噴霧法により製造される粉末冶金用鉄粉の
Ｓ、Se、Teは焼結鋼中の残留黒鉛を生成させるために添
加する。その添加量の合計量は0.03〜0.15％に限定す
る。0.03％未満では、残留黒鉛生成による切削性向上の
効果がない。0.15％を超えると焼結中すすを発生しやす
く、焼結炉を傷めることが懸念される。なお、切削性お
よび合金コストの理由で、好ましい範囲は0.08〜0.13％
とする 以上述べたように、ＢおよびＳ、Se、Teはそれぞれ単独
で焼結時に残留黒鉛を生成させる効果を有する。そし
て、ＢとＳ、Se、Teの１種以上を併用すると、各々を単
独添加した時の効果の和以上の複合効果を発揮する。

【００２２】

【実施例】

（実施例１）表１に元粉となる鉄粉の化学組成および拡
散付着させた合金鋼粉中の拡散付着成分の含有量を示
す。これらの合金鋼粉は、酸素量150ppm以下の溶鋼を水
噴霧して得た生粉を窒素雰囲気中で 140℃で60分乾燥し
た後、純水素雰囲気中 930℃で20分還元したのち、粉砕
分級した鉄粉に、カーボニルNi粉、三酸化Mo粉、Cu粉を
所定の割合で混合し、Ｈ₂ ガス中 875℃で60分焼鈍して
拡散付着させた。

【００２３】

【表１】

【００２４】黒鉛粉末 0.6％を混合した合金鋼粉 100重
量部に対して、ステアリン酸亜鉛１重量部を混合後、圧
粉密度7.0g/cm³になるように成形し、窒素気流中で1250
℃60分焼結後、焼結まま材の切削性の評価および矯正の
可能性を評価した。切削性の評価は外径60φ、高さ10mm
の円板形状とし、上記の条件で焼結後、直径１mmφのハ
イス製ドリルを用いて10000rpm、0.012mm/rev の条件で
加工が不可能になるまでに加工した穴の平均個数（ドリ
ル３本の平均値）を工具寿命として評価した。矯正の可
否は、焼結まま材を５ｔ／cm² でプレスし、変形したも
のを可、変形の小さなものを不可とした。

【００２５】焼結鋼の残留黒鉛量は、硝酸溶解残渣をガ
ラスフィルタでろ過し、赤外線吸収法で定量化した。ま
た、焼結体をカーホンポテンシャル 0.8％、 850℃×30
分加熱後 160℃の油中で光輝焼入れし、引張り強度を測
定した。表１に焼結体の残留黒鉛量、工具寿命、光輝焼
入れ後の引張強さをまとめて示した。表１の各実施例か
らわかるように、Ｂ：0.001 〜0.3 ％、Cr：0.02〜0.07
％、Mn：0.1 ％未満、さらに、Feの一部に代えてNi：0.
5 〜７％、Cu：0.5 〜３％およびMo：0.05〜3.5 ％のい
ずれか１種以上を鉄粉の表面に拡散付着させた粉末冶金
用鉄粉から得られた焼結鋼の残留黒鉛は0.2 ％以上、工
具寿命は60個以上であった。一方、Ni、Cu、Mo添加量の
増加とともに引張強さが 960〜1030MPa に上昇した。ま
た、すべての実施例において矯正が可能であった。

【００２６】比較例１はＢを含まず、焼結体の残留黒鉛
は0.02％、工具寿命は１個であり矯正不可能であった。
実施例との比較からＢの添加により切削性が向上したこ
とがわかる。比較例２、５に示すようにＢの含有量が
0.3％を、またはNiの含有量が７％を超えると切削性が
劣化する。また、比較例３、４に示すようにCrの含有量
が0.07％を超えあるいはMnの含有量が 0.1％以上になる
と切削性が劣化している。また、比較例５、６、７に示
すようにNi、Cu、Moの付着量が多いと切削性の向上が望
めない。また、すべての比較例で焼結後の矯正が不可能
であった。 （実施例２）表２に元粉となる鉄粉の化学組成および拡
散付着させた合金鋼粉中の拡散付着成分の含有量を示
す。これらの合金鋼粉は、溶鋼を水噴霧して得た生粉を
窒素雰囲気中で 140℃で60分乾燥した後、純水素雰囲気
中 930℃で20分還元したのち、粉砕分級した鉄粉に、カ
ーボニルNi粉、三酸化Mo粉、Cu粉を所定の割合で混合
し、Ｈ₂ ガス中 875℃で60分焼鈍して拡散付着させた。

【００２７】

【表２】

【００２８】黒鉛粉末 0.6％を混合した合金鋼粉 100重
量部に対して、ステアリン酸亜鉛１重量部を混合後、圧
粉密度7.0g/cm³になるように成形し、窒素気流中で1250
℃60分焼結し、残留黒鉛量、切削性、矯正の可否を評価
した。切削性の評価は外径60φ、高さ10mmの円板形状と
し、上記の条件で焼結後、直径１mmφのハイス製ドリル
を用いて10000rpm、0.012mm/rev の条件で加工が不可能
になるまでに加工した穴の平均個数（ドリル３本の平均
値）を工具寿命として評価した。

【００２９】焼結鋼の残留黒鉛量は、硝酸溶解残渣をガ
ラスフィルタでろ過し、赤外線吸収法で定量化した。表
２に焼結後残留黒鉛量、工具寿命、光輝焼入れ後引張強
さをまとめて示した。また、焼結体は実施例１と同じ条
件で光輝焼入れし、引張り強さを測定した。表２の各実
施例からわかるように、Ｂ：0.001 〜0.3 ％、Cr：0.02
〜0.07％、Mn：0.1 ％未満、Ｓ、Se、Teの１種以上の合
計が0.03〜0.15％、さらに、Feの一部に代えてNi：0.5
〜７％、Cu：0.5 〜３％およびMo：0.05〜3.5 ％のいず
れか１種以上を鉄粉の表面に拡散付着させた粉末冶金用
鉄粉から得られた焼結鋼の残留黒鉛は0.2 ％以上、工具
寿命は60個以上であった。一方、Ni、Cu、Mo添加量の増
加とともに光輝焼入れ後の引張強さが 950〜1050MPa に
上昇した。また、すべての実施例において焼結体の矯正
が可能であった。

【００３０】比較例８はＢを含まず、残留黒鉛は0.02
％、工具寿命は10個であり、実施例との比較からＢの添
加により切削性が向上したことが分かる。比較例９、19
に示すようにＢの含有量が 0.3％を、またはNiの含有量
が７％を超えると切削性が劣化する。また、比較例10〜
13に示すようにＳ、Se、Teの１種以上の合計が0.03％未
満では切削性が悪く、比較例14〜17に示すようにＳ、S
e、Teの１種以上の合計が0.15％を超えると引張強さが
低下し、焼結中すすを発生した。また、比較例18に示す
ようにMnの含有量が0.1 ％以上では切削性が劣化してい
る。また、比較例19、20、21に示すようにNi、Cu、Moの
付着量が多いと切削性の向上が望めない。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、水を用いた噴霧法によ
り製造される粉末冶金用鉄粉にNi、Cu、Moを拡散付着し
た合金鋼粉を焼結した場合、焼結後の矯正が可能で切削
性に優れた焼結体が得られ、焼入れ処理後に高強度およ
び靭性を有する焼結鋼を、すすの発生を伴わずに容易に
製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上ノ薗 聡 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 小倉 邦明 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 楊 積彬 新潟県新潟市小金町３−10 三菱マテリア ル株式会社新潟製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＢ：0.001 〜0.3 ％、Cr：0.02
   〜0.07％、Mn：0.1％未満を含み、残部がFeと不可避的
   不純物である鉄粉に、重量比でNi：0.5 〜７％、Cu：0.
   5 〜３％およびMo：0.05〜3.5 ％から選ばれる１種以上
   が部分合金化されていることを特徴とする切削性に優れ
   た高強度焼結材料用合金鋼粉。
2. 【請求項２】 重量比でＢ：0.001 〜0.3 ％、Cr：0.02
   〜0.07％、Mn：0.1％未満を含み、さらにＳ、SeおよびT
   eから選ばれる１種以上を合計で0.03〜0.15％含み、残
   部がFeと不可避的不純物である鉄粉に、重量比でNi：0.
   5 〜７％、Cu：0.5 〜３％およびMo：0.05〜3.5 ％から
   選ばれる１種以上が部分合金化されていることを特徴と
   する切削性に優れた高強度焼結材料用合金鋼粉。