JPH11302806A - 強度および靱性に優れた鉄基焼結合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車部品およびコンプレッサー部品などの
各種機械部品の材料として使用される強度および靱性に
優れた鉄基焼結合金を提供する。 【解決手段】 Ｃｒ：０．２〜５重量％、Ｎｉ：１〜６
重量％、Ｃ：０．１〜１．０重量％を含有し、残りがＦ
ｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつマルテ
ンサイト、オーステナイトおよびパーライトの混合組織
からなる素地中にフェライト相が島状に分散している組
織を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、エンジン部品を
始めとする自動車部品およびコンプレッサー部品などの
各種機械部品の材料として使用される強度および靱性に
優れたた鉄基焼結合金およびその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジン部品を始めとする自動
車部品およびコンプレッサー部品などの各種機械部品の
材料として鉄基焼結合金が用いられており、この鉄基焼
結合金の１つとして、Ｃ：０．１重量％以下、Ｍｎ：
０．０８重量％以下、Ｃｒ：０．５〜３重量％、Ｍｏ：
０．１〜２重量％、Ｓ：０．０１重量％以下、Ｐ：０．
０１重量％以下、Ｏ：０．２重量％以下を含有し、残り
がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する合金鋼
粉末にＣ：０．２〜１．２％を含有させた鉄基焼結合金
があることは知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、エンジ
ン部品を始めとする自動車部品およびコンプレッサー部
品などの各種機械部品の材料として一層優れた強度およ
び靱性を有する鉄基焼結合金が求められている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述のような観点から、一層優れた強度および靱性を有
する鉄基焼結合金を得るべく研究を行った結果、（ａ）
原料粉末として、平均粒径の大きいＦｅ粉末にＮｉ粉末
およびＣｒ₃ Ｃ₂粉末を混合し、さらに必要に応じてＣ
粉末を添加して混合し、成形し、焼結すると、素地中に
フェライト相が島状に分散している組織を有する鉄基焼
結合金が得られ、この鉄基焼結合金は従来よりも強度お
よび靱性が一層向上する、（ｂ）この鉄基焼結合金の素
地は、マルテンサイト、オーステナイトおよびパーライ
トの混合組織からなる、などの知見を得たのである。

【０００５】この発明は、かかる知見にもとづいて成さ
れたものであって、（１）Ｃｒ：０．２〜５重量％、Ｎ
ｉ：１〜６重量％、Ｃ：０．１〜１．０重量％を含有
し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有
し、かつ素地中にフェライト相が島状に分散している組
織を有する強度および靱性に優れた鉄基焼結合金、
（２）前記素地は、マルテンサイト、オーステナイトお
よびパーライトの混合組織からなる前記（１）記載の強
度および靱性に優れた鉄基焼結合金、（３）Ｆｅ粉末、
Ｎｉ粉末およびＣｒ₃ Ｃ₂ 粉末を混合し、成形し、焼結
する前記（１）または（２）記載の強度および靱性に優
れた鉄基焼結合金の製造方法，（４）Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉
末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末およびＣ粉末を混合し、成形し、焼
結する（１）または（２）記載の強度および靱性に優れ
た鉄基焼結合金の製造方法、に特徴を有するものであ
る。

【０００６】Ｆｅ粉末にＮｉ粉末およびＣｒ₃ Ｃ₂ 粉末
を混合し、成形し、焼結すると、マルテンサイト、オー
ステナイトおよびパーライトの混合組織からなる素地中
にフェライト相が島状に分散している組織を有する強度
および靱性に優れた鉄基焼結合金が得られるメカニズム
は、下記の理由によるものと考えられる。

【０００７】すなわち、Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末およびＣｒ
₃ Ｃ₂ 粉末を混合し、成形し、焼結すると、焼結中に大
部分のＮｉ、ＣｒおよびＣはＦｅ粉末に拡散してＦｅを
主成分とするＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃ合金相となり、この
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃ合金相はマルテンサイト、オース
テナイトおよびパーライトの混合組織となって合金の素
地を形成する。しかし、Ｆｅ粉末の平均粒径が大きい
と、Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末およびＣｒ₃ Ｃ₂ 粉末からなる
混合粉末を焼結しても、大きな平均粒径を有するＦｅ粉
末の中央部までＮｉ、ＣｒおよびＣが十分に拡散せず、
Ｆｅ粉末の中央部はＦｅ粉末本来の組織であるフェライ
ト相がそのまま残り、大きな粒径のＦｅ粉末の周囲はＦ
ｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃ合金相となってマルテンサイト、オ
ーステナイトおよびパーライトに変態し素地を形成す
る。

【０００８】このようにして得られたマルテンサイト、
オーステナイトおよびパーライトの混合組織からなる素
地中にフェライト相が島状に分散している組織を有する
鉄基焼結合金は、高強度のマルテンサイト、オーステナ
イトおよびパーライトの混合組織からなる素地を有する
鉄基焼結合金に破壊が発生しても柔らかいフェライト相
で破壊の進行が阻害され、靱性が向上するものと考えら
れる。

【０００９】したがって、この発明の強度および靱性に
優れた鉄基焼結合金の製造には、平均粒径の大きなＦｅ
粉末を用いることが必要であり、さらに還元が難しいＣ
ｒをＣｒ₃ Ｃ₂ 中のＣにより容易に還元し、Ｆｅ中へ拡
散しやすくするためにＣｒ₃Ｃ₂ 粉末を用いることが必
要である。この場合、Ｃ含有量を調整するためにＣｒ ₃
Ｃ₂ 粉末と共にＣ粉末を添加しても良い。

【００１０】前述のごとく、この発明の強度および靱性
に優れた鉄基焼結合金の製造には、平均粒径の大きなＦ
ｅ粉末を用いることが必要であり、そのＦｅ粉末の平均
粒径は３０〜９０μｍの範囲内にあることが好ましく、
このＦｅ粉末に対して添加するＮｉ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉
末およびＣ粉末の平均粒径はそれぞれＮｉ粉末：１〜８
μｍ、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末：０．５〜１５μｍおよびＣ粉
末：１〜２５μｍの範囲内にあることが好ましい。

【００１１】この発明の強度および靱性に優れた鉄基焼
結合金の製造方法を一層具体的に述べると、原料粉末と
して、Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末および黒鉛
粉末を用意し、これら原料粉末を金型成形時の潤滑剤で
あるステアリン酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラ
ミドとともにダブルコーンミキサーで混合し、プレス成
形して圧粉体を作製し、圧粉体を水素を含む窒素雰囲気
中、温度：１０００〜１２００℃で焼結する。焼結温度
は１１１０〜１１５０℃が一層好ましい。温度：１１０
０〜１１５０℃で焼結すると、平均粒径：３０〜９０μ
ｍを有するＦｅ粉末の内でも粒径の大きい６０μｍ以上
のＦｅ粉末の中央部までＮｉ、ＣｒおよびＣが十分に拡
散せず、靱性に富むＦｅ粉末本来のフェライト相を維持
できる。

【００１２】つぎに、この発明の強度および靱性に優れ
た鉄基焼結合金の成分組成を上記のごとく限定した理由
について説明する。 （ａ）Ｃｒ Ｃｒは、靱性を低下させることなく強度を向上させる効
果があるが、その含有量が０．２重量％未満ではその効
果が十分でなく、一方、５重量％を越えてもそれ以上の
効果が望めない。したがって、Ｃｒの含有量は０．２〜
５重量％に定めた。Ｃｒの含有量の一層好ましい範囲は
２〜４重量％である。

【００１３】（ｂ）Ｎｉ Ｎｉは、Ｆｅ合金相の強度および靱性を向上させる作用
があるが、その含有量が１重量％未満ではその効果が十
分でなく、一方６重量％を越えて含有してもそれ以上の
効果が少ない。したがって、Ｎｉの含有量は１〜６重量
％に定めた。Ｎｉの含有量の一層好ましい範囲は３〜５
重量％である。

【００１４】（ｃ）Ｃ Ｃは、強度を向上させまた硬さを向上させる作用がある
が、その含有量が０．１重量％未満では強度向上効果が
十分でなく、一方、１．０重量％を越えて含有する靱性
を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃの含有
量は０．１〜１．０重量％に定めた。Ｃの含有量の一層
好ましい範囲は０．３〜０．８重量％である。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施例１ 原料粉末として、平均粒径：５５μｍのＦｅ粉末、平均
粒径：５μｍのＮｉ粉末、平均粒径：１０μｍのＣｒ₃
Ｃ₂ 粉末および平均粒径：１７μｍのＣ粉末を用意し、
これら原料粉末を表１〜表２に示される配合組成となる
ように配合し、さらに金型成形時の潤滑剤であるステア
リン酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラミド粉末を
外掛けで０．８重量％に当たる量だけ添加し、ダブルコ
ーンミキサーで混合し、プレス成形して３０ｍｍ×１２
ｍｍ×６ｍｍの寸法を有する抗折試験片形状および５５
ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの寸法を有するシャルピー衝
撃試験片形状の圧粉体を作製した。なお、ステアリン酸
亜鉛粉末を潤滑剤として用いる場合は常温で、エチレン
ビスステアラミド粉末を潤滑剤として用いる場合は、混
合する粉末および金型の温度を１３５℃としてプレス成
形した。得られた圧粉体をＮ₂ −５％Ｈ₂ の混合雰囲気
中、温度：１１５０℃、２０分保持の条件で焼結したの
ち、０．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、表１〜表２
に示される成分組成の本発明焼結合金１〜７および比較
焼結合金１〜６からなる抗折試験片およびシャルピー衝
撃試験片を作製した。

【００１６】さらに比較のために、Ｃ：０．８重量％、
Ｍｎ：０．０４重量％、Ｃｒ：１．０３重量％、Ｍｏ：
０．９２重量％、Ｓ：０．００５重量％、Ｐ：０．００
４重量％、Ｏ：０．０８重量％を含有し、残りがＦｅお
よび不可避不純物からなる従来焼結合金を用意した。こ
の従来焼結合金からなる抗折試験片およびシャルピー衝
撃試験片を作製した。

【００１７】さらにこれら本発明焼結合金１〜７、比較
焼結合金１〜６および従来焼結合金の密度を測定してそ
の値を表３に示した後、ＩＳＯ３３２５に基づき、支点
間距離２５ｍｍで抗折試験を行うことにより抗折力を測
定し、またＪＩＳ Ｚ２２４２ＮＩ準じてノッチなしの
シャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃を測定
し、その結果を表３に示した。

【００１８】この発明の強度および靱性に優れた鉄基焼
結合金の組織を一層理解しやすくするために、表１に示
される本発明焼結合金３を切断し、研磨し、金属顕微鏡
による組織写真を取り、その組織写真を図１に示した。
図２は本発明焼結合金３の金属組織の写生図である。図
１および図２において黒く見える部分は空孔３であり、
１は素地、２はフェライト相である。図１の組織写真お
よび図２金属組織の写生図から明らかなように、本発明
焼結合金３の素地はマルテンサイト、オーステナイトお
よびパーライトの混合組織からなり、素地１の中にフェ
ライト相２が島状に分散していることが分かる。

【００１９】さらに、前記本発明焼結合金３の組織の素
地１およびフェライト相２の部分の成分含有量をＥＰＭ
Ａにより測定した結果、素地１はＮｉ、ＣｒおよびＣは
Ｆｅ粉末に拡散してＦｅを主成分とするＦｅ−Ｃｒ−Ｎ
ｉ−Ｃ合金相となり、このＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃ合金相
はマルテンサイト、オーステナイトおよびパーライトの
混合組織となっているが、この素地の中に島状に分散し
ているフェライト相２にはＮｉ、ＣｒおよびＣがほとん
ど含まれないことを確認した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】表１〜表３に示される結果から、本発明焼
結合金１〜７と従来焼結合金を比較すると、本発明焼結
合金１〜７は従来焼結合金と比べて、抗折力および衝撃
値が優れていることが分かる。しかし、この発明の範囲
から外れている成分組成を有する比較焼結合金１〜６
は、抗折力および衝撃値のうちの少なくともいずれかが
劣ることが分かる。

【００２４】

【発明の効果】上述のように、この発明の鉄基焼結合金
は、抗折力および衝撃値が高い値を示し、さらに強度お
よび靱性に優れ、自動車部品およびコンプレッサー部品
などの各種機械部品の材料として適しており、機械産業
の発展に大いに貢献し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の強度および靱性に優れた鉄基焼結合
金の金属顕微鏡による組織写真である。

【図２】この発明の強度および靱性に優れた鉄基焼結合
金の組織の写生図である。

【符号の説明】

１ 素地 ２ フェライト相 ３ 空孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒ：０．２〜５重量％、Ｎｉ：１〜６
   重量％、Ｃ：０．１〜１．０重量％を含有し、残りがＦ
   ｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ素地中
   にフェライト相が島状に分散している組織を有すること
   を特徴とする強度および靱性に優れた鉄基焼結合金。
2. 【請求項２】 前記素地は、マルテンサイト、オーステ
   ナイトおよびパーライトの混合組織からなることを特徴
   とする請求項１記載の強度および靱性に優れた鉄基焼結
   合金。
3. 【請求項３】 Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末およびＣｒ₃ Ｃ₂ 粉
   末を混合し、成形し、焼結することを特徴とする請求項
   １または２記載の強度および靱性に優れた鉄基焼結合金
   の製造方法。
4. 【請求項４】 Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末お
   よびＣ粉末を混合し、成形し、焼結することを特徴とす
   る請求項１または２記載の強度および靱性に優れた鉄基
   焼結合金の製造方法。