JPS5896852A - 強靭性に優れた粉末圧密肌焼鋼 - 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】 鍜造などの圧密加工を施して得た強靭性に優れる粉末圧
密肌焼鋼に関するものである。

近年、鉄系焼結機械部品の生産は、着実な伸びを見せて
いるが、反面、強靭性に劣ることから自ずと限界を生じ
、増勢も鈍化の傾向にある。そこで気孔を潰して密度を
上げ、強靭性を回復させる試み、すなわち粉末鍛造法（
焼結鍛造法ともいう）が／コ、Ｊ２量から検討され始め
た。粉末鍛造法では、粉末の予備成形体（プレフォーム
）を加熱後、密閉金型中で圧密成形して、真密度も（〜
くけそれに近い密度比の機械部品に仕上げるが、種々の
問題点を含んでいる。その一つに、圧密部品の靭性が低
いという問題がある。この原因は、密閉金型中での単な
る圧密加工であるために、金属の層性流動が生じ難いと
云うことにあり、加工技術上からの解決は困難視されて
いる。

本発明は従来の上記問題点を解決し九靭性の優れた粉末
圧密肌焼鋼の提供を目的とするものであって、本発明者
らは、粉末鍛造鋼の靭性の改善に関して鋭意研究を重ね
た結果、一定条件のもとでＰとＯの両元１ｇを共存させ
ることによって、粉末鍛造鋼の靭性を大幅に改善できる
ことを見出した。

本発明はこの知見に基づいてなされたものであって、前
記特許請求の範囲に記載の強靭性に優れた粉末圧密肌焼
鋼の提供によって、圧密状態のままで、合金組成上から
解決して、前記目的を達成するに至ったのである。

次に本発明の詳細な説明する。

本発明では、原料合金鋼粉末として、（１）Ｐを０、Ｏ
Ｊ　〜０．１０％の範囲内で合金し、さらに（２）Ｍｎ
２．３０％以下、Ｏｒ　０．２０〜．ｔ、０％かつＱｒ
とｙｎの合計をへコｏ−ｔ、ｏ％の範囲内で、上記Ｐに
加えて合金し、そして（３）Ｓｉ量は可能な限りの低値
ｏ、ｉｏ％以下に抑制した、このような合金鋼粉を供用
するものである。

またこの他に必要に応じてさらに、（４）Ｎｏ　ｉ、。

％以下、ｙ　ｔ、ｏ％以下、Ｎｂ　／、０　％以下、Ｈ
ｌｚ、。

％以下、ＯＨ２，０％以下の元素の中からｌ橿ま九は２
種以上を選んで、上記ｐ　、　ｏｒ　、　ａｎなどに加
えて合金し九合金鋼粉を使用する。なお以上の外に、（
５）上記原料鋼粉の酸素量は、圧密鋼の０童に近いもの
が型筒しいが、黒鉛粉を混合して成型した中間成形体で
は、焼結あるいは加熱中に一部脱酸され、また用いる雰
囲気の如何によっては逆に酸化されるので、厳密に圧密
鋼の含有酸素の範囲内に収めた合金鋼粉を用いる必要は
ない。

次に、上述のように準備した原料合金鋼粉を使用して、
圧密肌焼鋼を製造するには、（６）所定の含有０量にす
るために、必要に応じて黒鉛粉を混合１〜、中間成形体
の工程を紅て、熱間圧密加工することによって、９７．
０％以上の密度比と０．１０〜０．３０％のＯ量を含有
する、圧密肌焼鋼部材を得ることが出来る。

この際重要なことは、（７）最終圧密鋼材の０量をｏ、
ｉλ〜０．弘０％の範囲内になるように制御することで
ある。即ち本発明の圧密鋼で最も重要であり、１九特徴
である１項は、（８）Ｐを０．ＯＪ〜０．１０％の範囲
、０を０．／コルｏ　、ｐｏ％の範囲とした、一定範ｍ
内で共存させることである。このことによって、圧密加
工材においても、＾強度を保持しつつ靭性を高めること
が出来るのであって、従来から靭性に有害とされたＰと
Ｏの両元素を、逆に有効利用し死点に大きな意義と新規
性があるのである。

次に本発明を構成する前述の各事項について更に詳細に
説明する。

本発明鋼では上述のように圧密材の靭性を向上させるた
めにＰとＯを共存させるがＯは、０ｒ２０゜やＭｎＯ＠
０ｒ２０３のよう表安定で還元され維い、しかも微細に
分散して存在するタイプの酸化物として存在させること
によって、結晶粒界の固着化を図るものである。しかし
、これだけでは粒界の移動、粒成長を抑制するには不十
分であるので、さらにＰを合金化し、前記酸化物で固着
された粒界に偏析させて、結晶粒の成長、粒界移動の一
層の抑制化を図る。このようにして圧密材の結晶粒を微
細に維持することにより、靭性は格段に向上する。

なお０の大半は、鋼粉粒子内に予め酸化物として微細分
散状に含有されており、この成因は、水アトマイズの瞬
間にＣｒ　、　Ｍｎが酸化されて、凝固途中の粉末粒子
内に１き込まれることによると考えられる。このように
圧密材の細粒化に際して、Ｏｒ、Ｏ，やＭｎＯ・ｃ＋ｒ
２ｏ、のような難還元性の酸化物を利用するので、本発
明に用いる均質合金鋼粉中には、Ｐ、０に加えてＱｒ　
（’　Ｉｎを予め合金化しておかなければならない。こ
れらＱｒやＭｎは、一部分が酸化物を形成している以外
は、地鉄中に固溶して焼入性の向上に寄与し、その結果
、圧密材の強隨増大にも作用するので好都合である。こ
のように本発明では、圧密鋼材の強度と靭性との両面の
向上を目的に、　Ｑｒやｌｎを原料鋼粉中に合金化する
。しかしこのＱｒ　、　ｉ（Ｈの作用、効果もＳｉ量が
多いと低減し、ついには逆にマイナスとなることさえあ
る。これは、Ｓｉ量の増加によるｌｎ　、　ａｒを含ん
九長大な介在物の形成によるもので、このｌｌＩ！１乗
、圧密鋼材の細粒維持効果がなくなると同時に、靭性も
低下し、また焼入性の低下による強度低下も来すように
なる。本発明鋼における今一つの重要点は、炭素合金量
の間組である。粉末圧密鋼では、０００合金量、主とし
て原料鋼粉に黒鉛粉を混合する方法で行なわれるが、圧
密材のｏｌ如何で強度、靭性が変化する。とくに靭性は
、Ｃ量が増すほど低下するので、靭性面のみから見れは
０量をより低めなければならないが、強度を確保する上
からは０を合金化せねばならない、そのため本発明鋼で
は、肌焼鋼程度のＯｆとし、強度、靭性両者の数置を行
なった。このように本発明鋼のｃｉｔを低くするもう一
つの理由は、本発明鋼ではＰを積極的に合金化、利用す
るため、低Ｐ材に較べて高炭素域での靭性低下が著しく
なり、０量を本発明の範囲内に収めても、最早、靭性の
向上が得られないばかりか、逆に却って靭性の一層の低
下を来してしまうことによる。つまり、圧密鋼の０量を
低く保つことにより、Ｐ量、０量の少ない本発明外の圧
密鋼に較べて、本発明になる圧密鋼の靭性が格段に向上
するのであり、この意味においてｏｌの選択は極めて重
要である。

このようにして得られる本発明圧密鋼では、以上のよう
な成分面の検討に加えて高密度化が重要であり、筐た圧
密加工に加えて鍛錬加工を施すことにより、一層の靭性
向上が期待できる。しかし、本発明鋼では、率なる圧密
加工のみでも、前述したようにＰ量、ｏｌの少ない圧密
鋼に較べて十分＾い靭性が得られるところに特徴がある
。

上記これらの事項に加えて、本発明では、必要に応じて
さらにＮｏ　、　Ｖ　、　Ｎｂは各々ｉ、ｏ％以下、ｍ
ｉｚ、ｏ％以下、０１１Ｊ、０％以下の元素の中から遇
んた１棟ま走はコ種以上を合金化した銅粉を使用するこ
とによ抄、前記Ｐ、００作用に加えて圧密鋼の一層の細
粒化と焼入性の向上を図り、その結果から更に靭性と強
度との一層の向上を図ることが出来る特徴を有するもの
である。

次に、本発明を構成する事項、成分の限定理由について
説明する。

前述した各構成要素の説明から、成分の限定理由の概略
は把握されるが、以下側々について更に詳細に説明する
。

Ｐ　０．０３０〜ｏ、ｉｏ％について：前述したように
、Ｐは０と共存させることによね、圧密鋼の結晶粒細粒
維持に作用する。すなわち、安定な微細分散酸化物で固
着された結晶粒界にＰが偏析して、粒界の移動、粒成長
を妨げ、細粒に維持する結果靭性が向上する。このＰと
０の共存による靭性向上現象は、本発明者らによゆ見出
された全く新規な知見であって、このよりなＰの効果は
、Ｐ量が０．０ＪＯ％未満ではほとんど見られず、１九
ｏ、ｉｏ％を超えて多いと、粒界に偏析するＰ量が増し
て粒界が脆化するため、却って靭性低下を招く結果とな
る。このように本発明圧密鋼では、２合金量に最適範囲
が存在するものであって、上記の理由でその範囲を０．
０ＪＯ〜０．１０％と限定した。

００、ｌコルＱ、参〇％について： ０は前述したように、その大半が０ｒ２０３やＭｎＯ・
ｏｒ２ｏ、の如き安定酸化物を形成し、かつ微細分散し
て存在することが必須の条件であり、しかもＰとの共存
が不可欠である。このＯの機能は前述した通り結晶粒界
の固着にあるが、０蓋が０．１量％未満では、酸化物粒
子数が減って微細分散した酸化物間の平均距離が大とな
り、それに伴なって結晶粒も大きくなるので十分な靭性
が確保できず、逆に０．＋０％を超えると、サイズの大
きな介在物も現われ、同時に介在物量も増すので、再び
靭性の低下を招いてしまう。このように０量にも″を丸
Ｐと同様、最適範囲が存在するものであって、その範囲
を０．１２〜０．参〇％と限定し九。

Ｍｎ２．３０％以下、ｏｒＯ，２０〜３．０％でかつＫ
ｎ　十Ｏｒが１．コＯ〜４．０％であることについて： ＱｒｔたはＱｒとＭｎＦｉ、その一部がＯと結合して、
Ｃｒ２Ｏ，やＭｎＯ＊０ｒ２０．などの酸化物を形成し
、かつ微細分散して結晶粒界の固着に作用する。ま九、
残余部分、すなわち地鉄中に固溶しているＱｒやＭｎは
、圧密鋼の焼入性向上、つまり強度向上に寄与する。こ
のように靭性と強度向上の観点から、０ｒｉｔ最低限Ｏ
１−０％が、またＱｒとＭｎの合計量Ｆｉ強度向上の観
点から最低限ｌ、２０％が必要である。一方Ｍｎは、Ｏ
ｒ合金量が多い場合にはとくに合金しなくても支障はな
く、十分な強度と靭性が確保できる。このような強靭性
の向上に作用するＱｒやＭｎも、その合金量が過剰にな
ると強度が＾くなり過ぎる余り靭性が低下し、適切なる
Ｐ。

０、Ｃ量にも拘らず、最早十分な靭性を確保し得なくな
る。この意味でＯｒ　、　Ｍｎ　、　Ｍｎ　＋　Ｏｒの
上限量を、それぞれｊ、０％、　２．３０％、　ｔ、ｏ
％とした。

ｓｉｏ、ｉｏ％以下について： Ｓ＝は圧密材中で長大な介在物を形成し易く、強度、靭
性ともに低下するので、可能な限り低値に抑制せねばな
らない。しかし、極度に低くすることＦｉ経済性の面か
ら不都合である上、特性上も余り意味がなく、通常０．
１０％以下に抑制すれば十分である。

ｏ　ｏ、ｉｏ〜０．３０％について： ０は、本発明鋼の強靭性確保の見地から、肌焼鋼程度の
含有量にせねばならない。既述の通り、ＰとＯによる結
晶粒の微細化を通じて高靭性化を計る場合、高Ｏ材では
ＰとＯの反撥相互作用の結果、Ｐ、０の偏析状態が着し
くなり、却って靭性の低下を来してしまう。従って、十
分なる靭性確保の見地からＣの上限量は０．３０％でな
ければならない。一方、低Ｃ材では、十分な焼入性や強
度を確保できないので、下限値を０．１０％とした。

密度比９７．０％以上について： 圧密材の靭性は、高密度材１１ど良好となるが、とくに
２７．０％以上の領斌では、密度比の増加につれて急激
な靭性の向上が見られる。従ってＰと０とＣの３者の相
乗効果による、靭性の向上効果を充分に発揮させるため
には、密度比をＷ７．０％以上とすることが必要である
。なお、このような為密ＫＫ圧密することによって、強
度も向上することは云うまでもないことである。

Ｎｏ／、０％以下、Ｖ／、（７％以下、Ｎｂ　／、０　
％以下、ｍｉｚ、ｏ％以下、Ｏｕ　Ｊ、０％以下につい
て：以上のＰ　、　Ｏ、Ｏｒ　、　Ｋｎ　、　Ｓｉ　、
　０および密度比の限定に加えて、さらに圧密材の一層
の強靭性を確保する丸めに、必要に応じてＮｏ／、０％
以下。

Ｖ　／、０％以下、　Ｗｂ　ｉ、ｏｃｙｏ以下、　Ｎｉ
　ｚ、ｏ％以下。

Ｏｕ　Ｊ、０％以下の範囲で、これらの１種またはλ種
以上を合金することによって、その目的が達成される。

そして、これら元素の上限量は、強度、靭性の一層の向
上と経済性の観点から定めたものである。なお強度向上
は焼入性の向上を通じて、また靭性の向上は、結晶粒度
の一層の細粒化を通じてなされるものである。

次に実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１ 重量、０量の異なる０、！　Ｋｎ　−ｉ、！　Ｏｒ鋼粉
（重量パーセント以下同様）を用いて、圧密鋼が所定の
０含有量となるのに必要な目標量の黒鉛粉を混合した後
、金型潤滑方式により／４（Ｗｘコ。”　Ｘ　／／り１
（ＩＩ）、密度ｔ、ｚ　ｇ７ｃｘｔ’の圧粉体を成形し
、次いでこの圧粉体をムｒ　＋３％Ｈ２中でｔｔｏｏ”
ｏに加熱り、テｙｔ／ｃｘｒ２ｏ圧力に１　り、／ｊ’
　Ｘ　１．２ＯＬ（ｔｍ　）の真密度素材に圧密加工し
九。この型鍛造材の化学組成は、第１表に示す通りであ
り、記号五〜１のうち記号０が本発明に属する圧密鋼で
あり、その他は比較のために示した。

第２表　粉末鍛造鋼（型鍛造材）の機械的性質これらの
各素材をＮ２中で加熱、焼準したのち、次の各熱処理を
施した。すなわち、Ｎ２中において、Ｏ０７％０未滴の
木材（記号Ｂ）は２３０℃に、Ｑ、Ｊ％０前後の素材（
記号ム、Ｏ，に、Ｆ）は１２０℃に、また約０．４Ａ％
０の素材（記号Ｄ）は１１０℃に各３０分間保持し喪後
油焼入れし、次いで１７０℃で１時間焼戻しし良。その
あと引ｇｋ賦試験片（平行部直径ｒｓ×標点間距離３０
ＬＣＩＪｌ〕。

ＪＩＢ　参考準拠試験片）と衝撃試験片（１ｏｏｘｚｚ
Ｌ〔關〕、コＩＵノツチ付き）に加工し、機械的性質を
検討した。この結果は、第２表に示す通りであり、機械
構造部品用の肌焼鋼として最低限必要な引張強さｒｚｋ
ｇ／ｗｘ２．衝撃値ｊｋｇ−ｍ７ｃｍ”の各目標値に対
して、本発明に属する記号０のみが、ともにこの値を満
足していた。また、Ｃ量が約０，２％の記号ム、Ｏ，瓦
、Ｆの参考を比較することによって、優れた衝撃靭性を
付与するのにｐｌの最適範囲（ｏ、ｏ３ｏ　−ｏ、ｉｏ
％）、０量の最適範囲（ｏ、ｉコルＯ，ＵＯ％）の存在
することが明瞭である。

実施例２ ｏｌのみが異なり、Ｐ量がほぼ同一（約０．０６％）の
へ参Ｉｎ　−０，３Ｏｒ　−０，ｊ　Ｎｉ　−０，ｊ　
ＭＯ鋼粉を用いて、実施例１と同一の条件で型鍛造し、
／ｊ”　Ｘ　／λＯＬ（ａｍ　）の真書［素材を得た。

この屋鍛造材の化学組成は第３表に示す通９であり、記
号Ｇが本発明に属するものである。

これらの素材を焼準後、Ｎ２中で１１０　’ＯＸ　３０
分加熱して油焼入れし、次いで／７０″Ｃで１時間暁戻
しした。引張試験片、衝撃試験片の加工は実施例１と同
様に行ない、機械的性質を検討した。結果は第４衆の通
りであり、本発明に属する記号Ｇ力五藺述の各目標値を
ともに満足したのに対して、比較９４４Ｈは、ともに下
廻っていた。前掲の第１表。

第２表に加えて本例からもＰ、０量に最適範囲の存在す
ることが察知される。

第４表　粉末鍛造鋼（型鍛造材）の機械的性質実施例３ ｐ、ｏ量の異なるＪ、ｊ　Ｏｒ　−０，１Ｎｏ　−０，
３Ｖ鋼粉を用いて、実施例１と同一の条件で型鍛造し、
／！ｏＸ　／コＯＬ（Ｅｌ　）の真密度材を得た。この
型鍛造材の化学組成は第５表の通りであり、このうち１
号Ｊが本発明に属するものである。

これらの素材を実施例２と同一条件“で熱処理し、同一
寸法の試験片に加工して特性試験を行ない、第６表の結
果を得た。

第６表　粉末鍛造鋼（型鍛造材）の機械的性質この結果
もまた、実施例１．２と同様に、本発明に属するＪだけ
が目標値を１蝙り、これからもまたＰ、０量に最適範囲
のあることが長付けられた。

実施例４ Ｐ、０量の異なる０、ｒｊ　Ｉｎ　−／　Ｏｒ　１＋　
０．Ｊｊ　ＭＯ銅粉参棺鋼を用いて、金型潤滑方式によ
ねそれぞれｊ（７’ＸＪＯＨ（ａｍ）、密度す、ｚ　ｉ
／ａｍ’　ｏ圧粉体ｔタケずつ成形し、これを内径６ｏ
ｄ、肉厚ｉ１ｍの軟鋼製容器（底付き）に各々タケずつ
装入した。

次に、この上に軟鋼製落し蓋を載置し、さらにその上に
黒鉛粉を装入して１ｏｙｄ’の孔付き軟鋼製蓋をｆ＃４
し九。このようにして準備した前記参種類の素材を、大
気中で７２００℃にＵＯ分間加熱し、ドロップハンマー
を用いて大気中で自由鍛造してＩＯ’　Ｘ　／１．ＯＬ
（關）の真密度素材を得九。各鍛造素側の化学組Ｆｓ、
は第７表に示す通りであり、このうち記号ｋが本発明に
属するものである。

次に、これらの素材を焼準後、ピッチ円径事コ、ＪＪｍ
ｍｌ、歯数２０　、モジュールコ、１／７　、歯幅ｉｏ
鵡の平−車を削り出し、次いで２３０℃でカーボン・ポ
テンシャル１％、有効浸炭深さ０，７　ｊＬｉｌの浸脚
焼入れ（油温４０　’Ｏ）を施して、最後に１７０℃で
１時間の焼戻し処理を行なった。この歯軍による一元の
静的曲げ強さ、衝撃曲げ強さの試験結果は第８表に下す
通りであり、それぞれの目標値／Ｊ□　＃　／　ＵＩ２
およびりｏｒｔ４１／ｄを超えたのは、本発明に属する
記号Ｍのもののみであった。

第８衆　浸炭焼入−単の歯元強さ〔素材：粉末鍛造鋼（
自由鍛造材）〕このように浸炭焼入れ処理を施した部品
においても、本発明鋼は十分な強靭性を有していた。な
お、Ｐ量が本発明の範囲よりとくに低いもの（記号Ｋ）
および逆に本発明の範囲を外れて高いもの（記号Ｎ）は
、ともに衝撃曲げ強さが低かった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、均質合金鋼粉に圧密鋼の炭素含有量が重量百分率で
   ｏ、ｉｏ〜０．Ｊθパーセントとなるために必要な燕鉛
   粉を混合した混合粉末を、密度比ｙｙ、ｏ　バーセント
   以上に圧密加工して得た０σ、７０〜０．３０バーセ／
   ト、　Ｓｉ　Ｏ，１０パーセント以下、Ｍｎ２．３０パ
   ーセント以下、　Ｑｒｏ、２０〜！、Ｑパーセントでか
   つＭｎとＯｒとの合針菫が７．−θ〜４．ｏパーセント
   、　ｐ　Ｏ，ＯＪＯ〜０．１０パーセント、　００．／
   コル０．参Ｑノく一セント、および残部が不可避的に含
   まれる不純物とＦｅとよりなる強靭性に優れた粉末圧密
   肌焼鋼。 ２、均質合金鋼粉に圧密鋼の炭素含有量が重量百分率で
   ｏ、ｉｏ〜０．ＪＯパーセントとなるために必要な黒鉛
   粉を混合した混合粉末を、密度比り７．ｏバーセント以
   上に圧密加工して得たＧ　Ｏ，１０〜ｏ、ｇｏパーセン
   ト、　Ｓｉ　Ｏ，１０ノ（−セント以下、　Ｍｎ２．３
   ０パーセント以下、Ｏｒｏ、２０〜１．０パーセントで
   かつＭｎとＱｒとの合計量がへコＯ〜ｔ、ｏパーセント
   と、さらにＩＱ　／、０パーセント以下、Ｖ／、０パー
   セント以下、　Ｎｂ　／、０パーセント以下、　Ｎｉ　
   ！、０パーセント以下、ＯＨ２，０パーセント以下の範
   囲でこれらから選ばれるｌ橿ま九は２種以上と、ｐ　Ｏ
   ，ＯＪＯ〜０．７０パーセン）　、　ＯＯ，１λ〜Ｏ１
   参〇パーセント、および残部が不可避的に含まれる不純
   物とＦｅとよりなる強靭性に優れた粉末圧密肌焼鋼。