JP2002146403A

JP2002146403A - 粉末冶金用合金鋼粉

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Publication number: JP2002146403A
Application number: JP2001246254A
Authority: JP
Inventors: Naomichi Nakamura; 尚道中村; Satoshi Uenosono; 聡上ノ薗; Shigeru Unami; 繁宇波; Masashi Fujinaga; 政志藤長
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2002-05-22
Anticipated expiration: 2021-08-14
Also published as: EP1184107B1; CN100515612C; EP1184107A1; CN1342780A; DE60140286D1; CA2355559A1; US6758882B2; US20020043131A1; JP3651420B2; CA2355559C; US6610120B2; US20030056621A1

Abstract

(57)【要約】【課題】圧縮成形性に優れた粉末冶金用合金鋼粉を提供
する。【解決手段】Mnを1.0 質量％以下予合金化して含む鉄基
粉末、あるいはMnを1.0質量％以下、Moを0.2 質量％未
満予合金化して含有する鉄基粉末に、Mo源粉末をMo換算
で0.2 〜10.0質量％含有するように配合したのち、還元
性雰囲気中で熱処理を施し、鉄基粉末の表面に部分的に
拡散付着された粉末の形でMoを含有する合金鋼粉とす
る。この合金鋼粉を使用することにより、圧縮性に優れ
た成形用素材を製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度の各種焼結
部品に用いて好適な粉末冶金用原料粉に係り、とくに低
荷重で再圧縮成形が可能な合金鋼粉に関する。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金技術は、複雑な形状の部品をニ
アネット形状でしかも寸法精度高く製造することがで
き、切削コストを大幅に低減できることから、粉末冶金
製品が各種用途に利用されている。さらに、最近では、
部品の小型化、軽量化のために、粉末冶金製品の高強度
化が要望されている。とくに、鉄基粉末製品（鉄基焼結
部品）に対する高強度化の要求が強い。

【０００３】鉄基焼結部品（鉄基焼結体あるいは単に焼
結体ともいう）を得る基本の製造工程は、鉄基粉末
に、黒鉛粉、銅粉等の合金用粉末と、ステアリン酸亜
鉛、ステアリン酸リチウム等の潤滑剤とを混合し鉄基混
合粉とする、鉄基混合粉を金型に充填し加圧成形して
成形体とする、成形体を焼結し焼結体とする、という
〜の工程を順次行うものである。得られた焼結体
は、必要に応じサイジングや切削加工が施され製品とさ
れる。また、焼結体に、高強度が必要なときには、浸炭
焼入れ焼戻しや光輝焼入れ焼戻し等の熱処理を施される
場合もある。このようにして得られた成形体の密度は、
たかだか6.6 〜7.1Mg/m³程度である。

【０００４】鉄基焼結部品の更なる高強度化には、成形
体の高密度化による焼結部品（焼結体）の高密度化が有
効である。高密度の焼結部品（焼結体）ほど、部品中の
空孔が減少し、引張強さ、衝撃値、疲労強度などの機械
的性質が向上する。成形体の密度を高密度化する成形方
法として、例えば、特開平2-156002号公報、特公平7-10
3404号公報、米国特許第5,256,185 号公報、米国特許第
5,368,630号公報には、金属粉末を加熱しつつ成形する
温間成形技術が開示されている。例えば、Fe-4Ni-0.5Mo
-1.5Cu系の部分合金化鉄粉に0.5 質量％の黒鉛粉と0.6
質量％の潤滑剤を配合した鉄基混合粉に、これら温間成
形技術を適用して、150 ℃の温度で686MPaの圧力で成形
した場合には、7.30Mg/m³程度の密度を有する成形体が
得られる。しかしながら、この成形体の密度は、真密度
の93％程度であり、更なる高密度化が要望されている。

【０００５】成形体の密度を更に高密度化する方法とし
て、成形体を直接熱間鍛造する焼結鍛造法がある。焼結
鍛造法は、真密度の製品が得られる利点はあるが、他の
粉末冶金プロセスに比べコストが高く、部品の寸法精度
が悪いという問題がある。これに対し、例えば、特開平
1-123005号公報、米国特許第4,393,563 号公報、特開平
11-117002 号公報などには、粉末冶金技術と、冷間鍛造
法などの再圧縮成形技術とを組合せ、ほぼ真密度に近い
製品を製造できる技術（以下、焼結再圧縮成形工法とも
いう）が提案されている。このような焼結再圧縮成形工
法を利用した鉄基焼結部品の製造工程の一例を図３に示
す。

【０００６】鉄基原料粉に、黒鉛粉や潤滑剤等の副原料
粉を混合し、鉄基混合粉とする。ついで、この鉄基混合
粉に予備圧縮成形を施し、予備成形体とする。さらに、
この予備成形体を仮焼結して成形用素材とする。ついで
この成形用素材に、冷間鍛造等による再圧縮成形を施し
成形体とする。そして、得られた成形体に再焼結、およ
び熱処理を施して鉄基焼結部品を得る。

【０００７】この焼結再圧縮成形工法を利用した技術
は、成形用素材に再圧縮成形を施し、得られる成形体の
密度を真密度に近い値まで高め、それにより、製品（鉄
基焼結部品）の機械的強度を高めようとするものであ
る。この技術によれば、再圧縮成形時の熱変形が小さい
ため、寸法精度の高い部品が得られる。しかし、この技
術を適用し、高強度の焼結製品を製造するためには、成
形用素材の変形能が高く、低荷重で再圧縮成形が可能で
あることと、再焼結−熱処理後の鉄基焼結部品に高い強
度を付与できることとを両立させることが必須となる。

【０００８】一方、鉄基焼結部品の強度を高める方策と
しては、焼入れ性を向上させる元素を添加する方法が一
般的である。例えば、特公平7-51721 号公報には、鉄粉
にMoを0.2 〜1.5 質量％、Mnを0.05〜0.25質量％の範囲
で予合金化させることにより、圧粉成形時の圧縮性をそ
れほど損なわずに、焼結後に高い強度が得られることが
記載されている。

【０００９】また、特公昭63-66362号公報には、Moが粉
末の圧縮性に悪影響を与えない組成範囲内で予合金化さ
れてなるアトマイズ合金鋼粉の表面に、CuおよびNiのう
ちの１種以上が粉末の形で部分的に拡散付着された粉末
冶金用合金鋼粉が開示されている。この合金鋼粉では、
Moを予合金化して含有しCu、Niを部分合金化して含むこ
とにより、圧粉成形時の圧縮性と焼結後の部品の強度を
両立できるとしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公昭
63−66362 号公報に記載された合金鋼粉（鉄基粉末）
は、成形時の圧縮性を確保するために、合金元素のうち
Niおよび／またはCuが部分合金化されている。しかし、
NiとCuは鉄粉（鉄基粉末）素地への拡散性が高いため、
この合金鋼粉を焼結再圧縮成形工法に適用すると、仮焼
結工程においてNiとCuが鉄粉素地に拡散してしまう。そ
のため、仮焼結工程を経て得られる成形用素材の硬度は
高く、再圧縮成形時に高い圧力を必要とした。

【００１１】また、特公平7-51721 号公報に記載された
合金鋼粉（鉄基粉末）は、合金成分が予合金化されてい
るため、これに焼結再圧縮成形工法を適用すると、予備
成形−仮焼結により得られた成形用素材は硬度が高く再
圧縮成形を行うには高い圧力が必要となり、その結果、
設備コストが増加したり、金型寿命が短くなるという問
題があった。

【００１２】本発明は、上記した従来技術の問題点を克
服し、予備圧縮成形−仮焼結により製造される成形用素
材の硬さを低減し、再圧縮成形時の成形荷重を低くで
き、しかも再焼結・熱処理を経て製造される鉄基焼結部
品の強度を高くできる、圧縮成形性に優れた粉末冶金用
合金鋼粉を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、焼結再圧
縮成形工法に好適な鉄基原料粉（鉄基粉末）の組成につ
いて、鋭意考究した。その結果、所定量以下のMnを予合
金化して、あるいは所定量以下のMnおよびMoを予合金化
して鉄基粉末に含有し、かつ該鉄基粉末表面に所定範囲
内のMoを部分拡散付着して鉄基粉末に含有させることに
より、成形用素材の変形抵抗が低減し、焼結再圧縮成形
工法を適用した場合に、再圧縮成形時の成形荷重が顕著
に低減でき、しかも再焼結・熱処理後の鉄基焼結部品を
高強度化することができることを新規に見いだした。

【００１４】本発明は、上記した知見に基づいて完成さ
れたものである。すなわち、本発明は、Mn：1.0 質量％
以下を予合金化して含み、残部が実質的に鉄からなる鉄
基粉末の表面に、部分的に拡散付着された粉末の形でM
o：0.2 〜10.0質量％を含有することを特徴とする圧縮
成形性に優れた粉末冶金用合金鋼粉である。

【００１５】また, 本発明は、Mn：1.0 質量％以下およ
びMo：0.2 質量％未満を予合金化して含み、残部が実質
的に鉄からなる鉄基粉末の表面に、部分的に拡散付着さ
れた粉末の形でMo：0.2 〜10.0質量％を含有することを
特徴とする粉末冶金用合金鋼粉である。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、本発明の合金鋼粉の限定理
由について説明する。本発明の合金鋼粉における鉄基原
料粉としての、鉄基粉末は、1.0 質量％以下のMn、ある
いはさらに0.2 質量％未満のMo、を予合金化して含有
し、残部は実質的に鉄である。なお、予合金とは、鉄基
粉末中に合金成分として含有するものである。

【００１７】Mnは、焼入れ性を向上させる元素であり、
熱処理後の鉄基焼結部品（製品）の強度を向上させるた
めに予合金化して含有させる。Mnを1.0 質量％を超えて
含有しても焼入れ性向上効果は顕著に増加しなくなり、
含有量に見合う効果が期待できず経済的に不利となる。
また、上記した効果はMnを0.04質量％以上含有して顕著
となるため、Mnは0.04質量％以上含有するのが望まし
い。このようなことから、Mnは1.0 質量％以下に限定し
た。なお、好ましくは0.04〜1.0 質量％である。

【００１８】本発明では、鉄基粉末は、上記したMnに加
えてさらにMoを0.2 質量％未満の範囲内で予合金化して
含有することもできる。予合金化したMoの含有量が0.2
質量％未満であれば、予備成形, 焼結を経た成形用素材
の再圧縮成形性の低下は少なく、かえって、鉄基焼結体
の組織の均一性が向上するという効果もある。このよう
な効果を得るためには、0.04質量％以上予合金化して含
有することが望ましい。

【００１９】鉄基粉末においては、上記した成分（Mn、
あるいはさらにMo）以外の残部は実質的に鉄である。本
発明でいう実質的に鉄であるとは、Feおよび不可避的不
純物からなることを意味する。不可避的不純物は、Ｃ：
0.05質量％以下、Ｏ：0.3 質量％以下、Ｎ：0.0050質量
％以下であることが好ましい。不可避的不純物の含有量
が上記した値より大きい場合には鉄基混合粉の圧縮性が
低下し、十分な密度を有する予備成形体に圧縮成形する
ことが困難となる。また、さらに不可避的不純物として
Si：0.1 質量％以下、Ｐ：0.1 質量％以下、Ｓ：0.1 質
量％以下とすることが好ましい。

【００２０】本発明では、鉄基粉末の平均粒径は特に限
定されないが、工業的なコストで製造できる範囲である
30〜 120μm とするのが好適である。なお、本発明でい
う平均粒径は重量積算粒度分布の中点（ｄ₅₀）の値であ
る。本発明の合金鋼粉は、Moを、上記した鉄基粉末の表
面に部分的に拡散付着した粉末の形で含有する。なお、
部分的に拡散付着した粉末の形で含有するMo含有量は合
金鋼粉全量に対し0.2 〜10.0質量％とする。

【００２１】Moは、焼結体の焼入れ性を向上させる元素
であり、高強度化の目的で含有するが、予合金化して鉄
基粉末に含有すると成形用素材の硬さが高くなり、再圧
縮成形性を低下させるため、部分的に拡散付着させ部分
合金化して含有する。部分的に拡散付着した粉末の形で
含有するMo含有量が0.2 質量％未満では上記した焼入れ
性向上効果が少なく、一方、10.0質量％を超えて含有し
ても、焼入れ性向上効果が顕著に増加しなくなり、含有
量に見合う効果が期待できず経済的に不利となる。この
ようなことから、部分的に拡散付着した粉末の形で含有
するMoは0.2 〜10.0質量％に限定した。

【００２２】本発明の合金鋼粉におけるMoの部分的に拡
散付着し部分合金化した状態を模式的に図１に示す。な
お、図１ではMoの部分拡散付着は１個所のみ図示してい
るが、１個所に限定されないことはいうまでもない。合
金鋼粉粒子４では、鉄基粉末粒子１の表面にMo粉末粒子
２が部分的に拡散付着し、部分合金化している。鉄基粉
末粒子１とMo粉末粒子２との接触点において、Moの一部
が鉄基粉末粒子に拡散してMo拡散部３を形成し（部分合
金化し）、残部のMo粉末粒子２が粉末の形で鉄基粉末粒
子１の表面に付着している。

【００２３】このような合金鋼粉を、図３に例示した焼
結再圧縮成形工法の鉄基原料粉として適用すると、以下
のような利点がある。まず、部分的に拡散付着した粒子
の形で含有するMoは、仮焼結を施された後も鉄基粉末素
地に完全には拡散していないため、同じ組成の予合金鋼
粉を鉄基原料粉として用いた場合に比較して、低い荷重
で再圧縮成形が可能となり、真密度に近い状態の成形体
とすることができる。また、この真密度に近い状態の成
形体に再焼結を施すことによって、Moの拡散が促進され
る。したがって、この焼結体、あるいはこの焼結体にガ
ス浸炭処理、真空浸炭処理、光輝焼入、高周波焼入等の
熱処理を施した部品は、同じ組成の予合金鋼粉を鉄基原
料粉として使用した場合と遜色のない強度を有する。さ
らに、焼結再圧縮成形工法では成形用素材の密度は高い
ほど好ましいが、本発明の合金鋼粉は粒子の硬度が同じ
組成の予合金鋼粉よりも低く、同じ成形圧力で成形して
もより高い密度の成形用素材とすることもできる。

【００２４】本発明の合金鋼粉では、上記した成分（M
n、Mo）以外の残部は実質的に鉄、すなわち、Feと不可
避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｃ：0.05
質量％以下、Ｏ：0.3 質量％以下、Ｎ：0.005 質量％以
下、とするのが好ましい。不純物量がこの範囲を超える
と合金鋼粉の圧縮性が低下し、十分な密度を有する予備
成形体に圧縮成形することが困難となる。また、他の不
可避的不純物としてSi：0.2 質量％以下、Ｐ：0.1 質量
％以下、Ｓ：0.1 質量％以下とするのが好ましい。

【００２５】また、本発明の合金鋼粉の粒度や平均粒径
は特に限定されないが、工業的なコストで製造できる範
囲である、30〜120 μm とするのが好適である。なお、
ここでいう平均粒径は、重量積算粒度分布の中点
（ｄ₅₀）として測定した値である。つぎに、本発明の合
金鋼粉の製造方法について、説明する。図２に、本発明
の合金鋼粉の製造工程の一例を示す。

【００２６】まず、所定量のMnを予合金化して含有する
鉄基粉末、または所定量のMnとMoを予合金化して含有す
る鉄基粉末と、Mo源粉末とを準備する。鉄基粉末は、ア
トマイズ鉄粉を用いても、また還元鉄粉を用いても良
い。なお、アトマイズ鉄粉は、通常、アトマイズ後に水
素ガス等の還元性雰囲気中で加熱して炭素と酸素を低減
させる処理を施すのが一般的であるが、本発明では、こ
のような熱処理を施さないアトマイズままの鉄粉を用い
ることも可能である。

【００２７】Mo源粉末としては、金属Mo粉、MoO₃に代表
されるMo酸化物粉やフェロモリブデン粉が好適である。
鉄基粉末とMo源粉末とを、合金鋼粉におけるMo含有量が
上記した値（0.2 〜10.0質量％）となるように所定の比
率で混合する。混合には、例えばヘンシェルミキサーや
コーン型ミキサーなどの通常公知の方法がいずれも用い
ることができる。なお、鉄基粉末とMo源粉末との付着性
を改善するために、スピンドル油等を、鉄基粉末とMo源
粉末の合計量100 重量部に対し0.1 重量部以下添加する
ことも可能である。

【００２８】ついで、鉄基粉末とMo源粉末とを混合した
混合物に、水素ガス雰囲気等の還元性雰囲気中にて、80
0 ℃〜1000℃の範囲の温度で熱処理を施す。この熱処理
により、鉄基粉末表面にMoが部分拡散し、鉄基粉末表面
にMo源粉末が粉末の形で部分的に拡散付着し、部分合金
化した合金鋼粉となる。Mo源粉末として、酸化物粉を用
いた場合には、上記した熱処理工程において酸化物が金
属の形態に還元され、金属Mo粉をMo源粉末として用いた
場合と同様の部分的に拡散付着し、部分合金化した状態
が得られる。

【００２９】なお、このような熱処理を行うと、通常は
粉末全体が軽く焼結して固まった状態となるので、所望
の粒径に破砕・分級し、必要に応じてさらに焼鈍を施し
て、最終的な合金鋼粉製品とする。なお、本発明の合金
鋼粉の用途は、焼結再圧縮成形工法の鉄基原料粉に限ら
れるものではなく、粉末冶金分野全般において、高い圧
縮成形性と焼結後の高い強度の両立を要求される用途に
適用可能である。

【００３０】

【実施例】表１に示すMnおよび／またはMoを予合金した
鉄基粉末を準備した。なお、鉄基粉末No.A2 は水アトマ
イズままの鉄基粉末であり、それ以外の粉末は水素ガス
雰囲気中で還元処理を施してある。これらの粉末と、表
２に示す種類のMo源粉末を、表２に示す合金鋼粉中の所
定の比率となるように混合し、さらに付着促進剤として
スピンドル油を鉄基粉末とMo源粉末の合計量100 重量部
に対して、0.01重量部添加し、Ｖ型混合器で15分間混合
して混合粉とした。なお、従来例（合金鋼粉No.24 〜N
o.26 ）では、Moを予合金した鉄基粉末（鉄基粉末No.
E）に、表２に示す合金鋼粉中の所定の比率となるよう
に金属Ni粉および／または金属Cu粉を混合した。

【００３１】これら混合粉に、水素ガス雰囲気中で900
℃×１時間の熱処理を施して、Mo源粉末粒等を鉄基粉末
表面に部分的に拡散付着させ、部分合金化した合金鋼粉
とした。得られた合金鋼粉は、いずれも、Ｃは0.01質量
％以下、Ｏ：0.25質量％以下、Ｎ：0.0030質量％以下で
あることを化学分析で確認した。なお、Moなどの部分拡
散は、合金鋼粉断面のEPMA分析で確認した。得られた合
金鋼粉の平均粒径はいずれも60〜80μm であった。

【００３２】ついで、得られた合金鋼粉に、天然黒鉛0.
2 質量％とステアリン酸亜鉛0.3 質量％を混合したの
ち、金型に装入し予備圧縮成形して、φ30mm×15mm高さ
のタブレット状予備成形体とした。得られた予備成形体
に、水素雰囲気中で1100℃×1800ｓの仮焼結を施し、成
形用素材とした。これら成形用素材に、後方押し出しに
より、断面減少率80％でカップ状に冷間鍛造する再圧縮
成形を施し、カップ状成形体とした。なお、この再圧縮
成形時の成形荷重を測定した。

【００３３】ついで、この成形体に、窒素80vol ％−水
素20vol ％の雰囲気中で1140℃×1800ｓの条件で再焼結
を施したのち、さらにカーボンポテンシャル1.0 ％の浸
炭雰囲気中で、 870℃×3600ｓの条件で保持した後、油
中に焼入れし、さらに 150℃の温度で焼戻しを行なう熱
処理を施して、カップ状焼結部品を得た。得られたカッ
プ状焼結部品の表面硬さＨＲＣを測定した。それらの結
果を表２に併せて示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】本発明例は、いずれも冷間鍛造（再圧縮成
形）時における成形荷重が低く、良好な成形性を示して
いる。また、合金鋼粉No.1とNo.21 、No.4とNo.23 、N
o.11とNo.22 の比較からMoを部分拡散付着させて部分合
金化することにより、冷間鍛造（再圧縮成形）時におけ
る成形荷重が低くなることがわかる。また、本発明例
は、Moを0.2 質量％以上予合金化し、Niおよび／または
Cuを拡散付着して部分合金化した従来例（合金鋼粉No.2
4 〜No.26 ）にくらべ、冷間鍛造（再圧縮成形）時にお
ける成形荷重が顕著に低下している。

【００３８】また、合金鋼粉No.28 とNo.29 との比較か
ら、Moの予合金量を0.2 質量％以上とすることにより、
冷間鍛造（再圧縮成形) 時における成形荷重が高いレベ
ルとなることがわかる。また、合金鋼粉No.22 とNo.28
との比較から、Moの予合金量を0.2 質量％未満とするこ
とにより、冷間鍛造（再圧縮成形) 時における成形荷重
の増加を低く抑えることができることがわかる。

【００３９】また、本発明例では、熱処理後の表面硬さ
がＨＲＣ58以上であり、Mn、Moとも予合金した比較例
（合金鋼粉No.21 〜No.23 ）、Moを予合金し、Cuおよび
／またはNiを部分合金化した従来例（合金鋼粉No.24 〜
No.26 ）の熱処理後の硬さと同等の高い硬さを示してお
り、高強度の鉄基焼結部品となっている。一方、Mo含有
量の高い比較例（合金鋼粉No.8、No.14 ）、予合金Mn含
有量の高い比較例（合金鋼粉No.20 ）では、成形性が低
下し、再圧縮成形時に所定の寸法まで成形ができなかっ
た。また、Mo含有量の低い比較例（合金鋼粉No.27 ）で
は熱処理後の硬さが低かった。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
成形用素材の変形能が向上し、再圧縮成形により真密度
に近い高密度の成形体を得ることが可能となり、高強度
かつ高寸法精度の焼結部品の製造を可能とし、産業上格
段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の合金鋼粉におけるMoの部分的に拡散付
着し、部分合金化した状態を模式的に示す概略説明図で
ある。

【図２】本発明の合金鋼粉の製造工程の一例を示す説明
図である。

【図３】焼結再圧縮成形工法の工程の一例を模式的に示
す説明図である。

【符号の説明】

１鉄基粉末粒子２ Mo粉末粒子３ Mo拡散部４合金鋼粉末粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宇波繁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)発明者藤長政志千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社千葉製鉄所内Ｆターム(参考） 4K018 AA31 BA09 BA15 BC22 BC35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 Mn：1.0 質量％以下を予合金化して含
み、残部が実質的に鉄からなる鉄基粉末の表面に、部分
的に拡散付着された粉末の形でMo：0.2 〜10.0質量％を
含有することを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。
【請求項２】 Mn：1.0 質量％以下およびMo：0.2 質量
％未満を予合金化して含み、残部が実質的に鉄からなる
鉄基粉末の表面に、部分的に拡散付着された粉末の形で
Mo：0.2 〜10.0質量％を含有することを特徴とする粉末
冶金用合金鋼粉。