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JP3351844B2 - 鉄系焼結材料用の合金鋼粉及びその製造方法 - Google Patents

鉄系焼結材料用の合金鋼粉及びその製造方法

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JP3351844B2
JP3351844B2 JP04000993A JP4000993A JP3351844B2 JP 3351844 B2 JP3351844 B2 JP 3351844B2 JP 04000993 A JP04000993 A JP 04000993A JP 4000993 A JP4000993 A JP 4000993A JP 3351844 B2 JP3351844 B2 JP 3351844B2
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powder
alloy steel
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steel powder
alloy
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繁 宇波
古君  修
義昭 前田
栄治 初谷
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JFE Steel Corp
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JFE Steel Corp
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  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、各種焼結部品の中で
も、とくに高精度、高強度及び高疲労特性が要求される
部品の製造に供して好適な鉄系焼結熱処理材料用の合金
鋼粉及びその製造方法に関するものである。ここに、鉄
系焼結熱処理材料とは、焼結後、浸炭処理ついで焼入れ
焼戻し処理等の熱処理が施される鉄系焼結材料のことを
意味する。
【0002】
【従来の技術】自動車のギヤなど、高強度や高疲労特性
が要求される鉄系部品を粉末冶金法で製造する場合、強
度及び疲労特性の向上のためには、合金元素を添加し、
さらに浸炭処理や浸窒処理を施すと共に、その後に焼入
れ、焼戻し処理が施される。
【0003】純鉄粉中に合金成分を固溶させて合金鋼粉
を製造する予合金鋼粉では、その焼結体の熱処理後の寸
法精度は高いものの、鋼粉の圧縮性が損なわれることが
多く、その場合に高い焼結密度が得られなくなり、結果
的に疲労特性の向上が望めない。この点、例えば特公昭
45−9649号公報では、純鉄粉にNi,Cu,Moなどの合金成
分粉末を拡散付着する(以下、複合合金化と称す)こと
によって上述の問題の解決を図っている。
【0004】しかしながら、上記の複合合金化法によっ
て製造された合金鋼粉は、圧縮性には優れるものの、異
種金属粉を混粉後、加熱することにより拡散を生じさせ
て部分的に合金化するだけなので、成分的に完全に均一
なものが得られる予合金鋼粉に比べると、組織の均一性
が低く、製品の寸法精度がばらつく原因となる。このよ
うに、上記した複合合金鋼粉では、圧縮性が高く、焼結
体の強度及び疲労特性の向上は図り得るものの、寸法精
度の点では十分とは言い難かった。
【0005】他方、特開平1−215904号公報において、
高い圧縮性を有するだけでなく、焼結体の熱処理後にお
ける寸法精度にも優れた鋼粉を、その製造方法と共に提
案されたが、この鋼粉はNiを 5.0wt%(以下単に%で示
す)を超えて含有することから、経済的に不利なだけで
なく、最近の厳しい寸法精度と高疲労特性に対する要請
には充分応えられないところに問題を残していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題を有利に解決するもので、焼結体の熱処理後の寸法精
度が高いだけでなく、強度及び疲労特性にも優れた焼結
材料を、従来に比較して経済的に得ることができる鉄系
焼結熱処理材料用の合金鋼粉を、その有利な製造方法と
共に提案することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】さて発明者らは、上記の
目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、焼結用の合金
鋼粉中に、熱処理中に還元・酸化反応の起こらない安定
な微粉末を少量、添加混合することが、所期した目的の
達成に関し、極めて有効であることの知見を得た。この
発明は、上記の知見に立脚するものである。
【0008】すなわち、この発明の要旨構成は次のとお
りである。 1.純鉄粉に、Ni,Cu,Mo及びCrのうちから選んだ少な
くとも一種:0.5 〜7wt%を固溶させて予合金化した合
金鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:1μm 以下の微
細なSiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉のうちから選ん
だ一種又は二種以上:0.01〜1重量部を、該合金鋼粉の
表面を覆う形で添加配合したことを特徴とする、浸炭
後、焼入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料用合金鋼粉(第
1発明)。
【0009】2.純鉄粉に、Mo及び/又はCr:0.5 〜7
wt%を固溶させて予合金化すると共に、Ni及び/又はC
u:0.5 〜7wt%を拡散付着させて複合合金化した合金
鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:1μm 以下の微細
なSiO2, Al2O3, TiO2,CaO 及びMgO 粉のうちから選んだ
一種又は二種以上:0.01〜1重量部を、該合金鋼粉の表
面を覆う形で添加配合したことを特徴とする、浸炭後、
焼入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料用合金鋼粉(第2発
明)。
【0010】3.純鉄粉に、Ni,Cu及びMoのうちから選
んだ少なくとも一種:0.5 〜7wt%を拡散付着させて
合合金化した合金鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:
1μm以下の微細なSiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉
のうちから選んだ一種又は二種以上:0.01〜1重量部
、該合金鋼粉の表面を覆う形で添加配合したことを特
徴とする、浸炭後、焼入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料用
合金鋼粉(第3発明)。
【0011】4.純鉄粉に合金成分を固溶させる予合金
化及び/又は純鉄粉に合金成分を拡散付着させる複合合
金化を行った合金鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:
1μm以下の微細なSiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉
のうちから選んだ一種又は二種以上:0.01〜1重量部
を、結合剤:0.5 〜1.5 重量部と共に添加した混合粉
を、結合剤の融点以上、熱分解点以下で加熱、混合する
ことを特徴とする、浸炭後、焼入れ焼戻しを行う鉄系焼
結材料用合金鋼粉の製造方法(第4発明)。
【0012】
【作用】Ni, Cu, Mo及びCrはいずれも、焼入性向上、固
溶強化などによって鋼の強度を向上させる元素である。
しかも、Niは靭性の向上にも寄与し、またCrは熱処理後
の硬さを高め耐摩耗性を向上させる効果がある。これら
の強度向上元素の合金化法としては、前述したとおり、
溶解する際に合金元素を同時に添加する予合金化法(例
えば水アトマイズ法)や、合金元素を含む粉末を純鉄粉
あるいは予合金鋼粉に熱処理あるいは結合剤を用いて付
着させる複合合金化法がある。
【0013】この発明では、かかる強度向上元素の合金
化法が特に制限されることはないけれども、合金化法の
如何にかかわらず、これらの元素の総含有量が 0.5%に
満たないとその効果は小さく、一方7%を超えると強
度、靭性及び疲労特性の低下を招く。従って、これらの
元素の総含有量は 0.5〜7%の範囲に限定した。
【0014】この発明は、このような合金鋼粉に、焼結
や焼入れ・焼戻しなどの熱処理時、還元反応や酸化反応
の起こらない安定な微粉末を少量添加混合することによ
り、浸炭熱処理時の寸法のばらつきを少なくすると共
に、面圧疲労強度の向上を図ったものである。すなわ
ち、安定な微粉末がベースの鋼粉表面を覆うことによ
り、浸炭時、焼結体表面からの炭素の拡散速度が抑えら
れ、炭素の拡散が均一となるため、焼入れ時のマルテン
サイト変態における膨張が焼結体内部で均一に起こり、
その結果、寸法のばらつきが少なくなり、また試料の均
一化に起因して面圧疲労強度が向上するのである。
【0015】微粉の粒径は、平均粒径が60〜100 μm の
ベースの粉末を覆うには微細なほど良い。平均粒径が1
μm を超えると、寸法ばらつきの低減効果が減少する。
そこで、微粉の平均粒径は1μm 以下とした。このよう
な微粉としては、SiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉末
が有利に適合する。
【0016】また微粉の配合量が、ベース粉末:100 重
量部に対し、1重量部を超えるとベース粉末の焼結によ
る結合に支障を来し、一方0.01重量部に満たないとベー
ス粉末の全面を被覆できず、熱処理時の寸法ばらつきの
低減効果が少ない。従って、微粉の配合量は0.01〜1重
量部とした。
【0017】かかる合金鋼粉は、ベース粉末にかかる微
粉を添加配合したのち、結合剤の融点以上、熱分解点以
下で加熱、混合することによって得ることができ、かく
して得られた合金鋼粉は、熱処理時において寸法のばら
つきを格段に低減することができる。
【0018】なお上記の製造法において、結合剤の量が
ベース粉末:100 重量部に対し、 0.5重量部に満たない
と結合効果が小さく、一方 1.5重量部を超えると粉末の
流動性が低下する。従って、結合剤の量は 0.5〜1.5 重
量部の範囲に限定した。またかかる結合剤としては、ス
テアリン酸亜鉛、ステアリン酸錫などの金属石けん、カ
プリン酸、ステアリン酸などの脂肪酸、ステアリン酸ア
ミド、オレイン酸アミドなどの脂肪酸アミド、低分子量
のポリエチレンなどが好適である。
【0019】上述したような合金鋼粉を、成形、焼結す
ることにより、その焼結体の熱処理後における寸法精度
を向上させることができ、また得られた焼結・熱処理体
の疲労特性は極めて良好である。なお、ここでいう成
形、焼結とは、一般に粉末冶金部品を製造する方法を意
味し、例えば4〜8 t/cm2程度の圧力による圧縮成形
後、1100〜1300℃におけるN2, AX, RXガス中での焼
結が好適である。また必要に応じて、成形に先立ち黒鉛
を強度向上を目的として添加することもでき、その量は
0.05〜0.4 %程度が好ましい。
【0020】
【実施例】
実施例1 表1に示すように、Mo, Ni, Cu及びCrをそれぞれ予合金
化又は複合合金化して得た合金鋼粉:100 重量部に対
し、黒鉛を 0.1重量部、ステアリン酸亜鉛を1重量部及
び平均粒径:0.01μm の二酸化珪素粉を 0.1重量部添加
し、 140℃で10分間加熱混合した。ついで得られた合金
鋼粉から、圧縮成形により密度:7.0g/cm3の成形体を作
製した後、これらの成形体を、窒素雰囲気中にて1150
℃、30分間の条件下で焼結し、ついで 900℃で60分間の
浸炭処理(カーボンポテンシャル0.9%)後、引続き油
焼入れしてから、 150℃, 60分間の焼戻し処理を施し
た。この実験において、複合合金鋼粉は、ベース粉末に
カーボニルNi粉、Cu粉、三酸化Mo粉を所定量混合した
後、水素中にて 700℃、60 minの拡散焼鈍後、解砕・分
級して得たものである。また加熱混合処理は、ステアリ
ン酸亜鉛を融解し付着剤とするためのものである。
【0021】かくして得られた焼結熱処理体の寸法精度
及び森式面圧疲労試験による耐久疲れ強さについて調べ
た結果を表1に併記する。なお寸法精度は、外径:78m
m, 内径:35mm, 高さ:12mmのリング状試験片につい
て、図1に示す要領で求めた、焼結体と焼戻し体でのひ
ずみのばらつきの標準偏差(試験片:10個)で評価し
た。
【0022】
【表1】
【0023】同表より明らかなように、この発明によれ
ば、寸法精度及び疲労特性ともに優れた焼結熱処理体を
得ることができた。
【0024】実施例2 表2に示すように、Mo, Ni, Cu及びCrをそれぞれ予合金
化又は複合合金化して得た合金鋼粉:100 重量部に対
し、黒鉛を 0.1重量部、ステアリン酸亜鉛を1重量部及
び粒径、配合量が種々に異なるSiO2, Al2O3, TiO2, Ca
O,MgO 粉を添加し、 140℃, 10分間加熱混合した。つ
いで得られた合金鋼粉から、圧縮成形により密度:7.0
g/cm3 の成形体を作製した後、これらの成形体を、窒素
雰囲気中にて1150℃、30分間の条件下で焼結し、ついで
900℃で60分間の浸炭処理(カーボンポテンシャル0.9
%)後、引続き油焼入れしてから、150 ℃, 60分間の焼
戻し処理を施した。かくして得られた焼結熱処理体の寸
法精度及び森式面圧疲労試験による耐久疲れ強さについ
て調べた結果を表3に示す。
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】表3より明らかなように、この発明によれ
ば、寸法精度及び疲労特性ともに優れた焼結熱処理体を
得ることができた。
【0028】
【発明の効果】この発明の合金鋼粉は、焼結、熱処理後
において、疲労特性に優れるだけでなく、極めて高い寸
法精度を維持することができ、例えば自動車のカムギア
のような高疲労特性と共に高い寸法精度が要求される焼
結部品の原料鋼粉として偉効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】寸法精度の評価要領の説明図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C22C 38/08 C22C 38/08 38/42 38/42 C23C 8/22 C23C 8/22 (72)発明者 初谷 栄治 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 (56)参考文献 特開 平6−65693(JP,A) 特開 平2−25502(JP,A) 特開 昭59−215401(JP,A) 特開 平2−97602(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 1/00,1/02 C22C 33/02 C22C 38/00 - 38/60 C23C 8/22

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 純鉄粉に、Ni,Cu,Mo及びCrのうちから
    選んだ少なくとも一種:0.5 〜7wt%を固溶させて予合
    金化した合金鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:1μ
    m 以下の微細なSiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉のう
    ちから選んだ一種又は二種以上:0.01〜1重量部を、該
    合金鋼粉の表面を覆う形で添加配合したことを特徴とす
    、浸炭後、焼入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料用合金
    鋼粉。
  2. 【請求項2】 純鉄粉に、Mo及び/又はCr:0.5 〜7wt
    %を固溶させて予合金化すると共に、Ni及び/又はCu:
    0.5 〜7wt%を拡散付着させて複合合金化した合金鋼
    粉:100 重量部に対し、平均粒径:1μm 以下の微細な
    SiO2, Al2O3, TiO2,CaO 及びMgO 粉のうちから選んだ一
    種又は二種以上:0.01〜1重量部を、該合金鋼粉の表面
    を覆う形で添加配合したことを特徴とする、浸炭後、焼
    入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料用合金鋼粉。
  3. 【請求項3】 純鉄粉に、Ni,Cu及びMoのうちから選ん
    だ少なくとも一種:0.5〜7wt%を拡散付着させて複合
    合金化した合金鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:1
    μm 以下の微細なSiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉の
    うちから選んだ一種又は二種以上:0.01〜1重量部を
    該合金鋼粉の表面を覆う形で添加配合したことを特徴と
    する、浸炭後、焼入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料用
    金鋼粉。
  4. 【請求項4】 純鉄粉に合金成分を固溶させる予合金化
    及び/又は純鉄粉に合金成分を拡散付着させる複合合金
    を行った合金鋼粉:100 重量部に対し、平均粒径:1
    μm 以下の微細なSiO2, Al2O3, TiO2, CaO及びMgO 粉の
    うちから選んだ一種又は二種以上:0.01〜1重量部を、
    結合剤:0.5 〜1.5 重量部と共に添加した混合粉を、結
    合剤の融点以上、熱分解点以下で加熱、混合することを
    特徴とする、浸炭後、焼入れ焼戻しを行う鉄系焼結材料
    合金鋼粉の製造方法。
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