JP4201830B2 - クロム、モリブデンおよびマンガンを含む鉄基粉末、および、焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮および焼結によって部品を製造するための鉄基粉末に係り、特に、実質的にニッケルを含まずに、焼結によって高引張り強度のような有益な特性を有する部品が得られる粉末成分に関するものである。そのような部品は、例えば自動車産業で使用できる。また、本発明は、粉末冶金的に製造される粉末部品、およびその粉末冶金的製造方法に関するものである。
粉末冶金分野において、ニッケルは、鉄基粉末組成物中の比較的よく使用される合金元素であり、最高８％のニッケルを含む鉄粉末によって製造される焼結部品の引張り強度をニッケルが向上させることは、広く知られている。また、ニッケルは、焼結を促進して、硬化能を増大し、同時に伸び特性に良い影響を与える。しかしながら、ニッケルは高価であり、また、粉末処理時の発塵問題があって、少量でアレルギー反応を引き起こすため、ニッケルを含まない粉末に対する需要が増大している。したがって、環境の観点から、ニッケルの使用は、回避されるべきである。
したがって、本発明の背景にある問題は、少なくとも幾つかの点において、ニッケルを含む組成物と実質的に同一の特性を有するニッケルを含まない粉末組成物を見出すことである。
この点について現在商業的に使用される合金系は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃを含み、ある程度までＦｅ−Ｍｏ−Ｃｕ−Ｃを含む。これ等の２つの材料は、比較的高い引張り強度（４００〜７００ＭＰａ）を有している。高い引張りテントＦｅ−Ｍｏ−Ｃｕ−Ｃ。これ等の２つの材料は、比較的高い引張り強度（４００〜７００ＭＰａ）を有している。高い引張り強度（＞７００ＭＰａ）は、対流冷却を行うことのできる炉で焼結されたＦｅ−Ｍｏ−Ｃｕ−Ｃ材料によって得ることができる。本発明による成分の開発は、全く予期しなかったことであるが、対流冷却なしで、引張り強度を８００ＭＰａを超える値に増大させることを可能にした。
本発明による金属粉末は、鉄に加えて、Ｍｏ０．７〜２．０％と、Ｃｒ０．２〜２．５重量％と、Ｃｕ０〜３．０重量％と、Ｍｎ０．０５〜０．２５重量％と、Ｃ（炭素）０．３〜１．０重量％とから実質的に成る。この金属粉末では、Ｆｅ、ＭｏおよびＭｎは、水アトマイジングにより製造された粉末である予合金化されたＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末として存在し、Ｃｒは、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末として存在し、Ｃｕは、金属粉末として存在するか、または、全Ｃｕ量のうちの一部が金属粉末として存在し、全Ｃｕ量のうちの残りの部分が前記Ｆｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末に予め合金化されて存在する。したがって、６５０ＭＰａを超える引張り強度は、本発明による金属粉末が圧縮され、さらに高温で焼結されたときに得ることができる。
Ｆｅ、Ｍｏ、Ｍｎ、ＣｒおよびＣを含む金属粉末が、特開昭６１−２７６９４９号公報によって公知である。この刊行物は、窒化後の表面硬さまたは強度が不十分な熱処理された製品に関する問題を解決することを企図した発明に関するものである。この問題は、Ｃｒ０．５〜６．０％と、Ｃ０．２〜０．６％と、Ｍｎ０．３〜１．５重量％、Ｍｏ０．１〜２．０重量％、Ｃｕ０．２〜２．０重量％およびＮｉ０．２〜３．０重量％の少なくとも１種と、残部としてのＦｅとを含む圧粉成形体の製造によって解決され、該圧粉成形体は焼結後に窒化処理を受ける。該圧粉成形体は、完全に予合金化された粉末から作られるか、またはＦｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉおよびその他の粉末を純鉄粉末中に混合することよって作られる。本発明は、全く別の問題に関する。すなわち、焼結されたときに、例えば高引張り強度に関して優れたニッケルを含まない製品を提供することに係わる。公知の粉末は、Ｍｎ含有量に関して本発明による粉末と異なり、本発明のＭｎ含有量は０．０５〜０．２５％にすべきであるが、公知の粉末では、Ｍｎが存在する場合には、０．３〜１．５％の範囲にするべきである。本発明による少ないＭｎ含有量は、水アトマイジング時の酸化を回避して、粉末の良好な圧粉性を保つために重要である。さらに、前記日本刊行物の実例におけるＭｏ含有量は、本発明によるＭｏ含有量よりも明らかに少ない。しかも、本発明によると、Ｆｅ、ＭｎおよびＭｏは、水アトマイジングにより製造された粉末である予合金化されたＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末として存在するが、全ての公知粉末は、水アトマイジングよりもかなり高価である油アトマイジングによって作成される（第６頁の実例参照）。要するに、異なる成分を有する本発明による基粉末は、異なる処理過程によって作られ、前記日本刊行物による公知粉末とは異なる問題を解決するために使用される異なる形態の元素を含む。
Ｆｅ、Ｍｏ、Ｍｎ、ＣｒおよびＣを含む金属粉末を開示する他の刊行物は、ＰＣＴ出願ＣＡ９２／００５５６である。この刊行物は、高い延性すなわち圧延可能特性を有する軸受表面を製造する方法に関する。この公知粉末と本発明粉末の主な差異は、基粉末の形態にあり、これは、ＰＣＴ刊行物による粉末は、鉄粉末に対して全ての合金元素が混合されたものであるが、本発明では、水アトマイジングにより製造された粉末である予合金化されたＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ粉末を用いている。水アトマイジングにより製造された粉末である予合金化された基粉末を使用することの一利点は、偏析（または成分の偏り）問題が低減化されて、ＰＣＴ刊行物によって必要とされる研削段階の大部分を回避できることである。他の利点は、焼結後の合金元素の分布が改善され、寸法的安定性の向上と、より均一で増大した強度とに帰着する。さらに、本発明にしたがって、合金元素の特定された形態および特定された量を用いることにより、ＭｎおよびＣｒを加えるための確立された方法である高価な油アトマイジング工程（前記ＰＣＴ刊行物第２頁第１文節参照）を回避することが可能である。前記ＰＣＴ刊行物は、圧延可能な特性を有する粉末が少量のＭｎを含んでもよいことを教示している。しかしながら、Ｍｎが本発明におけるようなＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末の形態ではなく、例えばＭｎ約７８％を含み平均粒子サイズ約８〜１２ミクロンを有するＦｅ−Ｍｎ合金形態の粉末中に存在することは重要である。また、Ｍｏは、鉄合金形態にあるべきであり（Ｆｅ−Ｍｏ合金は、Ｍｏ約７１％を含み、平均粒子サイズ８〜１２ミクロンを有することが示唆されている）、ところが、本発明による粉末における実質的に全てのＭｏ（実質的に全てのＦｅおよびＭｎも同様に）は、水アトマイジングにより製造されたＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ粉末形態で存在する。前記公知粉末から作成される焼結製品は、密度の高い層を作るために圧延および熱処理が施されるが、本発明による製品は、次の処理を何ら行うことなく直接使用されるように意図されている。したがって、前記ＰＣＴ刊行物によって公知である粉末組成物は、その形態および意図される使用の両者について本発明の組成物と異なる。
さらに、前記ＰＣＴ特許刊行物は、高温焼結が施されるときに、炭素に組合わされる合金元素としての銅の使用を教示していない。対照的に、我々は、最高３重量％までのＣｕを、本発明におけるような水アトマイジングにより製造されるＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ粉末に添加すると、通常の高温焼結によって著しく良好な結果が得られることを見出した。
ＳＥ−Ｂ−４４７０７１（ＵＳ−４２６６９７４に相当する）は、鉄に加えて、元素Ｍｎ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの少なくとも１種を含む合金鋼粉末を開示している。これ等の元素が存在する場合、その量は、Ｍｎ０．３５〜１．５重量％、Ｃｒ０．２〜５．０重量％、Ｍｏ０．１〜７．０重量％、Ｖ０．０１〜１．０重量％である。前述のとおり、Ｍｎ量が水アトマイジング時の酸化問題を回避するために本発明による粉末において０．３重量％未満であることは必須である。
ＵＳ−Ａ−６０６８８９は、必要な成分として高い量（５〜７％）のＣａＦ₂を含む鉄粉末に関する。この粉末は、焼結したとき、高い摩耗抵抗と、低い摩擦係数とを有する製品を生じる。したがって、この刊行物は、本発明による粉末組成も焼結品特性も教示しない。
本発明による粉末に使用される合金元素の量および形態は、以下に更に詳しく議論される。
Ｆｅ、ＭｏおよびＭｎから成る溶融体の水アトマイジングによって作成される基粉末は、２５０ミクロンよりも小さい粒子サイズと、平均粒子サイズ約１００ミクロンとを有する。好適な基粉末は、いずれもスウェーデン国ヘガネス

から入手可能であるアスタロイ（Astaloy）Ｍｏおよびアスタロイ８５Ｍｏである。
Ｍｏが鉄粉末に含まれるとき、圧縮される材料の硬化能は増大し、Ｍｏの量は、少なくとも０．７重量％であるべきことが推奨される。しかしながら、Ｍｏ量を増大する際、圧粉性が低減化され、したがって、密度が低減化される。Ｍｏ量は、好ましくは約２．０重量％未満にすべきである。最も好ましくは、Ｍｏ量は、０．７５〜１．７重量％の間で変化する。
Ｃｒ添加の目的は、材料の硬化能を増大させること、および炭化物を形成させることである。これは、焼結品に対して向上した引張り強度と硬さを与える。Ｃｒは、好ましくはＦｅ−Ｃｒ合金粉末として添加される。また、Ｃがダイの摩耗を増大させるため、Ｆｅ−Ｃｒ合金はＣを含まないことが好ましい。高温焼結、すなわち、１１５０℃を超え通常約１２５０℃の焼結の適用は、Ｃｒの酸化が回避されると同時にＣｒの良好な分布につながる。Ｃｒ含有量が過度に高いと、焼結材料が過度に脆くなる。Ｃｒ含有量は、好ましくは、０．４〜１．８重量％の間で変化する。
Ｃｕは、焼結の間に液相を形成し、これは溶解相の分布を促進して、空孔の丸みを向上させる。また、Ｃｕは、圧縮される材料の硬化能を増大し、焼結材料の引張り強度を増す。Ｃｕ量が多いと、膨脹によって密度に負の影響を与える。Ｃｕ量は、好ましくは１〜２．５重量％の間で変化する。
Ｍｎは、硬化能を向上させる。しかしながら、Ｍｎ量が多いと（すなわち、０．３重量％を超えると）圧縮性が低下し、酸化問題を生じさせ得る。Ｍｎ量は、好ましくは０．０８〜０．１８重量％の間で変化する。
黒鉛粉末として通常添加される炭素の量が０．３％未満であれば、引張り強度は過度に低く、炭素量が１．０を超えると、焼結部品は過度に脆くなる。炭素量は、好ましくは０．３〜０．８重量％の間で変化する。炭素含有量が比較的低い本発明による成分から作成される部品は、良好な延性と、受容可能な引張り強度とを示すが、より高炭素の組成物から作成される製品は、延性がより低く、増大した引張り強度を有する。
本発明の好適実施例によると、アスタロイ（登録商標）Ｍｏ（スウェーデン国ヘガネスＡＢから入手可能）は、基粉末として使用される。Ｍｏ１．５％を含むこの粉末に対して、Ｃｕが金属粉末として添加されるか、または部分的に予合金化され、ＣｒがＦｅ−Ｃｒ合金粉末として添加され、炭素が黒鉛形態で添加される。潤滑のために全ての混合物にステアリン酸亜鉛０．８％が添加された。
本発明は、次の例において更に詳しく説明される。
例
引張り強度試験棒が、５８０〜６００ＭＰａで圧縮され、高温炉内で１１５０℃を超える温度で焼結された。焼結時間は３０分で、雰囲気は９５／５Ｎ₂Ｈ₂であった。（また、低い結露点を有するその他の雰囲気を、焼結工程に使用してもよい）。
結果は、次表にまとめられている。表中、「ＨＶ１０」はビッカース硬さであり、「ＴＳ」は引張り強度、「Ａ」は延び率である。

材料２は、１２５０℃の高温焼結後に６４６ＭＰａの引張り強度へ導く既知の組成物である。本発明によるクロム１．５％の添加により、引張り強度は、伸び率における如何なる有意の低減も無しに２８３ＭＰａ高い９２９ＭＰａまで増大する。
本発明による他の全ての例は、６５０ＭＰａを超える引張り強度と、０．８％またはそれを超える伸び率とを生じる。異なる合金含有量は、引張り強度および伸び率の異なる組合わせを生じる。
増大したクロム含有量は、硬さおよび引張り強度を増大させる。２．５％を超えるＣｒの添加では、脆さによって引張り強度が低下し始める。
モリブデンは、硬化能を増大させるその性能により引張り強度への非常に強い影響を有する。マイクロ組織は、フェライト／パーライトからベーナイトまたはベーナイト／マルテンサイトへ変化し、引張り強度が向上する。
引張り強度は、黒鉛添加物を増加させることによって増大し、６５０ＭＰａを超える引張り強度を有する高強度材料が、０．３％またはそれを超える炭素含有量で達成される。炭素が１．０％を超えると、材料が脆くなり、引張り強度および伸び率の両者が低下する。
材料５，６は、温度１１２０℃が高強度を与えるためには低過ぎる焼結温度であることを示している。材料５は、引張り強度５６７ＭＰａに達するが、１２５０℃で焼結された同一の組成物は、引張り強度９２９ＭＰａとなる。

Claims (9)

1. Ｍｏ０．７〜２．０重量％と、Ｃｒ０．２〜２．５重量％と、Ｃｕ０〜３．０重量％と、Ｍｎ０．０５〜０．２５重量％と、Ｃ０．３〜１．０重量％と、残部としてのＦｅと、不可避的不純物１．０重量％以下とから成り、粉末の圧縮および焼結によって焼結体を製造するための鉄基粉末において、
   Ｆｅ、ＭｏおよびＭｎが、水アトマイジングにより製造された粉末である予合金化されたＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末として存在し、
   ＣｒがＦｅ−Ｃｒ合金粉末として存在し、
   Ｃｕが金属粉末として存在するか、または、全Ｃｕ量のうちの一部が金属粉末として存在し、全Ｃｕ量のうちの残りの部分が前記Ｆｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末に予め合金化されており、
   Ｃが黒鉛として存在することを特徴とする鉄基粉末。
2. Ｍｏ量が０．７５〜１．７重量％であることを特徴とする請求項１に記載された鉄基粉末。
3. Ｃｒ量が０．４〜１．８重量％であることを特徴とする請求項２に記載された鉄基粉末。
4. ＣｒがＦｅ−Ｃｒ合金粉末として添加され、該Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末がＣを含まないことを特徴とする請求項３に記載された鉄基粉末。
5. Ｃｕ量が１．０〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された鉄基粉末。
6. Ｍｎ量が０．０８〜０．１８重量％であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された鉄基粉末。
7. Ｃ量が０．３〜０．８重量％であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された鉄基粉末。
8. Ｍｏ０．７〜２．０重量％と、Ｃｒ０．２〜２．５重量％と、Ｃｕ０〜３．０重量％と、Ｍｎ０．０５〜０．２５重量％と、Ｃ０．３〜１．０重量％と、残部としてのＦｅと、不可避的不純物１．０重量％以下とから成る鉄基粉末を使用し、
   前記鉄基粉末の成分として、Ｆｅ、ＭｏおよびＭｎが、水アトマイジングにより製造された粉末である予合金化されたＦｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末として存在し、ＣｒがＦｅ−Ｃｒ合金粉末として存在し、Ｃｕが、金属粉末として存在するか、または、全Ｃｕ量のうちの一部が金属粉末として存在し、全Ｃｕ量のうちの残りの部分が前記Ｆｅ−Ｍｏ−Ｍｎ基粉末に予め合金化され、Ｃが黒鉛として存在しており、前記鉄基粉末を圧縮成形後、高温焼結することを特徴とする焼結体の製造方法。
9. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された鉄基粉末から製造される高温焼結製品。