JPH03219040A - 高強度焼結鋼およびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機械特性の回転曲げ、衝撃値などの疲労限を
向上させた高強度焼結鋼に関し、かつ高強度焼結鋼の製
造方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に高強度、高靭性を要求される機械部品の高強度焼
結鋼には、焼入性を向上させる添加元素として炭素、ニ
ッケル、モリブデン、クロム、マンガンおよび銅などを
適当量種り組合せた合金銅または合金鉄の粉末、および
Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ門ｏ−Ｃ系合金鋼（４１００系）、Ｆ
ｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ系合金金鋼（４６００系）な
どの粉末が使用され、これらの粉末を高密度に成形加圧
し、１２００〜１３００“Ｃの温度範囲で焼結させ、焼
入れ焼戻し、または浸炭焼入れ焼戻しなどの熱処理を施
して合金鋼焼結体の機械的強化が行われている。

しかし、これらの高強度焼結鋼では、その表面層での空
隙に切欠きが存在するため、焼入れ時にマイクロクラン
クが発生して疲労限強度を低下させる。そのため、焼結
鋼の表面層を改質させるために、該焼結鋼にショットピ
ーニングを施して疲労限強度が低下しない手段がとられ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの高強度焼結鋼は、ショットピーニングを施した
り、また、製造技術の改善によって引張り強さが９０〜
２００ｋｇ／ｍｍ２とかなり高められているが、焼結鋼
空隙部への応力の集中に伴って起る疲労限、すなわち回
転曲げ値が３０〜３５ｋｇ／　ｍｍ　２、衝撃値が１〜
２　ｋｇ−ｍ／ｃＩ！程度であるため、より高強度を要
求される歯車部分などへの適用には制限されるという問
題点がある。

そこで、疲労限強度を更に向上させるため、再加圧再焼
結、鍛造などによって空隙を減少させで焼結鋼の高密度
化をはかる手段が必要となる。このためコスト高になる
という問題点がある。

また、焼結鋼をより高強度化すれば、従来から焼結鋼部
分の寸法修正に使用されるサイジング、コイニングなど
において部品の硬度と金型寿命の関係から通用できなく
なるという問題点がある。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、焼入性を向上さ
せる元素として炭素、ニッケル、モリブデン、クロム、
マンガンなどの添加元素を低含有量の範囲で、種々組合
せた炭素を含む合金鋼粉末、または炭素を含まない合金
鉄粉末を用いて、寸法精度が良好で、空隙欠陥を改善し
、かつ高強度、高靭性を有する焼結機械部品が容易に得
られるようにするとともにその製造方法を提供すること
を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは上記の課題を解決するために種々検討した
結果、疲労に影響を与える因子として焼結体の空隙部に
集中する応力を緩和すれば、疲労限強度が向上できるこ
とに注目した。さらに焼結体表面層に多量の残留オース
テナイト組織を浸窒または浸炭浸窒処理によって残留さ
せると、焼結体の疲労限強度が向上できることを見出し
て本発明を完成させたものである。

本発明の高強度焼結鋼は、炭素を含む合金鋼粉末、およ
び／または炭素を含まない合金鉄粉末と黒鉛粉との混合
粉末を所定形状に成形加圧し、高温の非酸化雰囲気中で
焼結し、焼結後、６００　’Ｃ以上の温度で浸窒または
浸炭浸窒処理して、焼結体中に窒素原子を拡散し、次い
でＡ１変態線以上の温度からの急冷によって焼結体表面
層および空隙部に容積比で３０〜９５ｖｏｌχ範囲の残
留オーステナイｌ−＆１１織を形成させたことを特徴と
するものである。

また、炭素を含む合金銅粉末および／または炭素を含ま
ない合金鉄粉末と黒鉛粉末との混合粉末を成形加圧する
工程、 成形加圧された成形体を非酸化雰囲気中で焼結させる工
程、または前記、非酸化雰囲気中で焼結させる工程後に
焼結鋼を再圧縮成形して非酸化雰囲気中で焼結させる工
程、 ６００℃以上の温度で焼結鋼を浸窒または浸炭浸窒する
工程および Ａ１変態線以上の温度から焼結鋼を急冷し、焼戻しする
工程 を有することを特徴とする高強度焼結鋼の製造方法を提
案するものである。

次に、本発明の構成について更に説明する。

本発明で使用する炭素を含む合金鋼粉末とは、０．０５
〜１．５ｗｔ！ケイ素、０．５〜１．ｏｗｔχクロム、
０．５〜５．０ｗｔ％ニッケル、０．１〜１．ｏｗｔχ
モリブデン、０．１〜２．０ｗｔ％マンガン分のうちの
１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避不
純物ならびに炭素を有する組成粉であり、炭素を含まな
い合金鉄粉末と黒鉛粉との混合粉とは０．１〜１．０ｗ
ｔ炭素に加えて、前記合金成分および残部が鉄および不
可避不純物を有する組成粉である。

添加スるクロム、ニッケル、モリブデン、マンガン量の
下限値は焼結体の焼入性を考慮するもので、クロムおよ
びモリブデンの添加の上限値はコスト的な観点から制限
するものである。ニッケルおよびマンガンの添加は残留
オーステナイト相の形成に寄与させるが、マンガンは酸
化されやすいため影響のない上限値とし、ニッケルはコ
スト的な観点と焼結鋼の強度との関係がら低ニツケル基
としている。ここで、炭素を含まない合金鉄と黒鉛粉を
混合することは、成形性がよく、かつ、焼結体の炭素含
有量を自由に調整できるので好ましい。また、添加する
炭素は、焼結鋼の硬さを高め、強度化させる成分である
が、添加量が０．１ｗｔ″Ａ未満では強度化に欠け、逆
に、１．０ｉｙｔχを超えると焼結鋼の靭性が低下する
ので好ましくない。好ましい範囲は０．１〜１．０−Ｌ
χである。

本発明の構成で、高温の非酸化雰囲気中で焼結しとある
のは、使用する合金鋼または鉄粉末中に、−モリブデン
、マンガンなどを添加しているので、モリブデンおよび
マンガンの酸化物が存在すると焼結中、粒間の拡散を妨
げる。そのため１Ｏ−２ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気で焼
結条件として１２００〜１３００℃×６０〜１２０分の
範囲で行うのが好ましい。

本発明の構成で、６００℃以上の温度で浸窒しまたは浸
炭浸窒処理して、とあるのは、窒化のように通常５５０
〜５７０″Ｃ程度で熱処理すると、粒子表面に窒化物が
生成して、焼結鋼の強度が低下する。浸窒処理は窒化と
異なり、本発明の必須条件であって、６００℃以上の温
度と定めた理由は、特に、浸窒処理する時にγ、８層な
どの窒化物が表面層に析出（白眉と呼ばれるもの）し難
い温度とするものである。浸窒処理は、アンモニヤ分解
ガス雰囲気中（残留アンモニヤ濃度５〜１５％）　、８
００〜９００″Ｃの温度範囲で行うのが好ましい。浸窒
処理のみをするのは、原則的に炭素を含む合金鋼粉から
焼結鋼を得る場合で、浸炭浸窒処理は炭素を含まない合
金鉄粉と黒鉛粉の混合粉から焼結鋼を得る場合には、常
法に従って先ず、浸炭処理を行った後、引続いて浸窒処
理を行い、焼結体中に窒素を拡散させる。

本発明の構成で、残留オーステナイト組織を容量比で３
０〜９５νｏｌχとするのは、焼結鋼に適切な疲労限強
度と靭性を付与させるためであって、３０ｖｏ　ｌχ未
満では空隙部に集中する応力を緩和させるには不十分で
ある。なお、浸炭処理のみで焼入して３０νｏｌχ近い
残留オーステナイト相が得られるが、疲労限強度と靭性
を向上させることができない。

逆に、９５νｏ１χを超えるときは、例えば、歯車など
局部力たりが高いものでは、残留オーステナイト相が比
較的に軟質なものであるため、歯車形状がへたる恐れが
ある。しかしｌ００ｖｏｌＸになっても、疲労限強度、
衝撃値については特性が大きく劣化しないので、使用目
的、用途によっては１００ｖｏｌ′Ａ残留オーステナイ
ト相を形成させてもよい。

本発明の構成で、Ａ１変態線以上の温度から急冷とある
のは、Ｃ−Ｆｅ状態図に示されるＡ１変態線であって、
その温度は７２１℃である。共析焼結鋼（Ｃ：０．８５
ｗｔχ）では７４０℃から急冷できる。

０．８５ｗｔχ炭素を含む共析焼結銅以外の焼結鋼では
、Ｃ−Ｆｅ合金状態図から理解されるように、その炭素
含有量に応じて液相線以上の温度から急冷してオーステ
ナイトの状態をそっくり、そのまま常温において形成さ
せる。

〔作　用］ 本発明は、特に焼結体表面層および空隙部に多量の残留
オーステナイト組織を浸窒または浸炭浸窒処理によって
残留させるので、焼結鋼の疲労限強度が著しく向上でき
、且つ靭性が高められる。また、表面層および空隙部に
多層の残留オーステナイト相を残留させることにより、
焼結体表面に露出する空隙切欠および表面近傍下に存在
する空隙切欠から発生しやすいマイクロクラックを未然
に防止するのに大きな効果がある。更に、残留オーステ
ナイト相を形成させる焼入れ焼戻しの熱処理後、焼結体
の表面層をショットピーニングすることによって、表面
層により著しい圧縮の残留応力が形成され、かつ表面層
に僅かに残存する空隙部の目潰しによって切欠による疲
労の影響を低減させ、より高い疲労限強度を有する焼結
鋼が得られ、また、残留オーステナイト相を多量に残留
させると、表面層の硬さが従来のものより軟質化できる
ので、焼結鋼の変形抵抗が低減でき寸法修正のサイジン
グがより容易になる。

（発明の効果］ したがって、本発明の高強度焼結鋼は、該焼結体の表面
層の空隙部に多量の残留オーステナイト組織を浸窒また
は浸炭浸窒処理によって残留させているので、従来の焼
結鋼に比べて疲労限強度が大きくでき、大きな衝撃にも
強い靭性を有する焼結鋼が安価に得られるので、エンジ
ン、油接、連接、自動車などに使用される歯車類の高強
度部品への適用が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。

第１表は本発明の実施に使用する合金鉄粉の化学組成を
示す。

第　　１　　表 実施例１ 第１表のＮｏ、　ｌの合金鉄粉（神鋼アトメル４６００
）に０．３ｗｔχの黒鉛粉（ロンザ社製ＫＳ６）と０．
５ｗｔχのアクラワンクス（潤滑剤）を添加した混合粉
を金型に入れ、６Ｌ／ｃ＋ｆｌの加圧で成形し、１Ｏ−
２Ｌｏｒｒ以下の真空雰囲気中で、１２５０℃×６０分
の焼結条件で焼結した。得られた焼結鋼をＪＩ３２号の
回転曲げ疲労試験片の形状に機械加工を施した後、試験
片の表面カーボンポテンシャルが０．８ｗｔχ炭素にな
るように、９３０℃Ｘ５時間の熱処理条件で浸炭した後
、更に１０％　アンモニヤ分解ガス雰囲気中、８５０℃
Ｘ４時間の条件で浸窒処理を行い、直接８０℃の油中で
焼入れし、試験片を１５０℃Ｘ３時間の焼戻し処理して
本発明の焼結鋼試験片（１）を得た。上記同様にして得
た試験片（１ンの表面層にショットピーニングを施した
試験片（２）を作成した。比較例として浸窒処理を施さ
ないほかは、上記実施例と同一条件で油中に焼入れした
後、１５０℃Ｘ３時間の焼戻し処理を施して焼結鋼試験
片を得た。得られた試験片（１）、（２）と比較例のそ
れぞれについて、回転曲げ疲労限、衝撃値および残留オ
ーステナイトｆｆｉなどを調べた結果を第２表に示す。

残留オーステナイｌ−量の測定は顕微鏡による観察とＸ
線回折法によって求めた。

第　　２　　表 結果から、本発明に係わる焼結鋼は比較例と対比して疲
労限強度、衝撃値が著しく向上している。また、ショト
ピーニングを施すと疲労限強度が約１０％向上できる。

実施例２ 第１表のＮｏ、　１〜４配合の合金鉄粉を６ｔ／ｃ＋Ｉ
ｌの加圧力で成型し、１０−”ｔｏｒｒ以下の真空雰囲
気中、８５０℃Ｘ６０分の条件で焼結した後、更に焼結
体をプレスで６ｔ／ａｌｌの加圧力で再圧縮成型し、１
０−２ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気中、１２５０℃×６０
分の焼結条件で焼結した。得られた焼結鋼を実施例１と
同一条件で浸炭、浸窒処理を施して本発明の焼結鋼試験
片（３）　、　（４）　、　（５）　、　（６）を得た
。

なお、第１表のＮｏ、　１の合金鉄粉を用いて浸窒処理
を施さないほかは、同一の条件で処理したものを比較例
とした。

得られた試験片と比較例について、第２表と同様な特性
値を調べた結果を第３表に示す。

第　　３ 表 結果から、焼結工程で再圧縮成型再焼結を行うと、比較
例とくらべて同一焼結混合粉であっても著しく疲労限強
度、衝撃値のいずれもの値が向上できることがわかる。

比較例では、残留オーステナイトの生成が少なく、疲労
限の向上がみられない。

実施例３ 第１表のＮｏｌの合金鉄粉（神鋼アトメル４６００）に
０．８ｗｔχの黒鉛粉（ロンザ社製ＫＳ６）と０．５ｗ
Ｌχのアクラワックス（潤滑剤）を添加した混合粉を金
型に入れ、実施例１と同一条件で焼結した。

得られた焼結鋼を機械加工してＪＩ３２号の回転曲げ疲
労試験片とし、１０％アンモニヤ分解ガス雰囲気中、８
００℃Ｘ４時間の条件で浸窒処理のみを行い、直接１３
０℃の油中で焼入れし、４００’ＣＸ　３時間の焼戻し
処理をして焼結鋼試験片（７）を得た。

前記処理条件中、浸窒処理を行わないものを比較例とし
た。

得られた試験片について、第２表と同様な特性値を調べ
た結果を第４表に示す。

第４表 手 続 １、事件の表示 ２、発明の名称 ３、補正をする者 事件との関係 住　所（居所） 氏　名（名称） ４、代理人 住　　　所 特願平２−１４３８１号 高強度焼結鋼およびその製造方法 大阪市西区新町１丁目４番２１号 ネ市　正　書（自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　炭素を含む合金鋼粉末および／または炭素を含まな
   い合金鉄粉末と黒鉛粉との混合粉末を所定形状に成形加
   圧し、高温の非酸化雰囲気で焼結する高強度焼結鋼にお
   いて、 焼結後、６００℃以上の温度で浸窒または浸炭浸窒処理
   して焼結体中に窒素原子を拡散し、次いでＡ＿１変態線
   以上の温度からの急冷によって焼結体表面層および空隙
   部に容積比で３０〜９５ｖｏｌ％範囲の残留オーステナ
   イト組織を形成させたことを特徴とする高強度焼結鋼。 ２　高強度焼結鋼の表面層にショットピーニングによる
   圧縮残留応力を形成させた請求項１に記載の高強度焼結
   鋼。 ３　炭素を含む合金鋼粉末および／または炭素を含まな
   い合金鉄粉末と黒鉛粉末との混合粉末を成形加圧する工
   程、 成形加圧された成形体を非酸化雰囲気中で焼結させる工
   程、または前記、非酸化雰囲気中で焼結させる工程後に
   焼結鋼を再圧縮成形して非酸化雰囲気中で焼結させる工
   程、 ６００℃以上の温度で焼結鋼を浸窒または浸炭浸窒する
   工程および Ａ＿１変態線以上の温度から焼結鋼を急冷し、焼戻しす
   る工程 を有することを特徴とする高強度焼結鋼の製造方法。 ４　前記炭素を含む合金鋼粉末が、０．０５〜１．５ｗ
   ｔ％ケイ素、０．５〜２．０ｗｔ％クロム、０．５〜５
   ．０ｗｔ％ニッケル、０．１〜１．０ｗｔ％モリブデン
   、０．１〜２．０ｗｔ％マンガン分のうちの１種または
   ２種以上を含有し、残部が鉄および不可避不純物ならび
   に炭素を有する組成である請求項１または３に記載のも
   の。 ５　前記炭素を含まない合金鉄粉末と黒鉛粉との混合粉
   末が、０．１〜１．０ｗｔ％炭素に加えて０．０５〜１
   ．５ｗｔ％ケイ素、０．５〜２．０ｗｔ％クロム、０．
   ５〜５．０ｗｔ％ニッケル、０．１〜１．０ｗｔ％モリ
   ブデン、０．１〜２．０ｗｔ％マンガン分のうちの１種
   または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避不純物
   を有する組成である請求項１または３に記載のもの。