CN111902556A

CN111902556A - 粉末冶金用合金钢粉及粉末冶金用铁基混合粉末

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Publication number: CN111902556A
Application number: CN201980020422.6A
Authority: CN
Inventors: 那须菜穗; 高下拓也; 小林聪雄
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: EP3778963B1; JP6645631B1; EP3778963A1; US11236411B2; EP3778963A4; JPWO2019188833A1; CN111902556B; WO2019188833A1; US20210002748A1; KR20200128157A; KR102383515B1

Abstract

本发明提供不含昂贵的Ni、易氧化的Cr、Mn、压缩性优异且能够获得烧结态下即具有高强度的烧结部件的粉末冶金用合金钢粉。粉末冶金用合金钢粉具有下述成分组成，其含有Mo：0.5～2.0质量％及Cu：1.0～8.0质量％，余量为Fe及不可避免的杂质，粉末冶金用合金钢粉具有FCC相的体积分率为0.5～10.0％的显微组织。

Description

粉末冶金用合金钢粉及粉末冶金用铁基混合粉末

技术领域

本发明涉及粉末冶金用合金钢粉，特别是涉及压缩性优异且能够获得烧结态(as-sintered)下即具有高强度的烧结部件的粉末冶金用合金钢粉。另外，本发明涉及含有所述粉末冶金用合金钢粉的粉末冶金用铁基混合粉末。

背景技术

粉末冶金技术为能够以与产品形状非常接近的形状(所谓的近净成形)来造形出复杂形状部件的方法，其被用于以汽车部件为代表的多种部件的制造。

近年来，要求汽车部件等的小型化、轻量化，因此强烈要求使用粉末冶金制造的烧结体的进一步的高强度化。另外，随着全球低成本化要求的提高，在粉末冶金的技术领域中，低成本且高品质的粉末冶金用合金钢粉的需求也升高。

对于许多粉末冶金用合金钢粉而言，通过添加以Ni为代表的多种合金元素来谋求高强度化。尤其是，Ni为淬硬性提高元素且不易固溶强化、成形时的压缩性良好，因此被广泛使用。另外，Ni不易氧化，因此无需特别考虑制备合金钢粉时的热处理气氛，且Ni为容易处理的元素也是其被使用的原因之一。

例如，在专利文献1中，为了实现高强度化，提出了作为合金元素而添加有Ni、Mo及Mn的合金钢粉。

另外，在专利文献2中，提出了将含有Cr、Mo及Cu等合金元素的合金钢粉与经减量的C混合使用。

在专利文献3中，提出了将含有Ni、Cr、Mo及Mn等合金元素的合金钢粉与石墨粉等混合使用的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2010-529302号公报

专利文献2:日本特开2013-204112号公报

专利文献3:日本特表2013-508558号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，Ni不仅成本高，而且具有供给不稳定且价格变化大的缺点。因此，Ni的使用不适于低成本化，不含Ni的合金钢粉的需求升高。

从而，考虑取代Ni而添加其他合金元素来提高淬硬性。但是，在添加Ni以外的合金元素的情况下，虽然淬硬性提高，但由于该合金元素的固溶强化而使得合金钢粉的成形时的压缩性降低，其结果，存在烧结体的强度无法提高的困境。

另外，提出了作为Ni以外的合金元素而使用Cr、Mn。但是，Cr及Mn易氧化，因此会在烧结中发生氧化，烧结体的机械特性下降。因此，要求取代易氧化的Cr、Mn而使用不易氧化的元素。

此外，在粉末冶金中，在制造高强度部件的情况下，通常在对粉末进行成形、烧结后进行热处理来提高强度。但是，烧结后进行热处理这样的两次加热处理导致制造成本增加，因此前述工艺无法满足低成本化的需要。因此，为了实现进一步的低成本化，要求烧结体即使不进行热处理也能在烧结态下具有优异的强度。

基于以上理由，要求满足下述(1)～(4)的全部要件的合金钢粉。

(1)不含昂贵的Ni。

(2)压缩性优异。

(3)不含易氧化的元素。

(4)烧结体在“烧结态”(未实施进一步的热处理的状态)下具有优异的强度。

对于上述专利文献1、3中提出的合金钢粉而言，由于含有Ni而不满足上述(1)的要求。另外，专利文献1～3中提出的合金钢粉含有作为易被氧化的元素的Cr、Mn而不满足上述(3)的要求。

此外，在专利文献2中，通过将C量减少为特定的范围来提高成形时的混合粉的压缩性。但是，专利文献2中的方法只不过是通过减少与合金钢粉混合的C(石墨粉等)的量来提高混合粉的压缩性，无法提高合金钢粉自身的压缩性。因此，该方法无法满足上述(2)的要求。另外，在专利文献2的方法中，为了补偿因C量减少导致的强度降低，需要将烧结后的淬火中的冷却速度设为2℃/s以上。为了进行这种冷却速度的控制，需要进行制造设备的改造，制造成本增加。

另外，在专利文献3所提出的方法中，为了提高烧结体的机械特性，需要在烧结后进行渗碳、淬火、回火等热处理。因此不满足上述(4)的要件。

如上所述，目前尚未开发出满足上述(1)～(4)的全部要件的粉末冶金用合金钢粉。

本发明是鉴于上述情况做出的，目的在于提供能够获得不含昂贵的Ni、易氧化的Cr、Mn、压缩性优异且烧结态下即具有高强度的烧结部件的粉末冶金用合金钢粉。另外，本发明目的在于提供含有所述粉末冶金用合金钢粉的粉末冶金用铁基混合粉末。

用于解决课题的手段

本发明是为了解决上述课题而提出的，其要旨构成如下。

1.粉末冶金用合金钢粉，其具有下述成分组成：所述成分组成含有：

Mo：0.5～2.0质量％及

Cu：1.0～8.0质量％，

余量为Fe及不可避免的杂质，

所述粉末冶金用合金钢粉具有FCC相的体积分率为0.5～10.0％的显微组织。

2.粉末冶金用铁基混合粉末，其含有：

上述1所述的粉末冶金用合金钢粉；

相对于所述粉末冶金用铁基混合粉末整体而言为0.2～1.2质量％的石墨粉。

3.根据上述2所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其还含有相对于所述粉末冶金用铁基混合粉末整体而言为0.5～4.0质量％的Cu粉。

发明效果

本发明的粉末冶金用合金钢粉不含作为昂贵的合金元素的Ni，因此能够廉价地制造。另外，本发明的粉末冶金用合金钢粉不含Cr、Mn等易氧化的合金元素，因此不会出现由合金元素的氧化引起的烧结体的强度降低。此外，基于Mo及Cu所具有的淬硬性提高效果、以及由以特定的体积分率使FCC(face-centered cubic；面心立方)相存在所带来的合金钢粉的压缩性提高效果，能够制造无需烧结后的热处理即具有优异的强度的烧结体。

具体实施方式

[粉末冶金用合金钢粉]

[成分组成]

接下来，具体地说明实施本发明的方法。在本发明中，重要的是粉末冶金用合金钢粉(以下，有时简称为“合金钢粉”)具有上述成分组成。因此，首先，说明按照上述方式限定本发明中合金钢粉的成分组成的理由。需要说明的是，关于成分组成的“％”，若无特别说明则表示“质量％”。

为了同时满足低成本的要求和淬火状态下即具有充分强度的要求，需要取代Ni而使用具有与Ni同等或更优异的特性的合金元素。因此，要求上述合金元素具有能够代替Ni的优异的淬硬性。淬硬性提高元素所具有的淬硬性提高效果的程度从高到低依次为Mn＞Mo＞P＞Cr＞Si＞Ni＞Cu＞S。

此外，在通常的合金钢粉的制造中，在通过雾化法等制造粉末后，对所述粉末实施用于还原的热处理(最终还原)。因此，要求合金钢粉中含有的合金元素容易在通常的最终还原条件下被还原。对于在作为最终还原的通常的条件的950℃、H₂气氛中的还原难易度而言，从高到低依次为Mo＞Cu＞S＞Ni。

因此，Mo及Cu的淬硬性均与Ni同等或高于Ni、且具有与Ni相比容易进行H₂还原的性质。因此，本发明的合金钢粉作为合金元素取代Ni而含有Mo及Cu。

Mo：0.5～2.0％

Mo如上所述为淬硬性提高元素。为了充分发挥淬硬性提高效果，需要添加0.5％以上的Mo。因此将合金钢粉的Mo含量设为0.5％以上，优选设为1.0％以上。另一方面，若Mo含量超过2.0％，则由于高合金化而冲压时的合金钢粉的压缩性降低、成形体密度降低。其结果，由淬硬性提高实现的强度上升被由密度降低引起的强度降低抵消，结果为烧结体的强度降低。因此，Mo含量设为2.0％以下，优选设为1.5％以下。

Cu：1.0～8.0％

Cu与Mo同样地也为淬硬性提高元素。为了充分发挥淬硬性提高效果，需要添加1.0％以上的Cu。因此，将合金钢粉的Cu含量设为1.0％以上，优选设为2.0％以上，更加优选设为3.0％以上。另一方面，根据Fe-Cu系状态图，能够确认在Cu含量超过8.0％的情况下，Cu在1096℃以上熔融。在最终还原时，粉末被加热至1000℃左右，因此为了防止最终还原时的Cu的熔融，Cu含量设为8.0％以下，优选设为6.0％以下，更加优选设为4.0％以下。

本发明的粉末冶金用合金钢粉具有以上述范围含有Mo及Cu且余量为Fe及不可避免的杂质的成分组成。

作为上述不可避免的杂质并无特别限定，能够含有任意元素。作为上述不可避免的杂质，例如能够含有从由C、S、O、N、Mn、Cr组成的组中选择的一种或两种以上。作为不可避免的杂质的所述元素的含量并无特别限定，但优选各自独立地为以下范围。通过将这些杂质元素的含量设为以下范围，从而能够进一步提高合金钢粉的压缩性。

C：0.02％以下

O：0.3％以下，更加优选为0.25％以下

N：0.004％以下

S：0.03％以下

Mn：0.5％以下

Cr：0.2％以下

[显微组织]

在本发明中，粉末冶金用合金钢粉具有FCC相的体积分率为0.5～10.0％的显微组织是重要的。FCC相为软质，因此能够通过存在FCC相来提高合金钢粉自身的压缩性。若压缩性提高，则成形体的密度提高，其结果，烧结体的强度也提高。为了获得前述效果，将FCC相的体积分率设为0.5％以上，优选设为1.5％以上，更加优选设为2.5％以上。另一方面，在FCC相的体积分率高于10.0％的情况下能够获得成形密度及烧结密度的提高效果，但由于FCC相的增加所引起的组织的软质化，拉伸强度降低。因此，FCC相的体积分率设为10.0％以下，优选设为8.0％以下，更加优选设为4.0％以下。

所述FCC相的体积分率能够通过X射线衍射法测定。具体来说，根据衍射谱求出Cu的FCC相的面即(200)面及(220)面的峰值面积I_FCC、和Fe的BCC相的面即(200)面及(211)面的峰值面积I_α，以FCC相的体积分率＝I_FCC/(I_FCC+I_α)×100(％)来算出。需要说明的是，由于Cu的与FCC相对应的峰值和Fe的与FCC相对应的峰值重叠且通常无法分离，因此按照上述方式求出的FCC相的体积分率能够视为Cu与Fe的FCC相的体积分率之和。

需要说明的是，对于所述FCC相的体积分率而言，如后所述，能够在合金钢粉的制造中通过对最终还原时的冷却速度进行控制来调节。

[粉末冶金用铁基混合粉末]

本发明一实施方式的粉末冶金用铁基混合粉末(以下存在简称为“混合粉末”的情况)含有上述粉末冶金用合金钢粉和作为合金用粉末的石墨粉。另外，其他实施方式的混合粉末含有上述粉末冶金用合金钢粉和作为合金用粉末的石墨粉及Cu粉。以下，说明粉末冶金用铁基混合粉末中含有的各成分。需要说明的是，在以下的说明中，混合粉末中含有的合金用粉末的添加量若无特别说明，则以该合金用粉末的质量相对于该混合粉末整体的质量(其中不包括润滑剂)的比例(质量％)表示。换言之，混合粉末中的合金用粉末的添加量以该合金用粉末的质量相对于合金钢粉和合金用粉末的合计质量的比例(质量％)表示。

[粉末冶金用合金钢粉]

本发明的粉末冶金用铁基混合粉末作为必需成分包含具有上述的成分组成及显微组织的粉末冶金用合金钢粉。因此，所述混合粉末含有来自于所述合金钢粉的Fe。需要说明的是，在此处，“铁基”一词表示以该混合粉末中含有的Fe的质量相对于所述混合粉末整体的质量而言的比例定义的Fe含有率(质量％)为50％以上。需要说明的是，优选所述Fe含有率设为80％以上，更加优选设为85％以上，进一步优选设为90％以上。所述混合粉末中含有的Fe也可以全部来自于所述合金钢粉。

[石墨粉]

石墨粉：0.2～1.2％

构成石墨粉的C在烧结时固溶于Fe，通过固溶强化、淬硬性提高而使烧结体的强度进一步提高。在作为合金用粉末使用石墨粉的情况下，为了获得前述效果，将石墨粉的添加量设为0.2％以上，优选设为0.4％以上，更加优选设为0.5％以上。另一方面，若石墨粉的添加量超过1.2％，则由于过共析而析出大量渗碳体，烧结体的强度反而降低。因此，在使用石墨粉的情况下，将石墨粉的添加量设为1.2％以下，优选设为1.0％以下，更加优选设为0.8％以下。

[Cu粉]

Cu粉：0.5～4.0％

本发明一实施方式的粉末冶金用铁基混合粉末还能够任意地含有Cu粉。Cu粉具有通过淬硬性提高来提高烧结体的强度的效果。另外，Cu粉在烧结时熔融而变为液相，还具有使合金钢粉的粒子相互固着的作用。在作为合金用粉末使用Cu粉的情况下，为了获得前述效果，将Cu粉的添加量设为0.5％以上，优选设为0.7％以上，更加优选设为1.0％以上。另一方面，若Cu粉的添加量超过4.0％，则由于Cu的膨胀引起的烧结密度降低而使得烧结体的拉伸强度降低。因此，在使用Cu粉的情况下，Cu粉的添加量设为4.0％以下，优选设为3.0％以下，更加优选设为2.0％以下。

在本发明的一实施方式中，上述粉末冶金用铁基混合粉末也可以由上述合金钢粉和石墨粉形成。另外，在其他实施方式中，上述粉末冶金用铁基混合粉末也可以由上述合金钢粉、石墨粉和Cu粉形成。

[润滑剂]

在本发明的一实施方式中，上述粉末冶金用铁基混合粉末还能够任意地含有润滑剂。通过添加润滑剂，从而能够容易地将成形体从模具中取出。

作为所述润滑剂，能够使用任意材料而没有特别限定。作为所述润滑剂，例如能够使用从由脂肪酸、脂肪酸酰胺、脂肪酸双酰胺及金属皂组成的组中选择的一种或两种以上。其中，优选硬脂酸锂、硬脂酸锌等金属皂或亚乙基双硬脂酸酰胺等酰胺类润滑剂。

所述润滑剂的添加量并无特别限定，但从进一步提高润滑剂的添加效果的观点出发，优选设为相对于合金钢粉和合金用粉末的合计100质量份而言为0.1质量份以上，更加优选设为0.2质量份以上。另一方面，通过该将润滑剂的添加量设为相对于合金钢粉和合金用粉末的合计100质量份而言为1.2质量份以下，从而能够减少非金属占混合粉末整体的比例，进一步提高烧结体的强度。因此，优选润滑剂的添加量设为相对于合金钢粉和合金用粉末的合计100质量份而言为1.2质量份以下。

在本发明的一实施方式中，上述粉末冶金用铁基混合粉末也可以由上述合金钢粉、石墨粉及润滑剂形成。另外，在其他实施方式中，上述粉末冶金用铁基混合粉末也可以由上述合金钢粉、石墨粉、Cu粉及润滑剂形成。

[合金钢粉的制造方法]

接下来，说明本发明一实施方式的粉末冶金用合金钢粉的制造方法。

本发明的粉末冶金用合金钢粉并无特别限定，能够以任意的方法制造，但优选使用雾化法来制造。换言之，本发明的粉末冶金用合金钢粉优选为雾化粉。以下说明使用雾化法制造合金钢粉的情况。

[雾化]

首先，制备以上述的量含有Mo及Cu的钢液，通过雾化法使所述钢液成为原料粉(生粉；raw powder)。作为所述雾化法，能够使用水雾化法及气雾化法中的任意，从生产率的观点出发，优选使用水雾化法。换言之，本发明的粉末冶金用合金钢粉优选为水雾化粉。

[干燥·分级]

接下来，根据需要(任意地)使通过雾化法制造的粉末干燥，然后进行分级。在前述分级中，优选使用从由JIS Z 8801规定的网眼尺寸为180μm的筛网(80目)中穿过的粉末。

[最终还原]

然后，实施最终还原(热处理)。通过所述最终还原进行合金钢粉的脱碳、脱氧、脱氮。进行所述最终还原时的气氛优选设为还原性气氛，更加优选在氢气氛中进行。在所述热处理中，优选在升温后在均热带中保持为规定的均热温度，然后降温。所述均热温度优选设为800℃～1000℃。在低于800℃时，合金钢粉的还原不充分。另外，若在高于1000℃时，则烧结过度进行，因此在最终还原后实施的破碎变得困难。另外，合金钢粉的脱碳、脱氧、脱氮在1000℃以下能够充分进行，因此从低成本化的观点出发，也优选将均热温度设为800℃～1000℃。

另外，所述最终还原的降温过程中的冷却速度设为20℃/min以下，优选设为10℃/min以下。若所述冷却速度为20℃/min以下，则能够使FCC相以期望的量析出到最终还原后的合金钢粉的组织中。

[粉碎·分级]

最终还原后的合金钢粉成为粒子彼此烧结而固结的状态。因此，为了形成为期望的粒度，优选进行粉碎并进一步通过筛分分级为180μm以下。

[混合粉末的制造方法]

此外，在制造粉末冶金用铁基混合粉末时，根据需要，在通过上述步骤得到的合金钢粉中添加、混合石墨粉、Cu粉及润滑剂等。

[烧结体的制造方法]

本发明的合金钢粉及混合粉末并无特别限定，能够以任意的方法形成为烧结体。以下说明烧结体的制造方法的一例。

首先，在模具中填充粉末并加压成形。此时的加压力优选设为400MPa～1000MPa。若所述加压力低于400MPa，则成形体的密度很低，烧结体的强度低下。若所述加压力高于1000MPa，则模具的负担增加，模具寿命缩短，失去经济方面的优点。所述加压成形时的温度优选设为常温(大约20℃)～160℃。也可以在上述加压成形之前，在粉末冶金用混合粉末中进一步添加润滑剂。在该情况下，优选将添加润滑剂后的粉末冶金用混合粉末中含有的最终的润滑剂的量相对于合金钢粉和合金用粉末的合计100质量份而言设为0.1～1.2质量份。

接下来，对所得到的成形体进行烧结。烧结温度优选设为1100～1300℃。若所述烧结温度为1100℃以下，则烧结不会充分地进行。另一方面，烧结在1300℃以下充分进行，另外，若烧结温度高于1300℃，则制造成本增加。烧结时间优选15分钟～50分钟。若烧结时间短于15分钟，则烧结未充分地进行，导致烧结不足。另一方面，烧结在50分钟以内充分进行，若烧结时间长于50分钟，则成本显著增加。在烧结后的降温过程中，优选在烧结炉中以20℃/min～40℃/min的冷却速度进行冷却。该冷却速度为通常的烧结炉的冷却速度。

实施例

接下来，基于实施例进一步具体地说明本发明。以下的实施例示出本发明的优选的一例，本发明不受该实施例的任何限定。

(实施例1)

通过水雾化法来制造具有以表1中示出的量含有Mo及Cu且余量为Fe及不可避免的杂质的成分组成的合金钢粉(预合金钢粉)。接下来，针对所得到的合金钢粉(水雾化粉)实施最终还原，得到粉末冶金用合金钢粉。在所述最终还原中，在氢气氛中均热至950℃，然后以10℃/min的速度进行冷却。

通过上述方法对所得的粉末冶金用合金钢粉中的FCC相的体积分率进行测定。将测定结果一并示于表1。

接下来，在最终还原后的合金钢粉中添加作为合金用粉末的石墨粉及作为润滑剂的亚乙基双硬脂酸酰胺(EBS)，使用高速混合机进行加热混合，以得到粉末冶金用铁基混合粉末。石墨粉的添加量以石墨粉的质量相对于合金钢粉和石墨粉的合计质量的比例计设为0.5质量％。另外，EBS的添加量相对于合金钢粉和合金用粉末的合计100质量份而言设为0.5质量份。

将所得到的粉末冶金用铁基混合粉末以成形压力：686MPa进行成形，得到外径38mm、内径25mm、高度10mm的环状成形体和JIS Z 2550中规定的平板状成形体。作为粉末的压缩性的指标，根据所得到的环状成形体的所述尺寸和重量计算密度(成形密度)。将测定结果一并示于表1。

接下来，将所述成形体在RX气(丙烷改性气体)气氛中于1130℃×20分钟的条件进行烧结，测定所得到的烧结体的外径、内径、高度及重量并计算密度(烧结密度)。将测定结果一并示于表1。

此外，使用对所述平板状成形体进行烧结而得到的烧结体制作试验片，并测定烧结体的拉伸强度。将测定结果一并示于表1。

[表1]

(实施例2)

除了改变最终还原后的冷却速度以外，以与实施例1相同的条件制造合金钢粉、混合粉末、成形体及烧结体，并进行与实施例1相同的评价。将制造条件及评价结果示于表2。

[表2]

(实施例3)

除了改变混合粉中的Cu粉的添加量以外，以与实施例1相同的条件制造合金钢粉、混合粉末、成形体及烧结体，并进行与实施例1相同的评价。将制造条件及评价结果示于表3。需要说明的是，表3中示出的石墨粉的添加量为石墨粉的质量相对于合金钢粉和合金用粉末的合计质量的比例。另外，表3中示出的Cu粉的添加量为Cu粉的质量相对于合金钢粉和合金用粉末的合计质量的比例。

[表3]

根据表1～3中示出的结果可知，在满足本发明的条件的发明例中，能够得到因FCC相的析出而成形密度增加且烧结态下拉伸强度为800MPa以上的烧结体。

Claims

1.粉末冶金用合金钢粉，其具有下述成分组成，所述成分组成含有：

Mo：0.5～2.0质量％及

Cu：1.0～8.0质量％，

余量为Fe及不可避免的杂质，

2.粉末冶金用铁基混合粉末，其含有：

权利要求1所述的粉末冶金用合金钢粉；和

3.根据权利要求2所述的粉末冶金用铁基混合粉末，其还含有相对于所述粉末冶金用铁基混合粉末整体而言为0.5～4.0质量％的Cu粉。