JP2007182593A - 高窒素焼結合金鋼の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末射出成形法を用いて、耐食性に優れ、高強度の高窒素焼結合金鋼の製造方法を提供する。
【解決手段】目的とする合金粉末（或いは鉄粉末）に窒素供給源である金属窒化物（目的とする焼結後の合金成分によっては１〜数種類の金属窒化物を混合する）及び金属粉末射出成形に必要な熱可塑性バインダーを混合・混練し、合金粉末（或いは鉄粉末）と金属窒化物が均一に混合した組成物を作製し、該組成物を原料コンパウンドとし、金属粉末射出成形機にて成形体を形成し、この成形体を脱脂・焼結することにより所望形状の高窒素焼結合金鋼を製造する方法で前記課題を達成できる。

Description

本発明は、高強度で耐食性に優れた高窒素焼結合金鋼の製造方法に関するものである。

海水等の腐食性環境に使用される材料としてオーステナイト系ステンレス鋼が一般に用いられているが、さらなる耐食性の向上のために、オーステナイト生成元素であるＮが添加されている。又、Ｎは高温に於ける引張強度を高める元素としても添加されている。

Ｎを添加する方法として、従来の粉末冶金法（加圧成形・焼結）により、鉄系粉末に金属窒化物（特開昭５６−７７３６０）、或いは窒化物を形成しやすい合金元素（特開平５−２７９８１４）を添加し、窒素ガス雰囲気中で焼結する方法。

小型複雑形状の高窒素ステンレス鋼を製造する場合。ステンレス鋼粉末を用いた射出成形体を真空焼結しその後、窒素を含む不活性混合ガス雰囲気中で加圧焼結の二段焼結する（特公平７−１７９８３）方法。

オーステナイト鋼形成成分の各微粉末をボールミル等によるメカニカルアロイング処理を施し、圧延、放電プラズマ焼結等により、高窒素ナノ結晶オーステナイト鋼を製造する（特開２００４−１３７６００）方法等が開示されているが、今後、小型複雑形状で高強度、高耐食性、抗人体アレルギー性及び低コストの金属部品が望まれている。
特開２００４−１３７６００ 特公平７−１７９８３ 特開平５−２７９８１４ 特開昭５６−７７３６０

小型複雑形状の金属部品を金属粉末射出成形法によって工業的に製造する場合、真空雰囲気或いは還元性雰囲気中にて焼結を行うが、一般的には取り扱いの容易な真空雰囲気が用いられる。高密度の焼結体を得ようとすれば高温度焼結を行うため、焼結体中のクロム或いは銅元素が表面から蒸発し、その蒸発量と伴に耐食性及び強度が低下する。その改善方法として（特公平７−１７９８３）の高温焼結中のクロム或いは銅元素の蒸発を防止或いは焼結中に窒素を添加する方法が提供されている。しかし、その工程の複雑さ、或いは雰囲気制御の難しさ等もあり、高耐食性の効果は少ない。

溶製材では窒素の添加に伴い耐食性、耐孔食性、耐隙間腐食性が向上するがその製造工程の制約から最大で１．０％程度の添加量に止まっている。

従来のプレス成形法による場合、使用する金属窒化物粉末の硬さが原因でその添加量も限定され、高窒素焼結合金鋼の窒素含有量が制限され、且つ、小型複雑形状の生産にはコスト高となる。

従来のブレス成形法による場合、混合する粉末の比重差が大きい場合、均一に混合する事は困難であり、焼結体中の窒素の拡散・析出に不均一が生ずることにより耐食性が低下する。

メカニカルアロイング等により混合粉末を均一に混合し、混合粉末の結晶を微細化した後、熱間静水圧プレス或いは混合粉末を金属容器に充填し焼結、熱間鍛造、熱間圧延等により、固化成形を行う、ナノ結晶オーステナイト鋼バルク材の製造方法が提供され、高窒素焼結合金が製造されているが、小型複雑形状の部品には適応が難しい。

前記課題を解決する為に、原料粉末として１０Ｖｏｌ％以上の金属窒化物粉末（一種類或いは必要に応じて数種類）と９０Ｖｏｌ％以下の合金粉末（或いは鉄粉末）を用い、該原料粉末と金属粉末射出成形に必要な熱可塑性バインダーを混合・混練し、金属窒化物粉末が均一に分散・混合した組成物を原料コンパウンドとし、金属粉末射出成形機にて成形体を形成し、この成形体を脱脂・焼結することにより、小型複雑形状で高耐食・高強度の高窒素焼結合金鋼を製造する方法である。

原料粉末として、１０Ｖｏｌ％以下の金属窒化物（一種類或いは必要に応じて数種類）を混合した場合、必要とする耐食性と高強度が得られない。

本発明の金属粉末射出成形法による高窒素焼結合金鋼の製造方法によれば、メカニカルアロイングの様な混合粉末の前処理の必要が無く、金属窒化物粉末（一種類或いは必要に応じて数種類）及び合金粉末（或いは鉄粉末）の混合量及び混合成分に制限も無く、所望の成分及び量を均一に混合できる。

本発明の金属粉末射出成形法による高窒素焼結合金鋼の製造方法によれば、プレス成形法及びキャニング等に伴う形状に制限は無く、焼結中の雰囲気制御の必要も無く、低コストにて小型複雑形状で生体親和性のある高強度・高耐食性の機能を持つ高窒素焼結合金鋼が製造できる。

以下に、具体的な実施例を挙げて詳細に説明する。使用する粉末は水アトマイズ法によって作製されたＳＵＳ３１６Ｌで、比較材として用いたＳＵＳ３１６Ｌ粉末と同一ロットである。窒素供給源の一例としてＣｒ２Ｎ粉末を用いた。両粉末の混合比はＳＵＳ３１６Ｌ ８０Ｖｏｌ％とＣｒ２Ｎ ２０Ｖｏｌ％で、この混合粉末を原料粉末とする。両者の化学成分を表１に示す。

本実施例の高窒素焼結合金鋼の耐食性及び硬さを比較する比較材は金属粉末射出成形法にて作製されたものであり、その出発原料粉末の化学成分を同じく表１に示す。

金属粉末射出成形に必要な流動性を付与する為に用いたバインダーの配合比はポリプロピレン４０Ｖｏｌ％、ビスフタレート５Ｖｏｌ％、パラフィンワックス４７Ｖｏｌ％、カルナバワックス８Ｖｏｌ％である。

本実施例の混合原料粉末及び比較材のＳＵＳ３１６Ｌ及びＳＵＳ６３０の原料粉末、各々６６Ｖｏｌ％と前記バインダー３６Ｖｏｌ％とを混練して、原料コンパウンドとした。本実施例及び比較材の混練条件は同一とし、混練温度は１６５℃、混練時間は６０分である。

シリンダー温度１６５℃、射出圧力５９ＭＰａ、金型温度３０℃の条件で射出成形した。

脱脂は大気雰囲気にて、常温から３２０℃まで３５時間で昇温し、３２０℃で３時間保持した後炉冷した。

真空雰囲気で、１３００℃まで１４時間で昇温し、１３００℃で４時間保持した後、窒素ガスで急冷した。

本実施例の高窒素合金鋼の強度特性の一つとして焼結後の硬さの比較を行った。但し、ＳＵＳ６３０は焼入れ・時効後の硬さを測定した。本実施例と比較材の硬さの相違を表２に示す。硬さ測定はビッカース硬さ計で付加荷重５００ｇ、荷重保持時間２０Ｓｅｃの条件で実施した。

表２に示されるように、本実施例の硬さはＳＵＳ３１６ＬとＳＵＳ６３０の中間の硬さを示しており、Ｃｒ２Ｎを２０Ｖｏｌ％添加することで、ＳＵＳ３１６Ｌより強度が向上している。

焼結材の腐食試験後の結果を表２に示す。腐食条件はＪＩＳ Ｇ０５７４ ステンレス鋼の硝酸・ふっ化水素酸腐食試験方法に準じて行った。

腐食試験に用いた試料は同一の金型にて成形・焼結したものであり、表面積は同一であり、複雑形状の為、腐食減量で比較した。又、本実施例及びＳＵＳ３１６Ｌは焼結まま、ＳＵＳ６３０は焼入れ・時効後の試料を用いた。

表２の如く本実施例はＳＵＳ３１６Ｌに比べ約１桁低い腐食減量となっている。又、ＳＵＳ６３０と比較すると２桁若の腐食減量となり、耐食性に優れた高窒素合金鋼といえる。

Claims (2)

1. 原料粉末として１０Ｖｏｌ％以上の金属窒化物粉末（一種類或いは必要に応じて数種類）と９０Ｖｏｌ％以下の合金粉末（或いは鉄粉末）を用い、該原料粉末と金属粉末射出成形に必要な熱可塑性バインダーを混合・混練し、金属窒化物粉末が均一に分散・混合した組成物を原料コンパウンドとし、金属粉末射出成形機にて成形体を形成し、この成形体を脱脂・焼結することにより、小型複雑形状で高耐食・高強度の高窒素焼結合金鋼を製造する製造方法。
2. 請求項１記載の方法にて製造された耐食性及び高強度の機能を持つ高窒素焼結合金鋼。