JP2011094187A

JP2011094187A - 高強度鉄基焼結体の製造方法

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Publication number: JP2011094187A
Application number: JP2009248790A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Unami; 繁宇波; Yukiko Ozaki; 由紀子尾▲崎▼
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】鉄基焼結体の強度を高めるための焼結処理と浸炭処理の最適な条件を確立して、高強度の鉄基焼結体を安定して製造する方法を提供する。
【解決手段】予合金としてのMn含有量：0.3質量％以下および予合金としてのMo含有量：0.2〜1.0質量％を含む鉄基粉末の表面に、Mo：0.05〜0.5質量％を拡散付着させ、かつ0.3〜0.5質量％の黒鉛粉を混合した合金鋼粉に、合金鋼粉100質量部に対して成形用潤滑剤：0.6質量部以下を混合して混合粉とし、得られた混合粉の加圧成形を行なった後、1200℃以上の温度で焼結を行ない、さらに850〜900℃の焼入れ加熱温度でガス浸炭焼入れ処理を行ない、次いで焼戻し処理を行なう。
【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金用鉄基焼結体の製造方法に関し、特に高強度の鉄基焼結体の製造方法に関するものである。

粉末冶金技術は、高い寸法精度や複雑な形状が求められる部品を、製品形状に極めて近い形状（ニアネット形状）に生産することを可能とし、大幅に切削コストを低減することを可能とする。このため、粉末冶金製品が各種の機械や装置の部品として、多方面に利用されている。
粉末冶金用鉄基粉末の成形体は、一般に、鉄基粉末に、銅粉，黒鉛粉などの合金用粉末と、さらにステアリン酸，ステアリン酸リチウム等の潤滑剤を混合して鉄基粉末混合粉とした後、これを金型に充填し、加圧成形して製造される。

ここで、鉄基粉末は成分により、鉄粉（純鉄粉など），合金鋼粉などに分類される。また、製法による分類ではアトマイズ鉄粉，還元鉄粉などがあり、この場合、鉄粉は合金鋼粉を含む広い意味で用いられる。
通常の粉末冶金工程で得られる成形体の密度としては、6.6〜7.1Mg／ｍ³が一般的である。粉末冶金製品（焼結部品）の高強度化に対しては、成形体の高密度化による粉末冶金製品の高密度化が有効であり、近年、7.1Mg／ｍ³以上の密度を有する成形体が開発されている。これらの成形体は、焼結処理を施されて焼結体となる。さらに高い強度が必要な場合は、焼結体に浸炭焼入れを施す。

粉末冶金製品の強度を向上させるためには高合金化が考えられるが、素材となる合金鋼粉が硬化して圧縮性が低下し、加圧成形における設備負担が増大するという問題が生じる。また合金鋼粉の圧縮性の低下は焼結体の密度低下を通じて高強度化を相殺する。したがって、圧縮性の低下を極力抑えつつ焼結体を高強度化する技術が求められる。
圧縮性を維持しつつ焼結体を高強度化する技術としては、焼入性を改善するNi，Cu，Mo等の合金元素を鉄基粉末に添加することが一般的に行われている。しかしながら、NiやCuは、近年の環境対応やリサイクル性の観点からは不利な元素であり、できるだけ使用を避けることが望ましい。

Moを主たる合金元素として、NiやCuを含まないMo系合金鋼粉もこれまで提案されている。
たとえば特許文献１に、本発明者らが開発した技術が開示されている。この技術は、予合金としてのMn含有量：0.5質量％以下および予合金としてのMo含有量：0.2〜1.5質量％を含む鉄基粉末の表面に、Mo含有粉末を付着させた粉末冶金用合金鋼粉であって、予合金としてのMo含有量〔Mo〕_P（質量％）とMoの平均含有量〔Mo〕_T（質量％）が下記の(1)式を満足する。そして、この合金鋼粉を用いて製造した焼結浸炭熱処理材は、高密度かつ高面圧疲労強度を有する。
0.05≦〔Mo〕_T−〔Mo〕_P≦0.8 ・・・(1)
しかしながらこの技術では、焼結処理や浸炭処理の最適な条件が未だ確立しておらず、安定して密度を高めることは困難であった。

特開2005-330573号公報

本発明は、鉄基粉末から得た焼結体（以下、鉄基焼結体という）の強度を高めるための焼結処理と浸炭処理の最適な条件を確立して、高強度の鉄基焼結体を安定して製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、予合金としてのMn含有量：0.3質量％以下および予合金としてのMo含有量：0.2〜1.0質量％を含む鉄基粉末の表面に、Mo：0.05〜0.5質量％を拡散付着させ、かつ0.3〜0.5質量％の黒鉛粉を混合した合金鋼粉に、合金鋼粉100質量部に対して成形用潤滑剤：0.6質量部以下を混合して混合粉とし、得られた混合粉の加圧成形を行なった後、1200℃以上の温度で焼結を行ない、さらに850〜900℃の焼入れ加熱温度でガス浸炭焼入れ処理を行ない、次いで焼戻し処理を行なう高強度鉄基焼結体の製造方法である。

本発明の高強度鉄基焼結体の製造方法においては、ガス浸炭焼入れ処理の焼入れ加熱温度における保持時間を90分以下とし、かつ雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを0.7〜0.9％とすることが好ましい。
またMoを拡散付着させる場合は、そのMo源となるMo含有粉末として、Mo含有化合物を鉄基粉末と混合しさらに還元して得られたものを使用することが好ましい。つまり鉄基粉末と混合することによって、Mo含有化合物が鉄基粉末の表面で還元されてMo含有粉末になるとともに、効率的にその鉄基粉末の表面に拡散付着することが可能となる。なおMo含有粉末は、市販のフェロモリブデンを粉末にしたものも好適に使用できる。あるいは純Mo金属粉末も使用できる。

鉄基粉末の上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。

本発明によれば、自動車エンジン等の用途に好適な高強度の鉄基焼結体を安定して製造できる。

本発明で使用する合金鋼粉は、Mo含有粉末のMoの一部が鉄基粉末の粒子中に拡散して、鉄基粉末の表面にMo含有粉末が拡散付着したものである。
鉄基粉末としては、いわゆるアトマイズ鉄粉が好ましい。アトマイズ鉄粉とは、合金成分を、目的に応じて調整した溶鋼を水ないしガスで噴霧して得られる鉄基粉末である。アトマイズ鉄粉は、通常、アトマイズ後に還元性雰囲気（例えば水素雰囲気）中で加熱して鉄粉中からＣとＯを低減させる処理を施す。しかし、本発明の原料としての鉄基粉末にはこのような熱処理を施さない、いわゆる「アトマイズまま」の鉄粉を用いることも可能である。

予合金として（すなわち予め合金成分として）鉄基粉末に含まれるMnは、合金鋼粉の質量に対して0.3質量％以下である。予合金としてのMn含有量が0.3質量％を超えると、鉄基粉末の粒子が硬くなってしまい、成形時に密度が上昇し難くなる。また、Mnは酸素との親和力が強いため、合金鋼粉の製造時，成形体の焼結時，鉄基焼結体のガス浸炭焼入れ時に酸化が生じ、強度を低下させてしまう。したがって、予合金として鉄基粉末に含まれるMnは0.3質量％以下とする必要がある。好ましくは0.25質量％以下である。

なお、Mnは若干の強化効果を有するので、意図的に上記の範囲内で含有せしめても良いが、材質上の理由で下限を設ける必要はない。しかし、製造コストを考慮した工業的な下限値は0.04質量％程度である。
予合金として鉄基粉末に含まれるMo含有量は、合金鋼粉の質量に対して0.2〜1.0質量％である。予合金としてのMo含有量が1.0質量％を超えても、焼入性向上の効果はさほど変わらず、経済的な観点からも不利となる。他方、予合金としてのMo含有量が0.2質量％未満では、焼入れ性が不足するので、焼結した後で焼入れ処理を施してもマルテンサイト相が生成しない。そのため、鉄基焼結体を焼入れ処理により高強度化することが困難となる。

鉄基粉末に拡散付着させるMo含有粉末としては、純Mo金属粉末または市販のフェロモリブデンを粉末にしたものが使用できる。また、Mo酸化物を還元性雰囲気で還元しながら拡散付着させても良い。
拡散付着は、鉄基粉末とMo含有粉末の混合物を還元性雰囲気中で高温に保持し、鉄基粉末とMo含有粉末の接触面でMoをFe中に拡散させる処理である。この処理によって、鉄基粉末の表面にMo含有粉末が付着して、合金鋼粉が得られる。

拡散付着したMoの量が合金鋼粉の質量に対して0.05質量％未満では、密度と強度を高める効果が得られない。一方、0.5質量％を超えても、密度向上，強度向上の効果はさほど変わらず、経済的な観点からも不利となる。したがって、Mo拡散付着量は0.05〜0.5質量％の範囲内を満足する必要がある。好ましくは0.1〜0.3質量％である。
得られた合金鋼粉に黒鉛粉を混合する。黒鉛粉中のＣ（炭素）は、焼結によって合金鋼粉中に固溶して焼入れ性を向上させ、鉄基焼結体の強度を高めるのに有効である。そのため、加圧成形を行なうに先立って合金鋼粉に黒鉛を混合する。合金鋼粉に固溶するＣ量は、合金鋼粉の質量に対して炭素換算で0.3〜0.5質量％の範囲内とする。合金鋼粉のＣ含有量が0.3質量％未満では、焼入れ性向上の効果が得られず、ガス浸炭焼入れ処理を行なっても強度の向上が期待できない。一方、0.5質量％を超えると、鉄基焼結体が脆化してしまい、強度が低下する。

合金鋼粉の上記した成分以外はFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物は、製造工程で不可避的に混入する不純物であるから、特に限定しない。ただし、たとえばＣ：0.02質量％以下，Ｏ：0.3質量％以下，Ｎ：0.004％質量以下，Si：0.03質量％以下，Ｐ：0.03質量％以下，Ｓ：0.03質量％以下，Al：0.03質量％以下が許容できる。
加圧成形に先立って、合金鋼粉に成形用潤滑剤を混合して混合粉とする。成形用潤滑剤の混合量は、合金鋼粉の100質量部に対して0.6質量部以下とする。成形用潤滑剤の混合量が0.6質量部を超えると、加圧成形で得られる成形体の密度が低下し、その結果、鉄基焼結体の密度の低下および強度の低下を招く。また、成形用潤滑剤の除去（いわゆる脱ろう）と焼結を連続して行なう場合、脱ろうによる生成物が焼結を阻害し易くなり、鉄基焼結体の強度の低下を招く。

成形用潤滑剤は、従来から知られている潤滑剤が使用できる。特に、ステアリン酸亜鉛，ステアリン酸リチウム，ステアリン酸カルシウム，エチレンビスステアロアミド等が好適である。これらの潤滑剤は、それぞれ単独で使用しても良いし、あるいは２種以上を併用しても良い。
この混合粉を加圧成形して成形体とする。加圧成形は、圧力：400〜1000MPa，温度：20〜160℃で行なうことが好ましい。また金型を50〜100℃に加熱する一方で混合粉加熱せず（室温のままで）加圧成形すると、成形体の密度が向上する。あるいは、混合粉と金型をともに120〜130℃に加熱して加圧成形（いわゆる温間成形）を行なっても良い。

得られた成形体に焼結処理を施して、鉄基焼結体とする。焼結雰囲気は、還元性の水素を含む窒素ガス雰囲気が好ましい。焼結温度は1200℃以上とする。焼結温度が1200℃未満では、焼結が十分に進行せず、鉄基焼結体の強度が低下する。焼結温度が高いほど、焼結体の強度は増加するが、焼結温度の上昇は焼結処理における燃料コストの増加を招く。そのため焼結温度は、鉄基焼結体の強度と燃料の消費量とのバランスを考慮して設定するのが好ましい。

得られた鉄基焼結体にガス浸炭焼入れ処理を施す。ガス浸炭焼入れ処理は、浸炭性雰囲気中で鉄基焼結体を加熱して、鉄基焼結体の表面に炭素侵入層を形成した後、60℃程度の油中で冷却する処理である。
ガス浸炭焼入れ処理によって鉄基焼結体の強度が増加する。焼入れ加熱温度は850〜900℃の範囲内とする。焼入れ加熱温度が850℃未満では、浸炭が十分に進行せず、焼入れによる強度の増加が期待できない。一方、900℃を超えると、浸炭が過剰に進行して鉄基焼結体の深奥部まで炭素侵入層が形成されるので、鉄基焼結体が脆化する。

焼入れ加熱温度における保持時間は、90分以下が好ましい。保持時間が90分を超えると、浸炭が過剰に進行して鉄基焼結体の深奥部まで炭素侵入層が形成されるので、鉄基焼結体が脆化する。また保持時間が３分未満では、浸炭が十分に進行せず、焼入れによる強度の増加が期待できない。そのため、保持時間は３分以上が一層好ましい。
浸炭性雰囲気のカーボンポテンシャルは、0.7〜0.9％の範囲内が好ましい。カーボンポテンシャルが0.7％未満では、浸炭が十分に進行せず、焼入れによる強度の増加が期待できない。一方、0.9％を超えると、浸炭が過剰に進行して鉄基焼結体の深奥部まで炭素侵入層が形成されるので、鉄基焼結体が脆化する。

なお、カーボンポテンシャルは、鋼を加熱する雰囲気ガスの浸炭能力の指標であり、その温度で、その雰囲気ガスと平衡に達したときの鋼の表面の炭素濃度（質量％）を指す。
ガス浸炭焼入れ処理に引き続き、焼戻し処理を施して高強度鉄基焼結体を得る。焼戻し処理は、ガス浸炭焼入れ処理によって生じた歪を除去するために行なう。焼戻し温度は150〜250℃の範囲内が好ましい。焼戻し温度が150℃未満では、高強度鉄基焼結体の衝撃特性が劣化する。一方、250℃を超えると、高強度鉄基焼結体の強度が低下する。

以上のようにして、高強度鉄基焼結体を安定して製造できる。

予合金としてMnとMoを含有する鉄基粉末に、Moを拡散付着させた合金鋼粉に、黒鉛粉と成形用潤滑剤を添加してＶ型混合機で15分間混合して混合粉を得た。予合金としてのMn量とMo量、拡散付着したMo量は表１に示す通りである。黒鉛粉は平均粒径４μｍの天然黒鉛粉を使用し、その混合量は、合金鋼粉のＣ固溶量が表１に示す値になるように調整した。なお、予合金としてのMnとMo、および拡散付着したMo、固溶したＣの含有量（質量％）は、いずれも合金鋼粉の質量に対する比率である。成形用潤滑剤はステアリン酸亜鉛を使用し、その混合量は本発明の範囲を満足する0.5質量部とした。成形用潤滑剤の混合量（質量部）は、合金鋼粉を100質量部とした比率である。

得られた混合粉を、圧力686MPa（室温）で加圧成形して、直方体（10×10×55mm）の成形体とした。
この成形体に、Ｎ₂（90体積％）−Ｈ₂（10体積％）雰囲気中で焼結処理（焼結温度1250℃，保持時間60分）を施して、鉄基焼結体を得た。
得られた鉄基焼結体から、平行部の直径５mm，長さ15mmの小型丸棒試験片を採取した。その小型丸棒試験片を浸炭性雰囲気中で所定の焼入れ加熱温度に保持した後、60℃の油中に焼入れすることによって、ガス浸炭焼入れ処理を施した。ガス浸炭焼入れ処理の焼入れ加熱温度，保持時間および浸炭性雰囲気のカーボンポテンシャルは表１に示す通りである。

ガス浸炭焼入れ処理に引き続き、焼戻し処理（焼戻し温度200℃，保持時間90分）を施した。
次に、小型丸棒試験片を引張試験に供し、引張強さを測定した。その結果を表１に示す。表１中の発明例（試験番号２，３，６，７，13〜16）は、本発明の必須の要件を満足する例である。比較例のうち、試験番号１，４は固溶Ｃの含有量が本発明の範囲を外れる例、試験番号５，８〜12は、ガス浸炭焼入れ処理の焼入れ加熱温度が本発明の範囲を外れる例である。

表１から明らかなように、発明例の鉄基焼結体の引張強さは1195〜1379MPaであった。これに対して比較例の試験番号１，４（すなわち固溶Ｃの含有量が本発明の範囲を外れる例）の鉄基焼結体の引張強さは1076〜1175MPaであった。また、比較例の試験番号５（すなわちガス浸炭焼入れ処理の焼入れ加熱温度が本発明より低い例）の鉄基焼結体の引張強さは1122MPa であった。つまり、発明例の鉄基焼結体の引張強さは、比較例より優れていた。

一方で、比較例の試験番号８〜12（すなわちガス浸炭焼入れ処理の焼入れ加熱温度が本発明より高い例）の鉄基焼結体の引張強さは1119〜1342MPaであった。これは既に説明した通り、焼入れ加熱温度の上昇によって浸炭が過剰に進行したためである。したがって試験番号８〜12の小型丸棒試験片は脆化しており、各種の機械や装置の部品として実用に供する鉄基焼結体としては問題があった。

自動車エンジン等の用途に好適な高強度の鉄基焼結体を安定して製造でき、産業上格段の効果を奏する。

Claims

予合金としてのMn含有量：0.3質量％以下および予合金としてのMo含有量：0.2〜1.0質量％を含む鉄基粉末の表面に、Mo：0.05〜0.5質量％を拡散付着させ、かつ0.3〜0.5質量％の黒鉛粉を混合した合金鋼粉に、該合金鋼粉100質量部に対して成形用潤滑剤：0.6質量部以下を混合して混合粉とし、得られた混合粉の加圧成形を行なった後、1200℃以上の温度で焼結を行ない、さらに850〜900℃の焼入れ加熱温度でガス浸炭焼入れ処理を行ない、次いで焼戻し処理を行なうことを特徴とする高強度鉄基焼結体の製造方法。
前記ガス浸炭焼入れ処理の焼入れ加熱温度における保持時間を90分以下とし、かつ雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを0.7〜0.9％とすることを特徴とする請求項１に記載の高強度鉄基焼結体の製造方法。