JP2011508091A - 低合金鋼粉体 - Google Patents

Abstract

重量％で０．４％〜２．０％のクロムと、０．１％〜０．８％のマンガンと、０．１％未満のバナジウムと、０．１％未満のモリブデンと、０．１％未満のニッケルと、０．２％未満の銅と、０．１％未満の炭素と、０．２５％未満の酸素と、０．５％未満の不可避の不純物とを含み、残部が鉄である、水アトマイズされた予備合金化された鉄基鋼粉体。

Description

本発明は、低合金鉄基粉体、この粉体及び他の添加物を含む粉体組成物、並びにこの新規な低合金鋼粉体を含む鉄基粉体組成物の圧縮成型及び焼結によって作られる構成部品に関するものである。本発明の粉体から作られる構成部品の機械的特性は、より高合金化された、より高価な拡散接合粉体から作られる構成部品の機械的特性と同等である。

産業界では、金属粉体組成物を圧縮成型及び焼結することによる金属製品製造の使用は、益々広く行き渡りつつある。様々な形状及び厚さの多数の異なる製品が生産されており、その要求品質は絶えず上昇し、同時にコストを低減させることが望まれている。仕上げ形状に達するための最小限の機械加工しか必要でないネット・シェープ構成部品又はニア・ネット・シェープ構成部品が、鉄粉体組成物のプレス及び焼結による高度の材料利用との組み合わせにより得られるので、この技術は、鋳込みやバー素材からの機械加工や鍛造などの金属部品を形成するための従来型の技術よりも優れた大きな利点を有する。

しかし、プレス及び焼結方法に関連する問題点の１つは、焼結された構成部品がその強度を低下させる所定量の気孔を含むことである。基本的に、構成部品の多孔性によって生じる機械的特性に対する負の効果を克服するために２つの方法が存在する。１）焼結構成部品の強度は、炭素、銅、ニッケル、モリブデン等などの合金化元素を導入することによって増加させることができる。２）焼結された構成部品の気孔率は、粉体組成物の圧縮性を増加させること、及び／又はグリーン体密度をより高くするために圧縮成型圧力を増加させること、又は焼結による構成部品の収縮量を増加させることによって減少させることができる。実際には、合金化元素の添加による構成部品の強化と気効率を最小限にすることとの組み合わせが適用される。このように、高強度及び高硬度を示すＰＭ構成部品の生産のために、低合金鋼粉体の様々な組成物、及びこれらの粉体の圧縮成型の様々な方法が知られている。しかし、ＰＭ構成部品の特徴的な特性は、鍛造された鋼材料に比較して靭性が相対的に低いことである。「高度に」合金化されたにも関わらず、相対的に高い圧縮性を有するいわゆる拡散合金化鉄基粉体は、予備合金化された粉体と比較して高強度と組み合わされた高靭性及び大きな伸びを有する圧縮成型され焼結された本体を作り出すための可能性を有する。

しかし、現在使用される拡散合金化粉体に関連する１つの欠点は、それらのモリブデン及びニッケルなどの高価な合金化元素の含有量が比較的高いことである。合金化元素であるクロムとマンガンの組み合わせを比較的低い含有量のところで注意深く選択することによって、より多く合金化される拡散接合粉体を使用することによって得ることができる値と同程度の、或いはその値に近い伸び及び強度などの機械的特性をプレス・焼結された本体に与える予備合金化された粉体が得られることが予想外に見出された。

米国特許第４２６６９７４号は、意図的に添加された合金化元素としてマンガン及びクロムのみを含む合金化粉体の実例を、特許請求の範囲の範囲外で開示する。この実例は、重量％で０．２４％のマンガンと２．９２％のクロムの組み合わせ、０．２１％のマンガンと４．７９％のクロムの組み合わせ、或いは０．８９％のマンガンと０．５５％のクロムの組み合わせを含む。

日本国出願公開第５９１７３２０１号のクロム、マンガン及びモリブデンを含む低合金鋼粉体の還元焼鈍の方法では、一実例として、唯一の意図的に添加される合金化元素として重量で１．１４％のクロム含有量と１．４４％のマンガン含有量を有する粉体が示されている。

クロム、マンガン及びモリブデン基の予備合金化された鋼粉体が米国特許第６３４８０８０号に記載されている。国際公開第０３／１０６０７９号は、米国特許第６３４８０８０号に記載される鋼粉体と比較してより低い含有量の合金化元素を有するクロム、マンガン及びモリブデン合金化鋼粉体を教示する。この粉体は、重量で約０．４％よりも大きい炭素含有量のところでベイナイト組織を形成するのに適している。

米国特許第４２６６９７４号明細書 特開昭０５-９１７３２０１号公報 米国特許第６３４８０８０号明細書 国際公開第０３／１０６０７９号パンフレット

本発明の目的の１つは、圧縮成型され、焼結された構成部品を生産するのに適した合金化鉄基粉体を提供することであり、この粉体は本質的にモリブデン及びニッケルなどの高価な合金化元素を含まない。

本発明の別の目的は、良好な伸び、引張強さおよび降伏強さを有する圧縮成型され焼結された構成部品を形成できる粉体を提供することである。

本発明の別の目的は、上記で述べた特性を有する焼結された部品を提供することである。

これらの目的のうちの少なくとも１つは、以下によって達成される。
重量％で０．４％〜２．０％のクロムと、０．１％〜０．８％のマンガンと、０．１％未満のバナジウムと、０．１％未満のモリブデンと、０．１％未満のニッケルと、０．２％未満の銅と、０．１％未満の炭素と、０．２５％未満の酸素と、０．５％未満の不可避の不純物とを含み、残部が鉄である、水アトマイズされた予備合金化された鉄基鋼粉体。
この鋼粉体を主として、組成物重量の０．３５％〜１％のグラファイト、組成物の重量で０．０５％〜２％の潤滑剤、任意選択で最大３％の銅、硬質相物質及び機械加工性向上剤が混合された、鉄基粉体組成物。
焼結された構成部品を製造する方法であって、
ａ）この鋼粉体を主とする鉄基鋼粉体組成物を作製するステップと、
ｂ）この組成物に４００ＭＰａ〜２０００ＭＰａで圧縮成型を行うステップと、
ｃ）得られたグリーン体の構成部品を１０００℃〜１４００℃の温度で還元性雰囲気で焼結するステップと、
ｄ）任意選択でこの加熱された構成部品を５００℃よりも高い温度で鍛造するステップ、或いはこの得られた焼結構成部品に熱処理又は硬化処理ステップを施すステップとを含む、方法。
パーライト／フェライト微細組織を有する、この方法によって生産された焼結構成部品。

この鋼粉体は、低量の規定された含有量のクロム及びマンガンを有し、本質的にモリブデン、ニッケル及びバナジウムを含まない。

鉄基の合金化鋼粉体の作製。
この鋼粉体は、規定された量の合金化元素を含む溶鋼を水アトマイズすることによって生産される。このアトマイズされた粉体は、本明細書に援用される米国特許第６，０２７，５４４号に記載されているものなどの還元焼鈍工程をさらに施される。鋼粉体の粒子サイズは、プレス及び焼結又は粉体鍛造工程と両立できる限り任意のサイズでよい。適切な粒子サイズの実例としては、１５０μｍよりも大きい粒を重量％で約１０％、および４５μｍよりも小さい粒を重量で約２０％を有する、スウェーデン国のＨｏｅｇａｎａｅｓ ＡＢから入手可能な公知の粉体ＡＢＣ１００．３０の粒子サイズがある。

鋼粉体の成分
クロムは、固溶硬化によってマトリックスを強化する働きをする。さらに、クロムは、焼結本体の硬化能、酸化抵抗および磨耗抵抗を増加させる。しかし、クロム含有量が２．０重量％よりも多いと、鋼粉体の圧縮性を減少させ、フェライト／パーライト微細組織の形成をより困難にする。好ましくは圧縮性の観点から、最大含有量は約１．８重量％であり、１．５重量％がなおさら好ましい。重量で０．４％未満のクロム含有量は、所望の特性に対して取るに足らない影響しか有さない。好ましくは、クロム含有量は少なくとも０．５重量％である。

マンガンは、クロムと同様に鋼粉体の強度、硬度及び硬化能を増加させる。含有量が０．８重量％よりも多いと、鋼粉体内にマンガン含有介在物の形成を増加させ、固溶硬化及びフェライト硬度が増加するために圧縮性に対して負の効果も有する。マンガン含有量は０．７重量％未満が好ましく、マンガン含有量０．６重量％未満がさらに好ましい。マンガン含有量が０．１％未満の場合は所望の特性を得ることができず、さらに、鋼製造の過程中に低減のための特別な処理が行われない限り、リサイクル・スクラップを使用することは不可能である。これらの理由から、マンガン含有量は好ましくは少なくとも０．２重量％であり、０．３重量％であることがなおさら好ましい。このようにマンガン含有量は、０．１重量％〜０．８重量％、好ましくは０．２重量％〜０．７重量％、さらに好ましくは０．３重量％〜０．６重量％にすべきである。

圧縮性を十分に高くするために、ある程度互いに交換可能な、クロムとマンガンの合計量は、重量で２．５％以下、好ましくは重量で２．３％以下、最も好ましくは重量で２．０％以下であることも見出された。

０．４重量％〜０．６重量％の低クロム含有量を有する一実施例では、この低クロム含有量は、０．６重量％〜０．８重量％の、好ましくは０．７重量％〜０．８重量％の範囲の比較的高いマンガン含有量によって補償される。この実施例は、マンガンはクロムよりも安価であるので有利である。

別の実施例では、クロム含有量が少なくとも０．７重量％であるとき、マンガン含有量は最大で０．５重量％であり、クロム含有量が少なくとも１．０重量％であるとき、マンガン含有量は最大で０．４重量％、好ましくは最大で０．３重量％である。高いクロム含有量を有することによって、マンガン含有量はより低く維持することができ、それによって鋼粉体内でのマンガン含有介在物のどのような形成も最小限にすることができる。

酸素は、粉体の強度及び圧縮性を損なうクロム及びマンガンとの酸化物の形成を防止するために、最大で０．２５重量％であるのが適切である。これらの理由から、酸素は最大で０．１８重量％であるのが好ましい。

バナジウム及びニッケルは０．１重量％未満に、銅は０．２重量％未満にすべきである。これらの元素の含有量が高すぎると、圧縮性に対して負の効果を有し、コストを増加させる可能性がある。また、ニッケルの存在はフェライト形成を抑制し、したがって脆いパーライト／ベイナイト組織を促進させる。モリブデンは、ベイナイトが形成されることを防止するために、並びにモリブデンは非常に高価な合金化元素なのでコストを低く維持するために、０．１重量％未満にすべきである。

鋼粉体の炭素は最大で重量で０．１％、酸素は最大で重量で０．２５％にすべきである。含有量がより高いと、粉体の圧縮性を容認しがたいほどに減少させるであろう。同じ理由から、窒素は０．１重量％未満に維持すべきである。

不可避の不純物の合計量は、鋼粉体の圧縮性を害さないように、又は有害な介在物の形成体として作用しないように、重量で０．５％未満にすべきである。

鉄基の粉体組成物
圧縮成型前に、この鉄基の鋼粉体は、グラファイト及び潤滑剤と混合される。グラファイトは、組成物の重量で０．３５％〜１．０％の量で添加され、潤滑剤は、組成物の重量で０．０５％〜２．０％の量で添加される。ある実施例では、銅粉体の形態の銅を重量で最大３％までの量で添加することができる。別の実施例では、追加の銅粉体を有する又は有さないで、重量で最大５％までのニッケル粉体を混合することによって組成物に添加できる。

グラファイトの量
焼結構成部品の強度及び硬度を高めるために、炭素がマトリックスに導入される。炭素は、組成物の重量の０．３５％〜１．０％の量でグラファイトとして添加される。重量で含有量が０．３５％未満だと、結果として強度が低すぎ、含有量が１．０％よりも大きいと、炭化物の過剰な形成により結果として硬度が高すぎ、伸びが不十分になり、機械加工特性を害する。焼結又は鍛造後、構成部品が浸炭を含む熱処理工程で熱処理される場合は、添加されるグラファイトの量は、０．３５％未満にすることができる。

銅の量
銅は、粉体金属技術で一般的に使用される合金化元素である。銅は、固溶硬化を介して強度及び硬度を高める。銅は、焼結温度に達する前に銅が溶融し固体状態での焼結よりもはるかに速いいわゆる液相焼結をもたらすので、焼結中の焼結ネックの形成も促進させる。ある実施例では、銅は重量で３％までの量で添加することができる。

ニッケルの量
ニッケルは、粉体金属技術で一般的に使用される合金化元素である。ニッケルは、固溶硬化を介して強度及び硬度を高める。ニッケルは、焼結中焼結ネックも強化する。ある実施例では、ニッケルは、重量で５％までの量で添加することができる。

潤滑剤の量
潤滑剤は、圧縮成型及び圧縮成型された構成部品の取り出しを容易にするために、組成物に添加される。組成物の重量で０．０５％未満の潤滑剤の添加は、取るに足りない影響しか有さず、組成物の重量の２％よりも多く添加すると、結果として圧縮成型された本体の密度が低すぎるようになる。潤滑剤は、金属ステアリン酸塩、ワックス、脂肪酸及びそれらの誘導体、オリゴマー、高分子及び潤滑効果を有する他の有機物の群から選ぶことができる。

他の物質
ＭｎＳ、ＭｏＳ_２、ＣａＦ_２及び異なる種類の無機化合物等などの硬質相物質及び機械加工性向上剤などの、他の物質を添加することができる。

焼結
この鉄基の粉体組成物は、鋳型内に移され、約４００〜２０００ＭＰａの圧縮成型圧力に印加され、約６．７５ｇ／ｃｍ^３よりも大きいグリーン密度にされる。得られたグリーン体の構成部品はさらに、約１０００℃〜１４００℃の、好ましくは約１１００℃〜１３００℃の温度で還元性雰囲気で焼結を施される。

焼結後処理
この焼結された構成部品は、制御された冷却速度での冷却を含む熱処理を介して所望の微細組織を得るための硬化工程を行うことができる。この硬化工程は、肌焼き、窒化、高周波焼入れ等の知られた工程を含むことができる。熱処理が浸炭を含む場合は、添加されるグラファイトの量は０．３５％未満にすることができる。

別法として、この焼結された構成部品は、完全な密度に到達させるために鍛造作業を行うことができる。この鍛造作業は、焼結作業の直後に構成部品の温度が約５００℃〜１４００℃のときに又は、焼結された構成部品を冷却し、次いで冷却された構成部品を鍛造作業に先立って約５００℃〜１４００℃の温度に再加熱して行うかのいずれかが可能である。

疲労寿命を高める圧縮残留応力を導入する表面圧延又はショット・ピーニングなどの他の種類の焼結後処理を利用することができる。

仕上げ構成部品の特性
本発明は、合金化元素、ニッケル及びモリブデンなどのより高価な合金化元素をより多く含有する拡散接合粉体から得られる値と同等な引張強さ及び伸びを有する焼結構成部品の製造のための新規な鉄基の予備合金化された粉体を提供する。特に、本発明は、クロム及びマンガンが予備合金化された鉄基粉体、この粉体を含有する組成物、並びにこの粉体組成物から作られる圧縮成型され焼結された構成部品を提供する。この圧縮成型され焼結された構成部品は、約５００ＭＰａの降伏強さとの組み合わせで、２％よりも大きな伸び値を示す。この微細組織は、パーライト又はパーライト／フェライトである。

実例
様々な予備合金化された鉄基の鋼粉体１〜５が溶鋼の水アトマイズによって生産された。得られた材料粉体は、１１６０℃で水素雰囲気内でさらに焼鈍され、次いで焼結粉体ケーキを粉末化するために徐々に研磨された。この粉体の粒子サイズは、１５０μｍ未満であった。表１は、この異なる粉体の化学組成を示す。粉体６は、スウェーデン国Ｈｏｅｇａｎａｅｓから入手可能な商業的な拡散合金化粉体、ＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢであり、高純度アトマイズ粉体ＡＳＣ１００．２９（普通の鉄）を主体とする。

得られた鋼粉体１〜５は、組成物の重量で、ドイツ国Ｋｒｏｐｆｍｕｈｌｅから入手可能なグラファイトＵＦ４をそれぞれ０．５％及び０．７％と、スウェーデン国Ｈｏｅｇａｎａｅｓ ＡＢから入手可能なＡｍｉｄｅ ｗａｘ ＰＭを０．８％混合された。

粉体４は、０．１１重量％のバナジウムと合金化され、０．０３重量％のマンガン含有量を有し、本発明の範囲外であった。粉体５は、本発明の範囲よりもマンガン含有量及びクロム含有量の両方が少なかった。

ＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢ（粉体６）を主体とする基準混合物も作製された。この場合は、作製された組成物は、０．５％のグラファイトおよび０．８％のＡｍｉｄｅ Ｗａｘ ＰＭを含んでいた。

得られた粉体組成物は金型に移され、６００ＭＰａの圧縮成型圧力で引張試験用棒材を作製するために圧縮成型された。この圧縮成型された試験用棒材は、９０％の窒素および１０％の水素の雰囲気で１１２０℃で３０分間、試験室のベルト炉内でさらに焼結された。

これらの焼結されたサンプルは、引張強さおよび伸びが、ＡＳＴＭＥ９−８９Ｃに従って、硬さＨＶ１０がＥＮＩＳＯ６５０７−１に従って試験された。これらのサンプルは、炭素及び酸素含有量も分析された。

衝撃エネルギーは、ＥＮ１００４５−１に従って試験された。

以下の表２は、グラファイトの添加量、化学分析の結果、及び引張試験及び硬さ試験の結果を示す。

グラファイトが０．７％添加されたものについては、粉体１、２を主体とするサンプルでは、降伏強さ、引張強さ、伸び、及び硬さについて０．５％のグラファイト粉体と混合されたＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢと同等な、又はＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢよりも良好な値を示した。衝撃エネルギーはわずかに小さいが、依然として十分に良好であり、粉体１の値は粉体２の値よりもわずかに良好であった。

既にグラファイトが０．５％添加されたものについては、粉体３を主体とするサンプルは、降伏強さ、引張強さ、伸びについて５％のグラファイト粉体と混合されたＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢと同等な、又はより良好な値を示した。また、衝撃エネルギー及び硬度は、ＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢと一致する。

粉体４を主体とするサンプルについては、伸び及び衝撃エネルギーは引張強さが同等であればＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢの値よりもずっと低い。粉体５を主体とするサンプルについては、炭素含有量の増加につれて衝撃エネルギー及び伸びが減少することが分かり、引張強さをＤＩＳＴＡＬＯＹ ＡＢと同等なレベルに増加させるためにさらにグラファイトの添加が行われた場合、ずっとより低くなっていたであろう。

Claims (12)

1. 水アトマイズされた予備合金化された鉄基の鋼粉体であって、該鋼粉体が、重量％で
   ０．４％〜２．０％のクロム、
   ０．１％〜０．８％のマンガン、
   ０．１％未満のバナジウム、
   ０．１％未満のモリブデン、
   ０．１％未満のニッケル、
   ０．２％未満の銅、
   ０．１％未満の炭素、
   ０．２５％未満の酸素、および
   ０．５％未満の不可避の不純物とを含み、
   残部が鉄である、鋼粉体。
2. クロムの含有量が最大で１．８重量％、好ましくは最大で１．５重量％である、請求項１に記載された鋼粉体。
3. クロムの含有量が少なくとも０．５重量％である、請求項１又は請求項２に記載された鋼粉体。
4. マンガンの含有量が少なくとも０．２重量％、好ましくは少なくとも０．３重量％である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された鋼粉体。
5. マンガンの含有量が最大で０．７重量％、好ましくは最大で０．６重量％である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された鋼粉体。
6. クロム含有量とマンガン含有量との合計が２．５重量％未満、好ましくは２．３重量％未満、最も好ましくは重量で１．９％未満である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された鋼粉体。
7. クロムの含有量が０．４重量％〜０．６重量％であり、マンガンの含有量が０．６重量％〜０．８重量％、好ましくはマンガンの含有量が０．７重量％〜０．８重量％である、請求項１に記載された鋼粉体。
8. クロムの含有量が少なくとも０．７重量％であり、マンガンの含有量が最大で０．５重量％である、請求項１に記載された鋼粉体。
9. クロムの含有量が少なくとも１．０重量％であり、マンガンの含有量が最大で０．４重量％、好ましくは最大で０．３重量％である、請求項１に記載された鋼粉体。
10. 鉄基粉体組成物であって、
    前記組成物の重量の０．３５〜１％のグラファイトと、
    前記組成物の重量の０．０５〜２％の潤滑剤と、
    任意選択で最大３％の銅と、
    任意選択で硬質相物質及び機械加工性向上剤と
    混合された、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された鋼粉体を含む、鉄基粉体組成物。
11. 焼結された構成部品を製造する方法であって、
    ａ）請求項１０に記載された鉄基粉体組成物を有する鉄基鋼粉体混合体を作製するステップと、
    ｂ）前記組成物に４００ＭＰａ〜２０００ＭＰａで圧縮成型を行うステップと、
    ｃ）得られたグリーン体の構成部品を１０００℃〜１４００℃の温度で還元性雰囲気で焼結するステップと、
    ｄ）任意選択で加熱された前記構成部品を５００℃よりも高い温度で鍛造するか、或いは得られた焼結された前記構成部品に熱処理又は硬化処理工程を行うステップとを含む、焼結された構成部品を製造する方法。
12. パーライト／フェライト微細組織を有する、請求項１０に記載された粉体組成物から製造される焼結構成部品。