JP2606928B2

JP2606928B2 - 高強度、高靭性、高精度部品用合金鋼粉、及びこれを用いた焼結合金鋼の製造方法

Info

Publication number: JP2606928B2
Application number: JP1205623A
Authority: JP
Inventors: 慶一丸田; 静雄横山; 古君　　修; 重彰高城
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JPH0372002A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、鉄系粉末冶金技術の分野に属し、高強度、
高靭性、高精度部品用の合金鋼粉、およびこの合金鋼粉
を用いて熱処理時の寸法変化のばらつきの少ない焼結部
品を製造するための方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、粉末冶金技術は大幅に進歩し、輸送機器、産業
機器への焼結部品の適用が進んできた。自動車用ギア等
は、それらの中でも高強度、高靭性、高精度が要求され
る部品である。これらの部品を粉末冶金によって製造す
る場合、高強度化を図るために合金元素を添加し、さら
に熱処理を施す必要がある。

特開昭62−146203に述べられているように、合金焼結
体に熱処理を施すことが試みられているが引張強さはた
かだか120kgf/mm²であり、それ以上の高強度の要求には
対処できない。

また、特開昭61−231102においてはNi、Moを増加さ
せ、また結合剤によってFe粉に合金元素及びＣを結合さ
せ、高圧縮性を保ち高強度を狙うことが試みられている
が、この場合も引張り強さは最大でも120kgf/mm²であ
る。また、Ni、Moなどの合金成分の添加はマルテンサイ
ト変態（Ms）点を低下させる作用があり、焼入れ、焼戻
し等の熱処理を施した際にオーステナイトを生成させ、
寸法変化のばらつきを引き起こす可能性がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは焼結体の高強度、高靭性を達成するため
の複合合金粉末及びその製造方法をさきに提示した（特
願昭63−137400）。

この方法においては、Ni量の低減に伴い、焼結体中の
オーステナイトの生成を抑制し、高強度、高靭性を達成
している。一方、高強度化のために、浸炭焼入れを施し
た場合、過浸炭によって寸法精度がばらつく問題があ
る。

本発明はこれにさらに熱処理時の寸法精度を向上させ
る改善を加え、高強度、高靭性かつ熱処理時の寸法精度
がすぐれた焼結体用合金鋼粉、及び焼結合金鋼の製造方法を与えるものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは焼結体の高強度化、高靭性化、高精度化
について研究した結果、以下のことを見出し本発明を完
成した。つまり、（１）Ni:0.5〜3.5重量％、 Mo:0.7〜3.5重量％、 C:0.3〜0.8重量％、残部Feに合金鋼粉の化学組成を限定し、（２）鋼粉に潤滑剤とバインダーとの共溶融物により黒
鉛粉を付着させ、焼結体中のＣ偏析を抑制し、（３）焼入れ、焼戻し処理を施すことで高強度、高靭性、かつ熱処理時の寸法変化のばらつき
の少ない焼結合金鋼が得られることがわかった。

化学組成を上記（１）のように限定することによっ
て、強度低下および熱処理時の寸法変化のばらつきの原
因となるオーステナイトが焼結体中に多量に発生するの
を防ぐ。

また、焼結体中のＣの偏析は、焼入れ時における焼結
体中の不均一な変態を生じせしめ、寸法変化のばらつき
を増大させるので、黒鉛粉を鋼粉に付着することによっ
て、焼結体中のＣ偏析を抑制する。

さらに焼入れ、焼戻し処理は、焼結体の強靭化に必要
である。

〔作用〕

本発明の成分、及び熱処理条件等の限定理由は以下の
通りである。合金成分の含有量は機械的特性上の要求か
ら決定される。

Ni量は0.5〜3.5重量％とする。強度及び靭性の向上の
効果を得るためには0.5重量％以上の添加が必要であ
る。一方、3.5重量％を越えると焼結体中にオーステナ
イトが過剰に生成する。オーステナイトの過剰生成は熱
処理時の寸法変化のばらつきを増大し、また強度低下を
招く。

Mo量は0.7〜3.5重量％とする。Niと同様に高強度と高
靭性を達成させるために0.7重量％以上は必要であり、
3.5重量％を越えると、逆に焼結体の靭性を阻害する。

Ｃ量は、0.3〜0.8重量％とする。0.3重量％未満では
焼結体の強度向上に寄与しない。また0.8重量％を越え
ると著しく靭性を阻害する。

Ni、Moの添加方法については溶湯段階で合金化する予
合金法、または鉄粉にNi、Mo粒子を拡散接合する複合合
金法のどちらでも製造可能である。

次に、上記の鋼粉に黒鉛鉛を付着させる方法について
述べる。潤滑剤はステアリン酸亜鉛などの金属石鹸等通
常の粉末冶金に用いられるものでよく、バインダは、例
えば酢酸ビニル、エチルセルロース、メチルセルロー
ス、フェノール樹脂など熱可塑性のものでもよく、セル
ロース誘導体系、熱硬化型などいずれでもよい。この潤
滑剤とバインダーを上記鋼粉と黒鉛粉と同時又は段階的
に均一になるまで十分に混合する。均一に混合した状態
で90℃〜150℃に加熱して潤滑剤とバインダーの共溶融
物を生成し、黒鉛粉を鋼粉に固着する。加熱温度は90℃
以下では付着力が不足する。しかし、加熱温度を150℃
以上にしても付着力の向上はない。

粉末の成形は通常の粉末冶金と同様に成形圧力４〜10
t/cm²で行う。成形、焼結の回数は１回以上何回でもよ
いが高密度とすることにより一層の高強度、高靭性が得
られる。

本発明では、また上記焼結体に焼入れ、焼戻し処理を
施すことが必須である。焼入れ処理とは、鋼を所定温度
に加熱し、急冷する処理を示し、焼戻し処理とは、鋼を
所定温度に加熱し空冷あるいは徐冷する処理を示す。焼
入れ温度は加熱時に均一なオーステナイト組織とするた
め800℃以上が望ましく、また950℃を越えるとオーステ
ナイトが粗大化し靭性が低下するため950℃を上限温度
とする。

焼戻し温度は100℃未満では靭性が低く、250℃より高
いと、強度が低下するため、100〜250℃が好ましい。

〔実施例〕

実施例１ −80メッシュの水アトマイズFe粉に−325メッシュの
カーボニルNi粉と三酸化Mo（MoO₃）とを所定の割合で混
合し、水素ガス雰囲気中にて、875℃で60分焼鈍し、解
砕して、Ni:1.76重量％、Mo:1.00重量％の複合合金鋼粉
を得た。

上記鋼粉に黒鉛粉0.6重量％、ステアリン酸亜鉛1.0重
量％、オレイン酸0.2重量％を混合し、温度120℃で10分
攪拌して、黒鉛粉を鋼粉表面に固着した。

次に上記鋼粉を超硬金型を用い、7t/cm²の圧力で成型
し、75％H₂−25％N₂ガス（乾）雰囲気中で850℃、30分
焼結した後、7t/cm²の圧力で再圧縮した。

さらに75％H₂−25％N₂ガス（乾）雰囲気中で1250℃、
60分再焼結を行い、得られた焼結体に850℃で60分加熱
後60℃の油中へ焼入れ、次に180℃の油中で60分保持し
て焼戻しを施し、引張試験、シャルピー衝撃試験を行っ
た。

また、外径60mm、内径25mm、高さ5.5mmのリングを10
枚成形し、各工程毎に、各リングについて互いに直角的
な２方向で外径（Ｘ、Ｙ）を測定し、その各工程での変
化の差（ΔＸ−ΔＹ）の絶対値の標準偏差を求め、寸法
精度を評価した。第１表に、引張試験、シャルピー衝撃
値、焼結体密度、熱処理前後での寸法精度を示す。

また同表中には本実施例と同じ複合鋼粉を用い、黒鉛
粉0.6重量％、ステアリン酸亜鉛1.0重量％を混粉し、本
実施例と同じ条件で実験した結果を比較例として示す。

双方とも引張強度、シャルピー衝撃値、焼結体密度に
は明らかな差は認められないが、寸法精度がＣを偏析防
止したものは0.012％であるが、単純混粉すると、0.025％となり、Ｃを偏析防止処理す
ることによって寸法変化のばらつきがほぼ２分の１にな
る。

実施例２ −80メッシュの水アトマイズFe粉に−325メッシュの
カーボニルNi粉の添加量を変え、MoO₃粉を一定量混合
し、実施例１と同じ方法でNi:0.31〜5.10重量％の複合
合金鋼粉を得た。

これらの鋼粉に黒鉛粉0.6重量％を実施例１と同じ方
法で固着し、その後に実施例１と同じ方法で熱処理焼結
体を製造し、引張強さ、シャルピー衝撃値、焼結体密
度、寸法精度を測定した。結果を第２表に示す。

Ni:0.31重量％のものは寸法変化のばらつきは少ない
が、強度、靭性が低い。

また、Niが3.82重量％以上のものは強度も多少低くな
り、寸法精度は顕著に低下することがわかる。

実施例３ここでは添加するＣ量の影響を示す。

実施例１と同じ複合合金鋼粉に黒鉛粉0.3重量％、0.6
重量％、0.9重量％をそれぞれ実施例１と同じ方法で固
着した鋼粉と、黒鉛粉0.2重量％、0.4重量％、0.6重量
％、0.9重量％にステアリン酸亜鉛1.0重量％を単純混粉
した鋼粉を製造した。

これらの鋼粉を用い、実施例１と同じ方法で焼結体を
製造し、熱処理を施し、引張強度、シャルピー衝撃値、
焼結体密度、寸法精度を測定した。結果を第３表に示
す。

黒鉛添加量が0.3重量％、0.6重量％の場合、寸法変化
のばらつきは単純混粉に比べて偏析防止の処理したもの
のほうが顕著に小さい。

黒鉛添加量が0.9重量％の場合でも同様なことがわか
るが、強度、靭性ともに急激に低下している。また、0.
2重量％では強度が低い。

実施例４ここでは添加するMo量の影響を示す。

−80メッシュの水アトマイズFe粉に−325メッシュの
カーボニルNi粉を一定量とMoO₃粉を添加量を変えて混合
し、実施例１と同じ方法でNi:1.76重量％、Mo:0.50重量
％〜4.50重量％の複合合金鋼粉を得た。

これらの鋼粉に対して実施例２と同じ方法で黒鉛を添
加し、引張強度、シャルピー衝撃値、焼結体密度、寸法
変化のばらつきを測定した。結果を第４表に示す。Moが
0.5重量％のものは引張強さが142.2kgf/mm²と本請求範
囲内のものに比べて著しく低い。またMoが3.5重量％を
越えるものについては、シャルピー衝撃値が著しく低
く、靭性の急激な低下が見られる。また寸法精度も急激
に低下している。

実施例５水アトマイズによって、Ni:1.94重量％、Mo:1.05重量
％の予合金鋼粉を製造し、水素ガス雰囲気中で還元処理
を行った後、−80メッシュで分級して上記組成の予合金
鋼粉を得た。

上記鋼粉について、実施例１と同様の実験を行い、単
純混合粉と黒鉛固着粉の諸特性を測定した。第５表に結
果を示す。

予合金鋼粉においても寸法精度のばらつきが単純混粉
では0.022％だが、黒鉛固着粉では0.010％となり、複合
合金鋼粉と同様の効果が得られた。

〔発明の効果〕以上の結果により、本発明は極めて高い強度と靭性を
達成し、かつ熱処理時の寸法変化のばらつきが少ない焼
結合金鋼を与えるものであり、高強度、高靭性、高精度
が要求される自動車用機械部品などに有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高城重彰千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】合金成分として、 Ni:0.5重量％以上3.5重量％以下 Mo:0.7重量％以上3.5重量％以下 C:0.3重量％以上0.8重量％以下を含み、残部は実質的にFeである合金鋼粉であって、前
記Ｃが黒鉛粉の形で鋼粉粒子表面に潤滑剤とバインダー
との共溶融物により固着されていることを特徴とする高
強度、高靭性、高精度部品用合金鋼粉。
【請求項２】第１項記載の合金鋼粉を用い、１回以上の
成形及び１回以上の焼結を施すことにより焼結合金鋼を
製造し、さらにこの焼結合金鋼に焼入れ、焼き戻し処理
を施すことを特徴とする高強度、高靭性、高精度部品用
焼結合金鋼の製造方法。