JP2741199B2 - 高密度焼結鉄合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 焼結材料の機械的及び物理的諸性質を良好ならしめる
ためには、当該材料の密度を出来るだけ高くすることが
重要であることは、よく知られている。鉄材料を焼結し
た場合の典型的な密度は、当該材料の理論密度の85％な
いし95％である。焼結材料の密度が理論密度に100％近
似するにつれて、機械的及び物理的性質上の改良向上は
劇的なものとなる。焼結後材料中に残留する細孔の数は
減少するが、このことは、当該材料が材料として特定の
組成について実現可能な最高の諸性質を有し得ると仮定
した場合、第一義的な目的となるべきものと認識され
る。 このような技術開発は、機械的強度が高く、耐摩耗性
や靭性が優れ又高温特性が高いために有用な鉄合金の製
造に関わることである。このような合金は、一般的には
炭素、クローム、モリブデン、タングステン、バナジウ
ム又選択的にはコバルトやニッケル及び可能ならばその
他、ニオブ、チタンやタンタル等のカーバイド形成性元
素などの元素混合鉄合金である。マンガンやケイ素は、
通常は出発材料中では不純物として存在する。これ等の
鉄合金としては、ある種のステンレス鋼や又高速工具鋼
を含む冷間及び熱間加工工具鋼がある。 鉄粉末から製造される材料の密度を高くするためにい
くつかの方法が、既に開発されているが、そのうちの幾
つかを以下に掲げる： （ａ）圧縮した金属粉末を合金の固相線温度に近似して
真空焼結すること。この方法は、高価な装置を必要とす
ること、処理量が比較的少ないこと又サイクルタイムが
長いことなどの欠点を有している。その結果、この方法
は、高付加価値製品の製造にのみ用いられているに過ぎ
ない。更には、焼結温度が極めて重要であり、典型的に
は±２℃に保持する必要がある。温度がもし低過ぎれ
ば、得られた材料の密度は、必要な高さに達せず、又温
度が高過ぎれば、材料の構造に変化が生起するため、幾
つかの問題が生じる。 （ｂ）熱等方加圧法。この方法では、金属粒子間の焼結
を促進させるために、圧力と高温に同時に暴露する。こ
の方法は、装置が極めて高価で、真空焼結と同様に処理
量が相対的に小さく、そのため最終製品のコスト高くな
るという重大な欠点を有している。 （ｃ）浸透法。材料中の残量細孔を出来るだけ少なくす
ることを確実にするために、浸透法という加工方法を用
いることが可能である。金属粉末をまず加圧圧縮し、次
いで必要とする温度で焼結し、細孔が未だ相互に連通し
ている材料を製造する。この材料を、次に多孔質の材料
の上又はその下に置いた浸透剤の融点以上の温度までに
再び加熱する。融解すると直ちに、この浸透剤は、毛管
作用によって細孔内部にまで移行するのである。母材の
焼結と浸透とを一つの加熱工程において組合せること
が、可能である。 浸透法の一つの欠点は、別個の浸透剤を正確な重量だ
け加圧圧縮して、多孔質の焼結材料の中の細孔に精確に
充填する必要がある、ということである。従って、この
方法で製造される構成成分のそれぞれについて、通常二
つ又はそれ以上の加圧圧縮成形物を製造せねばならず、
そのため製造コストが余分に掛かることになる。更に
は、細孔の幾つかが表面と相互に連通されなかった場
合、これ等細孔は充填されず、浸透加工工程が完了した
後でも残量する。高密度は実現されるとはいえ、尚当該
材料の理論密度の98−99％程度の高さであるのが普通で
ある。浸透法を利用したとしても、その応用には限界が
ある。 一つの焼結工程で可能な限り最大限理論密度に近接す
る材料に対する需要・要求が、未だ高いこと、並びに焼
結方法が低コストの操作であること、この二つのこと
は、明白である。更には、材料を製造する原料粉末は、
やはり低コストの冶金方法を用いて事前焼結された形状
に成形可能なものでなければならず、又主要装置として
高価な、高温ないし高圧容器を必要としないものでなけ
ればならない。好ましくは、これ等の粉末はそれ自体、
常法である水粉霧化法で製造可能でなければならず、又
不活性ガス粉霧化法又はその他の予備圧縮処理法で製造
される酸素含有量の低い粉末であってはならない。 焼結材料としては、現在では理論的に計算された密度
の少なくとも95％、通常は理論密度の98％以上のもの
が、既に開発されている。使用する鉄粉末は、酸素含有
料を低く抑えるために特別に気体粉霧化されるものであ
る必要はなく、通常の水粉霧化法で製造することが可能
である。又もう一つの利点は、このような水粉霧化法で
は、通常は粉体形状が不定形となり、その結果生成した
粉体は、金型内で圧縮した場合確実に相当程度の未焼結
強度を有することになる、ということである。このこと
は、とりもなおさず圧縮処理した粉末構成部品は、破け
たり又壊れたりする危険性が殆どない状態で取扱い可能
であることを意味する。 この粉末を、次にその他の添加混合物と混合し、スタ
ティックダイ（static die）で圧縮する。このように成
形された粉末圧縮体は、通常は常法のメシュベルト炉内
において15ないし60分間1060ないし1160℃までに加熱す
ることによって焼結する。過去のような加熱処理は、金
属粉末を酸化しない雰囲気、たとえば解離したアンモニ
ア、即ち露点が−20℃以下、好ましくは−40℃以下であ
る水素／窒素追雰囲気の中において行わなければならな
い。 焼結を行った後、圧縮体は、その構造を硬結から防止
する速度で冷却する。この段階では、このような焼結さ
れた材料の密度は、理論的に計算された密度の少なくと
も98％、恐らくは99％である筈であろう。このような材
料は、焼結温度からこれ等材料に関連する通常の硬結を
防止する速度で冷却せしめられるが、その焼結状態にあ
っては、必要に応じて機械処理して、成形することが出
来る。機械処理を行った後、この構成成分は、熱処理し
て優れた、魅力的な強度及び硬度特性を得ることが出来
る。 本発明の鉄材料は、重量パーセントとして以下のよう
な組成範囲を有する高速度鋼である。 Ｃ 0.6−2.5 Cr ２−８ MO 0.5−10 Ｖ １−５ Co ０−12 Ｗ １−20 Mn ０−２ Ni ０−２ Cu 4.5−20 Ｐ 0.4−1.2 Fe 残り ここで、炭素含有率％は、以下の範囲にある： 即ち、CCC％−0.01％ないしCCC％＋0.3％ （上式において、CCC％は、計算された炭素含有率であ
り、（CWE/20）−0.4に等しい。又CWEは、タグステン含
有率％＋モリブデン含有率％の二倍＋バナジウム含有率
％の６倍に等しい）又燐は、燐を２ないし14％含有する
銅燐化物から由来する。 焼結材料は、以下の方法で製造することが出来る： 合金処理された鉄をベースとする粉末を、銅を一切含
有しない溶融合金を水粉霧化することによって製造する
が、粉霧化された合金の組成は、銅燐化物、好ましくは
銅、銅合金粉末及び／又はグラファイトを更に添加混合
することによって、このような混合粉末の組成が必要と
される組成、即ち上記した組成範囲に収まる組成と合致
するような組成である。こうして粉霧化された鉄粉末
は、必要な炭素準位を有するか又は有さない状態で製造
することが可能である。尚、必要な炭素準位は、グラフ
アイトを添加することによって達成される。このような
炭素を粉霧化処理以前に溶解合金に添加すると、粉霧化
処理された粉末は、その他の粉末と混合し、製造プロセ
スの次の工程にて圧接されるに先立って、焼結して軟化
せしめる必要が、多分起り得るであろう。このような銅
燐化物は、燐含有率が２％ないし14％の範囲内にある
が、燐を６％ないし11％含有する合金、特に燐を8.4％
含有する共晶組成物を使用することがより良い。この共
晶組成物は、銅−燐系では最も融点の低い合金である。
銅−燐合金の組成が共晶組成に近接するればするほど、
それだけ一層融点の低い液相が、焼結時に形成され、ま
た焼結した場合、最終密度としては必要とされる高い密
度を得ることが一層容易となる。 このような混合粉末は又、必要に応じて加圧用潤滑油
と混合して、圧縮工程を容易にするが、この圧縮工程の
後、粉末は所定の形状に圧縮成形される。圧隙は、常法
による金型セットで、即ちたとえば油圧圧縮法によって
行ってもよい。このような圧縮プロセスの目的は、粉末
を少なくとも25tsi（380MPa）、好ましくは約40tsi（62
0MPa）である、出来るだけ一様なある圧力にかけること
であるはずである。こうすることによって、密度が、粉
末混合物の組成に依存して理論密度のほぼ65％ないし80
％の範囲にある取扱い可能な圧縮成形物が得られるであ
ろう。 圧縮成形の後、加圧用潤滑油は、低温熱加熱操作にお
いて除去してもよいが、またその替わりにこのような圧
縮成形物を露点が−20℃以下の、好ましくは−40℃の解
離したアンモニアの雰囲気中で操作される常法によるメ
ッシュベルト炉において焼結させることが出来る。焼結
は、典型的には15から60分であってもよい。 焼結を行った後、この圧縮成形物は、容積が減少する
ものの、密度は高くなっている筈であろう。但し、組成
及び焼結温度は、正しく選択済みであることを条件とす
る。組成及び焼結温度は、以下の指針に従って選択され
る。 圧縮した粉末は、焼結工程中に幾つかの液相が生成す
るため、高密度に焼結されるのである。これ等の相は、
合金粉末混合物の構成成分間での相互作用によって生成
するのであり、従ってこれ等の構成成分は、適宜調節し
て、焼結温度において精確な量の液相が生じるようにす
る。組成の選択が正しくなかったり又焼結温度が高過ぎ
たりしたために、液相が余りにも多く存在した場合、生
じた焼結圧縮体は、本来の圧縮形状が得られず、又ひず
みが生じるであろう。 更には、過剰の液相が、生じた焼結圧縮体から駆逐さ
れ、外表面上に滴下物として形成されることが、あり得
る。液相の量が組成の選択が正当でなかったため余りに
も少なすぎた場合、又は焼結温度が余りにも低すぎた場
合、圧縮された粉末は、必要とする高密度が得られない
であろう。 これ等の液相は焼結材料の高密度に直接関係するが、
存在する合金形成元素全ての分雑な相互作用によって形
成される。しかし、ある元素は、他の元素よりもより大
きな影響をおよぼすものがある。 炭素は、複雑な態様でクローム、燐、鉄及びモリブデ
ンと相互作用を及ぼし、その結果1050℃以上の温度で液
相を生じる。炭素は又、鉄、クローム、モリブデン、バ
ナジウム及びもし存在している場合はタングステンとも
相互作用を及ぼし、複雑なカーバイドを生成し、且つま
たこれ等の元素の全てと相互に作用し合って、生成した
材料の焼き入れ加工性を改良するのである。焼き入れ加
工性は、鉄材料の特性であって、高温度から比較的緩徐
に冷却することによって、焼き入れ処理することが可能
となる。このことは、工具鋼の熱処理においては重要で
あり、断面積の大きな構成成分をも容易に完全に焼き入
れ処理することを可能ならしめる。従って、確実に充分
に高温度の液相が存在することを確保するために、又材
料の焼き入れ加工性が所望のものとするとともに耐摩耗
性を得るための炭素相の量を得るために、充分な炭素が
存在することを確保するため、幾つかの限界を設ける。 クロームは、上記したように、特に鉄及び炭素と協働
して、焼結を促進させる高融点液相を形成する。更に
は、クロームは、材料の焼き入れ加工性を改良し、同時
に又材料中に存在する鉄やその他カーバイド形成性元素
と共に複雑なカーバイドを形成することが可能であり、
従って効果的なカーバイド安定剤である。このような組
成上の限界は、焼結のため充分な液相を生成せしめ、且
つ材料が良好な焼き入れ加工性を有すること及び材料中
に形成されたカーバイドが安定であることを確保するた
めに、設定するのである。下限は、効率的な焼結と焼き
入れ加工性を確保するためクローム２％に設定する。８
％以上のクロームでは、その効率は減少する。 燐は、上記したように、銅と協働し、又鉄と相互作用
を及ぼして、低融点の相を生成することが出来る。しか
しながら、その融点は、銅−燐系での融点ほど低いわけ
ではないのであって、通常はそれほど効果的ではない。
燐が0.4％以下である場合は、存在する液相が殆ど無
く、充分な焼結を行うことが出来ないのであり、又燐が
1.2％以上では、最終構造中の燐化物の量は、高すぎる
ことになり、焼結材料の機械的特性は、劣化し始める。 銅は、特に燐と相互作用し、融点が714℃までに下が
り得る低融点液相を形成する。鉄及びマンガンと協働し
て、銅は、鉄の焼結成分を浸透させるのに往々にして有
用である有益な液相を形成する。銅それ自体は、1083℃
において溶解し、且つ液状の銅を生じる。充分な液相を
得るためには、銅の含有量は、4.5ないし20％、好まし
くは4.5ないし15％の範囲内である。下限値は、燐を銅
−燐合金によって燐を導入する必要性で設け、又上限値
は、約20％以上では液相が余りにも多く生成するため、
それによって設定する。銅の添加が多すぎた場合は、過
剰分は、焼結圧縮体から駆逐されるとはいえ、焼結材料
の密度は尚極めて高いもので有り得る。しかしながら、
駆逐された銅の相が、焼結成分の外形をひずませること
になる。場合によっては、たとえば引き続き機械加工す
るための高密度ブランク（素材）を製造する場合におい
ては、重要ではない可能性があろう。 モリブデンは、高温液相の方向に寄与するものであ
る。又、鉄や炭素と共に複雑なカーバイドを形成し、合
金の焼き入れえ加工性を改善する。材料の焼き入れ加工
性と最終硬度とが所定通りとなるには、0.5％以上添加
する必要がある。通常は、10％までを添加すれば、熱処
理を行った後所望の硬度が得られる。その他の添加物
が、液相の生成のために寄与する程度は少ないものの、
一般に機械的特性を増大せしめるために存在する。 バナジウムも又、炭素と化合し、カーバイドを生成す
るが、やはり焼き入れ加工性を改善する。５％までのバ
ナジウムが、効果的である。 タングステンも又、鉄及び炭素と共に複雑なカーバイ
ドを形成するはずで、材料の鉄母材を強化して、その高
温機械的特性を改良する；従って、タングステン添加し
た合金は、高温用途で有用である。20％までのタングス
テンは、有効に添加してもよい。 コバルトは、やはり鉄母材を強化し、高温で使用に供
する必要がある材料に使われる。12％までのコバルト
は、有効に添加してもよい。 マンガンは、必須ではないものの、鉄合金粉末中に不
純物として又は銅合金粉末添加物として存在していても
よい。一般的に、マンガンは、鉄合金の焼結性を促進す
る。２％までのマンガンは、有用に添加してもよい。 ニッケルも同様に、必須の添加物ではないが、存在す
れば、焼き入れ加工性を改良するであろう。２％までの
ニッケルは、有用に添加してもよい。 カーバイド生成元素としてのモリブデン、バナジウム
やタングステンの代わりに又はそれ等の効果を補完する
ために、その他の代替可能なカーバイド生成元素も、使
用してもよい。 以下に、合金組成の幾つかとそれ等の効果的な焼結温
度とを説明するために、実施例を掲げる。 これ等実施例において製造された試料の大半は、呼び
寸で直径が１インチ（2.5cm）で、高さが0.5インチ（1.
3cm）である固形の円筒である。その他の試料は、直径
が１インチ（2.5cm）、口径が0.75インチ（1.9cm）そし
て高さが0.375インチ（0.95cm）から直径が２インチ
（2.5cm）、口径が1.25インチ（2.5cm）そして高さが0.
375インチ（0.95cm）までに渡るリングであった。これ
等は全て、メッシュベルト炉内において分野アンモニア
（露点が−40℃）雰囲気で焼結するか、又はスタティッ
クチューブ炉において真空焼結した。焼結温度は、30分
であり、焼結試料は全て炉で冷却した。メッシュベルト
炉においては、冷却は、1100−400℃の範囲では約27℃
／分であり、一方真空焼結炉においては、冷却は、同一
温度範囲では約100℃／分であった。実施例において、
使用した粉末は、以下の通りであった。 粉末A: 1.3％Ｃ、0.5％Co、4.2％Cr、0.1％Mn、5.9％Mo、0.5
％Ni、0.3％Si、2.9％Ｖ、6.0％Ｗを含有する鉄合金。 粉末B: 1.0％Ｃ、0.6％Co、4.3％Cr、6.2％Mo、0.4％Ni、0.3
％Si、2.8％Ｖ、6.0％Ｗを含有する鉄合金。 粉末C: 1.0％Ｃ、0.4％Co、4.3％Cr、0.2％Mn、5.8％Mo、0.3
％Ni、0.2％Si、3.9％Ｖ、5.8％Ｗを含有する鉄合金。 粉末D: 1.3％Ｃ、0.5％Co、4.1％Cr、0.2％Mn、5.6％Mo、0.3
％Ni、0.4％Si、2.9％Ｖ、6.0％Ｗを含有する鉄合金。 粉末E: 1.0％Ｃ、4.5％Co、4.1％Cr、5.0％Mo、0.4％Ni、0.3
％Si、1.9％Ｖ、6.2％Ｗを含有する鉄合金。 粉末F: 1.6％Ｃ、5.0％Co、4.4％Cr、0.2％Mn、0.6％Mo、0.1
％Ni、0.3％Si、4.7％Ｖ、12.4％Ｗを含有する鉄合金。 粉末G: 1.4％Ｃ、9.4％Co、4.2％Cr、0.2％Mn、3.2％Mo、0.1
％Ni、0.3％Si、2.9％Ｖ、8.9％Ｗを含有する鉄合金。 粉末H: 純粋なモリブデン粉末。 粉末I: 純粋な銅の粉末。 粉末J: 1.0％Mn、5.0％Feを含有する銅合金。 粉末K: 8.5％Ｐを含有する銅合金。 粉末L: 14.0％Ｐを含有する銅合金。 粉末M: ステアリン酸亜鉛の粉末。 粉末N: 硫化マンガンの粉末。 粉末ＡないしＧは、全て高温焼結によって高密度、高
速鋼を製造するために使用される市販の材料であった。
知得する範囲においては、これ等は全て、水粉霧化され
且つ焼きなましされた粉末であり、粉末と同じ組成の溶
融合金から製造されたものである。 粉末Ｊ、Ｋ及びＬも、水粉霧化法によって製造された
ものである。 全ての粉末は、前焼結した鉄合金粉末全体に渡って分
布が良好であることを確保するため、粒径が100メッシ
ュ（Tyler標準ふるい;0.15mm）までであったが、粉末Ｋ
及びＬは、粒径が高々200メッシュ（0.07mm）まで、好
ましくは325メッシュ（0.04）までとした。 実施例１ 89.9％Ａ、9.4％Ｋ、0.7％Ｍなる比率で粉末を、常法
で混合した。40tsi（620MPa）にて加圧した時の密度
は、75.4％TD（理論密度）であり、1120℃又は1150℃で
焼結後は、焼結密度は、それぞれ95.1％TD及び97.8％TD
であった。 実施例２ 実施例１を繰り返した。但し、粉末は、89.9％Ａ、9.
4％Ｋ、6.4％Ｉ及び0.7％Ｍなる比率で用いた。40tsi
（620MPa）で加圧した密度は、75.5％TDあり、1120℃、
1150℃又は1175℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ9
8.5％TD、98.9％TD及び99.4％TDであった。 実施例３（比較例−過剰のCu） 実施例１を繰り返した。但し、73.7％Ａ、9.4％Ｋ、1
6.4％Ｉ及び0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（6
20MPa）で加圧した密度は、78.5％TDであり、1120℃及
び1150℃で焼結後は、焼結密度は、何れも100％TDであ
った。この場合、焼結試料から若干の銅が駆逐された。 実施例４ 実施例１を繰り返した。但し、83.3％Ａ、11.8％Ｋ、
4.2％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、75.4％TDであり、1120℃又は1
150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ98.9％TD及び9
9.3％TDであった。 実施例５ 実施例１を繰り返した。但し、83.7％Ａ、7.1％Ｋ、
8.5％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、76.5％TDであったが、1120℃
又は1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ97.3％TD
及び99.4％TDであった。 実施例６ 実施例１を繰り返した。但し、85.8％Ａ、7.1％Ｋ、
6.4I％、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620M
Pa）で加圧した密度は、76.8％TDであり、又1120℃又は
1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ94.3％TD及び
98.4％TDであった。 実施例７ 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ａ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍ、6.4％Ｉなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、76.2％TDであり、又1120℃又
は1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ98.2％及び
99.4％TDであった。 実施例８（比較例−Ｃが不足） 実施例１を繰り返した。但し、89.9％Ｂ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加
圧した密度は、76.3％TDであったが、1120℃、1150℃又
は1175℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ87.7％TD、
92.6％TD及び97.9％TDであった。 実施例９（比較例−Ｃが不足） 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｂ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、77.2％TDであり、又1120℃、1
150℃又は1175℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ90.
2％TD、97.7％及び97.9％TDであった。 実施例10 実施例１を繰り返した。但し、83.0％Ｂ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍ、0.5％グラファイトなる比率で粉末
を用いた。40tsi（620MPa）で加圧した密度は、77.7％T
Dであったが、1120℃又は1150℃で焼結後は、焼結密度
は、それぞれ98.5％TD及び98.6％TDであった。 実施例11（比較例−炭素が不足） 実施例１を繰り返した。但し、89.9％Ｃ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加
圧した密度は、78.2％TDであったが、1120℃又は1150℃
で焼結後は、焼結密度は、それぞれ84.2％TD及び89.0％
TDであった。 実施例12（比較例−Ｃが不足） 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｃ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、79.6％TDであったが、1120℃
又は1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ86.6％TD
及び95.0％TDであった。 実施例13 実施例１を繰り返した。但し、83.0％Ｃ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍ、0.5％グラファイトなる比率で粉末
を用いた。40tsi（620MPa）で加圧した密度は、78.9％T
Dであったが、1120℃又は1150℃で焼結後は、焼結密度
は、それぞれ94.1％TD及び99.1％TDであった。 実施例14 実施例１を繰り返した。但し、89.9％Ｄ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加
圧した密度は、76.0％TDであったが、1120℃、1150℃及
び1175℃で焼結後は、密度は、それぞれ89.8％TD、95.8
％TDび99.4％TDであった。 実施例15 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｄ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、77.8％TDであったが、1120℃
又は1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ96.8％TD
及び99.0％TDであった。 実施例16 実施例１を繰り返した。但し、89.9％Ｅ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率っで粉末を用いた。40tsi（620MPa）で
加圧した密度は、76.3％TDであったが、1120℃、1150℃
及びD1175℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ92.7％T
D、98.3％TD及び99.1％TDであった。 実施例17 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｅ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、73.9％TDであったが、1120℃
及び1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ97.0％TD
及び99.3％TDであった。 実施例18 実施例１を繰り返した。但し、89.9％Ｆ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加
圧した密度は、73.9％TDであったが、1120℃、1150℃及
び1175℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ92.8％TD、
97.6％TD及び98.4％TDであった。 実施例19 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｆ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、75.2％TDであったが、1120℃
及び1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ97.8％TD
及び100％TDであった。 実施例20 実施例１を繰り返した。但し、89.9％Ｇ、9.4％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加
圧した密度は、75.8％TDであったが、1120℃及び1150℃
で焼結後は、焼結密度は、それぞれ96.8％TD及び99.6％
TDであった。 実施例21 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｇ、9.4％Ｋ、
6.4％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、76.6％TDであり、又1120℃及
び1150℃で焼結後は、焼結密度は、何れも100％TDであ
った。 実施例22 実施例１を繰り返した。但し、92.2％Ａ、7.1％Ｋ、
0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加
圧した密度は、75.2％TDであったが、1150℃で焼結後
は、焼結密度は、82.1％TDであった。 実施例23（比較例−燐なし） 実施例１を繰り返した。但し、84.3％Ａ、15％Ｉ、0.
7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620MPa）で加圧
した密度は、76.3％TDであったが、1120℃及び1175℃で
焼結後は、焼結密度は、それぞれ77.5％TD及び86.3％TD
であった。 実施例24 実施例１を繰り返した。但し、83.5％Ｅ、5.7％Ｌ、1
0.1％Ｉ、0.7％Ｍなる比率で粉末を用いた。40tsi（620
MPa）で加圧した密度は、78.8％TDであったが、1120℃
及び1150℃で焼結後は、焼結密度は、それぞれ92.3％TD
及び98.3％TDであった。 上記実施例における焼結合金の計算組成は、第１表に
掲げてある。 実施例によって説明した通り、種々の添加及び焼結条
件によって多岐多様な効果が得られるが、それ等は以下
のようである。 銅添加の効果−実施例１、２、５及び３。８％Cu以下
では、密度は、低下の傾向を示し、又約20％以上では、
過剰の銅は、焼結合金から駆逐される。 燐添加の効果−実施例２、４及び23。燐が全く存在し
ない場合は、焼結密度は低くなる。燐含有料としては、
0.8％が、最適量である。 コバルトの効果−実施例９及び21。これ等実施例か
ら、コバルト含有量は広い限界値内にあればよく、然も
高密度が得られる、ということが判る。 モリブデンの効果−実施例13及び19。これ等の実施例
から、モリブデンの含有量は広い限界値内で変動可能で
あることが判る。 バナジウムの効果−実施例17及び19。これ等の実施例
から、バナジウム含有量も又広い限界値内で変動可能で
あることが判る。 タングステンの効果−実施例４及び19。これ等の実施
例２から、タングステン含有量は広い限界値内で変動可
能であり又高密度が得られることが判る。 燐添加の方式の効果−実施例17及び24。Cu−8.5％Ｐ
添加を含む材料は、Cu−14％Ｐ添加よりも高い密度が得
られる。 焼結温度の効果−実施例２及び８。焼結においてよく
知られている一般的な効果は、全般的に見て焼結温度が
高ければ高いほど、同じ焼結時間であればより高密度の
材料が得られる、ということである。 炭素の効果。炭素の効果は、炭素の含有量は、高密度
を実現する必要があるときは充分に制御せねばならない
ことが、既に公知であるので、別個に取扱いし、論議す
る必要がある。これ等の材料は全て、強力なカーバイド
形成剤である添加混合元素を有しており、即ちこれ等は
炭素と共に安定な化合物を形成する。炭素添加は、特に
燐添加を伴うと材料を高密度に焼結することを促進する
液相の形成に関与しているので、モリブデン、バナジウ
ムやタングステン添加物と一緒に化合物を生成するに必
要な量を上回る炭素が、材料中に含有されていなければ
ならない。簡単にするため、タングステン当量（CWE）
を、以下の式に基づいて全ての材料について計算し、算
定してある。 CWE＝％Ｗ＋2x％Mo＋6x％Ｖ 計算炭素含有量（CCC％）を、次にCWEを用いて下記の
式によって算出することが出来る： CCC％＝（CWE/20）−0.4 最低炭素含有量として約0.6％が必要であることが、
既に明らかになっている。 炭素含有量の効果の実例は、実施例12及び13;実施例
９及び10;並びに実施例２、９及び15に示されている
が、これ等実施例の組み合せは、炭素含有量は異なる以
外同様の類似した粉末組成を示している。炭素含有量が
最低CCC％以上であれば、高密度が得られる。又、炭素
含有量が余りにも低すぎると、焼結温度の効果が極めて
強くなる、ということに注目すべきである。実施例９及
び12を参照のこと。 以下の第II表には、幾つかの実施例から採取したデー
タであるが、炭素含有量を当該CCC％以上に保持する必
要性を具体的に示すものである。第III表は、その他の
実施例から得た相当するデータを示す。 第II表に示す材料は全て、8.6％（実施例16、18及び2
0）又は15％Cu（表中のその他の実施例）を含有する。 一旦正確な炭素含有量が決定されたのならば、当該材
料は、初期加圧密度についても極めて寛容度が大きい。
たとえば、実施例２の粉末混合物を、異なる初期密度に
まで加圧し、1120℃で焼結したところ、以下のような結
果が得られた。 初期密度、加圧時 最終密度、焼結時 ％TD ％TD 63.0 96.1 67.3 95.6 69.9 95.9 72.2 97.6 74.8 98.1 76.2 98.9 焼結後は、これ等の材料は、硬度が約55RA（ロックウ
エルＡ）ないし75RAであり、機械加工可能である。種々
の材料の構造は、高速工具鋼の母材として最も好適であ
る。なお、高速工具鋼は、Ｃ、Cr、Ｖ、Mo、Ｗ及びCo−
これ等の内幾つかは、結合してカーバイドを形成する−
の殆ど全てと銅がリッチな相の不連続な領域及び燐化物
相を少量含有する。これ等三つの主要構成成分の比率
は、出発粉末混合物の組成に依存する。このような構造
は、熱処理の影響を受け易く、高速工具鋼の熱処理とし
てよく知られている方法で熱処理することが出来る。 このような熱処理は、鉄合金の組成に依存し、一般的
な指導手引きは、一般数本から得ることが出来る。一般
的に言って、このような熱処理は、高温で溶液処理とそ
の後の焼結材料の高速工具鋼母材においてマルテンサイ
トが形成されるのを誘導するに充分早い速度で冷却する
ことから成る。熱処理に引き続いて、単一又は複数の焼
きもどしを行って、当該材料に所定の硬度と靭性とを生
じさせる。熱処理後、硬度として少なくとも78RAが実現
可能である。 上記した材料は、高温度において高密度であり、耐摩
耗性が優れ、又強度が高く、従って目下高速工具鋼が使
用されている全ての用途に適していると考えられる。こ
のような用途としては、たとえば成形バイト、ジグや取
付け具、耐摩耗性部品、バイト及び自動車エンジンの弁
座インサートなどの用途が、挙げられる。 焼結は又、真空中でも実施することが可能であり、ま
た焼結温度として1160℃以上であっても許容可能である
場合は、材料は、もっと高温で焼結することが出来る、
ということに注目すべきである。一般的に言って、燐と
銅の含有量を特定した領域範囲の下方に下げることによ
って、高密度を実現達成することが出来る。 必要に応じて、フリーの機械加工処理剤、たとえば硫
化マンガンなどを添加剤を添加して、機械加工・切削性
を改善する。通常は、約0.5％の量を添加する。 要約すれば、密度が少なくとも98％TDである高速工具
鋼材料が、出発材料の組成を、最終組成が特定した範囲
内に収まるような方法にて調節することによって、製造
すことが出来るのである。特に、炭素含有量は、最善の
結果を得るには少なくともCCC％に等しくなればならな
いのであって、また燐添加は、銅−8.5％燐合金からな
る添加物によってもっともよく実行することが出来る。
炭素、燐及び合金形成添加剤を組み合せることによっ
て、1160℃以下の温度で焼結しても高密度の達成が確保
されるのでる。このような材料を、次に従来製造されて
来た高速工具鋼に類似した方法で処理すれば、特にこの
ような用途に要求される硬度を得ることが出来るのであ
る。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．少なくとも理論密度の95％を有し且つ重量百分率で
   表した組成として、 炭素 0.6−2.5％ クローム ２−８％ 銅 4.5−20％ モリブデン 0.5−10％ 燐 0.4−1.2％ タングステン １−20％ バナジウム １−５％ を含有し、残りは鉄及び２重量％以下の不純物である焼
   結高速鋼であって、炭素、モリブデン、タングステン、
   バナジウム含有量の間の関係は、炭素含有量％が、CCC
   ％−0.1％ないしCCC％＋0.3％（式中CCC％は、計算され
   た炭素含有量＝（CWE/20）−0.4であり、又CWE＝タング
   ステン含有量％＋モリブデン含有量％の２倍＋バナジウ
   ム含有量％の６倍）の範囲にあること及び該燐が２ない
   し14％の燐を含有する銅燐化物から由来することを特徴
   とする焼結高速鋼。 ２．少なくとも理論密度の95％を有し且つ重量百分率で
   表した組成として、 炭素 0.6−2.5％ クローム ２−８％ 銅 4.5−20％ モリブデン 0.5−10％ 燐 0.4−1.2％ タングステン １−20％ バナジウム １−５％ を含み、更に、 コバルト 0.5−12％ マンガン 0.1−２％ ニッケル 0.1−２％ のうち少なくとも１種類を含有し、残りは鉄及び２重量
   ％以下の不純物である焼結高速鋼であって、炭素、モリ
   ブデン、タングステン、バナジウム含有量の間の関係
   は、炭素含有量％が、CCC％−0.1％ないしCCC％＋0.3％
   （式中CCC％は、計算された炭素含有量＝（CWE/20）−
   0.4であり、又CWE＝タングステン含有量％＋モリブデン
   含有量％の２倍＋バナジウム含有量％の６倍）の範囲に
   あること及び該燐が２ないし14％の燐を含有する銅燐化
   物から由来することを特徴とする焼結高速鋼。 ３．重量百分率で表した組成として、 炭素 0.8−1.5％ クローム ３−４％ 銅 ８−15％ モリブデン ３−５％ 燐 0.6−0.8％ タングステン ５−10％ バナジウム ２−４％ を含有し、残りは鉄及び２重量％以下の不純物である特
   許請求の範囲第１項に記載された合金。 ４．重量百分率で表した組成として、 炭素 0.8−1.5％ クローム ３−４％ 銅 ８−15％ モリブデン ３−５％ 燐 0.6−0.8％ タングステン ５−10％ バナジウム ２−４％ を含み、更に、 コバルト 0.5−8.5％ マンガン 0.1−0.2％ ニッケル 0.1−0.4％ のうち少なくとも１種類を含有し、残りは鉄及び２重量
   ％以下の不純物である特許請求の範囲第２項に記載され
   た合金。 ５．密度が少なくとも理論密度の98％である特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載された合金。 ６．該銅燐化物が６ないし11％の燐を含有する特許請求
   の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載された合
   金。 ７．該銅燐化物が８ないし11％の燐を含有する特許請求
   の範囲第６項に記載された合金。 ８．該銅燐化物が８％の燐を含有する特許請求の範囲第
   ７項に記載された合金。 ９．何れも粉霧化されて製造された、銅を含有しない鉄
   合金粉末、銅燐化物粉末並びに選択的に、銅粉末、銅合
   金粉末及び／又はグラファイトから構成される粉末混合
   物で、該混合物は圧縮し次いで焼結して、重量百分率で
   表した組成として、 炭素 0.6−2.5％ クローム ２−８％ 銅 4.5−20％ モリブデン 0.5−10％ 燐 0.4−1.2％ タングステン １−20％ バナジウム １−５％ を含有し、残りは鉄及び２％以下の不純物であるような
   焼結鉄合金とすることが可能であって、炭素、モリブデ
   ン、タングステン、バナジウム含有量の間の関係は、炭
   素含有量％が、CCC％−0.1％ないしCCC％＋0.3％（式中
   CCC％は、計算された炭素含有量＝（CWE/20）−0.4であ
   り又CWE＝タングステン含有量％＋モリブデン含有量％
   の２倍＋バナジウム含有量％の６倍）の範囲にあること
   及び該銅燐化物が２ないし14％の燐を含有することとを
   特徴する粉末混合物。 １０．何れも粉霧化されて製造された、銅を含有しない
   鉄合金粉末、銅燐化物粉末並びに選択的に、銅粉末、銅
   合金粉末及び／又はグラファイトから構成される粉末混
   合物で、該混合物は圧縮し次いで焼結して、重量百分率
   で表した組成として、 炭素 0.6−2.5％ クローム ２−８％ 銅 4.5−20％ モリブデン 0.5−10％ 燐 0.4−1.2％ タングステン １−20％ バナジウム １−５％ を含み、更に、 コバルト 0.5−12％ マンガン 0.1−２％ ニッケル 0.1−２％ のうち少なくとも１種類を含有し、残りは鉄及び２％以
   下の不純物であるような焼結鉄合金とすることが可能で
   あって、炭素、モリブデン、タングステン、バナジウム
   含有量の間の関係は、炭素含有量％が、CCC％−0.1％な
   いしCCC％＋0.3％（式中CCC％は、計算された炭素含有
   量＝（CWE/20）−0.4であり又CWE＝タングステン含有量
   ％＋モリブデン含有量％の２倍＋バナジウム含有量％の
   ６倍）の範囲にあること及び該銅燐化物が２ないし14％
   の燐を含有することとを特徴する粉末混合物。 １１．鉄合金粉末が、溶融した銅を含有しない鉄合金を
   水粉霧化させて生成せしめた特許請求の範囲第９項又は
   第10項に記載された粉末混合物。 １２．いずれも粉霧化された銅を含有しない鉄合金粉
   末、銅燐化物粉末並びに選択的に、銅粉末、銅合金粉末
   及び／又はグラファイトとを混合し、該粉末混合物を圧
   縮して成形製品とし、次いで前記製品を焼結することか
   ら成る方法において、該粉末混合物が、重量百分率で表
   した組成として、 炭素 0.6−2.5％ クローム ２−８％ 銅 4.5−20％ モリブデン 0.5−10％ 燐 0.4−1.2％ タングステン １−20％ バナジウム １−５％ を含有し、残りは鉄及び２重量％以下の不純物である焼
   結鉄合金を製造可能である組成を有する、焼結合金製品
   を製造する方法であって、炭素、モリブデン、タングス
   テン、バナジウム含有量の間の関係は、炭素含有量％
   が、CCC％−0.1％ないしCCC％＋0.3％（式中CCC％は、
   計算された炭素含有量＝（CWE/20）−0.4であり又CWE＝
   タングステン含有量％＋モリブデン含有量％の２倍＋バ
   ナジウム含有量％の６倍）の範囲にあること及び該銅燐
   化物が２ないし14％の燐を含有することを特徴とする焼
   結合金製品製造方法。 １３．いずれも粉霧化された銅を含有しない鉄合金粉
   末、銅燐化物粉末並びに選択的に、銅粉末、銅合金粉末
   及び／又はグラファイトとを混合し、該粉末混合物を圧
   縮して成形製品とし、次いで前記製品を焼結することか
   ら成る方法において、該粉末混合物が、重量百分率で表
   した組成として、 炭素 0.6−2.5％ クローム ２−８％ 銅 4.5−20％ モリブデン 0.5−10％ 燐 0.4−1.2％ タングステン １−20％ バナジウム １−５％ を含み、更に、 コバルト 0.5−12％ マンガン 0.1−２％ ニッケル 0.1−２％ のうち少なくとも１種類を含有し、残りは鉄及び２重量
   ％以下の不純物である焼結鉄合金を製造可能である組成
   を有する、焼結合金製品を製造する方法であって、炭
   素、モリブデン、タングステン、バナジウム含有量の間
   の関係は、炭素含有量％が、CCC％−0.1％ないしCCC％
   ＋0.3％（式中CCC％は、計算された炭素含有量＝（CWE/
   20）−0.4であり又CWE＝タングステン含有量％＋モリブ
   デン含有量％の２倍＋バナジウム含有量％の６倍）の範
   囲にあること及び該銅燐化物が２ないし14％の燐を含有
   することを特徴する焼結合金製品製造方法。 １４．焼結製品が硬結を防止する速度で冷却される特許
   請求の範囲第12項又は第13項に記載された方法。 １５．焼結製品を熱処理して、その硬度と強度とを増大
   せしめる特許請求の範囲第12項ないし第14項のいずれか
   に記載された方法。 １６．粉末混合物を圧縮して、理論密度の65％ないし80
   ％の圧縮成形品にする特許請求の範囲第12項ないし第15
   項のいずれかに記載された方法。