JP3392228B2 - 粉末冶金用合金鋼粉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、高強度焼結部品用の粉
末冶金用合金鋼粉に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来から純鉄粉を主原料として焼結部品
が製造されているが、この種の焼結部品は強度レベルが
低く、その用途が限定されているという欠点があった。
そこで最近では上記欠点を補うために、純鉄粉に替えて
合金鋼粉を使用する技術が発達しつつある。 【０００３】しかしながら、鉄粉中にプレアロイとして
ある程度以上の合金成分を含有させた場合、鉄粉の圧縮
性を損なうことが多く、その結果高い焼結密度が得られ
なくなり、結果的に強度向上が望めないという問題があ
る。一方、純鉄粉と合金元素粉末を混合したままのもの
を原料として、成形・圧縮し、焼結する際に合金粉末を
純鉄粉と反応させ、合金成分を固溶させる方法も従来か
ら広く採用されている。しかしながら、この方法では圧
縮性はある程度確保されるものの、成形性が低下した
り、成形時の粉末偏析により組織の不均一が生じたり、
さらには焼結時の固溶および拡散が十分でないことによ
り組織の不均一が生じたりするという問題がある。 【０００４】そこでたとえば特公昭45−9649号公報にお
いて提案されているように、純鉄粉に合金粉末を拡散付
着させることによって上記の問題を克服することが考え
られる。上記提案においては純鉄粉に合金粉末を拡散付
着させるための具体的な方法としては、1.5 〜２％のカ
ルボニルNi粉、0.4 〜１％のMoO₃粉、0.5 〜２％の酸化
銅粉あるいは銅粉を、粒径が74μm を超えない純鉄粉に
拡散焼鈍を施し、Ni、Mo、Cuの合金元素を部分的に鉄粉
に拡散付着させ、摩砕後、 732℃で再度歪み取り焼鈍を
行い、 177μm 以下に分割する方法が提案されている。
この拡散付着型合金鋼粉を原料として圧縮・成形し、焼
結する際にさらに合金元素の拡散を図るものである。し
かしながら上記発明の合金鋼粉の場合、1130℃程度の低
温で焼結した場合、浸炭焼き入れ後に高い強度が得られ
ないという問題があった。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決して、1130℃程度の低温焼結でも焼結まま材、浸
炭熱処理材とも従来に比べ大きな強度向上が得られる粉
末冶金用合金鋼粉を提供することを目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】発明者らが鋭意研究した
結果、従来の拡散付着型合金鋼粉（以下、単に鋼粉とも
いう）による焼結鋼の組織中には粗大なオーステナイト
領域が観察された。そこで発明者らはこの強度の低い粗
大なオーステナイト領域をできるだけ小さくし、マルテ
ンサイト組織の領域を大きくすることによって強度を上
昇させることを着想した。 【０００７】Ni、Cu、Moの合金元素のうち、Niのみがオ
ーステナイト形成元素であり、またNiはこれら3 元素の
うち最もFe中での拡散速度が低い。したがって焼結時に
はNiをできるだけ均一に分布させることが必要である。
そのためには付着する鉄粉の粒径が大きくてはいけない
し、たとえ粒径が大きい場合でも表面拡散を促進するた
めにできるだけ不規則な形状とすることが必要であると
考えられる。 【０００８】発明者らがさらに詳細に研究した結果、焼
結時の純鉄粉へのNiの拡散は、拡散付着される純鉄粉の
純度、鉄粉中の粒径 150μm 以上の粗粉の含有量とその
形状および解砕工程で蓄積されるひずみ量により大きく
影響され、したがって焼結体強度も大きく影響されるこ
とが判明した。本発明は、上記の知見をもとになされた
もので、拡散付着される純鉄粉の純度、Ni、MoO₃あるい
はMoおよびCuの添加配合量、拡散焼鈍後解砕して得られ
た鋼粉中の 150μm 以上の粗粉含有量及び形状を規定す
ることにより、圧縮成形時に高い圧縮密度が得られ、11
30℃程度の低温焼結でも十分なNiの拡散を実現し、その
結果高い強度の焼結体を得ることができる。 【０００９】すなわち本発明は、Mn：0.04％以下、Ｐ：
0.003 ％以下、残部鉄および不可避的不純物からなる高
純度鉄粉に、Ni：1.5 〜５％と、三酸化MoをMo換算で0.
4 〜1.5 ％、Cu：２％以下のうち１種以上を拡散付着し
てなる粉末冶金用合金鋼粉であって、該合金鋼粉のうち
粒径150 μm 以上の粗粉の含有量が０％、または粒径15
0 μm 以上の粗粉の含有量が4.5 ％以下、かつ粒径180
μm 以上の粗粉の含有量が0.2 ％未満であり、かつ粒径
150〜180 μm の粗粉における下記で定義される不規則
度が10〜30、かつ粒径150 〜180 μm の粗粉の鉄結晶格
子の(200）面におけるＸ線回折ピークの半価幅が0.1 〜
0.3 degree、であることを特徴とする粉末冶金用合金鋼
粉である。 【００１０】記 不規則度＝（実測比表面積）／（合金鋼粉を球と仮定し
て算出した比表面積） 【００１１】 【作用】本発明に関わる合金鋼粉は、ベースとなる元粉
の純鉄粉に、Ni粉末と、酸化Mo粉末あるいはMo粉末、Cu
粉末を１種以上、混合・焼鈍することによって拡散付着
させたいわゆる拡散付着型合金鋼粉( 以下拡散付着型合
金鋼粉あるいは単に鋼粉と称する) であり、焼結中にNi
とMo、Cuの１種以上が鉄粉中に拡散し、焼結、浸炭熱処
理後、その組織はNi含有量の大きい残留オーステナイト
相とマルテンサイト相からなる。焼結および浸炭熱処理
後の高強度材料は、焼結中にNiの拡散が進行し、残留オ
ーステナイトが減少し、マルテンサイト相が増加してい
る。 【００１２】この中で特に、焼結中のNiの表面拡散を促
進することにより焼結鋼中にマルテンサイト相が増加
し、強度が向上するが、Niの表面拡散は純鉄粉の純度、
粒径 150μm 以上の粗粉量とその形状およびひずみの大
きさにより大きく影響される。すなわち拡散付着される
元粉の純鉄粉中のMn、Ｐがある含有量を超えるとNiの拡
散が抑制され、残留オーステナイトが増加する。 【００１３】焼結の際、粒径 150μm 以上の粗粉では、
鋼粉の形状が凹凸の少ない形状であるとNiがほとんど表
面拡散せず、焼結体内でNiが偏析しやすく残留オーステ
ナイトとなりやすい。また粒径 150μm 以上の粗粉で
は、鋼粉が凹凸の大きい形状でも、 150μm 未満の微粉
に比べNiが拡散しにくいので、粒径150 μm 以上の粗粉
の含有量をできるだけ少なくする必要がある。 【００１４】しかし、製造工程の制約上どうしても粒径
150μm 以上の粗粉がある程度残留することが避けられ
ない場合があるが、その場合、粒径 150μm 以上の粗粉
における好ましい凹凸の度合いは、（実測比表面積）／
（鋼粉を球と仮定して算出した比表面積）で表される不
規則度で規定する。なお、この比表面積はＢＥＴ法で測
定した値である。 【００１５】さらに、鋼粉を製造する工程で、すなわち
仕上げ還元後の解砕、拡散焼鈍後の解砕中に 150〜 180
μm の粗粉に蓄積されるひずみ量が多くなると焼結中Ni
の拡散が進みにくく、したがって強度が低下するので、
粗粉のひずみ量の大きさを制限する必要がある。ひずみ
量の大きさは、鋼粉のα結晶格子の(200) 面のＸ線回折
ピークの半価幅で規定する。一般にひずみ量が多いほど
拡散が進むので、本発明におけるひずみ量の制限は、粉
砕強度が大きい場合ほど球形粒子になり易く、ひずみも
大きいことと関係していると思われる。 【００１６】なお、特開昭61−23702 号公報では焼結
性、圧縮性に優れた鋼粉として20μm以下の微細粉の不
規則度を 1.5以下に限定したプレアロイ鋼粉が提案され
ているが、Niを拡散付着させた鋼粉中の粗粉の量と形
状、ひずみの大きさも全く言及されていない。特開昭59
−59810 号公報では成形性のよい純鉄粉として、粒度−
60／＋80メッシュの鉄粉が３〜10％で、不規則度が 1.4
以上の純鉄粉が検討されている。この発明で検討されて
いる150 〜 180μm の鉄粉の不規則度は1.92〜2.61で、
本発明の１／10以下であり、またNiを含有する拡散付着
型合金鋼粉用の元粉としての組成などの特性については
なんら言及されてはいない。 【００１７】このように元粉の拡散付着される純鉄粉の
純度と、拡散付着するNi、酸化MoあるいはMo粉末、Cu粉
末の含有量と、製品の拡散付着型合金鋼粉の 150μm 以
上の粗粉の量、形状、ひずみの大きさのすべてが満足さ
れた場合にのみ一層の強度向上が得られることが本発明
の特徴である。次に本発明鋼粉の具体的な製造法につい
て述べる。 【００１８】すなわち上記高純度純鉄粉と上記Ni粉末、
MoO₃粉末あるいはMo粉末およびCu粉末をダブルコーン型
混合機で乾式混合し、該混合粉を還元性雰囲気中で還元
焼鈍し、Ni、Mo、Cuを拡散付着させる。その後この鋼粉
を解砕後、その粗粉側の粒度調整を行えばよい。解砕強
度を高くして、鉄粉を磨滅して不規則度を低下させ、あ
るいはそのひずみが大きくなることがないように注意し
なければならない。あるいはアトマイズ直後のいわゆる
生粉の段階で粒径150 μm 以上の粗粉をできるかぎり少
なくしておくとより経済的に製造できる。 【００１９】以下に各限定理由について述べる。拡散付
着される純鉄粉の成分をMn：0.04％以下、Ｐ：0.003 ％
以下、残部鉄および不可避的不純物からなる、と限定し
た理由は下記のとおりである。Mn：0.04％およびＰ：0.
003 ％を超えると、焼結時のNi拡散が遅くなり、残留オ
ーステナイトが増加するため強度が低下するのでMn：0.
04％以下およびＰ：0.003 ％以下とする。MnおよびP な
どの不純物を極力低減する必要がある。 【００２０】拡散付着する合金元素を、Ni：1.5 〜５％
を必須とし、三酸化MoをMo換算で0.4 〜1.5 ％、Cu：２
％以下のうち１種以上としたのは以下の理由による。N
i：焼結鋼中に拡散したNiは、焼結鋼の焼き入れ性を改
善して強度を向上させ、また靱性を改善する。Niは、い
わゆるNi収縮により焼結時の寸法変化の調整にも重要な
元素である。Niの添加量が５％を超えると鋼粉の圧縮性
が低下し、実用上好ましくないので５％以下とする。Ni
が 1.5％未満では焼結時の寸法収縮が少なく焼結密度が
低下し、実用上好ましくないので、1.5 ％以上とする。 【００２１】Cu：Cuは、Mo、Niに比べ最も焼き入れ性が
小さいが、その添加によって通常の焼結温度で液相を出
現させ、焼結の進行を促進し、強度の向上に寄与する。
あわせてCu膨張とよばれる作用により、焼結時の寸法変
化を膨張気味とする。このため圧縮性に害を及ぼさない
範囲で寸法変化を考慮して選択的に添加すればよく、２
％以下とする。 【００２２】Mo：Moは、焼結鋼の焼き入れ性を高め、焼
き入れ、焼き戻し処理時の軟化を防止する。Moが 0.4％
未満では強度が低く、 1.5％を超えると焼結体の硬度が
高くなりすぎ焼結鋼の加工性に問題が生じるので 0.4〜
1.5％とした。本発明鋼粉の粒径150 μm 以上の粗粉含
有量を 4.5％以下、 180μm 以上の粗粉含有量を 0.2％
未満としたのは、それぞれ4.5 ％および0.2 ％を超える
と、焼結時のNiの拡散が抑制され、残留オーステナイト
が増加し、強度が低下するからである。粒径 150μm 以
上の粗粉はできるかぎり低減した方が良い。 【００２３】拡散付着型合金鋼粉のうち、粒径 150〜 1
80μm の粗粉の不規則度：（実測比表面積）／（鋼粉を
球として仮定して算出した比表面積）を10〜30としたの
は以下の理由による。粒径 150〜 180μm の粗粉の不規
則度が10未満では焼結時のNiの拡散が抑制され、残留オ
ーステナイトが増加し、強度が低下するからである。粒
径 150〜 180μm の粗粉の不規則度が30を超えると圧縮
性が低下するので、実用上好ましくない。特に好ましい
不規則度は20〜27である。 【００２４】本発明鋼粉の粒径 150〜 180μm の粗粉の
鉄結晶格子の(200) 面のＸ線回折ピークの半価幅を 0.1
〜0.3degree としたのは、通常の製造工程で0.1degree
未満に解砕することは困難であり、0.3degree を超える
と同時に不規則度も小さくなり焼結時のNiの拡散が抑制
され、残留オーステナイトが増加し、強度が低下するか
らである。特に好ましい半価幅は0.15〜0.25degreeであ
る。 【００２５】 【実施例】MnとＰをそれぞれ0.04％と0.003 ％に低減し
た高純度純鉄粉 (元粉) とNi粉末、MoO₃粉末、Cu粉末を
４％Ni− 1.5％Cu− 0.5％Mo−残りFeの組成になるよう
に乾式混合後、水素雰囲気中 900℃１時間の拡散焼鈍処
理後、解砕した。解砕後、ふるいを用いて粒径 150μm
以上の粗粉の除去量を変化させ、種々の粗粉配合量の粉
末を得た。またふるいわけした粒径 150μm 以上の粉末
のみを種々の粉砕機を用いて粉砕し、鋼粉の形状を凹凸
の少ない方向に変化させ、粒径 150μm 未満の微粉に添
加することにより、粗粉の量と、その形状およびひずみ
の大きさを変化させた。 【００２６】これらの鋼粉に黒鉛粉 0.5％、潤滑剤とし
てステアリン酸亜鉛を 0.8％添加後、密度が７ｇ／ccと
なるように成形し、1130℃20分、ＲＸ雰囲気中で焼結
後、 900℃でカーボンポテンシャル 0.9％で浸炭処理
後、 200℃30分の条件で焼き戻し処理を行い、引張り強
度を測定した。また、焼結まま材の強度も同時に測定し
た。 【００２７】表１に、供試鋼粉中の、粒径150 μm 以上
の粗粉の含有量、粒径150 〜 180μm の粗粉の含有量、
および粒径180 μm 以上の粗粉の含有量、粒径 150〜 1
80μm の粗粉についての（実測比表面積）／（鋼粉を球
と仮定して算出した表面積）で示される不規則度、粒径
150 〜 180μm の粗粉の鉄結晶格子の(200) 面のＸ線回
折ピーク半価幅、焼結まま材の強度および焼結浸炭熱処
理材の強度をまとめた。鋼粉の比表面積はBET 法により
測定した。 【００２８】 【表１】【００２９】本実施例によれば、Mn：0.04％以下、Ｐ：
0.003 ％以下、残部鉄および不可避的不純物からなる高
純度鉄粉に、Ni：1.5 〜５％と、三酸化MoをMo換算で0.
4 〜1.5 ％、Cu粉を２％以下のうち１種以上を拡散付着
させた後解砕し、 150μm 以上の粗粉含有量が 4.5％以
下、 180μm 以上の粗粉含有量が 0.2％未満で、鋼粉に
含有される 150〜 180μm の粗粉の不規則度を (実測比
表面積) ／( 鋼粉を球と仮定して算出した比表面積) と
して10〜30であり、鋼粉に含有される粒径 150〜 180μ
m の粗粉の鉄結晶格子の(200) 面のＸ線回折ピークの半
価幅が 0.1〜0.3degree である拡散付着型合金鋼粉は、
1130℃の低温焼結まま材および浸炭熱処理材において高
強度が得られることがわかる。 【００３０】一方、比較例１から比較例３に示すように
粒径150 μm 以上の粗粉の含有量が 4.5％を超えると
強度が大きく低下することがわかる。比較例４では鋼粉
中に含有される粒径 180μm 以上の粗粉の含有量が 0.2
以上であると強度が低下することがわかる。比較例５に
示すように、鋼粉に含有される粒径 150〜 180μm の粗
粉の不規則度が10未満では同時に、粒径150 〜 180μm
の粗粉の鉄結晶格子の(200) 面のＸ線回折の半価幅が0.
3degree を超え、大きく強度が低下する。これは粗粉の
凹凸が少ない場合は、粉体強度が大きくなるためひずみ
が粉末に蓄積されるためである。比較例６に示すよう
に、150 〜 180μm の不規則度が30を超えると強度は良
好だが圧縮性が低い。比較例７、８に示すようにMn、Ｐ
がそれぞれ0.04％および0.003 ％を超えると強度が低下
する。 【００３１】 【発明の効果】粉末冶金プロセスによる部品製造にさい
して、本発明による拡散付着型合金鋼粉を用いれば、圧
縮・成形が容易で、かつ1130℃程度の低温の焼結でも、
従来の拡散付着型合金鋼粉を用いた場合に比べて寸法変
化を変化させずに、高い強度が得られ、大量生産焼結部
品の高強度化に大きく貢献できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇波 繁 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎 製鉄株式会社 ハイテク研究所内 (72)発明者 小倉 邦明 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎 製鉄株式会社 ハイテク研究所内 (56)参考文献 特開 平２−145703（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−264642（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−104701（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−116601（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 1/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 重量比でMn：0.04％以下、Ｐ：0.003 ％
   以下、残部鉄および不可避的不純物からなる高純度鉄粉
   に、重量比でNi：1.5 〜５％と、三酸化MoをMo換算で0.
   4 〜1.5 ％、Cu：２％以下のうち１種以上を拡散付着し
   てなる粉末冶金用合金鋼粉であって、 該合金鋼粉のうち粒径 150μm 以上の粗粉が０％、また
   は粒径150 μm 以上の粗粉が4.5 ％以下、かつ粒径 180
   μm 以上の粗粉が0.2 ％未満であり、 かつ粒径 150〜 180μm の粗粉における下記で定義され
   る不規則度が10〜30、かつ粒径 150〜 180μm の粗粉の
   鉄結晶格子の(200) 面におけるＸ線回折ピークの半価幅
   が0.1 〜0.3degree であることを特徴とする粉末冶金用
   合金鋼粉。 記 不規則度＝（実測比表面積）／（合金鋼粉を球と仮定して算出した比表面積）