JP3396285B2

JP3396285B2 - 高強度・高靱性焼結材料用合金鋼粉およびその焼結鋼

Info

Publication number: JP3396285B2
Application number: JP00935694A
Authority: JP
Inventors: 繁宇波; 聡上ノ薗
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 2003-04-14
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: JPH07216402A

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・高靱性が要求
される鉄系焼結材料に用いて好適な合金鋼粉に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、軽量化、小型化のために、自動車
部品を初めとして焼結部品に対する高強度化の要求が高
まってきている。高強度が要求される鉄系部品を粉末冶
金法で製造する場合、材料である鋼粉の圧縮性を向上さ
せて焼結体を高密度とするとともに、焼結体の組織を焼
入組織とするのが従来の一般的な製造方法である。焼入
組織とするには合金元素を添加し、さらに高温において
浸炭処理や浸窒処理を施すとともに、その後に焼入を行
う。しかし、このままでは強度は高いが、靱性が劣るの
で焼もどし処理を施すことによって必要な特性を得てい
る。

【０００３】熱処理を施すことには、工程が増えるとい
う製造コストの上昇の問題、および熱処理、とくに焼入
の際に発生する歪による寸法精度の低下が避けられない
という問題がある。そこで、高精度部品に対しては、現
在、熱処理後にサイジング工程と称して、プレスによる
寸法矯正の工程を入れるのが一般的であるが、サイジン
グは高強度化してから行うので、強力なプレスが必要で
困難を伴うという問題もある。

【０００４】熱処理工程省略に関しては、例えば、特開
昭63-33541号公報では、材料鋼粉のC 、Si、P 、S 、N
、O 等の元素を低減して圧縮性を向上させるととも
に、Ni、Cr、Moなどの焼入性増加元素を含有させた合金
鋼粉とすることにより、1100〜1350℃で焼結後、冷却速
度を0.15℃/ 秒以上とすることにより、焼結鋼の組織を
マルテンサイト組織とすることができ、焼結のままで強
度を向上させる技術が開示されている。

【０００５】しかしながら、Niを0.5 〜4 wt% 、Crを1.
8 〜4.5 wt% 含有するため、やはり鋼粉自体の圧縮性が
悪い、Niなどの合金コストがかかる、さらに焼入マルテ
ンサイト組織のため焼結鋼の靱性が悪い、マルテンサイ
ト変態による歪の発生のため寸法精度が劣る、などの問
題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来焼結の
ままでは得られなかった高強度かつ高靱性の焼結部品
を、比較的安価に焼結のままで寸法精度良く得ることが
きる高強度・高靱性焼結材料用合金鋼粉およびその焼結
鋼を提案することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】さて発明者らは、上記の
目的を達成すべく焼入歪を避け、同時に高強度・高靱性
を得る方法として微細フェライトパーライト組織の実現
に着目して、鋭意研究を重ねた結果、Cr、Mo、Mn、N の
組成を限定して焼入性を調整し、かつTiあるいはREM お
よびB を含有させてその窒化物をフェライト変態の核と
して活用することにより、焼結体の組織を微細なフェラ
イト・パーライト組織に制御することに成功し、本発明
をなすに至った。

【０００８】すなわち本発明は、第一発明がCr:0.5〜3
wt% 、Mo:0.1〜2 wt% 、Mn:0.08 wt% 以下、N:0.004 〜
0.05wt% 、Ti:0.01 〜0.1 wt% 、残部がFeと不可避的不
純物とからなることを特徴とする高強度・高靱性焼結材
料用合金鋼粉であり、第二発明がCr:0.5〜3 wt% 、Mo:
0.1〜2 wt% 、Mn:0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.05wt%、
稀土類元素（以下、REM と称する):0.01〜0.06wt% 、B:
0.001 〜0.01wt% を含み、残部がFeと不可避的不純物か
らなることを特徴とする高強度・高靱性焼結材料用合金
鋼粉であり、第三発明がC:0.5 〜1.0wt%、Cr:0.5〜3 wt
% 、Mo:0.1〜2wt% 、Mn:0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.0
5wt% 、Ti:0.01 〜0.1 wt% 、残部がFeと不可避的不純
物とからなることを特徴とする高強度・高靱性焼結鋼で
あり、第四発明がC:0.5 〜1.0 wt% 、Cr:0.5〜3 wt% 、
Mo:0.1〜2 wt% 、Mn:0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.05wt
% 、REM:0.01〜0.06wt% 、B:0.001 〜0.01wt% を含み、
残部がFeと不可避的不純物からなることを特徴とする高
強度・高靱性焼結鋼であり、第五発明が上述の合金鋼粉
のいずれかに、黒鉛粉を0.5 〜1.0 wt% 添加し、成形、
焼結を行うことを特徴とする高強度・高靱性焼結鋼の製
造方法である。

【０００９】

【作用】本発明によれば、焼結鋼を微細なフェライトパ
ーライト組織とすることにより、焼入に伴う歪の問題を
避けて寸法精度を確保し、かつ同時に高強度・高靱性を
もたらすことができる。また、焼結鋼を焼入組織とする
ための焼結後の急冷や熱処理工程も省略でき、低コスト
化が実現できる。

【００１０】そのためには、適当な成分の選定が重要
で、高価なNiなどの元素を使用せず、マトリックスの強
化すなわち固溶強化と、フェライトパーライト組織の微
細化による強化を眼目として成分を調整する。すなわ
ち、微細に分布した窒化物を核としてフェライト変態を
促進することにより、焼結後に容易に実現できる冷却速
度（焼結後の冷却速度は、特別な急冷装置などがない場
合、通常 1〜30℃/ 分である。) でも微細なフェライト
パーライト組織が得られる。したがって特別に熱処理工
程を設ける必要がなくなるのである。フェライト変態促
進のためには、TiN 、BNなどの窒化物を使用するのが本
発明のキーである。これらの使用により、非常に安価な
C という強化元素をフルに使用することがき、鋼粉全体
のコストを低減することができて、しかも高靱性の実現
を可能にすることができた。

【００１１】以下に、本発明の成分の限定理由を以下に
述べる。 C:0.5 〜1.0 wt% C は、鋼の強度を向上させる元素であるが、0.5 wt% 未
満であるとフェライトの比率が高くなり、強度を低下さ
せる。また、1.0 wt% を超えると粗大な初析セメンタイ
トが析出して破壊の起点を提供し、強度を低下させる。
したがって、その含有量は0.5 〜1.0 wt% とする。望ま
しくは0.6 〜0.9 wt% とする。

【００１２】Mn:0.08 wt% 以下 Mnは焼入性向上、固溶強化などによって、焼結鋼、熱処
理鋼の強度を向上させる。しかし、粉末に0.08wt% を越
えて含有させると圧縮性を低下させる。さらにMnは、鋼
粉の焼入性を高めるため、焼結後の組織が粗大な上部ベ
イナイト組織になり、強度、靱性を低下させる。したが
って、その含有量は0.08wt% 以下とする。望ましくは0.
06wt% 以下とする。

【００１３】Cr:0.5〜3 wt% Crは、焼結後の冷却過程でのパーライトの微細化や固溶
強化などによって、焼結鋼、あるいはその熱処理鋼の強
度を向上させ、また炭化物を形成して焼結部品の耐磨耗
性を向上させる。しかし、0.5 wt% 未満であるとその効
果は小さく、粉末に3 wt% を越えて含有させると圧縮性
を低下させ、また、焼結後の組織が粗大な上部ベイナイ
ト組織となり、強度および靱性を劣化させる。したがっ
て、その含有量は0.5 〜3 wt% とする。望ましくは0.7
〜1.5 wt% とする。

【００１４】Mo:0.1〜2 wt% Moは、固溶強化および焼結後の冷却過程でのパーライト
の微細化、析出強化などによって、焼結鋼のままでの強
度を向上させるが、含有量が0.1 wt% 未満であるとその
効果は小さく、2 wt% を越えると圧縮性を低下させ、ま
た、焼結後の組織が粗大な上部ベイナイト組織になり、
強度および靱性が劣化する。したがって、その含有量は
0.1 〜2 wt% とする。望ましくは0.1 〜0.9 wt% とす
る。

【００１５】N:0.004 〜0.05wt% N は、本発明の重要な特徴の一つであるが、0.004 wt%
未満であると、後述する重要な作用を有するTiN あるい
はBNの析出が少ない。一方、0.05wt% を越えるとTiN ま
たはBNが粗大化し、あるいは鉄の窒化物が増加して靱性
が劣化する、さらにはブローホ─ルが生じるなどの害が
ある。したがって、その含有量は0.004〜0.05wt% とす
る。望ましくは0.006 〜0.02wt% とする。

【００１６】N を含有させるには、製鋼時に窒化物を添
加しても良いし、原料に窒化物を混合しておいてもよ
い。そうでなくとも、TiあるいはB を含む本発明の成分
の鋼粉を圧縮・成形して、焼結時に窒化雰囲気で焼鈍す
れば容易に目的とするN 含有量が得られる。 Ti:0.01 〜0.1wt% Tiは、本発明の重要な特徴の一つであるが、本発明の組
成範囲において、微細なTiN が析出する。微細なTiN は
次の二つの効果を持つ。

【００１７】(1) オーステナイト粒の成長阻止能力を持
ち、組織を微細化する。 (2) 粒内フェライト生成の核となり、粒内フェライト変
態を促進する。これらの効果により、変態生成物が微細化して、微細フ
ェライト・パーライト組織が得られ、強度と靱性が同時
に向上する。0.01wt% 未満であるとTiN の析出が少ない
ので微細化に効果はなく、0.1 wt% を越えるとむしろTi
N が粗大化してしまい、強度と靱性を低下させる。した
がって、その含有量は0.01〜0.1 wt% とする。望ましく
はTi:0.01 〜0.03wt% とする。

【００１８】REM:0.01〜0.06wt% 、B:0.001 〜0.01wt% REM とB は、本発明の重要な特徴であるが、本発明の組
成範囲においては、適当な大きさと分布のREM 介在物と
BNが析出する。これらの介在物は次の効果を有する。 (1) REM 介在物は、BNの析出サイトになる。

【００１９】(2) BNは、昇温時にオーステナイト粒の成
長阻止能力を持ち、組織を微細化する。 (3) BNは粒内フェライトの核になり、フェライト変態を
促進する。これらの効果により、変態生成物が微細化し、微細フェ
ライト・パーライト組織が得られ、強度と靱性を同時に
向上させる。REM とB のいずれかの成分が本組成範囲未
満であるとBNの析出が少なく、微細化に効果はない。ま
た、REM 、B いずれかの成分が本組成範囲を越えるとむ
しろREM 介在物あるいはBNが粗大化してしまい、強度と
靱性を低下させる。したがって、その含有量はREM:0.01
〜0.06wt% 、B:0.001 〜0.01wt% とする。望ましくはRE
M:0.02〜0.04wt% 、B:0.002 〜0.004 wt% とする。

【００２０】なお、本発明の合金鋼粉は、公知の水アト
マイズ法で容易に製造することができる。REM は、溶鋼
を水アトマイズする際、水アトマイズに先立ってミッシ
ュメタルを、例えばタンディッシュなどでワイヤの形で
溶鋼に添加することで合金鋼粉に含有させることができ
る。ミッシュメタルの成分は、通常、Ce:45 〜50wt% と
La:30 〜35wt% の混合物である。

【００２１】

【実施例】つぎに実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。実施例１表１に示す化学成分の合金鋼粉に、黒鉛を0.9 wt% 、ス
テアリン酸亜鉛を1 wt% 添加混合したのち、圧縮成形に
より、密度:7.0g/cm³の成形体を作成した。これらの成
形体を、90%N₂-10%H₂ 中、1250℃、60分間の条件で焼結
を行ったのち、冷却速度10℃/ 分で冷却した。このよう
にして得られた焼結体について、引張強さ、シャルピー
衝撃試験による吸収エネルギー値を調べた。実験結果を
表 1に併記する。

【００２２】表1 から明らかなように、本発明範囲のと
きに高強度・高靱性の焼結体を得ることができた。

【００２３】

【表１】

【００２４】実施例２表１に示すＢの合金鋼粉に、ステアリン酸亜鉛を1%と、
0.45〜1.1 wt% の範囲で変化させた黒鉛とを添加、混合
したのち、圧縮成形により、密度:7.0g/cm³の成形体を
作成した。これらの成形体を、90%N₂-10%H₂ 中、1250
℃、60分間の条件で焼結を行ったのち、冷却速度20℃/
分で冷却した。このようにして得られた焼結体につい
て、引張強さ、シャルピー衝撃試験による吸収エネルギ
ー値を調べた。実験結果を表２に併記する。

【００２５】表２から明らかなように、本発明範囲のと
きに高強度・高靱性の焼結体を得ることができた。

【００２６】

【表２】

【００２７】実施例３表３に示す化学成分の合金鋼粉に、黒鉛を0.9 wt% 、ス
テアリン酸亜鉛を1 wt% 添加混合したのち、圧縮成形に
より、密度:7.0g/cm³の成形体を作成した。これらの成
形体を、90%N₂-10%H₂中、1250℃、60分間の条件で焼結
を行ったのち、冷却速度 5℃/ 分で冷却した。このよう
にして得られた焼結体について、引張強さ、シャルピー
衝撃試験による吸収エネルギー値を調べた。実験結果を
表3 に併記する。

【００２８】表3 より明らかなように、本発明範囲のと
きに高強度・高靱性の焼結体を得ることができた。

【００２９】

【表３】

【００３０】実施例４表３に示すＢの合金鋼粉に、ステアリン酸亜鉛を1 wt%
と、0.45〜1.1 wt% の範囲で変化させた黒鉛とを添加混
合したのち、圧縮成形により、密度:7.0g/cm³の成形体
を作成した。これらの成形体を、90%N₂-10%H₂中、1250
℃、60分間の条件で焼結を行ったのち、冷却速度15℃/
分で冷却した。このようにして得られた焼結体につい
て、引張強さ、シャルピー衝撃試験による吸収エネルギ
ー値を調べた。実験結果を表4 に示す。

【００３１】表4 より明らかなように、本発明範囲のと
きに高強度・高靱性の焼結体を得ることができた。

【００３２】

【表４】

【００３３】

【発明の効果】本発明の鋼粉または焼結鋼を用いること
により、従来、焼結後、熱処理しなければ得られなかっ
た高強度・高靱性部品を、焼結のままで寸法精度良く安
価に得ることが可能になり、熱処理工程およびサイジン
グ工程を省略でき、コストダウンとリードタイムの短縮
を実現した。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】 Cr:0.5〜3 wt% 、Mo:0.1〜2 wt% 、Mn:
0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.05wt% 、Ti:0.01 〜0.1 w
t% 、残部がFeと不可避的不純物とからなることを特徴
とする高強度・高靱性焼結材料用合金鋼粉。
【請求項２】 Cr:0.5〜3 wt% 、Mo:0.1〜2 wt% 、Mn:
0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.05wt% 、稀土類元素（以
下、REM と称する):0.01〜0.06wt% 、B:0.001〜0.01wt%
を含み、残部がFeと不可避的不純物からなることを特
徴とする高強度・高靱性焼結材料用合金鋼粉。
【請求項３】 C:0.5 〜1.0wt%、Cr:0.5〜3 wt% 、Mo:
0.1〜2 wt% 、Mn:0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.05wt%
、Ti:0.01 〜0.1 wt% 、残部がFeと不可避的不純物と
からなることを特徴とする高強度・高靱性焼結鋼。
【請求項４】 C:0.5 〜1.0wt%、Cr:0.5〜3 wt% 、Mo:
0.1〜2 wt% 、Mn:0.08 wt% 以下、N:0.004 〜0.05wt%
、REM:0.01〜0.06wt% 、B:0.001 〜0.01wt% を含み、
残部がFeと不可避的不純物からなることを特徴とする高
強度・高靱性焼結鋼。
【請求項５】請求項１または２の合金鋼粉に、黒鉛粉
を0.5 〜1.0 wt% 添加し、成形、焼結を行うことを特徴
とする高強度・高靱性焼結鋼の製造方法。