JP3475545B2

JP3475545B2 - 粉末冶金用混合鋼粉及びそれを含む焼結用材料

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Publication number: JP3475545B2
Application number: JP02054295A
Authority: JP
Inventors: 稔新田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 2003-12-08
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: JPH08218101A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金用混合鋼粉及
びそれらを含む焼結用材料に関し、詳しくは、Ｍｏ−Ｖ
予合金鋼粉と鉄燐粉の混合鋼粉、Ｍｏ−Ｖ予合金鋼粉
と、鉄燐粉と、Ｍｏ粉、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉、Ｃｏ粉、Ｗ粉
の一種以上との混合鋼粉、Ｍｏ粉、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉、Ｃ
ｏ粉、Ｗ粉の一種以上を部分的に拡散接合した部分拡散
Ｍｏ−Ｖ予合金鋼粉と鉄燐粉の混合鋼粉、及びこれら混
合鋼粉に、黒鉛粉、潤滑材及び有機物系結合剤のなかの
一種以上を混合した焼結用材料に係わる。

【０００２】

【従来の技術】合金鋼粉を原料に粉末冶金プロセスで成
形、焼結して製造される焼結体、焼結浸炭焼入体、焼結
鍛造体及び焼結鍛造浸炭焼入体（焼結後に、サイジン
グ、コイニング、切削、穿孔等の加工によって寸法や形
状の矯正・造形加工を行ったり、あるいはショットピー
ニングや浸炭窒化物等の表面処理を施すものを含むの
で、以下「焼結熱処理体」という）は、次第に高強度部
品の領域にまでその使用範囲が拡大されつつある。例え
ば、高い引張強さ、衝撃値及び疲れ強さが要求される自
動車部品用ギヤなどが、その典型的なものである。この
自動車用ギヤを製造する場合、その引張強さ、衝撃値及
び疲れ強さを向上させるため、一旦鉄にＭｏ、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐ、Ｓｉなどを合金化
させた鉄系の焼結体を製造し、その後、浸炭、窒化、焼
入れ−焼戻し等の熱処理を施すのが一般的である。しか
し、この鉄系の焼結熱処理体は、その引張強さが高いほ
ど疲れ強さも高くなるが、その反面、衝撃値が低下する
場合も多いので、対策として原料粉の改善に着目して、
引張強さと衝撃値を共に高めるか、あるいは引張強さと
衝撃値のバランスを保った合金鋼粉の研究、開発が行わ
れてきた。

【０００３】つまり、鉄系の焼結熱処理体の高強度化及
び高靱性化には、（ａ）基地（マトリックスともいう）
の強化、（ｂ）焼結体の高密度化（空孔減少化）、
（ｃ）酸素含有量の低減（低介在物量化）を図る必要性
が明確となり、原料粉としての鉄粉や合金鋼粉の製造工
程あるいは圧縮成形する前の混合工程（原料粉の段階と
もいう）で、鉄にＣ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐ、Ｓｉなどの合金元素を加えるように
なったのである。そして、該原料粉の段階で、上記合金
元素を加えた粉末として、（１）純鉄粉に各合金元素粉末を配合した混合粉（２）予め溶鋼段階で完全に各元素を合金化した予合金
鋼粉（３）純鉄粉や予合金鋼粉の表面に各合金元素粉末を部
分的に拡散接合した部分拡散合金鋼粉（複合合金鋼粉と
もいう）等が製造されるようになった。

【０００４】しかしながら、（１）の純鉄粉に各合金元
素粉末を配合した混合粉は、上記（ｂ）の高密度化の意
図において、純鉄粉並みの高圧縮性を確保できるという
利点があるが、焼結に際して焼結雰囲気中や浸炭雰囲気
中のＣＯ₂濃度や露点を低く厳密に制御しないと，添加
したＦｅより活性金属であるＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｉなど
が酸化を起こして（ｃ）の低酸素量化を図れず、さら
に、各合金元素がＦｅ中に十分拡散せずに不均質組織の
ままとなって（ａ）の基地強化を達成できないという問
題があった。そのために、（１）の純鉄粉に各合金元素
粉末を配合した混合粉は、近年の高強度化の要求に対応
できず、最近では使用されない状態に至っている。

【０００５】これに対し、（２）の各元素を完全に合金
化した予合金鋼粉は、溶鋼を水でアトマイズして製造す
るため、溶鋼のアトマイズ工程での酸化と完全合金化に
よる固溶硬化作用を生ずるが、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、
Ｓｉ、Ｐなどの合金元素の種類と量を限定することによ
り、（ｃ）の低酸素量化と（ｂ）の純鉄粉並みの高圧縮
性とを確保できる。また、（ａ）の完全合金化による基
地強化の可能性もあり、高強度用高靱性の予合金鋼粉と
して現在も開発が行われている。また、（３）の部分拡
散合金鋼粉は、純鉄粉や予合金鋼粉に各元素の金属粉末
を配合し非酸化性または還元性の雰囲気のもとで加熱し
て、純鉄粉や予合金鋼粉の表面に各金属粉末を部分的に
拡散接合して製造するため、（１）の混合粉及び（２）
の予合金鋼粉の良い点を組み合わせることができる。し
たがって、（ｃ）の低酸素量化と（ｂ）の純鉄粉並みの
高圧縮性とを確保でき、完全合金相と部分的な濃化相か
らなる複合組織となって（ａ）の基地強化の可能性があ
り、高強度高靱性用の部分拡散予合金鋼粉として現在も
開発が行われている。

【０００６】そこで、以下に予合金鋼粉及び部分拡散予
合金鋼粉について詳述するが、これらの基本的な合金成
分としては、多くの場合Ｍｏが用いられる。これは、鉄
鋼材料の強化元素として通常Ｍｏが用いられるのと同じ
理由による。すなわち、鉄鋼材料において、Ｍｏは、パ
ーライトの生成を遅延させ、ベイナイト組織として母相
（マトリックス）を変態強化し、母相と炭化物に分配し
て母相を固溶強化するとともに、微細炭化物となって母
相を析出強化したり、ガス浸炭性が良く非粒界酸化元素
なので、浸炭強化する。そして、Ｍｏを含む予合金鋼粉
の焼結の段階では、（ａ）の基地強化と（ｂ）の空孔減
少化及び空孔球状化のために、それに鉄燐粉を混合し
て、Ｆｅ−Ｐ２元系やＦｅ−Ｍｏ−Ｐ−Ｃの４元系の共
晶温度、つまり１０５０℃〜１１８０℃で発生する融液
及びＦｅ−Ｍｏ−Ｐのα相形成を利用することが行われ
るようになった。

【０００７】例えば、公表特許公報平５−５０６４８２
号及び公表特許公報平５−５０７９６７号は、Ｍｏを必
須として含み、Ｃｒ、Ｖを制限した予合金鋼粉と鉄燐粉
を混合して高強度高靱性の焼結体を得る技術を開示し
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、公表特
許公報平５−５０６４８２号に記載の混合粉及びその焼
結体は、Ｍｏ＋Ｗの全量が３〜２０ｗｔ％の範囲内にあ
るようなＭｏ：３〜１５ｗｔ％及びＷ：３〜２０ｗｔ％
の、いわゆる高速度鋼組成の予合金鋼粉に、Ｐ量で０．
２〜１．０ｗｔ％のＦｅ₃ＰとＣ量で０．５〜１．５ｗ
ｔ％の黒鉛粉を混合し、焼結したものである。この高速
度鋼組成の予合金鋼粉及び焼結体は、全量で２ｗｔ％未
満、望ましくは１ｗｔ％未満のＣｒ及び（または）Ｖを
含むことができるというものであるが、Ｓｉ、Ｍｎ、
Ｐ、Ｓ、Ａｌと言った不純物元素量についての記載がな
く、言及もされていない。したがって、この高速度鋼組
成の予合金鋼粉及び焼結体は、水アトマイズ、還元焼
鈍、焼結及び浸炭焼入れの各工程でＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、
Ａｌが酸化して予合金鋼粉のＯ量が増え、さらにＰ、Ｓ
の固溶硬化によって圧粉密度及び焼結密度を低下させ、
焼結体強度及び浸炭焼入れ体の強度及び衝撃値を低下さ
せるという問題点がある。特に、Ｍｎ及びＣｒは、該焼
結・浸炭焼入体において、残留オーステナイトを増加さ
せ、強度をさらに低下させるという別の問題がある。ま
た、Ｏ量が１．０ｗｔ％を超えたＦｅ₃Ｐ粉を用いた場
合、Ｆｅ₃Ｐ粉を添加したにもかかわらず、焼結・浸炭
焼入体の強度及び靱性が向上しないという問題点もあ
る。

【０００９】一方、公表特許公報平５−５０７９６７号
に記載の混合粉及びその焼結体は、Ｍｏ量が０．３〜
３．５ｗｔ％の範囲内にある予合金鋼粉に、Ｐ量で０．
３〜０．７ｗｔ％のＦｅ₃Ｐ粉を混合し焼結したもので
ある。そして、この混合粉及び焼結体は、Ｃを０．１ｗ
ｔ％未満、好適にはＣを０．０７ｗｔ％未満とし、その
他の合金元素の量を２ｗｔ％以下、最適には０．５ｗｔ
％以下にすることで、衝撃値の高い焼結体を製造すると
いうものであった。しかし、この混合粉の予合金鋼粉
は、Ｍｏが単一合金であることのために、また、Ｏ量が
１．０ｗｔ％を超えたＦｅ₃Ｐ粉を用いた場合、Ｆｅ₃
Ｐ粉を添加したにもかかわらず、焼結・浸炭焼入体の強
度及び靱性が向上しないという問題点があった。

【００１０】そこで、本発明は、かかる事情を鑑み、粉
末段階における低酸素量化と純鉄粉並みの高圧縮性を確
保し、かつ焼結体または浸炭焼入体における低酸素量
化、基地強化及び空孔の減少と球状化を達成したＭｏ−
Ｖ系の予合金鋼粉と鉄燐粉との混合粉を提供することを
目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため鋭意研究を行い、溶鋼のアトマイズ工程、還
元焼鈍工程、焼結工程及び浸炭焼入れなどの熱処理工程
において、Ｆｅより易酸化性元素の量を低く制限し、且
つ鉄燐粉から混入する酸素を防ぐと、低酸素量化を達成
できるとう知見を得た。また、Ｍｏ−Ｖを必須とした予
合金鋼粉に、Ｏ量が１．０ｗｔ％以下の鉄燐粉を混合し
て焼結すると、鉄燐粉のＰ酸化量がＦｅ−Ｐの２元素及
びＦｅ−Ｍｏ−Ｐ−Ｃの４元系融液の発生と拡散を阻害
せず、焼結が促進するという基本的知見も得た。

【００１２】本発明は、かかる知見を具現化したもので
あり、重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１％
以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．０３％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ａｌ：０．１％
以下、Ｍｏ：０．１〜６．０％、Ｖ：０．０５〜２．０
％、Ｏ：０．２５％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避
不純物からなる予合金鋼粉と、Ｏ量が１．０％以下の鉄
燐粉とを、Ｐ量が０．１〜０．６％になるよう混合して
なることを特徴とする粉末冶金用混合鋼粉である。ま
た、本発明は、上記予合金鋼粉が、さらに重量％で、Ｃ
ｕ：４．０％以下、Ｎｉ：６．０％以下、Ｃｏ：１０．
０％以下の１種以上を含んだり、Ｎｂ：０．１０％以
下、Ｂ：０．０３％以下の１種以上を含むことを特徴と
する粉末冶金用混合鋼粉である。さらに、本発明は、上
記記載のいずれかの予合金鋼粉に、重量％で、Ｍｏ：４
％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｎｉ：１０％以下、Ｃｏ：４
％以下及びＷ：８％以下のいずれか１種以上の金属粉末
を部分的に拡散付着してなることを特徴としたり、Ｍｏ
粉：４％以下、Ｃｕ粉：４％以下、Ｎｉ粉：１０％以
下、Ｃｏ粉：４％以下及びＷ粉：８％以下のなかの１種
以上の金属粉末を単に混合してなることを特徴とする粉
末冶金用混合鋼粉でもある。そして、これらの粉末冶金
用混合鋼粉に、重量％で、黒鉛粉：１．２％以下と、２
％以下の潤滑剤及び有機物系結合剤の１種以上とを混合
してなることを特徴とする焼結用材料も本発明とした。

【００１３】

【作用】本発明では、重量％で、Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０
３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．１％以下、
Ａｌ：０．１％以下、Ｍｏ：０．１〜６．０％、Ｖ：
０．０５〜２．０％、Ｏ：０．２５％以下を含み、残部
がＦｅ及び不可避不純物からなる予合金鋼粉と、Ｏ量が
１．０％以下の鉄燐粉とを、Ｐ量が０．１〜０．６％に
なるよう混合してなることを特徴とする粉末冶金用混合
鋼粉としたので、溶鋼のアトマイズ工程、還元焼鈍工
程、焼結工程及び浸炭焼入等の熱処理工程で起きる酸化
を極くわずかに低減でき、鋼粉段階でのＦｅ基地の硬さ
を純鉄粉並みにできるようになる。その結果、鉄燐粉と
の混合粉、あるいはそれに黒鉛粉を混合したものは、純
鉄粉を用いた時のような高圧縮性を示すようになり、さ
らにＰの固溶強化と空孔球状化やＭｏ炭化物の析出によ
り、Ｍｏ単一合金鋼に比べ一段と高強度高靭性を有する
ようになった。

【００１４】なお、Ｐ量が０．１〜０．６％の意味は、
次式の通りである。Ｐ₂ ／（Ｗ₁ ＋Ｗ₂ ）×１００＝０．１〜０．６ここで、Ｗ₁ は予合金鋼粉量、Ｗ₂ は鉄燐粉量、Ｐ₂ は
鉄燐粉中のＰ量。また、本発明では、上記予合金鋼粉に、重量％で、Ｃ
ｕ：４．０％以下、Ｎｉ：６．０％以下、Ｃｏ：１０．
０％以下の１種以上を含ませたり、Ｎｂ：０．１０％以
下、Ｂ：０．０３％以下の１種以上を含ませたり、ある
いは上記２種類の成分元素を同時に含ませるようにした
ので、上記効果は一層確実に達成できるようになる。

【００１５】さらに、本発明では、上記記載のいずれか
の予合金鋼粉に、重量％で、Ｍｏ：４％以下、Ｃｕ：４
％以下、Ｎｉ：１０％以下、Ｃｏ：４％以下及びＷ：８
％以下のいずれか１種以上の金属粉末を部分的に拡散付
着してなることを特徴としたり、Ｍｏ粉：４％以下、Ｃ
ｕ粉：４％以下、Ｎｉ粉：１０％以下、Ｃｏ粉：４％以
下及びＷ粉：８％以下のなかの１種以上の金属粉末を単
に混合してなることを特徴とする粉末冶金用混合鋼粉と
したので、これらの混合鋼粉を焼結体及び浸炭焼入れ等
の熱処理体とした際には、それらの組織が複合化し、一
段と高強度高靭性が達成されるようになるし、また成形
性も良くなる。

【００１６】以下に、本発明に係る粉末冶金用混合鋼粉
及び焼結体における予合金鋼粉中の各合金元素、鉄燐
粉、黒鉛粉及び潤滑剤の作用効果及び含有量の限定理由
を述べる。Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．
３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｒ：０．１％以下、Ａｌ：０．１％以下、Ｏ：０．２
５％以下の予合金成分について；Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、
Ｓ、Ｃｒ及びＯは、それらの合金量が低いほど予合金鋼
粉の圧縮性向上の傾向を示す。特に、Ｃ、Ｐ、Ｓは、該
予合金鋼粉のフェライト相の硬化作用が大きく、圧縮加
工性を著しく悪化させる元素であるので、添加量が少な
いことが好ましい。また、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａ１は、
予合金鋼粉のＯ量と正相関があり、さらに圧粉密度の間
にも正相関があるので、それらが多いと本発明の目的が
達成できず、Ｏ量が０．２５％を超えた予合金鋼粉に鉄
燐粉を混合して焼結したとき、Ｆｅ₃Ｐ粉を混合したに
もかかわらず、焼結・浸炭焼入体の強度及び靱性が向上
しない。従って、本発明では、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍ
ｎ：０．３％以下及びＣｒ：０．１％以下、Ａｌ：０．
１％以下を、Ｏ：０．２５％以下を予合金鋼粉の条件と
し、この条件に加え、Ｃ：０．０２％以下、Ｐ：０．０
３％以下及びＳ：０．０３％以下にして純鉄粉並みの圧
粉密度をもつ予合金鋼粉にできたのである。

【００１７】すなわち、該予合金鋼粉に潤滑剤としてス
テアリン酸亜鉛粉を１ｗｔ％混合し、ＪＰＭＡＰ０
９−１９９２に従い６８６ＭＰａの圧力で成形した圧粉
体の密度を測定した時、７．０Ｍｇ／ｍ³以上の純鉄粉
並みの圧粉密度を得、また、該予合金鋼粉に鉄燐粉を混
合して成形、焼結した焼結・浸炭焼入体を高強度高靱性
化するためには、予合金鋼粉はＣ：０．０２％以下、Ｓ
ｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０３
％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ａ
ｌ：０．１％以下、Ｏ：０．２５％以下に抑えなければ
ならなかった。

【００１８】Ｍｏ：０．１〜６．０％、Ｖ：０．０５〜
２．０％の予合金成分について；ＭｏとＶは、ともに鋼
粉のフェライト相の硬化作用が小さく、圧縮加工性が良
好で、浸炭窒化性に優れ、Ｃを含む焼結熱処理体におい
てはベイナイト相またはマルテンサイト相に変態し、微
細炭窒化物を析出して組織を微細化するため、高強度化
を達成する必須元素である。また、ＭｏとＶとを含む予
合金鋼粉に鉄燐粉を混合して焼結すると、Ｆｅ−Ｐ系の
共晶温度：１０５０〜１１８０℃で発生する融液による
遷移的液相焼結と、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｖ−Ｐのα相焼結とが
生じて空孔の減少と球状化を促進するために、焼結体を
高靱性化する。Ｍｏ：０．１％未満とＶ：０．０５％未
満では、強度や靱性の向上に効果がなく、一方Ｍｏ：
６．０％超え及びＶ：２．０％超えの添加では、純鉄粉
並みの圧粉密度を得ることができない。したがって、Ｍ
ｏ：０．１〜６．０％、Ｖ：０．０５〜２．０％の範囲
に限定した。

【００１９】Ｃｕ：４．０％以下、Ｎｉ：６．０％以
下、Ｃｏ：１０．０％以下、Ｗ：４．０％以下の予合金
成分について；Ｍｏ−Ｖを必須とした予合金鋼粉に、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの１種以上を予合金として含ませ
ることにより、焼結熱処理体（Ｃを含む）においては、
ベイナイト相またはマルテンサイト相への変態開始を低
温度側に移行させ、組織を微細化する。また、浸炭・焼
入体においては、マルテンサイト変態開始を低温度側に
移行させて基地を強化する。そのため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃ
ｏ，Ｗの添加は、焼結体及び浸炭・焼入体のいずれにお
いても高強度化に貢献する。Ｃｕ：４．０％超え、Ｎ
ｉ：６．０％超え、Ｃｏ：１０．０％超え、Ｗ：４．０
％超えだと、圧粉体の密度が低下し過ぎ、また浸炭・焼
入体の残留オーステナイトが増大して強度を低下させ
る。よって、Ｃｕ：４．０％以下、Ｎｉ：６．０％以
下、Ｃｏ：１０．０％以下及びＷ：４．０％以下の範囲
に限定する。

【００２０】Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．０３％以
下の予合金成分について；Ｍｏ−Ｖ予合金鋼粉、及びＣ
ｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの１種以上を含むＭｏ−Ｖを必須
とする予合金鋼粉に、ＮｂまたはＢの１種以上を予合金
成分として含ませると、焼結熱処理体（Ｃを含む）にお
いて炭窒化物を微細析出してマトリックスをさらに強化
するが、それぞれＮｂ：０．１０％超え、Ｂ：０．０３
％超えの範囲では強度の向上効果がない。よって、Ｎ
ｂ：０．１０以下、Ｂ：０．０３以下に限定する。

【００２１】Ｍｏ量で４％以下のＭｏ粉または酸化Ｍｏ
粉、Ｃｕ量で４％以下のＣｕ粉または酸化Ｃｕ粉、Ｎｉ
量で１０％以下のＮｉ粉または酸化Ｎｉ粉、Ｃｏ量で４
％以下のＣｏ粉または酸化Ｃｏ粉、Ｗ量で４％以下のＭ
粉または酸化Ｗ粉を配合することについて；Ｍｏ−Ｖ予
合金鋼粉、またはＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの１種以上を
含むＭｏ−Ｖを必須とする予合金鋼粉、またはＣｕ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ、Ｗの１種以上とＮｂ、Ｂの１種以上とを含む
Ｍｏ−Ｖを必須とする予合金鋼粉に、Ｍｏ粉、Ｃｕ粉、
Ｎｉ粉、Ｃｏ粉、Ｗ粉の１種以上を配合することによ
り、焼結熱処理体（Ｃを含む）において、完全合金相と
部分的な濃化相から成る複合組織を形成して基地を強化
するため、焼結体及び浸炭・焼入体のいずれにおいても
一段と高強度化することができる。このときの複合組織
は、Ｃ量とＭｏ粉、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉、Ｃｏ粉及びＷ粉と
の配合組み合わせによって、Ｍｏ−Ｖ−Ｗの炭窒化物が
微細析出したベイナイト相とマルテンサイト相とに配分
される。この場合の配合とは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗが
それぞれ金属粉のときは混合または部分拡散熱処理する
ことを意味する。また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗがそれぞ
れ酸化物粉のときは酸素除去を兼ねた部分拡散熱処理す
ることを意味する。

【００２２】それぞれ、Ｍｏ量が４％を超え、Ｃｕ量が
４％を超え、Ｎｉ量が１０％を超え、Ｃｏ量が４％を超
えると、圧粉体の密度が低下し過ぎ、また浸炭焼入体で
は、残留オーステナイトが増大して強度を低下する。し
たがって、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗの粉末配合量は、それ
ぞれＭｏ量で４％以下、Ｃｕ量で４％以下、Ｎｉ量で１
０％以下、Ｃｏ量で４％以下及びＷ量で４％以下の範囲
に限定する。

【００２３】鉄燐粉のＯ量：１．０％以下、鉄燐粉の混
合量：Ｐ分重量で０．１〜０．６％、黒鉛粉：１．２％
以下、潤滑剤及び有機系結合剤のなかの１種以上：２％
以下について；Ｍｏ−Ｖを必須とした予合金鋼粉に、Ｏ
量が１．０ｗｔ％以下の鉄燐粉をＰ分重量で０．１〜
０．６％と、黒鉛粉末を１．２％以下とを混合して焼結
すると、Ｆｅ−Ｐ系の共晶温度１０５０〜１１８０℃で
発生する融液による遷移的液相焼結と、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｖ
−Ｐのα相焼結とが生じて、空孔を球状化するとともに
減少させるため、該焼結・浸炭焼入体を高強度化する。
なお、該焼結・浸炭焼入体の高強度化高靱性化を図るに
は、Ｐ分重量は０．２〜０．６％の範囲、黒鉛量で０．
４〜０．６％範囲が好適である。しかし、鉄燐粉がＰ分
重量で０．６％を超え、かつ黒鉛粉末が１．２％を超え
て混合した場合には、該焼結・浸炭焼入体はステダイト
相を晶出し、初析セメンタイト相が粗大化するとともに
空孔も粗大化して強度靱性が低下する。また、鉄燐粉の
Ｏ量が１．０ｗｔ％を超えると、遷移的液相発生量及び
Ｐの拡散量が減少するために、鉄燐粉を混合したにもか
かわらず該焼結・浸炭焼入体の強度靱性は向上しない。
混合する鉄燐粉としては、Ｆｅ ₃Ｐ粉及びＦｅ₂Ｐ粉を
用い、その粒径は、７５μｍを超えて粗大すぎると圧粉
密度が低下し、焼結・浸炭焼入体に１００μｍ以上の粗
大空孔を残留させて強度や靱性を低下させるようにな
る。したがって、混合する鉄燐粉には、７５μｍ以下の
ものを使用するが、特に４５μｍ以下が好適である。

【００２４】また、混合する黒鉛粉は、１．２％を超え
ると、該焼結・浸炭焼入体中の初析セメンタイト相とス
テダイト相を粗大化して、その強度や靱性を低下させ
る。さらに、金型成形での圧縮性を確保するためには、
潤滑剤及び有機系結合剤のなかの１種以上を２％以下混
合する必要があるが、その量が２％を超えて過剰になる
と、上記圧縮性が低下し、焼結・浸炭焼入体の残留空孔
が多くなり、強度や靱性がかえって低下することにな
る。なお、潤滑剤としては、ステアリン酸、ステアリン
酸亜鉛などの金属石鹸粉を使用でき、有機系結合剤とし
ては、樟脳、ワックス、オレイン酸、ステアリン酸モノ
アミド、ステアリン酸ジアミドなどが用いられる。これ
らの金属石鹸粉及び有機系結合剤は、成形時に混合する
だけでなく、その融点（溶融温度）以上に加熱し、予め
鋼粉表面に付着しておいても良い。

【００２５】以下、実施例において、本発明の内容を具
体的に説明する。

【００２６】

【実施例】

（実施例１）表１に、水アトマイズ法で製造した６種類
のＭｏ−Ｖ系の予合金鋼粉の化学組成を示す（比較例も
含む）。これらのＭｏ−Ｖ系の予合金鋼粉は、主原料の
高純度電解Ｆｅを高周波誘導電気炉を用いてＡｒ雰囲気
中で溶製した後、８ｍｍφの耐火物製ノズルから該溶鋼
を自然流下させ、円環型の水ノズルから１５ＭＰａの圧
力で０．３ｍ³／ｍｉｎの水を噴射することによって粉
末にしたものである。該予合金鋼粉の成分調整は、上記
電解Ｆｅを溶解した溶鋼に、低炭素の各種フェロアロイ
及び／又は電解金属を投入して行った。また、上記Ｍｏ
−Ｖ系の各予合金鋼粉は、水アトマイズの後に脱水・真
空乾燥が施され、１８０μｍ篩通過粉についてＨ₂ガス
（露点が３０℃）中で９５０℃×４５ｍｉｎの条件で還
元焼鈍し、ハンマーミルで解砕し、さらにもう一度１８
０μｍ篩通過粉にしてある。なお、表１は、化学成分が
多種にわたるため、２段に分けて表示してある。

【００２７】表２は、表１のＭｏ−Ｖ系の予合金鋼粉を
用い、粒径が４５μｍ以下でＯ量が０．４％のＦｅ₃Ｐ
粉（レーザ光回折式粒度分析計で測定したときのメジア
ン径：１１μｍ）を、混合後のＰ重量で０．６％混合し
た時の圧粉体密度及び焼結体の引張強さ及び衝撃値を示
す。その際、圧粉体密度の測定は、ＪＰＭＡＰ０９
−１９９２に準拠し、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉
を１ｗｔ％配合し、圧力６８６ＭＰａで成形した円筒状
試料で行った。焼結体の衝撃値は、ＪＰＭＡＭ０５−
１９９２に準拠して１ｗｔ％のステアリン酸亜鉛粉を配
合して６８６ＭＰａで成形した上記円筒状試料を下記の
条件で焼結し、ノッチなし試験片として測定した。ま
た、該焼結体の引張強さは、１ｗｔ％のステアリン酸亜
鉛粉を配合して６８６ＭＰａで１５×１５×５５ｍｍの
バーを形成した後焼結し、平行部が５φ×１５ｍｍの小
型丸棒試験片に機械加工したもので測定した。なお、上
記の焼結は、（Ｎ₂−１０ｖｏｌ％Ｈ₂）の混合ガス中
で１１５０℃×６０ｍｉｎ間保持し、その後７００〜３
００℃間を２０〜３０℃／ｍｉｎの速度で冷却すること
で行った。

【００２８】表２から、表１に組成を示したＭｏ−Ｖ系
の各予合金鋼粉と、粒径が４５μｍ以下でＯ量が０．４
０％のＦｅ₃Ｐ粉とを全体としてＰ量が０．６％になる
よう配合した本発明に係る粉末冶金用混合鋼粉（以下、
単に混合鋼粉）は、その圧粉体の密度が７．０Ｍｇ／ｍ
³以上で純鉄粉並みの圧縮性を示し、その焼結体は引張
強さ及び衝撃値共に強いことが明らかである。これに対
し、同表の比較例に示すように、Ｆｅより易酸化元素で
あるＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｖが所定量を超える予合
金鋼粉は、Ｏ量が急増し、かつＣ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ｖが
所定量を超えると、その圧縮性（圧粉密度）が急減す
る。また、Ｍｏ、Ｖを本発明で限定する量を超えて配合
しても、鋼粉の圧縮性が急減するために、その焼結体の
強度及び靱性が急減することも明らかである。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】（実施例２）表３は、１．５％Ｍｏ−０．
１５％Ｖの予合金鋼粉（Ａ）の化学組成である。この予
合金鋼粉（Ａ）に、粒径が４５μｍ以下でＯ量が０．４
０％のＦｅ₃Ｐ粉（メジアン径：１１μｍ）を混合し、
圧粉体とした時の密度、及び焼結体の引張強さと衝撃値
におよぼすＯ量及びＰ量の影響を表４に示す。

【００３２】表４から、混合するＦｅ₃Ｐ粉のＯ量が
１．０％以下のとき、及び混合量がＰ量で０．１〜０．
６％のとき、焼結体の強度及び靱性が一段と大となっ
た。なお、この予合金鋼粉（Ａ）の製造、圧粉体密度の
測定、焼結条件、焼結体の引張強さと衝撃値の測定はす
べて実施例１の場合と同様である。そして、これら圧粉
体試料の製造及び密度測定、焼結条件、焼結体の引張強
さと衝撃値の測定等は、以下に述べる実施例においても
共通している。

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】（実施例３）表５及び表６に水アトマイズ
法で製造したＭｏ−Ｖ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ系の予合金鋼
粉の化学組成を示す。また、表７は、表５及び表６のＭ
ｏ−Ｖ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ系の予合金鋼粉を用い、粒径
が４５μｍ以下でＯ量が０．４０％のＦｅ ₃Ｐ粉（メジ
アン径：１１μｍ）をＰ量で０．６％を混合したときの
圧粉体の密度及び焼結体の引張強さ及び衝撃値を示す。

【００３６】表７から、表５及び表６に示したＭｏ−Ｖ
−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ系の予合金鋼粉と、粒径が４５μｍ
以下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉とをＰ量で０．６
％配合した本発明に係る混合鋼粉は、比較例と比べ、圧
粉体の密度が７．０Ｍｇ／ｍ ³以上の純鉄粉並みの圧縮
性を示し、その焼結体は引張強さ及び衝撃値が強いこと
がわかる。

【００３７】

【表５】

【００３８】

【表６】

【００３９】

【表７】

【００４０】（実施例４）表８及び表９に水アトマイズ
法で製造したＭｏ−Ｖ−Ｎｂ−Ｂ系予合金鋼粉の化学組
成を示す。また、表１０は、表８及び表９のＭｏ−Ｖ−
Ｎｂ−Ｂ系の予合金鋼粉を用い、粒径が４５μｍ以下で
Ｏ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉（メジアン径：１１μ
ｍ）をＰ量で０．６％を混合したときの圧粉体密度及び
焼結体の引張強さ及び衝撃値を示す。

【００４１】表１０から、表８及び表９のＭｏ−Ｖ−Ｎ
ｂ−Ｂ系予合金鋼粉と、粒径が４５μｍ以下でＯ量が
０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉とをＰ量で０．６％配合した本
発明に係る混合鋼粉は、比較例に比べ、圧粉体密度が
７．０Ｍｇ／ｍ³以上の純鉄粉並みの圧縮性を示し、そ
の焼結体は引張強さ及び衝撃値が強い。

【００４２】

【表８】

【００４３】

【表９】

【００４４】

【表１０】

【００４５】（実施例５）表１１に水アトマイズ法で製
造したＭｏ−Ｖ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｎｂ−Ｂ系の予合
金鋼粉の化学組成を示す。また、表１２は、表１１のＭ
ｏ−Ｖ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｎｂ−Ｂ系予合金鋼粉を用
い、粒径が４５μｍ以下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ
粉（メジアン径：１１μｍ）をＰ量で０．６％を配合し
た本発明に係る混合鋼粉の圧粉体密度及び焼結体の引張
強さ及び衝撃値を示す。

【００４６】表１２から、表１１のＭｏ−Ｖ−Ｃｕ−Ｎ
ｉ−Ｃｏ−Ｎｂ−Ｂ系予合金鋼粉と、粒径が４５μｍ以
下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉とをＰ量で０．６％
配合した本発明に係る混合鋼粉は、比較例に比べ、圧粉
体密度が７．０Ｍｇ／ｍ³以上の純鉄粉並みの圧縮性を
示し、その焼結体は引張強さ及び衝撃値が強いことが明
らかである。

【００４７】

【表１１】

【００４８】

【表１２】

【００４９】（実施例６）表１３に、２．１０％Ｍｏ−
０．５５％Ｖ予合金鋼粉（Ｂ）、２．１０％Ｍｏ−０．
５５Ｖ−２．５０％Ｎｉ−０．５０％Ｃｕ−６．５０％
Ｃｏ予合金鋼粉（Ｃ）及び２．１０％Ｍｏ−０．５５％
Ｖ−２．５０％Ｎｉ−０．５０％Ｃｕ−６．５０％Ｃｏ
−０．０５０％Ｎｂ−０．０３％Ｂ予合金鋼粉（Ｄ）の
化学組成を示す。また、表１４及び表１５は、表１３に
記載のＢ、Ｃ，Ｄの予合金鋼粉を用い、粒径が４５μｍ
以下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉（メジアン径：１
１μｍ）をＰ量で０．６％と、Ｍｏ粉：４％以下、Ｃｕ
粉：４％以下、Ｎｉ粉：１０％以下、Ｃｏ粉：４％以下
及びＷ粉：４％以下のうちの１種以上との金属粉を混合
したときの圧粉体密度及び焼結体の引張強さ及び衝撃値
である。なお、Ｍｏ粉、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉、Ｃｏ粉及びＷ
粉はいずれも酸化物を還元した２５μｍ以下の金属粉を
用い、単純に混合した。

【００５０】表１４及び１５から、２．１０％Ｍｏ−
０．５５％Ｖ予合金鋼粉（Ｂ）、２．１０％Ｍｏ−０．
５５％Ｖ−２．５０％Ｎｉ−０．５０％Ｃｕ−６．５０
％Ｃｏ予合金鋼粉（Ｃ）及び２．１０％Ｍｏ−０．５５
％Ｖ−２．５０％Ｎｉ−０．５０％Ｃｕ−６．５０％Ｃ
ｏ−０．０５０％Ｎｂ−０．０３％Ｂ予合金鋼粉（Ｄ）
と、粒径が４５μｍ以下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ
粉をＰ量で０．６％と、Ｍｏ粉：４％以下、Ｃｕ粉：４
％以下、Ｎｉ粉：１０％以下、Ｃｏ粉：４％以下及びＷ
粉：４％以下のうちの１種以上の金属粉とを配合した本
発明に係る混合鋼粉は、いずれも、それぞれの元の予合
金鋼粉を用いた場合（比較例）より高い圧粉体の密度を
示し、その焼結体の引張強さ及び衝撃値もそれぞれの予
合金鋼粉のみの場合と比べて一段と強いことがわかる。

【００５１】

【表１３】

【００５２】

【表１４】

【００５３】

【表１５】

【００５４】（実施例７）表１６に、２．１０％Ｍｏ−
０．５５％Ｖ−０．５５％Ｎｂ−０．０３％Ｂ予合金鋼
粉（Ｅ）及び２．１０％Ｍｏ−０．５５％Ｖ−６．００
％Ｎｉ−４．００％Ｃｕ−１０．００％Ｃｏ−０．０５
％Ｎｂ−０．０３％Ｂ予合金鋼粉（Ｆ）の化学組成を示
す。また、表１７は、表１６に記載のＥ、Ｆの予合金鋼
粉の表面に、Ｍｏ量で４％以下、Ｃｕ量で４％以下、Ｎ
ｉ量で１０％以下、Ｃｏ量で４％以下及びＷ量で４％以
下のうちの１つ以上を拡散付着させ、これに粒径が４５
μｍ以下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉（メジアン
径：１１μｍ）をＰ量で０．６％を混合したときの混合
鋼粉の圧粉体密度及び焼結体の引張強さ及び衝撃値であ
る。さらに、Ｅ、Ｆの予合金鋼粉へのＭｏ、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ及びＷの拡散付着は、１０μｍ以下のＭｏＯ₃
粉、１０μｍ以下のＣｕ₂Ｏ粉、４５μｍ以下のカーボ
ニルＮｉ粉、２５μｍ以下の還元Ｃｏ粉及び２５μｍ以
下の還元Ｗ粉を用いて混合し、Ｈ₂気流中で８００から
９００℃の温度勾配のある連続炉で熱処理して行い、ハ
ンマーミルで解砕し、１８０μｍの篩通過粉にした。

【００５５】表１７から、２．１０％Ｍｏ−０．０５％
Ｎｂ−０．０３％Ｂ予合金鋼粉（Ｅ）及び２．１０％Ｍ
ｏ−０．５５％Ｖ−６．００％Ｎｉ−４．００％Ｃｕ−
１０．００％Ｃｏ−０．０５％Ｎｂ−０．０３％Ｂ予合
金鋼粉（Ｆ）にそれぞれＭｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷ
のなかの一種以上を拡散付着した予合金鋼粉と、粒径が
４５μｍ以下でＯ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉をＰ量で
０．６％とを配合した本発明に係る混合鋼粉は、いずれ
も、それぞれの元の予合金鋼粉を用いた場合（比較例）
より高い圧粉体密度を示し、その焼結体の引張強さ及び
衝撃値もそれぞれの予合金鋼粉の場合と比べて一段と強
いことが明らかである。

【００５６】

【表１６】

【００５７】

【表１７】

【００５８】（実施例８）表１９は、既に表１１に記載
した２．１０％Ｍｏ−０．５５％Ｖ予合金鋼粉（Ｂ）
に、Ｏ量が０．４０％のＦｅ₃Ｐ粉の粒度と配合Ｐ量を
変えたとき、黒鉛粉の配合量を変えたとき、潤滑剤及び
有機系結合剤の量を変え、本発明に係る焼結用材料とし
たものの圧粉体密度及び焼結体の引張強さ、衝撃値であ
る。また、表１８に示した配合粉は、ヘンシェル・ミキ
サにより１２０℃に加熱し、１５分間だけ混合されてい
る。

【００５９】表１９から、Ｆｅ₃Ｐ粉の粒度が７５μｍ
以下のとき、Ｐ配合量が０．１〜０．６％のとき、黒鉛
配合量が１．２％以下のとき、潤滑剤及び有機系バイン
ダーの配合量が２％以下のとき、それらの焼結用材料は
高い圧粉体密度を示し、その焼結体の引張強さ及び衝撃
値は強い値を示すことが明らかである。なお、Ｆｅ₃Ｐ
粉の粒度が４５μｍ以下で、Ｐ配合量が０．２〜０．６
％のとき、黒鉛配合量が０．４０〜０．９％のとき、焼
結体の引張強さ及び衝撃値は一段と強い値を示す。ま
た、焼結体断面を研磨して３％硝酸アルコール液でエッ
チした組織を光学顕微鏡で観察すると、Ｆｅ₃Ｐ粉の粒
度が１００μｍのとき１５０μｍ程度の粗大な空孔が多
数存在し、Ｐ配合量が０．７％のときステダイト相が結
晶粒界に存在し、黒鉛配合量が１．３％のとき初析セメ
ンタイト相が結晶粒界に存在することも観察された。

【００６０】

【表１８】

【００６１】

【表１９】

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、溶鋼
のアトマイズ工程、還元焼鈍工程、焼結工程及び浸炭焼
入れ等の熱処理工程において、予合金鋼粉の酸化を極力
防止でき、かつ、鋼粉段階におけるＦｅの基地の硬さを
純鉄粉並みにできるようになったので、該予合金鋼粉と
鉄燐粉との混合粉、または鉄燐粉、黒鉛粉との混合粉
は、純鉄粉を用いたとき並みの高圧縮性を示すようにな
った。また、Ｐを含む焼結体及び浸炭焼入れなどの熱処
理体においても、Ｐによる固溶強化と空孔球状化のため
に、また、ＣとＰを含む焼結体及び浸炭焼入れなどの熱
処理体においても、Ｐの固溶強化と空孔球状化とＭｏ炭
化物の析出に加えた微細なＶ炭化物を析出した組織微細
化のために、Ｍｏ単一予合金粉を用いた時に比べ、一段
と高強度化高靱性化を有する粉末冶金用混合鋼粉及びそ
れらの焼結体が得られた。さらに、Ｍｏ粉、Ｃｕ粉、Ｎ
ｉ粉、Ｃｏ粉及びＷ粉の１種以上を混合したり、部分拡
散合金して含むため、組織が複合化し、焼結体及び浸炭
焼入れなどの熱処理体は、一段と高強度化高靱性化を達
成できるようになった。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：
０．１％以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０３％以
下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ａｌ：
０．１％以下、Ｍｏ：０．１〜６．０％、Ｖ：０．０５
〜２．０％、Ｏ：０．２５％以下を含み、残部がＦｅ及
び不可避不純物からなる予合金鋼粉と、Ｏ量が１．０％
以下の鉄燐粉とを、Ｐ量が０．１〜０．６％になるよう
混合してなることを特徴とする粉末冶金用混合鋼粉。
【請求項２】上記予合金鋼粉が、さらに重量％で、Ｃ
ｕ：４．０％以下、Ｎｉ：６．０％以下、Ｃｏ：１０．
０％以下の１種以上を含むことを特徴とする請求項１記
載の粉末冶金用混合鋼粉。
【請求項３】上記予合金鋼粉が、さらに重量％で、Ｎ
ｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．０３％以下の１種以上を
含むことを特徴とする請求項１又は２記載の粉末冶金用
混合鋼粉。
【請求項４】請求項１〜３いずれか記載の予合金鋼粉
に、重量％で、Ｍｏ：４％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｎ
ｉ：１０％以下、Ｃｏ：４％以下及びＷ：８％以下のい
ずれか１種以上の金属粉末を部分的に拡散付着してなる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の粉末冶
金用混合鋼粉。
【請求項５】請求項１〜３いずれか記載の予合金鋼粉
に、重量％で、Ｍｏ粉：４％以下、Ｃｕ粉：４％以下、
Ｎｉ粉：１０％以下、Ｃｏ粉：４％以下及びＷ粉：８％
以下のなかの１種以上の金属粉末を混合してなることを
特徴とする請求項１〜３いずれか記載の粉末冶金用混合
鋼粉。
【請求項６】請求項１〜５いずれか記載の粉末冶金用
混合鋼粉に、重量％で、黒鉛粉：１．２％以下と、２％
以下の潤滑剤及び有機物系結合剤の１種以上とを混合し
てなることを特徴とする焼結用材料。