JP4198226B2

JP4198226B2 - 高強度焼結体

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Publication number: JP4198226B2
Application number: JP06459798A
Authority: JP
Inventors: 俊彦高山; 雅俊萩田; 道治横井; 譲二蜂須賀; 秀士三浦
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: JPH11246951A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，高強度を有すると共に比較的安価な焼結合金鋼である高強度焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来，高強度の鉄系焼結体としては，例えば，部分合金化粉を用いた焼結体（「鉄と鋼」Ｖｏｌ．７９（１９９３）Ｎｏ．８，Ｐ１０７），あるいは，ＭＩＭ法（メタルインジョクションモールディング法）により製作された４６００鋼などが知られている。
【０００３】
上記の部分合金化粉を用いた焼結体は，重量比において，１．５〜４％Ｎｉ−１％Ｍｏ−０．６％黒鉛−残Ｆｅという成分系のものであって，圧縮工程と焼結工程とを２回くりかえす２Ｐ−２Ｓ法により作製される。
また，この焼結体は，焼結後に熱処理を施すことにより，引張強さを１４００ＭＰａ以上にまで高めることができる。またそのときの密度ρは，７．４ｇ／ｃｍ³程度となる。
【０００４】
また，上記ＭＩＭ法により製作された４６００鋼は，重量比において，１．８％Ｎｉ−０．５％Ｍｏ−０．２％Ｍｎ−０．４％Ｃ−残Ｆｅという成分を有している。そして，その引張強さは１４００ＭＰａ以上にまで達すると共に，その密度ρは約７．４ｇ／ｃｍ³（相対密度９５％）となる。
このように，従来の鉄系焼結体としては，密度が高く，かつ引張強さが高い，高強度のもの（高強度焼結体）が開発されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の高強度焼結体においては，次の問題がある。
即ち，上記の部分合金化粉を用いた焼結体においては，上記部分合金化粉を用いて２Ｐ−２Ｓ法という製造方法により製造されるが，上記部分合金化粉は，Ｆｅ粉の表面に他の金属粉を拡散接合させたものであり，非常に高価である。また，上記２Ｐ−２Ｓ法は，上記のごとく，圧縮工程と焼結工程とを２回ずつ繰り返すものであり，非常に高コストとなる。そのため，部分合金化粉を用いた焼結体は製造効率が低く，かつ，非常に高価となってしまう。
【０００６】
また，上記ＭＩＭ法により製作した４６００鋼においては，金属粉を射出するという製法上の特性から，一般的にその原料粒子として粒径１０μｍ以下という非常に小径の粒子を用いることが必要となる。この粒子の小径化は，原料粒子の製造上煩雑な工程を必要とし，そのコストが大幅に増加する。そのため，上記ＭＩＭ法により製作した４６００鋼についても，非常に高価となってしまう。
【０００７】
このような高価な高強度焼結体は，安価で大量に生産できるという粉末冶金法の優れた特性を犠牲にして成り立っているものであり，広い利用を図ることが困難である。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，高強度であると共に，安価で大量に生産することができる，高強度焼結体及びその製造方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，重量比において，Ｎｉ：４〜８％，Ｍｏ：０．５±０．１５％，Ｍｎ：０．２±０．０５％，Ｃ：０．４±０．１％，残部Ｆｅの組成を有する焼結体であって，該焼結体の組織には，Ｎｉリッチマルテンサイト部を点在させており，
該Ｎｉリッチマルテンサイト部は，断面積比において１０〜２５％を占めていることを特徴とする高強度焼結体にある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，上記特定の成分組成を有すると共に，上記Ｎｉリッチマルテンサイト部を点在させてなることである。
上記Ｎｉリッチマルテンサイト部とは，Ｎｉ濃度が局部的に周囲よりも高くなっており，かつその組織がマルテンサイト組織である部分をいう。
【００１１】
次に，上記成分組成の限定理由について説明する。
Ｎｉは４〜８％添加する。
Ｎｉの含有量が４％未満である場合には，上記Ｎｉリッチマルテンサイト部の割合が少なくなり，優れた高強度特性が得られないという問題がある。一方，Ｎｉの含有量が８％を超える場合には，Ｎｉの添加量の増加と共に出現する残留オーステナイト部の割合が多くなりすぎ，引張強さが低下するという問題がある。
【００１２】
ここで，上記残留オーステナイト部とは，本来マルテンサイト組織になるべきものが未変態のままオーステナイトの状態で存在している組織をいう。この残留オーステナイト部は，Ｎｉリッチマルテンサイト部と同様にＮｉ添加量が多いほど増加する傾向にある。
【００１３】
次に，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃの組成は，従来例における４６００鋼の優れた特性を継承すべく，上記値に限定したものである。但し，各組成には製造上バラツキの範囲を考慮して許容範囲を設けてある。即ち，Ｍｏは０．５±０．１５％，Ｍｎは０．２±０．０５％，Ｃは０．４±０．１％の範囲内において添加する。上記許容範囲内であれば，その中心値の場合と同様の作用効果が得られる。
【００１４】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明の高強度焼結体は，上記のごとく，４〜８％のＮｉを含有する上記特定の成分組成を有すると共に，上記Ｎｉリッチマルテンサイト部および残留オーステナイト部を有する焼結体である。そのため，後述する実施例においても詳述するように非常に優れた高強度特性を発揮する。
【００１５】
また，本発明の高強度焼結体は，例えば後述する製造方法にも示すように，従来のような２Ｐ−２Ｓ法やＭＩＭ法等を用いる必要がない。
それ故，焼結体が本来有すべき，安価で大量に生産できるという特性を，十分に発揮させることができる。
【００１６】
次に，上記Ｎｉリッチマルテンサイト部は，断面積比において１０〜２５％を占めている。１０％未満の場合には，Ｎｉリッチマルテンサイト部が少なすぎるために強度向上効果が十分に発揮されないという問題がある。一方，２５％を超える場合には，残留オーステナイト部が多くなりすぎて引張強度が低下するという問題がある。
【００１７】
次に，重量比において，Ｎｉ：４〜８％，Ｍｏ：０．５±０．１５％，Ｍｎ：０．２±０．０５％，Ｃ：０．４±０．１％，残部Ｆｅの組成となるように，０．２％Ｍｎを固溶したＦｅ粉末と，Ｎｉ，Ｍｏ，黒鉛の各粉末とを混合すると共に圧粉することにより混合圧粉体を成形し，次いで該混合圧粉体を焼結し，次いで溶体化処理後に焼き入れ，焼き戻し処理を施すことにより，Ｎｉリッチマルテンサイト部を点在させてなる焼結体を得ることを特徴とする高強度焼結体の製造方法がある。
【００１８】
本製造方法における各化学成分の組成範囲の限定理由は上記と同様である。
また，上記焼結は，温度１４２３〜１６７３Ｋにおいて行うことが好ましい。１４２３Ｋ未満の場合には十分な焼結を進行させることができないという問題がある。一方，１６７３Ｋを超える場合にはＮｉ成分の拡散が進みすぎてその後の上記Ｎｉリッチマルテンサイト部の形成が妨げられるという問題がある。
【００１９】
また，上記焼結後の溶体化処理は，温度１０７３〜１２７３Ｋにおいて行うことが好ましい。１０７３Ｋ未満の場合にはオーステナイト組織の十分な形成がなされず，その後の焼き入れ効果が減少するという問題がある。一方，１２７３Ｋを超える場合には，結晶粒の粗大化や焼割れが生じ易くなるという問題がある。
【００２０】
また，上記焼き入れ処理は，例えば油焼き入れ処理により行うことができる。
また，上記焼き戻し処理は，温度３９３〜５７３Ｋにおいて行うことが好ましい。３９３Ｋ未満の場合には十分な焼き戻し効果が得られずあまり靭性が向上しないという問題があり，一方，５７３Ｋを超える場合には強度の低下が大きくなるという問題がある。
【００２１】
また，本発明の製造方法においては，組織内にＮｉリッチマルテンサイト部を点在させる。このＮｉリッチマルテンサイト部の点在化は，例えば，上記焼結条件，溶体化処理条件等を上記のごとき好ましい範囲に制御することにより実現することができる。
【００２２】
このような本発明の製造方法を用いれば，高強度の焼結体を容易に製造することができる。そして，従来のように，部分合金化粉や１０μｍ以下の超微粒子というような特殊な原料を用いたり，２Ｐ−２Ｓ法やＭＩＭ法という特殊な製造方法を用いるという必要がない。
それ故，本発明によれば，高強度である高強度焼結体を，安価で大量に生産することができる。
【００２３】
また，上記Ｆｅ粉末は，その粒径が７４μｍ以下であることが好ましい。この場合には，上記圧縮工程において非常に密度の大きい混合圧粉体を得ることができる。それ故，得られる高強度焼結体の密度を向上させることができ，更に焼結工程での緻密化が促進されるため高強度化を図ることができる。一方，上記粒径が７４μｍを超える場合には上記の密度向上が得られない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本発明の実施形態例にかかる高強度焼結体につき，以下，説明する。
本例においては，表１に示すごとく，５種類の成分組成の焼結体（試料Ｎｏ．Ｅ１〜Ｅ３，Ｃ１，Ｃ２）を作製し，その強度特性を評価した。試料Ｎｏ．Ｅ１〜Ｅ３は本発明品であり，一方，試料Ｎｏ．Ｃ１はＮｉ量が外れる比較品であり，試料Ｎｏ．Ｃ２はＮｉリッチマルテンサイト部を持たない比較品である。
【００２５】
まず，Ｅ１〜Ｅ３及びＣ１の各焼結体の製造は，０．２％Ｍｎを固溶したアトマイズＦｅ粉，カーボニルＮｉ粉，微細Ｍｏ粉，黒鉛粉を用いた。これらの粉末の粒径については，表２に示す。同表に示すごとく，Ｆｅ粉については，７４μｍ以下に分級した粒子を用いた。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
まず，各粉末を表１に示す成分組成になるように配合し，Ｖ型ブレンダーを用いて混合した。
次いで，混合した原料１０ｋｇを６８６ＭＰａの圧力によって圧縮することにより直方体形状の混合圧粉体を作製した。
【００２９】
次いで，各混合圧粉体を，温度１５２３Ｋ，時間３．６ｋｓという条件で焼結した。なお，焼結時の雰囲気は，水素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気とし，その水素ガス含有量をそれぞれ調整することにより，いずれの成分組成においても炭素（Ｃ）量が０．４重量％となるように制御した。
【００３０】
次いで，得られた各混合焼結体を溶体化処理後，油焼き入れした。溶体化処理は，アルゴンガス雰囲気中において温度１１７３Ｋの条件で行った。
また，油焼き入れ後には，アルゴンガス雰囲気中において，温度４７３Ｋ，時間３．６ｋｓの条件で焼き戻し処理を施した。
これにより，表１に示す成分組成を有する４種類の焼結体（Ｅ１〜Ｅ３，Ｃ１）が得られた。
【００３１】
次に，試料Ｎｏ．Ｃ２の焼結体は，比較のために，試料Ｎｏ．Ｅ２と同じ成分組成ではあるがＮｉリッチマルテンサイト部を持たない焼結体として作製した。具体的には，上記製造方法における混合圧粉体の焼結条件を，温度１６７３Ｋ，時間３．６ｋｓに変更し，その他は上記と同様にして作製した。
【００３２】
次に，本例においては，得られた焼結体（Ｅ１〜Ｅ３，Ｃ１，Ｃ２）の組織状態を顕微鏡により観察した。
その結果，試料Ｎｏ．Ｅ１〜Ｅ３及びＣ１の４種類の焼結体は，いずれもＮｉリッチマルテンサイト部及び残留オーステナイト部とが，焼き戻しマルテンサイト部の中に点在する組織が観察された。
【００３３】
ただし，上記Ｎｉリッチマルテンサイト部の面積比率は，Ｎｉ添加量が多いほど高く，Ｎｉ添加量が少ない試料Ｎｏ．Ｃ１は最も低い結果となった。
一方，試料Ｎｏ．Ｃ２の焼結体は，Ｎｉリッチマルテンサイト部がなく，焼戻しマルテンサイト単相の組織が観察された。
【００３４】
次に，各焼結体の引張強さと硬度と測定することにより強度特性を評価した。
その結果を図１に示す。図１は，横軸にＮｉの添加量（重量％）を，左縦軸に引張強さ（ＭＰａ）を，右縦軸に硬度（ＨＲＣ）を取ったものである。そして，引張強さは（●），硬度は（▲）により示した。
【００３５】
同図より知られるごとく，Ｎｉリッチマルテンサイト部を有する焼結体（Ｅ１〜Ｅ３，Ｃ１）においては，硬度はＮｉ量の増加に伴い向上したが，引張強さはＮｉ量が６重量％の際にピークとなるという特性を示した。そして，Ｎｉ量が４〜８重量％の場合には，硬度が３５ＨＲＣ以上でかつ引張強さが１４００ＭＰａ以上という優れた高強度特性を示した。
一方，Ｎｉリッチマルテンサイト部を持たない試料Ｎｏ．Ｃ２の焼結体は，試料Ｎｏ．Ｅ２と同じ組成であるにもかかわらず，これよりも引張強さが大幅に低下した。
【００３６】
これらの結果からＮｉリッチマルテンサイト部が存在し，かつ，その量及びこれと共に存在する残留オーステナイト部の量が適正な範囲内にある場合に，最も優れた特性を発揮することがわかる。
即ち，Ｎｉの添加量は４〜８重量％とし，かつ，Ｎｉリッチマルテンサイト部が形成される条件で製造することにより，高強度の焼結体を容易に得ることができるということがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，高強度であると共に，安価で大量に生産することができる，高強度焼結体及びその製造方法を提供しようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例における，Ｎｉ添加量と引張強度及び硬度との関係を示す説明図。

Claims

重量比において，Ｎｉ：４〜８％，Ｍｏ：０．５±０．１５％，Ｍｎ：０．２±０．０５％，Ｃ：０．４±０．１％，残部Ｆｅの組成を有する焼結体であって，該焼結体の組織には，Ｎｉリッチマルテンサイト部を点在させており，
該Ｎｉリッチマルテンサイト部は，断面積比において１０〜２５％を占めていることを特徴とする高強度焼結体。