JP4198226B2 - 高強度焼結体 - Google Patents
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Description
【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 (1)
- 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。
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