JP4580984B2 - ステンレス鋼粉末 - Google Patents

Description

本発明は、新規なステンレス鋼粉末及びこの新しい粉末を含むステンレス鋼粉末組成物に関する。特に本発明は、大きな密度を有する焼結粉末冶金部品を製造するためのステンレス鋼粉末組成物に関する。

粉末冶金の第一の目的は、高密度の成形（ｃｏｍｐａｃｔ）及び焼結した物体を実現することにある。密度を増大する幾つかの方法があり、それらの方法の一つは、粉末の圧縮性を改良する温間成形であり、一層大きな圧粉密度（ｇｒｅｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）を有する圧粉体（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）を与える。ダイ壁潤滑を適用することにより、内部に用いる潤滑剤の量を最小限にすることができ、圧粉密度も増大させることができる。潤滑剤の量を少なくすると共に、大きな成形圧力を使用することによっても、増大した圧粉密度を与える結果になる。ステンレス鋼粉末をソフトアニーリング（ｓｏｆｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）して、材料の歪みを解消し、再結晶化することも圧縮性を改良する。成形後、圧粉体を焼結操作にかけ、焼結物体を得る。焼結時の高い温度、即ち、約１１８０〜１２００℃より高い温度は、焼結中の収縮を増大し、その物体の密度を一層高くすることになる。しかし、高い温度での焼結は、特別な設備をした焼結炉を必要とする。更に、エネルギー消費が増大するであろう。

高密度ステンレス鋼ＰＭ部品を製造する時、鋼を耐腐食性にするクロムが存在するため、特別な問題が起きる。

ステンレス鋼は約１０％より多いクロムを含む。鋼には炭素が存在している場合が最も多く、クロム炭化物の形成を起こすであろう。クロム炭化物の形成は、マトリックス中のクロム含有量を低下し、それが今度は耐腐食性の低下を起こす。マトリックス中のクロム含有量が低下するのを防ぐために、ニオブのような炭化物を形成する安定化剤をしばしば用いる。このやり方で、炭化クロムの形成を回避することができ、その代わり炭化ニオブが形成され、その結果、耐腐食性を維持することができる。しかし、ニオブを使用することによる問題は、大きな焼結密度を得るためには高い焼結温度が必要になり、エネルギー消費がかなり大きくなることである。

本発明による新規な粉末を用いることにより、焼結ステンレス鋼ＰＭ部品を製造するためのエネルギーコストを減少させることができることが今回判明した。新規な粉末を使用することによる別の大きな利点は、比較的大きな焼結密度を得ることができることである。

新規な粉末を使用することにより製造された焼結部品は、部品のコスト及び性能の両方に対する要求事項が厳しい自動車工業では特に重要である。新規な粉末は、排気系統の焼結部品、特に排気系統のフランジのために用いることもできる。

本発明は、ステンレス鋼粉末、ステンレス鋼粉末組成物のみならず、それから得られた大きな密度を有する成形及び焼結部品に関する。特に本発明は、粉末冶金部品を製造するためのステンレス鋼粉末組成物に関する。

ステンレス鋼粉末に安定化剤としてバナジウムを添加することにより、現在用いられているニオブ安定化剤を用いた場合と比較して、焼結密度を同様か又は更に増大しながら、焼結温度、従って、エネルギー消費を減少させることができることが今回思いがけなく発見された。更に、炭素と窒素の合計量の少なくとも４倍の量でバナジウムを存在させるのがよく、それにより窒素の量を０．０７重量％より低くするのがよく、炭素の量を０．１重量％より少なくするのがよいことが発見された。バナジウムの量は、０．１〜１重量％の範囲にすべきである。

バナジウムを含むステンレス鋼組成物は、ＷＯ ０３／１０６０７７公報及び米国特許第５，８５６，６２５号明細書に記載されている。ＷＯ ０３／１０６０７７には、バナジウムを含む粉末の効果又は実際の例は何等記載されていない。米国特許第５，８５６，６２５号明細書によれば、ステンレス鋼粉末は、１．５〜２．５％のバナジウムを含むのが好ましい。この既知のステンレス鋼粉末は、大きな耐摩耗性を有する材料を目的としており、Ｍｏ、Ｖ、及びＷのような強力な炭化物形成元素から主に形成される、マトリックス中の硬質炭化物の量を適切にするためには大きな炭素含有量が必要である。特許公報、ＪＰ５９−４７３５８には、クロム、珪素、炭素、及び窒素を含む鋼粉末が記載されている。この粉末は、更にニッケル及び／又は銅及びバナジウムを含んでいてもよい。ＪＰ５９−４７３５８による鋼粉末の目的は、例えば、滑動表面を製造することにある。

本発明の詳細な記述
特に、本発明によるステンレス鋼粉末は、１０〜３０％のクロム、０．１〜１％のバナジウム、０．５〜１．５％の珪素、０．１％未満の炭素、及び０．０７％未満の窒素を含む。好ましくは、ステンレス鋼粉末は、１０〜２０％のクロム、０．１５〜０．８％のバナジウム、０．７〜１．２％の珪素、０．０５％未満の炭素、及び０．０５％未満の窒素を含む。

ステンレス鋼の耐腐食性は非常に重要なので、バナジウム含有量は、クロムの炭化物及び窒化物の代わりにバナジウムの炭化物及び窒化物が形成されるように選択されるべきである。バナジウム含有量は、焼結部品中のバナジウムの炭化物及び窒化物を形成することができる実際の炭素及び窒素の含有量に関連して選択されるのが好ましいであろう。形成されるバナジウムの炭化物及び窒化物は、ＶＣ及びＮＣ型のものであり、我々の現在の知識によれば、バナジウム含有量は、粉末の炭素及び窒素含有量の好ましくは最低４倍になるべきであると考えられる。焼結部品中の実際の炭素及び窒素の含有量は、脱潤滑中に取り込まれるため、粉末のそれら元素の含有量よりも高くなることがある。

珪素の量は、０．５％〜１．５％になるべきである。珪素は重要な元素である。なぜなら、それはステンレス鋼溶融物の噴霧中に薄い凝集酸化物層（ａ ｔｈｉｎ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｏｘｉｄｅ ｌａｙｅｒ）を生ずるからである。即ち、珪素の含有量は、０．５重量％以上になるべきである。この酸化物層は、更に酸化するのを防ぐ。珪素レベルが余りにも高くなると、圧縮性の低下を起こすであろう。従って、珪素含有量は１．５重量％以下になるべきである。

窒素は炭素と同じ影響を与え、即ち、クロムの窒化物又はクロムの炭窒化物の形成により材料を敏感にすることがあるので、窒素の量はできるだけ低くすべきである。窒素は、圧縮性を低下する析出硬化効果も有する。従って、窒素含有量は０．０７％を超えるべきではなく、好ましくは０．０５重量％を超えるべきではない。実際には窒素含有量を０．００１％より低くすることは困難である。

強度及び硬度等のような性質を向上させるため、他の合金用元素を添加する。合金用元素は、モリブデン、銅、マンガン、及びニッケルからなる群から選択する。

本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼が好ましい。フェライト系ステンレス鋼は、ニッケルとの合金であるオーステナイトステンレス鋼よりも値段が安い。オーステナイトマトリックスと比較して、フェライトマトリックスは熱膨張係数が低く、そのことは、例えば、ステンレス鋼排気系のフランジには有利である。従って、本発明によるステンレス鋼の好ましい態様は、本質的にニッケルを含まない。特に、フェライト系ステンレス鋼は、１０〜２０重量％のクロム、０〜５重量％のモリブデン、１重量％未満のニッケル、０．２重量％未満のマンガンを含むであろう。

他の可能な添加剤は、流動剤、機械加工性改良剤、例えば、フッ化カルシウム、硫化マンガン、窒化硼素、又はそれらの組合せである。

ステンレス鋼粉末は、ガス又は水噴霧された予め合金化された粉末で、その粉末の圧密化法により、約２０μｍより大きな平均粒径を有する粉末であってもよい。平均粒径は、通常約５０μｍより大きい。

潤滑剤は、粉末の圧縮性を向上させ、圧粉体部品を放出し易くさせるため、潤滑剤は成形前に添加させる場合が最も多い。潤滑剤の量は、典型的には０．１％〜２％であり、好ましくは０．３％〜１．５％である。潤滑剤は、亜鉛又はリチウムのステアリン酸塩のような金属ステアリン酸塩、ケノルーブ（Ｋｅｎｏｌｕｂｅ）（登録商標名）、アミド重合体、又はアミドオリゴマー、エチレンビスステアルアミド、脂肪酸誘導体、又は他の潤滑効果を有する適当な物質からなる群から選択することができる。ダイ壁潤滑は単独で用いてもよく、或いは内部潤滑と組合せて用いてもよい。

場合によりアニーリングした後、ステンレス鋼粉末を潤滑剤及び他の場合による添加剤と混合する。粉末混合物は、４００〜１２００ＭＰａで成形し、１１５０〜１３５０℃で５分〜１時間焼結し、少なくとも７．２０ｇ／ｃｍ^３の密度を得る。しかし、本発明による粉末は、処理コストを減少するため、一層低い焼結密度を有する部品を製造するために用いることもできる。成形工程は、冷間成形、又は温間成形として行うことができるであろう。

焼結中の収縮を増大することにより、大きな焼結密度が得られ、何ら特別な理論に束縛されるものではないが、この収縮は、体積拡散が促進された結果であると考えられる。炭素の存在で形成される炭化バナジウムは、上昇させた温度、特に焼結温度では溶解しているであろうが、金属粉末のアニーリングのような低い温度でも溶解しているであろう。通常、ステンレス鋼粉末の焼結温度は、約１１５０〜１３００℃である。

例１
表１による化学組成を有し、炭化物形成元素としてニオブ及びバナジウムを含む三つの異なった溶融物を形成した。表２及び３による冷間又は温間成形のための幾つかの混合物を調製した。冷間成形及び温間成形の目的のために、潤滑剤を使用した。温間成形での流動剤として、デガッサ（Ｄｅｇｕｓｓａ）からのエアロジル（Ａｅｒｏｓｉｌ）（登録商標名）Ａ−２００を用いた。

表２及び３による粉末混合物を成形し、圧粉体の性質を種々の成形圧力に対して決定した。結果を表４に与える。成形物体を、水素雰囲気中で１２５０℃で４５分間焼結し、焼結密度及び機械的性質を決定した。結果を表５に示す。

表４及び表５から、本発明による材料から製造された試料の焼結密度が改良されているが、本発明による材料の圧粉密度は比較材料と同様であることを明らかに判定することができる。焼結部品の機械的性質も、既知の材料と比較して、本発明による材料を用いて改良されている。

例２
焼結温度及び焼結時間の影響を評価するため、粉末混合物４、５、６を、周囲温度で６００ＭＰａで一軸成形運動で成形し、ＩＳＯ ２７４０に従う抗張力試験試料にした。得られた圧粉体試料を、水素雰囲気中１２００℃、１２５０℃、及び１３００℃で、それぞれ２０分間及び４５分間焼結した。

焼結した後、焼結試料の焼結密度をＩＳＯ ３３６９に従って測定した。結果を表６に示す。表６から、バナジウムを添加して与えたフェライト系ステンレス鋼粉末について、１２００℃位の低い焼結温度でさえも７．２ｇ／ｃｍ^３より大きい焼結密度を得ることができることを結論することができる。１２５０℃の焼結温度で２０分の焼結時間で７．３５ｇ／ｃｍ^３の焼結密度を生じたのに対し、ニオブ安定化フェライト系ステンレス鋼粉末についての対応する密度は、添加したニオブの量により、それぞれ７．１５ｇ／ｃｍ^３及び７．０３ｇ／ｃｍ^３である。

この例は、本発明によるフェライト系ステンレス鋼粉末から形成した圧粉体の焼結中、収縮に対する驚く程大きな影響を表している。

例３
ステンレス鋼粉末の窒素含有量の影響を評価するため、一つの溶融物を噴霧し、その噴霧した粉末から、窒素含有雰囲気中でアニーリングすることにより、種々の窒素含有量を有する粉末試料を調製した。参照材料として、水素１００％の雰囲気中でアニールした粉末を用いた。それら粉末試料を１％の潤滑剤と混合し、得られた組成物を種々の圧力で冷間成形し、試料片にした。それら試料片を水素雰囲気中１２５０℃で４５分間焼結した。それら種々の分間試料の化学分析を表７に与える。但し窒素含有量は、アニーリング後に決定し、表８に与える。表８には、種々の試料片についての焼結密度も与えられている。

例３から、０．０７％より高い窒素含有量は、望ましくない焼結密度を与える結果になることが分かる。

Claims (4)

1. １０〜３０重量％のクロムと、０．５〜１．５重量％の珪素と、０．１重量％未満の炭素と、０．０７重量％未満の窒素と、炭素と窒素の合計量の少なくとも４倍の量のバナジウムで、バナジウム量が０．１〜１重量％であるものと、１重量％未満の量のニッケルとからなる、予め合金化したステンレス鋼粉末を成形に付す工程と、
   前記成形部品を１１５０〜１３５０℃の温度で焼結する工程とを含む、ステンレス鋼粉末の成形部品を製造する方法。
2. ステンレス鋼粉末を潤滑剤と混合する、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも７．２０ｇ／ｃｍ^３の密度まで焼結を行う、請求項１又は２に記載の方法。
4. １０〜３０重量％のクロムと、０．５〜１．５重量％の珪素と、０．１重量％未満の炭素と、０．０７重量％未満の窒素と、炭素と窒素の合計量の少なくとも４倍の量のバナジウムで、バナジウム量が０．１〜１重量％であるものと、１重量％未満の量のニッケルとからなるステンレス鋼粉末の組成物を有する焼結部品であって、少なくとも７．２０ｇ／ｃｍ^３の焼結密度を有する、前記焼結部品。