JP4849770B2 - 焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末 - Google Patents
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Description
本発明は、高硬度、高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼や合金工具鋼の複雑形状部品を寸法精度良く得る為に有効な金属射出成形（ＭＩＭ）用合金鋼粉末並びに焼結体に関する。
高硬度、高耐食性の焼結体を得るための金属射出成形用粉末として、従来からＳＫＤ１１、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４４０Ｃなどが用いられている。これらのＣｒ炭化物を主体として硬さを得る鋼種は、その焼結温度域ではオーステナイト相を呈し、焼結を進行させるための元素移動（拡散）速度がフェライト相に比べて遅いため、焼結性が悪い。一方、焼結を進行させるために液相出現温度域まで温度を上げると、一気に大量の液相が生成し、炭化物が結晶粒界にネットワーク状に形成され、製品強度を著しく低下させるか、甚だしくは製品形状を保てなくなるほど変形してしまう。それをさけるためには、焼結温度を±５℃すなわち１０℃程度の非常に狭い温度範囲に管理して進行させなければならない。そのため、生産性を犠牲にして焼結炉の使用可能領域を規制せざるを得なかった。
本発明は上記従来の焼結用合金の問題点である製品強度の低下、焼結温度管理の困難性をなくし、製品特性の改善並びに焼結炉の生産性向上に寄与する金属射出成形用合金鋼粉末を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明は下記の構成よりなる。
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜１．８％、Ｓｉ：０．８７〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１．０〜１８．０％、Ｎｂ：２．０〜５．０％、残：Ｆｅ及び不可避不純物よりなることを特徴とする焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
（２） 質量％で、Ｃ：０．１〜１．８％、Ｓｉ：０．８７〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１．０〜１８．０％、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくとも１種：５．０％以下、Ｎｂ：２．０〜５．０％、残：Ｆｅ及び不可避不純物よりなることを特徴とする焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
（３） Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくとも１種が０．３〜１．６％である請求項２記載の焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
本発明の主眼は、Ｃｒ炭化物を主体とする鋼種にＮｂを添加することによって、拡散性の低いＮｂ炭化物を生成させ、このＮｂ炭化物は拡散速度が小さいため、金属射出成形物の焼結時に拡散粗大化し難く、また、Ｃｒ炭化物もこのＮｂ炭化物を核として析出する。このＮｂ炭化物のピン止め効果を利用して、Ｃｒ炭化物のみ存在する場合と比較して、炭化物の粗大化、ネットワーク化を抑えることができる。
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜１．８％、Ｓｉ：０．８７〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１．０〜１８．０％、Ｎｂ：２．０〜５．０％、残：Ｆｅ及び不可避不純物よりなることを特徴とする焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
（２） 質量％で、Ｃ：０．１〜１．８％、Ｓｉ：０．８７〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１．０〜１８．０％、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくとも１種：５．０％以下、Ｎｂ：２．０〜５．０％、残：Ｆｅ及び不可避不純物よりなることを特徴とする焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
（３） Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくとも１種が０．３〜１．６％である請求項２記載の焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
本発明の主眼は、Ｃｒ炭化物を主体とする鋼種にＮｂを添加することによって、拡散性の低いＮｂ炭化物を生成させ、このＮｂ炭化物は拡散速度が小さいため、金属射出成形物の焼結時に拡散粗大化し難く、また、Ｃｒ炭化物もこのＮｂ炭化物を核として析出する。このＮｂ炭化物のピン止め効果を利用して、Ｃｒ炭化物のみ存在する場合と比較して、炭化物の粗大化、ネットワーク化を抑えることができる。
本発明の組成において、Ｃは炭化物を形成して硬さをだし、マルテンサイト組織にする。粉末のＣ量の範囲は０．１〜１．８％が好適である。Ｃの量によって焼結温度や焼結密度が変化する。したがって、粉末の成形時に適宜黒鉛を添加して、焼結品のＣ量を０．１〜１．７％に調整する。そして、焼結密度の高い焼結体を容易な温度管理の下に製造することが可能となる。粉末、焼結体とも下限量を０．１％としたのは、上述のＮｂ炭化物を作るのに必要な最低量であるとともに、マトリックス中にＣが固溶してマルテンサイトを作るのに最低な量であるためである。上限を粉末で１．８％、焼結体で１．７％としたのは、焼結時に粉末から消失するＣ量と、焼結体においてはＣはＣｒ炭化物を作って固さを上げるが、１．７％を超えて含有しても硬さは上がらず、かえって靭性（抗折力）が低下するためである。
Ｓｉは脱酸、湯流れ性をよくする。その量が０．３％より少ないと酸素量が多くなり、湯流れ性が悪くなる。１．２％より多いと焼入れ性が悪くなる。
Ｍｎは０．１％より少ないと湯流れ性が悪くなり、また、０．５％より多いと酸素と結合して粉末の酸素量が増える。したがって、０．１〜０．５％の範囲に規制した。
Ｃｒは焼入れ性を改善し、炭化物を生成して硬さを上げる。さらに炭化物を内包するマトリックス部に固溶して耐食性を向上する。１１．０〜１８．０％の範囲が好適である。
Ｍｏ、Ｖ、Ｗは炭化物を生成して、Ｎｂと共にＣｒ炭化物に対してピン止め効果を発揮し、焼結体の強度、硬度を上げる。これらは５．０％より多いと靭性が低下するので５．０％以下が好ましいが、特に好ましくは、焼入れ性や経済性を考慮して０．３〜１．６％の範囲が好適である。０．３％より少なくなると顕著な硬さ向上の効果が見えにくくなり、１．６％より多いと経済性が劣る。
Ｎｂは拡散性の低いＮｂ炭化物によるピン止め効果を利用してＣｒ炭化物の拡散を抑え焼入れ性を向上する。従来、焼結温度を±５℃で管理しなければならなかったものを、±２５℃にまで広げることができ、焼結炉の生産性を向上することができる。Ｎｂの量が２．０％より少ないとその効果が十分でなく、５．０％より多くなると酸素量が増えて成形性が悪くなる。
Ｓｉは脱酸、湯流れ性をよくする。その量が０．３％より少ないと酸素量が多くなり、湯流れ性が悪くなる。１．２％より多いと焼入れ性が悪くなる。
Ｍｎは０．１％より少ないと湯流れ性が悪くなり、また、０．５％より多いと酸素と結合して粉末の酸素量が増える。したがって、０．１〜０．５％の範囲に規制した。
Ｃｒは焼入れ性を改善し、炭化物を生成して硬さを上げる。さらに炭化物を内包するマトリックス部に固溶して耐食性を向上する。１１．０〜１８．０％の範囲が好適である。
Ｍｏ、Ｖ、Ｗは炭化物を生成して、Ｎｂと共にＣｒ炭化物に対してピン止め効果を発揮し、焼結体の強度、硬度を上げる。これらは５．０％より多いと靭性が低下するので５．０％以下が好ましいが、特に好ましくは、焼入れ性や経済性を考慮して０．３〜１．６％の範囲が好適である。０．３％より少なくなると顕著な硬さ向上の効果が見えにくくなり、１．６％より多いと経済性が劣る。
Ｎｂは拡散性の低いＮｂ炭化物によるピン止め効果を利用してＣｒ炭化物の拡散を抑え焼入れ性を向上する。従来、焼結温度を±５℃で管理しなければならなかったものを、±２５℃にまで広げることができ、焼結炉の生産性を向上することができる。Ｎｂの量が２．０％より少ないとその効果が十分でなく、５．０％より多くなると酸素量が増えて成形性が悪くなる。
上述のとおり、Ｎｂ入りの本発明の金属射出成形用合金鋼粉末では、ＳＫＤ１１、ＳＵＳ４２０やＳＵＳ４４０Ｃに比べると適正焼結温度管理幅が拡大する。すなわち、ＳＫＤ１１、ＳＵＳ４２０やＳＵＳ４４０Ｃで焼結温度管理幅が１０℃程度であったものが、本発明では５０℃程度まで広がった。又、焼結後のＣ値に対する感受性が弱まり、０．５〜０．９％Ｃ値で殆ど同じ焼結特性(温度ｖｓ密度)を呈している。
下記表１に示す試料を用意して焼結特性の試験をした。
各試料はＣ量を調整した。焼結後Ｃ量が、ＳＫＤ１１は１．３０％、１．５０％、１．７０％、ＳＵＳ４２０は０．３０％、０．５０％、０．７０％、０．９０％、実施例１は１．３０％、ＳＵＳ４４０Ｃは０．７５％、０．８０％、１．００％、１．２０％、比較例１と実施例２は０．５０％、０．７０％０．９０％、実施例３は１．３０％、実施例４は０．９０％となることを狙って黒鉛粉末を添加した。比較例２は粉末の段階で酸素量が過大となったため、焼結試験は実施しなかった。
焼結試験は以下のようにして行った。
表１に示す金属粉末に、焼結後のＣ量狙い値に基づいて、それぞれ適量の黒鉛を添加し、これにステアリン酸を５．０ｗｔ％（外数）添加し、８０℃にて均一に加熱混練した。混練物を室温まで冷却後、固化したペレットを粉砕した。この粉砕ペレットを成形圧０．６Ｔｏｎ／ｃｍ2にてプレス成形した（φ１１．３×１０ｔ、Ｎ＝３）。
焼結は図１に示すパターンで行った。図１中、焼結温度は例えば１２００℃又は１２２０℃で行い、適宜表２並びに表3に示す１３７０℃、１３９０℃、１４１０℃等で行なった。
各試料について、焼結温度、焼結後のＣ量狙い値との関係における焼結密度について表２、表３に示す。表２、表３の下方には各試料の焼結品のＣ、Ｏ、Ｎの量並びに表３にはさらに焼結硬さ（Ｈｖ）を示した。表２、表３に示す焼結特性をグラフ化したものが図２〜９である。
組織を観察し、焼結体の硬さを測定して適正焼結温度幅をそれぞれ決定した。
表１に示す金属粉末に、焼結後のＣ量狙い値に基づいて、それぞれ適量の黒鉛を添加し、これにステアリン酸を５．０ｗｔ％（外数）添加し、８０℃にて均一に加熱混練した。混練物を室温まで冷却後、固化したペレットを粉砕した。この粉砕ペレットを成形圧０．６Ｔｏｎ／ｃｍ2にてプレス成形した（φ１１．３×１０ｔ、Ｎ＝３）。
焼結は図１に示すパターンで行った。図１中、焼結温度は例えば１２００℃又は１２２０℃で行い、適宜表２並びに表3に示す１３７０℃、１３９０℃、１４１０℃等で行なった。
各試料について、焼結温度、焼結後のＣ量狙い値との関係における焼結密度について表２、表３に示す。表２、表３の下方には各試料の焼結品のＣ、Ｏ、Ｎの量並びに表３にはさらに焼結硬さ（Ｈｖ）を示した。表２、表３に示す焼結特性をグラフ化したものが図２〜９である。
組織を観察し、焼結体の硬さを測定して適正焼結温度幅をそれぞれ決定した。
Claims (3)
- 質量％で、Ｃ：０．１〜１．８％、Ｓｉ：０．８７〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１．０〜１８．０％、Ｎｂ：２．０〜５．０％、残：Ｆｅ及び不可避不純物よりなることを特徴とする焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
- 質量％で、Ｃ：０．１〜１．８％、Ｓｉ：０．８７〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１．０〜１８．０％、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくとも１種：５．０％以下、Ｎｂ：２．０〜５．０％、残：Ｆｅ及び不可避不純物よりなることを特徴とする焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
- Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくとも１種が０．３〜１．６％である請求項２記載の焼結性を改善した金属射出成形用合金鋼粉末。
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