JP4909460B2 - 焼結製品調製用鋼粉末 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、クロム基合金鋼粉末に関する。より詳細には、本発明は、鉄およびクロムに加えてＭｏおよびＭｎも含む低酸素、低炭素の合金鋼粉末と、その調製に関する。また本発明は、この粉末から焼結部品を調製する方法、ならびにその焼結部品にも関する。
【０００２】
（発明の背景）
最近、粉末冶金によって様々な合金鋼粉末から製造された焼結機械部品用の材料を強化するための、様々な技法が開発されている。低酸素、低炭素の鉄粉中に、合金元素のクロム、モリブデン、およびマンガンを使用することが、例えば米国特許第４２６６９７４号やＥＰ（欧州特許）０６５３２６２に提案されている。どちらの公報でも、この粉末のベース材料は、水噴霧され還元焼なましされた粉末である。米国の公報は、酸素および炭素の含有量が低い粉末を得るための最も重要なステップ即ち段階が焼なましステップ即ち焼なまし段階であり、好ましくは減圧下で、特に真空誘導加熱によって行うべきであることを開示している。またこの米国特許は、還元焼なましのその他の方法では、その商用規模での導入が制限されるという欠点を伴うことも開示している。ＥＰ出願には、還元焼なましについて何も開示されていない。米国特許による合金元素の有効な量は、クロムが０．２重量％から５．０重量％の間、モリブデンが０．１重量％から７．０重量％の間、マンガンが０．３５重量％から１．５０重量％の間である。ＥＰ公報では、有効な量が、クロムが０．５重量％から３重量％の間、モリブデンが０．１重量％から２重量％の間、マンガンが多くとも０．０８重量％であるべきことを開示している。米国特許による発明の目的は、粉末の高圧縮性および高成形性と、焼結体の浸炭や焼入性などの良好な熱処理性への需要を満たす粉末を提供することである。ＥＰ出願に開示されている発明を使用するときの重大な欠陥とは、廉価なスクラップを使用できないということであり、それはこのスクラップが、通常マンガンを０．０８重量％よりも多く含むためである。これに関連してＥＰ出願は、Ｍｎ含有量を０．０８重量％以下のレベルに減少させるために、特定の処理を用いなければならないことを教示している。その他の問題とは、還元焼なましと、クロムやマンガンなど酸化に敏感な元素を含んだ水噴霧鉄粉で酸素および炭素含有量を少なくする可能性について、何も教示されていないことである。この点について与えられた唯一の情報が実施例１の中にあるようであり、これは、最終還元を行わなければならないことを開示している。
【０００３】
（発明の概要）
簡単に言えば、本発明は、クロムを２．５〜３．５重量％、モリブデンを０．３〜０．７重量％、マンガンを０．０９〜０．３重量％含む、クロム基の低酸素、低炭素の鉄粉に関する。この組成によれば、水噴霧と還元焼なましをした費用のかからない原材料から、優れた機械的性質を有する焼結部品を製造することができる。
【０００４】
思いがけずに本発明による粉末から準備された焼結製品は、高引張り強さ、高靭性、および高寸法精度の組合せによって特徴付けられることがわかった。なお驚くべきことは、これらの性質を、焼結製品に熱処理を行わずに得ることができるということである。したがって、少なくとも８００ＭＰａの引張り強さと少なくとも１９Ｊの衝撃強さを併せ持つ焼結製品が、約１１２０℃、焼結時間約３０分で動作する高出力ベルト炉などの費用効果のある焼結装置で得られることがわかった。
【０００５】
Ｃｒの量は２．７重量％から３．３重量％の間で変化し、Ｍｏの量は０．４重量％から０．６重量％の間で変化し、Ｍｎの量は０．０９重量％から０．３重量％の間で変化することが好ましい。
【０００６】
本発明の合金鋼粉末は、上記に限定した合金元素の組成を有するように調製された溶製鋼を、任意の既知の水噴霧法にかけることによって、容易に製造することができる。水噴霧粉は、この水噴霧粉のＯ：Ｃの重量比が１から４の間になるように、好ましくは１．５から３．５の間、最も好ましくは２から３の間になるように、かつ炭素含有量が０．１重量％から０．９重量％の間になるように、焼なましの前に調製されることが好ましい。本発明によるその他の処理では、この水噴霧粉は、ＰＣＴ／ＳＥ９７／０１２９２（参照により本明細書に組み込む）に記載されている方法により焼なましすることができ、この方法は、より具体的には以下の段階を含む方法に関するものである。
ａ）本質的に、鉄と、任意選択でクロム、マンガン、銅、ニッケル、バナジウム、ニオビウム、ホウ素、ケイ素、モリブデン、およびタングステンからなる群から選択された少なくとも１種の合金元素とからなる水噴霧粉を調製する段階。
ｂ）少なくともＨ₂ガスおよびＨ₂Ｏガスを含有する雰囲気中で、この粉末を焼なましする段階、
ｃ）脱炭プロセス中に形成された少なくとも１つの炭素酸化物の濃度を測定する段階、または
ｄ）炉の長手方向で互いに所定の距離に位置する少なくとも２点で、本質的に同時に酸素ポテンシャルを測定する段階、または
ｅ）炉内の少なくとも１点で酸素ポテンシャルを測定することと併せて、ｃ）による濃度を測定する段階、
ｆ）この測定の助けを借りて、脱炭雰囲気中のＨ₂Ｏガスの含有量を調整する段階。
【０００７】
容易に酸化された低量の合金元素を含む、低酸素、低炭素の鉄基粉末の調製に使用することができる他の方法が、同時係属のスウェーデン出願９８００１５３−０に開示されている。この方法は、
本質的な不活性ガス雰囲気中で気密炉に水噴霧粉を充填し、この炉を閉じる段階、
好ましくは直接電気で加熱しまたはガスで加熱することによって、炉の温度を８００〜１３５０℃の温度に上昇させる段階、
ＣＯガスの形成の増加を監視し、ＣＯの形成に著しい増加が観察されたときにこの炉からガスを排出する段階、および
ＣＯガスの形成の増加が少なくなったときにこの粉末を冷却する段階
を含む。
【０００８】
次いで、焼なましした低酸素、低炭素粉末に、焼結製品の最終用途により決定される量の黒鉛粉末と、任意選択でＣｕ、Ｐ、Ｂ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｗの群から選択された少なくとも１種の合金元素を混合する。通常、添加する黒鉛の量は、鉄基粉末の０．１５重量％から０．６５重量％の間で様々であり、ステアリン酸亜鉛やＨ−ｗａｘなどの潤滑剤は、鉄基粉末の１重量％までの量で様々である。次いでこの混合物を、従来の成形圧力で、すなわち４００〜８００ＭＰａの圧力で成形し、１１００℃から１３００℃の間の温度で焼結する。しかし、好ましいことには且つまったく予想外のことであるが、本発明による粉末から準備した製品は、やはりこの粉末を低温で、すなわち約１２２０℃よりも低い温度で、好ましくは１２００℃よりも低い温度で、または約１１５０℃よりもなお低い温度で、かつ比較的短い焼結時間で、すなわち４５分などの１時間よりも短い焼結時間で焼結したときに、優れた機械的性質を示す。通常この焼結時間は約３０分である。
【０００９】
本発明の合金鋼粉末および焼結体のそれぞれの成分がある範囲内に限定される理由は、以下の通りである。
【００１０】
合金鋼粉末中のＣが０．０１％以下である理由は、Ｃが、鋼中に浸透するときに固溶体を形成することによってフェライト地を硬化する役目をする元素だからである。Ｃ含有量が０．０１重量％を超える場合、この粉末は相当に硬化し、商業的な使用を意図した粉末としてはその圧縮性があまりに不十分になる。
【００１１】
焼結製品中のＣの量は、本発明の合金鋼粉末に混合される黒鉛粉末の量によって決定される。典型的にはこの粉末に添加する黒鉛の量は、０．１５重量％から０．６５重量％の間である。Ｃｒ含有量が３％から３．５％の間の粉末では、添加する黒鉛の量はいくらか少なく、好ましくは０．１５％から０．５％の間である。焼結製品中のＣの量は、粉末に添加する黒鉛の量と本質的に同じである。
【００１２】
以下の成分の限定された量は、合金鋼粉末と焼結体の両方に共通である。
【００１３】
成分Ｍｎは、焼入性を改善することによって、また固溶体硬化によって、鋼の強度を改善する。しかしＭｎの量が０．３％を超える場合、フェライト硬さは固溶体硬化によって増大し、このため圧縮性が不十分な粉末になる。Ｍｎの量が０．０８％未満の場合は、鋼を製造する過程でＭｎを減少させるための特定の処理を行わない限り、通常Ｍｎ含有量が０．０８％を超える廉価なスクラップを使用することは可能ではない（ＥＰ６５３２６２、ｐ．４、第４２〜４４行参照）。したがって本発明によるＭｎの好ましい量は、０．０９〜０．３％である。含有量が０．００７％よりも少ないＣと組み合わせることにより、このＭｎの範囲で最も興味深い結果が与えられる。
【００１４】
成分Ｃｒは、焼入性を改善するがフェライト硬さを著しく増大させない焼結製品を提供するので、鋼粉末中の適切な合金元素である。焼結後に十分な強度を得るため、Ｃｒ含有量は２．５％以上が好ましい。Ｃｒ含有量が３．５％よりも多いと、酸化物および／または炭化物の形成に関連する問題が生じる。そのうえＣｒ含有量が３．５重量％を超える場合、焼入性は、焼結製品を実用的な適用分野で使用するには高くなりすぎる。高引張り強さと高衝撃強さを兼ね備えたものを実現するため、Ｃｒが２．５〜３．５％という狭い範囲を選択することの重要性が、同封の図１にさらに開示されている。
【００１５】
成分Ｍｏは、焼入性の改善によって、また固溶体硬化および析出硬化によって、鋼の強度を改善する役割をする。Ｍｏ成分が０．３％よりも少ない場合、これらの性質に及ぼす影響はごくわずかである。さらにＭｏの量は、この合金元素のコストが原因で、好ましくは０．７％を超えるべきではないことが好ましい。
【００１６】
一般に、高強度の焼結体と圧縮性の高い粉末を得るためには、低量のＳおよびＰ、すなわち０．０１％よりも少ない量のＳおよびＰが必要とされ、本発明により使用されたこの粉末中のＳおよびＰの量は、０．０１重量％より少ない。
【００１７】
成分Ｏは、焼結体の機械的強度に大きな影響を及ぼし、一般にＯの量は、可能な限り少なく保たれるべきであることが好ましい。ＯはＣｒと共に安定な酸化物を形成し、これが適正な焼結メカニズムの妨害を誘発する。したがってＯの量は、０．２％を超えないことが好ましい。この量が０．２５％を超える場合、大量の酸化物が発生する。
【００１８】
成形体の焼結は、１２２０℃よりも低い温度で行うことが好ましく、より好ましくは１２００℃より低い温度であり、最も好ましくは１１５０℃よりも低い温度である。以下の実施例に開示するように、１１２０℃程度に低い温度で３０分間だけ焼結すると、どのような熱処理も続けて行うことなく思いがけずに良好な引張り強さが得られる。高温で、すなわち１２２０℃より上の温度では、望ましくないことであるが焼結にかかるコストが増加し、したがって工業的な観点から見た場合、本発明による粉末および方法を非常に魅力あるものにする。
【００１９】
冷却速度が０．５℃／秒より遅いとフェライトが形成され、冷却速度が２℃／秒を超えるとマルテンサイトが形成される。とりわけ鉄粉の組成と、添加した黒鉛の量に応じ、ベルト炉に典型的な冷却速度、すなわち０．５〜２℃／秒で、良好な強度と靭性を兼ね備えたものとして望ましい完全なベナイト構造が得られる。この意味で、本発明による焼結プロセスはベルト炉内で行うことが好ましいことも述べるべきである。
【００２０】
本発明を、以下の実施例によってさらに例示する。
【００２１】
実施例１
Ｃｒ含有量が２重量％から３重量％の間であり、Ｍｏ含有量が０．５重量％であり、Ｍｎ含有量が０．１１重量％である鋼粉末を、特許出願ＰＣＴ／ＳＥ９７／０１２９２に記載されているように、水噴霧して焼なましを行った。量が０．３重量％から０．７重量％まで様々な黒鉛（Ｃ−ＵＦ４）を添加し、同様に潤滑剤Ｈ−ｗａｘ０．８重量％も添加した。粉末を７００ＭＰａで成形し、次いでＮ₂９０％／Ｈ₂１０％の雰囲気中で３０分間、１１２０℃で焼結した。以下の表１、２、および３に、準備した製品の圧粉密度（ＧＤ）、寸法変化（ｄｌ／Ｌ）、硬度（Ｈｖ１０）、引張り強さ（ＴＳ）、降伏強さ即ち耐力（ＹＳ）、および衝撃エネルギー（シャルピー）を開示する。
【表１】

【表２】

【表３】

【００２２】
実施例２
Ｍｎ含有量が多すぎると、固溶体硬化によってフェライト硬さが増すことが原因となり、圧縮性に悪い影響を及ぼす。このことは、潤滑ダイ６００ＭｐａでのＦｅ−３Ｃｒ−０．５Ｍｏ粉末の圧縮性を開示する表２に例示されている。
【表４】

Claims (10)

1. 後続の熱処理なしで引張り強さが少なくとも８００ＭＰａ、衝撃強さが少なくとも１９Ｊである焼結製品を作製する方法であって、
   Ｃｒ ２．５〜３．５重量％、
   Ｍｏ ０．３〜０．７重量％、
   Ｍｎ ０．０９〜０．３重量％、
   Ｃｕ＜０．１０重量％、
   Ｎｉ＜０．１５重量％、
   Ｐ＜０．０２重量％、
   Ｎ＜０．０１重量％、
   Ｖ＜０．１０重量％、
   Ｓｉ＜０．１０重量％、
   Ｗ＜０．１０重量％、
   Ｏ＜０．２５重量％、
   Ｃ＜０．０１重量％、および
   残部の鉄と０．５％以下の量の不可避不純物とからなる、水噴霧され且つ焼なましされた鉄基粉末を提供する段階と、
   前記焼なましされた鉄基粉末に黒鉛を混合する段階と、
   前記水噴霧され且つ焼なましされた鉄基粉末の混合体を少なくとも６００ＭＰａの圧力で成形する段階と、
   成形体を高くとも１２２０℃の温度で６０分未満、焼結する段階とを含む方法。
2. 前記焼なましされた鉄基粉末が、Ｈ₂および制御された量のＨ₂Ｏの存在下、還元雰囲気中で大気圧で焼なましされた鉄基粉末である請求項１に記載の方法。
3. 前記焼なましされた鉄基粉末が、本質的に不活性の雰囲気中で且つＣＯの排出下で低圧で焼なましされた鉄基粉末である請求項１に記載の方法。
4. ０．２５〜０．６５重量％の量の黒鉛を、前記成形する段階の前に前記焼きなましされた鉄基粉末に混合する請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法。
5. ０．３〜０．５重量％の量の黒鉛を、前記成形する段階の前に前記焼きなましされた鉄基粉末に混合する請求項４に記載の方法。
6. Ｃｒ含有量が３〜３．５重量％の前記鉄基粉末では、黒鉛の量が０．２５〜０．５重量％である請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 焼結温度が１２００℃未満である請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 焼結温度が１１５０℃未満である請求項７に記載の方法。
9. 焼結時間が５０分未満である請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 焼結時間が４０分未満である請求項９に記載の方法。

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