JPH01132701A - 粉末冶金用合金鋼粉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、粉末冶金用合金鋼粉に関し、とくに高密度
、高強度焼結部品の用途に用いて好適なものである。

（従来の技術） 合金鋼粉の発展に伴って、焼結部品への要求特性が一層
高まり、合金鋼粉も焼結部品の高負荷化に対応できるよ
うに、高密度、高強度化が要求されるようになってきた
。とくに高密度化は、疲労強度やじん性の改善に有効で
あることから、その向上が望まれている。

ところで合金鋼粉焼結鋼の強度は、−数的には合金量の
増加により改善されるが、銅粉の圧縮性は通常の予合金
法の場合、合金量の増加に伴って低下し、従来用いられ
ている１回加圧・１囲焼結方式の粉末冶金法では、高密
度と高強度との両立は要求密度、強度水準が高くなった
こともあって非常に困難になってきた。高密度化に関し
ては特開昭６１−４４１０４号公報に開示されているよ
うな焼結鍛造を利用する方法があるが、金型寿命や製品
形状の面からの制約が多い。この点、−度焼結した後、
再度金型中で加圧する２回加圧法は、再加圧が通常の１
回加圧法と同様冷間で行われるため、金型寿命や製品形
状の面での制約が少なく、実用的である。

しかし、この２回加圧法によって、より一層の高密度化
を図るためには、１回目の加圧成形時にできるだけ高い
密度が得られ、しかもこの成形に続いて行われる焼結の
後の２回目の加圧時にはさらに高い密度が得られるよう
な鋼粉を用いる必要がある。

このためかような銅粉としては、 （１）圧縮性に優れること、 （２）一般に焼結鋼の強度を高めるために、黒鉛粉を添
加して、焼結されるが、通常２回目の焼結より低温短時
間で実施される１回目の焼結時には、焼結体の硬さが低
く、再圧縮性に優れること、（３）最終的に必要な強度
を得るため、２回目の加圧・焼結後に実施される熱処理
によって充分高強度化すること、 などが要求される。

高強度用の合金銅粉としては、Ｃｒを含む銅粉が開発さ
れていて、たとえば特開昭５７−１６４９０１号公報に
おいては、かかるＣｒ含有鋼粉の圧縮性ならびに焼入れ
性を高めた鋼粉が提案されているが、上記の合金銅粉は
Ｃｒを含むすべての合金成分が予合金化されているので
、かかる合金鋼粉を２回加圧法に適用した場合には最終
焼結鋼の強度向上のために加えられる黒鉛が、１回目の
仮焼結時に焼結体を構成する銅粉中に容易に固溶し、銅
粉が硬化するため、再圧縮性が劣るという問題があった
。

また特開昭５８−８７２０２号公報には、Ｃｒを鉄との
微細な合金粉末の形で銅粉の表面に拡散付着させる方法
が提案されている。しかし、鉄−Ｃｒ合金は通常、硬い
シグマ相を含んでいるため、このままで用いると、粉末
成形時に金型を摩耗させる問題があり、これを解決する
ためには、シグマ相を有する鉄−Ｃｒ合金粉末を熱処理
し、柔らかいアルファ相化合物にして銅粉の表面に拡散
付着させることが考えられるが、銅粉製造工程が繁雑に
なるところに問題が残る。

またＣｒ粉を銅粉表面に拡散付着させる場合、Ｃｒは酸
素との親和力が強いため、他のＣｒより易還元性の合金
元素、例えばＭｏ、　Ｗなどを酸化物の形態で、Ｃｒと
同時に拡散付着させようとしても、Ｃｒが酸化されてＣ
ｒ合金としての機能を発揮しなくなったり、銅粉の圧縮
性が低下するなどの問題があるので好ましくない。

（発明が解決しようとする問題点） この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、従来
の成形焼結法や合金鋼粉の有していた金型寿命や製品形
状の制約、再圧縮性の低さなどの諸問題を解決し、２回
加圧法に適した高強度、高密度の焼結体が得られる粉末
冶金用合金銅粉を提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） さて発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重
ねた結果、合金化すべき元素のうち、ｉ）銅粉の圧縮性
を低下させる割合が少なく、かつ、少量で高い焼入れ性
が得られ、しかも比較的難還元性であってその酸化物の
水素還元が困難なため、拡散付着によっては圧縮性を保
ちつつ複合合金化することが難しい合金元素については
予め合金化しておき、 １ｉ）一方、比較的易還元性であって、拡散付着により
圧縮性を保って複合化することが易しく、しかもＣと親
和力が負であるかまたは炭化物を積極的に形成すること
により、低温焼結時に黒鉛の焼結体基質中への拡散を抑
制し、かつ２回目の焼結後の熱処理時に焼入れ性を向上
させ得るような合金元素については、上記ｉ）の予合金
表面に、部分的に拡散付着させて複合合金化させる、 ことにより、所期した目的が極めて有利に実現されるこ
との知見を得た。

この発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわちこの発明は、Ｃｒ、またさらにはＶ、Ｎｂおよ
びＢのうちから選んだ一種または二種以上を含有する予
合金鋼粉粒子の表面に、Ｎｔ、　Ｃｕ、　ＭｏおよびＷ
のうちから選んだ少なくとも一種を微粉の形で部分的に
拡散付着させた合金銅粉であって、上記各成分の含有量
が Ｃｒ　：　０．１〜５．０　　ｗｔ％ Ｖ：０．０１〜０，５　　ｗｔ％ Ｎｂ：　　０．００１〜０．１　　ｗｔ％Ｂ　：　　０
．０００１〜０．０１　　ｗｔ％Ｎｉ：０，１〜１０．
０　　ｗｔ％ Ｃｕ　　：　　０．１〜１０．０　　ｗｔ％Ｍｏ　：　
０．１〜５．１〜１０．０ｗｔ％Ｗ　：　　Ｏ，Ｌ〜５
．０　　ｗｔ％ でかつＮ　ｉ＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり
、残余は０．２０ｗｔ％以下に制御したＯおよび実質的
にＦｅの組成になる粉末冶金用合金鋼粉である。

（作　用） この発明において、合金成分を上記の範囲に限定した理
由について説明する。

さてこの発明では、前述したように予合金成分および複
合化成分を各々要求される機能から選択した。

すなわち、予合金成分としては、銅粉の圧縮性に与える
影響が少なく、かつ少量の添加で焼結体の焼入れ性を向
上させ、しかも比較的難還元性でその酸化物の水素還元
が困難なため、拡散付着によっては圧縮性を損なわずに
複合合金化するのが難しい成分が対象となるが、この発
明ではかかる成分としてＣｒを選択した。

Ｃｒは、焼入れ性が高＜、Ｎｉの２倍以上の焼入れ性を
有し、かつ浸炭性にも優れるので、焼結鋼の強度および
疲労特性を向上させるための主要成分とした。さらにこ
れを予合金化させることは、以下の点でもきわめて有益
である。すなわち（１）予合金化により焼結鋼組織の均
一性や浸炭性が向上し強度、じん性が向上する。

（２）　Ｃｒは鉄中に予合金化されることにより、その
活量が低下するため、耐酸化性が向上し、Ｃｒより易還
元性の元素の酸化物の複合合金化が可能となる。

（３）　　Ｃｒは少量で焼入れ性が向上するため、銅粉
の圧縮性を低下させることが少ない。

（４）ＣｒはＮｉに（らべて安価で経済性に優れている
。

ここにＣｒ添加量の上限については、易還元性酸化物の
複合合金化による複合合金化後の鋼粉０量の上限および
圧縮性を考慮して５．０ｗｔ％（以下単に％で示す）と
した。一方、下限は、上述のＣｒ添加効果が得られる０
、１％とした。

さらにＣｒに加えて、同様にその酸化物の水素還元が困
難なため複合合金化が難しく、しかも少量の添加でＣｒ
の働きを一層高める合金元素として、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｂ
がある。種々検討の結果、各々の元素の働きと添加量は
、溶製鋼材と同様で以下のように限定した。

Ｖは、焼入れ性の向上に効果がある。しかしその添加量
が０．０１％に満たないとその添加効果に乏しく、一方
０．５％を超えると、逆に焼入れ性が低下するため、０
．０１〜０．５％の範囲に限定した。

Ｎｂは、結晶粒を微細化する効果を有し、焼結鋼の強靭
化に寄与する。しかし添加量が０．００１％に満たない
とその添加効果に乏しく、一方０．１％を超えると結晶
粒微細化による焼入れ性の低下が著しくなるので、ｏ、
　ｏｏｔ〜０．１％の範囲に限定した。

Ｂは、焼結鋼の焼入れ性を高めるのに有効に寄与するが
、添加量が０．０００１％に満たないとその添加効果に
乏しく、一方０．Ｏ１％を超えると靭性が劣化するため
０．０００１〜０，０１％の範囲に限定した。

上述の予合金鋼粉粒子の粒子表面に複合化される合金成
分にＮｉ、　Ｃｕ、　Ｍｏ、　　Ｗを選択した理由は以
下の通りである。これらの元素はいずれも、鋼粉粒子へ
の拡散付着によって、圧縮性を損なわずに、複合合金化
のできる元素である。

すなわち、Ｎ１はその添加により鉄粉の焼結性を向上さ
せるに加えて、焼結鋼の強度・靭性の向上に著しい効果
を発揮する。また１回目の低温焼結の段階では、銅粉表
面に不充分な拡散の状態で多く残留し、Ｃとの負の親和
力のため、Ｃｒを含有する銅粉中へのＣの拡散を阻止し
、焼結体中の鋼粉粒子のＣ固溶による再圧縮性の低下を
防ぐ働きもある。しかしながら添加量が０．１％に満た
ないとその添加効果に乏しく、一方１０．０％を超えて
過度に添加されると再圧縮性を阻害するので、０．１〜
１Ｏ６０％の範囲で添加するものとした。

Ｃｕも、Ｎｉと同様の効果を有し、その添加範囲もＮｉ
の場合に準じて定められ、添加効果が現われる０、１％
を下限、−万博圧縮性が損われない１０．０％を上限と
し、０．１〜１Ｏ９０％の範囲とする。

Ｍｏは、焼結鋼の焼入れ性・じん性を向上させるのに加
えて、１回目の低温焼結時には銅粉の粒子表面に不充分
な拡散の状態で多く残留し、Ｃとの親和力が大きいため
、Ｃを鋼粉粒子表面に捕捉して、Ｃｒを含有する銅粉中
へのＣの拡散を阻止し、焼結体基質中へのＣ固溶による
再圧縮性の劣化を防ぐ有用元素である。またＭｏは酸化
物の状態で添加すると複合化処理を還元性雰囲気中で行
なうので、この酸化物が一度蒸発した後に還元され、均
一な状態で鋼粉粒子表面の全体を被覆し、上述のＣ拡散
阻止能力が一層向上する点でも有利である。

しかしながら、添加量が０．１％に満たないとその添加
効果に乏しく、一方５．０％を超えて過度に添加される
と再圧縮性を阻害するので、０．１〜５．０％の範囲で
添加するものとした。

Ｗも、Ｍｏと同様の効果があり、焼結鋼の焼入れ性を高
めるのに有効に寄与する。また微細な金属粉末や酸化物
の形態での入手が容易で、これを用いることによりＭｏ
と同様の働きで、焼結鋼の再圧縮性を向上させる利点も
ある。しかしながら添加量が０．１％に満たないとその
添加効果に乏しく、一方５．０％を超えると再圧縮性が
阻害されるので、０．１〜５．０％の範囲で添加するも
のとした。

ここにＮｉ、　Ｃｕ、　Ｍｏ、　Ｗは各々単独使用でも
焼結鋼特性を向上させる働きを有するが、特に２種以上
組み合わせて添加すると、その働きが一層高められる。

しかしながらあまりに多量の添加は、鋼粉製造時に複合
成分間の反応が生じ圧縮性が低下するおそれがあるため
、これらの合計量（Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ）量は１０．
０％以下にすることが肝要である。

なお銅粉ｐ量は鋼粉の圧縮性を低下させる作用があるた
め、その混入は極力低減することが望ましいが、０．２
０％以下で許容できる。

（実施例） Ｃｒを０．２〜４．５％の範囲で含有する水アトマイズ
銅粉、ならびにＣｒ：０．２〜４．５％の他Ｖ：０〜０
．３％、　Ｎｂ：　　Ｑ〜０．０３％、Ｂ：０〜０．０
０３％およびＣ：０．６％のうちから選んだ少なくとも
一種を含有する水アトマイズ銅粉を、各々ｌ　’ｌ’ｏ
ｒｒの減圧雰囲気中で１０５０℃、６０分間焼鈍し、銅
粉中のＣで水アトマイズ銅粉表面の酸化物を還元除去し
た後、通常の粉末冶金用鋼粉製造に用いられる解砕・篩
分操作を経て、種々のＣｒ含有鋼粉を得た。かような銅
粉は銅粉中に残留する酸素・窒素・炭素量が低く、圧縮
性に優れた銅粉である。

ついでかかる鋼粉に、Ｎｉ金属粉末、Ｃｕ金属粉末を最
終鋼粉中Ｎｉ、　Ｃｕ量が各々０〜９．５％になるよう
に、またＭｏ酸化物粉末、Ｗ酸化物粉末を最終鋼粉中Ｍ
ｏ、　　Ｗ量が各々０〜４．５％になるように種々の組
合せで混合した後、■２ガス雰囲気中で８００℃。

６０分間加熱して、Ｎｉ、　Ｃｕ、　Ｍｏ、　　Ｗの複
合合金化処理を施した。

かような複合合金化処理後、前述した解砕・篩分操作を
施して、実施例１〜２６の種々の成分組成になる合金鋼
粉を得た。

その後実施例１〜２６の各銅粉に、粉末冶金用黒鉛粉末
を０．４％および固体潤滑剤のステアリン酸亜鉛を１％
混合した後、圧カフ　ｔ／ｃｍ２で直径Ｗ：．３ｍｍ、
高さｔｏ、　５ｍｍのタブレットに成形した。この圧粉
体をＡＸ雰囲気中で８７５℃、２０分間仮焼結して仮焼
結体を得た。ついでこの仮焼結体を金型潤滑方式により
、７　ｔ／ｃｍ２の圧力で再圧縮したのち、ＡＸ雰囲気
中で１２５０℃、６０分間の本焼結を施した。熱処理は
８５０℃でオーステナイト化し、その温度から６０℃の
油中へ焼入れ後、油中１８０℃で焼もどして行った。

第１表に、実施例１〜４の鋼粉０量と圧縮密度再圧縮密
度、熱処理材抗折力について調べた結果を示す。

この発明に従う実施例１〜４はいずれも、７．００ｇ７
ｃｍ３以上の圧粉密度、また７、　４０８／ｃｍ３以上
の再圧縮密度、さらには１７０ｋｇｆ／ｍｍ”以上の熱
処理材抗折力が得られた。

第２表および第３表には、実施例５〜ｌＯの銅粉の再圧
縮密度について調べた結果を示す。

いずれもＣｒ、　Ｍｏ、　Ｗ含有量がこの発明の適正範
囲を満足しているので、７．４０８／ａｍ’以上の再圧
縮密度が得られた。

第２表 第３表 次に第４表には、実施例Ｗ：〜１３の鋼粉の再圧縮密度
を示す。

Ｃｒ含有量およびＮｉ含有量ともこの発明の適正範囲を
満足する実施例Ｗ：〜１３はいずれも、７．４０ｇ／ｃ
ｍ’以上の再圧縮密度が得られた。

第４表 第５表には、実施例１４〜２６の鋼粉の再圧縮密度およ
び熱処理材抗折力を示す。

いずれも７．４０ｇ７ｃｍ”以上の再圧縮密度を得た。

また実施例２７はＮｉ、　Ｎｏ、　Ｗに微細な金属粉末
を用い実施例１〜２６と同様の処理を施した場合である
が、同一組成でＭｏ、　　Ｗに酸化物粉末を用いた実施
例２５．１！：比べて、Ｍｏ、　　Ｗの再圧縮密度はや
や低いとはいうもののやはり７．４０ｇ／ｃｍ’以上の
優れた密度が得られた。

次に第６表には、実施例１〜２６と同様の方法でＣｒを
予合金化、またＣｕなどを複合合金化し、同じ〈実施例
１〜２６と同様の熱処理を施した場合の実施例２８〜３
１のＲ粉の再圧縮密度を示す。

第６表 いずれの実施例とも、この発明の組成範囲となっている
ため、７．４０ｇ／ｃｍ３以上の再圧縮密度が得られた
。

次に比較例について述べる。

Ｃｒ　を０．０５〜７．５％とＣを０．６％含有する水
アトマイズ鋼粉を、実施例１〜２６と同様の方法で処理
し、Ｃｒ予合金鋼粉を得た。この鋼粉にＮ１金属粉末、
Ｃｕ金属粉末を最終鋼粉中Ｎｉ、　Ｃｕ量で各々０〜１
２．０％になるように、またＭｏ酸化物粉末、Ｗ酸化物
粉末を最終鋼粉中Ｍｏ、　ＷｌでＯ〜７．５％になるよ
うに種々の組合せで混合した後、実施例１〜３１と同様
の方法で処理し比較例１〜９および比較例１６゜１７を
得た。この銅粉をやはり、実施例１〜３１と同様の方法
で成形・仮焼結・再圧縮・本焼結・熱処理した。第１表
に比較例１〜３の鋼粉０量、圧粉密度、再圧縮密度熱処
理材抗折力を併記したが、比較例１は、Ｃｒ含有量が０
．０５％とＣｒ含有量下限の０．１％を下回ったため、
圧粉密度、再圧縮密度はすぐれるものの、熱処理後の強
度が不足し、１７０ｋｇｆ／＋＋＋ｍ”以上の抗折力は
得られなかった。比較例２は、Ｃｒ含有量が７．５％と
Ｃｒ含有量の上限の５．０％を超えるため、鋼粉０量が
０．２０％を超え、７．０ｇ７ｃｍ”以上の圧粉密度、
７．４０ｇ／ｃｍ’以上の再圧縮密度は得られなかった
。比較例３は、Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｗ含有量が上限の１０．０
％を超えるため、やはり７．０ｇ／ｃｍ’以上の圧粉密
度、　７．４０ｇ／ｃｍ’以上の再圧縮密度は得られな
かった。比較例４は、Ｍｏ含有量がＭｏ量下限の０．１
％以下のため、ＭｏによるＣｒ含有鋼粉中へのＣの拡散
抑制作用が不足となり、７．４０ｇ／ｃｍ３以上の再圧
縮密度が得られなかった。比較例５は、Ｍｏ含有量がＭ
ｏｉ上限の５．０％を超えるため、銅粉の再圧縮性が低
下し、７．４０ｇ／ｃｍ３以上の再圧縮密度は得られな
かった。比較例６．　７．　８．　９はいずれも、比較
例４，５と同様の理由により７、４０ｇ／ｃｍ３以上の
再圧縮密度が得られなかった。

また比較例１０は、Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｍｏを各々０．５
％、Ｃを０．６％含有する水アトマイズ鋼粉を、実施例
１〜２６と同様の方法で還元した。しかしＣｒに加えて
Ｎｉ、Ｍｏをすべて予合金化したため、実施例２６と同
一組成であるにもかかわらず、焼結時に鋼粉粒子中への
Ｃの拡散抑制作用がなく　７．４０ｇ／ｃｍ３以上の再
圧縮密度は得られず、抗折力も低いものであった。

さらに比較例Ｗ：．１２および１３はＣｒに加えてＮｂ
、　　Ｖ。

Ｂのいずれかを含有する鋼粉にＮｉおよび／またはＭｏ
を複合化したものであるが、いずれもＮｂ、　　Ｖ。

Ｂが添加範囲の上限を超えて加えられたため、各々実施
例１５．１６．１７とくらべて、熱処理材抗折力が低下
し、１７０ｋｇｆ／ｍｍ２を超えない低い値であった。

比較例１４は、純鉄粉とＣｒ金属粉末、Ｍｏ酸化物粉末
を最終鋼粉中Ｃｒ、　Ｍｏ量がそれぞれ２．５％、４．
５％になるように混合したのち、実施例１〜２Ｇと同様
の方法で処理し、銅粉を得た。この銅粉をやはり、実施
例１〜２６と同様の方法で成形・仮焼結・再圧縮・本焼
結・熱処理した。第５表にその特性を示す。

金属Ｃｒが極めて酸化され易くかつＮ２では還元困難な
ため、複合合金化処理時に同時に加えたＭｏ酸化物によ
り金属Ｃｒが酸化されるので、銅粉中０量は０．８１％
と同一組成の実施例２と比較して７倍以上の高い値を示
した。そしてこの酸素は、銅粉表面でほとんど硬いＣｒ
酸化物となって存在するため、銅粉の圧粉密度・再圧縮
密度・熱処理材抗折力とも実施例２と比較して著しく劣
った値しか得られなかった。

比較例１５は、最終鋼粉中Ｃｒ、　Ｍｏ量がそれぞれ２
．５％、４．５％となるように、Ｍｏを予合金法により
、一方Ｃｒを拡散付着法で合金化した銅粉を用いて成形
、仮焼結、再圧縮、本焼結、熱処理した結果を示す。や
はり、銅粉中Ｏ量が大きく、圧粉密度、再圧縮密度、熱
処理材抗折力も劣った値しか得られなかった。

なお比較例１６は、Ｃｕが１０％を超え、また比較例１
７はＮｉ　＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗが１０％を超えたため、い
すも再圧縮密度は７．４０ｇ／ｃｍ３に到達していない
。

（発明の効果） かくしてこの発明によれば、合金成分の機能を考慮した
合金化方法の採用と合金組成の工夫とにより、すぐれた
圧縮性と再圧縮性をもつ合金銅粉を得ることができ、ひ
いてはかかる発明鋼粉を用いることにより、高強度・高
密度を要求される焼結部品の製造が可能となり、しかも
従来の粉末冶金法に加えて何ら特殊な設備を必要とする
こともないので経済性の点でも有利である。

特許出願人　　川崎製鉄株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃｒを含有する予合金鋼粉粒子の表面に、Ｎｉ、Ｃ
   ｕ、ＭｏおよびＷのうちから選んだ少なくとも一種を微
   粉の形で部分的に拡散付着させた合金鋼粉であって、上
   記各成分の含有量が Ｃｒ：０．１〜５．０ｗｔ％ Ｎｉ：０．１〜１０．０ｗｔ％ Ｃｕ：０．１〜１０．０ｗｔ％ Ｍｏ：０．１〜５．０ｗｔ％ Ｗ：０．１〜５．０ｗｔ％ でかつＮｉ＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり、
   残余は０．２０ｗｔ％以下に制御したＯおよび実質的に
   Ｆｅの組成になる粉末冶金用合金鋼粉。 ２、Ｃｒに加えて、Ｖ、ＮｂおよびＢのうちから選んだ
   一種または二種以上を含有する予合金鋼粉粒子の表面に
   、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＷのうちから選んだ少なくと
   も一種を微粉の形で部分的に拡散付着させた合金鋼粉で
   あって、上記各成分の含有量が Ｃｒ：０．１〜５．０ｗｔ％ Ｖ：０．０１〜０．５ｗｔ％ Ｎｂ：０．００１〜０．１ｗｔ％ Ｂ：０．０００１〜０．０１ｗｔ％ Ｎｉ：０．１〜１０．０ｗｔ％ Ｃｕ：０．１〜１０．０ｗｔ％ Ｍｏ：０．１〜５．０ｗｔ％ Ｗ：０．１〜５．０ｗｔ％ でかつＮｉ＋Ｃｕ＋Ｍｏ＋Ｗ≦１０．０ｗｔ％であり、
   残余は０．２０ｗｔ％以下に制御したＯおよび実質的に
   Ｆｅの組成になる粉末冶金用合金鋼粉。