JPH0159321B2

JPH0159321B2 -

Info

Publication number: JPH0159321B2
Application number: JP59062836A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Takagi; Minoru Nitsuta; Tsuyoshi Morishita; Shigezo Oosaki
Original assignee: Matsuda KK; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Matsuda KK
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1989-12-15
Also published as: JPS60208453A

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野）本発明は、高密度焼結合金用鋼粉に関し、特に
高密度の焼結合金鋼を製造するのに好適に用いら
れる原料鋼粉であつて、特にこの明細書で開示す
る鋼粉は、成形体強度が大きい上焼結密度が高
く、かつその形状歪みが少ない焼結機械部品、例
えば内燃機関のバルブロツカーアーム、カムある
いはタペツト等を製造するときに有利な焼結原料
鋼粉についての提案である。（背景技術）近年、耐摩耗機械部品として粉末冶金法による
焼結合金が使用されるようになつてきており、例
えばCrなどを含有する合金鋼粉に必要に応じて
添加物を加えたものを原料粉末とし、この粉末を
成形し焼結することによつて所望の焼結機械部品
が製造されている。一般に、焼結機械部品の製造に供されるものの
うち本発明で対象とするような高密度焼結合金用
鋼粉としては、アトマイズステンレス鋼粉など従
来公知の粉末冶金用鋼粉の転用ないしは若干の成
分変更を施したものがそのまま流用されているの
が現状である。しかし、高密度焼結機械部品（耐摩耗部品）の
原料として望ましい鋼粉は、従来のステンレス鋼
焼結部品用などの鋼粉と比較して、つぎのような
相違点を有している。第１に、焼結部品中の空孔
の存在は耐ピツチング性を著しく劣化させるか
ら、焼結体を真密度に近い密度とする必要があ
り、鋼粉に対してはきわめて良好な焼結性が要求
される。第２に、耐摩耗焼結機械部品として用い
るため、原料鋼粉に黒鉛粉等を混合して成形、焼
結し、炭化物硬質相を含有する焼結体とする必要
がある。ところが粗大炭化物は耐衝撃性に悪影響
をおよぼすので、できる限り微細な焼結体組織と
しうる鋼粉が要求される。第３に後述するが成形
技術上の制約によつて、密度の低い成形体を、焼
結によつて高密度化する必要があるため、低密度
でも成形体の強度が維持され、しかも形状歪が少
なく均一に焼結する鋼粉の性状が要求される。（先行技術とその問題点）上記第１および第２の要請をみたすべく、本発
明者らを含む研究グループは、特願昭57−156392
号として先に平均粒径30〜50μｍの耐摩耗焼結合
金用鋼粉を提案し満足な結果を得ている。しかし
ながら、上記第３の要請については考慮していな
かつたため、低密度成形体の強度と均一焼結性に
ついてなお問題点が残されていた。（発明の目的と着想の基礎）本発明の目的は、上述した本発明に先行する技
術の問題点を克服できる高密度焼結部品用原料鋼
粉の提供にあり、上述した第１、第２の要請に応
えられることは勿論のこと第３の要請に対しても
十分応えられる新規な鋼粉について開示する。本発明が対象とする焼結合金用鋼粉が具備すべ
き上述した条件のうち、特に前記第３の要請すな
わち成形技術上の制約を有利に克服できる性質を
該鋼粉に対し付与することが、低密度成形体を焼
結することにより高密度の焼結合金を得るという
本発明特有の作用効果が達せられる。一般に、Crなどを含有する合金鋼粉の成形は、
金型中で４〜８t/cm²程度の比較的高い圧力で行な
われている。ところが合金量の多い鋼粉は純鉄粉
などにくらべて、硬さが高く、高圧力成形による
金型摩耗が問題となる。しかも耐摩耗部品として
用いるため、種々の硬質添加物を鋼粉中に混合し
て成形することが多く、このような傾向は一層顕
著である。要するに金型摩耗の問題はできる限り
低い成形圧力で成形すれば大幅に低減される。一方、高焼結性の鋼粉とするには、鋼粉の粒度
を細くする必要があるが、このことは微粉が金型
のダイとパンチとの間にはさまつて、いわゆる金
型かじりを起す原因となる他、鋼粉を金型に充填
する際の流動性劣化の原因となる。そのために、
鋼粉をいつたんバインダーを使つて造粒してから
成形したり、液状バインダーを添加して湿式成形
することにしている。その場合、低比重のバイン
ダーを添加していることおよびかような混合物を
成形する装置の機構上の制約から高圧力が得ら
ず、密度の低い成形体しか得られないことが多
い。このような背景のもとで、低密度成形体でも強
度の維持に十分で、しかも形状歪みが少なく均一
に焼結するような鋼粉が必要となるのである。本発明はかかる要請に応えられるものとして、Ｃ：0.3％（重量パーセント、以下同様）以下、
Si：0.3〜2.0％、Cr：３〜20％および３％以下の
不可避不純物を含み、残部Feから成るアトマイ
ズ合金鋼粉であつて、見掛密度が2.0〜3.5ｇ/cm³
の値を示し、350メツシユ以下の粒子を重量百分
率で50％以上含みかつふるい分析による平均粒径
が30μ未満であることを特徴とする高密度焼結合
金用鋼粉が、上記の要請１、２はおろか要請３を
もみたす鋼粉であることを見出した。（発明の構成）本発明で用いるアトマイズ合金鋼粉は、溶鋼を
水などの液体流ジエツトによつて噴霧する方法に
よつて得る。例えば、特公昭52−19540号記載の
技術を採用することができる。ただし本発明で用
いような微細で特定見掛密度をもつた粉末を効率
良く製造するためには、通常の粉末冶金用鋼粉を
製造する場合とは、アトマイズ条件を異なつたも
のにすることが必要である。例えば、溶鋼に対する噴霧媒の供給比率を大き
くしたり、噴霧媒の圧力を大きくする等の他、噴
霧ノズル部分の改善などによつて、所望の鋼粉を
高効率、高歩止まりで製造することができる。な
お、そのアトマイズ鋼粉は、Ｃ、Ｎ、Ｏ量を低減
すること、あるいは硬さを下げる目的で焼鈍した
ものを用いることができる。次に、本発明鋼粉の成分組成の限定理由を説明
する。鋼粉中のＣは、鋼粉の高さを増して圧縮性、成
形性を損ねるので、低く抑える必要がある。Ｃが
0.3％を超えると成形体の空孔分布が不均一とな
り焼結体中に空孔が残りやすいので、Ｃの上限を
0.3％とする。なお、本発明鋼粉を用いた耐摩耗
焼結合金にＣを含有させるには、鋼粉にＣ源とな
る粉末などを混合添加する方法を用いる。 Siは、焼結体にあつてFe中に固溶して基地を
強化する元素であり、アトマイズ時に溶鋼の酸化
を防止する効果を有する。0.3％未満では酸化防
止の効果は見られず、また、2.0％を超えると焼
結体の硬さが低下し、耐摩耗性を損ねるとともに
鋼粉に含まれるSiの酸化物が焼結時に十分還元さ
れず、焼結を妨げて焼結密度の低下を招く。 Crは、焼結体にあつてFe中に固溶して基地を
強化する元素であり、添加したＣと焼結中に結合
して炭化物を形成し、焼結体の硬さを増して耐摩
耗性を向上させる。また、アトマイズ時に溶鋼の
表面エネルギーを減少させ、アトマイズ効率が向
上して、細かい粒度の鋼粉を得られやすくする効
果をあわせもつ。Cr含有量が３％未満ではこれ
らの効果は小さく、20％を超えて含有させてもそ
れ以上の効果は得られない。不可避不純物としては、溶解素材から混入する
Mn、Ｐ、Ｓ、Alなどの他、おもにアトマイズ中
の鋼粉の酸化によつて捕獲されるＯ、溶解中ある
いはアトマイズ中などに捕獲されるＮなどがあ
り、鋼粉の成形性、圧縮性および焼結合金の耐摩
耗性を極端に損なわないためには、これらを合計
で３％以下に限定する必要がある。次に、上記成分組成よりなる鋼粉の見掛密度を
2.0〜3.5ｇ/cm³とし、粒度構成を、350メツシユ以
下を重量百分率で50％以上とするとともにふるい
分析による平均粒径で30μ未満であるようなアト
マイズ鋼粉とする限定理由につき説明する。水などの液体を噴霧媒とするアトマイズ法は、
比較的自由に粉末の合金組成を選定することがで
きる点、および工程が簡単である点において、有
利な鋼粉製造技術である。このことから粉末冶金
用として広く用いられているが、通常の粉末冶金
用鋼粉は、いずれも350メツシユ以下の微粉量が
50％未満と本発明に比べると粗粒側に片寄つてい
る。ところが微細組織の高密度焼結合金を得るた
めには、このような微粉量が少なく比較的粒度の
粗い鋼粉では十分な効果が得られない。すなわ
ち、粉末の粒度が粗いと焼結性が悪いため、高密
度の焼結合金が得られにくい。しかも、焼結中の
合金の結晶粒も大きいため、粒界に形成される炭
化物が成長粗大化しやすい。さらに成形体に大き
な空孔が形成されやすいため、焼結中におこる収
縮が等方均一に進行しにくく、焼結体の形状歪み
の原因となる。さらにまた焼結体に大きな空孔が
残存して耐ピツチング性を劣化させる。このような問題点は、鋼粉の粒度を細かくする
ことによつてある程度は解決されるが、単に細か
くするだけでは、とくに低密度の成形体を用いて
形状歪みのない高密度焼結体を得る場合困難であ
る。本発明者らの知見によれば、粒度とともに粒
子形状が重要な因子であり、そのため鋼粉の見掛
密度を適切な範囲に調整することが必要となる。通常のアトマイズ鋼粉をふるい分けた微粉は、
粒子形状が球形に近く、見掛密度が高い。このよ
うな粉末は、成形したときに粒子同士の接触が得
られにくいので、とりわけ低密度成形体の場合
に、成形体強度が低くなるとともに、健全な焼結
挙動を示さず、焼結密度が十分に上がらない傾向
にある。これを回避するには、見掛密度を3.5ｇ/
cm³以下とする必要がある。一方、見掛密度が異常に低い鋼粉は、粒子形状
が極端に不規則であり、成形時にブリツジ現象を
おこして、成形体に大きな空孔が生じる。その結
果、焼結体中に空孔が残つて焼結密度が上昇しな
いとともに、形状歪みがおこりやすい。これを回
避するには、見掛密度は2.0ｇ/cm³以上が必要であ
る。次に鋼粉の平均粒径を30μ未満に限定する理由
につき説明する。本発明による合金鋼粉の平均粒径は、光透過法
によつて測定した、粒度区間150、106、75、53、
38、27、19、13、9.4、6.6、4.7、3.3、2.4μにおけ
る粒度分布から、算術平均によつて算出したもの
である。この平均粒径が30μ以上であつて、かつ
350メツシユ（44μ）以下の粒子が50重量％以上
であると、粉末中に微粉と粗粉とが混在すること
になり、それぞれの粒度の粒子が偏折しやすいか
ら、圧粉成形体の内部に、焼結性のばらつきが生
じ、焼結体の形状歪みを起こしやすくなる。した
がつて、平均粒径は30μ未満と定める。ただし、
このような微粒粉を工業的に問題なく成形するに
は、湿式成形や造粒法によつて、粒子が金型のダ
イやパンチとの間にはさまることによる金型かじ
りを防止する措置をとることが望ましい。また、
本発明のような微細で特定見掛密度をもつた粉末
を効率良く製造するためには、通常の粉末冶金用
鋼粉を製造するときのアトマイズ条件とは異なる
条件にする必要がある。例えば、溶鋼に対する噴
霧媒の供給比率を大きくしたり、噴霧媒の圧力を
大きくしたりするほか、さらに噴霧ノズル部分の
改善などによつて、本発明で用いる鋼粉を高効
率、高歩止まりで製造することが可能である。上述した見掛密度で示される粒子形状をもつ鋼
粉であつて、しかも350メツシユ以下の粒子が50
重量％以上でふるい分析から求めた平均粒径が
30μ未満であるような微粒粉を用いると、低成形
密度であつても均一な焼結が可能となり、高密度
で形状歪みが少なく、組織の細かい焼結体が得ら
れるのである。見掛密度が2.0〜3.5ｇ/cm³であつ
ても、350メツシユ以下の粒子が50％未満、平均
粒径も30μ以上を示すような鋼粉にあつては、こ
のような健全な焼結体を得ることはできない。（実施例）まず、特公昭52−19540号公報に記載された水
アトマイズ装置を用い、溶鋼ノズル径５〜10mm、
水圧120〜170Kgf/cm²、水：溶鋼比５〜10/Kgの
条件により、所定のアトマイズ鋼粉を製造し、ふ
るいに分けて粒度構成することによつて、いずれ
も100メツシユ以下の平均粒径で30μ未満を示す
ような本発明による合金鋼粉と、比較用鋼粉を第
１表のごとくに得た。

【表】つづいてこれらの合金鋼粉に天然黒鉛粉および
エポキシ樹脂液を、鋼粉100重量部に対して、そ
れぞれ2.5重量部および2.0重量部添加混合し、２
ｔ／cm²の圧力で、幅10.0mm、厚さ35.1mm、厚み6.5mm
の試験片を成形し、アンモニア分解ガス中1180℃
で60分焼結した。本発明鋼粉および比較用鋼粉を使用した場合の
圧縮密度、成形体破損、焼結密度比、焼結体形状
歪みをそれぞれ第２表にまとめて示す。ここにお
いて、成形体を高さ30cmから鋼板上に落下させ、
破損の有無によつて、成形体強度を判断したもの
である。また焼結密度比は真密度に対する比で示
し、焼結体形状歪みは同一の試験片の幅の測定値
につき、測定位置によつて最大0.02mmをこえる差
がある場合に、歪みありと判定した。

【表】

【表】いずれの焼結体も、炭化物粒度が5μｍまたは
それ以下の微細組織となつていたが、本発明鋼粉
と比較鋼粉とでは、第２表に示したような特定差
が確認された。すなわち、本発明鋼粉Ａ〜Ｆを使用したものは
いずれも、成形体強度が大きく、焼結密度が高く
かつ焼結体の形状歪みが少なく優れた焼結合金鋼
となつている。一方、鋼粉Ｇは350メツシユ以下
の含有量が本発明より小さく、また鋼粉Ｈは平均
粒径が本発明より大きいもので、いずれも焼結密
度が十分に上がらず、形状歪みが現れた。鋼粉Ｉ
およびＪは、見掛密度が本発明範囲外のもので、
いずれも焼結密度が不十分であるとともに、見掛
密度が小さい鋼粉Ｉにあつては焼結体形状歪みが
生じ、また見掛密度の大きい鋼粉Ｊにあつては成
形体強度が不足した。（発明の効果）以上述べたように、本発明の鋼粉によれば、低
密度成形体を焼結して高密度焼結合金鋼を得るこ
とができるから成形技術上の制約がなく焼結機械
部品の製造が容易であり、また得られる焼結合金
部品は高密度で成形体強度が大きく、焼結密度も
高く、さらには焼結体としての形状歪みも少ない
ので優れた機械部品の製造ができる。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.3重量％以下 Si：0.3〜2.0重量％ Cr：３〜20重量％不可避不純物：３重量％以下残部Feよりなるアトマイズ合金鋼粉であつて、
見掛密度が2.0〜3.5ｇ/cm³で、350メツシユ以下の
粒子を50重量％以上含むとともに平均粒径が30μ
未満の粒度構成をもつことを特徴とする高密度焼
結合金用鋼粉。