JPH0252681B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は鉄粉をベースとし且つ合金元素クロム
を含む粉末混合物およびその製造方法に関する。
本発明による粉末混合物は高い強度を有する精密
部品の粉末冶金製造における合金元素としてのク
ロムの使用をかなり増大せしめる。 粉末冶金技術によつて製造される部品にしばし
ば要求される強度を与えるために合金粉末が原料
として使用される。現在では、２種類の合金粉末
すなわち粉末混合物およびいわゆる噴霧化（アト
マイゼーシヨン）された予合金粉末が本質的に使
用される 粉末混合物は合金物質を元素形態、合金元素を
含む合金の形態あるいは焼結処理の間に分解し得
る鉄粉の成分として混合し粉末になすことによつ
て製造される。噴霧化鋼粉末は所望の合金元素を
含む鋼融解物を微粉砕して粉末になすことによつ
て製造される。しかしながら、予合金噴霧化粉末
はその圧縮率が合金元素が各粉末粒子上に存在す
る溶体化−焼入効果により比較的低くなるという
欠点を有する。ところが、高い強度を得るために
必要な高純度の部分が望まれる場合には高い圧縮
率が肝要である。一方、粉末混合物に対する圧縮
率は包含される鉄粉のそれと殆んど同じである。
粉末混合物を特徴づける合金組成物のたわみ性に
加えてこれは合金粉末の最もひんぱんに使用され
る形態と同じにされる。 合金元素クロムを含む金属粉末混合物は粉末冶
金工業で知られているが、そのような粉末から製
造される焼結製品によつて得ることのできる良好
な強度性質にかかわらず現在まで市場では成功を
収めていない。この理由は焼結部品の製造技術す
なわち問題の粉末の成形体の圧縮および焼結に関
連した現象にある。以下に、高強度を有する焼結
部品の実際的且つ経済的な製造にとつて基本的に
重要な現象を述べる。 本目的の粉末に課せられる要件の一つは先に述
べたように粉末が高圧縮率を有することである。
別の要件は粉末が圧縮操作における異常な工具の
摩耗に起因するような高い硬度の合金粒子を含ま
ないことである。粉末成形された合金添加物の硬
度が10ｇ荷重で測定して約1000単位のビツカース
硬度を越えると工具の摩耗が非常に高くなること
は経験上知られている。それ故、摩耗を適度な水
準に保つためには10ｇ荷重で測定して400以下の
ビツカース硬度を有する合金元素を使用する必要
がある。 合金元素に課せられる別の要件はそれが微細粒
子度を達成できることである。この理由は微細な
粒度を用いると粉末混合物中に合金元素のより良
好な分布が得られ、また圧縮成形体により良好な
分布が得られるからである。引き続いての焼結に
おいて、短縮された拡散路にかんがみてより均一
な組織が得られる。焼結過程の間に融解相に生成
しない粗大な粒度の合金元素を使用すると合金粒
子が許容し得る焼結時間で材料中へ拡散していく
時間がなくなるが焼結組織中に多少の分離部分と
して認めることのできる事態が生じる。これはま
た合金元素から予想される強度増大効果が得られ
ないことになる。 合金元素クロムを本質的に含む粉末混合物を製
造する場合、クロムを添加する６種類の方法は粉
末冶金の文献から抽出することができる。これら
の種々の方法の特徴は以下のとおりである。 一つの方法はいわゆる予合金法すなわちクロム
−鉄製錬物をアトマイゼーシヨン（噴霧化）によ
つて微粉砕して粉末にすることである。かくして
製造した粉末を部品に圧縮し次に焼結する。この
種の粉末の欠点は先に述べたようにかかる粉末の
圧縮率が低いことである。 クロムを含む鉄粉混合物を製造する別の方法は
純粋なクロム粉末に鉄粉を所望のクロム含量にな
るまで配合することである。純粋なクロム粉末は
約200〜400ビツカース単位の微小硬さ（micro
hardness）を示すので、工具の摩耗の増大を生
じない。しかしながら、クロム粉末の硬度が低い
ために、満足な節約が要求されるならばそれを微
細な粒度まで微粉砕することは非常に困難である
という欠点がある。 第３の方法はクロムを鉄およびクロムの合金形
態で例えば超精製フエロ−クロム、（炭素含量0.1
重量％未満）を添加することである。かかる合金
を用いる欠点はここの粉末は低い硬度を有するの
で所望の微細な粒度に微砕粉できないことであ
る。 文献に記載された第４の方法はクロムをσ−相
の形態ですなわち約40〜50％Crを有するFe−Cr
合金を使用することである。このσ−相は非常に
硬く約2000単位のビツカースによつて特徴づけら
れるので微細な粒度の粉末に容易に磨砕される。
しかしながら、実際には焼結されたクロム合金化
焼結鋼を製造する際にσ−相をクロム担体として
使用すると工具の摩耗が生じ長い精密部品の製造
に適合しなくなることがわかつた。 第５の方法はクロムをフエロクロム炭化物の形
態で添加することである。この鉄−クロム合金は
σ−相を有するので非常に高い硬度を有しそして
微細な粒度の粉末に磨砕することができる。しか
しながら、実際にはσ−相の場合と同様に工具の
摩耗を許容し得る水準に維持できないことがわか
つた。 クロムを粉末混合物に添加する第６の方法はス
エーデン特許第70−16925−５号明細書に記載さ
れている。この方法は35〜55％のクロム含量と
150μmより小さい粒度を有する鉄−クロム合金を
空気を排除して850〜950℃で２時間焼なましてよ
り低い硬度を得、次に焼なまし粉末に約400μmよ
り小さい粒度を有する鉄粉を配合して所望のクロ
ム含量に調整することを特徴とする。しかしなが
ら、この方法の欠点は鉄−クロム合金によつて示
された粗い粒度が150μmより小さいことである。
先り述べた理由で、この粗い粒度は焼結材料の性
質に影響を与えるであろう。別の態様によれば、
35〜50％クロム含量と150μmより小さい粒度を有
する粉砕鉄−クロム合金に40μmより小さい粒子
サイズを有する微細鉄粉を配合し、次に混合物を
850〜950℃で２時間焼なました後、粉末を微細に
分割しそして場合により鉄粉を用いて所望の最終
クロム含量に調整する。 この方法の欠点はいくつかある。まず、微細な
鉄粉は焼なましの間に凝集の増大に寄与するであ
ろう。鉄−クロム粉末は焼なましの間に軟化する
可能性があるので、粉末混合物は焼なまし後に軟
らかい塊となり、これは先に述べたことによれば
微細な粒度に磨砕することが困難でありまた既述
した欠点を生じる。 したがつて、本発明に係る課題は合金元素クロ
ムを含む鉄粉をベースとした粉末混合物であつて
さらにその中にクロムがプレス時の工具の摩耗が
小さくなり且つその中へのクロムの分布が均一と
なるような程度で存在するものを製造する方法を
見出すことであつた。 本発明に従つて、この課題に対する解決はシグ
マ相（σ−相）中に40〜50重量％のクロム含量を
有する鉄−クロム合金を微細な粒度の粉末に磨砕
し、次にこの粉末にσ−相粉末のそれよりも実質
的に大きい粒度を有する鉄粉を所望のクロム含量
になるまで配合しそして得られた粉末混合物を最
終的に硬いσ−相がσ−相よりかなり低い硬度す
なわち10ｇ荷重で測定して約300〜400のビツカー
ス単位を有するα−相に変態されるような条件下
で焼なましすることであることがわかつた。焼な
ましの間に生成した粉末ケークを磨砕すると、ク
ロム担持粉末と鉄粉との間の粒度が大きく異なる
にもかかわらず、磨砕σ−相粉末が粉末状態にあ
る微細な粒度はα−相に変態していることを見出
したのは意外であつた。したがつて、本発明によ
つて製造されたクロム合金化粉末混合物はクロム
を粉末形態で含むとともに粒度が微細で硬度が低
いという独得の組合せを示す。 また、本発明は鉄粉とクロム含有粉末との混合
物からなり且つ約0.2〜15重量％のクロムを含有
し、しかもクロムが主として約50μmより小さい
粒度を有する約40〜50重量％のクロムを含有する
α−相中に粉末成形されたFe−Cr合金の形態で
存在する新規なクロム含有鉄または鋼粉末に関す
る。本発明によればかかる鉄または鋼粉末を用い
る粉末冶金技術により圧縮焼結物を製造すること
ができる。 鉄粉と配合して焼なましする前に、かくしてσ
−相中の鉄−クロム合金はその粒度が本質的に約
50μmより小さい微粉に磨砕される。特に、粒度
は磨砕粉末が約44μmより小さい粒度に相当する
325メツシユのタイラー篩を通過できる程度であ
る。本質的に約15umより小さい粒度が特に好ま
しい。 本発明によるクロム含有鋼粉末の製造は以下の
ようにして行うのが適当である。約40〜50％のク
ロム含量を有するσ−相中の鉄−クロム材料を任
意の既知の機械的磨砕装置で磨砕して本質的に約
44μm（325タイラーメツシユ）より小さい好まし
くは約15μmより小さい粒度にする。次に、磨砕
σ−相粉末にその粒度が約50μmより本質的に大
きくそして最大約400μmであり好ましくは約
175μmである鉄または鋼粉末を全クロム含量が約
0.2〜約15％になるまで配し、次いで粉末混合物
を約830〜1150℃好ましくは約875〜975℃で約10
分〜約５時間好ましくは1/4〜１時間の間にわた
つて非酸化性雰囲気中で焼なまし操作に付する。
次に、焼なまし粉末混合物を本質的に約400μmよ
り小さい好ましくはせいぜい約175μmの粒度を有
する粉末に磨砕する。 次に、クロム合金化鉄粉に場合により純粋な鉄
粉を配合して混合物を所望のクロム含量に調整す
る。粉末を粉末治金の用途に使用する場合、さら
に０〜２％好ましくは０〜１％の黒鉛、０〜２％
好ましくは０〜１％の固体潤滑剤を粉末形態で、
それぞれ単独または０〜５％のニツケル、０〜10
％の銅、０〜５％のモリブデン、０〜1.5％の燐、
０〜５％のマンガンと組合せて配合することが適
当である。 以下の実施例によつて本発明をさらに説明す
る。実施例には実施した実験とそれから得られた
結果を示す。例中に示した％は特に記載しない限
り重量％を示す。 例 １ σ−相中に46％のクロム含量を有しビツカース
硬度が10ｇの荷重によつて測定して2000単位を越
える鉄−クロム材料を磨砕して本質的に15μmよ
り小さい粒度を有する粉末にする。次に、粉末に
本質的に175μmより小さい粒度を有する鉄粉を配
合して以下の表に示すクロム含量にする。鉄粉の
粒度分布は以下の範囲内にある。 ＞175μm ０〜10 ＞150μm １〜15 ＞100μm 10〜30 ＞75 25〜35 ＞45μm 15〜40 ＜45μm 20〜30％ 表 材 料Ａ １重量％のクロム 〃 Ｂ ６ 〃 〃 Ｃ 15 〃 〃 Ｄ 20 〃 〃 Ｅ σ−相粉末のみ 次に、材料Ａ〜Ｅを非酸化性雰囲気中で三つの
異つた温度において15分または60分焼なましし
た。これによつて生成したケークを粉砕して材料
Ａ〜Ｄについては175μmより小さい最大粒度を有
する粉末にした。しかしながら、材料Ｅはさらに
磨砕して粒度をもとのものすなわち本質的に
15μmより小さくなるように努力した。しかしな
がら、これは低硬度の元素が生起する磨砕の問題
に鑑みてうまくいかなかつた。 上記の処理後、材料ＢおよびＥの粉末をクロム
担持粉末の微小硬さについて金属組織学的に調査
した。以下の結果が得られた。

【表】 上記の結果は830℃で焼なまし後のクロム担持
粉末が技術的見地からプレス時に高い工具摩耗を
与えるような非常に高い微小硬さを有することを
示している。しかしながら、950℃で焼なましす
るとクロム担持粉末の硬さが粉末冶金工業からの
経験によつて異常な工具摩耗を生じないことが知
られている水準まで低下した。さらに高い焼なま
し温度の1150℃では硬さがさらに減少した。しか
しながら、この焼なまし温度では粉末の物理的性
質に影響を与えるかなり大きな磨砕エネルギーが
必要となろう。 クロム担持粉末の微小硬さが低くなる原因は非
常に硬く脆いσ−相が軟らかいα−相に変態され
る場合焼なまし中に起る相変態に係るものであ
る。 また、金属組織学的調査において、材料Ａ〜Ｅ
の異つた粉末をクロム担持粉末の凝集度について
検討した。これによつて得られた結果は、950お
よび1150℃で焼なました材料Ｅはそれぞれ凝集し
てケークになり、これは磨砕しても低硬度の材料
の磨砕に関して上述した難点に依存して磨砕時に
44μmより小さい粒度に磨砕できなかつたことを
示した。したがつて、相変態前に微細な粒度に磨
砕された純粋なσ−相から出発して微細な粒度の
軟らかいクロム担持粉末を得ることは不可能であ
る。 ＡおよびＢによる組成物の粉末について同じ調
査を行つたところ、クロム担持粉末粒子の凝集は
得られなかつたが焼なまし中に生成したα−相は
微細な粒度の粉末形態で存在することがわかつ
た。 ＣおよびＤによる組成物を有する粉末は多少異
つた様相を示す。したがつて、組成物Ｃの粉末は
焼なましの間にσ−相粒子の凝集が起つたことを
示し、それに鑑みて焼なまし時に得られたα−相
粒子はもはや本質的に15μmより小さい粒度を示
さない。しかしながら、得られたサイズは焼結性
に顕著なマイナス効果を生じないのでそれは許容
できる程度のものである。組成物Ｄの粉末はＣよ
りα−相の粗い粒度を示す。この粗い粒度は粒度
の重要性についての上記の記述にしたがつて許容
することができない。 したがつて、本例は温度および組成範囲がα−
相への焼なましの間σ−相のものとの粒度を維持
すると同時にσ−相中の微磨砕鉄−クロム粉末を
軟化できる範囲内に存在することを示している。 例 ２ ３種の粉末混合物Ｆ、ＧおよびＨを調製する。
組成は以下に示す。 混合物Ｆ：44μmを越える粒度を有するσ−相中
の1.5％Cr。残りは175μmの最大粒子サイズを
有する鉄海綿状粉である。 混合物Ｇ：15μmより小さい粒度を有するσ−相
中の1.5％Cr。残りは175μmの最大粒度を有す
る鉄海綿状粉である。 混合物Ｈ：σ−相を準備し、15μm以下の粒度に
磨砕し次にσ−相をα−相へ変換させるために
非酸化性雰囲気中で950゜で焼なましされたα−
相中の1.5％Cr。磨砕後、α−相は44μmを越え
る粒度を示す。残りは175μmの最大粒度を有す
る鉄海綿状粉である。 次に、すべての混合物において潤滑剤として
0.4〜1.0％の範囲の異つた含量の黒鉛と0.5％のス
テアリン酸亜鉛を配合した。 次に、得られた混合物から引張り試験棒を
589MPaの圧力でプレスした。この引張り試験棒
を95％N₂および５％H₂からなる雰囲気中で1250
℃において1/2時間焼結した。焼結の間試験棒の
寸法変化を測定しそしてその結果を添付図面に示
す。その結果は15μmより小さい粒度を有する合
金物質を配合した場合寸法変化は炭素含量と多少
無関係であることを示している。しかしながら、
配合された合金元素が44μmを越える粒度を有す
る場合、炭素含量を増大したときに寸法変化に強
い影響が得られる。したがつて、本例はクロム担
持粉末の粒度が寸法安定性に及ぼす大きな影響を
説明するものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による試験棒の寸法変化を示すグラ
フである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄粉とクロム含有粉末との混合物からなり、
   そして0.2〜15重量％のクロムを含有し、残りが
   鉄と通常の補助元素であつて場合により合金粉末
   の外の普通の合金元素を含み、しかも前記クロム
   が40〜50重量％のCrを含有しそして本質的に
   44μmより小さい粒度を有するσ−相中に微粉砕
   Fe−Cr合金の形態で存在することを特徴とする、
   クロム含有鉄または鋼粉末。 ２ そのクロム含量が１〜10重量％でありそして
   合金の粒度が44μm以下であることを特徴とする、
   前記特許請求の範囲第１項記載の粉末。 ３ 脱混合を防止するためにさらに0.10％までの
   結合剤を含有することを特徴とする、前記特許請
   求の範囲第１項記載の粉末。 ４ σ−相中に40〜50％のクロム含量を有する鉄
   −クロム合金を微粉末に磨砕した後、このα−相
   磨砕粉にその粒度がσ−相粉末のそれより実質的
   に大きく且つ最大400μmまでである鉄または鋼粉
   末を0.2〜15％のクロム含量になるまで配合し、
   次にこの得られた粉末混合物をσ−相をα−相へ
   変態させるために非酸化性雰囲気中で830〜1150
   ℃の範囲内の温度において焼なましし、焼なまし
   から得られた粉末ケークを粉砕して400μmの最大
   粒度を有する粉末にすることを特徴とする、高い
   強度を有する精密部品の粉末冶金製造に使用する
   ための、鉄粉とクロム含有粉末との混合物からな
   るクロム含有鉄または鋼粉末を製造する方法。 ５ 粉砕が本質的に50μmより小さい粒度まで行
   われることを特徴とする、前記特許請求の範囲第
   ４項記載の方法。 ６ 焼なましが少なくとも10分行われる、前記特
   許請求の範囲第４項または第５項記載の方法。