JPH079001B2

JPH079001B2 - 耐熱耐摩耗性焼結合金用鋼粉

Info

Publication number: JPH079001B2
Application number: JP63197836A
Authority: JP
Inventors: 啓太郎鈴木; 寛池ノ上; 弘之遠藤; 秋夫園部; 俊幸峰岸; 義昭前田
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 1988-08-10
Filing date: 1988-08-10
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH0247202A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は耐熱耐摩耗性焼結合金用鋼粉に関する。

〔従来の技術〕

従来、耐熱耐摩耗性を要求される内燃機関の弁座に用い
られる鉄系焼結合金の原料としての合金鋼粉としては、
特公昭49-17968のように、Cr−Mo−Ｖ系合金鋼粉が知ら
れている。しかし、Cr−Mo−Ｖ系合金鋼粉を用いて製造
した焼結鋼による弁座の場合は、相手部材である吸排気
弁の材質が制約されるという問題があった。

この問題を解決する鉄系焼結合金としては、特公昭55-3
6242に見られるように、Ni:0.5〜３重量％（重量％を以
下単に％と記す）、Mo:0.5〜３％、Co:5.5〜7.5％、残
部が実質的にFeなる組成を有する合金鋼粉を用い、炭
素、潤滑剤を混合して成形、焼結したものが知られてい
る。

しかし、近年エンジンの作動条件は、エンジン出力増大
に伴い、益々過酷になりつつある。その結果、エンジン
の動弁機構を構成する各部材も従来の材質では耐熱性、
耐摩耗性が不足してきて弁座用鉄系焼結合金も逐次改良
が必要となり、耐熱耐摩耗性を向上させた材料として、
特開昭62-10244に見られるように、Ni:0.5〜３％、Mo:
0.5〜３％、Co:5.5〜7.5％、残部が実質的にFeなる組成
を有する合金鋼粉を主原料粉末とし、Mo:28％、Cr:8
％、Si:2％、Co:62％の金属間化合物粉末を混合し、成
形、焼結して、主原料合金鋼粉の化学組成の基地中に、
Mo:26〜30％、Cr:7〜９％、Si:1.5〜2.5％、残部Coの金
属間化合物を５〜25％分散させることを特徴とした焼結
合金が開発されてきている。

このように、焼結合金の基地の特性を決める原料粉末と
して、Ni:0.5〜３％、Mo:0.5〜３％、Co:5.5〜7.5％、
残部が実質的にFeなる組成を有する合金鋼粉を用いて、
焼結合金の耐熱、耐摩耗性改良が進んできているが、さ
らにこれ以上の耐熱耐摩耗性向上を図る手段としては、
主原料合金鋼粉によって決まってくる基地の耐熱耐摩耗
性向上が必要である。

耐熱耐摩耗性鉄系焼結合金の基地の特性向上手段として
は、従来から使用されているNi:0.5〜３％、Mo:0.5〜３
％、Co:5.5〜7.5％、残部が実質的にFeなる組成の合金
鋼粉を原料粉として考えるとき、Moを増加させると焼結
合金の耐酸化性が低下し、Coを増加させると鋼粉が著し
く硬くなり粉末特性の中の圧縮性が低下し、通常の粉末
冶金法で用いている方法では圧縮成形が困難になり、か
つ経済性の面で不利である。従って合金成分を調整して
特性向上を図る方法としてはNiを増加させることが最も
有効である。

基地のNiを増加させる方法としては次の２種が考えられ
る。

（１）フェロニッケルまたは金属Ni粉末を主原料合金鋼
粉と混合してNiを増加させる方法（混粉法）（２）主原料合金鋼粉製造時点でプリアロイとしてNiを
増加させる方法（プリアロイ法）しかし、（１）の方法の場合にはNiの拡散を焼結時点で
充分行わせるために、微細なフェロニッケルや金属Ni粉
末を用いる必要があり、微細な粉末を使うために粉末の
流動性が著しく悪化し、粉末の流動性が悪化すると粉末
の成形時に、プレス金型に粉末を充填する際の作業性が悪化し、
焼結合金製造能率が低下する。

粉末の金型内における充填密度が不均一になること
による部品強度、寸法精度のばらつきが大きくなる。

といった問題が起こる。

一方、（２）のプリアロイ法であると、固溶によって粉
末が硬くなり圧縮性が著しく低下し、粉末の圧縮性が低
下すると、粉末の成形時に、プレス成形時の圧力を大きくする必要があり大型の
プレス機械が必要となる。

同一成形圧力であると、焼結合金の密度が小さくな
り、強度低下を招く。

といった問題が起こる。

〔発明が解決しようとする課題〕本発明は、従来技術の上記問題点を解決しようとするも
ので、Ni:0.5〜３％、Mo:0.5〜３％、Co:5.5〜7.5％、
残部が実質的にFeなる組成を有する合金鋼粉を基本とし
て、鋼粉の流動性と圧縮性を低下させずに、Ni量を増加
させて、耐熱、耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金を製造す
るのに適した合金用鋼粉を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はベース粉末の、 Ni:0.5〜３％ Mo:0.5〜３％ Co:5.5〜7.5％残部が実質的にFeなる組成を有する予合金鋼粉の表面
に、Niが部分拡散結合されており、Niが部分拡散結合さ
れた鋼粉の全Ni含有量を５〜30％とした、流動性、圧縮
性の優れた耐熱耐摩耗性焼結合金用合金鋼粉を提供する
ものである。

〔作用〕

本発明が提供する合金用鋼粉のベース合金鋼粉は、Ni:
0.5〜３％、Mo:0.5〜３％、Co:5.5〜7.5％、残部が実質
的にFeなる組成を有する予合金鋼粉で、この予合金鋼粉
にNi源として、フェロニッケル粉、酸化ニッケル粉、金
属ニッケル粉などを、製品合金鋼粉におけるNi含有量が
５〜30％になるように混合し、還元性雰囲気、例えば純
H₂、アンモニア分解ガス等の下で700〜950℃の温度にお
いて熱処理し、Niを予合金鋼粉表面に部分拡散結合させ
たものである。

熱処理によってケーキ状に固まった部分拡散合金粉を解
砕機によって解砕後、スクリーンで所定粒度に篩分け
る。さらに粒度調整、均一化のためにブレンダで混合
し、本発明の合金用鋼粉製品を得る。

予合金鋼粉に混合されたNi源中のNiは予合金鋼粉の表面
に部分拡散結合されており、微粉を残さないので鋼粉の
流動性を害せず、また、予合金鋼粉中への拡散がわずか
であるので鋼粉の圧縮性を損なうこともない。

ベース粉末として、Ni:0.5〜３％、Mo:0.5〜３％、Co:
5.5〜7.5％、残部が実質的にFeなる組成の予合金鋼粉を
選んでいるのは、該鋼粉が耐熱耐摩耗性鉄系焼結合金の
原料粉末として非常に適しているからである。

すなわち、ベース予合金鋼粉において、NiおよびMoは主
に強度の向上に寄与するが、Ni,Moとも0.5％未満では不
充分であり、一方、３％を超えて添加しても費用の割に
は効果が得られず、また、鋼粉が硬くなり圧縮性が劣化
し強度の低下を招く。また、Moを過剰に入れると耐酸化
性が低下する。

Coは5.5％未満では高温硬さが不足し摩耗し易く、一
方、7.5％を超えると鋼粉が硬くなり、圧縮成形が困難
になる。

本発明は、このベース予合金鋼粉表面にNiが部分拡散結
合されているもので、製品鋼粉中の全Ni含有量を５〜30
％としているのは、Niが５％未満では最終製品である焼
結合金の強度および耐摩耗性の向上が見られず、また、
上限を30％としているのは、これを超えてNiを部分拡散
結合させても強度および耐摩耗性の向上が見られないか
らである。

予合金鋼粉表面にNiを部分拡散結合させるのは還元性雰
囲気で行う。これは鋼粉およびNiの酸化を防止するため
である。

部分拡散結合させるには700〜950℃で処理を行う。700
℃未満ではNiの予合金鋼粉表面への拡散速度が極度に遅
くなり、Niの鋼粉表面への結合が不充分となり、結合を
充分にするためには、非常に長時間を要し、経済的でな
いからであり、950℃より高い温度では逆にNiの拡散速
度が大き過ぎ、予合金鋼粉粒子中にNiの拡散が進み鋼粉
の圧縮性を損なうからである。

熱処理時間は、700〜950℃において熱処理する場合に、
30分未満では、Niの鋼粉粒子表面への結合が不充分であ
り、120分を超えると、Niの拡散が進み過ぎ鋼粉の圧縮
性を損なう。

なお、合金用鋼粉の流動度は、成形時の金型への充填性
の面から35秒/50g以下が必要であり、圧縮性は成形時の
密度の面から6t/cm²で成形時で6.70g/m³以上が必要であ
る。

〔実施例〕

実施例１ベース粉末として、Fe−0.5〜３％Ni−0.5〜３％Mo−5.
5〜7.5％Co系の予合金鋼粉を用いた。

この鋼粉に、金属Ni粉末を製品鋼粉中全Ni量が5,10,15,
20,25,30％になるようにダブルコーン型ミキサで30分間
混合した後、これらの６種の混合粉をそれぞれH₂ガス雰
囲気中で875℃で60分間加熱して、ベースの予合金鋼粉
の表面にNiを部分拡散結合処理を施した。その後、通常
の粉末冶金用鋼粉製造に用いられる解砕、篩分操作を施
した。

ベース予合金鋼粉および得られた製品鋼粉の、化学成分
を第１表に、粒度分布を第２表に、見掛密度などを第３
表に示した。

流動度はNiの添加量が増えるに伴い徐々に低下する傾向
にあるが、Ni:30％においても粉末冶金用鋼粉として満
足できる値である。また圧縮性もNi:5〜30％の範囲のい
ずれにおいても満足できる値である。

比較例１実施例１と同様に６種の混合粉を調製し、これ等の混合
粉の品質特性を、第１表、第２表および第３表に併記し
た。

流動度はNi:10％において50.9秒/50gで、実施例１−
（２）に比べて約20秒/50g遅く、さらにNi:15％以上に
おいては全く流動せず、粉末冶金用鋼粉としては適さな
い。

比較例２実施例１に用いた予合金鋼粉の化学成分をベースにし
て、製品鋼粉中のNiが5,10％となるように溶鋼の段階で
成分調整した水アトマイズ鋼粉を、H₂雰囲気中で、950
℃にて60分間加熱し、鋼粉表面の酸化物を還元除去後、
通常の粉末冶金用鋼粉製造に用いられる解砕、篩分操作
を経て得た鋼粉の特性を、第１表、第２表および第３表
に併記した。

圧粉体密度がNi:5％において、6.64g/cm³（6t/cm²で成
形）で、Ni:5％の実施例１−（１）に比べて0.19g/cm³
低く、さらにNi:10％においては、同じく6t/cm²で成形
時、6.43g/cm³で、実施例１−（２）の6.89g/cm³に比べ
ると、0.46g/cm³低い。

一般に粉末冶金法では、6t/cm²の圧力で成形した時に、
圧粉体密度が6.70g/cm³以上は必要といわれており、こ
れらプリアロイ法による比較例２の鋼粉は粉末冶金用鋼
粉には適さない。

実施例２実施例１−（１），（２），（３），（４），（５），
（６）の鋼粉を用いて焼結合金を製造し特性を調査し
た。

鋼粉に黒鉛粉を１％、ステアリン酸亜鉛（ZnSt）を0.5
％添加混合し、6t/cm²の圧力で成形後1140℃にて還元性
雰囲気で焼結して焼結合金を得た。

焼結体の強度を圧環強さ（JISZ2507）で代表して測定
し、耐摩耗性も併せて調査した。

摩耗量は、回転片（SUH−３）を固定片（得られた焼結
合金）に押し付け、固定片の摩耗深さをもって摩耗量と
した。

測定条件は、摩擦速度:2.0m/秒荷重 :6.3kgf 摩擦距離:100m 温度 :300℃ である。

第１図に摩耗試験結果を、第２図に圧環強さ試験結果を
示す。

なお、ベース予合金鋼粉および比較例１−（１），
（２）、比較例２−（１），（２）による鋼粉について
も、本実施例と同様に焼結および測定を行い、測定結果
を第１図および第２図に記入した。

ベース予合金鋼粉と比較して、本発明の部分拡散結合鋼
粉は、Niの添加に伴い圧環強さ、耐摩耗性が向上する
が、30％付近になると、焼結体の組織中に軟質なNiリッ
チ相が増えるため、圧環強さの低下の兆しが見られ、こ
れに対応する摩耗量も増大の兆しを示す。

比較例１−（１），（２）の混粉法鋼粉と、比較例２−
（１），（２）のプリアロイ法鋼粉を、それぞれ本発明
の部分拡散結合鋼粉と比較すると、混粉法鋼粉は本発明
によるものと特性はほぼ同じレベルであるが、特性のば
らつきが大きく品質が不安定であり工業的には望ましく
ない。

一方、プリアロイ法鋼粉は、鋼粉の圧縮性が低いために
焼結が進まず、焼結材の密度が低いためにNi含有量が多
いにもかかわらず、ベース予合金鋼粉よりも却って摩耗
量が大きく、圧環強さが低い。

〔発明の効果〕

本発明により、優れた流動性と圧縮性とを兼ね備えた合
金用鋼粉を得ることができ、この鋼粉を用いることによ
り、従来よりも耐摩耗性、耐熱性を大幅に向上させた内
燃機関弁座用鉄系焼結合金等の工業的な製造が可能とな
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、経済性の面でも有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼粉中のNi含有量と、この鋼粉を用いた焼結体
の摩耗量との関係を示すグラフ、第２図は鋼粉中のNi含
有量とこの鋼粉を用いた焼結体の圧環強さとの関係を示
すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者園部秋夫千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社千葉製鉄所内 (72)発明者峰岸俊幸千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社千葉製鉄所内 (72)発明者前田義昭千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社千葉製鉄所内 (56)参考文献特開昭61−130401（ＪＰ，Ａ) 特公昭55−36242（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 Ni:0.5〜３重量％ Mo:0.5〜３重量％ Co:5.5〜7.5重量％残部が実質的にFeから成る予合金鋼粉の表面に、Niが部
分拡散結合されており、前記部分拡散結合後の鋼粉の全
Niが５〜30重量％であることを特徴とする耐熱耐摩耗性
焼結合金用鋼粉。