JPS5887248A - 耐摩耗性に優れる焼結材料の製造方法 - 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】 本発明は、耐摩耗性に優れる焼結材料の製造方法に関す
るものである。

従来、粉末冶金法による耐摩耗性機械部品等の製造は、
大別して次のような−通りの方法で行われていた。その
１つは“、純鉄粉に硬質化のためにフェロアロイ粉や単
体金属粉、あるいは特殊な炭化物９％１化物の粉末を混
合して、成形、焼結、熱処理する方法である。他の７つ
は、低酸素で比較的高合金の焼入性に優れる銅粉を用い
て、高硬度高強度の熱処理焼結鋼とする方法である。耐
摩耗性焼結機械部品の場合その大半は、上記の方法で製
造されているが、これらの方法だと製品が高価になるか
ら経済性の面で不利は免れない。

本発明の目的は、王として高価であるという上述の従来
技術の欠点を克服する点にあり、低摩な１ｔ゛料粉末を
用いても一層耐摩耗性に優れる焼結材料を製造すること
ができるようにした方法である。

本発明の構成の特徴を費約して示すと、以下の通りであ
る。

Ｃ１１原料粉末として、Ｍｎとｃｒの共存によりそれら
を合金化させた低合金鋼粉を用いる。

（２）　　原料鋼粉は０量が比較的多いものを用いる。

（３）焼結を比較的高い温度で行う。

（４）　　焼結体の含有炭素を、合金化炭素と遊離黒鉛
の双方で構成する。

（５）　　焼結体の含有○量を比較的高目に保ち、微細
分散状の酸化物として含有させる。

（６）　　焼結後、焼入れ一焼戻しの熱処理を施す。

以下に本発明を上記のように構成した理由、および数値
限定の理由を説明する。

本発明の焼結機械部品は良好な耐摩耗性を有するが、そ
れは １）硬くてねばりづよいマルテンサイト組織、１１）微
細分散して存在する安定な酸化物、１Ｉｉ）分散して存
在する遊離黒鉛、 ０３つ（Ｉ）相乗作用の結果得られるものであり、とり
わけ分散して存在する酸化物と遊離黒鉛の双方を有効利
用するところに特徴がある。こｔ／）ような状態の材料
を得るのに、本発明法では、原料粉末としてＭｎとＣｒ
を共存下において合金させ、しかもＯ普が比較的高目で
ある銅粉を用いるようにした。その理由は、ＭｎとＣｒ
とＯの三者の共存下ではスピネル化合物（Ｍｎ０−Ｃｒ
　２０５　）が形成されることにあわせ、その化合物が
地鉄に対し７μｍ前後の大きさの＃細分散状に存在する
から、焼結時に還元され難い安定な酸化物として保持さ
れており、これが焼結鋼の強度、靭性な損なうことなく
耐摩耗性向上を計るのに効果的に働くのである。その上
、この安定な分散酸化物は、混合した黒鉛粉の地鉄中へ
の固溶化を遅らせるように作用し、その結果遊離黒鉛が
残存するようになってより好都合である。この操作は、
焼結温度を比較的高温の／／ｌＩＯ〜／コθＯ″Ｃにす
ることにより、混合した黒鉛粉の一部分を地鉄中に固溶
合金化させ、その残りを遊離黒鉛として残存させるよう
にするものであなお、ＭｎとＣｒを共存させて得た合金
鋼粉を用いるもう一つの理ｌ書す、焼結鋼の焼入性向上
にある。ＭｎとＣｒは、ともに低摩な焼入性向上元素で
あり、地鉄中に固溶して焼入硬化深度を深くさせる効果
がある。しかも、前述したように一部分が複合酸化物を
形成するため、マルテンサイト組織のみの場合より一層
の耐摩耗性向上効果が得られる。そして、この耐摩耗性
を、さらに一段と向上させるのは、前述１−だ遊離黒鉛
であり、それの潤滑効果によって、より優れた耐摩耗性
を付与するこ′とができる。

次に、本発明において用いる原料鋼粉の化学組成につい
て説明する。まず、銅粉中に共存して合金化するＭｎと
Ｃｒの含有量は、安定複合酸化物の形成と地鉄の焼入性
向上の双方の観点から、それぞれ０．９０％が下限とな
る。しかも、それらの相乗効果を得るために、は、Ｍｎ
とＯｒの合計量は、最低限／、２％でなければならない
。しかし、共存下においたそれらの合金量が逆に多過ぎ
ると、銅粉の圧縮性、成形性が阻害され、かつ焼入時に
焼割れを生じ易くなるので、Ｍｕ％、　Ｃｒ％＋（Ｍｎ
十Ｃｒ１％の各上限量はそれぞれユ、３％、　Ｓ、Ｏ％
。

６．０％に限定される。

原料鋼粉中の５ｉｌｌは、長大酸化物の生成を抑制して
焼入性と耐摩耗性の向上を計る観点から、０．７０％以
下に抑制しなければならない。また、原料鋼粉中のＣＩ
は、鋼粉の圧縮性、成形性を良好に維持するため、０．
１３％以下に抑制しなければならない。そのほか、焼結
機械部品の一階グ〕焼入性向上と耐摩耗性向上なりいに
、会費に応じてＶ／、Ｑ％以下、Ｍｏ１．０％以下、Ｎ
ｉ　５．０　％　９　下、Ｃｕ、７．０％以下の範囲で
、これらの／釉マたはコ種以上を、さらに合金した銅粉
を用いてもよいが、これら各元素の上限値は、主として
経済性と銅粉の圧縮性、成形性の暖点から定めたもので
ある。

以上の各合金元素に加えて、本発明では、原料鋼粉の０
楡を、０．／り〜ｏ、ｇｏ％の範囲内に収めることが重
要である。原料鋼粉のＯｆが、０．／！ｒ％未満では、
焼結中に黒鉛の地鉄中への周靜が１法速に起り、未固溶
の遊離黒鉛を残すことが難しく、逆にｏ、ｇｏ％を超え
ると、銅粉の焼結性が著しく劣ってくるので好ましくな
い。

以上説明したように本発明は、原料鋼粉のＯ−１を０．
１３〜０１０％にすることＫより、焼結中における黒鉛
の急激な固溶化を抑制させる一方（一部分を固溶化させ
る一方残部を未固溶状態の遊離黒鉛として残存せしめる
）、その大半をＭｎＯ・Ｃｒ２Ｏ５の形で安定かつ微細
分散状に存在させ、もって遊離黒鉛による潤滑作用と、
微細分散酸化物による摺動面凝着化防止の作用と、およ
び基質のマルテンサイト化と合わせて、焼結機械部品の
耐摩耗性向上を計らんとす・るものである。

さて、本発明で良好なる耐摩耗性を有する焼結機械部品
とするためには、さらに該焼結体における合金化ＣＩを
ｏ、３ｏ　−ｏ、ルＯ％、遊離黒鉛を０．１０〜ｏ、ｔ
ｒｏ％、ｏ−１を０．２０−０．！ｔＯ％、焼結密度を
ｔ、ｑｏ〜り、３０　？／ＣＩＬ３にするように調節し
て焼結することが肝要である。焼結体についてのこのよ
うな限定は次の理由による。焼結体の合金化Ｃ量の下限
値０．３０％は、十分な強度を有するマルテンサイト組
織および硬さを得るのに必要な最低限の量であり、上限
値０．１０％は、これを超える合金化Ｃ［では焼入時に
残留オーステナイト量と炭化物量が、９、激に増え、そ
れにともなって焼入性が、物、激に減少するため、これ
を防止する上から決めたものである。焼結体の遊離黒鉛
の下限値０．１０％は゛、優れた耐摩耗性を得るために
必要な最低値であり、上限値０．１０％は焼結体の強度
、靭性を損なわない限界１である。焼結体Ｏｆの下限値
０．２の・％は、十分な耐摩耗性を得るために必要な最
低量である。また、上限値のＯ，ＳＯ％は、高０材はど
大型介在物量が増し、焼結鋼の焼入性や耐摩耗性が低下
するとともに強度、靭性の大幅低下をも招くという事実
から求めたその許容限界量である。

焼結鋼の密度は、十分な焼結強度と耐摩耗性を得るのに
最低Ａ、ｌｌＯｆ／ＣＩＬ’が必要であり、また通常工
業的に実施可能な成形圧カクｔ、／ｃｍ２以下での成形
が容易で酸化物による金型かじりがひどくない上限の値
が７．３０　ｆ／♂であるから、ｔ、ａＯ〜７．３０ｔ
／α３の範囲に限定した。

次に本発明は上述した鋼粉の選択と上記のような焼結体
を得るのに、以下に説明するような焼結條件ならびに熱
処理條件の採用が必要になる。すなわち、前記組成合金
の銅粉と黒鉛粉を混合、成形した圧粉体を焼結するに際
しては、Ｎ２やバガス（分解アンモニアガス）、ＲＸガ
ス（プロパ″ン。

ブタン等と空気で変改したガス）などの還元性ガスおよ
び／またはＮ２やＡｒ等の不活性ガス（以下それらのガ
スを非酸化性ガスという）を用いることが肝要である。

焼結温度は前述したように／／４７０〜／ＺＯＯ’Ｃで
なければならない。その温度が／／ｌＩＯ°Ｃ未満では
、共存下においたＭｎ　、　Ｃｒの合金した鋼粉の場合
、焼結が進まず、逆に７２００°Ｃを超えると、焼結の
進行と同時にＭｎＯ・Ｃｒ２Ｏ５が黒鉛粉によって還元
されてしまうため、黒鉛粉の地鉄中への合金化が急速に
進み、遊離黒鉛が消失してしまう。その結果、酸化物の
還元消失と併せて焼結材料の耐摩耗性が著しく低下する
。従って、本発明法でをま、／／弘θ〜／コＯＯ℃の最
適焼結ｍ度域が存在し、このｍ度範囲で焼結処理するこ
とが重要となるのである。このような温度域を用いるこ
とにより、ＭｎＯ・Ｃｒ２Ｏ５の還元や黒鉛の急激な合
金化を抑制しつつ鋼粉の焼結化を進め得るので、適量の
合金化Ｃと適量の遊離黒鉛および微細分散状酸化物を介
在せしめた強固な焼結体を得ることが可能となる。

このように１．て得た焼結体は、最後に非酸化性ガスの
雰囲気中において、ざＯＯ〜９５０″Ｃの範囲内でのｋ
ｃｓ変態点以上の温度、好ましくはＡｃ５ｆ態点＋３０
−　ｇＯ″Ｃに加熱して油焼入れし、次いで１００〜ｓ
ｓｏ　’ｃで焼戻しして、耐摩耗性および強靭性に優れ
る焼結機械部品とする。この焼入れ温度はＡｃ５点以下
では意味がなく、逆にあまり高温になるとオーステナイ
ト結晶粒が粗大化して、焼結材料の強靭性低下を招くば
かりか、焼入れ金入も大となるので好ましくない。この
ような意味で焼入れ温度はｇθ０〜デＳＯ″Ｃにした。

なお、焼戻し処理は、焼入れ材の硬さを保ちつつ、焼入
れ時の残留応力を除去するためＫｍ！ｍする。その焼戻
しの温間は１００〜ａ５θ″Ｃで十分である。

なお、前記遊離黒鉛の定量は、０量の異なる同−密度の
焼結材料について、焼結のままの状態で合計炭素量とり
謙り強さの関係を検討し、次に同じ〈焼結のままの同一
密度の低酸素焼結材料により、Ｃ倉別の（Ｍｎ　＋　Ｃ
ｒ　１　量と引張強さの関係を検討して、この両者の関
係から遊離黒鉛量を求めるという方法によった。この遊
離黒鉛量と合金化ｃｌの制御は、焼結雰囲気の種類、露
点、焼結ＩＫ［、焼結時間、鋼粉Ｏ＠′、銅粉の合金組
成により左右されるので、予め実験によってその傾向を
把握しておく必要があるが、それは常法に従う。

以上述べたところにより本発明の内容を明らかにしたが
、以下さらに実施例により本発明の詳細な説明する。

第１表は、この実施例で使用した原料鋼粉の化学組成を
示したものであるが、表中、鋼粉Ａ、Ｂ。

ＣはＯｆの異なる０、ｇ！；　Ｍｎ　−／　Ｃｒ　−０
，２！；　Ｍｏ組成（いずれも重量パーセント。以下同
様）の銅粉で、Ａは本発明に含まれる鋼粉、ＢとＣは本
発明で限定するものを外れる銅粉で、ＢはとくにＯ鎗の
多いもの、Ｃは逆にＯＩｉの少ないものである。Ｄは０
．３；Ｍｎ　−／、ｔ　Ｃｒ岨成で、かつｏ＠がｏ、ａ
ｓ％の本発明で限定する銅粉である。これらの鋼粉に第
２！ｌ！Ｉｃ示す條件で成形、焼結、熱処理を施し、機
械的性質および耐摩耗性の試験を行った。焼結密度ハイ
ずれもｌ、、ＩＯ−４，９０ｒ／Ｒ’　ノ範囲内に収め
、引張試験はＪＳＰＭ標準引張試験片で、衝撃試験は１
００ｘｊ！ｒＬ無溝シヤルピー試験片でテストし、また
耐摩耗性は、コ３φ×ＪＯタブレットから、２（φ×５
Ｈの試験片を切り出し、大越式摩耗試験機により第５表
に示す條件で試験して、比摩耗量で比較する方法を用い
た。

第　　５　　表 実施例１および比較例１〜５について；ｏ　＠　ｏ、ｓ
ｇ％の０．ｇ！；　Ｍｎ　−／　Ｃｒ　−０，２３；　
Ｍｏ　ｆ１４粉Ａに黒鉛粉／％を混合し、成形後Ｎ２中
で／／ＡＯ’Ｃ×／時間焼結し、そのｖｔ　ｇｓｏ　”
ｃ　ｘ　、ｔｏ分油φ入れ、／７０°ＣＸ／時間焼戻し
の熱処理を施し、本発明にかかる焼結材料（実施例１）
を製令した。この焼結材料は、第２表の実施例１に示し
たように、合金化Ｃ量、遊離黒鉛ｉ、０蓄のいずれも本
発明で限定する範囲内に含まれ、その引張り強さげ７／
、３ＫＰ／ｓ＋＋ｓ２、衝撃値は／　、　／　７　Ｋｇ
　・ｍ／ｃｉａ２で、比摩耗Ｉげθ、θＡ　Ｘ　１０　
’　ｍＮ２／に９と極めて優れた値を示すものである。

なお、比較例１は、この実施例１と同じ圧粉体を実施例
１よりｔｌｏ”ｃ低い１１２０°Ｃで焼結したものであ
る。この実施例のものは、合金化Ｃ量が本発明で限定し
た範囲を外れて低く、その分遊離黒鉛Ｉが多くなってお
り、焼結も余り進行していない。そのため、第５表にも
示したように、引張強さ、衝撃値ともに低く、また比摩
耗量も格段に劣っている。比較例２は、同じθ１ｇ左Ｍ
ｎ　−／　Ｃｒ−０，２！ｒ　Ｍｏ　＠粉でも０−が本
発明の範囲を外れて多い鋼粉Ｂを用いて、実施例１と同
様に黒鉛粉／％を混合し、かつ同一の条件で焼結したも
のであるが、その結果はＯＶａ剰のため焼結性が悪く、
第２表に示した通り、黒鉛の合金化も余り進まないので
熱処理後の焼結鋼特性は第５表に示したように比較例１
と大差のない、劣悪な結果となっている。比較例５は、
比較例２とは逆に、Ｏ−１の低いθ、ｌ：！；Ｍｎ−／
Ｃｒ−０．コｊＭＯ鋼粉Ｃを用いた例で、黒鉛との反応
性、および鋼粉の焼結性に優れている。そのため、黒鉛
粉の混合音を０．３％と少なくして、焼結後の合金化Ｃ
ｉｔを実施例１とほぼ同書にした。この比較例５では、
当然のことながら焼結材料の０１は低く、また遊離黒鉛
量も皆無に近い状態となっている。（第２表参照）従っ
て、熱処理後の焼結鋼強度は、第５表にも示したように
、実施例１、比較例２，５に較べて格段に優れ、かつ耐
摩耗性もかなり良好となっている。しかし、この比較例
５も実施例１と比較すると耐摩耗性が劣っていることが
わかる。

実施例２および比較例４〜６について；ｏ　量ｏ、＜ｔ
ｓ％の０．５　）Ａｎ　−／　、５　Ｃｒ鋼粉りに黒鉛
粉／％を混合し、ｂｔＸ形後Ｈ２中でｌ／左０°ＣＸ／
時間焼結し、その後ｇｓｏ°Ｃ×３０分油煉入れ、／７
０°Ｃ×／時間焼戻しの熱処理を怖し、本発明Ｋかかる
焼結材料（実施例２）を製造した。この焼結材料は、第
２衣に示したよ５Ｋ、合金化Ｃ量、遊離黒鉛量、０量の
いずれも本発明で限定する範囲内に含まれ、その引張強
さはＡｏ、９　Ｋｙ／Ｊ　、衝撃値は八〇３Ｋｇ　、　
ｍ　７ｃｍ２で、比摩耗量は、Ｏ０θｇＸ／θ−７，２
／Ｋ。

と非常に優れた値を示すものである。これに対して比較
例４は、Ｍじ鋼粉りに、実施例２と同１の黒鉛粉を混合
して、実施例２より３０℃高い１１１０℃で２時間焼結
した例である。この実施例のものは、合金化Ｃ量が本発
明で限定した範囲を超えて多く、そのため熱処理後の残
留オーステナイト置および炭化物量が増して、第５表に
も示したように、強度、靭性が実施例２より大幅に低下
し、耐摩耗性も劣化している。このことからもわかるよ
うに、本発明法では合金化Ｃ１１ｌの調節も大切である
。比較例５は、実施例２と回に鋼粉りを用いて、これに
黒鉛粉０．７％を混合し、７２５９℃で１時間焼結後熱
処理した例であるが、その結果を示す第２表かられかる
ように、艶粉中の酸素が還元されて焼結鋼のｏ　ｂｔが
θ、θ９ｕ％と極めて低くなっている。また、焼結温度
を本発明の範囲を超えて高くしたため、還元と同時に黒
鉛の合金化が進んで、遊離黒鉛ｉは０％であった。この
比較例５の熱処理焼結材料の引張強さは、第５表に示す
ように７θ、ｅＫｙ／１ｍ２と高い値を示し、衝撃値も
０．９７に？−ｍ／α２と良好な値を示した。しかし、
比摩耗量は、実施例２の７０倍（７）　ＯＪ３　Ｘ　１
０−１０−７Ｎに９　テアッた。この例および前述した
比較例１からも明らかなように、本発明では焼結温度の
選択が重要であり、高過ぎても低過ぎても具合が悪い。

ｊ１％に比較例６は、鋼粉りに黒鉛粉０．５％を混合し
て／／！；０゛Ｃで１時間焼結し、熱処理したものの例
である。

この比較例のものは、第２表にも示すようＫ、合金化Ｃ
ｉｌが本発明で限定した範囲を外れて低く、従って、引
張強さや耐肇耗性は、第５表に示したように極めて劣っ
ている。この意味において、地鉄中の合金化Ｃｔもまた
耐摩耗性を向上させる上で極めて重装であることがわか
る。

以上説明したように、本発明は、焼結鋼の強靭性を良好
に保ったまま耐摩耗性の向上を達成することができる。

しかも、本発明は、原料粉末として、ＭｎとＣｒを主要
合金元素とし、かつ比較的高酸素の銅粉を用いるので、
耐摩耗性に優れた焼結機械部品を安価に製造し得る利点
があり、今後粉末冶金分野での大きな発展が望まれるも
のである。

特許出願人　川崎製鉄株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｔ　主成分として電食％で、Ｃ：　０．１１％以下、８
   １　：　０．１０％以下、Ｍｎ　：　０ＪｔＯ〜２．３
   ％、Ｃｒ　：　０．ｌＩＯ〜３．０％、その血とＣｒを
   合計で八２〜６．０％、Ｏ：　０．／に〜Ｏ０ざ０％含
   有し、他に副成分としてＶ　１．０％以下、　Ｍｏ　／
   、０％以下、Ｎｉ　１．０％以下、Ｃｕ　３．０％以下
   を１種または一種以上含み、残部が不可避的に含まれる
   不純物とＦｅより成る合金鋼粉末を、黒鉛粉ならびに有
   機化合物系の固体潤滑剤と混合してから金型中で加圧、
   成形し、非酸化性雰囲気中で脱ろう後ひきつづきｔｉ＊
   ｏ〜ｌコＯＯ℃の温度範囲で焼結することにより、合金
   化したＣ量が０．３０−０．４０％、０貴がＯ，コ０〜
   Ｏ，ＳＯ％および遊離黒鉛量がＱ、１０−０．１０％で
   、密度が６．ダＯ〜り・３０９７ｍ”の焼結体とし、そ
   の後この焼結体を非酸化性雰囲気中で１００２゜〜９！
   ｒＯ°Ｃの温度範囲のＡｃ５変態点以上の温度に加熱し
   て油焼入れし、次いで１０θ〜２ＳＯ″Ｃに焼戻すこと
   を等徴とする耐摩耗性に優れる焼結材料の製造方法。