JPS5921945B2 - 焼結高合金鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マルテンサイト性鉄合金基質中に、分散体と
して炭化物又は炭化物と窒化物を均一に分散させた組織
を有する焼結高合金鋼の製造方法に関するものである。

一般に通常の工具鋼や高速度鋼は溶解法により造られて
いるが、溶解の丑までは炭化物が羽毛状組織となって強
度が劣るため、該組織を破砕する目的で熱間加工を加え
ている。

しかしながらこの方法では炭化物の分散に方向性が生じ
、更には所望の形状に仕上げるまでの機械力扛上の労力
及びこれによる材料損失が大きい欠点がある。

これに対し、粉末冶金的製造により一挙に最終形状に仕
上げることができれば、炭化物を破砕するだめの熱間加
工やその他の問題は解消する。

しかるに粉末冶金的製造方法には種々の問題があり、今
だ斯界の要望に答えられる状態にはなっていない。

例なば、高速度鋼では焼結可能な粉末が得られにくいと
ころに原因があり、近年市場に出回っている焼結高速度
鋼と呼ばれているものは、所定組成の合金溶湯な水又は
不活性雰囲気中に噴霧することにより得られた粉末（ア
トマイズ粉末）を金属容器につめて真空にした後、高温
で静水圧的に等方圧線加工した素材であり、粉末冶金の
特徴である最終形状の製品を一挙に造り出すものとは異
なるものである。

しかも、アトマイズ粉末には最大１ｍｍ程度の粗い粒度
のものが含まれ、硬くて靭性が高いため、その破砕が困
難なばかりが、焼結性もない。

高合金鋼を粉末冶金により造るためには、合金粉末が利
用できることが前提となるため、従来から合金粉末の製
造について種々の試みが行なわれてきた。

前記アトマイズ粉末のように液相がら粉末を造る方法の
外に、固相反応により合金粉末を造る方法が知られてい
る。

この方法の一つは、然るべき割合に配合した各元素（純
金属及び炭素）の粉末又は／及び炭化物粉末の混合物を
加熱して固相拡散により合金化するものである。

しかるに、各元素が他の相手に固相拡散して行（温度が
まちまちであり、最も高い温度に合せると一部に液相な
生じ、固相反応のみでは合金化しない。

また反応中に液相が生ずると組織的に羽毛状炭化物を生
じ、粉末の破砕が困難となるばかりか、焼結性も著しく
悪（なる０寸だ他の方法の一つは、上記混合物を高い固
相反応温度のグループと、そうでないグループに分け、
前者については高い温度、例えば１３００℃で複炭化物
を形成し、これを後者のグループに混合して低い温度、
例えば１２２０℃の温度で最終的な合金化のために固相
反応を行なわせるものである。

しかるに、複炭化物の生成反応において粉末が二次成長
（凝集）を起し易く、一旦成長するとその破砕が困難と
なる。

このためアルミナ粉末等を混合して粉末の二次成長を防
止しているが、反応後にアルミナ粉末を除去しなければ
ならず、大量生産には適していない。

またこの方法は、微細な金続粉末を使用するところから
着火等の問題があるばかりか、複炭化物と残りのグルー
プとの合金化反応に成型体の焼結反応を兼ねているが、
焼結温度と合金化温度では焼結温度の方が低いため、焼
結温度に合せると合金化が不充分となり、合金化温度に
合せると必要以上にマトリックスの粒度が粗大化する欠
点がある。

勿論、両反応を別々に行なうことも可能であるが、工程
が徒らに長くなり不利となる。

本発明はこれに鑑み、前記従来方法の困難を克服するだ
め種々検討の結果、粉末冶金に利用できる合金粉末の製
造に成功し、これを基に成型、焼結、等方圧綿の工程を
一体化した高合金鋼の製造方法を開発したものである。

本発明の一つは、マルテンサイト性鉄合金基質中に、微
細な炭化物を均一に分散させた組織を有する焼結高合金
鋼の製造において、合金成分の金属酸化物粉末に合金成
分の炭素粉末と金属酸化物なＣＯとして還元する理論量
の約半分の炭素粉末を加え、混合粉砕して平均粒度な１
０μ以下とした後、水素気流中で１０００±１００℃に
加熱し水素と炭素により酸化物を共還元すると同時に合
金化させて合金粉とし、この合金粉の組成及び粒度を調
製し、これを成型、真空焼結後、不活性ガス中で等方圧
綿してから熱処理によりマルテンサイト化することを特
徴とするものである。

また本発明の他の一つは、マルテンサイト性鉄合金基質
中に、微細な炭化物と窒化物を均一に分散させた組成を
有する焼結高合金鋼の製造において、窒化物を除く合金
成分の金属酸化物粉末に合金成分炭素粉末と金属酸化！
Ｉ於ＣＯとして還元する理論量の約半分の炭素粉末を加
え、混合粉砕して平均粒径を１０！＃、下とした後、水
素気流中で１０００±１００℃に加熱し、水素と炭素に
より酸化物を共還元すると同時に合金化させて合金粉と
し、この合金粉の組成を調整すると共に窒化物粉末を加
えてから粒度を調整し、これを成型、真空焼結後、不活
性ガス中で等方圧綿してから熱処理によりマルテンサイ
ト化することを特徴とするものである。

本発明が製造の対象とする合金は、Ｗ、 Ｍ ｏ 。

Ｃｒｙ Ｖｓ Ｃｏｔ Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの２種以上を
全体で５〜６０係（重量％、以下同じ）、Ｃを０．５〜
５係、Ｎを２係以下、残Ｆｅ及び不可避不純物を含み、
実質的にマルテンサイト性鉄合金基質中に金属炭化物又
は金属炭化物と窒化物を均−且つ微細に分散せしめた焼
結性高合金で、例えばＪＩＳ分類のＳＫＤ、ＳＫＨ材を
包含するが、これらに限定されない。

以下本発明の詳細な説明する。

先ず本発明の基になる合金粉は、窒化物をのぞく合金の
金属成分に対応する酸化物粉末に、所要量の炭素粉末を
混合して平均粒径１０μ以下に粉砕し、これを充分な水
素供給下で１０００±１００℃の温度に加熱保持して、
水素と炭素により酸化物粉末の共還元（同時還元）反応
と固相拡散による合金化反応を行なわせることにより得
られる。

出発点となる粉末に、合金成分の金属窒化物を除く金属
成分として酸化物を用いた利点は、はじめの粉砕が容易
になり、粉砕過程で酸化が進行する恐れがなく、以後の
炭素量制御が容易になることにある。

１だ、この酸化物に所要量の炭素又は黒鉛粉末を加え、
これを平均粒度１０μ以下に混合粉砕して水素気流中で
水素と炭素に゛より共還元する利点は、還元温度及び合
金化温度が低く、得られた合金粉が強固な二次成長を起
さないことにある。

還元は水素又は炭素の何れか一方のみでも行なえるが、
何れか一方のみによる還元では還元温度及び合金化温度
が高（、得られた合金粉は二次成長を起し、その後の粉
砕が困難になる。

尚、以上の利点が失われない限度内において、酸化物の
一部を金属粉末又は炭化物粉末で置換することは差支え
ない。

このようにして得られた合金粉は、合金基質中に細かい
炭化物を分散した組織を有し、以後炭化物を粉砕するだ
めの工程はいかなる意味においても必要としない。

また、上記所要量の炭素とは、最終的に合金基質中に固
溶する炭素量と炭化物形成のだめの炭素量の和（有効炭
素量）に、酸化物をＣＯとして還■ 元するのに要する理論値の約−を加えた量をいう。

還元に必要な理論値の約半分とした理由は還元の半分を
水素に肩代りさせるためで、半分としたのは一応の目安
であり、正確には水素供給方法、加熱方法によって若干
変動する。

注意すべきは、水素による還元と添加炭素とによる還元
比が正確に１＝１でなくても、実質的に完全な還元と合
金が粉の二次成長をおこさない範囲で行わればよ（、望
ましい比は１：１を中心にあることは事実としても、多
少の巾が許されることである。

従って、共還元というときは１：１を中心にこの巾をも
たせた意味に解するものとする。

更に詳しくいうと、このようにして決めた必要炭素量も
制御不能の要因によって狭い範囲内で変動し、偶発的に
炭素不足側にずれたときは合金成分の有効炭素量を消費
する。

通常は消費し尽す前に還元が終る。

還元が終らないときは、水素供給条件、加熱条件等をか
えてみる必要がある。

これに対し、炭素過剰側にずれたときは、酸化物を添加
し、再び水素気流中で加熱して過剰炭素をのぞかなけれ
ばならず、工程としても無駄となる上、焼結体の最終特
性を損なうので好ましくない。

従って、還元炭素量は有効炭素量を大巾に消費しない程
度のやや不足側におさえるのがよい。

還元は残存酸素量が１係以下になっていれば充分である
。

還元が終った時点で残存有効炭素量と残存酸素量を測定
し、不足炭素量を加えて補正する。

このようにして得られた合金粉は、結合剤を加えてこの
ま１成型してもよいが、軽（二次成長粉を砕く意味で元
の粒径程度まで粉砕する。

特に炭素量を補正したものでは混合のため粉砕する必要
がある。

この混合粉砕において、共還元するまでもない炭化物又
は共還元に適さない炭化物又は／及び窒化物を更に添加
して、合金組成を変えることもできる。

伺、この混合粉砕工程は始めの酸化物と炭素の混合粉砕
工程とは異なり、酸化防止に注意し、最終の炭素量に変
動をきたさないように注意する必要がある。

このようにして組成を調整した合金粉は、必要な結合材
を加えて圧粉成型した後、酸化と炭素量の変動防市のた
め０．ｌｍｍＨｇ以下の真空中で焼結する。

非酸化性雰囲気、例えばアルゴン中でも酸化は防止でき
るが、成型体の脱ガスが不充分となり良品は得られず、
水素中では炭素量を変動させる。

成型体は通常５係以下のバインダーを含むもので、この
バインダーによって製品の同容する最終炭素量が影響を
受けないように注意する必要がある。

バインダーの一つであるパラフィンは、成型体に強度を
与える意味で望ましいものであるが脱パラフィンが不完
全なままで焼結に入ると浸炭の原因になり易い。

成型体の脱パラフィンは３００℃前後で進行するから、
不活性ガス又は還元性雰囲気中で充分なガスを供給し、
パラフィンガスが成型体の回りに停留しないように配慮
する。

更に望ましくは真空中で脱パラフィンを行なうことであ
る。

脱パラフイン工程は焼結工程と測置に行なっても差支え
ないが、焼結工程の前段階として一工程で行なうことも
できる。

またバインダーの一つであるナフタリンは成型体に強度
を与えないが昇華し易い、排気系に入っても害はな、特
別の脱バインダ一工程を必要としないため、成型体に強
度が求められない場合には有利である。

ナフタリンとパラフィンを両極とする各種のバインダー
については、上記の脱バインダ一工程を使い分けるとよ
い。

要はバインダーが浸炭を引き起さなハように焼結前に除
去できればよい。

尚、脱パラフイン工程において、加熱速度を８℃／分以
下とすれば成型体の割れを防止することができる。

また焼結工程において昇温中、９００〜１１００℃の温
度で残存酸素の炭素還元による一酸化炭素の脱ガスがみ
られるから、この間は加熱速度を遅（し、必要に応じて
定温に暫時保持し、脱ガスが完全に終了したことを確認
してから焼結に入る。

焼結温度は合金組成、特に固溶炭素量によって決まるも
ので、高いと焼結時間は短かくなるが、オーステナイト
粒度及び炭化物粒度が成長するようになる。

従って、焼結温度は焼結時間を勘案して極力低くおさえ
ることが望ましい。

焼結温度は共還元温度よりは高く、一般に固相線下３０
〜７０℃に存在する。

このようにして得られた焼結体は、微細な炭化物（粒径
０．１〜２μ）がオーステナイト地に均一に分散した美
麗な組織を呈しているが、密度は９５〜９７受止まりで
ある。

焼結温度は高くすれば１００係近い密度のものが得られ
るが、オーステナイト粒度又は／及び炭化物粒度が粗大
化し、機械的性質及び焼入れ性の劣化をまね（。

焼結体の密度を高める方法としては、軸結体の熱間鍛造
、圧延等があるが、これ等の方法は程度の差はあっても
焼結体の形状を変えるものであり、始めから最終形状の
ものを想定して焼結後の仕上げ加工を極力省略する、粉
末冶金の理念に反することになる。

ｆた焼結体の形状が複雑な場合には、上記手段は適用で
きない。

本発明では、このようにして形成した・焼結体をアルゴ
ン等の高温高圧の不活性ガス中で等方圧縮する。

この等方圧縮により焼結体は１００％の高密度化になる
。

高密度化が可能であるためには、前記焼結により焼結体
中の空隙が閉じている必要があるが、実験的に密度が９
５係以上であれば閉ぺていると考えてよい。

従って、前記焼結条件はこの要件をも満たすように選ぶ
。

等方圧縮における圧縮温度は焼結温度以下で行なう必要
がある。

圧縮温度と圧縮圧力とは相補的で、一方が低ければ他方
を高くする。

一例として、１１００℃の温度では１０００気圧である
。

等方圧縮の効果は被圧縮体の原形を損なわないこと、機
械的性質、特に抗折力をたかめる点にある。

このようにして得られた焼結高合金鋼は、オーステナイ
ト基質に炭化物又は炭化物と窒化物が均一に分散した組
織を有するもので、焼入れによりオーステナイト基質を
マルテンサイト化し、焼戻しによって残留オーステナイ
トの消失とマルテンサイトの安定化をはかることにより
、機械的性質を一層向上せしめることができる。

熱処理条件は合金組成に対応して通常とられるものに準
じればよい。

以下本発明を実施例について説明する。

実施例 ｌ ５ＫＨ５７相当（１０係Ｗ−３，５係ＭＯ−４係Ｃｒ
−３，５％Ｖ−１０％Ｃｏ １．２５％Ｃ−残部Ｆｅ、
Ｍｎ＋Ｓ ｉ＋Ｐ＜０．７％）の焼結高合金鋼を製造し
た。

先ず合金粉を造るため、ＷＯ３１，２６１ｋｇ、Ｍｏｂ
３０．５２５ｋｇ、Ｃｒ２ ｏ３０．５８５ｋｇ、ｖ２
０３０，５１５ｋｇ、Ｃｏ０１．２７１ｋｇ、Ｆ ｅ
２０ｇ（不純物としてＭｎ、 Ｓｉ、ｐを含む）９，
６８７ｋｇを配合し、これにＣ１，６ｋ１９を添加して
混合破砕し粒径を１０μ以下とした。

これをバインダーを用いることなくペレットに成形して
、十分な水素の供給下（０，ｉ／分）で５℃／分の割合
いで１０００℃の温度まで加熱し、３時間保持して還元
した。

得られた粉末なＸ−線、ＥＰＭＡ分析にかけて調べたと
ころ、合金化していることが確認された。

また残存炭素量は１．３係、残存酸素量は０．８係であ
った。

尚、このときの炉容積は４２．Ａで直方体型である。

この粉末にＣ０６６％、パラフィン４係を添加してアル
コール中で軽いボールミルを行ない、乾朦後、圧粉成型
（圧力１ ｔ／ｃｆｒＬ” ） Ｌ、厚さ６ｍｍ、巾
１０ｍｍ、長さ３Ｑｍｍの試験用成型体を造り、真空中
で脱パラフィンと焼結を行なった。

昇温中３００℃前後で脱パラフィンが起って真空度が低
下し、回復後９００〜１１００℃の間で再び真空度が低
下した。

この真空度の低下は、成型体中の残存酸素が炭素で還元
されるために起きたものである。

この脱ガスが２０分で終了したところで温度を１２４０
℃にあげ、１時間保持して焼結を行なった。

得られた試験用成型体は炭素量１．２６％（分析値）、
比重７．９１ ｇ／ａｍ’ （対溶解材比９６．０％
）であった。

次に、この焼結体を１１５０℃、１１５０気圧の高温高
圧アルゴン中で４０分間等方圧縮を行なった。

その結果、比重は８．２４となり、焼結体中の空隙が完
全に潰れた焼結高合金鋼が得られた。

これに通常の熱処理（１２００℃×２分、空冷焼入れ、
５６０℃×６０分×３回、空冷焼戻し）を加えて硬度と
抗折力を測定したところ、硬度は６７ＨＲＣ１抗折力は
４９３ｋｇ／ｍｍ２（抗折試験品寸法・厚さ４ｍｍ、巾
８ｍｍ、長さ２５ｍｍ）であった。

これに対し、等方圧線処理を省略し同じ熱処理をした試
片は、硬度は同じ６７ＨＲＣを示したのに対し、抗折力
は２７１ ｋｇ／ｍｍ２にしかならなかった。

このことから等方圧線処理が大事であることが判る。

一方、通常の溶解によって得られる５ＫＨ５７の標準値
は硬度６５ＨＲＣ１抗折力２１７ ｋｇ／ｍｖＦである
ところから、本発明により製造した焼結高合金鋼は、は
るかに優れた特性を有していることが判る。

伺、本発明により製造した５ＫＨ５７相当の焼結高合金
鋼の焼入れのままの組織を第１図に、通常の溶解法によ
り得られた５ＫＨ５７相当の高合金鋼の焼入れのま才の
組織を第２図に示す。

（共に倍率４００）第１図では微細な炭化物が均一に分
散しているに対し、第２図では炭化物の分散が不均一で
、しかも炭化物の分散に指向性がある。

実施例 ２ ＳＫＨＱ相当（６％Ｗ−５１Ｍｏ−４％Ｃｒ −２％Ｖ
−１％Ｃ−残部Ｆ ｅ ｙ Ｍ ｎ ＋ Ｓ １ ＋
Ｐ ＜１．０％）の焼結高合金鋼を製造した。

先ず合金粉を造るため、ＷＯ３０，７１ｉｋｇ、Ｍｏ
０３０．７５０ｋｇ、Ｃｒ２０３０．５９１ｋｇ、■２
０５ｏ、３６０ｋｇ、Ｆｅ２０３１１．８１６ｋｇ（不
純□物としてＭｎ ｙ Ｓ ｉｔ Ｐを含む）を配合
し、これにＣ１，４０ｋｇを添加して混合破砕し、粒径
な１０μ以下として、実施例１と同一条件で還元した。

得られた粉末は完全に合金化し、残存炭素量は１．０受
、残存酸素量は０．７係であった。

このようにして得られた粉末に、ｃｏ、５ｑｂとパラフ
ィン４係を添加して破砕を行ない、これを実施例１と同
様にして圧粉成型、焼結、等方圧綿を行なった。

同、焼結温度は１２６０℃とした。このようにして得ら
れた焼結高合金鋼に、実施例１と同様の熱処理を加えて
硬度と抗折力を測定した。

その結果、硬度は６２ＨＲＣ，抗折力は４６５ ｋｇ／
ｍｍ２ であった。

通常の溶解法による５ＫＨ９相当の高合金鋼の硬度は６
２ＨＲＣ１抗折力は２４０ｋｇ／ｌｒＬｍ２で乏・るこ
とから、本発明により製造した焼結高合金鋼は、はるか
に優れた特性を有していることが判る。

尚、通常は５ＫＨ９の方が５ＫＨ５７よりも高靭性とさ
れるが、実施例１の結果とを対比すると逆になる。

ここにも本発明の特異性がみとめられる。

実施例 ３ ６％Ｗ−５％Ｍｏ ４％Ｃｒ−６％Ｖ−１．９％Ｃ−
残部Ｆ’ｅの焼結高合金鋼を製造した。

実施例２において還元して得られた合金粉に炭素とパラ
フィンを添加する際に、更にＶＣを４係□添加し、アル
コールを密閉したボールミル中で全体が１０μ以下にな
るまで粉砕し、以後は実施例２と同様にして成型、焼結
、等方圧綿、熱処理を行なった。

伺、焼結温度はＶの増加により実施例２の焼結温度より
約２０℃低い温度とした。

寸だ□得られた焼結高合金鋼の硬度ば６４ＨＲＣ１抗折
力は４２５ ｋｇ／ｍｍ”であった。

このような高Ｖ合金は溶解法では造り難いとされている
が、本発明によれば容易に製造できる。

また、本実施例のように代表的な組成の合金粉を実施例
１又は２に準じて用意しておけば、これを出発点にして
簡便に組成の異なる焼結高合金鋼を製造することができ
る。

実施例 ４ １０％Ｗ−３．５％Ｍｏ−４％Ｃｒ−３，５％Ｖ−５％
ＴｉＮ−１．２５Ｃ−残部Ｆｅからなる焼結高合金鋼を
製造した。

実施例１において還元して得られた合金粉に、補正のだ
めの炭素とパラフィンを添加して混合粉砕する際に、平
均粒径１．６μのＴｉＮ粉末を５％添加し、以後は実施
例１と同様にして成型、焼結、等方圧縮、熱処理を行な
った。

尚、焼結温度は実施例１より１０℃高い温度で行なった
。

このようにして得られた焼結高合金鋼の硬度は６８ＨＲ
Ｃ抗折力は４１１ｋｇ／關２であった。

また、この焼結高合金鋼と従来のアトマイズ法により得
た５ＫＨ５７相当の高合金鋼で同一形状の工具を造り、
５ＵＳ３０４の乾式切削（送り速度０．３龍／ ｒ ｅ
ｖ、切込み深さ１．５ｍｍ、切削速度３０ ｍ／ｍ
ｉ ｎ、工具形状−５，１５，５，５゜１５．１５，０
．８Ｒ）として、摩耗による寿命比較を行なった。

その結果、アトマイズ法によるものは切削可能時間が１
４分であるのに対し、本発明による高合金鋼の切削可能
時間は３０分以上であった。

溶解法ではＴｉＮを分散させることができず、アトマイ
ズ法では初経が大きく、ＴｉＮの添加効果が得られない
が、本発明によれば製造が可能で優れた特性のものが得
られる。

このように本発明によれば、合金粉の製造から最終製品
まで液相反応を一度も経ずに、終始固相反応で一貫して
造られ、しかも最終製品の特性ははるかに優れたものが
得られる等顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による５ＫＨ５７相当の焼結高合金鋼の
焼入れのま捷の組織を示す顕微鏡写真、第２図は通常の
溶解法による５ＫＨ５７相当の高合金鋼の焼入れのまま
の組織を示す顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マルテンサイト性鉄合金基質中に微細な炭化物を均
   一に分散させた組織を有する焼結高合金鋼の製造におい
   て、合金成分の金属酸化物粉末に合金成分の炭素粉末と
   金属酸化物なＣＯとして還元する理論量の約半分の炭素
   粉末を加え、混合粉砕して平均粒径１０μｍ以下とした
   後、水素気流中で１０００上１００℃に加熱し、水素と
   炭素により酸化物を共還元すると同時に合金化させて合
   金粉とし、この合金粉の組成及び粒度を調整し、これを
   成型、真空焼結後、不活性ガス中で等方圧網してから、
   熱処理により基質をマルテンサイト化することを特徴と
   する焼結高合金鋼の製造方法。 ・ ２ 共還元と合金化を行なわせた合金粉に、炭素粉
   末、金属粉末又は／及び炭化物粉末を加え、これを混合
   粉砕して合金粉の組成を調整する特許請求の範囲第１項
   記載の焼結高合金鋼の製造方法。 ３ マルテンサイト性鉄合金基質中に微細な炭化物と窒
   化物を均一に分散させた組成を有する焼結高合金鋼の製
   造において、窒化物を除く合金成分の金属酸化物粉末に
   合金成分の炭素粉末と金属酸化物をＣＯとして還元する
   理論量の約半分の炭素粉末を加え、混合粉砕して平均粒
   径１０μｍ以下とした後、水素気流中で１０００±１０
   ０℃に加熱し、水素と炭素により酸化物を共還元すると
   同時に合金化させて合金粉とし、この合金粉の組成を調
   整すると共に窒化物粉末を加えてから粒度を調整し、こ
   れを成型、真空焼結後、不活性ガス中で等方圧網してか
   ら熱処理により基質をマルテンサイト化することを特徴
   とする焼結高合金鋼の製造方法。 ４ 共還元と合金化を行なわせた合金粉に、炭素粉末、
   金属粉末又は／及び炭化物粉末を加えて組成を調整する
   と共に窒化物粉末を添加し、これを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載の焼結高合金鋼の製造方法。