JPS6136041B2

JPS6136041B2 -

Info

Publication number: JPS6136041B2
Application number: JP54113483A
Authority: JP
Inventors: Takeyoshi Kajinaga; Takeo Oomura; Toshiharu Ito; Yoshiaki Maeda; Seiji Yasuda
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1979-09-06
Filing date: 1979-09-06
Publication date: 1986-08-16
Also published as: JPS5638450A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、圧縮性、成形性だけでなくとくに
圧密材としての焼入性、強じん性に優れる合金鋼
粉に関し、焼結機械部品や粉末鍛造部品の原料粉
末としてとくに有利に適合する合金鋼粉を提案し
ようとするものである。近年、粉末冶金法の技術的進歩により、これま
で適用できなかつた分野にまで粉末冶金製品が進
出する傾向にある。これに伴い原料粉末の面で
も、該製品の材質の向上を目ざして合金鋼粉の開
発、研究が進められ、従来の純鉄粉主体の時代か
ら純鉄粉と合金鋼粉の並行使用時代に移行しつつ
ある。このような情勢に鑑み、粉末メーカーにお
いても、品質および価格の両面から需要家の要望
に十分応える合金鋼粉を早急に開発、提供するこ
とが当面の急務と考えられる。この種合金鋼粉の開発に当つて鋼粉自体に課さ
れた基本的事項は主に次に述べる５つである。 (1) 化学組成上および製造工程上からみて安価な
粉末であること。 (2) 金型による部品成形時に圧縮性および成形性
に優れること。 (3) 圧粉体の焼結時に炭化水素変成ガス（RX）
雰囲気の使用が可能なこと。 (4) 圧密材の焼入性に優れること。 (5) 熱処理後の圧密材強じん性に優れること。しかるに公知合金鋼粉で上記５事項を同時に満
足するものは見当たらず、これが新規鋼粉の開発
が待たれる所以である。発明者らは、上の５事項を満足する鋼粉の開発
に当つて、次に述べる２つの手法を前提とした。
すなわち第１は、合金鋼粉の製造に際し水アトマ
イズ−ガス還元（ベルト炉使用）工程からなる従
来公知の方法、設備を用いること、第２は高価な
特殊元素を用いることなくごくありふれた安価な
元素を使用して、化学組成上の工夫を凝らすこと
のみによることである。また発明者らは合金鋼粉の圧縮性、成形性およ
び圧密材としての焼入性、じん性、強度などの各
特性の基準値を次のように定めた。 (1) 圧縮性、成形性鋼粉に潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１％を混
合したのち加圧力5t／cm²で成形した場合、圧粉密
度が6.60ｇ／cm³以上、ラトラー値が１％以下であ
ること。 (2) 圧密材の焼入性Ｃ含有量約0.2重量％（以下単に％で表わす）
の肌焼鋼相当およびＣ含有量約0.4％の強じん鋼
（調質鋼）相当の密度比100％の鋼材を粉末鍛造法
により準備し、所定寸法（直径25.4mm、長さ100
mm）の試験片に加工後、ジヨミニー一端焼入試験
に供した場合、焼入端から13mm隔たつた位置での
硬さ：J13mm（Ｈ_RＣ）が0.2％Ｃ材で21〜27，0.4
％Ｃ材で37〜54であること。ただし0.2％Ｃ材は
925℃からの、0.4％Ｃ材は845℃からの一端焼入
れとする。 (3) 圧密材の強じん性 (2)の焼入性試験の場合と同様、Ｃ含有量約0.2
％および約0.4％の鋼材を粉末鍛造法により準備
し、次表１に示したような焼入れを含む熱処理後
の強度、じん性（伸び、絞り、衝撃値）および硬
さなどの基準値が、表１に示したとおりであるこ
と。

【表】各特性の基準値を上記の範囲に設けた理由は、
次のとおりである。１通常の焼結機械部品では、成形圧力5t／cm²で
圧粉密度が6.60ｇ／cm³以上、ラトラー値は１％
以下が要求されていて、圧縮性、成形性に優れ
ることが必須条件となつていること、しかもこ
の条件は粉末鍛造部品の場合でも同様でありプ
レフオーム成形時に圧縮性、成形性に劣る鋼粉
では使用に耐え得ないからである。２また粉末鍛造部品は、機械構造部品として使
用されるケースが多く、高い強度、硬さおよび
じん性が要求されそのためには焼入性に優れる
ことが大前提であり、通常機械構造部品用の鋼
材では前述のごとき焼入性や機械的性質が要求
されているため粉末鍛造材においてもこれらの
基準値を超えることが肝要だからである。これらの条件を満足すれば従来に比べて優れた
焼入性や強じん性を示すといえる。さて発明者らは、前述の二つの基本的観点に立
ち、しかも上述の各特性の基準値を満足する合金
鋼粉を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に
述べる知見を得た。鋼粉の製造過程におけるベルト炉による仕上還
元、また製品鋼粉の使用過程における圧粉体の
RX雰囲気中での焼結を有利に行なうにはNiとCu
の同時合金化が有効であること、さらにNiとCu
の共存合金化に加えて第３合金元素としてMn、
CrおよびMoのうち少くとも一種を適量添加して
含金化することにより、圧縮性、成形性に優れた
鋼粉が得られ、しかも圧密材の焼入性が飛躍的に
向上し、高い強度、じん性の粉末冶金製品が得ら
れることである。この発明は上記の知見に由来するものである。すなわちこの発明は、Ni：1.0〜2.4％、Cu：
0.2〜0.7％をNi＋Cu：1.5〜2.6％の条件範囲内で
含み、かつ0.1〜0.5％のNn、0.1〜0.7％のCrおよ
び0.1〜0.8％のMoのうちから選ばれた少くとも
一種を含有し、残余は0.05％以下のＣ、0.0040％
を超え0.015％以下のＮ、0.01％以下のSiおよび
0.35％以下のＯその他不可避的に混入する不純物
と実質的にFeの組成になる圧縮性、成形性およ
び圧密材としての焼入性、強じん性に優れた合金
鋼粉である。またこの発明の実施に当つてはNiとCuとが上
記の組成範囲であつて、かつ1/2Ni≧Cuの条件を
満たすようにすることにより一層すぐれた効果が
得られる。以下この発明において成分を上記の範囲に限定
した理由について説明する。 NiおよびCuは共にベルト炉における仕上還元
およびRX雰囲気中での焼結を有利に行なうため
に必須の元素であり、とくにNiは圧密材のオー
ステナイト結晶粒子の粗大化を抑制してじん性を
向上させるほか、熱処理における歪および焼割れ
の防止にも大きく寄与するため、その効果の面か
ら1.0〜2.4％とした。またCuは0.2％に満たない
と圧密材の焼入性の向上に効果が薄く、一方0.7
％を超えると鋼粉の圧縮性も低下するほか、粉末
鍛造時にCuのしみ出しによりじん性が急激に低
下するため0.2〜0.7％とした。さらにNi＋Cu量が合計で1.5％に満たないと圧
密材の焼入性の改善に乏しく、逆に2.6％を超え
ると鋼粉の圧縮性、成形性を害するためNi＋Cu
量は1.5〜2.6％とする必要がある。なお良好なじ
ん性の維持のためにはNiとCuとの比が1/2Ni≧
Cuの条件を満足することがより好ましい。とい
うのはCuが上記の条件範囲を超えて多量に含ま
れると、前述のごときCuのしみ出し現象が起き
このしみ出たCuによつてじん性の急激な低下を
招き易いからである。つまりNiとCuはその二元
系合金において全率固溶体を形成するが、鋼中に
おいてはNi量がCu量の２倍以上存在しなければ
Cuは鋼中に完全には固溶し得ず余剰分が析出し
てくるものと推察される。 Mn、CrおよびMoは、適量のNi、Cuの存在下
で、圧密材の焼入性を飛躍的に向上させる有用な
元素である。Mnは0.1％に満たないと焼入性改善
の効果が薄くまた圧密材の強度、じん性も低い。
逆に0.5％を超えると鋼粉の圧縮性、成形性が害
され、しかも鋼粉製造時や焼結時に酸化を受け易
くなる不利が生じるため0.1〜0.5％とした。 CrもMnと同じ理由で0.1〜0.7％とした。 Moは0.1％未満では、Mn、Crと同様に焼入性
の効果に乏しく、圧密材の強度、じん性も低い。
一方0.8％を超えると鋼粉の圧縮性、成形性が害
されるため0.1〜0.8％とした。なお、Mn、CrおよびMoのすべてを添加する場
合、Ni，Cuとの合計合金量で４％以内とするこ
とが望ましい。というのは合計合金量が４％を超
えると、鋼粉粒子が硬化して鋼粉の圧縮性、成形
性を害する恐れがあるからである。 Ni、Cu、Mn、CrおよびMoの主要合金元素に
ついては上記の理由によるが、Ｃ、Ｎ、Siおよび
Ｏ、その他不可避的不純物については次のとおり
である。Ｃは、鋼粉の圧縮性、成形性の面から可能な限
り低く抑える必要があるが、0.05％以下であれば
許容できる。ＮもＣ同様、鋼粉の圧縮性、成形性の面からは
極力低減させることが望ましいけれども、この発
明では、0.0040％を超え、0.015％以下の範囲に
限定した。というのは、下限を下回るほどの低Ｎ
とするには水アトマイズ後特殊な仕上げ還元処理
が必要となり、製造工程が複雑になるほかコスト
アツプとなる不利が生じるが、この点0.0040％を
超えるＮの含有が許されれば、通常のベルト炉の
如き還元設備の使用が可能になり、製造が容易で
コストの面でも有利だからである。とはいつても
0.015％を超えて含有されると、圧縮性、成形性
の劣化が著しくなるので上限は、0.015％とし
た。 Si、Ｏは、圧密材の焼入性を著しく低下させ、
強度、じん性を劣化させるだけでなく、疲労強度
や切削性を損う。さらに鋼粉に含まれる非金属介
在物の増加原因ともなり、これに起因して圧粉体
成形時の金型摩耗が激しくなるなどマイナス効果
が著しい。従つてSiは0.10％以下、Ｏは0.35％以
下に抑制する必要がある。その他不可避的不純物としてＰやＳなどがある
がいずれもＰ：0.030％以下、Ｓ：0.035％以下程
度の混入は許容される。次にこの発明の実施態様について具体的に説明
する。表２にこの発明の合金鋼粉（No.１〜７）と比較
鋼粉（No.８〜16）の化学組成を示し、表３に上の
実施鋼粉と比較鋼粉の粉体特性を示す。

【表】

【表】これらの供試鋼粉は次のようにして製造した。所定の化学組成に調整した溶鋼をタンデイツシ
ユの溶湯ノズルから流下させながら150Kg／cm²の
高圧水で霧化粉砕し、脱水、乾燥後に分解アンモ
ニアガスを用いてベルト炉中で950℃×90分の仕
上還元を施した。その後ケーキをハンマーミルで
解砕し、80メツシユ以下に篩分けた。各供試鋼粉にそれぞれステアリン酸亜鉛１％を
混合して加圧力5t／cm²で成形した場合の圧粉密度
およびラトラー値は表４に示すとおりであつた。

【表】表４より明らかなようにこの発明に従う合金鋼
粉（No.１〜７）はいずれも、圧粉密度6.60ｇ／cm³
以上、ラトラー値１％以下と圧縮性、成形性とも
に優れている。一方比較鋼粉のうち、Cuを含有しないNo.８〜
10は圧粉体特性は良好であるものの、化学成分が
この発明の組成範囲からずれた鋼粉（No.11〜16）
では、No.14を除いていずれも圧縮性、成形性とも
基準値に達しなかつた。なおNo.14はNi＋Cuが1.5
％に満たない場合である。次に各供試鋼粉を用い粉末鍛造法により鍛造後
のＣ含有量が0.21±0.02％の肌焼鋼相当材および
同量が0.41±0.02％の強じん鋼相当材を作成し、
それぞれ焼入性および機械的性質について試験し
た。〔１〕焼入性素材はパツク鍛造法により準備した。すなわち
各鋼粉に所定量の黒鉛粉を混合後、金型潤滑方式
により直径60mmで高さ30mm、密度6.5ｇ／cm³の圧
粉体に成形し、ついで内径60mmの軟鋼製容器（底
付きパイプ）にこの圧粉体を８個充填してその上
に中蓋と黒鉛粉をのせ、さらに孔付きの蓋を溶接
して鍛造用素材を作成した。この鍛造用素材を大
気中で1200℃に加熱後、ドロツプハンマーにより
据込みと鍛伸を繰返して密度比100％、直径30mm
で長さ960mmの素材に加工した。次いでこの素材
に、0.2％Ｃ材については900℃×30min、0.4％Ｃ
材については860℃×30minの焼ならし処理を施
した。その後直径25.4mm、長さ100mmのジヨミニ
ー試験片に機械加工して、0.2％Ｃ材は925℃×
30min、0.4％Ｃ材は845℃×30minAr雰囲気中で
加熱し、一端焼入試験を行なつた。その結果を第
１図〜第４図に示す。またとくに焼入端から13mm
隔たつた位置での硬さJ13mm（Ｈ_RＣ）をまとめて
表５に示す。

【表】〔２〕機械的性質各鋼粉に所定量の黒鉛粉と１％のステアリン酸
亜鉛を混合して14×20×119（mm）、密度6.5ｇ／
cm³の圧粉体を成形し、露点０℃のRXガス中で
1120℃×1hrの焼結を施しプレフオームを準備し
た。その後このプレフオームをAr＋３％H₂ガス
中で1100℃×10sec誘導加熱し、圧力9t／cm²で型
鍛造して15mm平方で長さ120mm、密度比100％の素
材に加工した。次いでこの素材に、0.2％Ｃ材に
ついては900℃×30min、0.4％Ｃ材については
860℃×30minの焼ならし処理を施した後、それ
ぞれ表１に示したのと同じ熱処理を施して、平行
部、の直径８mm、標点距離28mm、全長120mmの引
張試験片および10mm平方で長さ55mmの２mmＵノツ
チ衝撃試験片に加工し各試験を行なつた。それら
の試験結果を表６，表７に示す。

【表】

【表】供試鋼粉のうちCuを含有しないNo.８〜10は、
粉体としての圧縮性、成形性は比較的優れていた
が、いずれも圧密材の焼入性および強度に劣り、
基準値を大きく下回つた。一方Cuが多量に含有
されている比較鋼粉No.16は逆に圧密材の焼入性お
よび強度は基準値を十分上回つていて申し分ない
が、じん性が甚だ悪く、また鋼粉の圧縮性、成形
性も劣る。 No.11の比較鋼粉はMnが上限値を超えて多く含
まれている場合であり、このため鋼粉中酸素量が
格段に多くなつている。その結果圧密材の焼入性
が極端に劣り、強度、じん性も著しく低下して、
いずれも基準値を大きく下回つた。加えてMnの
超過は鋼粉の圧縮性、成形性低下の原因ともな
り、また非金属介存物の量も増加して成形時の金
型摩耗も激しくなる。 No.12はCrが上限値を超えて多量に含有されて
いる場合で、鋼粉中酸素量が増大しているためNo.
11と同様に圧密材の焼入性、じん性に劣つた。 No.13はMoが上限値を超えて含有されている場
合で、鋼粉中酸素量はNo.11，12に比べて低いため
圧密材の焼入性と強度には優れていたが、じん性
と鋼粉の圧縮性、成形性に劣つていた。 No.14はNi量、Ni＋Cu量が共に下限値を下回る
ほか1/2Ni≧Cuの条件も満足していない場合で、
圧縮性、成形性には優れていたが、圧密材の焼入
性、強度が基準値を下回つた。逆にNiが多量に
含有されるNo.15の鋼粉は、圧密材の焼入性と強度
は極めて優れていたが、鋼粉の圧縮性、成形性は
極端に劣つた。さらに、Cu量、Ni＋Cu量が上限値以上に多い
No.16は、圧密材の衝撃値に劣るほか、鋼粉の圧縮
性、成形性にも劣つていた。これら比較鋼粉に対し、この発明に従う合金鋼
粉（No.１〜７）はいずれも、鋼粉としての圧縮
性、成形性は言うに及ばず、圧密材としての焼入
性および強度、じん性などの機械的性質も極めて
優れていた。次にこの発明の経済性について、従来公知の
4600鋼粉（0.2％Mn−２％Ni−0.5％Mo）と比較
して表８に示す。経済性の評価は、4600鋼粉の価
格を１とした場合のこれに対する各供試鋼粉の相
対価格で表わした。

【表】表８からも明らかなように、この発明に従う合
金鋼粉はいずれも4600鋼粉よりも安価であり、経
済性を十分加味した鋼粉であることがわかる。以上述べたようにこの発明の合金鋼粉は、粉体
としての圧縮性、成形性のみならず、圧密材とし
ての焼入性、強じん性にも優れているため、焼結
機械部品や粉末鍛造部品などへの適用においてと
くにすぐれた性能を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれこの発明の合金鋼粉
および比較鋼粉により作成した0.2％Ｃ材のジヨ
ミニー曲線を比較して示したグラフ、第３図、第
４図は上と同様に作成した0.4％Ｃ材のジヨミニ
ー曲線を比較して示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１重量でNi：1.0〜2.4％，Cu：0.2〜0.7％をNi
＋Cu：1.5〜2.6％の条件範囲内で含み、かつ0.1
〜0.5％のMn，0.1〜0.7％のCrおよび0.1〜0.8％
のMoのうちから選ばれた少くとも一種を含有
し、残余は0.05％以下のＣ，0.0040％を超え0.015
％以下のＮ，0.10％以下のSiおよび0.35％以下の
Ｏその他不可避的に混入する不純物と実質的に
Feの組成になることを特徴とする圧密材として
の焼入性、強じん性に優れる合金鋼粉。２ Ni量とCu量が1/2Ni≧Cuの条件を満足する
特許請求の範囲第１項記載の合金鋼粉。