JPS6164849A - 高強度鉄系焼結合金 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高強度鉄系焼結合金に関し、詳しくは、粉末
冶金用鉄粉もしくは粉末冶金用鉄系混合粉末に対して、
鉄系焼結合金の適正焼結温度より低い温度にて液相を生
成する低融点の母合金粉末と、黒鉛粉末とを添加・混粉
して圧粉成形した後、加熱焼結過程において生成される
母合金粉末の液相により、液相焼結反応を促進させた高
強度鉄系焼結合金にかかる。

〔従来の技術〕

焼結部品は、粉末冶金用金属粉末原料を金型等により圧
粉成形した後、加熱焼結炉により焼き固めて製造するも
ので、生産性が高く精度が優れていることから、自動車
用部品等に多く使用されている。

そして、鉄系焼結部材の高強度化を図るためには、通常
、粉末冶金用純鉄粉原料にＣｕ、　Ｎｉ。

ＭＯ等の粉末冶金用金属粉末原料及び黒鉛粉末を添加・
混粉した後、圧粉成形、加熱焼結して、さらに、必要に
応じて所定の熱処理を実施する方法が採用されている。

また、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭＯ，ｖ等の焼入性向上合金元素の
うちの１種類以上を、予め、粉末冶金用鉄系合金粉末原
料に含有させて、焼入性を改善した粉末冶金用鉄系合金
粉末原料に対して、黒鉛粉末を添加・混粉した後、圧粉
成形、加熱焼結し、さらに、必要に応じて所定の熱処理
を実施したりする方法等も採用されている。

しかし、このような焼入性向上合金元素を含有させた粉
末冶金用鉄系合金粉末原料においては、混合粉末原料の
圧粉成形性が劣化するという問題点があった。

上述のような従来の方法により製造された鉄系焼結合金
は、構造部材として使用しようとすると、充分な強度を
確保しようとすると圧粉成形性が劣化し、優れた圧粉成
形性を確保しようとすると鉄系焼結合金の強度が低下す
ることから、圧粉成形性を確保するとともに、安価かつ
安定的に製造することのできる高強度焼結合金の開発が
望まれていた。

ところで、粉末冶金用鉄系合金粉末原料を圧粉成形後、
加熱して液相焼結することによって高強度の焼結合金を
製造するために、粉末冶金用鉄粉もしくは粉末冶金用鉄
系合金粉末に添加する、Ｍｎ及びＮｉを主要成分とした
低融点の母合金粉末については、既に提案されている（
例えば、特公昭５７−６１０８１号等）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明が解決し
ようとする問題点は、通常の圧粉成形。

加熱焼結により製造される鉄系焼結合金においては、圧
粉成形性等の生産性を重視すると製造された鉄系焼結合
金を充分な強度とすることができず、一方、鉄系焼結合
金の強度を重視するとその混合粉末原料の圧粉成形性等
の生産性が劣化することから、高強度の鉄系焼結合金を
製造するためには、加熱焼結された鉄系焼結合金を改め
て熱処理する必要があることである。

従って、本発明の技術的課題とするところは、圧粉成形
、加熱焼結により製造される鉄系焼結合金において、粉
末冶金用鉄粉原料、もしくは、非合金状態ないしは合金
状態をなした粉末冶金用鉄系粉末原料に対して、加熱焼
結過程中に液相を生成する低融点の母合金粉末と、黒鉛
粉末とを添加・混粉して圧粉成形、加熱焼結させて鉄系
焼結合金を製造する、いわゆる、液相焼結法を採用する
ことによって、鉄系焼結合金の製造時における優れた圧
粉成形性を維持したまま、製造された鉄系焼結合金にお
ける合金元素の拡散を液相焼結により促進し、もって、
鉄系焼結合金の焼入性を向上させて非熱処理でありなが
ら、熱処理された通常の鉄系焼結合金に匹敵する高強度
とすることにある。

ｃ問題点を解決するための手段〕 このような従来の技術における問題点に鑑み、本発明に
おける従来の技術の問題点を解決するための手段は、粉
末冶金用鉄粉原料、もしくは、非合金状態ないしは合金
状態をなした粉末冶金用鉄系粉末原料に対して、重量比
率にて、Ｃ；１〜７％、Ｃｒ；２〜２０％、残部１％以
下の不可避の不純物とＦｅからなり、１２００℃以下の
温度で液相状態もしくはく液相＋固相）状態となる低融
点の母合金粉末を重量比率で０．５〜８．０％と、１％
以下の黒鉛粉末とを添加・混粉して圧粉成形後、加熱し
て液相焼結させたことを特徴とする高強度鉄系焼結合金
、及び、粉末冶金用鉄粉原料、もしくは、非合金状態な
いしは合金状態の粉末冶金用鉄系粉末原料に対して、重
量比率にて、ｃ；１〜７％、Ｃｒ１２〜２０％、及びＭ
ｏ、Ｍｎ、Ｎｉ。

Ｃｏ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ。

Ｃｕのうちから少なくとも１種類以上の元素を合計で２
％以下、残部１％以下の不可避の不純物とＦｅからなり
、１２００　℃以下の温度で液相状態もしくは（液相＋
固相）状態となる低融点の母合金粉末を重量比率で０．
５〜８．０％と、１％以下の黒鉛粉末とを添加・混合し
て圧粉成形後、加熱して液相焼結させたことを特徴とす
る高強度鉄系焼結合金からなっている。

〔作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

本発明において、低融点の母合金粉末におけるＣ量及び
Ｃｒ量は、１２００℃以下の温度において液相を生成さ
せるのに必要な範囲、即ち、重量比率にて、Ｃｉｌ〜７
％、Ｃｒ１２〜２０％とする必要がある。

上記範囲を外れると、液相の生成温度が１０００℃を越
えたり、混合粉末原料の圧粉成形性の劣化を招いたりす
る等の問題点を発生するからである。

なお、本発明において、低融点の母合金粉末に必要に応
じて、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ、Ｐ。

Ｓ　ｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｕのうちから少
な（とも１種類以上の元素を合計で２％以下することと
しているのは、圧粉成形・加熱による液相焼結後の鉄系
焼結合金をさらに高強度とするためである。

また、粉末冶金用鉄粉原料、もしくは、非合金状態ない
しは合金状態をなした粉末冶金用鉄系粉末原料に対して
、低融点の母合金粉末の添加量が０、５％未満では、加
熱焼結過程において鉄系焼結合金の充分な液相を生成す
ることができないため、その結果として充分な強度向上
が期待できず、一方、添加量が８．０％を越えると、添
加量に見合った鉄系焼結合金の強度向上が期待できない
ばかりでなく、混合粉末原料の圧粉成形性を劣化させる
ことから０．５〜８．０％とした。

なお、本発明の高強度鉄系焼結合金は、非熱処理で従来
の熱処理された鉄系焼結合金に匹敵する強度とすること
のできる鉄系焼結合金であるが、必要に応じて所定の熱
処理を実施することができることはいうまでもない。

〔実施例〕

以下、添付図面及び表に基づいて、本発明の１実施例を
説明する。

まず、本発明材■は、市販の粉末冶金用低合金ｍ（Ａｒ
ＳＩ４１００相当）粉末原料と、４％Ｃ−５％Ｃｒ−Ｂ
ａ１Ｆｅの組成からなる低融点の母合金粉末；４％と、
黒鉛粉末；ｏ、６％と、潤滑剤としてのステアリン酸亜
鉛粉末；ｏ、８％とを混粉した後、ＪＳＰＭ標準の引張
試験片の形状に圧粉成形して、圧粉成形体の密度が７．
０ｇ／ｃｍ’となるように圧粉成形した。

その後、加熱焼結はアンモニア分解ガス中にて１１５０
℃Ｘ　３０　ｍｉｎの条件で実施した。

次に、本発明材■は、市販の粉末冶金用低合金ｅｌ（Ａ
ｒＳＩ４１００相当）粉末原料と、１．８％Ｃ−３％Ｃ
ｒ−Ｂａ１Ｆｅの組成からなる低融点の母合金粉末；７
．５％と、黒鉛粉末；ｏ、６％と、潤滑剤としてのステ
アリン酸亜鉛粉末５０．８％とを混粉した後、ＪＳＰＭ
標準の引張試験片の形状に圧粉成形して、圧粉成形体の
密度が７−０ｇ／ａｍ’となるように圧粉成形した。

その後、加熱焼結はアンモニア分解ガス中にて１２００
℃ｘ　３　Ｑ　ｍｉｎの条件で実施した。

次に、本発明材■は、市販の粉末冶金用低合金鋼（ＡＩ
ＳＩ４１０Ｑ相当）粉末原料と、３．５％Ｃ−１７％Ｃ
ｒ−Ｂａ１Ｆｅの組成からなる低融点の母合金粉末；１
．０％と、黒鉛粉末；ｏ、６％と、潤滑剤としてのステ
アリン酸亜鉛粉末；ｏ、８％とを混粉した後、ＪＳＰＭ
標準の引張試験片の形状に圧粉成形して、圧粉成形体の
密度が７、Ｏｇ　／　ｃｍ３となるように圧粉成形した
。

その後、加熱焼結はアンモニア分解ガス中にて１１６０
℃Ｘ　３０　ｍｉｎの条件で実施した。

次に、本発明材■は、市販の粉末冶金用低合金鋼（Ａｒ
ＳＩ４１００相当）粉末原料と、３．５％Ｃ−１７％Ｃ
ｒＢａ１Ｆｅの組成からなる低融点の母合金粉末；３．
０％と、黒鉛粉末；０．６％と、潤滑剤としてのステア
リン酸亜鉛粉末；０．８％とを混粉した後、ＪＳＰＭ標
準の引張試験片の形状に圧粉成形して、圧粉成形体の密
度が７．０ｇ／ｃｍ３となるように圧粉成形した。

その後、加熱焼結はプロパン変成ガス中にて１１５０℃
Ｘ　３０　ｍｉｎの条件で実施した。

次に、本発明材■は、市販の粉末冶金用純鉄粉原料と、
４．０％Ｃ−５％Ｃｒ−Ｂａ１Ｆｅの組成からなる低融
点の母合金粉末；６．０％と、黒鉛粉末；０１６％と、
潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛粉末；０．８％とを混
粉した後、ＪＳＰＭ標準の引張試験片の形状に圧粉成形
して、圧粉成形体の密度が６．８ｇ／ｃｍ’となるよう
に圧粉成形した。

その後、加熱焼結はプロパン変成ガス中にて１１５０’
ＣＸ３０ｍ１ｎの条件で実施した。

また、比較材■は、市販の粉末冶金用低合金鋼（ＡＩＳ
Ｉ４１００相当）粉末原料と、黒鉛粉本；０．６％と、
潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛粉末；０．８％とを混
粉した後、ＪＳＰＭ標準の引張試験片の形状に圧粉成形
して、圧粉成形体の密度が７．０ｇ／ｃｍ”となるよう
に圧粉成形した。

その後、加熱焼結はアンモニア分解ガス中にて１１５０
℃Ｘ　３０　ｍｉｎの条件で実施した。

また、比較材■は、比較材■の焼結体を８３０℃で油焼
入後、４００℃ｘ　５　Ｑ　ｍｉｎの焼もどしの熱処理
を実施したものである。

また、比較材■は、市販の粉末冶金用純鉄粉原料と、黒
鉛粉末；０．６％と、潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛
粉末；０．８％とを混粉した後、ＪＳＰＭ標準の引張試
験片の形状に圧粉成形して、圧粉成形体の密度が６．８
ｇ／ｃｍ’となるように圧粉成形した。

その後、加熱焼結はプロパン変成ガス中にて１１５０℃
ｘ　３０　ｗｉｎの条件で実施した。

このようにして製作された引張試験片の緒特性をまとめ
て次表に示す。

表 注）１．各供試材の製造に使用した混合粉末原料には、
いずれも０．６％の黒鉛粉末を配合している。

注）２．（ａｌは、粉末冶金用低合金鋼粉末原料（ＡＩ
ＳＬ４ＬＯＱ相当）を使用したことを示している。

注）３．（ｂ）は、粉末冶金用純鉄粉原料を使用したこ
とを示している。

注）４．（１）は、４％Ｃ−５％Ｃｒ−Ｂａ１Ｆｅの組
成からなる低融点の母合金粉末を使用したことを示して
いる。

注）５ｉ２）は、１．８％Ｃ−３％Ｃｒ−Ｂａ１Ｆｅの
組成からなる低融点の母合金粉末を使用したことを示し
ている。

注）６．（３）は、３．５％Ｃ−１７％Ｃｒ−Ｂａ１Ｆ
ｅの組成からなる低融点の母合金粉末を使用したことを
示している。

注）７ｉ４１は、７．０％Ｃ−５％Ｃｒ−Ｂａ１Ｆｅの
組成からなる低融点の母合金粉末を使用したことを示し
ている。

注）８ｉ５１は、４．０％Ｃ−５％Ｃｒ−Ｂａ１Ｆｅの
組成からなる低融点の母合金粉末を使用したことを示し
ている。

注＞９．ＡＸとは、アンモニア分解ガス雰囲気を示して
いる。

注）］、０．ＲＸとは、プロパン変成ガス雰囲気を示し
ている。

注）１１．比較材■は加熱焼結された焼結体に対して、
焼入焼もどしの熱処理を実施したものである。

次に、図は、上述により製作した本発明材の各引張試験
片の引張強度を従来材と比較して評価した結果を示して
いる。

なお、引張試験は、室温にて引張速度；２顛／ｍｉｎで
実施したものである。

図から明らかなように、本発明材■ないし本発明材■は
、低融点の母合金粉末を含まない比較材■と比較すると
、大幅に引張強度が改善されており、比較材■に対して
約４０〜５０％の引張強度向上が認められる。

また、加熱焼結された焼結体を熱処理した比較材■と比
較しても、はぼ同程度の引張強度となっており、低融点
の母合金粉末の使用により、非熱処理の鉄系焼結合金で
ありながら、熱処理された従来の鉄系焼結合金に匹敵す
る引張強度を示していることが理解される。

また、Ａｌ５Ｉ４１００相当材等のＣｒを含有する粉末
冶金用低合金鋼粉末原料の使用に当たっては、プロパン
変成ガス雰囲気で加熱焼結すると焼結体の表面における
酸化により引張強度の低下を来すことから、非酸化性の
強い雰囲気（例えば、水素ガス、アンモニア分解ガス等
）を用いる必要があったが、本発明材■に見られるよう
に、本発明材のように低融点の母合金粉末を添加した場
合には、プロパン変成ガス雰囲気中での加熱焼結が可能
となることが明らかとなった。

また、比較材■は、１２００℃の高温焼結して引張強度
６５　Ｋｇ／　ｍｍ　２であるのに対して、本発明材の
は１１５０℃と比較的低い加熱焼結温度にもかかわらず
、引張強度は９０　Ｋｇ／　ｍｍ　”以上となっている
ことから、加熱焼結温度をより低温側に移行させること
が可能となり、このことは、焼結炉の使用寿命の向上に
著しく大きな効果を有するものである。

本発明材■は、比較材■に低融点の母合金粉末を添加し
たものであり、比較材■に比較して引張強度の５０〜６
０％という大幅な向上が期待できることが理解される。

また、前記表に示したように、本発明材■〜■の焼結体
密度は、圧粉成形体密度と比較して高くなっており、低
融点の母合金粉末が焼結体の緻密化に対しても有効に作
用していることが明らかとなった。

なお、この外にも、Ａｒ５Ｉ４６００相当材を用いて同
様な実験を行ったが、いずれにおいても、この低融点の
母合金粉末の添加による引張強度の向上効果が確認され
ている。

以上のことから明らかなように、低融点の母合金粉末が
加熱焼結工程において液相を生成し、これにより、合金
元素の拡散が強力に促進され、その結果、焼結体密度の
上昇、焼入性の向上環が重なり合い、引張強度の向上を
図ることができ、非熱処理の鉄系焼結合金でありながら
、熱処理された従来の鉄系焼結合金に匹敵する引張強度
特性を確保することができることが明らかとなった。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる高強度鉄系
焼結合金によれば、圧粉成形、加熱焼結により製造され
る鉄系焼結合金において、粉末冶金用鉄粉原料、もしく
は、非合金状態ないしは合金状態をなした粉末冶金用鉄
系粉末原料に対して、加熱焼結過程中に液相を生成する
低融点の母合金粉末と、黒鉛粉末とを添加・混粉した後
、圧粉成形、加熱焼結させて鉄系焼結合金を製造する、
いわゆる、液相焼結法を採用することによって、鉄系焼
結合金の製造時における優れた圧粉成形性を維持したま
ま、製造された鉄系焼結合金における合金元素の拡散を
液相焼結により促進し、もって、鉄系焼結合金の焼入性
を向上させて非熱処理でありながら、熱処理された通常
の鉄系焼結合金に匹敵する高強度とすることができる利
点がある。

加えて、第２の発明の高強度鉄系焼結合金によれば、鉄
系焼結合金中に、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｉｌ　　Ｃｏ＋　Ｂ＝
　　Ｐ＋　　Ｓ　！ｌ　Ｔ　ｉ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ。

Ｃｕ等の元素を含有していることから、第１の発明の高
強度鉄系焼結合金に比較して、さらに、高強度とするこ
とができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明材の引張強度を従来材と比較して示したグ
ラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粉末冶金用鉄粉原料、もしくは、非合金状態ないし
   は合金状態をなした粉末冶金用鉄系粉末原料に対して、
   重量比率にて、Ｃ；１〜７％、Ｃｒ；２〜２０％、残部
   １％以下の不可避の不純物とＦｅからなり、１２００℃
   以下の温度で液相状態もしくは（液相＋固相）状態とな
   る低融点の母合金粉末を重量比率で０．５〜８．０％と
   、１％以下の黒鉛粉末とを添加・混粉して圧粉成形後、
   加熱して液相焼結させたことを特徴とする高強度鉄系焼
   結合金。 ２、粉末冶金用鉄粉原料、もしくは、非合金状態ないし
   は合金状態の粉末冶金用鉄系粉末原料に対して、重量比
   率にて、Ｃ；１〜７％、Ｃｒ；２〜２０％、及びＭｏ、
   Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ
   、Ｚｒ、Ｃｕのうちから少なくとも１種類以上の元素を
   合計で２％以下、残部１％以下の不可避の不純物とＦｅ
   からなり、１２００℃以下の温度で液相状態もしくは（
   液相＋固相）状態となる低融点の母合金粉末を重量比率
   で０．５〜８．０％と、１％以下の黒鉛粉末とを添加・
   混合して圧粉成形後、加熱して液相焼結させたことを特
   徴とする高強度鉄系焼結合金。 ３、−１００メッシュの平均粒径を有する低融点の母合
   金粉末を使用することとした、特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の高強度鉄系焼結合金。 ４、圧粉成形後の圧粉成形体の密度を６．６ｇ／ｃｍ＾
   ３以上とした、特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の高強度鉄系焼結合金。