JPS63235403A - 粉末冶金用合金粉末 - 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、粉末冶金用合金粉末、特に高強度で寸法安定
性に優れた焼結低合金鋼を製造するのに適した粉末冶金
用合金粉末に関する。

（従来の技術） 今日、粉末冶金技術の発展に伴ってその製品も多様化し
、さらにそれに要求される特性も高度化してきている。

その一つに寸法安定性がある。構造用機械部品等を製造
する場合にその寸法安定性が最近特に要求されるように
なってきた。仕上げ切削量を可及的に少なくして生産性
を高めるためである。

寸法安定性をよくするためには、焼結時の寸法変化率を
ゼロ（０）に近づけることが重要である。

この手段として従来は収縮傾向にある元素（例：Ｎｉ）
と膨張傾向にある元素（例：Ｃｕ）の添加量をうまくコ
ントロールして、寸法変化率を０に近づけようとしてい
た。特公昭４５−９６４９号や特開昭５９−２１５４０
１号には、Ｎｉｓ　Ｃｕの添加量をコントロールし、さ
らにこれら合金元素を鉄粉の表面に拡散接合させること
により、寸法変化率をＯに近づけ、その安定性を上げる
ことが提案されている。

しかし、特願昭６１−２８３６７２号に示されているよ
うに、１）００〜１）５０℃の低温焼結においては、Ｎ
ｉとＣｕの共存は、ネック部に生じるカーケンダール現
象等により強度の低下が認められるという欠点があった
。そのため、上記特許出願においては、合金元素の配合
量を抑えて、重量％で、Ｍｎ：０．３％以下、Ｃｒ：０
．３％以下、Ｎｔ：０．２５〜０．５０％、Ｍｏ：０．
２５〜１．０％、残部実質的にＦｅから成る鉄合金粉の
表面に１．０〜３．０％のＣｏを配合した粉末混合物か
ら成る、高強度、高靭性を発現する粉末冶金用鋼粉を提
案しているが、焼結時における寸法変化率が＋０．２％
超と大きいという欠点を有する。

（発明が解決しようとする問題点） ここに、本発明の目的は、焼結による寸法変化率の少な
い、高強度、高靭性の得られる粉末冶金用合金粉末を提
供することである。

（問題点を解決するための手段） ところで、金属粉末の焼結体が高強度、高靭性を有する
ためには、以下の項目が重要である。

（１）基地強度と焼結接合部強度とのバランスが良いこ
と。特に、焼結接合部は、焼結体の構造上切り欠き効果
が生じ易いため、基地強度よりも高いことが重要である
。なお、接合部強度は接合部形状によっても左右される
。すなわち、基地強度を支配するベース銅粉と添加金属
粉との組み合わせが重要である。

（２）焼結接合部のｍ織は均一であることが望ましい。

これは、焼結接合部強度が不均一で、強い部分と弱い部
分とがあると、その弱い部分が選択的に破断されるため
、接合部を強化したことにならないためである。

これらの項目を満足するとともに、工業的見地からは、
次のような点をも満足する必要がある。

（１）工業的に一般に実施されている焼結および熱処理
雰囲気下で使用可能なこと、すなわち、具体的には雰囲
気として酸化性ガスを若干含むＬ’Ｎガス（吸熱型ガス
、ＲＸガスともいう）雰囲気で適用可能であること、ま
た、焼結温度１）３０℃においても強度発現が充分可能
であること、特に、成形、焼結、熱処理後の各条件にお
いて優れた特性を得ること。

（２）同一成分系であれば、圧縮性が高く、空孔が少な
いほうが同一成形条件において強度が出し易いので、圧
縮性がある程度良好なこと。

＜３）焼結体および熱処理体の寸法変化率が、０に近い
こと。少なくとも、適用範囲内において、＋０゜２％以
下、望ましくは＋０．１％以下であること。

そこで、本発明者らは、かかる問題解決のため種々検討
を重ね、実験を繰り返したところ、Ｎｉの添加によって
寸法変化率をコントロールするのではなく、Ｍｎおよび
／またはＣｒを含む低合金鋼に、Ｎ１％ＭＯおよびＣｕ
をプレアロイ化し、更にＣｕ粉を複合添加することによ
り、組織の均一化を達成し、高強度、高靭性を保持した
まま寸法変化率をコントロールし、はとんど０に近づけ
ることができることを知り、本発明を完成した。

よって、本発明の要旨とするところは、重量％で、 Ｍｎ：　０．３％以下およびＣｒ：　０．３％以下の少
なくとも一種、 Ｎｉ：　０．５０％以下およびＭｏ：　１．０％以下の
少なくとも一種 Ｃｕ：　０．５〜２．０％、 残部実質的にＦｅ から成る鉄合金粉に、組成全体に対して０．５０〜２．
０％のＣｕｓまたは０．５０〜２．０％のＣｕおよび１
．０％以下のＭｏの金属粉、ならびに所望によりさらに
同しり０．４〜１．２％の黒鉛粉末を配合してなる粉末
冶金用合金粉末である。

（作用） 次に、本発明において粉末組成を上述のように限定した
理由について、以下に述べる。

まず、本発明によれば、ベース鋼粉とこれに複合化する
添加金属成分とがあり、いずれにおいても、本発明の目
的からして、ＲＸ雰囲気における焼結、熱処理可能であ
ることが条件であるので、本発明にあっては、その構成
合金元素としては、Ｎｉ、Ｎ０％　ＣＩ＋を主体した組
成を使用する。

そこで、ベース鋼粉におけるその組成の限定理由は次の
通りである。

ＭｎＳ　Ｃｒ： これらは少な（とも一方が添加されればよく、焼き入れ
性を向上させるが、ＲＸ雰囲気において、それぞれ０．
３％を超えると酸化され、焼結体の特性を著しく劣化さ
せるため、それぞれ０．３％以下とした。

Ｎｉ： Ｎｉの添加は靭性を向上させる。また、プレアロイ化し
てＮｉを添加するのは基地強度を効果的に向上させるた
めである。単に複合化して添加すると、例えばＮｉ粉−
Ｃｕ粉の複合化形態で添加すると、特に１）３０〜１）
５０℃のＲＸガス焼結においてはＮ１％　Ｃｕ。

Ｐｅ各元素間の拡散性の違いに起因する組織の不均一化
が発生し、焼結接合部の強度不均一化に基づく強度低下
が生じる。さらに、カーケンドール効果と推定される現
象による空孔の発生に基づく強度低下も生じる。したが
って、Ｎｉはプレアロイ化して添加するのである。しか
し、このようにプレアロイ化したＮｉと別途複合添加さ
れるＣｕ粉との間に生じる反応を防止するためにも、そ
のＮｉ量は０゜５０％以下におさえる必要がある。

Ｍｏ： Ｍｏは１．０％以下をプレアロイ化することにより焼き
入れ性を向上させ、基地強度の向上および拡散による焼
結接合部強化に寄与すると考えられる。

なお、ＮｉとＭｏとは少なくとも一種が合金化されてい
ればよい。

Ｃｕ： 高強度、高靭性のみを要求される場合には、プレアロイ
化の必要はない、しかし、すでに述べたように１．０〜
３．０９４のＣｕ粉を複合添加する場合においては、そ
の寸法変化率は０．２〜０．３％と太きい。Ｃｕの添加
量を減少させることにより寸法変化率を抑えることは可
能であるが、その場合には機械的特性の劣化が生じると
いう問題点があった。

そこで、本発明者らは、Ｃｕの働きについて検討した結
果、Ｃｕを２．０％以下ベース鋼合金にプレアロイ化し
、一方、複合添加するＣｕ粉量を０．５〜２．０％に抑
えることにより、機械的特性を劣化させることなく、ま
た、粉体特性も劣化させることなく、寸法変化率のコン
トロールが可能となる。さらに、このようにＣｕをプレ
アロイ化することにより、焼き入れ性が向上し、基地強
度の向上および拡散による焼結接合部強化が図られる。

次に、複合化による添加金属成分（粉末）の組成限定理
由は次の通りである。

Ｃｕ： Ｃｕは０．５０〜２．０％含有させることにより、焼結
時液相を生成させ、焼結接合部の面積を増加させること
によりそれを強化し、また、焼き入れ性を向上させる。

ＭＯ： Ｍｏは１．０％以下添加することにより接合部の硬度、
強度を向上させるが、Ｍｏ自体難拡散性元素であるため
、好ましくは粒径は１０μｍ以下、そして添加量は１．
０％以下に抑えるのがよい、さらに好ましくは、Ｍｏは
Ｃｕと混合添加する。　Ｃｕの液相が生成する場合にＭ
ｏ添加が特に効果的であるからである。

黒鉛粉末： 炭素含有量の強度に及ぼす影響は少ないほうで、本発明
における合金成分の特徴として、高炭素領域において硬
度が高く、かつ高強度を保持できる特性がある。したが
って、黒鉛添加量は０．４〜１゜２％で、そのような特
性を発現できるのである。

これはかなり多いと言わざるを得ない。

このような組成を有する鉄合金粉末とＣｕ、または、Ｃ
ｕおよびＭｏの金属粉と、さらに所望により黒鉛粉末と
の配合は、単に均一に混合するだけでも、さらにはその
後、水素雰囲気等の非酸化性雰囲気下で加熱し、一部拡
散、合金化して、鋼粉表面に付着させてもあるいは適宜
バインダーを使用して接着することにより行ってもよい
。

このようにして得られた原料粉は、次いで、成形、焼結
、そして必要により熱処理が行われるが、それらは慣用
のものであって十分である。特に、本発明によれば、例
えば圧粉体はＲＸガス雰囲気下において１）００〜１）
５０℃で２０〜３０分間保持することによって焼結され
、比較的低温度高露点での焼結が可能となる。このとき
の雰囲気は酸化性ガスの一種であるＣＯｔガス０．３〜
０．５　ｖｏ１％程度は含有してもよい、このようにし
て得られた焼結体はＲＸガス雰囲気において、８００〜
９５０℃で６０分間保持後、油中急冷、そしてさらに大
気中にて焼戻しを行ってもよい。

次に、本発明をその実施例によってさらに具体的に説明
する。

実施例１ 第１表に示す組成を有する低酸素、低炭素の鋼粉末を油
アトマイズ−脱炭法により調整し、下記条件で配合、成
形、焼結、熱処理を行った。

（１）配合成形条件： ０．８％Ｚｎ−５ｔ添加、０．６％Ｃ配合、７．１０±
０．０２ｇ／ｃｎ３の圧粉体密度に調整。

（２）焼結条件： １）３０℃×２０分、ＲＸガス（ＣＯｉ−０，４０ｖｏ
１％）雰囲気焼結。

（３）熱処理条件： ８５０℃×６０分、ＲＸガス（カーボンポテンシャル０
．６％）、熱処理後、油焼き入れ、１８０℃×９０分大
気中焼戻し。

このようにして焼結体を製造したときの、粉体特性、圧
粉体特性、および焼結体特性についてそれぞれ評価し、
それらの結果を同様に第１表にまとめて示す。

なお、各ベース鋼粉の平均粒径（直径）は７５μｍであ
った。

第１表に示す結果からも分かるように、Ｃｕを１．０％
プレアロイ化し、１．０％プレミックス化することによ
り、若干の圧粉体密度の低下は見られるものの、引張強
度はほぼ同程度、シャルピー衝撃値は若干の向上が認め
られ、寸法変化率は０．２％以下と良好であった。ベー
ス銅粉との組み合わせにおいては、Ｎｉ：０．５０％以
下、Ｍｏ：１．０％以下の領域で高性能が得られた。

また、Ｍｎ、　Ｃｒ量については、試料＆７．１２，１
９．２４に示したとおり、各０．３０％以下においては
、ＲＸガス雰囲気で酸化せず、良好な特性を示すが、そ
れ以上の含有量においては、焼結中に酸化し、著しい焼
結体特性の低下が見られた。

実施例２ 次に、ベース鋼粉中のＣｕ含有量の効果を副査した結果
を第１図にグラフで示す、このときのベース銅粉の組成
は、０．１５μｍ−０，５Ｎｌ　−０，５Ｍｏ−ｎＣｕ
　−Ｆｅであった。これに１％Ｃｕ粉を複合添加し、実
施例１に準じて焼結体とした。

第１図からも明らかのように、ベース鋼粉中のＣｕ量が
増加するにつれて、圧縮性の低下が、また、シャルピー
衝撃値の低下が認められ、ρ−６．９５ｇ／ｃｄ以上、
Ｔ、Ｓ、　＝９５ｋｇｆ／＋ｗｍ”以上、ｃ１）＝１．
１　ｋｇｆｍ／ｃｓ＋”以上、寸法変化率０．２％以下
を満足するのは、０．５〜２．０％Ｃｕの領域である。

実施例３ 実施例１に準じて焼結操作を行い、ベース鋼粉（０，１
５μｍ　−０，５Ｎｉ　　−０，５Ｍｏ　−１，０Ｃｕ
）へのＣｕｓ　Ｍｏ粉のプレミックスの効果を調査し、
その結果を第２図にまとめて示す０図中、・はベース鋼
粉に量を変えたＣｕ粉を複合添加した例を、○はベース
鋼粉にＣｕ粉＋０．５％Ｍｏ粉を複合添加した例をそれ
ぞれ示す。

第２図からも明らかなように、寸法変化率０．２％以下
を満足し、他の特性も満足する領域は０．５〜２．０％
Ｃｕ添加の領域である。

実施例４ 本例では、黒鉛添加量により機械的特性への影響をみた
。配合、成形、焼結、熱処理は、実施例１に準じて行っ
た。

第１表に示す１ｌｈ５の混合粉末において、黒鉛配合量
を種々変えて、そのときの引張強度、シャルピー衝撃値
、および硬度の変化をみた。

結果は、第３図、第４図および第５図にまとめて示す。

比較のために、第２表に示す組成の市販の粉末について
も同様に黒鉛添加量を変えてその特性の変化をみた。結
果を同じく第３図ないし第５図に併せて示す。

これらの結果から明らかなように、本発明によれば、０
．４〜１．２％という高炭素領域にあっても、強度、衝
撃値、および硬度のいずれも低下しないことがわかる。

黒鉛添加によって高強度焼結材が得られることが分かる
。

（発明の効果） 以上詳述してきたように、従来はＮｉおよびＣｕ粉の複
合添加によって寸法変化率の調整を行っていたのに対し
、本発明によれば、高価なＮ１に代えて、Ｃｕ粉のみの
添加によつてそれが達成され、しかも寸法変化率は大幅
に改善され、その他強度、靭性など機械的緒特性も改善
されるのであり、その効果は、単に材料コストの低減に
止まらず、技術的意義も大きいと言わなければならない
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は、本発明の実施例の結果をまとめ
て示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｍｎ：０．３％以下およびＣｒ：０．３％以下の少なく
   とも１種、 Ｎｉ：０．５０％以下およびＭｏ：１．０％以下の少な
   くとも１種、 Ｃｕ：０．５〜２．０％、 残部実質的にＦｅ から成る鉄合金粉に、組成全体に対して０．５０〜２．
   ０％のＣｕ、または０．５０〜２．０％のＣｕおよび１
   ．０％以下のＭｏの金属粉を配合してなる粉末冶金用合
   金粉末。
2. （２）重量％で、 Ｍｎ：０．３％以下およびＣｒ：０．３％以下の少なく
   とも１種、 Ｎｉ：０．５０％以下およびＭｏ：１．０％以下の少な
   くとも１種、 Ｃｕ：０．５〜２．０％、 残部実質的にＦｅ から成る鉄合金粉に、組成全体に対して０．５０〜２．
   ０％のＣｕまたは０．５０〜２．０％のＣｕおよび１．
   ０％以下のＭｏの金属粉、ならびに同じく０．４〜１．
   ２％の黒鉛粉末を配合してなる粉末冶金用合金粉末。