JP6930590B2 - 粉末冶金用合金鋼粉および粉末冶金用鉄基混合粉末 - Google Patents
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Description
(1)高価なNiを含有しないこと。
(2)圧縮性に優れること。
(3)酸化しやすい元素を含有しないこと。
(4)焼結体が、「焼結まま」(さらなる熱処理を施さない状態)で優れた強度を有すること。
Cu:1.0〜8.0質量%を含み、残部Feおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記粉末冶金用合金鋼粉を構成する粒子中に析出した状態で存在するCuの平均径が10nm以上である、粉末冶金用合金鋼粉。
上記1または2に記載の粉末冶金用合金鋼粉と、
前記粉末冶金用鉄基混合粉末全体に対して0.2〜1.2質量%の黒鉛粉とを含有する、粉末冶金用鉄基混合粉末。
[成分組成]
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。本発明においては、粉末冶金用合金鋼粉(以下、単に「合金鋼粉」と言う場合がある)が上記成分組成を有することが重要である。そこで、まず本発明において合金鋼粉の成分組成を上記のように限定する理由を説明する。なお、成分組成に関する「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味するものとする。
本発明の一実施形態における粉末冶金用合金鋼粉は、必須成分としてCuを含有する。Cuは焼入れ性向上元素であり、かつ、Si、Cr、Mnなどの元素よりも酸化されにくいという優れた性質を有している。また、Cuは、Niと比べて安価である。焼入れ性向上効果を十分に発揮させるためには、Cu含有量を1.0%以上、好ましくは2.0%以上とする。一方、焼結部品の製造においては、一般に1130℃程度で焼結が行われるが、その際、Fe−Cu系状態図より分かるように、8.0%を超えるCuはオーステナイト相中に析出する。焼結時に析出しているCuは焼入れ性向上元素として有効には機能せず、むしろ組織中に軟質相として残留し、機械的特性の低下を招く。そのため、Cu含有量は8.0%以下、好ましくは6.0%以下とする。
本発明の他の実施形態においては、上記成分組成は、さらにMoを含有することができる。Moは、Cuと同様、焼入れ性向上元素であり、かつ、Si、Cr、Mnなどの元素よりも酸化されにくいという優れた性質を有している。また、Moは、Niに比べて少量の添加で十分な焼入れ性向上効果が得られるという特性を有している。
C:0.02%以下
O:0.3%以下、より好ましくは0.25%以下
N:0.004%以下
S:0.03%以下
Mn:0.5%以下
Cr:0.2%以下
平均径:10nm以上
本発明においては、粉末冶金用合金鋼粉を構成する粒子中に析出した状態で存在するCu(以下、「析出Cu」ともいう)の平均径が10nm以上であることが重要である。以下、その理由について説明する。
本発明の一実施形態における粉末冶金用鉄基混合粉末(以下、単に「混合粉末」という場合がある)は、上記粉末冶金用合金鋼粉と、合金用粉末としての黒鉛粉とを含有する。また、他の実施形態における混合粉末は、上記粉末冶金用合金鋼粉と、合金用粉末としての黒鉛粉およびCu粉とを含有する。以下、粉末冶金用鉄基混合粉末に含まれる各成分について説明する。なお、以下の説明において、混合粉末に含まれる合金用粉末の添加量は、特に断らない限り、該混合粉末全体の質量(ただし、潤滑剤を除く)に対する当該合金用粉末の質量の割合(質量%)で表す。言い換えると、混合粉末における合金用粉末の添加量は、合金鋼粉と合金用粉末の合計質量に対する当該合金用粉末の質量の割合(質量%)で表す。
本発明の粉末冶金用鉄基混合粉末は、上述した成分組成および析出Cuの平均径を有する粉末冶金用合金鋼粉を必須成分として含む。したがって、前記混合粉末は、前記合金鋼粉に由来するFeを含有している。なお、ここで「鉄基」との文言は、前記混合粉末全体の質量に対する、該混合粉末に含まれるFeの質量の割合として定義されるFe含有率(質量%)が、50%以上であることを意味する。なお、前記Fe含有率は80%以上とすることが好ましく、85%以上とすることが好ましく、90%以上とすることが好ましい。前記混合粉末に含まれるFeは、すべて前記合金鋼粉に由来するものであってもよい。
黒鉛粉:0.2〜1.2%
黒鉛粉を構成するCは、焼結時にFeに固溶し、固溶強化、焼入れ性向上により、焼結体の強度をさらに向上させる。合金用粉末として黒鉛粉を使用する場合、前記効果を得るために、黒鉛粉の添加量を0.2%以上、好ましくは0.4%以上、より好ましくは0.5%以上とする。一方、黒鉛粉の添加量が1.2%を超えると過共析になるため、セメンタイトが多く析出し、かえって焼結体の強度が低下する。そのため、黒鉛粉を使用する場合、黒鉛粉の添加量を1.2%以下、好ましくは1.0%以下、より好ましくは0.8%以下とする。
Cu粉:0.5〜4.0%
本発明の一実施形態における粉末冶金用鉄基混合粉末は、さらに任意にCu粉を含有することができる。Cu粉は、焼入れ性向上により、焼結体の強度を高める効果を有する。また、Cu粉は、焼結時に溶融して液相となり、合金鋼粉の粒子を互いに固着させる作用も有している。合金用粉末としてCu粉を使用する場合、前記効果を得るために、Cu粉の添加量を0.5%以上とすることが好ましく、0.7%以上とすることがより好ましく、1.0%以上とすることがさらに好ましい。一方、Cu粉の添加量が4.0%を超えると、Cuの膨張による焼結密度低下により焼結体の引張強度が低下する。したがって、Cu粉を使用する場合、Cu粉の添加量は4.0%以下とすることが好ましく、3.0%以下とすることがより好ましく、2.0%以下とすることがさらに好ましい。
本発明の一実施形態においては、上記粉末冶金用鉄基混合粉末は、さらに任意に潤滑剤を含有することができる。潤滑剤を添加することにより、成形体の金型からの抜出を容易にすることができる。
次に、本発明の一実施形態における粉末冶金用合金鋼粉の製造方法について説明する。
まず、上記成分組成を有する溶鋼を調製し、前記溶鋼をアトマイズ法により原料粉(生粉)とする。前記アトマイズ法としては、水アトマイズ法およびガスアトマイズ法のいずれも用いることができるが、生産性の観点からは水アトマイズ法を用いることが好ましい。言い換えると、本発明の粉末冶金用合金鋼粉は、水アトマイズ粉であることが好ましい。
アトマイズ法で製造された生粉は多量に水分を含んでいるため、濾布等による脱水を行った後、乾燥させる。その後、粗粒や異物の除去を目的とした分級を行う。分級する際の篩の目開きは180μm(80メッシュ)程度とし、篩を通過した生粉を次工程に用いる。
その後、仕上還元(熱処理)を実施する。前記仕上還元により、合金鋼粉の脱炭、脱酸、脱窒が行われる。前記仕上還元を行う際の雰囲気は、還元性雰囲気とすることが好ましく、水素雰囲気で行うことがより好ましい。前記熱処理においては、昇温した後、均熱帯において所定の均熱温度に保持し、その後、降温することが好ましい。前記均熱温度は、800℃〜1000℃とすることが好ましい。800℃以下では合金鋼粉の還元が不十分となる。また、1000℃以上では焼結が過度に進行するため、仕上還元後に実施される解砕が困難となる。また、合金鋼粉の脱炭、脱酸、脱窒は1000℃以下で十分可能であるため、低コスト化の観点からも、均熱温度を800℃〜1000℃とすることが好ましい。
仕上還元後の合金鋼粉は、粒子同士が焼結されて固まった状態となっている。そのため、所望の粒度とするために、粉砕し、さらに、篩いにより180μm以下に分級することが好ましい。
さらに、粉末冶金用鉄基混合粉末を製造する際には、上記の手順で得た合金鋼粉に、必要に応じて黒鉛粉、Cu粉、および潤滑剤などを添加、混合する。
本発明の合金鋼粉および混合粉末は、特に限定されず、任意の方法で焼結体とすることができる。以下、焼結体の製造方法の一例について説明する。
析出Cu径の粗大化による圧縮性向上効果を確認するために、次の実験を行った。まず、表1および2に示す成分組成を有し、析出Cuを含有する予合金鋼粉(生粉)を、水アトマイズ法により作成した。次いで、得られた予合金鋼粉に対して仕上還元を施し、粉末冶金用合金鋼粉を得た。前記仕上還元においては、水素雰囲気で950℃に均熱したのち、析出Cuの平均粒径を変化させるために様々な速度で冷却した。ただし、冷却速度はいずれの例においても20℃/min以下とした。
表3に示す量でCuおよびMoを含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する合金鋼粉(予合金鋼粉)を、水アトマイズ法により製造した。次いで、得られた合金鋼粉(水アトマイズ粉)に対し、仕上還元を実施し、粉末冶金用合金鋼粉を得た。前記仕上還元においては、水素雰囲気で、950℃に均熱したのち、10℃/minの速度で冷却した。
仕上還元後の冷却速度を変化させた点以外は実施例2と同様の条件で、合金鋼粉、混合粉末、成形体、および焼結体を製造し、実施例2と同様の評価を行った。製造条件及び評価結果を表4に示す。
混合粉におけるCu粉の添加量を変化させた点以外は実施例2と同様の条件で、合金鋼粉、混合粉末、成形体、および焼結体を製造し、実施例2と同様の評価を行った。製造条件及び評価結果を表5に示す。なお、表5に示した黒鉛粉の添加量は、合金鋼粉と合金用粉末の合計質量に対する黒鉛粉の質量の割合である。また、表5に示したCu粉の添加量は、合金鋼粉と合金用粉末の合計質量に対するCu粉の質量の割合である。
Claims (4)
- 粉末冶金用合金鋼粉であって、
Cu:1.0〜8.0質量%を含み、残部Feおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記粉末冶金用合金鋼粉を構成する粒子中に析出した状態で存在するCuの平均径が10nm以上である、粉末冶金用合金鋼粉。 - 前記成分組成が、Mo:0.5〜2.0質量%をさらに含む、請求項1に記載の粉末冶金用合金鋼粉。
- 粉末冶金用鉄基混合粉末であって、
請求項1または2に記載の粉末冶金用合金鋼粉と、
前記粉末冶金用鉄基混合粉末全体に対して0.2〜1.2質量%の黒鉛粉とを含有し、
前記粉末冶金用鉄基混合粉末に含まれるFeの割合が80質量%以上である、粉末冶金用鉄基混合粉末。 - さらに、前記粉末冶金用鉄基混合粉末全体に対して0.5〜4.0質量%のCu粉を含有する、請求項3に記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。
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