JP5929320B2

JP5929320B2 - 粉末冶金用合金鋼粉、及び粉末冶金用合金鋼粉の製造方法

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Publication number: JP5929320B2
Application number: JP2012045338A
Authority: JP
Inventors: 宇波　繁; 繁宇波
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: JP2013181198A

Description

本発明は、粉末冶金用合金鋼粉に係り、特に自動車用焼結部品の製造に好適なCu含有の粉末冶金用合金鋼粉に関する。

粉末冶金技術では、複雑な形状の部品を、製品形状に極めて近い形状(いわゆるニアネット形状)で、しかも高い寸法精度で製造できることから、大幅な切削コストの低減が可能となる。このため、粉末冶金技術を用いた部品は、自動車用焼結部品をはじめ各種機械部品として多方面に利用されている。最近では、部品の小型化、軽量化のために、部品の高強度化、特に自動車用焼結部品では600MPa以上の引張強度が強く要望されている。

粉末冶金用の鉄基粉末を用いた成形体は、一般に、原料の純鉄粉、あるいは高強度化のために純鉄粉に各種合金元素を予合金した合金鋼粉等を鉄基粉末とし、この鉄基粉末に、銅(Cu)粉、黒鉛粉等の合金粉末とステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム等の潤滑剤を混合した混合粉を、金型に充填し、密度が6.6〜7.1Mg/m³程度になるように加圧成形することにより製造される。純鉄粉や合金鋼粉からなる鉄基粉末は、製法に応じて、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉等に分類される。こうした鉄基粉末を用いた成形体は、その後、焼結処理が施されて焼結体とされ、さらに必要に応じてサイジングや切削加工が施されて製品となる。また、さらなる高い強度が必要な場合は、焼結後に浸炭焼入れや光輝焼入れ等の処理が施されることもある。

上述した鉄基粉末に混合されるCu粉は、焼結時に液相を生成して焼結を促進する作用があり、また、焼結体の寸法変化率を調整することも可能であり、焼結部品には広く用いられているが、焼結部品の高強度化のためにCuを予合金した合金鋼粉に関する技術も種々提案されている。

例えば、特許文献1には、合金元素を予合金した水アトマイズ鋼粉であって、予合金元素として、Cu:1.0〜10.0wt%、さらにMo:10wt%以下および／またはNb:0.08wt%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高強度焼結部品用合金鋼粉が開示されている。

特許文献2には、炭素ソースと本質的に鉄と1から5重量パーセントの銅で構成されたプレアロイ合金粉末とからなる粉末金属を圧粉成形体へ成形する成形工程と、圧粉成形体を一定の時間焼結して、焼結体を形成する焼結工程と、塑性流動を含む鍛造を前記焼結体に行うことで、連結棒を形成する鍛造工程とを備えたことを特徴とする連結棒の製造方法が開示されている。

特許文献3には、水アトマイズ法でアトマイズ粉を製造する際に、溶鋼をArシールして溶製した後、該溶鋼をN₂シール雰囲気下で水アトマイズして生成した水アトマイズ鋼粉を回収、乾燥後、5×10^-2mmHg以下の真空中で還元して得た、組成が、重量%で、C:0.01%以下、O:0.07%以下、Cr:0.5〜3%、Mo:0.1〜2%、さらにMn:0.08〜1.0%、Ni:0.2〜2.5%、Cu:0.5〜2.5%の1種または2種以上を含む鋼粉にC粉を添加して1100〜1300℃の条件で焼結することを特徴とする高強度、高靱性Cr合金鋼粉焼結体の製造方法が開示されている。

特開平11-302787号公報特表2011-509348号公報特開平6-306403号公報

しかしながら、特許文献1に記載のCu含有の合金鋼粉では、600MPa以上の高い引張強度を有する焼結部品を得るには、高価なMoを2質量%以上添加する必要があり、著しいコスト増を招く。特許文献2に記載のCu含有の合金鋼粉を用いた連結棒では、引張強度を600MPa以上にするには、焼結後さらに鍛造する必要があり、やはりコスト増を招く。特許文献3では、Cr量が多いため、600MPa以上の引張強度を有する焼結部品を得るには、その実施例にあるように、1250〜1350℃の高温で焼結する必要があり、安価で量産が可能であるが、使用上限温度が1160℃であるメッシュベルト炉を用いることができない。

本発明は、600MPa以上の引張強度を有する焼結部品を安価に製造可能なCu含有の粉末冶金用合金鋼粉を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、高価なMoの量や焼結温度の上昇を招くCrの量を極力低減するとともに、それによる強度低下をMn添加により補強することが効果的であることを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、合金元素を予合金した水アトマイズ合金鋼粉であって、質量%にて、Cr:0.3〜0.5%、Mn:0.1〜0.3%、Mo:0.1〜0.5%、かつCu:1〜4%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉を提供する。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉を用いることにより、600MPa以上の引張強度を有する焼結部品を安価に製造できるようになった。この粉末冶金用合金鋼粉は、自動車用焼結部品の小型化、軽量化のために好適である。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉の成分限定理由を以下に説明する。ここで、成分の含有量を表す「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味する。

Cr:0.3〜0.5%
Crは、焼結後にパーライトを微細化して引張強度を向上させる効果がある。また、焼入性を向上させる元素なので、焼結後に焼入れ処理を施す場合も引張強度の向上に効果的である。焼結後の引張強度を600MPa以上にするには、Cr量を0.3%以上にする必要がある。一方、Cr量が0.5%を超えると、メッシュベルト炉を用いて1160℃以下の焼結温度で600MPa以上の引張強度を得ることが困難になる。したがって、Cr量は0.3〜0.5%とする。

Mn:0.1〜0.3%
Mnは、Crと同様、焼結後にパーライトを微細化して引張強度を向上させる効果があり、また、焼入性を向上させる元素なので、焼結後に焼入れ処理を施す場合も引張強度の向上に効果的である。焼結後の引張強度を600MPa以上にするには、Mn量を0.1%以上にする必要がある。一方、Mn量が0.3%を超えると、圧縮性が低下し、かつ酸化物の生成が多くなり、焼結後に600MPa以上の引張強度を得ることが困難になる。したがって、Mn量は0.1〜0.3%とする。

Mo:0.1〜0.5%
Moは、固溶強化、析出強化等によって焼結後の引張強度を向上させる効果があり、また、焼入性を向上させる元素なので、焼結後に焼入れ処理を施す場合も引張強度の向上に効果的である。焼結後の引張強度を600MPa以上にするには、Mo量を0.1%以上にする必要がある。一方、Mo量が0.5%を超えると、著しいコスト増を招く。したがって、Mo量は0.1〜0.5%とする。

Cu:1〜4%
Cuは、固溶強化、析出強化等によって焼結後の引張強度を向上させる元素である。焼結後の引張強度を600MPa以上にするには、Cu量を1%以上にする必要がある。一方、Cu量が4%を超えると、圧縮性が著しく低下し、焼結後に600MPa以上の引張強度を得ることが困難になる。したがって、Cu量は1〜4%、好ましくは2〜4%とする。

残部はFeおよび不可避的不純物とする。ここで、不可避的不純物としては、C:0.02%以下、O:0.4%以下、N:0.01%以下、S:0.03%以下、Si:0.2%以下、P:0.02%以下、Ni:0.1%以下を挙げられる。特に、Niは高価なので、その量を不純物レベルに留めるべきである。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉は、所定量の合金元素を予合金した鋼を溶製し、公知の装置を用いて水アトマイズ法により作製する。水アトマイズ後の鋼粉には、公知の水素ガスによる還元処理や真空での還元処理が施される。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉には、高強度化のために黒鉛粉を添加することが好ましい。黒鉛粉は0.2〜1.0%の添加により、高強度化の効果が得られる。また、切削性を改善するためにMnS粉を添加できる。また、潤滑剤として、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、オレイン酸、ステアリン酸アミド、エチレンビスステアロアミドを、合金鋼粉と黒鉛粉の合計100質量部に対して0.2〜1質量部添加することが好ましい。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉を加圧成形するには、400〜2000MPa程度の圧力で、常温(20℃)〜160℃の温度範囲で行うことが好ましい。成形方法については、公知の方法を適用できる。例えば、合金鋼粉を50〜70℃に加熱した金型で成形する方法は、粉末の取扱いが容易であり、かつ、成形体の密度をより高くできるため、好適である。また、合金鋼粉、金型ともに120〜130℃に加熱して成形する、いわゆる温間成形も適用可能である。

成形体の焼結は、安価で量産可能なメッシュベルト炉で1160℃以下で行う。

焼結後は、さらなる高強度化のために、浸炭焼入れ、光輝焼入れ、高周波焼入れ、浸炭窒化熱処理、焼入れ後の焼戻し処理を行うことができる。

表1に示す成分を有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成の合金鋼粉を、水アトマイズ法で作製後、水素ガスで還元処理を施した。還元処理後の合金鋼粉に、表1に示す添加量のCu粉および黒鉛粉と、合金鋼粉、黒鉛粉およびCu粉の合計100質量部に対して0.5質量部のエチレンビスステアロアミド粉を添加・混合後、加圧成形を施して密度7.0Mg/m³の成形体とした。この成形体を、メッシュベルト炉を用い、窒素雰囲気中、1130℃で20分間の条件で焼結して焼結部品とした。そして、焼結部品の引張強度を、引張速度5mm/min、室温で測定した。

結果を表1に示す。

本発明例では、高価なMoの量が少なく、また、安価なメッシュベルト炉を用いて焼結しても、600MPa以上の引張強度が得られていることがわかる。

Claims

合金元素を含む粉末冶金用合金鋼粉であって、質量%にて、Cr:0.3〜0.5%、Mn:0.1〜0.3%、Mo:0.1〜0.5%、かつCu:1〜4%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。
質量%にて、Cr:0.3〜0.5%、Mn:0.1〜0.3%、Mo:0.1〜0.5%、かつCu:1〜4%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるように、合金元素を予合金した鋼を溶製し、水アトマイズ法により作製することを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉の製造方法。