JPH07138694A - 粉末冶金用低合金鋼粉および高寸法精度を有する鉄系焼結部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧粉成形後における焼結時の寸法変化量が少
なく、圧粉成形体内で密度にばらつきがある場合であっ
ても、形状歪がなく寸法精度の高い焼結成形体を与える
様な粉末冶金用低合金鋼粉および該低合金鋼粉を用いた
焼結部品の製法を提供する。 【構成】 粉末冶金用低合金鋼基体に、０．０２〜０．
１５％のＮｂを含有せしめ、或はこれに加えて、Ｎｉ：
０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜２．０％およびＭ
ｏ：０．１〜３．０％よりなる群から選択される少なく
とも１種の元素を含有させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金用の低合金鋼
粉に関し、特に適量のＮｂを含有させることによって焼
結時の寸法変化を可及的に少なくし、寸法精度の高い焼
結成形体が得られる様に改質された粉末冶金用低合金鋼
粉、および該鋼粉を用いた高寸法精度の焼結部品の製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金用鋼粉を用いた焼結部品を製造
するに当たっては、鋼粉に黒鉛粉や潤滑剤を混合し、更
には必要により合金粉末を混合してから圧粉成形し、こ
の成形体を１１００〜１２５０℃に加熱し焼結させる方
法が一般的に採用されている。しかしながら、低合金鋼
粉の種類によっては圧粉成形後の焼結工程で寸法変化を
起こし、所定の寸法精度が得られなくなることもしばし
ば経験され、この様な場合は、焼結後に切削等の機械加
工や再圧加工等を行なわなければならず、加工コストが
高くなる。

【０００３】焼結時の寸法変化に及ぼす影響としては、
鋼粉の化学成分や粒度分布、圧粉成形体の密度、焼結温
度、ヒートパターン、焼結雰囲気等が挙げられ、これら
が相互に関連し合って寸法変化を生じると考えられてい
る。たとえば鋼粉中の酸素量や微細粉の量が寸法変化に
強く影響を与えるという報告があり、寸法精度を高める
ためこれらの含有量を低減する方法が試みられている。
また合金成分としてＣｕ粉末を添加すると焼結時に膨張
傾向を示し、一方Ｎｉ粉末を添加すると収縮傾向を示す
ことが確認されており、こうした現象を利用し、Ｃｕ粉
末とＮｉ粉末を適当な比率で含有させることによって寸
法精度を高める方法も実施されている。

【０００４】しかしながら焼結部品の製造に当たって
は、寸法精度だけでなく焼結製品として求められる様々
の物性、たとえば引張り強さ、硬さ、疲労強度、衝撃強
度、耐摩耗性等があり、これらの特性と寸法精度を同時
に満足することは容易でない。また合金粉末を添加した
ものでは、圧粉成形体の密度によって寸法変化量が変わ
ってくるという難点も指摘される。

【０００５】一方、たとえば自動車業界においても高級
化、低騒音化が進むにつれて寸法精度の高い焼結部品の
需要が高まっており、こうした要望に沿うべく多段プレ
ス等の圧粉成形技術も向上してきているが、それでも複
雑な形状のものでは均一な密度の圧粉成形体を得ること
は容易でない。圧粉成形体を焼結するときの一般的傾向
として、圧粉成形体密度が低いものの焼結時の収縮量は
大きく、逆に密度が高いものの焼結時の収縮量は小さい
という傾向があり、従って、同一の圧粉成形体であって
もその内部で密度に差があると、部分的に収縮量に差が
生じて寸法精度が低下するばかりでなく形状に歪ができ
ることもあり、焼結後の機械加工や再加工処理が必要と
なる。

【０００６】そこで、こうした焼結時の寸法変化に由来
する問題を軽減するための他の方策として、寸法変化挙
動において相互に正・負の傾向を示す２種以上の鋼粉を
適正な比率で混合使用し、それにより焼結時の寸法変化
量を少なくする方法も実施されているが、この場合も、
焼結製品に求められる前述の様な物性と寸法精度の要求
を同時に満足させることはむずかしい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は、圧粉
成形後における焼結時の寸法変化量が少なく、圧粉成形
体内で密度にばらつきがある場合であっても、形状歪が
なく寸法精度の高い焼結成形体を与える様な粉末冶金用
低合金鋼粉および該低合金鋼粉を用いた高寸法精度の焼
結成形体を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る粉末冶金用低合金鋼粉の構成は、
全体組成が、重量比でＮｂ：０．０２〜０．１５％を含
有すると共に、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．４
〜２．０％およびＭｏ：０．１〜３．０％よりなる群か
ら選択される少なくとも１種の元素を含み、残部が鉄お
よび不可避不純物からなる粉末の少なくとも表面に、４
０μｍ以下のＮｂ酸化物が存在するものであるところに
特徴を有するものである。

【０００９】そして、この粉末冶金用低合金鋼粉に黒鉛
を混合し、該混合物を所定形状に圧粉して得られる成形
体を、非酸化性雰囲気下で、炭素が鉄素地に固溶すると
共に４０μｍ以下のＮｂ炭化物を形成する温度・時間で
焼結すると、寸法精度の高い鉄系焼結部品を得ることが
できる。

【００１０】

【作用】上記の様に本発明では、粉末冶金用低合金鋼基
体に特定量のＮｂを含有せしめたところに最大の特徴を
有するものであり、このＮｂは、酸素、窒素、炭素との
結合力が高く、それらとの共存下で容易にＮｂ化合物を
生成する。

【００１１】従って、適量のＮｂを含有させた低合金鋼
粉の製造工程等で酸素に触れると、該低合金鋼粉表面の
ＮｂがＮｂ酸化物に変わるが、このＮｂ酸化物は通常の
焼結による還元ガス雰囲気では容易に還元されないの
で、当該Ｎｂ含有低合金鋼粉の表面にＮｂ酸化物が存在
することになり、該Ｎｂ酸化物の存在により焼結面積が
減少し、焼結時の寸法収縮が著しく抑えられ、複雑な形
状でしかも圧粉成形体内で密度にばらつきがある場合で
あっても、形状歪みを生じることなく寸法精度の高い焼
結製品を得ることができる。

【００１２】また低合金鋼粉の圧粉成形・焼結に当たっ
ては、該低合金鋼粉と共に黒鉛粉等の炭素源や潤滑剤を
混合してから圧粉成形し、次いでアンモニア分解ガス等
の雰囲気下で焼結が行なわれるが、焼結工程では該鋼粉
中のＮｂが炭化物や窒化物を形成し、上記と同様に焼結
面積の減少によって寸法収縮を抑えると共に、これらの
Ｎｂ化合物やＮｂは焼結体内における結晶粒の粗大化を
抑制して機械的強度を高める作用も発揮する。

【００１３】こうしたＮｂの添加効果を有効に発揮させ
るには、低合金鋼基体中に少なくとも０．０２％以上の
Ｎｂを含有させなければならず、これ未満では、特にＮ
ｂ化合物の生成によってもたらされる上記焼結寸法変化
低減効果が十分に発揮されず、本発明で意図する目的を
達成できない。しかしＮｂ量が多くなり過ぎると粗大な
Ｎｂ化合物が生成して焼結体の物性、殊に引張り強さに
悪影響が表われてくるので、０．１５％以下に抑えなけ
ればならない。上記Ｎｂの添加効果を有効に発揮させる
うえでより好ましいＮｂ含有率は０．０３〜０．１０
％、更に好ましくは０．０３〜０．０７％の範囲であ
る。

【００１４】上記の様に本発明では、粉末冶金用低合金
鋼基体中に特定量のＮｂを含有させ、特に焼結時の寸法
変化量を抑えて寸法精度を高めるところに特徴を有する
ものであるが、この場合、低合金鋼の成分として以下に
示す如く適量のＮｉ、ＣｒあるいはＭｏを適量含有させ
ることにより、焼結体の物性を一段と高めることができ
る。

【００１５】Ｎｉ：０．１〜２．０％ Ｎｉは焼結体の靭性を高める作用があり、その効果は
０．１％以上含有させることによって有効に発揮される
が、過剰に添加すると鋼粉が硬質化して圧粉成形時の圧
縮性が低下するので２．０％以下に抑えなければならな
い。

【００１６】Ｃｒ：０．４〜２．０％ Ｃｒは焼入れ性を高めて焼結体の強度向上に寄与する元
素であり、その効果は０．４％以上の添加で有効に発揮
される。しかしそれらの効果は２．０％でほぼ飽和し、
それ以上含有させると焼結時の寸法変化量が大きくなる
傾向が生じてくるので、２．０％以下に抑えなければな
らない。

【００１７】Ｍｏ：０．１〜３．０％ Ｍｏも焼入れ性を高め焼結体の強度を向上させるうえで
有効に作用し、その効果は１．０％以上含有させること
によって有効に発揮される。しかしその効果は約３．０
％で飽和し、それ以上含有させると焼結時の寸法変化量
が大きくなる傾向が表われてくるので、３．０％を上限
とする。

【００１８】尚、本発明に係る鋼粉中に含まれる不可避
不純物としては、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｏ，Ｎ等、
通常の鋼材と同様の元素が挙げられるが、Ｃ含有量が多
過ぎると、粉末が硬くなって圧粉成形時の圧縮性が悪く
なるので０．０２％以下、より好ましくは０．０１％以
下に抑えるのがよい。Ｓｉは鋼粉製造用の原料、および
溶湯の脱酸用として添加されるものであるが、含有量が
多くなると矢張り粉末が硬くなるので、０．１％以下、
より好ましくは０．０５％以下にすることが望まれる。

【００１９】Ｍｎも同様に溶湯の性質を調整する元素と
して含まれるものであり、アトマイズ法によって作られ
る通常の鋼粉には通常０．８％程度含まれている。ま
た、Ｍｎは焼入れ性を高める作用もあるが、粉末の圧縮
性を考慮すると０．３％以下に抑えることが望ましい。
その他の不純物であるＰは０．０１％程度以下、Ｓは
０．０１％程度以下が好ましい。

【００２０】ＯおよびＮは、主に粉末製造時に混入して
くるものであり、これらはＮｂ，Ｃｒ，Ｆｅ等の金属酸
化物または金属窒化物として存在する。この内Ｏは０．
２％前後含有され、少なくとも粉末の表面部にＮｂの酸
化物を形成して前述した様な作用を発揮する。しかし、
粉末が酸化されたときと同様にＯ含有量があまり多くな
ると、焼結ガスの露点に悪影響を及ぼして、焼結寸法変
化を不安定にする恐れが生じてくる。また、Ｎは通常
０．０３％程度含有されているが、Ｎ含有量が多すぎる
と、硬く脆化するので好ましくない。

【００２１】本発明の粉末冶金用低合金鋼粉は、上記成
分組成の要件を満たす様に溶湯を調整し、アトマイズ法
により完全合金化された粉末を得る方法、或いは添加元
素またはその合金粉末および鉄粉とを混合し、それを加
熱して冶金的に付着させた拡散付着型の鋼粉とする方法
等により製作できる。しかし、焼結時の寸法変化をより
小さくするには、Ｎｂが均一に分布したものが好まし
く、こうした意味からすると完全合金型の粉体とするの
が望ましい。粒径は特に制限的でないが、歩留まり、取
扱性や粉末成形性、焼結性等の観点から好ましいのは平
均粒子径で５０〜１００μｍ、より好ましくは５０〜８
０μｍであって、最大粒径は２５０μｍ以下である。

【００２２】上記の低合金鋼粉を用いた焼結成形体の製
造は、通常の方法に従って行なえばよく、たとえば該低
合金鋼粉を黒鉛粉等の炭素源やステアリン酸亜鉛等の成
形潤滑剤と均一に混合してから４００〜８００ＭＰａ程
度で所定形状に圧粉成形し、次いでアンモニア分解ガス
等の非酸化性雰囲気中で１１００〜１２５０℃程度に加
熱処理することにより焼結させる。このとき、本発明に
係る低合金鋼粉を使用すると、前述の如く粉末表面部に
Ｎｂ酸化物が存在し、又、Ｎｂ炭化物もしくはＮｂ窒化
物が生成して、それらＮｂ化合物の存在による焼結面積
の減少効果によって寸法変化量が抑えられ、圧粉成形体
内または個々の圧粉成形体に若干の密度ばらつきがある
場合であっても高い寸法精度の焼結成形体を得ることが
でき、焼結後寸法調整の為の機械加工や再加圧加工等を
行わなくとも実質的にそのままで製品化することができ
る。

【００２３】又、上記低合金鋼粉を用いた焼結体の熱処
理品について、鋼粉中に添加されたＮｂの存在形態やそ
のサイズ等と焼結時の寸法精度や物性を調べたところ、
Ｎｂは主に炭化物の形態で存在しており、一部は酸化物
および微量の窒化物の状態で認められる。又、Ｎｂ化合
物の最大粒子径が４０μｍ以下の場合に優れた寸法精度
と物性を示すことが確認された。このＮｂ化合物の最大
粒子径は、Ｎｂ含有率と密接に関係しており、Ｎｂ含有
量が少ないと小さく、Ｎｂ含有量の増加と共に大きくな
り、Ｎｂ含有量が前記の規定範囲の上限０．１５％を超
える場合は、焼結体中のＮｂ化合物サイズの最大粒径が
４０μｍを超える粗粒のものとなり、この焼結体は引張
り強さの低いものとなり、本発明の目的にそぐわなくな
ることが確認された。従って本発明における焼結体は、
Ｎｂの含有量が０．０２〜０．１５％であって、焼結体
の表面もしくは任意断面に４０μｍ以下のＮｂ化合物が
存在する点で、従来の焼結低合金鋼焼結成形体と区別す
ることができる。

【００２４】なお、本発明に係る方法で製作された焼結
体の組織は、炭素源の添加量および焼結時の冷却速度に
よって異なるが、パーライトとフェライト、或いはベイ
ナイト組織を呈し、熱処理体では通常はマルテンサイト
組織を呈している。

【００２５】

【実施例】以下、実施例を参照しつつ本発明の構成およ
び作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとよ
り下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・
後記の趣旨に適合し得る範囲で変更して実施することも
可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包
含される。

【００２６】実施例 表１に示す組成の粉末冶金用低合金鋼粉（平均粒径５０
〜７０μｍ）に、黒鉛粉０．６％とステアリン酸亜鉛
０．７５％を加えて均一に混合し、圧粉して外径３０ｍ
ｍ、内径２０ｍｍ、全長１０ｍｍの成形体を得た。この
とき、成形体の密度が６．７ｇ／ｃｍ³ ，６．９ｇ／ｃ
ｍ³ ，７．１ｇ／ｃｍ³ となる様に成形圧力を調整し
た。

【００２７】なお、鋼粉Ｎo.１〜６は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍ
ｏを含みＮｂの含有量が異なる低合金鋼粉である。ま
た、鋼粉Ｎo.７〜９は従来から使用されている比較用の
粉末であり、鋼粉Ｎo.７は３％Ｃｒアトマイズ合金鉄
粉、鋼粉Ｎo.８はＮｉ−Ｍｏ系拡散合金鉄粉、鋼粉Ｎo.
９はアトマイズ鉄粉である。

【００２８】得られた各圧粉成形体の外径寸法を正確に
測定した後、アンモニア分解ガス雰囲気中、温度１２５
０℃で６０分間加熱して焼結し、焼結後の外径寸法を測
定して寸法変化率を求めた。寸法変化率は、日本粉末冶
金工業会規格ＪＰＭＡ Ｐ１２−１９９２の計算方法に
準拠して測定し、その寸法変化率をＹ、圧粉体密度をＸ
とし、最小自乗法により［Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ］で表わされる
Ａの値を求め、該Ａの絶対値α（＝｜Ａ｜）、即ち寸法
変化への影響係数を求めた。又、上記と同様にして各混
合粉末を金型で圧粉し、密度が７．２ｇ／ｃｍ³ 、寸法
が内径１０ｍｍ、外径６０ｍｍ、全長１０ｍｍの成形体
とした後、前記と同じ条件で焼結し、ＪＰＭＡで定める
引張試験片に機械加工した後、８５０℃の油焼入れ、１
８０℃の焼戻し処理を行なったものについて、引張試験
を行なった。結果を表２に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１および表２から明らかである様に、本
発明の規定要件を満たすＮo.１〜４の低合金鋼粉を用い
たものは、影響係数αがいずれも０．４以下であって優
れた寸法精度を有していることが分かる。これらに対し
Ｎo.５の比較鋼粉は、Ｎｂが含まれていない為、影響係
数αが高い値を示しており、寸法精度を満足し得ないも
のであることが分かる。又、Ｎo.６はＮｂが規定範囲を
超える比較例であり、影響係数αは非常に小さな値が得
られているが、引張り強さが低い。これらＮo.１〜６に
おけるＮｂ含有量と影響係数αおよび引張り強さとの関
係を図１および図２に示す。このグラフから明らかであ
る様に、一応の合格レベルと判断される影響係数αが
０．４以下を満足するには、Ｎｂを０．０２％以上含有
させるべきであり、又、引張り強さの低下を防止するに
はＮｂを０．１５％を超えない様にすべきであることが
分かる。

【００３２】一方、比較用Ｎo.７，８は、ある程度の引
張り強さを示しているが、影響係数αが高い値を示して
おり、Ｎo.９の純鉄粉のものは、影響係数αが小さく寸
法精度に優れたものであるが、引張り強さにおいて非常
に低い値を示している。

【００３３】次に、表３はＮo.１〜４の本発明鋼粉とＮ
o.５，６の比較鋼粉を用いて製作された熱処理体の引張
り試験後の破断面におけるＮｂ化合物サイズと断面組織
からみた結晶粒度を示したものである。Ｎｂ化合物サイ
ズは、破断面をＥＰＭＡ面分析して、その最大粒径を求
めたもので、一例としてＮo.３の本発明鋼粉を用いた試
料の破断面ＳＥＭ像を図３に、Ｎｂの面分析写真を図４
に示す。破断面にＮｂが存在し、この試料のＮｂ最大粒
径は４０μｍであることを示している。又、結晶粒度
は、熱処理品の研磨断面をＧｈ液（ピクリン酸＋ドデシ
ルベンゼンスルホン酸ソーダ＋水）で腐蝕し、顕微鏡で
観察した結果を結晶粒度Ｎo.で表したものである。

【００３４】表３から明らかである様に、Ｎｂ含有量が
増加するにつれて、Ｎｂ化合物の最大粒径は大きくな
り、結晶粒度は、Ｎｂの含有によって微細化し、微細化
効果はＮｂ量０．０７％を超えるあたりで飽和してい
る。

【００３５】

【表３】

【００３６】次にＮo.４の本発明鋼粉を用いた焼結体
を、電解液としてアセチルアセトン１％およびテトラメ
チルアンモニウムクロライド１％とのメタノール溶液を
使用し、電圧０〜１００ｍＶで電解抽出した後、残渣を
０．２μｍのフィルターで分離して、その残渣をＸ線分
析を行なった。結果は図５に示す通りであり、検出され
るスペクトルはＮｂとＣであり、この焼結体にはＮｂ炭
化物が生成していることが分かる。

【００３７】一方、Ｎo.４の本発明鋼粉を、篩目開き１
５０μｍと１８０μｍの篩で粒度調整して１８０μｍ篩
を通過し１５０μｍ篩上となった粉末を採取し、この粉
末の表面をＥＰＭＡ線分析したところ、図６に示す如く
Ｎｂと酸素の信号波形はほぼ一致しており、鋼粉表面に
Ｎｂ酸化物が生成されていることが確認された。

【００３８】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、粉
末冶金用低合金鋼基体中に適量のＮｂを含有させること
によって、焼結時の寸法変化を抑えることができ、特に
圧粉成形体内で密度にバラツキがある場合でも、歪を生
じることなく寸法精度の高い焼結部品を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｎｂ含有率と焼結時における寸法変化の影響係
数αの関係を示すグラフである。

【図２】Ｎｂ含有率と熱処理体の引張り強さの関係を示
すグラフである。

【図３】実施例で得た熱処理体の破断面の金属組織を示
す図面代用顕微鏡写真である。

【図４】実施例で得た熱処理体の破断面のＥＰＭＡ面分
析結果を示す図面代用写真である。

【図５】実施例で得た焼結体を電解抽出した残渣のＸ線
回析チャートである。

【図６】実施例で得た低合金鋼粉表面のＳＥＭ像を示す
写真とＥＰＭＡ分析チャートである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 正昭 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 石井 啓 千葉県松戸市稔台520番地 日立粉末冶金 株式会社内 (72)発明者 筒井 唯之 千葉県松戸市稔台520番地 日立粉末冶金 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全体組成が、重量比でＮｂ：０．０２〜
   ０．１５％を含有すると共に、Ｎｉ：０．１〜２．０
   ％、Ｃｒ：０．４〜２．０％およびＭｏ：０．１〜３．
   ０％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を
   含み、残部が鉄および不可避不純物からなる粉末の少な
   くとも表面に、４０μｍ以下のＮｂ酸化物が存在するこ
   とを特徴とする粉末冶金用低合金鋼粉。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された粉末冶金用低合金
   鋼粉に黒鉛を混合し、該混合物を所定形状に圧粉して得
   られる成形体を、非酸化性雰囲気下に、炭素が鉄素地に
   固溶すると共に４０μｍ以下のＮｂ炭化物を形成する温
   度・時間で焼結することを特徴とする、高寸法精度を有
   する鉄系焼結部品の製造方法。