(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼鈍され、予備合金化された水アトマイズ鉄基粉末において、該水アトマイズ鉄基粉末が、
Ｃｒを１５〜３０重量％、
Ｍｏ、Ｗ及びＶのうちの少なくとも１種をそれぞれ０．５〜５重量％、
Ｃを０．５〜２重量％、並びに
残部の鉄及び不可避不純物を含み、
前記水アトマイズ鉄基粉末のマトリックスが、１０重量％未満のＣｒを含有し、１０μｍの平均サイズを有するクロム炭化物を含む、水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項２】
Ｃｒを１８〜２５重量％含有する、請求項１に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項３】
Ｃｒを１５〜３０重量％、
Ｍｏを０．５〜５重量％、及び
Ｃを１〜２重量％含有する、請求項１に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項４】
炭化物を２０〜４０体積％含む、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項５】
前記マトリックスがステンレスではない、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項６】
前記水アトマイズ鉄基粉末が、０〜２％のＳｉをさらに含有する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項７】
４０〜１００μｍの重量平均粒径を有する、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項８】
２０〜２５重量％のＣｒと、１〜２重量％のＭｏと、１〜２重量％のＷと、０．５〜１．５重量％のＶと、０．２〜１重量％のＳｉと、１〜２重量％のＣと、残部の鉄とから成る、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項９】
１９〜２３重量％のＣｒと、１〜２重量％のＭｏと、１．５〜３．５重量％のＷと、０．５〜１．５重量％のＶと、０．２〜１重量％のＳｉと、１〜２重量％のＣと、残部の鉄とから成る、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項１０】
２０〜２５重量％のＣｒと、２〜４重量％のＭｏと、１〜２重量％のＣと、残部の鉄とから成る、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された水アトマイズ鉄基粉末。
【請求項１１】
Ｃｒを１５〜３０重量％、Ｍｏ、Ｗ及びＶのうちの少なくとも１種をそれぞれ０．５〜５重量％、Ｃを０．５〜２重量％、並びに残部の鉄及び不可避不純物を含む鉄基溶融体を、鉄基粉末粒子を得るために水アトマイズ処理を施す段階と、
１０重量％未満のＣｒを含有し、１０μｍの平均サイズを有するクロム炭化物を含むマトリックスを形成するために十分な温度および時間で、前記鉄基粉末粒子を焼鈍する段階と
を含む、鉄基粉末の製造方法。
【請求項１２】
前記鉄基溶融体が１８〜２５重量％のＣｒを含有する、請求項１１に記載された鉄基粉末の製造方法。
【請求項１３】
前記鉄基溶融体が、１５〜３０重量％のＣｒ、０．５〜５重量％のＭｏ、及び１〜２重量％のＣを含有する、請求項１１に記載された鉄基粉末の製造方法。
【請求項１４】
前記鉄基溶融体が、０〜２％のＳｉをさらに含有する、請求項１１から請求項１３までのいずれか１項に記載された鉄基粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄基粉末に関するものである。とりわけ、本発明は、耐摩耗性製品の製造に適した粉末に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性の優れた製品は広く使用されているが、現在の製品と同じか又はより良好な性能を有する安価な製品に対する要求が常に存在する。
【０００３】
耐摩耗性の優れた製品の製造は、例えば、炭化物の形態で炭素を含む鉄又は鉄基粉末を基にすることができる。
【０００４】
一般に、炭化物は非常に硬く高い融点を有し、この特徴により多くの用途において優れた耐摩耗性を有する。この耐摩耗性のために、多くの場合、炭化物は、鋼（例えば、ドリル、旋盤、弁座等の例えば優れた耐摩耗性を必要とする高速度鋼（ＨＳＳ）などの鋼）における成分として望ましいものである。
【０００５】
優れた耐摩耗性を有する従来の鉄基粉末の例は、例えば、微細に分散した炭化物を含む工具鋼粉末を含む粉末混合体に関する米国特許第６６７９９３２号及びステンレス鋼粉末に関する米国特許第５８５６６２５号に開示されている。
【０００６】
Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＮｂは強力な炭化物形成元素であり、耐摩耗性製品の製造にとってこれらの元素は特に興味のあるものである。Ｃｒは別の炭化物形成元素である。しかしながら、これらの従来の炭化物形成金属のほとんどは高価であり、不都合なことに製品価格は高価になる。したがって、粉末冶金工業においては、弁座用などのプレス及び焼結製品が十分な耐摩耗性有するような安価な鉄基粉末、又は高速度鋼が求められている。
【０００７】
クロムは、高い耐摩耗性を有し従来の粉末及び硬質相に使用されるその他の金属よりもより安価でさらに簡単に入手できる炭化物形成金属であるので、主たる炭化物形成金属としてクロムを使用できることが望ましい。このようにすれば、粉末、したがって圧縮成形製品をさらに安価に製造することができる。
【０００８】
通常の高速度鋼の炭化物は、通常は非常に小さいものであるが、本発明によれば、予想外にも、炭化物が十分に大きくても、例えばバルブ・シート用の、同じ有利な耐摩耗性を有する粉末が、主たる炭化物形成金属としてクロムを用いて得られることが明らかになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６６７９９３２号明細書
【特許文献２】米国特許第５８５６６２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、優れた耐摩耗性を有する粉末冶金製品の製造のための安価な鉄基粉末を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的、及び以下の検討から明らかなその他の目的は、本発明による、焼鈍された予備合金化された水アトマイズ鉄基粉末により達成される。この鉄基粉末は、Ｃｒを１５〜３０重量％、Ｍｏ、Ｗ及びＶの少なくとも１種をそれぞれ０．５〜５重量％、並びにＣを０．５〜２重量％、好ましくは０．７〜２重量％、最も好ましくは１〜２重量％含み、１０重量％未満のＣｒを含有するマトリックスを有し、大型炭化クロムを含む。
【００１２】
１５〜３０重量％の範囲のＣｒ含有量であれば、適当なタイプ、サイズ及び硬さの十分な量の炭化物を形成することが分かった。１８重量％以上のＣｒ含有量であれば、この効果はさらに高められ、特に大量の、適当なタイプ、サイズ及び硬度の炭化物が形成されることが分かった。したがって、ある具体例では、焼鈍された予備合金化された水アトマイズ鉄基粉末は１８〜３０重量％のＣｒを含有する。
【００１３】
ある実施例では焼鈍された予備合金化された水アトマイズ鉄基粉末は、Ｃｒを１５〜３０重量％、Ｍｏを０．５〜５重量％及びＣを１〜２重量％含有する。
【００１４】
本発明によれば、上記目的を達成するこの新しい粉末は、Ｃｒを１５〜３０重量％、Ｍｏ、Ｗ及びＶのうちの少なくとも１種をそれぞれ０．５〜５重量％、並びにＣを０．５〜２重量％、好ましくは０．７〜２重量％、最も好ましくは１〜２重量％含む鉄基溶融体を、鉄基粉末粒子を得るために水アトマイズ処理を行う段階と、前記粒子内で大きな炭化物を得るために十分な温度と時間で、前記粉末粒子を焼鈍する段階とを含む、鉄基粉末の製造方法により得られる。
【００１５】
好ましい実施例では、９００〜１１００℃の範囲の温度及び１５〜７２時間の範囲の焼鈍時間が、粒子内で所望の炭化物を得るために十分であることが分かった。
【００１６】
いくつかの実施例では、鉄基溶融体は１８〜３０重量％のＣｒを含有する。
いくつかの実施例では、鉄基溶融体は、Ｃｒを１５〜３０重量％、Ｍｏを０．５〜５重量％及びＣを１〜２重量％含有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】Ａ３試験材料の微細構造を示す図。
【図２】Ｍ３／２試験材料の微細構造を示す図。
【実施例】
【００１８】
本発明による予備合金化粉末は、クロムを１５〜３０重量％、好ましくは１８〜２５重量％、モリブデン、タングステン及びバナジウムのうちの少なくとも１種をそれぞれ０．５〜５重量％、炭素を０．５〜２重量％、好ましくは０．７〜２重量％、最も好ましくは１〜２重量％含有し、残部は鉄であり、任意のその他の合金元素、並びに不可避不純物である。
【００１９】
予備合金化粉末は、その他の合金化元素、例えば、タングステンを３重量％まで、バナジウムを３重量％まで及びケイ素を２重量％まで、任意に含有できる。その他の合金化元素又は添加剤も任意に含有できる。ある実施例では、予備合金化粉末は、ケイ素を２重量％まで含む。
【００２０】
非常に高価な炭化物形成金属であるニオブ及びチタンが本発明の粉末には必要のないことは、特に注目されるべきである。
【００２１】
予備合金化粉末は、４０〜１００μｍ、好ましくは約８０μｍの範囲の平均粒径を有することが好ましい。
【００２２】
好ましい実施例では、予備合金化粉末は、２０〜２５重量％のＣｒと、１〜２重量％のＭｏと、１〜２重量％のＷと、０．５〜１．５重量％のＶと、０．２〜１重量％のＳｉと、１〜２重量％のＣと、残部の鉄とから成るか、又は２０〜２５重量％のＣｒと、２〜４重量％のＭｏと、１〜２重量％のＣと残部の鉄とから成る。
【００２３】
その他の好ましい実施例では、予備合金化粉末は、１９〜２３重量％のＣｒと、１〜２重量％のＭｏと、１．５〜３．５重量％のＷと、０．５〜１．５重量％のＶと、０．２〜１重量％のＳｉと、１〜２重量％のＣと、残部の鉄とから成るか、又は２０〜２５重量％のＣｒと、２〜４重量％のＭｏと、１〜２重量％のＣと、残部の鉄とから成る。
【００２４】
本発明の粉末の炭化物は、８〜４５μｍの範囲、さらに好ましくは８〜３０μｍの範囲の平均粒径を有することが好ましく、全粉末の２０〜４０容量％を占めることが好ましい。
【００２５】
炭化物は不規則な形状を有するので、「サイズ」とは顕微鏡で観察される最大長さを表す。
【００２６】
その他のタイプの大きな炭化物も好適ではあるが、ある実施例では、本発明の粉末の大きな炭化物は、Ｍ２３Ｃ６タイプ（Ｍ＝Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ）であり、すなわち、主な炭化物形成元素としてのＣｒに加えて、Ｆｅ、Ｍｏ及びＷのうちの１種又は複数が存在できる。大きな炭化物は、上記で特定された炭化物形成元素以外をも少量含むことができる。
【００２７】
これらの大きな炭化物を得るために、予備合金化粉末は長期間の焼鈍、好ましくは、真空下での焼鈍を施される。焼鈍は、好ましくは９００〜１１００℃の範囲、最も好ましくは約１０００℃で実施される。その温度で、予備合金化粉末のクロムが炭素と反応してクロム炭化物を形成する。
【００２８】
焼鈍中に新たな炭化物が形成され、成長し、存在する炭化物はクロムと炭素の反応により成長を続ける。焼鈍は、所望のサイズの炭化物を得るために、好ましくは１５〜７２時間、さらに好ましくは４８時間を超えて続けられる。焼鈍の期間が長ければ長い程、炭化物粒は大きく成長する。しかしながら、焼鈍は大量のエネルギーを消費し、長時間続けると生産の流れの隘路となり得る。したがって、約２０〜３０μｍの平均炭化物粒度が最適であり得るが、優先順位に応じ、平均炭化物粒度が約１０μｍの場合に、早めに焼鈍を終了させることが経済的観点からしてより都合がよい。
【００２９】
焼鈍温度からの非常に遅い冷却、好ましくは１２時間を超える冷却が適用される。大量の炭化物は低温で熱力学的に安定なので、徐冷は炭化物のさらなる成長を可能にする。また、徐冷は、マトリックスがフェライトになることを確実にする。それは、粉末の圧縮性にとって重要である。
【００３０】
粉末を焼鈍することは、炭化物の成長に加えてその他の利益も有する。
【００３１】
焼鈍中に、マトリックス粒も成長し、水アトマイズの結果として形成された粉末粒子の固有の応力が緩和される。これらの要因は粉末の硬さを小さくして、圧縮成形を容易にし、例えば、粉末に高圧縮性を付与する。
【００３２】
焼鈍中に、粉末の炭素及び酸素の含有量は調整できる。通常、酸素含有量は低く保つことが望ましい。焼鈍中に、炭素は酸素と反応して気体の酸化炭素を形成し、粉末の酸素含有量を減少させる。予備合金化粉末それ自体の中に十分な炭素が存在しない場合、炭化物を形成するため及び酸素含有量を減少させるために、焼鈍のために追加の炭素をグラファイト粉末の形態で供給することができる。
【００３３】
予備合金化粉末のクロムの多くは焼鈍中にマトリックスから炭化物へ移動するので、得られる焼鈍された粉末のマトリックスは、マトリックスの１０重量％未満、好ましくは、９重量％未満、最も好ましくは、８重量％未満の固溶クロム量を有する。そのために、粉末はステンレスではない。
【００３４】
粉末のマトリックス組成は、焼結中にフェライトがオーステナイトへ変態するように設計される。それによって、オーステナイトは、焼結後の冷却によってマルテンサイト変態することができる。マルテンサイトマトリックス中の大きな炭化物により、プレス及び焼結され部材は良好な耐摩耗性を有する。
【００３５】
本発明粉末の炭化物の主たる部分は炭化クロムであるが、一部の炭化物は、予備合金化粉末中のその他の炭化物形成化合物、例えば、上述のモリブデン、タングステン及びバナジウム等によっても形成され得る。
【００３６】
本発明の焼鈍された粉末は、高い耐摩耗性を有する製品を製造するために圧縮成形及び焼結する前に、その他の粉末成分、例えば、その他の鉄基粉末、グラファイト、揮発性潤滑剤、固体潤滑剤、機械的強化剤等と混合することができる。例えば、本発明の粉末を純粋な鉄粉末及びグラファイト粉末と、又はステンレス鋼粉末と混合することができる。圧縮成形を促進し、次いで、焼結中に揮発する潤滑剤、例えば、ワックス、ステアレート、金属石鹸等が添加されてもよく、同様に、焼結製品の使用中の摩擦を低減し、その機械加工性も高め得る固体潤滑剤、例えば、ＭｎＳ、ＣａＦ２、ＭｏＳ２等を添加してもよい。また、その他の機械加工性を高める作用剤を添加してもよく、同様に、粉末冶金分野のその他の従来の添加剤を添加してもよい。
【００３７】
「実施例１」
Ｃｒが２１．５重量％、Ｍｏが１．５重量％、Ｗが１．５重量％、Ｖが１重量％、Ｓｉが０．５重量％、Ｃが１．５重量％及び残部がＦｅの溶融体を水アトマイズして予備合金化粉末を形成した。次いで、得られた粉末を１０００℃で約４８時間真空焼鈍し、合計焼鈍時間は約６０時間とした。焼鈍後、粉末粒子は、フェライトマトリックス中に約１０μｍの平均粒度の炭化クロムを約３０容量％含んでいた。
【００３８】
「実施例２」
Ｃｒが２１．５重量％、Ｍｏが３重量％、Ｃが１．５重量％及び残部がＦｅの溶融体を水アトマイズして予備合金化粉末を形成した。次いで、得られた粉末を１０００℃で約４８時間真空焼鈍し、合計焼鈍時間は約６０時間とした。焼鈍後、粉末粒子は、フェライトマトリックス中に約１０μｍの平均粒度の炭化クロムを約３０容量％含んでいた。
【００３９】
「実施例３」
Ｃｒが２１．０重量％、Ｍｏが１．５重量％、Ｗが２．５重量％、Ｖが１重量％、Ｓｉが０．５重量％、Ｃが１．６重量％及び残部がＦｅの溶融体を水アトマイズして予備合金化粉末を形成した。次いで、得られた粉末を１０００℃で約４８時間真空焼鈍し、合計焼鈍時間は約６０時間とした。焼鈍後、粉末粒子は、フェライトマトリックス中に約１０μｍの平均粒度の炭化クロムを約３０容量％含んでいた。
【００４０】
得られた粉末（以後「Ａ３」と称する）を、０．５重量％のグラファイト及び０．７５重量％の揮発性潤滑剤と混合した。混合物を、７００ＭＰａの圧力でテスト棒に圧縮成形した。得られたサンプルを９０Ｎ２／１０Ｈ２の雰囲気で、１１２０℃の温度で焼結した。焼結後、サンプルを液体窒素中で低温冷却を施し、次に、５５０℃で焼戻した。
【００４１】
既知のＨＳＳ粉末Ｍ３／２を基にして同様の混合物を調製し、上述のものと同じ方法を使用してテスト棒を製造した。
【００４２】
テスト棒にビッカース法による硬さ試験を行った。熱間硬度を、３つの異なる温度（３００℃／４００℃／５００℃）で試験した。結果は以下の表に纏められる。
【００４３】
【表１】
0005461187.tif 000002
【００４４】
Ａ３試験材料（図１を参照）はマルテンサイトマトリックス中に多数の大きな炭化物から成る微細構造を有し、他方、参照材料はマルテンサイトマトリックス中に著しく小型の炭化物を伴う微細構造（図２を参照）を有する。
【００４５】
Ａ３材料は、Ｍ３／２材料よりも幾分大きな気孔率を有する。このことにより、２つの材料の微小硬さ（ＨＶ０．０２５）はほぼ同じであるが、Ａ３の硬さ（ＨＶ５）がＭ３／２の硬さよりも小さい理由が説明される。ＰＭ  ＶＳＩ部材の製造では、気孔は通常、焼結中に銅の含浸によりなくなり、したがって、そのような効果は無視することができる。このことを考慮すると、Ａ３材料の硬さ値は参照のＭ３／２材料の硬さ値に匹敵し、このことは、これらの材料が比肩し得る耐摩耗性を有することをよく指摘する。特に、高温で硬さを維持することは、ＶＳＩ用途での耐摩耗性にとって重要である。熱間硬度テスト結果は、Ａ３材料がこれらの要件に合致することを示す。
【００４６】
「実施例４」
Ｃｒが２１．５重量％、Ｍｏが３重量％、Ｃが１．５重量％及び残部がＦｅの溶融体を水アトマイズして予備合金化粉末を形成した。次いで、得られた粉末を１０００℃で約４８時間真空焼鈍し、合計焼鈍時間は約６０時間とした。焼鈍後、粉末粒子は、フェライトマトリックス中に約１０μｍの平均粒度の炭化クロムを約３０容量％含んでいた。
【００４７】
この粉末に０．５重量％のグラファイト及び０．７５重量％の揮発性潤滑剤を混合し加工処理して、実施例３と同じ方法でテスト棒を製造し、図１の微細構造と極めて類似する微細構造を得た。
【図１】
0005461187.tif 000003
【図２】
0005461187.tif 000004