(57)【要約】【課題】粉末冶金法による鉄系焼結合金の製造法において、焼入れを行わずに従来の焼入れ処理材と同等の強度を有する鉄系焼結合金を得る方法を提供する。【解決手段】特定の質量比を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末と、特定の質量比を有するＦｅ−Ｍｏ合金粉末を特定比率で配合し、さらに、Ｎｉ粉末と黒鉛粉末を特定量添加した混合粉末を、金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中、特定温度範囲で焼結した後、焼結炉中で特定の速度で冷却する。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末の組成が、質量比で、Ｎｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末と、粉末の組成が、質量比で、Ｍｏ：０．５〜２％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末との質量比が、５：９５〜７０：３０になるように配合するとともに、全体組成におけるＮｉ量が４〜６質量％、焼結後のＣ量が０．２〜０．７質量％となるようＮｉ粉末と黒鉛粉末をさらに添加した混合粉末を、金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中で１１３０〜１３００℃の範囲で焼結した後、焼結炉中で５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却して、焼結後の気孔部を除く金属組織を、面積比で、８５％以上がマルテンサイト組織とすることを特徴とする焼入れ組織を呈する鉄系焼結合金の製造方法。
【請求項２】
前記混合粉末にＣｕ粉末を配合するとともに、全体組成におけるＣｕ量が１〜３質量％であることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ組織を呈する鉄系焼結合金の製造方法。
【請求項３】
前記Ｎｉ粉末および／またはＣｕ粉末が、前記Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末および／または前記Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に複合合金化（部分的に拡散して固着）されていることを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ組織を呈する鉄系焼範合金の製造方法。
【請求項４】
焼結後に１００℃以下まで冷却した後、さらに１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱し保持すること、または焼結炉内で冷却中に１５０℃以上３００℃以下の温度で保持することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の焼入れ組織を呈する鉄系焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末冶金法に係り、特に焼入れ工程を必要とせずに優れた強度を有する鉄系焼結合金を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粉末冶金法によって製造された鉄系焼結合金は、経済性に優れているという特徴から、例えば、自動車部品、工作機器、家電製品等に広く利用されている。しかるに、近年の各種製品における低価格化の趨勢に対応するため、焼結部品においても更に低廉化が要求されるようになりつつある。この要求を満たすために、低廉な鉄粉の開発等も行われているが、材料特性が低下するという問題がある。また、製造工程の連続化や無人化によるコストの低減も行われているが、十分な効果は得られていない。そのような背景により本発明者らは特開平９−８７７９４号公報において焼入れ工程を不要とした焼結合金の製造方法を発明した。しかしながら、最近の更なる高強度化の要求に対しては、この材料を用いても対応できなくなってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
焼入れを行わずに高強度の部品を得る手法としては、焼入れ性の優れた合金粉末を用いて焼結時の冷却速度でマルテンサイト変態させた材料があるが、通常の焼結炉の冷却速度は５〜２０℃／分であり、この冷却速度でマルテンサイト組織を得るためには、合金元素の添加量が多くなり圧縮性を著しく低下させ、強度は低くなる。
【０００４】
一方、純鉄粉に焼入れ性を改善させるＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等の粉末を添加したもの、またはこれらを複合合金化したものは、圧縮性に優れているが、焼結体の合金成分が不均一となるため、金属組織の一部分をマルテンサイト組織にすることができる。しかし組織の８５％以上をマルテンサイト組織にすることは通常の焼結条件においては困難である。
【０００５】
本発明は、このような技術状態を考慮して、焼入れを行わずに従来の焼入れ処理材と同等の強度を有する鉄系焼結合金の新規な製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、焼入れ性を高め、圧縮性の低下を最小限に抑えるための研究を種々進めた結果、焼入れ性に優れる合金粉末と圧縮性に優れる合金粉末を混合し、さらに焼入れ性を改善させる元素を単味粉末の形態で添加することにより、圧縮性の低下による強度の低下を抑え、通常の焼結炉の５〜２０℃／分の冷却速度で金属組織中の８５％以上がマルテンサイト組織となる鉄系焼結合金が得られることを見出した。なお、通常、マルテンサイト組織は、マルテンサイト結晶間に未変態のオーステナイトが残留、分散した組織を呈するもので、本願はこのような変態も含むものである。
【０００７】
すなわち、本発明の焼入れ組織を呈する鉄系焼結合金の製造方法は、粉末の組成が、質量比で、Ｎｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末と、粉末の組成が、質量比で、Ｍｏ：０．５〜２％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末との質量比が、５：９５〜７０：３０になるように配合するとともに、全体組成におけるＮｉ量が４〜６質量％、焼結後のＣ量が０．２〜０．７質量％となるようＮｉ粉末と黒鉛粉末をさらに添加した混合粉末を、金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中で１１３０〜１３００℃の範囲で焼結した後、焼結炉中で５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却して、焼結後の気孔部を除く金属組織を、面積比で、８５％以上がマルテンサイト組織とすることを特徴とする。
【０００８】
なお、Ｎｉ粉末および／またはＣｕ粉末を、前記Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末および／または前記Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に複合合金化（部分的に拡散して固着）した粉末を用いると好適である。
【０００９】
また、上記焼結後に１００℃以下まで冷却した後、さらに１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱し保持すること、または焼結炉内で冷却中に１５０℃以上３００℃以下の温度で保持するとさらに好適である。
【００１０】
混合粉の主体として合金粉末を使用し、焼入れ性を改善するために必要な元素を単味粉末の状態で添加すると、完全合金粉末を用いた場合に比べて粉末圧縮性が高く、高密度の焼結合金を得ることが容易になる。ただし、合金鉄粉の合金元素の含有量が所定量より少ない場合、あるいは純鉄粉に焼結合金の所定組成になるようにＮｉ粉、Ｍｏ粉およびＣｕ粉を添加した混合粉の場合には、基地全体にそれらの元素を拡散させて目的の焼入れ組織を有する焼結合金を得ることが困難になる。
【００１１】
合金鉄粉中に添加する合金元素の種類としては、焼入れ性の改善に効果があり、しかも圧縮性の低下が少ないＮｉおよびＭｏが有効である。また、その含有量は材料の焼入れ性と圧縮性により決定されるものであり、質量比で、Ｎｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部Ｆｅからなる組成のＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末と、Ｍｏ：０．５〜２％、残部ＦｅからなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末とを５：９５〜７０：３０の比率で混合して用いると所望の焼入れ組織を有する焼結合金が得られる。
【００１２】
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末は、ＮｉおよびＭｏの含有量がそれぞれ３質量％、０．４質量％未満では焼入れ性改善の効果が乏しく、それぞれ５質量％、０．７質量％を越えると粉末が硬くなり圧縮性が低下する。また前記Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末は、Ｍｏの含有量が０．５質量％未満では焼入れ性改善の効果が乏しく、２質量％を越えると粉末が硬くなり圧縮性が低下する。
【００１３】
これらのＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末とＦｅ−Ｍｏ合金粉未を用い、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末とＦｅ−Ｍｏ合金粉未の質量比が５：９５〜７０：３０となるよう添加混合することにより、例えば成形圧力６ｔ／ｃｍ２で、成形密度が６．９ｇ／ｃｍ３以上となり、従来の完全合金粉末以上の圧縮性が得られる。上記のＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末の添加量が上限値を越える場合は圧縮性が低下し材料強度は低下する。また、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末の添加量が上限値を越える場合は、焼入れ性を改善する合金元素の単味粉末を添加しても、金属組織中の８５％以上をマルテンサイト組織にすることはできず、材料強度は低下する。
【００１４】
この合金粉末に黒鉛粉末を添加するのみでは、ベイナイト組織しか得られないため、８５％以上をマルテンサイト組織とするためには、焼入れ性を更に改善する必要があり、焼入れ性を改善するための元素を単味粉末として添加することが必要となる。元素としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等が考えられるが、焼結性を考慮した場合、焼入れ性の改善にはＮｉが最も効果的で、次いでＣｕが効果的である。Ｃｕ粉末の添加量は、１％未満ではその効果が認められず、３％を越えると衝撃値が低下するため１〜３質量％とする。また、Ｎｉは焼入れ性を改普する効果の他に、Ｃｕによる脆化を抑制する効果がある。Ｎｉ粉末の添加量は全体で４％未満ではその効果が認められず、６％を越えるとＮｉの未拡散相であるオーステナイト組織により、かえってマルテンサイト組織が減少し強度が低下する傾向があるのでその範囲を４〜６質量％とすることが好ましい。
【００１５】
上記のＮｉ粉末とＣｕ粉末は、上記のＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末および／またはＦｅ−Ｍｏ合金粉末に部分的に拡散して固着させた部分拡散合金粉末として用いると、圧縮性を損なうことなく、合金元素を基地に拡散させやすいので好適である。
【００１６】
焼結時の冷却速度は、材料のＣＣＴ線図により決定され、マルテンサイトが組織の面積比で８５％以上となるように、５℃／分以上とする。また、冷却速度が２０℃／分を越えると設備上新たな冷却装置が必要となり、焼結費を上昇させることになるので５℃／分以上、２０℃／分以下とする。
【００１７】
Ｃは、黒鉛粉末の形態で添加する方法や焼結雰囲気の浸炭性ガスにより添加する方法があるが、内部まで均一にマルテンサイト組織にするためには、黒鉛として添加する必要がある。その添加量は、焼結後のＣ含有量が０．２〜０．７質量％となるように定めればよい。焼結後のＣ含有量が０．２％未満の場合には、マルテンサイト組織の面積比が８５％のものを得ることは不可能であり、一方、０．７％を越えると残留オーステナイト相が多くなり、更には結晶粒界に沿ってセメンタイトが析出するため強度が低下する。このため焼結後のＣ含有量の範囲を０．２〜０．７質量％とする。黒鉛粉末を添加した後には焼結を行なうので、焼結後のＣ含有量は焼結前よりも幾分減少する。黒鉛粉末の実際の添加量は、発明者らが用いた分解アンモニアガスによる還元性雰囲気の場合、０．４〜０．８質量％が必要であった。なお、減少量は用いる粉末、焼結雰囲気などにより左右されるので、実験によりその量を確認した後、目標のＣ含有量に換算し添加することが必要である。
【００１８】
焼結後の組織は気孔を除く素地全体を１００％として、８５％以上をマルテンサイト組織とすることにより、従来材の熱処理を行ったものと同等の強度のものが得られる。
【００１９】
さらに、焼結および冷却後あるいは冷却の過程において、焼結材を１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持することにより、マルテンサイト組織は焼戻しマルテンサイトとなって強靭化し、強度がさらに改善される。また、組織としてはより安定化することにより、経時変化、特に寸法変動を抑制する効果を付与することもできる。１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持する方法としては、焼結後に室温まで冷却してから戻し炉で再加熱を行う方法があるが、室温まで冷却せずに１００℃程度の温度から焼戻し炉へ移送し再加熱することにより、エネルギーの省力化を図ることもできる。さらに焼結ヒートパターンにより、焼結炉を１００℃以下に冷却することなく、直接１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持することによって、恒温変態が促進され、残留オーステナイトはベイナイトに変態し、マルテンサイトは焼戻されて高い靭性が得られる。また、この手法によれば工程削減によるコストの低減を図ることもできる。なお、上記の温度範囲内に保持する時間（ｈｒ）は、製品の最大肉厚（ｍｍ）×０．０５〜０．１０程度が好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
特定組成範囲のＮｉおよびＭｏを含む鉄合金粉に、特定量のＮｉ粉、黒鉛粉あるいはさらにＣｕ粉を配合した粉末からなる混合粉末を圧縮成形し、圧粉体を１１３０〜１３００℃の範囲で焼結した後、焼結炉中で所定の冷却速度で冷却することにより、特定の焼入れ組織を有する強度の優れた鉄系焼結合金が得られる。
【００２１】
【実施例】
［実施例１］
質量比で４％Ｎｉ、０．５％Ｍｏ、残部Ｆｅからなる合金粉末Ａと１．５％Ｍｏ、残部Ｆｅからなる合金粉末Ｂに全体組成で４Ｎｉ％、１．５Ｃｕ％になるようにＮｉ単味粉、Ｃｕ単味粉を添加し、さらに焼結後のＣ含有量が０．５質量％になるように黒鉛粉をそれぞれ添加し、成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉を０．８質量％配合し、３０分間混合した。混合粉を７００ＭＰａで成形したときの密度、および１２００℃で６０分間分解アンモニアガス中で焼結し、１０℃／分の速度で冷却したときの金属組織中のマルテンサイト組織の面積比と曲げ強さを表１に示す。
【００２２】
【表１】
2004124141.tif 000002
【００２３】
以上の結果から明らかなように、本発明の焼結材である試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５の圧縮性は優れており、またマルテンサイト組織の面積比も高いため高強度が得られる。
【００２４】
［実施例２］
質量比で４％Ｎｉ、０．５％Ｍｏ、残部Ｆｅからなる合金粉末Ａ５０％に質量比で１．５％Ｍｏ、残部Ｆｅからなる合金粉末Ｂを５０％混合した粉末に全体組成が表２に記載した比率となるように、Ｎｉ単味粉、Ｃｕ単味粉、黒鉛粉を添加し、成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉を０．８質量％配合し、３０分間混合した。混合粉を７００ＭＰａで成形したときの密度、および１２００℃で６０分間分解アンモニアガス中で焼結し、１０℃／分の速度で冷却したときの金属組織中のマルテンサイト組織の面積比と曲げ強さを表２に示す。
【００２５】
【表２】
2004124141.tif 000003
【００２６】
以上の結果から明らかなように、本発明の焼結材である試料Ｎｏ．４、Ｎｏ．５のマルテンサイト組織の面積比は高く高強度が得られる。Ｎｏ．６は焼入れ性に優れマルテンサイト組織が全面に見られたが、Ｎｉ粉末の添加量が多く、Ｎｉリッチのオーステナイト相が発生し、マルテンサイト組織の量が低下して高い強度が得られていない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の焼入れ組織を呈する鉄系焼結合金の製造方法によれば、焼結のみで組織の８５％以上がマルテンサイト組織の焼結合金が得られ、焼入れ工程が不要となり、強度の優れた鉄系焼結合金を経済的に製造することが可能となる。