(57)【要約】【課題】焼結・鍛造により機械部品を製造するための鋼であって、ヤング率が高く、従って高い剛性を確保するとともに、硬さを必要な限度まで下げ、ヤング率と疲れ限度とのバランスをとった焼結鍛造用鋼を提供すること。および、この鋼を用いた高剛性機械部品を提供すること。【解決手段】重量で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｗ：６．０〜２４．０％およびＶ：６．０〜１２．０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる組成を有する合金の粉末である焼結鍛造用鋼。さらに、Ｎｉ：０．２〜２．０％および（または）Ｍｏ：１２．０％以下を含有させてもよい。この鋼の水噴霧粉を焼結させ、鍛造して高剛性の機械部品を得る。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｗ：６．０〜２４．０％およびＶ：６．０〜１２．０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる組成を有する合金の粉末である焼結鍛造用鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の合金成分に加え、さらにＮｉ：０．２〜２．０％を含有する組成を有する合金の粉末である焼結鍛造用鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の合金成分に加え、さらにＭｏ：１２．０％以下を含有する組成を有する合金の粉末である焼結鍛造用鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の焼結鍛造用鋼を焼結し、機械部品の形状に鍛造してなり、ヤング率２４０ＧＰａ以上、疲れ限度：５００ＭＰａ以上の物性を有する高剛性機械部品。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の焼結鍛造用鋼の溶湯を水噴霧して粉末とし、得られた粉末を分級して細粒を取得し、これを焼鈍したのち焼結し、焼結体を機械部品の形状に鍛造することからなる高剛性機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高いヤング率と疲れ限度とを両立させた焼結鍛造用鋼に関する。本発明はまた、この鋼を用いた高剛性機械部品にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、機械部品に対しては、剛性が高く、かつ疲労強度が高いことが要求される。従来、機械部品の材料としては、常用の炭素鋼（ＳＣ）では不満である場合、クロム鋼（ＳＣＲ）またはクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）が用いられている。しかし、既知の鋼はヤング率が約２２０ＧＰａ止まりであるため、強度的には可能な部品の軽量化が、剛性不足で実現できないという問題があった。
【０００３】
機械構造用鋼において、溶製材の硬さと疲れ限度の関係については、Ｇａｒｗｏｏｄらの研究結果が知られており、それによれば、高硬さ域では、硬さから期待される疲れ限度に比べて、実際に得られる疲れ限度は低い。これは、高硬度材は切り欠き感受性が高いため、欠陥があったときにその影響が大きく出る結果と解されている。機械部品に成形してから浸炭処理をして表面に残留応力を与えれば、多少の欠陥があっても、その影響を防ぐことができるが、浸炭はもちろんコストを高くする工程であって、実際的な対策とはいえない。
【０００４】
そこで、溶製鋼の限界を超える手段が探求されており、剛性を高めるには、ヤング率の高い炭化物を分散させるとよいことが知られている。疲労強度の観点からも、炭化物を微細に分散させることができる焼結法が有効である。高い割合で炭化物を含有する焼結体は、高いヤング率を示し、剛性の高い機械部品が製造できるからである。出願人のうちの一社は、この目的に合致する高剛性の焼結鋼を開発し、すでに開示した（特開平１１−１２６０２）。
【０００５】
焼結製品において、焼結をＨＩＰにより行なった製品は高い性能を示すが、いうまでもなくＨＩＰはコストのかかる製造技術であるから、利用できる対象は限られている。したがって、通常の製品に関しては、粉末成形・焼結・鍛造の工程によらなければならない。しかし、上記の公開公報に記載した鋼を焼結・鍛造によって機械部品に加工すると、製品には、この製法に不可避な欠陥が存在するため、疲れ限度がかえって低下する場合がある。
【０００６】
高硬度材においては、極端に高い硬さをもたせると、焼結・鍛造による製品の疲れ限度にとって、かえって好ましくないとなれば、むしろ、目標とする疲れ限度を達成するうえで必要な限度内で、最低の硬さをもたせることが望ましい。しかし、上述の焼結鋼は、多量の二次硬化元素（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ）と固溶強化元素（Ｃｏ）とが存在するので、硬さを低下させることができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような技術の現状にかんがみ、焼結・鍛造により機械部品を製造する鋼であって、一方において十分な量の炭化物を存在させてヤング率を高め、剛性を確保するとともに、他方では切り欠き感受性を低下させるように硬さを必要な限度まで下げ、ヤング率と疲れ限度とのバランスをとった焼結鍛造用鋼を提供することにある。この鋼を用いた高剛性機械部品を提供することもまた、本発明の目的に含まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の焼結鍛造用鋼は、基本的な態様としては、重量で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｗ：６．０〜２４．０％およびＶ：６．０〜１２．０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる組成を有する合金の粉末である。
【０００９】
【発明の実施形態】
本発明の焼結鍛造用鋼は、変更態様として、上に規定した基本的な合金成分に加え、さらに、Ｎｉ：０．２〜２．０％および（または）Ｍｏ：１２．０％以下を含有することができる。
【００１０】
本発明の高剛性機械部品は、上記した基本的な態様に、または変更態様にしたがう焼結鍛造用鋼を材料とし、この鋼の粉末を焼結し、機械部品の形状に鍛造してなり、ヤング率２４０ＧＰａ以上、疲れ限度５００ＭＰａ以上の物性を有する機械部品である。
【００１１】
この焼結鍛造用鋼を製造する本発明の方法は、上記した基本的な態様または変更態様にしたがう組成をもつ合金の溶湯を水噴霧して粉末とし、得られた粉末を分級して細粒、好適には６０メッシュ通過分を取得し、これを焼鈍したのち焼結し、焼結体を機械部品の形状に鍛造することからなる。粉末化の手段として水噴霧を選択したのは、一般にプレス成形により焼結材を得るには、ガス噴霧粉よりも粉末形状が不規則な水噴霧粉の方が好適である、という経験にもとづくものである。もちろんガス噴霧でもよいが、窒素ガスで噴霧すると高窒素含有量の粉末ができるし、アルゴンガスによる噴霧はコストがかかる、という問題もある。
【００１２】
本発明の基本的な態様および変更態様の焼結鍛造用鋼において、各合金成分の作用と、その組成範囲を上記のように限定した理由は、つぎのとおりである。
【００１３】
Ｃ：２．０〜４．０％
Ｃは、この鋼において重要な成分である炭化物を十分な量生成するために、少なくとも２．０％を存在させなければならない。一方、過大に存在させると、この合金はＶ量が高く、生成するＶＣの量もそれに伴って多くなり、ＶＣが溶湯噴霧の際にノズルを閉塞するおそれがでてくるので、４．０％が限度である。好ましい範囲は２．５〜３．５％、もっとも好ましいのは２．９〜３．３％である。
【００１４】
Ｓｉ：０．４％以下
Ｓｉは、鋼の溶製時に脱酸剤として使用するもので、酸素含有量を抑えるためには、ある程度必要である。しかし、この合金にとっては、多量の介在物の生成を避けるという観点からみて、多量のＳｉが存在することは好ましくない。０．４％の上限は、この調和点として、また通常の原料に由来するＳｉ量がこの程度までは避けられない、という実際上の理由から定めた。
【００１５】
Ｍｎ：０．６〜１．２％
この合金はＣｒを実質上含有せず、したがって焼き入れ性が低いので、それをカバーするために比較的多量のＭｎを添加する。焼き入れ性向上効果を確保するために、０．６％以上のＭｎを添加することが必要である。１．２％を超えて添加すると、焼き入れ硬さが高くなりすぎて、疲れ限度が低下する。通常は、１．０％内外が適切である。
【００１６】
Ｗ：６．０〜２４．０％
高いヤング率と十分な炭化物量を確保するという観点から、６．０％以上のＷを添加する。疲れ限度の向上という観点からは、あまり多量のＷを添加すべきでなく、２４．０％が上限である。
【００１７】
Ｖ：６．０〜１２．０％
ＶはＶＣを生成し、ヤング率を高くする上で、もっとも有効な元素である。６．０％以上の添加でこの効果が確保できる。Ｃ量に関して述べたように、ＶＣの生成量が高くなりすぎると、溶湯噴霧による粉末の製造に支障が出るから、１２．０％以下の添加に止める。
【００１８】
Ｎｉ：０．２〜２．０％
Ｎｉは、マトリクスを強化し、疲れ限度を高める。この効果を得るには、０．２％以上の添加を要する。使用した原料によっては、もともとこの程度のＮｉが含有されていることがある。添加量を増加しても、効果は飽和するし、コストが高くなるだけであるから、２．０％を上限とする。
【００１９】
Ｍｏ：１２．０％以下
ヤング率を高くする元素としては、上記のようにＶがもっとも有効であり、それに次ぐのがＷ、そしてＭｏである。それゆえ、適量のＭｏを添加することは、高い剛性を実現する上で有用である。しかし、Ｍｏは硬さを高めるから、その添加量にはおのずから制約があり、１２．０％が限度である。
【００２０】
本発明にしたがう焼結鍛造用鋼の合金設計の思想としては、前記したように、まず、合金をあまり硬くすることを避けるために、二次硬化を生じる元素（ＣｒおよびＭｏ）と、固溶強化元素（Ｃｏ）を添加しないか、または低減したことが挙げられる。同じ観点からは、ＷやＶの量を低減するという対策もあり得るが、ＣｒおよびＭｏを原則として無添加としたのは、ＣｒおよびＭｏの炭化物は、そのヤング率がＷおよびＶの炭化物のヤング率よりも低いことと、比較的低温で分解して、二次硬化の原因になりやすい、ということにある。いまひとつの特徴としては、Ｃｒ量を低減したために生じるマトリクスの焼き入れ性の低下を、Ｍｎを比較的多量に存在させて補ったことが挙げられる。
【００２１】
本発明の焼結鍛造用鋼から高剛性機械部品を製造するための焼結工程においては、粉末中の酸素が炭素と結合してＣＯの形で系から逸出し、場合によっては、焼結体中のＣ量が不足することがある。前掲の特開平１１−１２６０２に開示の鋼のように、通常の焼結鍛造鋼にはＣｒが含まれていて、酸素の固定が行なわれるが、本発明の合金には実質上Ｃｒが含まれていないために起こる現象である。これに対処するには、焼結時に、鋼粉末に、Ｃ量の減少を見込んで適量の黒鉛粉末を混合することが推奨される。この場合、混合する黒鉛粉末の粒度は、鋼粉末が、たとえば６０メッシュ通過という粒度であれば、それに応じて、６０メッシュ以下が適当である。
【００２２】
高剛性機械部品の製造においては、焼結・鍛造に続いて、焼入れ・焼戻しの調質処理を行なうことが、ほぼ必須である。この処理は、焼入れは８５０℃以上９５０℃程度、焼戻しは８００℃以下で実施するのが、それぞれ適切である。前者は、８５０℃以上の温度においてγ＋ＭＣ＋Ｍ６Ｃの領域が存在し、焼入れの効果が得られるとともに、焼入れ温度の上昇に伴って炭化物の分解が生じるからである。後者は、８００℃以下の温度においてα＋ＭＣ＋Ｍ６Ｃの領域が存在し、焼戻しの効果が得られるからである。
【００２３】
【実施例】
表１に記載の合金組成をもつ焼結鍛造用鋼を溶製した（重量％、残部Ｆｅ。比較例１はＳＣＭ４２０鋼であり、比較例２は特開平１１−１２６０２に開示の鋼である）。これらの鋼を水噴霧により粉末化し、得られた粉末を分級して、６０メッシュ通過分を取得した。この粉末に対して、いったん９５０℃に２時間加熱する焼鈍を施したものを、内径１００ｍｍのキャビティを有するプレス型に充填し、７トン／ｃｍ２の圧力でプレスすることにより、直径１００ｍｍ、高さ２０ｍｍの低い円柱状の圧粉成形体を得た。続いてこの成形体を、温度１１８０℃に１時間加熱することにより焼結体とした。この焼結体を、金型を用いて型打ち鍛造し、機械部品のブランクを製造した。
【００２４】
表　１
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【００２５】
実施例のＮｏ．５鋼について、それに含まれていると考えられる炭化物の種類と量を、サーモカルクにより計算した。その結果を、比較例２のそれと対比して、表２に示す。
【００２６】
表　２
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【００２７】
鍛造製品から試験片を切り出し、ヤング率および疲れ限度を、それぞれ超音波法および小野式回転曲げ疲労試験法に準拠した方法により測定した。その結果を、表３に示す。
【００２８】
表　３
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【００２９】
【発明の効果】
本発明の焼結鍛造用鋼は、合金元素の組み合わせとそれらの組成範囲を適切に選択することにより、高いヤング率を実現して高い剛性をもたせるとともに、硬さを必要な限度が維持した範囲内で低めにえらび、それによって切り欠き感受性を低くして疲れ限度を向上させたものであるから、高負荷状況で繰り返し応力が加わる機械部品の材料として、好適である。焼結をＨＩＰによらず、常用の圧粉成形・加熱によっても実施できるから、機械部品の製造コストは低廉で済み、高性能の部品を安価に提供することができる。