(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦｅまたはＦｅ合金粉末と炭化物粉末からなる原料粉末の湿式混合を行い、プレス成形後、真空中で焼結する硬質粒分散焼結鋼の製造方法であって、
前記ＦｅまたはＦｅ合金粉末として平均粒径１５μｍ以下の粉末を用い、炭化物粉末として平均粒径５μｍ以下の粉末を用いて、
溶媒としてヘキサンまたはキシレンを用いて湿式混合を行い、
前記焼結は、１３００〜１４５０℃の温度範囲で、１〜１０時間保持することにより行うことを特徴とする硬質粒分散焼結鋼の製造方法。
【請求項２】
原料粉末として、更に平均粒径５μｍ以下のＴｉＮ粉末を用いる請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
ＦｅまたはＦｅ合金を主成分とするマトリックス中にＴｉＣを含む硬質粒が２０〜４０質量％分散した焼結鋼であって、
その鋼表面を撮影した４００倍の光学顕微鏡写真内において、長さ２０ｍｍの任意の線分上に、必ずＴｉＣを含む硬質粒が存在する硬質粒分散焼結鋼であり、
ＦｅまたはＦｅ合金粉末と炭化物粉末からなる原料粉末の湿式混合を行い、プレス成形後、真空中で焼結することとし、
前記ＦｅまたはＦｅ合金粉末として平均粒径１５μｍ以下の粉末を用い、炭化物粉末として平均粒径５μｍ以下の粉末を用いて、
溶媒としてヘキサンまたはキシレンを用いて湿式混合を行い、
前記焼結は、１３００〜１４５０℃の温度範囲で、１〜１０時間保持することにより行う方法で製造されたものであることを特徴とする硬質粒分散焼結鋼。
【請求項４】
前記マトリックスが、
Ｎｉ：３〜２０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｃｏ：２〜４０％、
Ｍｏ：２〜１５％、
Ａｌ：０．２〜２．０％、
Ｔｉ：０．２〜３．０％、
Ｃｕ：０．２〜５．０％を含む請求項３に記載の焼結鋼。
【請求項５】
前記マトリックスが、更にＣｒ：３〜２０％を含む請求項４に記載の焼結網。
【請求項６】
前記マトリックスが、更にＢ：０．０１〜０．１０％を含む請求項４または５に記載の焼結鋼。
【請求項７】
前記ＴｉＣを含む硬質粒の５０％以上がＴｉＣであり、残りがＶ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗよりなる群から選択される金属の炭化物及びＴｉＮの１種以上である請求項３〜６のいずれかに記載の焼結鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷間加工用工具や熱間加工用工具等に好適な硬質粒分散焼結鋼及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷間および熱間加工用工具に使用する材料としては、強度面の信頼性が高く（最低強度が大きく）、耐摩耗性に優れていることが要望され、粉末冶金法によりＴｉＣ等の硬質粒を分散させた焼結鋼（硬質粒分散焼結鋼）が開発されている（例えば、特開昭５３−６４６０８，特開昭５３−６２０７，特開平６−３３０１０７，特開平８−２５３８４５など）。
【０００３】
硬質粒分散焼結鋼においては、微細な硬質粒をできるだけ均一に分散させることが望まれる。なぜなら、硬質粒の凝集体は破壊の起点となり材料の信頼性を低下させるからである。また凝集体が残存しているということは、硬質粒が粗な領域が多く存在するということであり、耐摩耗性が劣化するからである。
【０００４】
しかしながら、市販の金属粉と炭化物等の硬質粒では粒径と比重に大きな差があることから、均一に混合することは難しく、従来の硬質粒分散焼結鋼は、必ずしも硬質粒が均一に分散するものではなく、強度の信頼性や耐摩耗性が十分に高いものではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、強度面の信頼性及び耐摩耗性に優れた硬質粒分散焼結鋼とその製造方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の製造方法とは、ＦｅまたはＦｅ合金粉末と炭化物粉末からなる原料粉末の湿式混合を行い、プレス成形後、真空中で焼結する硬質粒分散焼結鋼の製造方法であって、実質的に吸湿性がない溶媒を用いて湿式混合を行うことを要旨とするものである。上記実質的に吸湿性がない溶媒としては、ヘキサンまたはキシレンを用いればよい。また、前記ＦｅまたはＦｅ合金粉末としては平均粒径１５μｍ以下の粉末を用い、炭化物粉末としては平均粒径５μｍ以下の粉末を用いることが望ましく、原料粉末として、更に平均粒径５μｍ以下のＴｉＮ粉末を用いてもよい。焼結を行うにあたっては、１３００〜１４５０℃の温度範囲で、１〜１０時間保持することが望ましい。
【０００７】
更に、上記課題を解決した本発明の硬質粒分散焼結鋼とは、ＦｅまたはＦｅ合金を主成分とするマトリックス中にＴｉＣを含む硬質粒が２０〜４０質量％分散した焼結鋼であって、試料を鏡面研磨後、その鋼表面を撮影した４００倍の光学顕微鏡写真内において、長さ２０ｍｍの任意の線分上に、必ずＴｉＣを含む硬質粒が存在することを要旨とするものである。
【０００８】
上記焼結鋼のマトリックスの成分としては、Ｆｅ以外にＮｉ：３〜２０％、Ｃｏ：２〜４０％、Ｍｏ：２〜１５％、Ａｌ：０．２〜２．０％、Ｔｉ：０．２〜３．０％、Ｃｕ：０．２〜５．０％を含むことが望ましく、更にＣｒ：３〜２０％及び／又はＢ：０．０１〜０．１０％を含むことが望ましい。
【０００９】
また前記ＴｉＣを含む硬質粒としては、全てがＴｉＣであっても良いが、その５０％以上をＴｉＣとすれば、残りはＶ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗよりなる群から選択される金属の炭化物及びＴｉＮの１種以上としてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
これまでの硬質粒分散焼結鋼においても、硬質粒をできるだけ分散すべく製造されていたが、硬質粒は均一には分散されていなかった。本発明者らは、硬質粒の分散について鋭意研究を重ねた結果、従来の製造方法において十分に硬質粒が分散しなかった要因として、湿式混合における溶媒に問題があったことを突き止めた。金属粉と硬質粒の混合は、ボールミルやアトライタを用いた湿式混合で行われているが、この時、アルコール類等の吸湿性がある溶媒が用いられており、これが硬質粒の均一な分散を阻害していたのである。その理由は、吸湿した溶媒と接触することで粉末が酸化しやすくなり、粉末表面が酸化すると、焼結時に液相と硬質粒のぬれが悪くなり、均一に液相が広がることを妨げるからである。したがって、溶媒は例えばヘキサンやキシレン等のような実質的に吸湿性がない溶媒を使用する必要がある。
【００１１】
更に、本発明者らが硬質粒の分散状態と機械的特性との関係を調べた結果、硬質粒の分散度の指標として、４００倍の光学顕微鏡写真内に２０ｍｍの長さの直線を引き、それがいずれの場所においても炭化チタンを横切る程に均一に硬質粒が分散した場合には、強度の信頼性が大きく（最低強度が高く）、しかも優れた耐摩耗性を有する硬質粒分散焼結鋼が得られることを見出し、本発明に想到した。
【００１２】
即ち、本発明の硬質粒分散焼結鋼は、４００倍の光学顕微鏡写真内に２０ｍｍの長さの直線を引き、それがいずれの場所においても炭化チタンを横切る程に均一に硬質粒が分散しており、高い最低強度を有し優れた耐摩耗性を発揮する焼結鋼である。その製造方法について以下に示す。
【００１３】
まず用いる原料粉末としては、可能な限り微細なものを用いる事が好ましい。特に、主成分となる鉄粉末およびＴｉＣ粉末については、微細なものを用いることが効果的である。微細な粉末を用いることにより、鉄粉と硬質粒との共晶反応により生じる液相を均一な状態にすることができる。具体的には、鉄粉末は、平均粒径で１５μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。この時、他の成分を合金化した合金粉末として用いる方法も有効である。この時の平均粒径も１５μｍ以下とすることが好ましい。また、ＴｉＣ粉末についても平均粒径で５μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。更に、硬質粒として、Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗよりなる群から選択される金属の炭化物及び窒化チタンを用いる場合にも、平均粒径５μｍ以下のものを用いることが好ましい。
【００１４】
混合時には、前述の通り、湿式混合に用いる溶媒として、ヘキサンやキシレン等のような実質的に吸湿性がない溶媒を使用する必要がある。また、混合時に粉末が粉砕あるいは変形して新生面ができると、酸化量が多くなり均一な分散に悪影響を与えるので、混合時間・回転数等に注意する必要がある。例えばアトライタを用いて混合する場合には、５時間以下とすることが必要であり、３時間程度にすることが好ましい。
【００１５】
さらに、焼結時は、炉内の雰囲気・焼結温度・保持時間を考慮する必要がある。焼結は通常の真空焼結炉を用いて真空焼結を行えばよい。このとき、炉内雰囲気によって液相量およびその広がり易さ等が変化する。その程度は、さまざまな条件によって微妙に変化するため、注意深く焼結時間・保持時間を決定して、硬質粒が微細・均一に分散する条件を探す必要があり、温度と保持時間の組み合わせは、組成・炉内雰囲気等を考慮して決めることが必要である。焼結温度が１３００℃未満であると、液相の広がりが十分でないために、硬質粒の分散が不十分となる。また、焼結温度が１４５０℃を超えたり、保持時間が１０時間を超えると、ＴｉＣ粒が粒成長して粗大化するために、結果として硬質粒の分散度が低下することになる。更にＴｉＣが大きくなると、破壊の起点となり、強度低下の原因となる。従って、焼結条件としては、１３００〜１４５０℃で１〜１０時間の保持をすることが好ましい。
【００１６】
このように、本発明の硬質粒分散焼結鋼は、液相焼結によって緻密化がなされるものである。焼結時、この液相によって硬質粒は再配列を起こし、均一に分散するようになる。従って、試料全体に亘って液相を均一に生じさせることが、硬質粒を均一に分散させることにつながる。
【００１７】
以上のように、金属粉末の粒径・混合条件・焼結条件を選択し、硬質粒の均一分散が可能な液相量を生じさせ、液相量の増加に伴う試料の変形を抑えることで、硬質粒が微細・均一に分散した任意の形状の焼結鋼を得ることが可能であり、得られた硬質粒分散焼結鋼は、強度の信頼性及び耐摩耗性に非常に優れるものである。
【００１８】
次に、焼結鋼における好ましい成分と含有量を以下に示す。
【００１９】
Ｎｉは、Ｎｉマルエージング鋼とする場合に特に必要であるが、３％未満ではマルテンサイトを生成しないこと、２０％を超えるとオーステナイトが残留することから、その添加量の範囲を３〜２０％とすることが望ましい。
【００２０】
Ｃｏを添加することにより鉄中へのＭｏの溶解が抑えられ、硬度向上に必要な金属間化合物の析出を可能にする。２％未満ではその析出強化の効果が少なく、４０％を超えると金属間化合物が多量に析出し、急激な靭性の低下を招くため、Ｃｏ添加量の範囲は２〜４０％とすることが望ましい。
【００２１】
Ｍｏは、硬度向上に必要な金属間化合物として析出する元素であるが、２％未満ではその析出強化の効果が少なく、１５％を超えると金属間化合物が多量に析出して急激な靭性の低下を招くので添加量の範囲を２〜１５％とすることが望ましい。
【００２２】
Ａｌ，Ｔｉは、いずれも硬度向上に必要な金属間化合物として析出するが、０．２％未満ではその析出強化の効果が少なく、多過ぎると脆化相を生じるため、Ａｌは添加量を０．２〜２．０％とすることが望ましく、Ｔｉは添加量を０．２〜３．０％とすることが望ましい。
【００２３】
Ｃｕは、析出して硬度向上に寄与するが、０．２％未満ではその析出強化の効果が少なく、５．０％を超えると脆化相を生じるため添加量を０．２〜５．０％とすることが望ましい。
【００２４】
Ｃｒは、耐腐食性を改善するものである。しかしながら、３％未満ではその効果が少なく、２０％を超えると著しい焼結性の低下を招くために、添加量の範囲を３〜２０％以下とすることが望ましい。
【００２５】
Ｂの添加は焼結を容易にするものである。０．０１％未満ではその効果がなく、０．１０％を超えると脆いホウ化物が生じるため、添加量の範囲を０．０１〜０．１０％とすることが望ましい。
【００２６】
また、硬質粒として２０〜４０％含有させるＴｉＣを、第IVＡ・VＡ・VIＡ属（Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ）の炭化物およびＴｉＮの単独または複数の化合物で５０％まで置換しても良好な結果が得られる。これらは、焼結時に一部ＴｉＣと固溶することになり、複合炭化物を生成する。この複合炭化物および単独で存在する炭化物とも、硬さ・靭性において異なるが、硬質分散相として十分な役割を果たす。５０％を超えると焼結性の低下を招くことになりポア等が発生する。したがって、置換量は５０％までとすることが望ましい。
【００２７】
尚、硬質粒として含有させるＴｉＣ量が２０％未満であると、十分な耐摩耗性を維持することが難しく、４０％を超すと強度低下を招くため、ＴｉＣ量は２０〜４０％と定めた。
【００２８】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲内に含まれるものである。
【００２９】
【実施例】
実施例１
Ｃｏ：１０％，Ｎｉ：１０％，Ｍｏ：９％，Ｔｉ：１％，Ａｌ：１％，Ｃｕ：１％，Ｂ：０．０２％を含有し、残部Ｆｅの焼結鋼をマトリックスとし、硬質粒としてＴｉＣを表１に示す含有比率で有する硬質粒分散焼結鋼を、表１に併記する混合条件と焼結条件で作製した。尚、使用した粉末の粒径は以下の通りである。
【００３０】
Ｆｅ粉末（平均粒径約５μｍ），ＴｉＣ粉末（平均粒径約２．５μｍ），
Ｃｏ粉末（平均粒径約１．５μｍ），Ｎｉ粉末（平均粒径約２．５μｍ），
Ｍｏ粉末（平均粒径約４．５μｍ），Ｔｉ粉末（＜４５μｍ），
Ａｌ粉末（＜４５μｍ），Ｃｕ粉末（平均粒径約２．５μｍ）
また、混合機としてはアトライタを用い、回転数２２０ｒｐｍで混合した。プレス成形は、成形圧：３０００ｋｇｆ／ｃｍ2の金型成形により２５×２５×１０ｍｍのサイズとした。
【００３１】
焼結後すべての試料について熱処理を行い、７５０〜８００Ｈｖの硬さに調整し、試験片とした。
【００３２】
まず試験片の表面を鏡面研磨して４００倍の光学顕微鏡写真を撮影し、写真内に２０ｍｍの長さの直線を引き、それがいずれの場所においても硬質粒を横切るかどうかを確認した。この方法で確認した分散状態の評価結果を表１に示す。
【００３３】
これらの試験片を用いて、ＪＩＳ−Ｂ−４１０４(7.2）に基づいて抗折試験（試料本数２０本）を行い、最低強度値を測定すると共に、図１に示す摩耗試験機と図２に形状を示す試験片を用いて以下の条件で摩耗試験を行い試料の減量を測定した。結果は表１に併記する。
［摩耗試験条件］
周速：１５ｍ／ｓｅｃ
面圧：１０ｋｇｆ／ｃｍ2
潤滑：６５℃温水
試験時間：４．５時間
相手材：ＳＫＨ１０
【００３４】
【表１】
0004279935.tif 000002
【００３５】
Ｎｏ．１〜４は本発明に係る硬質粒分散焼結鋼であり、いずれも１６０ｋｇｆ／ｍｍ2以上の強度を有し、しかも耐摩耗性に優れている。
【００３６】
Ｎｏ．５〜１１は、硬質粒の分散状態が良好でない（即ち、４００倍の光学顕微鏡写真内に２０ｍｍの長さの直線を引いた場合、硬質粒を横切らない場合がある）場合の比較例であり、最低強度が低く、耐摩耗性も十分でないことが分かる。
実施例２
表２において、Ｎｏ．２〜５は硬質粒としてＴｉＣと共にその他の炭・窒化物を用い、Ｎｏ．６〜１３はマトリックスの組成を変化させたこと以外は、実施例１のＮｏ．１と同様にして、試験片を作製し、実施例１と同様にして最低強度と摩耗減量を測定した。尚、ＴｉＣ以外の炭・窒化物の平均粒径は次の通りである。ＴｉＣ粉末（約２．５μｍ），ＨｆＣ粉末（約３μｍ），ＴａＣ粉末（約１．０μｍ），Ｍｏ2Ｃ粉末（約３μｍ）
結果は表２に併記する。
【００３７】
【表２】
0004279935.tif 000003
【００３８】
Ｎｏ．１２〜１５，Ｎｏ．１９，Ｎｏ．２１〜２３は本発明に係る硬質粒分散焼結鋼であり、いずれも１６０ｋｇ／ｍｍ2以上の強度を有し、しかも耐摩耗性に優れている。
【００３９】
Ｎｏ．１６〜１８，Ｎｏ．２０は、夫々Ａｌ，Ｂ，Ｔｉ，Ｃｒの量が多過ぎる場合の比較例であり、十分な強度が得られなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、強度面の信頼性及び耐摩耗性に優れた硬質粒分散焼結鋼とその製造方法が提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いた摩耗試験装置を示す説明図である。
【図２】実施例で用いた摩耗試験の試験片を示す説明図である。
【図３】表１における本発明例Ｎｏ．１の鋼表面を撮影した光学顕微鏡写真の写しである。
【図４】表１における比較例Ｎｏ．５の鋼表面を撮影した光学顕微鏡写真の写しである。
【図５】表１における比較例Ｎｏ．１０の鋼表面を撮影した光学顕微鏡写真の写しである。
【符号の説明】
１    空圧ホース
２    エアシリンダ
３    ロードセル
４    ローラ
５    ガイドブロック
６    試料取付具
７    回転ディスク
８    回転軸
９    ストレインゲージ
１０  ストッパ
１１  ロードセル
【図１】
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【図２】
0004279935.tif 000005
【図３】
0004279935.tif 000006
【図４】
0004279935.tif 000007
【図５】
0004279935.tif 000008