(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が５０〜８０μｍのＦｅ粗粉末と平均粒径が２０μｍ以下のＦｅ細粉末とのＦｅ混合粉末に平均粒径が２０μｍ以下のＮｉ細粉末、平均粒径が２０μｍ以下のＭｏ細粉末および平均粒径が２０μｍを超え、かつ５０μｍを下回るＦｅＭｎ粉末と、黒鉛粉末を混合してなる原料粉末を圧粉成形して圧粉体を得、次いで該圧粉体を焼結して焼結体を得、次いで該焼結体を焼戻し処理することにより、Ｎｉが１．０〜７．０ｗｔ％、Ｍｏが０．２〜１．０ｗｔ％、Ｍｎが０．１〜０．８ｗｔ％、Ｃが０．３〜０．６ｗｔ％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有するとともに、組織中のＮｉリッチ相の平均Ｎｉ濃度が基地組織の平均Ｎｉ濃度に対して２．５倍以上を示す高強度焼結合金鋼を得ることを特徴とする高強度焼結合金鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度焼結合金鋼の製造方法に係り、特に、Ｆｅ粉末の混合形態や含有元素の配合を規定することによって、より高レベルな機械的特性（引張り強度や疲労強度等）が要求される高強度焼結合金鋼を好適に製造し得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原料粉末を所望の形状に圧粉成形し、これを焼結、熱処理して得られる高強度焼結合金鋼は、各種産業界で広く使用されており、特に、複雑な形状の機械部品や軸受等の製品に好適である。この高強度焼結合金鋼にあっては、高強度化の要求が益々高まる傾向にあり、それに応える手段として、鋼中にＮｉを含有させることが知られている。
【０００３】
鋼中へのＮｉの含有方法は様々であるが、その１つとして、ＮｉをＦｅ粉中に固溶させたプレアロイＦｅ粉を用いる方法がある。この方法は、圧粉体を焼結した場合にＮｉ濃度が均一になるという点で優れており、また、焼入れ性が良好なため焼入れ後は均一なマルテンサイト組織になり易く、疲労強度が向上するといった利点があった。しかしながら、固溶硬化によって粉末の圧縮性が低下することから機械的特性の低下を招いたり、靱性がやや劣るといった欠点があった。鋼中へＮｉを含有させる他の方法としては、特開平２−１４５７０３号公報によって、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏの単体元素、あるいはこれら元素のうち２種以上の元素を予め合金させた合金微粉を、原料粉末に拡散付着させる方法が提案されている。この方法は、上記プレアロイＦｅ粉を用いる場合に比べれば粉末の圧縮性に優れるものの、Ｎｉの合金化による圧縮性の低下は依然として避けられず、しかも拡散付着処理を要することによってコストが上昇するという問題も含んでいる。
【０００４】
すなわち、上記いずれの方法も、Ｎｉ含有粉末を添加させることによって粉末の圧縮性が低下するといった問題を抱えており、これは、鋼の強度を向上させる目的に相反するものである。そこで、この問題を解決することを目的とした技術が、特公平７−４５６８３号公報によって提案されている。同公報によれば、粒子の大きさが４５μｍ以下のＮｉ、ＣｕおよびＭｏの合金粉末を、潤滑剤とバインダとの共溶融物によってＦｅ粉末の表面に付着させることにより、圧縮性に優れる粉末を得ることができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記解決策では、Ｎｉの凝集を効果的に解砕して鋼中にＮｉを均一に分散させることが困難であり、そのため、機械的特性が大きくばらつくといった問題が生じる。このように、原料粉末中へのＮｉの添加は鋼の強度向上に有効であることは明白でありながら、その効果を十分に引き出すには至っていないのが現状であった。
【０００６】
よって本発明の目的は、Ｎｉ添加による機械的特性の向上効果が十分に、かつ安定して発揮される高強度焼結合金鋼を好適に製造することができる方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、原料粉末中への効果的なＮｉ添加方法はもとより、主体となるＦｅ粉末の混合形態に関して鋭意研究を重ねた。その結果、Ｆｅ粉末の粒子の大きさを比較的粗大なものと微細なものの２種類とし、さらにＮｉを含む他の元素の粒子の大きさおよび配合を規定した原料粉末を用いることにより、圧粉体成形時に良好な圧縮性を示し、ひいては機械的特性に優れた高強度焼結合金鋼を得るに至った。よって、本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、平均粒径が５０〜８０μｍのＦｅ粗粉末と平均粒径が２０μｍ以下のＦｅ細粉末とのＦｅ混合粉末に平均粒径が２０μｍ以下のＮｉ細粉末、平均粒径が２０μｍ以下のＭｏ細粉末および平均粒径が２０μｍを超え、かつ５０μｍを下回るＦｅＭｎ粉末と、黒鉛粉末を混合してなる原料粉末を圧粉成形して圧粉体を得、次いで該圧粉体を焼結して焼結体を得、次いで該焼結体を焼戻し処理することにより、Ｎｉが１．０〜７．０ｗｔ％、Ｍｏが０．２〜１．０ｗｔ％、Ｍｎが０．１〜０．８ｗｔ％、Ｃが０．３〜０．６ｗｔ％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有するとともに、組織中のＮｉリッチ相の平均Ｎｉ濃度が基地組織の平均Ｎｉ濃度に対して２．５倍以上を示す高強度焼結合金鋼を得ることを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、Ｆｅ粉末を粗粉末と細粉末との組み合わせで構成することにより、圧粉体成形時の圧縮性が良好となり、製品の高密度化が達成される。これは、隣接するＦｅ粗粉末の粒子の間にＦｅ細粉末の粒子が緻密に埋まり、結果として空孔率が大幅に低減することによる。また、原料粉末中に上記添加量でＮｉ細粉末が添加されることにより、製造後の鋼にあっては硬度の高いＮｉリッチ相が分散する不均質組織が得られ、この組織が疲労特性、特に亀裂伝播の挙動に大きい影響を及ぼす。すなわち、Ｎｉリッチ相は非常に硬いマルテンサイト組織であり、このＮｉリッチ相により亀裂の伝播が阻害され、迂回による亀裂の偏向や亀裂の停留を引き起こす。このため、引張り強度および疲労強度に優れた高強度焼結合金鋼を得ることができる。さらに、Ｎｉ細粉末の添加量を上記範囲内で調整することにより、硬さや強度を制御することができる。本発明では、特に原料粉末を射出成形することなく、単なる圧粉成形によって圧粉体を得るので、コストの上昇が抑えられるといった利点も有する。
【００１０】
次に、上記各元素の添加量およびＮｉリッチ相の平均Ｎｉ濃度に関する数値限定の根拠を説明する。
Ｎｉ：１．０〜７．０ｗｔ％、
Ｎｉは、靱性および強度を向上させる元素として重要であり、含有量が１．０ｗｔ％未満では靱性の向上が望めない。一方、７．０ｗｔ％を超えると強度の向上効果は飽和する。よって、Ｎｉの含有量は１．０〜７．０ｗｔ％とした。
【００１１】
Ｍｏ：０．２〜１．０ｗｔ％
Ｍｏは、固溶強化および焼入れ性を高め、また、結晶粒を微細化して機械的特性の向上に寄与する元素であり、含有量が０．２ｗｔ％未満ではこれらの効果が望めない。一方、１．０ｗｔ％を超えると強度の向上効果は飽和する。よって、Ｍｏの含有量は０．２〜１．０ｗｔ％とした。
【００１２】
Ｍｎ：０．１〜０．８ｗｔ％
Ｍｎは、焼入れ性を高めて強度を向上させる作用を有する。Ｍｎが０．１ｗｔ％未満では焼入れ性の向上が望めず、０．８ｗｔ％を超えると靱性が低下する。よって、Ｍｎは０．１〜０．８ｗｔ％とした。
【００１３】
Ｃ：０．３〜０．６ｗｔ％
Ｃは強度を向上させる代表的な元素であり、含有量が０．３ｗｔ％未満では強度向上の効果が望めない。Ｃが０．６ｗｔ％を超えると過剰なＣが析出して強度向上を阻害する。よって、Ｃは０．３〜０．６ｗｔ％とした。
【００１４】
Ｎｉリッチ相の平均Ｎｉ濃度が基地組織の平均Ｎｉ濃度の２．５倍以上
本発明においては、Ｎｉリッチ相のＮｉ濃度が基地組織のＮｉ濃度よりも高いことが不均質組織を生成させる上で必須であり、２．５倍以上の数値が確保されていれば、Ｎｉリッチ相と基地組織の硬さに明確な差異、すなわち硬さ勾配を現出させることができる。本発明者は、Ｎｉ細粉末を２％添加した場合の本発明の鋼につき、熱処理温度を変えて硬さ試験を行ったところ、Ｎｉリッチ相のＮｉ濃度が５〜１５％で、Ｎｉリッチ相と基地組織に明確な硬さ勾配が生じることが認められ、その際の基地組織のＮｉ濃度はＮｉリッチ相のＮｉ濃度の概ね１／２．５であった。よって、Ｎｉリッチ相の平均Ｎｉ濃度が基地組織の平均Ｎｉ濃度の２．５倍以上であることを本発明の特徴とする。
【００１５】
さて、本発明では、前述したＦｅ混合粉末におけるＦｅ粗粉末とＦｅ細粉末との重量比を、Ｆｅ粗粉末：Ｆｅ細粉末＝５〜９：５〜１とすることを好ましい形態としている。Ｆｅ粗粉末が多すぎると空孔率が増加して密度が低くなり、逆にＦｅ細粉末が多すぎると圧粉成形時の流動性すなわち圧縮性が低下する。Ｆｅ粗粉末：Ｆｅ細粉末＝５〜９：５〜１とすることにより、隣接するＦｅ粗粉末の粒子の間にＦｅ細粉末の粒子が緻密に埋まり、結果として空孔率が大幅に低減して高密度化が図られ、しかも、良好な圧縮性が確保される。
【００１６】
また、本発明では、組織中のＮｉリッチ相の平均Ｎｉ濃度を５〜１５％に調整するとともに、下記（１）式で求められるＭｓ点（マルテンサイト変態開始点）を１００〜３００℃に調整することを好ましい形態としている。
Ｍｓ(℃)＝(８２３−３６１(Ｃ ｗｔ％)−３９(Ｍｎ ｗｔ％)−５(Ｍｏ ｗｔ％)−１７(Ｎｉリッチ相のＮｉ ｗｔ％))−２７３  …(１)
【００１７】
Ｍｓ点は、熱処理（焼戻し）プロセスの冷却時にマルテンサイトを生成させる重要な温度ポイントである。Ｍｓ点は、低温になるにしたがってマルテンサイトの生成量が減少するため、なるべく高温側に設定されることが望ましいが、３００℃を超えるとＮｉリッチ相のＮｉ量が少なくなってＮｉリッチ相が減少し、機械的特性の向上が望めない。一方、Ｍｓ点が０℃未満ではマルテンサイトの生成量が少なくなって残留オーステナイト量が増加するため、機械的特性の向上が望めない。Ｎｉリッチ相のＮｉ濃度はＭｓ点と深く関わっており、Ｎｉ濃度が５％未満ではＭｓ点が３００℃を超え、Ｎｉ濃度が１５％を超えるとＭｓ点が１００℃を下回る。
【００１８】
さらに本発明では、Ｎｉリッチ相の平均硬さが基地組織よりも硬く、下記（２）式で求められる硬さ勾配を、Ｈｖ硬さで３０〜２００に調整することを好ましい形態としている。
硬さ勾配(ΔＨｖ)＝(Ｎｉリッチ相のＨｖ硬さ)−(基地組織のＨｖ硬さ)…(２)
このようにＮｉリッチ相と基地組織の硬さ勾配を調整することにより、前述した不均質組織が確保される。硬さ勾配は、Ｎｉリッチ相におけるＮｉ濃度、ひいてはＮｉの添加量によって調整することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１］Ｆｅ粗粉末＋Ｆｅ細粉末、Ｎｉ２％
３００−２００メッシュで分級したアトマイズＦｅ粉末（粒径：５３〜７４μｍ）と、カーボニルＦｅ粉末（平均粒径：５μｍ）とを、重量比７：３で混合しＦｅ粉末を得た。このＦｅ粉末に、カーボニルＮｉ細粉末（平均粒径：５μｍ）、Ｍｏ細粉末（平均粒径：５μｍ以下）、ＦｅＭｎ粉末（平均粒径：２０〜４０μｍ）およびＣ（黒鉛）粉末を、Ｎｉ：２ｗｔ％、Ｍｏ：０．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．２ｗｔ％、Ｃ：０．４ｗｔ％の組成になるよう混合させた。さらに、この混合粉末に潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末を０．７５ｗｔ％混合させ、実施例１の原料粉末を得た。次いで、この原料粉末に適宜量のメチルアルコール溶液を潤滑剤として添加してから、原料粉末を金型に充填し、６８６ＭＰａの圧力で加圧して圧粉体を成形した。次いで、圧粉体を水素と窒素の混合ガス雰囲気に調整された加熱炉内において１２５０℃で６０分間加熱して焼結し、炉冷した。次いで、９００℃のアルゴンガス雰囲気中で３０分間の溶体化処理を施した後、油中に投入して焼入れし、同雰囲気中で２００℃、６０分間の焼戻しを施した。これにより、実施例１の鋼を得た。
［実施例２］Ｆｅ粗粉末＋Ｆｅ細粉末、Ｎｉ６％
Ｎｉの含有量を６ｗｔ％にした以外は実施例１と同様にして、実施例２の鋼を得た。
【００２０】
［比較例１］Ｆｅ粗粉末、Ｎｉ２％
Ｆｅ粉末として、−２００メッシュで分級したアトマイズＦｅ粉末（粒径：７４μｍ以下）のみを用いた以外は実施例１と同様にして、比較例１の鋼を得た。［比較例２］熱処理せず鍛造
焼結後、鍛造処理を行った以外は実施例１と同様の熱処理を施して、比較例２の鋼を得た。
上記各実施例および各比較例のＦｅ粉末およびニッケル粉末の仕様を表１に、また、各元素の組成を表２にそれぞれ示す。
【００２１】
【表１】
0004301657.tif 000002
【００２２】
【表２】
0004301657.tif 000003
【００２３】
Ａ．機械的特性、硬さ等
上記実施例および各比較例の鋼につき、引張試験および疲労試験を行って機械的特性を調べた。また、相対密度を調べるとともに、Ｎｉリッチ相と基地組織の硬さを調べ、硬さ勾配を算出した。これらの結果を、表３に示す。
【００２４】
【表３】
0004301657.tif 000004
【００２５】
表３によれば、本発明に基づく各実施例の鋼の硬さ勾配は、比較例と比べると大きく、また、機械的特性では、特に引張り強度に優れていることが判る。硬さ勾配が大きいことにより、不均質組織が生成されて亀裂の伝播を阻害する作用が十分に発揮され、機械的特性が向上したことが推察された。
なお、比較例２では焼結後に鍛造を行ったため、組織が混練されてＮｉリッチ相が生じていない。このため、硬さと引張り強度が他と比べてかなり低下した。
【００２６】
Ｂ．金属組織観察
次に、上記実施例１の鋼と比較例１の鋼につき、内部組織を顕微鏡で調べた。図１、図２は、それぞれ実施例１、比較例１の各鋼の内部組織を示す顕微鏡写真である。両者においては、Ａで示す白い部分のＮｉリッチ相を残存したまま、Ｂで示す基地組織が焼戻しマルテンサイト組織となっていることが認められる。しかしながら、実施例１は比較例１に比べＮｉリッチ相が小さく、かつ多数分散しており、亀裂の伝播を阻害しやすく、もって鋼の強度が高まることが理解される。
【００２７】
図３、図４は、それぞれ実施例１、比較例１の各鋼の疲労亀裂伝播経路を示す顕微鏡写真であり、写真の左側の黒い部分が亀裂である。これらの図から不均質組織による疲労亀裂伝播の違いが明らかである。すなわち、図３では、疲労亀裂の進路はＮｉリッチ相を迂回するように伝播しており、亀裂の伝播に大きなエネルギーが消費されたことを示している。一方、図４では、Ｎｉリッチ相は観察されるものの、その量、大きさともに小さく、亀裂伝播を抑制する効果が少ない。よって、図４では、亀裂が基地組織を伝播し易く、破断し易くなっている。このことから、図３に示す組織の方が図４に比べて強度が高いことがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、高強度焼結合金鋼を製造するにあたって、原料粉末の主体となるＦｅ粉末を粗粉末と細粉末との組み合わせで構成し、さらに、Ｎｉおよび他の元素の組成ならびに粉末の大きさを適切に規定したことにより、引張り強度や疲労強度等の機械的特性に優れた高強度焼結合金鋼を好適に製造することができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】  比較例の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】  本発明の実施例の疲労亀裂伝播経路を示す顕微鏡写真である。
【図４】  比較例の疲労亀裂伝播経路を示す顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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