JFE 技報 No. 7（2005 年 2 月）p. 14–18

焼結後の熱処理の省略を可能とする
高強度焼結部品用合金鋼粉「JIP 21SX」
Alloyed Steel Powder “JIP 21SX”
for High Strength Sintered Parts without Heat-treatment after Sintering
宇波繁

UNAMI Shigeru

JFE スチール

スチール研究所

鉄粉・磁性材料研究部

主任研究員
（副課長）

上ノ薗聡

UENOSONO Satoshi

JFE スチール

スチール研究所

鉄粉・磁性材料研究部

主任研究員（副部長）・工博杉原裕

SUGIHARA Hiroshi

JFE スチール

東日本製鉄所

鉄粉・溶材部鉄粉・溶材技術室

主査
（副課長）

要旨
JFE スチールは，焼結後の熱処理なしで高強度，高硬度の焼結体を実現する高強度焼結部品用ハイブリッド型合金鋼粉「JIP 21SX」を開発した。
「JIP 21SX」は，2 mass％Ni-1 mass％Mo プレアロイ鋼粉に，Ni 粉，Cu 粉，黒鉛粉をバインダで付着させた合金鋼粉である。この合金鋼粉は，メッシュベルト炉の焼結条件（焼結温度 1 130°C，冷却速度 30°C/min）では，引張強さ 900 MPa，硬さ 30 HRC，回転曲げ疲れ強さ 242 MPa の焼結体特性を示す。焼結後の冷却速度をさらに大きくすると，焼結体中のマルテンサイト相の比率が増加し，引張強さおよび硬さが高くなる。50°C/min 以上で冷却することにより，マルテンサイト相の比率 70％以上となり，引張強さ 950 MPa，硬さ 35 HRC の焼結体が得られる。

Abstract:
JFE Steel has newly developed a hybrid type alloyed steel powder “JIP 21SX” for manufacturing sintered parts with highstrength and hardness without secondar y heat-treatment after sintering. JIP 21SX consists of 2 mass%Ni-1 mass%Mo
prealloyed steel powder and Ni, Cu and graphite powders bonded to the surface of steel powder by binder. The sinteredcompact made of this powder sintered at mesh belt furnaces (sintering temperature: 1 130°C, cooling rate: 30°C/min) gives atensile strength of 900 MPa, a hardness of 30 HRC and a rotating bending fatigue strength of 242 MPa. As the cooling rateincreases, the fraction of martensite phase in the sintered compact also increases, resulting in improved tensile strength andhardness. The sintered compact cooled at a rate of more than 50°C/min shows an amount of martensite phase of more than70%, resulting in a tensile strength of 950 MPa and a hardness of 35 HRC.

体には，硬度，機械的強度が熱処理材並に高いことが要求

1. 緒言

される。高硬度の焼結体を実現するためには，焼結後の冷却だけでマルテンサイト変態する優れた焼入れ性を発現す

従来，高強度・高硬度の焼結部品を製造するためには，る合金鋼粉が必要である。一方，高強度の焼結体を実現す

焼結後に浸炭焼入れ・焼もどしなどの熱処理が必要であっるためには，マルテンサイト変態を利用して硬くしただけた。シンターハードニングは，焼結後の熱処理を行うことでは十分ではなく，同時に，本質的な欠陥である気孔の量なく，焼結冷却過程で部分的にあるいは完全にマルテンサを減らしたり，その形状を微細化，球状化することが必要

イト変態させ，焼結体を硬化させるプロセスである。シンである。そのためには，合金鋼粉の圧縮性および焼結性をターハードニングプロセスの利点は，焼結後の浸炭焼入れ改善し，高密度化する，あるいは焼結ネックを強化するこや高周波焼入れなどの熱処理が省略できることにより，焼となどが効果的であると考えられる。

結部品の生産性向上と，熱処理コストの削減を同時に実現

JFE スチールは，シンターハードニングプロセスに適しし，焼結部品の製造コストが低減できることである。さらた 合 金 鋼 粉 組 成 お よ び 合 金 化 方 法 を 検 討 し，Fe-に，熱処理時の膨張・収縮および相変態にともなうひずみ

2 mass％Ni-1 mass％Mo 組成のプレアロイ鋼粉に，微細ながなくなるため，焼結部品の寸法精度が向上することも期

Ni 粉，Cu 粉，黒鉛粉をバインダで付着させハイブリッド待される

1〜3)

4)

。

型の合金鋼粉「JIP 21SX」を開発した 。

シンターハードニングプロセスを用いて製造される焼結− 14 −「JIP 21SX」は適度な圧縮性を保持し，かつ優れた焼結焼結後の熱処理の省略を可能とする高強度焼結部品用合金鋼粉「JIP 21SX」

Table 1 Chemical compositions of studied powders(mass%)
SampleAB
C

Base powder

Elemental powder

FeNiMoNiCu

Mobalance2121.5–

balance––41.50.5

Gr0.6

Bonding type
Binder bonding
Diffusion bonding

性，焼入れ性を発現する合金鋼粉である。また，バインダ

2.3

付着成分の添加量を変えることにより，焼結部品の製造条件および要求特性に合わせることが可能である。

Binder and lubricant
KWAX-B 0.8
KW-wax 0.6
KWAX-B 0.8特性評価方法

圧縮性は，供試粉を外径 11 mmφ，高さ 11 mm の形状

本稿では「JIP 21SX」の圧縮性，および「JIP 21SX」のに成形した圧粉体の重量および体積から算出した密度で評

焼結体特性に及ぼす成形および焼結条件の影響について述価した。焼結密度は JIS Z 2501 にしたがい測定した。引張べる。

強さおよび伸びは，JIS Z 2550 に準拠した 2 号引張試験片を用いて測定した。硬さは，JIS Z 2245 にしたがい測定し

2. 実験方法
2.1

た焼結体表面のロックウェル硬さ（HRC）である。シャルピー衝撃 値は，JIS Z 2550 に準拠したノッチなしの長さ

原料55 mm，幅 10 mm，高さ 10 mm の試験片を用いて測定し供試粉には，Fe-2 mass％Ni-1 mass％Mo 組成のプレアロた。回転曲げ疲労試験は，平行部径 8 mm，長さ 15.4 mm

イ鋼粉，Ni 粉（Type 123：Inco Special Products 製），電解の平滑丸棒試験片を用い，小野式回転曲げ疲労試験機によCu 粉（CE25：福田金属箔粉工業（株）製），および天然黒鉛

り回転数 3 000 rpm，応力比 R  1 の条件で行った。回粉（J-CPB：日本黒鉛工業（株）製）を用いた。粉末の配合組

転曲げ疲れ強さは，繰り返し数 10 回において破壊しない成を Table 1 に示す。サンプル A は，JIP 21SX の標準的な応力とした。組織観察は，焼結体断面を 3 mass％硝酸アル配合組成であり，サンプル B は，温間成形用プレミックスコール溶液で腐食した後，光学顕微鏡を用いて行った。

粉5)7である。サンプル C は，比較材として用いた部分合金
6)化合金鋼粉 JIP シグマロイ 415S で，各種焼結部品製造に3. 実験結果広く用いられている。

2.2

3.1

試料作製方法

圧縮性

JIP 21SX の圧縮性を Fig. 1 に示す。JIP 21SX は，室温3圧縮性評価用試験片は，Table 1 に示した配合組成のサ成形でも成形圧力 686 MPa で 7.0 Mg/m 以上の高い圧粉

ンプル A，B を，前者は室温で，後者は 130°C で，圧力密度が得られ，高い圧縮性を示す。また，130°C の温間成490 〜 686 MPa にて成形し，作製した。

形法を適用することにより，室温成形より約 0.1 Mg/m 高

3焼結体特性調査用試験片は，サンプル A，C を室温で，い圧粉密度が得られる。

サンプル B を 130°C で，成形圧力 490 〜 686 MPa にて成形した後，メッシュベルト焼結炉で，吸熱型プロパン変成ガス（RX）
中，1 130°C で 20 min，あるいはトレープッシャー

3.2

焼結体特性

成形および焼結条件を変えた場合の焼結体特性（引張強焼結炉で，N2-10 vol％ H2 ガス中，1 250°C で 60 min 焼結7.2し た。 冷 却 速 度 は， メ ッ シ ュ ベ ル ト 焼 結 炉 で は 約とした。これらの焼結体を 180°C，60 min，大気中で焼もどし処理した。
また，焼結後の冷却速度の影響を調べるための試験片は，サンプル A を，室温で成形圧力 686 MPa にて成形した後，N2 ガ ス 中，1 130°C で 20 min 焼 結 し， 冷 却 速 度 を 4〜130°C/min に変化させ，作製した。冷却速度は，冷却時の800°C か ら 400°C ま で の 値 と し た。 こ れ ら の 焼 結 体 に180°C，60 min，大気中で焼もどし処理した。

Green density (Mg/m3)

30°C/min，トレープッシャー焼結炉では約 40°C/min であった。冷却速度は，冷却時の 800°C から 400°C までの値

7.1

Warm compaction (130°C)

7.0
6.9
Cold compaction(room temperature)

6.8
6.7
450

500
550
600
650
Compacting pressure (MPa)Fig. 1− 15 −Compressibility of JIP 21SX700

焼結後の熱処理の省略を可能とする高強度焼結部品用合金鋼粉「JIP 21SX」

21SX/room temperature/1 130°C

21SX/room temperature/1 130°C

21SX/130°C/1 130°C

21SX/130°C/1 130°C

21SX/room temperature/1 250°C

340

415S/room temperature/1 130°C

415S/room temperature/1 130°C
320300

1 200

Stress (MPa)Tensile strength (MPa)

1 400

1 000

280
260
240

800

22035106107
Cycles to failure

108

Fig. 3 SS-N-N curves of rotating bending fatigue test of sinteredcompacts made of JIP 21SX

3025

6.9
7.0
7.1
Sintered density (Mg/m3)

7.2

Influences of sintered density and sintering temperature
on mechanical properties of sintered compacts made of
JIP 21SXさ，硬さ）を Fig. 2 に示す。焼結部品を製造する際に一般的な室温成形 /1 130°C 焼結条件では，JIP 21SX は，引張強さ 900 MPa，硬さ 30 HRC で，いずれも比較材の JIP シ
グマロイ 415S（ 引張強さ 770 MPa，硬さ 15 HRC）より高い値である。また，温間成形により密度を高くすると，室温2.5900

Elongation (%)

153.0800
700

1.050030050252015100 20 40 60 80 100 120 140

Fig. 4および硬さは高くなる。一方，1 250°C の高温で焼結した

1.50.5Cooling rate (°C/min)

成形材に比べ，焼結体の密度の増加にともない，引張強さ

2.0600Rockwell hardness, HRC

Tensile strength (MPa)

1 00020106.8Fig. 2200105

Charpy impact value (J/cm2)

Rockwell hardness, HRC

600
4040302010020 40 60 80 100 120 140
Cooling rate (°C/min)

Influences of cooling rate on mechanical properties ofsintered compacts made of JIP 21SX

場合には，密度の低い室温成形材でも，引張強さ，硬さは，温間成形 /1 130°C 焼結材より高い値となる。

引張強さは 900 MPa，硬さは 30 HRC である。急冷装置付

JIP 21SX の室温成形材と温間成形材を 1 130°C で焼結しきの焼結炉を想定した冷却速度 100°C/min では，引張強さた焼結材の回転曲げ疲労特性を Fig. 3 に示す。比較として，は 950 MPa，硬さは 40 HRC まで上昇する。一方，伸びおJIP シ グ マ ロ イ 415S の 室 温 成 形 材 の 特 性 を 併 記 す る。

よびシャルピー衝撃値は，冷却速度が大きくなるにしたがJIP 21SX 室温成形材の回転曲げ 疲れ強さは 242 MPa と，い低くなる。

JIP シグマロイ 415S（215 MPa）の値より高い。また，密度を高くした温間成形材は，引張強さの場合と同様に，室温4. 考察成形材より高い回転曲げ疲れ強さ（290 MPa）を示す。
焼結後の冷却速度を変えた場合の焼結体特性（引張強さ，Fig. 4 に示したように，焼結後の冷却速度を変えると，伸び，シャルピー衝撃値，硬さ）を Fig. 4 に示す。引張強焼結体特性が変化する。そこで，焼結体特性に及ぼす焼結さおよび硬さは，冷却速度が大きくなるにしたがい高くな

後の冷却速度の影響を，焼結体組織の変化の観点から考察

るが，80°C/min を超えると飽和する。一般に広く用いらする。

れているメッシュベルト炉の冷却速度 40°C/min 程度では，JFE 技報 No. 7（2005 年 2 月）

− 16 −

冷 却 速 度 を 変 え た 場 合 の JIP 21SX の 焼 結 体 組 織 を

焼結後の熱処理の省略を可能とする高強度焼結部品用合金鋼粉「JIP 21SX」

Photo 1 に示す。4°C/min では，薄灰色の粗いベイナイト

イト相は，粉末で添加した Ni，Cu が焼結時に十分拡散し相が主要な相であり，その周囲にマルテンサイト相が認めきれない粗大なプレアロイ鋼粉粒子の中心部に生成するもられる。42°C/min になると，ベイナイト相が微細化し，濃のと考えられる。一方，白色のオーステナイト相が生成し灰色を呈する一方，薄灰色のマルテンサイト相の比率が増ている領域は，粉末で添加した Ni が特に濃化した部分と加する。42°C/min を超えると，冷却速度が大きくなるに考えられる。

したがい，マルテンサイト相が増加し，ベイナイト相が減Photo 1 に示した焼結体組織中のマルテンサイト相の面少している。100°C/min 以上では，ベイナイト相は認めら積率を，画像解析により定量化した結果を Fig. 5 に示す。

れない。また，白色のオーステナイト相は，いずれの冷却冷却速度が大きくなるにしたがいマルテンサイト相の比率速度でも同程度の比率で認められる。

が増加し，50°C/min で 70％，80°C/min で 90％，100°C/min

非調質の焼結合金鋼の組織では，焼入れ性を改善するで 95％以上になる。100°C/min 以上では，気孔と白色のNi，Cu などの元素の濃度および冷却速度に応じて異なる

オーステナイト相以外は，ほとんど全域がマルテンサイト組織を呈することが知られている

1,2）。これらの報告から推相となっている。JIP 21SX 焼結体の CCT 曲線を Fig. 6 に察すると，Photo 1 におけるマルテンサイト相は，粉末で添示 す。ベイナイトが 生 成しなくなる臨 界 冷 却 速 度は約加した Ni，Cu が焼結時にプレアロイ鋼粉に拡散して合金100°C/min であり，今回の結果と一致する。

量が多くなり焼入れ性が高くなった領域に生成し，ベイナマルテンサイト相の比率に対して焼結体特性（引張強さ，伸び，シャルピー衝撃値，硬さ）をプロットした結果を(a) Cooling rate: 4°C/min

Fig. 7 に示す。引張強さおよび硬さはいずれも，マルテン(b) Cooling rate: 42°C/min

サイト相の比率が増加すると高くなるが，70％を超えると飽和してくる。これは，冷却速度が大きくなるにしたがい，ベイナイト相の変態温度が低下し微細化するため，ベイナ(c) Cooling rate: 47°C/min

Area fraction of martensite phase (%)

100(d) Cooling rate: 68°C/min(e) Cooling rate: 85°C/min

9080
7060504030(f ) Cooling rate: 100°C/min

Fig. 5020406080
100Cooling rate (°C/min)–C Cu Mo Ni Fe
21SX 0.6 1.5 1 4 –Temperature (°C)

800
700––––––––––

36––––––

900°C  10 min
500°C

1.51’ 11’600500400BMs

200

M
Hv

100
1Different microstructures of sintered compacts of JIP
21SX depending on the cooling rate––132 75

300

Photo 1––Cooling rate (°C/min)

900

100 µm140

Influences of cooling rate on area fraction of martensite
phase in sintered compacts made of JIP 21SX

1 000(g) Cooling rate: 125°C/min

120

1390

2

3433

449

1104464

5447

6360

7368

28395

9445

10
Time from 900°C (s)1011425405

31012315

104

Fig. 6 CCT diagram of the sintered compacts made of JIP 21SX− 17 −JFE 技報 No. 7（2005 年 2 月）

焼結後の熱処理の省略を可能とする高強度焼結部品用合金鋼粉「JIP 21SX」

Elongation (%)

950
90085080075070030
Rcokwell hardness, HRC

Charpy impact value (J/cm2)

Tensile strength (MPa)

1 000252015105030 40 50 60 70 80 90 100
Amount of martensite phase (%)

3.0（3）JIP 21SX は，温間成形により密度を高くすると，室温2.5成形材に比べ，引張強さ，硬さおよび回転曲げ疲れ強さは高くなり，引張強さ 1 200 MPa，硬さ 34 HRC，回転曲げ疲れ強さ 290 MPa を示す。

2.0（4）JIP 21SX は，1 250°C の高温で焼結した場合には，室1.5

温成形品でも，温間成形 /1 130°C 焼結材より引張強1.045さ，硬さは高い値となり，引張強さ 1 300 MPa，硬さ4036 HRC を示す。

35（5）JIP 21SX の焼結体機械的特性および組織は，焼結後の30冷却速度に強く依存し，焼結後の冷却速度が大きくな25るにしたがい，焼結体組織に占めるマルテンサイト相20の比率が増加し，引張強さ，硬さは高くなり，伸び，1530 40 50 60 70 80 90 100
Amount of martensite phase (%)

シャルピー衝撃値は低下する。
（6）JIP 21SX では，マルテンサイト量を 70％以上にすることにより優れた焼結体特性（引張強さ 950 MPa，硬さFig. 7 Influences of amount of martensite phase on mechanicalproperties of sintered compacts made of JIP 21SX35 HRC）が実現でき，そのためには，焼結後の冷却速度を 50°C/min 以上にすることが必要である。

イト相とマルテンサイト相の硬さの差が小さくなることにより，ベイナイト相の比率が減少しても，硬さ，引張強さの上昇分が小さくなったものと考えられる。一方，伸びお
よびシャルピー衝撃値は，マルテンサイト量が増加するに

参考文献
1） Causton, R. J. et al. Sinter hardening low-alloy steels. Advances in
Powder Metallurgy and Particulate Materials. San Francisco, 1992,

したがい低下するが，マルテンサイト量が 70％を超えるとほとんど低下しなくなる。したがって，マルテンサイト量を 70％以上にすることにより優れた焼結体特性が実現でき，そのためには，焼結後の冷却速度を 50°C/min 以上にMPIF. p. 17–51.
2） Rutz, H. G. et al. Sinter-hardening P/M steels. Advances in Powder
Metallurgy and Particulate Materials, 1997, MPIF. part 8, p. 3–20.
3） Chagnon, F. et al.

Dimensional control of sinter hardened P/Mcomponents. Advances in Powder Metallurgy and Par ticulate
Materials, 2001, MPIF. part 5, p. 31–42.
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p. 289–293.

することが必要であると考えられる。

5） 尾﨑由紀子ほか．温間成形用部分合金化鋼粉クリーンミックス「KIP

5. 結言
Fe-2 mass％ Ni-1 mass％ Mo 組成のプレアロイ鋼粉に Ni

クリ ー ン ミッ ク ス HW シ リ ー ズ 」． 川 崎 製 鉄 技 報．vol. 33，no. 4，2001，p. 170–174．
6） 小倉邦明ほか．高圧縮性複合合金鋼粉 KIP シグマロイの特性．川崎製
鉄技報．vol. 19，no. 3，1987，p. 202–207．

粉，Cu 粉，黒鉛粉をバインダで付着させたシンターハード
ニング用の合金鋼粉「JIP 21SX」を開発した。
「JIP 21SX」の特徴を以下に示す。
（1）JIP 21SX は，成形圧力 686 MPa において，室温成形で337.0 Mg/m 以上，130°C の温間成形で，7.1 Mg/m 以上の高い圧粉密度を示す。
（2）JIP 21SX は，室温成形 /1 130°C 焼結条件では，引張強 さ 900 MPa， 硬 さ 30 HRC， 回 転 曲 げ 疲 れ 強 さ242 MPa で，従来，各種焼結部品製造に広く用いられている JIP シグマロイ 415S
（ 引張強さ 770 MPa，硬さ15 HRC，回転曲げ疲れ強さ 215 MPa）
より高い値を示す。

宇波− 18 −繁上ノ薗聡杉原裕