專利名稱：粉末冶金用合金鋼粉以及鐵基燒結材料及其制造方法
技術領域：
本發明涉及適合提供于粉末冶金技術的粉末冶金用合金鋼粉，特別是在使用所述合金鋼粉制造燒結材料的情況下用于實現提高所述燒結材料的強度及韌性的合金鋼粉。
另外，本發明涉及使用上述粉末冶金用合金鋼粉制造的強度和韌性優良的燒結材料及其制造方法。
背景技術：
粉末冶金技術能夠以與制品形狀極為相近的形狀(所謂的近終形)、且以高的尺寸精確度制造復雜形狀的部件，因此，能夠極大降低切削成本。因此，粉末冶金制品在多方面被用作各種機械、部件。
而且，最近，為了實現部件的小型化、輕量化，強烈要求提高粉末冶金制品的強度。 特別是對鐵基粉末制品(鐵基燒結體)的高強度化要求強烈。
粉末冶金用鐵基粉末成形體一般通過如下操作來制造向鐵基粉末中混入銅粉、 石墨粉等合金用粉末、以及硬脂酸、硬脂酸鋰等潤滑劑而制成鐵基粉末混合粉，然后將其填充到模具中進行加壓成形。根據成分，可以將鐵基粉末分類為鐵粉(例如純鐵粉等)、合金鋼粉等。此外，根據制造方法進行分類時，可以分類為霧化鐵粉、還原鐵粉等，在這些分類中，鐵粉使用包括合金鋼粉的廣義。
由通常的粉末冶金工序得到的成形體的密度一般為約6. 6Mg/m3 約7. lMg/m3。然后，對這些鐵基粉末成形體實施燒結處理而制成燒結體，進而根據需要實施精壓加工、切削加工，從而制成粉末冶金制品。而且，在需要更高的強度的情況下，有時還在燒結后實施滲碳熱處理、光亮熱處理。
在原料粉的階段，作為加入了合金元素的粉末，已知如下粉末等
(I)在純鐵粉中混合了各合金元素粉末的混合粉；
(2)完全合金化了各元素的預合金鋼粉；
(3)使各合金元素粉末在純鐵粉、預合金鋼粉的表面部分地附著擴散的部分擴散合金鋼粉。
(I)的在純鐵粉中混合了各合金元素粉末的混合粉，具有能夠確保與純鐵粉同等的高壓縮性的優點。但是卻存在如下問題在進行燒結時，若不將燒結氣氛、滲碳氣氛中的 CO2濃度和露點嚴格控制在較低水平，則作為比Fe更活潑的金屬的Mn、Cr、V、Si、Nb、Ti等會發生氧化，從而不能實現低氧含量化；而且，各合金元素在Fe中并不充分擴散，形成不均勻的組織，從而不能達到基體強化。
因此，(I)的在純鐵粉中混合了各合金元素粉末的混合粉不能應對近年來高強度化的要求，以致處于不被使用的狀態。
與此相對，(2)的完全合金化了各元素的預合金鋼粉具有如下優點雖然由于通過將鋼水霧化來進行制造，因而會產生由鋼水的霧化工序中的氧化和完全合金化導致的固溶硬化作用，但是，通過對Mn、Cr、V、Si、Nb、Ti等合金元素的種類和量進行限定，能夠確保低氧含量化和與純鐵粉同等的高壓縮性。此外，存在由完全合金化引起基體強化的可能性， 因此正在作為高強度用預合金鋼粉而進行著開發。
此外，(3)的部分擴散合金鋼粉，通過在純鐵粉、預合金鋼粉中混合各元素的金屬粉末、并在非氧化性或非還原性的氣氛下進行加熱以使各金屬粉末在純鐵粉、預合金鋼粉的表面部分地擴散接合而制造，因此，其可以組合(I)的鐵基混合粉以及(2)的預合金鋼粉的優點。因此，能夠確保低氧含量化和與純鐵粉同等的高壓縮性，并且存在由形成由完全合金相和部分富集相構成的復合組織而引起基體強化的可能性，因此，正在作為高強度用部分擴散預合金鋼粉而進行著開發。
作為上述預合金鋼粉以及部分擴散合金鋼粉的基本合金成分，多數情況下使用 Mo。其原因與Mo能夠用作鋼鐵材料的強化元素的原因相同。即，這是因為，Mo不僅在鋼鐵材料中抑制鐵素體的生成、使貝氏體組織化，從而使母相(基質)相變強化，而且在母相和碳化物中分布而使母相固溶強化，進而形成微細碳化物而使母相析出強化。此外，由于是氣體滲碳性優良的非晶界氧化元素，因此還具有滲碳強化的作用。
除此之外，從通過碳化物的析出強化使燒結材料強化方面出發，還可以添加V、Nb、 Ti等碳化物形成能力強的元素。
例如，專利文獻I中公開了一種粉末冶金用合金鋼粉，其特征在于，通過預合金化而含有Mo :0. I 6. 0%,V 0. 05 2. 0%以及Nb :0. 10%以下，并且使4%以下的Mo部分地擴散附著。該合金鋼粉確保了粉末階段的低氧含量化和與鐵粉同等的高壓縮性，并且實現了燒結材料或滲碳淬火材料的低氧含量化和基體強化。
此外，專利文獻2中公開了一種高強度燒結體用合金鋼粉，其特征在于，以重量比計，含有 Cr :0. 5 2%、Mn :0. 08% 以下、Mo :0. I 0. 6%、V :0. 05 0. 5%，還含有 Nb 0.01 0. 08%,Ti :0.01 0. 08%中的I種或2種，并且使0. 05 3. 5%的Mo擴散附著。 就該技術來說，能夠得到壓縮性良好、能控制為適當的淬透性的合金鋼粉，而且，通過使用該鋼粉并控制燒結后的冷卻速度，能夠使燒結體中形成微細的珠光體組織而不形成粗大的上貝氏體組織，從而在燒結狀態下就能夠得到高強度。
專利文獻I :日本特開平8-49047號公報
專利文獻2 :日本特開平7-331395號公報
但是，本發明人的研究表明，使用了上述專利文獻I和專利文獻2中任意一種合金鋼粉的燒結材料均難以兼具強度和韌性。發明內容
本發明的目的在于，克服上述現有技術的問題，提出能夠兼具強度和韌性的粉末冶金用合金鋼粉。
此外，本發明的目的還在于，提供使用上述粉末冶金用合金鋼粉制造的強度和韌性優良的燒結材料、以及其有利的制造方法。
本發明人為了達到上述目的，對鐵基粉末的合金成分及其添加方法反復進行了各種研究，結果得到如下所述的見解。
在將鐵粉中預合金化了 Nb等碳化物形成元素、并且僅使Mo擴散附著的鐵基粉末與碳粉末混合而制成成形體并進行燒結時，合金元素Mo在鐵基粉末粒子間的燒結頸部形成高濃度。因此，在燒結頸部中，存在Mo和Nb等碳化物形成元素以及C，并且含有Mo和Nb 等的碳化物析出、分散。
由于燒結頸部中存在大量氣孔，因此該部分的強度有降低的傾向，但是當上述那樣的碳化物在氣孔周圍析出時，燒結頸部被強化。
另一方面，由于基體部中不含有Mo，因此其與燒結頸部相比，碳化物難以生成，因此成為高韌性的組織。
本發明是立足于上述見解而完成的。
S卩，本發明的要點構成如下所述。
I. 一種粉末冶金用合金鋼粉,其通過使Mo量為0. 05 I. 5質量％的含Mo粉末在預合金化了 0. 02 0. 4質量％的Nb的鋼粉表面擴散附著而形成。
2. 一種粉末冶金用合金鋼粉，其通過使Mo量為0.05 1.5質量％的含Mo粉末在預合金化了 0. 02 0.4質量％的Nb、并且預合金化了 0. 01 0.4質量％的V和0.01 0. 4質量％的Ti中的至少任意一種的鋼粉表面擴散附著而形成。
3. 一種鐵基燒結材料，通過將上述I或2所述的粉末冶金用合金鋼粉壓粉成形、然后進行燒結而得到，在所述燒結材料的氣孔周圍，析出至少含有Nb和Mo的碳化物。
4.如上述3所述的鐵基燒結材料，其中，所述至少含有Nb和Mo的碳化物為(Nb， Mo)C、(Nb，V，Mo)C、(Nb，Ti，Mo)C 及(Nb，Ti，V，Mo)C 中的至少任意一種。
5. 一種鐵基燒結材料的制造方法，其特征在于，將上述I或2所述的粉末冶金用合金鋼粉與0. I I. 0質量％的碳粉混合，然后在400 IOOOMPa的壓力下進行壓粉成形，然后在1100 1300°C的溫度下進行燒結，使所得的燒結材料的氣孔周圍析出至少含有Nb和 Mo的碳化物。
6.如上述5所述的鐵基燒結材料的制造方法，其中，所述至少含有Nb和Mo的碳化物為(Nb，Mo)C、(Nb，V，Mo)C、(Nb，Ti，Mo)C 及(Nb，Ti，V，Mo)C 中的至少任意一種。
發明效果
根據本發明，通過使用預合金化了 Nb、或者還預合金化了 V和/或Ti、并且僅使Mo 擴散附著的粉末冶金用合金鋼粉，能夠得到兼具高強度和高韌性的燒結材料。


圖I是表示由本發明得到的燒結體的包含燒結頸部的燒結組織的模式圖。
標號說明
I鐵基粉末
2燒結頸部具體實施方式
以下，對本發明進行具體說明。
本發明的粉末冶金用合金鋼粉，是使含Mo粉末在預合金化了 Nb、或者還預合金化了 V和/或Ti的鋼粉表面擴散附著而得到的。
通過使上述本發明的鐵基粉末與碳粉末混合而制成成形體并進行燒結，合金元素 Mo在鐵基粉末粒子間的燒結頸部形成高濃度。因此，在燒結頸部中，存在Mo和Nb、V、Ti以及C，含有Mo和Nb、V、Ti等的碳化物析出、分散。
由于燒結頸部中存在大量氣孔，因此該部分的強度有降低的傾向，但是當上述那樣的碳化物在氣孔周圍析出時，燒結頸部被強化。
另一方面，由于基體部中不含有Mo，因此其與燒結頸部相比，碳化物難以生成，因此成為高韌性的組織。
如上所述，認為通過控制碳化物的生成區域，能夠同時實現高強度和高韌性。
以下，對本發明中以前述組成范圍預合金化Nb、V、Ti的原因進行說明。另外，以下所示的為相對于本發明的粉末冶金用合金鋼粉(含Mo粉末擴散附著后)總體的比率 (質量％ )。
Nb :0. 02 0.4%
Nb通過在基體中以碳化物形式析出，對強度的提高起到極為有效的作用。但是，當含量小于0. 02%時，碳化物的生成量變得不充分，無法期望燒結體的充分的高強度化，另一方面，當大于0. 4%時，碳化物粗大化，因而強度提高效果降低，而且由于合金鋼粉粒子的硬化而導致壓縮性降低，不僅如此，從經濟性的觀點出發也不利。更優選為0. 05 0. 3%。
V :0. 01 0. 4%和Ti :0. 01 0. 4%中的任意一種或二種
V和Ti是僅次于Nb的作為碳化物形成元素有用的元素，因此通過使這些元素與 Nb復合含有，能夠進一步有助于強度的提高。但是，其中任意一種元素的添加小于下限時， 硬化不足；另一方面，當添加超過上限時，碳化物仍然會粗大化，從而導致強度提高效果降低、壓縮性降低，因此，使V、Ti各自在上述范圍內含有。更優選各自在0. 3%以下。
另外，Nb、V及Ti的總量在0. 09 0. 18%的范圍內時，能夠得到具備特別優良的強度和韌性的燒結材料。
接著，對本發明的粉末冶金用合金鋼粉的制造方法進行說明。
首先，準備預定量的含有作為預合金成分(即，作為預合金)的合金元素的鐵基粉末(作為原料的鐵基粉末)、以及作為含Mo粉末的原料的Mo原料粉末。
作為鐵基粉末，優選所謂的霧化鐵粉。霧化鐵粉是指通過水或氣體對根據目的調整了合金成分的鋼水進行噴霧而得到的鐵基粉末。對于霧化鐵粉來說，通常，霧化后在還原性氣氛(例如氫氣氣氛)中加熱，由此實施減少鐵粉中的C和0的處理。但是，作為本發明的原料的鐵基粉末，也可以使用不實施這種熱處理的、所謂的“霧化狀態”的鐵粉。
作為Mo原料粉末，可以使用作為目標的含Mo粉末本身，或者也可以使用能還原的 Mo的化合物作為含Mo粉末。
這里，作為含Mo粉末，適合使用Mo的純金屬粉末、以及氧化Mo粉末或FeMo (鑰鐵) 粉末等Mo合金粉末。此外,作為Mo的化合物,優選Mo碳化物、Mo硫化物、Mo氮化物等。
接著，將上述鐵基粉末和Mo原料粉末按照預定的比率進行混合。關于混合方法， 沒有特殊的限制，例如可以使用亨舍爾混合機、圓錐形混合機等。
接著，將該混合物在高溫下保持，在鐵基粉末與Mo原料粉末的接觸面使Mo在鐵中擴散并接合，由此，得到本發明的粉末冶金用合金鋼粉。
這里,作為熱處理的氣氛,優選還原性氣氛、含氫氣氣氛,特別優選氫氣氣氛。另外，還可以增加在真空下進行的熱處理。此外，適合的熱處理溫度為800 1200°C的范圍。 優選為800 IOOO0Co
另外，使用霧化狀態下的鐵粉作為鐵基粉末時，C、0的含量高，因此，優選通過使熱處理在還原性氣氛中進行來降低C和O。通過該降低作用，鐵基粉末表面活性化，即使在低溫(約800°C 約900°C )下也能確實地進行由含Mo粉末的擴散引起的附著。
如上所述地進行擴散附著處理時，通常情況下，鐵基粉末與含Mo粉末在燒結后成為結塊狀態，因此，通過粉碎/分級至所期望的粒徑，并根據需要進一步實施退火，從而制成粉末冶金用合金鋼粉。
在本發明中，優選含Mo粉末的微細粒子均勻地附著在鐵基粉末表面。在未均勻附著的情況下，在附著處理后對粉末冶金用合金鋼粉進行粉碎、運輸等時，含Mo粉末容易從鐵基粉末表面脫落，因此特別容易增加游離狀態的含Mo粉末。將這種狀態的合金鋼粉燒結成成形體時，存在碳化物的分散狀態偏析的傾向。因此，為了提高燒結體的強度、韌性，優選使含Mo粉末均勻附著在鐵基粉末的表面，以減少由于脫落等而產生的游離狀態的含Mo粉末。
擴散附著的Mo量為0.05 1.5%。當小于0. 05%時，碳化物生成效果小，強度提高效果也小。另一方面，當大于I. 5%時，碳化物生成效果飽和，燒結體的組織反而變得不均勻，因此不能得到提高強度的效果。因此，使擴散附著的Mo量為0.05 1.5%。優選為0.05 0. 5%的范圍，更優選為0. I 0. 5%的范圍。進一步優選為0. 15 0. 3%。
另外，合金鋼粉的余量為鐵及雜質。作為合金鋼粉中含有的雜質，可以列舉C、O、 N、S等，它們只要各自為C :0. 02%以下、0 :0. 3%以下、N :0. 004%以下、S :0. 03%以下，則沒有特別的問題。0優選為0.2%以下。
將上述合金鋼粉作為原料制造燒結體時，石墨等碳粉末由于在高強度化及高疲勞強度化方面有效，因此，在加壓成形之前添加以C換算計為0. I I. 0 %的石墨并進行混合。 上述C換算量為相對于混合后的合金鋼粉混合粉的質量比率。
另外，就本發明來說，當然可以根據目的添加用于改善特性的添加材料。例如，以改善燒結體的強度為目的，可以例示添加Cu粉、Ni粉；以改善燒結體的切削性為目的，可以例示添加MnS等切削性改善用粉末。
合金鋼粉混合粉中含有的雜質，只要0 :0. 3%以下、N :0. 004%以下、S :0. 03%以下，則沒有特別的問題。0優選為0.2%以下。但是，在作為上述添加劑而有目的地添加的情況下，并不作為雜質對待，因此也沒有必要控制在上述范圍內。
接著，對使用本發明的粉末冶金用合金鋼粉制造燒結體時優選的燒結條件進行說明。
在加壓成形時，還可以另外混合粉末狀的潤滑劑。此外，也可以在模具上涂布或附著潤滑劑。無論哪種情況下，作為潤滑劑，均可以優選使用硬脂酸鋅等金屬皂、亞乙基雙硬脂酰胺等酰胺類蠟等公知的潤滑劑。混合潤滑劑時，優選相對于合金鋼粉混合粉100質量份為約0. I質量份 約I. 2質量份。
在加壓成形時，必須在400 IOOOMPa的壓力下進行。這是因為，當壓力小于400MPa時，所得到的成形體的密度降低，從而燒結體的特性降低；另一方面，當大于 IOOOMPa時，模具的壽命縮短，經濟上變得不利。另外，加壓時的溫度優選為常溫(約 200C ) 約160°C的范圍。
此外，燒結必須在1100 1300°C的溫度范圍內進行。這是因為，當燒結溫度低于1100°C時，燒結無法進行，從而燒結體的特性降低；另一方面，當高于1300°c時，燒結爐的壽命縮短，經濟上變得不利。另外，優選燒結時間為10 180分鐘的范圍。對于使至少含有Nb和Mo的碳化物在燒結材料的氣孔周圍析出而言，也優選該燒結溫度范圍及燒結時間。
對于所得到的燒結體，可以根據需要實施滲碳淬火、光亮淬火、高頻淬火以及滲碳氮化處理等強化處理，但即使在不實施強化處理的情況下，與現有的燒結體(不實施強化處理的燒結體)相比強度和韌性也得到改善。需要說明的是，各強化處理可以通過常規方法進行。
在實施上述燒結的情況下，在鐵基粉末粒間的燒結頸部形成Mo濃度高的區域，但由于該區域中同時存在Nb等碳化物形成元素和C，因此含Mo和Nb等的碳化物析出、分散。 當氣孔周圍析出這種碳化物時，燒結頸部被強化，因此能夠得到強度和韌性均優良的組織。
圖I模式地示出了由本發明得到的燒結體的包含燒結頸部的燒結組織。圖中，標號I為鐵基粉末、2為氣孔周圍的燒結頸部。
這里，作為含有Mo和Nb等的碳化物，可以列舉:(Nb，Mo) C、(Nb，V，Mo) C、(Nb，Ti， Mo) C R (Nb, Ti, V, Mo) C。
此外，優選上述碳化物以每單位面積I U m2中約I個 約100個的比例在燒結頸部的Mo富集區域析出。需要說明的是，Mo富集區域是指燒結頸部周圍約IOym的區域。
實施例
以下，通過實施例進一步詳細地說明本發明，但本發明并不受以下實例的任何限制。
實施例I
通過水霧化法對含有表I的No. I 17所示的合金元素的鋼水進行噴霧，制成霧化狀態的鐵基粉末。以預定的比率向該鐵基粉末中添加氧化Mo粉末，并使用V型混合機混合15分鐘，然后，在露點為30°C的氫氣氣氛中進行熱處理(保持溫度875°C、保持時間1 小時)，由此制造鐵基粉末的表面擴散附著了預定量的Mo的粉末冶金用合金鋼粉。
然后，對這些粉末冶金用合金鋼粉，添加表I所示量的石墨，進而添加相對于所得到的合金鋼粉混合粉100質量份為0. 6質量份的亞乙基雙硬脂酰胺，然后使用V型混合機混合15分鐘。然后，在686MPa的壓力下進行加壓成形，制作長55mm、寬10mm、厚IOmm的片狀成形體。
對該片狀成形體實施燒結，制成燒結體。該燒結在N2_10% H2氣氛中、燒結溫度 1130°C、燒結時間20分鐘的條件下進行。
在用于拉伸試驗的情況下，使用將所得到的燒結體加工成平行部直徑為5mm的圓棒拉伸試件后，在碳勢0.8%下進行氣體滲碳(保持溫度870°C、保持時間60分鐘)，然后進行淬火(60°C、油淬火)以及退火(180°C、60分鐘)而得到的試件；另外，在用于夏比 (charpy)沖擊試驗的情況下，使用將所得到的燒結體以燒結狀態本來的形狀在碳勢0. 8% 下進行氣體滲碳(保持溫度870°C、保持時間60分鐘)，然后進行淬火(60°C、油淬火)以及退火(180°C、60分鐘)而得到的試件。
將這些燒結體的拉伸強度TS(MPa)及沖擊值(J/cm2)的測定結果一并示于表I。
表I
權利要求
1.一種粉末冶金用合金鋼粉，其通過使Mo量為0. 05 I. 5質量％的含Mo粉末在預合金化了 0. 02 0. 4質量％的Nb的鋼粉表面擴散附著而形成。
2.一種粉末冶金用合金鋼粉，其通過使Mo量為0. 05 I. 5質量％的含Mo粉末在預合金化了 0. 02 0.4質量％的Nb、并且預合金化了 0. 01 0.4質量％的V和0. 01 0. 4 質量％的Ti中的至少任意一種的鋼粉表面擴散附著而形成。
3.一種鐵基燒結材料，通過將權利要求I或2所述的粉末冶金用合金鋼粉壓粉成形、然后進行燒結而得到，在所述燒結材料的氣孔周圍，析出至少含有Nb和Mo的碳化物。
4.如權利要求3所述的鐵基燒結材料，其中，所述至少含有Nb和Mo的碳化物為(Nb， Mo) C、(Nb，V，Mo) C、(Nb，Ti，Mo) C 及(Nb，Ti，V，Mo) C 中的至少任意一種。
5.一種鐵基燒結材料的制造方法，其特征在于，將權利要求I或2所述的粉末冶金用合金鋼粉與0. I I. 0質量％的碳粉混合，然后在400 IOOOMPa的壓力下進行壓粉成形，然后在1100 1300°C的溫度下進行燒結，使所得的燒結材料的氣孔周圍析出至少含有Nb和 Mo的碳化物。
6.如權利要求5所述的鐵基燒結材料的制造方法，其中，所述至少含有Nb和Mo的碳化物為(Nb，Mo)C、(Nb，V，Mo)C、(Nb，Ti，Mo)C 及(Nb，Ti，V，Mo)C 中的至少任意一種。
全文摘要
本發明提出能夠兼具強度和韌性的粉末冶金用合金鋼粉以及鐵基燒結材料及其制造方法。所述粉末冶金用合金鋼粉通過使含有0.05～1.5質量％的Mo的粉末在預合金化了0.02～0.4質量％的Nb的鋼粉表面擴散附著而形成。
文檔編號C22C38/00GK102534349SQ20111026314
公開日2012年7月4日 申請日期2011年8月31日 優先權日2010年12月16日
發明者宇波繁, 尾崎由紀子 申請人:杰富意鋼鐵株式會社