JPH06212368A - 疲労強度に優れた低合金焼結鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静的特性のみならず、疲労強度を主とする動
的特性を大幅に改善向上させた低合金焼結鋼、及びその
製造方法を提供する。 【構成】 ０.１５重量％以上０.８重量％未満の炭素を
含む低合金焼結鋼であって、乾式ミルで処理した原料粉
末を用いて製造され、そのマトリックスが旧γ結晶粒の
平均粒径１５μｍ以下の焼戻しマルテンサイトであり、
該マトリックス中に含まれる空孔又は非金属介在物の最
大径が５０μｍ以下であって、密度が理論密度の９６％
以上である低合金焼結鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯車、軸受けのレース
等の高い疲労強度を要求される機械構造部品に用いられ
る低合金焼結鋼、及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金法によって製造される低合金焼
結鋼からなる焼結機械部品は経済性に優れるという点か
ら、例えば自動車部品、事務機器、家電製品、農機具等
に広く利用されており、その需要は年々増加している。
この需要の増加に伴って、低合金焼結鋼に要求される特
性も次第に厳しくなってきている。

【０００３】この要求を満たすため各種の研究が行わ
れ、例えば低合金焼結鋼の組成では古くからのＦｅ−Ｎ
ｉ−Ｃ系やＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系ばかりでなく、Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｍｏ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃ系、Ｆｅ−
Ｃｒ−Ｍｎ−Ｍｏ−Ｃ系等の低合金焼結鋼が開発されて
いる。又、原料粉末の点では、従来の還元粉末から高密
度が得やすいアトマイズ粉末が主流となりつつある。

【０００４】これらの技術開発により低合金焼結鋼の強
度は大幅に改善され、その引張強度に代表される静的な
特性は、溶解・鍛造法によって作製された一般の機械構
造用鋼に匹敵するレベルに達するようになった。しかし
ながら、靭性や疲労強度等に代表される動的な特性は未
だ充分ではなく、特性改善の要求を満たし更に用途を拡
大するためには動的な特性の改善向上が不可欠である。

【０００５】粉末冶金法によって製造される低合金焼結
鋼の動的特性を改善するための最も有効な方法は、その
密度を上げ、内部に残留する空孔を減らすことにある。
焼結鋼の密度を上げる一つの方法として、粉末鍛造法が
古くから知られている。しかしながら、粉末鍛造法によ
り製造された低合金鋼は、同一組成の溶解・鍛造法によ
り製造された一般の機械構造用鋼のレベルを上回ること
はできなかった。

【０００６】その原因として、鋼粉末表面の酸化物被膜
が焼結の進行を妨げたり合金元素の偏析を招くこと、非
金属介在物が存在し且つ製鋼技術の差に起因して非金属
介在物レベルに差があること、鍛造体表層等に空孔が残
存すること等があげられる。特公昭５７−８８４１号公
報には、鋼粉末表面の酸化物被膜を機械的粉砕により剥
離除去する方法が記載されているが、この方法では粉末
表面の酸化物被膜を除去するに止まり、鋼粉末粒子の内
部にも存在する非金属介在物を除去するには至っていな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、優れた静的特性に加えて、疲労強度を主
とする動的特性を大幅に改善向上させた低合金焼結鋼、
及びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の疲労強度に優れた低合金焼結鋼は、０.１
５重量％以上０.８重量％未満の炭素を含む低合金焼結
鋼において、そのマトリックスが旧γ結晶粒の平均粒径
が１５μｍ以下の焼戻しマルテンサイトであり、該マト
リックス中に含まれる空孔又は非金属介在物の最大径が
５０μｍ以下であって、密度が理論密度の９６％以上で
あることを特徴とする。

【０００９】本発明における疲労強度に優れた低合金焼
結鋼の製造方法は、アトマイズ法により製造された鉄粉
末又は鉄合金粉末若しくはこれらを含む低合金鋼の原料
粉末を、不活性ガス雰囲気中又は大気中において乾式ミ
ルで処理することにより、原料粉末に転位を導入すると
共に非金属介在物を最大径５０μｍ以下に粉砕し、その
後この処理粉末を軟化焼鈍し、最終組成での炭素が０.
１５重量％以上０.８重量％未満となるように炭素粉末
を添加混合した後、この混合粉末を冷間成形し、焼結又
は熱間塑性加工により理論密度の９６％以上に緻密化
し、更に熱処理してマトリックスを焼戻しマルテンサイ
トとすることを特徴とする。

【００１０】ここで、低合金焼結鋼とは、従来から知ら
れている鉄と炭素からなる炭素鋼及び鉄と炭素と他の合
金元素からなる低合金鋼であって、原料粉末の焼結によ
り得られたものを意味する。又、旧γ結晶粒は、低合金
焼結鋼中の結晶粒で且つ焼入れ加熱時のオーステナイト
域においてγ結晶粒であったものを意味し、一般に焼入
れ鋼の結晶粒径の比較はこの旧γ結晶粒の粒径の比較に
より行われている。

【００１１】

【作用】一般に、鋼の疲労強度は硬さの増加と共に向上
するものの、硬さがある水準に達すると疲労強度はほぼ
一定になるか、若しくは低下する傾向を示す。この原因
として非金属介在物の存在が挙げられ、硬さが向上する
に連れて低硬度では起点となり得なかった小さな介在物
が疲労クラックの起点となるため、疲労強度が向上しな
くなるものと考えられている。従って、介在物のない材
料が得られれば、その疲労強度を大幅に向上せしめるこ
とができると予想されるものの、工業的にその様な材料
を得ることは困難である。

【００１２】又、疲労強度の向上が頭打ちになる高硬度
の水準では、疲労寿命はクラックの進展速度に依存する
ことが知られている。ところが、クラックの進展速度は
結晶粒界の近傍で大幅に低下する。従って、結晶粒界が
多数存在する構造が達成されれば、疲労強度の向上を達
成し得るものと考えられる。本発明はこの様な観点か
ら、空孔を減らして高密度にすると同時に、マトリック
スを特に微細な焼戻しマルテンサイトとして結晶粒界を
増加させ、更に空孔や非金属介在物の大きさを出来るだ
け小さくして、低合金焼結鋼の疲労強度その他の動的特
性を改善向上させたものである。

【００１３】本発明では、低合金焼結鋼のマトリックス
を旧γ結晶粒の平均粒径が１５μｍ以下の微細マルテン
サイトとするが、この様な特に微細なマルテンサイトを
得るためには、焼入れ加熱時のオーステナイトを微細に
する必要がある。その方法としては、溶解・鍛造法によ
る一般低合金鋼ではオースフォーミング等の加工熱処理
法があるが、粉末冶金法による本発明では不活性ガス雰
囲気中又は大気中において原料粉末をボールミル、振動
ミル、アトライター等の乾式ミルを用いて長時間処理
し、予め原料粉末に多量の転位を導入しておくことが最
も有効な手段であることが判った。即ち、この様にして
多量の転位を導入した原料粉末を用いることで、焼入れ
加熱時のオーステナイトが微細になり、その結果微細な
焼戻しマルテンサイトが得られる。

【００１４】又、この乾式ミルを用いた原料粉末の処理
によって、原料粉末に多量の転位を導入すると同時に、
原料粉末中に含まれる非金属介在物を粉砕して微細化
し、疲労強度に有害な大きな介在物を低減させることが
可能である。即ち、非金属介在物の最大径を５０μｍ以
下、好ましくは２５μｍ以下にすることによって、低合
金焼結鋼の疲労強度に与える影響を大幅に減少させ得る
ことが判明した。

【００１５】乾式ミルで処理された処理粉末は、転位の
多量の導入により硬さが上昇しているため、そのままで
は冷間成形が困難であるから、歪みとり焼鈍により軟化
させて冷間成形性を増加させる必要がある。焼鈍は真空
中又は非酸化性雰囲気中において６００〜１０００℃の
温度で実施することが望ましい。焼鈍温度が６００℃未
満では加工歪みの除去が不十分で、粉末の軟化が少なく
成形性を改善することができず、又１０００℃を越える
と粉末間に焼結が進行し、再度破砕処理を行わなければ
冷間成形ができなくなる。

【００１６】かくして得られた処理粉末には、黒鉛等の
炭素粉末を混合して炭素量を調整する。炭素は鋼の特性
を支配する重要な合金元素であり、炭素量が増加するに
従って、強度及び硬さは増加するが延性は低下する。炭
素量が０.１５重量％未満では熱処理後に良好な硬さを
得ることができず、又０.８重量％以上含有しても硬さ
の改善効果は少なく、むしろ残留γ結晶の増加や焼入れ
性の著しい低下によって疲労強度の低下を招くので、本
発明では炭素量を０.１５重量％以上０.８重量％未満と
する。

【００１７】処理粉末に炭素粉末を添加混合した混合粉
末は、金型を用いた１軸プレスや冷間静水圧成形（ＣＩ
Ｐ）等により冷間成形した後、Ａ３変態以上の温度にお
ける焼結又は熱間鍛造、熱間押出、熱間等方静水圧成形
（ＨＩＰ）等の熱間塑性加工によって、理論密度の９６
％以上に緻密化される。必要に応じて、残留する空孔を
消失させるため、焼結後に再加圧、熱間鍛造、熱間押
出、ＨＩＰ等を施すことが望ましい。空孔は疲労強度に
大きな影響を及ぼし、非金属介在物と同等に見なすこと
ができるので、その最大径は５０μｍ以下、好ましくは
２５μｍ以下とする必要があり、その残存量は４体積％
以下が望ましい。

【００１８】尚、乾式ミルにより多量の転位を導入され
た処理粉末は、焼結や熱間塑性加工等の緻密化工程で高
温にさらされると結晶粒の粗大化が進行しやすいが、こ
れを防ぐためには微細な粒子を均一に分散させて粒界の
移動をピン止めする方法が有効である。かかる分散粒子
としては、高温のオーステナイト域でマトリックスに固
溶しないか又は固溶度の低い酸化物、窒化物又は炭化
物、例えばアルミナや窒化アルミニウム等が有効であ
る。

【００１９】これら分散粒子の平均粒径は５μｍ未満と
すべきであり、好ましくは０.５μｍ以下、更に好まし
くは０.１μｍ以下である。分散粒径の平均粒径が０.５
μｍを越えると疲労強度が低下し、特に平均粒径が５μ
ｍ以上では分散粒子が欠陥として作用するからである。
又、これら分散粒子の添加量が増えると延性の低下をも
たらすので、処理粉末に対して０.５〜５体積％程度が
適当である。

【００２０】この様にして得られた焼結体ないし熱間塑
性加工体は、通常のごとく熱処理によりオーステナイト
からマルテンサイトへの変態を経て強化され、本発明の
微細な焼戻しマルテンサイトの低合金焼結鋼となる。具
体的な熱処理としては、オーステナイト域まで加熱保持
し、油焼入れした後、焼戻しを行うが、これらの熱処理
と組み合わせた浸炭処理、浸炭窒化処理、窒化処理、誘
導加熱による表面焼入れ等も有効である。

【００２１】本発明の低合金焼結鋼の組成は、前記のご
とく公知の炭素鋼や低合金鋼の組成であって良い。しか
し、粉末冶金法による本発明では、そのプロセス的制約
から好ましい合金組成が存在する。その一例として、Ｆ
ｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃ系、及びＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｍｎ−
Ｃ系等がある。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｍｎ−Ｃ系の低合金
焼結鋼は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃ系よりも焼入れ性に優
れるという特徴を有する反面、ＣｒやＭｎ等の酸化され
やすい金属元素を含むため、焼結や鍛造等の際の加熱雰
囲気に敏感である。従って、粉末処理や加熱時における
雰囲気の選択並びに制御が重要となる。

【００２２】上記の合金組成において、Ｎｉは焼入れ性
を大幅に改善するが０.５重量％未満ではその効果がな
く、３重量％を越えると粉末の冷間成形が困難になるば
かりでなく、熱処理後の残留γ結晶が増えるため疲労強
度特性に有害となる。Ｍｏは少量の添加により焼入れ性
を改善し、又炭素と炭化物を形成して耐摩耗性及び耐熱
性を改善する。しかし、Ｍｏが０.１重量％未満ではそ
の効果がなく、１.５重量％を越えると固溶強化により
成形性を劣化させる。

【００２３】又、Ｃｒは焼入れ性を大幅に改善すると共
に、焼戻し軟化抵抗を増加させる作用を有する。しか
し、Ｃｒが０.５重量％未満では焼入れ性改善の効果が
なく、３重量％を越えると固溶強化により成形性が低下
する。Ｍｎは焼入れ性を改善すると共に、粉末製造の際
には脱酸剤、脱硫剤として作用して粉末の酸素量を低下
させる。しかし、０.２重量％未満では焼入れ性の改善
効果がなく、１.６重量％を越えると固溶強化により成
形性が劣化する。

【００２４】高温での粒成長の抑制に分散粒子によるピ
ン止め効果が有効であることは前記したが、同様にオー
ステナイト域で固溶度の低い炭化物や窒化物を形成する
元素を原料の合金粉末に添加することも有効である。こ
の方法によればオーステナイト化時の結晶粒の成長を抑
制できるので、旧γ結晶粒の粒径を一層微細化すること
が可能である。この種の元素としては、ニオブ、バナジ
ウム、チタン、タングステン、又はアルミニウムが有望
であり、その添加量は合計で０.０５〜３.０重量％が好
ましい。その理由は、０.０５重量％未満では結晶粒の
成長抑制の効果がなく、３.０重量％を越えて添加して
ももはや結晶粒は細かくならず、むしろ固溶硬化により
粉末の成形性が低下するからである。

【００２５】本発明の低合金焼結鋼の場合、結晶粒を非
常に小さくすることにより結晶粒界を増加させてあるの
で、変態の核となる部分が増えてγ→α＋Ｆｅ₃Ｃの変
態が促進され、その結果焼入れ性が劣化しやすいという
問題がある。ところが、ホウ素はオーステナイト粒界に
偏析して結晶粒界のエネルギーを下げることにより、結
晶粒界の核生成サイトとしての機能を低下させることが
できるので、微量の添加で焼入れ性を向上させる効果が
ある。この効果を得る為にはホウ素を重量分率で１０ｐ
ｐｍ以上添加する必要があるが、３００ｐｐｍを越えて
も焼き入れ性の向上がもはや見られないばかりか、結晶
粒界の強度が弱くなって脆化するので好ましくない。

【００２６】

【実施例】実施例１ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４６００組
成（Ｆｅ−１.８重量％Ｎｉ−０.５重量％Ｍｏ）を有す
る市販の鉄合金粉末を、高エネルギー乾式ミルを用いて
Ａｒ雰囲気中で、処理時間を２、３、４、２０、４０、
８０時間と変えて処理した。得られた各処理粉末を、窒
素雰囲気中にて８００℃で１時間加熱して焼鈍軟化さ
せ、最終組成で炭素量が０.２５重量％となるように黒
鉛粉末を添加混合した後、成形密度６.９ｇ／ｃｍ³（密
度比０.８７８）となるように金型プレスによりそれぞ
れ冷間成形した。得られた各成形体を、窒素中において
１１５０℃で１時間焼結し、更にその温度で鍛造して、
密度比０.９９以上の鍛造体を得た。

【００２７】各鍛造体を、有効浸炭深さ１ｍｍとなるよ
うに９１０℃で浸炭を行い、続いて８５０℃に保持した
後、油中に焼入れし、２００℃で９０分の焼戻しを行っ
た。このようにして得られた各低合金焼結鋼について、
旧γ結晶粒の平均粒径、４００ｍｍ²中の空孔及び最も
大きな非金属介在物の最大径、抗折強度、及び疲労強度
を測定し、表１の結果を得た。尚、疲労強度は平滑試験
片を用いた回転曲げ疲労試験により、抗折強度は４×９
×４５ｍｍの平滑試験片を用いて求めた。

【００２８】

【表１】 処理時間 旧γ粒径 介在物最大径 抗折強度 疲労強度試料 (hr) (μｍ) (μｍ) (kg／mm²) (kg／mm²) 1 2 18.7 186 220 80 2 3 15.0 48 230 85 3 4 12.6 47 244 90 4 20 10.4 33 261 95 5 40 8.8 25 277 100 6 80 8.2 27 273 100

【００２９】表１の結果から、乾式ミルによる原料粉末
の処理時間が増すにつれて、旧γ結晶粒の平均粒径及び
最大介在物の大きさが小さくなること、及びそれに伴い
低合金焼結鋼の特性が改善され、特に疲労強度が大幅に
増加することが判る。

【００３０】実施例２ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４６００組
成（Ｆｅ−１.８重量％Ｎｉ−０.５重量％Ｍｏ）を有す
る市販の鉄合金粉末を、高エネルギー乾式ミルを用いて
Ａｒ雰囲気中で４０時間処理した。得られた処理粉末
を、窒素雰囲気中にて８００℃で１時間加熱して焼鈍軟
化させた後、最終組成で炭素量が０.２５重量％となる
ようにグラファイトを添加混合した。この混合粉末を成
形密度６.９ｇ／ｃｍ³（密度比０.８７８）となるよう
に金型プレスにより冷間成形し、窒素中において１１５
０℃で１時間焼結し、更にその温度で鍛造して、鍛造後
の密度比をそれぞれ０.９２〜０.９９の範囲で変化させ
た。

【００３１】得られた密度比の異なる各鍛造体を実施例
１と同様に熱処理し、得られた各低合金焼結鋼につい
て、旧γ結晶粒の平均粒径、抗折強度、衝撃値、及び疲
労強度を測定し、表２の結果を得た。尚、各低合金焼結
鋼中に存在する空孔及び最大の介在物の最大径は、いず
れも５０μｍ以下であった。比較のために、乾式ミルに
よる原料粉末の処理を行わない以外、上記と同様にして
低合金焼結鋼を製造し、この比較材についても同じ評価
を行い、その結果を表２に併せて示した。

【００３２】

【表２】 旧γ粒径 抗折強度 衝 撃 値 疲労強度試料 密度比 (μｍ) (kg／mm²) (kgf・m／cm²) (kg／mm²) 7 0.92 8.8 202 0.66 70 8 0.94 8.9 221 0.92 75 9 0.96 8.8 248 1.4 85 10 0.99 8.7 277 3.2 100 比較材 0.99 22.4 210 1.72 75

【００３３】表２の結果から、密度比が上がるに連れ
て、低合金焼結鋼の強度、靭性、疲労強度のいずれも増
加することが判る。しかし、原料粉末を乾式ミルで処理
していない比較材においては、旧γ結晶粒の平均粒径が
大きいため、高密度にしても強度、靭性、疲労強度のい
ずれもが本発明の試料より劣っている。

【００３４】実施例３ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４６００組
成（Ｆｅ−１.８重量％Ｎｉ−０.５重量％Ｍｏ）を有す
る市販の鉄合金粉末に、平均粒径０.０５μｍのアルミ
ナ粉末を体積分率が０.５％、１.０％、２.０％、５.０
％となるように各々配合して混合した後、高エネルギー
乾式ミルを用いてＡｒ雰囲気中で４０時間処理した。得
られた各処理粉末を、実施例１と同一条件で、焼鈍軟
化、黒鉛粉末の混合、冷間成形、焼結、密度比０.９９
以上となる鍛造、及び熱処理を行って低合金焼結鋼を製
造した。

【００３５】得られた各低合金焼結鋼について、旧γ結
晶粒の平均粒径と共に、抗折強度、衝撃値、疲労強度を
測定し、その結果を表３に示した。尚、各低合金焼結鋼
中に存在する空孔及び介在物の最大径は、いずれも５０
μｍ以下であった。下記表３の結果から、アルミナの添
加により旧γ結晶粒が微細化されることが判るが、その
添加量が５体積％を越えると微細化の効果は頭打ちにな
り、衝撃値も低下傾向になることが判る。

【００３６】

【表３】 Al₂O₃含量 旧γ粒径 抗折強度 衝 撃 値 疲労強度試料 (vol％) (μｍ) (kg／mm²) (kgf・m／cm²) (kg／mm²) 11 0.5 7.8 279 3.4 100 12 1.0 4.8 330 6.1 120 13 2.0 2.9 338 6.7 120 14 5.0 2.5 342 5.9 120

【００３７】実施例４ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４６００組
成（Ｆｅ−１.８重量％Ｎｉ−０.５重量％Ｍｏ）を有す
る市販の鉄合金粉末に、平均粒径が０.０５μｍ、０.１
μｍ、０.５μｍ、５μｍ、１５μｍ、及び２４μｍの
各アルミナ粉末を体積分率が１.０％となるように各々
配合して混合した後、高エネルギー乾式ミルを用いてＡ
ｒ雰囲気中で４０時間処理した。得られた各処理粉末
を、実施例１と同一条件で、焼鈍軟化、黒鉛粉末の混
合、冷間成形、焼結、密度比０.９９以上となる鍛造、
及び熱処理を行って低合金焼結鋼を製造した。

【００３８】得られた各低合金焼結鋼について、旧γ結
晶粒の平均粒径と共に、抗折強度、衝撃値、疲労強度を
測定し、その結果を表４に示した。下記表４の結果か
ら、添加するアルミナ粉末の平均粒径が小さくなるほど
低合金焼結鋼中の旧γ結晶粒は微細化されるが、アルミ
ナ粉末の平均粒径が５μｍ以上ではアルミナはむしろ欠
陥として作用し、強度や靭性を低下させることが判る。

【００３９】

【表４】 Al₂O₃粒径 旧γ粒径 抗折強度 衝 撃 値 疲労強度試料 (μｍ) (μｍ) (kg／mm²) (kgf・m／cm²) (kg／mm²) 15 0.05 4.8 330 6.1 120 16 0.1 6.2 315 4.4 120 17 0.5 10.8 272 3.2 115 18 5 14.2 232 2.0 80 19 15 17.3 218 1.8 78 20 24 22.2 212 1.6 75

【００４０】実施例５ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４１００組
成（Ｆｅ−０.８重量％Ｍｎ−１.０重量％Ｃｒ−０.２
５重量％Ｍｏ）を有する市販の鉄合金粉末、及びこの鉄
合金粉末にＮｂ源、Ｔｉ源、Ｖ源、Ｗ源、及びＡｌ源と
してそれぞれフェロニオブ粉末、チタン粉末、フェロバ
ナジウム粉末、タングステン粉末、及びフェロアルミニ
ウム粉末を、最終組成で上記添加元素の含有量が０.５
重量％になるように添加混合した各粉末を、高エネルギ
ー乾式ミルを用いてＡｒ雰囲気中で４０時間処理した。

【００４１】得られた各処理粉末を、窒素雰囲気中にて
８００℃で１時間加熱して焼鈍軟化させた後、最終組成
で炭素量が０.２重量％となるようにグラファイトをそ
れぞれ添加混合した。これらの混合粉末を、実施例１と
同様に冷間成形、焼結、及び鍛造して、鍛造後の密度比
０.９９以上の鍛造体を得た。各鍛造体を有効浸炭深さ
が１ｍｍになるようにガス浸炭した後、８５０℃で加熱
し、油中に焼入れした後、２００℃で９０分の焼戻しを
行った。

【００４２】得られた各低合金焼結鋼について、旧γ結
晶粒の平均粒径、抗折強度、衝撃値及び疲労強度を測定
し、表５の結果を得た。尚、各鋼中に存在する空孔及び
介在物の最大径は、いずれも５０μｍ以下であった。表
５の結果から、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ又はＡｌの添加によ
って旧γ結晶粒の微細化が促進され、これらの元素を添
加しない場合に比べて強度や靭性が一層改善されること
が判る。

【００４３】

【表５】 旧γ粒径 抗折強度 衝 撃 値 疲労強度試料 添加元素 (μｍ) (kg／mm²) (kgf・m／cm²) (kg／mm²) 21 なし 8.8 277 3.2 100 22 Ｎｂ 6.2 321 4.9 120 23 Ｔｉ 7.7 318 4.9 115 24 Ｖ 6.5 310 4.8 120 25 Ｗ 7.2 316 5.1 120 26 Ａｌ 6.3 319 5.0 118

【００４４】実施例６ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４６００組
成（Ｆｅ−１.８重量％Ｎｉ−０.５重量％Ｍｏ）を有す
る市販の鉄合金粉末に、平均粒径０.０５μｍのアルミ
ナ粉末を１.０体積％混合した後、高エネルギー乾式ミ
ルを用いてＡｒ雰囲気中で４０時間処理した。得られた
処理粉末を、実施例１と同一条件で焼鈍軟化させた後、
最終組成で炭素が０.２５重量％及びホウ素が３０ｐｐ
ｍとなるように黒鉛粉末とフェロボロン粉末を混合し
た。この混合粉末を、実施例１と同様に冷間成形、焼
結、及び鍛造して、密度比０.９９以上の鍛造体を得
た。

【００４５】得られた鍛造体から直径２５.４ｍｍ×長
さ１０１.６ｍｍ（１×４インチ）の丸棒を削り出し、
その焼入れ性を評価するためにジョミニー試験を行っ
た。比較のため、実施例３で作製した１.０体積％のア
ルミナを含有し且つホウ素を含まない鍛造体（試料１２
＝Ｂ無添加本発明材）、及びＳＣＭ ４２０鋼材から同
一形状の丸棒を削り出し、これらについても焼入れ性を
比較評価した。その結果を図１に示す。図１から、Ｂ無
添加本発明材（試料１２）では旧γ結晶粒の微細化によ
り焼入れ性は低下するが、これにホウ素を添加した本実
施例のＢ添加本発明材では焼入れ性は大幅に改善され、
ＳＣＭ ４２０鋼材とほぼ同等レベルになることが判
る。

【００４６】実施例７ 水アトマイズ法により製造されたＡＩＳＩ ４６００組
成（Ｆｅ−１.８重量％Ｎｉ−０.５重量％Ｍｏ）を有す
る市販の鉄合金粉末に、平均粒径０.０５μｍのアルミ
ナ粉末を１.０体積％混合した後、高エネルギー乾式ミ
ルを用いてＡｒ雰囲気中で４０時間処理した。得られた
処理粉末を、真空中において１０００℃で１時間焼鈍軟
化させた後、最終組成で炭素が０.２５重量％となるよ
うに黒鉛粉末を混合し、実施例１と同様に冷間成形し
て、一方向クラッチの部品形状の成形体を作製した。

【００４７】成形体は実施例１と同様に焼結、鍛造、及
び熱処理した後、研磨等の加工を施して自動車用オート
マチックトランスミッションに用いる一方向クラッチの
外輪、及びスプラッグとした。比較のために、同様に熱
処理したＳＣＭ ４２０から同じ外輪及びスプラッグを
作製した。これらの本発明材と比較材の外輪及びスプラ
ッグを用いてクラッチを組み立て、ストローキング耐久
試験を行った。試験条件は下記表６の通りである。

【００４８】

【表６】

【００４９】上記耐久試験の結果として、本発明材と比
較材の外輪についての剥離等による累積破損確率を図２
に示す。この図２から、本発明材は比較材である従来の
ＳＣＭ ４２０浸炭鋼材よりも、剥離等に対する寿命に
優れていることが判る。又、上記耐久試験で、揺動数が
１０⁴、１０⁵、１０⁶の時点における各外輪とスプラッ
グの摩耗量を測定して図３に示す結果を得た。この図３
より、本発明材は比較材である従来のＳＣＭ ４２０浸
炭鋼材よりも、耐摩耗性に優れていることが判る。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、抗折強度等の静的特性
のみならず、疲労強度や靭性等の動的特性にも優れた低
合金焼結鋼を提供することができる。よって、本発明の
低合金焼結鋼は、歯車やクラッチ部品等の高い疲労強度
を要求される機械構造部品として特に有用であるほか、
従来この種の低合金焼結鋼が使用されていなかった分野
にも用途を開拓できるものと期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】ホウ素を含有する本発明材と、ホウ素を含まな
い本発明材と、ＳＣＭ ４２０鋼材とについて、ジョミ
ニー試験により得られた水冷端からの距離に対応する硬
さ（ロックウエルＣ硬度）の変化を示したグラフであ
る。

【図２】クラッチのストローキング耐久試験において、
本発明材とＳＣＭ ４２０鋼材の比較材とで作製した外
輪の剥離等に対する寿命を示す累積破損確率のグラフで
ある。

【図３】クラッチのストローキング耐久試験において、
本発明材で作製した外輪及びスプラッグと、ＳＣＭ ４
２０鋼材の比較材で作製した外輪及びスプラッグの耐摩
耗性を示すグラフである。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ０.１５重量％以上０.８重量％未満の炭
   素を含む低合金焼結鋼において、そのマトリックスが旧
   γ結晶粒の平均粒径が１５μｍ以下の焼戻しマルテンサ
   イトであり、該マトリックス中に含まれる空孔又は非金
   属介在物の最大径が５０μｍ以下であって、密度が理論
   密度の９６％以上であることを特徴とする疲労強度に優
   れた低合金焼結鋼。
2. 【請求項２】 マトリックス中に、オーステナイト域で
   固溶しないか又は固溶度の低い酸化物、窒化物及び炭化
   物から選ばれた少なくとも１種からなる、平均粒径０.
   ５μｍ以下の粒子が均一に分散していることを特徴とす
   る、請求項１に記載の疲労強度に優れた低合金焼結鋼。
3. 【請求項３】 ホウ素を重量分率で１０〜３００ｐｐｍ
   含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の疲
   労強度に優れた低合金焼結鋼。
4. 【請求項４】 ニオブ、バナジウム、チタン、タングス
   テン、及びアルミニウムから選ばれた少なくとも１種
   を、合計で０.０５〜３重量％含有することを特徴とす
   る、請求項１ないし３のいずれかに記載の疲労強度に優
   れた低合金焼結鋼。
5. 【請求項５】 アトマイズ法により製造された鉄粉末又
   は鉄合金粉末若しくはこれらを含む低合金鋼の原料粉末
   を、不活性ガス雰囲気中又は大気中において乾式ミルで
   処理することにより、原料粉末に転位を導入すると共に
   非金属介在物を最大径５０μｍ以下に粉砕し、その後こ
   の処理粉末を軟化焼鈍し、最終組成での炭素が０.１５
   重量％以上０.８重量％未満となるように炭素粉末を添
   加混合した後、この混合粉末を冷間成形し、焼結又は熱
   間塑性加工により理論密度の９６％以上に緻密化し、更
   に熱処理してマトリックスを焼戻しマルテンサイトとす
   ることを特徴とする疲労強度に優れた低合金焼結鋼の製
   造方法。
6. 【請求項６】 鉄粉末又は鉄合金粉末若しくはこれらを
   含む低合金鋼の原料粉末に、オーステナイト域で固溶し
   ないか又は固溶度の低い酸化物、窒化物及び炭化物から
   選ばれた少なくとも１種からなる平均粒径０.５μｍ以
   下の粒子を混合し、及び／又はニオブ、バナジウム、チ
   タン、タングステン及びアルミニウムから選ばれた少な
   くとも１種を合計で０.０５〜３重量％となるように混
   合した後、これを乾式ミルで処理することを特徴とす
   る、請求項５に記載の疲労強度に優れた低合金焼結鋼の
   製造方法。
7. 【請求項７】 乾式ミルで処理した処理粉末の軟化焼鈍
   を、真空中又は非酸化性雰囲気中にて６００〜１０００
   ℃の温度で行うことを特徴とする、請求項５又は６に記
   載の疲労強度に優れた低合金焼結鋼の製造方法。
8. 【請求項８】 軟化焼鈍後の処理粉末に、ホウ素が重量
   分率で１０〜３００ｐｐｍとなるようにフェロボロン粉
   末を添加混合することを特徴とする、請求項５ないし７
   のいずれかに記載の疲労強度に優れた低合金焼結鋼の製
   造方法。