高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法
【課題】高温環境下における耐蝕性および耐摩耗性をより一層向上させるとともに機械加工が容易な高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法を提供する。
【解決手段】質量比で、Ｃｒ：１５〜３５％と、Ｎｉ：３．５〜２２％と、ＭｏおよびＮｂのうち少なくともＮｂを０．１〜１．０質量％、残部が不可避不純物およびＦｅからなるステンレス鋼粉末に、数１で示される量の黒鉛粉末を配合し混合した原料粉末を所望の形状に圧粉成形して得られた成形体を焼結することにより、０．１質量％以上のＣを前記ステンレス鋼粉末に結合させることを特徴とする高温耐蝕耐摩耗性焼結部品。
【数１】
【解決手段】質量比で、Ｃｒ：１５〜３５％と、Ｎｉ：３．５〜２２％と、ＭｏおよびＮｂのうち少なくともＮｂを０．１〜１．０質量％、残部が不可避不純物およびＦｅからなるステンレス鋼粉末に、数１で示される量の黒鉛粉末を配合し混合した原料粉末を所望の形状に圧粉成形して得られた成形体を焼結することにより、０．１質量％以上のＣを前記ステンレス鋼粉末に結合させることを特徴とする高温耐蝕耐摩耗性焼結部品。
【数１】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下において耐蝕性とともに耐摩耗性が要求される部品、特に内燃機関に付設されるターボチャージャーの各種構成部品や、内燃機関のバルブシート等に好適な高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャーの構成部品や内燃機関のバルブシートは、高温の腐食性ガスである排気ガスと接触することから耐熱性及び耐蝕・耐摩耗性が要求される。また、ターボチャージャーの構成部品はノズルベーンと摺接し、内燃機関のバルブシートはバルブと摺接する。このため、これらの部品には高温下での耐摩耗性が要求される。そこで、ターボチャージャーの構成部品においては、従来より、例えば高Ｃｒ鋳鋼やＪＩＳ規格で規定されているＳＣＨ２２種に耐蝕・耐摩耗性向上の目的でＣｒ表面処理を施した材料等が使用されている。近年では、焼結材料（特許文献１、２等）の適用も行われている。また、内燃機関のバルブシートにおいては、従来より各種焼結材料（特許文献３等）が使用されている。
【０００３】
特許文献１では、金属炭化物が分散したニッケル・クロム系ステンレス鋼基地中にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏを含有するコバルト合金粒子と遊離炭素が分散する焼結合金が提案されている。基地をオーステナイト系ステンレス鋼として耐熱性を付与し、その基地中にクロムを主とする金属炭化物を分散させて基地の強度を上げている。さらに、硬質のコバルト系金属間化合物粒子を分散させて、凝着摩耗に対する抵抗を増加させ、遊離黒鉛の固体潤滑作用によって耐摩耗性の強度を図っている。
【０００４】
特許文献２では、質量比で、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｓｉ：１〜３％、Ｃ：０．５〜１．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜３．３質量％、黒鉛粉末を０．５〜１．５質量％を添加して混合した混合粉末が用いられている。この混合粉末を成形した後、焼結することにより、質量比でＣｒ：２３．８〜４４．３％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．１〜１．０％、Ｃ：１．０〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成が得られる。これは、Ｆｅ−Ｃｒ系の基地中にＭｏ炭化物およびＣｒ炭化物が分散するターボチャージャー用ターボ部品として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平０５−０４１６９３号公報
【特許文献２】特許第３７８４００３号公報
【特許文献３】特許第３６６１８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、環境問題、省エネルギー問題等により、従来以上の内燃機関の高効率化が求められている。これに対応するため、内燃機関の超希薄燃焼化が進んでおり、それにともなって、排気ガスがより高温になってきている。このため、ターボチャージャーの構成部品や内燃機関のバルブシートについても、より一層の高温環境下における耐蝕性および耐摩耗性の向上が要求されている。このような状況の下、特許文献１に記載のターボチャージャーの構成部品は、基地中にクロム炭化物が析出分散したものである。しかし、この場合、クロム炭化物は粒界に沿って析出するため、強度が低下する。さらに、クロム炭化物が析出することによって粒界付近のＣｒ量が低下し、粒界腐食が生じ易くなる。また、特許文献２に記載のターボチャージャーの構成部品は、液相焼結により作製されている。これは、比較的大きなＣｒ炭化物やＭｏ炭化物が多量に分散するもので、機械加工し難い。さらに、特許文献３に記載のバルブシート用焼結合金は、基地が高速度工具鋼系であるため、上記の特許文献１、２に比して耐蝕性が低いと考えられる。そこで、本発明は、高温環境下における耐蝕性および耐摩耗性をより一層向上させるとともに、機械加工が容易な高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためには、高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の金属組織を、高温においても耐食性が良好なステンレス鋼組成の基地と、該基地中に高温でも軟化しない金属炭化物を分散させたものとすることが好ましい。しかしながら、金属炭化物としてクロム炭化物を用いると、クロム炭化物の形成時に炭化物周囲の基地から耐食性の向上に必要なＣｒが吸収される。その結果、クロム炭化物周囲の基地のＣｒ濃度が低下し、その部分の耐食性が低下することとなる。一方、クロム炭化物周囲の基地のＣｒ濃度が低下しても耐食性に対して十分なＣｒ量となるよう基地に過多のＣｒを与えると、過剰のＣｒにより、原料粉末の圧縮性が低下するとともに高価なものとなる。
【０００８】
本発明者等は、ステンレス鋼組成の基地中に金属炭化物を分散させるにあたって、基地中のＣｒ量の低下を抑制する手法について、鋭意研究を重ねた。その結果、高温耐蝕耐摩耗性焼結部品にＣｒよりも炭化物形成能が高い金属元素を与えることにより、焼結時に基地の耐食性を担うＣｒの替わりに、Ｃｒよりも炭化物形成能が高い金属元素の炭化物を積極的に形成させて、炭化物周囲のＣｒ濃度の低下を抑制し、基地の耐食性の低下を抑制することができることを見出した。
【０００９】
本発明は上記の知見から為されたものであり、本発明の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法は、質量比で、Ｃｒ：１５〜３５％と、Ｎｉ：３．５〜２２％と、Ｍｏ：５％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避不純物であるステンレス鋼粉末に、数１で示される量の黒鉛粉末を配合し混合した原料粉末を所望の形状に圧粉成形して得られた成形体を焼結することにより、０．１質量％以上のＣを前記ステンレス鋼粉末に結合させることを特徴とする。
【数１】
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法により得られる高温耐蝕耐摩耗性焼結部品は、ステンレス鋼組成の基地中に炭化物が析出分散することで優れた耐摩耗性を示す。また、ステンレス鋼粉末に添加したＭｏおよびＮｂのうち少なくともＮｂが積極的に炭化物を形成するため、炭化物形成に使用されるＣｒ量が低減し、基地に含有されるＣｒ量が低下しにくく、部品の各部で良好な耐蝕性を示す。さらに上記炭化物は基地中に微細に析出するため機械加工も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例で用いた試料（試料番号０１〜０７）の酸化増量又は摩耗量とＣ比率との関係を示すグラフである。
【図２】第１実施例で用いた試料（試料番号０８〜１３）の酸化増量又は摩耗量とＣ比率との関係を示すグラフである。
【図３】第２実施例で用いた試料（試料番号１４〜２０）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＣｒ量との関係を示すグラフである。
【図４】第２実施例で用いた試料（試料番号１７、２１〜２７）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＮｉ量との関係を示すグラフである。
【図５】第３実施例で用いた試料（試料番号０５、２８〜３４）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＭｏ量との関係を示すグラフである。
【図６】第３実施例で用いた試料（試料番号１１、３５〜４０）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＮｂ量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法の骨子は以下の通りである。まず、ステンレス鋼粉末にＣｒより炭化物の形成能が高いＭｏおよびＮｂのうちの少なくともＮｂを固溶させて与える。さらに、このＭｏ、Ｎｂと結合する量のＣを黒鉛粉末の形態で添加し、金属炭化物としてモリブデン炭化物やニオブ炭化物を焼結後の基地中に析出分散させる。これによって、Ｃｒ炭化物の析出を抑制することが出来る。
【００１３】
焼結後の焼結部品の基地に耐食性を付与する観点より、硝酸のような酸化性の酸に対して有効な元素であるＣｒと、塩酸や硫酸のような非酸化性の酸に対して有効な元素であるＮｉの両者を併用する。また、上記のＣｒおよびＮｉの作用を基地全体に均一に与える必要があることから、ＣｒとＮｉの両者を鉄粉末に固溶させて与えたステンレス鋼粉末を用いる。
【００１４】
焼結後の焼結体の基地は、Ｃｒ量を１２質量％以上とすることで良好な酸化性の酸に対する耐蝕性を示す。このことから、上記のステンレス鋼粉末に含有されるＣｒのごく一部が焼結時に炭化物として析出しても焼結後の焼結体の基地に十分なＣｒ量が残留するように、本発明においては基地のＣｒ量を１５質量％以上とする。一方、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が３５質量％を超えると脆いσ相が形成されるようになり、ステンレス鋼粉末の圧縮性を著しく損なう。これらのことから、本発明においては、主原料粉末として用いるステンレス鋼粉末のＣｒ量を１５〜３５質量％とする。
【００１５】
焼結後の焼結体の基地は、Ｎｉ量を３．５質量％以上とすることで非酸化性の酸に対する耐蝕性を改善でき、１０質量％以上でＣｒ量とは無関係に非酸化性の酸に対する良好な耐蝕性が得られる。一方、焼結体の基地にＮｉを２２質量％を超えて含有させても耐蝕性向上の効果は変わらないこと、およびＮｉは高価な元素であることからステンレス鋼粉末に含有させるＮｉ量の上限を２２質量％とした。これらのことから本発明においては、ステンレス鋼粉末のＮｉ量を３．５〜２２質量％、好ましくは１０〜２２質量％とする。
【００１６】
なお、鋼の耐蝕性はオーステナイト組織の方が結晶学的に原子密度が高いため、フェライト組織よりも優れる。このため、焼結後に得られる焼結体の基地組織をオーステナイト組織となるよう、Ｃｒ量とＮｉ量を調整してステンレス鋼粉末に含有させることがより好ましい。例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金の焼鈍し組織図において、横軸をＣｒ量、縦軸をＮｉ量、Ａ点：Ｃｒ量が１５質量％でＮｉ量が７．５質量％、Ｂ点：Ｃｒ量が１８質量％でＮｉ量が６．５質量％、Ｃ点：Ｃｒ量が２４質量％でＮｉ量が１８質量％とする。このＡ点−Ｂ点−Ｃ点を結ぶ折れ線よりＮｉ量が多い領域でオーステナイト組織が得られるから、Ｃｒ量とＮｉ量がこの領域に含まれるよう調整すればよい。
【００１７】
本発明においては、上記の基地組織中に金属炭化物を分散させることで耐摩耗性の向上を図る。この時、金属炭化物としてクロム炭化物が多量に析出すると、基地の耐蝕性が低下する。このため、ステンレス鋼粉末にＣｒより炭化物形成能が高いＭｏやＮｂを固溶させて与える。そして、焼結時にこのＭｏやＮｂと、黒鉛粉末の形態で原料粉末に添加されたＣを選択的に結合させる。これによって、焼結部品のステンレス鋼組成の基地中にクロム炭化物が形成されることを抑制出来る。またＭｏやＮｂの炭化物はクロム炭化物と異なり粒界に沿って析出せず、粒内に析出するため強度の低下も抑制できる。このようなＭｏ，Ｎｂによる炭化物形成の効果を焼結部品全体に均一に及ぼすためには、Ｍｏ，Ｎｂを上記のステンレス鋼粉末に固溶させて与える必要がある。またＣをステンレス鋼粉末に固溶して与えると粉末がかたくなって圧縮性が損なわれるため、Ｃは黒鉛粉末の形態で与え、上記のステンレス鋼粉末と黒鉛粉を混合して原料粉末とする必要がある。
【００１８】
上記のＭｏ，Ｎｂについて、ＭｏはＭｏＣ，Ｍｏ２Ｃ等、ＮｂはＮｂＣ，Ｎｂ４Ｃ３等の形態の炭化物を析出すると考えられる。また、それらの一部は、(Ｆｅ，Ｍｏ)６Ｃ等のＭ６Ｃ型，(Ｆｅ，Ｍｏ)２３Ｃ６等のＭ２３Ｃ６型等の形態で析出すると考えられる。これらの炭化物の比率については制御が困難であるため、添加するＣ量すなわち黒鉛粉末の添加量についてはある程度幅を持たせて設定する必要がある。このような観点から、Ｍｏ量に対する黒鉛粉末の添加量を(０．０５〜０．２５)×Ｍｏ量、Ｎｂ量に対する黒鉛粉末の添加量を(０．１２〜０．２５)×Ｎｂ量として設定した。ここで、黒鉛粉末の添加量が各々の元素に対する上記設定量より下回ると、析出する金属炭化物の量が少なくなり、耐摩耗性向上の効果が乏しくなる。一方、黒鉛粉末の添加量が各々の元素に対する上記設定量より上回ると、余剰のＣが基地のＣｒと炭化物を形成し、局所的なＣｒ濃度低下部分が形成される。これは、耐食性の低下を招くこととなる。
【００１９】
なおステンレス鋼粉末への黒鉛粉末の添加量については、上記の金属炭化物形成に費やされる量よりも、余分に加える必要がある。焼結中、ステンレス鋼粉末表面の酸化被膜や、粉末表面に吸着する水分等をＣＯガスとして還元するために、黒鉛粉末が消費されるからである。この追加分のＣ量としては０．３質量％以下とすればよい。このため、ステンレス鋼粉末に添加する黒鉛粉末の量は、以下のように表すことが出来る。
【数１】
【００２０】
なお、Ｍｏ，Ｎｂに対するＣ量（黒鉛粉末の添加量）を上記のようにある程度幅を持たせて設定したため、基地のＣｒのごく一部は炭化物として析出する場合がある。しかし、基地のＣｒ量を上記のように１５質量％以上と設定しているため、ごく一部にＣｒ炭化物もしくはＭｏまたはＮｂとの複合炭化物が析出しても基地のＣｒ量が１２質量％を下回ることはなく、良好な耐蝕性を維持できる。
【００２１】
上記の金属炭化物は、基地中に分散することで基地の塑性流動を抑制し、耐摩耗性を向上させる。この金属炭化物を形成するため、Ｍｏは１．５質量％以上、Ｎｂは０．１質量％以上が必要となる。ところで、金属炭化物形成のためのＭｏ，Ｎｂはその効果を基地全体に均一に及ぼす必要からステンレス鋼粉末に固溶させて与えることとしたが、Ｍｏ，Ｎｂを多量にステンレス鋼粉末に固溶させるとステンレス鋼粉末の硬さが増加して圧縮性の低下が著しくなり、成形体密度が上がらない。その結果、焼結後の焼結体密度が低下して、強度、耐摩耗性が著しく低下する。このため、ステンレス鋼粉末に固溶させて与えるＭｏ量の上限を５質量％、Ｎｂの上限を１質量％とする。これらの金属炭化物は微細な形態（φ１０μｍ以下）で基地中に分散するため、切削加工等の機械加工性にも優れる。
【００２２】
上記のステンレス鋼組成の基地としては従来より行われているように、Ｃｕ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｅ，Ｐ，Ｓ，Ｎ等の元素を追加して含有させても良い。すなわち、上記のステンレス鋼組成の基地には、耐酸性、耐食性、耐点食性向上もしくは析出硬化性付与の目的でＣｕを１〜４％含有することができる。また、溶接性向上、耐熱性向上、もしくは析出硬化性付与の目的でＡｌを０．１〜５％含有することができる。さらに、結晶粒調整、Ｎｉ量低減の目的でＮを０．３％以下含有することができ、Ｎｉ量低減の目的でＭｎを５．５〜１０％含有することができる。耐酸化性、耐熱性、耐硫酸性向上の目的でＳｉを０．１５〜５％、耐粒界腐食性の向上、快削性向上の目的でＳｅ、Ｐ、Ｓを含有することができる。
【００２３】
上記のＭｏとＮｂのうち少なくともＮｂを０．１〜１．０％含有するステンレス鋼粉末と、硬質相形成粉末及び黒鉛粉末からなる原料粉末を用いる。従来と同じく、この原料粉末は、所望の形状の型孔を有する金型の型孔に充填され、上下パンチにより圧粉成形されて所望の形状の成形体とされる。得られた成形体は、焼結されて高温耐蝕耐摩耗性焼結部品となる。得られた成形体の組織の一例として、図１のように表すことが出来る。成形体の組織においては、硬質相を含んだステンレス鋼基地中に金属炭化物が析出分散しており、気孔が含まれている。ここで、焼結温度が１０００℃に満たないと、焼結による粉末どうしの結合が不充分となり強度が乏しくなるとともに、十分な量の金属炭化物が形成されず耐摩耗性も乏しくなる。一方、焼結温度が１３００℃を超えると、焼結による収縮量が大きくなるとともに変形し易くなって寸法精度が低下する。このため焼結温度は１０００〜１３００℃の範囲が適当である。
【００２４】
上記の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品においては、被削性改善のため、従来の被削性改善物質添加法を併用して製造することができる。その方法としては、上記の耐摩耗性焼結部品の気孔中または粉末粒界に、珪酸マグネシウム系鉱物、窒化硼素、硫化マンガン、カルシウム弗化物、硫化クロムのうち少なくとも１種を分散させる方法である。これらの被削性改善物質は高温でも安定であり、粉末の形態で原料粉末に添加しても焼結過程で分解せず、被削性改善物質として上記の箇所に分散して被削性を改善できる。この被削性改善物質添加法の併用により、より一層の耐摩耗性焼結部材の被削性改善を行うことができる。また、被削性改善物質粉末は、過剰に添加すると耐摩耗性焼結部材の強度を損ない、耐摩耗性の低下を招く。このため、被削性改善物質添加法を併用する場合、その添加量の上限を５．０質量％に止めるべきである。
【実施例】
【００２５】
［第１実施例］
表１に示す組成のステンレス鋼粉末に対し、表１に示す量の黒鉛粉末を添加、混合した原料粉末を用意した。これらの原料粉末について、成形圧力１．２ＧＰａで直径：３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状に圧粉成形を行った。こうして得られた圧粉体を、分解アンモニアガス雰囲気中１２００℃×１Ｈｒで焼結し、試料番号０１〜１３の試料を作製した。これらの試料につき、炭素分析装置（株式会社堀場製作所製）を用いて試料と結合した炭素量（結合Ｃ量）の測定を行った。そして、黒鉛粉末の添加量から上記結合Ｃ量を引いて、焼結によって失われた炭素量（損失Ｃ量）を求めた。また、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量またはＮｂ量に対する上記結合Ｃ量の比（Ｃ比率）を算出した。これらの試料について、酸化試験と往復摺動摩擦試験を行い試験後の摩耗量を測定した。これらの結果を表１、２及び図１、２に併せて示す。
【００２６】
酸化試験は、各試験片毎にアルミナ製るつぼに配置して、これをマッフル炉に入れて大気雰囲気中９００℃の温度で１００時間加熱して行った。そして、試験前後の重量差を測定し、これを幾何表面積で除した値を酸化増量（ｇ／ｍ２）として評価を行った。
【００２７】
往復摺動摩擦試験は、上記の円板形状試験片に、直径：１５ｍｍ、厚さ２２ｍｍのロール（相手材）の側面を所定の荷重で押圧しながら往復摺動させる摩擦試験である。本試験においては、ロール材としてＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当の溶製鋼の表面にクロマイズ処理（表面にクロムを被覆するとともに硬質な鉄クロム金属間化合物層を形成して耐摩耗性、耐焼き付き性および耐食性等を向上させる処理）を施したものを用いた。そして、荷重：４０Ｎ、往復摺動の周波数：２０Ｈｚ、往復摺動の振幅：１．５ｍｍ、試験時間：２０ｍｉｎ、試験温度：室温の試験条件の下で往復摺動摩擦試験を行った。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
表１及び２より、各試料の炭素分析結果の数値（結合Ｃ量）は、添加した黒鉛粉末の量に対して０．３質量％程度低い値を示す。これは、焼結時、ステンレス鋼粉末表面の酸化被膜の除去等によって失われたものと考えられる。
【００３１】
表１及び２の試料番号０１〜０７の試料より、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量に対する結合Ｃ量の比（Ｃ比率）の影響を調べることができる。黒鉛粉末添加量が０．３質量％の試料番号０１は、添加した黒鉛がほとんど失われて試料に炭素がほとんど検出されず、金属炭化物が形成されなかった。この試料においては、酸化増量は低く抑制され良好な耐食性を示すものの、金属炭化物が存在しないため摩耗量が大きく、耐摩耗性は低いことがわかる。一方、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．０５となる試料番号０２では、金属炭化物が生成して、酸化増量が若干増加して耐食性の低下の傾向が見られる。しかし、摩耗量は小さくなっており、耐摩耗性が向上することがわかる。また、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．２５となる試料番号０６までは、Ｃ比率の増加につれて酸化増量が緩やかに増加して耐食性が低下する傾向を示す。同時に、摩耗量が低下して耐摩耗性の向上の傾向を示している。しかし、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．２５を超える試料番号０７の試料では、Ｍｏ量に対して黒鉛粉末添加量が過多となり、基地中のＣｒが金属炭化物として多量に析出するようになるため、基地の耐食性が非常に低下して、酸化増量が増大している。また、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．２５の試料番号０６の試料では、耐摩耗性の向上に十分な金属炭化物が形成されており、黒鉛粉末の添加量がさらに多い試料番号０７の試料では、それ以上の耐摩耗性の向上が見られなくなっている。以上のことから、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．０５となる量の黒鉛粉末を添加すると耐摩耗性は向上するが、Ｃ比率が０．２５を超える量の黒鉛粉末を添加しても耐摩耗性は向上せず、耐食性が非常に低下することが確認された。これらのことから、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量に対するＣ比率が０．０５〜０．２５の範囲において良好な耐食性及び耐摩耗性が得られるとわかる。
【００３２】
表１及び２の試料番号０８〜１３の試料より、ステンレス鋼粉末中のＮｂ量に対する結合Ｃ量の比（Ｃ比率）の影響を調べることができる。Ｎｂ量に対するＣ比率の影響は、上記Ｍｏ量に対するＣ比率の影響と同様な傾向を示し、ステンレス鋼粉末中のＮｂ量に対するＣ比率が０．１２〜０．２５の範囲において良好な耐食性及び耐摩耗性が得られることがわかる。
【００３３】
［第２実施例］
Ｍｏ量およびＮｂ量が一定であり、Ｃｒ量とＮｉ量が表３のように異なるステンレス鋼粉末を用いた。これに０．８質量％の黒鉛粉末を添加、混合し、原料粉末を得た。原料粉末を第１実施例と同様の条件で成形、焼結して、表３に示す試料番号１４〜２７の試料を作製した。これらの試料について、第１実施例と同様の条件で耐食性試験及び耐摩耗性試験を行った。その結果について表３及び図３、４に併せて示す。
【００３４】
【表３】
【００３５】
表３の試料番号１４〜２０により、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量の影響を調べることができる。ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が１５質量％に満たない試料番号１４の試料では、Ｃｒ量が少ないため、酸化増量が大きい値となっている。一方、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が１５質量％の試料番号１５の試料では試料番号１４に比して酸化増量が著しく抑制されており、Ｃｒによる耐食性向上の効果が認められる。ステンレス鋼粉末中のＣｒ量を増加に従い、酸化増量は低下し耐食性の向上が認められる。また、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量の増加にともない、摩耗量も低下傾向にあり、耐摩耗性向上の効果も認められる。これは基地中のＣｒ量が増加することにより、ごく一部の基地中のＣｒがクロム炭化物として析出したためと考えられる。ただし、耐食性試験の結果より、このごく一部のクロム炭化物の析出は、基地中のＣｒ量を大幅に低減するものではないとわかる。一方、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が３５質量％を超える試料番号２０の試料では耐食性が低下している。この理由として、ステンレス鋼粉末中に硬いσ相が生じて、原料粉末の圧縮性が低下したことが挙げられる。その結果、成形体の密度及び焼結体の密度が低下して気孔量が増加し、耐食性が低下したと考えられる。これらのことから、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量は１５〜３５質量％の範囲が良好な耐食性と耐摩耗性を示すことが確認された。
【００３６】
表３の試料番号１７および２１〜２７により、ステンレス鋼粉末中のＮｉ量の影響を調べることができる。試料番号２１はＮｉを含有しないフェライト系ステンレスの例であり、酸化増量は小さく、耐食性も良い。一方、３．５質量％のＮｉを含有する試料番号２２では、さらに酸化増量が抑制され、Ｎｉを含有することによる耐食性向上の効果が認められる。しかし、Ｎｉ含有量が２２質量％を超えてもそれ以上の耐食性向上の効果は見られない。そのため、コストの観点から、Ｎｉ含有量は２２質量％までで十分である。この場合、Ｎｉの含有により基地組織はフェライトではなくオーステナイトとなるため、Ｃの固溶限が大きくなる。このため、オーステナイト基地である試料番号２２では、金属炭化物の析出量が減少し、摩耗量が若干増加している。ただし、この耐摩耗性の低下はごく僅かであり、問題のない程度である。これらのことから、３．５〜２２質量％のＮｉの含有は、耐食性の向上に有効であることが確認された。
【００３７】
［第３実施例］
Ｃｒ量およびＮｉ量が一定であり、Ｍｏ量とＮｂ量が表４のように異なるステンレス鋼粉末を用意した。これにステンレス鋼中のＭｏ量またはＮｂ量に対する結合Ｃ量の比（Ｃ比率）が０．２となる量の黒鉛粉末を添加、混合し、原料粉末を得た。この原料粉末を第１実施例と同様の条件で成形、焼結して、表４に示す試料番号２８〜４０の試料を作製した。これらの試料について、第１実施例と同様の条件で耐食性試験と耐摩耗性試験を行った。その結果について表４、５及び図５、６に併せて示す。なお、表４、５には、第１実施例の試料番号０５と１１の値を併記した。また、図５には第１実施例の試料番号０５、図６には試料番号１１の値も併記した。
【００３８】
【表４】
【００３９】
【表５】
【００４０】
表４、５の試料番号０５および２８〜３４により、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量の影響を調べることができる。これらより、ステンレス鋼粉末中にＮｂを含まず、Ｍｏ量の少ない、結合Ｃ量がほとんどない試料番号２８の試料は耐食性は良好であるが、金属炭化物が析出していないため摩耗量が多く、耐摩耗性は低い。一方、ステンレス鋼粉末中に１〜５質量％のＭｏを含有するとともにＭｏ量に対するＣ比率が０．２となる量の黒鉛粉末を添加した試料番号０５、２９〜３３では、モリブデン炭化物が析出して良好な耐食性とともに良好な耐摩耗性を示す。しかし、Ｍｏ量が５質量％を超える試料番号３４の試料では、耐食性、耐摩耗性ともに低下している。これは、ステンレス鋼粉末中に固溶するＭｏ量が過多となって原料粉末の圧縮性が低下し、成形体密度が低下するとともに焼結体密度が低下したためと考えられる。
【００４１】
表４、５の試料番号１１、３５〜４０により、ステンレス鋼粉末中のＮｂの影響を調べることができる。ステンレス鋼粉末中のＮｂの影響は、上記のＭｏの影響と同様な傾向を示し、ステンレス鋼粉末中のＮｂ量が０．１〜１質量％の範囲で良好な耐食性及び耐摩耗性が得られることがわかる。Ｎｂ量が１質量％を超える場合は、原料粉末の圧縮性が低下し、耐食性と耐摩耗性がともに低下した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法により得られる高温耐蝕耐摩耗性焼結部品は、優れた耐摩耗性と耐食性を示すとともに機械加工も容易である。従って、ターボチャージャーの構成部品や、内燃機関のバルブシート等の、高温環境下において耐蝕性とともに耐摩耗性が要求される部品に好適なものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下において耐蝕性とともに耐摩耗性が要求される部品、特に内燃機関に付設されるターボチャージャーの各種構成部品や、内燃機関のバルブシート等に好適な高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャーの構成部品や内燃機関のバルブシートは、高温の腐食性ガスである排気ガスと接触することから耐熱性及び耐蝕・耐摩耗性が要求される。また、ターボチャージャーの構成部品はノズルベーンと摺接し、内燃機関のバルブシートはバルブと摺接する。このため、これらの部品には高温下での耐摩耗性が要求される。そこで、ターボチャージャーの構成部品においては、従来より、例えば高Ｃｒ鋳鋼やＪＩＳ規格で規定されているＳＣＨ２２種に耐蝕・耐摩耗性向上の目的でＣｒ表面処理を施した材料等が使用されている。近年では、焼結材料（特許文献１、２等）の適用も行われている。また、内燃機関のバルブシートにおいては、従来より各種焼結材料（特許文献３等）が使用されている。
【０００３】
特許文献１では、金属炭化物が分散したニッケル・クロム系ステンレス鋼基地中にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏを含有するコバルト合金粒子と遊離炭素が分散する焼結合金が提案されている。基地をオーステナイト系ステンレス鋼として耐熱性を付与し、その基地中にクロムを主とする金属炭化物を分散させて基地の強度を上げている。さらに、硬質のコバルト系金属間化合物粒子を分散させて、凝着摩耗に対する抵抗を増加させ、遊離黒鉛の固体潤滑作用によって耐摩耗性の強度を図っている。
【０００４】
特許文献２では、質量比で、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｓｉ：１〜３％、Ｃ：０．５〜１．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜３．３質量％、黒鉛粉末を０．５〜１．５質量％を添加して混合した混合粉末が用いられている。この混合粉末を成形した後、焼結することにより、質量比でＣｒ：２３．８〜４４．３％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．１〜１．０％、Ｃ：１．０〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成が得られる。これは、Ｆｅ−Ｃｒ系の基地中にＭｏ炭化物およびＣｒ炭化物が分散するターボチャージャー用ターボ部品として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平０５−０４１６９３号公報
【特許文献２】特許第３７８４００３号公報
【特許文献３】特許第３６６１８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、環境問題、省エネルギー問題等により、従来以上の内燃機関の高効率化が求められている。これに対応するため、内燃機関の超希薄燃焼化が進んでおり、それにともなって、排気ガスがより高温になってきている。このため、ターボチャージャーの構成部品や内燃機関のバルブシートについても、より一層の高温環境下における耐蝕性および耐摩耗性の向上が要求されている。このような状況の下、特許文献１に記載のターボチャージャーの構成部品は、基地中にクロム炭化物が析出分散したものである。しかし、この場合、クロム炭化物は粒界に沿って析出するため、強度が低下する。さらに、クロム炭化物が析出することによって粒界付近のＣｒ量が低下し、粒界腐食が生じ易くなる。また、特許文献２に記載のターボチャージャーの構成部品は、液相焼結により作製されている。これは、比較的大きなＣｒ炭化物やＭｏ炭化物が多量に分散するもので、機械加工し難い。さらに、特許文献３に記載のバルブシート用焼結合金は、基地が高速度工具鋼系であるため、上記の特許文献１、２に比して耐蝕性が低いと考えられる。そこで、本発明は、高温環境下における耐蝕性および耐摩耗性をより一層向上させるとともに、機械加工が容易な高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためには、高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の金属組織を、高温においても耐食性が良好なステンレス鋼組成の基地と、該基地中に高温でも軟化しない金属炭化物を分散させたものとすることが好ましい。しかしながら、金属炭化物としてクロム炭化物を用いると、クロム炭化物の形成時に炭化物周囲の基地から耐食性の向上に必要なＣｒが吸収される。その結果、クロム炭化物周囲の基地のＣｒ濃度が低下し、その部分の耐食性が低下することとなる。一方、クロム炭化物周囲の基地のＣｒ濃度が低下しても耐食性に対して十分なＣｒ量となるよう基地に過多のＣｒを与えると、過剰のＣｒにより、原料粉末の圧縮性が低下するとともに高価なものとなる。
【０００８】
本発明者等は、ステンレス鋼組成の基地中に金属炭化物を分散させるにあたって、基地中のＣｒ量の低下を抑制する手法について、鋭意研究を重ねた。その結果、高温耐蝕耐摩耗性焼結部品にＣｒよりも炭化物形成能が高い金属元素を与えることにより、焼結時に基地の耐食性を担うＣｒの替わりに、Ｃｒよりも炭化物形成能が高い金属元素の炭化物を積極的に形成させて、炭化物周囲のＣｒ濃度の低下を抑制し、基地の耐食性の低下を抑制することができることを見出した。
【０００９】
本発明は上記の知見から為されたものであり、本発明の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法は、質量比で、Ｃｒ：１５〜３５％と、Ｎｉ：３．５〜２２％と、Ｍｏ：５％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避不純物であるステンレス鋼粉末に、数１で示される量の黒鉛粉末を配合し混合した原料粉末を所望の形状に圧粉成形して得られた成形体を焼結することにより、０．１質量％以上のＣを前記ステンレス鋼粉末に結合させることを特徴とする。
【数１】
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法により得られる高温耐蝕耐摩耗性焼結部品は、ステンレス鋼組成の基地中に炭化物が析出分散することで優れた耐摩耗性を示す。また、ステンレス鋼粉末に添加したＭｏおよびＮｂのうち少なくともＮｂが積極的に炭化物を形成するため、炭化物形成に使用されるＣｒ量が低減し、基地に含有されるＣｒ量が低下しにくく、部品の各部で良好な耐蝕性を示す。さらに上記炭化物は基地中に微細に析出するため機械加工も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例で用いた試料（試料番号０１〜０７）の酸化増量又は摩耗量とＣ比率との関係を示すグラフである。
【図２】第１実施例で用いた試料（試料番号０８〜１３）の酸化増量又は摩耗量とＣ比率との関係を示すグラフである。
【図３】第２実施例で用いた試料（試料番号１４〜２０）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＣｒ量との関係を示すグラフである。
【図４】第２実施例で用いた試料（試料番号１７、２１〜２７）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＮｉ量との関係を示すグラフである。
【図５】第３実施例で用いた試料（試料番号０５、２８〜３４）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＭｏ量との関係を示すグラフである。
【図６】第３実施例で用いた試料（試料番号１１、３５〜４０）の酸化増量又は摩耗量とステンレス鋼粉末中のＮｂ量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法の骨子は以下の通りである。まず、ステンレス鋼粉末にＣｒより炭化物の形成能が高いＭｏおよびＮｂのうちの少なくともＮｂを固溶させて与える。さらに、このＭｏ、Ｎｂと結合する量のＣを黒鉛粉末の形態で添加し、金属炭化物としてモリブデン炭化物やニオブ炭化物を焼結後の基地中に析出分散させる。これによって、Ｃｒ炭化物の析出を抑制することが出来る。
【００１３】
焼結後の焼結部品の基地に耐食性を付与する観点より、硝酸のような酸化性の酸に対して有効な元素であるＣｒと、塩酸や硫酸のような非酸化性の酸に対して有効な元素であるＮｉの両者を併用する。また、上記のＣｒおよびＮｉの作用を基地全体に均一に与える必要があることから、ＣｒとＮｉの両者を鉄粉末に固溶させて与えたステンレス鋼粉末を用いる。
【００１４】
焼結後の焼結体の基地は、Ｃｒ量を１２質量％以上とすることで良好な酸化性の酸に対する耐蝕性を示す。このことから、上記のステンレス鋼粉末に含有されるＣｒのごく一部が焼結時に炭化物として析出しても焼結後の焼結体の基地に十分なＣｒ量が残留するように、本発明においては基地のＣｒ量を１５質量％以上とする。一方、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が３５質量％を超えると脆いσ相が形成されるようになり、ステンレス鋼粉末の圧縮性を著しく損なう。これらのことから、本発明においては、主原料粉末として用いるステンレス鋼粉末のＣｒ量を１５〜３５質量％とする。
【００１５】
焼結後の焼結体の基地は、Ｎｉ量を３．５質量％以上とすることで非酸化性の酸に対する耐蝕性を改善でき、１０質量％以上でＣｒ量とは無関係に非酸化性の酸に対する良好な耐蝕性が得られる。一方、焼結体の基地にＮｉを２２質量％を超えて含有させても耐蝕性向上の効果は変わらないこと、およびＮｉは高価な元素であることからステンレス鋼粉末に含有させるＮｉ量の上限を２２質量％とした。これらのことから本発明においては、ステンレス鋼粉末のＮｉ量を３．５〜２２質量％、好ましくは１０〜２２質量％とする。
【００１６】
なお、鋼の耐蝕性はオーステナイト組織の方が結晶学的に原子密度が高いため、フェライト組織よりも優れる。このため、焼結後に得られる焼結体の基地組織をオーステナイト組織となるよう、Ｃｒ量とＮｉ量を調整してステンレス鋼粉末に含有させることがより好ましい。例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金の焼鈍し組織図において、横軸をＣｒ量、縦軸をＮｉ量、Ａ点：Ｃｒ量が１５質量％でＮｉ量が７．５質量％、Ｂ点：Ｃｒ量が１８質量％でＮｉ量が６．５質量％、Ｃ点：Ｃｒ量が２４質量％でＮｉ量が１８質量％とする。このＡ点−Ｂ点−Ｃ点を結ぶ折れ線よりＮｉ量が多い領域でオーステナイト組織が得られるから、Ｃｒ量とＮｉ量がこの領域に含まれるよう調整すればよい。
【００１７】
本発明においては、上記の基地組織中に金属炭化物を分散させることで耐摩耗性の向上を図る。この時、金属炭化物としてクロム炭化物が多量に析出すると、基地の耐蝕性が低下する。このため、ステンレス鋼粉末にＣｒより炭化物形成能が高いＭｏやＮｂを固溶させて与える。そして、焼結時にこのＭｏやＮｂと、黒鉛粉末の形態で原料粉末に添加されたＣを選択的に結合させる。これによって、焼結部品のステンレス鋼組成の基地中にクロム炭化物が形成されることを抑制出来る。またＭｏやＮｂの炭化物はクロム炭化物と異なり粒界に沿って析出せず、粒内に析出するため強度の低下も抑制できる。このようなＭｏ，Ｎｂによる炭化物形成の効果を焼結部品全体に均一に及ぼすためには、Ｍｏ，Ｎｂを上記のステンレス鋼粉末に固溶させて与える必要がある。またＣをステンレス鋼粉末に固溶して与えると粉末がかたくなって圧縮性が損なわれるため、Ｃは黒鉛粉末の形態で与え、上記のステンレス鋼粉末と黒鉛粉を混合して原料粉末とする必要がある。
【００１８】
上記のＭｏ，Ｎｂについて、ＭｏはＭｏＣ，Ｍｏ２Ｃ等、ＮｂはＮｂＣ，Ｎｂ４Ｃ３等の形態の炭化物を析出すると考えられる。また、それらの一部は、(Ｆｅ，Ｍｏ)６Ｃ等のＭ６Ｃ型，(Ｆｅ，Ｍｏ)２３Ｃ６等のＭ２３Ｃ６型等の形態で析出すると考えられる。これらの炭化物の比率については制御が困難であるため、添加するＣ量すなわち黒鉛粉末の添加量についてはある程度幅を持たせて設定する必要がある。このような観点から、Ｍｏ量に対する黒鉛粉末の添加量を(０．０５〜０．２５)×Ｍｏ量、Ｎｂ量に対する黒鉛粉末の添加量を(０．１２〜０．２５)×Ｎｂ量として設定した。ここで、黒鉛粉末の添加量が各々の元素に対する上記設定量より下回ると、析出する金属炭化物の量が少なくなり、耐摩耗性向上の効果が乏しくなる。一方、黒鉛粉末の添加量が各々の元素に対する上記設定量より上回ると、余剰のＣが基地のＣｒと炭化物を形成し、局所的なＣｒ濃度低下部分が形成される。これは、耐食性の低下を招くこととなる。
【００１９】
なおステンレス鋼粉末への黒鉛粉末の添加量については、上記の金属炭化物形成に費やされる量よりも、余分に加える必要がある。焼結中、ステンレス鋼粉末表面の酸化被膜や、粉末表面に吸着する水分等をＣＯガスとして還元するために、黒鉛粉末が消費されるからである。この追加分のＣ量としては０．３質量％以下とすればよい。このため、ステンレス鋼粉末に添加する黒鉛粉末の量は、以下のように表すことが出来る。
【数１】
【００２０】
なお、Ｍｏ，Ｎｂに対するＣ量（黒鉛粉末の添加量）を上記のようにある程度幅を持たせて設定したため、基地のＣｒのごく一部は炭化物として析出する場合がある。しかし、基地のＣｒ量を上記のように１５質量％以上と設定しているため、ごく一部にＣｒ炭化物もしくはＭｏまたはＮｂとの複合炭化物が析出しても基地のＣｒ量が１２質量％を下回ることはなく、良好な耐蝕性を維持できる。
【００２１】
上記の金属炭化物は、基地中に分散することで基地の塑性流動を抑制し、耐摩耗性を向上させる。この金属炭化物を形成するため、Ｍｏは１．５質量％以上、Ｎｂは０．１質量％以上が必要となる。ところで、金属炭化物形成のためのＭｏ，Ｎｂはその効果を基地全体に均一に及ぼす必要からステンレス鋼粉末に固溶させて与えることとしたが、Ｍｏ，Ｎｂを多量にステンレス鋼粉末に固溶させるとステンレス鋼粉末の硬さが増加して圧縮性の低下が著しくなり、成形体密度が上がらない。その結果、焼結後の焼結体密度が低下して、強度、耐摩耗性が著しく低下する。このため、ステンレス鋼粉末に固溶させて与えるＭｏ量の上限を５質量％、Ｎｂの上限を１質量％とする。これらの金属炭化物は微細な形態（φ１０μｍ以下）で基地中に分散するため、切削加工等の機械加工性にも優れる。
【００２２】
上記のステンレス鋼組成の基地としては従来より行われているように、Ｃｕ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｅ，Ｐ，Ｓ，Ｎ等の元素を追加して含有させても良い。すなわち、上記のステンレス鋼組成の基地には、耐酸性、耐食性、耐点食性向上もしくは析出硬化性付与の目的でＣｕを１〜４％含有することができる。また、溶接性向上、耐熱性向上、もしくは析出硬化性付与の目的でＡｌを０．１〜５％含有することができる。さらに、結晶粒調整、Ｎｉ量低減の目的でＮを０．３％以下含有することができ、Ｎｉ量低減の目的でＭｎを５．５〜１０％含有することができる。耐酸化性、耐熱性、耐硫酸性向上の目的でＳｉを０．１５〜５％、耐粒界腐食性の向上、快削性向上の目的でＳｅ、Ｐ、Ｓを含有することができる。
【００２３】
上記のＭｏとＮｂのうち少なくともＮｂを０．１〜１．０％含有するステンレス鋼粉末と、硬質相形成粉末及び黒鉛粉末からなる原料粉末を用いる。従来と同じく、この原料粉末は、所望の形状の型孔を有する金型の型孔に充填され、上下パンチにより圧粉成形されて所望の形状の成形体とされる。得られた成形体は、焼結されて高温耐蝕耐摩耗性焼結部品となる。得られた成形体の組織の一例として、図１のように表すことが出来る。成形体の組織においては、硬質相を含んだステンレス鋼基地中に金属炭化物が析出分散しており、気孔が含まれている。ここで、焼結温度が１０００℃に満たないと、焼結による粉末どうしの結合が不充分となり強度が乏しくなるとともに、十分な量の金属炭化物が形成されず耐摩耗性も乏しくなる。一方、焼結温度が１３００℃を超えると、焼結による収縮量が大きくなるとともに変形し易くなって寸法精度が低下する。このため焼結温度は１０００〜１３００℃の範囲が適当である。
【００２４】
上記の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品においては、被削性改善のため、従来の被削性改善物質添加法を併用して製造することができる。その方法としては、上記の耐摩耗性焼結部品の気孔中または粉末粒界に、珪酸マグネシウム系鉱物、窒化硼素、硫化マンガン、カルシウム弗化物、硫化クロムのうち少なくとも１種を分散させる方法である。これらの被削性改善物質は高温でも安定であり、粉末の形態で原料粉末に添加しても焼結過程で分解せず、被削性改善物質として上記の箇所に分散して被削性を改善できる。この被削性改善物質添加法の併用により、より一層の耐摩耗性焼結部材の被削性改善を行うことができる。また、被削性改善物質粉末は、過剰に添加すると耐摩耗性焼結部材の強度を損ない、耐摩耗性の低下を招く。このため、被削性改善物質添加法を併用する場合、その添加量の上限を５．０質量％に止めるべきである。
【実施例】
【００２５】
［第１実施例］
表１に示す組成のステンレス鋼粉末に対し、表１に示す量の黒鉛粉末を添加、混合した原料粉末を用意した。これらの原料粉末について、成形圧力１．２ＧＰａで直径：３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状に圧粉成形を行った。こうして得られた圧粉体を、分解アンモニアガス雰囲気中１２００℃×１Ｈｒで焼結し、試料番号０１〜１３の試料を作製した。これらの試料につき、炭素分析装置（株式会社堀場製作所製）を用いて試料と結合した炭素量（結合Ｃ量）の測定を行った。そして、黒鉛粉末の添加量から上記結合Ｃ量を引いて、焼結によって失われた炭素量（損失Ｃ量）を求めた。また、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量またはＮｂ量に対する上記結合Ｃ量の比（Ｃ比率）を算出した。これらの試料について、酸化試験と往復摺動摩擦試験を行い試験後の摩耗量を測定した。これらの結果を表１、２及び図１、２に併せて示す。
【００２６】
酸化試験は、各試験片毎にアルミナ製るつぼに配置して、これをマッフル炉に入れて大気雰囲気中９００℃の温度で１００時間加熱して行った。そして、試験前後の重量差を測定し、これを幾何表面積で除した値を酸化増量（ｇ／ｍ２）として評価を行った。
【００２７】
往復摺動摩擦試験は、上記の円板形状試験片に、直径：１５ｍｍ、厚さ２２ｍｍのロール（相手材）の側面を所定の荷重で押圧しながら往復摺動させる摩擦試験である。本試験においては、ロール材としてＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当の溶製鋼の表面にクロマイズ処理（表面にクロムを被覆するとともに硬質な鉄クロム金属間化合物層を形成して耐摩耗性、耐焼き付き性および耐食性等を向上させる処理）を施したものを用いた。そして、荷重：４０Ｎ、往復摺動の周波数：２０Ｈｚ、往復摺動の振幅：１．５ｍｍ、試験時間：２０ｍｉｎ、試験温度：室温の試験条件の下で往復摺動摩擦試験を行った。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
表１及び２より、各試料の炭素分析結果の数値（結合Ｃ量）は、添加した黒鉛粉末の量に対して０．３質量％程度低い値を示す。これは、焼結時、ステンレス鋼粉末表面の酸化被膜の除去等によって失われたものと考えられる。
【００３１】
表１及び２の試料番号０１〜０７の試料より、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量に対する結合Ｃ量の比（Ｃ比率）の影響を調べることができる。黒鉛粉末添加量が０．３質量％の試料番号０１は、添加した黒鉛がほとんど失われて試料に炭素がほとんど検出されず、金属炭化物が形成されなかった。この試料においては、酸化増量は低く抑制され良好な耐食性を示すものの、金属炭化物が存在しないため摩耗量が大きく、耐摩耗性は低いことがわかる。一方、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．０５となる試料番号０２では、金属炭化物が生成して、酸化増量が若干増加して耐食性の低下の傾向が見られる。しかし、摩耗量は小さくなっており、耐摩耗性が向上することがわかる。また、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．２５となる試料番号０６までは、Ｃ比率の増加につれて酸化増量が緩やかに増加して耐食性が低下する傾向を示す。同時に、摩耗量が低下して耐摩耗性の向上の傾向を示している。しかし、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．２５を超える試料番号０７の試料では、Ｍｏ量に対して黒鉛粉末添加量が過多となり、基地中のＣｒが金属炭化物として多量に析出するようになるため、基地の耐食性が非常に低下して、酸化増量が増大している。また、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．２５の試料番号０６の試料では、耐摩耗性の向上に十分な金属炭化物が形成されており、黒鉛粉末の添加量がさらに多い試料番号０７の試料では、それ以上の耐摩耗性の向上が見られなくなっている。以上のことから、ステンレス鋼中のＭｏ量に対するＣ比率が０．０５となる量の黒鉛粉末を添加すると耐摩耗性は向上するが、Ｃ比率が０．２５を超える量の黒鉛粉末を添加しても耐摩耗性は向上せず、耐食性が非常に低下することが確認された。これらのことから、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量に対するＣ比率が０．０５〜０．２５の範囲において良好な耐食性及び耐摩耗性が得られるとわかる。
【００３２】
表１及び２の試料番号０８〜１３の試料より、ステンレス鋼粉末中のＮｂ量に対する結合Ｃ量の比（Ｃ比率）の影響を調べることができる。Ｎｂ量に対するＣ比率の影響は、上記Ｍｏ量に対するＣ比率の影響と同様な傾向を示し、ステンレス鋼粉末中のＮｂ量に対するＣ比率が０．１２〜０．２５の範囲において良好な耐食性及び耐摩耗性が得られることがわかる。
【００３３】
［第２実施例］
Ｍｏ量およびＮｂ量が一定であり、Ｃｒ量とＮｉ量が表３のように異なるステンレス鋼粉末を用いた。これに０．８質量％の黒鉛粉末を添加、混合し、原料粉末を得た。原料粉末を第１実施例と同様の条件で成形、焼結して、表３に示す試料番号１４〜２７の試料を作製した。これらの試料について、第１実施例と同様の条件で耐食性試験及び耐摩耗性試験を行った。その結果について表３及び図３、４に併せて示す。
【００３４】
【表３】
【００３５】
表３の試料番号１４〜２０により、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量の影響を調べることができる。ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が１５質量％に満たない試料番号１４の試料では、Ｃｒ量が少ないため、酸化増量が大きい値となっている。一方、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が１５質量％の試料番号１５の試料では試料番号１４に比して酸化増量が著しく抑制されており、Ｃｒによる耐食性向上の効果が認められる。ステンレス鋼粉末中のＣｒ量を増加に従い、酸化増量は低下し耐食性の向上が認められる。また、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量の増加にともない、摩耗量も低下傾向にあり、耐摩耗性向上の効果も認められる。これは基地中のＣｒ量が増加することにより、ごく一部の基地中のＣｒがクロム炭化物として析出したためと考えられる。ただし、耐食性試験の結果より、このごく一部のクロム炭化物の析出は、基地中のＣｒ量を大幅に低減するものではないとわかる。一方、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量が３５質量％を超える試料番号２０の試料では耐食性が低下している。この理由として、ステンレス鋼粉末中に硬いσ相が生じて、原料粉末の圧縮性が低下したことが挙げられる。その結果、成形体の密度及び焼結体の密度が低下して気孔量が増加し、耐食性が低下したと考えられる。これらのことから、ステンレス鋼粉末中のＣｒ量は１５〜３５質量％の範囲が良好な耐食性と耐摩耗性を示すことが確認された。
【００３６】
表３の試料番号１７および２１〜２７により、ステンレス鋼粉末中のＮｉ量の影響を調べることができる。試料番号２１はＮｉを含有しないフェライト系ステンレスの例であり、酸化増量は小さく、耐食性も良い。一方、３．５質量％のＮｉを含有する試料番号２２では、さらに酸化増量が抑制され、Ｎｉを含有することによる耐食性向上の効果が認められる。しかし、Ｎｉ含有量が２２質量％を超えてもそれ以上の耐食性向上の効果は見られない。そのため、コストの観点から、Ｎｉ含有量は２２質量％までで十分である。この場合、Ｎｉの含有により基地組織はフェライトではなくオーステナイトとなるため、Ｃの固溶限が大きくなる。このため、オーステナイト基地である試料番号２２では、金属炭化物の析出量が減少し、摩耗量が若干増加している。ただし、この耐摩耗性の低下はごく僅かであり、問題のない程度である。これらのことから、３．５〜２２質量％のＮｉの含有は、耐食性の向上に有効であることが確認された。
【００３７】
［第３実施例］
Ｃｒ量およびＮｉ量が一定であり、Ｍｏ量とＮｂ量が表４のように異なるステンレス鋼粉末を用意した。これにステンレス鋼中のＭｏ量またはＮｂ量に対する結合Ｃ量の比（Ｃ比率）が０．２となる量の黒鉛粉末を添加、混合し、原料粉末を得た。この原料粉末を第１実施例と同様の条件で成形、焼結して、表４に示す試料番号２８〜４０の試料を作製した。これらの試料について、第１実施例と同様の条件で耐食性試験と耐摩耗性試験を行った。その結果について表４、５及び図５、６に併せて示す。なお、表４、５には、第１実施例の試料番号０５と１１の値を併記した。また、図５には第１実施例の試料番号０５、図６には試料番号１１の値も併記した。
【００３８】
【表４】
【００３９】
【表５】
【００４０】
表４、５の試料番号０５および２８〜３４により、ステンレス鋼粉末中のＭｏ量の影響を調べることができる。これらより、ステンレス鋼粉末中にＮｂを含まず、Ｍｏ量の少ない、結合Ｃ量がほとんどない試料番号２８の試料は耐食性は良好であるが、金属炭化物が析出していないため摩耗量が多く、耐摩耗性は低い。一方、ステンレス鋼粉末中に１〜５質量％のＭｏを含有するとともにＭｏ量に対するＣ比率が０．２となる量の黒鉛粉末を添加した試料番号０５、２９〜３３では、モリブデン炭化物が析出して良好な耐食性とともに良好な耐摩耗性を示す。しかし、Ｍｏ量が５質量％を超える試料番号３４の試料では、耐食性、耐摩耗性ともに低下している。これは、ステンレス鋼粉末中に固溶するＭｏ量が過多となって原料粉末の圧縮性が低下し、成形体密度が低下するとともに焼結体密度が低下したためと考えられる。
【００４１】
表４、５の試料番号１１、３５〜４０により、ステンレス鋼粉末中のＮｂの影響を調べることができる。ステンレス鋼粉末中のＮｂの影響は、上記のＭｏの影響と同様な傾向を示し、ステンレス鋼粉末中のＮｂ量が０．１〜１質量％の範囲で良好な耐食性及び耐摩耗性が得られることがわかる。Ｎｂ量が１質量％を超える場合は、原料粉末の圧縮性が低下し、耐食性と耐摩耗性がともに低下した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法により得られる高温耐蝕耐摩耗性焼結部品は、優れた耐摩耗性と耐食性を示すとともに機械加工も容易である。従って、ターボチャージャーの構成部品や、内燃機関のバルブシート等の、高温環境下において耐蝕性とともに耐摩耗性が要求される部品に好適なものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｃｒ：１５〜３５％と、Ｎｉ：３．５〜２２％と、Ｍｏ：５％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避不純物であるステンレス鋼粉末に、数１で示される量の黒鉛粉末を配合し混合した原料粉末を所望の形状に圧粉成形して得られた成形体を焼結することにより、０．１質量％以上のＣを前記ステンレス鋼粉末に結合させることを特徴とする高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法。
【数１】
【請求項２】
前記ステンレス鋼粉末中のＭｏ量が１．５〜５質量％であり、前記ステンレス鋼粉末中のＮｂ量が０．１〜１質量％であることを特徴とする請求項１に記載の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法。
【請求項３】
前記原料粉末に、さらに、５質量％以下の硫化マンガン粉末、硫化クロム粉末、弗化カルシウム粉末、珪酸マグネシウム系鉱物粉末のうち少なくとも１種を添加し混合したことを特徴とする請求項１または２に記載の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法。
【請求項１】
質量比で、Ｃｒ：１５〜３５％と、Ｎｉ：３．５〜２２％と、Ｍｏ：５％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避不純物であるステンレス鋼粉末に、数１で示される量の黒鉛粉末を配合し混合した原料粉末を所望の形状に圧粉成形して得られた成形体を焼結することにより、０．１質量％以上のＣを前記ステンレス鋼粉末に結合させることを特徴とする高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法。
【数１】
【請求項２】
前記ステンレス鋼粉末中のＭｏ量が１．５〜５質量％であり、前記ステンレス鋼粉末中のＮｂ量が０．１〜１質量％であることを特徴とする請求項１に記載の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法。
【請求項３】
前記原料粉末に、さらに、５質量％以下の硫化マンガン粉末、硫化クロム粉末、弗化カルシウム粉末、珪酸マグネシウム系鉱物粉末のうち少なくとも１種を添加し混合したことを特徴とする請求項１または２に記載の高温耐蝕耐摩耗性焼結部品の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２５１２４５（Ｐ２０１２−２５１２４５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６９５０２（Ｐ２０１２−１６９５０２）
【出願日】平成２４年７月３１日（２０１２．７．３１）
【分割の表示】特願２００７−２０２２５７（Ｐ２００７−２０２２５７）の分割
【原出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（０００２３３５７２）日立粉末冶金株式会社 (272)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月３１日（２０１２．７．３１）
【分割の表示】特願２００７−２０２２５７（Ｐ２００７−２０２２５７）の分割
【原出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（０００２３３５７２）日立粉末冶金株式会社 (272)
【Ｆターム（参考）】
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