JP2000192106A - 金属粉末焼結体の炭素量制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】浸炭ガスの流れに起因する炭素量の不均一分布
を是正し、多数個の試料を同時に且つ高精度に炭素量制
御できる炭素量制御方法を提供する。 【構成】金属粉末成形体を脱脂した後、これを所定の炉
の収容室内に入れ、該収容室内を減圧にしてガスを除去
した後、浸炭ガスを導入して浸炭ガスが前記収容室内に
略一様に分布するようにして浸炭させ、炭素量を均一化
させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、焼結体の炭素量
を均一化させる金属粉末焼結体の炭素量制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属焼結体（焼結合金ともいう）
は、原料の金属微粉末とバインダ−（結合剤、可塑剤、
滑剤）とを混練し、これを射出成形し、脱脂工程でバイ
ンダ−を分解除去し、焼結することにより作製されてい
る。

【０００３】そして、このような金属焼結体を作製する
場合、炭素量を適確に制御することは、炭素量が焼結体
の機械的性質を左右するので、極めて重大な課題となっ
ている。

【０００４】従来、金属粉末成形体の炭素量制御方法と
しては、主バインダーの樹脂より残留炭素量が高い樹脂
を添加する方法や焼結工程前に残留する炭素を所望の炭
素量に減少させるために酸化鉄等の金属酸化物を添加す
る方法等が知られていた。

【０００５】上記従来法は、いずれも炭素量の調整操作
が焼結工程以前に行われるので、得られる焼結体の適正
炭素量を見いだす実験条件を試行錯誤により選択する操
作が、焼結工程での条件を選択するだけでは済まず、グ
ラフアイトや金属酸化物の添加量を変えた何通りもの成
形素材を作成したり、時間のかかる脱脂を何度も繰り返
し行わなければならないので、極めて繁雑となる問題が
あった。

【０００６】そればかりか、これら従来法は、得られた
焼結成形体の内部の炭素分布までは制御することができ
なかった。

【０００７】このような問題を解決するため、本出願人
は、焼結前の成形体中の炭素量と酸素量とを、ゼロ若し
くはほぼ一定に制御することによって、所望の炭素量に
高精度に制御することができる焼結方法を開発した（特
開平１０−１２１１０９号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記方法は、焼結前の
履歴がどのようなものであっても、所望の炭素量に高精
度に制御できるという点で、極めて優れた方法であった
が、この方法は、例えば炉の上流端と下流端に位置する
焼結体の炭素量は均一化できない点で、充分満足すべき
ものではなかった。即ち、この方法では、焼結炉に多数
の粉末成形体を入れて焼結すると、各焼結体間で炭素量
のバラツキが生じる。

【０００９】本発明者等は、浸炭し易い部分は、脱炭し
易いのではないかということに着目し、浸炭と脱炭とを
交互に行うことによって、上流端と下流端の焼結体の炭
素量を均一化できる方法を開発し、先に特許出願した。

【００１０】上記方法は、効果的な方法ではあったが、
浸炭と脱炭とを交互に行うということは、工業的方法と
しては、採用し難い方法であった。

【００１１】この発明のうち請求項１に記載の発明は、
浸炭ガスの流れに起因する炭素量の不均一分布を是正
し、多数個の試料を同時に且つ高精度に炭素量制御でき
る炭素量制御方法を提供することを目的とする。

【００１２】また、請求項４に記載の発明は、低炭素品
の場合でも、表層脱炭、焼結変形を起さない焼結方法を
提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するため、鋭意研究の結果、従来行われていなか
った減圧にして成形体収容室内のガスを除去した後、浸
炭させることによって、炉の収容室内複数の焼結体の炭
素量を均一化できることを見いだし、本発明に到達し
た。

【００１４】本発明のうち請求項１に記載の発明は、金
属粉末成形体を脱脂した後、これを所定の炉の収容室内
に入れ、該収容室内を減圧にしてガスを除去した後、浸
炭ガスを導入して浸炭ガスが前記収容室内に略一様に分
布するようにして浸炭させ、炭素量を均一化させること
を特徴とする。

【００１５】また、請求項４に記載の発明は、不活性ガ
ス雰囲気中（好ましくはＡｒ雰囲気中）若しくは真空中
で焼結させることを特徴とする。

【００１６】減圧にしてガスを除去した後、浸炭するこ
とによって、均一浸炭が達成される理由は、次のように
考えられる。

【００１７】既にガス分子が容器に充満している中に、
新たに異なる浸炭ガス分子Ａを注入する場合、ガスＡは
気流をなして流れ込み、容器内は、流れの強い部分、弱
い部分及び滞留部分に分かれる。従って、容器内のガス
分子Ａの分布は、一様にはならない。

【００１８】一方、容器を真空（ガス分子がほんの僅か
しか存在しない状態）にしておいて、その中にガスＡを
注入すると、容器内では、ガス分子Ａの動きを遮るもの
がほとんど無いので、ガス分子Ａは瞬時に容器内全体に
拡散し、且つガスの性質から一様な密度で分布する。従
って、容器内には浸炭ガス分子Ａが一様に分布すること
になるから、複数試料を試料の区別無く、一様に浸炭さ
せるものと考えられる。

【００１９】上記のような理由であるので、浸炭開始時
の減圧度（真空度）は、低いほうが良い。そのために
は、減圧浸炭前の最終脱脂を十分に行う必要がある。脱
脂を充分に行うには、ロータリーポンプ引きする一方
で、Ｈ₂を多めに流し入れ、時間を掛けて減圧脱脂、還
元を行う。

【００２０】浸炭開始時の減圧度は、ゲージ圧で―６０
０Ｔｏｒｒ以下、好ましくは―７００Ｔｏｒｒ以下、更
に好ましくは絶対圧で数Ｔｏｒｒ以下であれば、本発明
の効果を発揮する。

【００２１】最終脱脂後、３０分間拡散ポンプ引きする
と、減圧浸炭開始時には、１０^-4〜１０^-5Ｔｏｒｒ（絶
対圧）台まで低下する。ゲージ圧で表せば、―７６０Ｔ
ｏｒｒになる。

【００２２】それから拡散ポンプを止め、浸炭ガスを導
入する。減圧浸炭過程が進むにつれて、排気しないで浸
炭ガス分子が流入する一方であるから、炉内（真空）圧
は上昇するが、これは一向に差し支えない。例えば、Ｃ
Ｈ₄・Ｈ₂混合ガスを３００ＣＣＭで１時間３０分導入す
ると、ゲージ圧で―６５０Ｔｏｒｒ程度になる。これ
は、常圧になっても差し支えない。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を説明す
る。

【００２４】金属粉末成形体は、金属微粉末とバインダ
−（結合剤、可塑剤、滑剤等）とを混練し、適温で加熱
して射出成形する公知の方法によって製造すれば良い。

【００２５】脱脂工程では、公知の方法によって、成形
体中に混入しているバインダーを分解揮散させる。

【００２６】このようにして脱脂した成形体は、焼結炉
に入れて、炉中のガスを減圧除去した後、浸炭温度に達
する迄の徐々に温度を上昇させる過程で、水素ガスを多
めに流し、最終脱脂と共に還元が行われる。

【００２７】ついで、水素ガスを減圧除去した後、浸炭
ガスを導入して好ましくは減圧下に浸炭させる。浸炭温
度は、６００〜１１００℃、好ましくは８００〜１００
０℃である。浸炭ガスとして炭化水素・水素混合ガスを
使用するのが好ましい。

【００２８】炭化水素としては、メタンガスを使用する
のが良いが、エタンガス、プロパンガス及びブタンガス
等でも差し支えない。

【００２９】浸炭ガスとしては上記に限らず、炭化水素
ガス又は該炭化水素ガスと不活性ガス（窒素、アルゴン
等）との混合ガスを使用することができる。

【００３０】浸炭工程が終了したら、収容室内のガスを
減圧下に除去して、アルゴンのような不活性ガスを導入
して、好ましくは減圧下で焼結させれば良い。不活性ガ
スを導入しないで、真空下で焼結させてもよい。

【００３１】焼結体製造温度は、１１００〜１４００℃
好ましくは１１５０〜１２５０℃の範囲内のほぼ一定温
度で行うのが良い。

【００３２】不活性ガスで置換後、水素雰囲気中で焼結
すると、低炭素品の場合、表層脱炭、焼結変形を引き起
こす。

【００３３】上記のようにアルゴン中で焼結すると、低
炭素焼結体の場合でも、表層脱炭や焼結変形のない良好
な焼結体が得られる。

【００３４】

【実施例】次に、実施例を挙げて本発明を更に説明する
が、本発明はこの実施例に限定されない。

【００３５】実施例１ ＳＫＨ５１水アトマイズ粉末を有機結合剤と混練し、シ
ャルピー衝撃試験片（幅１２ｍｍ×長さ６６ｍｍ×厚さ
３ｍｍ）に射出成形し、これを供試材とした。

【００３６】上記供試材を、Ｎ₂中で徐々に昇温させ、
３７０℃に５時間保持して脱脂した後、脱脂体を手で大
まかに二分し、その片割れの５枚を制御雰囲気炉（同和
工業製ＴＭＡ）のタイトボックスに入れた。

【００３７】このように窒素中で加熱脱炭したのは、Ｓ
ＫＨ５１粉末が、粉の段階で一度強く酸化されると、後
に還元できなくなる性質があるからである。

【００３８】上記タイトボックスは、多少のシリカを含
む多孔質アルミナ板を削りだし、それらを組み立てた箱
である。板の合わせ目には、多少の隙間があるので、内
外の雰囲気を完全に遮断するものではない。

【００３９】大気圧運転の場合、マスフローコントロー
ラにより流量制御されたＨ₂またはＣＨ₄は、タイトボッ
クスへ底面から入り、天井から排出される。試料を載置
するタイトボックス上のアルミナセッターには、供試材
の脱脂体設置部分を除いて、通気のための小穴がたくさ
んあけられている。

【００４０】図１は、浸炭焼結工程を示すもので、室温
から８５０℃までは、ロータリーポンプにより減圧にし
ながらＨ₂を１０００ＣＣＭ導入した。従って、ゲージ
圧約−７５０Ｔｏｒｒの減圧下で最終脱脂及び還元を行
ったことになる。

【００４１】８５０℃から９００℃へかけて、油拡散ポ
ンプにより炉内残留Ｈ₂を除去し、１０^-4〜１０^-5Ｔｏ
ｒｒ台の真空にした上で、真空引きをやめ、９００℃で
１時間３０分保持した。この保持時間中、タイトボック
ス内にＣＨ₄・Ｈ₂混合ガス（ＣＨ₄２０容量％）を３０
０ＣＣＭ送り込んで浸炭させた。

【００４２】減圧浸炭後は、浸炭ガスを除くために炉内
を一度パージした。即ちＡｒを別の給気口から大流量で
導入して一旦大気圧にしてから、ロータリーポンプによ
り最低圧（約−７５０Ｔｏｒｒ）まで減圧し、再びＡｒ
を導入して大気圧にした。その際タイトボックス内へ
は、Ｈ₂が１０００ＣＣＭで流入し続けている。

【００４３】大気圧到達後は、Ａｒ流量を約５００ＣＣ
Ｍに絞った。大気圧到達後、１時間３０分で１２００℃
に昇温させ、１２００℃で１時間焼結させた。１２００
℃焼結時のタイトボックス内は、殆どＨ₂雰囲気になっ
ていると思われる。

【００４４】得られた焼結体について、図２に示すアル
ミナセッター上のＡ〜Ｅの各位置の試料毎に、焼結体の
長手方法（図３に示す〜の各部）の炭素量を測定し
た。結果を図３に示す。

【００４５】図３の結果から明らかなように、Ａ〜Ｅの
全ての試料の各部〜について、炭素量は１．４重量
％前後に集中し、ほぼ均一の炭素量分布が得られた。

【００４６】中央試料Ｃのみが、０．０５重量％程度他
よりも低いのは、浸炭後Ｈ₂気流中で焼結する時に、試
料Ｃは給気口の真上にあるので、他の試料よりもＨ₂を
多く浴びたためと考えられる。

【００４７】実施例２ 実施例１と同様にして射出成形し、同様に脱脂した５枚
の供試材を、制御雰囲気炉（同和工業製ＴＭＡ）のタイ
トボックスに入れ、同様に浸炭した。

【００４８】図４は、浸炭焼結工程を示すもので、室温
から８４０℃までは、ロータリーポンプにより減圧にし
ながらＨ₂を１０００ＣＣＭ導入した。従って、ゲージ
圧約−７５０Ｔｏｒｒの減圧下で最終脱脂及び還元を行
ったことになる。

【００４９】８４０℃から９００℃へかけて、油拡散ポ
ンプにより炉内残留Ｈ₂を除去し、真空度を１０^-4〜１
０^-5Ｔｏｒｒ台まで低下させた上で、真空引きをやめ、
９００℃で１時間保持した。この保持時間中、タイトボ
ックス内にＣＨ₄・Ｈ₂混合ガス（ＣＨ_４６，１２，１８
％）を３００ＣＣＭ送り込んで、減圧下（約−７６０〜
-７００Ｔｏｒｒ）に浸炭させた。

【００５０】減圧浸炭後は、浸炭ガスを除くためにタイ
トボックス内にＡｒを３００ＣＣＭ導入しつつロータリ
ーポンプにより１０分間排気した。

【００５１】排気終了後は、タイトボックスの外側のカ
ーボン断熱材の外側からＡｒを３００ＣＣＭ導入した。
これは、Ａｒ中の微量酸素をカーボン断熱材のカーボン
と反応させて除去し、試料周囲のＡｒ純度をできるだけ
高めるためである。

【００５２】上記減圧（約−７００〜−６００Ｔｏｒ
ｒ）Ａｒ中で、ＣＨ_４比率に応じて、１２６０，１２４
０，１２３０℃で１時間焼結させた。炉冷中は、Ａｒ流
量を１００ＣＣＭに絞った。

【００５３】図４の焼結工程を、各ＣＨ_４比率につき３
回づつの繰り返し試験を行い、その再現性を調べた。炭
素分析には掘場製作所製ＥＭＩＡ―７２０型炭素・硫黄
分析装置を使用した。

【００５４】上記実験により、殆どひずみのない、表面
銀白色の浸炭、焼結体が得られた。

【００５５】得られた焼結体について、図２に示すアル
ミナセッター上のＡ〜Ｅの各位置の試料毎に焼結体長手
方向の炭素量分布を測定した。結果を、図５に示す。

【００５６】図５から明らかなように、減圧浸炭時のＣ
Ｈ_４比率やセッター上の位置にかかわらず、どの焼結体
もほぼ均一な炭素量分布となっている。ＣＨ_４比率に応
じて炭素量が変化していることから、焼結体炭素量がＣ
Ｈ_４に比例することがわかる。

【００５７】次表１に得られた焼結体の焼結度と密度を
示す。

【００５８】

【表１】 上記表１の結果から明らかなように、得られた焼結体の
焼結収縮率及び密度は十分に高い。真密度を８．１１ｇ
／ｃｍ^３とすれば、これらは、ほぼ真密度に相当する。

【００５９】焼結組織の顕微鏡写真から、炭素量の高低
や観察個所にかかわらず、ほとんどひずみなく均質な組
織を呈していることがわかった。懸案だった表層脱炭も
完全に消失していた。

【００６０】ＣＨ_４６、１２、１８％の浸炭、焼結を、
それぞれ３回繰り返して再現性を調べたところ、図６に
示すように、炭素量のばらつきの最大幅は、０．０６重
量％であり、焼結体炭素量を、±０．０３％の精度に制
御できた。

【００６１】本発明方法によれば、減圧にしてガスを除
去して浸炭ガスを導入して浸炭させることによって、従
来法での浸炭と比べて、焼結体中の炭素量を均一化させ
ることができる。

【００６２】また、浸炭を焼結温度以下の温度で行うこ
とによって、焼結体中の炭素量をより均一にすることが
できる。更に、不活性ガス雰囲気中で焼結させることに
よって、より均一な炭素量にすることができる。

【００６３】本発明の方法の浸炭においては、多孔質な
粉末成形体の粉末粒子表面に炭素が付着する（スーティ
ング）。この点で、鉄の塊の内部に炭素を固溶させる従
来の浸炭とは異なっている。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、工業的に採用し得る簡
単な方法によって、炉内の複数の焼結体の炭素量を均一
化させることができ、かつ炭素量を適確に制御した焼結
体を容易に多量に供することができるから、工業的に極
めて有用な方法である。

【００６５】また、従来の炭素量制御操作は、焼結工程
（粉末成形体の最終脱脂、還元、浸炭及び焼結）前の粉
末の計量、混合又は脱脂の段階で行っていたが、本発明
方法は、焼結工程で行うものであるので、従来技術の煩
雑さ及び非効率性を回避することができる。

【００６６】更に請求項４に記載の発明によれば、低炭
素品の場合でも、表層脱炭や変形もなく良好な焼結体が
得られる。

【００６７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法による浸炭焼結工程を示す線図であ
る。

【図２】アルミナセッター上の試料配置を示す図であ
る。

【図３】アルミナセッター上の各試料についての長手方
向の炭素量分布を示す線図である。

【図４】本発明の他の方法による浸炭焼結工程を示す線
図である。

【図５】図４の焼結方法によるアルミナセッター上の各
試料についての長手方向の炭素量分布を示す線図であ
る。

【図６】ＣＨ_４比率と焼結体炭素量の関係についての繰
り返し試験を示す線図である。

フロントページの続き (72)発明者 大原 正樹 東京都千代田区四番町五番地九 トピ−工 業株式会社内 (72)発明者 杉山 大吾 東京都千代田区四番町五番地九 トピ−工 業株式会社内 (72)発明者 桐原 貞吉 長野県松本市笹賀5652番36 トピ−ファス ナー工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K018 DA03 DA19 DA32 DA35 4K028 AA01 AB03 AC08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属粉末成形体を脱脂した後、これを所定
   の炉の収容室内に入れ、該収容室内を減圧にしてガスを
   除去した後、浸炭ガスを導入して浸炭ガスが前記収容室
   内に略一様に分布するようにして浸炭させ、炭素量を均
   一化させることを特徴とする金属粉末焼結体の炭素量制
   御方法。
2. 【請求項２】前記浸炭ガスが、所定の混合比に調整した
   炭化水素・水素混合ガスである請求項１に記載の炭素量
   制御方法。
3. 【請求項３】前記浸炭ガスを導入し、減圧状態で浸炭さ
   せる請求項１又は２に記載の炭素量制御方法。
4. 【請求項４】前記のようにして浸炭させた後、処理室内
   を減圧にして処理室内のガスを除去し、不活性ガスを導
   入して不活性ガス雰囲気中で焼結させるか又は処理室内
   を真空にして真空下で焼結させる請求項１〜３のいずれ
   か１項に記載の炭素量制御方法。
5. 【請求項５】前記不活性ガス中の微量の酸素を除去し
   て、前記処理室内に導入する請求項４に記載の炭素量制
   御方法。
6. 【請求項６】前記不活性ガスが、アルゴンである請求項
   ４又は５に記載の炭素量制御方法。
7. 【請求項７】前記浸炭温度が、６００℃〜１１００℃で
   ある請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御方法。
8. 【請求項８】前記焼結温度が、１１００℃〜１４００℃
   である請求項４〜７のいずれか１項に記載の制御方法。