JP2002047502A

JP2002047502A - Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粉末及びそれを用いたＣｒ含有Ｆｅ系合金焼結体

Info

Publication number: JP2002047502A
Application number: JP2000229086A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Suzuki; 良尚鈴木; Tadataka Kaneko; 忠孝金子; Hiroshi Okajima; 博司岡島; Tetsuya Kondo; 鉄也近藤; Makoto Kawamura; 誠川村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-02-15

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】粉末の流動性が良好であり、かつ、成形体の
密度が多少不足していても緻密で耐酸化性の高い焼結体
が得られるＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末を提供する。【解決手段】粒径４４μｍ未満の粉末粒子の含有比率
が５０質量％未満であって、粒径１８０μｍを超える粉
末粒子の含有比率が２質量％未満であり、Ｆｅを主成分
として、Ｃｒを１５〜２５質量％の範囲にて含有し、か
つＳｉを０．５〜３質量％の範囲にて含有する。粉末粒
子は、水アトマイズ工程により製造される。タンディッ
シュ内の溶湯を、高圧ポンプにて水を噴出させた高速ジ
ェット流に導き、分解粒として、冷却水で急冷・凝固さ
せる。

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Ｃｒ含有Ｆｅ系合
金粉末と、それを用いて製造されるＣｒ含有Ｆｅ系合金
焼結体とに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関の排気系部品など、自動
車用等の耐酸化性機械部品にはステンレス鋼粉末をはじ
めとするＣｒ含有Ｆｅ系合金部品が使用されている。こ
のような部品は、材料歩留まりと生産能率の向上のた
め、粉末冶金法による焼結Ｆｅ系部品として構成される
ことも多くなってきている。

【０００３】ところで、耐酸化性機械部品として焼結Ｆ
ｅ系部品を使用するには、耐酸化性を一層向上させるた
めに、開放気孔をなるべく減ずることが望ましい。これ
は、開放気孔の形成率が増大すると酸化比表面積値が大
きくなり、耐酸化性に有利な合金組成を採用しているに
もかかわらず所望の耐酸化性が得られなくなってしまう
からである。例えば、合金組成の観点から耐酸化性を向
上させるにはＣｒの含有率を高めることが有効である
が、原料合金粉末中のＣｒ含有率があまり高くなりすぎ
ると、固溶強化効果が作用しすぎて粉末粒子の塑性変形
能、ひいては圧縮性が損なわれ、得られる焼結体の密度
が結果的に不足して開放気孔率が上昇し、十分な耐酸化
性を確保できなくなる場合がある。また、粉末の調製方
法によっては（特に水アトマイズ法）、粉末調製時の酸
化により酸素含有率が高くなり、焼結性が低下して同様
に耐酸化性が損なわれる場合がある。

【０００４】そこで、特公平１−５９３２１号公報に
は、Ｃ含有率が０．３質量％以下、Ｓｉ含有率が０．３
〜２質量％、Ｃｒ含有率が３〜２０質量％含有する組成
のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末において、３５０メッシュ以
下（粒径４４μｍ以下）の比較的小さい粒径の粉末粒子
を５０質量％以上に増加させることにより、圧粉成形体
の高密度化を図る提案がなされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に開示された
Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粉末は、３５０メッシュ以下（粒径
４４μｍ以下）の比較的小さい粒径の粉末粒子を多量に
含んでいるために、成形体の密度向上には好都合である
が、逆に小粒径の粉末粒子の含有率が高すぎることによ
る弊害も極めて大きい。すなわち、小粒径粉末粒子の増
大により粉末の流動性が著しく損なわれるため、成形用
金型への粉末充填量がばらつきやすくなり、寸法不良を
引き起こしたり、あるいは焼結後の加工を余儀なくされ
て製造能率の低下を招いたりする問題を生じやすくな
る。流動性改善のためには、上記のような小粒径粉末粒
子の含有量を下げ、粉末の平均粒径を大きくすることが
有効であるが、この場合、成形体の密度が上がりにくく
なり、焼結体の密度も低下して耐酸化性が損なわれてし
まう問題がある。

【０００６】本発明の課題は、粉末の流動性が良好であ
り、かつ、成形体の密度が多少不足していても緻密で耐
酸化性の高い焼結体が得られるＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末
と、それを用いて製造されるＣｒ含有Ｆｅ系合金焼結体
とを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末
は、粒径４４μｍ未満の粉末粒子の含有比率が５０質量
％未満であって、粒径１８０μｍを超える粉末粒子の含
有比率が２質量％未満であり、Ｆｅを主成分として、Ｃ
ｒを１５〜２５質量％の範囲にて含有し、かつＳｉを
０．５〜３質量％の範囲にて含有することを特徴とす
る。なお、本明細書にて「主成分」とは、最も含有率の
高い元素成分をいう。

【０００８】上記本発明のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末によ
ると、粒径４４μｍ未満の粉末粒子の含有比率が５０質
量％未満となすことによって、粉末の流動性が高めら
れ、成形用金型への粉末充填量ばらつきや、それに由来
した焼結体の寸法不良等の不具合を生じにくい。この場
合、通常の成形圧力範囲では、成形体の密度が若干上が
りにくくなるが、Ｓｉを上記範囲にて含有することで焼
結性が高められ、焼結時の収縮が促進されるので、成形
体の密度が多少不足していても十分に高密度化した焼結
体が得られるようになる。

【０００９】以下、上記本発明のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉
末における各成分の組成範囲の臨界的意味について説明
する。Ｃｒは合金の耐食性を確保するためには必須の元
素である。Ｃｒの含有率が１５質量％未満になると、得
られる焼結体の耐酸化性が不足しがちとなり、例えばス
テンレス鋼部品としてこれを使用する場合に、ステンレ
ス鋼が当然備えているべき耐食性能を満足できなくな
る。他方、Ｃｒの含有量が２５質量％を超えると、合金
基質の固溶強化が進み過ぎて粉末粒子の圧縮性が損なわ
れ、成形体密度が極端に低下するので、Ｓｉ添加効果を
考慮しても、得られる焼結体の密度を十分に高めること
が困難となる。また、σ相等の析出により合金が脆化す
る可能性もある。Ｃｒの含有率は、望ましくは１７〜２
５質量％、より望ましくは１９〜２５質量％とするのが
よい。

【００１０】また、Ｓｉは上記数値範囲にて添加するこ
とにより、粉末の焼結性を高めて緻密化を促進し、開放
気孔率の小さい焼結体を得る上での中心的役割を果た
す。また、Ｆｅ中に固溶して焼結体基質の強度を高める
作用を有するとともに、酸化雰囲気中に曝された場合
に、Ｃｒよりも優先的に酸化されてＳｉ酸化物被膜を合
金表面に形成するため、焼結体の耐酸化性を一層高める
効果も有する。Ｓｉの含有量が０．５質量％未満では焼
結時の緻密化が十分に進行せず、焼結体の密度を十分に
高めることが困難となる。他方、Ｓｉの含有量が３質量
％を超えると、却って焼結性が損なわれ、焼結体の密度
を十分に高めることが同様に困難となる。また、Ｆｅ中
への固溶量が増大しすぎて硬さが増し、粉末の圧縮性が
損なわれることにもつながる。Ｓｉは、望ましくは１〜
３質量％の範囲にて含有させるのがよく、より望ましく
は２〜３質量％の範囲にて含有させるのがよい。

【００１１】また、粉末中の酸素含有量は０．２５質量
％以下とされる。粉末の酸素含有量が０．２５質量％を
超えると、粉末の成形性及び焼結性が損なわれ、焼結体
の密度を十分に高めることが困難となる。また、得られ
る焼結体の機械的強度低下を引き起こす可能性もある。
酸素含有量はなるべく低いことが望ましい。

【００１２】次に、粉末中のＣの含有率は０．０３質量
％以下であるのがよい。本発明においては、Ｓｉを比較
的多く含有させるため、その固溶強化作用によりＦｅ系
基質の硬さが増大し、粉末の圧縮性向上という観点にお
いてはやや不利に作用する。そこで、炭素の含有量を上
記のような範囲に留めることで、Ｓｉがある程度増大し
てもＦｅ系基質の硬さが過度に上昇せず、粉末の圧縮性
を良好に維持することができる。また、炭素含有量の削
減は、耐食性向上の観点においても有利に作用する。Ｃ
の含有量は、望ましくは０．０１５質量％以下、より望
ましくは０．０１質量％以下とするのがよい。

【００１３】また、Ｍｎの含有率は０．３質量％以下と
するのがよい。Ｍｎは、鋼の脱酸剤として添加されるこ
とがあるが、その含有量が０．３質量％を超えると粉末
の酸化が進みやすくなり、成形性が損なわれて十分な密
度の焼結体が得にくくなる場合がある。

【００１４】次に、粉末粒子は、成形性を高めるため
に、球状形態から逸脱した不規則形状粒子が主体となっ
ているものがよい。このような粒子形態を得るために
は、水アトマイズ法にて粉末粒子を製造することが望ま
しい。図１は水アトマイズ工程の一例を示すものであ
り、タンディッシュ内に溶湯を保持する一方、高圧ポン
プにて加圧することにより噴霧ノズルから冷却媒である
水を噴出させて高速ジェット流を形成する。そして、そ
の高速ジェット流にタンディッシュからの溶湯を導くこ
とにより、溶湯は分解粒となって噴霧チャンバ内の冷却
水内に落下し凝固する。水はガスに比べて粘性が大きく
冷却効果が大きいので、液滴は球状化する前に凝固し、
得られる噴霧粉末粒子は不規則なものとなる。水アトマ
イズ法により製造した粉末は、形状がこのように不規則
であり、また多孔質でもないので圧縮性が良好である。
なお、水アトマイズ法以外にも、機械粉砕法により不規
則形状の粉末を製造することが可能であるが、前記した
水アトマイズ法は、粉末粒子中に蓄積される歪が小さく
焼結時の収縮が均一に進行しやすいことから、本発明の
粉末の製造方法として最も好適である。

【００１５】上記水アトマイズ法にて粉末を製造する場
合、Ｓｉの含有量の調整は、製造される粉末粒子の形態
制御の観点においても重要である。すなわち、水アトマ
イズ法においては、合金中にＳｉを含有させることによ
り、噴霧時に表面にＳｉ酸化物の被膜が形成され、これ
が表面張力による球状化を妨げるので、形状の不規則化
に効果を有する。また、Ｓｉ酸化物の形成により粉末粒
子表層部のＳｉ固溶量が下がり、粒子の表面硬化を防止
して粉末の圧縮性を高める効果も有する。Ｓｉの含有量
が０．５質量％未満になると、粉末粒子の球状化が助長
されてしまう不具合につながる場合もあるので、水アト
マイズ法による粉末の場合、この観点においてもＳｉの
含有量を０．５質量％以上とすることが望ましい。ま
た、Ｍｎの含有量が０．３質量％を超えた場合も粉末粒
子の球状化が促進される場合があるので、Ｍｎの含有量
は０．３質量％以下に留めることが望ましい。

【００１６】以下、本発明のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末に
おける粒径その他の数値範囲の限定理由について説明す
る。まず、粒径４４μｍ未満の粉末粒子の含有比率が５
０質量％以上になると、粉末の流動性が著しく損なわ
れ、成形用金型への粉末充填量がばらつきやすくなり、
寸法不良を引き起こしたり、あるいは焼結後の加工を余
儀なくされて製造能率の低下を招いたりする問題を生じ
やすくなる。他方、粒径１８０μｍを超える粉末粒子の
含有比率が２質量％以上になると、成形性が損なわれる
ばかりでなく、得られる焼結体に十分な機械的強度を付
与できなくなる場合がある。なお、粒径１８０μｍを超
える粉末粒子は、望ましくは、できるだけこれが含有さ
れていないのがよい。

【００１７】また、粉末粒子の平均粒径は、４０〜６０
μｍであるのがよい。平均粒径が４０μｍ未満では、粉
末の流動性が不十分となる場合がある。また、６０μｍ
を超えると成形体の密度が低下して、焼結体の緻密化が
妨げられる場合がある。なお、粉末の平均粒径は、より
望ましくは４５〜５５μｍとするのがよい。

【００１８】また、粉末の見かけ密度は、ＪＩＳ：Ｚ２
５０４（１９７９）に規定された見掛け密度として測定
したときに、その値が２．２〜２．８ｇ／ｃｍ^３となっ
ているのがよい。見掛け密度が２．２ｇ／ｃｍ^３未満で
は粉末の圧縮性が損なわれて、成形体あるいは焼結体を
十分に高密度化できなくなる場合があり、２．８ｇ／ｃ
ｍ^３を超えると成形体の強度が不足してラトラー値が悪
化し、欠け不良等が生じやすくなる場合がある。

【００１９】なお、粉末粒子の粒径分布あるいは平均粒
径は、標準ふるいを用いたロータップ試験により測定で
きるほか、レーザー回折式粒度計を用いて測定すること
もできる。また、水アトマイズ法等により得られた粉末
は、標準ふるい等により、予め定められた粒径範囲のも
のに分級し、その分級された粉末を適宜再配合すること
により、本発明に適合するものとなるように調製するこ
とができる。

【００２０】さて、上記Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粉末は、これ
を焼結することにより本発明のＣｒ含有Ｆｅ系合金焼結
体を得ることができる。特に、金型成形により成形体を
作り、これを焼成して焼結体とする場合には、上記本発
明のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末を使用することにより、成
形用金型への粉末充填量ばらつきに由来した焼結体の寸
法不良等の不具合を生じにくい。また、Ｓｉを前記範囲
にて含有することで焼結性が高められ、焼結時の収縮が
促進されるので十分に高密度化した焼結体が得られ、ひ
いては耐酸化性に優れた焼結体部品が得られる。

【００２１】こうして得られる焼結体は、その相対密度
が９０％以上となっているのがよい。相対密度が９０％
未満では、開放気孔の増加により耐酸化性が損なわれる
ことにつながる。また、開放気孔率は、３％以下である
のがよく、望ましくは１％以下であるのがよい。

【００２２】なお、本発明のＣｒ含有Ｆｅ系合金焼結体
は、自動車用等の耐酸化性機械部品、例えば内燃機関の
部品（例えば、バルブ、ロッカーアーム、カム、タペット
等の排気系部品）、酸素センサーボスあるいは排気管接
合用のフランジや、ターボチャージャー部品（特に排気
に曝される部品）などに適用可能であるが、これに限ら
れるものではない。

【００２３】

【実施例】本発明の効果を確認するために以下の実験を
行なった。合金原料を表１及び表２の各種組成となるよ
うに配合した後、高周波誘導溶解して、その溶湯を公知
の水アトマイズ法により粉末化した。得られた粉末は、
標準ふるいを用いて粒径４４μｍ未満の粒子（−３５０
メッシュ）、粒径４４μｍ以上１８０μｍ以下の粒子、
及び粒径１８０μｍを超える粒子に分級し、その分級さ
れた各粒径範囲の粉末粒子を、表１及び表２に示す各種
重量比率にて配合した。なお、配合後の各成形用粉末の
平均粒径をレーザー回折式粒度計にて測定した。さら
に、ＪＩＳ：Ｚ２５０４（１９７９）に規定された方法
に従い、見掛け密度をそれぞれ測定した。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】次に、各成形用粉末を用いて以下の試験を
行なった。ＪＰＭＡ（日本粉体粉末冶金協会）の標準Ｐ０７（１
９９２）に規定され形状の流動度測定用ロートを使用
し、孔径を５ｍｍφとして流動性を測定した。なお、測定
は５回行い、５回とも流出したものを優（◎）、１〜４
回流出したものを良（○）、全く流出しなかったものを
不良（×）として評価した。

【００２７】油圧式ダイプレス装置により、内径１
１．３ｍｍの円筒状キャビティを有するダイ内に、各粉
末を成形単重６ｇにて充填し、加圧圧力８ｔｏｎ／ｃｍ
^２にてプレス成形して円柱状の成形体を製造した。成形
体の直径と高さとから体積を算出し、その体積にて成形
体の重量を除することにより、密度を求めた。また、別
途作製した溶解インゴットの密度を真密度として測定
し、それを用いて各成形体の相対密度を算出した。ま
た、各成形体は、ＪＰＭＡの標準Ｐ１１（１９９２）に
規定されたラトラー値測定方法により、ラトラー値を測
定した。各成形体を、５００℃にて脱バインダ処理後、真空焼
結炉を用いて温度１１５０℃又は１２５０℃にて１時間
真空焼結し、焼結体とした。得られた焼結体は、成形体
と同様にして密度及び相対密度を求めた。さらに、焼結
体の開放気孔率をＪＰＭＡの標準Ｍ０２（１９９２）に
規定された開放気孔率測定法により測定した。各焼結体は、洗浄・脱脂後、８５０℃にて１００時間
大気中加熱し、加熱後の重量増加量を測定するととも
に、その測定値を焼結体の表面積にて除することによ
り、酸化増量値（ｍｇ／ｃｍ^２）を算出した。以上の結
果を表３及び表４に示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】粒径４４μｍ未満の粒子が５０質量％を超
える粉末（番号８）については、組成が本発明の範囲内
となっているにもかかわらず、充填量ばらつきが大きく
なっていることがわかる。他方、粒径１８０μｍを超え
る粒子を２質量％以上含有する粉末（番号９）は、成形
体密度の低下により焼結体の緻密化も不十分であり、ま
た開放気孔率も高いため、酸化増量が示す耐酸化性が悪
くなっていることがわかる。他方、粒径４４μｍ未満の
粒子を５０％以下に留め、粒径１８０μｍを超える粒子
を２質量％未満とした他の粉末については、上記のよう
な不具合を生じていないことがわかる。

【００３１】そして、上記粒径条件を満足する粉末にお
いては、本発明の合金組成を採用することにより、相対
密度が９０％以上の緻密な焼結体が得られており、また
酸化増量も小さく、耐酸化性に優れていることがわか
る。なお、図２は、番号５の粉末の走査電子顕微鏡観察
画像である（倍率４００倍）。

【図面の簡単な説明】

【図１】水アトマイズ法の概念図。

【図２】実施例の番号５の粉末の走査電子顕微鏡観察画
像。

フロントページの続き (72)発明者金子忠孝愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者岡島博司愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者近藤鉄也愛知県名古屋市中川区戸田四丁目1809番地 (72)発明者川村誠愛知県知多市旭桃台315−１Ｆターム(参考） 4K017 AA04 BA06 BB04 BB07 BB16 DA09 EK01 4K018 AA32 BA16 BB04 DA11 KA70

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒径４４μｍ未満の粉末粒子の含有比率
が５０質量％未満であって、粒径１８０μｍを超える粉
末粒子の含有比率が２質量％未満であり、Ｆｅを主成分
として、Ｃｒを１５〜２５質量％の範囲にて含有し、か
つＳｉを０．５〜３質量％の範囲にて含有することを特
徴とするＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末。
【請求項２】Ｓｉを１〜３質量％の範囲にて含有する
請求項１記載のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末。
【請求項３】Ｓｉを２〜３質量％の範囲にて含有する
請求項１記載のＣｒ含有Ｆｅ系合金粉末。
【請求項４】酸素含有量が０．２５質量％以下である
請求項１ないし３のいずれかに記載のＣｒ含有Ｆｅ系合
金粉末。
【請求項５】Ｃの含有率が０．０３質量％以下である
請求項１ないし４のいずれかに記載のＣｒ含有Ｆｅ系合
金粉末。
【請求項６】Ｍｎの含有率が０．３質量％以下である
請求項１ないし５のいずれかに記載のＣｒ含有Ｆｅ系合
金粉末。
【請求項７】水アトマイズ法にて製造された粉末粒子
からなる請求項１ないし６のいずれかに記載のＣｒ含有
Ｆｅ系合金粉末。
【請求項８】粉末粒子の平均粒径が４０〜６０μｍで
ある請求項１ないし７のいずれかに記載のＣｒ含有Ｆｅ
系合金粉末。
【請求項９】見掛け密度が２．２〜２．８ｇ／ｃｍ^３
である請求項１ないし８のいずれかに記載のＣｒ含有Ｆ
ｅ系合金粉末。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれかに記載の
Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粉末を焼結して得られることを特徴
とするＣｒ含有Ｆｅ系合金焼結体。