JP2002173703A

JP2002173703A - 金属粉末焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2002173703A
Application number: JP2000367576A
Authority: JP
Inventors: Seizo Takahashi; 清造高橋
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-21

Abstract

(57)【要約】【課題】金属粉末を用いた乾式の冷間圧縮成形方法にお
いて、乾式の金型プレスにおいて成形時の粉末間及び粉
末と金型間の摩擦を減少させ、キャビティ内での粉末の
流動を良好にすると共に、焼結時に成形体の収縮を可及
的に減少させるような金属粉末焼結体の製造方法を提供
すること。【解決手段】鉄粉を母材とする混合パウダーを圧縮した
成形体を焼結する金属粉末焼結体の製造方法において、
混合パウダーは全容量のうち１〜５mass％の銅粉末を含
み、残余は潤滑材と母材となる鉄粉が占め、この混合パ
ウダーを所定の形状に圧縮成形した成形体を焼結する金
属粉末焼結体の製造方法であり、さらに、母材の量を減
じて粒径が銅粉末と同じのカーボニル鉄粉を混合した混
合パウダーを用いることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、金属粉末焼結体の
製造方法に関し、特に、鉄粉を用いた成形体の成形時に
鉄粉の流動性を良好にした金属粉末焼結体の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】機械部品の粉末冶金法による製造は複雑
形状の部品を金型により圧縮成形し同一材質、形状の部
品を短時間に多量にできる高生産性と、それに伴う原価
低減が可能なことから、近年においても発展の一途を辿
っている。

【０００３】金属粉末を圧縮成形する方法には、冷間圧
縮、熱間圧縮、押し出し成形、射出成形などがある。乾
式の冷間圧縮成形は生産性が高く、高強度、寸法精度が
高いなどの利点がある。しかしながら、欠点として、成
形時に粉末により成形体の各部まで均一な成形圧力を付
加できないために、複雑形状の成形が難しいことがあげ
られ、成形可能な形状も限られる。そこで、乾式の金型
プレスにおいて成形時の粉末間及び粉末と金型間の摩擦
を減少させ、キャビティ内での粉末の流動を期待する圧
縮流動成形法を開発している。鉄粉の成形では、鉄微粉
末及びワックスの添加が有効であった。この方法によっ
てこれまで成形が困難であった形状の機械部品を製造で
きる可能性が出てきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように鉄粉の成
形において、鉄微粉末及びワックスの添加を行うことに
より、成形時の粉末間及び粉末と金型間の摩擦を減少さ
せることができるので、ある程度の複雑な形状の成形が
可能となったが、更なる複雑形状に対して所望の寸法精
度を上げられないという欠点があり、さらに、焼結時に
ワックスが飛散するため、成形体の寸法が縮小するとい
う欠点もある。

【０００５】本発明は、上述のような従来の欠点を解消
しようとするもので、その目的は、金属粉末を用いた乾
式の冷間圧縮成形方法において、乾式の金型プレスにお
いて成形時の粉末間及び粉末と金型間の摩擦を減少さ
せ、キャビティ内での粉末の流動を良好にすると共に、
混合するワックスの量を少なくして焼結時に成形体の収
縮を可及的に減少させるような金属粉末焼結体の製造方
法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述のような本発明の目
的を達成するために、本願の請求項１に係る発明では、
鉄粉を母材とする混合パウダーを圧縮した成形体を焼結
する金属粉末焼結体の製造方法において、混合パウダー
は全容量のうち１〜５mass％の銅粉末を含み、残余は潤
滑材と母材となる鉄粉が占め、この混合パウダーを所定
の形状に圧縮成形した成形体を焼結する金属粉末焼結体
の製造方法を提供する。本発明の請求項２に係る発明で
は、鉄粉を母材とする混合パウダーを圧縮した成形体を
焼結する金属粉末焼結体の製造方法において、混合パウ
ダーは、全容量のうち１０mass％を銅粉末とカーボニル
鉄粉が占めその内銅粉末は１mass％〜５mass％であり残
余がカーボニル鉄粉であると共に、母材としての鉄粉と
潤滑材からなり、この混合パウダーを所定の形状に圧縮
成形した成形体を焼結する金属粉末焼結体の製造方法を
提供する。本発明の請求項３に係る発明では、請求項１
又は請求項２に係る発明に加えて、上記銅粉末の粒径
は、母材となる鉄粉の粒径よりも小さいことを特徴とす
る金属粉末焼結体の製造方法金属粉末焼結体の製造方法
を提供する。本願の請求項４に係る発明では、請求項２
に係る発明に加えて、上記カーボニル鉄粉の粒径は、銅
粉末の粒径とほぼ同じであることを特徴とする金属粉末
焼結体の製造方法を提供する。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に本発明の一実施の形態を、図
面を用いて詳細に説明する。まず、乾式の冷間圧縮成形
に用いる混合パウダーを作成する。該混合パウダーは基
本的に母材の鉄粉からなり、これに少量の添加金属粉と
少量の潤滑材を加える。該混合パウダーの詳細な成分
は、母材としての純鉄粉（ＫＩＰ３０４Ａ平均粒径９０
μｍ川崎製鉄）、銅粉末（Cu−HWQ平均粒径５μｍ、１
０μｍ福田金属箔粉工業）、カーボニル鉄粉（ＣＦ平均
粒径６μmＢＡＳＦ）、潤滑材としてのマイクロワック
ス粉末（ＭＷ平均粒径５０μｍ中国精油）および潤滑材
としてのステアリン酸亜鉛粉末（ＺｎＳｔ平均粒径５μ
ｍ市販品）の選択組み合わせである。混合時間は、時間
経過による粉末の分散状態を確認したこれまでの実験結
果から、５時間とした。なお、母材としての鉄粉の平均
粒径は９０μｍに限らず、これを８０μｍ〜１００μｍ
の範囲で使用でき、銅粉及びカーボニル鉄粉の粒径も、
１μｍ〜１０μｍの範囲で使用できる。

【０００８】上記混合パウダーは金型に充填されて、冷
間圧縮成形される。図１は本発明を実施するための金型
の組み立て図である。図１において、１は基台である。
基台１の上部にはダイ２が載置され、基台１とダイ２と
を貫通する円孔には、円筒状の下部パンチ３が挿通され
ている。下部パンチ３の内部にはコアーロッド４が挿入
されている。

【０００９】下部パンチ３の上端には、金属粉末焼結体
を一体成形しようとする鉄からなる円柱状の担体５の下
端部が差し込まれている。担体５の中央部には、該焼結
体が掛け止められるためのアンダーカット部６が形成さ
れている。担体５の上部には、円筒状の上部パンチ７が
はめ込まれている。

【００１０】上部パンチ７の下端面、ダイ２の内側と担
体５の外面、下部パンチの上端面に囲まれたキャビティ
ー内には、上述の混合パウダー８が所定量充填される。
充填された混合パウダー８は、上部パンチ７への加圧で
圧縮され、アンダーカット部６のある担体５へ片押し成
形される。混合された粉末の成形は、これを金型内に充
填し、単軸の５０ｔｏｎｆ油圧式プレスにてアンダーカ
ット部のある母材へ成形圧：６８６ＭＰａで成形し、１
０秒間保持後に離型した。図２は離型した圧縮成形体９
を示す断面図である。該圧縮成形体９は、アンダーカッ
ト部６とリング部１０を有する。なお、担体５の母材は
ＳＳ４００を用いた。また、離型時の成形体表面の剥離
防止、金型とパンチの摩擦低減と保護のために、金型と
パンチにステアリン酸亜鉛アルコール溶液を塗布した。

【００１１】この圧縮過程において、キャビティー内の
混合パウダーは、混合された銅粉末の直径が鉄粉の約１
０分の１乃至２０分の１であり、これが鉄粉に対して潤
滑材の役目を果たすため、鉄粉は、その粉末間及び粉末
と金型間の摩擦を減少させ、金型キャビティー内で加圧
流動成形が極めて円滑に行われて、混合パウダーはアン
ダーカット部６の隅々まで行き渡る。

【００１２】焼結は、アンモニア分解ガス雰囲気にて行
い、５５０℃で３０分の脱ロウ後、１１５０℃で３０分
間保持した。銅粉末を１〜１０mass％の範囲で添加し、
焼結体の外観を観察したところ、リング部高さ方向と比
較して半径方向に大きな焼結体の膨張が見られた。顕微
鏡で観察した結果、３mass％以上では母材との部分的な
剥離が観察され、５mass％以上では剥離が確認できた。
このような予備実験の結果、母材と焼結体の剥離はアウ
トサート成形が不可能と判断し、銅粉末の添加量は１〜
５mass％とした。

【００１３】銅粉末Ｃｕとカーボニル鉄粉ＣＦの添加量
は合計で１０mass％となるように配合した。マイクロワ
ックス粉末ＭＷとステアリン酸亜鉛粉末ＺｎＳｔはそれ
ぞれ１mass％添加した。図３に５μｍと１０μｍの銅粉
末による焼結体の密度を測定した結果を示す。各配合に
おいて、１０μｍの銅粉末を添加した場合よりも５μｍ
の場合が高密度となった。リング部の密度は粒径による
差はほとんど見られない。しかしながらアンダーカット
部は密度の差が確認できる。これは、成形時の圧粉過程
で、リング部は形状的に粉末の流動が容易であるため、
測定できるほどの密度差は現れなかったと考えられる。
しかし、アンダーカット部は成形圧が伝わりにくく、圧
粉が困難であるために、粉末の圧縮流動性の差が明確に
現れたものと考えられる。よって、複雑形状の金型を使
用するときには、銅粉末の粒径が５μｍのものを使用し
た。

【００１４】次に、銅粉末Ｃｕ１〜５mass％に対しカー
ボニル鉄粉ＣＦの添加量の最適値を決定するため焼結体
の部分密度の変化を測定した。その結果を図４に示す。
カーボニル鉄粉ＣＦの添加により密度は上昇し、部分密
度の差は少なくなっている。また、カーボニル鉄粉ＣＦ
の添加による密度の最大値は、各銅紛量においてそれぞ
れ異なっている。銅粉末の添加量で比較すると、銅粉末
１mass％ではカーボニル鉄粉ＣＦ９mass％、銅粉末２ma
ss％ではカーボニル鉄粉ＣＦ８mass％、銅粉末３mass％
ではカーボニル鉄粉ＣＦ７mass％となっている。このよ
うな結果から、添加した銅紛末が成形時の流動に関係し
ていることを示している。本発明外ではあるが、銅紛末
を添加しない場合、混合パウダー内に含めることができ
るカーボニル鉄粉ＣＦの添加量の最大値は１０mass％で
あることを考えると、使用している銅紛末の粒径がカー
ボニル鉄粉ＣＦの粒径とほぼ同じであることから、成形
時に銅粉末はカーボニル鉄粉ＣＦと同じ効果が得られる
ことが考えられる。添加する銅粉末を微粉とすることで
アンダーカット部は高密度化できる。また、銅粉末の添
加量による密度の差が生じており、焼結時による収縮、
膨張量の差が原因である。

【００１５】

【表１】混合パウダーの成分表

【００１６】図５は上記表１に示す成分の配合による混
合パウダーＡ粉末、Ｂ粉末、Ｃ粉末（銅とカーボニル鉄
粉ＣＦの割合はＣｕ１mass％−ＣＦ９mass％、Ｃｕ２ma
ss％−ＣＦ８mass％、Ｃｕ３mass％−ＣＦ７mass％）に
よる銅粉末の添加量と焼結体の部分密度の関係を示す。
銅紛の添加量が増えると全体的に密度の低下が観測され
た。リング部密度はＡ粉末、Ｂ粉末、Ｃ粉末の順に高
く、アンダーカット部密度はＣ粉末、Ｂ粉末、Ａ粉末の
順となった。比較的成形が容易なリング部の密度はＡ粉
末が最も高くなったのは、粉末の理論密度が最も高いた
めである。Ｂ、Ｃ粉末は理論密度では同じで、成形性の
差による結果が現れている。アンダーカット部の密度は
各粉末間に大きな差となって現れ、マイクロワックス粉
末ＭＷ、およびカーボニル鉄粉ＣＦを添加することで粉
末の圧縮流動性が大きく向上した結果である。

【００１７】光学顕微鏡による観察図６に焼結体の母材とアンダーカット部の断面の光学顕
微鏡による断面状態を示し、その内（ａ）はＡ粉末の焼
結体のもの、（ｂ）はＣ粉末の焼結体のものを示す。図
６（ａ）、（ｂ）に示す断面状態図はアンダーカット部
の加圧側で、Ａ、Ｃ粉末ともに銅粉末Ｃｕ３mass％の結
果である。Ａ粉末では、アンダーカット部の内部に向か
ってクラックが入っているのが確認できる。また、母材
直下のアンダーカット部には、気孔が多く存在してお
り、クラックを境にしてリング部側の焼結体には気孔は
少ない。Ｃ粉末による結果は、気孔の多いアンダーカッ
ト側の焼結体と、気孔の少ないリング部側の焼結体の境
界が確認できる。気孔が多く見られる母材直下の部分
は、他の焼結部に比べて密度が低く、鉄紛は圧粉されて
いないと考える。加圧された粉末がアンダーカット部の
内部へ流動する経路はこのクラックによって２分され、
母材直下の低密度域の発生は塑性加工におけるデッドメ
タル領域と同様に粉末の流動が停止した結果と考えられ
る。Ｃ粉末における境界は、Ａ粉末に比べアンダーカッ
ト内部に向かって傾斜しており、流動性が向上している
ことを示している。また、Ｃ粉末における銅粉末Ｃｕ１
mass％の焼結体の断面を図７に示しており、同じＣ粉末
でも銅の量の多いＣｕ３mass％でクラックが抑制できて
いることが分かる。

【００１８】以上のことから、アンダーカット部のある
母材に純鉄粉に銅粉末、カーボニル鉄粉ＣＦ、マイクロ
ワックス粉末ＭＷ、ステアリン酸亜鉛ＺｎＳｔを混合し
た粉末を用いてアウトサート複合部を成形後に焼結した
結果、以下の様な結果を得た。（１）５μｍと１０μｍの銅粉末による焼結体の密度測
定を行った結果、粒径による密度差が確認され、より微
細な５μｍの添加により高密度となった。（２）純鉄粉に添加する銅紛を微粉末とし、さらにカー
ボニル鉄粉ＣＦ、マイクロワックス粉末ＭＷを添加する
ことにより混合パウダーはアンダーカット部へ流動し、
焼結体のアンダーカット部の密度が高くなり、部分密度
の差が少なくなる。（３）光学顕微鏡により断面を観察した結果、アンダー
カット上部に低密度域が認められ、高密度域との境界が
観察された。（４）低密度域と高密度域の境界線は、銅粉末Ｃｕとス
テアリン酸亜鉛ＺｎＳｔ粉を結合したＡ粉末に比べ、銅
粉末Ｃｕ、カーボニル鉄粉ＣＦおよびステアリン酸亜鉛
ＺｎＳｔ粉を混合したＣ粉末の焼結体ではアンダーカッ
ト部内部側へ傾いており、成形時における流動性が良い
様子が観察された。また、同じＣ粉末でも銅粉末Ｃｕ１
mass％より、銅粉末Ｃｕ３mass％でクラックが抑制でき
ていた。

【００１９】本発明を上述の実施の形態により説明した
が、本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能で
あり、これらの変形や応用を本発明の範囲から排除する
ものではない。

【００２０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
鉄粉を母材とする混合パウダーを圧縮した成形体を焼結
する金属粉末焼結体の製造方法において、混合パウダー
は全容量のうち１〜５mass％の銅粉末を含み、残余は潤
滑材と母材となる鉄粉が占め、この混合パウダーを所定
の形状に圧縮成形した成形体を焼結する金属粉末焼結体
の製造方法であり、さらに、母材の量を減じて粒径が銅
粉末と同じのカーボニル鉄粉を混合した混合パウダーを
用いた金属粉末焼結体の製造方法であるので、混合パウ
ダーを圧縮成形する際に、銅粉末が有効な潤滑材とな
り、気化する潤滑材が少ないにも関わらず、鉄粉が型の
隅々まで行き渡り、複雑形状であってもひび割れが少な
く部分密度の差の少ない圧縮成形体が得られる。従って
これを焼結したとき、収縮が少なく、寸法誤差の少ない
焼結圧縮成形体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明を実施するための金型の組み立
て図である。

【図２】図２は、焼成後焼結炉から取り出された担体と
これに成形された鉄粉の圧縮成形体を示す断面図であ
る。

【図３】図３は、５μｍと１０μｍの銅粉末による焼結
体の密度を測定した結果を示す特性図である。

【図４】図４は、複数種の焼結体の各部分密度を示す特
性図である。

【図５】図５は、銅粉末の添加量と焼結体の部分密度の
関係を示す特性図である。

【図６】図６は、焼結体の拡大断面図を示し、（ａ）は
Ａ粉末の焼結体のもの、（ｂ）はＢ粉末の焼結体のもの
を示す。

【図７】図７は、混合パウダーとしてＣ粉末を用い、銅
粉末を１mass％とした場合の焼結体拡大断面図である。

【符号の説明】

１・・・・・基台２・・・・・ダイ３・・・・・下部パンチ４・・・・・コアーロッド５・・・・・担体６・・・・・アンダーカット部７・・・・・上部パンチ８・・・・・混合パウダー９・・・・・圧縮成形体１０・・・・・リング部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄粉を母材とする混合パウダーを圧縮した
成形体を焼結する金属粉末焼結体の製造方法において、
混合パウダーは全容量のうち１〜５mass％の銅粉末を含
み、残余は潤滑材と母材となる鉄粉が占め、この混合パ
ウダーを所定の形状に圧縮成形した成形体を焼結する金
属粉末焼結体の製造方法。
【請求項２】鉄粉を母材とする混合パウダーを圧縮した
成形体を焼結する金属粉末焼結体の製造方法において、
混合パウダーは、全容量のうち１０mass％を銅粉末とカ
ーボニル鉄粉が占めその内銅粉末は１mass％〜５mass％
であり残余がカーボニル鉄粉であると共に、母材として
の鉄粉と潤滑材からなり、この混合パウダーを所定の形
状に圧縮成形した成形体を焼結する金属粉末焼結体の製
造方法。
【請求項３】上記銅粉末の粒径は、母材となる鉄粉の粒
径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２
に記載の金属粉末焼結体の製造方法。
【請求項４】上記カーボニル鉄粉の粒径は、銅粉末の粒
径とほぼ同じであることを特徴とする請求項２に記載の
金属粉末焼結体の製造方法。