JP2003096507A

JP2003096507A - 焼結部材の製造方法と焼結部材

Info

Publication number: JP2003096507A
Application number: JP2001286220A
Authority: JP
Inventors: Toshio Yamauchi; 利夫山内; Susumu Nakano; 進中野
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】焼結部材の裏面側に配設される不溶性金属粉
末を脱落させることのない焼結部材を提供すること。【解決手段】焼結前の焼結部材１は、鉄系金属の圧粉
を型により加圧成形して、所定の形状に形成した成形体
２を有している。成形体２の表面３と裏面４の各々に
は、水溶性有機バインダー５として、カルボキシメチル
セルロースナトリウムを塗布している。そして、有機バ
インダー５にＮｉ−Ｐの自溶性合金粉末６を付着し、そ
れを成形体２の表裏両面に付着させている。焼結時に成
形体２の表裏両面３，４に自溶性合金粉末６が溶けて浸
透、拡散する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄系金属を焼結す
る時に、その焼結部品を自溶性合金により部分的に強化
させる場合に必要となるバインダーを用いた焼結部材の
製造方法とその焼結部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属粉やセラミックス粉を所定の形状に
形成し、これを融点以下の温度で加熱すると粉末粒子間
が凝縮して結合が生じ、焼結体となる焼結の技術が知ら
れている。図７は、鉄系金属の粉末を型成形した成形体
５１であり、この成形体５１の両面を焼結工程中で部分
的に硬化させるために、焼結前に自溶性合金（Ｎｉ等）
粉末５２を付着させ、焼結体に自溶性合金粉末５２を浸
透させることがある。この際、焼結時に焼結部品の上面
５３に自溶性合金粉末５２を付着させる時には問題はな
いが、その下面５４や、若しくは傾斜面、側面に自溶性
合金粉末５２を付着させるときにバインダー５５が必要
となる。この時、バインダー５５が不適切であると、付
着力が消失されて焼結中あるいは焼結前に自溶性合金粉
末５２が落下してしまう。そのためバインダー５５の選
定が重要となる。よって、自溶性合金の焼結部品への浸
透を妨げないようなバインダー５５と、併せてその雰囲
気が必要となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術として鉄焼結
部材に有機バインダーを用いることは一般的に行われて
いるが、焼結品の強度低下が起きないように、バインダ
ーは焼結工程中で消失するものを用いており、この技術
は特開平９−８７７０６号公報と、特開２０００−１６
０２６３号公報に開示されている。前者の特開平９−８
７７０６号公報に開示されている技術は、多孔質金属体
を相互に結合する方法であって、これらの金属体の接合
面に金属製粉末や水溶性有機バインダー等を含んだスラ
リー剤を付着し、これらを焼成している。この焼成工程
において水溶性有機バインダーは消失するが、水溶性バ
インダーに保持されていた金属粉末同士が焼結し、これ
により多孔質金属体を相互に接合している。

【０００４】後者の特開２０００−１６０２６３号公報
に開示されている技術は、アルミニウムを主成分とする
粒子粉末を、有機系バインダーで互いに結合させたアル
ミニウム粉末の成形体を焼結する際に、有機系バインダ
ーが焼結体中に残存しないような特性を有するバインダ
ーを用いている。また、セラミックスの焼結では、特開
２０００−１６９２３６号公報に開示されているよう
に、バインダーとして有機バインダーを用い、消失させ
ずに、逆に積極的に炭化させる方法があるが、これは窒
素ガス、アルゴンガス雰囲気に限定されている。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、焼結部材を不溶性金属粉末を用いて部分的に強
化する場合に、焼結部材の裏面側に配設される不溶性金
属粉末を脱落させることのない焼結部材の製造方法と焼
結部材を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の焼結部材の製造方法は、鉄系金属の微粉体を
所定の形状にした成形体を形成し、該成形体の表面に有
機バインダーを塗布して該有機バインダーに自溶性金属
を付着させ、上記成形体を加熱処理して上記鉄系金属の
微粉体を成形体に結合させるようにした。この製造方法
は、上記バインダがカルボキシメチルセルロースナトリ
ウムとすることができ、上記自溶性金属がＮｉ−Ｐ合金
とすることができる。また、上記目的を達成するため
に、本発明の焼結部材は、鉄系金属の微粉体を所定の形
状にした成形体を形成し、該成形体を加熱処理して上記
微粉体を結合させる焼結部材において、前記焼結前の成
形体の焼結時に、１０００℃以上の加熱にて炭化物が残
留する有機バインダーを塗布し、該有機バインダーに自
溶性金属を付着させるようにした。この焼結部材は、上
記成形体の下面に位置する部位に、上記有機バインダー
を塗布することができ、上記バインダが水溶性のカルボ
キシメチルセルロースナトリウムとすることができ、上
記自溶性金属がＮｉ−Ｐ合金とすることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
焼結部材の製造方法と焼結部材について、図面を参照し
ながら説明する。図１は、焼結前の焼結部材１である。
焼結部材１は鉄粉を型により加圧成形して、所定の形状
に形成した成形体２を有し、この成形体２の表面３と裏
面４の各々には、水溶性有機バインダー５を塗布してい
る。そして、有機バインダー５によりニッケル系自溶性
合金粉末６を付着し、それを成形体２の表裏両面に付着
させている。自溶性合金粉末６は、鉄系焼結部品を焼結
と同時に、表裏両面３，４を硬化させるためのものであ
って、本実施の形態ではＮｉ−Ｐ合金粉を用いている。
なお、自溶性合金は、溶融点の近傍に粘性の領域があ
り、その被膜は耐摩耗性、耐酸化性、耐食性に優れてお
り、本発明はその自溶性合金の性質を利用するものであ
る。また、Ｎｉ−Ｐ合金は、還元性の焼結炉でも溶解
し、鉄成形体への浸透、拡散をすることができる。

【０００８】図２は、圧粉の成形体１を加熱処理してい
る状態を示し、図３はその表面３の拡大図である。焼結
部材１は、図示しない焼結炉により還元雰囲気により焼
結室は１０００℃以上に維持される。図３に示すよう
に、この状態では水溶性有機バインダー５は、加熱によ
りある程度の量が消失するが、自溶性合金粉末６が保持
できる程度の量が残されている。よって、自溶性合金粉
末６が表裏面３，４から落下することがなくなる。

【０００９】この水溶性バインダーの特性としては、以
下の条件が必要である。１０００℃以上の還元雰囲気でも残留しガスの発生が
なく、自溶性合金粉末の保持力があるもの。水溶性バインダーの残留物が自溶性合金の溶解・成形
体への拡散、浸透を防げないもの。まず、上記の条件
を満たすものとして、各種水溶性有機バインダーの加熱
減量を測定し１０００℃以上においても残留量の多いも
のを選定した。

【００１０】図４は、有機バインダーの加熱減量曲線で
ある。縦軸に重量変化を１００％分率で表し、横軸に温
度［℃］を表している。線図に表している試料は、カル
ボシキシメチルセルロースナトリウム、ポリビニルピロ
リドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコー
ルの４種である。これらのうち、カルボキシメチルセル
ロースナトリウムは、約３００℃近傍で重量が急激に減
量するが、１０００℃近傍の加熱でも約２０％程度炭化
残留物が残留している。ポリビニルピロリドンは、４
００〜５００℃間で重量が急激に減量するが、１０００
℃近傍の加熱により炭化残留物が５％ほど残る。他方、
ポリビニルアルコールは、１０００℃近傍でほぼ消失し
てしまい、ポリエチレングリコールは、ほぼ９００℃近
傍でほぼ消失してしまう。したがって、１０００℃近傍
若しくはこれ以上の温度では、カルボシキシメチルセル
ロースナトリウム、ポリビニルピロリドンは、有効なバ
インダーとなり、そのうちカルボキシメチルセルロース
ナトリウムが最も有効であった。ポリビニルアルコー
ル、ポリエチレングリコールは、加熱によって、すべて
が消失してしまうため、濃度を高くしても炭化残留物が
残ることがなく、自溶性合金を保持するためには有効な
バインダーではないことが判明した。

【００１１】次に、カルボシキシメチルセルロースナト
リウム、ポリビニルピロリドンの水溶液の濃度について
考察してみた。焼結品の表面に硬化層を形成するには、
カルボキシメチルセルロースナトリウムの水溶液に、自
溶性合金を０．１ｍｇ／ｍｍ²を付着させる必要があ
る。図５は、カルボキシメチルセルロースナトリウム水
溶液の水溶液濃度と自溶性合金の付着量の関係を示す線
図である。縦軸に自溶性合金の付着量［ｍｇ／ｍｍ ²］
を表し、横軸に水溶液濃度［（重量％、（以下も同
じ）］を表す。図に示すように、カルボキシメチルセル
ロースナトリウムの場合、自溶性合金を０．１ｍｇ／ｍ
ｍ²を付着させるためには、濃度を１％以上にすること
が必要である。しかし、濃度を高くするにしたがって、
粘性も高くなり作業性が悪くなる。したがって、濃度は
１〜数％程度が適している。

【００１２】ポリビニルピロリドンも上記のカルボキシ
メチルセルロースナトリウムと同様に炭化残留物を残す
傾向にあるが、カルボキシメチルセルロースナトリウム
に比べ、その残留量が少ない。よって、カルボキシメチ
ルセルロースナトリウムと同レベルの保持力にするため
には、その４〜５倍の濃度が必要となる。そのため、ポ
リビニルピロリドンの水溶液の濃度は５％程度が適した
値となる。次に、カルボキシメチルセルロースナトリウ
ムとポリビニルピロリドンを用いて、上記を満たすか
測定を行ったが、両者とも自溶性合金の浸透を妨げるこ
とはなかった。なお、炭化残留物が残存していても、自
溶性合金の浸透を妨げないのは、残留物が多孔質になっ
ているものと考えられる。よって、以上の結果から条件
を満たす最良のものは、カルボキシメチルセルロー
スナトリウムであり、ポリビニルピロリドンもバインダ
ーとして使用に耐えうるものであった。

【００１３】図２に示す成形体２の裏面４に付着してい
る自溶性合金粉末６は、１０００℃を越える温度で加熱
されても、水溶性有機バインダーに保持され続け、落下
することはなくその後溶融する。そして、図６に示すよ
うに、溶融すると成形体２の表面から内部に浸透して拡
散し、成形体２の表裏面３，４に硬化層７を形成するこ
とができる。また、裏面４側のみ部分的に硬化層７を形
成する場合は、裏面４のみ水溶性有機バインダー５を塗
布し、自溶性合金粉末６を付着させれば、部分的に焼結
体の下面のみを硬化させることができる。このように、
本実施の形態では、鉄系焼結部材の表裏面全体若しくは
部分的に硬化させることができる。また、成形体の焼結
と硬化を焼結工程の一工程で行うことができ、作業を容
易に行うことができる。さらには、焼結後の熱処理廃止
により、熱歪みの改善とコストの軽減を図ることができ
る。

【００１４】次に、本発明の実施例について説明する［実施例１］鉄粉成形体の表裏両面に、水溶性有機バイ
ンダーとして、カルボキシメチルセルロースナトリウム
の水溶液１％を塗布した。このバインダーに、自溶性合
金として、粒子径が１５０μｍ以下のＮｉ−１１Ｐ合金
粉を付着させた。この成形体を焼結炉に入れ、１１５０
℃に加熱した還元雰囲気下において成形体を３０分保持
した。その結果、焼結体の上下両面がＮｉ−Ｐ合金によ
って改善されていた。

【００１５】［比較例１］鉄粉成形体の上下両面に、水
溶性有機バインダーとして、上記実施例１のバインダー
の代わりに、ポリビニルアルコールの水溶液１％を塗布
した。このバインダーに自溶性合金として、粒子径が１
５０μｍ以下のＮｉ−１１Ｐ合金粉を付着させた。この
成形体を焼結炉に入れ、１１５０℃に加熱した還元雰囲
気下において、成形体を３０分保持した。その結果、成
形体への合金粉の付着性は良好であった。しかし、焼結
後は上面はＮｉ−Ｐ合金で改質されていたが、下面はＮ
ｉ−Ｐが取れたため、改質されていなかった。

【００１６】［実施例２］鉄粉成形体の上下両面に、水
溶性有機バインダーとして、上記実施例１のバインダー
の代わりにポリビニルピロリドンの水溶液５％を塗布し
た。このバインダーに、自溶性合金として、粒子径が１
５０μｍ以下のＮｉ−１１Ｐ合金粉を付着させた。この
成形体を焼結炉に入れ、１１５０℃に加熱した還元雰囲
気下において成形体を３０分保持した。その結果、焼結
体の上下両面がＮｉ−Ｐ合金によって改善されていた。

【００１７】［比較例２］鉄粉成形体の上下両面に、水
溶性有機バインダーとして、上記実施例１のバインダー
の代わりにポリビニルピロリドンの水溶液１％を塗布し
た。このバインダーに、自溶性合金として、粒子径が１
５０μｍ以下のＮｉ−１１Ｐ合金粉を付着させた。この
成形体を焼結炉に入れ、１１５０℃に加熱した還元雰囲
気下において成形体を３０分保持した。その結果、焼結
後は上面はＮｉ−Ｐ合金で改質されていたが、下面はＮ
ｉ−Ｐが取れたため、部分的に改質されていなかった。

【００１８】実施例１のカルボキシメチルセルロースナ
トリウムと実施例２のポリビニルピロリドンは加熱によ
り、多孔質の炭素残留物に変化していた。これが、Ｎｉ
−Ｐ合金粉を加熱中も保持し、浸透、拡散を補助した。
また、実施例２及び比較例２により、ポリビニルピロリ
ドンは水溶液の１％から５％に濃度を高くすることで、
カルボキシメチルセルロースナトリウムと同じ効果があ
った。

【００１９】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく本発明
の技術的思想に基いて種々の変形及び変更が可能であ
る。例えば、上記実施の形態では、水溶性有機バインダ
ーとして、カルボキシメチルセルロースナトリウムとポ
リビニルピロリドンを例にあげたが、１０００℃以上
で、自溶性金属の保持力があり、浸透性等の妨げをしな
いものであれば、他の有機性バインダーを使用すること
ができる。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば鉄系
金属の微粉体を所定の形状にした成形体を形成し、該成
形体を加熱処理して上記微粉体を結合させる焼結部材に
おいて、前記焼結前の成形体の焼結時に、１０００℃以
上の加熱にて炭化物が残留する有機バインダーを塗布
し、該有機バインダーに自溶性金属を付着させるように
したので、焼結時に有機バインダーが残存し、自溶性金
属が取れたり落下することがないので、所定の部分を硬
化させ、耐摩耗性、耐酸化性、耐食性に優れた表面を形
成することができるようになった。また、上記発明は、
上記成形体の下面に位置する部位に、上記有機バインダ
ーを塗布するようにしたので、自溶性金属が下面から落
下することなく、下面を均一に硬化することができるよ
うになった。上記バインダが水溶性のカルボキシメチル
セルロースナトリウムであれば、１０００℃以上の温度
でも自溶性金属を保持することができる。さらに、上記
自溶性金属がＮｉ−Ｐ合金であれば、浸透、拡散に優れ
ているので、硬質の部分を深くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による焼結部材の焼結前の
断面図である。

【図２】図１の焼結部材を焼結している状態を示す断面
図である。

【図３】図１の焼結部材の拡大断面図である。

【図４】各水溶性有機バインダーの加熱減量曲線の線図
である。

【図５】有機バインダーとしてのカルボキシメチルセル
ロースナトリウムの水溶液濃度と自溶性合金の付着量の
関係を示す線図である。

【図６】図１の焼結部材を焼結した後の状態を示す断面
図である。

【図７】従来の水溶性有機バインダーを用い自溶性合金
を焼結部材に付着させた状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１焼結部材２成形体３表面４裏面５水溶性有機バインダー６自溶性合金粉末７硬化層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系金属の微粉体を所定の形状にした成
形体を形成し、該成形体の表面に有機バインダーを塗布して該有機バイ
ンダーに自溶性金属を付着させ、上記成形体を加熱処理
して上記鉄系金属の微粉体を成形体に結合させるように
した焼結部材の製造方法。
【請求項２】上記バインダーがカルボキシメチルセル
ロースナトリウムであることを特徴とする請求項１に記
載の焼結部材の製造方法。
【請求項３】上記自溶性金属がＮｉ−Ｐ合金であるこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の焼結部材の製造
方法。
【請求項４】鉄系金属の微粉体を所定の形状にした成
形体を形成し、該成形体を加熱処理して上記微粉体を結
合させる焼結部材において、前記焼結前の成形体の焼結
時に、１０００℃以上の加熱にて炭化物が残留する有機
バインダーを塗布し、該有機バインダーに自溶性金属を
付着させるようにしたことを特徴とする焼結部材。
【請求項５】上記成形体の下面に位置する部位に、上
記有機バインダーを塗布するようにしたことを特徴とす
る請求項４に記載の焼結部材。
【請求項６】上記バインダが水溶性のカルボキシメチ
ルセルロースナトリウムであることを特徴とする請求項
４又は５に記載の焼結部材。
【請求項７】上記自溶性金属がＮｉ−Ｐ合金であるこ
とを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の焼結部
材。