JP2016222945A - 鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法、並びに、それを用いて作製した焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した品質及び性能の焼結体を作製し得る鉄基粉末冶金用混合粉を提供する。
【解決手段】本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を、焼結した後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄基粉末冶金用混合粉及びそれを用いて作製した焼結体に関し、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを特定の割合で含む鉄基粉末冶金用混合粉及びそれを用いて作製した焼結体に関する。

粉末冶金は、様々な機械部品の工業的生産方法として広く用いられている。鉄基粉末冶金の手順は、まず、鉄基粉末と、銅（Ｃｕ）粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末等の合金用粉末と、黒鉛粉と、潤滑剤とを混合することにより混合粉末を準備する。次に、この混合粉末を金型に充填してプレス成形し、焼結することにより焼結体を作製する。そして、この焼結体に対してドリル加工や旋削加工等の切削加工を施すことによって所望の形状の機械部品に整える。

粉末冶金の理想は、焼結体に切削加工を施すことなく、焼結体をそのまま機械部品として使用できるように加工することである。しかし、上記焼結によって原料粉末の不均一な収縮が生じることもあるし、近年では機械部品に要求される寸法精度が高く、部品形状が複雑化していることもある。このため、焼結体に切削加工を施すことは必須になりつつある。このような技術的背景から、焼結体を円滑に加工できるようにするために、焼結体に被削性を付与する技術が検討されている。

上記被削性を付与する手段として、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を混合粉末に添加する手法がある。硫化マンガン粉末の添加は、ドリル穿孔等の比較的低速の切削加工には有効である。しかし、硫化マンガン粉末の添加は、近年の高速切削加工では必ずしも有効ではないこと、焼結体に汚れが発生すること、機械的強度が低下すること等の課題がある。

このため、上記硫化マンガンを添加する以外の被削性を付与する方法を開示する文献として、例えば特許文献１には、鉄粉の所要量の炭素と銅を含有せしめた鉄系原料粉に対し、０．１〜１．０％の硫化カルシウム（ＣａＳ）と、０．１〜２％の炭素（Ｃ）と、０．５〜５．０％の銅（Ｃｕ）とを含有する焼結鋼が開示されている。

特公昭５２−１６６８４号公報

特許文献１に開示される硫化カルシウムを含有させることにより、機械部品の強度が大幅に低下すること、混合粉末が経時変化して品質が安定しないこと等の課題がある。また、特許文献１に開示の焼結鋼を切削工具によって加工したところ、切屑が細かく分断されにくかった。このことから、特許文献１の開示では良好と評価されている切屑処理性も、現在の切屑処理性の要求を満たすほど優れているとは言い難い。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した品質及び性能の焼結体を作製し得る鉄基粉末冶金用混合粉を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明者は、特許文献１に開示の焼結体が、なぜ時間の経過とともに品質及び性能が低下するのかを調べ、この原因が、硫化カルシウム及び半水石膏（以下、これら２成分を「ＣａＳ成分」と記す）を含むことによるものであることを突き止めた。すなわち、本発明者はＣａＳ成分が大気中の水分を吸収することで硫酸カルシウム二水和物（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）に変化したり、ＣａＳ成分が硬化反応により凝集して６３μｍ以上の粗粒を形成したりすることを見出した。これによりＣａＳ成分が混合粉又は焼結体中で不均一に分散して焼結体の被削性を低下させたり、ＣａＳ成分に吸着した水分が焼結中に膨張して焼結体の強度を低下させたりすることが明らかとなった。

上記知見に基づいて、吸湿性が低い硫酸カルシウムの結晶構造についてさらに鋭意検討することにより以下に示す本発明を完成した。

すなわち、本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を、焼結した後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように含むことを特徴とする。

無水ＩＩ型の硫酸カルシウムは、吸湿性が低く、大気中の水分を吸水しないので、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末（「ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末」とも記す）は、大気中に一定期間保管しても質量が増えることがない。このため、焼結してＣａＳとなる成分として、硫化カルシウム及び半水石膏ではなく、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を用いることにより、焼結体の各種性能を安定して高めることができる。

上記ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、体積平均粒子径が０．１μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましい。このような体積平均粒子径であることにより、焼結体の被削性を高めることができる。

上記ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径をＲμｍとし、焼結後の焼結体に含まれるＣａＳの重量比をＷ重量％とすると、Ｒ^1/3／Ｗは１５以上４００以下であることが好ましい。この数値範囲を満たすことにより、圧環強度、被削性及び切屑処理性のいずれもが良好な焼結体を得ることができる。

本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物及びＣａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物からなる群より選択される１種以上の３元系酸化物をさらに含むことが好ましい。このような３元系酸化物を含むことにより、長時間切削における被削性を向上させることができる。

３元系酸化物と焼結した後のＣａＳとの重量比が３：７〜９：１であることが好ましい。このような重量比で３元系酸化物と無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を用いることにより、長期間切削における被削性を向上させることができる。

ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、潤滑剤又はバインダによって被覆されていてもよい。

本発明は、上記鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって作製された焼結体である。上記鉄基粉末冶金用混合粉を用いて作製した焼結体は、安定して被削性等の諸特性に優れている。

本発明の鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法は、二水石膏又は半水石膏を含む粉末を３５０℃以上９００℃以下で加熱することにより無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を作製するステップと、前記無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末と、鉄基粉末とを混合するステップとを含む。このようにして作製された鉄基粉末冶金用混合粉は、水分を吸水しにくいため、安定した性能を示す。

本発明によれば、安定した性能の焼結体を作製し得る鉄基粉末冶金用混合粉を提供することができる。

切屑処理性が良好な切り屑の外観の一例を示す画像である。 切屑処理性が良好でない切り屑の外観の一例を示す画像である。 実施例２６で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分の観察画像である。 実施例３０で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分の観察画像である。 実施例３２で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分の観察画像である。 実施例３３で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分の観察画像である。 実施例３４で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分の観察画像である。 参考例１で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分の観察画像である。

以下、本発明の鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法を具体的に説明する。

＜鉄基粉末冶金用混合粉＞
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、鉄基粉末と、無水ＩＩ型硫酸カルシウムを含む粉末（以下「ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末」とも記す）とを混合してなる混合粉である。この混合粉に、３元系酸化物、２元系酸化物、合金用粉末、黒鉛粉末、潤滑剤、バインダ等の各種添加剤を適宜添加してもよい。これら以外に、鉄基粉末冶金用混合粉の製造過程で微量の不可避不純物が含まれてもよい。本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、金型等に充填して成形した上で焼結することにより焼結体を得ることができる。このようにして作製された焼結体は、切削加工を施すことにより各種機械部品に使用することができる。この焼結体の用途及び製造方法は後述する。

＜鉄基粉末＞
鉄基粉末は、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する主要構成成分であり、鉄基粉末冶金用混合粉全体に対し６０重量％以上の重量比率で含まれることが好ましい。なお、ここでの鉄基粉末の重量％は、鉄基粉末冶金用混合粉のうちの潤滑剤以外の総重量に占める割合を意味する。以下に各成分の重量％を規定する場合、その規定はいずれも潤滑剤を除く鉄基粉末冶金用混合粉の総重量に占める重量割合を意味するものとする。

上記鉄基粉末としては、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉等の純鉄粉、部分拡散合金化鋼粉、完全合金化鋼粉、又は完全合金化鋼粉に合金成分を部分拡散させたハイブリッド鋼粉等を用いることができる。鉄基粉末の体積平均粒子径は５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは７０μｍ以上である。鉄基粉末が５０μｍ以上であると、ハンドリング性に優れる。また、鉄基粉末の体積平均粒子径は２００μｍ以下であるのが好ましく、１００μｍ以下がより好ましい。２００μｍ以下であると、精密形状を成形しやすく、かつ十分な強度を得られる。

＜ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末＞
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末（ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末）を含むことを特徴とする。本発明は、焼結後に硫化カルシウム（ＣａＳ）となる成分を添加しさえすれば焼結体の被削性を高め得ると考えられていた従来（例えば特許文献１）の技術常識を覆すものである。すなわち、焼結してＣａＳとなる原料としては、二水石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム（ＩＩＩ型ＣａＳＯ₄）、半水石膏（ＣａＳＯ₄・１／２Ｈ₂Ｏ）等が挙げられるが、これらの各成分は時間の経過とともに水分を吸水し、焼結体の被削性を低下させる場合がある。これに対し、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムは、吸湿性が低く、大気中の水分を吸水しないので、鉄基粉末冶金用混合粉に含まれた状態で一定期間保管しても質量が増えることがない。しかも、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムは、焼結後にＣａＳに変化して焼結体の被削性を高めることができる。このため、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を含む鉄基粉末冶金用混合粉は、他の焼結してＣａＳとなる成分に比して、焼結体の各種性能を安定して高めることができる。

ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを主成分として含むものであるが、二水石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム（ＩＩＩ型ＣａＳＯ₄）、半水石膏（ＣａＳＯ₄・１／２Ｈ₂Ｏ）等を含んでいてもよい。ただし、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムの占める重量割合が多いほど好ましく、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムの重量割合が７０重量％以上であることがより好ましく、さらに好ましくは８０重量％以上、特に好ましくは無水ＩＩ型の硫酸カルシウムのみからなることである。また、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、後述する潤滑剤又はバインダによって表面が被覆されていてもよい。

ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、焼結後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように鉄基粉末冶金用混合粉に含まれることが好ましい。ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、より好ましくは焼結後のＣａＳの重量比が０．０２重量％以上であり、さらに好ましくは焼結後のＣａＳの重量比が０．０３重量％以上である。このような重量比でＣａＳを含む焼結体は被削性に特に優れる。一方、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、焼結後のＣａＳの重量比が０．０９重量％以下、より好ましくは０．０８重量％以下となるように含まれる。このような重量比でＣａＳを含むことにより、焼結体の強度を高めることができる。

ここで、「焼結後のＣａＳの重量比」とは、鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって得られた焼結体に占めるＣａＳの重量比を意味する。この焼結後の焼結体に含まれるＣａＳの重量比は、焼結前に含有されるＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の重量比によって調整することができる。

焼結体に含まれるＣａＳの重量比は、焼結体をドリル等で加工することにより試料片を採取し、当該試料片に含まれるＣａの重量を定量分析して得られたＣａの重量を、ＣａＳの重量に換算することによって算出することができる。かかる換算は、Ｃａの原子量（４０．０７８）で除してＣａＳの分子量（７２．１４３）を積算することによって行う。Ｃａは焼結時に反応して消失することが殆どないため、Ｃａの重量は焼結前後で変化せず、ＣａとＳは１：１で結合しているからである。

ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径は、０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、さらに好ましくは１μｍ以上である。またＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径は６０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以下である。このような体積平均粒子径のＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、例えば半水石膏を３５０℃以上９００℃以下に加熱して１時間以上１０時間以下保持したものを粉砕して分級することにより得ることができる。ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径が小さいほど、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の添加量を少量にしても焼結体の被削性を向上し得る。上記体積平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（日機装製マイクロトラック「ＭＯＤＥＬ９３２０−Ｘ１００」）を用いて得られた粒度分布における積算値５０％の粒度Ｄ₅₀の値である。

ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径をＲ（μｍ）とし、焼結後の焼結体に含まれるＣａＳの重量比をＷ（重量％）とすると、Ｒ^1/3／Ｗの下限は１５以上であることが好ましく、より好ましくは２０以上であり、さらに好ましくは２５以上である。またＲ^1/3／Ｗの上限が４００以下であることが好ましく、３４０以下であることがより好ましく、さらに好ましくは２７０以下である。かかる規定の技術的根拠は必ずしも明確ではないが、おそらく体積比の三乗根に比例する体積平均粒子径と重量比との関係が焼結体の諸特性と相関するであろうという本発明者の経験に基づいている。このような数値範囲を満たすことにより、圧環強度、被削性及び切屑処理性のいずれもが良好な焼結体を得ることができる。

＜３元系酸化物＞
３元系酸化物は、焼結体を切削加工に長時間用いたときの被削性を向上させるために添加されてもよい。上記３元系酸化物は、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の添加と相俟って焼結体の被削性を顕著に高め得る。ここで、３元系酸化物とは３種の元素の複合酸化物を意味し、具体的にはＣａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＺｎからなる群より選択される３種の元素の複合酸化物を用いることが好ましく、より好ましくはＣａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物、Ｃａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物等である。Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物としては、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂等が挙げられる。Ｃａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物としては、２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂等が挙げられる。中でも２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂を添加することが好ましい。上記２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂は、切削工具中または切削工具に施されたコーティングに含まれるＴｉＯ₂と反応して、切削工具の表面に保護皮膜を形成し、切削工具の耐摩耗性を顕著に向上させることができる。

３元系酸化物の形状は、特に制限されないが、球形又はそれが潰れた形状のもの、すなわち全体に丸みのある形状が好ましい。

３元系酸化物の体積平均粒子径の下限は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。体積平均粒子径が小さいほど少量の添加で焼結体の被削性を向上できる傾向がある。また、３元系酸化物の体積平均粒子径の上限は１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは９μｍ以下である。体積平均粒子径が大きすぎると、焼結体の被削性を向上しにくくなる。３元系酸化物の体積平均粒子径は、上記ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と同様の測定方法で測定された値である。

３元系酸化物の含有量の下限は、０．０１重量％以上含むことが好ましく、より好ましくは０．０３重量％以上、さらに好ましくは０．０５重量％以上含むことである。また、３元系酸化物の含有量の上限は、０．２５重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２重量％以下、さらに好ましくは０．１５重量％以下である。このような重量割合で含むことにより、コストを抑制しつつ長期間の切削加工でも被削性に優れた焼結体を得ることができる。本発明のように、３元系酸化物をＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と組み合わせて用いることにより、３元系酸化物の添加量が少量でも長期間の切削加工における被削性を向上させることができる。

３元系酸化物と焼結後のＣａＳとの重量比は１：９〜９：１の割合で含まれることが好ましく、より好ましくは３：７〜９：１、さらに好ましくは４：６〜７：３である。このような重量比で両成分を含むことにより、焼結体の被削性を顕著に向上させることができる。

＜２元系酸化物＞
２元系酸化物は、焼結体を切削加工に用いたときの切削初期の被削性を向上させるために添加されてもよい。ここで、２元系酸化物とは２種の元素の複合酸化物を意味し、具体的にはＣａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＺｎからなる群より選択される２種の元素の複合酸化物を用いることが好ましく、より好ましくはＣａ-Ａｌ系酸化物、Ｃａ-Ｓｉ系酸化物等である。Ｃａ-Ａｌ系酸化物としては、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。Ｃａ-Ｓｉ系酸化物としては、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂等が挙げられる。

２元系酸化物の形状、体積平均粒子径及びその測定方法並びに重量割合は、上記３元系酸化物のそれらと同様であることが好ましい。

＜２元系酸化物及び３元系酸化物＞
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、２元系酸化物及び３元系酸化物の両方を合計重量で０．０２重量％以上０．３重量％以下含むことが好ましい。上記酸化物の合計重量は、０．０５重量％以上であることが好ましく、より好ましくは０．１重量％以上である。コストの観点からは、２元系酸化物及び３元系酸化物の重量割合は少ないほど好ましい。また、上記酸化物の合計重量は０．２５重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２重量％以下である。酸化物の合計重量が０．２５重量％以下であることにより、焼結体の圧環強度を十分に確保することができる。

２元系酸化物と焼結後のＣａＳの重量比は１：９〜９：１の割合で含まれることが好ましく、より好ましくは３：６〜９：１、さらに好ましくは４：６〜７：３である。このような重量比で両成分を含むことにより、切削初期における被削性に優れた焼結体を作製し得る。

＜合金用粉末＞
合金用粉末は、鉄基粉末同士の結合を促し、かつ焼結後の焼結体の強度を高めるために添加される。このような合金用粉末は、鉄基粉末冶金用混合粉全体に対して０．１重量％以上１０重量％以下含まれることが好ましい。０．１重量％以上であることにより焼結体の強度を高めることができ、また１０重量％以下であることにより焼結体の焼結時の寸法精度を確保することができる。

上記合金用粉末としては、銅（Ｃｕ）粉、ニッケル（Ｎｉ）粉、Ｍｏ粉、Ｃｒ粉、Ｖ粉、Ｓｉ粉、Ｍｎ粉等の非鉄金属粉末、亜酸化銅粉末等が挙げられ、これらを１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

＜潤滑剤＞
潤滑剤は、金型内で鉄基粉末冶金用混合粉を圧縮して得た成形体を、金型から取り出しやすくするために添加される。つまり、鉄基粉末冶金用混合粉に潤滑剤を添加すると、金型から成形体を取り出すときの抜き圧を低減し、成形体の割れや金型の損傷を防止することができる。潤滑剤は、鉄基粉末冶金用混合粉に添加してもよいし、金型の表面に塗布してもよい。潤滑剤を鉄基粉末冶金用混合粉に添加する場合、潤滑剤は、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、０．０１質量％以上１．５質量％以下含まれることが好ましく、０．１質量％以上１．２質量％以下含まれることがより好ましく、さらに好ましくは０．２質量％以上１．０質量％以下含まれることである。潤滑剤の含有量が０．０１質量％以上であることにより、成形体の抜き圧を低減する効果を得やすい。潤滑剤の含有量が１．５質量％以下であることにより、高密度な焼結体を得やすく、強度の高い焼結体を得ることができる。

上記潤滑剤は、金属石鹸（ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等）、ステアリン酸モノアミド、脂肪酸アミド、アミドワックス、炭化水素系ワックス及び架橋（メタ）アクリル酸アルキルエステル樹脂からなる群より選択される１種以上を用いることができる。中でも、鉄基粉末表面に合金用粉末、黒鉛粉末等を付着させる性能が良好であり、かつ鉄基混合粉末の偏析を軽減しやすいという観点から、アミド系潤滑剤を用いることが好ましい。

＜バインダ＞
バインダは、鉄基粉末表面に合金用粉末、黒鉛粉末等を付着させるために添加される。バインダは、ブテン系重合体、メタクリル酸系重合体等が用いられる。ブテン系重合体としては、ブテンのみからなる１−ブテン単独重合体、又はブテンとアルケンの共重合体を用いることが好ましい。上記アルケンは低級アルケンが好ましく、好ましくはエチレン又はプロピレンである。メタクリル酸系重合体は、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸シクロへキシル、メタクリル酸エチルへキシル、メタクリル酸ラウリル、アクリル酸メチル及びアクリル酸エチルからなる群より選択される１種以上を用いることができる。

バインダの含有量は、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、０．０１質量％以上０．５質量％以下含まれることが好ましく、０．０５質量％以上０．４質量％以下含まれることがより好ましく、さらに好ましくは、０．１質量％以上０．３質量％以下含まれることである。

＜鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法＞
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉の作製においては、まず鉄基粉末冶金用混合粉に含まれるＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を作製する。ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、体積平均粒子径が０．１μｍ以上６０μｍ以下の半水石膏又は二水石膏を３００℃以上９００℃以下で加熱することによって得ることが好ましい。半水石膏又は二水石膏の体積平均粒子径は、加熱時の凝集を考慮してＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径と同等のもの又は僅かに小さいものを用いることが好ましい。加熱温度の下限は、３５０℃以上であることが好ましく、より好ましくは４００℃以上である。また加熱温度の上限は８００℃以下であることが好ましく、より好ましくは７００℃以下、さらに好ましくは５００℃以下である。加熱温度が９００℃以下であることにより、鉄基粉末に混合する粉末として一般的な１００μｍ以下の粒子径のＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を得ることができる。特に加熱温度が７００℃以下であることにより、半水石膏又は二水石膏の凝集が生じにくく、半水石膏又は二水石膏の体積平均粒子径を維持したままＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を得ることができる。加熱温度が高い場合、強固な凝集が生じるため粉砕工程を行うことが好ましい。加熱温度が３００℃以上であることにより、半水石膏又は二水石膏の水分を脱水し、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末とすることができる。加熱温度が低い場合、無水ＩＩ型ＣａＳＯ₄ではなく無水ＩＩＩ型ＣａＳＯ₄が形成されることがあるため好ましくない。

加熱時間は、半水石膏又は二水石膏をＩＩ型の硫酸カルシウムに脱水し得る時間を確保することが好ましく、１時間以上８時間以下であることが好ましい。加熱温度が高いほど加熱時間を短くすることができる。加熱時間が短い場合は、半水石膏の一部がＩＩ型の硫酸カルシウムに変化せずに半水石膏のまま残存するか、又は無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウムに変化することがある。このため加熱時間は２時間以上であることが好ましく、より好ましくは３時間以上である。

本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、例えば機械撹拌式混合機を用いて、鉄基粉末と、上記で作製したＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末とを混合することにより作製することができる。これらの粉末に加えて、３元系酸化物、合金用粉末、黒鉛粉末、潤滑剤、２元系酸化物、バインダ等の各種添加剤を適宜添加してもよい。上記機械撹拌式混合器としては、例えば、ハイスピードミキサー、ナウターミキサー、Ｖ型混合機、ダブルコーンブレンダー等が挙げられる。上記各粉末の混合順序は特に限定されない。混合温度は、特に限定されないが、混合工程で鉄基粉末の酸化を抑制する観点から１５０℃以下が好ましい。

＜焼結体の製造方法＞
上記で作製した鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填した後、３００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下の圧力をかけることによって圧粉成形体を製造する。このときの成形温度は、２５℃以上１５０℃以下であることが好ましい。

上記で作製した圧粉成形体を、通常の焼結方法によって焼結することにより焼結体を得ることができる。焼結条件は、非酸化性雰囲気又は還元性雰囲気であればよいが、窒素雰囲気、窒素及び水素の混合雰囲気、炭化水素等の雰囲気下、１０００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上６０分以下の焼結を行なうことが好ましい。

＜焼結体＞
上記のようにして作製した焼結体は、必要に応じて切削工具等の種々の工具で加工することによって、自動車、農機具、電動工具、家電製品等の機械部品として使用することができる。上記焼結体を加工する切削工具としては、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用切削工具、旋削加工用切削工具、リーマ、タップ等を挙げることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
まず、市販の半水石膏の粉末を篩により分級して−６３／＋４５μｍ（体積平均粒子径５４μｍ）とした。分級した半水石膏を、大気加熱炉において３５０℃で５時間加熱することにより無水ＩＩ型の硫酸カルシウム粉末（ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末）を得た。このＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を篩により分級して−６３／＋４５μｍ（体積平均粒子径５４μｍ）とした。得られたＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の収率は１００％であった。この収率は、加熱後のＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の重量に対し、その重量から分級により除かれたＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の重量を引いた重量の百分率を算出することにより得た値である。

次に、純鉄粉（製品名：アトメル３００Ｍ（株式会社神戸製鋼所製））に対して、２重量％の銅粉末（製品名：ＣｕＡＴＷ−２５０（福田金属箔粉工業株式会社製））と、０．８重量％の黒鉛粉（製品名ＣＰＢ（日本黒鉛工業株式会社製））と、０．７５重量％のアミド系潤滑剤（アクラワックスＣ（ＬＯＮＺＡ社製））と、上記で作製したＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と、を混合することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。黒鉛粉は、焼結後の炭素量が０．７５重量％となるような分量を添加した。ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は、焼結後のＣａＳの重量が０．５重量％となるような分量を添加した。

上記鉄基粉末冶金用混合粉を用いて２種の焼結体を作製した。１つは、作製直後の鉄基粉末冶金用混合粉を用いて作製した焼結体（以下「直後焼結体」と記す）であり、もう１つは、鉄基粉末冶金用混合粉を作製から１０日間、大気中に保管したものを用いて作製した焼結体（以下「１０日後焼結体」と記す）である。

直後焼結体の製造手順は、まず作製直後の鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填し、外径６４ｍｍ、内径２４ｍｍ、厚み２０ｍｍのリング形状で、成形密度が７．００ｇ／ｃｍ³となるように試験片を成形した。次に、このリング形状の試験片を１０体積％のＨ₂-Ｎ₂雰囲気下で１１３０℃で３０分間焼結することにより焼結体を作製した。一方、１０日後焼結体の作製手順は、鉄基粉末冶金用混合粉を作製してから１０日間大気下に放置したものを金型に充填したことが異なる他は直後焼結体と同様にして焼結体を作製した。

（実施例２〜８）
半水石膏の粉末の加熱温度を、表１の「熱処理温度」の欄に示すように代えたことが異なる他は実施例１と同様にして焼結体を作製した。

（比較例１〜３）
無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを、表１の「ＣａＳ成分」の欄に示す材料に変更したことが異なる他は実施例１と同様にして焼結体を作製した。比較例１は、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを添加しなかったことが異なる他は実施例１と同様にして焼結体を作製した。

＜評価＞
表１において、成形体密度、焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量の評価結果を「直後焼結体／１０日後焼結体」として記した。かかる表記は、スラッシュを挟んで左側の値が直後焼結体の評価結果であり、スラッシュを挟んで右側の値が１０日後焼結体の評価結果である。

各実施例及び各比較例の直後焼結体及び１０日後焼結体の成形体密度及び焼結体密度は、日本粉末冶金工業会規格（ＪＰＭＡ Ｍ ０１）に準じて測定した値を採用した。また圧環強度は各実施例及び各比較例の各焼結体をＪＩＳ Ｚ ２５０７―２０００に準じて測定した値を採用した。圧環強度が高いほど、焼結体が破壊されにくく、強度が高いことを示している。

各実施例及び各比較例で作製した焼結体を用いて、サーメットチップ（ＩＳＯ型番：ＳＮＧＮ１２０４０８ ノンブレーカ）を使用して、周速１６０ｍ／ｍｉｎ、切込み０．５ｍｍ／ｐａｓｓ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、乾式の条件で１１５０ｍ旋削したときの、切削工具の工具摩耗量（μｍ）を工具顕微鏡により測定した。その結果を表１の「工具摩耗量」の欄に示している。なお、工具摩耗量の値が小さいほど焼結体の被削性が優れることを示している。

表１に示す各実施例及び各比較例の結果から、各実施例のようにＣａＳ成分としてＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を含むことにより、直後焼結体及び１０日後焼結体の各種特性（焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量）がほぼ同等になることがわかった。一方、比較例２及び３は、ＣａＳ成分としてＣａＳ単体又は半水石膏を含むものであるため、１０日後焼結体の各種特性が直後焼結体のそれに比して著しく劣化していた。

比較例２及び３において１０日後焼結体の品質及び性能が劣化した原因は、鉄基粉末冶金用混合粉を１０日間放置している間に、鉄基粉末冶金用混合粉中のＣａＳ又は半水石膏が水分を吸水したことによるものと考えられる。つまり、比較例２及び３では、１０日の大気下の保管中に鉄基粉末冶金用混合粉中のＣａＳ単体又は半水石膏が水分を吸水したことにより、焼結体の密度が低下したり、圧環強度が低下したりしたものと考えられる。なお、比較例１は、ＣａＳ成分を含まないものであるため、直後焼結体も１０日後焼結体も工具摩耗量が著しく高く、焼結体の被削性が顕著に低い。

また実施例８の１０日後焼結体は、実施例１〜７のそれに比して、直後焼結体よりも各種性能が劣化している。この原因は、実施例８の半水石膏に対する加熱温度が実施例１〜７に比して低かったことにより、半水石膏の一部がＩＩ型の硫酸カルシウムに変化せず、ＩＩＩ型の硫酸カルシウムに変化したか又は半水石膏のままで残り、これらの成分が吸湿性を示したことによるものと考えられる。ただし、実施例８で得られた焼結体の各種性能の安定性は、比較例１〜３のそれに比して格段に優れている。このため、実施例８のように、半水石膏の全部をＩＩ型の硫酸カルシウムにされていなくても、焼結体の安定性を高める効果を得ることができることが明らかとなった。

表１の実施例１〜７の「収率」に着目すると、半水石膏の加熱温度が高いほど収率が低下する傾向にある。この原因は、加熱温度を高くするほどＩＩ型の硫酸カルシウムが凝集して大型の粒状物となり、当該大型の粒状物が分級によって除かれたことによるものと考えられる。よって、ＩＩ型の硫酸カルシウムからなる粉末を効率よく得るためには、半水石膏の加熱温度を３５０℃以上６００℃以下にすることが好ましいことが明らかとなった。

表１に示す結果から、ＣａＳ成分としてＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を含むことにより、直後焼結体及び１０日後焼結体の各種特性（焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量）がほぼ同等になり、焼結体の品質及び性能が安定していることが明らかとなり、本発明の効果が示された。

（実施例９〜２９）
ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径及び焼結後のＣａＳの重量比を、表２の「体積平均粒子径」及び「ＣａＳ重量比」の欄に示すように代えたことが異なる他は実施例１と同様にして焼結体を作製し、実施例１と同様の方法によって各項目を評価した。その結果を表２に示す。各実施例で用いたＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の体積平均粒子径の調整は、加熱処理したＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末に対して種々の粉砕及び分級をすることにより行った。

なお、実施例９〜２９においても上記実施例１と同様、直後焼結体及び１０日後焼結体の２種を作製してそれぞれの特性を評価したが、全ての評価項目において両測定値が同一又は無視できる程度の微差であったため、表２においては１つの測定値のみを記した。したがって、実施例９〜２９の鉄基粉末冶金用混合粉を用いて作製した焼結体は、品質及び性能が安定していることが明らかとなり、本発明の効果が示された。

表２の「切屑処理性」は、サーメットチップを用いた旋削により生じた切り屑の外観を以下の評価基準に基づいて評価した結果である。

（切屑処理性の評価基準）
◎：スプリング状の巻数（カール数）が1巻以下である（例えば図１）。
○：カール数が1〜3巻き以内である。
×：カール数が3巻きを超えている（例えば図２）。

図１に示すように切り屑が細かく分断されていると、切削加工機の切り屑ホッパーの清掃頻度を抑えることができる。一方、図２に示すように切り屑がコイル状に長く延びていると、切り屑ホッパー内で切り屑が複雑に絡み合って清掃の手間が煩雑となったり、切り屑ホッパーの清掃頻度が多くなったりして生産効率が低下するため、工具摩耗量が低減したとしても長時間の自動運転ができず省力化・効率化につながりにくい。

表２に示す結果から、Ｒ^1/3／Ｗが２０以上３４０以下であることにより、圧環強度、工具摩耗量及び切屑処理性のいずれもが優れた焼結体を作製することができることが明らかとなった。一方、Ｒ^1/3／Ｗが２０未満であると切屑処理性が低下する傾向、Ｒ^1/3／Ｗが３４０を超えると圧環強度が高くなる傾向、及び工具摩耗量が著しく増える傾向が確認された。

（実施例３０〜３４及び参考例１〜２）
実施例３０〜３４では、表３に示すようにＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の一部を、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂又は２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂に代えたことが異なる他は実施例２６と同様にして焼結体を作製した。参考例１及び２では、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の全部を、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂又は２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂にそれぞれ代えたことが異なる他は実施例２６と同様にして焼結体を作製した。なお、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂及び２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂は、体積平均粒子径が２μｍのものを用いた。なおまたＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末は体積平均粒子径が１８．４μｍのものを用いた。

このようにして作製した各実施例及び各比較例の焼結体に対し、実施例２６と同様の方法によって各項目を評価した。その結果を表３に示す。なお、実施例３０〜３４においても直後焼結体及び１０日後焼結体の２種を作製してそれぞれの特性を評価したが、全ての評価項目において両測定値が同一又は無視できる程度の微差であったため、表３においては１つの測定値のみを記している。したがって、実施例３０〜３４の鉄基粉末冶金用混合粉を用いて作製した焼結体は、品質及び性能が安定していることが明らかとなり、本発明の効果が示された。

表３に示す結果から、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末の一部を３元系酸化物に置換することにより、工具摩耗量をさらに低減でき、特に実施例３２〜３４の結果に示されるように、３元系酸化物と焼結後のＣａＳとの重量比が３：７〜９：１であるときに工具摩耗量を顕著に低減できることが明らかとなった。

このように工具摩耗量を低減させることができる理由は、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と３元系酸化物の併用によって両者の相互作用が生じたことによるものと考えられる。

このように考える理由は、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と３元系酸化物を併用した場合と、３元系酸化物単体の場合とで、工具すくい面の摩耗形態及び摩耗部分の成分が異なっていたからである。図３〜図８はそれぞれ、実施例２６、３０、３２〜３４及び参考例１で作製した焼結体をサーメットチップで旋削した後の工具すくい面の摩耗部分を光学顕微鏡によって観察した画像である。図４〜７に示されるように、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と３元系酸化物を併用した場合（実施例３０、３２〜３４）、鉄の凝着が低減し、溝状の摩耗は見られなかった。これに対し、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末を添加せず３元系酸化物のみを添加した場合（参考例１）、図８に示されるように、溝状の摩耗が形成され、鉄の凝着が観察された。また実施例３０、３２〜３４の摩耗部分には、摩耗面全体に３元系酸化物成分が検出されたのに対し、参考例１の摩耗部分には、半月状の摩耗部分の一部にのみ３元系酸化物が検出された。なお、３元系酸化物を添加せず、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末のみを添加した場合（実施例２６）では、工具すくい面の半月状の摩耗部分の面積が、実施例３０、３２〜３４に比して小さく（工具の少ない面積で受けている）、鉄（Ｆｅ）の部分的な凝着が大きかった。かかる鉄の凝着物が工具に付着及び脱落を繰り返すことにより切削工具の摩耗が進みやすくなったり、被削材の表面が滑らかでなくなったりする場合がある。

以上の結果から、実施例３０〜３４のように、ＩＩ型ＣａＳＯ₄粉末と３元系酸化物とを併用することにより、焼結体の被削性がさらに優れることが明らかとなった。

Claims (8)

1. 無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を、焼結した後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように含む鉄基粉末冶金用混合粉。
2. 前記無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末は、体積平均粒子径が０．１μｍ以上６０μｍ以下である請求項１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
3. Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物及びＣａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物からなる群より選択される１種以上の３元系酸化物をさらに含む請求項１又は２に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
4. 前記３元系酸化物と前記焼結した後のＣａＳとの重量比が３：７〜９：１である請求項３に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
5. 前記無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末の体積平均粒子径をＲμｍとし、
   焼結後の焼結体に含まれるＣａＳの重量比をＷ重量％とすると、
   Ｒ^1/3／Ｗは１５以上４００以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
6. 前記無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末は、潤滑剤又はバインダによって被覆されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって作製された焼結体。
8. 二水石膏又は半水石膏を含む粉末を３５０℃以上９００℃以下で加熱することにより無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末を作製するステップと、
   前記無水ＩＩ型の硫酸カルシウムを含む粉末と、鉄基粉末とを混合するステップとを含む、鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法。