JP2608178C

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Publication number: JP2608178C
Authority: JP
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Publication date: 1999-11-02

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【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は粉末冶金用鉄粉に関し、特に、高圧縮性と高圧粉体強度と低圧粉体抜
出力とを兼ねそなえた水アトマイズ鉄粉に関するものである。〔従来の技術〕鉄系焼結部品の適用範囲は年々広がってきており、しかものその対象はより高強度でかつ歯車等の複雑形状部品へと向かってい
る。鉄系焼結部品の機械的強度は圧粉体の密度に依存するところが大きく、一定の
成形圧力で成形した場合に、より密度の高い鉄粉（高圧縮性鉄粉）が必要とされ
る。一般に市販されている高圧縮性鉄粉としては水アトマイズ鉄粉が挙げられる。
例えば市販の鉄粉Ａは、ステアリン酸亜鉛を１重量％添加し、５ｔ／ｃｍ²の圧
力で成形した場合に６.９０ｇ／ｃｍ³の圧粉体密度が得られる（ＪＳＰＭ標準１
−６４金属粉の圧縮性試験法による）。また、同じく市販の鉄粉Ｂも同じ成形条
件で６.８５ｇ／ｃｍ³が得られる。また、市販されている最も高圧縮性鉄粉Ｃは
同じ条件で７.０３ｇ／ｃｍ³という高い圧粉密度が得られる。さらに特公昭５４
−１０９３５号公報には６ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で成形した際に７.３ｇ／ｃｍ³
以上の圧粉体密度が得られる鉄粉が紹介されている。鉄粉の高圧縮性化のための手段としては、前記公報にもあるように、Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｏ，その他の不純物を減少させ
ることが知られている。また、鉄粉の粒子形状を球状化することも有効な手段として知られている。粒
子の球状化の程度をはかる手段としてはＪＩＳＺ２５０４金属粉の見掛密度
試験方法があるが、第１図に示すように、粒子形状が丸くなるほど見掛密度が大
きくなり同一成形圧力で成形した際により高い圧粉密度が得られる。しかし、一般に粒子の形状が丸くなると、加圧成形時に粒子同士のからまり合
いが小さくなり圧粉体の強度が低くなる。圧粉体の強度を表す指標としては、Ａ
ＳＴＭＢ３１２−６４による圧粉体抗折力、またはＪＳＰＭ標準４−６９金属
圧粉体のラトラー試験法によるラトラー値が用いられるが、第２図、第３図に示
すように見掛密度が大きい鉄粉ほどラトラー値が大きく圧粉体抗折力は小さな値
を示す。粉末冶金においては、圧粉体を成形プレスから次工程である焼結を施す焼結炉まで何らかの手段で搬送する必要があり、圧粉体
の強度が小さいと圧粉体にクラックが入ったり、割れたり、あるいは一部が欠け
たりする問題が起こる。この問題は、複雑形状、特に薄肉部品を製造する場合に
おいて特に顕著となる。すなわち、鉄粉粒子の形状を極度に球状化して圧縮性を向上させる場合には、
鉄粉粒子同士のからまり合いが小さくなり、圧粉体強度が低下し、工業的に高密
度複雑形状部品を製造するには適さないという問題がある。前記公報の実施例に
は圧粉体強度の記述はないが、実施例によれば見掛密度が３.１ｇ／ｃｍ³であり
、市販の水アトマイズ鉄粉のレベル（２.８〜３.０ｇ／ｃｍ³）よりかなり高く
、圧粉体強度がかなり低いものと推測される。一方で、高密度部品を製造するために成形圧力を高くした場合、または複雑形
状部品で成形金型と圧粉体の接触面積が多い場合には、鉄粉を金型内で成形した
後、圧粉体を金型から取出す際に必要な抜出力が大きくなる。金型から圧粉体を
取出す時に必要な抜出力の測定法としては日本粉末冶金工業会標準化指針圧粉体抜出
力がある。この抜出力が大きいと、複雑形状部品を製造する際に、金型から圧粉体を抜き
出す時に圧粉体に大きなせん断応力が働き、クラックが入ったり時には割れたり
し、大きな問題となる。一般に第４図に示すように、鉄粉の粒子形状が球状に近いほどすなわち見掛密
度が大きいほど抜出力が低い傾向がある。すなわち、圧縮性を向上させ、抜出力を小さくするためには見掛密度を大きく
することが有効であるが、見掛密度を大きくすると圧粉体強度が低下する。第１表に前記鉄粉Ａ，Ｂ，Ｃの見掛密度流動度、１重量％ステアリン酸亜鉛を
加えて５ｔ／ｃｍ²で成形した場合の圧粉密度、ラトラー値を示す。Ｃ鉄粉はＡ鉄粉に比べ、圧粉密度が７.０３ｇ／ｃｍ³と０.１０ｇ／ｃｍ³以上
も大きく圧縮性に優れているが見掛密度が大きく粒子形状が球に近いためラトラ
ー値がＡ鉄粉より大きく圧粉体強度が低い。第２表に上記３種の鉄粉にステアリン酸亜鉛を１重量％加え混合した粉末を用
い、５ｔ／ｃｍ²で成形した場合の圧粉体の金型からの抜出力と圧粉体抗折力を
示す。Ｃ鉄粉は粒子が球状に近いのでＡ鉄粉に比し抜出力が小さいが、粒子同士のか
らまり合いが小さいので圧粉体抗折力が非常に小さい。このように高圧縮性と低抜出力と高圧粉体強度の３つの特性を同時に満足する
ことは不可能であった。〔発明が解決しようとする課題〕本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、高圧縮性と低圧粉体抜出力と高圧
粉体強度とを同時に満足する粉末冶金用鉄粉を提供しようとするものである。〔課題を解決するための手段〕本発明は上記課題を解決するために、水アトマイズ鉄粉であって、炭素：０.００３重量％以下窒素：０.００２０重量％以下鉄及び不可避的不純物：残部からなり、＋１００メッシュが１５〜３０重量％で−３２５メッシュが５〜２０
重量％の粒度構成を有し見掛密度が２.９０を越え３.１５ｇ／ｃｍ³以下である粉末冶金用鉄粉を提供する。この鉄粉はステアリン酸亜鉛を１重量％加
えて５ｔ／ｃｍ²の成形圧力で成形した場合、圧粉体密度が７.００ｇ／ｃｍ³以
上、ラトラー値が０.８％以下、圧粉体抗折力が８０ｋｇｆ／ｃｍ²以上、かつ圧
粉体抜出し力が２１０ｋｇｆ／ｃｍ²以下となるものである。〔作用〕本発明は、水アトマイズ鉄粉の圧縮性を向上させるために鉄粉の不純物含有量
を制限し、圧縮性を高く、抜出力を低く、ラトラー値を低くするために粗粒の含
有割合を増加させ、圧縮性と抜出力を阻害しない範囲で、かつ圧粉体強度を阻害
しない範囲の見掛密度を選定したものである。鉄粉の不純物と圧縮性の関係については、Ｍｎ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｐ，Ｓ等
の固溶型不純物が低いほど、圧縮性は良好であることは知られている。本発明で
は、特に侵入型元素であるＣ，Ｎに着目した。市販のＡ鉄粉について、Ｃ及びＮ
と圧縮性との関係を調査した結果を第５図、第６図に示した。これらの成分はご
く微量で圧縮性に大きな影響が現われるのでできるだけ低い方が好ましく、本発明では、それぞれ０.
００３重量％以下、０.００２０重量％以下に限定した。粒度構成については、第７図に示すように、鉄粉の粒度別の圧縮性、ラトラー
値、抜出力には次の関係が明らかである。圧縮性は粗い鉄粉ほど大きく、ラトラー値は１５０〜２００メッシュの粒度域
の内が最も低く、それよりも粗い側、細かい側では大きくなるが粗い側の大きく
なる傾向は小さい。また、抜出力は１５０〜３２５メッシュの粒度域が大きくそれより細かい側、
粗い側では小さくなる。すなわち圧縮性と抜出力だけを考えれば粗い粒度の鉄粉
が望ましいが、一方でラトラー値すなわち圧粉体強度を考えると極端に粗い粒度
域の鉄粉は望ましくないことが分かる。第８図は後述の実施例１の鉄粉を用いて第３表に示すように−３２５メッシュ
の粒度域を約１０重量％に固定して粗粒側の＋１００メッシュ鉄粉の粒度域を約１０〜３５重量％に調整した場合の圧粉密度、ラトラー値、抜
出力を示す。この結果から＋１００メッシュの鉄粉の比率が３０重量％を越えると急激にラ
トラー値が大きくなるので＋１００メッシュの比率の上限を３０重量％とした。
一方、圧縮性と抜出力は＋１００メッシュが１５重量％未満で急激にそれぞれ小
さく、大きくなるので、＋１００メッシュの下限を１５重量％とした。一方、同じく実施例１の鉄粉を用いて粗粒側（＋１００メッシュ）の粒度域を
約２０重量％に固定し、微粒側（−３２５メッシュ）の含有量を第４表に示すよ
うに約０〜３０重量％に調整した場合の圧粉密度、ラトラー値、抜出力を第９図
に示す。 −３２５メッシュが２０重量％を越えると、極端に圧粉密度とラトラー値がそ
れぞれ小さく、大きくなり、また５重量％より少なくなると抜出力が大きくなる
ので、−３２５メッシュの粒度比率を５〜２０重量％とした。見掛密度は実施例１の鉄粉を製造する際の還元処理後のケーキ状となったもの
の解砕条件を変えて種々の見掛密度の鉄粉を得たが、第１０図に示すように２.
９０ｇ／ｃｍ³未満では圧粉密度が小さく抜出力が大きくなり、３.１５ｇ／ｃｍ
³を越えるとラトラー値が極端に大きくなるので、見掛密度を２.９０〜３.１５
ｇ／ｃｍ³とした。〔実施例〕実施例１電気炉にて、Ｃ；０.１５，Ｓｉ；０.０１，Ｍｎ；０.０１，Ｐ；０.００３，
Ｓ；０.００８，Ｃｒ；０.０２，Ｎｉ；０.０２，Ｃｕ；０.０１（重量％）の溶
鋼を溶製した。この溶鋼を水圧１００〜１２０ｋｇｆ／ｃｍ²，水量１〜２ｍ³／ｍｉｎの噴霧
条件により水アトマイズした。得られた粉末に脱水・乾燥を施し６０メッシュの篩網で篩分け、磁選
機で非金属介在物を除去後、純水素ガス気流中で１０００℃で１時間還元処理し
た。還元後の鉄粉はケーキ状になっているのでハンマーミルで解砕し６０メッシュ
で篩分けた。さらにこの鉄粉を、より脱炭素、脱酸素、脱窒素処理を行うことと解砕時の歪
みを除去する目的で、さらに８００℃で３０分間純水素ガス気流中で焼鈍を行な
い、その後、再びハンマーミルで歪をできるだけ与えない様に弱解砕し６０メッ
シュで篩分け、粒度調整を行なった。この様な工程を経て得られた鉄粉の化学成分、見掛密度、流動度、粒度分布、
ステアリン酸亜鉛を１重量％加え、５ｔ／ｃｍ²の圧力で成形した場合の圧粉密
度、ラトラー値を、市販の水アトマイズ、鉄粉Ａ，Ｂ，Ｃと比較して第５表に示
す。また、これらの粉末にステアリン酸亜鉛１重量％を加え５ｔ／ｃｍ²で成形し
た場合の圧粉体抗折力と圧粉体抜出力と圧粉体抜出力を第１１図に示す。第５表及び第１１図から本発明の鉄粉は、市販の鉄粉の最高レベルである５ｔ
／ｃｍ²成形で７.０５ｇ／ｃｍ²という優れた圧縮性を示し、ラトラー値と圧粉
体抗折力は市販の鉄粉のレベルであり、抜出力は市販の鉄粉より小さいことがわ
かり、高圧縮性と、高圧粉体強度と低抜出力とを兼ね備えた鉄粉であることがわ
かる。実施例２，３実施例１と同じ工程を経て得られた粉末の特性を実施例２，３として第６表と
第７表に実施例１と合せて示す。本発明の鉄粉は、圧粉密度、抗折力及び抜出力とも市販品に比べて優れた値を
示す。実施例では１回目の還元処理を１０００℃で１時間行なっているが、これは９
００℃から１１００℃の範囲であれば、２時間から３０分で行なうことも可能で
ある。すなわち、溶鋼を水でアトマイズした際の鋼粉中の歪の除去、微細な結晶粒の
粗大化、水アトマイズ時の微細な粒子同士の焼結の促進による凝似粒子形成が１
０００℃で１時間行なうものに相当すればよい。また２回目の焼鈍処理も８００℃で３０分行なっているが、これは６００〜９
００℃で２時間から１５分で行なうことも可能である。また還元と焼鈍処理を行なう雰囲気は純水素ガスに限定されるものでなく、ア
ンモニア分解ガスで行なうことも可能である。ちなみに本発明の実施例１，２，３の鉄粉と市販鉄粉Ａ，Ｂ，Ｃに電解銅粉２
重量％、天然黒鉛粉０.７重量％、ステアリン酸亜鉛０.７５重量％を加え圧粉体密度が７．００ｇ／ｃｍ³になるように成形した場合の、圧粉体抗折
力、抜出力を調査した結果を第８表に示す。第８表で明らかなように、本発明による鉄粉１，２，３は市販鉄粉に比べ、高
圧粉体抗折力（高圧粉体強度）、低抜出力を兼ね備えた優れた鉄粉である。〔発明の効果〕本発明の水アトマイズ鉄粉は、従来の鉄粉では得られなかった高圧縮性と低抜
出力と高圧粉体強度の３つの特性を同時に兼ね合わせ持った鉄粉であり、しかも
、圧縮性と抜出力は市販鉄粉のそれの最高レベルにありながら圧粉体強度も市販
鉄粉の高レベルであるため、従来の鉄粉ではプレス成形困難であった高密度焼結
部品の工業的生産を可能とする。特に高密度複雑形状部品、薄肉形状部品など、
従来の鉄粉ではプレス成形後、金型抜き出す際にクラック・ひび割れの入り易か
った部品、あるいは焼結炉までの搬送中にクラック・ひび割れの入れ易かった部
品の工業的安定生産に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】第１図は鉄粉の見掛密度と圧粉密度との関係を示すグラフ、第２図は鉄粉の見
掛密度とラトラー値との関係を示すグラフ、第３図は鉄粉の見掛密度と圧粉体抗
折力との関係を示すグラフ、第４図は鉄粉の見掛密度と圧粉体抜出力との関係を
示すグラフ、第５図は鉄粉の炭素含有量と圧粉密度との関係を示すグラフ、第６
図は鉄粉の窒素含有量と圧粉密度との関係を示すグラフ、第７図は鉄粉の粒度と
圧粉体特性との関係を示すグラフ、第８図は粗粉側鉄粉の比率と圧粉体特性との
関係を示すグラフ、第９図は微粉側鉄粉の比率と圧粉体特性との関係を示すグラ
フ、第１０図は見掛密度と圧粉体特性との関係を示すグラフ、第１１図は実施例
１の鉄粉と市販鉄粉との圧粉体抗折力と抜出力との関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１水アトマイズ鉄粉であって、炭素：０.００３重量％以下窒素：０.００２０重量％以下鉄及び不可避的不純物：残部からなり、＋１００メッシュが１５〜３０重量％で−３２５メッシュが５〜２０
重量％の粒度構成を有し、見掛密度が２.９０を越え３.１５ｇ／ｃｍ³以下であ
ることを特徴とする粉末冶金用鉄粉。