JP2744737B2

JP2744737B2 - Ｃｒ系耐熱合金粉末の焼結法

Info

Publication number: JP2744737B2
Application number: JP4184817A
Authority: JP
Inventors: 俊明森近; 勉清水; 裕史山本; 貴宏北川; 隆西
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1992-07-13
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: JPH0625712A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｃｒ系耐熱合金粉末の
焼結法、特に複雑形状品の製造に好適なＣｒ系耐熱合金
粉末の焼結法に関する。

【０００２】

【従来技術及び問題点】出願人は、以前に、高温におけ
る強度及び耐酸化性にすぐれ、かつ焼結欠陥の生じにく
い焼結材料として、Ｆｅ５〜50重量％を含有し、残部実
質的にＣｒからなるＦｅ−Ｃｒ合金粒子の焼結体を提案
した(特願平１−８０８７２)。

【０００３】ところで、原料粉末を固化する方法とし
て、一般的には、プレス、鋳込み、射出成形、冷間静水
圧加圧(ＣＩＰ)等によって所望形状のグリーンコンパク
トを形成し、該コンパクトを高温で焼結する方法が知ら
れている。

【０００４】しかし、Ｃｒを約50％以上含むと、融点は
約1600℃以上もの高温になる。Ｃｒの含有量が多くなる
ほど、融点も高くなる。緻密な焼結体を得るには、原則
として原料成分の融点近傍の温度で焼結せねばならな
い。しかし、このための高温焼結設備は、経済的にも、
エネルギー消費量の点からも非常に不利であり、約１６
００℃以上の温度での焼結は、実用的に不可能に近いと
いうのが現状である。

【０００５】一方、Ｃｒを約５０％以上含むグリーンコ
ンパクトを、鉄合金の一般的な焼結条件(約1500℃)によ
って焼結すると、焼結品の密度は完全緻密体の約80％程
度にまでしか達しないため、所望の高温強度が得られ
ず、実用に供することはできない。焼結品の気孔を消失
させて、より緻密な構造とするためには、更に熱間静水
圧加圧(ＨＩＰ)を行なえばよいが、ＨＩＰ前の焼結品の
密度が完全緻密体の約94％以上なければ、ＨＩＰを行な
っても圧力がかからず、ＨＩＰによる密度向上効果は殆
んど期待できない。

【０００６】かかる理由から、Ｃｒ系耐熱合金粉末を焼
結する場合、原料粉末を金属カプセルに充填し、脱気密
封した後、ＨＩＰを行なう、いわゆるカプセルＨＩＰ焼
結法が広く採用されている。このカプセルＨＩＰ焼結に
よって、略完全に緻密な焼結品を製造することができ
る。

【０００７】ウォーキングビーム式加熱炉用スキッドボ
タンの如きブロック形状の焼結品は、一般に、このカプ
セルＨＩＰ焼結によって製造されている。

【０００８】ところが、例えばタービンブレードの如
く、複雑形状の製品を作る場合も、一旦ＨＩＰによって
緻密な焼結体ブロックを作製した後、機械加工によって
所望形状に切り出していた。このため、複雑形状の焼結
品は、材料歩留りが非常に悪く、製品コストが高くなる
問題があった。

【０００９】複雑形状の焼結品も、このように焼結体ブ
ロックを形成してから切削等の機械加工を行なうのは、
カプセルＨＩＰ焼結の場合、複雑形状のカプセルを製作
することが非常に困難だからである。また、多大の工数
をかけて複雑形状のカプセルを製作しても、カプセル内
の全ての場所で均一密度になるように原料粉末を充填す
ることはできない。特にカプセルの隅部は、充填密度が
小さくなるため、ＨＩＰ後の収縮量も多くなる。このた
め、カプセルの隅部については、その後の機械加工のた
めの加工しろを十分に考慮してカプセル設計せねばなら
ず、焼結体ブロックから切り出すのと実質的に変わらな
くなってしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、Ｃｒ系耐熱
合金粉末の焼結において、金属カプセルを使用せずにＨ
ＩＰ焼結することによって緻密な焼結品が得られる焼結
法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｆｅ５〜50重
量％、残部実質的にＣｒからなるＦｅ−Ｃｒ合金粉末の
焼結において、グリーンコンパクトを約1500℃の温度で
焼結することによって、完全緻密体の約94％以上の密度
を有する焼結体を形成できるようにしたもので、この焼
結体をさらにＨＩＰすることによって非常に緻密な焼結
品が得られるようにしたものである。本発明の焼結法
は、Ｆｅ５〜50重量％、残部実質的にＣｒのＦｅ−Ｃｒ
合金の粒子からなる原料粉末を調製する工程、該原料粉
末100重量部に対して、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末の少なく
とも１種を合計量で１〜５重量部添加し混合する工程、
得られた混合物を所定形状のグリーンコンパクトに形成
する工程、該コンパクトを焼結する工程、得られた焼結
体を更にＨＩＰする工程を有している。

【００１２】なお、グリーンコンパクトの焼結体は、完
全緻密体の約94％以上の密度を具備できるようにする。
その後のＨＩＰによって、ほぼ完全に緻密な焼結体が得
られるようにするためである。

【００１３】Ｃｒ系耐熱合金の原料粉末として、Ｆｅ５
〜50重量％、残部実質的にＣｒからなるＦｅ−Ｃｒ合金
粒子を使用するのは、1300℃を超える温度域での使用に
おいて、高い圧縮変形抵抗性を有し、また酸化性雰囲気
において安定した酸化抵抗性を確保できる材料だからで
ある。

【００１４】Ｆｅ−Ｃｒ合金の原料粉末と、Ｆｅ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ粉末の少なくとも１種とを略均一に混合する。
原料粉末の粒子間にＦｅ等の微細粒子を介在させること
により、これら微細粒子が焼結の橋渡し的役割を発揮
し、原料粉末の焼結性が向上するからである。Ｆｅ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ粉末の添加量が、原料粉末100重量部に対して
１重量部に満たないと、原料粉末の焼結性向上効果は期
待できない。一方、添加量が５重量部を超えると、焼結
時に添加粉末粒子が母合金に十分固溶されずに粒子界面
に残存し、Ｆｅ−Ｃｒ合金が本来的に備える特性が損な
われ、高温における強度が低下する。かかる理由から、
添加混合するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの粉末は、Ｆｅ−Ｃｒ合
金100重量部に対して１〜５重量部とする。

【００１５】添加するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末の粒径は微
細であることが望ましく、少なくとも原料粉末よりも粒
径を小さくする必要がある。望ましい粒径サイズは、約
10μm以下である。

【００１６】

【作用】原料粉末の合金粒子間に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの
１種又は２種以上の微細粒子が介在するから、原料粉末
の粒子界面で拡散が起こり易くなり、融点よりも低温で
相互拡散が起こり、焼結緻密化するものと考えられる。
従って、Ｃｒを50％以上含有し、融点が約1600℃を超え
る原料粉末であっても、約1500℃の温度での焼結によっ
て、完全緻密体の約94％以上の密度を備えた焼結体を得
ることができる。

【００１７】この焼結体は、さらにＨＩＰすることによ
って、気孔が取り除かれ、ほぼ完全に緻密な構造に生成
される。

【００１８】

【実施例】Ｆｅ15％及びＣｒ85％の合金粒子からなる供
試原料粉末Ａと、Ｆｅ５％及びＣｒ95％の合金粒子から
なる供試原料粉末Ｂについて、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの少な
くとも１種の微細粉末添加による焼結性向上効果を調べ
た。

【００１９】原料粉末は、Ｆｅ−Ｃｒ合金をアトライタ
ーで粉砕し、粒度20〜40μmに調製した。なお、アトラ
イターによってメカニカルアロイング効果を得る場合
は、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末に代えて、Ｆｅ粉末とＣｒ粉末
の混合粉末を使用することもできる。

【００２０】原料粉末に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの粉末少な
くとも１種加えて略均一に混合する。添加粉末は、粒子
径サイズ約２μm以下の純Ｆｅ、純Ｎｉ、純Ｃｏ粉末を
用いた。混合方法は、ポリプロピレン製広口瓶に、Ｆｅ
−Ｃｒ合金粉末、及びＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの粉末少なくと
も１種を入れ、更にＷＣボールを入れて密封した後、ボ
ールミルを行なってもよいし、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末と、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの粉末少なくとも１種とを、アトライ
ター等の高エネルギーボールミルによって混練してもよ
い。供試原料粉末Ａ又はＢと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの粉末
少なくとも１種添加して混合した種々の実施例を表１に
示す。供試No.１〜No.５は供試原料粉末Ａと混合したも
ので、供試No.６〜No.８は供試原料粉末Ｂと混合したも
のである。なお、表１において、添加粉末の量は、供試
原料粉末を100重量部としたときの重量部を示してい
る。

【００２１】供試材No.１〜No.８を、夫々、ゴム筒に充
填し、冷間静水圧加圧(ＣＩＰ)に付し、加圧力1500気
圧、加圧時間１分の条件で成形し、グリーンコンパクト
(直径30mm×長さ30mm)を作製した。

【００２２】次に、これらのグリーンコンパクトを、電
気炉のＡｒとＨ₂の雰囲気ガス中にて、温度1500℃、加
熱時間４時間の条件で焼結した。焼結体の表面に付着し
た酸化被膜を除去した後、アルキメデス法に基づいて密
度測定を行なった。なお、供試原料粉末Ａ、Ｂとも、完
全緻密体の密度を7.2g/cm³とみなして、相対焼結密度を
算出した。算出結果は、表１中、「ＨＩＰ前」の欄に示
す。

【００２３】得られた各焼結体は、温度1250℃、加圧力
1200気圧、保持時間２時間の条件にてＨＩＰを行なっ
た。ＨＩＰ後、前記と同じ要領にて密度測定を行なっ
た。ＨＩＰ後の相対焼結密度の算出結果を表１に示す。

【００２４】比較例として、供試材No.11〜No.15を作製
した。供試材No.11とNo.15は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末の
いずれも含まない比較例、供試材No.12〜No.14は、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末の添加量が本発明の規定量に達して
いない比較例である。これら比較例について、前記と同
じ要領にて、グリーンコンパクトを形成し、その後、焼
結及びＨＩＰを行ない、相対焼結密度を調べた。その結
果を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１の結果から明らかなように、供試原料
粉末100重量部に対して、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末の少な
くとも１種を１〜５重量部添加混合した供試材(No.１〜
No.８)は、ＨＩＰ前の段階で、既に完全緻密体の94〜9
6.4％の緻密焼結体が得られており、更にＨＩＰするこ
とによってほぼ完全に緻密な焼結品を得られることがわ
かる。

【００２７】これに対し、供試材No.11及びNo.15は、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末を添加していないため、ＨＩＰ前の
段階では、相対密度が約75％程度の焼結体しか得られて
いない。この供試材は更にＨＩＰを行なっても、密度向
上効果は殆んど認められない。また、供試材No.12〜No.
14は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末の添加量が少ないため、約
85％程度の焼結体しか得られない。これらの焼結体に更
にＨＩＰを行なっても、密度向上効果は不十分である。

【００２８】以上の結果から、Ｆｅ−Ｃｒ合金の原料粉
末に、所定量のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ粉末を少なくとも１種
混合することによって、焼結性が向上し、融点よりもか
なり低い温度で焼結を行なっても、少なくとも約94％の
相対密度を有する焼結体を得られることがわかる。

【００２９】

【発明の効果】Ｃｒ系耐熱合金粉末のＨＩＰ焼結を、カ
プセルを使用せずに行なうことができるから、焼結すべ
き製品形状の自由度は大きい。従って、原料粉末からほ
ぼ任意形状の製品を成形してグリーンコンパクトを作
り、これを通常の焼結及びＨＩＰを行なうだけで、非常
に緻密な焼結品を得ることができる。高融点のＣｒ系耐
熱合金粉末から複雑形状の焼結品を作る場合でも、カプ
セルの製作、緻密な焼結体ブロック形成後の機械加工等
は不要となるから、その経済的効果は極めて大きい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/18 Ｂ２２Ｆ 3/14 Ｍ (72)発明者北川貴宏兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号株式会社クボタ技術開発研究所内 (72)発明者西隆兵庫県尼崎市西向島町64番地株式会社クボタ尼崎工場内 (56)参考文献特開平２−258947（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 1/04,33/02 B22F 1/00,3/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｆｅ５〜50重量％、残部実質的にＣｒか
らなるＦｅ−Ｃｒ合金を粒子とする原料粉末を調製する
工程、該原料粉末100重量部に対して、Ｆｅ粉末、Ｎｉ
粉末及びＣｏ粉末からなる群から選択された少なくとも
１種以上の粉末を合計量で１〜５重量部混合する工程、
得られた混合物を所定形状のグリーンコンパクトに形成
する工程、該コンパクトを焼結する工程、及び、得られ
た焼結体を熱間静水圧加圧する工程、を有していること
を特徴とするＣｒ系耐熱合金粉末の焼結法。