JP2945115B2 - 鉄系金属粉末製大型焼結体の製造方法 - Google Patents

鉄系金属粉末製大型焼結体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鉄系金属粉末製金型等に使用される大型焼
結体、例えば0.1〜15トン/塊の焼結体を、プレス成形
することなく安価にかつ量産的に製造する方法に関す
る。
〔従来の技術〕
特開平1−165704号公報及び特開平1−165706号公報
には、プレス成形によらない粉末冶金法により鉄系金属
粉末から金型等の大型焼結体を製造する方法が開示され
ている。前者は、使用すべき適正な粉末粒度と、高強度
を目的として原料鉄系金属粉末に黒鉛粉や銅粉を所望量
混合して焼結する方法を提案している。一方、後者は鉄
と銅との複相組織や原料鉄系金属粉末粒度の適正化によ
り高密度とし、高強度材料を得る方法を提示している。
両技術とも採用すべき焼結雰囲気として、公知雰囲気す
なわち、還元性、不活性又は真空としている。
一般に、従来技術には次の問題がある。
第1に、N3、H2等の非酸化性雰囲気中にて、鉄系金属
粉末のみで重量0.1〜15トン/塊程度の金型等に使用す
る大型焼結体を最低でも1100℃の高温で焼結できる雰囲
気炉がなかった。鉄系金属粉末冶金用の焼結炉は最高焼
結保持温度が1200〜1250℃で、H2、3H2+N2ガス中での
焼結が可能である仕様になっており、この炉は高温には
耐え得るが、粉末冶金部品は小物であるため、0.1〜15
トンの大型用には設計されておらず、このような大型焼
結体には不適であり、新たに大型炉を製作したとしても
コスト的に不利となる。一方、トンネル炉や加熱源にガ
スや重油を使用する炉等は、重量的かつ寸法的には満足
するが、非酸化性雰囲気中での加熱に適する炉とはなっ
ていない。
第2に、H2、COガスの雰囲気中にて加熱する場合、こ
れらのガスが外部へ漏れると爆発や中毒の危険性があ
り、安全上好ましくなく、また、ガスのコストも高く、
安全で安価な焼結方法とはいえない。
第3に、COガスを除く、非酸化性ガス中の焼結では、
雰囲気の露点を制御しないと、たとえ特開平1−165704
号公報に記載されているように、黒鉛粉を鉄系金属粉末
に混合して、焼結体内部の炭素による表面の硬度、強度
を向上しようとしても、高温長時間の加熱(1200℃×70
時間〜1150℃×130時間)のため、焼結体表面が脱炭さ
れ、表面硬度を上昇させるという目的は達成されない。
たとえ、脱炭しない露点でも表面層の炭素量ひいては硬
度は内部より高くならず、次に述べる第4の問題が解決
できなかった。また、ガスの露点の制御も複雑になり、
大型焼結体を製造するには不適である。一方、COガスを
用いる場合には、表面層に浸炭層が形成されて好ましい
が、COガス単体の使用は前記第2の問題が生じ、人体へ
の危険が伴う。このようにCO、H2、N2等の非酸化性ガス
単体を用いる焼結はコスト的にも不利であり、問題が残
る。
第4に、大型焼結体には常になんらかの後加工が必要
とされる。
例えば、金型用に使用される場合には、焼結体内部の
硬さは表面層のそれより低い方が好ましい。その理由
は、大型材料ではドリル切削に時間がかかるため、極
力、金型としての強度を保つ範囲内で焼結体内部の硬度
を低く保つことが好ましい。一方、金型を使用する面か
らすれば、プラスチック射出成形用の2体割りの金型の
場合ように、パーティング面やプラスチックが接触する
面は圧縮による変形や摩耗に耐えるようにするため、表
面層すなわち表面から少なくとも数mm以上を硬化する必
要がある。要するに焼結体の表面層は硬度を上げ、内部
は硬度を下げる必要がある。一方、表面層の硬度向上に
は、焼結した後、窒化又は浸炭する方法があるが、これ
では一工程が増加することになり、また窒化又は浸炭す
る炉が必要となるため、問題がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明者らは、上記問題を解決し目的を達成すべく、
研究開発を重ねた結果、焼結の際、炭素粉末を使用する
ことにより、従来の大気雰囲気中での加熱炉がそのまま
使用して鉄系金属粉末の焼結・溶浸・浸炭を同時に進め
ることができ、表面層を高硬度化しかつ高強度化した大
型焼結体を安価にかつ量産的に製造することができる方
法を見出した。本発明はこのような新技術を提供しよう
とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、鋳型内に鉄系金属粉末を振動充填し、その
充填層上に溶浸材を載置し、これを鉄系金属粉末の焼結
温度での加熱にてCOガスを生成する炭素材で囲み加熱
し、鉄系金属粉末充填層の焼結・溶浸・浸炭を同時に行
うことを特徴とする鉄系金属粉末製大型焼結体の製造方
法である。
〔作用〕
鉄系金属粉末は、原料粉末の大半を占め、焼結体の要
求特性に応じて、純鉄粉や合金鋼粉が用いられる。それ
らの粒度は特開平1−165704号公報や特開平1−165706
号公報に開示されている粒度構成、すなわち、10μm以
下の微粉を25重量%以上含有する粉末冶金用金属粉末、
又は10μm以下の粉末の合計量が全体の10重量%以上50
重量%以下、15μmを越える63μm以下の微粉が全体の
20重量%以上、粒径150〜500μm以下の粉末が20〜60重
量%、最大粒径が500μmで以上の合計量が全体の90%
以上を有する粉末でもよい。また、必要に応じて焼結体
の機械的特性、特に焼結体の表面層の硬度・強度の向上
に役立つ元素、すなわち、少量の黒鉛粉末や非鉄金属粉
末を原料粉末に添加混合し、焼結時に合金化してもよ
い。
原料鉄系金属粉末、及びこれに混合することが必要な
合金材料例えば黒鉛粉、非鉄金属粉末等の混合には、通
常のV型混合機やダブルコーン型混合機等が用いられ
る。このようにして用意された粉末を鋳型、例えばセラ
ミックス鋳型に充填する。
鋳型は、その内部に充填した粉末層が焼結により強度
を増し、鋳型の形状を正しく転写する温度まで強度が十
分であり、鉄系金属粉末との著しい反応により鋳型の転
写を損なわないものであればよい。また、通気性を持つ
鋳型が望ましい。通常、高温まで強度を保つことのでき
るセラミックス鋳型を用いる。鋳型の内部形状は、焼結
・溶浸・浸炭後、焼結体がそのままの形状で、あるいは
著しい加工を施さずに金型などとして機能できるものと
する。鋳型の製作は、精密鋳造用セラミックス鋳型の製
作方法や削り等の機械加工による方法等何れでもよく、
要は転写面の粗さが小さく、かつ強度的に優れたもので
あれば、如何なる製法によってもよい。
原料粉末の鋳型内への充填は乾式でもよく、又はスラ
リー状とした湿式でもよく、振動を加えることにより充
填密度を向上させる。振動の付与は、電磁振動、機械振
動などいかなる方法によってもよい。また、振動中又は
振動後に、従来の鉄系金属粉末冶金方での加圧成形法の
圧力よりも極めて低い圧力を加えることにより、より充
填性を向上することができる。この圧力は通常1kg/cm2
以下でよく、加圧により充填性を向上させるだけでな
く、鋳型のエッジ部分の転写性が向上するという利点が
ある。このような充填方法を用いることにより、通常の
粉末冶金で使用する高価なプレス機を用いることなく、
大型部材の成形を安価にしかも容易に充填することがで
きるため、例えば1m×1mにもおよぶプラスチック射出成
形用金型の製造などには非常に適している。
この充填層の焼結体はそれだけでは、金型などとして
強度が不十分であるため、焼結体に残留する空孔を溶浸
材で溶浸して強度を増大させる。このため、溶浸材を充
填層上に所望量載置する。溶浸材は銅、黄銅、その他低
融点金属が好適に用いられる。溶浸材の好適量は鉄系金
属粉末100重量部に対して10〜40重量部である。
次に鉄系金属粉末が充填された鋳型を耐火物製、ステ
ンレス鋼製又は普通鋼製の容器に入れ、溶浸材をのせた
鋳型の全周囲を鉄系金属粉末の焼結温度すなわち1000〜
1200℃でCOガスを生成する十分な量の炭素材で囲み加熱
する。炭素材の好適な使用量は充填物を含む鋳型体積の
1〜4倍である。
炭素材としては、鉄系金属粉末の焼結温度の範囲内で
COガスを生成する炭素材であればよく、コークス粉、木
炭粉、チャー等が好適に用いられる。
好ましい加熱パターンとしては焼結体の重量、大きさ
に依存するが、例えば、鉄系金属粉末充填量の重量が70
0kgの部材(760×500×240mm)の場合には、昇温速度50
℃/時間で1000℃×15時間保持と1200℃×10時間保持を
行い、炉冷を含めて合計100時間程度の時間をかけて加
熱し、焼結・溶浸を進める。このような高温・長時間の
ため炭素材は十分の量のCOガスを生成し、鋳型と、鉄系
金属粉末の焼結により若干収縮して生じた充填層との間
隙から入ったCOガスにより焼結体表面への浸炭が進行す
る。
さらに多孔質なセラミックス鋳型を使用すれば浸炭に
は好適である。このようにするとCOガス還元雰囲気内で
焼結・溶浸・浸炭が同時に進行し、しかも焼結し終えた
焼結体表面は酸化されず、そのままで金型等の材料に適
する。また、炭素材を装入する加熱用容器の上部には適
当な排ガス用穴を設けて排出したCOガスを容器外で燃焼
させると、全量CO2ガスとなり、人体への危険はない。
ここで用いる加熱炉としては、加熱用容器が入るだけの
寸法を有し、耐重量的に満足なものであれば、いかなる
炉でも使用可能である。
本発明方法を採用することにより、前記した問題点を
すべて解決することができ、しかも炭素粉末を使用する
ために安価に、焼結・溶浸・浸炭を同時に進行させるこ
とができると共に、金型材料に要求される表面硬化を達
成することができる。
〔実施例〕
原料鉄系金属粉末として、平均粒径230μm(粒度範
囲150〜500μm)の水アトマイズ純鉄粉48重量%、平均
粒径29μm(粒度範囲15〜63μm)のアトマイズ純鉄粉
40重量%、平均粒径4.8μm(粒度範囲10μm以下)の
カルボニル鉄粉12重量%を混合して使用した。
この混合粉230kgを、外側寸法500×500×200mmのセラ
ミックス鋳型に装入して振動充填した。この充填体上
に、黄銅の粉末75kgをプレス成形して直径60mm、高さ40
mm程度の円板状成形体とした銅系溶浸材を載置したもの
を耐火物製容器に入れ、その周囲に粉末状コークスを鋳
型容積の3倍量装入した。この容器を大気中で加熱炉に
装入して、1000℃で6時間加熱し充填層を焼結させた後
2時間かけて1130℃に昇温し、焼結を促進しながら溶浸
材を溶かして溶浸を進行させた。1130℃における保持時
間は2時間とし、そののち、炉冷を行った。ここで用い
たコークスはCOガス生成温度が約900℃以上であり、CO
ガス浸炭時間は冷却時も含め約12時間である。
冷却後、溶浸・浸炭された焼結体を鋳型から取出し、
表面層からの距離と炭素分析値及び硬さとの関係を調べ
た。結果は第1表に示す。
また、コークス粉末に代り、チャーを使用した以外は
前記と同じ実施例も第1表に併記した。
比較例 実施例に示した、混合して粒度構成した原料鉄系金属
粉末にさらに黒鉛粉を添加混合し、炭素含有量が0.5重
量%になる原料粉末を用いたこと、コークス粉の装入な
しで焼結雰囲気をN2ガスとしたこと以外は実施例と全く
同一にして行って得た焼結体の炭素分析値及び硬さを第
1表に併記した。
第1表から実施例では表面層の炭素量が高く、内部で
は低い。一方、比較例では表面層で炭素量が低く、内部
では高くなっている。しかも実施例で得た焼結体は表面
層が硬く、内部が柔らかくなり、前記の問題点を解決し
た。
〔発明の効果〕
本発明により、表面層が内部より硬化した大型焼結体
を製造することができ、例えばこれをプラスチック射出
成形用金型やスタンパブルシート成形用金型に使用する
場合に好適である。また、本発明によれば非酸化性雰囲
気を使用できない従来の大型炉やトンネル炉を使用する
ことができ、もしトンネル炉を使用すれば安価なコーク
ス粉末を使用して金型に適した大型焼結体を安価にしか
も量産的に製造することができる。
フロントページの続き (72)発明者 小倉 邦明 千葉県千葉市川崎町1番地 川崎製鉄株 式会社技術研究本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22F 3/02 B22F 3/10 B22F 3/26

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鋳型内に鉄系金属粉末を振動充填し、その
    充填層上に溶浸材を載置し、これを鉄系金属粉末の焼結
    温度での加熱にてCOガスを生成する炭素材で囲み加熱
    し、鉄系金属粉末充填層の焼結・溶浸・浸炭を同時に行
    うことを特徴とする鉄系金属粉末製大型焼結体の製造方
    法。
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