JPH01142002A - 粉末冶金用アトマイズ予合金鋼粉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の目的〉 産業上の利用分野 本発明は粉末冶金用合金鋼粉に係り、詳しくは、特に高
密度焼結材料用合金鋼粉に係る。

従　　来　　の　　技　　術 近年、粉末冶金法による焼結部品の製造は著しい伸びを
示し、焼結部品の適用範囲が広がりつつある。しかし、
焼結合金には気孔が存在し、この気孔が機械的諸性質に
悪影響を及ぼす欠点があった。このため、焼結合金の焼
結密度はできるだけ高いことが必要で、鉄系焼結材料で
は７、ＧＱ／ゴ（密度比９６％）程度以上が望まれてい
る。

一方、強度レベルを向上させるために合金元素を添加し
、固溶強化による特性改善も行なわれている。合金元素
の添加方法としては予め、溶鋼時に添加する予合金法が
最も均質な固溶状態を作ることができ、良好な特性が得
られるが、反面、合金元素の固溶硬化によって圧縮性の
低下を招くことになる。

そこで、圧縮性改良の試みとして、例えば、特公昭４５
−９６４９号公報に開示されているように、内部の純鉄
粉の圧縮性を保ちつつ鉄粉表面だけに合金成分を拡散付
着させる方法が示されている。しかし、鉄粉表面に拡散
付着した合金元素を基地鉄中に十分固溶させ、均質な合
金を得るためには、高温焼結や長時間焼結を行なう必要
があり、製造プロセスに大きな制約を受けるという難点
がある。

また、高密度化の手段としては、熱間静水圧法ｃ以下、
ＩＩＴＰ法という。）が提案されているが、この方法で
は粉末の成形体や焼結体等の多孔質体に等方向に静水圧
を加えるために、成形体や多孔質体の表面を緻密質な材
料で被覆する必要がある。このため、特開昭５６−０９
０９０１号公報に開示されたように目的形状をした耐熱
容器中に粉末を充填したり、粉末成形体をガラス質で覆
った後、この成形体を旧Ｐ加圧し、緻密黄体を得ている
。しかし、これらの方法では粉末充填や表面被覆に容器
や被覆材を用いるために、ｈ口圧処理前で装入や封入す
る工程と加圧処理後、除去する工程を要し、製造工程が
複雑になるばかりでなく、経済上の問題点も抱えていた
。

そこで、前述のような表面被覆を必要としない旧Ｐ法と
して、米国特許第４５９１４８２号（１０００年５月２
７日）に開示される方法がある。これによると微粒の金
属粉を用いた圧粉体を焼結後、旧Ｐ加圧するものである
が、表面被覆を行なわないため、焼結体の気孔を閉塞化
する必要がある。

このため、ＩＩＩＰ加圧時加圧度的に高い温度を加え、
表面に被覆−を形成する必要があり、製造条件の厳密な
管理やコントロールを行なうという製造上の難点がある
。また、使える粉末が３２５メツシユ以下で好ましくは
１０ミクロン以下で要求されたり、組成も限定され汎用
性に乏しいという欠点を有していた。

発明が解決しようとする問題点 本発明はこれらの問題点の解決を目的とし、具体的には
、微粉末を原料粉とすることなく、また、粉末成形体の
表面を被覆することもなく高密度の焼結体の製造を可能
とする粉末冶金用合金鋼粉を提供することを目的とする
。

〈発明の構成〉 問題点を解決するための 手段ならびにその作用 本発明は、重量％テＭｏ：１．５〜２０％、ｗ：３．。

〜２０％のうちいずれが１種以上を含み、かつ、１．５
＜Ｍｏ＋Ｗ＜２０％ であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物とからなる合
金組成を有し、更に、粉末の粒径が２５０μｍ以下で、
１０〜４４ｆ１ｍの粒子を１５％以上、１００〜２５０
μｍの粒子を５〜２０％含有することを特徴とする。

１なわち、本発明はＭｏ−Ｗ−Ｆｅ系の子音金粉を使用
し、旧Ｐ法により高密度焼結体を得る原料粉に関するも
ので、特に、ＨＩＰ処理下で生ずる高密度化につき、予
合金特有の高硬度粉を高密度とする手段として、焼結体
の空孔に対する閉空孔の割合を９０％以上とするため、
拡散の早いα相形成元素（フェライトフォーマ−）を使
用しかつ成分の範囲、粒度構成を定めた点にある。

□本発明で使用する粉は低〜高合金に属するもので、普
通これは溶融後に衝撃粉砕して粉末する方法が採用され
ており、本発明も口のような粉を対象とする。この場合
、製造過稈から明らかなように、粉自体の中には気孔は
ほとんどないので、本発明の気孔の問題は主に焼結体全
体の中で粉末同志が合体して生ずる気孔が問題となる。

そこで、本発明者等は種々の検討を重ねた結果、予合金
鋼粉の粒度と鉄粉へのＭＯおよび専の添１＋０量を組合
わせて最適な条件を見出し、本発明を完成するに至った
。

以下、本発明について説明する。

まず、合金元素としてＭｏおよびＷを選択した叩出を示
す。ＦｅはＦｅ単味でα→７′変態点を有し、　　　　
゛通常の焼結温度である１０００−１３５０℃ではγ相
である。ところが、７′相のＦｅの自己拡散速度はα相
の拡散速度に比較してかなり遅いため、焼結に長時間を
必要とする。そのため、密度ト昇が鈍く、気孔の閉塞化
が進行しないことになる。

そこで、合金元素を添加することによって、Ｆｅの変態
を押さえ、α相単相とすることが必要である。

すなわち、鉄中に固溶し、α相を形成する元素に（ま、
Ｍｏ、八４．ＣＩ・、Ｓｉ、　Ｐ、　Ｓｎ、Ｔｉ、　Ｖ
、　Ｗ、ｌｒなどがあるが、これらの元素のうち、酸素
との親和力が比較的弱く、安価な水アトマイズ法で製造
した場合も、その水アトマイズ時における酸化がガズ還
元等によって容易に還元することができ、かつ、鉄中の
固溶した時に鋼粉の焼入性を高め、また、焼入材の焼戻
し抵抗を高めることがらＭｏとＷを選択した。

次に、合金元素の添加方法として予合金法を選択した理
由を説明する。

添加方法には純鉄粉に添加元素粉末を混合して調整する
、所謂混粉法や純鉄粉の表面に拡散付着させる部分拡散
法がある。しかし、いずれも合金元素が通常の焼結によ
って鉄基地中に拡散し、完全に均質な合金化の状態は得
られない。

さらに、このことが合金元素の不均一性による熱処理材
の寸法変化やＩｌ’１１１１１ｉの不安定を招くことに
なる。

これらの粉末と比較して溶鋼の段階で添加元素を合金化
した合金鋼粉を使った場合、熱処理歪が減少して、合金
元素の均質な焼結体組織ｈ＜得られるという利点がある
ため、本発明では予合金法を採用した。

次に、Ｍｏ１ｉを１，５〜２０重量％（以下、単に％で
示す。）とした理由を示す。

ＭＯは前述のようにα相を出現さけて焼結を促進し、気
孔の閉塞化を進めるために添加するが、１．５％未満で
は予合金鋼粉で焼結時にα相中−相を形成し勤＜、他方
２０％を越えるとＦｅ中に過剰にＭＯが固溶するために
、固溶硬化の程度が非常に大きくなり、圧粉密度の低下
が著しく、焼結によっても密度Ｆ昇が得られない。これ
らのことは次の実験によって確かめられた。

１なわち、水アトマイズ法によってＭＯを鉄粉に均質に
固溶させ、ＭＯを１゜０〜２５．０％含有する予合金粉
末を作製して成形、焼結後、水銀ポロシメーターを用い
て閉気孔率を求めた。その結果、Ｍｏが１．５％未満で
はα相単相にならず、９０％以Ｆの閉気孔率が得られな
かった。閉気孔率とは焼結体に存在する気孔のうち、外
部と通じない気孔の体積分率を表したもので、閉気孔の
割合が増すほど、ＩＩＩ圧ガス雰囲気下で焼結すると、
気孔の除去される体積が増し、高密度を達成するために
は有効となる。すなわち、粉末成形体を容器に封入しな
くても、また、表面を緻密質材で覆わなくとも、加圧焼
結を行なうことによって気孔を消滅させることが可能と
なるのである。

一方、ＭＯが２０％を越える場合は合金成分による銅粉
の固溶硬化のＩこめに圧ね密度が低下し、焼結体は高密
度にならないため、９０％以上の閉気孔率が得られなか
った。続いて、加圧処理を行ない焼結密度を測定すると
９０％以上の閉気孔率を有する焼結体では焼結体に残留
する気孔の９０％以上が除去され、９９％以上の高密度
焼結体が得られた。以上の理由からＭＯの合金量を１゜
５〜２０％とした。

次に、Ｗ酬を３．０〜２０％とした理由を示す。

ＷはＭｏと同様にフエライトフｔ−マーであるが、３．
０％以下では焼結時にα相の形成が困難となり、２０％
以上では予合金鋼粉が硬化しすぎるために、圧縮性を阻
害し、圧粉密度の低下が著しく、焼結によっても高密度
、すなわち、気孔の閉塞化が進まない。これらのことは
Ｍｏの場合と同様にして確認した。

また、ＭＯおよびＷを同時に含むことも可能であるが、
その場合、ＭＯおよびＷの合計量が１．５％未満ではα
相の形成が損なわれ、少なくとも１．５％以上必要であ
り、また、ＭｏとＷの合計量を２０％以内に制限した場
合には鉄中に合金元素が固溶して圧縮性を劣化する程度
を最小限に抑えることができるので、Ｍｏ＋Ｗは１．５
〜２０％の範囲とした。

また、製品の粒度構成として、１０〜４４μｍの粒子を
１５％以上、１００〜２５０μｍの粒子を５〜２０％含
むこととしたのは次の理由による。

すなわち、予合金銅粉は合金元素の固溶硬化によって圧
縮性が阻害されているが、１７７〜２５０μｍの比較的
粗粒を５−２０％含むことによって、圧粉密度を向上さ
せることが可能となり、一方、焼結時に緻密化を促進さ
せ、閉気孔を容易に形成させるためには１０〜４４μｍ
の微粒を１５％以ト含むことが必要である。これらのこ
とは以下の実験によって確認された。

すなわち、水ア１ヘマイス法によって作製したＭｏ：１
．５〜２０％、Ｗ：０．７〜１０％含有した予合金鋼粉
を還元、焼鈍後、解砕し、粒度調節を行ない、１００〜
２５０μ印の粗粒粉を０〜２５％、１０〜４４μｍの微
粉を１８％含む銅粉を用いて、成形、焼結後間気孔率を
求めた。その結果、１００〜２５０μｍの粗粒粉が５％
未満の場合、通常、知られるように予合金鋼粉は圧縮性
が劣るという結果であったが、粗粒を５・〜２０％含む
ように調節した銅粉では圧縮性が改善されて高圧粉密度
が得られ、その後の焼結によって微粒を１８％含む圧粉
体では焼結性のよい微粒によって緻密化が進行し、気孔
の閉塞化が進んだため、開気孔率は９０％以上となった
。これを加圧焼結すると、９９％以上の高密度、焼結体
力（得られた。

一方、２５％を越える粗粒を含んだ鋼粉を用いた、焼結
体中には粗大な気孔が残留し、微粒の焼結性が優れても
開気孔率は上昇せず、続いて行なった加圧処理によって
も気孔が除去されないため、９９％以上の高密度が得ら
れなかった。

また、全体としての粒度は２５０μｍ以下とする必要が
ある。これを越えると焼結密度が低下すると共に、焼結
後の表面粗度が増加する。このため、製品の粒度構成と
して１００〜２５０μｍの粒子を５・−２０％、１０〜
４４μｍの粒子を１５％以上の範囲とした。

実施例 以下、実施例によって具体的に説明する。

（実施例１〜４） 水アトマイズ法によって、Ｍｏの含有量が１．８．５．
０．１１．０．１８．０％の実施例１〜４および１．０
．２５．０％の比較例１および２の予合金鋼粉を作製し
１−後、■２雰囲気で１０００℃Ｘ２５分）ψ元し解砕
した後、８００’ＣＸ２０分、Ｈ２雰囲気中で焼鈍処理
を行ない、解砕時に粒度を調節して１００〜２５０μｍ
の粒子を１２％、１０〜４４μｍの粒子を１８％含む粉
末を作製した。これにステアリン酸亜鉛を１％添加混合
し、７ｊＯｎ＋’ＣＩ’の圧力で直径１１．３ｍｍ、高
さ１１．３ｍｍの圧粉体を成形後、これを６００℃で１
時間服ろうし、乾燥水素中で１２５０　’Ｃで１時間焼
結した。その後、焼結体を旧Ｐ装置に装入し、酌・ガス
、１００気圧で１３００℃、１時間の加圧焼結を行なっ
た。焼結体の開気孔体積を水銀ポロシメーターを用いて
測定し、閉気孔体積分率を求めた。

また、加圧処理後の焼結体密度をアルキメデス法によっ
て求め、これらの結果を第１表に示す。

第１表 第１表からＭＯの添加量によって閉気孔率が変化し、α
相量はＭｏｊｌに強く依存していることがわかる。すな
わち、実施例１〜４はα相の出現によって緻密化が容易
に促進され、気孔の閉塞化が進み、閉気孔率が極めて高
い、９０％以上を達成した。

その結果、閉気孔は加圧処理によってほぼ完全に消滅し
、加圧焼結後の密度は９９％以上となり、良好な緻密黄
体が得られた。これに反して比較例１はＭｏ量が少ない
のでα相の出現が不充分となり、焼結が十分進まず、閉
気孔率が２８％と低いために加圧焼結後の密度が−Ｆ昇
しなかった。

また、比較例２はＭｏｌが極めて多く、固溶硬化性が高
く銅粉の圧縮性が悪化し、圧粉密度が低いものであった
。すなわち、気孔体積が大きく焼結後でも気孔の残留が
目立った。そのため、加圧後の焼結１体は低密度となっ
たと考えられる。

（実施例５〜７） 水アトゝマイズ法によってＭｏ含有量が５％の予合金鋼
粉を作製後、実施例１と同様な還元処理を施し、解砕時
に１００〜２５０μｍの粗粒を０〜２５％、１０〜４４
μｍの微粒を１０〜７０％含む粉末を作製した。実施例
１〜４と同様な方法で成形、焼結し、加圧処理を施した
。焼結体の閉気孔率と加圧処即後の密度を測定した結果
を第２表に示す。

第２表 第２表から実施例５〜７は１００〜２５０μｍの粗粒を
５〜２０％、１０・〜４４μｍを１８〜７０％含むこと
によって、圧縮性の劣化を防ぎかつ焼結性を良好に保Ｃ
１５） つごとが可能となり、従って、閉気孔率９０％以上の極
めて高い値を得、その後の加圧焼結では、閉気孔がつぶ
され９９％以上の高密度が得られた。

比較例３は１００〜２５０μｍの粗粒粉が全く無いので
、汁粉密度が低下し、焼結後も密度の上昇がみられなか
った。そのため、気孔は外部と通じており、閉気孔率が
５０％以下で加圧処理を施しても９９％以上の高密度は
得られなかった。

また、比較例４は粗粒が１２％含まれているが、１０〜
４４μｍの微粒が１５％未満であるため、焼結密度の増
加が得られず、十分な閉気孔率にならなかった。

比較例５は１００〜２５０μｍの粗粒粉が２５％と過剰
にあるため、成形時に形成される粗大な気孔が焼結によ
っても収縮せずに残る。従って、閉気孔率が５０％以下
で加圧処理に有効な閉気孔率は得られなかった。

（実施例８・〜１０） 水アトマイズ法によってＷの含有量が３．５．１０．０
．１８゜０％の実施例７〜９．１，０．２５．０％の比
較例６および７の予合金鋼粉を作製した後、Ｈ２雰囲気
で１０００℃×３０分還元し解砕した後、８００℃×２
０分、Ｈ２雰囲気中で焼鈍処理を施した。

解砕時に粒度を調節することによって１７７〜２５０μ
ｍの粗粒を１２％、１０〜４４μｍの微粒を１８％含む
粉末を作製した。

実施例１〜４と同様な方法で成形焼結後、焼結体の閉気
孔率を求めた。続いて加圧処理を行ない、加圧焼結体の
密度を求めた結果を第３表に示す。

第３表 第３表かられかるように、実施例８〜１０はα相を出現
させるＷ量、すなわち、３．５．１０．０．１８．０％
のＷ添加は気孔の閉塞化に極めて有効である。

その結果、加圧処理によって気孔が消滅し、９９．５％
以上の高密度が得られた。

比較例６はＷ量が少なくα相吊が少なかったため、緻密
化が進まず、気孔の４２％が閉塞したに過ぎなかった。

従って、加圧処理を施しても９５％の密度で焼結体には
残留気孔がみられた。

比較例７はＷ量が２５％と多く、Ｆｅ−Ｗ化合物を形成
し易くなり、焼結の促進が妨げられたことによって気孔
が閉塞化しなかった。従って、加圧処理を施しても９５
．８％の密度で、緻密質な焼結体は得られなかった。

（実施例１１．１２） 実施例９で用いたＷ含有量が１０％の予合金銅粉を仕上
げ解砕の時点で粒度を１００〜２５０μｍの粗粒を０〜
２５％、１０〜４４ｕｍの微粒を１８％含むように調節
した粉末を作製した。

実施例１〜４と同様な方法で成形、焼結し、加圧処理を
施した′Ｒ帖体の閉気孔率とＩＩＯ圧処理後の密度を測
定した結果を第４表に示す。

第４表 粗粒の粒度構成を５％、１２％とした実施例１１．１２
は閉気孔率９５％以上の加圧焼結に有効な閉気孔率が達
成された。しかし、比較例８は粗粒が全くないため、予
合金１４粉では汁粉密度が上らず、その結果、気孔の閉
塞化が４６％と加圧焼結には極めて不利な焼結体となっ
た。

比較例９は粗粒が２５％と非常に多いため、成形時に粗
粒間に存在した大きな空隙が焼結後でも収縮しきれずに
存在する。従って、閉気孔率は３８％と低く、加圧焼結
後の密度も一ヒ昇しないという結果になった。

（実施例１３） 水ア］・マイズ法によってＭＯおよびＷ＠第５表に示す
ような合金量になるように銅粉を作製し、実施例１〜４
と同様な条件で還元し、粒度調節した粉末を作製した。

これらの粉末を用いて実施例１〜４と同様な方法で成形
、焼結後、焼結体の閉気孔率を求めた。

次に、加圧処理を行ない、加圧焼結後の密度を測定し、
これらの結果を第５表に示す。

第５表 第５表から明らかなように、実施例１３は十分なα相が
形成され、緻密化が進み、気孔の閉塞ｈ（容易に進んだ
。その結果、気孔の９０％が閉塞化し、加圧処理後９９
％以上の高焼結密度が得られた。

比較例１０は合金添加量が少なかったため、α相の形成
が不十分で焼結が進まず、閉気孔率が４５％と低く、従
って、加圧焼結体の密度も９５％で気孔が残留した。

比較例１１は合金流１１０．１が多いために、鋼粉の圧
縮性が劣り、汁粉密度が低く、焼結後も密度上昇はみら
れなかった。その結果、閉気孔率４３％でまだ外部と通
じる開気孔が残留するため、加圧処理による気孔消滅の
十分な効果が得られなが・〕だ。

ト述のように、本発明鋼粉を用いた焼結材は特に気孔の
閉塞が容易に進み、加圧処理によって９９％以上の高密
度焼結体が製造可能である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、重量％でＭＯ；１．５
〜２０％、Ｗ：３．０〜２０％のうちいずれか１種以上
を含み、がっ、 １．５＜Ｍｏ＋Ｗ＜２０％ であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物とからなる合
金組成を有し、更に、粉末の粒径が２５０μｍ以下で、
１０〜４４μｍの粒子を１５％以上、１００〜２５０μ
ｍの粒子を５〜２０％含有することを特徴とし、本発明
鋼粉を用いると、微粒粉末に原料を限定したり、粉末成
形体を容器に入れることなしに加圧焼結を行なうことで
高密度焼結体を得ることが可能となり、焼結体の機械的
性質の向上に寄与することができた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　重量％でＭｏ：１．５〜２０％、Ｗ：３．０〜２０％
   のうちいずれか１種以上を含み、かつ、 １．５＜Ｍｏ＋Ｗ＜２０％ であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物とからなる合
   金組成を有し、更に、粉末の粒径が２５０μｍ以下で、
   １０〜４４μｍの粒子を１５％以上、１００〜２５０μ
   ｍの粒子を５〜２０％含有することを特徴とする粉末冶
   金用合金鋼粉。