JPH01165702A

JPH01165702A - 高密度および高強度の合金鋼焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH01165702A
Application number: JP62323803A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Takagi; 高城　重彰; Kuniaki Ogura; 邦明小倉; Osamu Furukimi; 修古君; Keiichi Maruta; 慶一丸田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1987-12-23
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1989-06-29

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】（産業上の利用分野）この発明は、鉄系粉末冶金技術の分野に属し、高密度、
高強度の焼結部品を製造するための方法に関するもので
ある。

（従来の技術）近年の鉄系粉末冶金技術の進歩にともない、高強度の合
金鋼焼結材料が輸送機器、産業機器などの部品に適用さ
れるに至っている０合金元素としてはとくにＣｕが多用
される。またＣも必須の元素であり、通常、黒鉛粉の形
で混合され、焼結時にＦｅ中に拡散して、焼結合金鋼を
形成する。

これらの焼結材料は、空孔が残存するため、溶製鋼材に
較べて、どうしても機械的特性に劣る点が問題である。

空孔の悪影響を極力抑制するためには、焼結材料の密度
をできる限り高めることが肝要である。

焼結体の密度上昇に有効で、しかも部品精度や製造コス
トの面から工業的に採用可能な方法としで、再圧縮法が
ある。この方法は、−旦、仮焼結　　　゛（１次焼結と
もいう）した成形体を金型中で再び圧縮して、密度を上
昇させ゛ると共に成形体の寸法法めを行ったのぢ、２次
焼結を行う方法である。

ここに再圧縮前の焼結体はできる限り軟らかく、再圧縮
によって密度が上昇しやすいことが望ましい。そのため
、たとえば鉄粉にＣｕやＣを添加する場合には、銅粉や
黒鉛粉として混合される。そしてこれらの合金元素が焼
結体中で拡散しすぎないよう（拡散すると合金となり硬
くなる）に、比較的低い温度で焼結される。

このようにすれば、再圧縮前の焼結体中のＦｅには合金
元素があまり固溶していないため、焼結体は軟らかく保
たれる。そしてかような比較的軟らかい焼結体を再圧縮
し、密度を上昇させたのち、最終的に合金元素を拡散さ
せるための２次焼結を行うわけである。

（発明が解決しようとする問題点）上記したような再圧縮法は、従来から工業的に用いられ
てきたが、次に述べるような問題を残していた。

すなわち再圧縮前の焼結（１次焼結）において、温度が
高すぎると黒鉛が鉄中に容易に拡散してしまい、焼結体
が硬くなって再圧縮によって密度が十分には上昇しない
、とはいえ温度を下げると鉄粉どうしの焼結が進行しな
いため、焼結体の強度があまりに低くて、再圧縮のため
に金型に装填する段階で焼結体に欠損を生じたり、また
−火成形で生じる歪による鉄粉の硬化が回復しないまま
再圧縮することになるので、再圧縮密度が充分には上昇
しない。

この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、１次
焼結の温度を、成形時の歪が回復し、再圧縮がしやすい
程度に焼結するまで上昇させたとしても、・黒鉛粉が鉄
中に拡散しにくく、したがって１次焼結体が硬くならず
に、再圧縮によって容易に高密度が得られる合金鋼焼結
体の有利な製造方法を提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）さて発明者らは、上記の問題を解決すべく、種々検討を
重ねた結果、Ｃｕが存在するとＣがＦｅ中に拡散しにく
いという事実に基づき、１次焼結におけるＣの拡散を効
果的に抑制する方法を見出した。

すなわち、原料粉末として、鉄粉粒子がＣｕで被覆され
た複合粉末を用い、これに黒鉛粉を混合して、成形・１
次焼結すれば、比較的高い焼結温度であっても、ＣがＰ
ａ中に拡散しに（く、再圧縮性に優れた焼結体が得られ
、また拡散が不十分であっ、たＣは、再圧縮後の２次焼
結時にＦｅ中に拡散するので、最終的な強度は低下しな
いことの知見を得たのである。

この発明の具体的構成はつぎのとおりである。

この発明では、原料粉末として、鉄粉粒子表面がＣｕで
おおわれた複合粉末と、黒鉛粉とを用いる。

これらの粉末を、その他の添加物と共に混合し、金型で
圧粉成形したのち、該圧粉体を７００〜１０００℃で焼
結する。得られた焼結体（１次焼結体あるいは仮焼結体
と呼ぶ）を金型中で再加圧して密度を高めたのち、さら
に１１００°Ｃ以上で焼結する。

かくして高密度で機械的特性に優れた合金鋼の焼結体が
得られるのである。

以下、この発明を具体的に説明する。

はじめに、原料粉末として用いる複合粉末であるが、鉄
粉粒子表面がＣｕでおおわれている必要がある。という
のはかようなＣｕの存在により、１次焼結におけるＦｅ
中へのＣの拡散を効果的に抑制できるからである。この
ような複合粉末は、鉄粉粒子表面にＣｕめっきを、たと
えば無電解法で施すことによって容易に得られる。その
ほか、ＣＶＤやＰＶＤによるコーティングもできる。ま
た特公昭５９−１７６４号公報に記されているような、
鉄粉粒子がＣｕで島状におおわれている複合粉末を用い
ることもできる。いずれの場合も、鉄粉粒子表面の２０
％以上、より好ましくは４０％以上がＣｕでおおわれて
いることが望ましい。

Ｃｕの含有量は、むしろ焼結体の機械的特性上の制約か
ら定められるが、黒鉛の拡散を抑制するという観点から
は、少なくとも０．２　ｗｔχ　（以下単に％で示す）
は必要である。一方、Ｃｕ量の上限は、通常の機械部品
に用いられる最大量が１０％程度であるから、実用上、
この発明法で用いるＣｕ量も焼結体中の含有量として、
最大１０％程度とする。

また黒鉛の添加量は、通常の０．１〜１．２％の範囲で
可能である。

さらにＣｕとＣの他、合金鋼を形成する元素としてたと
えばＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ＋Ｓｉ、Ｖ、Ｗ、Ｐなどを
添加する場合も、この発明の効果は同様に発揮される。

これらＣｕとＣ以外の元素も、粉末の状態で添加するこ
とが望ましい。また、潤滑剤として金属のステアリン酸
塩などを添加する場合も同様である。

なおこの発明では、ｒｅ−Ｃｕ複合金粉末、第３の合金
元素を含有する場合、すなわち合金元素を含む鉄粉（合
金鉄粉）の粒子表面がＣｕで覆われている場合も、この
発明で期待する基本的な効果は発揮される。

次に具体的な製造工程について説明する。

粉末の成形は、通常の成形圧カニ４〜８ｔ／ｃｄ程度で
行う。

１次焼結の温度は７００〜１０００℃とする。というの
は７００°Ｃ未満では、成形時の歪が回復しないので再
圧縮しても十分に密度が上昇しない上に、焼結が進行し
ないため金型中で再圧縮する際、装填時に焼結体が欠損
しやすいからである。この発明法では、Ｃｕで覆われた
鉄粉粒子を使用するから、表面のＣｕが焼結をはじめれ
ば、ある程度の焼結体強度が確保できる。従って通常の
方法にくらべて１次焼結温度が低くても良いという利点
を持つが、それでも７００°Ｃ以上は必要である。

一方、焼結温度の上限は１０００℃とする。というのは
１０００℃までは鉄粉粒子の表面にあるＣｕが完全には
拡散せず、しかも熔融せずに残るので、ＣがＦｅ中に拡
散するのを効果的に抑制するが、１０００°Ｃを超える
とＣｕがＦｅ中に拡散する度合いが強く、それによって
焼結体が硬くなってしまうからである。

とくにＣｕの融点１０８３℃を趙えると、急激な拡散が
　　　　　゛起こり、この発明の目的が失われる。

再圧縮の圧力は従来どおり５〜１０ｔ／ｃｆｆｌの程度
で十分である。

２次焼結の温度は、ＣｕやＣのＦｅ中へのスムーズな拡
散を図るため、１１００°Ｃ以上とする。すなわち、Ｃ
ｕは２次焼結の段階ではじめて溶融し、Ｆｅとの合金化
を完全にし、また、Ｃｕが拡散してもとの鉄粉粒子表面
のＣｕ濃度が低下するため、ＣもＦｅ中へ拡散しやすく
なり、焼結体の均一化が進行するのである。焼結温度の
上限は、この発明の効果の点からはとくに制限は無いが
、実用上は、通常用いられる最高の焼結温度である１３
５０°Ｃ程度とする。

なおこの発明法による合金鋼焼結体の製造方法の応用と
して、１次焼結後、あるいは再圧縮ののち、または２次
焼結後に、切削加工を加えることもできる。また２次焼
結体を光輝焼入れや浸炭焼入れおよび焼戻しによって、
高強度化することも有効である。

（実施例）実施例１＝８０メツシュの水アトマイズ鉄粉に、−３２５メツシ
ユの亜酸化銅（Ｃｕｔｅ）を３．３％混合し、この混合
物をＨ，ガス中で７００℃、１時間加熱したのち、解砕
し、−８０メツシユの鉄−銅複合粉末を得た。粉末中の
Ｃｕ量は２．９５％であり、鉄粉粒子表面にミクロン程
度の厚みのＣｕが、島状に付着し、表面の約５５％を覆
っていた。

この粉末に、平均粒径９．３μｍの天然黒鉛粉：０．８
％と、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１％を混合し、成
形圧カフｔ／ＣＴＭで、直径１１．３ｍｍのタブレット
（高さ１１〜１２ｆｆＩＩ１１）と、引張試験片の形状
をもつ成形体に成形した。つぎにこれらの成形体を、６
００℃で３０分間脱ろうしてから、Ａｘガス中において
９５０　’Ｃで３０分間焼結した。

この１次焼結体を、金型中で、７ｔ／ｃｄの圧力で再圧
縮し、さらに、Ａｘガス中において１１５０°Ｃ１１時
間の２次焼結を施した。

その結果、１次成形体の密度は７．１８ｇ／ｃ１１Ｉ、
また２次成形（再圧縮）体の密度は１．４２ｇ／ｃ４と
、高密度が得られた。しかも最終（２次）焼結体の引張
強さは５６ｋｇｆ　／ｌｎｍ”と極めて高い値を呈して
いた。

比較例１実施例１で用いたのと同じ鉄粉に、単に一１５０メツシ
ュの電解銅粉を２．９５％混合した混合粉に、実施例１
と同じ黒鉛粉とステアリン酸亜鉛を、実施例１と同じ割
合で混合し、同一の条件下で成形、１次焼結、再圧縮、
２次焼結を行った。

その結果、１次成形体の密度は７．１６ｇ／ｃｍと、実
施例１と同程度であったが、再圧縮体の密度は７．３０
　ｇ　／ｃｒＡと低く、また２次焼結体の引張強さも４
３ｋｇｆ　７ｍｍ”と、実施例１に較べると格段に低か
った。

実施例２ここでは、１次焼結温度の影響を調べた。用いた複合粉
末および比較用のＦｅ−Ｃｕ混合粉末は、それぞれ実施
例１（複合粉末Ａ）および比較例１（混合粉末Ｂ）と同
様とした。また、１次焼結温度を除く試験条件は、実施
例１と共通とした。１次焼結温度は、６５０，７５０，
８５０，９５０．１０５０℃である。

各製造過程における、再圧縮密度および最終焼結体引張
強さについて調べた結果を第１表に示す。

１次焼結温度７００〜１０００°Ｃの範囲では、複合粉
末を用いたものは混合粉末を用いたものよりも、再圧縮
密度が極めて高く、焼結時の黒鉛の拡散抑制の効果が表
れている。ただし、１次焼結温度が低すぎると、比較粉
末を用いたものとの差が小さく、一方高すぎても差が小
さくなっているのは、前述の説明のとおりである。

実施例３ここでは、２次焼結温度の影響を調べた。１次焼結温度
は９５０℃、２次焼結温度は、１０５０．１１５０゜１
３００°Ｃとし、他の条件は実施例２と同様とした。

各製造工程における、再圧縮密度および最終焼結体引張
強さについて調べた結果を第２表に示す。

２次焼結温度が１１００℃以上で、強度が高くなるが、
適合例ではとりわけ優れた強度が得られている。一方１
１００℃未満では、焼結不十分のため、複合粉末Ａ、混
合粉末Ｂを用いたいずれの場合も強度が低くなっている
。

（発明の効果）か（してこの発明によれは、高密度、高強度の焼結体が
作成でき、工業的な意義が極めて大きい。

また、Ｆｅ’−Ｃｕ−Ｃ系に限らず、Ｐｅ−Ｎ１−Ｃｕ
−Ｃ系やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃ系の焼結材料の製
法にも適用でき、有利である。

特許出願人　　川崎製鉄株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

１、必須成分としてＣとＣｕとを含有する合金鋼焼結体
の製造において、ＣとＣｕの供与体として黒鉛粉末と鉄
粉粒子表面がＣｕで覆われた複合粉末を用いるものとし
、これらの粉末をその他の原料粉と共に混合し、金型で
圧粉成形したのち、該圧粉体を７００〜１０００℃で焼
結して仮焼結体とし、ついで該仮焼結体を金型中で再加
圧して密度を高めたのち、１１００℃以上の温度で焼結
することから成る、高密度および高強度の合金鋼焼結体
の製造方法。