JPH01312056A - 高密度高強度合金鋼焼結体の製造方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、鉄系粉末冶金技術の分野に属し、高密度かつ
高強度の焼結部品を製造するだめの方法に関する。

〈従来の技術、〉 近年、粉末冶金技術は大幅に進歩し、輸送機器。

産業機器などの部品として広く用いられている。

一方焼結機械部品に対する密度９強度等の特性の一層の
向上が求められている。

一般に、鉄系焼結機械部品について高強度を達成するに
は、密度を上げる方法と、合金元素を添加する方法とが
考えられる。添加合金元素として、主なものにＮｊやＣ
ｕがあり、Ｃとともに焼結体の強度上昇に寄与する。通
常、Ｎｉは純ニツケル粉末の形で、またＣは黒鉛粉の形
で添加され、焼結時に鉄粉中に拡散して焼結合金鋼が製
造される。

これらの焼結材料は、空孔が残存するため、溶製綱材に
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。

焼結体の密度上界に有効で、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て、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ち、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（、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ＮｉやＣを添加する場合には、Ｎｉ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Ｐｅ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−Ｕ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。

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１次焼結で焼結温度が低ずぎると
、必要な強度を焼結体に５えることができず、再圧縮中
に焼結体が欠損する恐れがある。

また、焼結温度を高くすると、合金元素が鉄粉中に拡散
して焼結体が硬くなりすぎ、再圧縮効果が著しく低下す
る。合金元素のうち、再圧縮効果を最も阻害するのがＣ
であり、Ｃが拡散すると再圧縮により密度を」二昇さ−
Ｕるごとが困難となる。また一方で、最終的な２次焼結
の後にもＮｉの偏析が残り、Ｎｉ添加の効果が十分に発
揮されないことが多い。

また、Ｃｕを合金元素の一つとして利用する場合再圧縮
後の２次焼結では、通常Ｃｕの融点以上の温度で焼結さ
れるので、Ｃｕの液相が粒界に侵入し、焼結中に焼結体
が異常膨張を起こし焼結体の寸法が大きく変化するとい
う問題がある。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は上述したような再圧縮法に伴う問題を有利に解
決した高密度高強度合金鋼焼結体の製造方法を提案する
ものである。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者らは、Ｎｉが存在すると、あるいはＮｉ及びＣ
ｕが存在するとＣが鉄中に拡散しにくい事実に基づいて
１次焼結におけるＣの拡散を効果的に抑える方法を見出
した。すなわち、まず鉄粉を旧で被覆した複合合金鋼粉
を黒鉛粉と混合して、成形・焼結すれば、１次焼結時に
はＮｉ被膜により、Ｃが拡散しにくいため鉄粉の硬化を
防ぎ、再圧縮性にすぐれた焼結体が得られる。そして２
次焼結時には、拡散が不十分であったＣもＦｅ中に拡散
し、さらにＮｉ被膜層が鉄粉中に均一に拡散するため焼
結体組織中の偏析が抑制され、合金元素としてのＮｉを
有効に作用させることができるという知見を得た。

本発明は上記知見をもとに構成された。

すなわち、本発明は、Ｎｉ及びＣを含有する合金鋼焼結
体の製造方法において、鉄粉粒子の表面にＮｉを被覆、
あるいはその上にさらにＣｕを被覆した複合合金粉と、
黒鉛粉とをその他の添加物と共に混合し、金型で圧粉成
形した後、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
後、１１００℃以上で再焼結することを特徴とする高密
度高強度合金鋼焼結体の製造方法である。

〈作　用〉 以下に本発明の詳細な説明を行う。

原料粉末である複合粉末は、鉄粉表面がＮｉ、あるいは
その上にさらにＣｕにより被覆されていることが必要で
ある。被覆の方法は、たとえば、鉄粉を硫酸ニッケル溶
液中で攪拌しながら、次亜りん酸ナトリウムを還元剤と
して無電解めっきを施すことによって行われる。Ｃｕの
被覆は、さらに硫酸＃同溶液中で同しように攪Ｉ！ｖす
るごとにより行われる。その他、Ｎｉ被覆、　Ｃｕ被覆
ともＣＶＤやＰＶＤによるコーティングも採用できる。

合金成分の添加量は機械的特性を考慮して決定されるが
、Ｎｉは１次焼結時にＣの拡散を抑えるという目的から
、０．２％（ｗｔ、％、以下同様）以上が必要である。

Ｃｏについては、Ｃの拡散の抑制の点から０．２％以上
、Ｎｉについても、Ｃｕの粒界拡散の抑制の点から０．
２％以上が必要である。Ｃｕ量とＮｉ量の上限は、通常
の機械部品に用いられる最大量がそれぞれ１０％および
１５％であるが、同様にＣｕは１０％、Ｎｉは１５％ま
で利用可能である。

黒鉛の添加量については、０．１〜１．２％の範囲が有
効に利用できる範囲である。

さらに、ＮｉとＣｕとＣの他、合金鋼を形成する元素と
して、Ｍｏ、　Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ｓｉ、　　Ｖ、　Ｗ、
　　Ｐなどを添加することもできる。これらの元素は、
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こともできる
。

粉末の成形は、金型を用いたプレス成形でよく一般の場
合と同しように成形圧力４〜８Ｌ／ｃＪでおこなう。１
次焼結では成形時の歪を除去し、再圧縮時における欠損
を防止するため、ある程度の強度を成形体に与える。そ
のためには最低７００℃の焼結温度が必要である。一方
、Ｎｉが鉄粉中に拡散してしまうと、Ｃの拡散の防止と
いう目的が達成できなくなり、硬化を引き起こし再圧縮
効果が著しく低下するため、温度の上限は１０００℃と
する。

Ｎｉの上にＣｕを被覆した場合にも、被覆したＣｕが溶
融してしまうと、Ｃが鉄中に拡散するのを防止する目的
が達成できなくなるので焼結温度の上限は１０００℃と
する。

再圧縮については、従来どおり圧力は５〜１０Ｌ／　ｃ
＋ｆｆで十分である。

２次焼結は、合金元素の鉄粉中への拡散を促進させて、
高強度を達成するため、焼結温度１１００℃以上で行う
。温度が１１００℃未満では、焼結体中のＮｉ量あるい
はＣｕ量が十分に拡散しないために、高強度を目的とす
る本発明の目的が達成されない。

焼結温度の上限は、通常用いられている１３５０℃とす
ることが望ましい。このように、再圧縮によりＮｉ＋Ｃ
ｕが鉄中に拡散しやすくなり、焼結体中の添加元素の偏
析がなくなり、焼結後の熱処理の効果が増大するため、
高強度が達成でき、焼結温度はＣｕの融点以上であるた
め溶融したＣｕが現れるが、鉄粉の表面にはＮｉとＣｕ
の合金化によるＮｉリッチの合金層が存在するため、液
相Ｃｕの鉄粒界への浸透が抑制されることにより、異常
膨張が著しく減少するので、熱処理等の寸法精度の向上
も達成される。

〈実施例〉 実施例１ 水アトマイズ鉄粉を一８０メツシュにふるった後に、こ
れを次亜りん酸すトリウムを加えた硫酸ニッケル溶液に
、温度を９０℃に保持して攪拌しながら浸し、その後、
水洗、乾燥して２．１％Ｎｉ合金粉を得た。

この粉末に、黒鉛粉０．５％と、潤滑剤としてステアリ
ン酸亜鉛１．０％とを混合し、金型を用いて圧カフｔ／
ｃｆｌで、直径１１．３ｍｍのタブレットと平行部長さ
２５ｍｍ、直径５ｍｍの引張り試験片を成形した。

この成形体を６００℃で３０分脱ろうし、ＡＸガス中で
８５０℃１３０分焼結した。この１次焼結体を圧カフｔ
／ｃＪで再圧縮したのち、ＡＸガス中で１２５０℃１６
０分焼結した。

その結果、１次焼結体の密度は７．２０　ｇ　／　ｃｒ
Ｒ，２次焼結体の密度は７．５０ｇ／ｃｆｆｌと高密度
の焼結体が得られた。また２次焼結体の引張り強さは６
８ｋｇｆ／１−５硬さは５５ＨＲＡであった。

比較例１ 実施例１で使用したヘース鉄粉に、−３２５メツシユに
ふるったカーボニルＮｉ粉２．１％と黒鉛粉とステアリ
ン酸亜鉛を実施例１と同し量だけ混合し、実施例１と同
じ条件で成形、脱ろう、１次焼結。

再圧縮、２次焼結を行った。

１次焼結体の密度は７．１９ｇ／ｃａであったが、２次
焼結体の密度は、７．３９ｇ／ｃｆと実施例１よりかな
り低かった。また２次焼結体の引張り強さは５３ｋｇ　
ｆ　／　ｄ　、硬さは４４ＨＲＡであった。

実施例２ １次焼結温度の密度２強度、伸びに与える影響を調査し
た。実施例１のＮｉ被覆銅粉と比較例１の混合粉を用い
て、各々に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、直径１１　、３　ｍｍのタブレットと、
平行部長さ２５ｍｍ、直径５ｍｍの引張り試験片を圧カ
フ　ｔ　／　ｃｌで成形し、１次焼結温度６５０、７０
０．８５０．１０００．１０５０℃で各々焼結し、実施
例１と同じ条件で、再圧縮、２次焼結を行った。

タブレットについて２次焼結密度を測定し、引張り試験
片について引張り強度と硬さを測定した。

結果を表１に示す。

被覆鋼粉のほうが、混合粉末より２次焼結密度が高く、
１次焼結時にＣの拡１１ｋが抑制されたことによる再圧
縮の効果がのられる。また高密度化によって強度も上昇
しており、硬さについても被覆鋼粉のほうが大きいこと
がわかる。

しかし、１次焼結温度が７００℃未満では効果が小さい
。また、１０００℃を越えると２次焼結密度の差が少な
くなっており、ＮｉやＣの拡散による固溶硬化のため、
被覆鋼粉でも再圧縮効果が低下している。

実施例３ ２次焼結温度の影響も測定した。実施例１および比較例
１と同じ鋼粉を用いて、実施例２と同様に成形し、８５
０℃９３０分１次焼結を行い、圧カフｔ／ｃボで再圧縮
し、２次焼結温度１０５０．１１００゜１２５０、１３
５０℃で各々焼結し、実施例２と同じように２次焼結密
度、引張り強さ、硬さを測定した。

表２に結果を示す。

被覆鋼粉のほうが、引張り強度、硬さ、２次焼結密度と
も大きいが、焼結温度が１１００”Ｃ未満では、その効
果が少なく、合金元素の拡散が不十分である。

実施例４ Ｎｉ添加量の影響も測定した。実施例１〜３と同じ原料
を用いて、同じ被覆法でＦｅ−４，４％Ｎｉ合金粉を得
た。また同じ鉄粉に３２５メツシユで分級したカーボニ
ルＮｉを同じ組成で混合した粉を用意し１ま た。実施例３と同様に成形、１次焼結、再圧縮を行い、
２次焼結温度１０５０．１１００．１２５０．１３５０
℃で各々焼結し、密度、引張り強さ、硬さを測定した。

結果を表３に示す。

焼結温度が１１００℃以」二で、実施例３より引張り強
さが上昇しており、１量の増加による効果がみられる。

またこの場合でも被覆鋼粉のほうが高い特性を示す。

実施例５ 水アトマイズ鉄粉を一８０メソシュにふるった後にこれ
を、希硫酸溶液を加えた硫酸ニッケル溶液に、攪拌しな
がら浸漬し、水洗、乾燥し、鉄粉の表面にＮｉを被覆し
、つづいて、これを希硫酸溶液を加えた硫酸銅溶液に攪
拌しながら浸漬して、さらにＣｕを被覆し、合計でＦｅ
−１，８％Ｎｉ−２，７％Ｃｕ合金粉を得た。

この粉末に、黒鉛粉０．５％と、潤滑剤としてステアリ
ン酸亜鉛１．０％を混合し、成形プレスにより成形圧カ
フｔ／ｃＪで、直径１１　、３　ｍｍのタブレットと平
行部長さ２５ｍｍ、直径５ｍｍの引張り試験片を成形し
た。この成形体を６００℃で３０分脱ろうしたのち、Ａ
Ｘガス中で９００℃１３０分焼結した。この１次焼結体
を圧カフｔ／ｃＪで再圧縮したのち、ＡＸガス中で１１
５０℃１６０分焼結した。

そめ結果、１次焼結体の密度は７．１８ｇ／ｃ＋ｆｌ、
　　２次焼結体の密度は７．４１ｇ／ｃＪと高密度が得
られた。

また２次焼結体の引張り強さは７１　ｋｇ　ｆ　／　ｘ
ｉ　、硬さは５８ＨＲＡであった。

比較例２ 一８０メツシュでふるった水アトマイズ鉄わ〕に、−３
２５メンシユにふるったカーボニルＮｉ粉と一１５０メ
ツシュの電解銅粉を実施例５と同じ組成になるように混
合し、同様に黒鉛粉０．５％とステアリン酸亜鉛１．０
％を混合し、実施例５と同じ条件で成形１１次焼結、再
圧縮、２次焼結をおこなった。

１次成形体の密度は７．１８ｇ／ｃｆで実施例１と同等
であるが、２次焼結体の密度は７．２８ｇ／ｃ＋１と、
実施例１より大幅に低い。また引張り強さは６２ｋｇｆ
／ｍシ、硬さは４９ＨＲＡであった。

実施例に こでは、１次焼結温度の各特性に対する影響をしらべた
。実施例５のめっき銅粉と、比較例２の混合粉を用いて
、各々に黒鉛粉０．５％とステアリン酸亜鉛１．０％を
混合し、外径６０ｍｍ、内径２０ｍｍ１高さ５．５ｍｍ
のリングと引張り試験片を圧カフｔ／ｃｍｌで成形し、
１次焼結温度６５０．７００．９００．１０００゜１０
５０℃で各々焼結し、実施例１と同じ条件で、再圧縮（
７Ｌ／ｃｄ）および２次焼結（１１５０℃１６０分）を
おこなった。リング試料を用いて、２次焼結密度と、２
次焼結前後の外径の寸法変化を、引張り試験片を用いて
、引張り強度を測定した。結果を表４に示す。

めっき銅粉のほうが、混合粉末より２次焼結密度が高く
、１次焼結時にＣの拡散が抑制されたため再圧縮によっ
て密度が上昇し、しかも２次焼結時の寸法膨張が抑制さ
れた効果がみられる。また高密度化によって強度も上昇
している。しかし焼結温度が７００℃未満では効果が小
さい。一方、焼結温度が１０００℃をこえると、密度の
差が少なくなっているのは、合金元素やＣの拡散による
鉄粒子の硬化のため、めっき銅粉を用いても再圧縮硬化
が悪化したことによる。

実施例７ ２時焼結温度の影響を測定した。実施例５および比較例
２と同じ銅粉を用いて実施例６と同様に成形したのち、
１次焼結を９００℃１３０分おこない、圧カフｔ／ｃ＋
ｆｌで再圧縮し、２次焼結温度１０５０゜１１００、１
３５０℃で各々６０分焼結し、実施例６と同様に各特性
を測定した。結果を表５に示す。

＊日坊や一定すＰ去 寸法変化について、めっき鋼粉のほうが著しく少ないこ
とにより、Ｎｉめっきによる銅異常膨張の抑制硬化がみ
られる。ただし、２次焼結温度が１１００℃未満では焼
結時の合金の均一化が不十分なため、引張り強度が低下
している。

実施例８ 実施例５〜７と同じ原料を用い、同じ被覆法でＦｅ−４
，６％Ｎｉ−３，０％Ｃｕ合金粉を得た。また同じ鉄粉
に一３２５メンシュにふるったカーボニルＮｉ粉と一１
５０メソシュの電解銅粉を上記と同じ組成になるように
配合混合した粉を用意して、実施例７と同様に成形、１
次焼結、再圧縮をおこない、２次焼結温度１０５０．１
１００．１３５０℃で各々焼結し密度。

寸法変化、引張り強さを測定した。結果を表６に示す。

寸法変化について、Ｃｕの量が増加しても、適当な１景
の被覆により銅異常膨張の抑制効果がある。

また２次焼結温度が１１００℃以上では添加元素の増加
による引張り強さの向上が見られるが、それ以下では強
度が低い。

表６　２燻独４ ＊■め（ネ溪実康去 実施例９ 実施例１の被覆鋼粉に、Ｍｏ１．０％と、黒鉛粉０．５
％と、ステアリン酸亜鉛１．０％とを混合し、実施例１
と同じ様にして、成形、１次焼結、再圧縮。

２次焼結を行った。

その結果、１次焼結体の密度は、７．１７ｇ／ｃｄ、２
次焼結体の密度は、７．４５ｇ／ｃ／であり、また２次
焼結体の引張り強さは７３ｋｇｆ／ｍｊ、硬さは６０Ｈ
ＲＡ７’あった。

実施例ｌ０ Ｍｏを０．９５％含む予合金鋼粉に、実施例１と同じ方
法でＮｉを被覆し、Ｆｅ−２，２Ｎ＋　−０，９５Ｍｏ
　ｊｌｉｉＩ粉を得た。この粉末に、黒鉛粉０．５％と
、ステアリン酸亜鉛１．０％とを混合し、実施例１と同
じようにして、成形、１次焼結、再圧縮、２次焼結を行
った。

その結果、１次焼結体の密度は７．１５ｇ／ｃＪ、　　
２次焼結体の密度は７．４１ｇ／ｃｌＩＩであり、また
２次焼結体の引張り強さは７８ｋｇｆ／ｍｊ、硬さは６
６ＨＲＡであった。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明法による合金鋼粉を用いることで
高密度、高強度かつ焼結時の異常膨張を抑制した焼結体
が製造でき、工業的に幅広い適用が可能である。また組
成もＦｅ　　Ｎｉ−Ｃｕだけでなく、Ｍｏ、　Ｃｒ、　
Ｍｎ、　Ｖ、　Ｗ、　　Ｐ、　Ｓｉなど他の添加元素を
さらに加えた系の焼結材料の製造にも応用できる。

この場合、これらの元素を、ＮｉとＣｕで多層被覆した
鉄粉および黒鉛粉との混粉として添加してもよい。これ
らの元素を含む鋼粉にＮｉ、　Ｃｕを多層被覆しても、
本発明法の効果が得られる。

特許出願人　　　川崎製鉄株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎｉ及びＣを含有する合金鋼焼結体の製造方法にお
   いて、鉄粉粒子の表面にＮｉを被覆した複合合金粉と、
   黒鉛粉とをその他の添加物と共に混合し、金型で圧粉成
   形した後、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
   後、１１００℃以上で再焼結することを特徴とする高密
   度高強度合金鋼焼結体の製造方法。 ２、ＮｉとＣｕ及びＣを含有する合金鋼焼結体の製造方
   法において、鉄粉粒子の表面にまずＮｉを被覆し、さら
   にその上にＣｕを被覆した複合合金粉と、黒鉛粉とをそ
   の他の添加物と共に混合し、金型で圧粉成形した後、７
   ００〜１０００℃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後、１１００
   ℃以上で再焼結することを特徴とする高密度高強度で焼
   結時の異常膨張の少ない合金鋼焼結体の製造方法。