JPH0135043B2

JPH0135043B2 -

Info

Publication number: JPH0135043B2
Application number: JP59123802A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Kubo; Minoru Ichidate; Yoji Tozawa
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-06-18
Filing date: 1984-06-18
Publication date: 1989-07-24
Also published as: JPS613810A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は合金粉末の製造方法、さらに詳しくは
中高炭素、低酸素合金粉末の油アトマイズ法によ
る製造方法に関する。（従来の技術）金属粉末、一般には合金粉末の製造方法として
アトマイズ法は最も広く採用されている方法であ
り、噴霧媒の種類によつてさらに水アトマイズ
法、ガスアトマイズ法および油アトマイズ法は細
分類される。ところで、近年にいたり粉末冶金技術の進歩は
目覚ましく、加工コストが大幅に低減しうること
から、焼結体の適用範囲も著しく拡大した。例え
ば、従来より溶解材に複雑な熱処理を施すことに
よつて製造されてきた高速度鋼の冶工具（切削工
具、金型、圧延ロール等）も粉末冶金法により製
造されるようになり、溶解材と同等の特性を保ち
ながら大幅な加工コストの低減が実現されてい
る。そして最近では粉末冶金法の特徴を生かした
従来の溶解材には見られないよりすぐれた特性を
も併せて要求されるようになつてきている。したがつて、原料粉末製造の分野においてもか
かる要求に応えるべく多くの努力がなされてい
る。そして今日特に問題となつているのが非鉄合
金、高合金鋼を含めていわゆる中高炭素、低酸素
合金粉の製造方法の確立である。炭化物、さらに
は窒化物あるいはホウ化物などの析出物を均一に
かつ微細に分散させうる粉末冶金法の特徴を十分
に生かして、最終焼結材製品の特性をさらに飛躍
的に改善せしめようとするものである。従来のアトマイズ法にあつてもかかる中高炭
素、低酸素合金粉の製造については種々の研究が
行われている。例えば水アトマイズ法では、高速
度鋼組成の中高炭素合金鋼粉の製造が試みられて
いる。ガスアトマイズ法においても中高炭素合金
鋼粉の製造はすでに実用化されている。（従来技術の欠点）ところで水アトマイズ法による中高炭素合金粉
末（以下、理解を容易にするため合金鋼粉を例に
とつて説明する）の製造には次のような問題点が
ある。水アトマイズ法は本質的に得られる粉末の酸素
含有量が多いことが特徴である。一方、例えばモ
リブデン、鉄、ニオブ、タンタル、タングステ
ン、クロム、パナジウム、シリコン、チタン、ジ
ルコニウム、ハフニウム等の析出強化用の元素は
酸化物として安定であり容易に酸素と反応して安
定な酸化物を形成する。この安定した酸化物は高
温で加熱しないと還元されない。場合によつては
これらの金属を還元するために真空雰囲気、固体
還元剤の添加等かなり複雑かつ高コストの方法が
必要となる。また高速度鋼のように比較的難還元
性成分の少ない合金系でも1200℃以上における１
時間以上の長時間還元が必要であるといわれてい
る。このような高温で長時間にわたる還元処理を
必要とするため、得られる粉末はコスト高である
うえに、炭化物の粗大化、結晶粒の粗大化がみら
れ、粉末冶金法の特徴である均一微細組織が得ら
れるといつた効果が半減し、一方、高速度鋼の特
徴であるべき、硬度および強度を維持して靭性お
よび被切削性を向上するといつた機能にも限界を
きたしてしまう。さらにアトマイズ時に酸素と添加炭素が反応し
て、Ｃ＋Ｏ→COの反応を起こすことにより脱炭
反応が進行し、炭素の歩留りが低下し、添加炭素
の定量的コントロールが困難になる。したがつて
製品品質もまた不安定になる。また水アトマイズ法は粒子形状が不規則なこと
も特徴であり、このことは焼結等加工に際して金
型成形法には適するが粒子の充填密度の低下につ
ながるためHIP、CIP等の容器封入型成形法では
好ましくない。一方、ガスアトマイズ法による中高炭素合金鋼
粉の製造にも次のような問題点がある。一般にガスアトマイズ法は、アルゴンガス
（Arガス）または窒素ガスを使用して行われてい
るが、Arガスは高価なためにArガスを使用する
とランニングコストが高くなり好ましくない。そ
こで最近では窒素ガスを使用することが多くなつ
ている。しかし、窒素ガスを使用すると窒化現象
が起きて、粉末粒子内に不純物としての窒素を混
入する場合がある。さらにクロム、ニオブ、チタ
ン等の合金は窒素を固浴しやすく、過飽和に固溶
した窒素は粉化後の凝固時にガスとなつて発生
し、粒内気孔発生の原因となる。また、ガスアトマイズ法は冷却速度が遅く、こ
れによつて球状粒子しか得られない。したがつ
て、一般焼結用には適さない。さらに、このよう
に冷却速度が遅いために、水アトマイズ法に比べ
ると炭化物の粗大化および結晶粒の粗大化によつ
て、前述のような粉末冶金法の効果が半減してお
り、同様に高速度鋼の特徴であるべき、硬度およ
び強度を維持してかつ靭性および被切削性を向上
するといつた機能にも限界がある。ところで、アトマイズ法の１種として近年に至
り開発された油アトマイズ法にもすぐれた多くの
提案がなされており、低炭素含有量の低合金鋼の
製造に主に利用されている。一般的な油アトマイズ法による金属粉末の製造
法は特公昭56−51203号および特開昭54−26951号
により公知ではあるが、それらはいずれも低炭素
含有量の低合金鋼粉が主体である。これらの方法
では、アトマイズ時における非酸化性雰囲気を利
用して低酸素含有量の粉末を得ようとするもので
あるが、浸炭現象は有効に活かされておらず、む
しろアトマイズ後脱炭処理が不可欠とされるなど
油アトマイズ法の特徴は必ずしも生かされていな
い。なお、油アトマイズ法による中高炭素合金鋼粉
の製造方法は、特開昭55−152111号として開示さ
れている。この方法は、噴霧媒である油の中に浸
炭性のポリマー、炭化物等を入れることにより鋼
粉中の炭素量をコントロールするものであるが、
ポリマーの添加量調整等が必要であるうえ、操作
が複雑で製造コストが上昇する欠点がある。このように、従来の油アトマイズ法はそのすぐ
れた特性にもかかわらず、必ずしもそれらが十分
に発揮されているとは言えない。すでに述べたように、粉末冶金技術が高度化し
た現在、その原料とし高合金化が図られるととも
に多量の炭化物が微細均一に分散した合金粉末が
要望されている。しかし、合金成分が増えれば粉
末が硬質化し、それだけ圧粉性、焼結性は低下
し、成形加工が困難となる。ましてそれに加えて
炭化物含有量が増加した場合には成形加工に多く
の時間と費用をかけなければならず、高価なもの
となつてしまう。かかる要望を満足させるには従
来の水アトマイズ法およびガスアトマイズ法で
は、コスト面も考えた場合、かなり難かしく、そ
の１つの原因として得られる合金粉末の酸素含有
量が高いこと、さらに気孔発生がさけられないこ
と、また粒子形状制御が十分に行われ得ないこと
等が考えられる。そこで本発明者らは、油アトマイズで得られる
粉末は本質的に酸素含有量が低いという特性に着
目して検討を重ねた結果、以上のような水アトマ
イズ法およびガスアトマイズ法における問題点は
油アトマイズ法を用いることによつて以下のよう
に改善することが可能なことを見いだして本発明
に至つたものである。すなわち、水アトマイズ法に対しては、酸素含有量が多いことについて：油アトマイズ法により、非酸化雰囲気アトマ
イズとなるので、0.2％以下の低酸素含有量の
粉末の製造が可能となり、これによつて高温真
空還元処理および破砕工程が不必要となるため
に、炭化物および結晶粒の粗大化が低減され、
コストも下がる。添加炭素と酸素が反応することについて：油アトマイズ法によれば、低酸素ということ
からＣ＋Ｏ→COの反応はほぼ完全に抑制でき
るので、ポアーが減少する。一方、炭素の歩留
りは、油から逆に浸炭させることにより向上さ
せることができる。粒子の形状が不規則なことについて：油は水に比べて比熱が小さく、流速をある程
度低下させれば球状に近くなるという利点を利
用して、油アトマイズ法では不規則形状から球
状までの形状コントロールが可能になる。また、ガスアトマイズ法に対しては、ガスの使用によるコスト上昇、気孔発生等に
ついて：油アトマイズ法では油を容易に循環させて使
用できるためそのコストは低い。さらに、高合
金系になると気孔の発生が多くなるが、溶湯製
造工程において溶湯温度を調節することによ
り、気孔をかなりの程度まで減少させることが
できる。N₂を除くAr、He等の不活性ガスは表
面に付着したり、粒子内に含まれると成形焼結
後欠陥となるが油アトマイズではその心配がな
い。冷却速度が遅いことおよびこれに伴う粒子の
球状化について：油アトマイズ法は水アトマイズ法程度の冷却
速度であるために、水アトマイズ法にみられる
程度に微細化した炭化物および結晶粒にするこ
とができる。また油アトマイズ法による形状コ
ントロールを行うことによつて、HIP用から焼
結用までの粉末製造が可能になり、製品の抗折
力も高くなる。（発明の要約）ここに、本発明は、Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を
生成する元素のうちの少なくとも１種を含有する
高合金の溶湯を該高合金の液相線温度＋300℃以
下の温度に調節すること、溶湯温度に対応して目
標炭素含有量より0.2〜1.0重量％だけ低い炭素濃
度に合金の溶湯の炭素含有量を調節すること、お
よびかくして調節した合金の溶湯を、溶融金属流
量の噴霧媒流量に対する質量流量比0.008〜0.7そ
して噴霧媒流速100〜600ｍ／secの油噴霧条件に
より、不活性雰囲気中で油アトマイズを行い、さ
らに必要に応じ、かくして得られた合金粉末をさ
らに非酸化性雰囲気において焼鈍処理を行うこと
を特徴とする、粉末冶金用に適した粒度分布を持
つ、酸素含有量0.2重量％以下および炭素含有量
0.3重量％以上の中高炭素、低酸素高合金粉末の
製造方法である。ここに、本発明により製造される高合金粉末と
しては高合金鋼粉ばかりでなく非鉄系の例えば
Co高合金粉等も包含され、Ｂ、Ｎおよび硬質炭
化物を生成する元素（例えば、タングステン、モ
リブデン、クロム、バナジウム、ニオブ、タンタ
ル、ジルコニウム、ハフニウム、ケイ素etc.）の
うち少なくとも１種が析出強化用元素として含有
され得るものである限り、特に制限はないが、そ
のような析出強化用の元素を積極的に利用するも
のとして、特に高合金鋼、例えば高速度鋼が好ま
しい。Ｂ、Ｎはむしろそれと合金元素とが反応し
てホウ化物、窒化物を形成するのであつて、上述
のような硬質炭化物生成元素とはその性質を異に
するが、析出強化作用を示す元素として列記する
ものである。したがつて、Ｂおよび／またはＮの
みを添加する場合には基本合金成分としてそれら
と化合してホウ化物および／または窒化物を容易
に形成する金属元素を使用しなければならないの
は云うまでもない。Ｎを積極的に添加する場合に
は0.01％以上添加する。すでに述べたように本発明は高合金粉末の製造
に特に有用であり、ここに「高合金」あるいは
「高合金鋼」とは上記高速度鋼を含めて、例えば
合金元素の割合が合計して10％を越えるものを云
うが、要するに合金元素の添加によつて固溶硬化
の著しい合金系を総称するものである。なお、「中高炭素、低酸素」とは一般に酸素0.2
重量％以下、炭素含有量0.3重量％以上を云うが、
好ましくは酸素含有量0.05重量％以下、炭素含有
量1.0重量％以上を云う。より好ましくは、酸素
含有量0.02重量％以下、炭素含有量1.5重量％以
上である。以下本発明をさらに詳しく説明する。本発明において利用する方法は、基本的には、
従来の油アトマイズ法に同じである。すなわち、
本発明にあつても液相線温度＋300℃以下の温度
に調整された溶湯を、底部に溶湯滴下のために設
けた溶湯ノズルを通して、アトマイザーノズルの
噴射方向の交点に流下させて、ノズルより噴射さ
れた噴射媒体としての油により粉化を行うもので
あり、このときのアトマイズ処理は大気からの酸
化を抑制するため大気と遮断した不活性雰囲気下
で行う。本発明にあつては溶湯温度を合金の液相線温度
＋300℃以下の温度に調整するのであるが、溶湯
温度がこれより高いと、合金溶湯は多量のガス成
分を吸収するため、この溶湯が粉化・凝固する時
にガスの発生を伴う。このガス発生により、生成
粒子内に気孔が生ずる場合がある。油アトマイズ
法の場合、気孔の発生量は溶湯温度に対する依存
性が極めて高い。これを数値的に表現すると第１
図のようになる。第１図は横軸にアトマイズ直前
の溶湯温度と液相線温度との差△Ｔ、縦軸に気孔
発生率を取つたグラフである。このときの鋼粉末
組成および他の油アトマイズ条件は後述の実施例
１に同じであつた。この気孔発生率は、次のよう
に定義されるものであり、代表サンプルをエポラ
ツクに埋め込み、断面研磨を行つた後、顕微鏡に
より観察を行い決定した。気孔発生率＝観察粒子の気孔部分面積計／観察した粒子
の全断面積集計×100 第１図より、油アトマイズ法においては溶湯温
度が液相温度より300℃を越えた高温になると急
激に気孔が多くなつていることが判る。したがつ
て本発明においては溶湯温度を前述のように限定
した。好ましくは液相線温度＋200℃以下である。
ただし、これらの温度は油アトマイズ法において
得られる特有の値であり、冷却速度の異なるガス
アトマイズ法および水アトマイズ法には適用でき
ないものと考えられる。このとき、溶鋼温度に対応して目標炭素含有量
より0.2〜1.0重量％だけ低い炭素濃度の合金の溶
湯の炭素含有量を調整する。溶湯中の炭素濃度と
得られた合金粉中の炭素濃度との間には一定の関
係がみられ、溶湯中の炭素濃度および溶湯温度を
コントロールすることにより合金粉中の炭素濃度
を調整することが可能である。したがつて本発明において溶湯の炭素濃度を目
標炭素含有量よりも0.2〜1.0重量％低い濃度に設
定する。さらに、本発明にあつては、溶融金属流量の噴
霧媒流量に対する質量流量比を0.008〜0.7に調整
するが、これは得られる合金粉末の平均粒径を
270μｍ以下に調製するためである。一般に各種用途に使用される金属粉末は平均粒
径が250μｍ以下の微粉末であることが必要とさ
れる。したがつて、本発明において中高炭素高合
金鋼の250μｍ以下の金属微粉末を効率よく製造
するために上記質量流量比を0.008〜0.7に限定す
る。ここに第２図は、溶融金属流量／噴霧媒流量の
質量流量比と平均粒子径の関係を示すグラフであ
る。鋼粉末組成、その他の油アトマイズ条件は後
述の実施例１のそれらに同じであつた。図中、斜
線部Ａは粗粒領域を示す。すなわち、溶融金属流
量／噴霧媒流量の比率が大きくなると平均粒子径
も、大きくなり、質量流量比が0.7を越えると
250μｍ以下の粉末は得られない。また、前記流
量比が0.008未満では、平均粒子径はほとんど変
化しない。したがつて、本発明にあつては、上述
のように質量流量比を0.008〜0.7に限定した。ただし、平均粒径に及ぼす質量流量比の影響
は、噴霧媒の種類、溶融合金組成等によつて大き
な影響を受けるので、この条件は油アトマイズ法
による本発明に係る中高炭素合金粉末の製造に特
有な値であると考えられる。次に、本発明によれば、油アトマイズは噴霧媒
流速を100〜600ｍ／secに調整して行われるが、
この条件も前述の噴霧媒流量と同様に250μｍ以
下の平均粒径をもつ微粉末の製造を目的としたも
のである。第３図は同様に噴霧媒流速と平均粒子径の関係
を示すグラフである。図中、斜線部Ｓ−１は粗粒
領域を、斜線部Ｓ−２は噴霧媒流速が増加しても
粒子径の変わらない領域を各々示すものである。
第３図の場合も鋼粉末組成、その他の油アトマイ
ズ条件は実施例１の場合に同じである。第３図よ
り、噴霧媒流速が速くなるほど金属粉末の平均粒
子径は小さくなる傾向があるが、噴霧媒流速が
600ｍ／secを越えると粒子径はほとんど変化しな
くなつている。このことから、本発明では噴霧媒
流速の上限を600ｍ／secとした。また、噴霧媒流
速が小さくなるにつれて金属粉末の粒子径は大き
くなつており、噴霧媒流速が100ｍ／sec未満にな
ると平均粒子径が250μｍを越えてしまう。した
がつて、本発明における噴霧媒流速の下限は100
ｍ／secとした。なお、必要に応じ、このようにして得た合金粉
末は不活性Ar雰囲気などの非酸化性雰囲気下で
焼鈍し、成形性および焼結性の改善を図つてもよ
い。次に本発明を実施例によつてさらに具体的に説
明する。実施例１この実施例は、本発明による焼鈍鍛造用高速度
鋼粉末の製造方法および得られた製品の性状、な
らびに水アトマイズ法との比較を示すものであ
る。本発明方法を以下に示す条件で実施した。目標組成：1.5C−4.2Cr−12W−4.5V−4.5Co−
bal.Fe（JIS SKH10に相当）溶湯調整条件：溶湯温度：1450℃ 溶湯組成：第１表参照溶湯雰囲気：Arガス油噴霧条件：溶融金属流量／噴霧媒流量（質量流量比）＝
0.12 噴霧媒流速：300ｍ／sec 噴霧媒：機械油Ａアトマイズ雰囲気：Arガス上記の条件で、これ以外の工程は従来の油アト
マイズ法と同様にして得られた粉末の性状を、第
１表（化学組成）第２表（粒径分布）および第３
表（見掛密度、流動度）にまとめて示す。

【表】

【表】得られた粉末の粒子形状は上記の質量流量比で
は不規則形状粉となり、その外観の顕微鏡写真を
第４図に示す。こうして得られた焼結鍛造用高速度鋼粉を不活
性雰囲気中で焼鈍を行つた後、圧縮性および成型
性について測定した結果を第４表にまとめて示
す。

【表】比較例として、従来の水アトマイズ法により得
た粉末を同条件で処理したものは、5T／cm²で圧
縮体密度＝6.1ｇ／cm³、圧粉体抵抗力＝2.5Kgｆ／
mm²であり、本発明の方法によつて優れた性状の粉
体が得られたことがわかる。またガスアトマイズ法は、基本的に焼結用に不
適であることは前述した通りである。実施例２この実施例は、本発明による封入型成型用高速
度鋼粉の製造方法および得られた製品の性状を示
すものである。本発明方法を以下に示す条件で実施した。目標組成：1.5C−4.2Cr−12W−4.5V−4.5Co−
Bal.Fe（JIS SKH10に相当）溶湯調整条件：溶湯温度：1430℃ 溶湯組成：第５表参照溶湯雰囲気：Arガス油噴霧条件：溶融金属流量／噴霧媒流量（質量流量比）＝0.4 噴霧媒流直：200ｍ／sec 噴霧媒：機械油Ｂアトマイズ雰囲気：Arガス上記の条件で、これ以外の工程は従来の油アト
マイズ法と同様にして得られた粉末の性状を、第
５表（化学組成）第６表（粒径分布）および第７
表（見掛密度、流動度）にまとめて示す。

【表】

【表】得られた粉末の粒子形状は上記の溶融金属流
量／噴霧媒流量値では球状粉となり、その外観の
顕微鏡写真を第５図に示す。このようにして調整した高速度鋼粉を、真空中
でカプセルに充填すると充填密度は真密度の63％
以上となり、CIP成形用およびHIP成形用として
すぐれていることが判る。さらに、1150℃、2000Kg／cm²で１時間、HIP処
理した後の炭化物の分散程度を示す顕微鏡写真を
第６図に示す。炭化物が均一に微細化分散してお
り、炭化物の大きさも5μｍ程度であることがわ
かる。ガスアトマイズ法により試作した粉末の組
織（粉径100μｍ以上）に比べて微細であること
は明らかである。（発明の効果）以上の説明により明らかなように、本発明の方
法は、従来の水アトマイズ法およびガスアトマイ
ズ法に比べて低コストで、しかも工業的に実用性
の高い粉末冶金用中高炭素合金粉が簡単に得られ
る優れた方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、溶湯温度とポアーの発生率の関係を
示すグラフである。第２図は、溶融金属流量／噴
霧媒流量と平均粒子径の関係を示すグラフであ
る。第３図は、噴霧媒流速と平均粒子径の関係を
示すグラフである。第４図は、実施例１において
本発明により得られた合金粉末の顕微鏡写真であ
る。第５図および第６図は、それぞれ実施例２に
おいて本発明により得られた合金粉末の顕微鏡写
真およびHIP処理後の炭化物の分散程度を示す同
様の顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を生成する元素から
成る群から選んだ少なくとも１種を含有する高合
金の溶湯を該高合金の液相線温度＋300℃以下の
温度に調整すること、溶湯温度に対応して目標炭素含有量より0.2〜
1.0重量％だけ低い炭素濃度に合金の溶湯の炭素
含有量を調整すること、およびかくして温度調節した合金の溶湯を、溶融金属
流量の噴霧媒流量に対する質量流量比0.008〜0.7
そして噴霧媒流速100〜600ｍ／secの油噴霧条件
により、不活性雰囲気中で油アトマイズすること
を特徴とする、粉末冶金用に適した粒度分布を持
つ、酸素含有量0.2重量％以下および炭素含有量
0.3重量％以上の中高炭素、低酸素高合金粉末の
製造方法。２Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を生成する元素から
成る群から選んだ少なくとも１種を含有する高合
金の溶湯を該高合金の液相線温度＋300℃以下の
温度に調整すること、かくして温度調節した合金の溶湯を、溶融金属
流量の噴霧媒流量に対する質量流量比0.008〜0.7
そして噴霧媒流速100〜600ｍ／secの油噴霧条件
により、不活性雰囲気中で油アトマイズするこ
と、溶湯温度に対応して目標炭素含有量より0.2〜
1.0重量％だけ低い炭素濃度に合金の溶湯の炭素
含有量を調整すること、およびかくして得られた合金粉末をさらに非酸化性雰
囲気において焼鈍処理を行うことを特徴とする、
粉末冶金用に適した粒度分布を持つ、酸素含有量
0.2重量％以下および炭素含有量0.3重量％以上の
中高炭素、低酸素高合金粉末の製造方法。