JPH0257612A

JPH0257612A - 加圧焼結法

Info

Publication number: JPH0257612A
Application number: JP20672388A
Authority: JP
Inventors: Sadakimi Kiyota; 禎公清田; Junichi Ota; 純一太田; Hiroshi Otsubo; 宏大坪; Shigeaki Takagi; 高城　重彰; Kazuo Sakurada; 桜田　一男
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-08-20
Filing date: 1988-08-20
Publication date: 1990-02-27

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〉本発明は微粉末を利用した金属焼結材料の製造に関する
ものであり、詳しくは加圧焼結法に関するものである。

〈従来技術とその問題点〉従来の金属粉末の金型プレス成形では原料粉が！５０〜
数１０μｍと大ぎいので焼結だけでは密度比８０〜９０
％にしかならず十分な高密度が得られなかった。

焼結体の特性は密度に比例するため、焼結体の高密度化
法の研究開発が種々行われている。

これらの高密度化へのアプローチ法には、大別すると２
柿のものがあり、一つは原料粉末の焼結性改善によるも
の、もう一つは製造プロセスの改良によるものとがある
。

近年、金属粉末と結合剤を混合したものを射出成形し、
結合剤を除去し、焼結するというプロセス（ｕｓｐ、Ｎ
ｏ、４１９７１１８）が考案されたが、本プロセスでは
、平均粒径１０μｍ以下の粉末が必要とされ、したがっ
て必然的に高密度の焼結体が容易に得られる。

しかしながら、この方法で、９７％の高密度焼結体を得
るためには、平均粒径５μｍ以下の粉末が必要とされ、
原料粉のコストが非常に高く、部品のコストを大きく押
し上げてしまう。

高密度化の方法の一つに、ＨＩＰ　（熱間静水圧プレス
）法があるが、最近ＨＩＰ法にかわり７０　ｋ　ｇ／ｃ
　ｍ２〜２００　ｋ　ｇ／ｃ　ｍ２の比較的低圧での加
圧焼結法（ｕｓ　　ｐ、Ｎｏ、４５９１４８２、米国特
許Ｕ　Ｓ　８６１０　Ｏ８５３、日本公表特許昭和６３
−５００８７４）が提案された。

この加圧焼結法は、例えば、稀土類合金、アルミ合金、
チタン合金などはいずれも酸化性が非常に高く、その焼
結性が熟知されたもののみへの適用であり、これらの原
料粉末は、焼結過程において焼結：囲気と成形体構成粉
末との反応が無いかもしくは抑止すべき条件で利用され
、罪囲気は保護ガスとしてのみ利用されている。

この加圧焼結は、雰囲気ガスとなんら反応を伴うことな
く、焼結性が熟知された材料を対象とする、公知ＨＩＰ
技術の経済的運用方法とすることができる。

したがって、射出成形に代表される微粉末を使用した焼
結材料の製造へのこの加圧焼結の適用において問題が生
じる。　微粉末を利用する焼結材料の製造にＨＩＰ技術
を運用するための考慮点を整理すると、第１に、微粉末
の大きな比表面積に起因する酸素および有機バインダに
起因する炭素が焼結過程において雰囲気ガスと反応する
（この反応なしでは、高純度の焼結材料が得られない）
こと、第２に、微粉末のため焼結がより低温で起こるこ
と、第３に反応温度域が焼結温度域よりむしろ高いこと
、第４に、閉空孔が達成される密度が低いことがあげら
れる。

つまり、従来の加圧焼結は、これらの点を全く考慮して
いないため、得られる焼結材料特性（密度、純度）およ
びその経済性（温度、圧力条件）に問題があった。

〈発明か解決しようとする問題点〉本発明の目的は、金属微粉末と結合剤の成形体（特に、
金属微粉末と結合剤とのコンパウンドを射出成形の後、
脱脂したもの）を比較的低い温度で、脱炭と脱酸と焼結
を行ない、ひぎっづいて、より高温で、比較的低い圧力
で加圧することにより、高密度高純度の焼結体が得られ
、特に高密度のステンレス焼結体が安価に製造できる方
法を提供しようとする。

く問題点を解決するための手段〉すなわち本発明は、金属焼結材料の製造方法において、
（ａ）金属粉末成形体を加熱し、脱炭の脱酸を行なうと
ともに、密度を真密度の９０％以上とする第１の工程、
および（ｂ）第１の工程で得られた焼結体を、加熱、加
圧する第２の工程より構成されるものであって、該第２
の工程（ｂ）の加熱温度が、前記第１の工程（ａ）の加
熱温度より５％超高いことを特徴とする加圧焼結法を提
供する。

ここで、前記第１の工程（ａ）の温度範囲が８００〜１
３００℃である加圧焼結法が良い。

また、前記第２の工程（ｂ）の温度範囲が８４０〜１４
００℃である加圧焼結法が良い。

前記第１の工程（ａ）の少なくとも一部において、還元
性雰囲気を利用する加圧焼結法、特に前記還元性雰囲気
が水素含有ガスもしくは０、ＩＴ、ｏｒｒ以下の減圧雰
囲気である加圧焼結法が好ましい。

また、前記第２の工程（ｂ）の加圧が３０〜１５０気圧
の不活性ガスによって行われる加圧焼結法が良い。

前記不活性ガスが窒素もしくはアルゴンまたはそれらの
混合ガスである加圧焼結法がよい。

ここで、前記金属粉末成形体が平均粒径３゜μｍ以下の
粉末を原料として用いた成形体である請求項１ないし７
のいずれかに記載の加圧焼結法がよい。

前記金属粉末成形体が金属粉末を射出成形し、その後該
射出成形体を脱脂処理した脱脂体である請求項１〜８に
記載の加圧焼結法がよい。　以下に本発明の構成を詳細
に説明する。

まず、原料粉末については、平均粒径３０μｍ以下の粉
末であることが好ましい。　この範囲内であると、第１
工程での焼結時に、９０％以上の密度比が得られる。

使用する粉末は、高圧水アトマイズ法、還元法、カルボ
ニル法、粉砕および分級によって製造される金属微粉末
およびそれらの混合粉末が使用できる。

特に原料粉末にステンレス鋼粉を用いる場合は、Ｃｒ：
１（１〜２５ｗｔ％、Ｎｉ：６〜２０ｗｔ％または、Ｃ
ｒ・１０〜２５ｗｔ％、Ｎｉ：６　〜２０ｗｔ　　％　
、　　Ｍｏ　　　二　　〇、　　　５　〜４．　　０ｗ
ｔ％を含むステンレス鋼粉が良い。

粉末の成形は、公知のいかなる成形法を用いてもよく、
例えば粉末に有機物潤滑材を添加して行う公知の金型成
形法や押出成形法、有機バインダと混練してコンパウン
ドとして成形を行う公知の射出成形法が利用できる。　
複雑形状部品の場合は、射出成形法が好ましい。

成形時に添加した有機物全部あるいは一部は、第１工程
の焼結に先立つ熱処理によって除去できる。

また、成形時に添加される有機物の量が多いため、焼結
時に脱炭をする必要性の高い射出成形法を利用する場合
に、本発明の加圧焼結法は特に有効である。

成形後、結合剤を除去するため、非酸化性雰囲気中で加
熱する。　このときの昇温速度は、射出成形体および押
出し成形体に対しては、５〜ｂ１〜ｂいずれの成形体も４５０〜７００℃まで昇温した後０〜
４時間保持することで行える。

結合剤を除去した後、本発明法では下記の第１工程およ
び第２工程を行う。

本発明の第１工程では、金属粉末成形体の不純物の除去
と気孔の閉気孔化する密度比である９０％以上まで焼結
させるために、加熱を行う。

この第１工程は、還元性雰囲気である水素含有ガスもし
くは０．１Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気で行う必要がある
。　さもなけわば、原料粉末表面の酸素や成形助剤の残
留に起因する炭素を除去できす、高純度の焼結体が得ら
れない。

また、焼結温度は、８００〜１３００ｔで行う必要があ
る。　好ましい条件は、原料粉末の材料組成によって決
定され、純鉄鋼組成では、水素含有ガス中、８ｏｏ〜９
ｏｏ℃、Ｆｅ−Ｎｉ組成では、水素含有ガス中、１１２
５〜１２５０℃、Ｆｅ−Ｃｏ組成では、水素含有ガス中
、８００〜１２００℃が効果的である。

ステンレス組成の場合は、０．０１Ｔｏｒｒ以下の減圧
中、１０５０〜１２８０ｔ：で焼結するのが好ましい。

　これらの下限値を下回ると、雰囲気と原料粉末との間
で起る不純物除去反応が効果的に進行しない。　また、
これらの上限値を越えると、不純物除去反応よりも粉末
同志の焼結の方が早く進行するために、不純物が除去で
きない。　これらの不純物の除去反応の反応生成物は、
水蒸気もしくは炭酸ガスであるため、ガス流通孔を失う
ことによるガス拡散速度の低下は、不純物除去反応自体
を低速度もしくは停止させてしまう。　特に、成形体は
微粉末で構成されるため、もともと流通孔は小さいので
、注意が必要である。

第１工程の温度は、焼結の進行が速やかになりはじめる
温度でもあり、原料粉末の粒度によっても異なる。　平
均粒径が小さい場合は、より低温側に、平均粒径が大き
い場合は、より高温側に、上記好ましい範囲より選択す
る。

焼結時間は、使用した焼結温度で、Ｃ，Ｏｎが平衡に達
するに要する時間であり、通常、２０分〜４時間の範囲
であり、数回試行実験で容易に決定できる。

続いて、本発明の第２工程について説明する。

第２工程では、前工程で高純度化、閉空孔化した焼結体
を高密度化する工程であるため、もはや、反応性のガス
を使用する必要はない。

したがって、雰囲気ガスは不活性ガスが好ましい。　ま
た、工程温度は、第１工程の焼結温度よりも５％超高い
温度である必要がある。　従来の加圧焼結では、この工
程温度が第１段階の工程温度と同等もしくはそれ未満て
あった点で異なる。

温度の下限値を、第１段階の焼結温度の５％超高い温度
としたのは、第１段階の温度か非常に低いため、この下
限温度未満では加圧によって密度を向上させることがで
きないからである。　　また、この下限温度は、焼結速
度が加速しはじめる温度である第１工程で設定した温度
と相関があり、この温度を境に加圧焼結が効果的となる
。

さらに、第１工程に減圧雰囲気を使用した場合、構成元
素の蒸気圧の差によって焼結体表面に組成分布ができる
。　また、還元性のガス雰囲気でも、ガスに触れている
焼結体もしくは粉末表面とそれらの内部との間に、組成
分布が生じることがある。　第２工程では、この組成分
布の均一化処理を速やかに進行させる必要がある。　こ
の組成分布は焼結体中の原子拡散律速で成立するもので
あり、大気圧以上の構成元素の蒸発しない雰囲気で、あ
るいは、化学反応の全く起ることのない雰囲気で、前工
程より５％超高い温度、すなわち、より拡散速度の高い
温度領域で加熱する。

好ましい温度範囲は、材料組成によって決定され、ステ
ンレス組成の場合は、１１５０〜１３５０℃、純鉄組成
では、９５０〜１３００’ｅ、Ｆｅ−Ｎｉ組成では、１
２００〜１３７０℃、Ｆｅ−Ｃｏ組成では、１０００〜
１４ｏ。

℃が効果的である。　また、加圧に必要な圧力は３０〜
１５０気圧である。　　３０気圧未満の場合は、圧力を
加えない場合と有意差がでず、１５０気圧を越えるガス
媒体を用いると設備コストが急騰するため、本発明の目
的とそぐわないため除外する。

焼結時間は、使用した焼結温度て、焼結密度および化学
組成分布が平衡に達するに要する時間であり、通常、２
０分〜２時間の範囲であり、数回の試行実験で容易に選
択できる。

また、必要応じて、最終焼結体のＣ１０量を調整する。

　Ｏ％Ｃの量の増減の方法としては、脱脂体のＣ１０量
比の増減によって偽され、Ｃ１０量比を小さくすること
でＣ量を低減でき、Ｃ１０量比を大きくすることで０ｆ
ｆｉを低減できる。　Ｃ１０量比の増減には、原料粉末
のＣ，ｏ量の調整、バインダの除去程度の加減、あるい
は除去後の酸化処理などによって行うことができる。　
さらに、Ｃ１０量の全体レベル（Ｃ景と０量の積に相当
）の低減には、第１段目の焼結τ囲気の変更によって行
い、減圧雰囲気を利用する場合は圧力の低減により、還
元性雰囲気を利用する場合は霊囲気ガスの純度での向上
によって達成できる。

〈実施例〉以下、実施例に従って、本発明の詳細な説明する。

（実施例１）第１表に示す粉末を用意した。　その平均粒径を同表に
付記した。　これらの粉末のそれぞれ１０重量％の熱可
塑性バインダを添加し、加圧ニーダ−によって混練した
のち、粉砕して射出成形用コンパウンドを準備した。　
射出成形機によって、１６０℃、Ｉｔ／ａｍ’で射出成
形し、　　４０Ｘ１０Ｘ５ｍｍの直方体試験片を成形し
た。　また、一部の粉末（第１表中Ｎｏ、　　１〜１１
）については、３重量％の樟脳をアセトン中の溶解し、
乳鉢中でアセトンを乾燥除去しながら混合し、金型成形
用原料をえた。

この原料については、３　ｊ　／　Ｃｍ　２の圧力で４
０Ｘ１０Ｘ５ｍｍの直方体試験片を金型成形した。　射
出成形体は、窒素中、＋５℃／ｈの速度で６００℃まで
昇温の後、３０分保持して、脱脂処理を施した。　金型
成形体は、乾燥水素中、＋５℃／　ｍ　ｉ　ｎの速度で
６００℃まで昇温の後、３０分保持して脱脂処理を施し
た。

各々の成形体に、本発明の第１工程および本発明の第２
工程を施した。　それらの条件を表に付記した。　さら
に、第１工程終了時の密度比および第２工程終了時の密
度比およびＣ１０量を表に付記した。　第１工程終了時
のＣ１０量は、第２工程終了時のＣ，Ｏ量と有意差が無
かった。

密度比は、アルキメデス法による密度と真密度との比で
ある。

以下、第１表によって、本発明と比較例の結果を説明す
る。

まず、ステンレス組成について説明する。

５ＵＳ３１６組成の平均粒径９．５．２４．３５μｍの
粉末を使用して、本発明の第１工程の温度の影Ｖを調べ
た。　平均粒径９．５μｍの粉末を使用した場合、１ｉ
ｏｏ〜１２００℃の範囲（表中Ｎｏ、１−２．１−３．
１−４）においてのみ、Ｃ量を耐蝕性に優れる０、０６
％以下に低減できた。　この範囲外（１−１，１−５）
では、Ｃ量を低減できなかった。　また、１０５０℃（
１−１）では、密度比を９０％以上にすることもできな
かった。　特に、温度が高過ぎる場合（１−５）は、む
しろ、Ｃ量、０量が高くなることは、従来知られていな
かったことである。

同様の傾向は、５Ｕ３３０４組成にもみらね、１１３０
．１１７０℃ではそれぞれ低Ｃ１低０が達成される（２
−１．２−２）が、１３５０℃の従来型の高温焼結（１
−３）では、高Ｃ高０５となってしまう。　また、平均
粒径の大きな粉末を利用する場合（１−１２，１−１３
）、いくら高温を利用しても、平均粒径が３０μｍを越
える（１−１３）と、成形体を閉空孔化することができ
ず、それ以下の粒径（１−１２）においてのみ、第１工
程後の密度比が向上していることから閉空孔化しうるこ
とが判る。　その結果、（１−１３）では加圧による密
度上昇がみられず、（１−１２）では効果的に密度比が
向上した。　また、本発明の第２工程の圧力の影゛響を
調べると、３０気圧未満の加圧（１−１０）では密度向
上の効果が殆どなく、３０気圧（１−９）で初めて有効
であることが判る。　また、１０００気圧の加圧（１−
８）も、経済的ではないが非常に効果的である。　また
、本発明は、射出成形法のみならず、同じ原料粉末を使
用する場合の金型成形（１−１１）でも同社の効果が発
揮できることがわかる。

さらに、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎ　ｉ、Ｆｅ−Ｃｏ組成について
も、本発明は適用でき、低温のα相焼結が期待できるＦ
ｅおよびＦｅ−Ｃｏでは、第１工程の温度が、各々、８
００〜９０Ｄ’Ｃおよび９００〜１２００℃の範囲（３
−１，３−２，６−２，６−：３）で効果的であり、γ
相焼結のみで焼結が進むＦｅ−Ｎｉ組成では、第１工程
の温度が１１２５〜１２００ｔ（４−２，４−３，５−
２，５−３）で効果的でありることが判る。　また、本
発明の範囲をはずれ、第１工程の温度を高くする場合（
３−３，４−４，５−４，６−４）は、ステンレス組成
のように際立った弊害はでないが経済的ではなく、第１
工程の温度が低い場合（３−４，４−１）は高純度化で
きず、第２工程の圧力が低い場合（５−１，６−１）は
密度が向上しないことが明確である。

い焼結体を、経済的に安価に製造することかできる。

〈発明の効果〉

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属焼結材料の製造方法において、（ａ）金属粉末成形体を加熱し、密度を真密度の９０％
以上とする第１の工程、および（ｂ）第１の工程で得られた焼結体を、加熱、加圧する
第２の工程より構成されるものであって、該第２の工程
（ｂ）の加熱温度が、前記第１の工程（ａ）の加熱温度
より５％超高いことを特徴とする加圧焼結法。
（２）前記第１の工程（ａ）の温度範囲が８００〜１３００℃である請求項１に記載の加圧焼結法
。
（３）前記第２の工程（ｂ）の温度範囲が８４０〜１４００℃である請求項１または２に記載の加
圧焼結法。
（４）前記第１の工程（ａ）の少なくとも一部において
、還元性雰囲気を利用する請求項１ないし３のいずれか
に記載の加圧焼結法。
（５）前記還元性雰囲気が水素含有ガスもしくは０．１
Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気である請求項４に記載の加圧
焼結法。
（６）前記第２の工程（ｂ）の加圧が３０〜１５０気圧
の不活性ガスによって行われる請求項１ないし５のいず
れかに記載の加圧焼結法。
（７）前記不活性ガスが窒素もしくはアルゴンまたはそ
れらの混合ガスである請求項６に記載の加圧焼結法。
（８）前記金属粉末成形体が平均粒径３０μｍ以下の粉
末を原料として用いた成形体である請求項１ないし７の
いずれかに記載の加圧焼結法。
（９）前記金属粉末成形体が金属粉末を射出成形し、そ
の後該射出成形体を脱脂処理した脱脂体である請求項１
〜８のいずれかに記載の加圧焼結法。