JPH03134102A

JPH03134102A - 焼結添加用粉末および焼結方法

Info

Publication number: JPH03134102A
Application number: JP1269053A
Authority: JP
Inventors: Takuhiko Nishida; 西田　卓彦; Masao Yamamiya; 山宮　昌夫; Susumu Senda; 晋千田; Tatsuo Yamazaki; 達夫山崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1991-06-07

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】産業上の利用分野鉄系焼結製品は、自動車、家電機器、事務器の分野にお
いて、歯車、ナツト、カム、リンクなどとして使用され
ている０本発明は、上記鉄系焼結製品を製造する際に添
加用として使用される粉末、特に高い焼結密度、強度お
よび靭性が要求される鉄系焼結製品を与える焼結添加用
粉末ならびに焼結方法に関するものである。

従来の技術焼結機械部品の大半を占める鉄系焼結製品を製造するに
は、鉄粉に各種の合金元素粉末と潤滑剤を添加し、これ
を混合した後圧縮成形し焼結工程に付す、このようにし
て製造される製品の相対密度は７０〜８０９６で、強度
も溶製材にくらべるとかなり低い、密度と強度を上げる
ために焼結したものをサイジングないしコイニング処理
して再度焼結する方法もあるが、この方法でも相対密度
は８５〜８３９６程度である。

相対密度を１００％近くにする方法として液相焼結法が
利用されることがある。鉄粉に銅粉末を添加して銅の融
点以上で焼結する方法であるが、添加する銅粉末が１０
〜２５重量％と非常に多く、焼結体の脆化が著しい。

また活性化焼結法として少量のＮｉ、　Ｐ、　Ｂを添加
する方法も報告されており、焼結体の密度の向上には有
効であるが、Ｉａ械的性質の劣化を伴うことが多い、そ
れは焼結体の密度の向上をもたらす現象が、同時に焼結
体の結晶粒の粗大化を伴うためである。結晶粒の粗大化
は焼結体の靭性、特に伸びを減少させるため有害である
。

焼結の機構上、密度の上昇と結晶粒の成長粗大化とを独
立に制御することができないため、密度と結晶粒の大き
さのバランスをとるためには添加物の量や焼結条件の厳
密な制御によらなければならなかった・　（Ｒ，Ｍ、Ｇ
ＥＲＭＡＮ：　ＬＩＱＵＩＤ　ＰＨＡＳＥＳＩＮＴＥＲ
ＩＮＧ　、　ＰＬＥＮＵ）Ｉ　ＰＲＥＳＳ、　ＮＥＷ　
ＹＯＲＫ　１９８５　）近年、金属粉末とポリエチレン
、ポリプロピレンなどの有機バインダーとを混練して成
形する射出成形法が開発され、その焼結品の相対密度は
９５〜３８％と報告されているが、このような高密度は
原料の金属粉末の粒度が１１０１Ｌ以下で、かつ活性に
富んだ特殊な粉末を用いたときのみ達成されている。

更に密度を高める方法として、熱間静水圧成形法がある
。しかしこの方法は複雑で高価な装置を用いること、お
よび最終製品の形状が限定され、しかも最終製品を直接
製造することができず、高価な超合金やＴｉ合金などに
応用されているだけで鉄系の粉末には利用されていない
。

このように従来法にはそれぞれ一長一短があり、満足し
うる特性の焼結品を得ることが難しかった。

発明が解決しようとする課題本発明は焼結体の高密度化を図ると同時に、結晶粒の粗
大化を阻止して微細な組織を有する焼結体な得ることを
意図したものであり、Ｆｅ系母粉末を焼結して高機能焼
結体を製造する際の有効な添加用粉末と、新たな焼結添
加用粉末を用いる焼結方法を提供するものである。

課題を解決するための手段本発明に係る焼結添加用合金粉末は、鉄粉、低合金鋼粉
、高合金鋼粉、ステンレス鋼粉などの鉄系粉末と配合し
て焼結製品を製造するための添加用粉末であって、Ｆｅ
　１〜５０重量％、Ｂ３〜２０重量％、残部がＸｉおよ
び不可避不純物からなり、平均粒径が３０μｍ以下のＦ
ｅ−Ｘｌ−８合金粉末１部にたいして、平均粒径が０．
１〜５．ＯＩＬｍであるＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｚｒ
Ｃ、ＨｆＣ（７）炭化物粉末＋７）１種ないし２種以上
を０．０５〜１．５部添加混合した焼結添加用粉末であ
る。

さらに本発明の焼結方法は前記Ｆｅ−Ｘｌ−８合金粉末
を重量テ０．５〜８％、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ１Ｚｒ
Ｃ、ＨｆＣの炭化物粉末のなかの１種ないし２種以上を
重量で０゜３〜３％を鉄系粉末に添加混合して成形後、
１０５０〜１３００℃の温度範囲で加熱することを特徴
とする焼結方法である。

作用本発明の焼結添加用粉末は、焼結工程の加熱時に溶融し
て液相となり、原料となる母粉末間の隙間に毛管現象に
よって浸透して合金の密度を上げるばかりでなく、母粉
末と反応して液相量を増加させ焼結を促進させるＦａ−
）ｌｉ−８合金粉末と、Ｆｅ−旧−Ｂ合金の液相とよく
濡れて、かつ母粉末の結晶粒の成長粗大化を防止する作
用をもつ〒１Ｃ１ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣの炭
化物粉末よりなる。

本発明の焼結添加用粉末を添加される原料の粉末を母粉
末といい、鉄系粉末とは鉄の含有量が５０％をこえる純
鉄、炭素鋼、数％のＣｒ、　Ｎｏ、Ｇｏ、ｖ、Ｗなどを
含む低・高合金鋼、１８％Ｃｒ−８％旧のステンレス鋼
、高速度鋼などの粉末である。

成形法としては、プレス成形や射出成形でよく、また混
合した粉末を型に充填する方法でもよく、成形後、加熱
して焼結する。

本発明のＦｅ−Ｘｌ−８合金粉末においては、Ｆｅの含
有量を１〜５０重量％、好ましくは５〜３０％に設定す
ることが必要である。　Ｆｅが１重量％未満では、焼結
時に発生しだ液相が母粉末の粒子間に浸透した後に大き
な空孔が残って、焼結体の密度の上昇に限界があられれ
るが、Ｆｅが１重量％以上含まれると大きな空孔は残ら
なくなり、密度は　１００％に近ずくようになる。

一方、Ｆｅ含有量が５０％をこえると、合金粉末の融点
が１３００℃をこえるようになり液相の発生が困難にな
る。そのためＦｅ量を１〜５０重量％に限定した。Ｂ量
を３〜２０重量％に限定したのは３％未満および２０％
超では融点が１３００℃以上になるためであり、好まし
い範囲は４〜１５％である。また本発明において上記の
ごと＜Ｆｅ−Ｎｉ−Ｂ合金組成を設定するとともに１合
金粉末の粒度を３０ｇｍ以下とすることが必要である０
粒度が３０μｍをこえると母粉末との混合が不均一とな
り、焼結状態が不均質となって、焼結体の密度および強
度が低下するとともに、寸法変化のばらつきが大きくな
る。

母粉末の緻密化は、同時に結晶粒の成長粗大化を伴うた
め１本発明者らはその機構を根本的に検討した結果、次
の因子が重量な役割を果していることを明らかにした。

すなわち、Ｆａ−Ｘｉ−Ｂ液相と添加物との濡れ性およ
び溶解度である。液相との濡れ性が悪く、液相への溶解
度のない添加物、たとえば、Ａｌ２Ｏ２、ＭｇＯ、５ｉ
０２などの酸化物は結晶成長粗大化の抑制作用が強いが
１合金の密度は全く上がらず、有害である。

液相との濡れ性がよく、溶解度の大きい添加物、たとえ
ば、ＷＣ，ＶＣ，Ｃｒ３Ｃ２などの炭化物は合金の緻密
化には効果が認められるが、結晶粒の成長粗大化を阻止
することができない、したがって、液相との濡れ性がよ
く、溶解度の小さいものが結晶粒の成長粗大化の阻止に
有効で、同時に緻密化にも有効であることがわかった。

この作用のあるものはＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＧ　、　Ｚ
ｒＣ、ＨｆＣである。

濡れ性を定量的に表すものとして接触角を用いると、接
触角が９０°以上を濡れ性が悪く、以下を良いというこ
とができる＊　Ａｌ２Ｏ２は１２０°であり、ＷＣおよ
びＴｉＣは５０６以下である。溶解度の大小には基準が
ないが、１０％以下を小さいとし、４０％以上を大きい
とすると、ＴｉＣは前者であり、ＷＣは後者にぞくする
。

Ｔｉｅ　、　ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣの炭化物
粉末の粒度も重要である０粒度が０．１ｇｍ未満の場合
と５．０　μｍをこえると効果がなくなるため、粒度範
囲を０．１〜５．０　μｍとした。

また、Ｆｅ−旧−Ｂ合金粉末との混合割合としては合金
粉末１部にたいして、０．０５部未満では結晶粒の成長
粗大化の抑制効果がないこと、　１．５部超では密度が
あがらないため、範囲を０．０５〜１．５部とした。

母粉末への添加量としてＦｅ−Ｘｌ−８合金粉末を重量
で０．５〜８％、炭化物の量を重量で０．３〜３．０％
、残部を鉄系母粉末とした。この理由はＦｅ−Ｎｉ−８
合金粉末による緻密化の効果は０．５％未満では現れな
いこと、また８％超では焼結体がとけてしまうためであ
り、炭化物粉末は０．３％未満では結晶粒成長粗大化防
止の効果がないこと、また５％超では緻密化が阻害され
ることによる。

さらに焼結条件として１０５０〜１３００℃としたのは
、　１０５０℃以下では液相が発生しないこと、また１
３００℃以上では焼結体の形がくずれてしまうため特性
が劣化することによる。

実施例つぎに、本発明を実施例により具体的に説明する。

原料粉末どしてアトマイズ鉄粉、低高合金銅粉、ステン
レス鋼粉を用い、これにインゴットを粉砕した作成した
Ｆｅ−Ｘｌ−８合金粉末およびＴｉＣ１丁ａＣなどの炭
化物粉末を、第１表に示す添加量で加えてボールミルに
て１時間混合したのち、３ｔｏｎ／ＣｌＩ２の圧力でプ
レス成形して引張試験片を作成した。また、この混合粉
末にポリエチレンなどを加えて射出成形を行い、さらに
タップ充填にて引張試験片を作成した。これらの試験片
を第１表に示す焼結条件で焼結し、焼結体の密度、強度
、伸びを測定した。これらの測定結果を第１表に示した
。

また１本発明の焼結添加用粉末を添加しない場合、添加
量が少ない、あるいは多い場合、さらに粒度の影響を調
べた比較例も第１表に示した。

本発明は高価で複雑な工程を経ることなく、高密度で強
度と靭性に富み、かつ寸法安定性に優れた焼結体を製造
することができる。

本発明法によって製造される焼結製品は、いずれも従来
の材料に比べて、密度、強度、伸びともにすぐれた特性
を示す０本発明の最大の効果は、少量の焼結添加用粉末
の添加によって、従来の焼結方法よりも、より経済的か
つ迅速に、すぐれた特性の焼結製品を得ることができる
ことである。

従来の方法によれば鉄粉を５〜１０ｔａｎ／ａｍ２の圧
力で成形し、１３００℃で焼結しても比較例１に示すよ
うに、密度は８０％未満であり、強度、伸びともに低く
、成形方向による収縮率の差が大きく現れる。

本発明によれば１〜３　ｔｏｎ／ａｍ２のような低い成
形圧力でも、さらに実施例７に示すように成形圧力をか
けなくとも相対密度を９８％以上にあげることができ、
強度、靭性ともに優れた焼結体を得るとともに金型の摩
擦を最少限にすることができる。

本発明の液相を利用し、結晶粒の成長粗大化を抑制した
焼結方法は、高強度で高靭性の焼結製品の製造に適して
おり、実施例３に示すように引張強度がＩＱＯＫｇ／ｍ
震２で伸びが１０％を上まわる製品は通常の溶解鍛造法
によっても達成が困難な水準である。

（以下余白）発明の効果本発明は高密度で強度と靭性に富み１、かつ寸法安定性
および表面性状に優れた焼結体を製造することができる
。とくに従来の射出成形法では１１０７ｔ以下の特殊な
粉末を用いないと、焼結体の密度が上がらないためにそ
の利用は制限されていたが、本発明によれば通常の粉末
が利用できるためこの分野の大きな発展が期待できる。

上述のように、本発明は経済的にも、焼結製品の特性上
からも画期的なものである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鉄系粉末を配合して焼結製品を製造するための添
加用粉末であって、Ｆｅ１〜５０重量％、Ｂ３〜２０重
量％、残部がＮｉおよび不可避不純物からなり、平均粒
径が３０μｍ以下であるＦｅ−Ｎｉ−Ｂ合金粉末１重量
部にたいして、平均粒径が０．１〜５．０μｍであるＴ
ｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣの炭化物粉末の
１種ないし２種以上を０．０５〜１．５重量部添加混合
した焼結添加用粉末。
（２）Ｆｅ１〜５０重量％、Ｂ３〜２０重量％、残部が
Ｎｉおよび不可避不純物からなり、平均粒径が３０μｍ
以下であるＦｅ−Ｎｉ−Ｂ合金粉末を重量で０．５〜８
％、平均粒径が０．１〜５．０μｍであるＴｉＣ、Ｔａ
Ｃ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣの炭化物粉末の１種ないし
２種以上を重量で０．３〜３％、残部が鉄系の母粉末か
らなる混合粉末を成形後、１０５０〜１３００℃の温度
範囲で加熱することを特徴とする焼結方法。