JPH04176802A - 高密度焼結体の製造方法 - 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１ 本発明は、金属粉末の焼結による焼結体相対密度９８％
以上になる高密度焼結体の製造方法に関する。

１従米の技術及び発明が解決しようとする問題点］従来
、金属材料部品を粉末冶金的手法によって製造すること
は広く一般に行なわれており、そのコスト面でのメリッ
トから使用範囲も広がっている。然し乍ら、一般的に焼
結部品はその内部にボアが残留しているため、溶製材に
比較するとその諸性質が劣る場合が多い。特に、軟磁性
材料の場合には、焼結体相対密度が１００％近傍になら
ないため、磁気特性が溶製材に比べ劣っている。これら
の性質、特性を改善し、溶製材並みにするには、焼結体
内部のボアを無くすこと、即ち、焼結体の密度を溶製材
並みにまで引き上げることが必要であるが、従来の粉末
冶金法では焼結部品の相対密度は高々９２％程度であり
、更に、高密度の焼結体を得るためには、再圧縮する工
程が必要となっている。また、一般的には高密度焼結部
品が得られるとされる金属粉末の射出成形法の場合にも
、その焼結体の内部に多数のボアが存在している。また
、焼結温度を高くしたり、或いは焼結時間を長くした場
合でも、常圧焼結では焼結体の相対密度は９６％以上に
はなり維く、溶製材並みの性質、特性は得られない。

このように焼結体相対密度が９６％以上にならない原因
は、焼結体内部の空隙が孤立化し、閉空孔となった後に
も発生し続けるガスの圧力が、空隙の収縮させようとす
る表面応力より高くなり、空隙の収縮を妨げるためであ
る。これらの発生ガスは、粉末中或いは成形体中に含有
する酸素、炭素、窒素、硫黄のガスやお互いの反応ガス
或いは雰囲気中の水素との反応ガスであり、特に、炭素
と酸素の反応ガスであるＣＯガスの影響が大きい。

これらの間組点を解決する方法として、本発明者らは、
鉄系、ニッケル系焼結体については、粉末にその焼結温
度において安定な炭化物、酸化物、硫化物、窒化物を生
成する元素を添加し、成形し、焼結処理する方法を見出
した。然し乍ら、パーマロイやパーメンジュール等軟磁
気特性が要求されるものについては、炭化物、酸化物等
の析出物が存在すると、保磁力などの磁気特性が下がり
、更に、緻密化させるのに十分な量の炭化物、酸化物等
を生成する元素を添加すると、飽和磁束密度が下がると
いう問題がある。また、本発明者等は、鉄焼結体につい
ては、炭素含有量が０．０１重量％以下の鉄粉末を用い
て、混合粉末を得、成形して、還元処理し、高温で焼結
処理する方法を見出した。然し乍ら、炭素量０．０１重
量％以下の鉄粉末を入手することが困難であり、コスト
が高いという問題がある。

本発明は、このような点も鑑みて成されたものであり、
焼結体の相対密度９８％以上の緻密化された高密度焼結
体を製造する方法を提供することを目的とする。

［間組点を解決するための手段］ 本発明の要旨とするものは、金属粉末を焼結することに
よる焼結体の製造方法において、前記金属粉末として、
鉄、ニッケル、コバルトの中から１種以上を含み、平均
粒径２０μｍ以下の粉末を用いて、所望組成に配合混合
し、得られた混合金属粉末中に含有する酸素量に対する
炭素量の重量比Ｃ／Ｏが、０．６〜１．２になるように
炭素含有量を調整し、得られた混合粉末を成形体に成形
し、得られた成形体を、真空中で加熱し、粉末中に含有
する酸化物と炭素とを反応させ、得られる焼結体中の炭
素量が０．０１重量％以下に且つ酸素量が０．１重量％
以下になるような条件で加熱還元処理した後に、１１０
０℃以上の温度で焼成することを特徴とする相対密度を
９８％以上の焼結体の製造方法である。そして、前記混
合金属粉末に炭素を添加すること、予め炭素含有の合金
粉末を用いること、前記成形体に炭素が残留する樹脂を
添加すること、或いは前記成形体を浸炭雰囲気中で浸炭
することのいずれかにより、前記成形体の炭素量を制御
することが好適に行なわれる。また、焼結体中の炭素量
を０．０１重量％以下で且つ酸素量を０．１重量％以下
になるような前記還元条件は、昇温速度５℃／分以下で
昇温するか、或いは、４００〜１１００℃の範囲の温度
に１時間以上に保持することで好適に行なわれる。

本発明によると、金属粉末として、鉄、ニッケル、コバ
ルトの１種又は２種以上を含み、平均粒径２０μｍ以下
の粉末で、上記の金属粉末中に含まれる酸素量に対する
炭素量の重量比Ｃ／Ｏが、０．６〜１．２になるように
炭素量を調整した粉末原料を成形した成形体を、真空中
で酸化物と炭素を反応させて、得られる焼結体中の炭素
量０．０１重量％以下で且つ酸素量０．１重量％以下に
なるような条件で加熱還元した後、１１００℃以上の温
度で焼結することによる。

鉄、ニッケル、コバルトからなる粉末冶金金属系などの
焼結体が完全に緻密化しない原因は、孤立空隙内に発生
するＣＯガスの圧力のため、即ち、孤立の空隙内のＣ○
ガス圧が、収縮の駆動力である空隙の表面応力より、大
きくなるためである。ＣＯガスの発生を抑制することに
より、この問題が解決できるが、更に、焼結体内の孤立
空隙内部のＣＯガス圧を下げるとともに、最終焼結温度
における空隙の表面圧力を大きくさせること、即ち、焼
結体の内部の空隙サイズを小さくすることにより、解決
した。

まず、粉末として、鉄、ニッケル、コバルトの１種又は
２種以上の金属を含み、平均粒径２０μｍ以下の金属粉
末を用意して、上記金属粉末に含有する酸素量に対する
炭素量の重量比Ｃ／Ｏが、０．６〜１．２となるように
、炭素量を制御した成形体とする。

更に、磁気特性や耐食性等の特性を向上させるため、上
記以外の成分を含むこともできる。

成形体の炭素量の制御方法としては、上記金属粉末に炭
素を添加するか、或いは予め炭素を含有させた合金粉末
を用いるかして、それらを成形する。または、成形体に
炭素が残留するような樹脂を添加するか、或いは、成形
体を浸炭雰囲気で浸炭する方法などが考えられる。こう
して、添加された炭素は焼結の際に、還元処理において
、粉末粒子表面等に酸化物として存在する酸素と反応し
、ＣＯガスとなり、焼結体の開空孔を通って放出される
ため、焼結体中の空隙表面或いは空隙内部に存在する酸
化物を減らすことができる。

そして、焼結処理の途中での還元処理により、焼結体中
の空隙表面或いは空隙内部に存在する酸化物が、減少す
ることによって、酸化物による緻密化の阻害が無くなり
、最終焼結温度に達する前の昇温過程中の焼結の進行が
促進される。更に、昇温過程中の前段、即ち、未だ低温
にあるうちでは、焼結体中の孤立空隙内に生成するＣＯ
ガスの圧力が小さいために、空隙の収縮はあまり妨げら
れず、また、拡散速度が小さく、結晶粒の成長が少ない
ため、オストワルド成長による空隙の凝集・粗大化が起
こり雛いので最終焼成温度である高温にある場合と比べ
て、空隙径が小さくなり易い。また、空隙表面或いは空
隙内部に存在する酸化物は、空隙の収縮によって凝集し
、一体となって粗大化する。従って、空隙の表面或いは
空隙内部に存在する酸化物が減少することにより、空隙
の収縮に伴う酸化物の凝集・粗大化が防止でき、ひいて
は、焼結体中に含有する酸化物粒子径が小さくなること
になる。焼結体内部に酸化物と炭素が存在すると、酸化
物表面において炭素と反応し、空隙となるが、酸化物粒
子径が小さいと、空隙径も小さくなることになる。従っ
て、還元処理により空隙表面或いは空隙内部の酸化物を
減少させることにより空隙径を小さくすることができる
ことが分かる。一方、焼結体中の空隙収縮の駆動力とな
る表面応力は空隙径に反比例する。即ち、空隙径が小さ
くなると空隙の表面応力が大きくなり、最終焼結温度で
ある高温にあっても、焼結体内の孤立空隙内に生成する
ＣＯガス圧より空隙の表面応力が大きければ、空隙は収
縮し、ｃｏガスは固溶炭素、固溶酸素或いは炭化物、酸
化物となり、最終的に空隙が消滅する。

粉末中の酸素と添加される炭素の重量比Ｃ１０は、酸素
と炭素の反応が主に、 Ｃ＋（金属酸化物）＝（金属）＋ＣＯ であることから、０．６〜１．２の範囲が好適である。

その理由は、Ｃ１０が０．６未満では、酸化物が充分還
元できないので、空隙径、酸化物粒子径が大きくなり、
緻密化せず、１．２を超えると、炭素が残留するため、
焼結体内部の孤立空隙内に生成するＣＯガス圧が大きく
なり、緻密化しないためである。

金属粉末の粒径が小さいと焼結体内部の孤立空隙径が小
さいため、用いる金属粉末の平均粒径は、２０μｍ以下
が好適である。

成形方法については、特に限定がないが、平均粒径２０
μｍ以下の金属粉末を用いることから、金属粉末射出成
形法が適する。

焼結の際の還元条件としては、金属粉末中の酸化物と添
加する炭素の反応が充分に起こるように、真空中で酸化
物と炭素を反応させ、焼結体中の炭素量０．０１重量％
以下で且つ酸素量０．１重量％以下となるような条件が
好適である。その理由は、焼結体中の炭素量が０．０１
重量％を超えると焼結体中の炭素の活量が大きくなるた
め、焼結体内の孤立空隙内部に生成するＣＯガス圧が大
きくなり、緻密化を妨げることになり、一方、酸素量が
Ｏ，１重量％を超えると酸化物の還元が不充分であるた
め、前記のように粗大な空隙が生じ、緻密化が妨げられ
るからである。これらは、例えば、焼結体中の空隙が閉
空孔になる前に、４００℃以上１１００℃以下の前処理
温度で、１時間以上保持すること、或いは、５℃／分以
下の十分遅い昇温速度で、昇温すること等により達成す
ることができる。完全に緻密化させるために行なう最終
焼結温度は、拡散速度が大きくなる１１００℃以上が好
適である。還元処理終了後の焼結雰囲気については、真
空、不活性ガス、水素ガス等の還元雰囲気のいずれも用
いることができる。

［作用］ 本発明の製造方法によると、金属粉末として、鉄、ニッ
ケル、コバルトの内の１種以上を用いた、平均粒径２０
μｍ以下の金属混合粉末で、上記金属粉末中に含有され
る酸素量に対する炭素量の重量比Ｃ／Ｏが、０．６〜１
．２となるように、炭素量を調整した成形体を、真空中
で酸化物と炭素を反応させ、焼結体中の炭素量０．０１
重量％以下で且つ酸素量０．１重量％以下になるような
条件で、還元した後、１１００℃以上の温度で焼結処理
するために、焼結体内の空隙表面或いは空隙内部に存在
する酸化物が減少するため、孤立空隙内に生成するＣＯ
ガス圧が低い低温の間に、焼結が進行し、空隙径が小さ
くなり、また、焼結体内部に存在する酸化物粒子の径も
小さくなるので、高温での最終焼結処理温度になると、
焼結体中の孤立空隙内に生成するＣＯガス圧より空隙の
表面応力が大きくなり、空隙の収縮が妨げられることが
ないため、焼結体相対密度９８％以上の焼結体が得られ
る。

本発明の製造方法により、製造される高密度の焼結体は
、特に、軟磁性材料として利用され、溶製材の軟磁性特
性と同等の特性を得るのに都合が良い。

次に、本発明の高密度焼結体の製造方法を具体的に実施
例により説明するが、本発明はそれらによって限定され
るものではない。

［実施例Ｉコ 原料粉末として、平均粒径５μｍのカルボニル鉄の粉末
（酸素量；０．４重量％、炭素量；０．０３重量％）を
用いて、これにカーボンブラックを０．４重量％添加し
、Ｃ１０比を１．０に調整したものをメノウ乳鉢で混合
し、得られた混合粉末を成形した後、１ｘｌＯ−’トー
ル程度の真空中で、７００℃で１時間還元処理した後に
、１４００℃の温度で１時間焼結処理した。

比較例として、炭素を添加しないもの（Ｃ１０＝０．０
８）（比較１）及びカーボンブラックを各々０．２及び
０．５重量％添加したもの（Ｃ１０は各々０．５８及び
１，３３）（比較２及び比較３）についても同様の条件
で焼結処理した。

得られた焼結体各々について、その密度、空隙、残留酸
素量及び炭素量は、第１表に示す。

第１表 本発明　１．００　１００％　なし　０．０５％　０．
００６ｚ比較１　　０．０８　　９４％　あり　０．４
０％　０．００５２比較２　　０．５８　　９６％　あ
り　０．２９％　０．００６２比較３　　１．３３　　
９６％　あり　０．０３％　０．０３１！第１表に示し
た結果から、本発明により得られた高密度焼結体は、空
隙のほとんどない緻密な焼結体であり、比較の例の焼結
体では、９７％以上の焼結体相対密度が得られず、また
焼結体組織でも空隙の存在が認められた。

［実施例２］ 原料粉末として、平均粒径５μｍのカルボニル鉄粉末（
酸素量；０．４重量％、炭素量；０．０３重量％）およ
び平均粒径１０．５μｍのカルボニル・ニッケル粉末（
酸素量ｉ０，１４重量％、炭素量；ｏ、０７重量％）を
用いて、Ｆｅが５０重量％で残りがＮｉである配合にな
るように、混合して、得た混合粉末に、カーボンブラッ
クを０．２重量％添加し、Ｃ１０比を０．９３に調整し
たものをメノウ乳鉢で混合し、混合粉末を成形した後、
１×１０−４ト一ル程度の真空中で、１０００℃で１時
間還元処理した後に、１４００℃の温度で２時間焼結処
理した。

得られた焼結体は、相対密度がほぼ１００％であり、空
隙の無い緻密な焼結体であった。

［実施例３］ 原料粉末として、平均粒径５μｍのカルボニル鉄の粉末
（酸素量；０．４重量％、炭素量；０．０３重量％）お
よび平均粒径１．４μｍの還元コバルト粉末（酸素量；
０，４１重量％、炭素量；０．０１７重量％）を用いて
、Ｆｅが５０重量％で残りがＣｏである配合になるよう
に、混合して、得た混合粉末に、カーボンブランクを０
゜４重量％添加し、Ｃ１０比を１．０５に調整したもの
をメノウ乳鉢で混合し、混合粉末を成形した後、ｌＸｌ
０−’ｌ−−ル程度の真空中で、１０００℃で］時間還
元処理した後に、１４００℃の温度で２時間焼結処理し
た。

得られた焼結体は、相対密度がほぼ１００％であり、空
隙の無い緻密な焼結体であった。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の高密度焼結部品の製造方
法により、次のような顕著な技術的効果が得られた。

第１に、相対密度がほぼ１００％で、空隙の無く、緻密
な焼結体が得られた。

第２に、従って、溶製材の軟磁性特性と同等の特性を有
する焼結体を提供する。

第３に、同時に、情報機器、音響機器関係等の産業の発
展に大きく寄与する。

特許出願人　　住友セメント株式会社 （外１名） 代理人　　弁理士　倉　持　　裕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属粉末を焼結することによる焼結体の製造方法に
   おいて、 前記金属粉末として、鉄、ニッケル、コバルトの中から
   １種以上を含み、平均粒径２０μｍ以下の粉末を用いて
   、所望組成に配合混合し、得られた混合金属粉末中に含
   有する酸素量に対する炭素量の重量比Ｃ／Ｏが、０．６
   〜１．２になるように炭素含有量を調整し、得られた混
   合粉末を成形体に成形し、得られた成形体を、真空中で
   加熱し、粉末中に含有する酸化物と炭素とを反応させ、
   得られる焼結体中の炭素量が０．０１重量％以下に且つ
   酸素量が０．１重量％以下になるような条件で加熱還元
   処理した後に、１１００℃以上の温度で焼成することを
   特徴とする相対密度９８％以上の焼結体の製造方法。 ２、前記混合金属粉末に炭素を添加すること、予め炭素
   含有の合金粉末を用いること、前記成形体に炭素が残留
   する樹脂を添加すること、或いは前記成形体を浸炭雰囲
   気中で浸炭することのいずれかにより、前記成形体の炭
   素量を制御することを特徴とする請求項１に記載の焼結
   体の製造方法。 ３、前記焼結体中の炭素量を０．０１重量％以下で且つ
   酸素量を０．１重量％以下になるような前記還元条件は
   、昇温速度５℃／分以下で昇温するか、或いは、４００
   〜１１００℃の範囲の温度に１時間以上に保持すること
   であることを特徴とする請求項１に記載の焼結体の製造
   方法。