JPH044362B2

JPH044362B2 -

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Publication number: JPH044362B2
Application number: JP62136934A
Authority: JP
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1992-01-28
Also published as: JPS63297502A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、例えば歯車、軸受部品等各種の焼結
機械部品の製造に使用される、高圧縮性、高強度
の粉末冶金用合金鋼粉及びその製造方法に関す
る。なお、本発明の合金鋼粉は、所望形状に圧縮
成形された後、焼結（合金鋼粉同士の接合）さ
れ、しかる後HIP（熱間静水圧プレス）等で各種
部品に加工される。〔従来の技術〕近年、焼結部品の高強度化への要請がますます
高まつてきており、この要請に対して合金化、高
密度化等の手法により、種々の高強度焼結材が開
発されてきている。上記高強度焼結材を得る手法の１つとして、従
来より純鉄粉を主原料とし、これにNi、Cu、Mo
等の合金用微粉末を混合し、焼結時に合金元素を
固溶させる、いわゆるプレミツクス法が広く行わ
れてきた。しかしながらこのプレミツクス法で
は、プレス成形時に、鉄粉と合金用微粉末が比重
差によつて分離、偏析したり、焼結中に合金粉末
の拡散が十分に得られなかつたりして組織が不均
一化し、その結果強度や寸法のばらつきが生じる
といつた問題点がある。一方、高強度焼結材を得る他の手法として、ア
トマイズ法の発達により、上記Ni、Cu、Mo等の
合金元素をFe中に固溶させた合金鋼粉が製造さ
れるようになり、この合金鋼粉を用いる、いわゆ
るプレアロイ法が提案されている。この方法で
は、組織の不均一化の問題は解消できるようにな
つたが、合金鋼粉の場合、粒子の硬度が高くなる
ため圧縮性が低下し、従つて高密度の焼結材が得
られないため、結果的に十分な強度が得られない
という問題が生じる。そこで上記問題点を解消して高密度、高強度の
焼結材料を得る他の手法として、従来、例えば特
公昭45−9649号公報に提案されているように、純
鉄粉にNi、Cu、Mo等の如き単体元素の微粉末を
部分的に拡散付着（デイフユージヨンボンデイン
グ）させた、いわゆる部分拡散合金鋼粉がある
（第２図参照）。この公報記載の方法による鋼粉
は、圧縮性は純鉄粉に近く、かつ高い強度を有し
ている。なお、高密度、高強度焼結材料の製造方法に
は、他に再圧縮、再焼結法や焼結鍛造等もある
が、これらの方法は製造工程が複雑となり、管理
工程が増加するため製造コストの上昇が避けられ
ない。〔発明が解決しようとする問題点〕しかしながら上記公報記載の手法では、合金用
元素の融点が高く、また鉄粉中への拡散速度が遅
いことから、十分に拡散させるためには高温で長
時間の焼結が必要となり、コスト高となる問題点
がある。本発明は上記従来の問題点を解決するためにな
されたもので、圧縮性に優れ、合金元素の拡散性
が高く、高強度の粉末冶金用合金鋼粉及びその製
造方法を提供することを目的としている。〔問題点を解決するための手段〕本願の第１発明は、Ｃ：0.01％以下、Si：0.02
％以下、Mn：0.10％以下、Ｐ：0.010％以下、
Ｓ：0.010％以下、Ｏ：0.15％以下で残部Fe及び
不可避的不純物からなる高純度純鉄粉に、Ni、
Cu、Moのうち２種類以上の元素を予め合金化し
た合金微粉末を拡散付着（デイフユージヨンボン
デイング）させたことを特徴とする粉末冶金用高
強度合金鋼粉である。即ち、本発明における合金鋼粉は、第１図に示
すように、純鉄粉にNi−Cu粉末、Ni−Mo粉末、
Cu−MO粉末、あるいはNi−Cu−Mo粉末等のい
ずれかが拡散付着しているものである。ここで拡
散付着（デイフユージヨンボンデイング）とは上
記合金微粉末が完全に固溶しているのではなく、
該合金粉末の例えばCu成分が鉄粉中に拡散し、
両者の界面では一部が合金化し、この状態で付着
していることをいう。なお、本発明の合金鋼粉
は、第１図に示すようにNi、Cu、Mo等の単体元
素粉末が一部に付着している場合も含むものであ
り、要は純鉄粉に、合金元素の単体粉末より拡散
性を向上できる予め合金化された微粉末が実質的
に付着しておればよい。また、本願の第２発明は、Ｃ：0.01％以下、
Si：0.02％以下、Mn：0.10％以下、Ｐ：0.010％
以下、Ｓ：0.010％以下、Ｏ：0.15％以下で残部
Fe及び不可避的不純物からなる高純度純鉄粉に、
Ni、Cu、Moのうち２種類以上の元素を予め合金
化した合金微粉末とを有機溶媒中にて湿式混合
し、しかる後該混合粉を還元性雰囲気中にて750
℃を越え、かつ1000℃未満の温度にて還元焼鈍
し、上記純鉄粉に上記合金微粉末を拡散付着（デ
イフユージヨンボンデイング）させることを特徴
とする粉末冶金用高強度合金鋼粉の製造方法であ
る。ここで本願発明における各構成要件の限定理由
について説明する。 (1) 母粉である純鉄粉の組成を、Ｃ：0.01％以
下、Si：0.02％以下、Mn：0.10％以下、Ｐ：
0.010％以下、Ｓ：0.010％以下、Ｏ：0.15％以
下で残部Fe及び不可避的不純物からなる、と
して許容限界を定めたのは、優れた圧縮性を確
保するためである。 Si、Mn：純鉄粉の製造過程において溶鋼の脱
酸を行うために、少量のSiあるいはMnを添
加するが、これらのＯとの親和力の強い元素
は、水アトマイズ時に酸化され、酸化介在物
となつて鉄粉中に残存して圧縮性を阻害す
る。従つてMn、Siの添加量が多くなると酸
化介在物も多くなり、次の還元工程において
もこれらの酸化介在物は還元されずに残存し
て圧縮性を低下させることから、Siは0.02％
以下、Mnは0.10％以下と極力少なくするこ
とが望ましい。Ｐ、Ｓ：溶鋼の精錬時にＰ、Ｓが残存すると鉄
粉粒子を硬化させ、圧縮性を低下させる。そ
してこのＰ、Ｓが多いと、還元処理後におい
ても粒子が軟らかくならない。この鉄粉粒子
の硬化を防止するため、Ｐ、Ｓ共に0.010％
以下とした。Ｃ、Ｏ：このＣ、Ｏについては還元雰囲気中で
加熱する還元工程において、脱炭、脱酸反応
により低減することが可能であるが、還元後
の鉄粉中にＣが多量残存すると圧縮性は著し
く低下させることから、Ｃは0.01％以下とし
た。またＯが多いと圧縮性を低下させるだけ
でなく、通常の粉末冶金法において混合使用
される黒鉛粉の歩留を低下させ、さらに組織
のばらつきの原因にもなることから、Ｏは
0.15％以下とした。 (2) Ni、Cu、Moの２種類以上の元素からなる予
め合金化された合金微粉末を使用するようにし
たのは、該合金微粉末とすることによりMo、
Ni単体粉末より融点を低下させ、これにより
鉄粉への拡散性を改善し、強度を向上させるた
めである。即ち、Niは靭性、焼入性を改善する効果が
あり、Moは焼入性を高め、焼入、焼戻し処理
時の軟化を防止する。またCuは焼結体の強度
あるいは硬度を向上させる効果がある。従つて
これらの合金微粉末を鉄粉と混合使用すること
により、上記合金元素が鉄粉中に拡散固溶され
た場合、焼結材、あるいは熱処理材の強度を著
しく向上できる。しかしながら上記Ni、Moの如き合金用単体
元素は融点が高く、また鉄粉中への拡散速度が
遅く、長時間の焼結処理が必要となる。また
Ni、Cu、Moをそれぞれ単体元素粉末のまま使
用した場合、それぞれの元素粉末が同じ場所に
存在する場合と、ある元素粉末だけが存在する
場合とがある確率で発生し、組織的に不均一と
なる。そこで本発明では、Ni、Cu、Moの内２種類
以上の元素を予め合金化した合金微粉末、例え
ばNi−Mo粉末、Ni−Cu粉末、Cu−Mo粉末、
Ni−Cu−Mo粉末を使用するようにしたもので
あり、この合金化された粉末はNi、Mo単体の
場合より融点を低下させることとなり、拡散性
を向上できる（実施例２参照）。ここで本発明で使用される合金粉末の成分
は、特に限定されるものではないが、以下の組
成が好ましい。 Ni−Mo系：第３図に示すように、Ni−Mo系
にあつては、50％Mo近傍に共晶点があり、
Moの高融点をNi−Mo合金粉とすることに
より低下させることができ、これにより鉄粉
中への拡散性、つまり合金化を容易化でき
る。しかしMoが50％以上になると液相温度
が急激に高くなることから、Mo含有量が50
％以上になると、この融点低下効果はほとん
どなくなり、従つてMoは50％以下にするの
が望ましい。 Ni−Cu系：第４図に示すように、Ni−Cu系に
あつては、全率固溶型の合金粉末が得られ、
Cu％が増加するに従つて融点を下げること
ができ、これにより焼結時の鉄粉中への合金
化を容易化できる。しかしながらCuが40％
以上になると焼結後の寸法が膨張するため、
実用性の点で効果がなくなる。従つてCuは
40％以下とすることが望ましい（実施例３参
照）。 Cu−MO系：第６図に示すように、Cu−Mo系
にあつては、固溶体を作らないが共晶線は
Cu、Moそれぞれが単体の状態よりも若干低
下する。またCuの液相に溶解したMOの焼結
時の鉄粉中への合金拡散化が促進されるた
め、Mo単体の場合に比べ焼結材の強度を向
上できる。 Ni−Cu−Mo系：この合金粉末においては、上
述の点から、Moは50％以下、Cuは40％以下
の組成にするのが望ましく、これにより融点
を低下させ、焼結時の鉄粉中への拡散を容易
化して焼結材の強度を向上できる。なお、本発明に使用される合金微粉末の粒度
については、特に限定されるものではないが、
最大粒径が44μｍで、平均粒径が15μｍ以下程
度が望ましい。これは平均粒径が20μｍ以上に
なると焼結時の合金粉末の鉄粉中への合金化が
悪化し、均一な組織が得られなくなり、強度、
硬度等のばらつきを生じ易いからである。 (4) 純鉄粉と合金粉とを有機溶媒中での湿式混合
するようにしたのは、純鉄粉末の表面に合金粉
末を均一かつ十分に付着させるためである。付
着が不均一、不十分であると、不均一な組織と
なり、強度、硬度、さらには寸法のばらつきを
生じる結果となる。金属粉末の混合には、乾式混合法、例えば混
合しようとする金属粉末を、一対の円錐型コー
ンの底面同士を接続してなるダブルコーン型混
合機内に装入し、該コーンを水平軸回りに回転
させるようにした混合法があるが、この方法で
は各金属粉の比重差により層状に分離され易
く、均一に混合するのは困難である。これに対して、本発明では、例えばエチルア
ルコール等の有機溶媒に合金粉末を分散させた
ものと、母粉の純鉄粉末とを混合撹拌する湿式
混合法を採用したので、純鉄粉末に合金粉末が
均一に分散され、かつ各粉末の表面に形成され
た溶媒の薄膜の濡れ性により、上記均一に分散
された状態で付着する。このとき上記乾式混合
法による場合のような、比重差で各粉末が分離
することもない。その結果次の還元工程での拡
散付着が均一かつ充分に行われ、焼結体強度が
向上する（実施例１参照）。ここで本発明の湿式混合法を工業化した場
合、混合後次の還元工程までにある程度時間が
経過し、上記溶媒が蒸発してしまう恐れがある
から、上記付着状態を保持するため、上記有機
溶媒中にレジン等の結合剤を添加しておくこと
が望ましい。 (5) 還元焼鈍温度を750℃を越え、かつ1000℃未
満の温度としたのは、以下の理由による。上記温度が750℃より低い場合は、還元ケー
キが固くならないため見掛け密度の高いものが
得られ、成形体密度も優れているが、焼結強度
が若干低くなる。これは処理温度が低いため合
金粉末の拡散付着（合金化）が少ないためと思
われる。一方、1000℃より高くなると、成形体
密度が低くなる。これは合金元素の鉄粉中への
拡散固溶が進み、鉄粉粒子が固くなり、圧縮性
が低下するためであると考えられる（実施例４
参照）。〔作用〕本願の第１発明に係る粉末冶金用高強度鋼粉に
よれば、高純度純鉄粉に拡散付着させる強化用粉
末としてNi、Cu、Moのうち２種以上の元素を予
め合金化してなる合金微粉末を採用したので、合
金微粉末の融点が合金元素単体の微粉末より低い
ことから、鉄粉への拡散、即ち合金化が容易確実
に行われる。本願の第２発明に係る粉末治金用高強度鋼粉の
製造方法によれば、上記高純度純鉄粉に上記合金
粉を湿式混合法で混合し、しかる後所定温度範囲
で還元焼鈍するようにしたので、乾式の場合の如
き混合粉が比重差により分離してしまうことはな
く、鉄粉に合金粉が均一に付着し、還元焼鈍時の
上記拡散付着が均一かつ充分に行われる。〔実施例〕以下、本発明の実施例を説明する。実施例１本実施例はNi−Mo合金粉末を使用して本願発
明方法による湿式混合法の効果を確認するととも
に、好適の平均粒子範囲を検討するためのもので
ある。 (1) まず、超高圧水アトマイズ法によつてえられ
たbal・Ni−11％Mo合金微粉末を篩分して平
均粒子径がそれぞれ11μｍ、18μｍ、26μｍの３
種の合金微粉末を得た。これらの各合金微粉末
4.5％を、0.5％のレジンをエチルアルコール溶
液に溶かした有機結合剤に分散させ、これを上
述の組成（Ｃ：0.01％以下、Si：0.02％以下、
Mn：0.10％以下、Ｐ：0.010％以下、Ｓ：0.010
％以下、Ｏ：0.15％以下で残部Fe及び不可避的
不純物）の純鉄粉と混合し、高速ミキサーにて
十分に撹拌混合した後、乾燥させた。この後
AXガス雰囲気中で900℃×30分間還元焼鈍処
理を行ない、解粒し、見掛密度、流動度を測定
した。一方、比較のために上記と同一組成、粒径の
各合金粉と純鉄粉とを乾式法によつて混合し、
上記と同一条件で熱処理、解粒を行つた。上記によつて得られた鋼粉の化学成分、見掛
密度、流動度を第１表に示す。この表からも明
らかなように、本発明方法に従つた鋼粉Ａ−１
〜Ａ−３に比較して比較例鋼粉Ｂ−１〜Ｂ−３
は、Ni含有量が若干少なくなつている。この
ことから本発明方法は、合金粉末の鉄粉への拡
散付着性に優れていることが確認される。 (2) 上記解粒した各鋼粉に、さらに黒鉛粉末0.6
％と、潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛粉末
0.75％を添加した後、Ｖ型混合機により30分間
混合し、この混合粉末を金型を用いて6ton／cm²
の圧力で成形して10Φ×55lの成形体を得、し
かる後それぞれの圧粉体密度を測定した。 (3) 上記圧粉成形体をアンモニア分解ガス雰囲気
中で1120℃×30分間焼結処理し、次いでこの焼
結体から平行部6Φの引張試験片を形成し、こ
れの引張強度を測定した。上記圧粉体密度、引張強度の結果を第２表に示
す。この表から明らかなように、上記圧粉体密度
については、混合方法及び平均粒子径による差異
はほとんどない。一方、引張強度については、本
発明方法による混合法で得られた焼結体の強度は
比較例と比べて優れている。また、平均粒子径が
26μｍの場合は引張強度が著しく低下しており、
従つて、合金粉末の平均粒子径は20μｍ程度以下
とすることが望ましい。実施例２本実施例はNi−Mo合金粉末及びCu粉末を使用
して、本願発明の、鉄粉に予め合金化された微粉
末を付着させる点の効果を確認するためのもので
ある。 (1) 先ず、上記実施例１と同一の純鉄粉と、
Mo11％を含有するNi−Mo合金微粉末（平均
粒子径11μｍ）4.5％及び−44μｍのCu粉末1.5％
とを上記実施例１と同様に、湿式混合法で混合
し、還元処理し、解粒した。

【表】

【表】一方、比較のためにNi粉末（１〜10μｍ
INCOのカーボニルNi粉）、Mo粉末、Cu粉末
をそれぞれ単体で同様の湿式混合法により混合
し、還元焼鈍処理を行い、解粒した。 (2) 上記解粒した各鋼粉を上記実施例１と同様の
条件で圧縮成形して圧粉体密度を測定し、しか
る後、焼結処理してその引張強度を測定した。上記解粒された鋼粉の化学成分、圧粉体密度、
引張強度の測定結果を第３表に示す。この表から
も明らかなように、圧縮性については比較例と略
同様の良好な成形体密度が得られており、また、
引張強度については、合金用粉末として各元素単
体で混合した比較例に比べて、約３Kg／mm²高くな
つている。実施例３本実施例は本発明の合金粉末としてNi−Cu系
粉末を採用した場合のCuの好適な含有量範囲を
見出すためのものである。 (1) 先ず、上記実施例１と同一の純鉄粉と、
Cu28％を含むNi−Cuの微粉末（平均粒子径10

【表】 μｍ）5.5％及び−44μｍのMo酸化物粉末0.5
％とを実施例１と同様の湿式混合法で混合し、
還元焼鈍処理を行ない、解粒した。また、比較
のためにカーボニルNi粉（１〜10μｍ）、Mo酸
化物粉末（１〜10μｍ）、Cu粉末をそれぞれ単
体で同様に湿式混合し、乾燥させた後AXガス
雰囲気中で850×30分間還元焼鈍処理を行い、
解粒した。 (2) さらにCuを40％、50％、70％含むNi−Cu合
金微粉末5.5％及び−44μｍのMo酸化物粉末0.5
％と純鉄粉とを実施例１と同様の湿式混合法で
混合し、還元焼鈍処理を行ない、解粒した。こ
の解粒粉および(1)の解粒粉をそれぞれ実施例１
と同様の条件で圧縮成形し、焼結した後、引張
強度、寸法変化率を測定した。第４表は上記Cu含有量28％の場合の解粒によ
つて得た鋼粉の成分、成形体密度、焼結体密度、
引張強度を示す。この表からも明らかなように、
合金微粉末を使用した場合（本発明Ｅ）は、単体
微粉末を使用した場合（比較例Ｆ）に比べて、
Ni量が多いことから拡散付着性に優れ、また引
張強度が向上していることがわかる。第５表は上記Cu含有量が異なる場合の焼結体
の寸法変化率を示し、この表からも明らかなよう
に、Cu含有量が50％を越えると、焼結体は膨張
しており、また焼結体密度も低下している。従つ
て実用的には、Ni−Cu系合金微粉末においては、
Cu含有量は40％程度以下が望ましい。また、第５図は上記Ni−Cu合金粉末を使用し
た場合の合金鋼粉の粒子構造を示し、第５図ａは
SEM（走査電子顕微鏡）による走査像写真を示
し、第５図ｂ，ｃはそれぞれEPMA（Ｘ線マイク
ロアナライザ）によるNi、Cuの特性Ｘ線像写真
を示す。この写真からも明らかなように、第５図
ｂにおいて、Niが存在する位置（白色部と第５
図ｃの同一位置（白色部）にCuが存在しており、
このことから合金化が進行していることが理解で
きる。実施例４本実施例はNi−Cu−Mo合金粉末を使用した場
合の還元焼鈍温度の好適な範囲を説明するた

【表】

【表】めのものである。 (1) 先ず、Cuを25％、Moを８％含むNi−Cu−
Mo系合金粉末（平均粒子径12μｍ）6.0％と上
記実施例１と同様の純鉄粉とを湿式混合し、ま
た、比較のためにカーボニルNi粉、Cu粉末、
Mo酸化粉末をそれぞれ単体粉末でもつて湿式
混合した。 (2) そして上記各混合粉末を乾燥後、AXガス雰
囲気中で、750、850、950、1000℃×30分間の
４種の還元焼鈍を行い、これを解粒して見掛け
密度を測定した。 (3) さらに、上記解粒粉を実施例１と同様の条件
で圧縮成形して成形体密度を測定するととも
に、焼結した後、焼結体密度、引張強度を測定
した。第６表は上記各測定結果を示す。この表からも
明らかなように、焼結体強度については、本実施
例においても合金粉末を使用した場合（Ｊ−１〜
Ｊ−４）は単体粉末を使用した場合（Ｋ−１〜Ｋ
−４）よりもその引張強度が向上している。ま
た、還元焼鈍温度については、750℃の場合は、
還元

【表】ケーキがそれほど固くならないことから、見掛け
密度の高いものが得られ、成形体密度も優れてい
るが、焼結体強度が若干低下している。これは合
金微粉末の拡散付着が少ないためと考えられる。
一方、1000℃を越えると成形体密度、焼結体密度
が低下している。これは合金元素の鉄粉への拡散
固溶が進み、鉄粉粒子が固くなり圧縮性が低下す
るためと考えられる。従つて、還元焼鈍温度は
750℃を越え、かつ1000℃未満、さらに好ましく
は800〜900℃程度が望ましい。実施例５本実施例は本発明の合金粉末としてCu−Mo粉
末を採用した場合の効果を確認するためのもので
ある。 (1) 先ず、上記実施例１と同一の純鉄粉と、
Cu75％を含むCu−Mo微粉末（平均粒子径12μ
ｍ）2.0％及びカーボニルNi粉（１〜10μｍ）
を実施例１と同様の湿式混合法で混合し、還元
焼鈍処理を行い解粒した。 (2) また、比較のためにカーボニルNi粉（１〜
10μｍ）、Mo酸化粉末（１〜10μｍ）、Cu粉末を
それぞれ単体で同様に湿式混合し、乾燥させた
後AXガス雰囲気中で850℃×30分間還元焼鈍
処理を行い解粒した。 (3) これらの解粒粉をそれぞれ実施例１と同様の
条件で圧縮成形し、焼結した後、引張強さ、寸
法変化率を測定した。

〔発明の効果〕

以上のように、本願の第１発明に係る粉末冶金
用高強度鋼粉によれば、高純度純鉄粉に拡散付着
させる粉末としてNi、Cu、Moのうち２種以上の
元素を予め合金化してなる合金粉末を採用したの
で、合金微粉末の融点が合金元素単体の微粉末よ
り低いことから、鉄粉への拡散、即ち合金化を容
易化でき、圧縮性を向上できるとともに、焼結体
強度を大きく向上できる効果がある。また、本願の第２発明に係る粉末冶金用高強度
鋼粉の製造方法によれば、上記高純度純鉄粉に上
記合金粉を湿式混合するようにしたので、乾式の
場合の如き混合粉が比重差により分離してしまう
ことはなく、鉄粉への合金粉の均一付着を実現で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高強度合金鋼粉において鉄粉
に合金粉が拡散付着している状態を示す模式図、
第２図は従来の付着状態を示す模式図、第３図、
第４図、第６図はそれぞれ本発明の成立過程を説
明するためのMo−Ni状態図、Cu−Ni状態図、
Cu−Mo状態図、第５図ａ，ｂ，ｃは本発明の合
金鋼粉の粒子構造を示す顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.01重量％（以下単に％と記す）以下、
Si：0.02％以下、Mn：0.10％以下、Ｐ：0.010％
以下、Ｓ：0.010％以下、Ｏ：0.15％以下で残部
Fe及び不可避的不純物からなる高純度純鉄粉に、
Ni、Cu、Moのうち２種類以上の元素を予め合金
化した合金微粉末を拡散付着（デイフユージヨン
ボンデイング）させたことを特徴とする粉末冶金
用高強度合金鋼粉。２Ｃ：0.01％以下、Si：0.02％以下、Mn：0.10
％以下、Ｐ：0.010％以下、Ｓ：0.010％以下、
Ｏ：0.15％以下で残部Fe及び不可避的不純物から
なる高純度純鉄粉と、Ni、Cu、Moのうち２種類
以上の元素を予め合金化した合金微粉末とを有機
溶媒中にて湿式混合し、しかる後該混合粉を還元
性雰囲気中にて750℃を越え、かつ1000℃未満の
温度にて還元焼鈍し、上記純鉄粉に上記合金微粉
末を拡散付着（デイフユージヨンボンデイング）
させることを特徴とする粉末冶金用高強度合金鋼
粉の製造方法。