JPH06228603A

JPH06228603A - 焼結金属用原料鉄粉およびその製造方法

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Publication number: JPH06228603A
Application number: JP5014003A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Obara; 康司小原; Norizo Kawahara; 業三川原
Original assignee: IWATE SEITETSU KK
Current assignee: IWATE SEITETSU KK
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-08-16

Abstract

(57)【要約】【目的】成形用鉄粉として適した高炭素含有鉄粉を得
ること。【構成】水またはガスを用いたアトマイズ法および／
または粉砕法によって造られた10. 〜4.5 wt％のＣを含
む高炭素含有鉄粉であって、これを熱処理して得られ
る、組織が黒鉛とフェライト, パーライトもしくは球状
化セメンタイトのいずれか１種以上とからなる焼結金属
用原料鉄粉、および粉砕粉を 850℃以上に加熱し、その
温度に10分間以上保持した後、徐冷, 急冷, セメンタイ
ト球状化処理を施すことを特徴とする焼結金属用原料鉄
粉の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焼結金属用原料鉄粉お
よびその製造方法に関し、特にその成分として、炭素含
有量が多く、他に珪素、マンガン等を含む成形用鉄粉末
とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄系焼結金属の製造に当たって、製品の
機械的性質（主として引張り強度）を高めるためには、
製品中の炭素含有量を 0.5〜0.8 ％程度とすることが必
要であり、そのために、従来は単に純鉄の粉と黒鉛粉と
を混合する方法がとられてきた。ところが、この従来方
法では、混合する黒鉛の粉末があたりに飛散して作業環
境を悪化させる他、黒鉛粉の比重と鉄粉の比重との差が
大きいことに起因して均一な混合ができず、黒鉛粉の偏
在による製品組成の不均一が発生するという問題があっ
た。このような問題に対しては、従来、純鉄粉に樹脂を
付着させ、さらに、その樹脂表面に黒鉛を付着させる方
法で対処していた。

【０００３】また、鉄鋼材料の場合、SiやMnなどが鉄母
相中に固溶して鉄基地の強度を改善する効果があること
はよく知られているが、焼結金属の場合、この鉄合金粉
を製造する際にこれらの元素を添加すると酸化するので
原料鉄粉としてふさわしくないという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した各従来技術に
ついて、単に純鉄粉と黒鉛粉とを混合するだけの従来方
法では、上述したように作業環境の悪化や炭素の偏在の
問題のみならず、焼結過程で鉄中への炭素の拡散が不十
分で、製品中に粗大な黒鉛が残存して製品の性質を著し
く悪化させるという問題があった。しかも、黒鉛粉から
炭素が鉄中に拡散していくため、黒鉛の存在していた跡
が空孔（ポア）となって製品の性質を劣化させるので、
黒鉛以外のもので炭素を供給する方法の開発が望まれて
いる。また、前述の黒鉛の偏在を防ぐために、純鉄粉粒
子の表面に樹脂を付着させ、その樹脂表面に黒鉛粉を付
着させる従来方法は、工程が増えてコストが高いものと
なる。

【０００５】これに対し、上述した問題がない鉄粉とし
ては、純鉄粉ではなく炭素含有鉄粉の使用が考えられ
る。このような鉄粉を製造する方法としては、水または
ガスを噴射しその中に炭素含有溶鉄を落下させ、および
／または回転円板上にこの溶鉄を落下させることにより
鉄粉を製造し、この鉄粉を篩分け（ただし、粗粒は再溶
解または粉砕）する方法、前記の溶鉄を急冷用金型に流
し込んで冷硬化させたものを粉砕する方法、または、徐
冷した鉄塊を切削して、その削り粉を粉砕する方法など
が知られている。

【０００６】ところが、これらの方法は、それが高炭素
溶鉄の場合、セメンタイトを生成するため、硬質となっ
て成形用として使用できない鉄粉となる。また、徐冷し
た鉄塊の切削粉には多くの初晶あるいは共晶黒鉛が存在
しているため、取扱い中に黒鉛が分離、飛散して環境を
汚染する他、黒鉛形状も大きく粗大粒子を含む焼結金属
となって、靱性の小さい材料となる。

【０００７】このように、既知の炭素含有鉄粉について
も種々の問題があり、とくにセメンタイトが生成して硬
化することの弊害を如何にして克服するかが課題とな
る。本発明の目的は、炭素含有鉄粉の抱えている上述し
た問題点、すなわち、主として硬質で成形用鉄粉として
適しないという問題を克服することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記課題を
解決するため、Ｃ、Si、Mn等を含む高炭素含有鉄粉を軟
化焼鈍して用いる方法に着目し、以下に述べるような本
発明を完成した。すなわち、本発明は、 (1) 水またはガスを用いたアトマイズ法および／または
粉砕法によって造られた1.0 〜4.5 wt％のＣを含む高炭
素含有鉄粉であって、これを熱処理して得られる、組織
が黒鉛とフェライト, パーライトもしくは球状化セメン
タイトのいずれか１種以上とからなる焼結金属用原料鉄
粉。 (2) 主たる成分組成として、Ｃ：1.01〜 4.5wt％、Si：
0.5％〜2.5 wt％、Mn≦1.0 wt％を含み、さらに炭化物
安定化元素のCr：0.20wt％、Ti：0.20wt％以下含有し、
残部が主としてFeであるアトマイズおよび／または粉砕
して得られた鉄粉を、 850℃以上に加熱し、その温度に
10分間以上保持した後、徐冷して鉄粉粒子の組織を黒鉛
とフェライトとしたことを特徴とする焼結金属用原料鉄
粉の製造方法。 (3) 主たる成分組成として、Ｃ：1.01〜 4.5wt％、Si：
0.5％〜2.5 wt％、Mn≦1.0 wt％を含み、さらに炭化物
安定化元素のCr：0.20wt％、Ti：0.20wt％以下含有し、
残部が主としてFeであるアトマイズおよび／または粉砕
して得られた鉄粉を、 850℃以上に加熱し、その温度に
10分間以上保持した後、徐冷して、鉄粉粒子の組織を黒
鉛とパーライトおよびフェライトとが共存する組織とし
たことを特徴とする焼結金属用原料鉄粉の製造方法。 (4) 主たる成分組成として、Ｃ：1.01〜 4.5wt％、Si：
0.5％〜2.5 wt％、Mn≦1.0 wt％を含み、さらに炭化物
安定化元素のCr：0.20wt％、Ti：0.20wt％以下含有し、
残部が主としてFeであるアトマイズおよび／または粉砕
して得られた鉄粉を、 850℃以上に加熱し、その温度に
10分間以上保持した後、急冷して、鉄粉粒子の組織を黒
鉛とパーライトとフェライトとが共存する組織としたこ
とを特徴とする焼結金属用原料鉄粉の製造方法。 (5) 主たる成分組成として、Ｃ：1.01〜 4.5wt％、Si：
0.5％〜2.5 wt％、Mn≦1.0 wt％を含み、さらに炭化物
安定化元素のCr：0.20wt％、Ti：0.20wt％以下含有し、
残部が主としてFeであるアトマイズおよび／または粉砕
して得られた鉄粉を、 850℃以上に加熱し、その温度に
10分間以上保持した後、セメンタイト球状化処理を行っ
て鉄粉粒子の組織を黒鉛と球状セメンタイトとパーライ
トとが共存する組織としたことを特徴とする焼結金属用
原料鉄粉の製造方法。 (6) なお、上記(1) 〜(5) に従って製造される各鉄粉の
粒度分布は、重量％で 100μｍ以上＜30 wt％ 100〜 70 μｍ 20 〜 60 wt％ 70〜 30 μｍ 30 〜 50 wt％ 30 μｍ以下 30 〜 40 wt％であることが望ましい。

【０００９】そして、このような各方法によれば、たと
えば、ごく一般的な商品である銑鉄を用いて鉄粉を造
り、これを軟化焼鈍して成形性の良い焼結用鉄粉にする
ことができるもので、極めて容易に高強度焼結金属を製
造することができる。

【００１０】

【作用】一般に、Fe中のＣは、その含有量、共存元素の
有無、加熱温度、冷却速度などによってFeとの化合物を
生成したり、フリーＣとなってFe中に晶出および／また
は析出する。もし、Fe中にＣを４％以上含有する溶鉄を
急冷すれば、ＣはFeとの化合物（セメンタイト）とな
り、初晶セメンタイトが晶出する。また、このＣ含有量
が２％〜４％の場合でも、上記セメンタイトが共晶セメ
ンタイトとなって晶出する。したがって、Ｃを２％以上
含むFeを急冷すると、必ずセメンタイトが生成する。こ
のセメンタイトは、硬くて脆い性質のものであるから、
このセメンタイトを含む鉄粉は成形用には全く不向きで
あり、使用できない。

【００１１】一方、上記セメンタイトは、これをFeの変
態点以上の温度に加熱し、徐冷すれば化合物が分解して
FeとＣとに分離する。また、初晶セメンタイトあるいは
共晶セメンタイトを生成しなかった残留Ｃは、薄い板状
のセメンタイトを生成し地鉄（フェライト）と交互に層
状に重なり合ったパーライトを生成する。このパーライ
トは、生成時の冷却条件、含有元素の種類と量とによっ
て、密な層状となったり、粗な層状となったりする。密
なパーライトは硬く、粗なパーライトはやわらかい性質
のものである。そして、このパーライトも変態点以上に
加熱徐冷すれば、パーライト中のセメンタイトは分解し
て炭素とフェライトとなる。フェライトは極めて軟らか
く成形性に問題はない。以上説明したように、セメンタ
イトは熱処理によって分解し、軟質のフェライト, パー
ライトと黒鉛に分解するが、析出する黒鉛の性状は、Fe
中に含まれる元素、特にSiの含有量によって変化する。

【００１２】次に、本発明にかかる原料鉄粉のＣ以外の
成分組成が上記のように限定される理由について説明す
る。Ｃ： 1.0〜4.5 wt％Ｃの含有量が１wt％未満の場合、共析反応によって生ず
る板状セメンタイト（パーライト）の生成が少なく成形
性にあまり影響を及ぼさないが、上述した熱処理は不要
である。従って、本発明で対象となるＣ含有量は、１wt
％超にすることが必要であり、また、一般銑鉄のＣ含有
量の最大値が 4.5wt％程度であることから、本発明のＣ
含有量を1.0 〜4.5 wt％に限定した。

【００１３】Si： 0.5〜2.5 wt％ Siは、セメンタイトの分解を促進する作用があるが、こ
のSi含有量が多い場合には、黒鉛が粉体粒子の表面に多
量に析出し、焼結時の粉体の接合を著しく阻害する。一
方、含有Si量が少ない場合には、セメンタイトが分解し
なかったり、粒界に網の目状に析出して製品の強度を下
げる結果となる。したがって、含有Si量によって焼結金
属に現れる炭素の形態が変わるので、成形に適し、かつ
焼結時に黒鉛を生成させるようにSi含有量を選定しなけ
ればならない。本発明者らは多くの実験の結果、このよ
うなSiの含有量として 0.5〜2.5wt％を添加含有させる
こととした。また、このSiは、この基地のFe中に固溶し
て基地強度を高め、製品の品質を向上させる性質があ
り、さらに、Siを含有している基地はオーステンパ処理
によって残留オーステナイトを含む靱性のある高強度材
となる性質を有している。

【００１４】Mn： 1.0wt％以下 Mnは、セメンタイトをやや安定化する元素で、含有量が
多いとセメンタイトの分解を妨げることになる。しか
し、Mnも基地強度を著しく強化する元素であり、適量含
有していることも高強度焼結金属の製造に効果的であ
り、 1.0wt％を上限として含有させる。

【００１５】Cr：0.20wt％以下 Crは、強力な炭化物安定元素であり、これが存在する
と、硬質のCr炭化物を作り、また、FeとＣの炭化物生成
も促進するので、0.20wt％以下とした。

【００１６】Ti：0.20wt％以下 Tiは、炭化物生成元素であり、TiとＣの炭化物は硬質な
ので、含有量を0.20wt％以下とした。

【００１７】次に、本発明にかかる原料鉄粉が具えなけ
ればならない金属組織の条件について説明する。焼結金
属製造のときに、成形性に最も適した原料鉄粉は、粒子
内に黒鉛が析出し、基地は軟らかいフェライトとなって
いることが必要である。また、基地組織の一部にパーラ
イトが存在する粒子も望ましい組織形態である。ただ
し、この場合のパーライト層は緻密でない軟らかいパー
ライトが望ましい。また、セメンタイトを球状化したも
のも、成形性には良い結果を示した。以上要するに、本
発明にかかる原料鉄粉は、黒鉛とフェライト, パーライ
トまたは球状化セメンタイトが共存する混晶組織とする
ことが必要である。

【００１８】さらに、特筆すべきは、本発明によって得
られた高炭素鉄粉を用いた焼結金属は、高強度でかつ、
伸び率も大きい強靱なものであることが確認された。こ
れは、黒鉛が微細に分散し、かつ、マトリックスがSi,
Mnによって強靱化されたためと推定される。

【００１９】次に、本発明の製造方法について説明す
る。まず、上記成分組成の溶鉄を、水またはガスを用い
てアトマイズ法により、また各種の粉砕法により、主と
して鉄粉の粒度分布が下記の大きさになるように調整す
る。 100μｍ以上＜30 ％ 100〜 70 μｍ 20〜 60 ％ 70〜 30 μｍ 30〜 50 ％ 30 μｍ以下 30〜 40 ％そして、このようにして得られた鉄粉を、次いで 850℃
以上に加熱し、この温度に10分間以上保持し、それから
下記(イ) 〜(ハ) の処理を行う。 (イ) 徐冷することにより、黒鉛とフェライトとの混合組
織粉とすること、(ロ) 徐冷もしくは急冷することによ
り、黒鉛とパーライトおよびフェライトとの混合組織と
すること、(ハ) セメンタイト球状化処理を施すことによ
り、黒鉛と球状化セメンタイトおよびパーライトとの混
合組織とすること。

【００２０】このような熱処理を行う理由は、鉄粉中に
存在する硬質の炭化物を分解あるいは球状化して鉄粉の
成形性を向上させるためであり、含有Ｃ, Si, Mn量の関
係から、上記の各方法のいずれかが行われる。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【実施例】

実施例１表１に示す鉄粉No. １と鉄粉No. ２とを各50％づつ配合
し、これに銅粉４％、ステアリン酸亜鉛１％を加えてよ
く混合し、５ｔ／ cm²の成形圧で引張り試験用テストピ
ースを成形し、焼結温度1150℃で焼結した結果、表２に
示すような結果を得た。

【表２】

【００２３】実施例２表１に示す鉄粉No. １と鉄粉No. ３とを各50％づつ配合
し、これに銅粉４％、ステアリン酸亜鉛１％を加えてよ
く混合し、６ｔ／ cm²の成形圧で引張り試験用テストピ
ースを成形し、焼結温度1150℃で焼結した結果、下記表
３に示すような結果を得た。

【表３】

【００２４】実施例３表１に示す鉄粉No. １と鉄粉No. ４とを各50％づつ配合
し、これに銅粉４％、ステアリン酸亜鉛１％を加えてよ
く混合し、６ｔ／cm² の成形圧で引張り試験用テストピ
ースを成形し、焼結温度1150℃で焼結した結果、下記表
４に示すような結果を得た。

【表４】

【００２５】上記表１〜４に示す結果に明らかなとお
り、本発明にかかる原料鉄粉は、高炭素含有鉄粉である
にも拘わらず、軟化焼鈍などの熱処理を施すことによっ
て成形可能となり、しかもその焼結体の機械的性質は、
非常に高強度のものとなっている。これは、各原料材料
固有の強度をはるかに越えるもので、本発明にかかる原
料鉄粉が焼結金属用鉄粉として極めて優れていることを
示すものである。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
炭素含有鉄粉を熱処理して用いるので、高強度で靱性に
優れた原料鉄粉が得られる。とくに、この原料鉄粉と純
鉄粉を約50：50で混合した成形焼結品の強度は極めて高
く、微細な黒鉛が析出して潤滑性が良好で摺動部材とし
ての用途にも適する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ： 1.0〜4.5 wt％含有する高炭素含有
鉄粉を熱処理して得られるものであって、その組織が黒
鉛と、フェライト, パーライトもしくは球状化セメンタ
イトのいずれか１種以上と、からなる焼結金属用原料鉄
粉。
【請求項２】主成分として、Ｃ： 1.0〜4.5 wt％、S
i： 0.5〜2.5 wt％、Mn≦ 1.0wt％を含み、さらに炭化
物安定化元素のCrを0.20wt％以下、Tiを0.20wt％以下含
有し、残部が主としてFeであるアトマイズおよび／また
は粉砕して得られた鉄粉を、下記のいずれか１つの熱処
理を施すことを特徴とする焼結金属用原料鉄粉の製造方
法。記 (1) 850℃以上に加熱し、この温度に10分間以上保持し
た後、徐冷することにより、黒鉛とフェライトとの混合
組織粉とすること、 (2) 850℃以上に加熱し、この温度に10分間以上保持し
た後、徐冷もしくは急冷することにより、黒鉛とパーラ
イトおよびフェライトとの混合組織とすること、 (3) 850℃以上に加熱し、この温度に10分間以上保持し
た後、セメンタイト球状化処理を施すことにより、黒鉛
と球状化セメンタイトおよびパーライトとの混合組織と
すること。