JPH0913104A

JPH0913104A - 鉄系金属粉末成形体の炭素量制御方法

Info

Publication number: JPH0913104A
Application number: JP16192595A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tomita; 正一富田; Yutaka Kubo; 裕久保
Original assignee: KANAGAWA PREF GOV; Hitachi Metals Ltd; Kanagawa Prefecture
Current assignee: KANAGAWA PREF GOV; Kanagawa Prefecture; Proterial Ltd
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1997-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】鉄系金属粉末焼結体の炭素量制御方法におい
て、肉厚方向の炭素量の均一性を向上すること。【構成】成形体を脱脂後、炭化水素ガスまたは該ガス
と窒素、アルゴンの少なくとも一種との混合ガス雰囲気
中で加熱処理して、加炭することを特徴とする鉄系金属
粉末成形体の炭素量制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄系金属粉末焼結体の製
造に際し、成形状態の被焼結体へ炭素を加炭して焼結体
の炭素量を制御する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】焼結前の金属粉末成形体の炭素含有量
(以下炭素量と記す)を制御するため、これまで種々の方
法が提案され、また用いられて来ている。このうち、加
炭、つまり原料粉末が酸化被膜等として酸素を含む場
合、その還元に見合う量の加炭剤を、また製品の目標炭
素量に対し、原料粉の炭素量が異なる場合、その差分を
前記還元用炭素量と相殺、または加算した量の炭素を添
加する方法として、グラファイトで添加する方法が広く
用いられている。この方法は、全く同一条件で原料の調
達や脱脂工程、焼結工程等を行なうことができる場合
は、当初若干の試行錯誤的先行テストは避けられないと
しても、一度条件をつかめば、その後はこれらの条件を
変えないことで炭素量を一定に管理することが可能であ
る。

【０００３】また、特開平２−１４１５０３号公報は、
金属粉末と成形用有機バインダとを混錬する際、主バイ
ンダの樹脂より残留炭素量が高い樹脂を添加して混錬、
成形を行ない、得られた成形体を大気雰囲気下で脱脂す
る際に、残留炭素量の高い樹脂の酸化・分解開始温度未
満の温度で主バインダを脱脂し、脱脂保持温度、脱脂保
持時間を変えることにより、金属粉末中に含有される酸
素の還元に必要な量より多くの炭素を均質に残留させる
樹脂残留法を提案している。

【０００４】一方、脱脂後の炭素量が目標値より高すぎ
る場合には、露点を調整した水素雰囲気中などで加熱処
理を行い、その温度、時間を調整して脱炭する方法が知
られている。これらのうち、特開平６−７３４０６号は
射出成形による厚さ 3mm程度の薄い成形体を脱脂後に、
特定の露点を有し、ＣＯまたは炭化水素を１％以上含む
Ｈ₂雰囲気中で熱処理を行なうことにより、炭素量と酸
素量を制御（両者を低減）する方法を提案している。ま
た、特開平７−１１８７０５号は、金属粉末成形体を脱
脂し、水素還元した後、炭化水素と水素の混合気体中
で、これらのガスの比率を調整しつつ、焼結して炭素量
の制御を行なう方法を提案している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
方法には以下に述べるような問題点がある。グラファイ
ト添加法では、適切なグラファイト添加量を見出すため
の試行錯誤に手間取ること、適正条件が材料ロットの違
いによって変わり得ること、などの難点がある。一方、
上記雰囲気ガスの制御による雰囲気熱処理法を応用した
炭素量制御法は、脱脂工程以降で実施されるので、グラ
ファイト添加法に比べ、試行錯誤に要する手間が少な
く、雰囲気調整のみによって制御できるので、その操作
が容易であるが、後述の欠点がある。また、樹脂残留法
（特開平２−１４１５０３号）は、焼結のための昇温条
件により、残留バインダの残留量にバラツキが出たり、
残留バインダによる膨れ、変形等が発生し易い等の欠点
がある。

【０００６】また、前述の露点を調整して炭素量を低減
する方法を含め、加炭剤を配合または残留する方法を除
く従来の炭素量制御方法は、一般に制御後の炭素量のバ
ラツキが、鉄系金属粉末焼結体の高い炭素量依存性を考
慮すると、十分に小さいとは言えず、特に脱脂体の厚さ
が厚くなるほど脱脂体の各部分の炭素量の不均一性が増
し、厚さ10mm程度またはそれ以上のものに対しては、内
部と表面とで炭素量が大きく異なってくるという問題点
があった。例えば、前記の特開平６−７３４０６号は、
Ｆｅ−１８Ｃｒ−１５Ｎｉ−３Ｍｏ−０．５Ｍｎにおい
て、Ｃ量は１．１２±０．０８％、つまりＣの変動範囲
が０．１６％となっている。これは１００×１０×３ｍ
ｍの成形体の値であり、厚さの増加とともに、さらにＣ
量の変動範囲が増加するものと予想される。鉄系金属粉
末焼結体、なかでも特殊鋼粉末焼結体においては、特に
炭素量の管理が重要となり、炭素量の変動範囲は０．１
５％以内であることが好ましく、さらに好ましくは０．
１％以内である。本発明はこのような炭素量の不均一性
の問題を解決し、脱脂後の炭素量を精度良く制御可能な
鉄系金属粉末成形体の炭素量制御方法を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
本発明者らは特に、鉄系の金属粉末成形体について、脱
脂後の炭素量を制御する方法について鋭意検討した結
果、炭化水素ガスを供給しつつ、被焼結成形体を加熱処
理することにより、短時間の処理で成形体の表面部と内
部との炭素量の偏差を極めて小さくして加炭することが
可能であることを見出し、本発明をなした。本方法をさ
らに詳細に述べると以下のようになる。成形体を脱脂
後、例えば水素雰囲気中で昇温し、所定の温度になった
時点で雰囲気を炭化水素に変更して所定時間保持を行
う。これにより炭素量を成形体の表面と内部で均一に増
加させることが可能であり、温度、時間、圧力、ガス、
ガス流量等の条件を設定することにより、炭素増加量の
制御が可能となる。すなわち、本発明は焼結前の鉄系金
属粉末成形体の炭素量制御方法において、前記成形体を
脱脂後、炭化水素ガスまたは該ガスと窒素、アルゴンの
少なくとも一種との混合ガス雰囲気中で加熱処理して、
加炭することを特徴とする鉄系金属粉末成形体の炭素量
制御方法である。本発明において、特に加炭量が多い場
合は、被処理材に加炭剤を配合する方法を併用すること
が望ましい。

【０００８】

【作用】本発明の炭化水素雰囲気中での加炭方法が厚肉
製品においてさえ、炭素量の表面部と内部の差を小さく
して、かつ高再現性で加炭可能な理由は、未だ十分解明
されていない。すなわち、本発明でも前述の露点を調整
したガスによる脱炭法（特開平６−７３４０６号）でも
ポーラスな金属粉末成形体の組織を通して、浸炭または
脱炭のための原料ガス（ＣＨ₄等またはＨ₂Ｏ）が浸入
し、生成ガス（Ｈ₂またはＣＯ＋Ｈ₂）が逃れることが必
要であり、これらのガスの拡散速度の差が、表面部と内
部間の炭素含有量勾配を決定すると思われるが、本発明
による浸炭が脱炭よりも拡散速度が高い理由は不明であ
る。

【０００９】本発明において、グラファイト添加法や樹
脂残留法等、加炭剤を成形体に配合する方法を併用する
ことは有効である。すなわち、炭素量制御後の成形体の
表面部と内部の炭素量の差が小さいとはいえ、必要な加
炭量の全量を供給することは本発明による加炭負荷を増
加し、製品の炭素含有量の差や処理時間の増加要因とな
る。また、本発明を併用することにより、必要樹脂残留
量を低減することで樹脂残留法の前記欠点を軽減するこ
とができる。本発明において、雰囲気の圧力は、ガスの
種類、混合比、処理温度、時間等の炭素量制御条件は被
処理材のカーボンポテンシャル、要求される炭素量のバ
ラツキ量、肉厚等に大きく関係するから、被処理材それ
ぞれについて、先行テストし、その結果により決定する
とよい。本発明で使用する炭化水素ガスとしてはメタ
ン、エタン、プロパン、ブタン等のガスまたはこれらの
混合ガスを使用することができる。加炭剤としては、容
易に均一混合でき、炭素を含むものなら使用可能であ
り、粉末カーボン等もその例である。また上記炭化水素
ガスのみで用いることに限定されず、炭化水素ガスと不
活性ガス（Ａｒ、窒素など）を混合して用いることもで
きる。

【００１０】

【実施例】次に本発明の実施例を述べる。（実施例１）高速度鋼アトマイズ粉をアトライタにより
粉砕した。粉砕後の粉末の化学成分および粒度等を表１
に示す。この粉末にグラファイトを、一種類は焼結体の
目標炭素量を3.2%（高炭素試料）、他方は同じく2.8%
（低炭素試料）として、それぞれ配合すると共に結合剤
を添加した後、油圧プレスにより1.6tf/cm²の圧力で直
方体(31×41×t10)に圧縮成形し、水素中で650℃,1h脱
脂した。これら２種の脱脂体（高炭素試料、低炭素試
料）のうち、炭素分析用脱脂体の一端をハイトゲージで
削り取って炭素分析試料を採取し、他の脱脂体を図１に
例示したプログラムに従って炭素量制御処理を施した。
処理時の圧力は300Torrとして、保持温度、メタン流
量、時間を様々に変化させた。温度は600,700,800℃、
メタン流量は25,50,100cc/min、加炭のための保持時間
は30,45,60minの各３通りである。図１は、メタン流量
100cc/minであり、は800℃,1h、,およびは、い
ずれも700℃で時間がそれぞれ1hr,45分および30分、
は600℃,1hrの例を示している。

【００１１】さらに、上記と同様の２種の脱脂体をそれ
ぞれレトルト内上段とそれから90mm下の下段の２箇所に
置いて４試料同時炭素制御処理するものおよび同条件に
よる４回にわたる再現性テストを試みた。炭素制御処理
後の試料（以下処理体と略称）から炭素分析試料を採取
した後、1225℃,1hr真空焼結した。焼結後の冷却は真空
炉冷とした。焼結体の炭素分析位置は、焼結体の平板状
でのほぼ中央とした。このように一つの試料について脱
脂、処理体、焼結体と順を追って炭素量を追跡調査し
た。脱脂体、処理体の炭素分析試料は、厚さ方向に2mm
厚の層をハイトゲージの刃で順に削り取って得た0.2〜
0.3gの粉末であり、焼結体のそれは、中央の角柱部分を
砥石切断機で厚さ方向におよそ５等分して得た0.3g前後
の切片である。

【００１２】

【表１】 (wt%) 平均粒径 4.3μm 見掛け密度 2.4g/cm³ タップ密度 4.0g/cm³

【００１３】実験の結果を図２〜図５に示す。図２〜図
４は、前記テストのうち、炭素量制御処理条件として、
メタン流量 100cc/min、温度をそれぞれ800℃、700℃、
および600℃とした時の試料の下面からの距離とその位
置の炭素量の関係を示す図である(それぞれの処理温度
では、残留酸素による炭素の酸化はほとんど進行してい
ない)。図２〜図４から、処理温度が800℃の高温度で
は、高炭素試料、低炭素試料とも加炭量が大きく、その
増加に対して、ＣＨ₄ガスやＨ₂ガス等の拡散不十分によ
る炭素量平均化作用が不十分で、試料の上面（上面から
主に加炭されている）に対する下面部および平板状試料
の辺部に対する中央部の炭素量は低く、その差も大き
い。

【００１４】しかし、700℃および600℃では厚み方向に
炭素量差は縮少し、特に700℃では平面の辺部の方が中
央部より炭素量は低くなっていることがわかる(但し、
図３(700℃)で試料の最上層の炭素量の低下は脱炭によ
るものと思われる)。すなわち、本発明の炭素量制御処
理法によると処理温度を適当に選定することにより、試
料の位置による炭素含有量差を小さくすることが可能で
ある(適当な温度、または温度範囲は被処理材のカーボ
ンポテンシャルにより変化すると思われる)。図５は、
上記によりほぼ適当と思われる温度 700℃で、それぞれ
30分間、45分間および60分間の炭素量制御処理を行なっ
た試料を1225℃×1hrの真空焼結を行なった後の炭素量
調査結果を示す図である。

【００１５】これによると、高炭素試料、低炭素試料と
も、700℃で30分間の炭素量制御処理を行なった後の焼
結品は、厚み方向の炭素量差が0.06%程度である。焼結
後の製品の炭素量のバラツキは、各特性の炭素量依存性
の点から前述のように0.15%以内、さらには0.1%以内と
することが望ましいが、本発明はこれを十分に満足させ
ることができる。また、本図から700℃×30分間の処理
で、高炭素試料、低炭素試料とも目標炭素量、それぞれ
Ｃ 3.2%、Ｃ 2.8%に対し、やや低炭素量となったが、例
えば、処理時間をやや延長すれば、炭素量を増加するこ
とが可能であることがわかる。また、４回にわたる再現
性テストによる各テスト回毎の処理結果および処理炉中
の収容場所の差異によるテストでも良好な一致性を示し
た。

【００１６】（実施例２）Ｆｅ−３．９Ｃ−３．５Ｃｒ
−１０．３Ｗ−８．１Ｍｏ−７．０Ｖ−７．６Ｃｏ−
７．５Ｔｉ−２．０Ｎ（ｗｔ％）の組成をもつ高速度鋼
粉末（ＴｉＮ添加）をバインダとともに混合し、油圧プ
レスにて1.6tf/cm²にて成形した。成形体の寸法は(30×
40×10mm)である。これら成形体につき650℃×1時間の
水素気流中での脱脂を行った。脱脂後の成形体５個に
ついて、下記の要領での各部のＣ分析を行ない、各個に
ついて最高値と最低値を求めた。その結果、最高値の平
均は3.93%、最低値 3.72%であった。

【００１７】つぎに上記脱脂後の試料を水素気流中で昇
温し、表１に示す各温度、時間、圧力の減圧メタン雰囲
気中にて加熱処理を行い炭素量の制御を行なった。ここ
で圧力の制御は、ガス流量を一定とし、真空ポンプ排気
弁の開度の調製を自動制御することにより行なった。加
熱処理後各部のＣ分析を同様に行い、次いで1225℃×１
時間の真空焼結を行い、得られた焼結体について最終的
な各部のＣ分析を行った。上記Ｃ分析の要領は、脱脂
体、処理体および焼結体の平板状の中央部，辺中央部，
角隅部で、いずれも厚さ方向に約1mmごとにサンプルを
採取して行なった。表２に各８(焼結体)〜１０点の最大
値、最小値および範囲を示す。

【００１８】

【表２】

【００１９】該表から本発明の炭素量制御で炭素量は増
加するが、増加量は処理温度の上昇、処理時間、および
処理時の圧力の上昇と共に増加することがわかる。ま
た、Ｃ分析の最高値−最低値（＝範囲）は、各条件とも
脱脂後に対し処理後で確実に低下、つまりバラツキ幅が
低下していること（炭素量の多い部分では加炭作用が小
さくなる）ことがわかる。そして、この範囲の値は、処
理圧力の低下に従って縮少すること、そして処理条件を
適切に選定することにより、範囲を0.10%以下とするこ
とは容易であり、0.05%程度も可能であることがわか
る。次に炭素量制御後の試料を焼結すると、含有酸素に
より脱炭されるが、炭素含有量の範囲は、焼結中の炭素
の拡散によると思われるが、炭素量制御後より一般に縮
少する。本実施例では、表２に示すように30分間の炭素
量制御処理で達成し得ることがわかる。

【００２０】（実施例３）Ｆｅ−２．２Ｃ−４．０Ｃｒ
−１１．５Ｗ−１．２Ｍｏ−４．９Ｖ−８．２Ｃｏの組
成を持つ高速度鋼粉末を用い、水溶性樹脂であるセルロ
ース系の樹脂と混合し、潤滑剤、水を添加し混練した後
押出成形にてφ１５ｍｍ×５００ｍｍの成形体を得た。
これらを乾燥した後６５０℃×１時間の水素気流中での
脱脂を行った。成形体の各部のＣ分析を行なった後、減
圧メタン雰囲気中にて表１と同様の各条件にて加熱処理
を行い炭素量の制御を行なった。加熱処理後再び各部の
Ｃ分析を行い、次いで１２３０℃×１時間の真空焼結を
行い得られた焼結体について各部のＣ分析を行った。脱
脂体、処理体および焼結体のＣ分析は、採取サンプル５
箇について、半径方向に約1mmごと(最外周:０．５ｍｍ)
に採取した各７点の最大値と最小値およびその差である
範囲を表３に示す。表３から温度、時間、圧力について
表２とほぼ同様の結果が得られている。また、焼結品の
Ｃバラツキは、炭素量制御の処理条件を適当に選定する
ことで、φ１５ｍｍの製品でもＣバラツキを０．０５％
程度とすることが容易にあることがわかる。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【発明の効果】本発明の鉄系金属粉末成形体の炭素量制
御方法は、脱脂体を炭化水素雰囲気中で加熱処理して、
加炭するものであり、本法によれば１０ｍｍ厚さ，φ１
５ｍｍまたはこれ以上の厚さを持つ脱脂体についても、
表面および内部の各点の炭素量を均一に増加制御するこ
とが可能となる。これにより各種特性の炭素量依存性の
大きい特殊鋼などにおいても、要求特性に合わせた炭素
量制御が可能となり、これら材質の焼結製品の製造に当
たり大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の処理プログラムを説明する図であ
る。

【図２】脱脂後と、メタン流量 100cc/min、処理時間 1
時間、温度 800℃とする炭素制御処理後の各試料のサン
プル採取位置と炭素量との関係を示す図である。

【図３】脱脂後と、メタン流量 100cc/min、処理時間 1
時間、温度 700℃とする炭素制御処理後の各試料のサン
プル採取位置と炭素量との関係を示す図である。

【図４】脱脂後と、メタン流量 100cc/min、処理時間 1
時間、温度 600℃とする炭素制御処理後の各試料のサン
プル採取位置と炭素量との関係を示す図である。

【図５】炭素量制御処理(700℃)後、焼結した各試料の
サンプル採取位置と炭素量との関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結前の鉄系金属粉末成形体の炭素量制
御方法において、前記成形体を脱脂後、炭化水素ガスま
たは該ガスと窒素、アルゴンの少なくとも一種との混合
ガス雰囲気中で加熱処理して、加炭することを特徴とす
る鉄系金属粉末成形体の炭素量制御方法。
【請求項２】焼結体は加炭剤を配合されたものである
請求項１の鉄系金属粉末成形体の炭素量制御方法。