JPH09202934A - ステンレス鋼焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、焼結体密度が高く、機械的特性が
優れているステンレス鋼焼結体の製造方法を提供するこ
とを目的とするものである。 【解決手段】 水アトマイズ法によって得られた粉末
に、該粉末中に含まれる酸素重量の１／８〜１／１重量
の炭素粉末を添加して成形した後、水素雰囲気中で１０
００〜１３００℃で３０分間以上加熱保持し、さらに、
加熱保持温度よりも高い温度で焼結を行うことによって
ステンレス鋼焼結体を製造する方法である。 【効果】 酸化物および気孔の少ない密度が高く、機械
的性質、及び、耐食性に優れているステンレス鋼焼結体
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末冶金法によっ
て密度が高く、諸性質が優れている焼結体として製造し
得るステンレス鋼焼結体の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金法による焼結部品は、最終製品
形状に近い形状が得られ、機械加工の工程を大幅に省略
し得るものである。しかして、粉末冶金法で所望の形状
の部品を得るには、従来から用いられている圧粉法のほ
かに、近年は、有機物と金属粉末とを混合し、射出成形
法により複雑形状を得る方法も実用化されて需要が高く
なってきている。中でもステンレス鋼は、優れた耐食
性、特に耐孔食性を有するので焼結部品にも多く用いら
れている。

【０００３】ステンレス鋼焼結体を製造するためのステ
ンレス鋼粉末としては、一般に、水または不活性ガスを
用いたアトマイズ法による粉末が用いられている。水ア
トマイズ粉末は、ガスアトマイズ粉末に較べて安価では
あるが、媒体として水を用いるためにアトマイズ時に粉
末表面が酸化し、ガスアトマイズ粉末に較べて粉末の含
有酸素量が高いものであり、水アトマイズ粉末を用いて
ステンレス鋼焼結体を製造する場合、この酸素が問題に
なるものである。

【０００４】ステンレス鋼は、通常、１２重量％以上の
クロムを含有しており、クロムは安定した酸化物を形成
するので、粉末表面に強固な酸化膜を形成することにな
る。したがって、クロム含有量が高いほど粉末の含有酸
素量が高くなり、例えば１３％クロム鋼では、粉末の酸
素量は０．２重量％程度であるが、２５％クロム鋼で
は、０．８％にもなる。粉末表面の酸化物は、鉄および
合金元素の拡散を妨げるので、酸化物が還元されないと
密度が上がらない。この酸化物を還元するために、水素
中で焼結を行うなどの方法が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな方法によって焼結を行っても、水アトマイズ粉末を
用いて製造されるステンレス鋼焼結体の密度は、理論密
度の９０〜９５％程度であり、焼結体内部には酸化物や
気孔が存在している。焼結体内部に存在する酸化物は、
主にクロム酸化物であり、酸化物として存在するクロム
の分だけマトリックス中の固溶クロム量は低下してお
り、マトリックスの耐食性を低下させる。また気孔は、
孔食発生の起点として働くので、ステンレス鋼焼結体
は、溶製材に較べて孔食発生電位は低く、耐食性が劣
る。同様に、酸化物や気孔は、応力集中源となるので、
溶製材に較べて機械的性質も劣ることになるという問題
がある。

【０００６】このように、ステンレス鋼焼結体の信頼性
を高めるには、焼結体の密度を上げる必要がある。この
ために、焼結体中の酸化物や気孔を減少させ、密度を上
げるためには焼結温度を上げることが考えられるが、水
アトマイズ粉末を用いたステンレス鋼の焼結体の場合、
１４００℃で焼結を行っても１３５０℃の場合に較べて
密度は上昇しないという問題がある。焼結密度を上昇さ
せる方法としては、熱間静水圧プレス法などがあるが、
この方法は、コストが高く、一般のステンレス鋼に適用
することは経済的に困難であるという問題がある。この
ように焼結部品の耐食性は、気孔の存在、すなわち焼結
体の密度の影響を多大に受けるものであるということが
できる。

【０００７】したがって、本発明は焼結体密度が高く、
機械的特性が優れているステンレス鋼焼結体の製造方法
を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記問題を
解決して、前記目的を達成するために研究を重ねた結
果、特定の加熱所持と特定焼結とによって目的を達し得
ることを見出して本発明を完成するに至った。すなわ
ち、本発明は、水アトマイズ法によって得られた粉末
に、該粉末中に含まれる酸素重量の１／８〜１／１重量
の炭素粉末を添加して成形した後、水素雰囲気中で１０
００〜１３００℃で３０分間以上加熱保持し、さらに、
加熱保持温度よりも高い温度で焼結を行うステンレス鋼
焼結体の製造方法を特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】水素は、還元作用があり、また蒸
気圧が高いクロムの揮散を抑制する必要があるので、ス
テンレス鋼の焼結を水素雰囲気中で行うことは一般に実
用化されている。水素中で焼結を行うことにより、最終
的にクロム酸化物は還元されるが、水素中でクロム酸化
物が還元される温度は、約１３５０℃以上と極めて高
い。このような温度でクロム酸化物が還元されると、既
に焼結体は緻密化しているために還元されて生じたＨ_２
Ｏなどのガスは、焼結体の外に排出されずに焼結体内部
に気孔を形成する。このために高温で焼結を行った場合
には、酸化物は減少するものの気孔が生じるため焼結体
の密度は上がらず、むしろ低下する傾向がある。

【００１０】一方、ステンレス鋼粉末に炭素粉末を添加
した場合には、クロム酸化物は、炭素によって還元され
る。炭素によるクロム酸化物の還元は、約１０００℃か
ら始まり１２００℃付近でもっとも活発となる。この温
度では、焼結体の密度はいまだ低いので気孔は外部まで
連続している。このような状態で酸化物が還元されると
反応に伴って生成するＣＯガスは気孔を経由して焼結体
外部に排出される。

【００１１】このようにしてクロム酸化物が十分に還元
された後、温度を上げて焼結を進行させた場合には、１
３５０℃以上になってもクロム酸化物と水素の反応は生
じないので気孔は生ぜず緻密な焼結体が得られる。

【００１２】ここで添加する炭素量をステンレス鋼粉末
の含有酸素量によって、その重量の１／８〜１／１とす
るが、この範囲に定めた理由は、１／８未満では、還元
が十分でなくて密度が上がらず、一方１／１を超えて添
加しても還元効果に差はなく、むしろ炭素が残留して炭
化物を形成して耐食性を低下させるからである。

【００１３】添加する炭素粉末は反応を促進するために
は微細なものが望ましく、数十ｎｍ程度の１次粒子径の
黒鉛粉末を用いることが好ましい。ただし、微細な黒鉛
粉末は嵩密度が低く、多量に添加した場合には、成形性
を低下させる場合もあるので、成形前にブレンダやボー
ルミルを用いてステンレス鋼粉末と十分に混合させるの
が望ましい。

【００１４】黒鉛粉末の添加量は、ステンレス鋼水アト
マイズ粉末の酸素含有量に応じて決められる。一般的に
は、重量にしてステンレス鋼粉末の酸素量の１２／１６
程度の黒鉛粉末を添加すればよいが、ステンレス鋼粉末
の酸素含有量が著しいく高い場合には、それに対応して
黒鉛を添加すると、前記のように成形性に影響を与える
可能性もあるので、それらを考慮しながら添加量を決め
る必要がある。

【００１５】加熱保持は、１０００℃から１３００℃の
範囲で行う。保持時間は、ステンレス鋼の種類によって
焼結による緻密化速度が異なるもので、フェライト系ス
テンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に較べて
緻密化し易い。クロム酸化物の還元のためには、３０分
間以上、好ましくは、２時間以上保持して十分に還元す
るが、マトリックスが緻密化してしまうと生成ガスが排
出できない。目安としては、２時間保持で密度が９２％
以下となるような温度で保持すればよい。なお、８時間
を超えて加熱保持するとマトリクスが緻密化するととも
に生産性が低下するという問題が生ずるため保持時間は
最長でも８時間までとする。

【００１６】その後、フェライト系ステンレス鋼で１２
５０℃から１３５０℃、オーステナイト系ステンレス鋼
で１３００℃から１４００℃で３０分以上、好ましくは
１〜４時間の焼結を行うことによって緻密な焼結体が得
られるものである。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例を、比較例とともに以
下に説明する。

【００１８】実施例１：下記する表１に示すような組成
の水アトマイズ粉末１に、１次粒子径１５ｎｍの黒鉛粉
末を０．１重量％添加し、Ｖブレンダを用いて３０分間
混合した。該粉末をワックス基バインダと混合し、射出
成形法によって平行部寸法５ｍｍ×３ｍｍ×３０ｍｍの
引張試験片を製作した。まず、予備試験において、２時
間の加熱保持によって密度が９０％となる温度を求め
た。次いで、試験片を窒素中３５０℃で脱脂後、水素中
で１２００℃で０．５時間加熱保持した後、１３５０℃
で２時間焼結処理を行った。得られた焼結体について、
機械的性質を引張試験によって、引張強さおよび伸びを
測定した。また比重をアルキメデス法で測定した。これ
らの結果を下記する表２に示す。

【００１９】実施例２：水アトマイズ粉末１を用い、黒
鉛粉末添加量を０．２重量％とし、保持時間を２時間と
した以外は、実施例１と同様に処理して焼結体を得、実
施例１と同様にして試験を行い、得られた結果を表２に
示す。

【００２０】比較例１：水アトマイズ粉末１を用い、黒
鉛粉末添加量を０．０２重量％とし、保持温度を１２５
０℃、保持時間を２時間とした以外は、実施例１と同様
に処理して焼結体を得、実施例１と同様にして試験を行
い、得られた結果を表２に示す。

【００２１】比較例２：加熱保持を行わず、焼結温度を
１４００℃とした以外は、実施例１と同様に処理して焼
結体を得、実施例１と同様にして試験を行い、得られた
結果を表２に示す。

【００２２】実施例３：表１に示すような組成の水アト
マイズ粉末２に、１次粒子径１５ｎｍの黒鉛粉末を０．
２重量％添加し、保持温度を１２５０℃とした以外は、
実施例１と同様に処理して焼結体を得、実施例１と同様
にして試験を行い、さらに、耐食性を、表面をブラスト
研磨仕上げした試料について、２５℃、３％ＮａＣｌ水
溶液中でのアノード分極測定を行い、孔食電位を測定し
た。得られた結果を表２に示す。

【００２３】実施例４：水アトマイズ粉末２を使用し、
黒鉛粉末添加量を０．１重量％とし、保持時間を２時間
とした以外は、実施例３と同様に処理して焼結体を得、
実施例３と同様にして試験を行い、得られた結果を表２
に示す。

【００２４】実施例５：水アトマイズ粉末２を使用し、
黒鉛粉末添加量を０．３重量％とし、焼結温度を１４０
０℃とした以外は、実施例３と同様に処理して焼結体を
得、実施例３と同様にして試験を行い、得られた結果を
表２に示す。

【００２５】比較例３：水アトマイズ粉末２を使用し、
黒鉛粉末添加および加熱保持を行わず、１３５０℃で２
時間焼結を行い、得られた焼結体について、実施例３と
同様にして諸試験を行った。結果を表２に示す。

【００２６】比較例４：水アトマイズ粉末２を使用し、
黒鉛粉末添加量を０．１重量％、保持温度を９５０℃、
保持時間を４時間とし、焼結温度を１４００℃、焼結時
間を２時間として焼結体を得、実施例３と同様にして試
験を行い、得られた結果を表２に示す。

【００２７】比較例５：水アトマイズ粉末２を使用し、
黒鉛粉末添加量を０．３５重量％とし、保持温度を１２
００℃、保持時間を２時間とし、焼結温度を１４００
℃、焼結時間を２時間として焼結体を得、実施例３と同
様にして試験を行い、結果を表２に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】これらの得られた結果から、ステンレス鋼
粉末１を用い、本発明方法によって得られた実施例１、
２の焼結体は、７．５ｇ／ｃｃ以上の密度を有し、強
度、伸びともに十分な値が得られている。これに対し、
炭素添加量が少ない比較例１、および保持を行わない比
較例２では、密度が低く、機械的性質も特に伸びが１％
未満と低くなっている。

【００３１】また、ステンレス鋼粉末２を用いた実施例
３〜５では、約６００ｍＶ以上の孔食電位となってい
る。これに対して、炭素添加量の少ない比較例３および
保持温度が低い比較例４では、孔食電位が約３００ｍＶ
と低くなっている。また、炭素添加量が０．３５％と高
い比較例５では、密度、機械的性質は良好であるが、孔
食電位は著しく低下している。これは残留している炭素
がクロムと結合して炭化物を形成し、耐食性に寄与する
固溶クロムが減少したためである。このように、本発明
方法によって得られた焼結体は、比較例に示す従来の水
素焼結品に較べて密度が高く、延性および耐食性に優れ
ていることが分かる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、特定の加熱保持と特定焼結を
行うものであるから、酸化物および気孔の少ない密度が
高く、機械的性質および耐食性に優れているステンレス
鋼焼結体が得られるものであって顕著な効果が認められ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水アトマイズ法によって得られた粉末
   に、該粉末中に含まれる酸素重量の１／８〜１／１重量
   の炭素粉末を添加して成形した後、水素雰囲気中で１０
   ００〜１３００℃で３０分間以上加熱保持し、さらに、
   加熱保持温度よりも高い温度で焼結を行うことを特徴と
   するステンレス鋼焼結体の製造方法。