JPS58113350A - 焼結製品の製造方法 - 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】 この発明は焼結製品の製造方法に関し、と〈Ｋ粉末冶金
技術によって鋳物部品に代替し得る真密度をもつ鋼粉圧
密材を製造する方法であって、”′原料粉末を完全に溶
融させるまでに−導くことなく・部分的な溶融に止めて
、成形−焼結という一般的な粉末冶金法によって小型鋳
物部品と同効のもの管製造するのく好適な技術について
の提案である。

通常、小型鋳物部品の製造は、グイキャスト法もしくけ
、多数準備した同一形状の鋳型（砂型が多い。）に溶融
金属を流し込む二いわゆる鋳造法によっているが、いず
れにしても溶融金属の凝固法であって、本発明法とは本
質的に異なっている。

グイキャスト法の場合は、一つの金型によｐ多数の同一
形状品が鋳造されるが、専らアルミニウムや亜鉛の如き
低融点金属に限られ、鉄のような高融点金属への適用は
不可能である０従って、鉄系鋳物部品の場合、溶湯を多
数個準備した鋳型へ流し込んで同一形状品を量産してい
るが、生産性は決して良好とは言えないｏし□かも、凝
固に伴ない種々の鋳造欠陥を生じたり、鋳造後の離型、
砂落し、湯道部の切離し、部分的な仕上加工等も必要で
あり、その割には決して寸法精度が良好とは言えず、そ
の上、作業環境も劣悪であるなど問題また、鉄鋼粉を原
料として真密電部品を１！！逸する技術に粉末鍛造法お
よび熱間等方圧縮法があるが、これらはいずれも熱間に
おいて高圧力を負荷して高密度化する方法であり、本発
明法の如き成形−焼結法で熱的に高密度化する方法とけ
異なっている◎ 以上要するに本発明は、従来の鋳造法等真密度部品の製
造技術がもつ欠点を克服することを目的とする技術であ
る０すなわち本発明法は、通常の粉末冶金的手法、すな
わち黒鉛粉や潤滑剤の混合、金型による圧縮成形、焼結
炉による焼結の一連の工程をその１１採用しているので
、製造部品に欠陥を生じ難く、取扱いが簡単な上、工程
の自動化が可能であり、作業環境も良好で部品の寸法精
度にも優れ、かつ高生産性であるなどの％像を有する。

以下にその構成の詳細を説明する。

本発明の要旨構成についてこれを整理すると、次の３点
に要約することができる◇その第１点はＰ及び炭化物生
成元素を共存合金化せしめた銅粉全原料粉末として用い
ることである。その際、Ｐ。

合金ｊｊ　ｔ−０，＃　〜０，３０　％とすること、お
よび、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭＯｌＶ、Ｗｂ、Ｗの炭化物生成元
素を、７種ｔたは一種以上合金し、かつその合計量を０
．４ｔ〜４．７−にすることが肝要である＠ ｔＩＫ一点は、原料鋼粉にコ、Ｑ〜！、！−の黒鉛粉を
混合して液相化焼結を進めることであり、ＩＩＩｃＪ点
は、上記黒鉛粉を混合した銅粉を粉末冶金的手法により
成形、焼結して自己収縮を起させることＫよシ真密ｆ（
密贋比１００チンの製品にすることである。

けじめに、原料粉末としてＰおよび炭化物生成。

元ｌＲ１−共存下で合金した銅粉を用いるのは、焼結時
において、圧粉体中に？１！合介在せしめた黒鉛粉のス
ムーズな合金化を促進すること、および生成する液相を
均一に分散せしめて急激な密度増加を防止し、徐々に収
縮させるために必要である。例えばこのＰの添加を燐化
鉄Ｗ＊ｓＰの粉砕粉や、Ｆｅ　−Ｐ合金粉（７エロリン
粉〕との混合で使用し次場合には、Ｐは個々の鋼粉粒子
表面に付着し、て存在するので、その付着箇所にのみ液
相ｋｍ成し、鋼粉粒子表面の全体に均一に液相を生成す
ることがない０また、炭化物生成元素を合金していない
銅粉を使用した場合には、混合し念黒鉛粉のスムーズな
合金化が進まず、遊離黒鉛状勅で存在する量が多くなっ
てそのため液相を生成し難く、均一な収縮が起り難くな
る０その結果、焼結終了時に気孔が残存して真密度材が
得られなくなる。

従って、焼結により真密度材を得るには、Ｐけ予め鋼粉
粒子中に合金化されていなければならず、同時に炭化物
生成元素の共存合金化も必要になるのである。

上記の２合金量の上限Ｆｉ０．３０−であり、これは収
縮真密度化した部品における表面肌あれの生じない限界
量：ｃｅ）る。これを超えてＰを合金化した場合には、
焼結中に液相生成量が一段と多くなって急激な収縮を生
じ、部品表面の肌あれがひどくなる０また、金型による
成形時の圧縮性、成形性も劣ってきて目的とする部品の
圧粉体成形が困難となる０従って、２合金量の上限は０
．３０４でなければならない〇一方、２合金量の□下限
値０．０！−は、焼結時の収縮による真密度化の生じる
最低限の量であり、これ未満のＰ量では、如何なる黒鉛
粉混合量、焼結条件においても真密度化は不能である０
従って２合金量は最低限Ｏ５θ！−以上が必要である０ 上述のＰＫ対して前記炭化物生成元素を共存状態におい
て合金化させることが肝要であるが、同時に゛その合金
量を適性に遺ぶことが必要である０すなわち、上記炭化
物生成元素としてのＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗの
うちの少なくとも７種もしくはそｎ以上を合金化させる
必要があるＯこれらの合計量の下限値０．４１　％は、
圧粉体中に混合介在せしめた黒鉛粉の、基質中への拡散
合金化を促進するのに必１’な最低量であり、ｔた合計
量の上限値６、！−は、銅粉の圧縮性、成形性を良好に
維持する友めの限界量である０以上の理由から合計量の
範囲ｆ：０．４ｔ〜ｔ、ｊ　％と決定した０さらに、個
々の元素の上限量、すなわちＭｎにあってＦｉコ、３チ
、Ｃｒにあっては≦、！優、ＭＯではグ、／チ、Ｖては
λ、９チ縮緻縮化密化た部品の強要を著しく横なわない
ために必要な限界量であり、この意味からそれぞれの上
限量を決定した。

本発明法では、以上の如！！Ｐと炭化物生成元素を合金
した銅粉を用いることが肝じんであるが、このほかに、
さらにＮｉ　Ｏ，／　〜ｔ、０　、％、Ｃｕ０．／〜ｊ
、０　％　、　Ｓｎ　Ｏ，／　〜＜（、ｊ　％　Ｆ）範
Ｈでこｎらの７種ｔたは２種以上を合金した銅粉を用い
ることにより、圧粉体焼結時の収縮、緻密化がより生じ
易くなる０これは、ＰＫよるＣの反撥作用をＮｉ、Ｃｕ
。

ｓｎが一層助長するからで、その結果、炭化物生成元素
の近傍ＫＣが集まり嬰くなり、混合した黒鉛粉のスムー
ズな合金化が進行するものと考えられる。−これらＮｉ
、Ｃｕ、　Ｓｎの下限量は、上記効果の確認される最低
量であり、逆に上限量は、銅粉の圧縮性、成形性を損な
わない限界量という意味から定めたものである０ 以上のはかに、本発明法用の原料−鋼粉として、Ｃ−０
１Ｓ１の３元素量を、可能な限シ低値に抑制せねばなら
ない０すなわち、Ｃはθ、／！チ以下に、０Ｆｉｏ、り
Ｑ−以下に％ｔた８１け□、／θ那以下に抑制すること
が肝要である◇鋼粉中のＣ量がＯ１／！チを超えて多く
なると、合金Ｐと合金Ｃの双方の影響を受けて、銅粉の
圧縮性、成形性は著しく劣化し、圧粉体の強淀が低くな
って壊れ易くなる＠従って、本発明法のように１予めＰ
Ｙｒ合金した銅粉を用いる場合、ＰＫよる圧縮性、成形
性の劣化分管考慮して、銅粉中のｃｔを可能な限り低値
に抑制しておくことが大切であり、この意味からＣ量の
士＠値をσ、／！チとし次。次に銅粉中のＯＦｉ、その
量が余や多くなると、焼結時に焼結性が明害され、焼結
体の強度が低下するのみならず、混合した黒鉛粉との反
応性も悪くなり、焼結体中へのＣの合金化が進まなくな
るため液相も生成し麺〈なり、収縮真密度化が進行しな
くなる。

従ってこの理由から０量もまた□、７０　％以下に抑制
せねばならない０最後Ｋｓ１祉鋳鉄の黒鉛化促進元素と
してよく知られた元素であり、このＳｉが原料鋼粉中に
多量に合金化されていると、圧粉・体中に混合介在せし
めた黒鉛粉が基質中に拡散合金化せず、そのため焼結時
の収縮緻密化が起り難くなる０従って、収縮、緻密化を
促進するためには、銅粉中のＳ１量を０．１０チ以下に
抑制せねばならない。

以上、原料鋼粉の組成限定理由を詳細に説明し友が、次
にこの原料鋼粉に混合して使用する黒鉛粉について、混
合理由および混合量の限定理由を述べる・本発明法は、
焼結中Ｖ（Ｆｅ　、’Ｐ　−Ｃ７元系の液相を少量、か
つ均一に分散させて生成せしめ、こｆＬｆ：介して混合
黒鉛粉を基質中に拡散合金化せしめると同時に、この液
相を利用して、圧粉体の形状ン維持したｔま、徐々に収
縮、焼結化を進めて真密置部品？得ることを内容とし虎
ものであって、この時に、黒鉛粉が重要な役割を果すの
である。

要するに、上記のＦｅ−Ｐ−０７元系の液相状ｍｔ伴な
う焼結を行うのに１皺混合黒鉛粉がＰとの共同作用によ
って機能するのであや、これが凝固時に高硬質をもたら
すステダイト相をつくる〇しかし、かかる混合黒鉛の代
りに１予め原料鋼粉中に合金したＣ全利用することも考
えられるが、前述した通り鋼粉の圧縮性、成形性が著し
く阻害されるので好ましくなく、従って、本発明法では
黒鉛粉を混合使用する・この黒鉛粉の混合量は、焼結中
に液相を生成せしめる念めに、最低１６コ、Ｑ−が必要
である０しかしその量が！、！Ｓを超えて多くなると液
相生成量が異常に多くな９、焼結中に圧粉体の形状が崩
ｆ′したり、部品表面の肌荒れがひどくなるなどマイナ
ス面が現われるので、黒鉛粉の混合量は量大限！、！チ
で止める必要がある。

なお、混合し几黒鉛粉の一部は、銅粉中００と反応して
、焼結中に失なわれることがある。

次に本発明では、黒鉛粉を混合し念原料粉末を、金型中
で加圧成形して目的とする部品の圧粉体となし、これを
非酸化性雰囲気中で加熱、焼結し、その時前述の如き液
相生成ｆ：ｌｌ用して収縮させ、密度比１００　％の焼
結体、すなわち粉末製鋳物部品と成すのである。

上記の成形に当っては、ステアリン酸亜鉛の如龜固体潤
滑剤を原料粉末中に混合しても、あるいは金型潤滑によ
ってもよく、このこと自体は本発明法の本質的事項では
ないｏしかし、成形時の圧粉密度は極めて重要であり、
この値を最低限！・！ｌ／ｃＩＩＬ３にしないと焼結後
に気孔が残存してしまい、真密度が得られなくなる。

また、成形時の焼結の温度としては、１０００℃以上が
必要でＴｏｐｌこれ未満の温度では、液相の生成量が極
めて僅か、ある区は全く生成せず、従って収縮、真密度
化は不能となる０なお、１０００℃以上の温度域におけ
る実際の焼結温度は、混合黒鉛粉の量、合金Ｐ量、銅粉
の組成、圧粉密度などによ）異なってくるので、これら
の諸値に合わせて適宜実験によフ最適温度全決定しなけ
ればならない０ なお、本発明法において使用する焼結雰囲気は、大食の
脱炭や酸化を生じる酸化性雰囲気（空気や酸素ガス）を
除いて、不活性ガス（窒素やアルゴンなど）や還元性ガ
ス（−酸化炭素、水素、分解アンモニアガス（ＡＸ）％
　プロパン、ブタン等と空気による変成ガス（ＲＸ　）
など）でＴｏｆ’Ｌは十分であるＯ 以上で本発明法の構成内容とその理由および各構成要素
の限定理由の説明を終る力■、次に実施例によって本発
明法をより具体的に説明するＯ実施例　１ 原料粉末として、０．ＩＩ　Ｍｎ　−／　Ｃｒ　−ＯＪ
　Ｍｏ−ｏ、ｏｔ　ｐ鋼粉（重量）く−セント、以下同
様）を用いた０この粉末の化学組成および粉体特性は次
の通りである０なお、粒度分布も総て重量百分率表示で
ある〇 化学組成 Ｇ　　　　　　０１０９／　　％ Ｓｉ　　　Ｏ，θ！１ Ｍｎ　　　　　ｏ３ｖ Ｐ　　　　　Ｏ，０７？ ３　　　ｏ、ｏコ０ Ｃｒ　　　／、０６ Ｍｏ　　　　　Ｏ，＋２１ ｏ　　　ｏ、ｏｒｅ 見掛密度　　Ｊ、／／　ｆ／ＣＩＬ’ 流動度　　　−〇０．２賎／　！Ｏｆ１粒度分布 ｄｏ　〜／θメツシュ　ダ、／チ ／θ　〜１００　　　　　　　　　　タ６．２１００〜
／！０　　　　　　／Ｊ、７ ／ｊＯ〜コ００　　　　　３２．ｊ コク０　〜コｊθ　　　　　／／、ダ コ！θ　〜３−！　　　　　　１０，７−３コｊ　　　
　　　　　／／、グ この銅粉に黒鉛粉＆、ｊ　％とステアリン酸亜鉛／−と
を混合し、寸法７０口ｘ！ｔＬ（１１１）、圧粉密度に
、／　ＩＩ／ａｍ”に成形後、水素ガス中でｌ／！Ｑ℃
に７時間保持焼結した。その結果、密度比１００　％　
（白鋳鉄の密度を７．ｔｒ　ｆ／−さして求めた◇　な
お顕微鏡観察の結果でも気孔Ｆｉ認められなかった０）
、硬さ！／２　Ｈｖ　（荷重！即）の真密度焼結製品が
得られ一’ＩＦ−ｏこの試験片の長手方向の寸法収縮率
は、ダ、４％であった。

実施例　２ ２合金量が約０．Ｊ　％であることを除いて、他の合金
組成は実施例１とほぼ同じ鋼粉を用い、本発明法を実施
したＯ粉末の化学組成および粉体特性は以下の通りであ
ゐＯ 化学組成 ＣＯ，０１９％ ８ｉ　　　　０．（Ｍ！ Ｍｎ　　　　ｏ、ｒコ ｐ　　　　０．２７ ｓ　　　　ｏ、ｏ３ｉ Ｃｒ　　　　／、０／ Ｍｏ　　　　Ｏ，−ダ ０　　　　　　　　θ、Ｏ？！ 見Ｊｌ　密ｆ　　　ｉ、ａｔ　ｙ　／ｃｍｓ流動度　　
　／９．３式／　！０１ 粒度分布 ４０〜ｔｏメツシユ　　！、！チ ｒｏ〜１００　　　　　　　　　　　　デ、２１００〜
／１０　　　　　　／Ｊ、４ ｉｔｏへ−００Ｊダ、Ｊ ２００′〜コ１０　　　　　　　　　　　　／！、０−
！θ〜３コ！　　　　　　　　　　　タ、／−３２１／
Ｊ、１ この銅粉に黒鉛粉り、！−とステアリン酸亜鉛ｌ饅を混
合し、寸法１０口ｘ　ｓｒ　Ｌ　（紹）、圧粉密度ｔ、
ダｙ／ａｌに成形後、窒素ガス中で１０１０　℃Ｋ　／
時間保持焼結した０その結果、密度比１００　％　Ｘｆ
さ！ｒＪ　ＨＹ　（荷重！即）の真密度焼結製品が得ら
れた。この試験片の長手方向の寸法収縮率は５．４％で
あった。

以上の実施例１および２と比較するため、同一組成（０
，１！　Ｍｎ　−／　Ｃｒ　−ＯＪ　Ｍｏ　）の鋼粉に
Ｐｔ−０１θ２／　％合金したものと、０．３７−合金
したものとを用いて、これらに黒鉛粉り、！嘩およびス
テアリン酸亜鉛１ｔｓｔ混合し、前者は密度に、／　１
１　／ｃｍ’に１後者は４．４ｔ　ｇ／ａｎ’に成形後
、水素ガス中で前者は７７５０℃で７時間、後者／ｄ　
１０ｊＯ℃で７時間の焼結を施した・成形体寸法は、実
施例１および２と同一にしたＯその結果、前者は密度ｄ
、ツａ、ｙ／ａｔ’の焼結体とな９、黒鉛の大半が遊離
状態で残存１７たほか、気孔も多数観察され、真密度化
は不能−Ｃあった０これに対して、後者は半溶融状態と
なり一１形状が崩れかかつていたほか、表面の凹凸力１
激しく鋳物部品と同等の焼結製品の製造には不適尚なこ
とがわかったＯこれらの比較例および実施例１．２から
、原料鋼粉中のＰ量に最適範囲のあることがわかる０ 実施例　３ 原料粉末に八Ｊ　Ｍｎ　−０，ｔ　Ｎｉ　−０，ｚ　Ｃ
ｒ　−０，ｊＭｏ　−０，Ｉ　Ｐ組成の鋼粉を用いたＯ
この鋼粉の化学組成および粉体特性は次の通りであるＯ
似も１凰 Ｇ　　　　　　Ｏ，０ダ７％ ８１　　　　　　０．０コタ Ｍｎ　　　　　　／、３２ Ｐ　　　　　　　Ｏ，／Ｊ Ｓ　　　　　　Ｏ０θ０／ Ｎｉ　　　　　　Ｏ０ｊダ Ｃｒ　　　　　　　Ｏ，ダク Ｍｏ　　　　　　０３１ ０　　　　　０、コ１３ 見掛密ｆ　　　Ｊ、０コｙ／ｃｒｌ Ｊ！ＪＬＬ１２１．５ｗ１ｃ／！Ｏｆ 米ｊｌＪｔ−布 ４０〜１０メツシユ　／３．コチ ？Ｑ〜１００　　　　　　　　　／Ｊ、？７００〜／１
０　　　　　　　　　２３．０／！Ｑ〜２００　　　　
　　　　　　−コ、コ一〇Ｑ〜−！０　　　　　　　　
　　　　？、７コ！Ｏ〜Ｊコｊ　　　　　　　　　　　
／／、３−３２！　　　　　　　　　　　　　≦、２こ
の鋼粉に黒鉛粉Ｊ、ｊ　％とステアリン酸亜鉛／優とを
混合し、寸法１０口ｘｊｊＬ（ｗｘ）、圧粉密度≦・４
１１／ＣＨＩＬ’に成形後、水素ガス中で７０２０℃に
４ｔ。

分保持焼結した０その結果、密度比１００％、硬さ１８
２　ＨＹ（荷重！即〕　の真密度焼結製品が得られた０
この試験片の長手方向の寸法収縮率はｔ、３９６であっ
た＠ 以上の実施例からも明らかな通り、本発明法の適用Ｋｘ
ｐ真書菫で高硬度の溶結製品が製造でき、しかも予め寸
法収縮率を実測し、その分を見込んで金型設計を行なっ
ておけば、寸法精贋の良好な鋳物と同等の焼結部品を得
ることが可能であるＯこのよう圧して得た高硬度焼結製
品は耐摩耗性に優ｎるので、例えばカムなどに適用でき
、さらにシリンダーライナーなどへの応用も可能である
。

本発明法の適用により高硬ｆが容易に得られるのは、主
としてステダイト相の形成によるものであるが、このス
テダイト相は、Ｆ・−Ｐ−Ｃ７元糸の液相部分が凝固す
る際に形成されるものであり、合金Ｐと混合黒鉛粉の寄
与するところであるＯ従って、本発明の範８に一外れて
２合金量の少ない銅粉を使用した場合には、液相を殆ん
ど生成しないので、焼結中に大きな収縮１生じることも
なく、従って密度や硬さの大幅な増加も殆んど起らない
。

例えば、前記比較例（０，ｒ！　Ｍｎ　−／　Ｃｒ　−
０，２！ＭＯ鋼粉にＰを０．０１／％合金したものに黒
鉛粉を７７１０℃で焼結ｊ、たもの）の場合、焼結によ
る寸法収縮率Ｆｉｏ、４ｔコ％てあり、焼結体の硬さＦ
ｉ＃コＨマ（荷１ｊ４）であった・なお、Ｐ量が逆に本
発明の範囲を外れて多い場合には、前述した通りφ結に
より半溶融状態となって部品形状が崩れてしまう以外に
１部材の脆弱化も著しくなってしまうＯ 以上説明したように本発明方法は、通常の粉末冶金技術
の適用によって真書ｆ（密度比／θＯ％）の鋳物部品と
同等の焼結製品を製造することができるので、同一形状
の機械部品を多数生産する場合には、甚だ好都合である
。つまり１．一つの金型があれば十分であり、従来鋳造
法の如く多数の鋳ａｌ！ｔ−準備する必要がない＠しか
も成形は冷間で行なえ、その自動化が容易な上、焼結も
連続して行なえるなど、従来の鋳造法に較べれば生産性
、作業性、コスト面で極めて有利である。また本発明法
では、従来鋳造法の如！＃湯を使用しないので高熱作業
がなく、作業環境や安全性の面からも１別々なるＯ 特許出願人　川崎製鉄株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量−で、主成分としてｃ：ｏ、ｉｐ−以下、０　
   ：　０．７０　％以下、８１　：　０，１０９１以下、
   Ｐ：ｔ）、０１〜０．ＪσＳを含み、選択成分としテＭ
   ｎ：２．１％以下、Ｃｒ　２４．１−以下、ＭＯｇ＆、
   Ｊ％以下、Ｖニー、デー以下、Ｎｂ：Ｊ、／％以下およ
   びＷ：ダ、コチ以下のうちから選ばれる７種または１種
   以上を含み、かつその選択成分の合計量が０．４’　−
   ｊ、ｊ−の範囲内にあって、残部が不可避的な不純物と
   Ｆ・よりなる銅粉を原料粉末とし、その銅粉に黒鉛粉を
   １．０％！Ｊ饅混合し、金型を使って密度！、ｊ　ｌ／
   ｃａｒ’以上に圧縮成形した後、その成形圧粉体を非酸
   化性雰囲気中で１００ｆＯ以上に加熱して焼結、収縮さ
   せることによシ、真密度を有する焼結体とすることを特
   徴とする焼結製品の製造方法。 ２．１量チで、主成分としてＣ：θ、／！−以下、０”
   　’−”ｓ以下、８１　：　０．”　Ｓ　以下、Ｐ：０
   、Ｏｊ〜０．ＪＯチを含み；選択成分としてＭｎＨＪ、
   Ｊ−以下、ｃｒ：＜、ｔｌ以下、Ｍｏ：４ｔ、ｒ４以下
   、Ｖ：ｚ、タチ以下、Ｎｂ：コ、／チ以下およびＷ　：
   　＆、、２　％以下のうちから選ばれる７種または一種
   以上を含み、かつその選択成分の合計量がｏ、４ｔ−ｔ
   、ｊ　％であって、それに加えてＮｉ　：　０．１〜１
   ０％％Ｃｕ　：　０．／〜ｊ、０％およびａｎ　：　０
   ．７〜４ｔ、ｊ嘩のうちから選ばれる７種または一種以
   上を含み、残部が不可避的に混入する不純物と？・よ〕
   なる銅粉１原料粉末とし、その銅粉に黒鉛粉ｆ　Ｊ、Ｏ
   −ｊ、ｊ　％混合し、金型を使って密１ｊ　！、！　ｌ
   ／ＣＲ”以上に圧縮成形した後、その成形圧粉体を非酸
   化性雰囲気中で１０００℃以上に加熱して焼結、収縮さ
   せることにより、真密度を有する焼結体とすることＹｒ
   ｑ＃微とする焼結製品の製造方法＠