JPS5853684B2 - 異種粉末材料からなる焼結製品の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱膨張係数または変態点の異なることが原因で
異種材料との接合が困難もしくは接合後の加工で接合強
度の低下の危険のある金属または合金を粉末冶金法によ
り完全に接合すると共に接合強度を著しく向上させる異
種粉末材料からなる焼結製品の製造法に関し、就中切削
工具で切刃構成部と、切削に関与しない柄部或いはボス
部を構成する部分が異なる材質からなる焼結工具の製造
に適した製造法に関するものである。

従来の高速度鋼を用いた切削工具において、製造原価を
廉くするために切刃部を高速度鋼とし、柄部やボス部な
どの切削に関与しない部分を合金工具鋼や構造用鋼など
安価で切削加工や研削仕上げなどが容易な加工性の良い
材料を接続して用いることが行われている。

そして上記の異った材料の接続方法としては（１）フラ
ッシュバット溶接や摩擦溶接あるいは（２）ビーム溶接
や （３）ロー付法などが用いられている。

然しなからフラッシュバット溶接や摩擦溶接は溶接によ
る寸法の減少、溶接後の焼鈍或いはその後のパリ取り加
工と寸法出し加工など数工程を必要とし、この方法で作
られる切削工具のコストを大きく押上げる欠点を持って
いる。

ビーム溶接は設備費の増大をきたすと共に作業能率を低
下させるため、コストの低減には役立たない。

更にロー付法はロー付のための加工が必要であり、切削
工具の寸法精度を高めるために研摩仕上げが行われるが
、この工程はコストを犬キ＜押上げると共に精密工具を
製造する上において著しい寸法精度上の困難を伴なうた
めに実用化はほとんどされていない。

さらに、高性能の粉末金属と低性能の粉末金属とを粉末
焼結法により接合して歯車や軸受などを製造するために
、円筒状の仕切りを介して異種の粉末金属をダイスに充
填してから、仕切り除去し、焼結することが行われたが
、異種材料が圧粉面同志で接合されているので、焼結時
あるいは焼結後の熱処理の段階で変態点または熱膨張係
数の相違により応力が発生して割れが発生した。

本発明は粉末焼結法を用いることによって上記のような
異種材料の接合に際して避けられなかった欠点を解消す
るものであって、焼結を容易にするために予め粉末粒度
調整を行い、次に型の中の仕切板に第１と第２の粉末を
充填した後仕切板を除去し、さらに型と共に振動を与え
て仕切板は除去した部分に両粉末の混合相を形成し、さ
らに密度９５％以上に焼結し、次いで熱間加工を施すこ
とにより高密度や焼結製品を製造する方法に関し、特に
高精度の切削工具等の焼結工具を安価に製造することが
できるものである。

次に切削工具の製造に例をとって本発明を説明する。

本発明は上述のように次の主要な四つの工程で実施され
る。

第１の工程は焼結体の高密度化を容易にするための粉末
粒度調整を主体とする工程である。

焼結法により高速度鋼或いは合金鋼を得る方法で最も一
般的なのは水或いはガスによるアトマイズ粉末を出発材
料とする方法であるが、本発明では圧粉成形の工程を経
て焼結体を得るため、成形性の良い水アトマイズ粉末が
好適である。

しかしながら水アトマイズ粉末は粉末の形状が複雑なた
めカサ密度が低く、圧粉戒形後暁結を行なっても、高密
度化が難しい。

そのため本発明では水アトマイズ粉末をボールミル或い
は振動ミル等により粉砕し、水アトマイズ粉末の必要以
上に複雑な形状部分を破壊して球状に近い粉末形状を得
る事により、圧粉密度の向上による焼結体の密度上昇と
粉末の微細化による焼結促進を計り、焼結体の密度上品
を容易にしている。

更にこの工程では必要炭素量の調整を目的とする炭素の
添加など成分調整も行なうことができる。

第２の工程は上記のように粒度調整された粉末を目的の
形状および寸法に圧粉成形する工程である。

普通の焼結方法では焼結体の寸法精度が殆どこの工程で
決定されるため、慎重に行なわれるが本発明では焼結後
、熱間押出或いは熱間据込鍛造など熱間加工が行なわれ
るため圧粉体の精度はそれ程重要視しなくても良い。

このため、粉末の圧粉成形は機械的な手段或いは静水圧
的な手法のいずれでもよく、むしろ粉末の重量管理を充
分に行なうことによって材料費の節約がなされる。

この工程で重要なことは高速度鋼粉末と合金工具鋼ある
いは構造用鋼粉末とを圧粉面で接合しないことである。

すなわち一定範囲に両者の相互拡散を伴なった混合相を
形成せしめ、これを媒として両材料を強固に接合させる
と共に、熱的或いは変態の相異による応力の発生を連続
的且つゆるやかにするものであるが、粉末法によればこ
の混合相は容易にそして自由に形成させることができる
。

これを棒状製品又は板状製品について説明すると第１図
−イに示すように粉末ＡとＢの間にＡ＋Ｈの混合相６を
形成させるのである。

この混合相は仕切板により粉末ＡとＢを積重ねた状態で
置き、これを振動させることによって界面における粉末
同志の混合を計る。

また接合強度が要求される場合や、応力の発生を更に緩
和する必要のあるときには第１図−口および第１図−ハ
のように接合面を互に係合する屈曲した面として該接合
面に形成した混合相の存在状態を変化させるのが好まし
い。

このような混合相を形成させて異材を接合するには、第
２図のイ〜ハのように棒状材料の内外接合や第３図のイ
〜ハのような局部的な接合にも利用されるが、これは粉
末充填時に必要に応じた形状の仕切板を使用し、粉末充
填後、これを引抜き振動を与えるだけの操作で簡単に形
成させることができるもので、ラバープレス等を併用す
れば板状材やパイプ状材など異材接合材の形状および接
合位置の選択は自由である。

なお、以上に反し、仮りに圧粉面同志で接合させた場合
は、焼結時或いは焼結後の熱処理時に変態点または熱膨
張係数の相異により割れの発生を見ることがある。

第３の工程は熱間加工が可能な焼結体を得るために焼結
体の密度を９５％以上にする工程である。

この工程の雰囲気は真空中、水素中あるいは還元性雰囲
気中のいずれでも良いが水アトマイズ粉末は多くの酸素
を含有しているため、切削工具として使用可能な３００
ＰＰｍ以下の残留酸素量の焼結体を得るためには真空
焼結あるいは水素中焼結が好ましい。

焼結温度は使用高速度鋼の焼入温度範囲１１８０℃〜１
３００℃が好ましく、それ以上の温度では炭化物および
結晶粒度の粗大化や一部溶融を生じるなどして焼結高速
度鋼の品質を悪化させる。

更に、上記温度範囲より低い温度での焼結では、焼結体
の残留酸素量を好ましい値にすることは難かしく、焼結
以降に行なわれる熱間加工に耐えるだけの９５％以上の
密度を得ることが困難となり、合金元素の相互の拡散が
不十分となる。

第４の工程は上記焼結体を熱間加工し、切削工具として
充分な強度を有するように切刃部およびそれ以外の部分
を高密度化する工程である。

一般に固相焼結では焼結のみの状態で１００％密度を完
全に得ることは非常に困難であり、切削工具のように数
多くの切刃をもち、その一点にでも空孔があると、致命
的となるような場合には熱間鍛造焼結や熱間押出焼結な
どの熱間加工により高密度化して用いるのが普通である
。

それ数本発明でも熱間加工を施し、安定な高密度化をこ
の工程で行なう。

すなわちこの工程では、ドリルやエンドミルに代表され
るような長物切削工具では、焼結後熱間押出しにより全
体を高密度化するか或いは切刃部（高速度鋼部）を熱開
成形すると共に高密度化し、この時の押込圧力により切
刃部以外の部分を高密度化する。

更にピニオンやホブなどに代表されるような切削工具で
は焼結後焼結体全体を熱間型鍛造するか注意深く熱間据
込鍛造する。

不用意にこの工程を行なうと高速度鋼の部分と合金工具
鋼或いは構造用鋼の部分とでは、鍛伸性が大きく相異す
るため、高速度鋼の部分を割るおそれがある。

このため据込鍛造を行なう焼結体では最終形状より細長
い圧粉体を作り、焼結抜上下方向に鍛造して径方向に押
広げ、その後径方向に軽く鍛造し、必要径に仕上げるこ
とが望ましい。

この工程では焼結体が粉末粒度調整と高温焼結により９
５％以上の密度になっているため残留する５％以下の空
孔は閉空孔であり、普通溶解材と同じく大気中で加熱し
ても欠陥を生ずることがない。

然し水素雰囲気焼結などのように焼結雰囲気から焼結体
を直接取出せる条件下ではそのまま熱間加工を行なうこ
とができ、１回の加熱を除くことができる。

以下にこの発明の実施例を示す。

一６０メツシュの高速度鋼５ＫＨＩＯおよび合金工具鋼
５ＫＤ６の水アトマイズ粉末に０．４％（Ｗｔ）の炭素
を添加し、それぞれ高速度鋼製のボールミルにより４８
時間乾式粉砕と添加炭素の混合を行なった。

この処理で上記それぞれの粉末は第１表のような粉度分
布を示し、粉末の微細化と粒度調整が行なわれた。

次に、それぞれの粉末は水素中で９００℃×１．５時間
の還元焼鈍が施され、軟化と共に、一部酸素を除去する
ことによって、成形性の向上が計られた。

このようにして得られた粉末を用いて静水圧法により円
板の中心部が５ＫＤ６粉末である圧粉体を４ｔｏｎ／ｃ
ｎｉの圧力で成形した。

成形方法としては第４図−イの様に圧粉による縮み代だ
け大きく作られたゴム型１１の中心部には仕切板１２と
して５ＫＤ６の粉末が充填される大きさに相当する１、
５朋厚Ｑ鋼板の円筒を置きその外周部に５ＫＨＩＯの粉
末１４を充填し、次いで鋼板の円筒中に５ＫＤ６の粉末
１５を充填した。

更にこの状態で静かに上記円筒を抜取り第４図−口のよ
うに別に用意されたパイブレーク１１により、ゴム型共
に振動させ、粉末全体を振動充填する方法を取った。

この振動充填により円筒を抜いた位置に５ＫＨＩＯと５
ＫＤ６の粉末が噛み合って混合相１６が形成される。

次いで、第４図−ハに示したようにラバー型を排気密閉
１８した後、普通の静水圧的手法により中心部に５ＫＤ
６粉末を持ち切刃を構成する外周部が５ＫＨＩＯの粉末
である円板状成形体が一体となって製造された（第４図
−二）。

との圧粉体を１Ｏ−３Ｔｏｒｒの真空中で１１５０℃×
１．５時間更に１２４０℃で３０分間加熱する真空焼結
（第４図−ホ）された後、重油炉中で１１５０℃に加熱
（第４図−へ）して第４図−トに示した様にハンマー１
８ダイス１９を使って上下方向に鍛造し、次いで第４図
−チの様に径方向に鍛造し、円板状鍛造材を得た。

この時５ＫＤ６の部分はこの鍛造体の中心部に存在して
いた。

この鍛造体は焼鈍後第４図−リの様な形状に切削加工し
熱処理後研摩仕上げによりピニオンカッターに仕上げら
れたが、この時の熱処理は割れおよび変形を防ぐために
１２４０℃から５５０℃の熱浴に焼入し熱歪の発生を極
力押える方式が取られた。

更に５５０℃×１時間の焼戻を２回繰返した時の切刃部
の硬さはＨＲＣ６６，５を示し、５ＫＤ６のボス部はＨ
Ｒｃ ４６で材料的な欠陥は切刃部およびボス部共に全
く認められなかった。

以上は切削工具や、パンチなどの焼結工具と各種の熱間
加工工程を用いた実施例について本発明を詳述したが、
本発明は単に焼結工具の製造法に限定されるものではな
く、たとえば耐摩耗性や耐蝕性あるいは電気的特性など
を要求される製品であって、しかもそのような性能を必
要とする部分が全体の一部分であり、またはその材料が
高価であるような場合に広く用いることができる。

そして本発明にあっては上述の如く粒度調整をした２種
の粉末材料を仕切板により区切った空間に充填し、仕切
板を除去し、型と共に振動を与えて接合面に両材料の混
合相を形成し、しかも９５％以上の密度に焼結後更に熱
間加工を施して高密度するので、両粉末は強固に一体的
に焼結され、接合面には相互拡散層が形成され、そこか
らはがれるおそれは全くないし、又均質であるので、従
来の全体を高価な溶解材で形成した製品に勝るとも劣ら
ぬ優れた効果を奏することができ、製造原価低減に貢献
するところが犬である。

【図面の簡単な説明】 図面は本発明の実施例を示し、第１図は棒状材または板
状材の接合形態の模型図、第２図は棒状材またはパイプ
材の接合形態の模型図、第３図は局部接合形態の模型図
、第４図はピニオンカッタの製造工程図である。 Ａ、４，１４，２４・・・・・・第１の粉末、Ｂ、５゜
１５．２５・・・・・・第２の粉末、６，１６，２６・
・・・・・混合相、１２・・・・・・仕切板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 異なる粉末からなる２つの部分を接合してなる焼結
   製品の製造法において、２種の粉末に予め微細化と粗度
   調整を施し、次いで型の中に仕切板を介して第１と第２
   の粉末を充填した後仕切板を除去し、さらに型と共に振
   動を与えて仕切板を除去した部分に両粉末の混合相を形
   成し、ついで密度９５％以上に焼結後、熱間加工により
   高密度化することを特徴とする異種粉末材料からなる焼
   結製品の製造法。 ２ 粉末として水アトマイズ粉末を使用する特許請求の
   範囲第１項記載の異種粉末材料からなる焼結製品の製造
   法。 ３ 第１の粉末は高速度鋼粉末であり、第２の粉末は合
   金工具鋼あるいは構造用鋼の粉末である特許請求の範囲
   第１項記載の異種粉末材料からなる焼結製品の製造法。 ４ 熱間加工は熱間押出、熱間押込、熱間据込鍛造、熱
   間型鍛造のいずれかである特許請求の範囲第１項記載の
   異種粉末材料からなる焼結製品の製造法。