JPS59226101A - スズ含有鉄系粉末およびその製造方法ならびにその使用方法 - 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】 この発明は問械部品あるいは軟質磁性部品等に使用され
る鉄系焼結材料の原料粉末とその製造方法、ならびにそ
の原料粉末の使用方法に間するものである。

周知のようにモータ等の電気機器の鉄芯などの軟質磁性
部品としては、゛電気鉄板やＴＩ素円板等が従来から広
く使用されていたが、最近では鉄粉を圧粉成形および焼
結してなる焼結磁性材料が電気鉄板や珪素鋼板等に代っ
て使用され始めている。

このような焼結材料は原料歩留りが高く、また加工コス
トが低く、さらには形状自由度が大きいなど粉末冶金特
有の利点を有するが、材料中に空孔が残るため磁気特性
が電気鉄板や珪素ｎ板と比較して劣らざるを得ない欠点
がある。

上述のような鉄系焼結材料の欠点を改善するため、種々
の添加物を添加する試みがなされており、これらのうち
でも特にスズ（Ｓｎ）は比較的低温で液相を生成するた
め、スズを添加した場合には焼結中に液相が生成され、
また鉄にスズが汀溶することによって焼結中に鉄のα相
が出現し、その結果焼結密度を向上させて空孔の悪影響
を低減させるとともに、α相の結晶粒成長が促進されて
、優れた磁気特性を実現させる可能性がある。またリン
（Ｐ）も焼結中にα相を出現させる作用を有するから、
スズとリンとを合せて添加することにより、一層優れた
磁気特性を期待することができる。

また、このような高密度の焼結体が製造されるならば、
耐摩耗性や高強度を特徴とする焼結携械部品への適用も
期待することができる。

ところで鉄系焼結材料においてスズ、あるいはスズおよ
びリンを添加する方法としては、特開昭４８−１０２０
０８号公報に記載されているように、スズの粉末を鉄１
シ）または鉄粉およびリン扮に混合し、圧粉成形および
焼結する方法が知られている。しかしながらこの場合焼
結中に溶融したスズが鉄粉粒子間にはいり込んで粒子間
隙を押し拡げ、しかも溶融前のスズ粉の位置に流出孔が
残るため、焼結密度が実際には充分に上がらず、その結
果充分な磁気特性が得られなかった。

このような問題を解決するための手段としては、予め合
金化した鉄系粉末を用いることが考えられる。しかしな
がら鉄系粉末はスズの合金化によって硬くなり、圧縮性
が著しく劣化して圧粉密度が低くなるから、スズの流出
孔の発生は防止し得るものの、結局は高い焼結密度を得
ることが困難となる。一方混合添加する金属スズ粉とし
て極めて杷かいものを用いれば、焼結中にスズが溶融し
ても大きな流出孔が残らないため、均一な焼結が進行し
て、高密度の焼結体が１ｑられると考えられる。

しかしながらスズ粉の製造に通常適用されているアトマ
イズ法や搗砕法ではそのような微細なスズ粉を効率的に
得ることは困難であった。

この発明は以上のような亭情に鑑みてなされたもので、
上述の欠点を一掃して焼結体密度が高く磁気特性の優れ
た鉄系焼結材料を得ることができる焼結原料粉末および
その製造方法ならびにその使用方法を提供することを目
的とするものである。

本発明者等は上述の目的を達成するべく鋭意実験・検討
を重ねた結果、鉄−スズ系もしくは鉄−スズ−リン系の
焼結材料用粉末において、スズ源として、鉄系粉末の粒
子表面にスズ濃度の高い部分を形成させた複合粉末を用
いれば、高密度で磁気特性の優れた焼結体が得られるこ
とを見出した。

そしてまたスズｍ化物の粉末を鉄系粉末と混合してこれ
を還元処理することによって前述のような複合粉末が容
易に得られることを見出した。なおこの場合、複合粉末
中のスズ含有ｎを１〜２０重最％、焼結体中のスズ含有
母を１〜１０重０９６とすることによって所望の効果を
１ｑることができる。

したがって本願の第１発明のスズ含有粉末は、鉄を主成
分とする粉末の粒子表面にスズ濃度の高い部分を設けて
なり、全スズ含有０が１〜２０重量％であることを特徴
とする焼結性に口れだスズ含有鉄系粉末である。

また第２発明の粉末製造方法は、前記のスズ含有鉄系粉
末を製造するために、３Ａを主成分とする粉末にスズの
酸化物の粉末をスズ口に換算して１〜２０重量％混合し
、還元性雰囲気中にて４５０〜７００℃の温度で還元処
理することを特徴とするやのである。

さらに第３発明の粉末使用方法は、本願の第１発明によ
るスズ含有鉄系粉末を用い、かつリン含有粉末を含む粉
体を混合添加し、圧粉成形および焼結して、スズを１〜
１０重最％、リンを０．１〜２重量％含有する鉄系焼結
材料を得ることを特徴とするものである。

以下この発明についてさらに詳細に説明する。

この発明においては、スズ含有鉄系粉末どして、前述の
ように鉄系粉末の粒子表面にスズ濃度の高い部分を形成
させ、全スズ員を１〜２０重示％とじた複合粉末を提供
する。このような複合粉末をスズ源として用いて焼結す
れば、焼結中にスズが溶融しても、細かく分布している
ためスズが鉄粉粒子中にすみやかに拡散し、その結果ス
ズが鉄粉粒子間を押し拡げる挙動および大きな空孔が残
る挙動とが抑制されるのみならず、合金化が迅速かつ均
一に起こるため、α相が出現し易く、そのため焼結が促
進されて、高密度の焼結体、すなわち機械的および磁気
的特性の優れた焼結体を（創ることができ、しかもスズ
の効果により結晶粒を大きくすることができ、磁気特性
はざらに饅れたものとなる。

但し複合粉末中のスズ含有値が１００％よりも少ない場
合には、第１図に示ずＦｅ　−Ｓｎ状ｆ２図ｆｉｘら理
解されるように、θ金粉末単独で焼結した場合でさえも
通常の焼結温度である９５０〜′＋　３００℃において
α相が出現せず、焼九・占促進の効果が充分に冑られな
い。一方２０言但％をバえる闇のスズを鉄系粉末粒子表
面にスズｉ！！度の高い部分として形成させることは回
灯であり、この場合ｎ　Ｒ時にスズが凝集して、超大な
スズ粉を混合した場合と同様な挙動が現われてしまい、
この発明の効果が発揮され得なくなる。

上述のような複合粉末を（７る手Ｂとしては、鉄粉にそ
の鉄系粉末粒子の粒径と同程度以下の粒径のスズ酸化物
０末を浪合し、）］元性雰囲気にて４５０〜７００℃の
温度範囲で加熱してスズ酸化物を還元する方法を採用す
ることが望ましい。ここで使用されるスズ酸化物とは、
ＳｎＯもしくはＳｎＯ２またはそれらの混合物であり、
このような酸化物は金属と比較して極めて脆いため容易
に微粉化することができ、その微細なスズ酸化物を鉄系
粉末と混合して還元処理することによって鉄系粉末粒子
表面にスズ濃度の高い部分を均一に設けた複合粉末を得
ることができる。

上述の還元処理温度が４５０℃よりも低い場合には、後
に実施例１に示すように、スズ酸化物が充分に還元され
ず、硬質の酸化物が残るため、圧粉成形におけ為金型摩
耗の原因を招くとともに、圧粉密度が充分に上がらず、
その結果焼結密度も低くなってしまう。一方還元処理温
度が７００℃より高ければ、同じ〈実施例１で示すよう
に、スズが鉄系粉末中に＠端に拡散、合金化してしまい
、その結果粉末が硬くなって圧粉密度、ひいては焼結密
度が低下する。これらの理由により還元処理温度は４５
０〜７００℃の範囲内とした。

ここで本発明法によるスズ含有複合鉄系粉末の生成ご構
についてさらに詳口に閉門を加える。

まず、鉄系粉末とスズ酸化物との混合により、鉄分とス
ズ分とが巨視的に交ざり合った混合物ができる。この場
合、スズｒ】化物粉末は絹かい方がより緊密な混合状態
となるが、比較的粗くでも次工稈以薪てＶ２ｔ”Ｊ化す
るから、鉄系粉末ど同程度以下の粒度であれば汗しつか
えない。がかる況゛合物を還元性雰囲気中で４５０℃以
上に加熱すると、スズ酸化物が還元されて金属スズが出
現する。加？”’、　ｍ　ｒｆＣはスズのＦｐ点よりも
充分に高いため、ただちに溶ｒ）スズとなり、鉄系粉末
との澗れ↑１が良好なことから、スズが鉄粉粒子表面の
一部または全体を？ｆ２覆する。溶ｒλスズは鉄と一部
反応し、て鉄−スズ化合物を鉄系粉末の高い粒子会商に
生成して固体となり、該粉末表面に５Ｉ１１度の部分を
形成する。

第２図にはこのようにして製造した鉄−スズ複合粉末の
粒子表面の走査電子顕微鏡写真を示し、また第３図はそ
の粒子表面の一部の模式図を示す。

第３図において符号１は粒子表面の起伏を示し、またそ
の粉末表面の極めて細かい白色斑点状の微細析出部分２
が主として鉄−スズ化合物である。

このことは、第４図に示す鉄−スズ複合粉末粒子のＸ線
マイクロアナライザー写真およびＸ線固定解析により立
証される。すなわち第４図（Ａ）は二次電子像、第４図
（Ｂ）は対応するＳＩＩ特性Ｘ線像、第４図（Ｃ）は対
応する［ｅ特性Ｘ線像であり、Ｘ線解析によれば、粒子
表面の微細生成物の主成分は鉄−スズ化合物（Ｆｅ　Ｓ
ｎまたは°Ｆｅ３Ｓｎ２、もしくはＦｅ　Ｓｉ　２など
）であり、一部金属スズも固定された。

上記製法において、加熱温度が低いほど、また加熱時間
が短いほどスズど鉄どの反応が不完全な状態で終了し、
それに応じて金属スズが鉄系粉末粒子表面に残ることが
ある。また、鉄系粉末粒子の表面を１覆しないで残った
スズ（または、このスズが鉄と反応して生成した鉄−ス
ズ化合物）が粒子状になって、鉄系粉末粒子表面に付着
する例も部分的に見られることがある。粉末の特性上は
、できる限りのスズ濃度の高い部分を鉄系粉末粒子表面
に均一に生成させ、しかもそのスズ邑析部を鉄−スズ化
合物とすることが好ましいが、その点のみにとられれて
加熱温度が７００℃を越えてしまうと、今度は鉄系粉末
粒子表面に偏析するスズが容易に鉄系粉末粒子内部に拡
散、合金化して鉄系粉末の硬化を招くから、一部金２ス
ズが残ることもやむを得ない。

なお、鉄系粉末に含有される元素によって、上記スズ濃
度の高い部分に鉄、スズ以外の第３の元素が含有される
こともありうる。

本発明法において提案した鉄−スズ複合粉末がきわめて
焼結性に優れている理由は、らぎの２点によって説明さ
れる。第１は、すでに述べたようにスズが微細に鉄系粉
末粒子表面に存在するため、それが仮に金属スズであ１
ても、焼結時にスズの大きな流出孔が残らず高密度化す
るためである。

第２は、とくにスズ分が鉄−スズの化合物の形で存在す
る場合、その融点が高いため、焼結時液相が出るまでの
間にスズの鉄中への拡散がある程度進行し、その結果、
スズ濃度の高い部分が一挙に溶融して大きな流出孔を残
す現象が抑制されるためである。

本発明における鉄−スズ撞合粉末の製造方法に類似した
技術として鉄−鋸複合粉末の＠遣方法が特開昭５３−９
２３０６号公報および特開昭５６−３８４０１号公報に
て明らかにされている。これらと本発明法との根本的な
相違点を以下説明する。第１に、公知の鉄−銅複合粉末
の製造方法においては、複合させるための加熱温度を銅
の融点以下としているのに対し、本発明法ではスズの融
点以上の加熱温度を用いているため、スズがいったん鉄
系粉末を被覆する過程を経ており、より均一なスズ分布
が実現できる。第２に、公知の鉄−銅複合粉末製造法に
よっては、銅の形態は金属銅であるのに対し、本法では
スズの少なくとも一部は鉄−スズ化合物となっている。

したがって、鉄−銅複合粉末においては、混粉法に比較
して焼結性すなわち焼結密度の大幅な向上は見られない
のに対し、本法では顕著な向上が認められるのである。

なお本発明法の鉄−スズ複合粉末のｍ要な応用として前
述のように焼結磁性部品が上げられる。

また、磁気特性向上元素として知られるＰを同詩に添加
して焼結体を製造することにより、さらに優れた特性が
得られる。

この発明の方法においては上述のような夜会粉末を単独
で圧粉成形および焼結しても良く、あるいは複合粉末を
鉄粉と混合して焼結しても良い。

また鉄−スズ−リン系の焼結材料を得８男合には上述の
ような複合粉とリン添加原料としてのリン含有粉末例え
ば鉄−リン合金粉あるいは赤リン粉等とを混合するかＪ
：たは棧合粉、リン含イｊ　ｆ、；ｊ末および鉄粉を混
合し・、圧粉成形および焼結ずれば良い。もちろん潤澗
材を所定是況合して圧粉成形する場合もこの発明の方法
に含まれる。

最終的に１りられる焼結体中のスズ含有量は１〜１幡１
％の範囲内どする。Ｆｉ！桔休の体ズ含有量が１重Ｍ％
未満では必然的に複合粉末のスズ含有ｅが１重Ｍ％未満
どなり、前述のように焼結促進の効果が得られず、一方
焼結体のスズ含有量が１０重量％を越えれば第１図のＦ
ｅ　−Ｓｎ状態図から明らかなように焼結後の冷却過程
で非磁性の金属間化合物相（Ｆｅ　Ｓｎ　）が析出し、
ｇｆ！Ｉｉ！ｉ体の磁気特性を劣化させる。

また鉄−スズーリン系灼拮体の場合には焼結体中のリン
含有量を０．１〜２重号％の範囲内とする。

リン含有量が０．１１１！１％より少なければ第５図の
Ｆｅ−Ｐ系状態図から理解されるように、通常の焼結温
度である９５０〜１３００℃においてα相が出現せず、
リン添加による焼結促進の効果が得られない。もちろん
スズが共存することにより、α相を出現させるに必要な
リン号も代わってくるが、鉄−リン系でα相が出現しな
い程度の少ないリン量では、鉄−スズ−リン系において
も添加の効果が極めて小さいと考えられる。一方リン源
となるべき粉末の添加は、周知のように混合粉末の圧縮
性を劣化させ、特にリン饅が２重す％を越えれば圧粉密
度が極めて低くなり、その結果焼結密度が低下するとと
もに、焼結による寸法変化が大きくなって焼結体の寸法
精度が劣化する。したがってＩＪ　’７含有ＡＧＩ　Ｏ
０１〜２！Ｐ％（７）Ｐ、ｌＩ’Ｑ　トＬ　ｔ：。

以下にこの発明の実施例および比較例を記す。

実施例１ 一８０メツシュの粒洩のアトマイズ鉄ｉｉ＞に、−３２
５メツシコの粒度の５ｑＯ２！りを末またμＳｑＯ粉末
を、スズ歩に換算して４　雪Ｆ、　Ｑ／、湿合し、アン
モニア分解ガス気流中において４００〜８００℃の温度
範囲内の硬々の）８度で６０分間）ｉｉｌ　ｊ、ｉ　シ
・て３コ元処理を行ない、鉄−スズ複合ｆ！）宍を１″
３だ。７９合粉末中の百累ｑ、圧粉げ）形後焼結前の圧
ｔＳ）密度、および最終的な焼結体の焼拮密廓を、混合
τ；）末の）！元処理混度と対応１−・て第６ｉ７（Ａ
）〜（Ｃ）に示す。また参考のため従来法とし・て、同
じアトマイズ鉄粉に一２５０メツシュの金２スズ→を４
重丹％添加混合し・、前記と同様に圧り成形および焼結
した場合く特開昭１１８−″１００２８号公報記数の方
法）の圧粉密度、焼結密度を第６図＜Ｂ）、（Ｃ）に合
せて示す。ただし、圧わ）成形は不テアリン酸亜鉛１％
を混合し・て成形圧ＪＪ７ｉ／ｃシで行ない、焼結はア
ンモニア分解ガス中、１１５０℃、６０１１１！ＴＩと
した。

第６図から明らかなように、スズ酸化物と鉄粉どの混合
粉末に対し４５０〜７００℃の温度で還元処理すること
によってスズ酸化物が充分に溌元され、スズ濃度の高い
部分が鉄粉粉子表面に設けられた複合粉末が畳られた結
果、従来法よりも格段に蔽い密度の焼結体を得ることが
できた。

実施例２ 一８０メツシュの粒度のア１−マイズ鉄粉に、−３２５
メツシユの粒度のＳｉ　Ｏ粉をスズＣに換算して４！１
％ｔ、８Ｌ、アンモニア分解ガス気流中において６００
℃で１時間加熱することにより鉄−スス複合訃〉末を作
成した。臂られた粉末に、活滑材としてステアリン醇亜
鉛を１重Ｌ％添加し、７ｔ／’Ｑｔの圧力で圧粉成形し
た。続いて成形体をアンモニア分解ガス気流中において
１２００℃で１詩間畑結することにより、鉄−スズ焼結
体を畳た。

但し焼結（ホ形状は、外１ｚ　３８　ｍＪ内径２５ｉ＋
ｍ、高さ’ｔ、５ｍｌ′！ｌのリング状どした。’＋Ｗ
られた焼結体の密度をＳｌべるどともに、磁気特性とし
てＢｊ？値（磁界２５０ｅにおける磁束密度）、保磁力
１−１ｃ、最大透磁率μｗ＋ａｘ、およびＷ　１Ｇ　／
　５０　値（Ｆｉ束密度１０ｋＧ１周波ｆ＆　５０　Ｈ
ｚにおける鉄損）を調べた。

その結果を第１表に示す。

比較例１ 特開ｒｉｒｉ４８−１００２８号公報記載の方法に従い
、−８０メツシユの粒度のア１−マイズ鉄粉に、＝２５
０メツシュのスズ粉を４鱒ｎ％混合し、さらに添加剤と
してステアリンＱ亜鉛を１重量％添加し、実用例２と同
様に圧粉成形および焼結して鉄−スズ焼結体を冑だ。焼
結体の密度および各梗磁気特性を第１表にＩＪＩＩ！て
示す。

実施例３ 実施例２と同じ鉄−スズ７１合物杓末に、リン源として
一３２５メツシュの鉄−リン合金粉末（リン含有１１’
６轡Ｍ％）を、混合粉末中のリン含有Ｆが０．６重Ｍ％
となるように添加し、さらに潤滑材としてステアリン苗
亜鉛を１重量％添加し、実茄例２と同様に圧粉成形およ
び焼結して、鉄−スズ−リン焼結体を１９だ。焼結体の
密度および各梗磁気特性を第１表に示す。

比較例２ 一８０メツシュの粒戊のアトマイズ鉄粉に、−２５０メ
ツシユのスズ粉と一３２５メツシュの粒度の鉄−リン合
金粉末（りン含有母１６重餅％）をア混合粉末中のスズ
含有層が４巨利％、リン含有層が０．６重量％どなるよ
うに添加混合し、さらに８滑剤としＣステアリン酸亜鉛
を１重量％添加し、実施例２と同林に圧粉成形および焼
結して、鉄−スズ−リン系焼結体を得た。得られた焼結
体の密度、各種磁気特性を第一１表１こ示す。

第１表から明らかなようにこの発明の実施例２および３
によって得られた焼結体は、従来法による比較例１およ
び２によって得られた同組成の焼粘体と比較して焼結密
度が高く、そのため磁束密度が高いとともに保磁力が小
さく、かつ透Ｈ１ｌが大きいとともに鉄１０が小さい等
、優れたＴＩ気特性を示す。

以上の説明で明らかなようにこの発明のｈ法１こよれば
、焼結密度が高く、どくにμシ気特性の優れたスス含有
鉄系焼結材１：；４　ｙなわち鉄−スズ系焼結材料もし
くは鉄−スズ−リン系；仝結材料を実際的に′ｆＡ造す
ることが可能となる９芸な効梁が１１られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＦ９　　Ｓｊｉ系平圃状Ｐ　口、？：）　２１
’ｇｌはＦｅ　−Ｓ！１複合粉末粒子崩而の面杏宙子顕
盈校可ｊ’Ｔ、第３０はＦｅ　−Ｓｎ複合ｊ力末粒子表
面の一部の（侍式口、第４図（Ａ）　〜（Ｃ）はＦｅ　
−Ｓｌ′！４：”Ｊ−金粉末粒子表面のＸ怜マイクロア
ナライザー写真で、その（Ａ）は２次電子像、（Ｂ）は
Ｓｒ特性Ｘ＋ｊ９像、＜　Ｃ）はＦＯ特性×綿像、第５
図はＦｅ−Ｐ系平衡状態図、第６図（Ａ）〜（Ｃ）は実
筋例１におりる還元熱処理湿度と、捏合粉末のＯ素２、
圧粉密度および焼結密度との関係を示す相関図である。 出願人　　川」■大株式会社 代理人　　弁理士　豊田武久 （ほか１名） 第１図 １　　　□□−−−−−−−−−−−□□−−−−−−
−□□−−−ｌ べ−Ｆｅ＋Ｌ＋ ！’−ｐｅ すａ−Ｆｅ − 丁ε　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　ぺ−Ｆｌ−Ｆａ　　　　　　　　　　
　　　　十ｌＬ巳（１−Ｆｅ＋Ｆｅ＋、Ｓｍ＋− （Ａ−Ｆｅ＋７：ｅ３Ｓｎ 幅　　　　　　　　　　　　Ｃｌ−６＋ＦｅａＳｎ第２
図 」３［１ 第４図 第５図 １’ｔ　　（鼾、％）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄を主成分とする個々の粉末粒子の表面にスズ８
   ！１度が高い部分が形成され、かつ全スズ含有台が１〜
   ２６重量％であることを特徴とするスズ含有鉄系粉末。
2. （２）鉄を主成分とするＣ′り末に、スズの酸化物の粉
   末をスズ量に検算して　１〜２０重妬％混合し、還元性
   雰囲気中にて４５０〜７００℃の８度で還元処理するこ
   とを特１攻とするスズ含有鉄系粉末の製造方法。
3. （３）鉄を主成分とする個々の粉末粒子の表面にスズ儂
   度の高い部分が形成されかつ全スズ含有台が１〜２０重
   ω％のスズ含有鉄系粉末に、リン粉末もしくはリン含有
   合金粉末を混合し、圧粉成形および焼結して、スズを１
   〜１０銀ｐ％含有しかつリンを０．１〜２Ｌｆｆ１％含
   有し、残部鉄を主体とした焼結体を得ることを特徴とす
   るスズ含有鉄系粉末の使用方法。