JPS60208453A - 高密度焼結合金用鋼粉 - 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】 （技術分野） 本発明は、畠密度焼結合金用鋼粉に関し、特に高密度の
焼結合金鋼を製造するのに好適に用いられる１ｊ（料銅
粉ぐあって、１４にこの明細書で開示する鋼粉は、成形
体強度が大きい上焼結密度が高く、かつその形状歪みが
少ない焼結機械部品、例えば内燃機関のバルブロッカー
アーム、カムあるいはタベツ］・笠を製造するときに有
利な焼結原Ｅｌ鋼粉についての提案である。

（背ＬＨ技術） 近イ「、耐摩耗機械部品として粉末冶金法による焼結合
金が使用されるようになってさており、例えばＣｒなど
を含有する合金鋼Ｖ）に必要に応じて添加物を加えたも
のを原料粉末とし、この粉末を成形し焼結することによ
って所望の焼結機械部品が製造されている。

一般に、焼結機械部品の製造に供されるもののうち本発
明で対象とづるような高Ｖｆｊ度焼結合金用鋼粉として
は、アトマイズステンレス銅粉など従来公知の粉末冶金
用鋼粉の転用ないしは若干の成分変更を施したものがそ
のまま流用されているのが現状である。

しかし、高密度焼結機械部品（耐摩耗部品）の原料とし
て望ましい銅粉は、従来のステンレス鋼焼結部品用など
の銅粉と比較して、つぎのような相違点を有している。

第１に、焼結部品中の空孔の存在は耐ピツチング性を舌
しく劣化さけるから、焼結体を高密度に近い密度とづる
必要があり、銅粉に対してはきわめて良好な焼結性が要
求される。

第２に、耐摩耗焼結機械部品として用いるため、原料鋼
粉に黒鉛粉等を混合し−（成形、焼結し、炭化物硬質相
を含有する焼結体とする必要がある。

ところが粗大炭化物は耐衝撃性に悪影響をおよほづので
、できる限り微細な焼結体組織としうる鋼粉が要求され
る。第３に後述づるが成形技術上のａｉｌｌ約によって
、密度の低い成形体を、焼結によってｔ１密１哀変化す
る必要があるため、低密度でも成形体の強度が維持され
、しかも形状歪が少なく均一に焼結する鋼粉の性状が要
求される。

（先行技術とその問題点） 上記第１および第２の要請をみたすべく、不発明名らを
含む研究グループは、特願昭５７−１５６３９２号とし
て先に平均粒径３０〜５０μ−の耐摩耗焼結合金用鋼粉
を提案し満足な結果を得ている。

しかしながら、上記ｗ４３の要請については考慮してい
なかったため、低密度成形体の強度と均一焼結性につい
てなお問題点が残されていた。

（発明の目的と着想の基礎） 本発明の目的は、上述した本発明に先行づる技術の問題
点を克服できる高密度焼結部品用原料鋼粉の提供にあり
、上述した第１、第２の要請に応えられることは勿論の
こと第３の要請に対しても十分応えられる新規な銅粉に
ついて開示（る。

本発明が対象とする焼結合金用銅粉が具備すべき上述し
た条件のうら、特に前記第３の要Ｉ’ｌｌなわち成形技
術上の制約を有利に克服できる性質を該銅粉に対し付与
することが、低密度成形体を焼結することにより高密度
の焼結合金を得るという本発明特有の作用効果が達せら
れる。

一般に、Ｃｒなどを含有する合金鋼粉の成形は、金型中
で４〜８ｊ／ｃシ程度の比較的高い圧力で行なわれてい
る。ところが合金量の多い銅粉は純鉄粉などにくらべて
、硬さが高く、高圧力成形による金型摩耗が問題となる
。しかも耐摩耗部品として用いるため、種々の硬質添加
物を銅粉中に混合して成形づることが多く、このような
傾向は一層顕君である。要するに金型摩耗の問題はでき
る限り低い成形圧力で成形りれば大幅に低減される。

−７ｊ　、　Ｉｔｉ焼Ｍ性の銅粉とりるには、鋼粉の粒
庶を細くＪる必要があるが、このことは微粉が金型のグ
イとパンチとの間にはさまって、いわゆる金苧かじりを
起り原因となる池、鋼粉を金型に充填りる際の流動性劣
化の原因となる。そのために、＄１４１）をいったんバ
インダーを使って造粒してから成形したり、液状バイン
ダーを添加して湿式成形りることにしている。その場合
、低比用のバインダーを添加しくいることＪ３よびかよ
うな沢合物を成形りる装同のＦｌｉ　ＩＭ　ｋの１，１
１杓から高圧力が得らず、密１！ｌの低い成形体しか得
られないことが多い。

この、」、うなｎ　ｂｌのらとで、低密度成形体でも強
１！１１の糾持に１分で、しかも形状歪みが少なく均一
に焼結するＪ、うな鋼粉が必要となるのである。

木５を明（よかかる要１Ｉ１１に応えられるものとして
、Ｃ：０．３％（Φ竜パーセント、以下同様）以下、Ｓ
に０．３〜２．０％、Ｃｒ：３〜２０％および３％以下
の不可避不純物を含み、残部Ｆｅから成るアトマイズ合
金銅粉であって、見掛密度が２．０〜３．５（１／ｌｄ
の値を示し、３５０メツシユ以下の粒子を重聞自分率で
５０％以上含みかつふるい分析による平均粒径が３０μ
未満であることを特徴とする高密度焼結合金用鋼粉が、
上記の要請１．２はおろか要！ｉｉ３をもみたす銅粉で
あることを見出した。

（発明の構成） 本発明で用いるアトマイズ合金鋼粉は、溶鋼を水などの
液体流ジェットによって噴ｎする方法によって得る。例
えば、特公昭５２−１９５４０号記載の技術を採用する
ことができる。ただし本発明で用いような微細で特定見
掛密度をもった粉末を効率良く製造りるためには、通常
の粉末冶金用鋼粉を製造づる場合とは、７１〜マイズ条
件を異なったものにづることが必要である。

例えば、溶鋼に対づる噴霧媒の供給比率を大きくしたり
、噴霧媒の圧力を大きくＪる等の他、噴ｉオノズル部分
の改善などによって、所望の銅粉を＾効率、高歩止まり
で製造づることができる。なＪ３、その７１ヘマイズ鋼
粉は、Ｃ，Ｎ、０ｆｆｉを低減すること、あるいは硬さ
を下げる目的で焼鈍したしのを用いることができる。

次に、本弁明鋼粉の成分組成の限定理由を説明りる。

鋼粉中のＣは、鋼粉の畠さを増して圧縮性、成形性を損
ねるので、低く抑える必要がある。Ｃが０．３％を超え
ると成形体の空孔分布が不均一となり焼結体中に空孔が
残りやすいので、Ｃの上限を０．３％とりる。なお、本
発明鋼粉を用いた耐摩耗焼結合金にＣを含有させるには
、銅粉にＣ源となる粉末４にとを混合添加りるｈ法を用
いる。

Ｓｌは、焼結体にあってＦｅ中に固溶して基地を強化す
る元素であり、アトマイズ時に溶鋼の酸化を防止する効
果を有する。０．３％未満では酸化防止の効果は見られ
ず、また２、０％を超えると焼結体の硬さが低下し、耐
摩耗性を損ねるとともにｒＩＡ粉に含まれるＳｉの酸化
物が焼結時に十分還元されず、焼結を妨げて焼結密度の
低下を招く。

Ｃｒは、焼結体にあってＦｅ中に固溶して基地を強化す
る元素であり、添加したＣと焼結中に結合して炭化物を
形成し、焼結体の硬さを増して耐摩耗性を向上させる。

また、ア］−マイズ時に溶鋼の表面エネルギーを減少さ
せ、アＩ・マイズ効率が向上して、絹かい粒度の銅粉を
得られやすくづる効果をあわせもつ。Ｃｒ含有量が３％
未満ではこれらの効果は小さり、２０％を超えて含有さ
せてもそれ以上の効果は得られない。

不可避不純物としては、溶解素材から混入するＭｎ、Ｐ
、Ｓ、Ａρなどの他、おもにアトマイズ時の鋼粉の酸化
によって捕獲される０、溶解中あるいはアトマイズ中な
どに捕獲されるＮなどがあり、銅粉の成形性、圧縮性お
よび焼結合金の耐摩耗性を極端に損なわないためには、
これらを合計で３％以下に限定する必要がある。

次に、上記成分組成よりなる銅粉の見掛密度を２．０〜
３．ｓｇ　／ｒｄとし、粒度構成を、３５０メツシユ以
下を重量百分率で５０％以上とするとともにふるい分析
による３ｐ均粒径で３０μ未満であるようなアトマイズ
鋼粉とりる限定理由につき説明する。

水４Ｔどの液体を噴霧媒とづるアトマイズ法は、比較的
自由に粉末の合金組成を選定することができる点、およ
び工程が筒車Ｃある点において、有利な銅粉製造技術で
ある。このことから粉末冶金用として広く用いられてい
るが、通常の粉末冶金用鋼粉は、いずれも３５０メツシ
ユ以下の微粉量が５０％未満と本発明に比べると粗粒側
に片寄っている。ところが微細組織の高密度焼結合金を
得る／ｊめには、このような微粉量が少なく比較的粒度
の粗い銅粉では十分な効果が得られない。すなわち、粉
末の粒度が粗いと焼結性が悪いため、高密度の焼結合金
が得られにくい。しかも、焼結中の合金の結晶粒も大き
いため、粒界に形成される炭化物が成長粗大化しや１い
。さらに成形体に大きな空孔が形成されやりいため、焼
結中におこる収縮が等法均−に進行しにクク、焼結体の
形状歪みの原因となる。さらにまた焼結体に大きな空孔
が残存しく耐ピツチング性を劣化させる。

このような問題点は、銅粉の粒度を細かくづることによ
っである程度は解決されるが、単に細かくするだ【ノで
は、とくに低密度の成形体を用いて形状歪みのない高密
度焼結体を得る場合回能である。本発明者らの知見によ
れば、粒度とともに粒子形状が重要な因子であり、その
ため鋼粉の見掛密度を適切な範Ｕ月に調整することが必
要となる。

通常のアトマイズ鋼粉をふるい分【プた微粉は、粒子形
状が球形に近く、見掛密度が高い。このような粉末は、
成形したときに粒子同士の接触が１ｑられにくいので、
とりわけ低密度成形体の場合に、成形体強度が低くなる
とともに、社全な焼結挙動を示さず、焼結密度が十分に
上がらない傾向にある。これを口避するには、見掛密度
を３．５（１／ｃｉ以下とする必要がある。

一方、見掛密度が異常に低い銅粉は、粒子形状が極端に
不規則であり、成形時にブリッジ現象をおこして、成形
体に大きな空孔が生じる。その結果、焼結体中に空孔が
残って焼結密度が上昇しないとともに、形状歪みがおこ
りやすい。これを回避するには、見掛南瓜は２．ｏｇ　
／ｌｄ以上が必要である。

次に銅粉の平均粒径を３０μ未満に限定ツる理由につき
説明づる。

本発明による合金鋼粉の平均粒径は、光透過法によって
測定りた、粒度区間１５０．１０６．７５．５３．３８
．２１．１９．１３．９．４．６．６．４．７．３．３
．２．４μにお（Ｊる粒度分布から、算術平均によって
輝出しｌどものである。この平均粒径が３０μであって
、かつ３５０メツシユ（４４μ）以下の粒子が５０重量
％以上であると、粉末中に微粉と粗粉とが社在り゛るこ
とになり、それぞれの粒度の粒子が偏析しやすいから、
圧粉成形体の内部に、焼結性のばらつきが生じ、焼結体
の形状歪みを起こしやすくなる。

したがって、平均粒径は３０μ以下と定める。ただし、
このような微粒粉を工業的に問題なく成形づるには、湿
式成形や造粒法によって、粒子が金型のグイとパンチと
の間にはさまることによる金型かじりを防止するＪｌｊ
ｆｆをとることが望ましい。また、本発明のような微細
で特定見掛密度をもった粉末を効率良く製造づるために
は、通常の粉末冶金用鋼粉を製造するときの７トマイズ
条件とは異なる条件にする必要がある。例えば、溶鋼に
対する噴霧媒の供給比率を大きくしたり、噴霧媒のｆＪ
−力を大きくしたりするほか、さらに噴霧ノズル部分の
改善などによって、本発明で用いる銅粉を高効率、高歩
止まりで製造づることが可能である。

上述した見掛密度で示される粒子形状をもつ鋼粉であっ
て、しかも３５０メツシコ以下の粒子が５０重量％以上
でふるい分析からめた平均粒径が３０μ未満であるよう
な微粒粉を用いると、低成形密度であっても均一な焼結
が可能となり、高密度で形状歪みが少なく、組織の細か
い焼結体が術られるのである。見掛密度が２．０〜３．
５！Ｊ　／ＣＩ／であっても、３５０メツシユ以下の粒
子が５０％未満、平均粒径も３０μ以上を承りような銅
粉にあつ（は、このような針金な焼結体を冑ることはで
きない。

（実施例） まず、特公昭５２−１９５４０号公報に記載された水ア
トマイズ鋼粉を用い、溶鋼ノズル径５〜１０Ｉｌｉｌｌ
ｌ、水圧１２０〜１７０ｋｇ　ｒ　／　ｃｊ　、水：溶
鋼比５〜＋Ｏｆ！／ｋｇの条（’ｌにより、所定のアト
マイズ鋼粉を製造し、ふるいに分りで粒度構成すること
によっ（、いずれも１００メツシユ以下の平均粒径で３
０μ未満を承りような本発明による合金鋼粉と、比較用
鋼粉を第１表のごとくに得た。

第１８ つづいてこれらの合金鋼粉に天然黒鉛粉およびエポキシ
樹脂液を、銅粉１０幡１部に灼して、それぞれ２．５垂
ω部および２．０重量部添加混合し、２【／ｃシの圧力
で、幅１０，０１１．厚さ３５．ＩＩｌ＋ｍ、　厚み６
．５１の試験片を成形し、アンモニア分解ガス中１１８
０℃で６０分焼結した。

本発明鋼粉および比較用鋼粉を使用した場合の圧粉密度
、成形体破損、焼結密度比、焼結体形状歪みをそれぞれ
第２表にまとめて示す。ここにおいて、成形体を高さ３
０（Ｊｌから鋼板上に落下させ、破損の有無によって、
成形体強度を判断したものである。また焼結密度比は真
密度に対する比で示し、焼結体形状歪みは同一の試験片
の幅の測定値につき、測定位四によって最大０．０２ａ
ｕ＋をこえる差がある場合に、歪みありと判定した。

第２表 いずれの焼結体も、炭化物粒度が５μ鋼またはそれ以下
の微ＩｉＩ相織どなっていたが、本発明銅粉と仕較鋼粉
とでは、第２表に示したような特定差が確認された。

づなわら、本発明鋼粉ＡおよびＢを使用したものは、成
形体強度が大きく、焼結密度が高くかつ焼結体の形状歪
みが少なく優れた焼結合金鋼となっている。一方、鋼粉
Ｃは３５０メツシユ以下の含イＴｆｉｌが本発明法より
小さいもので、焼結密度が十分に上がらず、形状歪みが
現われた。鋼粉りおよびＥは、見掛密度が本発明範囲外
のもので、いずれも焼結密度が不十分であるとともに、
見１卦密度の小さい鋼粉りにあっては焼結体形状歪みが
生じ、見掛密度の大きい鋼粉Ｅにあっては成形体強度が
不足した。

（発明の効宋） 以上述べたように、本発明の銅粉によれば、低密度成形
体を焼結して高密度焼結合金鋼を得ることができるから
成形技術上の制約がなく焼結合金部品の製造が容易であ
り、また得られる焼結合金部品は高密度で成形体強度が
大きく、焼結密度も高く、さらには焼結体としての形状
歪みも少ないので優れた機械部品の製造ができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　Ｃ：０．３車間％以ト ３ｉ　：　０．３〜２．０小ＩＩ′１％Ｃｒ：３〜２０
   重量％ 不可避不純物：３【口ｍ％以上 残部Ｆｅよりなるア１ヘマイズ合金銅粉であつＣ１見掛
   密度が２．０〜３．５ｇ／ｃｊで、３５０メツシコ以下
   の粒子を５帽１％以ｈａむとともに平均粒径が３０μ未
   満の粒ＩＪ１４１１１成をもつことを特徴とりる畠密瓜
   焼結合金用鋼わ）。