JPS60255901A - 高速度鋼製品を粉末冶金的に製造する方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は高速度鋼製品の粉末冶金的！１．！造力法に関
し、その製品の形状はＢ１望のん終形状に近く、換言す
れば、いわゆる正味形状近似（ｎｅａｒ−ｎｅｔ−θｈ
ａｐｅ　）技術による製造方法と１い得る。より具体的
には、本発明は焼結された圧粉体（ｇｒθｅｎｂｏｄｙ
　）　ｆｔ完全な密度に熱間均慟圧成形（ｈｏｔｉｓｏ
ｅｔａｔｉｃ　ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　）　ｊることを
含む正味形状近似技術に関するものである。

（従来の技術） 正味形状近似の物品か、完全な密度にまで熱間均衡圧プ
レス成形することを含む粉末冶金技術によって製造され
得ることはよく知られている。この技術の主要な目的は
、金属粉末から出発することによって得られる性質上の
利点（均一性、無偏析）金、材料の歩留りが高く機械加
工費が安い（普通の技術に比較して機徐加工はより少く
てよい）と云う利点と組合せることである。

熱間均衡圧成形のための条件は、圧力媒体が焼結粉末体
の内部に侵入してはならないことである。

従って、形状が所望製品の形状に近く且つ圧力媒体に対
して不透過性のケーシングの中に粉末金入ねることにつ
いての提案がなされている。この技術の夾例は、スウェ
ーデン国特許第４１４９２０号、米国特許第３９９２２
００号、および米国特許第４０６５３０３号に記載され
ている。しかしながら、最終寸法にされた鋼板製コンテ
ナ、ガラスコンテナ等の如き上記ケーシングの製造は余
分な費用を必要とする。

更に、金属溶湯の水噴霧化によって金属粉末全製造する
工程と、粉末を乾燥及び焼鈍する工程と、粉末ｔ−底成
形て圧粉体を形成する工程と、圧粉体’ｔ＊空焼結して
完成製品上形成する工程と全包含する別の技術も知られ
ている。

Ｍｅｔａｌ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｒｅｐｏｒｔ　、ろ８　（
Ａｐｒｉｌ　１９８３）の　ｆ　Ｐ、Ｍ、　Ｍｅｔｈｏ
ｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　）
ｌｉｇｈＳｐｅθａ　Ｓｔθｅｔａ　（高速度−の製造
のための粉末冶金法）」なる記事に記載されているいわ
ゆる″　Ｆｕｌａｅｎ　−ｐｒｏｃｅｓｓ　″　；　Ｐ
ｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｔｏｏｌ　Ｍａｋｅｒ−、−Ｍａｒ
ｃｈ　ｌ　９８３のｊ　Ｃ！ｕｒｒｅｎｔ　Ｄｅｖｅｌ
ｏｐｍｅｎｔ　ｉｎＰ、Ｍ、　Ｈｌｇｈ　５ｐｅｅｄ　
５ｔｅｅｌ　（粉末冶金高速度鋼における現任の発展）
」フよる％［Ｌ事に記載されているＰｏｗｄｒｅｘ　ｐ
ｏｎｄｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ″：及びやはりＭｅｔａｌ
　回想ｅｒＲｅｐ−Ｏｒｔ−，３−−５（−砂柱１　ｌ
　−９−３３−）−のｆ　Ｆｕｙｌｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ
　［８Ｐ、Ｍ、　Ｐａｒｔ　ｖｉａ　ｔｈｅ　Ｉ（ＴＭ
Ｐｒｏｃｅｓθ（ＨＴＭ法による完全密度のＮＮ８粉末
冶金部品）」なる記事に記載されているいわゆる”ＨＴ
Ｍ　ｐｒｏｃθ８日”は確立された技術に属する。圃様
な方法はＰｒＯｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｊｔｈｅ　ｌ　Ｑ
　ｔｈ　Ｐｌａｎｓ−ｅｅ−ｅｅｍｉｎａｒ　ｌ　９３
　ｌ　、　Ｖｏｌ、　２のＥｄｇａｒ　Ａｌｌｅｎ氏に
よるｊ　ｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　
Ｄｉｒｅｃｔｌｙ　５ｉｎｔｅｒｅｄＨ８ｓ　Ｔｏｏｌ
ｇ　（直接に焼結された高速度鋼工具の切削特性）」な
る記事に記載され（いる。これらの方法のいずれかによ
って製造された製品の成功した用途は、特にそれら製品
の耐アブレージヨン性が１要な特性である分野において
である。その様な用途の例はジーゼルピストン用のピス
トンリングである。しかし、その他の大部分の用途特に
鋼及び金属の切削に対しては、焼結された高速度鋼の延
性は専門的情況下での使用に対しては十分に高くない。

組織の粗大化がなく稠密または殆ど稠密な製品（相対密
度が９９．９％以上）が望まれるならば、焼結は比較的
低い温度で実施されねばならず且つ原料粉末の粒度は小
さくなければならない。さらに焼結の見地から、炭素量
は存在する合金元素の量に対しよくバランスされなけれ
ばならない。完全な密度を達成するためには、製品は均
衡圧的に成形されね礼ばならない。これらの要求に応す
る方法は、例えば西ドイツ国特許公開公報第３１３８６
６９号に記載されている。

（発明の開示） 本発明の目的は、上記緒論の部分で述べた技術の改良全
提供することである。原料は、水噴霧化による粉末（こ
れは圧縮可能であるが６００〜２０００　ｐｐｍの酸素
全含有しているので還元されねばならない）でも、或い
はガス噴霧化による球状粉末（これは６０〜２００　ｐ
ｐｍなる低い酸素含有量を有するが、球状粒子を機械的
に激しく粉砕しなければ圧縮不可能である）でもよい。

いずれの場合にも、粉末の粒度は、組織の粗大化なしに
焼結を可能とするにはあまりにも大き丁ぎるので、粉末
粒＋全機械的に粉砕する必要がある。

本発明は前記西Ｐイツ国特許公開公報第６１３８６６９
号に記載されている方法の改良を成すものであり、下記
の諸工程全特徴としている：ａ）高速度鋼の原料粉末を
非酸化性環境中で第１の焼鈍工程において軟化焼鈍する
工程、ｂ）軟化焼鈍された粉末を機械的に粉砕する工程
、Ｃ）粉砕された粉末の成形性（これは、取扱い可能な
粉末体即ちいわゆる圧粉体全形成することのできる粉末
の能力を意味する）ヲ、該粉末の硬度を下げると共に粉
砕された粉末から成る集合体を形成することによって向
上するために、該粉砕された粉末金高速度鋼のオーステ
ナイト領域において非酸化性環境中で第２の焼鈍工程に
おいて焼鈍する工程、 ｄ）前記第２の焼鈍工程で焼鈍されて集合体にされた粉
末を、必要ならば炭素対酸素比を調整するために高純度
グラファイトと混合し、所望製品形状の圧粉体を形成す
るためにプレス工具の中で機械的に成形する工程、 ｅ）連通する微小孔が除去されてしまうまで圧粉体を非
酸化性環境中で焼結する工程、及びｆ）焼結体全完全な
密度にまで熱間均衡圧成形にかける工程。

粉末の軟化焼鈍は、鋼のフェライト領域又はオーステナ
イト領域において真空中で実施されるのが好ましい。粉
砕は０．１％以上のＨ２Ｏｉ含消しないミリング（摩砕
）液中での湿式ミリングで実施されるのが好ましい。ミ
ＩＪンダ液は１種又は数種の有機溶剤から成っている。

さらに、ミリングは高速度鋼でライニングされたミル中
で実施されるのが好ましい。

粉砕された粉末は、少くとも２工程、即ち８５０〜９５
０℃の温度での第１工程と、第１工程の温度より７５〜
２５０°Ｇ低い温度での第２工程とにおいて焼鈍される
べきであることを実験は示している。一方、第２工程で
の焼鈍は第１工程での時間の２〜２０倍長い時間に亘っ
て実施されねばならない。もし必要ならば、即ち焼鈍中
に粉末が焼結してしまって大きな粉末集合体を形成した
場合には、粉末は圧粉体に成形されるに先立って、焼鈍
および粉砕後にミリングされる。この成形は、好ましく
は３００〜７００　ＭＰａ適切には４００〜（５［］　
［Ｉ　ＭＰａの圧力下でダイ（押型）中で行なわれる。

成形前に、０．１〜０．５％の濃度で成形剤が粉末に添
加されてもよい。最終熱間均衡圧成形に先立っての圧粉
体の焼結は、選定された化学組成に依存して１１５０〜
１２５０°Ｃの温度で実施される。好適組成範囲につい
ては、焼結は１１８０〜１２２０℃の温度で実施される
のが好ましい。

本発明の特徴と利点は実施された実験と得られた結果に
ついての以下の記載から明らかになるであろう。

（実施例） 市場で入手可能な２ａ［の高速度鋼、即ちＡＬＰ■２６
とＡＳＰ■６０が実験に使用された。これらの鋼は下記
の公称組成を有する。

第　１　表 鋼　種　Ｑ　８１ＭｎＯｒＭｏ　Ｗ　Ｖ　Ｃ０ＡＳＰ　
２３　１．２７０．５０．３４．２５．０６．４３．１
［Ｆ］ ＡＳＦ　３０　１．２７０．５０．３４．２５．０６．
４３．１８．５注）■：登録商品名 球状粉末全成形可能にすると共に所要焼結時間金短縮す
るために、粉末は湿式ミル（摩砕機）中でミリングされ
た。ミルは超硬合金でライニングされそしてミリング媒
体（ボールミルのボールに相当するもの）は超硬合金で
作られていた。エタノールとジクロロメタンがミリング
液として試験された。これらの２種中ではエタノールが
好適であり、その理由はエタノールは安価で非常に有毒
ではなく、且つより高価で有毒なジクロロメタンと同一
のミリングの程度を提供するからである。

しかし、エタノールは初めに水分會できるだけ少く（好
ましくは０．１％以下）含有していることが重要である
。ミルは、先ず粉末とミリング媒体をその後ミリング液
を装入することによって、蓋の下に残る空気が最少にな
るように充填された。倫は０−リングによってミルに対
してシールされた。

種々のミリング液を用いての作動中に、酸化について多
（の観察が行われた。それらの観察は、ミリング液は水
分を含んでいてはならず好適には水溶性が低くなければ
ならす従って炭化水素か理想的なミリング液であるとの
結論を支持した。

処理されなかった高速度鋼粉末はミルのライニングを激
しく摩滅させた。このライニング並びにミリング媒体は
超硬合金で作られているので、このことは高速度鋼粉末
のタングステン含有量がミリング中に連続的に増大する
ことを意味し、そのことは第１図に示されている。ＡＳ
Ｐ■２３がミリングされた場合にもコバルト含有量の増
大は顕著であった。炭素含有量も増大した。

ある場合には、粉末はミリング前に焼鈍された。

この粉末については第１図中に集線で示されており、一
方、破線は焼鈍されなかった粉末を示している。ミリン
グ液はエタノールであった。ミリング前の付加的焼鈍に
は次のような利点があった：即ち、粉末は成形可能にな
り、ミルの摩滅は低下するか又は皆無になり、粉砕速度
は上昇し、更に超硬合金の代りに高速度鋼でライニング
されたミル紮使用することが可能になった。

軟化焼鈍の効果は第２表に示す結果からも明白である。

２種の鋼は、鋼種の相違が結果に影響を及ぼさない程類
似しているものとみなされる。

第　２　表 粉　末　鋼　種　ミリング　ミリング　平均粒度　成形
性腐　時　開削の焼 （ｈ）　鈍　（μｒｎ） サイクロン　Ａｓ−へＱ　Ｏ−４５，６無Ｉ　Ａ８ｐ３
０　１９２　無　１４．４　無２　ＡＳＰ２ｓ　２４０
　無　〜１５　無３　ＡＳｐ２３　２ａＯ有　９．７　
有４　ＡＳＩ＄３０　１４８　有　〜１５　有第２図に
は、原料粉末（いわゆるサイクロン粉末、即ち高速度鋼
のガス噴霧化によって得られる小粒度の残余生成物）及
び粉末／１６１と／１６６の粒度分布が示されている。

これら粉末の特性は下記の第６表からも明らかである。

第　３　表 粉末の　ＯＢ　ＭＶ　ＰＨＰＭ　Ｐａ 種　類　がシー３　μＩｎ　１０％　５０％　１０％μ
ｍ　ｐｍ　μｍ サイクロン　０．２８７　４５．６　＞９９．６　＞３
５．３　＞９．５１　０．５８０　１４．４　＞２４．
２　＞１３．２　＞５．４３　０．８４４　９．７　＞
１５．６＞　８．６　＞３．８ｏｓ　＝推定表面積 ＭＶ　＝平均粒径 ＰＨ＝上限 ＰＭ＝中央値 Ｐａ　＝下限 ミリング後に粉末は軟化焼鈍された。全ての軟化焼鈍、
即ちミリング前の焼鈍を含めての焼鈍は真空中で実施さ
れた。最低硬度は、オーステナイト恒温熱処理、即ち８
５０℃Ｘ１ｈ＋７５０℃×１０ｈによって達成された。

焼鈍および焼結に対する時間一温度グラフが第６図に示
されている。ミリング後の焼鈍の目的は、硬度を下げる
こと及び粉末の集合体全形成することに上り成形性を向
上させることである。粉末の集合体全形成することはオ
ーステナイト化温度を８５０°Ｃから９００℃に高める
ことにより達成できた。これら集合体を形成することは
、成形の観点から、成形処理中に粉末金所望の態様にて
流れさせるために重要である。

これらの場合には、グラファイトは粉末に添加されなか
ろだ。その理由は原料粉末中の酸素含有量が低く（約２
　（ｉ　０　ｐｐｍ　）従ってミリング中に酸素含有量
が余り増加しないからである。最初の酸素含有量のより
高い水噴霧化粉末又は他の種類の粉末が用いられる場合
、ミリング液が水である場合、又はミルが気密にシール
されていない場合には、グラファイトが用いられねばな
らない。これらの場合に添加さるべきグラファイトの量
は粉末中の炭素と酸素の含有量に関連して化学量論的に
決定される。高速度鋼粉末とグラファイトは約６０分に
亘って乾式ミリングによって混合される。

ミリング及び焼鈍された粉末から、一部分は短い円柱の
形態にて他の一部分は大きな細長い板のはＢｔｅｒｏｔ
ｅｘ　（いずれも商品名〕の如き成形剤が０．６％だけ
添加された。しかし、板は、成形剤なしでプレス成形さ
れた。プレス成形に引続く焼結中に、粉末の全表面積従
って圧粉体の気孔率を減少させようとする材料移動が起
る。このことは粉末粒子の表面と粒界に沿っての拡散に
よって起るのであり、その駆動力は表面張力である。焼
結温度が低いと焼結速度が低くなり相当量の残留微小孔
を生ずる。残留微小孔が多いとその中には開口した微小
孔も含まれており、それらは熱間均衡圧成形によっても
除去され得ない。一方、焼結温度が高いと、炭化物か成
長したり或いは粒子が合着したりするので組織が粗大化
する。しかしながら、微小粒度の粉末を選ぶこと及び熱
間最終プレスな行うことによって、焼結温度は所望の組
織と光面特性に対する要求に依存して約５０℃の間隔内
でかなり自由に選定され得る。

焼結時間を長くし焼結温度全像くすれば残留微小孔と炭
化物組織とに関してはより曳好な結果か得られる。こ５
に報告される実験においては、焼結温度は１１８０〜１
２２０℃の範囲内であった。

しかしながら、単一の実験では、少くとも微小粒度の粉
末は約１１５０℃゛での焼結の後に均衡圧的に熱間ルス
されることができ、これは焼入れ後に微細炭化物組織を
提供することか判った。

成形圧を上昇させると拡散距離か短かくなり従って残留
微小孔は少くなる。従って、成形圧を高めることは焼結
の見地からは有利である。しかし、成形圧を高めること
は、プレス成形ダイの摩耗が一層増大することも意味す
る。６　Ｄ　Ｑ　ＭＰａの成形圧は容認可能な妥協点で
あると考えられる。第４図には、焼結体の密度が焼結温
度と成形圧によってどのように変化するかが示されてい
る。

焼結体の密度は粉末の種類（化学組成と形状）、焼結温
度と時間、圧粉体の密度（圧力、潤滑剤、高さ７幅比）
及び焼結雰囲気（ガス圧、ガス組成）Ｋ依存している。

第４図は、粉末／１６６は７．５〜７．９　＆　／ａｎ
３ノ範囲内の所定密度に粉末／１６１よりも早く焼結す
ることを示している。これはそれらの炭素含有量におけ
る相違（それぞれ、１．３０％と１．１６％）の結果で
あると解釈される。炭素含有量におけるこの相違は、ミ
リングの後にもそれぞれ１．７％と１．５チの値で存在
している。

最後に、焼結体はアルゴン中でＩ　Ｄ　Ｄ　ＭＰａで１
１５０℃Ｘ１ｈＫて熱間均衡用成形された。熱間均衡用
成形された材料の密度は、１１８０〜１２２０℃の範囲
内で、非常に小さい焼結温度との共変動（ｃｏ　−Ｖａ
ｒｉａｔｉｏｎ　）　’ｉ示した。このことは存在して
いた微小孔か全て閉鎖されたこと金示している。結果は
第４表に示されており、好結果の熱間成形はこの表中に
＊印で示されている。

＠　（篭　磯　○　○　職　−山　篭　Ｏ丙　Ｑ　山そ
　昔　（斬 一１１磯−一一＋＋−−−＋−一　置Ｏ寸　Ｃ鵠 　０ １１１−　蘭　ｌｌ１１　日　１１１１１ｄｌ　（イ）
−ＴｊＪ３　蝮 池　頼 １１１ 傾 −礎　颯　靴　寸　坂　篭　崎　概　職　（職　職　■
　覇のへＯ＋（へ）（イ）寸の（＼のさＯ

【図面の簡単な説明】

第１図は、ミリング中にミルのライニングから合金元素
を吸収した結果粉末の化学組成が如何に変化するかを示
すグラフ。 第２図は、粉末の粒度分布を示すグラフ。 第３図は、軟化焼鈍及び焼結の温度一時間曲線を示すグ
ラフ。 第４図は、焼結体の密度を焼結温度及び成形圧の関数と
して示すグラフ。 代理人　浅　村　晧 Ｆｉｇ、１゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｍ　高速度鋼製品を粉末冶金的に、即ちいわゆる正味形
   状近似技術によって製造する方法であって、ａ）高速度
   鋼から成る原料粉末が第１の焼鈍工程（おいて非酸化性
   環境中で軟化焼鈍されること、ｂ）前記軟化焼鈍された
   粉末が機械的に粉砕されること、 Ｃ）前記粉砕された粉末の成形性（これは、取扱い可能
   な粉末停即ちいわゆる圧粉体を形成することのできる粉
   末の能力を意味する）１−１該粉末の硬度を下げると共
   に粉砕された粉末から成る集合体を形成することによっ
   て向上するために、該粉砕された粉末が高速度鋼のオー
   ステナイト温度領域において非酸化性環境中で第２の焼
   鈍工程において焼鈍されること、 ｄ）前記第２の焼鈍工程において焼、鈍されて集合体全
   形成した後の一記粉末が所望製品形状の圧粉体を形成す
   るためにダイの中で機械的に成形されること、 ｅ）前記圧粉体が、微小孔が除去されてしまうまで非酸
   化性環境中で焼結されること、及びｆ）前記焼結体が完
   全な密度にまで熱間均衡圧成形にかけられること、 全特徴とする、高速度鋼製品を粉末冶金的・に製造する
   方法。　□ （２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、粉砕
   前の前記粉末の焼鈍が真空中で笑施されること１に特徴
   とする方法。 （３）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   粉砕が０．１チ以下のＨ２Ｏｉ含’ｆｉｆｊるミリング
   液を使用して湿式で粉末全ミリングすることによって行
   なわれること全特徴とする方法。 （４）特許請求の範囲第３項記載の方法において、前記
   ミリング液が少くとも１種の有機溶剤を含んでいること
   全特徴とする方法。 （５）％許請求の範囲第６項記載の方法において、前記
   ミリングが高速度鋼でライニングされたミルの中で行な
   われることを４？徴とする方法。 （６）特許請求の範囲第１項記載の方法において、粉砕
   された粉末の前記焼鈍が少くとも２工程；即ち８５０〜
   ９５０℃の温度での第１の焼鈍と、前記第１の焼鈍の温
   度より７５〜２５０℃低い温度でしかし前記第１の焼鈍
   の時間より２〜２０倍長い時間に亘って行なわれる第２
   の焼鈍とを含んでいることを特徴とする方法。 （７）％許請求の範囲第１項に記載の方法において、も
   し必要ならば即ち前記粉砕された粉末が焼結して集合体
   を形成したならば該粉砕された粉末のミリングが行われ
   ること、および前記粉末が圧粉体を形成するために３０
   ０〜７００　ＭＰａ好適には４００〜６００　ＭＰａの
   圧力にさらされるダイの中で成形されること全特徴とす
   る方法。 （８）％許請求の範囲第７項記載の方法におい工、前記
   成形の前に前記粉末に成形剤が０．１〜０，５％の濃度
   で添加されることを特徴とする方法。 （９）％許請求の範囲第７項記載の方法において、前記
   成形の前に前記粉末にグラファイトが、該粉末の炭素及
   び酸素含有量によって化学量論的に決定される濃度で添
   加されることｔ％徴とする方法。 Ｑｌ　ｌ！！ｊＦＦ請求の範囲第１項記載の方法にお〜
   ・て、前記焼結が１１５０〜１２５０°Ｃ好適に４Ｘ１
   １８０〜１２２０℃の温度で実施されることを特徴とす
   る方法。