JPS613810A - 合金粉末の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は合金粉末の製造方法、さらに詳しくは中高炭素
、低酸素合金粉末の油アトマイズ法による製造方法に関
する。

（従来の技術） 金属粉末、一般には合金粉末の製造方法としてアトマイ
ズ法は最も広く採用されている方法であり、噴霧媒の種
類によってさらに水アトマイズ法、ガスアトマイズ法お
よび油アトマイズ法に細分類される。

ところで、近年にいたり粉末冶金技術の進歩は目覚まし
く、加工コストが大幅に低減しうろことから、焼結体の
適用範囲も著しく拡大した。例えば、従来より溶解材に
複雑な熱処理を施すことによって製造されてきた高速度
鋼の治工具（切削工具、金型、圧延ロール等）も粉末冶
金法により製造されるようになり、溶解材と同等の特性
を持ちながら大幅な加工コストの低減が実現されている
。そして最近では粉末冶金法の特徴を生かした従来の熔
解材には見られないよりすぐれた特性をも併せて要求さ
れるようになってきている。

したがって、原料粉末製造の分野においてもかかる要求
に応えるべく多くの努力がなされている。そして今日特
に問題となっているのが非鉄合金、高合金鋼を含めてい
わゆる中高炭素、低酸素合金粉の製造方法の確立である
。炭化物、さらには窒化物あるいはホウ化物などの析出
物を均一にかつ微細に分散させうる粉末冶金法の特徴を
十分に生かして、最終焼結材製品の特性をさらに飛躍的
に改善せしめようとするものである。

従来のアトマイズ法にあってもかかる中高炭素、低酸素
合金粉の製造については種々の研究が行われている。例
えば水アトマイズ法では、高速度鋼組成の中高炭素合金
鋼粉の製造が試みられている。ガスアトマイズ法におい
ても中高炭素合金鋼粉の製造はすでに実用化されている
。

（従来技術の欠点） ところで水アトマイズ法による中高炭素合金粉末（以下
、理解を容易にするために合金鋼粉を例にとって説明す
る）の製造には次のような問題点がある。

水アトマイズ法は本質的に得られる粉末の酸素含有量が
多いことが特徴である。一方、例えばモリブデン、鉄、
ニオブ、タンタル、タングステン、クロム、バナジウム
、シリコン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の析
出強化用の元素は酸化物として安定であり容易に酸素と
反応して安定な酸化物を形成する。この安定化した酸化
物は高温で加熱しないと還元されない。場合によっては
これらの金属を還元するために真空雰囲気、固体還元剤
の添加等かなり複雑かつ高コストの方法が必要となる。

また高速度鋼のように比較的難還元性成分の少ない合金
系でも１２００℃以上における１時間以上の長時間還元
が必要であるといわれる。このような高温で長時間にわ
たる還元処理を必要とするため、得られる粉末はコスト
高であるうえに、炭化物の粗大化、結晶粒の粗大化がみ
られ、粉末冶金法の特徴である均一微細組織が得られる
といった効果が半減し、一方、高速度鋼の特徴であるべ
き、硬度および強度を維持して靭性および被切削性を向
上するといった機能にも限界をきたしてしまう。

さらにアトマイズ時に酸素と添加炭素が反応して、ｃ＋
ｏ−ｃｏの反応を起こすことにより戊辰反応が進行し、
炭素の歩留りが低下し、添加炭素の定量的コントロール
が困難になる。したがって製品品質もまた不安定になる
。

また水アトマイズ法は粒子形状が不規則なことも特徴で
あり、このことは焼結等加工に際して全型成形法には適
するが粒子の充填密度の低下につながるためＨＩＰ、Ｃ
ＩＰ等の容器封入型成形法では好ましくない。

一方、ガスアトマイズ法による中高炭素合金鋼粉の製造
にも次のような問題点がある。

−一般にガスアトマイズ法は、アルゴンガス（Ａｒガス
）または窒素ガスを使用して行われているが、Ａｒガス
は高価なためにＡｒガスを使用するとランニングコスト
が高くなり好ましくない。そこで最近では窒素ガスを使
用することが多くなっている。しかし、窒素ガスを使用
すると窒化現象が起きて、粉末粒子内に不純物としての
窒素が混入する場合がある。さらにクロム、ニオブ、チ
タン等の金属は窒素を固溶しやす（、過飽和に固溶した
窒素は粉化後の凝固時にガスとなって発生し、粒内気孔
発生の原因となる。

また、ガスアトマイズ法は冷却速度が遅く、これによっ
て球状粒子しか得られない。したがって、焼結用には適
さない。さらに、このように冷却速度が遅いために、水
アトマイズ法に比べると炭化物の粗大化および結晶粒の
粗大化によって、前述のような粉末冶金法の効果が半減
しており、同様に高速度鋼の特徴であるべき、硬度およ
び強度を維持してかつ靭性および被切削性を向上すると
いった機能にも限界がある。

ところで、アトマイズ法の１種として近年に至り開発さ
れた油アトマイズ法にもすでに多くの提案がなされてお
り、低炭素含有量の低合金鋼の製造に主に利用されてい
る。

一般的な油アトマイズ法による金属粉末の製造法は特公
昭５６−５１２０３号および特開昭５４−２６９５１号
により公知ではあるが、それらはいずれも低炭素含有量
の低合金鋼粉が主体である。これらの方法では、アトマ
イズ時における非酸化性雰囲気を利用して低酸素含有量
の粉末を得ようとするものであるが、浸炭現象は有効に
活かされておらず、むしろアトマイズ後脱炭処理が不可
欠とされるなど油アトマイズ法の特徴は必ずしも生かさ
れていない。

なお、油アトマイズ法による中高炭素合金鋼粉の製造方
法は、特開昭５５−１５２１）１号として開示されてい
る。この方法は、噴霧媒である油の中に浸炭性のポリマ
ー、炭化物等を入れることにより鋼粉中の炭素量をコン
トロールするものであるが、ポリマーの添加量調整等が
必要であるうえ、操作が複雑で製造コストが上昇する欠
点がある。

このように、従来の油アトマイズ法はそのすぐれた特性
にもかかわらず、必ずしもそれらが十分に発揮されてい
るとは言えない。

すでに述べたように、粉末冶金技術が高度化した現在、
その原料として高合金化が図られるとともに多量の炭化
物が微細均一に分散した合金粉末が要望されている。し
かし、合金成分が増えれば粉末が硬質化し、それだけ圧
粉性、焼結性は低下し、成形加工が困難となる。まして
それに加えて炭化物含有量が増加した場合には成形加工
に多くの時間と費用をかけなければならず、高価なもの
となってしまう。

かかる要望を満足させるには従来の水アトマイズ法およ
びガスアトマイズ法では、コスト面も考えた場合、かな
り難かしく、その１つの原因として得られる合金粉末の
酸素含有量が高いこと、さらに気孔発生がさけられない
こと、また粒子形状制御が十分に行われ得ないこと等が
考えられる。

そこで本発明者らは、油アトマイズで得られる粉末は本
質的に酸素含有量が低いという特性に着目して検討を重
ねた結果、以上のような水アトマイズ法およびガスアト
マイズ法における問題点は油アトマイズ法を用いること
によって以下のように改善することが可能なことを見い
だして本発明に至ったものである。

すなわち、水アトマイズ法に対しては、■酸素含有量が
多いことについて； 油アトマイズ法により、非酸化雰囲気アトマイズとなる
ので、０．２％以下の低酸素含有量の粉末の製造が可能
となり、これによって高温真空還元処理および破砕工程
が不必要となるために、炭化物および結晶粒の粗大化が
低減され、コストも下がる。

■添加炭素と酸素が反応することについて：油アトマイ
ズ法によれば、低酸素ということからｃ＋ｏ−ｃｏの反
応はほぼ完全に抑制できるので、ポアーが減少する。一
方、炭素の歩留りは、油から逆に浸炭させることにより
向」ニさせることができる。

０粒子の形状が不規則なことについて：油は水に比べて
比熱が小さく、流速をある程度低下させれば球状に近く
なるという利点を利用して、油アトマイズ法では不規則
形状から球状までの形状コントロールが可能になる。

また、ガスアトマイズ法に対しては、 ■ガスの使用によるコスト上昇、気孔発生等について： 油アトマイズ法では油を容易に循環させて使用できるた
めそのコストは低い。さらに、高合金系になると気孔の
発生が多くなるが、溶湯製造工程において溶湯温度を調
節することにより、気孔をかなりの程度まで減少させる
ことができる。Ｎ２を除＜Ａｒ、［（ｅ等の不活性ガス
は表面に付着したり、粒子内に含まれると成形焼結後欠
陥となるが油アトマイズではその心配がない。

■冷却速度が遅いことおよびこれに伴う粒子の球状化に
ついて： 油アトマイズ法は水アトマイズ法程度の冷却速度である
ために、水アトマイズ法にみられる程度に微細化した炭
化物および結晶粒にすることができる。また油アトマイ
ズ法により形状コントロールを行うことによって、ＨＩ
Ｐ用から焼結用までの粉末製造が可能になり、製品の抗
折力も高くなる。

（発明の要約） ここに、本発明は、Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を生成する
元素のうぢの少なくとも１種を含有する合金の溶湯を該
合金の液相線温度＋３００℃以下の温度に調節すること
、およびかくして調節した合金の溶湯を、熔融金属流量
の噴霧媒流量に対する質量流量比０．００８〜０．７そ
して噴霧媒流速１００〜６００ｍ／ｓｅｃの油噴霧条件
により、不活性雰囲気中で油アトマイズを行い、さらに
必要に応、し、かくして得られた合金粉末をさらに非酸
化性雰囲気において焼鈍処理を行うことを特徴とする、
粉末冶金用に適した粒度分布を持つ、酸素含有量０．２
重量％以下および炭素含有量０．３重量％以上の中高炭
素、低酸素合金粉末の製造方法である。

ここに、本発明により製造される合金粉末としては合金
鋼粉ばかりでなく非鉄系の例えばＧｏ合金粉等も包含さ
れ、Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を生成する元素（例えば、
タングステン、モリブデン、クロノ・、バナジウム、ニ
オブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ケイ素ｅ
ｔｃ、）のうちの少なくとも１種が析出強化用元素とし
て含有され得るものである限り、特に制限はないが、そ
のような析出強化用の元素を積極的に利用するものとし
て、特に高合金鋼、例えば高速度鋼が好ましい。Ｂ、Ｎ
はむしろそれと合金元素とが反応してホウ化物、窒化物
を形成するのであって、上述のような硬質炭化物生成元
素とはその性質を異にするが、析出強化作用を示す元素
として列記するものである。したがって、Ｂおよび／ま
たはＮのみを添加する場合には基本合金成分としてそれ
らと化合してホウ化物および／または窒化物を容易に形
成する金属元素を使用しなければならないのは云うまで
もない。Ｎを積極的に添加する場合には０１０１％以上
添加する。

すでに述べたように本発明は高合金粉末の製造に特に有
用であり、ここに「高合金」あるいは「高合金鋼」とは
上記高速度鋼を含めて、例えば合金元素の割合が合計し
て１０％を越えるものを云うが、要するに合金元素の添
加によって固溶硬（’Ｅの著しい合金系を総称するもの
である。

なお、「中高炭素、低酸素」とは一般に酸素０．２重量
％以下、炭素含有量０．３重量％以上を云うが、好まし
くは酸素含有量０．０５重量％以下、炭素含有量１、Ｏ
Ｍ量％以−トを云う。より好ましくは、酸素含有量０．
０２重量％以下、炭素含有量１．５重量％以上である。

以下本発明をさらに詳しく説明する。

本発明において利用する方法は、基本的には、従来の油
アトマイズ法に同じである。すなわち、本発明にあって
も液相線温度→−３００℃以下の温度に調整された溶湯
を、底部に溶湯滴下のために設けた溶湯ノズルを通して
、アトマイザ−ノズルの噴射方向の交点に流下させて、
ノズルより噴射された噴霧媒体としての油により粉化を
行うものであり、このときのアトマイズ処理は大気から
の酸化を抑制するため大気と遮断した不活性雰囲気下で
行う。

本発明にあっては溶湯温度を合金の液相線温度＋３００
℃以下の温度に調整するのであるが、溶湯温度がこれよ
り高いと、合金溶湯は多量のガス成分を吸収するため、
この溶湯が粉化・凝固する時にガスの発生を伴う。この
ガス発生により、生成粒子内に気孔が生ずる場合がある
。油アトマイズ法の場合、気孔の発生量は溶湯温度に対
する依存性が極めて高い。

これを数値的に表現すると第１図のようになる。第１図
は横軸にアトマイズ直前の溶湯温度と液相線温度との差
ΔＴ、縦軸に気孔発生率を取ったグラフである。このと
きの鋼粉末組成および他の油アトマイズ条件は後述の実
施例１に同じであった。この気孔発生率は、次のように
定義されるものであり、代表サンプルをエボラソクに埋
め込み、断面研磨を行った後、顕微鏡により観察を行い
決定した。

第１図より、油ア）フイズ法においては溶湯温度が液相
温度より３００℃を越えた高温になると急激に気孔が多
くなっていることが判る。したがって本発明において溶
湯温度を前述のように限定した。好ましくば液相線温度
＋２００℃以下である。ただし、これらの温度は油アト
マイズ法において得られる特有の値であり、冷却速度の
異なるガスアトマイズ法および水アトマイズ法には適用
できないものと考えられる。

なお、このとき、好まし、くは、溶鋼温度に対応して目
標炭素含有量より０．２〜１．０重量％だけ低い炭素濃
度に合金の溶湯の炭素含有量を調整する。溶湯中の炭素
濃度と得られた合金粉中の炭素濃度との間には一定の関
係がみられ、溶湯中の炭素濃度および溶湯温度をコント
ロールすることにより合金粉中の炭素濃度を調整するこ
とが可能である。

したがって本発明の好適態様において溶湯の炭素濃度を
目標炭素含有量よりも０．２〜１．０重量％低い濃度に
設定するのが好ましい。

さらに、本発明にあっては、熔融金属流量の噴霧媒流量
に対する質量流量比を０．００８〜０．７に調整するが
、これは得られる合金粉末の平均粒径を２７０μｍ以下
に調製するためである。

一般に各種用途に使用される金属粉末は平均粒径が２５
０μｍ以下の微粉末であることが必要とされる。

したがって、本発明において中高炭素高合金鋼の２５と
から、本発明では噴霧媒流速の上限を６００ｍ／ｓｅｃ
この実施例は、本発明による焼結鍛造用高速度鋼（ＪＩ
Ｓ　５ＫＩ（１０に相当） ｉ９湯調整条件： 溶湯温度　：　１４５０℃ 溶湯組成　：第１表参照 熔解雰囲気：＾ｒガス 油噴霧条件： 溶融金属流量／噴霧媒流量（質量流量比）＝　０．１２ 噴霧媒流速：　３００ｍ／ｓｅｃ 噴霧媒　　：機械油Ａ アトマイズ雰囲気：Ａｒガス 轡 第３表 得られた粉末の粒子形状は上記の質量流量比では不規則
形状粉となり、その外観の顕微鏡写真を第４図に示す。

こうして得られた焼結鍛造用高速度鋼粉を不活性雰囲気
中で焼鈍を行った後、圧縮性および成型性について測定
した結果を第４表にまとめて示す。

第４表 比較例として、従来の水アトマイズ法により得た粉末を
同条件で処理したものは、５Ｔ／ｃｄで圧縮体密度＝６
．１ｇ／ｃｄ、圧粉体抵抗力＝２．５ｋｇｆ／ｗ％であ
り、本発明の方法によって優れた性状の粉体が得られた
ことがわかる。

またガスアトマイズ法は、基本的に焼結用に不適である
ことは前述した通りである。

実流上１ この実施例は、本発明による封入型成型用高速度鋼粉の
製造方法および得られた製品の性状を示すものである。

本発明方法を以下に示す条件で実施した。

目標組成：　　１．５Ｇ−４，２Ｃｒ−１２Ｗ−４，５
Ｖ−４，５Ｃｏ−Ｂａ１．Ｆｅ（ＪＩＳ　５ＫＨＩＯに
相当） 溶湯調整条件： ｆｇ＠温度　：　１４３０℃ 溶湯組成　；第５表参照 溶解雰囲気：＾ｒガス 油噴霧条件： 熔融金属流量／噴霧媒流量（質量流量比）＝０．４ 噴霧媒流速：　２００ｍ／ｓｅｃ 噴霧媒　　：機械油Ｂ アトマイズ雰囲気：　＾ｒガス 上記の条件で、これ以外の工程は従来の油アトマイズ法
と同様にして得られた粉末の性状を、第５表（化学組成
）第６表（粒径分布）および第７表（見掛密度、流動度
）にまとめて示す。

第７表 得られた粉末の粒子形状は上記の熔融金属流量／噴霧媒
流量値では球状粉となり、その外観の顕微鏡写真を第５
図に示す。

このようにして調整した高速度鋼粉を、真空中でカプセ
ルに充填すると充填密度は真密度の６３％以上となり、
ＣＩＰ成形用およびＨＩＰ成形用としてすぐれているこ
とが判る。

さらに、１）５０℃、２０００ｋｇ／ｃｄで１時間、Ｈ
ＩＰ処理した後の炭化物の分散程度を示す顕微鏡写真を
第６図に示す。炭化物が均一に微細分散しており、炭化
物の大きさも５μｍ程度であることがわかる。ガスアト
マイズ法により試作した粉末の組織（粒径１゜μ■以上
）に比べて微細であることは明らかである。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の方法は、従来
の水アトマイズ法およびガスアトマイズ法に比べて低コ
ストで、しかも工業的に実用性の高い粉末冶金用中高炭
素烏合金粉が簡単に得られる優れたノｊ法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、溶Ｉ３ｊ温度とポアー０発４Ｌ率の関係を示
Ｊ゛グラフである。 第２図は、熔融金属流量／噴霧媒流♀と平均粒子径の関
係を示゛＋グラフである。 第３図は、噴霧媒流速き平均粒子径の関係を示すグラフ
である。 第４図は、実施例Ｉにおいて本発明Ｃに。Ｌり得られた
合金粉末のＵｑ微鏡写真である。 第５図才ダよび第６図は、それぞれ実施例２において本
発明により（讐られた合金粉末の宙！微鐙写真およびＨ
Ｉ　Ｐ処理後の炭化物の分散程度を示す同様の顕微鏡写
真である。 出願人　　住友金属下業株式会社 代理人　　弁理−１広　瀬　章　−・ 第１図 ΔＴ　ｃ’ｃ） 第２図 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を生成する元素のうちの
   少なくとも１種を含有する合金の溶湯を該合金の液相線
   温度＋３００℃以下の温度に調節すること、および かくして温度調節した合金の溶湯を、熔融金属流量の噴
   霧媒流量に対する質量流量比０．００８〜０．７そして
   噴霧媒流速１００〜６００ｍ／ｓｅｃの油噴霧条件によ
   り、不活性雰囲気中で油アトマイズすることを特徴とす
   る、粉末冶金用に適した粒度分布を持つ、酸素含有量０
   ．２重量％以下および炭素含有量０．３重量％以上の中
   高炭素、低酸素合金粉末の製造方法。
2. （２）溶湯温度に対応して目標炭素含有量より０．２〜
   １．０重量％だけ低い炭素濃度に合金の溶湯の炭素含有
   量を調整する、特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
3. （３）Ｂ、Ｎおよび硬質炭化物を生成する元素のうちの
   少なくとも１種を含有する合金の溶湯を該合金の液相線
   温度＋３００℃以下の温度に調節すること、かくして温
   度調節した合金の溶湯を、溶融金属流量の噴霧媒流量に
   対する質量流量比０．００８〜０．７そして噴霧媒流速
   １００〜６００ｍ／ｓｅｃの油噴霧条件により、不活性
   雰囲気中で油アトマイズすること、および かくして得られた合金粉末をさらに非酸化性雰囲気にお
   いて焼鈍処理を行うことを特徴とする、粉末冶金用に適
   した粒度分布を持つ、酸素含有量０．２重量％以下およ
   び炭素含有量０．３重量％以上の中高炭素、低酸素合金
   粉末の製造方法。
4. （４）溶湯温度に対応して目標炭素含有量より０．２〜
   １．０重量％だけ低い炭素濃度に合金の溶湯の炭素含有
   量を調整する、特許請求の範囲第（３）項記載の方法。