JPS62146204A - 鉄−炭素粉末とその製造方法 - 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〕 本発明は鉄系焼結材料の焼結促進用母合金として用いら
れる鉄−炭素粉末及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

鉄系焼結材料の用途としては大量生産に二るコストメリ
ットを生かした構造用部品や気孔部に含油させた無給油
軸受等が主流を占めていたが、最近では強度を必要とす
る部品にも、＠量化やコスト低減を目的として採用され
つつある。

一方、鉄系焼結材料の強度向上は炭素の添加によるのが
容易かつ効率的であり、コスト面でも合金元素の添加よ
り安価になるため一般的知多用されている。

〔発明が解決しようとする間層点〕

しかるに同一炭素量のＦｅ　−Ｃ焼結材料と炭素鋼とを
比較すると、Ｆｅ−Ｃ焼結材料の強度が劣っている。Ｆ
ｅ　−Ｃ焼結材料は１０ないし２０容量俤の気孔を含ん
でいるため、鍛造等の外力をイ乍用させ、α石、を０．
５弧ｋｌ下に１．で本Ｌυ表何と同等の強度は得られな
い。この理由としては次の事が考えられる。

炭素鋼すなわち鋼材の強度はマトリックス強度によりほ
ぼ決定されるが、焼結材料ではマトリックス強度、気孔
量及び粉末粒子間の“ネック、の強さ、即ち焼結時の粉
末粒子間の結合力の５要素により、強度が決まると考え
られている。この為、前述のように気孔量を減少させ。

あるいはさらにマトリックスを合金化により強化しても
、ネックを強化しなくては鋼材の強度に到達しない。し
かるにネックの強化については課題が多く、未だ満足の
ゆく手法が確立されていない。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
、鉄粉または鉄基合金粉末に添加して焼結を促進するＦ
ｅ−Ｃ粉末、及びその製造方法を提供しようとするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

従来、鉄系焼結材料の強度向上にはグラファイトの添加
が効率的であることは知られている究の結果、グラファ
イトの添加はマトリックス強化には大きな効果を示すも
のの焼結時の昇温過程におけるネックの成長に対しては
効果のないことを見出した。

通常市販されている鉄粉または鉄基合金粉末はα１ない
し［１５％の酸素を粉末表面及び内部に含有しており、
粉末表面の酸素は酸化物層として存在している。この酸
化物層は粉末／粉末間の焼結の際にバリヤー（障壁）と
なるので焼結を促進するには、即ちネックを成長させる
にはこのバリヤーを取シ除くことが重要である。

しかるにマトリックス強化のために添加されたグラファ
イトは昇温の際（およそ９００”ｃ）にガス化して鉄を
浸炭化し、次に鉄の表面を覆っている酸化物を還元する
のでそれだけネックの成長が遅れることになる。このよ
うな知見に基ずき、種ｄ検討の結果、Ｆｅ−Ｃ粉末を添
加することにより、昇温過程（およそ６５０℃）におい
て該Ｆｅ−Ｃ粉末中のＣがバリヤーとなる酸化物を還元
除去し、ネックを成長せしめうろことを見出した。

即ち本発明のＦｅ−Ｃ粉末は、炭素Ｉ１５〜＆７チ、酸
素０．２％以下、珪素（Ｌ５チ以下、残部鉄からなる組
成を’ｐしｓ炭素の８０チ以上が化合炭ｇであり、２５
０以下のビッカース硬度と１００メソ／ユ以下の粒子径
とを有することを特徴とするものである。

また本発明のＦｅ−Ｃ粉末の製造方法は、炭素Ｃ粉末を
７５０ないし１０２０℃に加熱した後、３００°Ｃ迄の
冷却を５ないし１５０″Ｃ／分の冷却速度で行ない、２
５０以下のビッカース硬度と８０チ以上の化合炭素含有
量に調整することを特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明のＦｅ−Ｃ粉末は合金化されているので浸炭化の
場合よりも早く基材中に浸透し、酸化物を還元する。Ｆ
ｅ−Ｃ粉末中のＣは焼結の際に消耗するものであるから
焼結部品としての必要強度を維持するためのＣ含有量を
考慮した上でＦｅ−Ｃ粉末中のＣ含有量と、該粉末の添
加ｔを決定しなければならない。焼結材料として必要な
Ｃ含有量は、実用的には１．０チ程度であるが２．０チ
程度迄は許容し得る。

そこでＦｅ−Ｃ粉末中の炭素量が１１５％未満ではバリ
ヤーの除去に不十分であり、＆７チを超えて本効果が伸
びず、かえって粉末自体の生産性が低下するためＩ１５
ないし＆７％とした。

またＣの損耗を避けるため、酸素の含有量は（Ｌ２チ以
下が好ましく、珪素はＣの黒鉛化を促すのでＱ、５チ以
下が望ましい。

粉末のビッカース硬度Ｈｖが２５０を超えると、基地粉
末の圧縮性を著しく低下させるため好ましくな（，２５
０以下に抑える必要がある。粉末粒度については、同一
重量では粒径が馴かい程、粒子数が多くなり、強度向上
に対する寄与率が向上する。従って１ｏＯメツシュ以下
が好ましい。

上記の如（、Ｆｅ−Ｃ粉末中のＣは化合炭素でないとバ
リヤー除去の効果がないので、含有Ｃの少くとも８０％
が化合炭素であることが必要であり、このようなＦｅ−
Ｃ粉末を製造するには、純鉄とグラファイトとを所定の
割合に、一旦溶解し噴霧法にて微粉化したものをさらに
熱処理して一定の温度に保持した後、一定の速度で冷却
しなければならな匹。

即ち、Ｃ０．５〜＆７慢のオーステナイト固溶体とする
には７５０℃以上での加熱を必要とし、１０２０°Ｃ以
上では焼結が進むので好ましくない。

冷却が進むとフェライト／セメンタイトに変態するが、
Ｃ含有量に応じて５ないし１５０℃／分の範囲で冷却す
ると結晶の粗大化を防止することができ、結晶中のＣ原
子が移動し易くなる。

また冷却速度があまり遅いとＣが黒鉛化する恐れがあり
、珪素の含有量が高いことも黒鉛化の原因となる。

〔実施例〕

する。

実施例１ 溶解昇温に伴なう損失を見込んで、純鉄とグラファイト
とを約２チのＣ含有量となるように配合し、大気中、高
周波誘導溶解炉で溶解した。

さらに溶湯を融点より１５０℃高い温度に加熱した後、
予かじめ十分に予熱したタンディツシュに注湯しつつタ
ンディツシュの底部に設けた直径８關のタンディツシュ
ノズルから重力ｇ下させ、圧力？０即ｆ／―、　　水量
５６０１／分の円錐ジェット水流により、水アトマイズ
した。回収後、脱水乾燥したアトマイズ粉の組成を化学
分析したところ、Ｆｅ　（残部）−１，９％Ｃ−ＩＩＬ
５２％０であった。次にスチールベルト式の加熱炉に露
点−５０℃の窒素ガスを流しつつ乾燥アトマイズ粉を装
入し、８５０°Ｃに約３０分保持し、８５０°ＣからＳ
　Ｑ　Ｏ’Ｑまで３０°Ｃ／分　の速度で冷却し、さら
に１００℃以下に冷却した。

この粉末をハンマーミル式粉砕機で粉砕、篩別し、−１
００メツシュの粉末を得た。この粉末の組成はＦｅ　　
（残部）　−１，６１％Ｃ−（ＬＯｓ％０であり、その
うち、化合炭素が１．５５　％で全炭素の９６％を占め
た。微小ビッカース硬度計に二る硬度は平均１’　８０
であった。

実施例２ 実施例１と同様にして得たＦｅ　（残部）−五９１Ｃ−
α１６チ０のアトマイズ粉を急速冷却が可能な加熱炉を
用い窒素ガス雰囲気（露点）中で９５０℃に加熱後、２
０分保持し、９５０°Ｃから３００°ａｔで１００℃／
分で冷却し、粉末ケーキを得た。このケーキ状粉末をハ
ンマーミル式衝撃粉砕機で粉砕後、篩分けして−１００
メツシュ粉を得た。この粉末の成分組成はＦｅ（残部）
−五８チＣ−Ｑ、０５チＯであり、五８チのＣのうち９
３チが化合炭素であった。上記粉末のビッカース硬度は
１９５であった。

比較例１ 実施例１と基本的に同様な方法で、但しＳｉを加えてＦ
ｅ　（残部）　−１，８ＳＣ−Ｑｌ　４ＳＣ−１，６％
Ｓｉ　　のアトマイズ粉を得た。次に水素ガス雰囲気中
で９５０℃で９０分間加熱し、５０°σ分の冷却速度で
３００℃迄冷却し、１００℃以下に下げてから炉から取
り出しハンマーミルにて粉砕後分級し、−１００メツシ
ュの粉末を得た。この粉末の成分組成はＦｅ　（残部）
−１，７２チＣ−１゜５９チ５ｉ−０，０７チＯで、化
合炭素は２２チにとどまり、ビッカース硬度は１７０で
あった。化合炭素が減少したのはＳｉ　が炭素の黒鉛化
を促進したことによる。

上記の如く、本発明の範囲内で製造すれば化合炭素を８
０チ以上含み、粉末硬度がＨＶ２５０以下でＣＱ、５〜
＆７％、酸素１２％以下、　Ｓｔα５チ以下、残部Ｆｅ
　からなるＦｅ−Ｃ粉末の得られることが認められる。

次に試験例により、本発明のＦｅ−Ｃ粉末を母合金とし
て使用すれば強度の向上した焼結材料の得られることを
説明する。

試験例１ 還元法により製造された市販の純鉄粉（酸素含有量：　
［１２１％）に重量比にして５俤の、実施例２で得たＦ
ｅ−Ｃ粉末と、　　０．６％の黒鉛粉と、０６８チのス
テアリン酸とを混合後、Ｊ８ＰＭ２−６４の規格による
引張試験片を密度６．８　ｉ／７になるように粉末成形
した。焼結に際しては常温から７００℃までを５０℃／
分で昇温し、４０分間保持した後、３０°Ｃ／分で１１
５０°Ｃに昇温した後３０分間保持し、２５°Ｃ／分の
冷却速度で４００°Ｃに冷却後、放置して常温まで冷却
した。

なお加熱から冷却までを分解アンモニアガス雰囲気で行
なった。焼結後のＣ含有量はｃＬ６３チで試、験片の引
張強度はａ６ＫＰｆ／ｍ−であった。

試験例２ 試験例１で用いた市販の純鉄粉に、重量比にして５チの
比較例１のＦｅ−Ｃ粉末と、（ｌＬ６％の黒鉛粉と、０
．８チのステアリン酸亜鉛粉とを添加・混合した後、密
度６．８１　／７　の粉末成形体（圧密体）とし、試験
例１と同様に焼結した。

焼結後のＣ含有量は１ｌＬ６５チで引張強度は工１Ｆｅ
ｆ／ｍｒｉであった。

試験例５ 本例は通常行なわれている焼結材料の製造方法に従った
もので試験例１で用いた市販の鉄粉にｃＬ７％の黒鉛粉
とＣＬ８チのステアリン酸亜鉛を混合した後、密度＆８
ｙ／ｃｎＩｔ　の粉末成形体とし、試験例１と同様に焼
結した。焼結後のＣ含有量はα６４チで引張強度は３５
Ｙ４ｆ／−であった。

図は上記試験例１〜５の引張強度をグラフで表わしたも
ので、試験例１の試験片は従来の方法によるもの（試験
例６）よシも１１　ｒ４ｆ／ｙ＋ｆｆｌ高く、化合炭素
含有量の少ないＦｅ−Ｃ粉末を用いた試験例２の試験片
では従来のものよりも４ｈｉｆ／−減少した。

〔発明の効果〕

上記の如く５本発明のＦｅ−Ｃ粉末を母合金として鉄粉
に添加することにより、従来と同−辰素量、同一焼結温
度で従来よシも篩強度の焼結材料が得られ５合金粉を使
用するがプこめに焼結温度を高めたり、加熱炉を変更す
る等の操業条件や設備の変更も不要である。なお本発明
のＦｅ−Ｃ粉末に鉄合金粉または鉄と合金用金属粉との
混合粉を添加しても同様の効果を得られることはいうま
でもない。

【図面の簡単な説明】

図は試験例１〜５における引張強度のグラフを表わす。 特許出願人　　トヨタ自動車株式会社 （ほか１名） 頷　　訊　　証 験験験 例　　例　　例

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素０．５ないし６．７％、酸素０．２％以下、
   珪素０．５％以下残部鉄からなる組成を有して炭素の８
   ０％以上が化合炭素であり、２５０以下のビッカース硬
   度と１００メッシュ以下の粒子径とを有することを特徴
   とする鉄−炭素粉末。
2. （２）炭素および不可避不純物を含み、残部が実質的に
   鉄からなる溶鋼を調整する工程と、噴霧媒体により粉末
   化する工程と、得たる、Ｆｅ−Ｃ粉末を７３０ないし１
   ０２０℃に加熱した後、３００℃迄の冷却を５ないし１
   ５０℃／分の冷却速度で行ない、２５０以下のビッカー
   ス硬度と８０％以上の化合炭素含有量に調整することを
   特徴とする炭素０．５ないし６．７％、酸素０．２％以
   下、珪素０．５％以下、残部が鉄からなる鉄−炭素粉末
   の製造方法。