WO2016190038A1

WO2016190038A1 - 鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法並びにそれを用いて作製した焼結体及びその製造方法

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Publication number: WO2016190038A1
Application number: PCT/JP2016/063169
Authority: WO
Inventors: 宣明赤城
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2016-12-01
Also published as: EP3321000A1; EP3321000A4; KR102102584B1; JP6480265B2; KR20180008732A; US20180141117A1; JP2016222943A; CN107614158A; CN107614158B; EP3321000B1

Abstract

本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、鉄基粉末と、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される１種以上を含むＣａＳ原料粉末と、を含むものであって、前記ＣａＳ原料粉末は、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されている。

Description

鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法並びにそれを用いて作製した焼結体及びその製造方法

　本発明は、鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法並びにそれを用いて作製した焼結体及びその製造方法に関し、より特定的には、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆した硫化カルシウム粉末又は半水硫酸カルシウム粉末を含む鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法並びにそれを用いて作製した焼結体及びその製造方法に関する。

　粉末冶金は、様々な機械部品の工業的生産方法として広く用いられている。鉄基粉末冶金の手順は、まず、鉄基粉末と、銅（Ｃｕ）粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末等の合金用粉末と、黒鉛粉と、潤滑剤とを混合することにより混合粉を準備する。次に、この混合粉を金型に充填してプレス成形し、焼結することにより焼結体を作製する。最後に、この焼結体に対してドリル加工や旋削加工等の切削加工を施すことによって所望の形状の機械部品に整える。

　粉末冶金の理想は、焼結体に切削加工を施すことなく、焼結体を機械部品として使用できるように加工することである。しかし、上記焼結によって原料粉末の不均一な収縮が生じることもある。近年では機械部品に要求される寸法精度が高く、部品形状が複雑化している。このため、焼結体に切削加工を施すことは必須になりつつある。このような技術的背景から、焼結体を円滑に加工できるように、焼結体に被削性を付与している。

　上記被削性を付与する手段として、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を混合粉に添加する手法がある。硫化マンガン粉末の添加は、ドリル穿孔等の比較的低速の切削加工には有効である。しかし、硫化マンガン粉末の添加は、近年の高速切削加工では必ずしも有効ではないこと、焼結体に汚れが発生すること、機械的強度が低下すること等の課題がある。

　特許文献１（特公昭５２－１６６８４号公報）には、上記硫化マンガンの添加以外の被削性を付与する方法が開示されている。特許文献１は、鉄粉の所要量の炭素と銅を含有せしめた鉄系原料粉に対し、０．１～１．０％の硫化カルシウム（ＣａＳ）と、０．１～２％の炭素（Ｃ）と、０．５～５．０％の銅（Ｃｕ）とを含有する焼結鋼を開示している。

　特許文献１に開示の硫化カルシウムを鉄系原料粉に含有させることにより、機械部品の強度が大幅に低下すること、混合粉が経時変化して品質が安定しないこと等の課題がある。また、特許文献１に開示の焼結鋼を切削工具によって加工すると、切屑が細かく分断されにくかった。このことから、特許文献１に開示の焼結鋼は現在の切屑処理性の要求を満たすほど優れているとは言い難い。

　本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した品質及び性能の焼結体を作製し得る鉄基粉末冶金用混合粉を提供することである。

特公昭５２－１６６８４号公報

　本発明は、上記鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって作製された焼結体である。

　本発明の鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法は、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される１種以上を含むＣａＳ原料粉末を、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆するステップと、被覆されたＣａＳ原料粉末と、鉄基粉末とを混合するステップと、を含むことを特徴とする。

　本発明の焼結体の製造方法は、上記製造方法によって作製された鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することにより焼結体を得るステップを含み、焼結体は、０．０１重量％以上０．１重量％以下の重量比のＣａＳを含む。

　上記目的を達成するため、本発明者は、特許文献１に開示の焼結体が、なぜ時間の経過とともに品質及び性能が低下するのかを調べた。そして、本発明者は、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウム（以下、これら２成分を「ＣａＳ成分」と記す）を含むことにより、焼結体の品質及び性能が低下することを突き止めた。すなわち、本発明者はＣａＳ成分が大気中の水分を吸収することで硫酸カルシウム二水和物（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）に変化したり、ＣａＳ成分が硬化反応により凝集して６３μｍ以上の粗粒を形成したりすることを見出した。これによりＣａＳ成分が混合粉又は焼結体中で不均一に分散して焼結体の被削性を低下させたり、ＣａＳ成分に吸着した水分が焼結中に膨張して水蒸気となり、焼結体の強度を低下させたりすることが明らかとなった。

　本発明者は、上記知見に基づいて、水分を吸水しにくいＣａＳ成分の構成についてさらに鋭意検討することにより以下に示す本発明を完成した。

　本発明によれば、安定した品質及び性能の焼結体を作製し得る鉄基粉末冶金用混合粉を提供することができる。

　以下、本発明の鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法を具体的に説明する。

　＜鉄基粉末冶金用混合粉＞
　本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、鉄基粉末と、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される１種以上を含むＣａＳ原料粉末とを混合してなる混合粉である。このＣａＳ原料粉末は潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されていることを特徴とする。上記混合粉に、３元系酸化物、２元系酸化物、合金用粉末、黒鉛粉末、潤滑剤、バインダー等の各種添加剤が適宜添加されてもよい。これら以外に、鉄基粉末冶金用混合粉の製造過程で当該混合粉に、微量の不可避不純物が含まれてもよい。本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、金型等に充填して成形した上で焼結することにより焼結体を得ることができる。このようにして作製された焼結体は、切削加工を施すことにより各種機械部品に使用することができる。この焼結体の用途及び製造方法は後述する。

　＜鉄基粉末＞
　鉄基粉末は、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する主要構成成分であり、鉄基粉末冶金用混合粉全体に対し６０重量％以上の重量比で含まれることが好ましい。なお、ここでの鉄基粉末の重量％は、鉄基粉末冶金用混合粉のうちの潤滑剤以外の総重量に占める割合を意味する。以下に各成分の重量％を規定する場合、その規定はいずれも潤滑剤を除く鉄基粉末冶金用混合粉の総重量に占める重量割合を意味するものとする。

　上記鉄基粉末としては、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉等の純鉄粉、部分拡散合金化鋼粉、完全合金化鋼粉、又は完全合金化鋼粉に合金成分を部分拡散させたハイブリッド鋼粉等を用いることができる。鉄基粉末の体積平均粒子径は５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは７０μｍ以上である。鉄基粉末の体積平均粒子径が５０μｍ以上であると、ハンドリング性に優れる。また、鉄基粉末の体積平均粒子径は２００μｍ以下であるのが好ましく、１００μｍ以下がより好ましい。鉄基粉末の体積平均粒子径が２００μｍ以下であると、精密形状を成形しやすく、かつ十分な強度を得られる。

　＜ＣａＳ原料粉末＞
　本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される１種以上を含むＣａＳ原料粉末を含み、当該ＣａＳ原料粉末が潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されていることを特徴とする。このように潤滑剤及び／又はバインダで被覆されたＣａＳ原料粉末を用いることにより、ＣａＳ原料粉末の吸水性を抑制することができ、以って焼結体の各種性能を安定して高めることができる。

　従来は、焼結してＣａＳとなる原料として、硫化カルシウム（ＣａＳ）、二水石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム（ＩＩＩ型ＣａＳＯ₄）、半水石膏（ＣａＳＯ₄・１／２Ｈ₂Ｏ）等を添加していた。しかし、上記各成分は時間の経過とともに水分を吸水し、焼結体の被削性を低下させることがあった。また、焼結してＣａＳとなる原料に吸水された水分が、焼結中に膨張して水蒸気となって焼結体の密度を低下させたり、高温の水蒸気が焼結体内の鉄基粉末を酸化することによって焼結体の強度を低下させたりすることがあった。これに対し、本発明では上述のように潤滑剤又はバインダで被覆したＣａＳ原料粉末を添加しているので、鉄基粉末冶金用混合粉に含まれた状態で一定期間保管してもＣａＳ原料粉末が水分を吸水しにくい。かかる効果により、設計通りの焼結体の諸特性（焼結体密度、圧環強度、被削性等）が安定化される。しかも、上記の被覆したＣａＳ原料粉末は、焼結後にＣａＳに変化して焼結体の被削性を高めることができる。

　ＣａＳ原料粉末は、硫化カルシウム又は半水硫酸カルシウムのいずれか一方若しくは両方を主成分として含むことが好ましく、二水硫酸カルシウム（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム（ＩＩ型ＣａＳＯ₄）、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム（ＩＩＩ型ＣａＳＯ₄）等を含んでいてもよい。

　ここで、「ＣａＳ原料粉末が潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されている」とは、ＣａＳ原料粉末の表面全面が潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されている態様と、部分的に被覆されている態様とを含む。上記潤滑剤又はバインダの厚みは、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムが外部の大気と接触しない厚みであれば特に限定されない。上記厚みはＣａＳ原料粉末の表面で均一であることが好ましいが、部分的に厚い部分や薄い部分があってもよい。

　上記潤滑剤の添加量は適宜設定することができ、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、０．１重量％以上１．５重量％以下であることが好ましい。また、バインダの添加量は適宜設定することができ、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、０．０２重量％以上０．５重量％以下であることが好ましい。潤滑剤及びバインダを過剰に添加すると、プレス成型時の圧縮性が低下して密度が低下する。逆に潤滑剤及びバインダの添加が過少であると、上記ＣａＳ原料粉末が外部の大気と接触しやすくなるか、又はプレス成形時に金型から離型しにくくなるので、金型を損傷させる可能性がある。

　上記潤滑剤による被覆は、混合容器中で潤滑剤とともにＣａＳ原料粉末を混合して加熱することにより行なう。あるいは、予め被覆したＣａＳ原料粉末を準備してもよいし、ホットメルト法を用いてＣａＳ原料粉末の表面に潤滑剤を被覆してもよい。ホットメルト法の手順は、まず、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する潤滑剤以外の各粉末とともに潤滑剤を混合容器に充填する。この各粉末を加熱しながら混合した後に室温まで冷却する。これにより、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する各粉末がそれぞれ潤滑剤によって被覆される。

　さらに別の被覆方法として、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する各粉末のうち潤滑剤を除く全粉末を混合容器に充填する。次に、当該混合容器にバインダを溶媒に溶解させたバインダ溶液を添加して混合する。その後に、バインダ溶液に含まれる溶媒を揮発させる。最後に潤滑剤を添加することによってＣａＳ原料粉末を潤滑剤及び／又はバインダによって被覆してもよい。この場合、各粉末がそれぞれ潤滑剤及び／又はバインダで被覆されることになる。この工程の詳細は後述する。

　ＣａＳ原料粉末は、焼結後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように鉄基粉末冶金用混合粉に含まれることが好ましい。より好ましくは焼結後のＣａＳの重量比が０．０２重量％以上となるようにＣａＳ原料粉末を含むことであり、さらに好ましくは焼結後のＣａＳの重量比が０．０３重量％以上となるようにＣａＳ原料粉末を含むことである。このような重量比でＣａＳを含む焼結体は被削性に特に優れる。一方、ＣａＳ原料粉末は、焼結後のＣａＳの重量比が０．０９重量％以下となるように含まれることが好ましく、より好ましくは０．０８重量％以下となるように含まれる。このような重量比でＣａＳを含むことにより、焼結体の強度を高めることができる。

　ここで、「焼結後のＣａＳの重量比」とは、鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって得られた焼結体に占めるＣａＳの重量比を意味する。この焼結後の焼結体に含まれるＣａＳの重量比は、焼結前に含有されるＣａＳ原料粉末の重量比によって調整することができる。

　焼結体に含まれるＣａＳの重量比は、焼結体をドリル等で加工することにより試料片を採取し、当該試料片に含まれるＣａの重量を定量分析して得られたＣａの重量を、ＣａＳの重量に換算することによって算出する。かかる換算は、Ｃａの原子量（４０．０７８）で除してＣａＳの分子量（７２．１４３）を積算することによって行う。Ｃａは焼結時に反応して消失することが殆どないため、Ｃａの重量は焼結前後で変化せず、ＣａとＳは１：１で結合している。

　ＣａＳ原料粉末の体積平均粒子径は、０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、さらに好ましくは１μｍ以上である。またＣａＳ原料粉末の体積平均粒子径は６０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以下である。このような体積平均粒子径のＣａＳ原料粉末は、市販のＣａＳ原料粉末を公知の粉砕機にて粉砕して分級することにより得ることができる。また、無水ＩＩ型の硫酸カルシウムからなるＣａＳ原料粉末は、例えば半水石膏を３５０℃以上９００℃以下に加熱して１時間以上１０時間以下保持したものを粉砕して分級することにより得ることができる。ＣａＳ原料粉末の体積平均粒子径が小さいほど、ＣａＳ原料粉末の添加量を少量にしても焼結体の被削性を向上し得る。上記体積平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（日機装製マイクロトラック「ＭＯＤＥＬ９３２０－Ｘ１００」）を用いて得られた粒度分布における積算値５０％の粒度Ｄ₅₀の値である。

　＜潤滑剤＞
　ＣａＳ原料粉末を被覆する潤滑剤は、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムの吸湿性を抑制するために添加される。当該潤滑剤は、金型内で鉄基粉末冶金用混合粉を圧縮して得た成形体を、金型から取り出しやすくする機能をも有する。つまり、鉄基粉末冶金用混合粉に潤滑剤を添加すると、金型から成形体を取り出すときの抜き圧を低減し、成形体の割れや金型の損傷を防止することができる。また、ホットメルト法を用いる場合、潤滑剤が鉄基粉末の表面に合金用粉末及び黒鉛粉末を付着させる機能を発揮するので、鉄基混合粉末の偏析を防止することもできる。なお、ＣａＳ原料粉末を被覆する潤滑剤とは別に、鉄基粉末冶金用混合粉を作製する過程で潤滑剤を添加してもよいし、鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填するときに金型の表面に潤滑剤を塗布してもよい。

　潤滑剤は、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、０．０１重量％以上含まれることが好ましく、より好ましくは０．１重量％以上、さらに好ましくは０．２重量％以上含まれることである。潤滑剤の含有量が０．０１重量％以上であることにより、ＣａＳ原料粉末が外部の大気と接触することを抑制し、焼結体の性能が安定する効果を得やすい。また潤滑剤は、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、１．５重量％以下含まれることが好ましく、より好ましくは１．２重量％以下、さらに好ましくは１．０重量％以下含まれることである。潤滑剤の含有量が１．５重量％以下であることにより、高密度な焼結体を得やすく、強度の高い焼結体を得ることができる。

　上記潤滑剤は、ワックス系潤滑剤を用いることが好ましく、鉄基粉末表面に合金用粉末、黒鉛粉末等を付着させる性能が良好であり、かつ鉄基混合粉末の偏析を軽減しやすいという観点から、アミド系潤滑剤を用いることがより好ましい。アミド系潤滑剤としては、ステアリン酸モノアミド、脂肪酸アミド、アミドワックス等が挙げられる。アミド系潤滑剤以外の潤滑剤として、炭化水素系ワックス及びステアリン酸亜鉛及び架橋（メタ）アクリル酸アルキルエステル樹脂からなる群より選択される１種以上を用いることができる。

　＜バインダ＞
　ＣａＳ原料粉末を被覆するバインダは、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムの吸湿性を抑制し、かつ鉄基混合粉末の偏析を防止するために添加される。バインダは鉄基粉末表面に合金用粉末を付着させる機能も有する。なお、ＣａＳ原料粉末を被覆するバインダとは別に、鉄基粉末冶金用混合粉を作製する過程でバインダを添加してもよい。

　ＣａＳ原料粉末をバインダで被覆する手順は、まず、トルエン等の有機溶媒にバインダを溶解させることによりバインダを含有した有機溶媒を準備する。次に、当該有機溶液を、ＣａＳ原料粉末と混合する。最後に、有機溶媒を揮発させることにより、ＣａＳ原料粉末にバインダを被覆させる。

　バインダは、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブテン系重合体及びメタクリル酸系重合体からなる群より選択される１種以上を用いることがより好ましい。ブテン系重合体としては、ブテンのみからなる１－ブテン単独重合体、又はブテンとアルケンの共重合体を用いることが好ましい。上記アルケンは低級アルケンが好ましく、好ましくはエチレン又はプロピレンである。メタクリル酸系重合体は、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸シクロへキシル、メタクリル酸エチルへキシル、メタクリル酸ラウリル、アクリル酸メチル及びアクリル酸エチルからなる群より選択される１種以上を用いることができる。

　バインダは、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し、０．０１重量％以上含まれることが好ましく、より好ましくは０．０５重量％以上含まれることである。バインダを０．０１重量％以上含むことにより、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムの吸湿性を抑制することができる。またバインダは、鉄基粉末冶金用混合粉の重量に対し０．５重量％以下含まれることが好ましく、より好ましくは０．４重量％以下、さらに好ましくは０．３重量％以下含まれることである。バインダの含有量を０．５重量％以下とすることにより、プレス成型時に高密度の成形体を得やすくなる。

　＜３元系酸化物＞
　３元系酸化物は、焼結体を切削加工に長時間用いたときの被削性を向上させるために添加されてもよい。上記３元系酸化物は、ＣａＳ原料粉末の添加と相俟って焼結体の被削性を顕著に高め得る。ここで、３元系酸化物とは３種の元素の複合酸化物を意味し、具体的にはＣａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＺｎからなる群より選択される３種の元素の複合酸化物であることが好ましく、より好ましくはＣａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物、Ｃａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物等である。Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物としては、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂等が挙げられる。Ｃａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物としては、２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂等が挙げられる。中でも２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂を添加することが好ましい。上記２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂は、切削工具中または切削工具に施されたコーティングに含まれるＴｉＯ₂と反応して、切削工具の表面に保護皮膜を形成するので、切削工具の耐摩耗性を顕著に向上させることができる。

　３元系酸化物の形状は、特に制限されないが、球形又はそれが潰れた形状のもの、すなわち全体に丸みのある形状が好ましい。

　３元系酸化物の体積平均粒子径の下限は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。体積平均粒子径が小さいほど少量の添加で焼結体の被削性を向上できる傾向がある。また、３元系酸化物の体積平均粒子径の上限は１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは９μｍ以下である。体積平均粒子径が大きすぎると、焼結体の被削性を向上しにくくなる。３元系酸化物の体積平均粒子径は、上記ＣａＳ原料粉末と同様の測定方法で測定された値である。

　３元系酸化物の含有量の下限は０．０１重量％以上であることが好ましく、より好ましくは０．０３重量％以上、さらに好ましくは０．０５重量％以上である。また、３元系酸化物の含有量の上限は０．２５重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２重量％以下、さらに好ましくは０．１５重量％以下である。このような重量割合で含むことにより、コストを抑制しつつ長期間の切削加工でも被削性に優れた焼結体を得ることができる。３元系酸化物をＣａＳ原料粉末と組み合わせて用いることにより、３元系酸化物の添加量が少量でも長期間の切削加工における被削性を向上させることができる。

　３元系酸化物と焼結後のＣａＳとの重量比は１：９～９：１の割合で含まれることが好ましく、より好ましくは３：７～９：１、さらに好ましくは４：６～７：３である。このような重量比で両成分を含むことにより、焼結体の被削性を顕著に向上させることができる。

　＜２元系酸化物＞
　２元系酸化物は、焼結体を切削加工に用いたときの切削初期の被削性を向上させるために添加されてもよい。ここで、２元系酸化物とは２種の元素の複合酸化物を意味し、具体的にはＣａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＺｎからなる群より選択される２種の元素の複合酸化物であることが好ましく、より好ましくはＣａ-Ａｌ系酸化物、Ｃａ-Ｓｉ系酸化物等である。Ｃａ-Ａｌ系酸化物としては、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。Ｃａ-Ｓｉ系酸化物としては、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂等が挙げられる。

　２元系酸化物の形状、体積平均粒子径及びその測定方法並びに重量割合は、上記３元系酸化物のそれらと同様であることが好ましい。

　＜２元系酸化物及び３元系酸化物＞
　本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、２元系酸化物及び３元系酸化物の両方を合計重量で０．０２重量％以上０．３重量％以下含むことが好ましい。上記酸化物の合計重量は、０．０５重量％以上であることが好ましく、より好ましくは０．１重量％以上である。コストの観点からは、２元系酸化物及び３元系酸化物の重量割合は少ないほど好ましい。また、上記酸化物の合計重量は０．２５重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２重量％以下である。酸化物の合計重量が０．２５重量％以下であることにより、焼結体の圧環強度を十分に確保することができる。

　２元系酸化物と焼結後のＣａＳの重量比は１：９～９：１の割合で含まれることが好ましく、より好ましくは３：６～９：１、さらに好ましくは４：６～７：３である。このような重量比で両成分を含むことにより、切削初期における被削性に優れた焼結体を作製し得る。

　＜合金用粉末＞
　合金用粉末は、鉄基粉末同士の結合を促し、かつ焼結後の焼結体の強度を高めるために添加される。このような合金用粉末は、鉄基粉末冶金用混合粉全体に対して０．１重量％以上１０重量％以下含まれることが好ましい。０．１重量％以上であることにより焼結体の強度を高めることができ、また１０重量％以下であることにより焼結体の焼結時の寸法精度を確保することができる。

　上記合金用粉末としては、銅（Ｃｕ）粉、ニッケル（Ｎｉ）粉、Ｍｏ粉、Ｃｒ粉、Ｖ粉、Ｓｉ粉、Ｍｎ粉等の非鉄金属粉末、亜酸化銅粉末等が挙げられ、これらを１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

　＜鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法＞
　本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、例えば以下の（１）～（３）の製造方法によって作製することができる。
（１）ＣａＳ原料粉末の表面を潤滑剤によって被覆する。次に、当該被覆したＣａＳ原料粉末と鉄基粉末とその他の成分の粉末とを機械撹拌式混合機で混合することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製する。
（２）ＣａＳ原料粉末の表面を潤滑剤によって予め被覆せず、密閉容器内で全成分の粉末を加熱しながら混合する。次に、ホットメルト法を用いて全成分の粉末の表面を潤滑剤で被覆することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製する。
（３）鉄基粉末冶金用混合粉を構成する各粉末のうち潤滑剤を除く全粉末を密閉容器に添加する。そして、当該密閉容器にバインダを溶解させた有機溶液を添加して混合した後に、上記有機溶媒を揮発させる。最後に、密閉容器内に潤滑剤を添加して鉄基粉末冶金用混合粉を構成する各粉末を混合する。このようにして潤滑剤を除く全粉末の表面を潤滑剤及び／又はバインダで被覆することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製する。上記ＣａＳ原料粉末の体積平均粒子径は０．１μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましい。

　ホットメルト法における加熱温度は、潤滑剤の融点によって最適温度が異なるが、例えば５０℃以上１５０℃以下であることが好ましい。加熱温度が５０℃以上であると、潤滑剤の流動性を高めやすい。加熱温度が１５０℃以下であると、混合粉作製の工程において、鉄基粉末の酸化を抑制することができ、しかも加熱に要するコストを低減することができる。

　ホットメルト法における加熱時間は、１０分以上５時間以下であることが好ましい。加熱温度が高いほど加熱時間を短くすることができる。加熱時間が短い場合は、ＣａＳ原料粉末の表面全体を潤滑剤及び／又はバインダで被覆しにくくなる可能性がある。

　本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、例えば機械撹拌式混合機を用いて、鉄基粉末と、上記で作製したＣａＳ原料粉末とを混合することにより作製することができる。これらの粉末に加えて、３元系酸化物、合金用粉末、黒鉛粉末、２元系酸化物、バインダ、潤滑剤等の各種添加剤を適宜添加してもよい。上記機械撹拌式混合器としては、例えば、ハイスピードミキサー、ナウターミキサー、Ｖ型混合機、ダブルコーンブレンダー等が挙げられる。混合温度は、特に限定されないが、混合工程で鉄基粉末の酸化を抑制する観点から１５０℃以下が好ましい。

　＜焼結体の製造方法＞
　上記で作製した鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填した後、３００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下の圧力をかけることによって圧粉成形体を製造する。このときの成形温度は、２５℃以上１５０℃以下であることが好ましい。

　上記で作製した圧粉成形体を、通常の焼結方法によって焼結することにより焼結体を得ることができる。焼結条件は非酸化性雰囲気又は還元性雰囲気であればよい。上記圧粉成形体は、窒素雰囲気、窒素及び水素の混合雰囲気、炭化水素等の雰囲気下、１０００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上６０分以下の焼結を行なうことが好ましい。

　＜焼結体＞
　上記のようにして作製した焼結体は、０．０１重量％以上０．１重量％以下のＣａＳを含むことが好ましい。焼結体中のＣａＳの上限は０．０９重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０８重量％以下である。また焼結体中のＣａＳの下限は０．０２重量％以上であることが好ましく、より好ましくは０．０３重量％以上である。当該焼結体は、必要に応じて切削工具等の種々の工具類で加工することによって、自動車、農機具、電動工具、家電製品の機械部品として使用することができる。上記焼結体を加工する切削工具としては、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用切削工具、旋削加工用切削工具、リーマ、タップ等を挙げることができる。

　上記実施形態の鉄基粉末冶金用混合粉によれば、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムの表面を潤滑剤又はバインダで被覆しているので、これらの成分の吸湿性を抑制することができ、焼結体の各種性能を安定して高めることができる。

　上記鉄基粉末冶金用混合粉は、Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物及びＣａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物からなる群より選択される１種以上の３元系酸化物をさらに含むので、長時間切削における被削性を向上させることができる。

　上記鉄基粉末冶金用混合粉は、ＣａＳ原料粉末を、焼結した後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように含むので、焼結後の焼結体の被削性に優れる。

　上記鉄基粉末冶金用混合粉は、３元系酸化物と焼結した後のＣａＳとの重量比が３：７～９：１となるように３元系酸化物及びＣａＳ原料粉末を含むので、長期間切削における被削性を向上させることができる。

　上記ＣａＳ原料粉末は、体積平均粒子径が０．１μｍ以上６０μｍ以下であるので、焼結体の被削性を高めることができる。

　上記鉄基粉末冶金用混合粉を用いて作製した焼結体は、安定して被削性等の諸特性に優れている。また上記製造方法により作製された鉄基粉末冶金用混合粉は、ＣａＳ原料粉末が水分を吸水しにくいため、安定した性能を示す。

　以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　（実施例１）
　まず、市販の硫化カルシウム粉末を篩により分級して－６３／＋４５μｍ（体積平均粒子径５４μｍ）とした。分級した硫化カルシウム粉末を、焼結後のＣａＳの重量が０．５重量％となるような分量で密閉容器に入れた。この密閉容器に０．７５重量％のアミド系潤滑剤（製品名：アクラワックスＣ（ＬＯＮＺＡ社製））を添加した。そして、１００℃に加熱しながら１０分間混合することにより、硫化カルシウム粉末の表面をアミド系潤滑剤で被覆した。

　次に、純鉄粉（製品名：アトメル３００Ｍ（株式会社神戸製鋼所製））に対して、２重量％の銅粉末（製品名：ＣｕＡＴＷ－２５０（福田金属箔粉工業株式会社製））と、０．８重量％の黒鉛粉（製品名ＣＰＢ（日本黒鉛工業株式会社製））と、上記で作製した潤滑剤で被覆した硫化カルシウム粉末と、を混合することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。なお、上記黒鉛粉は、焼結後の炭素量が０．７５重量％となる分量を添加した。上記で被覆した硫化カルシウム粉末は、焼結後のＣａＳの重量が０．５重量％となる分量を添加した。

　（実施例２）
　実施例１では、硫化カルシウム粉末とアミド系潤滑剤（製品名：アクラワックスＣ（ＬＯＮＺＡ社製））とを密閉容器に入れて１００℃に加熱したが、実施例２では、実施例１で用いた全成分の粉末を密閉容器に入れて、ホットメルト法を用いて１００℃に加熱して３０分間混合することにより全成分の粉末の表面にアミド系潤滑剤を被覆した。その後、室温まで冷却することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。

　（実施例３）
　実施例３では、実施例２で用いたアミド系潤滑剤を、スチレン・ブタジエンゴムを含むトルエン溶液に代えたことが異なる他は実施例２と同一の各粉末を混合した。前記トルエン溶液は、トルエン揮発後のスチレン・ブタジエンゴムの重量が０．１重量％となるように添加した。その後に、トルエンを１００℃で揮発させることにより、スチレン・ブタジエンゴムをＣａＳ原料粒子の表面に被覆した。その後、実施例１で用いたアミド系潤滑剤を、実施例１で用いた分量と同量添加して混合することにより、実施例３の鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。

　（比較例１～３）
　比較例１は、ＣａＳ原料粉末を添加しなかったことが異なる他は実施例１と同様にして鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。比較例２及び３は、表１の「ＣａＳ成分」の欄に示すＣａＳ原料粉末を用いたが、潤滑剤及びバインダで被覆しなかったことが異なる他は実施例１と同様にして鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。

　上記各実施例及び各比較例の鉄基粉末冶金用混合粉を用いて２種の焼結体を作製した。１つは、作製直後の鉄基粉末冶金用混合粉を用いて焼結体（以下「直後焼結体」と記す）であり、もう１つは、作製から１０日経過後の鉄基粉末冶金用混合粉を用いて焼結体（以下「１０日後焼結体」と記す）である。

　直後焼結体の製造手順は、まず作製直後の鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填し、外径６４ｍｍ、内径２４ｍｍ、厚み２０ｍｍのリング形状で、成形密度が７．００ｇ／ｃｍ³となるように試験片を成形した。次に、このリング形状の試験片を１０体積％のＨ₂-Ｎ₂雰囲気下で１１３０℃で３０分間焼結することにより焼結体を作製した。一方、１０日後焼結体は、鉄基粉末冶金用混合粉を作製してから１０日間大気下に放置したものを金型に充填したことが異なる他は直後焼結体と同様にして作製した。

　＜評価＞
　表１において、成形体密度、焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量の評価結果を「直後焼結体／１０日後焼結体」として記した。かかる表記は、スラッシュを挟んで左側の値が直後焼結体の評価結果であり、スラッシュを挟んで右側の値が１０日後焼結体の評価結果である。

　各実施例及び各比較例の直後焼結体及び１０日後焼結体の成形体密度及び焼結体密度は、日本粉末冶金工業会規格（ＪＰＭＡ　Ｍ　０１）に準じて測定した値を採用した。また圧環強度は、ＪＩＳ　Ｚ　２５０７―２０００に準じて測定した値を採用した。圧環強度が高いほど、焼結体が破壊されにくく、強度が高いことを示している。

　各実施例及び各比較例で作製した焼結体を用いて、サーメットチップ（ＩＳＯ型番：ＳＮＧＮ１２０４０８　ノンブレーカ）を使用して、周速１６０ｍ／ｍｉｎ、切込み０．５ｍｍ／ｐａｓｓ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、乾式の条件で１１５０ｍ旋削したときの、切削工具の工具摩耗量（μｍ）を工具顕微鏡により測定した。その結果を表１の「工具摩耗量」の欄に示している。なお、工具摩耗量の値が小さいほど焼結体の被削性が優れることを示している。

　表１に示す各実施例及び各比較例の結果から、各実施例のように潤滑剤又はバインダでＣａＳ原料粉末を被覆することにより、直後焼結体及び１０日後焼結体の各種特性（焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量）がほぼ同等になることがわかった。一方、比較例２及び３は、ＣａＳ成分としてＣａＳ単体又は半水石膏を含むものであるが、表面に何ら被覆処理を施していないため、１０日後焼結体の各種特性が直後焼結体のそれに比して著しく劣化していた。

　比較例２及び３において１０日後焼結体の品質及び性能が劣化した原因は、鉄基粉末冶金用混合粉を１０日間放置している間に、鉄基粉末冶金用混合粉中のＣａＳ又は半水石膏が水分を吸水したことによるものと考えられる。つまり、比較例２及び３では、１０日の大気下の保管中に鉄基粉末冶金用混合粉中のＣａＳ単体又は半水石膏が水分を吸水したことにより、焼結体の密度が低下したり、圧環強度が低下したりしたものと考えられる。なお、比較例１は、ＣａＳ成分を含まないものであるため、直後焼結体も１０日後焼結体も工具摩耗量が著しく高く、焼結体の被削性が顕著に低い。

　表１に示す結果から、ＣａＳ原料粉末を潤滑剤又はバインダで被覆することにより、直後焼結体及び１０日後焼結体の各種特性（焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量）がほぼ同等になり、焼結体の品質及び性能が安定していることが明らかとなり、本発明の効果が示された。

Claims

　鉄基粉末と、無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される１種以上を含むＣａＳ原料粉末と、を含む鉄基粉末冶金用混合粉であって、
　前記ＣａＳ原料粉末は、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されている、鉄基粉末冶金用混合粉。
　Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ系酸化物及びＣａ-Ｍｇ-Ｓｉ系酸化物からなる群より選択される１種以上の３元系酸化物をさらに含む請求項１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
　前記３元系酸化物と焼結した後のＣａＳとの重量比が３：７～９：１となるように前記３元系酸化物及び前記ＣａＳ原料粉末を含む請求項１又は２に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
　前記ＣａＳ原料粉末を、焼結した後のＣａＳの重量比が０．０１重量％以上０．１重量％以下となるように含む請求項１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
　前記ＣａＳ原料粉末は、体積平均粒子径が０．１μｍ以上６０μｍ以下である請求項１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
　請求項１に記載の鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって作製された焼結体。
　無水ＩＩＩ型の硫酸カルシウム、無水ＩＩ型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される１種以上を含むＣａＳ原料粉末を、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆するステップと、
　前記被覆されたＣａＳ原料粉末と、鉄基粉末とを混合するステップと、を含む鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法。
　請求項７の製造方法によって作製された鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することにより焼結体を得るステップを含み、
　前記焼結体は、０．０１重量％以上０．１重量％以下の重量比のＣａＳを含む、焼結体の製造方法。