JPH0146581B2 - - Google Patents
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- JPH0146581B2 JPH0146581B2 JP5343980A JP5343980A JPH0146581B2 JP H0146581 B2 JPH0146581 B2 JP H0146581B2 JP 5343980 A JP5343980 A JP 5343980A JP 5343980 A JP5343980 A JP 5343980A JP H0146581 B2 JPH0146581 B2 JP H0146581B2
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Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
本発明は機械的強度、靭性、耐熱性、耐摩性が
優れ且つ寸法精度、寸法安定性の高い粉末冶金製
品の焼結法に関するものである。 粉末冶金による部品の製造は非削加工と大量生
産をベースとする経済性に優れた精密部品製造技
術として近年著しい発展を遂げている技術であ
り、そのプロセスの骨子は数種の金属粉末ないし
は合金粉末を所要の形状の型に入れ、プレス成形
後、高温で焼結し所要の硬度、耐摩特性を得るも
のである。 材質および成形密度一定の場合得られる強度、
靭性、耐摩性等の焼結体特性は焼結の状態つまり
焼結法の良し悪しに左右される。 即ち焼結が不正の場合、上記の所要の特性が得
られないばかりか寸法精度的にも安安定せず、焼
結後、サイジングの如き寸法矯正のためのプレス
工程や余分な機械加工が必要となり、粉末冶金の
経済性が損なわれる結果となる。 この意味で粉末冶金製品の製造において、焼結
技術は極めて重要であり、中でも温度と共に焼結
雰囲気の制御は製品品質を直接左右するので最も
重要である。 本発明はこれらの点に鑑み、優れた機械的強
度、靭性、耐熱性、耐摩性が得られ且つ経済性に
優れた新規の焼結法を提供するものである。 焼結の目的とするところは、金属粉末の溶融点
以下の温度において、粉末同志の熱的な接合およ
び異種金属粉の拡散であるが、焼結雰囲気として
の要件はまず () 粉末同志表面の吸着ガスの除去、表面酸化
物の還元 () 焼結中の酸化、浸炭および脱炭の防止であ
る。 粉末冶金工業で現在実際に使用されている焼結
雰囲気は吸熱性変成ガス、H2、アンモニア分解
ガス、N2、真空等であるが、これら従来の雰囲
気にはそれぞれ以下のような一長一短が存在す
る。 () 吸熱性変成ガス プロパンあるいはブタン系炭化水素ガスを空
気と混合して変成するもので、現在Fe−Cu−
Ｃ系、Fe−Ni−Ｃ系の一般焼結機械部品の焼
結雰囲気として最もポピユラーなものである
が、構成ガス中Co、H2の量はそれぞれ11％、
17％と少なくガス還元能力としては低い。 このため、Cr、Mn、Si、Ｖ等の易酸化性元
素を含合する材質の場合、酸化物．Cr2O3、
MnO、SiO2）の還元は困難であり、事実上焼
結は不可能である。 () アンモニア分解ガス 一般的なガス組成は75％H2、25％N2で
（）の吸熱性変成ガスに比べるとはるかに還
元能力は高く、露点を−50〜−60℃位に保持す
れば、高温ではCr2O3の還元も可能であるが、
MnO、SiO2の還元は事実上不可能である。 また雰囲気としては脱炭性であり、炭素を含
有する製品に適用する場合、製品のＣ量の制御
が難しい問題がある。 () 水素 MO＋H2→Ｍ＋H2O（Ｍ：金属） の反応に基づく強い還元能力があるが、この反
応はPH2O／PH2の値によつて反応の進行が左
右される。 つまり金属酸化物の還元反応を十分起こさせ
るためにH2Oの分圧を下げる必要があり、こ
のためには焼結炉内に供給する水素の純度を上
げると共に供給量も増す必要があり、これは高
価なガスを大量に消費することになり不経済で
ある。 またアンモニア分解ガスと同様、生成された
H2Oないしはガス中に含まれているH2Oによ
り、高価で H2O＋Ｃ→CO＋H2 の反応が起こり脱炭が進行するため精密なＣ量
の制御には問題がある。 () 窒素 N2単独またはN2ベースにH2、分解アンモニ
アガス、炭化水素等の還元性ガスを混ぜて利用
する方法で変成装置が不要のため経済的である
が、還元能力は低く、Mn、Cr、Si、Ｖ等の易
酸化性元素を含有する製品の焼結は極めて困難
である。 () 真空 真空雰囲気焼結の特徴として品物の表面の吸
着ガスが除去し易いことと雰囲気ガスとの反応
の心配がないことが特徴であるが、還元反応を
起こさせるためにはグラフアイトの如き固体還
元剤との共存が必要である。そしてこの場合、
他の雰囲気と同様精密なＣ量制御はかなり困難
である。 以上の如く、現在実用されている各種の焼結雰
囲気は還元能力の高いものは脱炭性で製品のＣ量
制御が困難であり、Ｃ量制御の可能な雰囲気は逆
に還元能力が低く、Mn、Cr、Si、Ｖ等の易酸化
性元素と含有する材質の焼結が出来ないという問
題点を有しているのが実情である。更にこれら酸
素との親和力の強い元素を含有する焼結鋼の場
合、たとえ焼結がうまく出来たとしても熱処理に
おいて、再度酸化が進み所要の強度、靭性、耐摩
性が得られないことも問題があつた。 これらの点に鑑み本発明の狙いとするところ
は、従来の焼結と熱処理技術の問題点を解決し酸
素との親和力の強いMn、Cr、Ｖ、Si、Ti、Al等
の元素を含有する焼結鋼の製造に適した新規の焼
結法、熱処理法を提供せんとするものである。そ
の骨子は (1) 焼結 全体を１気圧以下の減圧条件下に保ちつつ、
焼結の進行に応じて、COガスを炉内に導入、
炉内のガス分圧PCO2／COのコントロールを行
うことにより、酸化物の還元と焼結を促進す
る。 (2) 熱処理 (1)の焼結に引き続きその冷却過程で焼入れ処
理を行うか、もしくは焼結後期よりN2または
分解アンモニアガス、微量の炭化水素系ガスを
導入、外気に触れさせることなく焼結で活性化
状態にある製品表面に対し短時間に精度良く窒
化ないしは浸炭処理を施そうとするものであ
る。 まず、本発明における還元性ガスの導入と分圧
コントロールの意義について述べると以下のとお
りである。 金属粉末の焼結時、起こり得る金属酸化物の還
元反応としては、焼結鋼の場合 MO＋Ｃ→Ｍ＋CO ……(1) MO＋CO→Ｍ＋CO2 ……(2) CO2＋Ｃ→2CO ……(3) MO＋H2→Ｍ＋H2O ……(4) であり、この時のこれらの反応の自由エネルギー
変化は△Ｇ＝△G゜＋RTlnKそれぞれの反応にお
けるＫは PCO／PC、PCO2／PCO、PH2O／PH2 であるから結局(1)〜(4)の反応の進行は各反応系の
ガス分圧によつて支配されると考えられる。 つまりこれらの酸化物を還元し焼結を進行させ
るには炉内におけるこれらのガス分圧のコントロ
ールが重要と考えられる。（第３図） 例えばCrを含む系でCr2O3の還元の場合を考え
てみると起こり得る反応は 3Cr2O3＋17CO→2Cr3C2＋13CO2 () 7Cr2O3＋33CO→2Cr7C3＋27CO2 () 23Cr2O3＋93CO→2Cr23C6＋81CO2 () Cr2O3＋3CO→2Cr＋3CO2 () 2C＋O2→2CO () であり、これらについてKubaschewskiらが集録
した熱力学データに基づき平衡PCO2／PCO比を求
めると第１図のようになる。 この図において全圧（PCO＋PCO2）が1atmの時
のCr2O3の還元開始温度は反応（）と（）の
各平衡分圧図線の交点(a)（1120℃）であるが、こ
れを減圧し、0.2atm（約146Torr）にした時各平
衡分圧曲線は破線で示すようにそれぞれ下方に移
動し、Cr2O3の還元開始温度は(a)′（1020℃）と
なり１気圧の時に比べて約100℃低くなる。つま
り還元反応は促進される。 これはMnO、Fe2O3ら他の酸化物の還元につ
いても同様である。既に述べた吸着ガス除去のし
易さと併せここに減圧下（真空下）で行う焼結の
意義があるのであり、これから行くと、より真空
度を上げた方が酸化物の還元、焼結の進行には有
利となる筈であるが、実際にはこのようにはなら
ない。あるレベル以上真空度を上げてもCr2O3、
MnO等の酸化物の還元はかなり困難であること
を我々は実験的に確認している。 この原因につき色々検討した結果、反応生成ガ
スの除去の問題に関連することが判明した。つま
り、真空下での焼結の場合確かに前述した吸着ガ
スの除去、還元開始温度の低下など焼結初期の反
応の促進には極めて有効であるが、中期から後期
にかけては反応生成ガスの除去が十分に行われな
いため、還元および焼結の通行が著しく遅くなる
ことが判つた。 これは真空下ではガスの平均自由工程が長くな
ること、特に粉末型押体内の細孔等からの反応生
成ガスの除去が難しくなり、結果的に細孔内の
PCO2／PCO比が高くなつて還元速度、焼結の進行
が遅くなるためと考えられる。 この問題を打開する方法が焼結過程における還
元性ガスの導入による炉内ガス分圧のコントロー
ルである。つまり焼結初期の真空排気に続く800
℃以上の温度域でCOガスを0.2〜20/min導入し
連続的に排気を行いながら圧力を0.2〜500Torr
にコントロールすることにより、前述の(1)(3)およ
び（（）〜（）の還元反応を最も効率良く行
わしめ得ることを見出したものである。これは導
入したCOガスと反応生成ガスとの間のガス拡散
により反応生成ガスの除去がスムーズに行われ部
分的に高まつていたPCO2／PCO比が下がるためと
考えられる。 これらを最も効率良く行うには、COガス導入
時期、温度、圧力、ガス流量、前後における雰囲
気圧力条件へ精密な制御が必要であり、具体的に
は以下のような条件である。
優れ且つ寸法精度、寸法安定性の高い粉末冶金製
品の焼結法に関するものである。 粉末冶金による部品の製造は非削加工と大量生
産をベースとする経済性に優れた精密部品製造技
術として近年著しい発展を遂げている技術であ
り、そのプロセスの骨子は数種の金属粉末ないし
は合金粉末を所要の形状の型に入れ、プレス成形
後、高温で焼結し所要の硬度、耐摩特性を得るも
のである。 材質および成形密度一定の場合得られる強度、
靭性、耐摩性等の焼結体特性は焼結の状態つまり
焼結法の良し悪しに左右される。 即ち焼結が不正の場合、上記の所要の特性が得
られないばかりか寸法精度的にも安安定せず、焼
結後、サイジングの如き寸法矯正のためのプレス
工程や余分な機械加工が必要となり、粉末冶金の
経済性が損なわれる結果となる。 この意味で粉末冶金製品の製造において、焼結
技術は極めて重要であり、中でも温度と共に焼結
雰囲気の制御は製品品質を直接左右するので最も
重要である。 本発明はこれらの点に鑑み、優れた機械的強
度、靭性、耐熱性、耐摩性が得られ且つ経済性に
優れた新規の焼結法を提供するものである。 焼結の目的とするところは、金属粉末の溶融点
以下の温度において、粉末同志の熱的な接合およ
び異種金属粉の拡散であるが、焼結雰囲気として
の要件はまず () 粉末同志表面の吸着ガスの除去、表面酸化
物の還元 () 焼結中の酸化、浸炭および脱炭の防止であ
る。 粉末冶金工業で現在実際に使用されている焼結
雰囲気は吸熱性変成ガス、H2、アンモニア分解
ガス、N2、真空等であるが、これら従来の雰囲
気にはそれぞれ以下のような一長一短が存在す
る。 () 吸熱性変成ガス プロパンあるいはブタン系炭化水素ガスを空
気と混合して変成するもので、現在Fe−Cu−
Ｃ系、Fe−Ni−Ｃ系の一般焼結機械部品の焼
結雰囲気として最もポピユラーなものである
が、構成ガス中Co、H2の量はそれぞれ11％、
17％と少なくガス還元能力としては低い。 このため、Cr、Mn、Si、Ｖ等の易酸化性元
素を含合する材質の場合、酸化物．Cr2O3、
MnO、SiO2）の還元は困難であり、事実上焼
結は不可能である。 () アンモニア分解ガス 一般的なガス組成は75％H2、25％N2で
（）の吸熱性変成ガスに比べるとはるかに還
元能力は高く、露点を−50〜−60℃位に保持す
れば、高温ではCr2O3の還元も可能であるが、
MnO、SiO2の還元は事実上不可能である。 また雰囲気としては脱炭性であり、炭素を含
有する製品に適用する場合、製品のＣ量の制御
が難しい問題がある。 () 水素 MO＋H2→Ｍ＋H2O（Ｍ：金属） の反応に基づく強い還元能力があるが、この反
応はPH2O／PH2の値によつて反応の進行が左
右される。 つまり金属酸化物の還元反応を十分起こさせ
るためにH2Oの分圧を下げる必要があり、こ
のためには焼結炉内に供給する水素の純度を上
げると共に供給量も増す必要があり、これは高
価なガスを大量に消費することになり不経済で
ある。 またアンモニア分解ガスと同様、生成された
H2Oないしはガス中に含まれているH2Oによ
り、高価で H2O＋Ｃ→CO＋H2 の反応が起こり脱炭が進行するため精密なＣ量
の制御には問題がある。 () 窒素 N2単独またはN2ベースにH2、分解アンモニ
アガス、炭化水素等の還元性ガスを混ぜて利用
する方法で変成装置が不要のため経済的である
が、還元能力は低く、Mn、Cr、Si、Ｖ等の易
酸化性元素を含有する製品の焼結は極めて困難
である。 () 真空 真空雰囲気焼結の特徴として品物の表面の吸
着ガスが除去し易いことと雰囲気ガスとの反応
の心配がないことが特徴であるが、還元反応を
起こさせるためにはグラフアイトの如き固体還
元剤との共存が必要である。そしてこの場合、
他の雰囲気と同様精密なＣ量制御はかなり困難
である。 以上の如く、現在実用されている各種の焼結雰
囲気は還元能力の高いものは脱炭性で製品のＣ量
制御が困難であり、Ｃ量制御の可能な雰囲気は逆
に還元能力が低く、Mn、Cr、Si、Ｖ等の易酸化
性元素と含有する材質の焼結が出来ないという問
題点を有しているのが実情である。更にこれら酸
素との親和力の強い元素を含有する焼結鋼の場
合、たとえ焼結がうまく出来たとしても熱処理に
おいて、再度酸化が進み所要の強度、靭性、耐摩
性が得られないことも問題があつた。 これらの点に鑑み本発明の狙いとするところ
は、従来の焼結と熱処理技術の問題点を解決し酸
素との親和力の強いMn、Cr、Ｖ、Si、Ti、Al等
の元素を含有する焼結鋼の製造に適した新規の焼
結法、熱処理法を提供せんとするものである。そ
の骨子は (1) 焼結 全体を１気圧以下の減圧条件下に保ちつつ、
焼結の進行に応じて、COガスを炉内に導入、
炉内のガス分圧PCO2／COのコントロールを行
うことにより、酸化物の還元と焼結を促進す
る。 (2) 熱処理 (1)の焼結に引き続きその冷却過程で焼入れ処
理を行うか、もしくは焼結後期よりN2または
分解アンモニアガス、微量の炭化水素系ガスを
導入、外気に触れさせることなく焼結で活性化
状態にある製品表面に対し短時間に精度良く窒
化ないしは浸炭処理を施そうとするものであ
る。 まず、本発明における還元性ガスの導入と分圧
コントロールの意義について述べると以下のとお
りである。 金属粉末の焼結時、起こり得る金属酸化物の還
元反応としては、焼結鋼の場合 MO＋Ｃ→Ｍ＋CO ……(1) MO＋CO→Ｍ＋CO2 ……(2) CO2＋Ｃ→2CO ……(3) MO＋H2→Ｍ＋H2O ……(4) であり、この時のこれらの反応の自由エネルギー
変化は△Ｇ＝△G゜＋RTlnKそれぞれの反応にお
けるＫは PCO／PC、PCO2／PCO、PH2O／PH2 であるから結局(1)〜(4)の反応の進行は各反応系の
ガス分圧によつて支配されると考えられる。 つまりこれらの酸化物を還元し焼結を進行させ
るには炉内におけるこれらのガス分圧のコントロ
ールが重要と考えられる。（第３図） 例えばCrを含む系でCr2O3の還元の場合を考え
てみると起こり得る反応は 3Cr2O3＋17CO→2Cr3C2＋13CO2 () 7Cr2O3＋33CO→2Cr7C3＋27CO2 () 23Cr2O3＋93CO→2Cr23C6＋81CO2 () Cr2O3＋3CO→2Cr＋3CO2 () 2C＋O2→2CO () であり、これらについてKubaschewskiらが集録
した熱力学データに基づき平衡PCO2／PCO比を求
めると第１図のようになる。 この図において全圧（PCO＋PCO2）が1atmの時
のCr2O3の還元開始温度は反応（）と（）の
各平衡分圧図線の交点(a)（1120℃）であるが、こ
れを減圧し、0.2atm（約146Torr）にした時各平
衡分圧曲線は破線で示すようにそれぞれ下方に移
動し、Cr2O3の還元開始温度は(a)′（1020℃）と
なり１気圧の時に比べて約100℃低くなる。つま
り還元反応は促進される。 これはMnO、Fe2O3ら他の酸化物の還元につ
いても同様である。既に述べた吸着ガス除去のし
易さと併せここに減圧下（真空下）で行う焼結の
意義があるのであり、これから行くと、より真空
度を上げた方が酸化物の還元、焼結の進行には有
利となる筈であるが、実際にはこのようにはなら
ない。あるレベル以上真空度を上げてもCr2O3、
MnO等の酸化物の還元はかなり困難であること
を我々は実験的に確認している。 この原因につき色々検討した結果、反応生成ガ
スの除去の問題に関連することが判明した。つま
り、真空下での焼結の場合確かに前述した吸着ガ
スの除去、還元開始温度の低下など焼結初期の反
応の促進には極めて有効であるが、中期から後期
にかけては反応生成ガスの除去が十分に行われな
いため、還元および焼結の通行が著しく遅くなる
ことが判つた。 これは真空下ではガスの平均自由工程が長くな
ること、特に粉末型押体内の細孔等からの反応生
成ガスの除去が難しくなり、結果的に細孔内の
PCO2／PCO比が高くなつて還元速度、焼結の進行
が遅くなるためと考えられる。 この問題を打開する方法が焼結過程における還
元性ガスの導入による炉内ガス分圧のコントロー
ルである。つまり焼結初期の真空排気に続く800
℃以上の温度域でCOガスを0.2〜20/min導入し
連続的に排気を行いながら圧力を0.2〜500Torr
にコントロールすることにより、前述の(1)(3)およ
び（（）〜（）の還元反応を最も効率良く行
わしめ得ることを見出したものである。これは導
入したCOガスと反応生成ガスとの間のガス拡散
により反応生成ガスの除去がスムーズに行われ部
分的に高まつていたPCO2／PCO比が下がるためと
考えられる。 これらを最も効率良く行うには、COガス導入
時期、温度、圧力、ガス流量、前後における雰囲
気圧力条件へ精密な制御が必要であり、具体的に
は以下のような条件である。
【表】
【表】
本発明において、COガスの導入に先立ち、
まず800〜900℃以下の焼結昇温過程で
10-1Torr以下に排気する理由は既に述べた如
く吸着ガス成分の除去と酸化物還元反応を提供
することが狙いである。 超硬合金の焼結法としてCOガス導入に先立
ち800〜1200℃以下の温度H2ガスを導入する方
法が既に提案されているが、本発明の狙いとす
るところはＷ、Co等よりはるかに酸素との親
和力の強いMn、Cr、Ｖ、Si等の酸化物の還元
まで行うことであり、このためにはCOガス導
入に先立つ雰囲気、圧力条件は上に述べたよう
な条件でなければならない。 つまりH2雰囲気で処理した場合 MO＋H2→Ｍ＋H2O（MO：金属酸化物） により生成したH2Oにより酸素との親和力の
強いMn、Cr、Ｖ、Si等の酸化が却つて進み、
全体の反応が著しく低下するからである。
（我々の実験では本発明の方法に比べFe−Mn
−Cr−Ｃ系の場合で10倍程度遅くなることを
確認している。） 次に800℃以上の温度になると前述の反応(1)、
(2)、(3)に基づくCO反応がより活発に行われる
ようになるから、これらの反応を効率良く連続
的に行わしめるために、外部よりCOガスを導
入し炉内ガス分圧（PCO2／PCO）のコントロー
ルと反応生成ガスの除去を行うことが必要にな
る。 この場合基本的に二つの方法がある。 一つは800℃以上の温度より焼結終了まで圧
力0.2〜100Torrに保つ方法(A)、もう一つは焼
結温度に達するまでCOの圧力を100〜500Torr
まで上げ、焼結は10-2Torr以下の真空に保つ
方法(B)である。 どちらでも同様の効果を得ることが出来る
が、蒸気圧の高い元素（例えばCr、Al、Cu…
…）を含有するような場合は(B)の方法は蒸発に
よるロスが問題となるので(A)の方法を採用する
のが好ましい。圧力範囲を0.2〜500Torrに限
定する理由は第２図に示す如く、この範囲で焼
結後の酸素量が最も低くなり、かつ焼結後の特
性が優れるためである。 （0.2Torr以下では、CO減圧の効果少なく
500Torr以上となつても効果変わらず、Ｃの析
出が多くなつてバラツキが大きくなる。） 焼結終了後の冷却は、通常は以下に述べる方
法で行うことが望ましい。即ち、冷却時の雰囲
気ガスとしては、H2、ArあるいはN2のいずれ
でも良いが、経済性の点からはN2の方が望ま
しい。 冷却時の圧力については、得ようとする焼結
体を硬さを考えて選択することが可能である。
圧力が高い程、得られる焼結体の硬さは高くな
るが1500Torrを越えてもその効果はあまり変
わらない。従つて、圧力の上限は1500Torrと
した。 一方、圧力の下限については圧力が低くなる
程冷却時間が長くなるため、処理時間の経済性
を考慮すると300Torr以上が望ましい。但し次
項に述べる焼結後に引続いて焼入れを行うた
め、焼結温度からA1変態点以下の750℃まで下
げるという様な場合には、過冷却を防止するた
め冷却速度をコントロールする必要がある。こ
のような場合には、圧力は0.3〜300Torrの範
囲にあることが望ましい。 (2) 熱処理
まず800〜900℃以下の焼結昇温過程で
10-1Torr以下に排気する理由は既に述べた如
く吸着ガス成分の除去と酸化物還元反応を提供
することが狙いである。 超硬合金の焼結法としてCOガス導入に先立
ち800〜1200℃以下の温度H2ガスを導入する方
法が既に提案されているが、本発明の狙いとす
るところはＷ、Co等よりはるかに酸素との親
和力の強いMn、Cr、Ｖ、Si等の酸化物の還元
まで行うことであり、このためにはCOガス導
入に先立つ雰囲気、圧力条件は上に述べたよう
な条件でなければならない。 つまりH2雰囲気で処理した場合 MO＋H2→Ｍ＋H2O（MO：金属酸化物） により生成したH2Oにより酸素との親和力の
強いMn、Cr、Ｖ、Si等の酸化が却つて進み、
全体の反応が著しく低下するからである。
（我々の実験では本発明の方法に比べFe−Mn
−Cr−Ｃ系の場合で10倍程度遅くなることを
確認している。） 次に800℃以上の温度になると前述の反応(1)、
(2)、(3)に基づくCO反応がより活発に行われる
ようになるから、これらの反応を効率良く連続
的に行わしめるために、外部よりCOガスを導
入し炉内ガス分圧（PCO2／PCO）のコントロー
ルと反応生成ガスの除去を行うことが必要にな
る。 この場合基本的に二つの方法がある。 一つは800℃以上の温度より焼結終了まで圧
力0.2〜100Torrに保つ方法(A)、もう一つは焼
結温度に達するまでCOの圧力を100〜500Torr
まで上げ、焼結は10-2Torr以下の真空に保つ
方法(B)である。 どちらでも同様の効果を得ることが出来る
が、蒸気圧の高い元素（例えばCr、Al、Cu…
…）を含有するような場合は(B)の方法は蒸発に
よるロスが問題となるので(A)の方法を採用する
のが好ましい。圧力範囲を0.2〜500Torrに限
定する理由は第２図に示す如く、この範囲で焼
結後の酸素量が最も低くなり、かつ焼結後の特
性が優れるためである。 （0.2Torr以下では、CO減圧の効果少なく
500Torr以上となつても効果変わらず、Ｃの析
出が多くなつてバラツキが大きくなる。） 焼結終了後の冷却は、通常は以下に述べる方
法で行うことが望ましい。即ち、冷却時の雰囲
気ガスとしては、H2、ArあるいはN2のいずれ
でも良いが、経済性の点からはN2の方が望ま
しい。 冷却時の圧力については、得ようとする焼結
体を硬さを考えて選択することが可能である。
圧力が高い程、得られる焼結体の硬さは高くな
るが1500Torrを越えてもその効果はあまり変
わらない。従つて、圧力の上限は1500Torrと
した。 一方、圧力の下限については圧力が低くなる
程冷却時間が長くなるため、処理時間の経済性
を考慮すると300Torr以上が望ましい。但し次
項に述べる焼結後に引続いて焼入れを行うた
め、焼結温度からA1変態点以下の750℃まで下
げるという様な場合には、過冷却を防止するた
め冷却速度をコントロールする必要がある。こ
のような場合には、圧力は0.3〜300Torrの範
囲にあることが望ましい。 (2) 熱処理
【表】
焼結に引き続き焼き入れを行う場合は、一旦
焼結温度よりA1変態点以下に温度を下げ、再
び900℃以上の温度に上げてから焼き入れる。
その後焼き入れの方法としては、N2ガス圧を
500Torr以上とするか、または油冷によつて焼
結体を冷却することによつて可能である。 また、窒化または浸炭の場合は、焼結後期よ
りN2あるいはアンモニア分解ガスまたはCH4
またはC3H8等の如く炭化水素ガスを導入する
ことによつて行われる。そしてその圧力は常圧
以下、望ましくは0.3〜300Torrの間で炉内圧
力をコントロールすることによつて行う。 このように焼結に引き続き、製品を外気にさ
らすことなく、直後焼入れまたは熱処理まで持
つていくことにより、従来Mn、Cr、Ｖ、Ｂ、
Si、Al、Ti等を含む焼結鋼で大きな問題であ
つた熱処理時の酸化が防止でき、かつ焼結直後
の高い活性化状態で、浸炭、窒化等の処理が出
来るため、精度の高い熱処理が可能である。 つまり本発明の目的とする酸素との親和力の
強いCr、Mn、Ｂ、Si、Ｖ、Al、Tiの元素を合
金要素として含有する焼結鋼において、焼結−
熱処理で優れた機械的性質、耐摩性等を得るに
は上に述べた焼結から直接熱処理を行う方法が
必要である。 本願のは、本願焼結鋼にさらにNi、Mo、
Co、Ｗよりなる群より１種または２種以上の
合金元素を0.1〜13％の範囲で含有したものに
ついても本願同様の効果を得ることができる。
さらに詳細には、Mn：0.5〜2.5％、Cr：0.3〜
1.5％、Mo：0.1〜1.5％、Ｃ：0.1〜2.5％残部が
鉄である焼入性に優れた高強度焼結鋼や、また
Cr：3.5〜5.5％、Ｖ：4.0〜6.0％、Ｗ：10〜13
％、Co：４〜６％、Mo：２〜８％、Ｃ：0.5
〜20％と残部が鉄よりなる高強度焼結鋼におい
ても同様の効果を得ることができる。 以下実施例にて詳細に説明する。 実施例 １ 含有酸素量の異なる２種類のMn−Cr鋼粉（第
１表）にグラフアイト0.4％を加え７t/cm2で圧粉
成形後、第２表に示すような種々の条件で焼結
し、機械的性質その他の評価を行つた。（第３表）
焼結温度よりA1変態点以下に温度を下げ、再
び900℃以上の温度に上げてから焼き入れる。
その後焼き入れの方法としては、N2ガス圧を
500Torr以上とするか、または油冷によつて焼
結体を冷却することによつて可能である。 また、窒化または浸炭の場合は、焼結後期よ
りN2あるいはアンモニア分解ガスまたはCH4
またはC3H8等の如く炭化水素ガスを導入する
ことによつて行われる。そしてその圧力は常圧
以下、望ましくは0.3〜300Torrの間で炉内圧
力をコントロールすることによつて行う。 このように焼結に引き続き、製品を外気にさ
らすことなく、直後焼入れまたは熱処理まで持
つていくことにより、従来Mn、Cr、Ｖ、Ｂ、
Si、Al、Ti等を含む焼結鋼で大きな問題であ
つた熱処理時の酸化が防止でき、かつ焼結直後
の高い活性化状態で、浸炭、窒化等の処理が出
来るため、精度の高い熱処理が可能である。 つまり本発明の目的とする酸素との親和力の
強いCr、Mn、Ｂ、Si、Ｖ、Al、Tiの元素を合
金要素として含有する焼結鋼において、焼結−
熱処理で優れた機械的性質、耐摩性等を得るに
は上に述べた焼結から直接熱処理を行う方法が
必要である。 本願のは、本願焼結鋼にさらにNi、Mo、
Co、Ｗよりなる群より１種または２種以上の
合金元素を0.1〜13％の範囲で含有したものに
ついても本願同様の効果を得ることができる。
さらに詳細には、Mn：0.5〜2.5％、Cr：0.3〜
1.5％、Mo：0.1〜1.5％、Ｃ：0.1〜2.5％残部が
鉄である焼入性に優れた高強度焼結鋼や、また
Cr：3.5〜5.5％、Ｖ：4.0〜6.0％、Ｗ：10〜13
％、Co：４〜６％、Mo：２〜８％、Ｃ：0.5
〜20％と残部が鉄よりなる高強度焼結鋼におい
ても同様の効果を得ることができる。 以下実施例にて詳細に説明する。 実施例 １ 含有酸素量の異なる２種類のMn−Cr鋼粉（第
１表）にグラフアイト0.4％を加え７t/cm2で圧粉
成形後、第２表に示すような種々の条件で焼結
し、機械的性質その他の評価を行つた。（第３表）
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
第３表からも明らかなように従来焼結法焼結で
の酸素量を0.08％以下にすることは困難であつた
が、本発明の方法では0.03％のレベルまで下げる
ことが出来た。この結果焼結状態での強度、靭性
は従来法に比べ60〜80％改善された。 またこの実験で靭性値を得るためには原料粉末
として予め含有酸素量の低い粉末を選択すること
が必要であることも判明した。 実施例 ２ 実施例１におけるMn−Cr鋼粉を用い、本発
明の焼結と熱処理を連続して行う方法(A)と焼結の
み本発明(B)、焼結も熟処理も従来法(C)の三つの方
法（第４表）について得られる機械的性質につい
て比較を行つた。（第５表）
の酸素量を0.08％以下にすることは困難であつた
が、本発明の方法では0.03％のレベルまで下げる
ことが出来た。この結果焼結状態での強度、靭性
は従来法に比べ60〜80％改善された。 またこの実験で靭性値を得るためには原料粉末
として予め含有酸素量の低い粉末を選択すること
が必要であることも判明した。 実施例 ２ 実施例１におけるMn−Cr鋼粉を用い、本発
明の焼結と熱処理を連続して行う方法(A)と焼結の
み本発明(B)、焼結も熟処理も従来法(C)の三つの方
法（第４表）について得られる機械的性質につい
て比較を行つた。（第５表）
【表】
【表】
【表】
Ａの方法が最も強度、靭性が得られることが判
る。これは熱処理で外気に触れることなく、直接
焼結に引き続いて行われるため、熱処理のとき起
る再酸化が完全に防止できるためと思われる。 実施例 ３ 実施例１における粉末をＢ、Ｄ、Ｇの焼結体
を熱間鍜造100％の密度にしたものにつき機械的
性質を調べた結果は第６表のとおりである。
る。これは熱処理で外気に触れることなく、直接
焼結に引き続いて行われるため、熱処理のとき起
る再酸化が完全に防止できるためと思われる。 実施例 ３ 実施例１における粉末をＢ、Ｄ、Ｇの焼結体
を熱間鍜造100％の密度にしたものにつき機械的
性質を調べた結果は第６表のとおりである。
【表】
本発明Ｂと他の方法では特に靭性に大きな差が
認められた。 実施例 ４ 下記組成の粉末 １） Fe−5Cr−5Mo−6W−2V−0.9C（高速度
鋼） ２） Fe−17Cr−0.5Al−2.5C を圧粉成形後、第７表に示す条件で焼結を行い機
械的性質、耐摩性の評価を行つた結果は第８表に
示すとおりである。
認められた。 実施例 ４ 下記組成の粉末 １） Fe−5Cr−5Mo−6W−2V−0.9C（高速度
鋼） ２） Fe−17Cr−0.5Al−2.5C を圧粉成形後、第７表に示す条件で焼結を行い機
械的性質、耐摩性の評価を行つた結果は第８表に
示すとおりである。
【表】
【表】
従来法に比べ焼結後の炭素量のバラツキが約1/
２に減少、この結果表面硬さの安定性が増し、更
に焼結中に入つて来る窒素の効果で耐ピツチング
性が著しく改善された。 実施例 ５ 硬質相として20〜80μのMn−30Cr、Ni−
50Mn、Mn−20Si粉末を含有する下記組成の材
質 １） Fe−7Mn−3Cr−1C ２） Fe−5Mn−5Ni−1C ３） Fe−8Mn−1.6Si−1C を第９表の条件で焼結し、強度と耐摩性の評価を
行つた結果を第10表に示す。
２に減少、この結果表面硬さの安定性が増し、更
に焼結中に入つて来る窒素の効果で耐ピツチング
性が著しく改善された。 実施例 ５ 硬質相として20〜80μのMn−30Cr、Ni−
50Mn、Mn−20Si粉末を含有する下記組成の材
質 １） Fe−7Mn−3Cr−1C ２） Fe−5Mn−5Ni−1C ３） Fe−8Mn−1.6Si−1C を第９表の条件で焼結し、強度と耐摩性の評価を
行つた結果を第10表に示す。
【表】
【表】
従来の水素雰囲気焼結に比べ強度、耐摩性が改
善され、かつ硬さ、寸法、バラツキが1/2に減少
した。 実施例 ６ Fe−7Mn−3Cr−1Cの組成を有する鋼粉末を
10φ×5mmtに圧粉成形後、以下の条件で焼結し
た。 室温→800℃ 真空 ２×10-2Torr 800℃→1200℃ CO 30Torr （CO導入量 ２/min） 1200℃×１時間 真空 ２×10-2Torr 1200℃→900℃ CH3 500Torr （１時間） 900℃→室温 N2 700Torr （30分） 得られた焼結体の断面の硬度を調べた結果、表
面から0.5mmまで浸炭していることがわかつた。
善され、かつ硬さ、寸法、バラツキが1/2に減少
した。 実施例 ６ Fe−7Mn−3Cr−1Cの組成を有する鋼粉末を
10φ×5mmtに圧粉成形後、以下の条件で焼結し
た。 室温→800℃ 真空 ２×10-2Torr 800℃→1200℃ CO 30Torr （CO導入量 ２/min） 1200℃×１時間 真空 ２×10-2Torr 1200℃→900℃ CH3 500Torr （１時間） 900℃→室温 N2 700Torr （30分） 得られた焼結体の断面の硬度を調べた結果、表
面から0.5mmまで浸炭していることがわかつた。
第１図は明細書第９〜10頁の（）、（）、
（）、（）、（）の各反応の平衡PCO2／PCO比の
温度との関係図、第２図はCO2ガス導入炉内圧力
と焼結体O2量との関係図、第３図は酸化物の標
準生成自由エネルギーと温度との関係図である。
（）、（）、（）の各反応の平衡PCO2／PCO比の
温度との関係図、第２図はCO2ガス導入炉内圧力
と焼結体O2量との関係図、第３図は酸化物の標
準生成自由エネルギーと温度との関係図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Mn、Cr、Ｖ、Ｂ、Si、Al、Tiよりなる群よ
り１種または２種以上の元素を含む焼結鋼の製造
において、焼結の昇温過程で800〜900℃までは
10-1Torr以下の真空雰囲気とし、800〜900℃以
上の焼結の昇温、焼結過程で、その一部または全
部にCOガスを導入しつつ連続的に排気を行いな
がら炉内圧力を0.2〜500Torrとし、N20.3〜
1500Torrの圧力下で冷却することを特徴とする
焼結鋼の製造法。 ２ Mn、Cr、Ｖ、Ｂ、Si、Al、Tiよりなる群よ
り１種または２種以上の元素を含む焼結鋼の製造
において、焼結の昇温過程で800〜900℃までは
10-1Torr以下の真空雰囲気とし、800〜900℃以
上の焼結の昇温、焼結過程で、その一部または全
部にCOガスを導入しつつ連続的に排気を行いな
がら炉内圧力を0.2〜500Torrとし、焼結後一た
んA1変態点以下の温度に下げた後、再び900℃以
上に上げてから冷却のN2ガス圧を500Torr以上
とするか、もしくは油冷することにより焼結の冷
却過程で焼入れ処理をすることを特徴とする焼結
鋼の製造法。 ３ Mn、Cr、Ｖ、Ｂ、Si、Al、Tiよりなる群よ
り１種または２種以上の元素を含む焼結鋼の製造
において、焼結の昇温過程で800〜900℃までは
10-1Torr以下の真空雰囲気とし、800〜900℃以
上の焼結の昇温、焼結過程で、その一部または全
部にCOガスを導入しつつ連続的に排気を行いな
がら炉内圧力を0.5〜500Torrとし、焼結過程の
後期より、アンモニア分解ガス、もしくはCH4、
C3H8の如き炭化水素系ガスを導入し、焼結に引
き続き、窒化または浸炭処理を施すことを特徴と
する焼結鋼の製造法。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5343980A JPS56150154A (en) | 1980-04-21 | 1980-04-21 | Preparation of sintered steel |
| CA000375600A CA1190418A (en) | 1980-04-21 | 1981-04-15 | Process for producing sintered ferrous alloys |
| ES501493A ES8203980A1 (es) | 1980-04-21 | 1981-04-20 | Metodo para producir una aleacion sinterizada |
| EP81103021A EP0038558B1 (en) | 1980-04-21 | 1981-04-21 | Process for producing sintered ferrous alloys |
| DE8181103021T DE3173421D1 (en) | 1980-04-21 | 1981-04-21 | Process for producing sintered ferrous alloys |
| AU69678/81A AU535454B2 (en) | 1980-04-21 | 1981-04-21 | Producing sintered ferrous alloys |
| US06/805,413 US4614638A (en) | 1980-04-21 | 1985-12-06 | Process for producing sintered ferrous alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5343980A JPS56150154A (en) | 1980-04-21 | 1980-04-21 | Preparation of sintered steel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56150154A JPS56150154A (en) | 1981-11-20 |
| JPH0146581B2 true JPH0146581B2 (ja) | 1989-10-09 |
Family
ID=12942875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5343980A Granted JPS56150154A (en) | 1980-04-21 | 1980-04-21 | Preparation of sintered steel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS56150154A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56150155A (en) * | 1980-04-22 | 1981-11-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Preparation of ferrous sintered material |
-
1980
- 1980-04-21 JP JP5343980A patent/JPS56150154A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56150154A (en) | 1981-11-20 |
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