JPH02205655A - 高密度鉄系焼結体の製造方法 - 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」 この発明は、鉄系粉末からなる焼結体の製造方法に係わ
り、特に焼結体相対密度が９８％以上の高密度焼結体が
得られる製造方法に関する。

「従来技術とその課題」 鉄系材料部品を製造するにあたっては、従来粉末冶金的
手法によって製造することが一般的に行われており、コ
スト的にメリットがあるなどの理由により使用範囲が広
がっている。しかしながら、一般に焼結体はその内部に
ボアが残留しているため、溶製材に比較するとその特性
か劣るものとなる場合が多く、特に伸び、疲労強度、衝
撃値などについては溶製材に比べて低いため、繰り返し
応力や衝撃がかかるような箇所での使用は以下の理由に
より不適となる。すなわち、ボアの残留している焼結部
品（焼結体）では、疲労破壊時にボアからクラックが発
生し、このクラックが大きくなることによって破壊にい
たる。また、この焼結部品に衝撃が加わった場合、ボア
が切り欠き効果をもつことから、ボアが無い場合に比べ
て破壊し易いものとなる。

したがって、これらの性質が改善されて溶製材並の特性
を有する焼結体の提供が望まれているが、このような焼
結体を得るには、焼結体内部のボアを無くす、すなわち
焼結体の密度を溶製材並にまで上げることが必要である
。しかし、従来の粉末冶金法によって得られる焼結部品
の相対密度はせいぜい９２％程度であり、これより高密
度のものを得るには再圧縮等の工程が必要となる。また
、一般に平均粒径２０μｍ以下に調整した金属粉末を射
出成形すれば高密度焼結体が得られるとされてＮ）るが
、このようにして得られた焼結体でもその焼結体の相対
密度は通常９５〜９６％程度であり、焼結体内部に多数
のボアが存在するものとなる。また１、焼結温度を高く
したり、焼結時間を長くしたりしても、常圧焼結では焼
結体の相対密度を９６％以上とするのは困難であり、溶
製材並の性質を得るには不十分である。

ところで、従来の粉末冶金的手法で高密度焼結体が得ら
れない原因としては、原料粉末の粒径が大きく、成形体
に含まれるボアが大きくなるため成形体が焼結時に収縮
しにくいものとなることが挙げられる。したがって、成
形体の密度を９２％以上に上げ、成形体に含まれるボア
の大きさを小さくすれば十分収縮し得るものとなるが、
これでも焼結体相対密度を９５％以上にするには不十分
である。

このように成形体密度を上げた場合や、金属射出成形の
ような平均粒径２０μｍ以下の粉末を用いた場合でも、
焼結体相対密度を９６％以上にすることが困難である原
因は、焼結体中の空隙が孤立化し、閉空孔となった後に
もガスを発生し続けるからである。例えば、一般に金属
射出成形で用いられている平均粒径５μｍのカルボニル
鉄粉には、酸素が約０．２重量％、炭素が約０．１重量
％、硫黄が約０．０１重量％含まれており、この粉末を
成形し、水蒸気雰囲気中にて１４００℃で焼結して得ら
れた焼結体中には、酸素が約０．０１重量％、炭素が約
０．０３％重量％、硫黄が約０５０１重量％含まれてい
る。この場合に１４００℃における鉄の酸化物と水素お
よび炭素との平衡は以下のようになる。

・Ｆ　ｅ　Ｏ＋　Ｈｔ＃Ｆ　ｅ　＋　Ｈｔ。

ΔＧ　ｏ＝ＲＴ　’Ｉｎ（ａ　Ｆ１１’Ｐ　ｕｔｏ／　
ａ　Ｆｌｌｏ−Ｐ　Ｈｔ）・ＦｅＯ＋ＣＥＦｅ＋ＣＯ ΔＧｏ＝　　ＲＴ−１ｎ（ａｒｓ・Ｐｃｏ／ａｒｓｏ−
ａｃ）ここで、ΔＧ０は自由エネルギー　Ｒは気体定数
、Ｔは絶対温度、ａ　Ｆｌ、　ａ　ＦｅＯ，ａ　ｃは活
量、Ｐｕｔｏ＋Ｐｕｔ、Ｐｃｏはガスの分圧を示す。ａ
　ｒｅ、　ａ　ＦｅＯを１とし、ａｃがＨｅｎｒｙの法
則に従うとして計算すると、水素！気圧（Ｐ□−１ａｔ
ｍ）のもとでは焼結体内部の孤立空隙内に発生するＨｔ
Ｏのガス圧は０．５気圧であり、ＣＯのガス圧は４２気
圧である。

また、焼結体中に含まれている酸素と炭素とが全てＣＯ
ガスとなり、焼結体中のボア内に閉じ込められるとする
と、その圧力は６７気圧となり、ＣＯガスの平衡圧より
高いため焼結体内部の孤立空隙内のガス圧は平衡圧の４
２気圧になる。一方、焼結体内部に存在する数ミクロン
程度の孤立空隙の内面に表面張力の作用によって生じる
表面応力（空隙の収縮の駆動力）σは、 σ＝２γ／ｒ で表される。ここで、γは鉄の表面エネルギーｒは孤立
空隙の半径である。このσの値は１０気圧程度であり、
焼結体内部の孤立空隙内に発生するガス圧がそれ以上と
なると空隙の収縮が阻害され、これによって焼結体の密
度も上がらなくなる。

また、焼結体中に含まれる硫黄も高温で高い蒸気圧を持
つため焼結を阻害することもある。また、粉末粒子表面
に吸着しているＮ、ガスが、空隙の孤立化後に脱着すれ
ば、そのガス圧によって焼結が阻害されることもある。

以上のことは、Ｈ２０ガスを除けば他の還元性雰囲気や
不活性雰囲気、真空中でもおこり、焼結体内部の孤立空
隙内で発生するＣＯガス、あるいはＳガス、Ｎ、ガスの
圧力のために焼結体密度が上がらず、焼結体相対密度９
６％以上のものが得られないことになる。

この発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、焼結体相対密度が９８％以上の緻密化
された高密度鉄系焼結体を製造し得る方法を提供するこ
とにある。

「課題を解決するための手段」 この発明の高密度鉄系焼結体の製造方法では、鉄系粉末
に焼結温度にて安定である炭化物、酸化物、硫化物、あ
るいは窒化物を生成する元素の単体粉末または該元素を
含む合金粉末の一種以上を添加してなる混合粉末か、あ
るいは上記元素を含有してなる鉄系合金粉末を用意し、
次いで用意した混合粉末あるいは鉄系合金粉末を成形し
、その後焼結して焼結体相対密度９８％以上の鉄系焼結
体を得ることを上記課題の解決手段とした。

以下、この発明の詳細な説明する。

まず、鉄系粉末として鉄の単体粉末、鉄の合金粉末を用
意する。ここで、鉄の合金粉末としてはＦｅ−Ｎｉ系合
金やＦｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｇ。

系などの粉末が使用可能である。また、この鉄系粉末と
しては平均粒径２０μｍ以下のものが好適とされ、特に
１０μｍ以下のものが後述する焼結時の焼′結温度を低
くすることができ、望ましい。

また、この鉄系粉末を焼結するに際しての焼結温度にて
安定である炭化物、酸化物、硫化物、あるいは窒化物を
生成する元素の単体粉末または該元素を含む合金粉末を
用意する。ここで、焼結温度にて安定である炭化物、酸
化物、硫化物、あるいは窒化物を生成する元素とは、焼
結体内部の孤立する空隙内に発生しあるいは存在する各
種ガスの構成元素、すなわち酸素、炭素、硫黄、窒素な
どと反応し、焼結温度にて安定な化合物を生成する元素
をいい、具体的にはＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ。

Ｖ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓ　ｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｐ、Ｙおよ
び希土類元素などのようにその酸化物、炭化物、硫化物
または窒化物の生成自由エネルギーの低い元素が挙げら
れる。

次に、上記鉄系粉末に上記のＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ。

Ｖ、Ｎｂ　　等の元素の粉末あるいは該元素を含む合金
粉末を添加して混合粉末とする。ここで、Ａｔ。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ　　等の元素の粉末あるいは該元
素を含む合金粉末の添加量は、その好適量が焼結体中に
含まれる酸素、炭素、硫黄、窒素の量や、該元素の原子
量、さらには生成せしめる安定な化合物の構造などによ
って異なる。例えば、鉄系粉末として金属射出成形に一
般的に用いられるカルボニル鉄粉を用いた場合、上述し
た如く粉末中に約０．２重量％の酸素と約０．１重量％
の炭素を含んでいることから、真空焼結においてこれら
酸素や炭素などを十分上記元素と反応せしめるには、上
記元素として最も原子量の小さいホウ素を用いた場合で
も０．５重量％以上が必要となり、他の元素を用いた場
合では２〜ＩＯ重量％以上必要となる。また、水素中焼
結によると、酸素と炭素の一部は昇温途中にそれぞれ■
１，０、ＣＨ，の形で逃散し、空隙が孤立化した時点で
の焼結体中に残留する酸素と炭素とはそれぞれ０．０１
％、０．０３％に減少するので、必要な上記元素の添加
量としては真空焼結の場合に比べて少なくてよい。した
がって、これら安定な化合物を生成する元素の添加量と
しては、該元素の総量として０．２重量％以上添加する
のが好ましい。また、上記元素粉末を含む合金粉末を添
加し、混合粉末とする場合は、該元素の拡散距離を考慮
すると２重量％以上添加するのが望ましい。一方、上記
元素粉末をあらかじめ含む鉄系合金粉末の場合は、拡散
距離が短いため０．２重量％以上添加すればよい。

次いで、得られた混合粉末を所望する形状に成形し、そ
の後焼結して焼結体相対密度９８％以上の鉄系焼結体を
得る。この場合に焼結温度としては、原料粉末として上
記元素をあらかじめ含む合金元素を用いる場合、１２５
０℃以上とするのが好ましく、原料粉末として混合粉末
を用いる場合、特に上記安定な化合物を生成するための
元素を焼結体内に短時間に均一に拡散させるためには、
１４００℃以上の温度で焼結するのが望ましい。

なお、上記の焼結温度にて安定である化合物を生成する
元素の添加量が少ない場合、該元素が鉄系粉末に均一に
分散せず局在し、これにより焼結体全体に効果が及ばな
いことがあり、したがってこの場合には、焼結温度を高
くし該元素の拡散を十分に促すことが焼結体密度を高く
するうえで必要となる。

このようにして焼結すると、上述した焼結温度にて安定
な化合物を生成する元素は、焼結体内部の孤立する空隙
内に発生しあるいは存在する各種ガスの構成元素、すな
わち酸素、炭素、硫黄、窒素などと反応し、酸化物、炭
化物、硫化物、窒化物などの安定な化合物となる。した
がって、焼結体内部におけるＨｘＯ，ＣＯ，Ｓ、Ｎ！な
どのガスの発生が防止され、これにより焼結体内部にお
ける孤立空隙内のガスの圧力が、上記安定な化合物の蒸
気圧以下となることから焼結体内部の孤立空隙の表面応
力（空隙の収縮の駆動力）以下となり、空隙の収縮に対
して障害とならず、よって焼結体は十分に緻密化される
。

例えば、全ての酸素あるいは炭素が上記元素によって安
定化された場合、１４００℃において空隙に発生するＣ
Ｏガス圧の例を示せばそれぞれ下記のようになる。

Ｔｉ１ｌ　、４　Ｘ　１０−’気圧、Ｎｂ；６．９　Ｘ
　１０−’気圧。

Ａｌ；４　Ｘ　ｌ　Ｏ””気圧、Ｃｒ；０．２１気圧。

Ｓ　ｉ；８　Ｘ　１０−’気圧、Ｖ　：８．６　Ｘ　ｌ
　Ｏ−’気圧Ｍｎ；２　Ｘ　ｌ　Ｏ″″３″３気圧 「作用　」 この発明の製造方法によれば、鉄系粉末に焼結温度にて
安定である炭化物、酸化物、硫化物、あるいは窒化物を
生成する元素の単体粉末または該元素を含む合金粉末の
一種以上を添加してなる混合粉末か、あるいは上記元素
を含有してなる鉄系合金粉末を用意し、次いで用意した
混合粉末あるいは鉄系合金粉末を成形し焼結するので、
焼結時にＨｘＯ，Ｇｏ、Ｓ、Ｎ！などのガスの発生が防
止され、これにより該ガスの圧力に起因して焼結体内部
の孤立空隙の収縮が妨げられることがなくなる。

「実施例」 以下、実施例によりこの発明をさらに具体的に説明する
。

（実施例１） 鉄系粉末として平均粒径５μｍのカルボニル鉄粉（含有
酸素量；０．２重量％、含有炭素量；０゜１重量％、含
有硫黄量、０．０１重量％）を用い、これに３２５メツ
シユ以下のＴｉ粉末を全体の４重量％となるように添加
し、ボールミル中にて混合し混合粉末とした。

次に、この混合粉末をＩｔ／ｃｍ”の圧力でプレス成形
し、直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状の成形体を得
た。次いで、この成形体をＩ　Ｏ−’Ｔｏｒｒ程度の真
空中にて１４００℃で１時間焼結した。

得られた焼結体の相対密度、組織の状態を調べ、その結
果を第１表に示す。

また比較のため、上記のカルボニル鉄粉のみを用い、上
記実施例のものと同様に成形、焼結して焼結体を得、相
対密度、組織の状態を調べてその結果を第１表に示す。

第１表 第１表に示した結果より、本発明品は空隙のない緻密な
焼結体となったが、比較界としてのカルボニル鉄粉を単
独で用い、成形、焼結したものでは焼結体相対密度が９
６％までにしかならず、焼結体組織に空隙の存在が認め
られた。

（実施例２） 実施例１と同一のカルボニル鉄粉を用い、これにＦｅ−
５１重量％Ａ１合金粉を、Ａｌｌが全体の４重量％とな
るように添加し、実施例１と同様の方法で混合、成形、
焼結した。

得られた焼結体の相対密度、組織の状態を調べたところ
、相対密度がほぼ１００％であり、また組織に空隙は認
められなかった。

（実施例３） 鉄系粉末として、Ｆｅ−８％Ｎｉ水アトマイズ粉末を用
い、これにＦｅ−６６％Ｎｂ合金粉末を、Ｎｂが全体の
４重量％となるように添加し、ボールミルで混合した。

得られた混合粉にメタクリル酸エステルが主成分となる
バインダー１０重量部を加え、１４０℃で１時間混合し
て混練物とした。次に、スクリュー型の射出成形機で７
ｘ７Ｘ７０ｍｍの直方体状の成形体を得た。ここで、射
出温度は１６０℃、射出圧力１０００　ｋｇ／　ｃｍ”
とした。

次いで、得られた成形体を空気中にて１０℃／Ｈｒの速
さで３２０℃まで昇温し、この温度で２時間保持した。

その後、この成形体を水素雰囲気中にて１４０℃で焼結
し、焼結体を得た。

得られた焼結体の相対密度、組織の状態、引っ張り強さ
、伸びを調べ、その結果を第２表に示す。

また比較のため、鉄系粉末として上記Ｆｅ−８％Ｎｉ水
アトマイズ粉末を単独で用い、実施例と同様にして混練
、成形、焼結を行って焼結体を得、この焼結体の相対密
度、組織の状態、引っ張り強さ、伸びを調べてその結果
を第２表に示す。

第２表 第２表に示した結果より、本発明品は焼結体相対密度が
ほぼ１００％となり組織に空隙も認められず緻密な焼結
体となったが、比較量のＦｅ−８％Ｎｉ水アトマイズ粉
末を単独で用い、成形、焼結したものでは焼結体相対密
度が９６％までにしかならず、焼結体組織に空隙の存在
が認められた。

また本発明品では、比較量に比べて伸び、引っ張り強さ
においても改善されていることが確認された。

（実施例４） 鉄系粉末として、１００メツシユ以下の電解鉄粉を用い
、これに３２５メツシユ以下のＴｉ粉末を全体の４重量
％となるように添加し、混合して混合粉末とした。

次に、この混合粉末を５０ｔ／ｃｍ”の圧力でプレス成
形し、直径２０ｏ＋ｎ＋、高さｔＯｍｍの円柱状の成形
体を得た。次いで、この成形体を水素雰囲気中にて１４
００℃で１時間焼結した。

得られた焼結体の相対密度を調べたところ、９９％であ
り、良好な緻密性を有していることが確認された。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明の高密度鉄系焼結体の製
造方法は、 鉄系粉末に焼結温度にて安定である炭化物、酸化物、硫
化物、あるいは窒化物を生成する元素の単体粉末または
該元素を含む合金粉末の一種以上を添加してなる混合粉
末か、あるいは上記元素を含有してなる鉄系合金粉末を
用意し、次いで用意した混合粉末あるいは鉄系合金粉末
を成形し、その後焼結して焼結体相対密度９８％以上の
鉄系焼結体を得るものであるから、上記の添加した元素
が焼結時に、焼結体内部の孤立する空隙内に発生しある
いは存在する各種ガスの構成元素、すなわち酸素、炭素
、硫黄、窒素などと反応し、酸化物、炭化物、硫化物、
窒化物などの安定な化合物となるため、Ｈｉｄ、Ｃｏ、
Ｓ、Ｎｐなどのガスの発生が防止または抑制され、これ
により該ガスの圧力に起因して焼結体内部の孤立空隙の
収縮が妨げられることかなくなり、十分に緻密な焼結体
が得られるものとなる。したがって、この発明の製造方
法にあっては、従来の焼結体では使用し得なかった繰り
返し応力や衝撃がかかる箇所に用いられる部材の製造に
も十分適用することかでき、よって焼結体の用途を格段
に拡げることができる。また、１回の常温焼結によって
十分緻密な焼結体を得ることができることから、 従来の焼結体の製造に比 べて十分生産性を高めることができる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系粉末に焼結温度にて安定である炭化物、酸化
   物、硫化物、あるいは窒化物を生成する元素の単体粉末
   または該元素を含む合金粉末の一種以上を添加してなる
   混合粉末か、あるいは上記元素を含有してなる鉄系合金
   粉末を用意し、次いで用意した混合粉末あるいは鉄系合
   金粉末を成形し、その後焼結して焼結体相対密度９８％
   以上の鉄系焼結体を得る高密度鉄系焼結体の製造方法。
2. （２）請求項１に記載した高密度鉄系焼結体の製造方法
   において、鉄系粉末として鉄の含有量が５０〜１００重
   量％である高密度鉄系焼結体の製造方法。
3. （３）請求項１に記載した高密度鉄系焼結体の製造方法
   において、焼結温度にて安定となる炭化物、酸化物、硫
   化物あるいは窒化物を生成する元素が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚ
   ｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｐ
   、Ｙおよび希土類元素の中から選択される高密度鉄系焼
   結体の製造方法。
4. （４）請求項１に記載した高密度鉄系焼結体の製造方法
   において、焼結温度にて安定となる炭化物、酸化物、硫
   化物あるいは窒化物を生成する元素の添加量が総量で０
   ．２重量％以上である高密度鉄系焼結体の製造方法。
5. （５）請求項１に記載した高密度鉄系焼結体の製造方法
   において、焼結温度が１２５０℃以上である高密度鉄系
   焼結体の製造方法。