JPH0220685B2

JPH0220685B2 -

Info

Publication number: JPH0220685B2
Application number: JP60065540A
Authority: JP
Inventors: Hideki Nakamura; Takekazu Fukaya
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1990-05-10
Also published as: JPS61223102A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は長手方向に貫通する単数又は複数の中
空孔を有する焼結鋼部材の製造法に関する。

〔従来の技術〕

金属材料全般、プラスチツク、ゴム、セラミツ
ク等の素材分野で中空製品は普遍的に存在する。
本発明の対象とする金属材料分野では旋削加工、
熱間押出、溶接等の手法で中空材は製造されてい
る。一方プラスチツク、ゴム、セラミツクスにつ
いては押出成形法を用い、上記物質を半溶融状態
あるいはバインダーと混合、混練後の可塑状態で
ダイスから押出して中空材を得ることが試みられ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

金属材料分野で棒鋼又は線材の中空材が長尺化
すると、機械旋削加工が下可能になり、薄肉化す
ると熱間押出が困難となること厚肉化すると溶接
法が困難になる程任意の形状の中空材を得ること
がむづかしい現状でコスト的にも中空材は高価で
ある欠点がある。単一孔から複数孔になるとコス
ト増加の傾向が顕著となる。とくに油孔付ドリル
と称されるドリル用素材は例えば10mmφの外径で
孔径1.38mmφの二つの孔が孔の中心間距離で5.6
mmの間隔で３ｍ長にわたつて貫通することが要求
される。同素材はJIS SKH該当の高速度鋼が用
いられる。その製造法は70φ×300程度の状態
で、機械旋削で穿孔後、等方鍜造法で30φ径に熱
間で塑性加工を行ないついで引抜法で10φ迄加工
する方法が採用されるが工数が長くその精度が厳
しい為歩留も低く中空素材の単価は非常に高い。
粉末を原料として押出成形法で中空材を製造する
概念は前項で述べたようにセラミツクやプラスチ
ツクでは汎用的に実施されているが金属材料では
ほとんどその例を見ず、特公昭59−7726号、特開
昭56−65905号に開示されるように多孔質焼結体
の製造に一部応用されているのみであり、特に押
出成形体の密度が低いため高密度焼結体の製造に
採用された事例はない。

押出成形法に使用される有機バインダーは少量
で粘性が高く成形体の強度が高く分散度が均一な
ものが要求される。且つ成形後容易に除去が可能
で有害な分解生成物を残留させないことが必要で
ある。熱可塑性や熱硬化性のプラスチツクで射出
成形用として有用なバインダーはいくつか開示さ
れている。例えば特開昭55−113511ではポリエチ
レン、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジ
エン・スチレン共重合体とシラン系カツプリング
又はチタン系カツプリング剤を併用する方法、特
開昭55−113500にはシラン架橋型のポリアルケン
樹脂を用いることを特徴とするセラミツクス粉
末、又は金属粉末材料の射出或は押出成形法、特
開昭56−159248にはポリテトラメチレンフタレー
トのバインダー等がある。これらはいづれもプラ
スチツクスを主体とするものであるが、バインダ
ーの除去が非常に困難で通常10mm肉厚品では５〜
10℃／Hrの昇温速度以下でないと、発泡、形状
くずれが頻発する。また、前記特公昭59−7762
号、特開昭56−65905号には多孔質焼結体の製造
方法にメチルセルロースを使用した事例が記載さ
れている。

本発明は、以上の背景に鑑み押出成形体を焼結
法により圧密化して高密度の焼結体を得ることを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

最終製品の組成と実質的に一致する合金粉末か
所望する最終製品の構成元素の複数の予備混合粉
末と有機バインダー、可塑剤および溶剤を混合混
練して可塑性混練体とし、その後最終製品と相似
形であつて長手方向に貫通する単数又は複数の中
空孔を有する中空素材を押出成形し、次いで押出
成形体を非酸化性雰囲気で加熱して前記有機バイ
ンダーを除去し、引き続いて焼結する中空孔を有
する焼結鋼部材の製造方法において、 (a) 鋼の原料粉末の粒径が５〜20μであり、 (b) 可塑性混練体中の重量比で、有機バインダー
としてメチルセルロースを重量比で1.0〜10.0
％、可塑剤としてグリセリンを0.5〜10.0％、
溶剤として水を5.0〜10.0％、 (c) 最終製品の組成が重量比でC0.4〜4.5％、
Cr30％以下、Ｗ＋Mo1.0〜20.0％、V20.0％以
下、脱酸剤としてのSi、Mnがそれぞれ２％以
下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、 (d) 共晶炭化物の部分溶融を生じさせて焼結後の
密度が理論密度の97％以上となるように焼結す
る、ことを特徴とする中空孔を有する焼結鋼部材の
製造方法である。

本発明において、原料粉末の粒径を５〜20μと
するのは、20μを越えると本願発明が目的とする
焼結密度97％以上を達成することが難しく、また
粒径が微細なほうが有機バインダーとの混練時の
粉末の均一分散度の確保、押出成形体の強度向上
に好ましいからである。一方あまり粒径が微細で
あると脱バインダーが困難になるので5μ以上と
する。またできるだけ充填密度が高い粉末形状が
望ましい。少なくとも30％以上の見掛密度である
ことが必要である。

次に本願発明では有機バインダーとして、従来
多孔質焼結体の製造等に使用されていたメチルセ
ルロースが高密度焼結体の押出成形にも適用可能
であることを見出した。ただし、添加量は重量比
で1.0％未満では添加の効果がなく、一方10％を
越えて添加しても効果が飽和し、逆にグリーン密
度を低下せ密度向上に悪影響を与えるので10％以
下とする。

なお有機バインダーであるメチルセルロース
は、以下説明するように高密度化に対して積極的
に寄与しているものと推測される。すなわち、焼
結性を向上するためには粉末表面に酸化層が存在
しないことが要求され、従来はグラフアイト等を
還元剤として添加し焼結時に粉末表面の酸化層を
還元する等の手段が講じられていたが、本発明に
おいては脱バインダー後にメチルセルロースの構
成元素たる炭素が粉末表面を均質に覆い、これが
焼結時に粉末表面の酸化層を除去し焼結密度向上
に極めて有効に作用しているものと推測する。

本願発明では、有機バインダー以外に可塑剤と
してグリセリンを0.5〜10.0％添加して押出成形
性を確保する。

さらに溶剤として水を5.0〜10.0％添加する。

10.0％以下とするのは、10.0％を越えるとグリ
ーン密度か低下し97％以上の高密度を得ることが
困難であるからであり、一方5.0％未満では押出
成形が困難となるから5.0％以上とした。特に従
来の押出成形と比べて、水の添加量を少量にした
点が本発明の特徴の１つである。

次に、本願発明は前記化学組成を有する工具鋼
をその対象とする点にも特徴がある。それは、前
記工具鋼は共晶炭化物の部分溶融で焼結を促進で
きるため97％以上の焼結密度を得るための不可欠
の要素だからである。

以上のように本願発明は、有機バインダーとし
てメチルセルロースを採用することにより、良好
な押出成形性と脱バインダー性を確保する一方、
原料粉末の粒径を最適化すること、水の添加量を
従来の多孔質焼結体の製造に比べて少量とするこ
と、共晶炭化物の部分溶融を生じさせて焼結でき
る工具鋼を対象とすること、及び有機バインダー
から残留した炭素が焼結時に粉末表面を還元する
ことにより、押出成形と焼結のみで理論密度の97
％以上の高密度化を達成することを可能にしたも
のである。

なお、本発明では最終製品の組成で重量比で
20.0％以下のCoを含有する事を許容する。

また、本発明では押出成形性向上のため分散剤
又は滑剤としてワツクスエマルジヨンを５％以
下、ステアリン酸エマルジヨンを５％以下、マイ
クロクリスタラインを５％以下の一種または二種
以上で1.0〜10.0％添加する事を許容する。

また本発明は、高速度工具鋼からなる中空パン
チ用又は油孔付ドリル用素材の製造法として最も
好適であり、従来、この素材の製造に費やしてい
た多大の工数、経費を大幅に低減することを可能
とする。

さらに本願発明では、一層の高密度化と所望す
る最終形状を得ることを目的として焼結後実質的
に中空孔の状態を存続させながら鍜造、圧延、引
抜加工の塑性加工を行つてもよい。

なお、本発明で「最終製品と相似形」とは焼結
後の製品と相似形であることを意味する。

本発明において押出成形後の乾燥時に水分はほ
とんど除去され後続の真空、還元性、不活性ガス
中等の非酸化性雰囲気のいずれか中で300〜700℃
の範囲で脱バインダーが実施される。この際、真
空Ar，N₂He等の雰囲気ではバインダーの分解生
成物としてＣが0.3〜0.8％残留する。H₂中で脱バ
インダーを実施するとバインダーからのＣの残留
はほぼ解消できる。従つて製品中にＣの存在を忌
避する材料にはH₂中の脱バインダーが必要であ
る。残留するＣ値を予測してあらかじめ原料粉末
中のＣを低減させることも可能であるが精度良く
Ｃ値を制御する為には、H₂中の脱バインダーが
好ましい。

〔実施例〕

本発明を実施例により以下説明する。

実施例１ AISI T15相当のC1.51％，Si0.41％，Mn0.2％，
Cr4.03％，W11.05％，Mo0.8％，V5.1％，Co5.2
％，残部鉄及び不可避的不純物からなる水アトマ
イズ合金粉末を作成した。平均粒径は45μでO₂含
有量は1800ppmであつた。該粉末の一部に黒鉛粉
末を0.3％添加後アトライター中で乾式混合粉砕
し平均粒径15μとした。この粉末にCMC（市販品
名でSM400）を３％，水８％，マイクロクリス
タラインワツクス2.0％、ステアリン酸エマルジ
ヨン１％、グリセリン0.7％を添加後ニーダ混練
機で15分間混練した。この混練体をオーガシリン
ダ径50mmφの押出成形機を用いて外径10mmφ、内
径４mmφの中空材を成形した。成形時のグリーン
密度は51％で弱真空下で50℃2Hr乾燥した。この
乾燥体をH₂，0.1Torr真空中、Ar雰囲気で100
℃／Hrで500℃迄昇温後2Hr保持し脱バインダー
を行つた。

これらの２種類の脱バインダー体を10^-3Torr
の真空下で1180〜1240℃の範囲で真空焼結を行つ
た。真空およびAr脱バインダー材は焼結温度が
1180℃真密度に達し、この時のＣは2.2％、O₂は
40ppmであつた。一方H₂脱バインダー材は1240
℃焼結で真密度に達しこの時のＣは1.51％、O₂は
60ppmであつた。脱バインダー材のＣ含有量は真
空脱バインダー材が2.60％、Ar脱バインダー材
が2.54％、H₂脱バインダー材が1.81％であつた。
H₂脱バインダー材の焼結体はバインダーからの
Ｃ残留は実質的になく真空Ar脱バインダー材の
ものは約0.8％程度のＣ残留があることが判明し
た。

なお焼結後の収縮率は外径は21.6％内径は22.1
％でほぼ同心円状の中空素材が得られた。収縮率
については、すべて真密度に投達している為、脱
バインダー雰囲気との有意差は認められなかつ
た。

なお前述の実施例１と同組成で通常焼結に使用
されている−100meshの水アトマイズ粉末を同じ
バインダーと混練した。混練体はほとんど粘性を
示さず水の添加量を15％迄増加したが改善の傾向
は認められたなかつた。次にCMCを６％、マイ
クロクリスタラインワツクスを4.0％迄増量して
混練体を作成した。押出が可能な粘性は示したが
脱バインダー後成形体が一部崩壊し、ハンドリン
グが事実上不可能であつた。

実施例２実施例１と同じアトライター粉砕後の粉末に同
じくＣを0.3％添加し、CMC（市販品名60SH−
4000）５％グリセリン6.5％水８％と加工型ニー
ダーで15分間混練した。

以後の工程は実施例１と同一で、H₂で脱バイ
ンダー後、1240℃で1Hr焼結した。焼結体の密度
は8.21でほぼ真密度でありＣ含有量は1.52％、O₂
は72ppmであつた。

実施例３ C0.89％、Si0.32％、Mn0.28％、Cr3.97％、
W5.98％、Mo5.12％、V1.92％で残部鉄および不
可避的不純物からなる水アトマイズ合金粉末を得
た。この粉末中のO₂量は1700ppmであつた。こ
の粉末にＣを0.3％添加後、アトライターで粉砕
し平均粒径12μの微細粉末を得た。この粉末に
CMC（市販品名60SH−4000）を２％、グリセリ
ン１％、水８％を添加後ヘンシエルミキサーで30
分混練した。この混練体から外径12・８mmφで２
孔の穴径が1.8mmφでそのセンター間距離が7.28
mmの押出成形を行つた。成形後弱真空中で50℃×
2Hr乾燥後、H₂ガス中で150℃／Hrの昇温速度で
700℃迄昇温し、1Hr間保持後炉冷した。これを
1235℃×15Hrの真空焼結を実施した結果、焼結
体密度がほぼ100％の真密度であり、外径10.2mm
φ、２孔の穴径1.33mmφで２孔のセンター間距離
が5.5mmの中空素材が得られた。焼結体のＣ含有
量は0.91％であり、O₂は87ppmであつた。本材を
20％の減面比で中間焼鈍を挿入しながら外径５mm
φ迄線引加工を行なつた、加工中に欠損は生ぜ
ず、最終製品として外径5.0mmφ、２孔の穴径
0.65mmφ、２孔のセンター間距離27.0mmのオイル
ホールドリル用中空素材を得ることができた。

この焼結体を用いて1200℃焼入560℃（１＋１）
Hrの標準的熱処理を実施した。硬さはHRC65.4
で曲げ強さは370Kg／mm²が得られた。この値は溶
製法で作られた材料とほぼ等しい結果であつた。

実施例４重量比でC3.5％、Si0.28％、Mn0.31％、Cr5.3
％、W12.1％、Mo10.4％、V8.0％、Co12.2％、
残部鉄および不可避的不純物からなる水アトマイ
ズ合金粉末を作成した。アトマイズ時の平均粒子
径35μmでO₂量は2700ppmであつた。

この粉末を振動ミルを用いて、粒子径が10μm
以下で平均粒子径8.9μmの粉末に粉砕後、この粉
末に対して平均粒子径6.4μmで組成比がFe：Ｖ＝
72：28からなるFe−Ｖ（フエロバナジウム）粉末
を重量比で25％と、黒鉛粉末を重量比で0.4％添
加混合した。

この粉末に、可塑性混練体中の重量比でCMC
を3.5％、グリセリン1.5％、水9.5％を添加混練し
て可塑性混練体を得た。この混練体を用いて実施
例１と同じ寸法の中空材を成形後、弱真空下で50
℃で2Hr乾燥した。この乾燥体をH₂雰囲気中で
脱バインダーした後1240℃×1Hrの真空焼結を実
施した。焼結後の化学組成、すなわち最終製品の
組成はC3.59％、Si0.21％、Mn0.23％、Cr4.0％、
W9.1％、Mo7.8％、V13.1％、Co9.2％の組成比
であつた。密度比は焼結ままで99.7％であり、実
質的に真密度に近い値を示した。

本焼結体の焼なまし硬さはHRC44であり、こ
の焼結体を1240℃で焼入し、550℃で焼もどしし
た硬さはHRC72.5を示し、この硬さでの抗折力
は175Kg／mm²であつた。

焼結後の寸法は外径7.9mmφ、内径3.2mmφであ
つた。本材料より外径７mmφ、内径3.5mmφ、長
さ70mmの中空ダイスを作成した。比較材として
10WC−15％Coの超硬合金製のダイスを製造し、
Fe−３％Siの厚さ１mmの鋼板の打抜数の比較を
した。

打抜数で超硬製ダイスは26000でチツピングを
発生して寿命に至つたが、本焼結材は120000個迄
打抜が可能であつた。

なお、本系合金組成の水アトマイズ粉末はＶ含
有量が９％を越えると、溶湯粒径が増加しノズル
を溶湯が通過できず、水アトマイズは不可能であ
つた。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明によれば長手方向に貫通
する単数又は複数の中空孔を有する長尺の高密度
化した焼結鋼部材を低コストで製造することがで
きる。

Claims

【特許請求の範囲】１最終製品の組成と実質的に一致する合金粉末
か所望する最終製品の構成元素の一部からなる複
数の予備混合粉末と有機バインダー、可塑剤およ
び溶剤を混合混練して可塑性混練体とし、その後
最終製品と相似形であつて長手方向に貫通する単
数又は複数の中空孔を有する中空素材を押出成形
し、次いで押出成形体を非酸化性雰囲気で加熱し
て前記有機バインダーを除去し、引き続いて焼結
する中空孔を有する焼結鋼部材の製造方法におい
て、 (a) 鋼の原料粉末の粒径が５〜20μであり、 (b) 可塑性混練体中の重量比で、有機バインダー
としてメチルセルロースを重量比で1.0〜10.0
％、可塑剤としてグリセリンを0.5〜10.0％、
溶剤として水を5.0〜10.0％、 (c) 最終製品の組成が重量比でC0.4〜4.5％、
Cr30％以下、Ｗ＋Mo1.0〜20.0％、V20.0％以
下、脱酸剤としてのSi、Mnがそれぞれ２％以
下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、 (d) 共晶炭化物の部分溶融を生じさせて焼結後の
密度が理論密度の97％以上となるように焼結す
る、ことを特徴とする中空孔を有する焼結鋼部
材の製造方法。２有機バインダーとともに分散剤又は滑剤とし
てワツクスエマルジヨンを５％以下、ステアリン
酸エマルジヨンを５％以下、マイクロクリスタラ
インを５％以下の一種または二種以上で1.0〜
10.0％を添加する特許請求の範囲第１項記載の中
空孔を有する焼結鋼部材の製造方法。３中空孔を有する焼結鋼部材が高速度工具鋼か
らなる中空パンチ用又は油孔付ドリル用素材であ
る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の中
空孔を有する焼結鋼部材の製造方法。４焼結後実質的に中空孔の状態を存続させなが
ら鍜造、圧延、引抜加工の１種または２種以上の
塑性加工を行い、高密度化と所望する最終形状を
得ることを目的とする特許請求の範囲第１項〜第
３項いずれかに記載の中空孔を有する焼結鋼部材
の製造方法。５最終製品の組成と実質的に一致する合金粉末
か所望する最終製品の構成元素の一部からなる複
数の予備混合粉末と有機バインダー、可塑剤およ
び溶剤を混合混練して可塑性混練体とし、その後
最終製品と相似形であつて長手方向に貫通する単
数又は複数の中空孔を有する中空素材を押出成形
し、次いで押出成形体を非酸化性雰囲気で加熱し
て前記有機バインダーを除去し、引き続いて焼結
する中空孔を有する焼結鋼部材の製造方法におい
て、 (a) 鋼の原料粉末の粒径が５〜20μであり、 (b) 可塑性混練体中の重量比で、有機バインダー
としてメチルセルロースを重量比で1.0〜10.0
％、可塑剤としてグリセリンを0.5〜10.0％、
溶剤として水を5.0〜10.0％、 (c) 最終製品の組成が重量比でC0.4〜4.5％、
Cr30％以下、Ｗ＋Mo1.0〜20.0％、Co20.0％以
下、V20.0％以下、脱酸剤としてのSi、Mnが
それぞれ２％以下、残部Feおよび不可避的不
純物からなり、 (d) 共晶炭化物の部分溶融を生じさせて焼結後の
密度が理論密度の97％以上となるように焼結す
る、ことを特徴とする中空孔を有する焼結鋼部
材の製造方法。６有機バインダーとともに分散剤又は滑剤とし
てワツクスエマルジヨンを５％以下、ステアリン
酸エマルジヨンを５％以下、マイクロクリスタラ
インを５％以下の一種または二種以上で1.0〜
10.0％を添加する特許請求の範囲第５項記載の中
空孔を有する焼結鋼部材の製造方法。７中空孔を有する焼結鋼部材が高速度工具鋼か
らなる中空パンチ用又は油孔付ドリル用素材であ
る特許請求の範囲第５項または第６項に記載の中
空孔を有する焼結鋼部材の製造方法。８焼結後実質的に中空孔の状態を存続させなが
ら鍜造、圧延、引抜加工の１種または２種以上の
塑性加工を行い、高密度化と所望する最終形状を
得ることを目的とする特許請求の範囲第５項〜第
６項いずれかに記載の中空孔を有する焼結鋼部材
の製造方法。