JPH02290901A - 成形用金属微粉およびその焼結体の製造方法 - 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〕 本発明は、耐食性に優れた焼結ステンレス鋼の製造に使
用する成形用金属微粉、およびこの成形用金属微粉を使
用する焼結体の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年，粉末冶金法による焼結部品の製造は著しい伸びを
示し、焼結部品の適用範囲が広がりつつある。なかでも
、ステンレス鋼を用いた自動車部品、電子・電気部品、
事務用部品は形状の複雑化にともない製造方法も切削加
工法から粉末冶金法に置き換えられつつある。

しかし、粉末冶金法で製造された焼結合金には気孔が存
在し、この気孔が耐食性や機械的特性を損ねる欠点があ
った。このため、焼結合金の密度はできるだけ高いこと
が必要で、密度比（がさ密度の真密度に対する比）９２
％以上が望まれている。

従来の金型ブレ又成形では原料扮が数１０〜１５０ｕｍ
と大きいので成形・焼結だけでは密度比８０〜９０％と
なり、十分な高密度が得られなかった。特に原料が粗扮
であるため粒子間の隙間が大きく５０μｍ以上の気孔径
が存在する。これは隙間が焼結によっても収縮して消滅
されずに焼結体組織に残留し、これに起因した耐食性の
劣化が顕著である． そこで、耐食性を改善するためにステンレス鋼扮に他の
合金元素を添加し、液相を出現させて高密度化した焼結
合金が開発されている．例えば，特開昭５８−２　１　
３８５９号で示されているように、ＣｏやＢを添加する
ことによって焼結中にＣｏやＢを含む液相が生じてこれ
が気孔を埋めるように基地中に分散した焼結材料がある
。しかし、ＣＯは高価な粉末で製品のコスト高を招き，
粉末冶金の長所である経済性が損なわれる。

また、特開昭６１−２５３３４９号に示されるように、
Ｐを添加し同様に液相を出現させ高密度化した焼結ステ
ンレス鋼も提案されている．しかし、Ｐの固溶した液相
部が冷却後に脆弱な相として残るために機械的特性を劣
化させる．従って，このような合金元素を添加し液相焼
結することによって高密度化する手法は回避されなけれ
ばならない。さらに、耐食性に直接影響を及ぼす残留気
孔をできるだけ減らすために焼結材料を再圧縮または再
焼結したり，あるいは熱間鍛造や熱間静水圧処理するな
どの方法がある。この場合、工程が複雑になったり、特
別な装置を必要としたり、作業が繁雑になるなどの問題
を有していた． さらに、最近、金属微粉を用いた焼結体の焼結方法が提
案されている．これは焼結性が優れている反面，金型成
形ができない欠点がある．なぜならば、成形体に割れや
ラミネーションの欠陥を有し、さらに金型のクリアラン
スに入り込み、金型を損ずるからである． このため、結合剤を用いた射出成形は複雑形状の部品の
製造が可能で大量生産に適した加工法として有利である
．しかし、結合剤に用いられる樹脂およびワックスが脱
結合剤処理によって完全には除去されずに残るため、最
終焼結体の不純物が増し，耐食性を劣化させる原因とな
っていた。

［発明が解決しようとする課題】 本発明は上記従来技術の問題点を解決し、不純物が少な
く耐食性が良好な焼結ステンレス鋼を製造し得る成形用
金属微粉、およびこの金属微粉を用いる焼結体の製造方
法を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、前記課題を解決するために種々検討を重
ねた結果、本発明に到達したもので，本発明は、焼結ス
テンレス鋼の製造に用いる金属微粉であって、平均粒径
がｌＯ±５μｍ、かつ比表面積が０．７ｒｎ’／ｇ以下
であることを特徴とする成形用金属微粉、および上記金
属微粉に結合剤を添加混合して成形した後、該成形体を
非酸化性雰囲気中で加熱することにより結合剤を除去し
てＣ／０モル比を０．　５〜３．　０に調整し、その後
１０００〜１３５０℃の温度、圧力０．　１Ｔｏｒｒ以
下で焼結し、続いて非酸化性雰囲気下で１２００〜１３
５０℃で焼結することを特徴とする焼結体の製造方法を
提供するものである。

〔作用〕

本発明では、金属微粉の平均粒径をｌＯ±５ｇｍに限定
した．その理由を以下に示す。

平均粒径が５μｍ未満になると、粒径が過小となり充填
性が低下するため、結合剤の添加量が多《なる．その結
果、脱脂性が低下することにより，成形体中の残留炭素
量が多《なるばかりでなく，不均一な炭素分布をもつこ
とになり，耐食性および機械的性質を損ねる。従って、
下限を５μｍと限定した． 平均粒径が１５μｍを越えると、粒径が過大となり焼結
性が低下する．さらに、結合剤の混練性が悪《なり不均
一な混合状態となり，成形性が劣り成形体中の密度分布
が不均一となる．その結果，最終焼結体は変形やそりな
ど寸法精度の劣ったものとなる．従って、上限を１５μ
ｍとした。

金属微粉は、平均粒径を上記のごとく限定しても，比表
面積（ＢＥＴ法）が０．　７　ｒ１１″／ｇを越えると
，焼結性は向上するが金属微粉の表面を覆う結合剤が増
加する．その結果、脱脂性が低下し，最終焼結体におけ
る機械的・化学的性質に悪影響を及ぼす。従って、比表
面積の上限を０．７ｒｎ２／ｇと限定した。

本発明においては金属微粉として、焼結してステンレス
鋼を得るために才一ステナイト組成（ＳＵＳ３１６）の
水アトマイズ扮等のＣｒを含有するものが使用される． 本発明は平均粒径ｌＯ±５μｍの微粉を用いるため、こ
の微粉だけでは成形時にラミネーションや割れなどの欠
陥が生じる。そこで、これらの欠陥が生じないように結
合剤を添加混合して成形する。結合剤は熱可塑性樹脂、
ワックス、あるいは両方混合して用いても成形可能であ
る．もちろん本発明はこれらの結合剤に限定されるもの
ではない。結合剤の宣は成形法によって異なる．成形機
は従来の金型ブレス機の他に押出成形機や粉末圧延機、
射出成形機などが使用される．結合剤は通常の金型ブレ
スでは０．５〜３．０重量％ほどであるが、複雑形状の
製品を成形できる射出成形法では１０重量％程の結合剤
を要する． 成形後，結合剤を除去するために非酸化性雰囲気中で一
定速度で昇温、保持する．この時の昇温速度を速《し過
ぎると製品に割れや膨れが生じるため５℃／ｈ〜２０℃
／ｈで界温する．結合剤は完全には除去されずに残って
いるが，この残留結合剤の炭素と金属微粉の表面に存在
する酸化被膜の酸素の反応を促進させることによって、
最終焼結体の不純物である０．０量を極力減少させるた
めに、Ｃ／Ｏモル比を最適値に調節する。

本発明における金属微粉は、難還元性元素であるＣｒを
含有する微粉である。本発明では通常の焼結工程で用い
られている水素雰囲気における還元に比べて、減圧焼結
によって含有Ｃの作用により容易に還元を促進させるこ
とができ、その結果、高密度の焼結体を得ることができ
る。焼結作用は粒子同士の接触点から始まり、原子の固
体拡散によって進行するが、粉末表面が酸化物で覆われ
ている場合は原子の拡散が遮られて緻密化が進まず、焼
結体の高烹度が達成されない．つまり、高密度を得るた
めにはＣｒ系酸化物を還元する必要があり，そのために
，圧力０．　Ｉ　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ以下で焼結する．０、
１Ｔｏｒｒを越えるとＣｒ系酸化物の還元反応が進みに
くいため上限を０．　Ｉ　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒとした。

前述のようにＣｒ系酸化物の還元反応を含有Ｃにより容
易に促進させることができるが、その際，減圧焼結前の
成形体中のＣ／Ｏモル比を適当に調整することが必要で
ある．なぜならば、焼結体中の０．０の低減は、 Ｃ＋０→ＣＯ Ｃ＋２０一ＣＯ２ の反応が進行することによって達成される．従って、還
元反応で低減されるＣとＯとのモル比は０．５〜ｌとな
る．そこで，焼結前の成形体中のＣ，０量については，
上記、低１１ｔｃ、０量と最終焼結体Ｃ、０量を加えた
量となっていなければならない．また，焼結炉内の汚染
状況などの操業上のＣ、０変動要因も考慮したＣ／Ｏモ
ル比でなければ、ＣあるいはＯを過剰に残した焼結体と
なり、 Ｃ≦０，０６重量％ ０≦０．３重量％ が得られない。本発明者らは、Ｃ／Ｏモル比の適正な範
囲を経験的に知った．Ｃ／０モル比の下限が０．５％未
満の場合、焼結体中のＣは０．０６重徽％を越え，焼結
密度の上昇が見られない。一方、Ｃ／Ｏモル比が３．０
を越えた場合、焼結体のＯが０．３重量％を越えるため
液相の出現によって気孔が粗大化して耐食性が劣化した
り、形状が崩れる．そこで、減圧焼結前の成形体中のＣ
／Ｏモル比を０．５〜３．０の範囲に規定した。

減圧焼結の温度範囲を１０００−１３５０℃としたのは
、１０００℃より低い温度ではＣｒ系酸化物の還元が十
分なされないため，酸化物が残留し，その後の焼結を阻
害する。従って，下限を１０００℃とした．一方、１３
５０℃を越えて焼結した場合、Ｃｒの表面からの蒸発量
が大きくなり濃度分布が不均一になるばかりでなく、液
相か出現して形状を崩すなどの欠陥が見られる．よって
上限を１３５０℃とした。

続いて、高密度化および拡散による合金元素の均一化を
達成するために非酸化性雰囲気中、１２００−１３５０
℃で焼結する。前段階の減圧焼結で粒子同士の接触点が
でき、焼結が始まるが、さらに高温にすることによって
拡散を促進させて焼結を進め、残留気孔の微細化と球状
化を図る。雰囲気を非酸化性としたのは１　２００℃以
上の高温でのＣｒ蒸発を防止するためである。

なお、ここで非酸化性雰囲気に用いるガスはＡｒ％Ｈｅ
％Ｎ２等の不活性ガス、Ｈ２、Ｃｏ，ＣＨ４　．Ｃ３　
Ｈ．等の還元ガス、または燃焼排ガス等である。

１２００−１３５０℃の範囲で焼結するのは１　２００
℃より低い温度では元素の拡散が遅いので密度上昇と焼
結体の合金組成の均一化が達成できない。１３５０℃を
越えると液相が出現し、形状が崩れたり、脆化相を残す
ことによる強度の低下を招くことになる。このため、下
限を１２００℃、上限を１３５０℃と定めた． 【実施例］ 金属微粉として、才−ステナイト系ステンレス組成（Ｓ
ＵＳ３　１　６）の水アトマイズ扮を用い，これを分級
によって平均粒径３．８、８．５，■３．０、１９．２
μｍの微粉に調整した．これらの微粉の比表面積をＢＥ
Ｔ法により測定したところ，それぞれ０．８、０．６、
０．４、０．３ｒｎ２／ｇであった。

これらの微粉に熱可塑性樹脂とワックスを混合し、加圧
二一ダを用いて混練した． 混練物を冷却後，顆粒状に粉砕しペレットとし，ベレッ
トを射出成形機を用いて長さ４０ｍｍ．中２０ｍｍ．厚
さ３ｍｍの直方体に成形した． 成形体を窒素雰囲気中で昇温速度ｌＯ℃／ｈで６００℃
まで加熱して，成形体中のＣ／０モル比が１．０〜２．
０になるように結合剤を除去した。これらを減圧下（＜
１　０−３Ｔｏｒｒ）１　１　５０”Ｃで１時間焼結し
，続いて常圧のＡｒガス雰囲気中，１３００℃で３時間
保持した． 冷却後、アルキメデス法による密度および真密度から密
度比を求め、また、焼結体のＣ．０量を分析した．他に
耐食性を評価するために、人工汗中に２４時間放置し、
その後，発錆があるかどうかを実体顕微鏡で確認した．
錆が全く見られない場合を良好、少しでも錆が見られた
り変色した場合を発錆とした． 金属微粉の平均粒径と焼結体のＣ．Ｏ量および密度比と
の関係を第１図に示す． 平均粒径５μｍ未満では，脱脂性が悪く、さらに微粉程
、焼結性がよくなるため気孔の閉塞化が進み，焼結体内
部のガスが気孔に閉じ込められる結果、脱Ｃ、脱０が停
滞すると考えられ、そのため人工汗試験による腐食試験
で発錆した．一方、１５μｍを越えると，流動性が低下
するために成形性がよくなかった．さらに粗扮であるた
めに焼結性が悪く残留気孔も大きく，その結果、耐食性
が劣化した． 平均粒径および比表面積が本発明の限定範囲内にある金
属微粉においては、脱Ｃ，脱０反応も十分進行し、かつ
，焼結密度も人工汗試験による腐食試験で全く錆が見ら
れない密度で、耐食性に優れたステンレス鋼が得られた
。

［発明の効果］ 本発明の金属微粉およびその焼結体の製造方法によって
製造された焼結ステンレス鋼は、耐食性に優れ、機械的
特性も十分な値が得られ，苛酷な条件下における材料と
して広《使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例における金属微粉の平均粒径と最終焼結
体の密度比，Ｃ量，０量との関係を示す図である．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　焼結ステンレス鋼の製造に用いる金属微粉であって
   、平均粒径が１０±５μｍ、かつ比表面積が０．７ｍ＾
   ２／ｇ以下であることを特徴とする成形用金属微粉。 ２　請求項１記載の金属微粉に結合剤を添加混合して成
   形した後、該成形体を非酸化性雰囲気中で加熱すること
   により結合剤を除去してＣ／Ｏモル比を０．５〜３．０
   に調整し、その後１０００〜１３５０℃の温度、圧力０
   ．１Ｔｏｒｒ以下で焼結し、続いて非酸化性雰囲気下で
   １２００〜１３５０℃で焼結することを特徴とする焼結
   体の製造方法。