JPH02290904A - 鉄系粉末の焼結方法 - 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】 く産業上の利用分野〉 本発明は、高密度（９５％以上）の鉄系粉末冶金材料を
製造する方法に関し、さらに詳しくく従来の技術〉 鉄系粉末冶金は、最終部品形状またはそれに近い形状の
部材を、歩留りよく、高効率に生産でき、しかも形状の
寸法精度に優れているため、主に複雑形状部品の製法と
して発展してきた。　しかし、焼結材料の各種特性に対
して極めて重要な影響を与える焼結密度は、通常の１１
００〜１３５０℃での焼結では、真密度の９０％（すな
わち密度比９０％）どまりであり、機械的特性や耐食性
、磁気特性などの機能性において、問題が残ることが多
かった。

これを解決するには、焼結時に十分な寸法収縮、緻密化
をおこさせ、高密度とする手段が有効である。　そのた
め、通常の数十μｍの平均粒径をもつ鉄系粉末にかわり
、平均粒径２５μｍ以下の微粒粉末を用い、焼結時の焼
結性を向上させる必要がある。

しかし、通常の焼結パターンでは、どうしても十分な緻
密化がおこらず、密度が期待されるほど上がらないとい
う問題がある。　そして、諸特性に優れる材料は、密度
比が９０〜９５％（Ｆｅの場合、密度７．０７〜７．４
７ｇ／ｃｍ’）あるいはそれより上であり、原料粉末だ
けでなく、焼結方法の改善もきわめて重要な鍵になって
いる． これらの高密度化へのアプローチ法には、大別すると２
種のものがあり、一つは原料粉末の焼結性改善によるも
の、もう一つは製造プロセスの改良によるものである。

　特に注目されるものとして、前者には金属微粉末の利
用（微粉末の圧縮性の劣悪さを、射出成形法の導入によ
り解決した）　後者にはＨＩＰ（熱間静水圧プレス）の
利用などをあげられる．　さらに、ＨＩＰ技術に関して
は、その設備コストを大幅に改善した加圧焼結法（米国
特許ＵＳ８［ｉ／００８５３、特表昭８３−５００８７
４　）も提案されている。

しかし、この加圧焼結法も、コストの点や、工業的規模
で実施するにあたり、改良が必要である。　すなわち、
この加圧焼結法においては、原料粉末の粒径をなんら考
慮していなかった。　そのため、焼結金属材料の製造に
あたり、特に、射出成形など、微粉末（粒径４４μｍ以
下程度、好ましくは１０μｍ以下）を原料とするものに
おいては、その経済性（原料粉末価格は、平均粒径が小
さいほど高価格である）に問題があった。

また、上記先行技術（米国特許ＵＳ８６／００８５３）
で開示された短時間の温度上昇（温度スパイク）を伴う
加圧焼結法においては、焼結体を高温に保持する時間を
短時間に限定する必要があり、これは、工業的な困難さ
を伴う。　さらに、炉内全体にわたり、等しい温度スパ
イクの効果を及ぼすことは、工業的規模の炉では困難で
あり、その結果、炉内に配置された焼結体の位置により
、密度に大きなバラツキを生じる。

く発明が解決しようとする課題〉 上記の如く、焼結体の密度を高くする方法が提案されて
いるが、コストや工業的規模へのスケールアップの点な
どで、改良の余地がある。

本発明は、このような事実に鑑みてなされたものであり
、射出成形などの従来は微粉末を原料とした焼結金属材
料の製造方法であフて、焼結金属材料特性（密度）およ
びその経済性（原料価格）に優れる鉄系粉末の焼結方法
の提供を目的とする。　すなわち、原料粉末が粗粒であ
っても、高密度で、しかも高強度の鉄系粉末冶金材料を
工業的に容易に製造する方法の提供を目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者らは、高密度、高強度の鉄系粉末冶金材料を得
るためには、焼結体の空孔を閉空孔とした後、加圧焼結
によって空孔を消滅させることと、金属の結晶粒粗大化
を防止できることとを満足する条件下で焼結を行えばよ
いと考え、その条件について鋭意検討し、本発明に到達
した。

すなわち、本発明は、鉄系粉末を成形、焼結してなる粉
末冶金材料の製造において、鉄系粉末の成形体を脱ろう
後、温度１３５０〜１４５０℃、無加圧下で焼結し、温
度１３５０〜１４５０℃、圧力２　０　ｋｇ／ｃｍ２以
上の加圧ガス雰囲気中で焼結し、さらに、温度１１００
〜１３５０℃、無加圧下で焼結することを特徴とする鉄
系粉末の焼結方法である。

以下に、本発明を詳細に説明する。

本発明の対象となる鉄系粉末としては、純鉄系の鉄粉、
すなわち、主成分がＦｅで、不可避的不純物および鉄粉
製造上、必要に応じて少量添加されるＳｉ，Ｍｎ，Ａｊ
！などを含有する鉄粉と、いわゆる低合金鋼粉として知
られる、室温から１４００℃の範囲内にα＃γの変態が
ある粉末等をあげられる。

使用する粉末は、高圧水アトマイズ法、還元法、カルボ
ニル法等のいずれによって製造されたものでもよく、ま
た、それらの後に粉砕や分級を行って得た金属微粉末で
もよい。　あるいは、それらの混合粉末であってもよい
。

粉末の成形体は、公知のいかなる成形法を用いて成形さ
れたものでもよく、例えば、粉末に有機物潤滑材を添加
して行う公知の金型成形法や、有機バインダと混練して
コンパウンドとして成形を行う公知の射出成形法で成形
されたものが利用できる。　複雑形状部品の場合は、射
出成形法で成形されたものが好ましい。

ここで、粉末の成形について述べる。

粉末の成形は、潤滑剤やバインダを添加混合した後に行
われる。

金型成形の場合のバインダとしては、潤滑剤である高級
脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸エステル等があげられる
。

射出成形の場合のバインダは、熱可塑性樹脂および／ま
たはワックスを主体とするものを使用し、必要に応じて
可望剤、潤滑剤および脱脂促進剤などを添加する。

熱可塑性樹脂としては、アクリル系、ポリエチレン系、
ポリプロピレン系およびボリスチレン系等があり、ワッ
クス類としては、みつろう、木ろう、モンタンワックス
等に代表されるような天然ろう、および低分子ポリエチ
レン、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワッ
クス等に代表されるような合成ろうがあるが、これらか
ら選ばれる１ｆ！！あるいは２　ｆｆｆｌ以上を用いる
。

可望剤は、主体と成る樹脂あるいはワックスとの組合せ
によって選択するが、具体的には、フタル酸ジー２−エ
チルヘキシル（ＤＯＰ）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ）
　　フタル酸ジーｎ−ブチル（ＤＨＰ）等があげられる
。

尚、バインダの量は、後工程の成形法によって異なり、
通常の金型ブレス成形では０．５〜３，０重量％、射出
成形では１０重量％程度である。

射出成形の場合の鉄系粉末とバインダとの混合・混練に
は、バッチ式あるいは連続式のニダが使用でき、バッチ
式二−ダの中では加圧ニーダやバンバリーミキサー等が
、また、連続式二−ダの中では２軸押出し機等がそれぞ
れ有利に適合する。　そして、混練後、必要に応じてベ
レタイザーあるいは粉砕機等を使用して造粒を行い、成
形用コンバウドを得る． 射出成形は、プラスチック用射出成形機、金属粉末用射
出成形機等、通常の射出成形に用いられる射出成形機を
用いて行なえばよい。　射出圧力は、通常５００〜２０
００ａｔｍ程度である。

成形後、バインダを除去する（脱ろう）ために加熱を行
う。　このときの昇温速度は、５〜３０℃／　ｈ　ｒと
し、一般的には、６００℃まで加熱し、直ちに冷却する
。　なお、このときの昇温速度を速くしすぎると、得ら
れた成形体に割れや膨れが生じるので好ましくない。

本発明では、鉄系粉末を含む成形用コンパウンドを用い
て作られた上記鉄系粉末の成形体を例えば上記条件で脱
ろう後、以下の条件で焼結する。

一次焼結は、温度１３５０〜１４５０ｔ：、無加圧の条
件下で行う。　すなわち、高温で無加圧焼結することに
より、焼結体の空孔を閉空孔とする。

無加圧焼結の温度は１３５０〜１４５０℃であるが、１
３５０℃未満では、空孔が閉空孔にならず、その後の加
圧により、高密度化を達成できない。　一方、１４５０
ｔをこえると、結晶粒が粗大化し、強度が劣化する。

無加圧とは、常圧〜真空を指す。　また、無加圧焼結の
雰囲気は、真空、あるいは還元性または中性（不活性）
雰囲気のいずれでもよいが、Ｃ、０の低減の観点からは
、真空：囲気が好ましい。

なお、還元性７囲気を形成するガスとしては、水素ガス
、アンモニア分解（ＡＸ）ガス、炭化水素変成（ＲＸ）
ガス等があげられ、中性７囲気を形成するガスとしては
、窒素ガス、アルゴンガス等があげられる。

二次焼結は、温度１３５０〜１４５０℃、圧力２　０　
ｋｇ／ｃｍ’以上の加圧ガス雰囲気中で行う。

この工程により、閉空孔を消滅させ、高密度化を図る。

二次焼結時の温度は１３５０〜１４５０℃であるが、１
３５０℃未満では、加圧による高密度化が不十分であり
、一方、１４５０℃をこえると、結晶粒が粗大化し、強
度が低下し、この強度低下は、その後の無加圧焼結によ
っても回復できない。

また、この際の圧力は２　０　ｋｇ／ｃｍ”以上である
が、圧力が２　０　ｋｇ／ｃｍ２未満では、高温度下で
加圧焼結を行っても加圧効果が不足し、高密度化が十分
達成されない。　一方、圧力が２５０ｋｇ／ｃｍ２を越
えても、圧力上昇により得られる効果が小さく、かつ経
済的に不利となるので、圧力の上限を２　５　０　ｋｇ
／ｃｍ’とすることが望ましい。

用いるガスとしては、通常の加圧焼結に適用可能なもの
があげられ、例えば、窒素ガス、アルゴンガス等の中性
（不活性）ガスや、水素ガス、ＡＸガス、ＲＸガス等の
還元性ガスである。

本発明では、さらに、温度１１００〜 １３５０℃、無加圧下で三次焼結を行う。　この工程に
より、結晶粒度を調整し、焼結体の高強度化を図る。

三次焼結時の温度は１１００〜１３５０℃であるが、１
１００℃未満では、結晶粒度に大きな変化がなく、効果
があらわれない。　一方、１３５０℃を超えると、結晶
粒が粗大化し、焼結体の高強度化を図れない。

無加圧焼結時の雰囲気は、一次焼結の項ですでに述べた
通りであるが、三次焼結は、中性ガス雰囲気中、常圧下
で焼結を行うのが好ましい。

なお、いずれの焼結工程でも、焼結時間に制約は無いが
、本発明法の技術的効果とコストの観点から、各工程と
も１０〜２００分間程度が好ましい。

く実施例〉 以下、実施例をあげて本発明を具体的に説明する。

（実施例１） 平均粒径３４μｍ、最大粒径８７μｍであり　、　Ｃ：
０．０４　宵ｔ％、　Ｓｉ：０．０３　冑ｔ％、Ｍｎ：
Ｏ　　、　１０ｗｔ％、　Ｐ　　：　　０．０１１　　
ｗｔ％、　Ｓ　：０．００８　　ｗｔ％、Ｎｉ　　：０
．　　２３ｗｔ％、ＭＯ　：０．３３胃ｔ％を含むアト
マイズ鉄粉に、ステアリン酸亜鉛１．Ｏｗｔ％および黒
鉛粉０．５ｗｔ％を添加混合し、成形用コンパウンドと
した．コレヲ、３５Ｌ×１０ｗ×６．５Ｈの直方体の抗
折力試験片に圧縮密度６　．　　５　７　ｇ／ｃｎ’で
成形（成形圧力５　ｔ／ｃｍ’　）　Ｌ／た．脱ろうは
、ＡＸガス中で、６００℃で１００分間行ない、一次焼
結は、１　０　−’Ｔｏｒｒの真空中で、１　３００℃
、１３６０℃、１４５０℃、あるいは１４８０℃で６０
分間行なった。　また、二次焼結は、Ａｒガス、４　０
　ｋｇ／ｃｍ２の加圧雰囲気中で、一次焼結と同じ温度
条件で３０分間行ない、三次焼結は、行なう場合は、Ａ
ｒガス、常圧の７囲気中で、１２５０℃で６０分間行な
った。

このようにして得られた抗折力試験片の密度を、アルキ
メデスの方法で測定した。

また、抗折力を、３点式曲げ試験法で測定した。

焼結条件と測定結果は、第１表に示した。

第 ！ 表 ＊　１００％＝７．８４ｇ／ｃｍ’ 発明例であるＢおよびＣは、密度および抗折力が高かっ
た。　これに対し、１、２次焼結温度の低いＡ（比較例
）は、閉空孔とならなかったため、密度および抗折力の
いずれもが低く、一方、焼結温度の高いＤ（比較例）は
、密度は高いが、結晶粒が粗大化したために抗折力が低
かった。

また、３次焼結を行なわない比較例であるＥ−Ｈは、い
ずれも、結晶粒の調整がなされていないので、抗折力が
低かった。

〔実施例２〕 実施例１と同様の成形体を、実施例１と同様の条件で脱
ろうしたのち、１　０　−３Ｔｏｒｒの真空中、１３６
０℃で６０分間、一次焼結を行ない、次いで、Ａｒガス
、４　０　ｋｇ／ｃｍ２霊囲気中、１３６０℃で６０分
間、二次焼結を行った。

その後、Ａｒガス、常圧雰囲気中、１０５０℃、１１５
０℃、１２５０℃、１３５０℃、あるいは１４００℃で
６０分間、三次焼結を行ない、抗折力試験片を得た。

これらについて、実施例１と同様に密度と抗折力を測定
した。

三次焼結温度と測定結果を、第２表に示した。

第２表 ＊　１　０　０％＝７．８４ｇ／ｃｍ”発明例であるＪ
−Ｌは、いずれも高い抗折力を示した．　これに対し、
三次焼結温度の低い比較例である■は、密度はほぼ満足
のいくレベルであるが、結晶粒調整の効果が不十分のた
めに抗折力が不足し、一方、三次焼・結温度が高い比較
例であるＭは、結晶粒が粗大化し、抗折力が低かった． （実施例３〕 一次焼結までは、実施例２と同様の条件で行った。

次いで、Ａｒガス中、１０、２０，４０，１００、２３
０、あるいは３　５　０　ｋ，ｇ／ａｍ’の加圧下、１
２５０℃で６０分間の二次焼結を行い、さらに、Ａｒガ
ス、常圧の雰囲気中、１２５０℃で６０分間の三次焼結
を行なった。

これらについて、実施例１と同様に密度と抗折力を測定
した。

二次焼結圧力と測定結果を、第３表に示した。

第３表 く発明の効果〉 本発明により、高密度、高強度の鉄系粉末冶金材料の得
られる鉄系粉末の焼結方法が提供される． 本発明法は、どのような粒径の原料粉末を用いても行な
えるので、コストダウンを図れる。

また、本発明法は、工業的規模でも行ない得るので、非
常に有用である。

＊１００％＝７．８４ｇ／ａｍ’ 発明例である０〜Ｓは、いずれも高密度を示した。

これに対し、二次焼結時の雰囲気圧力の低い比較例であ
るＮは、密度および抗折力が不足した。　なお、二次焼
結時の雰囲気圧力の特に高いＳは、密度および抗折力が
高かったが、圧力上昇に伴なう密度および抗折力の上昇
効果が小さく、経済的でなかった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系粉末を成形、焼結してなる粉末冶金材料の製
   造において、鉄系粉末の成形体を脱ろう後、温度１３５
   ０〜１４５０℃、無加圧下で焼結し、温度１３５０〜１
   ４５０℃、圧力２０ｋｇ／ｃｍ＾２以上の加圧ガス雰囲
   気中で焼結し、さらに、温度１１００〜１３５０℃、無
   加圧下で焼結することを特徴とする鉄系粉末の焼結方 法。