JPH0257615A - 鉄系粉末の高密度焼結方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、微粉末を用いた鉄系焼結材料の製造に関し、
高密度の焼結体の製造方法に関するものである。

〈従来技術とその問題点〉 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、小止りよく、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
して極めて重要な焼結密度は通常真密度の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の平均粒径な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。　密度比としては、９０〜９５％（Ｆｅ
の場合、密度７．０７〜７．４７ｇ／ｃｍ３）より上が
望まれ、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とがある
。　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前記の射出成形法の導
入により解決した）、後者にはＨＩ　Ｐ　（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１１５８６１００８５３　、日本公表特
許昭和６３−５００８７４）は工業的な価値が高い。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は、鉄系粉末の焼結方法において特殊な焼結パタ
ーンによって、従来法よりも格段に緻密化を向上させ９
５％以上の密度を達成する焼結材が得られる焼結方法を
提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明者らは鉄系焼結材料の高密度化に及ぼす焼成条件
の影響に関して鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成さ
せるに至ったのである。

すなわち、本発明の第１の態様は、鉄系粉末の焼結方法
において、平均粒径３〜２５μｍの鉄系粉末を成形した
のち、１１００〜１４００℃で焼結し、いったん９００
℃以下に冷却シテから、再び１１００〜１４００℃で焼
結することを特徴とする鉄系粉末の高密度焼結方法を提
供する。

また、本発明の第２の態様は、鉄系粉末の焼結方法にお
いて、平均粒径３〜２５μｍの鉄系粉末を成形したのち
、１１００〜１４００℃で焼結し、いったん９００℃以
下に冷却してから、再び１１００〜１４００℃で焼結し
、つぎに圧力３０〜２５０気圧の加圧ガス中で焼結する
ことを特徴とする鉄系粉末の高密度焼結方法を提供する
。

以下に、本発明の詳細な説明する。

本発明に用いる原料の鉄系粉末としては、レーザ散乱法
を利用したマイクロトラック粒度分析計（ＬＥＥＤＳ　
＆　Ｎ０ＲＴＨＲｔｌＰ　ＣＯＭＰＡＮＹ製）により測
定した平均粒径が３〜２５μｍであることが必須である
。　　２５μｍをこえると、本発明の方法を用いても密
度比９５％以上の高密度を得ることはむずかしい。　３
μｍ未満であれば、この方法を用いずとも９５％以上の
高密度化が可能なので、あえて本願の範囲から外したが
、もちろん、３μｍ未満の粉末に対して本願の焼結方法
を適用して、更に高密度化をはかることもできる。

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必要に応じて鉄粉製造上
少量添加するＳｉ。

Ｍｎ、Ａ４２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の変態がある粉末を対象とする。

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、粉砕および分級によって製造される金属微粉末
およびそれらの混合粉末が使用できる。

粉末の成形は、公知のいかなる成形法を用いてもよく、
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が利用できる。　複雑形状部
品の場合は、射出成形法が好ましい。

粉末の成形は、結合剤を添加混合した後に成形を行う。

　金型成形の場合の潤滑剤としては、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
の場合の結合剤は、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、必要に応じて可塑剤、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ポリスチレン系等があり、ワッ
クス類どしては、密ろう、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！Ｉ！あるいは２種以上を用いる。

可塑剤は、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−ｎ−ブチル（ＤＨＰ）等があげられる。

尚、結合剤の量は、後工程の成形法によって異なり、通
常の金型プレス成形では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粉末とバインダとの混合・混錬には
、バッチ式あるいは、連続式のニーダが使用でき、バッ
チ式ニーダの中では加圧ニーダやバンバリーミキサ−等
が、また、連続式ニーダの中では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、必要に応して
ペレタイザーあるいは粉砕機等を使用して造粒を行い、
成形用コンパウドを得る。

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
用いて行なえはよい。　射出圧力は、通常５００〜２０
００ａｔｍ程度である。

成形後、結合剤を除去するために加熱を行う。　このと
きの昇温速度は、５〜ｂ とし、−数的には、６００℃まで加熱し、直ちに冷却す
る。　なお、この時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わが生じるので好ましくない。

第１段階の焼結温度は１１００〜１４００℃とする。　
第１段階の焼結は無加圧下で行い、真空中で行うことも
きわめて好ましい。　焼結温度が１１００℃未満では鉄
系粉末中のＦｅ原子のγ域における拡散が遅く、緻密化
が期待できない。　一方、１４００℃をこえても、本焼
結法の効果はそれ以上には発揮できず、焼結コストもか
さむから、これを上限温度とする。

１１００〜１４００℃での焼結時間は、０．５〜２時間
が好ましい。

次に、焼結体をいったん９００℃以下に冷却し、γ→α
変態をひきおこさせる。　これにより、鉄系粉末の粒径
範囲に呼応して、粒子結合部の結晶粒界が結合部から移
動し、次に加熱焼結した時に、緻密化がより促進する傾
向があり、この現象を利用して焼結材の焼結密度をあげ
る点が本発明の最大ポイントである。

９００℃以下の冷却は、好ましくは７００℃以下、より
好ましくは室温まで冷却する。

冷却は、第１段階の焼結ののち、焼結体を炉外にとり出
しても良いし、同一炉内で９００℃以下に降温し、再び
昇温しで第２段階の焼結を続けてもよい。

第２段階の焼結は、γ−α変態により結晶粒界がｆｊ動
し、粒界拡散経路が緻密化して有利に働くよう整った段
階で、再び１１００〜１４００℃で焼結し、γ域て焼結
するものである。　第２段階の焼結によりα−γ変態が
おこり、もう−度結晶粒界が移動するが、こわは第１段
階焼結時のγ域での結晶粒界位置とは異なり、緻密化に
有利な配置となる。

また、粒界移動によって空孔が閉空孔となり、次の加圧
焼結段階で空孔が消滅しやすくなる。　第２段階の焼結
温度の限定理由は、焼結材の緻密化のために１１００℃
以上の温度が必要であり、１４００℃をこえても、それ
以上の大幅な効果は認められないのでこの範囲とする。

通常の１回焼結法では、焼結温度とともに密度が上昇す
るものの、１３００ｔをこえて初めて密度が９０％以上
となる。　一方、末法の第１段階の焼結と第２段階の焼
結との間に一旦冷却工程をとる２回焼結法によれば、１
　’１００　ｔ：以上で密度比９０％以上の密度となり
、緻密化向上の効果がきわめて大きい。　た　だ　し１
４００℃をこえても、それ以上の効果はみられない。

第２段階の焼結時間は好ましくは０．５〜２時間とする
。

より高密度化を目的とする場合は、本発明の第２の態様
で示すように、このあと、さらに好ましくは同一温度（
１１００〜１４００℃）範囲で３０〜２５０気圧の加圧
ガス中で加圧焼結する。　この加圧工程の前の２段階の
焼結で、空孔が閉空孔となるので、この工程で適用され
るガス圧が空孔消滅に有利に作用し、さらに緻密化がお
こる。　圧力は、３０気圧未満では緻密化にとって不十
分である。　一方、２５０気圧をこえてもそれ以上の効
果はみられない。

これにより、通常の焼結や、焼結と加圧焼結の組合せよ
りも、格段に密度が向上する。

〈実施例〉 以下、実施例により本発明を具体的に説明す。

る。

（実施例１） 表１に示す成分組成を有する平均粒径１１μｍの粉末冶
金用水アトマイズ鉄粉に、平均粒径１３μｍの黒鉛粉を
０．３％添加したものに４重量％の熱可塑性樹脂（ポリ
エチレン）と８重量％のワックス（パラフィンワックス
）を加え、加圧ニーダ混練し、造粒機により造粒して、
成形用のフンパウンドを作成した。　そのコンパウンド
を用い、金属粉末用射出成形機により、４０Ｘ１０Ｘ５
ｍｍの試片を成形した。

その成形体をＮ２ガス中で６００ｔまで５℃／　ｍ　ｉ
　ｎ昇温速度で加熱し、脱脂したのち、直ちに冷却した
。

その後、Ｎ２ガス中で１０５０．１１５０．１２５０．
１３５０．１４５０℃×１００ｍ１ｎの条件下で、第１
段階の焼結を行なった。

上記第１段階焼結後、室温迄冷却したのち、第１段階焼
結と同じ温度でＨ２ガス中１００ｍ１ｎの′ｆＳ２段階
の焼結を施した。

表２に本焼結方法で得られた最終焼結体の焼結密度と焼
結密度比を示す。

なお、表２に比較例として同一温度で２００ｍ１ｎ間保
持の条件下で行なった通常の１回焼結法の結果を併記し
た。

表２から明らかなように、本発明の焼結方法により焼結
密度比に優れた鉄系焼結体を得ることがてきる。

また、本結果から焼結密度比９０％以上を得るには第１
段階焼結後度、第１段階焼結温度が１１００℃以上が必
要であること、および１４００℃をこえても温度上昇に
よる密度比の向上が得られないことがわかる。

表　　１　原料粉末の化学組成（重量％）表 （実施例２） 平均粒径３１μ°ｍの水アトマイズ鉄粉を空気分級によ
り粗粒をカットして平均粒径の異なる供試粉（表３）を
得た。

木供試粉を実施例１と同一条件で成形し、脱脂した。

Ｈ２ガス中１３５０℃Ｘ１００ｍ１ｎの第１段階の焼結
を行った。　第１段階の焼結後、室温まで冷却したのち
、第１段階の焼結と同一条件で第２段階の焼結を施した
。

表４に本焼結方法で得られた最終焼結体の焼結密度と焼
結密度比を示す。

本結果から焼結密度比９０％以上を得るには、原料粉末
の平均粒径は２５μｍ以下が必要であること、および３
μｍ未満としても粒径低下による密度比の向上は小であ
ることが示される。

表 平　　均 粒径 （μｓ） ｔ ｎ （％） ０．０８ ０．０７ ０．０８ ０．０６ ０．０７ ０．１０ ０．０９ ０．０９ ０．０９ ０．０９ ０．３５ ０．３３ ０．３３ ０．３２ ０．３１ ０．００９ ０．００９ ０．００９ ０．００９ ０．００９ 表 ０．０１０ ｏ、ｏｔ。

Ｏ，０１０ ０，０１０ ０，０１０ ０，４１ Ｏ１３６ ０，２６ ０，２０ ０，１７ （実施例３） 実施例１と同じ表１の成分組成を有する平均粒径１１μ
ｍの粉末冶金用水アトマイズ鉄粉に、平均粒径１３μｍ
の黒鉛粉を０．３％添加したものに、４重量％の熱可塑
性樹脂（ポリエチレン）と８重量％のワックス（パラフ
ィンワックス）を加え、加圧ニーダ混練し、造粒機によ
り造粒して、成形用のコンパウンドを作成した。　その
コンパウンドを用い、金属粉末用射出成形機により、４
０Ｘ１０ｘ５ｍｍの試片を成形した。　その成形体をＮ
２ガス中で６００℃まで５℃／　ｍ　ｉ　ｎ昇温速度で
加熱し、脱脂したのち、直ちに冷却した。

その後、Ｎ２ガス中で１０５０．１１５ｏ、１２５０．
１３５０，１４５０″Ｃｘ１ｏ。

ｍｉｎの条件下での第１段階の焼結を行なった。

上記第１段階焼結後、室温迄冷却したのち、第１段階焼
結と同じ温度で１０−”Ｔｏｒｒの真空中で３０ｍ１ｎ
のＳ２段階の焼結を施した。

第２段階焼結後２０ｍ１ｎかけてＡｒガスを導入し、９
７気圧とし、３０ｍｆｎ保持した。

表５に本焼結方法で得られた最終焼結体の焼結密度と焼
結密度比を示す。

なお、表５に比較例として第１段階の焼結、室温迄冷却
したのち、第２段階焼結の焼結を行なわずに上記加圧焼
結を８０分間実施した結果を併記した。

表５から明らかなように、本発明の焼結方法により焼結
密度比に優れた鉄系焼結体を得ることができる。

表 （比較例１６．１７） 実施例１と同一条件で得た脱脂処理後の試料を１Ｏ−３
Ｔｏｒｒの真空中で１２５０℃×＋３０ｍ１ｎの条件下
での焼結を行なった。

上記焼結後２０ｍ１ｎかけてＡｒガスを導入９７気圧と
し、１５ｍ１ｎまたは６０ｍ１　ｎ保持した。（第１段
階の焼結、室温迄冷却は行なわなかった。

表６に本焼結方法で得られた最終焼結体の焼結密度と焼
結密度比を示す。

本発明８〜比較例１６．１７の最終焼結密度比の比較か
ら、本発明の焼結方法は従来の焼結と加圧焼結の組み合
わせよりも格段に密度が向上することが示される。

表　　　　６ （実施例４） 実施例１と同一条件で得た脱脂処理後の試料を１気圧の
Ｈ２τ囲気中で１３００℃Ｘ２００ｍ１ｎの条件下での
第１段階の焼結を行なった。

上記第１段階の焼結後、室温迄冷却したのち、第１段階
の焼結と同じ温度で１０−’Ｔｏｒｒの真空中で６０ｍ
１ｎの第２段階焼結を施した。

第２段階焼結後２．０ｍ１ｎかけてＡｒガスを導入し１
３００℃下加圧焼結の圧力を種々の水準に変えて加圧焼
結を６０ｍ１ｎを行なった。

表７に本焼結方法で得られた最終焼結体の焼結密度と焼
結密度比を示す。

本結果から、焼結密度比９５％以上を得るには、３０気
圧以上必要であること、および２５０気圧を越えると圧
力上昇による密度比の向上は小であることが示される。

（実施例５） 実施例２の表３に示される供試粉を実施例１と同一条件
で、成形、脱脂した試料を得た。

ついでこの試料を実施例４と同一条件で、但し加圧焼結
圧力は９５気圧下で焼結を行なった。

表８に本焼結方法で得られた最終焼結体の焼結密度と焼
結密度比を示す。

本結果から焼結密度比９５％以上を得るには、原料粉末
の平均粒径は２５μｍ以下が必要であること、および３
μｍ未満としても粒径低下による密度比の向上は小であ
ることが示される。

〈発明の効果〉 本発明の製造方法は、微粉末を用いた鉄系焼結材料の製
造工程において、γ−αへの変態を生ぜしめる冷却過程
を含む焼結工程を行うので、従来の焼結法または従来の
焼結法と加圧焼結法との組合わせ焼結法より、高密度の
鉄系焼結材料をより経済的に製造することができる。

同

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系粉末の焼結方法において、平均粒径３〜２５
   μｍの鉄系粉末を成形したのち、１１００〜１４００℃
   で焼結し、いったん ９００℃以下に冷却してから、再び１１００〜１４００
   ℃で焼結することを特徴とする鉄系粉末の高密度焼結方
   法。
2. （２）鉄系粉末の焼結方法において、平均粒径３〜２５
   μｍの鉄系粉末を成形したのち、１１００〜１４００℃
   で焼結し、いつたん ９００℃以下に冷却してから、再び１１００〜１４００
   ℃で焼結し、つぎに圧力３０〜２５０気圧の加圧ガス中
   で焼結することを特徴とする鉄系粉末の高密度焼結方法
   。