JPS58120701A - 成形性に優れた粉末冶金用アトマイズ鋼粉の製造方法 - 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】 本発明は、粉末冶金用アトマイズ鋼粉のアトマイズ後の
熱処理条件の改善によシ成形性に優れた粉末冶金用アト
マイズ鋼粉の製造方法に関するものである。

粉末冶金用アトマイズ鋼粉は、通常溶湯金属流に高速の
液体を噴射衝突させる事により、溶湯金属を霧化飛散さ
せ粉化されたものである。その粉末を乾燥後、所望の粉
末冶金特性を得るために還元雰囲気中で熱処理し解砕後
製品とされる。このような工程で製造されるアトマイズ
銅粉は、一般に還元鉄粉にくらべ不純物が少なく、また
粒子内部に空孔な有していないため、圧縮性に優れ、高
密度を要求される焼結機械部品に多く用いられている。

しかしアトマイズ鋼粉の粒子形状は丸味をおびた多数の
粒子から構成される場合が多く、なおかつ構成粒子表面
は、一般的に滑らかである。

このためアトマイズ鋼粉は、還元鉄粉にくらべ圧粉成形
捗の粒子相互のかみ合いの程度が低く°、ラトラー値、
圧粉体抗折力などによって表わされる圧粉体の強さすな
わち成形性が劣っている。アトマイズ鋼粉の欠点である
成形性を改善する方法はいくつか考案実施されているが
、次の二つに大別できる。すなわち（１）噴霧条件の変
更による方法、（２）熱処理および解砕電性の変更によ
る方法である。

（２）の方法すなわちアトマイズ鋼粉の熱処理および解
砕による成形性向上の現状を次に述べる。

アトマイズ鋼粉の熱処理の目的は、主に次の二点である
。未熱処理の鉄鋼粉の組織は、急冷凝固組織を呈し、こ
の−１までは圧縮成形は困難である。

熱処理の目的の一つは、この組織を焼鈍、均一化し圧縮
成形が可能な銅粉とする点にある。しかし噴霧されたま
まの鉄鋼粉は、溶融金属中の不純物をそのまま含有して
いる上、噴霧時に酸化され、銅粉表面は酸化層を形成し
ている。このため単に組織の均一化を計っただけでは粉
末冶金用鋼粉として十分な特性を得られない。優れた圧
縮性を要求される場合においては、銅粉中の炭素、９索
および銅粉表面の酸化物層の除去が必要である。したが
って、熱処理のもう一つの目的は、炭素、窒素、酸素な
どの不純物を低減し、粉末冶金用鋼粉として満足できる
特性を得る点にある。現在一般にこれら二点の目的を満
足し、かつ迅速に反応を進行させるため、高水素量かつ
比較的低露点の還元性雰囲気中で８５０〜９５０Ｃの範
囲の温度において３０〜９０分の熱処理が行なわれてい
る。上記のような一般的な熱処理条件に対し、銅粉の成
形性向上を目的にいくつかの熱処理条件が考案されてい
る。例えば、特開昭５４−１１４４６７号に記載のごと
く還元雰囲気内での高温長時間熱処理により鋼粉粒子を
相互に焼結させた上、このケーキ状銅粉凝集体を比較的
軽く解砕を行なうことにより、凝集粒子を残存させ、複
雑形状の銅粉となし、成形性を向上させる方法である。

この方法は、鋼粉粒子相互の焼結によるため、凝集粒子
の不規則度は大きいが、還元雰囲気中の高温熱処理によ
り粒子表面の凹凸が消滅するため個々の粒子の不規則度
は低下する。また粒子の凝集を進めるため焼結を強固に
行った場合凝集鋼粉表面は粉砕機により研磨あるいは切
断され、平滑なものとなる。このような解砕による平滑
化を回避するために、軽く解砕した場合、鋼粉の粒度分
布は粗粉側に移行し、粉末冶金用鋼粉として、微粉量の
低下による焼結性の劣化などの悪影響が現われる。この
ような相反する現象を同時に成立させることは困難であ
り、熱処理による粒子の焼結、凝集による成形性向上は
わずかじか望めない。

本発明は上記欠点を除き成形性に優れた粉末冶金用アト
マイズ鋼粉の製造方法、すなわちアトマイズ鋼粉本来の
粒形が損なわれることのない雰囲気熱処理を行うことに
よって焼結性の低下などの欠点を持たない、成形性の優
れたアトマイズ銅粉の製造方法を提供することを目的と
し、特許請求の範囲記載の方法を提供することによって
前記目的を達成することが出来る。

本発明の特徴は従来の方法に比べて未熱処理のアトマイ
ズ鋼粉の熱処理において雰囲気の還元性を弱くすること
にある。従来熱処理雰囲気を弱還元性および中性雰囲気
とし焼結を回避する方法につ−ては、特公昭４６−３９
４６２号あるいは特公昭４ｇ−３４５０９号に記載され
ている。しかしこれらの発明の目的は高密度鉄粉製造に
あり、本発明は銅粉球状化および表面の平滑化の回避を
目的とし、上記公報記載の発明の目的とは全く異なり、
さらに効果の点も異なる。例えば特公昭４６−３９４６
２号では還元を完全ならしめるため好適には８９９〜９
８２Ｃで、一般に１〜２時間の熱処理な施こす事が記載
されて−る。このような温度において還元を終了させる
と鋼粉粒子の球状化、平滑化は進行し、高圧縮性および
易解砕性は得られるが、本発明の目的である優れた成形
性を得る事は出来ない。

また特公昭４ｇ−３４５０９号は、２回の熱処理によつ
て鋼粉粒子の焼結を回避し、粉砕性の向上および再結晶
軟化を有効に行なう熱処理法を提供している。しかし還
元性雰囲気において７００〜９００Ｃの再熱処理を行な
った場合、焼結による粉砕性は向上するが、鋼粉の球状
化、平滑化が進行するため、圧縮性は向上するが成形性
は一般的な熱処理によるアトマイズ鋼粉に見られると同
等に低下する。すなわち上記発明が弱還元性あるいは中
性雰囲気中で熱処理を行ない焼結を回避したにもかかわ
らず本発明の様な優れた成形性を得ることのできない理
由は、前記公報記載の発明の目的が成形性を良くするた
めではなく圧縮性の向上にあるために、高温において還
元を終了させ、銅粉の球状化および表面の平滑化を許容
している点くある。

これに対し本発明は高温における還元を抑制することに
より、鋼粉の球状化および表面の平滑化を回避し、優れ
た成形性を得るものである。

次に本発明において、それぞれの処理条件を限定する理
由を説明する。

吹き込みガスの還元性は下記反応式（１）％式％（１） の熱力学的平衡のＰＨ，／ＰＨ，Ｏを０．　Ｋｕｂａｓ
ｃｈｅｗｓｋｉらの標準自白エネルギー変化より算出し
、この平衡ＰＨ！／　ＰＨ，Ｏの１〜１０倍のＰＨ，／
ＰＨ，０である組成の範囲とする。ＰＨ，／　Ｐ）［，
０が平衡値の１倍より小さい場合、すなわち酸化性雰囲
気のガスを炉内に吹き込んだ場合鉄鋼粉粒子は酸化され
酸化層による粒子相互の焼結が起り好ましくない。一方
酸化による銅粉酸素量の増加は後に低温における還元が
困難となり、粉末冶金特性を劣化させ好ましくない。よ
って吹込ガスは還元性すなわちＰａ、／Ｐ）１．０を平
衡値の１倍以上とする。一方ＰＨ，／　ＰＨ！ｏが１０
倍を超える場合、すなわち還元性の強い場合では銅粉表
面は（１）式の反応により活性化される。この活性化さ
れた表面は、表面張力の低い方向すなわち銅粉表面を平
滑化し、粒子を球状化する方向に表面鉄原子の拡散が進
行する。また還元雰囲気中において還元が終了した場合
、鋼粉表面は単−相となり、鉄原子の拡散が阻害される
ことなく進行し、さらに粒表面の平滑化、球状化が進行
する。

このような銅粉表面の平滑化、球状化の進行は、圧粉体
の成形性を劣化させるものである。すなわち高温におけ
る還元反応によシ鋼粉の成形性は劣化するのでＰＨ２／
Ｐｇ２ｏを１〜１０倍の範囲とする必要がある。

次に吹き込みガス中の水素量を５　ｖｏｔ％以上とした
理由を説明する。５　ｖｏＬ％より水素量が低い場合、
原料鋼粉の湿分の変動などにより炉内の露点が安定せず
、炉内のＰｇ、／Ｐｋｉ、ｏの値は大きく変動し、銅粉
の安定した製造が困難となる。また本発明はガスの不活
性成分を特に限定しないが、例えば窒素を用いた場合、
水素量が５　ｖｏＬ％以下では雰囲気中の窒素が銅粉中
に浸入し銅粉の圧縮性を劣化させるなど好ましくない現
象が起る。これらの点を考慮し水素量を５　ｖｏＬ　４
以上とする必要がある。また吹き込みがス中の水素以外
の活性ガスすなわちＣＯ＊　ｃｏ２．　ＮＨａなどのガ
スは活性ガスの２％以下であることが望まし一０ 次に本発明に用いるアトマイズ鋼粉の炭素量なＱ、３ｗ
ｔ％以下、酸素量を１．０ｗｔ％以下とする理由を説明
する。炭素量をＱ、３Ｗｔ１％を超えて含有している銅
粉は、たとえ本発明の弱還元性雰囲気内で熱処理を行な
っても、下記の反応式（２）が活発に起ＦｅＯ＋　Ｃ−
＋Ｆｅ　十Ｃｏ　　−（２）こり、還元雰囲気内での熱
処理と同様に銅粉の平滑化、球状化が進行し、本発明の
目的である優れた成形性を得ることは困難である。炭素
量が０．３ｗｔ％以下の場合は、反応量がわずかであり
、平滑化の程度も少ない。よって銅粉の炭素量は９．３
ｗｔ％をもって最大とする必要がある。銅粉の酸素量が
１．９ｗｔ％を超える場合、高温における還元を避ける
本発明の方法を用いると、必然的に残留酸素量が多く、
圧縮性などの粉末冶金特性が劣化するため好ましくない
。

次に熱処理温度の限定理由を説明する。

最低熱処理温度を７５００とした理由は、この温度未満
であれば反応速度が遅いため、短時間の熱処理の場合、
本発明を用いる必要がない。また、７５０Ｃ未満では、
銅粉の熱処理の目的の一つである組織の均一化が困難で
ある。また、最高温度を１０００　ｔ：”とした理由は
、これより高温で熱処理した場合、本発明の雰囲気中で
熱処理を行なっても粒子の平滑化、球状化は避けられず
本発明の効果が十分でない。すなわち銅粉の焼鈍を十分
に行ない、かつ本発明の弱還元性雰囲気（よって高成形
性を得ることのできる温度範囲として７５０〜ｉ　ｏｏ
。

ＣＫする必要がある。

７５０〜１０００　Ｃの範囲内の熱処理時間を９０分以
内とした理由は、前記本発明による雰囲気を用いても、
９０分を超える長時間の熱処理を行なった場合、銅粉の
平滑化、球状化が徐々て進行し、優れた成形性を有する
銅粉の製造は困難となる。

次に特許請求の範囲第２項記載の発明において処理条件
を限定する理由を説明する。Ｈ２量５Ｑｖｏｔチ以上、
露点２０Ｃ以下とした理由は、雰囲気の還元性を強くし
、酸素量の低減を短時間に行なうためのものである。ま
たＮ２量が５０ｖｏｔ％未満の場合、Ｎ２分圧が低いた
め脱Ｎが遅れ、圧縮性の改善が少ないので好ましくない
。

又、温度範囲を５００〜７００Ｃとした理由を説明する
。ｓｏｏ　ｃ未満では還元はほとんど進行せず再熱処理
の効果がみとめられない。一方７００　ｔ：’を超える
場合、先に述べたように銅粉の平滑化、球状化が進行し
銅粉の成形性は通常の熱処理を行なった銅粉と同等まで
低下し本発明の効果が得られない。５００〜７００Ｃの
温度範囲内において還元は徐徐に進行する。また脱炭お
よび脱窒は比較的低温においてＬ万円速度が大きいため
上記温度において十分に炭素、窒素を低減させることが
可能である。

また拡散による平滑化、球状化は温度に強く依存するが
、このような温度範囲においては成形性の劣化はわずか
である。よって５００〜７００　Ｃの再熱処理によれば
成形性を劣化させろことなく圧縮性を向上させることを
新規に知見したのである。

次に本発明を実施例について説明する。

実施例１ 特公昭５２−１９５４０号に準じて作製した表１の組成
の未熱処理のアトマイズ鋼粉を９５０　Ｇ　、　　４５
分間の熱処理（第１図参照）を行なった。なお雰囲気は
Ｎ２とＮ２の混合ガスとし、加湿器を用いて露点の調整
を行なった。熱処理によってケーキ状となったアトマイ
ズ鋼粉をハンマーミル（２，８００ｒｐｒｎ）を用いて
解砕した。解砕後の銅粉をタイラー篩で８０参以下に篩
分けて前記篩いした粉を粉体、圧粉体、焼結体の各特性
の測定に用いた。銅粉の粉体特性はＪＩＳ試験法に準拠
して行なった。

表２にその測定結果を示す。同表中の見掛密度は、Ｈｚ
ｉの低いほど小さφ値を示し、Ｎ２量の低い還元性の弱
い雰囲気はど見掛密度の低く従って複雑形状の銅粉を製
造出来た事が明らかである。

粒度分布はタイツ−１ｉＫよって測定し、これより平均
粒径を算出し！２図に示した。平均粒径は酸化性雰囲気
でも還元性雰囲気でも増大し、銅粉相互の＃ｆ：結が見
られる。ところが、平衡値付近のＮ２量において平均粒
径が最も小さく熱処理中の反応を抑制することにより、
銅粉相互の焼結を避けられることが判る。したがって銅
粉相互の焼結と同時に進行すると考えられる銅粉の平滑
化、球状化は雰囲気の還元性を低下させることにより回
避することができる。次にこの鋼粉Ｋ　１　ｗｔ％の潤
滑剤（ステアリン酸亜鉛）を加えＶ型混合機で１５分間
混合ＬＪ工Ｓ粉末冶金標準に準拠し圧粉密度、ラトラー
値、圧粉体抗折力について測定した。ラトラー値は第３
図に示したごと＜　ＰＨ，／ＰＨ，Ｏが小さく、すなわ
ち平衡値に近い雰囲気で低い値を示した。また図中Ｏ印
で示した一般的な雰囲気での熱処理では、本発明による
場合に比べ大きな値を示しだ。これは弱還元性熱処理に
よって銅粉の平滑化、球状化を抑えた結果、成形時に銅
粉相互の接着が良好になされたものと考えられる。９５
０Ｃにおける（１）式の平衡ＰＨ！／　ＰＨ，ＯはＯ，
Ｋｕｂａｓｃｈｅｗａｋｉその他の標準自由エネルギー
より算出すると、約１．８であり、特許請求の範囲であ
る平衡値の１〜１０倍の範囲内にある。なお特許請求の
範囲によるＰＨ２／　ＰＲ，Ｏ値を第３図に示す。第４
図に圧粉体抗折力を示した。ラトラー値同様弱還元性雰
囲気熱処理で通常の雰囲気の熱処理に比べ１．８倍程度
の高圧粉体強度を得た。第４図に９５０　ｔｌ’におけ
る特許請求の範囲によるＰＨ，／　ＰＨ，ｏ値範囲を示
した。

第３図および第４図より明らかなようにＰＨｚ／ＰＨ，
０の平衡値の１０倍以上の還元性雰囲気では高成形性を
得ることは困難である。すなわち本発明によれば、第１
図の実施例１の熱処理によって優れた成形性を得ること
がで、きた。しかし実施例１の熱処理では、弱還元性の
雰囲気のために当然のごとく残留酸素量が多く、銅粉の
圧縮性は劣る。

つまり成形性の良い銅粉は圧縮性が劣るという第５図の
実施例１および比較例１０曲線に示す関係がみとめられ
る。そこで熱処理パターンを改善し、成形性、圧縮性の
両特性が優れる銅粉の製造を実施例２に示す。

実施例２ 実施例１と同一の銅粉を第２図比較例２、実施例２のａ
、ｂ、ｃの熱処理パターンを用いてそれぞれ熱処理を施
した。これらの熱処理パターンは実施例１の熱処理後に
低温還元および脱窒、脱炭工程を加えたパターンである
。熱処理後の銅粉について実施例１と同様に解砕、篩分
は後、粉体、圧粉体特性の測定を行なった。これらの結
果を第５図に比較例２および実施例２　ａ、ｂ、ｃとし
て示した。比較例２すなわち７５０Ｃで再熱処理した銅
粉は再熱処理前にくらべ圧縮性は大きく向上したが成形
性は通常の還元雰囲気で熱処理した銅粉と同等まで低下
し本発明の効果が消失した。しかし第１図の実施例２　
ａ、ｂ、ｃに示す６００Ｃで再熱処理を施した鋼粉にあ
りては成形性の若干の劣化な生じだが圧縮性を改善する
事ができた。

以上実施例からもわかるように本発明によれば成形性に
優れた粉末冶金用アトマイズ鋼粉を製造する事が出来る
。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱処理パターンを示す図、第２図は平均粒径と
Ｈ２量（ｖｏｔ％）との関係を示す図、第３図はラトラ
ー値（ｑｂ）とＰａ、／　Ｐａ２ｏとの関係を示す図、
第４図は圧粉体抗折力（Ｋｙ／ｃｓｌ）とＰＨ，／Ｐ）
Ｉ、。 との関係を示す図、第５図は成形性（ラトラー値係）と
圧縮性（圧粉密度ｔ／ＣＩ！ｒ３）との関係を示す図で
ある。 特許出願人　川崎製鉄株式会社 代理人弁理士　　村　　１）　　政　　治第２図 Ｈρｉ（ｗｔ’／、） 第４図 Ｐ？１２／ＰＨ２０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ　炭素Ｑ、３ｗｔ％以下、酸素１．０ｗｔ％以下の含
   有量の未熱処理の粉末冶金用アトマイズ鋼粉を、下記反
   応式の熱力学的平衡のＰＨ，／ＰＥ［、Ｏの値の１〜１
   ０倍の範囲で、かつ水素量が５　ｖｏｔｒ４）以上であ
   り活性ガスの９５ｙｏｔ％以上が水素よりなるガスを吹
   き込みつつ、７５０〜１０００　Ｃの範囲内の温度で９
   ０分以下の熱処理を施し、高温における還元反応を抑制
   することを特徴とする成形性に優れた、粉末冶金用アト
   マイズ鋼粉の製造方法。 ＦｅＯ＋　Ｈ２→Ｆｅ、＋　Ｈ２Ｏ− ユ　炭素Ｑ、３ｗｔ％以下、酸素１．９ｗｔ％以下の含
   有量の未熟処理の粉末冶金用アトマイズ鋼粉を、下記反
   応式の熱力学的平衡のＰＨ２／ＰＨ２Ｏの値の１〜１０
   倍の範囲で、かつ水素量が５ｖｏｔ％以上であり活性が
   スの９５ｖｏｔ％以上が水素よりなるガスな吹き込みつ
   つ、７５０〜１０００　Ｃの範囲の温度で９０分以下の
   熱処理を施し高温における還元反応を抑制してなる被熱
   処理物を、前記熱処理にひきつづきあるいは解砕後に、
   水素量５０ｖｏＡ％以上、露点２０Ｃ以下のガスを吹き
   込みつつ５００〜７００Ｃの範囲内の温度で熱処理を施
   すことを特徴とする成形性および圧縮性に優れる粉末冶
   金用鋼粉の製造方法つＦｅＯ＋　Ｈ２→Ｆｅ　＋　Ｈ２
   Ｃ