JPS6123702A - 鉄系部品製造用粉末冶金原料粉 - 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〉 この発明は、焼結性と圧縮性が特に優れた鉄系部品製造
用粉末冶金原料粉に係り、特に機械部品の製造に適用す
るに好適な鉄系焼結部品製造用原料粉末に関するもので
ある。

〈従来の技術〉 近年、金属及び合金粉末の製造技術や、これらを使用す
る粉末冶金技術の進歩・発展には目を見張るものがあり
、これにともなって粉末冶金製品は様々な分野に広く進
出するようになってきた。

しかしながら、粉末冶金技術によって製造される焼結部
品は、一般的に内部に空隙が多く残っていて密度が低く
、従って溶製材から作成した部品よりも機械的強度が低
いと言う問題点を有しており、特に鉄系の焼結機械部品
ではその傾向が極めて著しかった。

このようなことから、これまで、焼結材料の適用は強度
をそれほど必要としない中強度部品に限られる傾向にあ
ったが、一段と激しさを増してきた最近の粉末冶金技術
の開発競争を背景として、例えば自動車用トランスミッ
ション、エンジン部品及びステアリング部品等、引張り
強度が１００〜１２０　Ｋｔｉ　ｆ　／ｍ４程度にも達
する高強度鉄系焼結部品に対する要望が日増しに高まっ
てきている。

しかし、鉄系焼結部品製造のために従来から採用されて
いた混合法（プレミックス法二鉄系焼結材では純鉄粉を
主原料とする）ではこハ、らの要請に十分に応えること
が難しいことから、浸炭性や焼入れ性等の所謂゛熱処理
特性″”に優れる合金鋼粉（プレアロイ粉）の使用が望
まれるようになり、例えばＭｎ　、Ｃｒ　、Ｍｏ　、　
Ｖ　、　Ｂ　、Ｎｉ　、Ｃｕ　、Ｃｏ　、Ｎｂ等の合金
元素を添加した合金鋼粉が粉末冶金原料として注目を浴
びるようになってきた。

ところが、プレアロイ粉は、予め合金化されているが故
に粉末粒子の硬度が純金属粉より高くなっており、その
ため圧縮性が十分に満足できる値を示さないと言う問題
点を有していた。従って、プレアロイ粉で圧粉成型体を
作成した場合には密度−や機械的強度が所望値に達せず
、結局、焼成して得られる焼結体の密度や機械的強度も
思うように向上しなかったのである。

そこで、プレアロイ粉粒子自体が硬くなり過ぎないよう
、その化学成分組成に工夫を凝らして圧縮性の改善を図
ったり（特開昭５５−６２１．０１号公報）、或いは、
一部高級粉末に対しては焼結助剤として超微粉末Ｃ粒径
０．１μ以下）を添加することで焼結性を向上さセ、焼
結体の緻密化を促進すると言う試みがなされたりするよ
うになってきた（「工業材料Ｊ、！３１巻、第７号、第
５０〜５４頁）。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、プレアロイ粉粒子の化学成分組成を工夫
した鋼粉（例えば、上記特開昭５５−６２１０１号公報
に記載されたもの）では、得られる圧粉体の密度が精々
６．６〜６．８　ｆ／ｃＴＩ程度にしかならず（５ｔ／
ｃｒｌ成型下で）、高強度焼結機械部品の製造に必要な
６．８　ｆ　／　ｃｒｄを越える値の実現は困難であり
、一方、超微粉末な焼結助材として添加した粉末では超
微粉末自体のコストが極めて高く、従ってコスト面から
鉄系焼結機械部品への適用かははかれるものであり、い
ずれも、焼結機械部品製造用鉄系原料粉末として十分に
満足できるものではなかった。

く問題点を解決するための手段〉 さて、これまで述べてきたように、焼結機械部品製造用
鉄系原料粉末には、 ■　主体粉末がプレアロイ粉が望ましいこと、■　圧縮
性（圧粉体密度で評価される）に優れること、 ■　焼結性（焼結による緻密化の度合で評価される）に
優れること、 ■　低コストであること、 の４点を同時に満足するものが必要とされている。

そこで、本発明者等はこのような観点から、高強度が必
要である機械部品の製造に適用して好適な、焼結性と圧
縮性がともに優れた鉄系部品製造用粉末冶金原料粉を提
供すべく、特に、焼結性に大きな影響を与えると考えら
れる粉末の粒度に着目して研究を行ったところ、以下（
ａｌ〜ｆｃ）に示される如き知見を得たのである。

（ａ）、　　一般に、微細粉は焼結性に優れてはいるが
粉体のかさ密度が小さく、また圧粉体密度も小さい。従
って、微細粉のみで圧粉成型し焼結した場合には、焼結
体密度は優れるが焼結中の寸法変化率が余りに犬ぎ過ぎ
るため、焼結機械部品としての適用は困難であること。

第１図は、粉末冶金原料粉の粒子径と圧粉体密度、焼結
体密度並びに寸法変化率との関係を示すグラフであるが
、この第１図からも、通常は数％以内でなければならな
い寸法変化率が、粉末粒子径の減少につれて著しく大き
くなって行くことがわかる。

（ｂｌ　　このように、微細粉のみでは圧粉体密度の低
下を避けることはできないが、より粗大な粉末を該微細
粉に混合すると、それにつれて圧粉体密度が次第に向上
して行き、その粒度構成が特定の範囲に調整されると、
前記微細粉の有する良好な焼結性が生かされつつも圧粉
体密度の大幅な向上がもたらされ、鉄系焼結部品製造用
として好適な粉末冶金原料粉が得られること。

（Ｃ）単独で使用した場合には、前記微細粉は微小であ
るほど焼結性が良好であるが、より粗大な粉末と混合し
て使用した場合には必ずしもその通りにならず、粉末の
平均粒子径と焼結体密度の増加率との関係を示した第２
図からも明らかなように、微細粉の粒径が１μ以下にな
ると焼結性改善効果が飽和してしまうこと。なお、この
現象は、微細粉の粒径が小さ過ぎると微細粉同士で凝集
する傾向が強くなり、より粗大な粉末との混合・分散の
効率が低下して焼結性改善の効果が落ちることによるも
のと考えられる。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 粉末冶金によって鉄系焼結部品を製造するための原料粉
末を、 粒径１〜２０μの微細粉：３〜４０重量％。

粒径］、　ＯＯ超〜５００μの粗粒： ４０重量％以下。

粒径２０超〜１００μの中間粒子：残り、なる粒度構成
に調整することで、主として粉末の焼結性と圧縮性とを
大幅に向上した点、に特徴を有するものである。

この発明で対象となる粉末は、成分組成上からすると、
鉄系焼結部品の製造が可能なものであればその種類が問
われるものではなく、プレミックス粉やプレアロイ粉の
いずれもが採用され得る。

ただ、高密度高強度焼結機械部品への適用を目的とした
場合は、プレアロイ合金鋼粉を採用することにより本発
明の効果が一層有効に生かされる。

なせなら、既に述べたように、高強度焼結機械部品に対
してはプレアロイ合金鋼粉の使用が好まし　　　　１！
いが、プレアロイ合金鋼粉は予め合金化がなされている
ので硬化する傾向が強く、そのため圧粉体密度が低くな
り、結果として焼結体密度の低下を来たすのが一般的で
あるのに対して、この発明に従って所定割合の微細粉を
混入すると、焼結性が向上して高密度焼結体が得られる
ので、機械的強度の改善効果が大きいからである。なお
、この場合、微細粉は合金化しない金属粉末であっても
良いことは当然である。

次いで、この発明において、粉末の粒径、及びその配合
割合を前記の如くに数値限定した理由について説明する
。

■　微細粉 微細粉は、原料粉末の焼結性を改善するために混入する
ものであるが、先に示した第２図からも明らかなように
、微細粉の粒径が１μ未満になると焼結性改善の効果が
飽和してしまう。一方、同じく第２図かられかるように
、焼結性改善の効果が顕著になるのは粉末の粒径が２０
μ以下からである。

以上のような事実と１１粒径１μ未満の超微粉はコスト
が余りにも高いことを考慮して一焼結性改善のために添
加する微細粉の粒径を１〜２０μと定めた。

また、第３図は、粒径１〜２０μの微細粉を、より粗大
な粉末と混合して使用したときの、微細粉添加量と圧縮
件、焼結性並びに寸法変化率との関係を示すグラフであ
るが、微細粉の添加量が３重量％以上で焼結性改善の効
果が顕著となり、その添加量が多い程焼結性は良好であ
ることがわかる。・一方、添加量が多過ぎる場合は圧縮
性の低下が顕著となり−そのため焼結体密度の増加が鈍
くなっている。そして、寸法変化率をも考慮すると微細
粉添加量は４０重量％が限界である。

このようなことから、粒径１〜２０μの微細粉の配合割
合を３〜４０重量％と定めた。

■　粗粒 微細粉のみでは圧粉体密度の低下を避けられないことか
ら、この発明では、より粗大な粉末との混合使用とした
が、°より粗大な粉末″の粒度範囲としては、通常の噴
霧法（水アトマイズ、ガスアトマイズ、油アトマイズ）
で得られる範囲な対象とし、圧縮性、成形性及び焼結性
に極めて大きな悪影響を与えるとされる粒径５００μ超
の粗大粒を除外することとした。

しかし、このような粒径５００μ以下の粉末であっても
、そのうちの粗粒部分は焼結性や圧縮性等を悪化させる
ので焼結機械部品製造用粉末としては好ましくないと一
般に考えられており、粉末冶金業界においては、１５０
メツシュＣ粒径１００μ）、又は１００′メツシユＣ粒
径１５０μ）、或いは６０メツシュＣ粒径２５０μ）等
で篩い分けて粗粒を除去するのが通例である。この上う
なこ七から、この発明においても粉末冶金業界の通例に
従って粒度１５０メツシュ以上（粒径１００μ超）の粉
末な粗粒と考え、粗粒の配合割合と焼結性並びに圧縮性
との関係を検削した。

第４図は、粒径１〜２０μの微細粉を２０重量％添加し
た際における、粒径１００μ超の粗粒の配合量と圧縮性
並びに焼結性との関係を示すグラフである。

第４図からは、粉末の圧縮性は１００μ超の粗粒の配合
により若干向上するが、多配合においては低下すること
がわかるーまた、焼結性は、粗粒の配合とともに低下し
、４０重量％の配合が限界であることがわかる。

このようなことから、粒径１００超〜５００μの粗粒の
配合割合を４０重量％以下と定めた。

以上のように、この発明は、鉄系部品製造用粉末冶金原
料粉において、焼結性の良好な粒径１〜２０μの微細粉
を３〜４０重量％とし、圧縮性及び焼結性の良くない粒
径１００μ超の粗粒な４０重量％以下に制限することを
特徴としている。

この場合、通常の焼結用金属粉末（特に噴霧法によ−っ
て得られた粉末）は、粒径１〜２０μの微細粉を含んで
いないか、或いは含んでいたとしても量が少ない場合が
多く、このようなときには粒径１〜２０μの微細粉を別
途準備してから混合し使用するのが良い。なお、粒径１
〜２０μの微細粉は、還元法、粉砕法、アトマイズ法、
或いはそ　□；の他の如何なる方法によって製造しても
良いことはもちろんである。

また、これまで説明した粒度構成の工夫に加えて、粉末
の粒子形状をも工夫すると、圧縮性の更なる改善が可能
である。即ち、粒径１〜２０μの微細粉の粒子形状を球
形とすることにより、圧縮性が一段と向上するのである
。

第５図は、２０重量％の割合で配合した微細粉の形状指
数と、粉末の圧粉体密度並びに焼結体密度との関係を示
すグラフである。ここで、粉末の形状指数とは、式 ％式％ 第５図からも明らかなように、微細粉の形状指数が圧粉
体密度に影響し、形状指数１．５以下において圧縮性が
特に良好となっている。そして、その結果、焼結体密度
が向上していることもわかる。

これは、微細な球状粉が銅粉の内部摩擦の低減に効果を
有しており、そのため圧粉成型に際して、粗大粒子同士
の隙間に効率良く微細球状粉が充填されるためと考えら
れる。

このように、粒度構成の工夫と、微細粉の形状を球状化
することとを組合せることにより、粉末に良好な焼結性
と一層良好な圧縮性を兼ね備えることが可能であり、こ
の効果は、粉末硬さの硬いプレアロイ合金鋼粉において
特に有効に発揮される。

次に、この発明を実施例により従来例と対比しながら説
明する。

〈実施例〉 まず、焼結体が第１表に示されるような化学成分組成と
なる粉末であって、かつ第２表に示される如き粒度構成
に調整した粉末Ｐ１〜Ｐ１２を用意した。・°なお、粉
末Ｐ９〜Ｐ１２は従来の鋼粉である。

これらの鋼粉について、焼結性（焼結体密度）と圧縮性
（５ｔ　／　ｃａの圧縮条件での圧粉体密度）を測定し
、得られた結果も第２表に併せて示した。

第２表に示される結果からも明らかなように、本発明鋼
粉は、粒度構成の調整により特に焼結性が優れており（
従来鋼粉Ｐ９．ＰＩＯ，ｐＨ及びＰｌ２と、それらの改
良鋼粉であるＰ５．Ｐ６゜Ｐｌ及びＰ８との比較から明
瞭である）、また粒子形状の工夫と組合せることにより
、圧縮性にも一段と優れていることがわかる。

更に、プレアロイ鋼粉を対象としたもの（Ｐｌ。

Ｐ２．Ｐ３及びＰ４）では、特に焼結体密度が優れてい
て、高密度・高強度機械部品への適用が可能であること
は明らかである。

く総括的な効果〉 」−述のように、この発明によれば、焼結性と圧縮性が
ともに優れた鉄系部品製造用粉末冶金原料粉を安定・確
実に得ることができ、鉄系高強度機械部品の工業的規模
での量産が可能になるなど一産業上極めて有用な効果が
もたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、粉末冶金原料粉の粒子径と圧粉体密度、焼結
体密度並びに寸法変化率との関係を示すグラフ、 第２図は、粉末の粒子径と焼結体密度の増加率との関係
を示すグラフ、 第３図は、微細粉添加量と粉末の圧粉体密度、焼結体密
度並びに寸法変化率との関係を示すグラフ、 第４図は、粗粒の配合率と粉末の圧粉体密度、焼結体密
度並びに密度増加率との関係を示すグラフ、 第５図は、微細粉の形状指数と粉末の圧粉体密度並びに
焼結体密度との関係を示すグラフである。 出願人　　住友金属工業株式会社 代理人　　富　１）和　夫　はか１名 第１図 譚ｎ獣−新不殉ず１子径（ｐ） 第３図 ＪｆＥＫ　　Ｊｆ　新４　；つＤ　ｔ　（’Ａ）禦４図 ＄ＢｓのａＣ／≦ト摩（％） 架５図 ｒ、ｏ　　　　　　１．５　　　　　２．０４ｔｉＸｍ
ｍ’１９イｘｔｇｔ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒径１〜２０μの微細粉：３〜４０重量％、粒径
   １００超〜５００μの粗粒： ４０重量％以下、 粒径２０超〜１００μの中間粒子：残り、 なる粒度構成に調整されていることを特徴とする鉄系部
   品製造用粉末冶金原料粉。
2. （２）各粒度の粉末がそれぞれプレアロイ粉末である、
   特許請求の範囲第１項に記載の鉄系部品製造用粉末冶金
   原料粉。
3. （３）粗粒及び中間粒子がプレアロイ粉末であり、微細
   粉が単体金属粉末である、特許請求の範囲第１項に記載
   の鉄系部品製造用粉末冶金原料粉。
4. （４）粉末の形状指数を、式 形状指数＝粉末粒子の表面積／粉末粒子と同じ体積の球
   の表面積で表わした場合、微細粉の形状指数が１．５以
   下である、特許請求の範囲第１乃至３項のいずれかに記
   載の鉄系部品製造用粉末冶金原料粉。