JPH0257605A

JPH0257605A - 寸法精度に優れた焼結合金の製造方法

Info

Publication number: JPH0257605A
Application number: JP63206713A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ota; 純一太田; Sadakimi Kiyota; 禎公清田; Kazuo Sakurada; 桜田　一男; Hiroshi Otsubo; 宏大坪
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-08-20
Filing date: 1988-08-20
Publication date: 1990-02-27

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〉本発明は粉末冶金法で製造される部品に関し、特に寸法
精度に優れた焼結合金に関する。

〈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密度のば
らつきが生じ、このばらつきのために前記焼結合金の寸
法の精度は悪かった。

〈発明が解決しようとする課題〉そこで前述したように、焼結合金の寸法精度を正すため
焼結による収縮のばらつき、すなわち密度のばらつきを
できるだけ小さく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、種々の検討を重ねた結果、金属粉末の粒
度構成が、５μｍ以下を３〜２０重量％、５〜１０μｍ
を４０重量％以上、１０〜・３０μｍを５〜３５重量％
であるフェライト系および／またはオーステナイト系ス
テンレス鋼粉を原料粉末として用い、前記金属粉末に結合材を添加し、混合、成形、この成形
体中の結合剤を非酸化性雰囲気で加熱除去し、続いて温
度１０５０〜１３５０℃、０．１Ｔｏｒｒ以下の減圧下
で焼結後、温度１２５０〜１３５０℃、非酸化性雰囲気
下で焼結し、さらに１００　ｋｇｆ／ｃｍ２以下で加圧
焼結することを特徴とする寸法精度に優れた焼結合金の
製造方法を提供する。

また、金属粉末の粒度構成が、５μｍ以下を３〜２０重
量％、５〜１０μｍを４０重量％以上、１０〜３０μｍ
を５〜３５重量％であり、前記金属粉末としてＮｉを０．５〜５０重量％含み残部
Ｆｅである原料粉末を用いて、これに結合材を添加し、
混合、成形後この成形体中の結合剤を非酸化性雰囲気中
で加熱除去し、続いて温度１１００〜１３００℃還元性
雰囲気中で焼結後、１００　ｋｇｆ／ｃ＋ｎ’以下で加
圧焼結することを特徴とする寸法精度に優れた焼結合金
の製造方法を提供する。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明に於いて、寸法精度向上のために、原料金属粉末
の粒度構成が最も重要である。

焼結による寸法変化は最も大きく、成形体から焼結体の
収縮率が１５％以上となり、この過程における寸法ばら
つきを押えることが肝要である。

原料粉末の粒径は焼結性を左右し、即ち収縮率のばらつ
きの原因と考えられる。　つまり、微細な粉末程容易に
焼結が進み、収縮が大きいが、粗粒粉では焼結も遅く、
収縮が小さくなることによって全体として収縮率をばら
つかせ、寸法精度を悪くしている。

従って、原料粉の粒度構成を調整することによって優れ
た寸法精度の焼結合金が得られる。

本発明に於いて、原料である金属粉末の粒度構成として
は、粒径が、５μｍ以下；３〜２０重量％、５〜１０μ
ｍ：４０重量％以上、１０〜３０μｍ：５〜３５重量％
を含有するのがよい。

粒径５μｍ以下の粉末を３〜２０重量％含有するのは、
粒径５μｍ以下の微粉は焼結が容易に進行するために、
これによって気孔を閉塞化する率が高いためである。　
気孔の閉塞化は後の加圧焼結工程で重要で、加圧の効果
を得るためには密度９２％以上が必要であることを実験
によって確認している。

また、含有量を３重量％以上としたのは、３重量％未満
では焼結促進剤として有効性がみられず、閉気孔率の増
加もみられないからである。

また、２０重量％を超えると閉気孔率は増加するが、収
縮のばらつきが大きくなり、寸法精度を低下させるため
である。

次に、粒径５〜１０μｍの粉末を４０重量％以上含有す
るとよい。

４０重量％未満では、流動性が低下し、成形性を損ね、
その結果成形体内で不均一な充填具合を示し、寸法精度
を低下させるので不適である。

また、粒径１０〜３０μｍのものを５〜３５重量％含有
するとよい。

粒径１０〜３０μｍの原料粉末は、これ以下の粉末に比
較して焼結性が劣るが、成形体の形状保持、収縮傾向の
抑制、流動性の向上の目的で混合される。　さらに、結
合剤を含んだ成形体から脱活合剤処理を施す際、適当量
粗粒粉を含んだ粒度構成の方が粒子間の隙間が大きくな
ることによって、結合剤がぬけ易くなる。

なお、粒径１０〜３０μｍの原料粉の含有量は、５重量
％未満とすると前述のような効果がみられないので４好
ましくない。

また、３５重量％を超えて含有した場合には、流動性が
低下し、成形性を損ね、その結果、成形体内の不均一な
充填状態は焼結によっても解消されず、寸法精度を低下
させるので好ましくない。

なお、粒径が３０μｍ超では、焼結性を極端に劣化させ
るため、不適である。

本発明は、粒径３０μｍ以下の粉末を用いるため、銅粉
に結合剤を適当量添加混合して成形する。　銅粉だけで
は成形時にラミネーションや割れなどの欠陥が生じ歩留
りが低下するためである。

結合剤は熱可塑性樹脂、ワックスあるいは両方混合して
成形しても良い。

また、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の１種あるい
は２種以上の混合物が選択でき、ワックス類としては、
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、ミクロクリス
タリンワックス、パラフィンワックス等に代表されるよ
うな合成ろうから選ばれる１　ｆｆ！あるいは２種以上
を選択して使用できる。

可塑剤は、主体となる樹脂類あるいはワックス類との組
合せによって選択し、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）等を使用できる。

潤滑剤としては、高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸エ
ステル等を使用でき、場合によってはワックス類を潤滑
剤として兼用する。

また脱脂促進剤としては、樟脳等のような昇華性物質を
添加することもできる。

結合剤は成形方法によって異なるが、たとえば複雑形状
部品を成形する場合に用いる射出成形法では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くし
過ぎると製品に割れや膨れが生じるため５℃／ｈ〜２０
℃／ｈで昇温する。

結合剤を除去した後、高密度化を達成するために焼結す
る。　結合剤は完全に除去されずに残っているが、この
残留炭素の除去方法は原料組成によって異なる。

本発明において金属粉末がフェライト系および／または
オーステナイト系ステンレス鋼粉の場合には、残留炭素
とステンレス鋼粉の表面に存在する酸化皮膜の酸素の反
応を減圧下で焼結することによって、最終焼結体の不純
物ｃ、。

を極力減少させる。

Ｆｅ−Ｎｉ系の場合には、非酸化性雰囲気で焼結を行う
のがよい。　とくにＦｅ−Ｎｉ系では酸素と親和力の強
い元素を含まないために還元性雰囲気焼結で十分残留炭
素は除去可能である。

ステンレス鋼の場合、室温から１０５０〜１３５０℃ま
では０．１Ｔｏｒｒ以下の真空中で加熱するのが好まし
い。　続いて、窒素、Ａｒのような非酸化性雰囲気下で
１２５０〜１３５０℃まで加熱保持することがよい。　
この過程を経ることで、９２％以上の密度比を有する焼
結合金を得ることができる。　その後、同一温度で１０
０　　ｋｇｆ／ｃｍ２以下の圧力で保持することによっ
て、寸法精度の優れた焼結合金を得ることができる。

ステンレス鋼の場合には、耐食性が要求され、使用環境
も比較的厳しく、寸法精度とともに耐食性の向上も望ま
れている。　合金元素のうち、特にＣｒは耐食性向上に
効果があるが、Ｃｒの蒸気圧は１３００℃で１Ｏ−３Ｔ
ｏｒｒより高く、真空焼結において真空度によってはＣ
ｒが蒸発して表面のＣｒ濃度が低下するため、耐食性が
著しく劣化する。　そこで、Ｃｒ蒸発を抑制し、Ｃｒａ
度分布を不均一化しないようにすることが肝要である。

　　このことは本発明の低温下での真空焼結およびその
後の高温焼結によって達成される。

本発明に係る銅粉は、難還元性元素であるＣｒを含有す
る組成である。　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、真空焼結によ
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
の高密度が達成されない。　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る。　そのために
、減圧下で焼結する。　　０．１Ｔｏｒｒを超えるとＣ
ｒ系酸化物の還元反応が進みにくいため上限を０．１Ｔ
ｏｒｒとした。

真空焼結の温度範囲を１０５０〜１３５０℃としたのは
、１０５０℃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１０５０℃とした。

方、１３５０℃を超えて焼結した場合、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、液相が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；囲気中、１２５０〜１３５０
℃で焼結する。　前段階の低温の真空焼結で粒子同士の
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１２５
０℃以上の高温でのＣｒ蒸発を抑制するためである。

Ｆｅ−Ｎｉ合金の場合は、還元性雰囲気であれば残留炭
素の除去は可能であり、たとえば工業的に用いられてい
る分解アンモニアガス、水素ガス等が用いられる。　ま
た、湿水素雰囲気、露点０〜３０℃で保持後乾燥雰囲気
に変えると、残留炭素の除去により一層の効果がある。

この時の圧力は、大気圧下で雰囲気焼結を行なうが、次
工程で加圧効果を得るために気孔の閉塞化が十分進んで
いることが必要である。　そのため、焼結温度範囲を１
１００℃〜１３００℃にするのがよい。

１１００℃未満では、拡散速度が遅く、加圧効果の得ら
れる焼結密度（９２％以上）が得られず、最終焼結体の
寸法精度は低下する。

方、１３００℃を超えた焼結温度は、工業的な雰囲気焼
結炉では発熱体および耐火物の消耗が激しくコスト高と
なるため経済的に不利である。　さらに、密度上昇はそ
れ以上超えても著しい効果がみられないことから、上限
を１３００℃とし、た。　続いて、焼結温度に保持した
状態で１００　ｋｇｆ／ｃ［０２以下の不活性ガスで加
圧することにより、寸法ばらつきの小さい焼結合金が製
造可能である。

加圧圧力を１００　ｋｇｆ／ｃｍ２以下とするのが好ま
しい。　前工程における減圧、あるいは雰囲気焼結によ
って焼結体内部に残留する気孔は球状化し、閉塞化して
おり、それぞれの気孔が分断され、かつ結晶粒界近傍に
存在するため移動し易く、気孔内は真空もしくは還元性
ガスで気孔内のガス分圧は非常に小さく、低圧で消滅可
能である。　さらに１００　ｋｇｆ／ｃｍ２を超えて加
圧しても、それ以上の顕著な効果がみられず、経済性を
考慮し、上限を１００　ｋｇｆ／ｃｍ２とした。

なお、本発明の金属粉末中に、不可避的に非金属介在物
が１％以下含有していても特に影響はない。

〈実施例〉以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。

（実施例１〜３、比較例１〜４）原料粉末の平均粒径が２．１μｍ：０〜５０重量％、８
．２μｍ；３０重量％以上、１４゜８μｍｈｏ〜５０重
量％であるように分級によって調整した５ＬＩＳ３１６
組成の水アトマイズ鋼粉を用意した。

これに熱可塑性樹脂およびワックスを原料粉末に対し９
：１に添加混合し、加圧ニーダを用いて混練した。　混
練後、冷却し、ペレット状に粉砕し、射出成形機によっ
て長さ４０ｍｍ、幅２０ｍｍ、／ｌざ３ｍｍの直方体を
３０本成形した。　次に窒素雰囲気中で昇温速度１０℃
／ｈで６００℃まで加熱して、成形体中の０７０モル比
が１．０〜２．０になるように結合剤を除去した。

それを真空中（＜１０−３Ｔｏｒｒ）１１５０℃で１時
間以上焼結し、続いて常圧のＡｒガス雰囲気中１３００
℃で２時間焼結後、炉内圧力５０．１００　ｋｇｆ／ａ
ｍ２に加圧し１時間保持した。

冷却後、幅方向の寸法をマイクロメータで測定し、試料
数２０本について平均値、標準偏差を求めた。

その結果を第１表に示す。

第　　　　１　　　　表実施例１〜３に示すように原料粉の粒度構成が本発明の
範囲内にあると優れた寸法精度で寸法ばらつきの小さい
、最終焼結体が得られた。

一方、比較例１は２．１μｍの微粉が全くないために閉
気孔率が低いために均一な収縮が得られず、寸法精度が
低下したと考えられる。

比較例２は２，１μｍの微粉が多く、微粉の収縮割合が
大きくなったため、寸法にばらつきが生じたと考えられ
る。

比較例３は１４．８μｍの粗粒粉が最も多く、成形体で
の密度不均一が最終焼結体の寸法ばらつきの原因になっ
たと考えられる。

比較例４は粗粒粉が全くないために、脱活合材が完全に
行なわれず、残留炭素量が多く、それによって液相が出
現し、収縮が進み不均一な寸法変化を示したと考えられ
る。

（実施例４．５、比較例５．６）原料粉末として、水アトマイズ鉄粉を分級によって平均
粒径２．０〜１８゜０μｍに調整し、これにカルボニル
Ｎｉ粉（平均粒径：８μｍ）を２重量％添加し、実施例
１〜３と同様な方法で形成し、脱活合剤処理した。　そ
の後、１２５０℃、水素雰囲気中で２時間焼結した。　
次に、アルゴン雰囲気、圧カニ１００ｋｇｆ／ｃｍ２下
で、１２５０℃で１時間保持した。

冷却後、幅方向の寸法をマイクロメータで測定し、試料
数２０本について平均値標準偏差を求めた。　その結果
を第２表に示す。

第２表かられかるように、原料粉の粒度構成が本発明の
範囲内である場合、寸法ばらつきの小さい結果が得られ
た。

一方、比較例５は微粉が多く、還元雰囲気下での焼結が
進むことによって収縮量が多くなり、寸法にばらつきが
生じたと考えられる。

比較例６は粗粒粉が最も多く、成形時の金属粉末の充填
具合が不均一となり、最終焼結体寸法のばらつきの原因
になったと考えられる。

〈発明の効果〉以上のように、本発明は原料粉末の粒度構成を５μｍ以
下：３〜２０重量％、５〜１０μｍ＝４０重量％以上、
１０〜３０μｍ：５〜３５重量％とじ、該粉末に結合剤
を添加混合し、成形した後、成形体の結合剤を非酸化性
雰囲気中で加熱・除去し、続いて減圧あるいは大気圧で
焼結後、加圧焼結することにより、寸法精度の優れた焼
結合金の得られる製造方法を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属粉末の粒度構成が、５μｍ以下を３〜２０重
量％、５〜１０μｍを４０重量％以上、１０〜３０μｍ
を５〜３５重量％であるフェライト系および／またはオ
ーステナイト系ステンレス鋼粉を原料粉末として用い、前記金属粉末に結合材を添加し、混合、成形、この成形
体中の結合剤を非酸化性雰囲気で加熱除去し、続いて温
度１０５０〜１３５０℃、０．１Ｔｏｒｒ以下の減圧下
で焼結後、温度１２５０〜１３５０℃、非酸化性雰囲気
下で焼結し、さらに１００ｋｇｆ／ｃｍ＾２以下で加圧
焼結することを特徴とする寸法精度に優れた焼結合金の
製造方法。
（２）金属粉末の粒度構成が、５μｍ以下を３〜２０重
量％、５〜１０μｍを４０重量％以上、１０〜３０μｍ
を５〜３５重量％であり、前記金属粉末としてＮｉを０．５〜５０重量％含み残部
Ｆｅである原料粉末を用いて、これに結合材を添加し、
混合、成形後この成形体中の結合剤を非酸化性雰囲気中
で加熱除去し、続いて温度１１００〜１３００℃還元性
雰囲気中で焼結後、１００ｋｇｆ／ｃｍ＾２以下で加圧
焼結することを特徴とする寸法精度に優れた焼結合金の
製造方法。