JPH0257613A

JPH0257613A - 焼結金属材料の製造方法およびその原料粉末

Info

Publication number: JPH0257613A
Application number: JP20672588A
Authority: JP
Inventors: Sadakimi Kiyota; 禎公清田; Junichi Ota; 純一太田; 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、焼結金属材料の製造方法と、その原料粉末に
関する。

〈従来の技術〉近年、粉末冶金法による焼結金属材料の製造は著しい伸
びを示し、焼結金属材料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、事務用部品等の金属材料は、形状の？３を雑
化に伴い、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金属材料には気孔
が存在し、そのために焼結金属材料の密度が低く、この
気孔の存在が耐食性や機械的特性を損ねる欠点があった
。　そして、このような焼結金属材料の特性は密度に比
例するため、焼結金属材料の高密度化の研究が種々行わ
れてぎだ。

高密度化へのアプローチ法には、大別すると２種類あり
、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。　種々のアプロ
ーチの中で、特に注目されるものとして、前者では金属
微粉末の利用（微粉末を用いた場合の圧縮性の劣化を射
出成形法の導入により解決）、後者ではＨＩＰ（熱間等
方圧加圧）の利用等をあげることができる。　さらに、
ＨＩＰ技術に関しては、その設備コストを大幅に低減し
た加圧焼結法（ＵＳ、Ｐａｔ、Ｎｏ、４５９１４８２　
、特表昭６３−５００８７４）が開示されており、この
方法は工業的な価値が高い。

〈発明が解決しようとする課題〉上述の通り、焼結金属材料の製造方法として、加圧焼結
法は工業的価値の高い方法である。　ところが、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、原料粉末として粒径の大きい粉末を用い、射
出成形等の方法で成形を行った後に焼結して得られる一
次焼結体は閉空孔の焼結体ではないので、加圧焼結法で
再焼結しても密度が上昇せず、耐孔食性が悪かった。　
また、原料粉末として微粉末を用いれば、容易に閉空孔
の一次焼結体は得られるが、原料粉末はその平均粒径が
小さい程高価格になるので、コストの点で問題があった
。　さらに、微粉末を用いた場合、加圧焼結法で再焼結
しても、焼結体の密度の向上効果は小さかった。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、密
度比９７．０％以上の焼結金属材料の低コストの製造方
法と、焼結金属材料製造時に用いる低コストの原料粉末
の提供を目的とすく課題を解決するための手段〉本発明者らは、焼結金属材料の製造に際し、種々の粒径
を持つ原料粉末の焼結体の焼結密度に及ぼす加圧焼結条
件の影響を調べるために詳細な実験を行い、本発明を成
すに至ったものである。

本発明は、原料粉末として、平均粒径が９〜３０μｍの
粉末を用い、該粉末を成形し、得られた成形体に脱脂処
理を施し、続いて焼結を行って一次焼結体を得た後、非
酸化性７囲気中て温度１０００〜１４００℃、圧力３０
〜１５０気圧で加圧焼結することを特徴とする焼結金属
材料の製造方法を提供するものである。

前記の成形は、射出成形であることが好ましい。

また、本発明は、原料粉末を成形し、得られた成形体に
脱脂処理を施し、続いて焼結を行って一次焼結体を得た
後、非酸化性τ囲気中で、温度１０００〜１４００℃、
圧力３０〜１５０気圧で加圧焼結を行って焼結金属材料
を製造する際に用いる平均粒径９〜３０μｍであること
を特徴とする原料粉末を提供するものである。

上記の各発明において、原料粉末は、アトマイズ法で得
られる粉末であることが好ましい。

同じく上記の各発明において、好ましい原料粉末として
、ステンレス粉末が適用できる。

以下に、本発明について詳述する。

本発明の原料粉末は、その平均粒径が９〜３０μｍであ
る。

平均粒径が３０μｍ超であると、閉空孔の一次焼結体（
本発明の粒度域では焼結密度比９０％以上）が得られな
い。　これらの閉空孔でない一次焼結体は、特別な容器
づめ工程（一般にキャンニングと°呼ばれる）あるいは
特別な封孔処理なしに加圧によって高密度化することは
できない。　一方、平均粒径が小さくなるに従い、粉末
自体の焼結性が向上するため、容易に閉空孔のみをもつ
焼結密度比９０％以上の一次焼結体が得られるが、平均
粒径９μｍを境に、粉末価格が高騰するにもかかわらず
、−次焼結体を加圧焼結することによる密度比の向上効
果は小さくなる。　従って、原料粉末の平均ね径は９〜
３０μｍとする。

本発明の原料粉末は、どのような方法で製造されるもの
でもよいが、例えば、高圧水アトマイズ法、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。

これらの中では、合金組成が容易に得られて、球形に近
いに形状が得られることからアトマイズ法で製造される
粉末が好ましいが、平均粒径３０μｍ以下の粉末が容易
に得られる高圧水アトマイズ法がざらに好ましい。

また、本発明の原料粉末は、どのような金属からなるも
のであってもよいが、例えば、ステンレスや、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ。

Ｓｔ、Ｃｏ等を含有する鉄合金等があげられる。

また、本発明では、原料粉末を成形し、脱脂し、焼結を
行って一次焼結体を得る。

成形は、公知のいかなる成形法で行ってもよく、従来の
金型ブレス成形をはじめとして、押し出し成形、粉末圧
延成形、射出成形等の方法で行うことができる。　特に
、複雑な形状の金属材料に成形する場合は、射出成形が
好ましい。

粉末の射出成形は、粉末だけで行うと公知のごとく射出
流動性および成形体強度を付与するために、結合剤を添
加混合した後に成形を行う。　射出成形用結合剤は、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、マイロクロスタリンワックス、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１稲あるいは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
。

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、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、樟脳等の昇華性物質を添加す
ることもできる。

なお、射出成形用結合剤の量は、通常１０重量％程度で
ある。

粉末と結合剤との混合・混練には、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２ＩｊｉＩＩＩ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
バウンドを得る。

射出成形は、通常のプラスチック用射出成形機等を用い
て行えばよい。　この際において、射出圧力は、通常０
．３〜３ｔ／ｃｍ２程度である。

射出成形後、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〜ｂｈｒとし、−数的には、４
５０〜７００℃に、Ｏ〜４時間程度保持する。　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。　また、結合剤
の除去は、粉末の酸化を抑制し、結合剤の分解反応に寄
与しない非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。

結合剤を除去した後、−次焼結を行う。　前工程の加熱
処理終了時、結合剤の一部が残留しているが、−次焼結
により、残留結合剤中の炭素と金属粉末の表面に存在す
る酸化被膜中の酸素との反応させ、−次焼結体中のＣお
よびＯｉを減少させる。　従って、結合剤の除去程度を
加減するか、あるいは除去後に酸化処理を行い、Ｃ１０
モル比を最適値に、好ましくは０．３〜３．０に調節し
てから一次焼結を行う。

一次焼結で閉空孔の焼結体を得なければならないが、本
発明の原料粉末を用いれば、一般の焼結方法を適用でき
る。

一次焼結は、０．ＩＴｏｒｒ以下の減圧下および／また
は非酸化性雰囲気中で行う。

例えば原料粉末がステンレス鋼である場合は、０、ＩＴ
ｏｒｒ、１０５０〜１３００℃で２時間程度の一般焼結
を行った後、Ａｒ中で１２５０〜１３７０℃で１時間程
度の二段焼結を行う。　また、原料粉末がＣｒ、Ｍｏ、
Ｖ。

Ｍｎ、Ｓｉ等の還元性元素を含む合金である場゛合も、
ステンレス鋼と同様に焼結できる。　なお、焼結条件は
上記の範囲より試行実験にて容易に定めることができる
。　さらに、原料粉末がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ
、Ｓｎなどの易還元性元素のみを含む場合は、水素など
の還元性ガス中で、８００〜１４００℃で、２時間程度
焼結を行う。

本発明では、上記の方法で得られた一次焼結体を、非酸
化性雰囲気中で、温度１０００〜１４００ｔ、圧力３０
〜１５０気圧で加圧焼結を行う。

この工程は、前工程で閉空孔化した一次焼結体を高密度
化（密度比９７．０％以上）する工程であるため、反応
性のガスを使用する必要はない。　従って、非酸化性雰
囲気中で焼結を行う。　但し、加圧を施しても爆発等の
危険性の低い不活性ガスが取扱い上好ましい。

温度は、高いほど加圧焼結による密度比の向上効果は大
きいが、１４００℃超であると、必要以上に結晶粒径が
粗大化したり、金属が溶融を開始し、また、１０００℃
未満では、加圧焼結による密度比の向上効果がなく、密
度比９７．０％以上の焼結金属材料が得られないので好
ましくない。

さらに、−次焼結を減圧下で行った場合、構成元素の蒸
気圧の差により、焼結体表面に組成分布ができ、また、
還元性ガス雰囲気で行った場合も、ガスに触れている焼
結体もしくは粉末表面とそれらの内部との間に組成分布
が生じることがある。　この組成分布は、焼結体中の特
性を劣化するものであり、好ましくない。

そこで、−次焼結の後に、大気圧以上の圧力下で、構成
元素の蒸発しない雰囲気中で、あ囲いは、化学反応の全
く起こることのない雰囲気中で、原子の拡散速度のより
高い温度領域にて焼結を行い、組成の均一化を速やかに
進行させる必要があり、そのためには、温度を１０００
℃以上とする必要がある。

また、圧力は、３０気圧未満の場合は、加圧焼結による
密度比の向上効果が、圧力を加えない場合と有意差がで
ず、密度比９７．０％以上の焼結金属材料が得られない
。　一方、１５０気圧を超えるガス媒体を用いるには、
設備コストが急騰し、本発明の目的とそぐわないため、
３０〜１５０気圧とする。

なお、ここまでの工程において、非酸化性雰囲気を作る
ために用いるガスは、Ａｒ、Ｈｅ’等の不活性ガスのほ
か、ＣＨａ　、Ｃｓ　Ｈａ等の還元ガス、Ｎ２または燃
焼排ガス等である。

〈実施例〉本発明を、実施例に基づき具体的に説明する。

（実施例Ｉ）原料粉末として、５ＵＳ３１６組成の平均粒径７．５〜
３５．０μｍの水アトマイズ粉末と、５ＵＳ３０４組成
の平均粒径７．５〜“１６．５μｍの水アトマイズ粉末
とを用意した。　これらの粉末に、それぞれ１０重量％
のアクリルを主体とする熱可塑性バインダーを添加し、
加圧ニーダ−によって混練したのち、粉砕して射出成形
用コンパウンドとした。

これを、１６０℃、Ｉｔ／ｃｍ２で射出成形を行い、４
０ｍｍｘｌ　ｌｍｍＸ５ｍｍの成形体とした。

つぎに、Ｎ２雰囲気中で、１５℃／ｈの昇温速度で６０
０℃まで昇温し、０．５時間保持して結合剤を除去した
。　さらに、１１６０℃まで昇温し、圧力１ｘｌＯ−３
Ｔｏｒｒで２時間保持した後、温度を１３６５℃まで昇
温し、Ａｒ７囲気（圧力１ａｔｍ）中で２時間保持し、
次焼結体を得た。

これらの−次焼結体を、第１表に示す用にＡｒ雰囲気中
で、温度１３００℃、圧力１５０ａｔｍに１時間保持し
、または、Ａｒ雰囲気中で、温度１３００℃、１１００
ａｔに２時間保持し、二次焼結体を得た。

一次焼結体、二次焼結体各々について、アルキメデス法
による密度および真密度より密度比を求めた。

結果は第１表に示した。

（実施例Ｉ＋　）原料粉末として、５Ｏ５３１６組成の平均粒径１２．５
μｍの水アトマイズ粉末を用意し、実施例■と同様の方
法で一次焼結体を得た。

これを、Ａｒ雰囲気中で、第２表に示す温度、圧力１５
０ａｔｍに１時間保持し、二次焼結体を得た。

実施例ｒと同様に密度比を求め、結果は第２表に示した
。

（実施例Ｉ１１　）原料粉末として、５ＵＳ３１６組成の平均粒径１２，５
μｍの水アトマイズ粉末を用意し、実施例■と同様の方
法で一次焼結体を得た。

これをＡｒ雰囲気中で、温度１３５０℃、第３表に示す
圧力に１時間保持し、二次焼結体を得た。

実施例Ｉと同様に密度比を求め、結果は第３表に示した
。

実施例Ｉと同様の方法で一次焼結体を得た。

また、同様の原料粉末を用い、３重量％の樟脳をアセト
ン中に溶解し、乳鉢中でアセトンを乾燥除去しながら原
料粉末を混合し、金型成形用原料を得た。　これを、３
　ｔ　／　ｃ　ｍ　２の圧力で金型成形を行い、４０ｍ
ｍＸ　１０ｍｍＸ５ｍｍの成形体とした。

つぎに、乾燥水素中で、５℃／　ｍ　ｔ　ｎの昇温速度
で６００℃まで昇温し、０．５時間保持して樟脳を除去
した。

これを、実施例■と同様の方法で焼結し、次焼結体を得
た。

これらを、第４表に示す条件に１時間保持し、二次焼結
体を得た。

実施例■と同様に密度比を求め、結果は第４表に示した
。

（実施例ＩＶ　）原料粉末として、５ＵＳ３１６組成の平均粒径１２．５
μｍの水アトマイズ粉末を用意し、弔表第表第表第表実施例■は、原料粉末の平均粒径と焼結金属材料の密度
比との関係を検討したものである。

一次焼結体の密度比は、平均粒径が大きくなるほど小さ
い値となり、平均粒径が３０μｍを超える（比較例２）
と、焼結体が閉空孔化する密度比９０％が達成できず、
そのため、二次（加圧）焼結による密度上昇がみられな
かった。

一方、平均粒径が相対的に小さい原料粉末（比較例１．
３）を用いると、−次焼結体は高い密度比を持つにもか
かわらず、二次焼結後の最終密度比はあまり上昇しなか
ワた。　これは粉末の表面積が大きいため、加圧時の粉
末同士の接触抵抗が大きく、加圧の効果が上がらなかっ
てものと推定できる。

本発明の粉末（発明例１〜８）を用いると、平均粒径の
増大に起因し、−次焼結体の密度比はある程度減少する
が、二次焼結時の粉末同士の接触抵抗の減少があり、二
次焼結後の最終焼結体の密度比上昇に対する効果のバラ
ンスがよく、高密度比（密度比９７．０％以上）の焼結
金属材料が得られた。

実施例１１は、二次焼結時の温度と焼結金属材料の密度
比との関係を検討したものである。

温度が１０００℃未満である場合（比較例４）　密度比
向上効果は小さく、１０００〜１３００℃（発明例３．
９）で処理して初めて、効果的に密度比を向上させるこ
とかでき、密度比９７．０％以上の焼結金属材料が得ら
れた。

実施例■は、二次焼結時の圧力と焼結金属材料の密度比
との関係を検討したものである。

圧力が３０気圧未満の場合（比較例５）、密度比の向上
効果が小さく、３０〜１００気圧（発明例ｔ　ｏ、　　
ｔ　ｔ　）で処理して初めて、密度比９７．０％以上の
焼結金属材料が得られた。

実施例ＩＶは、−次焼結体製造時における原料粉末の成
形法と、二次焼結時の雰囲気ガスについて検討したもの
である。

本発明の原料粉末を用い、本発明の方法で焼結金属材料
を製造する場合、原料粉末の成形は、射出成形（発明例
３．１１）のみならず、金型成形（発明例１３）も適用
できることが明らかとなった。

また、二次焼結時の雰囲気は非酸化性であり、非酸化性
雰囲気を作るガスとして、Ａｒ（発明例３，１１．１３
）のみならず、Ｎ２（発明例１２）も適用できることが
明らかとなフた。

〈発明の効果〉本発明により、密度比９７．０％以上の焼結金属材料の
低コストの製造方法と、この方法で密度比９７，０％以
上の焼結金属材料を製造するに際して用いる、低コスト
の原料粉末が提供される。

従って、より広い分野において、焼結金属材料を用いる
ことができるようになる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）原料粉末として、平均粒径が９〜３０μｍの粉末
を用い、該粉末を成形し、得られた成形体に脱脂処理を
施し、続いて焼結を行つて一次焼結体を得た後、非酸化
性雰囲気中で温度１０００〜１４００℃、圧力３０〜１
５０気圧で加圧焼結することを特徴とする焼結金属材料
の製造方法。
（２）前記原料粉末がアトマイズ法で得られる粉末であ
る請求項１に記載の焼結金属材料の製造方法。
（３）前記原料粉末がステンレス粉末である請求項１ま
たは２に記載の焼結金属材料の製造方法。
（４）前記成形が射出成形である請求項１〜３のいずれ
かに記載の焼結金属材料の製造方法。
（５）原料粉末を成形し、得られた成形体に脱脂処理を
施し、続いて焼結を行って一次焼結体を得た後、非酸化
性雰囲気中で、温度１０００〜１４００℃、圧力３０〜
１５０気圧で加圧焼結を行って焼結金属材料を製造する
際に用いる平均粒径９〜３０μｍであることを特徴とす
る原料粉末。
（６）前記原料粉末がアトマイズ法で得られる粉末であ
る請求項５に記載の原料粉末。
（７）前記原料粉末がステンレス粉末である請求項５ま
たは６に記載の原料粉末。