JPH03249101A - 焼結用鉄系粉末原料 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は焼結用の鉄系粉末原料に関し、殊に寸法精度お
よび機械的特性の優れた焼結体を与える焼結用鉄系粉末
原料に関するものである。

［従来の技術］ 還元法やアトマイズ法等により製造した鉄系粉末を圧縮
成形し更に焼結して成形体を得る鉄系粉末冶金法は、任
意の形状のものを簡単に一体成形し得るという利点を有
しているところから、自動車部品をはじめとして各種機
械部品の製造に幅広く利用されており、その需要は最近
急激に増大してきている。

ところで鉄系粉末冶金においては、圧縮成形時における
鉄系粉末の潤滑性（粉末同士及び粉末と成形型表面との
潤滑性）を高めるため少量の潤滑剤（ステアリン酸亜鉛
やステアリン酸リチウム等）が配合され、また焼結製品
の物性改善のため適量の銅粉やグラファイト粉等が配合
される。また圧縮成形後は以下に示す如く脱ろう、焼結
、冷却の各工程が順次行なわれるが、これらの工程は、
圧縮成形体の酸化、脱炭、浸炭等を防止するため、変成
炭化水素ガス（ＲＸガス）雰囲気で行なうのが通例であ
る。

■鉄系粉末の圧縮成形性を高める為に配合される潤滑剤
を加熱により気化させて除去する脱ろう工程。

■潤滑剤が除去された後の圧縮成形体を加熱して焼結さ
せる焼結工程。

■焼結物を大気酸化を受けない温度まで降温させる冷却
工程。

ところで鉄系粉末冶金においては、上記膜ろう一焼結一
冷却の各工程（以下、−括して焼結工程または単に焼結
ということがある）における種々の要因によってかなり
の膨張または収縮を起こし、焼結の前・後で寸法が変わ
ってくる。そこで従来は、焼結時の寸法変化を見越して
圧縮成形時の金型寸法を調整しておき、焼結後に寸法の
手直しを行なわなくともよい様にしている。しかしそれ
でも十分な寸法精度が得られないことも多く、その様な
場合はサイジング或は機械加工等の２次加工が行なわれ
る。殊に焼結工程における寸法変化が著しい場合は焼結
体寸法のばらつきも大きく、２次加工が不可欠となるば
かりでなく、寸法誤差が極端に大きい場合はサイジング
等による寸法精度の矯正自体が非常に困難になることも
ある。

また焼結工程における膨張量が大きい場合には成形体の
密度が低下し、機械部品として必要な機械的強度を満足
し得なくなることもある。

この様なところから機械部品用鉄系粉末冶金材料には、
焼結工程で生ずる寸法変化率に一定の基準が設けられて
おり、現時点で許容される寸法変化率の限界は成形型の
寸法基準で０．４％程度とされている。また多種類の成
形品の製造に用いられる鉄系粉末冶金材料については、
寸法変化率のばらつきの範囲が０．０２％程度と非常に
厳しい値が要求されている。

膨張・収縮現象には様々の原因が考えられ、それらの原
因に対応して色々の解決策が講じられている。そのうち
代表的なものとしては、焼結時の雰囲気ガスを改善要素
とする特公昭５７−９６０１や同５Ｂ−１０９６３号記
載の方法、鉄系粉末原料に特殊な添加剤を配合する特公
昭５９−３５３４号記載の方法等が挙げられるが、これ
らの方法でも寸法変化率や寸法精度のばらつきを十分に
小さくすることはできない。

こうした状況のもとて本発明者らは、脱ろう雰囲気ガス
として炭素源を含まない非酸化性ガスを使用することに
より寸法変化のばらつきを小さくする方法を開発し、特
開昭６２−１０９９０２号として提案した。ところが通
常の脱ろう→焼結工程は同一炉内で連続的に行なわれ、
且つ焼結工程では脱炭防止のためＲＸガスを使用しなけ
ればならないので、上記公開発明の様に脱ろう工程のみ
を炭素源を含まない非酸化性ガス（ＡｒガスやＮガス等
）雰囲気とするには現に使用中の脱ろう・焼結炉を改造
しなければならず、実用にそぐわない。

［発明が解決しようとする課題〕 本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであっ
て、その目的は、脱ろう工程における雰囲気ガスの種類
や露点、加熱速度の調節等を行なわずとも、脱炭を防止
しつつ寸法精度および機械的性質の優れた焼結体を確実
に得ることのできる焼結用鉄系粉末原料を提供しようと
するものである。

［ｉ！題を解決するための手段］ 上記ｉ！題を解決することのできた本発明に係る焼結用
鉄系粉末原料とは、鉄系粉末に、Ａ１変態点以下の温度
で熱分解して水を生成する物質を１％以下配合してなる
ところに要旨を有するものである。

［作用及び実施例］ 本発明は、粉末冶金用の鉄系粉末（純鉄粉、各種合金鋼
粉、ハイス粉等を含む）に対し、Ａ１変態点以下で熱分
解して水を生成する物質（たとえば硼酸等二以下、水生
成物質ということがある）を１％以下配合したものであ
り、それにより焼結工程での浸炭現象を安定化せしめ、
且つ焼結時の寸法変化および寸法精度のばらつきを著し
く小さくすることができる。水生成物質の配合によって
この様に優れた効果が得られる事実は以下に示す実験結
果によって確認することができる。

まず第１図（Ａ）〜（Ｅ）は、粉末冶金用鉄系粉末原料
の焼結時における挙動を調べるため、５ｔ／ｃｍ２で圧
粉成形したＦｅ−２％Ｃｕ−０，８％Ｃ系成形体をＲＸ
ガス中で焼結したときの熱膨張挙動を示したものである
。

但し、脱ろう条件は下記の通りとした。

第１図（Ａ）；雰囲気ガス（ＲＸガス）の露点ニー５℃
、昇温速度＝２０℃／ｓｉｎ、 ６００℃ｘｏｍｉｎ（潤滑剤なし） 同（Ｂ）、ＲＸガスの露点：１０℃、昇温速度＝１０℃
／ｗｉｎ　、　６００℃ｘ　ｓ　ｏ　ｓｉｎ同（Ｃ）；
ＲＸガスの露点：２０℃、昇温速度＝３０℃／＋＋＋ｉ
ｎ、６００℃×５１ｉｎ　。

同（ｐ）；　　　　　同上 同（Ｅ）−同上 第１図（＾）について説明すると、ａ点でＦｅのα−γ
変態による収縮、ｂ点でＣ（グラファイト）の浸炭によ
る膨張、０点では融解したＣｕのＦｅ粒子への浸透・拡
散による膨張、ｄ点で等温加熱中の収縮、ｅ点でγ−α
変態による膨張が夫々起こっている。

第１図（Ｂ）および（Ｃ）は、上記成分に潤滑剤として
ステアリン酸亜鉛０．７５％を配合したものであり、（
Ｂ）は脱ろう時における雰囲気ガスの露点を低くし、且
つ昇温速度を遅くすると共に６００℃での保持時間を長
くしたもので、ａ点から雰囲気ガスの浸炭による異常膨
張やｂ点のＣｕ融点での異常収縮など、ｆＳｉ図（＾）
とは著しく異なったものとなっている。また第１図（Ｃ
）は脱ろう時における雰囲気ガスの露点を高くし、且つ
急速膜ろうを行なった場合であり、ａ点からの膨張が緩
和されている。

第１図（０）は、上記成分に０．７５％のステアリン酸
亜鉛と０．１％の硼酸を配合したものであり、ａ点から
生ずる異常膨張が殆んど見られなくなり、第１図（＾）
に似た挙動を示している。

第１図（Ｅ）は、上記第１図（Ｄ）の成分における硼酸
の配合量を１．０％に増加したものであり、グラファイ
トの浸炭による膨張が抑制される一方、ＣｕのＦｅ粒子
への浸透・拡散による膨張が大きくなって、ａ点で特異
な異常膨張を示す。

尚′ｔＳ１図（＾）〜（Ｅ）に示した様な焼結時の挙動
において、昇温開始時の体積と焼結後降温した状態にお
ける寸法の差の小さいものが、寸法安定性に優れ且つ寸
法変化のばらつきも小さいことを表わしており、第１図
（Ｄ）の挙動からも明らかである様に粉末冶金用鉄系原
料中に少量の硼酸を加えることによって、焼結時の異常
膨張が抑えられて寸法安定性を著しく改善し得ることが
分かる。

次に第２図は、Ｆｅ−２％Ｃｕ　−０，８％Ｃ−〇、７
５％ステアリン酸亜鉛よりなる粉末およびＦｅ−２％Ｃ
ｕ　−０，８％Ｃ−０，７５％ステアリン酸亜鉛−０，
１％硼酸よりなる粉末を使用し、脱ろう時における雰囲
気ガス（ＲＸガス）の露点と焼結前後の寸法変化率の関
係を調べた結果を示したものである。但し焼結条件は、
雰囲気ガス（ＲＸガスの露点ニー５℃）中、昇温速度：
２０℃／ｇｉｎ。

加熱時間：１１３０℃Ｘ　２０　ｓｉｎとした。

第２図からも明らかな様に、硼酸を添加しないものでは
、脱ろう雰囲気ガスの露点、脱ろうの加熱速度や保持時
間によって寸法変化率が著しく変動するが、適量の硼酸
を配合すると、脱ろう雰囲気ガスの露点、加熱速度や保
持時間が変わフた場合でも寸法変化率への影響は非常に
小さくなっている。

また第３図は、Ｆｅ−２％Ｃｕ　−０，８％Ｃ−０，７
５％ステアリン酸亜鉛を基本組成とし、硼酸の配合率を
変えた場合における寸法変化の標準偏差に及ぼす影響を
調べた結果を示した実験グラフである。但し実験条件は
下記の通りとした。

脱ろう工程： ＲＸガス（露点：２０℃）中、昇温速度：２０℃／ｗｉ
ｎ、　６００℃Ｘ５ｍ１ｎ焼結工程； ＲＸＸガスＣ８コニ−５）中、昇温速度＝２０℃／＋ｉ
ｎ、　１１３０℃ｘ　２０　ｗｉｎ第３図からも明らか
な様に、焼結用Ｆｅ系粉末中に少量の硼酸を含有させる
と、焼結時における寸法変化のばらつきの標準偏差は非
常に小さくなる。しかし硼酸量が０．２〜０．３％を超
えると標準偏差は大きくなる傾向を示し、１％を超える
と硼酸無添加のものよりも標準偏差はかえって大きくな
る。この様なところから本発明では硼酸添加量を１％以
下と定めたが、標準偏差を小さくするうえでより好まし
い添加量は０．０５〜０．６％の範囲である。

第４図は、Ｆｅ−２％Ｃｕ−０，８％Ｃ−０，７５％ス
テアリン酸亜鉛粉末またはＦｅ−２％Ｃｕ−０，８％Ｃ
−０，７５％ステアリン酸亜鉛−〇、１％硼酸粉末を使
用し、脱ろう・焼結雰囲気ガスの露点と焼結体中のＣ量
の関係を調べた結果を示す実験グラフである。但し、焼
結条件は、雰囲気ガス（ＲＸガス、露点ニー５℃）中、
昇温速度：２０ｔｌ：／ｗｉｎ、　　１１３０℃Ｘ　２
０　ｓｉｎとした。

第４図からも明らかである様に、硼酸末配合のものでは
脱ろう条件によって焼結体のＣ量がかなり変動するのに
対し、適量の硼酸を加えたものでは脱ろう条件による焼
結体中Ｃ量の変動は殆んど見られず、安定したＣ量の焼
結体を得ることができる。

更に第５図は、硼酸添加量を変えた場合における焼結体
の引張強さに与える影響を調べた結果を示したものであ
り、実験条件は第３図の場合と同じとした。この図から
も明らかである様に、硼酸の添加量が１％を超えると焼
結体の引張強さに悪影響が現われてくるので、こうした
観点から硼酸の添加量は１％以下に抑えるべきである。

上記第１〜５図からも明らかである様に、焼結用鉄系粉
末中に適量の硼酸を含有させておくと、脱ろうにおける
異常膨張が著しく抑えられ、脱ろう条件や雰囲気ガスの
露点等に殆んど影響を受けることなく、且つ浸炭による
Ｃ量の変動が少なくて寸法変化率およびそのばらつきの
小さな焼結体を得ることができる。

硼酸の添加によってこの様な優れた効果が発揮される理
由はまだ明らかにされていないが、次の様なことが考え
られる。

■例えば潤滑剤として配合されるステアリン酸亜鉛は脱
ろう乃至焼結条件下で熱分解して金属Ｚｎを生成し、こ
のＺｎは雰囲気ガス（ＲＸガス）中で生じる下記反応の
触媒として作用するものと考えられる。

２ＣＯ→ＣＯ，＋Ｃ ＣＨ４→２Ｈ２＋Ｃ そして生成するＣは浸炭源となって鉄粉中へ浸入し、異
常膨張を起こす原因になると思われる。

しかし上記Ｚｎは硼酸の熱分解によって生成する水と反
応して酸化物となり ２ＨｓＢＯｓ→Ｂ２Ｏ３＋３Ｈ２０ Ｚｎ＋Ｈ２０→ＺｎＯ＋Ｈ２ 上記の様な触媒活性を失なうため、浸炭が起こり難くな
ることが考えられる。

■硼酸は上記の様に熱分解して水を生成すると共に酸化
硼素に変るが、この酸化硼素は低融点（ｍｐ、４５０℃
）の粘稠物であり、これが鉄粉の表面を覆って浸炭防止
層を形成し、浸炭を抑制することも考えられる。

従ってこうしたことから考えると、硼酸以外にも、熱分
解によって水を放出し或は浸炭防止膜形成物質を生成し
得る種々の物質が同様の効果を発揮し得るものと考えら
れる。そこで硼酸以外の種々の物質についてその添加効
果を調べたところ、添加される鉄系粉末のＡ３点以下の
温度で分解して水を生成する物質であれば、硼酸に似た
作用効果を発揮し得ることが確認された。この様な物質
の具体例としては硼砂などの硼酸塩、蓚酸やその塩等が
挙げられ、これらについても１％以下の添加でその効果
が有効に発揮されることが確認された。しかし熱分解温
度がＡ１点を超えるものではグラファイトの鉄への浸炭
を阻害するなど、むしろ有害に作用する。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、焼結用鉄系粉末中
に、特定温度以下で熱分解して水を生成する物質を少量
含有させておくだけで、脱ろう・焼結時の雰囲気ガスの
露点や温度条件等に殆んど影響されることなく過度な浸
炭を阻止することができ、それに伴なって脱ろう時の異
常膨張が防止され、寸法変化率が小さく且つそのばらつ
きの少ない焼結体を提供し得ることになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は粉末冶金用鉄系粉末の焼結時における膨張率の
変化を示すグラフ、第２図は脱ろう雰囲気の露点と焼結
体の寸法変化率の関係を示すグラフ、第３図は硼酸の添
加量と焼結体寸法のばらつきの標準偏差との関係を示す
グラフ、第４図は脱ろう雰囲気の露点と焼結体のＣ量と
の関係を示すグラフ、第５図は硼酸の添加量と焼結体の
引張強さとの関係を示すグラフである。 温 度 ｆ　℃　） 脱ろう雰囲気の露点（１） 硼酸配合量（％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　鉄系粉末に、Ａ＿１変態点以下の温度で熱分解して水
   を生成する物質を１重量％以下配合してなることを特徴
   とする焼結用鉄系粉末原料。