(57)【要約】【課題】本発明は、高強度の焼結体が得られる粉末冶金用鉄粉を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の一態様に係る粉末冶金用鉄粉は、Ｃが０．００５質量％以下、Ｓｉが０．０３０質量％以下、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｓが０．０２０質量％以下、Ｏが０．１５質量％以下、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒの合計が３．０質量％以下、且つ残部がＦｅ及び不可避不純物である組成を有し、タップ密度が３．９０ｇ／ｃｍ３以上４．２０ｇ／ｃｍ３以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃが０．００５質量％以下、
Ｓｉが０．０３０質量％以下、
Ｐが０．０２０質量％以下、
Ｓが０．０２０質量％以下、
Ｏが０．１５質量％以下、
Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒの合計が３．０質量％以下、且つ
残部がＦｅ及び不可避不純物である組成を有し、
タップ密度が３．９０ｇ／ｃｍ３以上４．２０ｇ／ｃｍ３以下である粉末冶金用鉄粉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末冶金用鉄粉に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末を圧粉成形した後に焼結することにより金属部品を形成する粉末冶金が広く行われている。粉末冶金では、一般に、圧粉体の密度を大きくすること、つまり圧粉体の空隙率を小さくすることによって、得られる金属焼結体の機械的強度を大きくすることができる。また、粉末冶金では、圧粉体の強度を大きくすることで、得られる金属焼結体の寸法精度を向上し、歩留まりを増大することができる。
【０００３】
特開平４−１７３９０１号公報には、粉末冶金用鉄粉の見掛密度、つまり静置状態の粉末のかさ比重を比較的大きくすることによって圧粉体の密度を大きくできるが、一定以上に見掛密度を大きくすると圧粉体の強度が不十分となることが記載されている。しかしながら、本発明者らが検証したところ、圧粉体の強度低下が問題となり始める限界領域では、組成が同じ粉末冶金用鉄粉の見掛密度の大小関係と圧粉体の密度との大小関係とが逆転することも少なくないことが分かった。
【０００４】
圧粉成形時の成形圧力を高くすれば圧粉体の密度を大きくすることで、圧粉体の密度を大きくすると共に圧粉体の強度を向上することができるが、成形圧力の増大は金型の寿命が短くなる等の不都合を生じるため、金属部品の生産効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１７３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記不都合に鑑みて、本発明は、高強度の焼結体が得られる粉末冶金用鉄粉を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る粉末冶金用鉄粉は、Ｃが０．００５質量％以下、Ｓｉが０．０３０質量％以下、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｓが０．０２０質量％以下、Ｏが０．１５質量％以下、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒの合計が３．０質量％以下、且つ残部がＦｅ及び不可避不純物である組成を有し、タップ密度が３．９０ｇ／ｃｍ３以上４．２０ｇ／ｃｍ３以下である。
【０００８】
当該粉末冶金用鉄粉は、タップ密度を上記範囲内としたことによって、最密充填状態となるように鉄粉粒子を再配列させることが容易であるので、圧粉成形時の圧縮性に優れ、最終的に得られる焼結体の強度が大きい。
【０００９】
ここで、「タップ密度」とは、ＪＩＳ−Ｚ２５１２（２０１２）に準拠して測定される値である。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の一態様に係る粉末冶金用鉄粉は、圧粉体の密度が大きく、高強度の焼結体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】粉末冶金用鉄粉のタップ密度と圧粉体の密度との関係を示すグラフである。
【図２】粉末冶金用鉄粉のタップ密度と圧粉体のラトラー値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
【００１３】
［粉末冶金用鉄粉］
本発明の一実施形態に係る粉末冶金用鉄粉は、Ｃが０．００５質量％以下、Ｓｉが０．０３０質量％以下、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒの合計が３．０質量％以下、且つ残部がＦｅ及び不可避不純物である組成を有し、タップ密度が３．９０ｇ／ｃｍ３以上４．２０ｇ／ｃｍ３以下である。
【００１４】
＜Ｃ（炭素）＞
Ｃは、固溶して当該粉末冶金用鉄粉の粒子を硬化させる元素である。また、Ｃは、他の不純物と結合して微細な炭化物を形成することによっても、鉄粉粒子を硬化させ得る。鉄粉粒子が硬くなると、圧粉成形時に変形し難くなるので、成形性が低下して圧粉体の密度が低下する。このため、当該粉末冶金用鉄粉におけるＣの含有量の上限としては、０．００５質量％であり、０．００３質量％が好ましく、０．００２質量％がより好ましい。
【００１５】
＜Ｓｉ（珪素）＞
Ｓｉは、酸素と結合しやすい元素であり、当該粉末冶金用鉄粉の粒子表面に酸化皮膜を形成する。このＳｉによる酸化皮膜は還元が容易でないので、得られる焼結体の強度を低下させる。またＳｉは、鉄粉粒子を硬化させる作用を有するため、当該粉末冶金用鉄粉の圧縮性（圧粉体の密度及び強度）を低下させる。このため、Ｓｉの含有量の上限としては、０．０３０質量％であり、０．０２０質量％が好ましく、０．０１５質量％がより好ましい。
【００１６】
＜Ｐ（リン）＞
Ｐは、鉄粉粒子を硬化させて、圧縮性を低下させる元素である。このため、Ｐの含有量の上限としては、０．０２０質量％であり、０．０１７質量％が好ましく、０．０１５質量％がさらに好ましい。
【００１７】
＜Ｓ（硫黄）＞
Ｓは、鉄粉粒子を硬化させて、圧縮性を低下させる元素である。このため、Ｓの含有量の上限としては、０．０２０質量％であり、０．０１５質量％が好ましく、０．０１０質量％がさらに好ましい。
【００１８】
＜Ｏ（酸素）＞
Ｏは、鉄粉粒子を硬化させて、圧縮性を低下させる元素である。このため、Ｏの含有量の上限としては、０．１５質量％であり、０．１２質量％が好ましく、０．１０質量％がさらに好ましい。
【００１９】
＜Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ＞
Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒは、固溶して当該粉末冶金用鉄粉を圧粉成形及び焼結して得られる焼結体の強度を向上するために添加される元素である。ただし、これらの元素の含有量が大きくなり過ぎると、鉄粉粒子が硬くなり過ぎて圧縮性が不十分となるおそれがある。このため、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒの合計含有量の上限としては、３．０質量％であり、２．５質量％が好ましく、２．０質量％がさらに好ましい。
【００２０】
＜タップ密度＞
タップ密度は、鉄粉粒子の再配列のしやすさを表す指標であり、真比重が一定であるとするとその値が大きい程鉄粉粒子がより緻密で空隙率が小さい充填状態に再配列しやすい。このため、タップ密度が大きい程、圧縮性が高く、圧粉成形が容易であり、比較的低い圧力でより密度が大きい圧粉体を得ることができる。一方、タップ密度が過度に大きくなると、鉄粉粒子同士の接着性が不足して得られる圧粉体の強度が不十分となるおそれがある。このため、当該粉末冶金用鉄粉のタップ密度の下限としては、３．９０ｇ／ｃｍ３であり、３．９５ｇ／ｃｍ３が好ましく、３．９７ｇ／ｃｍ３がより好ましい。一方、当該粉末冶金用鉄粉のタップ密度の上限としては、４．２０ｇ／ｃｍ３であり、４．１５ｇ／ｃｍ３が好ましく、４．１０ｇ／ｃｍ３がより好ましい。
【００２１】
＜粒度分布＞
当該粉末冶金用鉄粉における平均目開き４５μｍの平織り金網を通過する粒子の含有率の下限としては、１０質量％が好ましく、１２質量％がより好ましい。一方、当該粉末冶金用鉄粉における平均目開き４５μｍの平織り金網を通過する粒子の含有率の上限としては、２０質量％が好ましく、１８質量％がより好ましい。当該粉末冶金用鉄粉における平均目開き４５μｍの平織り金網を通過する粒子の含有率が上記下限に満たない場合、当該粉末冶金用鉄粉の焼結体の強度が不十分となるおそれがある。逆に、当該粉末冶金用鉄粉における平均目開き４５μｍの平織り金網を通過する粒子の含有率が上記上限を超える場合最終的に得られる圧粉体の強度が不十分となるおそれがある。
【００２２】
＜圧粉体の密度＞
当該粉末冶金用鉄粉にステアリン酸亜鉛を０．７５質量％添加して７ｔｆ／ｃｍ２の成形圧力で成形したときに得られる圧粉体の密度の下限としては、７．２０ｇ／ｃｍ３が好ましく、７．２２ｇ／ｃｍ３がより好ましい。上記圧粉体の密度が上記下限に満たない場合、最終的に得られる焼結体の強度が不十分となるおそれがある。
【００２３】
＜圧粉体の強度＞
当該粉末冶金用鉄粉にステアリン酸亜鉛を０．７５質量％添加して７ｔｆ／ｃｍ２の成形圧力で成形したときに得られる圧粉体の強度の指標であるラトラー値の上限としては、０．７５％が好ましく、０．７０％がより好ましい。上記圧粉体のラトラー値が上記上限を超える場合、圧粉体の強度が不足して焼結体の寸法精度や歩留まりが不十分となるおそれがある。なお、「ラトラー値」とは、ＪＳＰＭ標準４−６９に準拠して測定される値である。
【００２４】
＜製造方法＞
当該粉末冶金用鉄粉は、上述の組成に調製した溶鉄に水を噴射して粉末化する水アトマイズ工程と、この水アトマイズ工程で得られた粉末を還元性ガス雰囲気中で加熱する還元工程と、還元工程で固化した鉄粉を粉砕する粉砕工程とを備える方法により製造することができる。
【００２５】
（水アトマイズ工程）
上記水アトマイズ工程では、炉から流下する溶鉄に水を噴射することによって噴射する微細な鉄粉を得る。この水アトマイズ工程では、噴射する水の水圧を調節することによって、得られる粉末冶金用鉄粉のタップ密度を上述の範囲内に調節する。具体的には、水圧を大きくする程得られる粉末冶金用鉄粉のタップ密度は小さくなる。
【００２６】
（還元工程）
上記還元工程では、還元性ガス環境下で加熱することにより、水アトマイズ工程で酸化した鉄粉を還元する。
【００２７】
上記還元性ガスとしては、例えば水素ガス、アンモニアガス、ブタンガスを用いることができる。
【００２８】
（粉砕工程）
上記粉砕工程では、上記還元処理によりケーキ状に固化した鉄粉をミルで粉砕する。鉄粉を十分に粉砕することにより、得られる当該粉末冶金用鉄粉の粒度分布を上記水アトマイズ工程において得られた鉄粉の粒度分布に準ずるものとして、所望のタップ密度を担保する。
【００２９】
この粉砕工程で用いるミルとしては、例えばハンマーミル、フェザーミル等を用いることができる。
【００３０】
また、この粉砕工程では、粉砕後の鉄粉を金網で分級して、大きい粒子をミルに再投入することが好ましい。
【００３１】
＜利点＞
当該粉末冶金用鉄粉は、タップ密度を上記範囲内としたことによって、見掛密度が大きくなるように鉄粉粒子を再配列が容易であるので、圧粉成形時の圧縮性に優れ、且つ十分な強度を有する圧粉体を得ることができる。このため、当該粉末冶金用鉄粉は、強度が大きい焼結体を効率よく製造することができる。
【００３２】
［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００３４】
電気炉を用いて溶鉄を調製し、電気炉から流下させた溶鉄に水を噴射する水アトマイズ法により粉末化した。このとき、噴射する水の圧力は３０〜６０ｋｇｆ／ｃｍ２の低圧、６０〜９０ｋｇｆ／ｃｍ２の中圧、９０〜１２０ｋｇｆ／ｃｍ２の高圧の３種類の範囲で選択した。次に、得られた鉄粉を脱水及び乾燥し、４２５μｍにて粗粉を除去した後、分解アンモニアガス雰囲気中で８８０〜９８０℃の温度範囲で３０〜６０分の還元処理を施した。そして、還元処理されてケーキ状に固化した鉄粉をハンマーミルとフェザーミルにて粉砕し、目開き４２５μｍ、２５０μｍ又は１８０μｍの金網でふるい分けを行って、粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９を得た。
【００３５】
こうして得られた粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９の組成を分析した。Ｃ及びＳの含有率は、ＬＥＣＯ社の炭素・硫黄分析装置「ＣＳ−２４４」を用いて測定した。Ｏの含有率は、ＬＥＣＯ社の酸素・窒素分析装置「ＴＣ−４００」を用いて測定した。Ｃ、Ｓ及びＯ以外の元素の含有率は、島津製作所社のＩＣＰ発行分析装置「ＩＣＰＶ−５５００」を用いて測定した。試作品Ｎｏ．１〜９の組成の分析結果を次の表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
さらに、粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９の粒度分布、及びタップ密度を測定した。なお、粒度分布は、ＪＩＳ−Ｚ８８１５（１９９４）に準拠したふるい分け試験によって測定した。タップ密度は、ＪＩＳ−Ｚ２５１２（２０１２）に準拠して測定した。
【００３８】
粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９に潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．７５％添加混合した粉末を７ｔｆ／ｃｍ２の成形圧力で圧粉成形して直径１１．２８ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状の圧粉体を作成した。得られた圧粉体の密度及びラトラー値を測定した。圧粉体の密度は、ＪＩＳ−Ｚ２５０１（２０００）に準拠して測定した。また、圧粉体のラトラー値は、ＪＳＰＭ標準４−６９に準拠して測定した。
【００３９】
粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９の粒度分布、及びタップ密度、並びに粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９の圧粉体の密度及びラトラー値を次の表２にまとめて示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
さらに、図１に粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９のタップ密度と圧粉体の密度との関係を示し、図２に粉末冶金用鉄粉の試作品Ｎｏ．１〜９のタップ密度と圧粉体のラトラー値との関係を示す。
【００４２】
図示するように、タップ密度と圧粉体の密度及びラトラー値とは略比例関係にあることが確認された。より詳しくは、圧粉体の密度を焼結後に十分な強度が得られる７．２０ｇ／ｃｍ３以上とし、且つ圧粉体のラトラー値を割れや欠けが許容範囲となる０．７５％以下とするためには、粉末冶金用鉄粉のタップ密度を３．９０ｇ／ｃｍ３以上４．２０ｇ／ｃｍ３以下とすればよいことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る粉末冶金用鉄粉は、例えば歯車等の機械部品の製造に好適に用いることができる。
【図１】
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【図２】
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