(57)【要約】【課題】  鉄粉を含む混合粉を成形・焼結するときに、焼結体の異常膨張を防止することのできる技術を提供する。【解決手段】  ベース原料である鉄粉と２．８〜６．０質量％（混合粉全体を１００質量％とする）のＣｕ粉とを含む混合粉を成形した後、ＲＸガス雰囲気中で焼結して焼結体を製造するとき、異常膨張することがある。Ｎａの含有率（鉄粉を基準としたときの質量比率）が３０ｐｐｍ以下である鉄粉を用いれば、焼結時の異常膨張を防止できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース原料である鉄粉と２．８〜６．０質量％（混合粉全体を１００質量％とする）のＣｕ粉を含む混合粉を成形した後、ＲＸガス雰囲気中で焼結する焼結体の製造方法であって、
前記鉄粉はＮａの含有率（鉄粉を基準としたときの質量比率）が３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする、焼結時の異常膨張を防止可能な焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末冶金法に基づく焼結体の製造技術に関し、詳細には焼結時の異常膨張を防止することのできる焼結体製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
焼結体は、例えば、水アトマイズ法によって製造される鉄粉（水アトマイズ鉄粉）を、焼結体の機械的強度を向上させるための金属粉（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの粉）、Ｃ源（グラファイトなど）など、及び必要に応じてバインダや潤滑剤などと混合し、成形した後、焼結することによって製造されている。
【０００３】
焼結体を製造する場合、焼結前と焼結後の寸法変化率を適切に制御することが重要であり、例えば特許文献１には、以下のように記載されている。すなわち「寸法変化は、焼結反応による収縮、鉄粉に混合された黒鉛粉からγ域の鉄粉中への浸炭反応による膨張、Ｃｕの拡散による膨張等が複雑に作用し合い、一般的には膨張方向に現れるので、焼結後にサイジング加工を負荷して規定寸法に一致されている。しかしこのときの寸法変化率が大き過ぎるとサイジング加工の負荷が多くなり、また小さ過ぎるとサイジング加工が不可能になる等、焼結部品の製造に際して種々の不都合を生じる。そこで焼結部品の形状やサイジング加工機側の事情等に対応し得る様に寸法変化率を正確にコントロールすることが必要である。寸法変化率は焼結条件（温度、時間、雰囲気ガス組成等）、バインダ等の副資材条件（化学的性質、銘柄、混合量等）、鉄粉の成分条件（Ｏ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ等の含有量、或いは粒度等）などにより変化することが知られているが、これらの既知の要件を一定に制御しても寸法変化率が大きく変動することがあり、場合によっては大量の鉄粉原料或は焼結製品を廃棄処分しなければならないこともある。」
【０００４】
そしてこの特許文献１は、鉄粉中のＮａの含有量が少なくなるほど、焼結後の寸法が大きくなる（膨張する）ことを解明し、Ｎａ量をコントロールすることによって、焼結体の寸法変化率をコントロールすることに成功している。Ｎａの含有量が少なくなるほど、焼結体の寸法が大きくなる理由としては、「焼結工程中には黒鉛粉のＣ原子が高温のγ晶中に浸入するが、この浸入を妨げる条件の下ではＣの浸入による膨張よりも焼結による収縮作用が勝ることとなって寸法変化率が減少方向に向かう」こと、そして「ナトリウム原子はＣ原子の浸入を妨げる作用を有するため、ナトリウム原子を極力抑制してＣ原子の浸入を十分に行わせる様にすれば、Ｃの浸入による膨張作用が発揮されて寸法変化率が大きくなる」ことが挙げられている。
【０００５】
例えば特許文献１では、Ｆｅ−２．０％Ｃｕ−０．９％グラファイト−０．７５％ステアリン酸亜鉛からなる焼結原料を、７５％Ｈ2−２５％Ｎ2のＡＸガス下で焼結するときに、鉄粉中のナトリウムを３０ｐｐｍ以下とすることによって寸法変化率を高くしている。
【特許文献１】特許第３２０１０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らが焼結体の製造を種々試みているとき、焼結体が異常に膨張するという現象に遭遇した。そこで鉄粉中のＮａ含有率を測定してみると、Ｎａは十分に鉄粉中に含まれていた。Ｎａ含有率が多い場合、上述したようにＣ原子の浸入を妨げ、収縮作用が勝って寸法変化率が減少方向に向かうため、このＮａ含有率が多いことは異常膨張の原因ではないと推察された。
【０００７】
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、鉄粉を含む混合粉を成形・焼結するときに、焼結体の異常膨張を防止することのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、意外にも特許文献１の教示とは全く逆に本発明の場合にはＮａ含有率が多いほど焼結体が膨張しやすくなっていること、そしてその原因は混合粉中のＣｕ含有率が２．０質量％である特許文献１に比べて、Ｃｕ含有率が２．８質量％以上まで増大している為であることを突き止め、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明に係る焼結体の製造方法は、ベース原料である鉄粉と２．８〜６．０質量％（混合粉全体を１００質量％とする）のＣｕ粉とを含む混合粉を成形した後、ＲＸガス雰囲気中で焼結する焼結体の製造方法に関するものであり、前記鉄粉のＮａの含有率（鉄粉を基準としたときの質量比率）が３０ｐｐｍ以下である点に要旨を有している。本発明によれば焼結時の異常膨張を防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
ベース原料である鉄粉と２．８〜６．０質量％（混合粉全体を１００質量％とする）のＣｕ粉とを含む混合粉を成形した後、ＲＸガス雰囲気中で焼結して焼結体を製造するとき、異常膨張することがある。Ｎａの含有率（鉄粉を基準としたときの質量比率）が３０ｐｐｍ以下である鉄粉を用いれば、焼結時の異常膨張を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、ベース原料である鉄粉と２．８質量％以上（好ましくは３．０質量％以上）のＣｕ粉とを含む混合粉を成形した後、ＲＸガス（例えばＣＯ：２０〜３０体積％程度、Ｈ2：３０〜４０体積％程度、ＣＯ2：０．１〜０．８体積％程度、ＣＨ4：０〜０．３体積％程度、残りはＮ2）雰囲気中で焼結することを目的としている。なお前記Ｃｕ粉の量は混合粉全体を１００質量％としたときの値である。Ｃｕ粉の配合量が特許文献１の２．０質量％よりも多くしているのは、焼結体の機械的強度をさらに向上させる為である。そしてＣｕ粉の配合量が２．８質量％以上の場合、２．０質量％のときとは反対に、鉄粉中のＮａ含有率が多い程、焼結体の寸法変化率が大きくなる傾向があり、異常膨張が生じやすくなる。そこで本発明では、鉄粉中のＮａの含有率（鉄粉を基準としたときの質量比率）を３０ｐｐｍ以下（好ましくは２０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１５ｐｐｍ以下）に抑制している。鉄粉中のＮａ含有率を抑制することによって焼結時の異常膨張を防止できる。
【００１２】
Ｃｕ含有率を２．８質量％以上としたときの膨張・収縮挙動を図１に従って説明する。図１はＦｅ−３．０質量％Ｃｕ−０．９質量％グラファイト−０．７５質量％ステアリン酸亜鉛からなる混合粉を成形した後、ＲＸガス下での焼結のために炉の温度を変化させたときの寸法変化率の推移を示している。
【００１３】
例えば図１中の実線（実験例１）は、鉄粉中のＮａ含有率が約１０ｐｐｍと小さいときの寸法変化率の推移を示しており、昇温開始点（図中Ａ）からＲＸガスの分解開始点（図中Ｂ）までは昇温によって線形的に膨張し、ＲＸガスの分解開始温度（図中Ｂ）で一旦不連続に膨張した後、さらにオーステナイト化開始温度（図中Ｃ）までは線形的に膨張していく。その後、オーステナイト化に伴う収縮化と、オーステナイト化によるＣ固溶量の増大によって引き起こされる浸炭の進行に伴う膨張化とが同時に生じ、全体としてはオーステナイト化終了温度（図中Ｄ）までは収縮傾向で推移し、オーステナイト化終了（図中Ｄ）後は浸炭による大きな膨張が浸炭終了（図中Ｅ1）まで観察される。その後は、昇温による線形膨張に移行し、Ｃｕの溶解による不連続な膨張（図中Ｆ）が起きた後、焼結が行われ、次いで降温によって線形的に収縮していく。
【００１４】
ところが鉄粉中のＮａ含有率が約１８ｐｐｍと大きくなると［図１中の点線（実験例２）参照］浸炭終了（図中Ｅ2）が遅れるようになり、Ｎａ含有率が約３００ｐｐｍまで大きくなると［図１中の一点鎖線（実験例３）参照］浸炭が終了することなくＣｕの溶解（図中Ｆ）が始まってしまう。
【００１５】
以上のことから、特許文献１とは逆に本件発明では、Ｎａ含有率が多い程、膨張しやすくなる傾向を示すのは、以下の理由によるものと推察される。すなわちＮａ含有率が多い程、焼結工程中のＣの浸入が妨げられ、浸炭に起因する膨張が妨げられるのは、特許文献１と同様である。しかしＣの浸入が妨げられると、Ｆｅ原子とＣｕ原子の接触角が広くなり、またＦｅ−Ｃｕ間の濡れ性がよくなるため、Ｃｕの拡散に起因する膨張が逆に生じやすくなる。特許文献１の場合にはＣｕが２．０質量％と少なかったため、Ｃｕによる膨張作用よりも浸炭防止による膨張抑制作用の影響が強くなり、全体としては膨張し難くなっていたのに対して、本件発明の場合にはＣｕが２．８質量％以上と多くなっているため、浸炭防止による膨張抑制作用よりもＣｕによる膨張作用の影響が強くなり、全体としては膨張しやすくなっているためであると推察される。
【００１６】
なおＣｕの含有率の上限は、６．０質量％以下（特に４．０質量％以下）である。
【００１７】
また前記混合粉はベース原料である鉄粉に、上記のＣｕ粉の他、通常、副原料（例えば、潤滑剤、バインダー）などを添加したものであり、本発明に悪影響を与えない範囲で改質原料（他の金属粉など）を添加してもよい。
【００１８】
ところで鉄粉中のＮａ含有率が増大する原因としては、特許文献１に記載されているような要因、すなわち鉄粉を製造するときに使用するアトマイズ水中のＮａ含有率が増大することが挙げられる。従ってアトマイズ水中のＮａ含有率を抑制することによって鉄粉中のＮａ含有率を抑制することができる。
【実施例】
【００１９】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２０】
実験例１
Ｃｕ、グラファイト、ステアリン酸亜鉛、及び粉末冶金用水アトマイズ鉄粉［株式会社神戸製鋼所製「アトメル３００Ｍ」；Ｎａ含有率１０ｐｐｍ（質量基準）］を、Ｃｕ：３．０質量％、グラファイト：０．９質量％、ステアリン酸亜鉛：０．７５質量％、鉄粉：残部の割合で十分に混合した。混合粉を金型に充填し、加圧することによって大きさ８ｍｍ×８ｍｍ×３３ｍｍ、密度６．８０±０．０２ｇ／ｃｍ3の直方体に成形した。この成形体を下記条件で焼結し、焼結中の成形体の寸法変化率（焼結前を基準としたときの外形寸法の変化率）を測定した。
【００２１】
昇温速度：１５℃／分（ただし脱ろうの為、温度６６０℃で１０分間温度をキープした）
焼結：１１２０℃×１０分間
冷却速度：１５℃／分
雰囲気ガス：ＲＸガス（ＣＯ：２４体積％、Ｈ2：３２体積％、ＣＯ2：０．３体積％、ＣＨ4：０．１体積％、残りはＮ2）
【００２２】
実験例２
粉末冶金用水アトマイズ鉄粉をＮａ含有率１８ｐｐｍのものに代えて、実験例１と同様にした。なおＮａ含有率が実験例１と異なるのは、ロット間の品質の相違のためである。
【００２３】
実験例３
粉末冶金用水アトマイズ鉄粉に、さらにＮａ2ＳＯ4を０．１質量％添加する以外は、実験例１と同様にした。Ｎａ含有率は、３３４ｐｐｍ相当（質量基準）となる。
【００２４】
結果を図１に示す。鉄粉１００質量％に対してＣｕを３．０質量％以上配合した場合には（実験例１〜３）、図１から明らかなように、Ｎａ含有率が多いと（実験例３）成形体は異常膨張する。これに対してＮａ含有率が少ないと（実験例１〜２）、成形体の異常膨張を防止できる。
【００２５】
実験例４
種々のロットの粉末冶金用水アトマイズ鉄粉「アトメル３００Ｍ」を用い、Ｆｅ−３質量％Ｃｕ−０．９質量％グラファイト−０．７５質量％ステアリン酸亜鉛の割合で配合した後、金型に充填することによってリング状体に成形した（外径６４ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ２０ｍｍ、密度６．８０ｇ／ｃｍ3）。この成形体を焼結（焼結温度１１２０℃、焼結時間２０分、ＲＸガス）し、焼結後の寸法変化率（焼結前を基準としたときの外形寸法の変化率）を測定した。
【００２６】
上記焼結をＮａ含有量が異なる種々のリング状体に対して行い、一の例の寸法変化率Ｓstdを基準にとり、他の例の寸法変化率Ｓxとの差（Ｓx−Ｓstd）を求めた。
【００２７】
鉄粉中のＮａ含有率と寸法変化率差（Ｓx−Ｓstd）との関係を図２に示す。
【００２８】
図２から明らかなように、鉄粉中のＮａ含有率が多くなるにつれて成形体の寸法変化率が大きくなり、異常膨張し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は焼結中の寸法変化率の挙動を示すグラフである。
【図２】図２は鉄粉中のＮａ含有率と寸法変化率差（Ｓx−Ｓstd）との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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