(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
C 含有量0.02wt% 以下、Mn含有量0.4wt%以下、Cr含有量0.4wt%以下、Si含有量0.1wt%以下、S 含有量0.1wt%以下、P 含有量0.03wt% 以下、残部がFeと不可避的不純物を含む溶鋼を、鋼の融点＋100 ℃以下の温度において、8.8MPa以上の水圧で、雰囲気の酸素濃度が5%以下の非酸化性ガス中で水により噴霧し、還元・焼鈍工程を経ることなく、C 含有量0.005wt%以下、O 含有量1.0wt%以下、Mn含有量0.4wt%以下、Cr含有量0.4wt%以下、Si含有量0.1wt%以下、S 含有量0.1wt%以下、P 含有量0.03wt% 以下、残部がFeと不可避的不純物からなり、490MPaの成形圧力において成形されたのちの圧粉体のラトラー値 RV(%)と圧粉密度 GD(Mg/m3)が、次(1) 式
RV≦4.25×GD-26       ………  (1)
を満足するアトマイズ鉄粉とすることを特徴とする圧縮性、成形性および焼結体特性に優れた粉末冶金用水アトマイズ鉄粉の製造方法。
【請求項２】
前記水圧を10.8MPa 以上とし、-325メッシュの鉄粉を30％以上含むアトマイズ鉄粉とすることを特徴とする、請求項１記載の粉末冶金用水アトマイズ鉄粉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水を用いた噴霧法により製造される粉末冶金用鉄粉もしくは粉末鍛造用鉄粉およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水アトマイズ鉄粉は、溶鋼に高圧の水ジェットを吹きつけることにより微粉砕し、同時に冷却凝固させることにより製造される。しかし、水アトマイズで噴霧された鉄粉の冷却速度は103 〜106 ℃/ 秒と速く、水アトマイズ状態のままでは焼が入った状態で非常に硬いため、圧粉体成形時に大きな圧縮荷重を必要とするばかりでなく、金型磨耗などの問題を引き起こす。また、高温の鉄粉（溶鋼）が水と接触することにより、M+H2O=MO+H2 なる反応が容易に起こり、粒子表面には酸化皮膜が形成される。この表面酸化被膜は粒子同士の結合を妨げるため、圧粉体としての強度、いわゆる成形性を低下させ、また、焼結体の強度特性を低下させるという問題もある。したがって圧縮性と成形性を確保し、必要な焼結体強度を確保するという観点から、一般的には、後処理として還元・焼鈍工程を施し、水アトマイズ生粉の表面酸化物を還元すると同時に軟化を行っている。しかし、焼鈍工程が必須であるためにそのコストがかかるという問題がある。
【０００３】
焼鈍工程を省略した粉末冶金用鉄粉に関する従来技術としては、特公昭56-45963号公報には、焼鈍・還元工程を経たいわゆる仕上げ粉に、焼鈍・還元工程を経ないアトマイズ生鉄粉を混合することにより鉄粉の特性を改善する方法が開示されている。この公報においては、焼鈍・還元工程を経ない水アトマイズ生鉄粉の使用を試みているものの、焼鈍・還元工程を経ない水アトマイズ生鉄粉単味では所定の特性が得られていないことが示されている。
【０００４】
また、特開昭63-157804 号公報では、噴霧水にアルコールなどを添加することにより噴霧時の酸化と浸炭を極力押さえ、水アトマイズ鉄粉の製造工程の簡略化を試みているが、この公報では得られた鉄粉の酸素量が低いものの、C 量は0.008%以上を含んでいる。0.008%のC が鉄中に含まれると、水アトマイズによる冷却速度では容易に焼が入るため、このままでは到底成形できるものではない。また、この公報には焼結体特性に関する情報は記載されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術に鑑み、後処理としての還元・焼鈍工程を省略することにより製造工程の短縮を図るものである。すなわち本発明の目的は、還元・焼鈍工程を経ずに圧縮性と成形性を確保し、焼結体強度が粉末冶金用鉄粉としての必要十分な特性を達成し得る粉末冶金用水アトマイズ鉄粉を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、C 含有量0.02wt% 以下、Mn含有量0.4wt%以下、Cr含有量0.4wt%以下、Si含有量0.1wt%以下、S 含有量0.1wt%以下、P 含有量0.03wt% 以下、残部がFeと不可避的不純物を含む溶鋼を、鋼の融点＋100 ℃以下の温度において、8.8MPa以上の水圧で、雰囲気の酸素濃度が5%以下の非酸化性ガス中で水により噴霧し、還元・焼鈍工程を経ることなく、C 含有量0.005wt%以下、O 含有量1.0wt%以下、Mn含有量0.4wt%以下、Cr含有量0.4wt%以下、Si含有量0.1wt%以下、S 含有量0.1wt%以下、P 含有量0.03wt% 以下、残部がFeと不可避的不純物からなり、490MPaの成形圧力において成形されたのちの圧粉体のラトラー値 RV(%)と圧粉密度 GD(Mg/m3)が、次(1) 式
RV≦4.25×GD-26       ………  (1)
を満足するアトマイズ鉄粉とすることを特徴とする圧縮性、成形性および焼結体特性に優れた粉末冶金用水アトマイズ鉄粉の製造方法である。また、本発明では、前記水圧を10.8MPa 以上とし、-325メッシュの鉄粉を30％以上含むアトマイズ鉄粉とすることが好ましい。なお、本発明でいう「焼結体特性に優れた」とは、焼結体組成Fe-2%Cu-0.8%C 、焼結密度6.7Mg/m3の焼結体において引張強さ340N/mm2以上、衝撃値10Ｊ/cm2以上の特性を有する場合をいう。
【０００７】
【作用】
発明者らは、従来の技術を検討し、また種々行った実験結果から、まず、アトマイズ生鉄粉において粉末冶金用鉄粉として必要な圧縮性と成形性を確保するには、鉄粉中のC 量とO 量を下げればよいことがわかった。また、Mn、Cr、S 、P 、Siなどの鉄粉中の不純物もある濃度範囲に制限する必要があることがわかった。さらにある程度圧縮性と成形性を確保できるアトマイズ条件において、種々のアトマイズ生鉄粉を試作し、その焼結体の強度について調べたところ、粉末冶金用として必要な強度を確保するには、490MPaの成形圧力において成形された圧粉体のラトラー値(RV:%)と圧粉密度(GD:Mg/m3)の関係が、
RV ≦4.25×GD-26       ………  (1)
である必要があることが分かった。さらに粒子径が篩いメッシュで-325メッシュ（45μm 以下) の鉄粉が30％以上であれば強度の向上が図れることが分かった。
【０００８】
そして、本発明者らはこの知見に基づき、さらに詳細に調べ本発明をするに至った。
まず、本発明において鉄粉成分を限定した理由について述べる。
鉄粉中のC 含有量を0.005wt%以下に限定した理由は、C 含有量が0.005wt%を超えると、水アトマイズ時に溶鋼が水により急冷され、粉末の組織に焼入れ組織が含まれるようになり、かつ、C による固溶硬化により、粉末の硬さが上昇し、十分な圧縮性が得られないためである。
【０００９】
O 含有量を1.0wt%以下に限定した理由は、O 含有量が1.0wt%を超えると、表面の酸化被膜が厚くなるため、成形性が低下するからである。
Mnは圧縮性におよぼす影響が大きく、Mn含有量を0.4wt%以下に限定した理由は、Mn含有量が0.4wt%を超えると、十分な圧縮性が得られないためである。
同様にCr含有量を0.4wt%以下に限定した理由は、Cr含有量が0.4wt%を超えると、十分な圧縮密度が得られないためである。
【００１０】
また、S 、P 、についてそれぞれ0.1wt%以下、0.03wt% 以下に押さえれば十分圧縮性が確保できる。
Si含有量を0.1wt%以下に限定した理由は、Si含有量が0.1wt%を超えると、焼結体の強度が極端に低下するためである。
次に490MPaの成形圧力において成形された圧粉体のラトラー値(RV:%)と圧粉密度(GD:Mg/m3)の関係が、
RV ≦4.25×GD-26       ………  (1)
であることに限定した理由を述べる。
【００１１】
鉄粉に銅粉と黒鉛粉および潤滑剤を混合した系において、圧粉成形した後、1130℃で20分、プロパン分解ガス(RX ガス）中で焼結した。焼結体組成Fe-2%Cu-0.8%C 、焼結密度6.7Mg/m3の焼結体において引張強さ340N/mm2以上、衝撃値10 J/cm2以上の特性を得るには上述の式を満足する必要があった。これはすなわち、圧粉密度が高くてもラトラー値が悪いと所定の強度が得られないこと、さらに換言すれば、圧粉密度が低くてもラトラー値が良ければ（低ければ）一定の強度が得られることを意味している。
【００１２】
さらに、粒子径が篩いのメッシュで-325メッシュ（45μm 以下）の鉄粉を30％以上に限定した理由について述べる。
鉄粉に銅粉と黒鉛粉および潤滑剤を混合した系において、圧粉成形した後、1130℃で20分、プロパン分解ガス（RXガス) 中で焼結した。焼結体組成Fe-2%Cu-0.8%C 、焼結密度6.7Mg/m3の焼結体において引張強さ390N/mm2以上、衝撃値10 J/cm2以上の特性を得るにはさらに粒子径が篩いのメッシュで-325メッシュ（45μm 以下) の鉄粉が30％以上必要であった。
【００１３】
次に本発明の製造方法において、溶鋼中Mn、Cr、Si、S 、P 含有量を規定した理由は、先に述べたとおりアトマイズ生鉄粉中の各元素が圧粉体および焼結体の特性に悪影響を及ぼすためである。
また、噴霧に用いる溶鋼中のC 含有量を0.02wt% 以下に限定した理由は、これを超えると、噴霧後のアトマイズ生鉄粉中C 含有量を0.005wt%以下に保持できないためである。このことは、アトマイズ生鉄粉のC 含有量を0.005wt%以下に保持するためには、噴霧に用いる溶鋼中のC 含有量を0.005wt%以下にする必要はないことを意味しており、0.02wt% 以下であれば噴霧時に、
C+H2O=CO+H2
なる反応により脱炭が瞬時に進行し得ることを示している。
【００１４】
また、鋼の融点プラス100 ℃以下の温度とし、8.8MPa以上の噴霧水圧を用いる理由として、できるだけ過熱度を小さくして生成される鉄粉粒子の形状を複雑化し、成形性を確保すると同時に、必要量の-325メッシュ（45μm 以下) の鉄粉を確保して、焼結体の強度向上を図るためである。さらに、10.8MPa 以上の噴霧水圧にすれば、-325メッシュ（45μm 以下 )の鉄粉を30％以上確保でき、焼結体のさらなる強度向上を図ることができる。
【００１５】
酸素濃度が5%以下の非酸化性ガス中で水により噴霧する理由は、表１に示すように酸素濃度が5%を超えると噴霧中の酸化が大きくアトマイズ後の生鉄粉の酸素量を1.0wt%以下に保つことができないためである。
【００１６】
【表１】
0003938944.tif 000002
【００１７】
【実施例】
実施例、比較例に用いた鉄粉は、溶湯のC 、Mn、Cr、Si、S 、P 含有量を調整したのち、噴霧条件を変えて噴霧した。溶鋼の融点はおよそ1530℃であった。得られた粉末を乾燥後、焼鈍、還元を施すことなく 250μm 以下の粒径に分級した。粒子径の制御は主に噴霧水圧により実施し、また、アトマイズ生粉中の酸素含有量は噴霧雰囲気の酸素濃度の制御により行った。
【００１８】
表２に実施例および比較例に用いた鉄粉の噴霧条件および噴霧によって得られた鉄粉の篩いメッシュの鉄粉-325メッシュ（45μm 以下）の鉄粉量を示す。
【００１９】
【表２】
0003938944.tif 000003
【００２０】
表３に実施例および比較例に用いた鉄粉の組成を示す。
【００２１】
【表３】
0003938944.tif 000004
【００２２】
表４に、実施例および比較例に用いた鉄粉の圧縮性を示す圧粉密度、成形性を示すラトラー値と焼結体強度として引張強さ、衝撃値を記載した。
【００２３】
【表４】
0003938944.tif 000005
【００２４】
圧縮性、成形性は、各鉄粉にステアリン酸亜鉛を1%添加した組成( Fe-1.0%ZnSt)において、490MPaの成形圧力で11φ×10mmのタブレットを成形したときの圧粉密度およびラトラー値により評価した。
焼結体強度は、各鉄粉に黒鉛粉、銅粉および潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛を混ぜた混粉でJSPM標準引張り試験片および衝撃試験片（ノッチなし）を成形し、1130℃でプロパン分解ガス(RX)雰囲気中で20分間焼結したもので評価した。焼結体の組成はFe-2%Cu-0.8%C 、焼結体の密度は6.7Mg/m3とした。
【００２５】
焼結体強度を調べると、表４から明らかなように、本発明の要件を満足する組成を備え、490MPaの成形圧力において成形された圧粉体のラトラー値(RV %)と圧粉密度(GD M/m3) の関係が、
RV≦4.25×GD-26         ………  (1)
を満足する実施例の粉であれば、いずれも引張強さ340N/mm2以上、衝撃値10J/cm2 以上の特性が得られている。
【００２６】
さらに、粒子径が篩いのメッシュで-325メッシュ（45μm 以下）の鉄粉が30％以上含む実施例では、引張強さ390N/mm2以上、衝撃値10 J/cm2以上の特性が得られている。
これに対し、実施例11、12では (1)式を満足するが、-325メッシュの鉄粉が30％未満であるため引張強さ390N/mm2以上が達成されず、引張強さが390N/mm2と340N/mm2の間の特性が得られている。
【００２７】
これに対し、比較例１ではC 含有量が0.005wt%を超えるので、粒子の硬度が硬くなって圧縮性が極端に低下しており、(1) 式を満足することができず、焼結体の強度も衝撃値も低い。
また比較例２ではMn含有量が0.4wt%を超えるため、また比較例３ではCr含有量が0.4wt%を超えるため、圧粉密度は6.5Mg/m3以上を達成できず、(1) 式も満足せず、強度あるいは衝撃値が目標のレベルに達していない。
【００２８】
同様に、比較例４に示したように、Si含有量が0.1wt%を超える場合も圧粉密度は6.5Mg/m3以上を達成できず、また、O 含有量が1.0wt%を超えた比較例５は、成形性が測定できないほど低下（ラトラー値が1.5%を超える）しており、(1) 式を満足せず、強度、衝撃値とも低いレベルに止まっている。
比較例６に示したように、S が0.1wt%を超える場合、P が0.03wt% を超える場合も圧粉密度は6.5Mg/m3以上を達成できず、(1) 式も満足せず、強度も衝撃値も低い。
【００２９】
比較例７と比較例８は組成は請求範囲を満足するが溶鋼温度あるいは噴霧圧力が請求範囲外であるので、(1) 式を満足せず、引張強さ340N/mm2未満、衝撃値10 J/cm2未満しか達成できない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の粉末冶金用鉄粉は、アトマイズ生鉄粉の状態で圧縮性および成形性さらには焼結体特性が優れるため、後処理としての還元・焼鈍工程を省略することが可能である。したがって製造工程の短縮が図れ、安価な粉末冶金用鉄粉の供給が可能となる。