(57)【要約】【課題】高密度且つ高強度の圧粉体及び焼結体の作製が期待できる粉末冶金用鉄粉を提供する。【解決手段】本発明に係る粉末冶金用鉄粉は、粒径４５μｍ未満の粉末を１０〜３５ｗｔ．％、粒径４５〜７５μｍの粉末を１５〜５５ｗｔ．％、粒径７５〜１０６μｍの粉末を１０〜３５ｗｔ．％、粒径１０６〜１５０μｍの粉末を１０〜３０ｗｔ．％含む水アトマイズ鉄粉のうち、粒径４５〜７５μｍの粉末の少なくとも一部を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元鉄粉に置き換えたものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径４５μｍ未満の粉末を１０〜３５ｗｔ．％、粒径４５〜７５μｍの粉末を１５〜５５ｗｔ．％、粒径７５〜１０６μｍの粉末を１０〜３５ｗｔ．％、粒径１０６〜１５０μｍの粉末を１０〜３０ｗｔ．％含む水アトマイズ粉のうち、粒径４５〜７５μｍの粉末の少なくとも一部を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換えてなる粉末冶金用鉄粉。
【請求項２】
前記水アトマイズ粉に含まれる粒径４５〜７５μｍの粉末のうち、前記水アトマイズ粉の総重量の５〜２５ｗｔ．％を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換えてなる請求項１記載の粉末冶金用鉄粉。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の粉末冶金用鉄粉を含む原料粉末を圧粉成形してなる圧粉体。
【請求項４】
請求項３に記載の圧粉体を焼結してなる焼結体。
【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。尚、本明細書において、鉄粉とは、鉄を主成分とする粉末であり、純鉄粉の他、合金鋼粉等の鉄合金粉を含む。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金は、混合した粉末を金型に流し込み成形し焼結することで、多量の複雑形状部品を同時に作製できる技術であり、特に鉄粉を主原料にした粉末冶金製品は、自動車分野や産業機械分野で幅広く用いられている。
【０００３】
この粉末冶金分野において、混合粉末を金型内部で高圧で押しつぶし、粉末同士が機械的に絡み合って一つの形状を保った状態を圧粉体と呼ぶ。圧粉体は、粉末同士の結びつきが弱いため、外部からの力に弱く脆い性質がある。このため、圧粉体を焼結工程へ移送させる際などに欠けやクラックが生じ、品質の不具合や歩留まりの低下を起こす恐れがあった。
【０００４】
粉末冶金に用いられる鉄粉としては、水アトマイズ粉が用いられることが多い。水アトマイズ粉は、溶湯（溶融鉄）を細い穴から落下させ、そこに高圧噴射した水を当てて溶湯を冷却し粉化した粉末であり、形状が球形に近く、内部空孔はほとんど存在しない。このため、水アトマイズ粉を用いると、高密度の圧粉体を得やすく、その結果、高密度の焼結体を得やすい。しかしながら、水アトマイズ粉は、その形状に起因して、圧粉体の強度が低くなることが問題であった。
【０００５】
そこで、水アトマイズ粉を用いた圧粉体の強度向上のため、圧粉密度を更に高める取り組みが実施されている。圧粉密度が向上することは、すなわち単位体積当たりに含まれる粉末が増えることを意味し、機械的に結びつく粉末の数が増えることで圧粉体の強度が向上する。下記の特許文献１によれば、固溶窒素濃度を減少させた鉄粉を１５０℃の温間成形を施すことで、圧粉密度が向上し圧粉体強度が向上するとある。
【０００６】
また、使用する粉末形状を工夫する取り組みも行われており、これは、粉末形状がいびつなほど、粉末同士が機械的に結びつく箇所が増えることを利用している。下記の特許文献２によれば、含有酸素量を高めた水アトマイズ粉の表面を還元することで、表面に多数の凹凸が形成され、圧粉体強度が向上するとある。
【０００７】
しかしながら、いずれの先行技術も粉末そのものの性質を変化させなければならず、実施は粉末製造設備を持つところに限られ、汎用性に乏しいという問題点がある。
【０００８】
例えば、鉄粉として、水アトマイズ粉ではなく、還元粉を用いて圧粉体を形成することも考えられる。還元粉は、精錬時などに生じるミルスケールや粉砕した酸化鉄を水素などの還元ガスで還元した粉末であり、酸素が除去された空間が内部空孔として残存する。還元粉は形状がいびつなため、圧粉成形時に粉末同士の機械的な結びつきが多くなり、圧粉体の強度が高くなる。しかし、この場合、水アトマイズ粉を用いた圧粉体と比べて、圧粉体の密度が低くなることが問題となる。
【０００９】
そこで、高い圧粉密度を維持しつつ、圧粉体の強度を高めて取り扱いを容易にするために、水アトマイズ粉に還元粉を添加することがある。例えば、下記の特許文献３によれば、未仕上還元水アトマイズ粉に微細な還元粉を添加することで、圧粉体強度が向上するとある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１７１７４１号公報
【特許文献２】特開平０７−１８８７１４号公報
【特許文献３】特公昭６１−０５６２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、一般的に流通している水アトマイズ粉は、成形性などを考慮して設計され、所定の粒度分布に設定されている。このような水アトマイズ粉に還元粉を添加すると、予め設定された水アトマイズ粉の粒度分布を乱してしまい、圧粉密度が低下するおそれがある。
【００１２】
本発明の目的は、粉末自体の改質を要することなく、高密度且つ高強度の圧粉体を得ることができる粉末冶金用鉄粉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明は、粒径４５μｍ未満の粉末を１０〜３５ｗｔ．％、粒径４５〜７５μｍの粉末を１５〜５５ｗｔ．％、粒径７５〜１０６μｍの粉末を１０〜３５ｗｔ．％、粒径１０６〜１５０μｍの粉末を１０〜３０ｗｔ．％含む水アトマイズ粉のうち、粒径４５〜７５μｍの粉末の少なくとも一部を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換えてなる粉末冶金用鉄粉を提供する。
【００１４】
このように、所定の粒度分布を有する水アトマイズ粉のうち、ある領域の粒径の粉末の少なくとも一部を、これと同重量、同粒径の還元粉に置き換えることで、元々の水アトマイズ粉の粒度分布を乱さずに、還元粉を添加できる。これにより、元々の水アトマイズ粉の優れた成形性を低下させることなく、還元粉による強度向上効果が得られる。
【００１５】
水アトマイズ粉と還元粉とを置き換える粉末の粒径の領域は、上記のように４５〜７５μｍ（すなわち、目開き７５μｍのふるいを通過し、目開き４５μｍのふるいに残った粉末）とすることが好ましい。置き換える粉末の粒径が大きすぎると、粉末同士が機械的に結びつく箇所（面積）が少ないため、還元粉の添加による強度向上効果が表れにくくなり、また、置き換える粉末の粒径が小さすぎると、還元粉特有の凹凸が水アトマイズ粉のそれと大差なくなってしまい、やはり強度向上効果が表れにくくなるからである。
【００１６】
上記の粉末冶金用鉄粉では、元々の水アトマイズ粉に含まれる粒径４５〜７５μｍの粉末のうち、元々の水アトマイズ粉の総重量の５〜２５ｗｔ．％、好ましくは１０〜２２ｗｔ．％を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換えることが望ましい。アトマイズ粉を還元粉に置き換える粉末の割合が少なすぎると、還元粉の添加による強度向上効果が表れにくくなり、また、アトマイズ粉を還元粉に置き換える粉末の割合が多すぎると、圧粉密度が低下してしまうからである。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係る粉末冶金用鉄粉を用いれば、粉末自体の改質を要することなく、高密度且つ高強度の圧粉体を得ることができる。また、この圧粉体を焼結することで、高強度且つ高密度の焼結体を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係る粉末冶金用鉄粉について説明する。
【００１９】
本実施形態の粉末冶金用鉄粉は、水アトマイズ粉の一部を還元粉に置き換えたものである。水アトマイズ粉及び還元粉としては、純鉄粉の他、主成分が鉄である鉄基合金粉（例えば合金鋼粉）を使用できる。本実施形態で使用される水アトマイズ粉は、下記の表１の中段（ねらい値）に示すような粒度分布を有するように粒径が調整されており、具体的には、例えば表１の下段（実測値）に示す粒度分布を有する。
【表１】
2016180155.tif 000002
【００２０】
上記の水アトマイズ粉のうち、粒径４５〜７５μｍの粉末の少なくとも一部を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換える。具体的には、上記の水アトマイズ粉をふるい分けにより分級し、粒径４５〜７５μｍの粉末を取り出す。この粉末の少なくとも一部、好ましくはこの粉末の２５〜８０ｗｔ．％、より好ましくは５０〜７５ｗｔ．％を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換える。本実施形態では、水アトマイズ粉のうち、粒径４５〜７５μｍの粉末は、水アトマイズ粉全体の２７．６ｗｔ．％である（表１参照）。従って、例えば水アトマイズ粉が全体で５００ｇである場合、粒径４５〜７５μｍの水アトマイズ粉は１３８ｇである。この粒径の水アトマイズ粉の例えば５０ｗｔ．％、すなわち６９ｇを、粒径４５〜７５μｍの還元粉６９ｇと置き換えることで、本実施形態の粉末冶金用鉄粉が完成する。
【００２１】
こうして完成した本実施形態の粉末冶金用鉄粉は、粒径４５μｍ未満の水アトマイズ粉を１０〜３５ｗｔ．％、粒径４５〜７５μｍの水アトマイズ粉及び還元粉を合わせて１５〜５５ｗｔ．％、粒径７５〜１０６μｍの水アトマイズ粉を１０〜３５ｗｔ．％、粒径１０６〜１５０μｍの水アトマイズ粉を１０〜３０ｗｔ．％含む。
【００２２】
この粉末冶金用鉄粉に、必要に応じて他の金属粉や潤滑剤を添加して混合し、原料粉末を作製する。原料粉末は、上記の粉末冶金用鉄粉を主成分として含み、好ましくは９０ｗｔ．％以上の粉末冶金用鉄粉を含む。この原料粉末を圧粉成形することで、圧粉体が形成される。このとき、粉末冶金用鉄粉が、市販の水アトマイズ粉と同等の粒度分布を有し、優れた成形性が維持されているため、圧粉体を高密度化することが可能となる。また、粉末冶金用鉄粉に還元粉が含まれていることで、圧粉したときの粉末同士の食いつきがよくなり、圧粉体の強度が高められる。以上により、高密度且つ高強度の圧粉体を得ることができる。
【００２３】
上記の圧粉体を、焼結炉に投入して所定温度で焼結することで、焼結体が得られる。このとき、圧粉体が高強度化されていることで、圧粉体の取り扱い時（搬送時や焼結炉への投入時）に圧粉体が破損することを可及的に防止できる。また、圧粉体が高密度化されているため、これを焼結することでさらに密度が高められ、高密度且つ高強度の焼結体を得ることができる。この焼結体は、軸受、ギヤ、カム等の機械部品として好適に使用することができる。
【実施例１】
【００２４】
本発明の作用効果を確認するため、以下の実験を実施した。尚、以下の試験において、水アトマイズ粉はＪＦＥスチール株式会社製「ＪＩＰシグマロイ２０１０」を、還元粉はヘガネスジャパン株式会社製「ＮＣ１００．２４」を用いた。また、粉末同士、あるいは粉末と金型の摩擦を低減させるために、潤滑剤を０．３ｗｔ．％添加した。潤滑剤はＬＯＮＺＡ社製「ＡＣＲＡＷＡＸ  Ｃ  アトマイズ」を用いた。
【００２５】
まず、水アトマイズ粉のうち、還元粉に置き換えるに粉末の最適な粒径を検討した。具体的に、目通し４５μｍ、７５μｍ、１０６μｍのふるいを下から順に重ねてふるい振とう機に設置し、これらのふるいに上記の水アトマイズ粉を通すことで、分級を行った。この水アトマイズ粉は、上記の表１に示すような粒度分布を有する。
【００２６】
そして、水アトマイズ粉の一部を還元粉に置き換えて、下記の表２に示す実施例及び比較例に係る粉末冶金用鉄粉を作製した。具体的には、水アトマイズ粉の所定領域の粒径の粉末のうち、元々の水アトマイズ粉の総重量の１０％を、これと同重量の、同領域の粒径の還元粉と置き換えた（実施例１及び比較例１〜３）。また、比較例４として、分級しない上記の水アトマイズ粉の総重量の１０％を、これと同重量の分級しない還元粉と置き換えた。さらに、比較例５として、還元粉で置き換えない水アトマイズ粉を用意した。
【００２７】
【表２】
2016180155.tif 000003
【００２８】
上記の各粉末を用いて、圧粉体を成形した。粉末の圧縮成形は、外径φ２３．２×内径φ１６．４ｍｍの金型を用意し、室温環境下にて成形圧力１１７６ＭＰａで成形した。成形後の各圧粉体の圧環強さ及び圧粉密度を測定した。圧環強さは、ＪＩＳＺ２５０７に則って行った。試験は万能試験機を用い、ストローク制御で行った、試験時のストローク速度は０．１ｍｍ／ｍｉｎである。圧粉密度は寸法測定法により測定した。圧環強さの評価は、３５ＭＰａ未満で×、３５〜３７ＭＰａで△、３７〜３９ＭＰａで○、３９ＭＰａ以上で◎とした。圧粉密度の評価は、７．４５ｇ／ｃｍ３未満で×、７．４５〜７．４７ｇ／ｃｍ３で○、７．４７ｇ／ｃｍ３以上で◎とした。
【００２９】
上記の表２に示す結果から、水アトマイズ粉の一部を還元粉と置き換えた実施例１及び比較例１〜４において、圧環強さの向上が認められた。また、置き換える粉末の粒度分布（粒径）を制御することで、更に圧環強さは向上することが明らかになった。具体的には、水アトマイズ鉄粉のうち、粒径４５〜７５μｍの粉末（すなわち、目通し４５μｍのふるいに残った粉末）の一部を、これと同重量の、粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換えることで、最も圧環強さが高くなった。
【００３０】
次に、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末のうち、還元粉に置き換える量を検討した。具体的に、下記の表３に示すように、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末のうち、同重量の粒径４５〜７５μｍの還元粉に置き換える割合を変化させて、実施例２〜５に係る粉末冶金用鉄粉を作製した。尚、表３の「置き換えた粉末の割合」欄の上段の数値は、元々の水アトマイズ粉に含まれていた粒径４５〜７５μｍの粉末の重量に対する割合を示し、同欄下段のかっこ内の数値は、元々の水アトマイズ粉の総重量に対する割合を示す。これらの各鉄粉を用いて、上記と同様の圧縮成形条件で圧粉体を作製し、各圧粉体の圧環強さ及び圧粉密度を測定した。
【００３１】
【表３】
2016180155.tif 000004
【００３２】
上記の表３に示す結果から、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末の少なくとも一部を還元粉に置き換えることで、圧環強さの向上が確認された。特に、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末のうちの５０ｗｔ．％（元々の水アトマイズ粉総重量の１３．８ｗｔ．％）を還元粉に置き換えた実施例２、及び、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末のうちの７５ｗｔ．％（同２０．７ｗｔ．％）を還元粉に置き換えた実施例３は、圧環強さが大きく向上した。一方、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末のうち、２５ｗｔ．％（同６．９ｗｔ．％）を還元粉に置き換えた実施例５は、実施例２及び３と比べて圧環強さが劣っていた。また、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末を全て還元粉に置き換えた実施例４は、圧環強さは向上するが、圧粉密度が低下した。以上より、水アトマイズ粉の粒径４５〜７５μｍの粉末のうち、元々の水アトマイズ粉総重量の５〜２５ｗｔ．％、好ましくは１０〜２２ｗｔ．％を、これと同重量同粒径の還元粉と置き換えることが好ましいと言える。