(57)【要約】【課題】周知技術である粉末冶金製造において微粉末を用いて高密度、高機械的性質、微細組織が均質な鉄系合金を生成するとコストが高いという課題を解決することにある。【解決手段】本発明は、酸化鉄粉を金属が含まれている粉末と混合して混合粉末を形成し、前記混合粉末に対して噴霧造粒工程を行うことで、球状噴霧造粒粉に形成し、前記球状噴霧造粒粉を還元環境に置いて７００℃より低い還元温度まで加熱することで、多孔球状鉄系合金粉を得ている。上記の方法で得られた鉄系合金粉末は、低コスト、高流動性、高圧縮性及び優れた焼結性等の利点を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄粉を金属が含まれている粉末と混合して混合粉末を形成するステップ１と、
前記混合粉末に対して噴霧造粒工程を行うことで、球状噴霧造粒粉に形成するステップ２と、
前記球状噴霧造粒粉を還元環境に置いて７００℃より低い還元温度まで加熱することで、０．９ｍ２/ｇより大きい比表面積を有する多孔球状鉄系合金粉を得るステップ３と、を包含することを特徴とする多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項２】
前記酸化鉄粉は、三酸化二鉄粉末或いは四酸化三鉄粉末のいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項３】
前記酸化鉄粉は、平均粒経が０．１μｍから５μｍの間に介することを特徴とする請求項１に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項４】
前記金属が含まれる粉末は、金属元素粉末、金属合金粉末及び金属酸化物粉末から成る群のいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項５】
前記金属元素粉末は、ニッケル、モリブデン、タングステン及び銅から成る群のいずれかとすることを特徴とする請求項４に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項６】
前記金属合金粉末は、少なくても一つの合金用金属である鉄系合金粉末を包括し、前記合金用金属は、クロム、シリコン、バナジウム、マンガン及びニオブから成る群のいずれかとすることを特徴とする請求項４に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項７】
前記酸化金属粉末は、酸化ニッケル、酸化モリブデン、酸化タングステン及び酸化銅から成る群のいずれかとすることを特徴とする請求項４に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項８】
前記多孔球状鉄系合金粉は、重力パーセントが７ｗｔ.％より小さいニッケルと、重力パーセントが１ｗｔ.％より小さい少なくとも一つの強化元素と、をさらに含有し、これ等以外を鉄とし、前記強化元素は、モリブデン、クロム、バリウム、タングステン、炭、銅、マンガン、ニオブ及びシリコンから成る群のいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載の多孔球状鉄系合金粉を生成する方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかの方法によって得られることを特徴とする多孔球状鉄系合金粉。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかの方法で得られた多孔球状鉄系合金粉から焼結生成工程によって得られることを特徴とする鉄系合金焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系合金粉を生成する方法及びその粉末と焼結体であって、特に、還元反応によって多孔球状鉄系合金粉を生成する方法及びその粉末と焼結体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）は、金属材料においてよく見る製造技術の一つであって、そのうち、粉末粒子の粒径が約７０μｍであるものは、粗粉末に属し、粒子間に比較的大きな隙間があり、粒子間の隙間が大きいことから、焼結成品中の孔隙の寸法も比較的大きくなり、この大きな孔隙のため、機械的性質があまり好ましくない。また、微粉末と比較すると、粗粉末は拡散距離が大きいことから、焼結時の合金の均質性が好ましくなく、さらに、粗粉末の表面積が小さいことから、焼結の駆動力が低くなり、焼結合密度を低下させてしまい、成品の品質に影響してしまう。
【０００３】
カルボニル鉄粉を例として微粉末を採用すると、比較的大きい比表面積を有し、焼結性が高く、高密度に焼結することができるが、これ等の粉末は流動性に欠け、乾式加圧成形時に金型に流入するのが困難であることから、自動化が容易でない。また、カルボニル鉄粉を生成するには高温、高圧の化学反応の生成工程を用いる必要があるため、作成コストが高いという欠点がある。その他に、例えば噴霧工法によって、微鉄粉を生成することもできるが、同じく流動性に欠ける問題があり、また、従来の微鉄粉の作成では、歩留まり率が低く、やはりコストが高い。
【０００４】
上述の問題を鑑み、解決方法として、例えば特許文献１及び特許文献２にあるような「焼結硬化粉末及びその焼結体」があり、掲示する焼結硬化粉は、鉄を主成分とし、炭素、ニッケル、クロム、モリブデンを包含し、前記焼結硬化粉は、例えば、カルボニル鉄粉のような０.１〜３０μｍの微粉末を使用し、噴霧造粒を経た後の粉末は、乾式加圧成形に用いることが可能な流動性を有し、且つ焼結後の密度が高く、合金元素の均質性が好ましい。
【０００５】
しかしながら、前記焼結硬化粉は、カルボニル鉄粉を使用しているため、依然としてコストが高いという問題があり、使用したカルボニル鉄粉に炭素が含まれていると、その硬度は高く、圧縮性に欠け、圧粉密度が低く、金型が摩損し易い等の問題が起こり、工業上の応用に不向きになってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】台湾特許第I２９４３１８号
【特許文献２】独国特許第１０２００６０２７８５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の主要な目的は、周知技術である粉末冶金製造において微粉末を用いて高密度、高機械的性質、微細組織が均質な鉄系合金を生成するとコストが高いという課題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の問題を解決するために、本発明は、
酸化鉄粉を金属が含まれている粉末と混合して混合粉末を形成するステップ１と、
前記混合粉末に対して噴霧造粒工程を行うことで、球状噴霧造粒粉に形成するステップ２と、
前記球状噴霧造粒粉を還元環境に置いて７００℃より低い還元温度まで加熱することで、０．９ｍ２/ｇより大きい比表面積を有する多孔球状鉄系合金粉を得るステップ３と、を包含する多孔球状鉄系合金粉を生成する方法を提供している。
【０００９】
また、上述の目的を達成するため、本発明は、上述の方法によって得られる多孔球状鉄系合金粉を提供している。
【００１０】
さらにまた、上述の目的を達成するため、本発明は、上述の方法によって得られた多孔球状鉄系合金粉から焼結生成工程を介して得られる鉄系合金焼結体を提供している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、７００℃より低い温度で、前記球状噴霧造粒粉に対して還元を行うと、外観が球状で、且つ多くの孔洞を有する多孔球状鉄系合金粉が得られることを偶然発見し、そのうち、球状の特性は、流動性を向上させることができることから、乾式加圧成形時に金型に流入し易く、また、多孔構造は、高い比表面密度を提供することができ、焼結反応を促すことができることから、高い焼結密度が得られる。また、本発明は、酸化鉄紛を用いているため、カルボニル鉄粉或いはその他微鉄粉よりコストが比較的低く、且つ、還元温度が低いため、コストを低減する効果を達することができる。
【００１２】
一方、前記金属が含まれる粉末を合金元素粉とした場合、前記合金元素粉末は、還元温度が比較的低く、鉄粉内部まで拡散しないことから、均質性がとれないため、還元後の鉄粉を低硬度及び高圧縮性で保有することができ、高い圧粉密度を容易に得ることができ、また、高い圧粉密度は高い焼結密度を得るために役立っている。また、本発明の還元温度が低いため、例えば、黒鉛粉或いはカーボンブラック粉等の炭素粉を少量添加することができ、これ等炭素は、一部の酸化鉄粉及び金属酸化物粉末を還元するために役立ち、且つ鉄粉内部まで拡散しないため、圧縮性が低下するという問題を防ぐこともできる。これに対して、通常では、還元鉄粉を作成する際、高温を用いて還元しており、還元速度は早いものの、粉末硬度が高くなり、圧縮性の低下及び好ましくない焼結性を導いてしまい、高密度まで焼結することができないという問題がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の実験例１に係る多孔球状鉄系合金粉を示す電子顕微鏡写真である。
【００１４】
本発明に係る詳細な説明及び技術内容について、実施例を示すフローチャートである図１を参照されたい。図示されているとおり、本発明は、還元反応によって多孔球状鉄系合金粉を生成する方法及びその粉末と焼結体であって、その方法は、以下のとおりである。
【００１５】
まず、ステップ１は、酸化鉄粉を金属が含まれている粉末と混合して混合粉末を形成している。前記酸化鉄粉は、平均粒経が０．１μｍから５μｍの間に介する三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）或いは四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）のいずれかとすることができ、前記金属が含まれる粉末は、金属元素粉末、金属合金粉末、金属酸化物粉末或いはこれ等の組み合わせのいずれかとすることができ、前記金属元素粉末は、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）或いはこれ等の組み合わせのいずれかとすることができ、前記金属合金粉末は、少なくても一つの合金用金属である鉄系合金粉を包括し、例えば、フェロシリコン（Ｆｅ−Ｓｉ）、ステンレス鋼（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ）等の粉末のように、前記合金用金属は、クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）或いはこれ等の組み合わせのいずれかとすることができ、前記金属酸化物粉末は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）或いはこれ等の組み合わせのいずれかとすることができる。
【００１６】
ステップ２は、前記混合粉末に対して噴霧造粒工程を行うことで、球状噴霧造粒粉に形成している。
【００１７】
ステップ３は、前記球状噴霧造粒粉を還元環境に置いて７００℃より低い還元温度まで加熱することで、０．９ｍ２/ｇより大きい比表面積を有する多孔球状鉄系合金粉を得ており、本実施例において、前記多孔球状鉄系合金粉の比表面積は、０．９ｍ２/ｇから２０ｍ２/ｇの間に介している。
【００１８】
また、前記還元環境は、純水素雰囲気、分解アンモニア雰囲気或いはその他の水素雰囲気のいずれかとすることができ、還元温度は５００℃から７００℃の間に介することが好ましく、前記多孔球状鉄系合金粉の粒経は、５μｍから８０μｍの間に介し、且つ前記多孔球状鉄系合金粉の比表面積は、０．９ｍ２/ｇより大きい。本発明に係る実施例において、前記多孔球状鉄系合金粉は、重力パーセントが７ｗｔ.％より小さいニッケルと、重力パーセントが１ｗｔ.％より小さい少なくとも一つの強化元素と、をさらに含有し、これ等以外を鉄（Ｆｅ）としている。前記強化元素は、モリブデン、クロム、バリウム、タングステン、炭素、銅、マンガン、ニオブ或いはシリコン等の元素のいずれかとすることができる。本発明において、前記多孔球状鉄系合金粉の成分は、市販されている鉄系合金各種とすることができ、且つ前記酸化鉄粉と前記金属が含まれる粉末との比率と、選択した前記金属が含まれる粉末の種類とによって調合して得られている。
【００１９】
本発明の実施例において、前記酸化鉄粉と前記金属が含まれる粉末とは、炭素粉とさらに混合することができ、前記炭素粉末は、黒鉛粉或いはカーボンブラック粉のいずれかとすることができ、一部の酸化鉄粉及び金属酸化物粉末を還元するために役立ち、また、還元温度が比較的に低く、炭素は鉄粉内部まで拡散しないため、圧縮性が低下するという問題を防ぐことができる。
【００２０】
更に具体的に本発明に係る還元反応によって多孔球状鉄系合金粉を生成する方法の内容を説明するため、以下のような、本発明に係る方法に基づいて行った実験例と、本発明に係る方法を用いずに行った比較例とを参照されたい。表１は、各実験例及び比較例の化学組成を示しており、表２は、各実験例及び比較例の生成工程条件、還元で得られた多孔球状鉄系合金粉の粒経、比表面積、圧粉密度（％）及び焼結密度（％）を示している。なお、以下の各実験例及び比較例において、前記還元環境は、水素雰囲気を用いている。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【００２３】
まず、実験例１〜２は、組成１の混合粉末が用いられ、そのうち、三酸化二鉄粉末の平均粒経は０．３μｍであって、３１６Lステンレス鋼粉は、１７ｗｔ．％のクロムと、１０．４ｗｔ．％のニッケルと、２．２ｗｔ．％のモリブデンと、１．６ｔｗ．％のマンガンと、０．６ｗｔ．％のシリコンとを含み、且つ、これ等の粒経は平均８μｍであって、モリブデン粉の粒経は平均３μｍであって、この混合粉末に結合剤、可塑剤及び水を加えた後、前記噴霧造粒生成工程を介して得られた球状の噴霧造粒粉は、断面検査によると中空の大孔洞はなかった。前記噴霧造粒粉を６００℃と６５０℃との還元温度下において、それぞれ３時間還元を行って得られた多孔球状鉄系合金粉は、それぞれ、比表面積が４．５５ｍ２/ｇと３．２０ｍ２/ｇとであって、圧粉密度が７０％以上であり、圧縮性が好ましく、焼結密度もそれぞれ９８．８％と９７．９％とに達している。図２は、実験例１に係る多孔球状鉄系合金粉を示す電子顕微鏡写真であって、写真から分かるとおり、前記多孔球状鉄系合金粉は、良好な球状を呈しており、且つ、多くの微細孔洞を有し、多くの表面積を保有しており、つまりは、多くの焼結駆動力を保有していることとなる。断面検査によると、これ等微細孔洞は還元後の鉄微粉と均一に分布し、中心部は中空な大孔洞がないため、流動性が好ましく、乾式加圧成形に用いることに適している。
【００２４】
次に、実験例３は、組成２の混合粉末が用いられ、６００℃の還元温度下において、３時間還元を行って得られた多孔球状鉄系合金粉は、比表面積が２．５６ｍ２/ｇであって、圧粉密度が７０％以上であり、圧縮性が好ましく、焼結密度は９４．６％に達している。高倍率な電子顕微鏡で観察すると、前記多孔球状鉄系合金粉が良好な球状を呈し、且つ多くの孔洞を有していることが明白に分かる。
【００２５】
次に、実験例４は、組成３の混合粉末が用いられ、７００℃の還元温度下において、３時間還元を行って得られた多孔球状鉄系合金粉は、比表面積が１．２６ｍ２/ｇであって、焼結密度は９５．６％に達している。また、前記多孔球状鉄系合金粉が良好な球状を呈し、且つ多くの孔洞を有している。
【００２６】
次に、比較例１〜２は、組成１の混合粉末が用いられ、７５０度と８００度との還元温度下において、それぞれ３時間還元を行って得られた鉄系合金粉は、それぞれ、比表面積が僅か０．２０ｍ２/ｇと０．０８ｍ２/ｇとであって、圧粉密度が７９．２％と７９．４％で、実験例より高いものの、焼結密度はそれぞれ９１．５％と８９．７％としかない。また、前記鉄系合金粉は略球状を呈しているが、ほとんど孔洞を有していないため、比表面積が小さく、焼結駆動力が低い。
【００２７】
次に、比較例３は、組成２の混合粉末が用いられ、７５０℃の還元温度下において、３時間還元を行って得られた鉄系合金粉は、比表面積が僅か０．８６ｍ２/ｇであって、圧粉密度が７３．１％であり、焼結密度は９２．６％しかない。
【００２８】
本発明は、７００℃より低い温度で、前記球状噴霧造粒粉に対して還元を行うと、外観が球状で、且つ多くの孔洞を有する多孔球状鉄系合金粉が得られることを偶然発見し、そのうち、球状の特性は、流動性を向上させることができることから、乾式加圧成形時に金型に流入し易く、また、多孔構造は、高い比表面密度を提供することができ、焼結反応を促すことができることから、高い焼結密度が得られる。また、還元温度が低いため、合金元素及び炭素は、鉄と反応して合金を形成しないため、粉末硬度が低く、圧縮性が好ましい。さらにまた、本発明は、酸化鉄紛を用いているため、本発明に係る方法を介するとその全体のコストは、従来のカルボニル鉄粉或いはその他微鉄粉より低いことから、コストを低減する効果を達することができる。
【００２９】
一方、前記金属が含まれる粉末をニッケルのような合金用の元素粉とした場合、還元温度が比較的低く、前記合金用の元素粉が均質化することができないため、酸化鉄粉の低硬度及び高圧縮性を保有することができ、高い圧粉密度を容易に得ることができ、また、高い圧粉密度は高い焼結密度を得るために役立っている。また、本発明の還元温度が低いため、例えば、黒鉛粉或いはカーボンブラック粉等の炭素粉を少量添加することができ、これ等炭素は、一部の酸化鉄粉及び金属酸化物粉末を還元するために役立ち、且つ鉄粉内部まで拡散しないため、圧縮性が低下するという問題を防ぐこともできる。これに対して、高温を用いて還元する際、還元速度は早いものの、粉末硬度が高くなり、圧縮性が低下するという問題を引き起こしてしまう。
【符号の説明】
【００３０】
１      ステップ
２      ステップ
３      ステップ
【図１】
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【図２】
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