技術論文

インバー系ガスアトマイズ粉末不定形状化に及ぼす添加元素とガス種の影響
澤田

俊之*1・柳本勝*2

Effect of additional element and atomize gas on shape of Invar gas atomized powder.
Toshiyuki Sawada and Katsu Yanagimoto

Synopsis: Gas atomized (GA) powder has merits of high packing density and excellent flowability because of its sphericalshape, but the green strength of cold formed GA powder is so low that the compact can not be handled without
cracking or deforming. Therefore, GA powder is hardly used for conventional sintered parts application whereirregular shapes of reduced iron powder or water atomized alloy powder is mainly demanded. However, low oxygen content of GA powder is expected as an advantage to achieve higher sintered density for high strength PMparts.
In this study, effect of additional element and atomize gas on shape of Invar alloy GA powder was investigated toimprove green strength of the GA powder compact. Combination of Y addition to Invar alloy and N2 gas atomization was found to be effective for making irregular shape powder and increasing its green strength. This techniquecould also be applied to other alloys like stainless steels and tool steels.

1．緒言

金型プレスによる粉末成形体を焼結して機械部品を製造する工程においては，使用される原料粉末の保形性や焼結

自動車部品や家庭用機器に使用される機械部品には小型性が重要となる。保形性については製品の不良率に影響す化および複雑形状化が要求されている。これら要求に対しるため重要な因子であり，おもに粉末形状や粉末硬さが影て，溶製材から鍛造，切削するといった加工コストの高い響する。一般的なガスアトマイズ粉と水アトマイズ粉の特従来プロセスに代わり，金属粉末を金型プレス成形し，そ徴比較をFig.1，Table1に示す。ガスアトマイズ粉末は概の成形体を焼結する粉末冶金法が広く用いられている。まね球状をしており，金型プレス後の粉末は互いに点接触すた，さらに小型，複雑形状部品を製造する方法としてはるため成形体の強度が低くハンドリング困難な場合が多MIM（金属射出成形）法なども用いられている1） 2）。

い。一方，水アトマイズ粉末や還元鉄粉などは不定形状をGas atomized powder

Water atomized powder

10 µ m
Fig.1. SEM Images of gas and water atomized powder.

*1 技術研究所*2 技術研究所

新材料グループ
新材料グループ長64

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インバー系ガスアトマイズ粉末不定形状化に及ぼす添加元素とガス種の影響

Table1. Comparison of gas atomized powder and water atomized powder.
Gas atomized powder

Water atomized powder

ShapeSphere

Irregular

Oxygen contentLowHigh（Typical content 300ppm）※（〃 2500ppm）※ SUS316L，−150 µ m

Fig.2. Ellingham diagram of nitride4）.

しており，金型プレス後の粉末は互いに面接触するため成ズ粉末などと比較し低酸素が特長で，焼結を阻害する表面形体の強度が高く保形性が良好である。したがって，現在酸化物も少ないことから高密度に焼結できる可能性があり3），の金型プレス成形市場は，水アトマイズ粉末や還元鉄粉を今後この特長を生かした低酸素，高密度焼結部品のニーズはじめとした保形性に優れる不定形状粉末が大部分を占めも多くなってくるものと思われる。そこで，良好な保形性ている。しかしながら，ガスアトマイズ粉末は水アトマイを有し，かつ低酸素な粉末として不定形状ガスアトマイズ

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Table2. Chemical composition of exprimental powders.
mass%
Atomize gasCSi

MnP

Ni

Ti

ZrYLaCe

PrNdFeBase

N20.003 ＜0.01 ＜0.02 ＜0.001 36.33−−−−−−−bal.

Ti

N20.002 ＜0.01 ＜0.02 ＜0.001 35.82

0.89−

−

−

−

−

−

bal.

Zr

N20.004 ＜0.01 ＜0.02 ＜0.001 35.90

−

0.82

−

−

−

−

−

bal.

Y-1

N20.003 ＜0.01 ＜0.02 0.001 36.11

−

−

0.33

−

−

−

−

bal.

Y-2

N20.004 ＜0.01 ＜0.02 0.002 35.65

−

−

0.75

−

−

−

−

bal.

Y-3

N20.006 ＜0.01 ＜0.02 0.003 35.13

−

−

2.10−

−

−

−

bal.

Mm

N20.004 ＜0.01 ＜0.02 0.001 34.95

−

−

−

0.81

1.23

0.130.47

bal.

Y-Ar

Ar0.019 ＜0.01 ＜0.02 ＜0.001 35.11−−2.79−−−−bal.

Y-HeHe0.005 ＜0.01 ＜0.02 ＜0.001 35.25

−−

2.69

−−−−

bal.

粉末を実現することができれば，このような市場ニーズにTable3. Particle size and gas analysis of powders.

も対応できるものと考えられる。

Mean particle size（ µ m）

ガスアトマイズ法では，坩堝から出湯された溶湯が噴霧−150 µ m

ガスにより数 µ m〜数百 µ m程度の液滴に分断され，この液滴が凝固する過程で表面張力により球状化し球状粉末が製造される。そこで本報告では，ガスアトマイズ粉末の保形性改善を目的として，噴霧ガスと反応しやすい第三元素を添加することで，噴霧ガスと第三元素との反応生成物により液滴の表面張力を変化させ粉末を不定形状化する試みを行なった結果について報告する。

2．実験方法O（ppm）N（ppm）−150／＋75 µ m −150／＋75 µ m

Base74.5

20011Ti84.450206

Zr75.250178

Y-178.4

300

97Y-282.0

400145

Y-384.2900243

Mm

66.71100383

Y-Ar66.0

250

43Y-He61.19020

ガスアトマイズ法において代表的な噴霧ガスとしては，

3．実験結果Ar，He，N2ガスなどが考えられるが，不活性ガスである
Ar，Heガスでは，溶湯との反応が少ないと考えられるため，本研究ではN2ガスアトマイズに着目し検討を進めるこ

3・1

粉末形状に及ぼす第三元素種類の影響ととした。また，第三元素としては，N2と反応しやすい元第三元素を添加していないインバー合金粉末（以下ベー素としてエリンガム図 4）（Fig.2）より，Ti，Zr，Y，Mmス粉末），および第三元素を添加しN2ガスアトマイズした（La，Ceを主成分とした希土類混合物）を選定した。

粉末の形状をFig.3に示す。Ti，Zr添加粉末は概ね球状をTable2，3に使用した粉末の成分分析値および詳細を示しており，ベース粉末の形状からの変化は見られない。一す。ベース成分としては低熱膨張といった機能的にも特徴

方Y，Mmを添加した粉末は明らかに不定形状化しているある合金としてインバー合金を選定した。各粉末は当社のことが確認できる。次に，これら粉末の見掛け密度を研究用小型アトマイザーで作製後，−150 µ mに分級し使Fig.4に示す。ベース粉末，Ti，Zr添加粉末は4.6Mg/m3と用した。

高充填されているのに対し，Y，Mm添加粉末はこれら粉見掛け密度測定はJIS Z 2504に準じて行なった。保形末と比較し不定形状化により1割程度減少していることが性を評価するラトラ試験については，JSPM 標準 4−69わかる。また，Y添加粉末とMm添加粉末を比較すると，Yに基づき，内部にステアリン酸亜鉛を塗布した直径10mm

添加粉末のほうが見掛け密度の減少幅が大きいことから，の金型に粉末を5.0g充填し，588MPaでプレスした高さ

本検討において不定形状化に最も効果の大きい第三元素は10mmの円柱型成形体を用いて行なった。粉末形状はYであると考えられる。

−75／＋45 µ mに分級後，樹脂埋め研磨し光学顕微鏡で3・2観察した。

粉末形状に及ぼすアトマイズガス種類の影響

Y，Mm添加粉末の不定形状化の要因は，添加元素とN2ガスの反応によるものと推測されるが，確認のためArおよびHeガスアトマイズによる粉末形状への影響も検討した。

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Base

Ti

Y-2

Mm

Zr

100 µ mFig.3. Cross sections of N2 gas atomized powders with additional elements.

Y-3Y-Ar

Y-He

100 µ mFig.5. Cross sections of Y added powders atomized with different gases.
5.0
Apparent Density（Mg/m3）

Apparent Density（Mg/m3）

5.0
Base
4.5

4.0

3.5

TiZr

Y-2

Base
4.5

4.0

3.5

3.0

Mm

Y-3

Y-Ar

Y-He

Fig.4. Apparent density of N2 gas atomized powders
with additional elements.

Fig.6. Apparent density of Y added powders atomizedwith different gases.

添加元素は，不定形状化に最も効果が大きいと考えられる見られない。このことから，不定形状化のポイントは，Y，Yとした。各種ガスにてアトマイズしたY添加粉末の形状を

Mm添加＋N2ガスアトマイズであることがわかった。

Fig.5，見掛け密度をFig.6に示す。ArおよびHeガスアト

3・3

粉末諸特性に及ぼすY添加量の影響

Y添加量を0〜2.10mass%の範囲で連続的に変化させマイズ粉末の形状は概ね球状であり見掛け密度にも変化は67

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BaseY-1Y-2Y-3

100 µ mFig.7. Cross sections of Y added powders atomized with N2 gas.
10080

4.5

Rattler Value（%）

Apparent Density（Mg/m3）

5.0

4.0

3.5

60

4020

3.00.01.0

2.000.0

3.0

Y content（mass%）

1.0

2.0

3.0

Y content（mass%）

Fig.8. Relationship between Y content and apparentdensity.

Fig.9. Relationship between Y content and Rattlervalue.

N2ガスアトマイズにて製造した粉末の諸特性を検討した。

細分散が認められた。

・粉末形状

3・5Yを添加したインバー合金粉末焼結体の熱膨張特性

Y添加量を変化させた粉末の形状をFig.7，見掛け密度0.75mass%Y添加粉末を588MPaにて直径10mm，高をFig.8に示す。Y添加量の増加に伴い不定形状化が進さ20mmに金型成形し，真空中で1573K−7.2ks，F.C.

んでおり，見掛け密度も単調に減少することがわかる。の焼結を行なった焼結体およびFe−36mass%Ni溶製材の・保形性

熱膨張係数をFig.10に示す。0.75mass%Y添加粉末の焼Y添加量を変化させた粉末のラトラ値をFig.9に示す。

結体はFe−36mass%Ni溶製材とほぼ同等の熱膨張係数をYを添加していないベース粉末については，成形後の有しており，熱膨張特性に及ぼすY添加の影響は小さいこ

金型からの抜き出し圧が高く，抜き出すと同時に成形とがわかった。

体にクラックが入り，ハンドリング不可能であった。

4．不定形状化の要因についての考察

これに対し，Yを添加した粉末はいずれも金型から容易に抜き出すことができ，抜き出した後も良好な形状を保ち，ハンドリングにも充分耐えうる保形性を有し

本実験におけるガスアトマイズ粉末不定形状化方法の発ていた。また，Y添加量の増加に伴いラトラ値は改善

想は，第三元素と噴霧ガスの反応により液滴表面張力を変され，Y添加量0.75mass%以上において，ラトラ値化させるという試みであった。そこで，不定形状化の効果が見られたY添加N2アトマイズ粉末において，表面に生成は2%前後と良好な値を示した。
3・4していると予想されるYNの観察を試みた。しかしながら，焼結体の断面観察

0.75mass%Y添加粉末を588MPaにて直径10mm，高SEMによる表面観察においてYNは観察されなかった。希

さ10mmに金型成形し，真空中で1473K−7.2ks，F.C.

土類窒化物は大気中の水分と容易に反応し水酸化物とアンの焼結を行なった。焼結体内部はポアの見られない緻密なモニアに分解することが知られており，粉末表面のYNは組織になっており，粉末粒界にはY系酸化物と思われる微水酸化物に変化したのではないかと思われる。Table4に68

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2.10mass%Y添加窒素アトマイズ粉末のSEM−EDS表面SUS316L

SPM23

分析結果を示す。粉末表面には，Y濃縮層が存在していることからYNが変化したY（OH）3層ではないかと思われる。

Thermal expansion
coefficient（10−6/K）

20
16
12Sintered compact（Y-2）
Fe-36mass%Ni Ingot

100 µ mFig.11. Cross sections of Y added N2 gas atomized
SUS316L and SPM23 powders.

84により不定形状化が進行するとともに保形性も改善され，0.75mass%以上添加することでラトラ値2%前後と良好

0300400500600な保形性を有するガスアトマイズ粉末を得た。Yを7000.75mass%添加した粉末を1473Kで焼結したところ，Temperature（K）

ポアのない緻密な内部組織を有する焼結体が得られた。

Fig.10. Thermal expansion coefficient of sinteredcompact（Y-2）and Fe-36mass%Ni Ingot.

通常ガスアトマイズ粉末は概ね球状をしており，成形体の保形性に課題があるためプレス成形，焼結の分野ではほとんど使用されていない。また，ガスアトマイズ粉末を用

Table4. Surface analysis of 2.10mass% Y added N2
gas atomized powder.

いることにより焼結密度向上などの期待があるのに対し，これまでガスアトマイズ粉末の形状を変化させて保形性をmass%Y-3FeNiY60.1433.536.33

改善しプレス焼結用途に用いた事例は見られなかった。今回の検討のように粉末を不定形状化し保形性を改善することで，低酸素，高密度焼結といったガスアトマイズ本来の特長を生かしたニーズに対応できる可能性があるものと考えられる。

5．他合金系への展開
文

献

Y添加＋N 2 ガスアトマイズによる粉末不定形状化効果の，インバー合金以外の合金系への展開を検討した。

1）武川淳二郎：粉体および粉末冶金，35（1988），641.

SUS316Lおよび当社の粉末ハイスSPM23にYを添加し，2）笠原範雄，大山

N2アトマイズした粉末の形状をFig.11に示す。SUS316L，

斉藤良隆，金子泰成，岩崎弘通，寒川喜光，勝義：粉体および粉末冶金，36（1989），178.

SPM23ともに粉末形状は不定形状になっており，他合金

3）澤田系へも展開の可能性があることがわかった。

4）日本鉄鋼協会編：第3版 鉄鋼便覧 第Ⅰ巻，丸善（1981），10.

6．まとめ■著者俊之，柳本勝：山陽特殊製鋼技報, 8（2001），39.

ガスアトマイズ粉末の保形性を改善することを目的として，Ti，Zr，Y，Mmを添加したインバー合金をN2ガスでアトマイズし不定形状化する試みを行なった。その結果，YまたはMmを添加し，N2ガスでアトマイズすることによりガスアトマイズ粉末は不定形状化し，この効果はYが最も大きいことがわかった。またY添加量を増加させること

澤田69

俊之

柳本 勝

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