JP4144326B2

JP4144326B2 - 粉末冶金用鉄基粉末混合物およびその製造方法

Info

Publication number: JP4144326B2
Application number: JP2002319890A
Authority: JP
Inventors: 繁宇波; 由紀子尾崎; 聡上ノ薗
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: JP2004156063A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末冶金用鉄基粉末混合物およびその製造方法に関し、特に圧粉成形金型からの抜き出し力の低減と共に、圧粉体密度の有利な向上を図ろうとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
粉末冶金用鉄基粉末混合物は、鉄基粉末としての鉄粉に、銅粉や黒鉛粉、燐化鉄粉等の合金用粉末と、ステアリン酸亜鉛やステアリン酸アルミニウム等の潤滑剤とを混合し、さらに必要に応じてMnＳなどの切削性改善用粉末を混合して製造するのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、このような粉末冶金用鉄基粉末混合物は、大きさ、形状および密度の異なる複数の粉末の混合体であるため、混合後の輸送、ホッパへの装入およびホッパからの排出、さらには金型充填時に、混合体の中で粉末が均一に分布しなくなり、偏析を生じ易いという問題があった。
このような偏析が生じた混合物を、加圧（圧縮）成形して成形体（以下、圧粉体という）とし、その圧粉体を焼結して最終製品にすると、製品毎に組成がばらつくだけでなく、寸法および強度が大きくばらつき、不良品が多発することになる。特に、鉄基粉末に混合する銅粉や黒鉛粉、燐化鉄粉等の合金用粉末は、いずれも鉄基粉末より微粉であるため、かような合金用粉末を混合した場合には、上記したばらつきの程度が一層大きくなる。
【０００４】
このような粉末冶金用鉄基粉末混合物の偏析を防止する技術として、鉄基粉末表面に合金用粉末などを付着させる技術（例えば、特許文献１，特許文献２，特許文献３参照）、また遊離潤滑剤を混合する技術（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−219101号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平２−217403号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平３−162502号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】
特開平５−148505号公報（特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術で得られた鉄基粉末混合物はいずれも、圧粉体密度が低いという欠点の他、金型からの抜き出し力の面でも問題を残していた。
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、金型からの抜き出し力が小さく、かつ圧粉体密度の向上を図り得る粉末冶金用鉄基粉末混合物を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、鉄基粉末混合物に混合する遊離潤滑剤の粒度分布を適切に制御することによって、所期した目的が有利に達成されることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．有機結合剤により黒鉛を付着させた鉄基粉末に、0.05〜0.6 mass％の遊離潤滑剤を混合した鉄基粉末混合物であって、該遊離潤滑剤の少なくとも20mass％が、粒径：0.1〜80μm の一次粒子を凝集させて造粒した粒径：50〜200 μm（但し、 50 μ m および 150 μ m を除く）の二次粒子からなることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【０００９】
２．前記鉄基粉末混合物中に、さらに合金用粉末および／または切削性改善用粉末を混合したことを特徴とする上記１記載の粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【００１０】
３．鉄粉と黒鉛と有機結合剤を混合した鉄基粉末混合物を、該有機結合剤の融点以上に加熱して、該鉄粉の表面に黒鉛を付着させたのち、一次粒径が0.1〜80μmの潤滑剤が凝集して造粒された粒径：50〜200 μm（但し、 50 μ m および 150 μ m を除く）の二次粒子を、0.05〜0.6 mass％の範囲で添加し、かかる二次粒子が遊離潤滑剤全体に対して少なくとも20mass％の比率で含有するように混合することを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物の製造方法。
【００１１】
４．前記鉄基粉末混合物中に、さらに合金用粉末および／または切削性改善用粉末を混合したことを特徴とする上記３記載の粉末冶金用鉄基粉末混合物の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明において、基本粉末である鉄基粉末とは、純鉄粉はもとより、CuやNi,Mo，Mn，Cr等を予め合金化したいわゆる予合金鋼粉およびNi，Mo，Cu等を鉄粉の表面に拡散付着させたいわゆる部分合金化鋼粉を含むものとする。
そして、かような鉄基粉末の表面に予め有機結合剤により黒鉛を付着させておくこととした。というのは、前述したとおり、黒鉛粉は鉄基粉末より微粉であるため、混合後の輸送時やホッパへの装入・排出時、さらには金型充填時に、混合体の中で偏析して、寸法や強度のばらつきを生じ易いのであるが、かような黒鉛粉を予め鉄基粉末の表面に付着させておけば、上記の偏析を有利に解消することができるからである。
【００１３】
ここに、上記した有機結合剤については、その種類が特に限定されるものではないが、次のものがとりわけ有利に適合する。
(1) 金属石鹸（ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウムなど）
(2) 金属石鹸と脂肪酸の共融混合物（ステアリン酸、オレイン酸など）
(3) 脂肪酸アミド（ステアリン酸アミド、エチレンビスステアロアミドなど）
(4) 金属石鹸と脂肪酸アミドの共融混合物
(5) 熱可塑性樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンを含むポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンなど）
なお、これらは単独で使用しても、また複合して使用してもよいのは言うまでもない。
【００１４】
さて、上記したような予め有機結合剤により黒鉛を付着させた鉄基粉末に対し、適正量の遊離潤滑剤を添加混合して粉末冶金用鉄基粉末混合物とするわけであるが、本発明において最も重要なことは、上記した遊離潤滑剤中に一次粒子が凝集して造粒された二次粒子をある程度以上残存させることである。
すなわち、発明者らの研究によれば、上記した混合の際のせん断力を適切に制御して、二次粒子をある程度以上の残存させることにより、少量の潤滑剤でも金型からの抜き出し力を効果的に低減させることができ、また潤滑剤量を少なくできるため圧粉体密度の有利な向上が達成されることが究明されたのである。
【００１５】
この理由については、まだ明確に解明されたわけではないが、遊離潤滑剤中に比較的粒径が大きい二次粒子を存在させると、鉄基粉末混合物を圧粉成形金型に装入した場合、金型壁面とそれに接する鉄基粉末との空隙にも効果的に侵入し、この二次粒子がほぐれることにより潤滑効果が格段に向上して、金型からの抜き出し力の低減が達成されるものと考えられる。
また、潤滑剤は、鉄基粉末に比べ比重が小さいため、少なくするほど圧粉体密度は向上する。
本発明では、少量の遊離潤滑剤で抜き出し力が低減するため、従来 0.8〜1.2mass％程度添加していた量を0.05〜0.6 mass％まで低減することができ、その分圧粉体密度の向上を図ることができた。
【００１６】
ここに、一次粒子については、粒径を 0.1〜80μm の範囲に制限する必要がある。というのは、一次粒子の粒径すなわち一次粒径が 0.1μm に満たないと、凝集力が強くなり、二次粒子が成形時にほぐれ難くなって抜き出し力が高くなり、一方80μm を超えると、成形体中に潤滑剤粒子に起因した粗大な空孔が残留して圧粉体密度の低下を招くからである。好ましくは１〜60μm である。
また、二次粒子については、その粒径を50〜200μmの範囲に制限する必要がある。というのは、二次粒子の粒径すなわち二次粒径が50μm に満たないと、金型壁面と鉄基粉末との間に入り込む潤滑剤量が少なくなって、抜き出し力を十分に低下させることができず、一方 200μm を超えると、成形体中に潤滑剤粒子に起因した粗大な空孔が残留する結果、圧粉体密度の低下を招くからである。好ましくは50〜100 μm である。
なお、二次粒子への造粒は、スプレードライ法、マルメライザー等公知の方法を利用することができる。
【００１７】
そして、上記した粒径が50〜200 μm の二次粒子を、遊離潤滑剤全体に対して少なくとも20mass％の比率で含有させるのである。
というのは、二次粒子の比率が20mass％に満たないと、金型壁面とそれに接する鉄基粉末との空隙に侵入する二次粒子の量が少なすぎ、所期したほどの抜き出し力の低減が望めないからである。
【００１８】
また、上記した遊離潤滑剤は、鉄基粉末混合物全体に対し0.05〜0.6 mass％の範囲で添加する必要がある。
というのは、鉄基粉末混合物全体に対する遊離潤滑剤の比率が0.05mass％に満たないと十分な潤滑効果が得られず，一方 0.6mass％を超えると高い圧粉体密度が得られないという弊害を生じるからである。好ましくは 0.1〜0.4 mass％である。
【００１９】
なお、本発明の遊離潤滑剤としては、その種類が特に限定されるものではないが、次のものがとりわけ有利に適合する。
(1) 金属石鹸（ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウムなど）
(2) 金属石鹸と脂肪酸の共融混合物（ステアリン酸、オレイン酸など）
(3) 脂肪酸アミド（ステアリン酸アミド、エチレンビスステアロアミドなど）
(4) 金属石鹸と脂肪酸アミドの共融混合物
(5) 熱可塑性樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンを含むポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンなど）
その他、必要に応じてシリカやTiO₂微粉等を混合しても良い。
【００２０】
図１に、従来の潤滑剤および本発明に従う有機結合剤および潤滑剤を用いた場合における潤滑剤総量（有機結合剤と潤滑剤の総量）と圧粉体密度との関係について調べた結果を、また図２には、潤滑剤総量と抜き出し力との関係について調べた結果を、さらに図３には、圧粉体密度と抜き出し力との関係について調べた結果を、それぞれ示す。
【００２１】
上記の実験に用いた鉄基粉末混合物は次のとおりである。
ａ．従来の鉄基粉末混合物（２％Ni−１％Mo部分合金化鋼粉に、黒鉛粉：0.6 mass％とステアリン酸亜鉛粉末（未造粒）：0.6 〜0.8 mass％を混合したもの）ｂ．本発明に従う鉄基粉末混合物（２％Ni−１％Mo部分合金化鋼粉に、有機結合剤（ステアリン酸アミドとエチレンビスステアロアミド）：0.1 ％で黒鉛粉：0.6 mass％を付着し、遊離潤滑剤（エチレンビスステアロアミド）：0.2 〜0.4 mass％を混合したもの）
上記の各粉末を用い、日本粉末冶金工業会規格（JPMA P09, JPMA P13）に準拠して、直径：11.3mm、高さ：11mmの圧粉体を 686 MPaの成形圧力で作製し、その時の圧粉体密度および抜き出し力を求めた。
【００２２】
図１，２から明らかなように、従来の鉄基粉末混合物ａを用いた場合には、潤滑剤の総量を少なくすれば圧粉体密度は向上するものの、一方で抜き出し力が大きくなり、0.6mass ％未満では事実上、成形が不可能であった。従って、総量で 0.6〜0.8 ％程度の潤滑剤を添加し、圧粉体密度は7.22 Mg/m³前後にすぎなかった。
これに対し、本発明に従う鉄基粉末混合物ｂを用いた場合には、潤滑剤の総量を 0.6％以下としても抜き出し力を効果的に低減することができ、また圧粉体密度も7.28 Mg/m³前後まで改善することができた。
特にそれらの特性を比較して示した図３によれば、本発明の潤滑剤を用いた場合は、抜き出し力の低減と圧粉体密度の向上を併せて達成できることが明白である。
【００２３】
また、この発明では、鉄基粉末混合物中に、さらに副原料粉末として合金用粉末や切削性改善用粉末を適宜混合させることができる。
ここに、合金用粉末としては、黒鉛粉、銅粉および各種合金元素粉などが、また切削性改善用粉末としては金属硫化物粉およびタルクなどが適合する。
そして、これらの合金用粉末および切削性改善用粉末の添加量は、混合物全体に対し 0.1〜5.0 mass％程度とすることが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の製造条件について説明する。
まず、本発明では、鉄基粉末の表面に有機結合剤により黒鉛を付着させる。そのためには、鉄基粉末中に適量の有機結合剤と黒鉛粉とを混合した鉄基粉末混合物を、有機結合剤の融点以上に加熱して、該鉄粉の表面に黒鉛を付着させる。
なお、この際、必要であれば、合金用粉末や切削性改善用粉末も鉄基粉末混合物中に併せて混合しておく。
ここに、有機結合剤の添加量は、鉄基粉末混合物全体に対して0.05〜0.3 mass％程度、また黒鉛粉の添加量は 0.1〜1.2 mass％程度が好適である。
また、加熱温度は有機結合剤の種類によって異なるけれども、有機結合剤としてエチレンビスステアロアミド（融点：148 ℃）を用いた場合には、 150〜160℃程度で十分である。
【００２５】
ついで、上記のようにして得た鉄基粉末の表面に黒鉛粉等を付着させた鉄基粉末混合物中に、遊離潤滑剤を適量添加したのち、遊離潤滑剤の二次粒子が破壊しないせん断力の混合機を使用して混合を実施する。
かような混合機としては、容器回転式、機械撹拌式、流動撹拌式および無撹拌式等の、混合粉体に与えるせん断力が小さい混合機が好適である。容器回転式混合機では、水平円筒型、傾斜円筒型、Ｖ型、二重円錐型および連続Ｖ型が好ましく、撹拌羽が内蔵されている混合機も好適に使用できる。機械撹拌式混合機では、リボン型、スクリュー型、複軸パドル型、円錐形スクリュー型および回転円板型が好ましい。流動撹拌式混合機では、流動床式、旋回流動式、ジェットポンプ式が好ましい。
【００２６】
混合機の条件は、例えば、上記したＶ型容器回転式混合機を使用する場合、粒径が50〜200μmの二次粒子を少なくとも20mass％残存させるためには、２リットルの容器の回転数を10〜100 rpm とすることが好適である。ただし、混合条件は、上記の範囲に限定されるものではなく、遊離潤滑剤の二次粒子の凝集強度に応じて、適宜決定されるものである。
【００２７】
成形方法については、公知の方法いずれもが適合する。
例えば、鉄基粉末混合物を室温とし、金型を50〜70℃に加熱する方法は、粉末の取り扱いが容易で、圧粉体密度がさらに向上するため好適である。
また、粉末、金型ともに 120〜130 ℃に加熱する温間成形も使用することができる。さらに、その後の焼結および熱処理についても公知の方法を使用すれば良い。
【００２８】
【実施例】
実施例１
鉄基粉末、有機結合剤、遊離潤滑剤および合金用・切削性改善用粉末（副原料粉末）として、それぞれ表１〜４に示すものを用いた。
これらを素材として、表５〜７に示す割合で混合し、各有機結合剤の融点以上に加熱して鉄粉の表面に黒鉛を付着させたのち、さらに遊離潤滑剤を添加してＶ型混合機に入れ、せん断力を制御しつつ混合した。
得られた鉄基粉末混合物中における遊離潤滑剤の二次粒子の比率について調べた結果を表５に併記する。
ついで得られた鉄基粉末混合物を、日本粉末冶金工業会規格（JPMA P09, JPMA P13）に準拠して、686 MPa の圧力で圧縮し、直径：11.3mm、高さ：11mmの圧粉成形体を作製した。
かくして得られた圧粉体の密度および成形金型からの抜き出し力について調べた結果を表５〜７に併記する。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
【表３】

【００３２】
【表４】

【００３３】
【表５】

【００３４】
【表６】

【００３５】
【表７】

【００３６】
表５〜７から明らかなように、発明例はいずれも、潤滑剤使用量の低減の下で、高い圧粉体密度と低い抜き出し力の両者が併せて達成されている。
【００３７】
また、図４には、本発明に従う潤滑剤の顕微鏡写真を示す。
同図に示したとおり、遊離潤滑剤の一次粒子および二次粒子が分布していることが分かる。
【００３８】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、金型からの抜き出し力が小さく、かつ圧粉体密度が大きいすなわち常温成形性に優れた粉末冶金用鉄基粉末混合物を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の潤滑剤および本発明に従う潤滑剤を用いた場合における潤滑剤総量と圧粉体密度との関係を示したグラフである。
【図２】従来の潤滑剤および本発明に従う潤滑剤を用いた場合における潤滑剤総量と抜き出し力との関係を示したグラフである。
【図３】圧粉体密度と抜き出し力との関係を示したグラフである。
【図４】本発明に従う潤滑剤の顕微鏡写真である。

Claims

有機結合剤により黒鉛を付着させた鉄基粉末に、0.05〜0.6 mass％の遊離潤滑剤を混合した鉄基粉末混合物であって、該遊離潤滑剤の少なくとも20mass％が、粒径：0.1〜80μmの一次粒子を凝集させて造粒した粒径：50〜200 μm（但し、 50 μ m および 150 μ m を除く）の二次粒子からなることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
前記鉄基粉末混合物中に、さらに合金用粉末および／または切削性改善用粉末を混合したことを特徴とする請求項１記載の粉末冶金用鉄基粉末混合物。
鉄粉と黒鉛と有機結合剤を混合した鉄基粉末混合物を、該有機結合剤の融点以上に加熱して、該鉄粉の表面に黒鉛を付着させたのち、一次粒径が0.1〜80μmの潤滑剤が凝集して造粒された粒径：50〜200 μm（但し、 50 μ m および 150 μ m を除く）の二次粒子を、0.05〜0.6 mass％の範囲で添加し、かかる二次粒子が遊離潤滑剤全体に対して少なくとも20mass％の比率で含有するように混合することを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物の製造方法。
前記鉄基粉末混合物中に、さらに合金用粉末および／または切削性改善用粉末を混合したことを特徴とする請求項３記載の粉末冶金用鉄基粉末混合物の製造方法。