CN101801566A - 粉末冶金用铁基粉末 - Google Patents

Abstract

通过利用粘合剂使含有50～100质量％的碳黑的流动性改善粒子附着在铁粉的表面上，提供一种粉末冶金用铁基粉末，其流动性优良，能够均匀地填充于薄壁的腔中，并且能够在高脱模力下成形，而且即使在之后的烧结中也能够保持烧结体的充分的强度。

Description

粉末冶金用铁基粉末

技术领域

本发明涉及适合粉末冶金(powder metallurgy)用途的铁基粉末(iron-based powder)。

背景技术

粉末冶金技术由于能够以极高的尺寸精度生产复杂形状的机械部件，因此可以大幅降低该机械部件的制造成本。因此，将应用粉末冶金技术制造的各种机械部件利用在多个方面。而且最近，机械部件的小型化或轻量化的要求逐渐提高，因而正在研究各种用于制造小型、轻量且具有足够的强度的机械部件的粉末冶金用原料粉。

例如日本特开平1-219101号公报(专利文献1)、日本特开平2-217403号公报(专利文献2)、日本特开平3-162502号公报(专利文献3)及日本特开平5-148505号公报(专利文献4)中，公开了使用粘合剂(binder)使合金用粉末(alloying powder)附着在纯铁粉(pure iron powder)或合金钢粉(alloy steel powder)的表面上(称为“防偏析处理：segregation-free treatment”)的粉末冶金用原料粉。以这种铁为主体的粉末(以下，在狭义上称为铁基粉末)，通常添加副原料粉末(additivepowder：例如铜粉、石墨粉、磷化铁粉、硫化锰粉等)及润滑剂(lubricant：例如硬脂酸锌、硬脂酸铝等)，并将所得的混合粉末(在广义上这些也称为铁基粉末)提供给机械部件的制造。以下只要没有特别说明，则铁基粉末是指广义上的铁基粉末。

铁基粉末(狭义)、副原料粉末及润滑剂的特性(即形状、粒径等)各不相同，因此混合粉末的流动性(flowability)不均匀。因此，产生了如下问题：

(a)在向储存混合粉末用的加料斗(hopper)输送的中途受到产生的振动、落下的影响，铁基粉末(狭义)、副原料粉末、润滑剂等局部地不均匀分布。由流动性的不同引起的这种分布不均，即使通过上述防偏析处理也不能完全地防止；

(b)由于在投入加料斗中的混合粉末的粒子间产生较大的间隙，因此混合粉末的表观密度(apparent density)降低；

(c)堆积在加料斗的下部的混合粉末的表观密度随时间的推移(即受到重力的影响)而上升，另一方面，在加料斗上部以表观密度低的状态储存。因此，在加料斗的上部和下部，混合粉末的表观密度变得不均匀。

在这种混合粉末中，难以大量地制造具有均匀的强度的机械部件。

为了解决上述(a)～(c)的问题，需要提高铁基粉末(狭义)、副原料粉末、润滑剂的混合粉末的流动性。

因此，在日本特开2002-180103号公报(专利文献5)中，公开了以具有规定范围的粒径的铁粉为主体的铁基粉末。但是，在该技术中，由于不能使用偏离规定范围的铁粉，因此不仅铁粉的成品率降低，而且难以使铁基粉末均匀且充分地充满齿轮尖端这样薄壁的腔(cavity)。

而且，日本特表2002-515542号公报(专利文献6)中公开了含有粒径小于500nm(纳米)的少量无机粒状氧化物(例如使粒径小于40nm的SiO₂为0.005～2质量％)，并改善热成形(warm compaction)中铁粉的流动性的技术。但是，在该技术中，由于在烧结时SiO₂等氧化物残留，且阻碍了铁粉粒子间的结合，因此所得的烧结体的强度降低。

而且，在PCT国际公开公报WO06/004530A1(专利文献7)中公开了含有铁粉或铁基金属粉末、润滑剂和/或粘合剂和作为流动性增加剂的碳黑(carbon black)，并使上述碳黑的量为0.001～0.2质量％的粉末冶金组合物。在该技术中，没有伴随烧结部件性质的变差。

并且，作为成为铁基粉末的原材的铁粉或合金钢粉，根据其制法有雾化铁粉(atomized iron powder)、还原铁粉(reduced iron powder)等。这里，虽然也将纯铁粉称为铁粉，但在取决于制法的上述分类中，铁粉可以使用包括合金钢粉的广义含义。以下，只要没有特别说明，则铁粉是指广义下的铁粉。合金钢粉除包括预合金之外，还包括部分合金化钢粉、混合合金化钢粉。

发明内容

但是，在专利文献7的技术中，若量产具有薄壁部的机械产品，则填充率存在偏差，不能完全解决问题。

本发明的目的在于解决如上所述的问题。即，其目的在于，提供流动性优良、能够均匀且没有偏差地填充于薄壁的腔中、并且成形体(compacted body)的脱模力(ejection force)低、而且在之后的烧结中能够保持烧结体(sintered body)的充分的强度的粉末冶金用铁基粉末。

本发明如下。

(1)一种粉末冶金用铁基粉末，其特征在于，通过粘合剂使含有50～100质量％的碳黑的流动性改善粒子附着在铁粉粒子(iron powderparticle)的表面上而得到。

这里所说的铁粉包括合金钢粉，是上述的广义上的铁粉。而且粘合剂使副原料粉末(特别是合金用粉末)的至少一部分附着在铁粉上即可。

(2)如上述(1)所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉粒子的部分表面上附着有所述粘合剂，而且所述粘合剂的至少一部分表面上附着有所述流动性改善粒子。

即，在本发明中，优选在利用粘合剂包覆铁粉的表面后使流动性改善粒子附着在该粘合剂的表面上，而且，优选上述粘合剂不包覆铁粉粒子整体而是包覆其一部分。

(3)如上述(1)或(2)所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉由所述粘合剂包覆的包覆率为50％以下。

(4)如上述(1)～(3)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉由所述粘合剂包覆的包覆率为10％以上且50％以下。

进一步优选所述铁粉由所述粘合剂包覆的包覆率为30％以上且50％以下。

并且，上述(2)和(3)中的包覆率是指被粘合剂包覆的面积占铁粉粒子表面面积的比例。

(5)如上述(1)～(4)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂由所述流动性改善粒子包覆的包覆率为50％以上。

这里，附着于粘合剂的表面的流动性改善粒子的包覆率是指被流动性改善粒子包覆的面积占被粘合剂包覆的粒子表面面积的比例。

(6)如上述(1)～(5)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂的针入度为0.05mm～2mm。

并且，优选针入度为0.05mm～1mm。

(7)如上述(1)～(6)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺(ethylenbis(stearamide))中的1种或2种以上。

(8)如上述(1)～(7)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁基粉末含有选自Cu、C、Ni和Mo中的1种或2种以上作为合金成分。

并且，优选所述铁粉含有选自Cu、C、Ni和Mo中的1种或2种以上作为合金成分。

(9)如上述(1)～(8)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉为选自雾化铁粉、还原铁粉和使合金成分部分扩散附着的铁粉中的1种或2种以上。

作为合金成分，优选上述(8)的技术方案中列举的成分。

(10)如上述(1)～(9)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉中小于50质量％的铁粉的表面不具有粘合剂。

例如，在对第一铁粉实施防偏析处理后混合没有实施防偏析处理的第二铁粉时，该第二铁粉相当于“没有粘合剂的铁粉”。

在(10)的技术方案中，铁粉由所述粘合剂包覆的包覆率，是指包含没有粘合剂的铁粉的平均包覆率。

(11)如上述(1)～(10)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O、SiO₂、TiO₂和Fe₂O₃的各粉末中的1种或2种以上，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

(12)如上述(1)～(11)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有PMMA粉末和/或PE粉末，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

可以同时添加上述(11)中记载的流动性改善粒子和上述(12)中记载的流动性改善粒子。

(13)如上述(1)～(12)中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，以相对于所述铁粉100质量份为0.01～0.3质量份的比例含有所述流动性改善粒子。

附图说明

图1是模式地表示铁粉被粘合剂、石墨、碳黑附着而部分地被包覆的状态的说明图。

图2是表示将图1中的被包覆部位放大的说明图。

图3是模式地表示填充试验机的主要部位的透视图。

(标号的说明)

1 铁粉的粒子

2 被粘合剂、石墨、碳黑包覆的部位

3 碳黑的粒子

4 粉箱

5 铁基粉末

6 腔

7 容器

8 移动方向

具体实施方式

以下说明本发明优选的方式。除与流动性改善粒子的混合有关的部分之外，可以应用公知的粉末冶金用粉末(还包括原料和添加物的选择)及其制造方法(还包括顺序、装置)(例如日本特开2005-232592号公报等中公开的技术)。

(铁基粉末的制造方法)

本发明中，使用混合装置，将铁粉和合金成分与粘合剂一起加热并混合(防偏析处理的一种)。在该防偏析处理之后添加含有50～100质量％的碳黑的流动性改善粒子，利用混合装置在干式状态下混合。

这里，可以将切削性改善剂等各种特性改善剂与合金成分一起添加，并与粘合剂一同加热、混合。合金成分和特性改善剂一般为约1μm～约20μm的粉末。作为合金成分，代表性的为石墨粉、Cu粉、Ni粉，除此之外也常常使用Cr粉、W粉、Mo粉、Co粉等。作为切削性改善剂，代表性的为MnS粉、CaF₂粉，除此之外也使用磷酸盐粉、BN粉等。而且，也可以将熔点高于上述加热温度的润滑剂与合金成分同时期地添加。

并且，优选在上述防偏析处理之后，为进一步确保成形性而添加粉末的润滑剂(称为游离润滑剂：free lubricant)。各种润滑剂也可以从公知的物质中适当选择。优选同时向防偏析处理后的铁粉(铁基粉末)中添加流动性改善粒子和游离润滑剂并进行混合。作为特性改善剂，除此之外还有滑动性改善剂等。

作为混合装置，从搅拌力的观点出发优选作为机械搅拌式混合装置的一种的高速混合机。但是，混合装置可以根据铁基粉末的制造量、所需要的流动性等适当选择。

作为优选的具体的顺序，在高速混合机中装入规定量的铁粉，再向其中添加石墨粉、Cu粉等合金成分和粘合剂。投入这些原料后，开始加热、混合。高速混合机的旋转叶轮(rotating impeller)的转速，根据该混合槽的大小、旋转叶轮的形状不同而不同，但一般优选以旋转叶轮尖端的圆周速度计为约1m/秒～约10m/秒。加热混合至混合槽内的温度达到粘合剂的熔点以上，优选在熔点以上的温度下混合约1分钟～约30分钟。在充分混合这些原料后，使混合槽内冷却。在冷却过程中粘合剂固化，此时使合金成分等副原料附着在铁粉的表面。

而且，在粘合剂完全固化后，添加游离润滑剂。这里使用的游离润滑剂是为了改善成形时的脱模性而添加的润滑剂。游离润滑剂虽然可以从公知的物质中适当选择，但优选使用金属皂(metallic soap)、酰胺蜡(amide wax)、聚酰胺、聚乙烯及氧化聚乙烯等。具体而言，优选硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺等。游离润滑剂的粒径优选为约1μm～约150μm。

由于这些游离润滑剂是在粘合剂固化后添加的，因此没有附着在铁粉粒子上，而是处于游离状态。因此，称为游离润滑剂。

在添加上述游离润滑剂时同时添加以碳黑为主要成分的流动性改善粒子。此时，虽然粘合剂完全固化，但由于流动性改善粒子极微小(即粒径为5～500nm)，因此通过范德华力、静电力附着在铁粉粒子上。并且，在后文对流动性改善粒子进行说明。

通过以上的方法制造本发明的铁基粉末。

(由粘合剂包覆)

粘合剂可以从公知的物质中适当选择，其种类可以使用加热熔融或加热固化中的任意一种。其中，优选固化后具有润滑性的粘合剂。其原因是，该类型的粘合剂使粉体粒子间的摩擦力降低，改善粉体的流动性，促进成形初期粒子的重排。具体而言，使用金属皂、酰胺蜡、聚酰胺、聚乙烯及氧化聚乙烯等。特别优选硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺。这些粘合剂可以单独使用，也可以混合2种以上使用。

考虑被粘合剂包覆的铁粉的流动性时，粘合剂与粘合剂之间的附着力大于铁粉-铁粉间的附着力、铁粉-粘合剂的附着力。因此，对于铁粉的整个表面被粘合剂包覆的情况，其流动性显著变差。对于考虑流动性的情况，优选粘合剂分散存在于铁粉表面。因此，在本发明中，以仅使铁粉表面的一部分附着有粘合剂为优选的必要条件。

虽然铁粉由粘合剂包覆的表面的优选的包覆率根据粘合剂、石墨等的添加率不同而不同，但优选为50％以下，更优选为10％以上且50％以下。若包覆率超过50％，则铁粉粒子间的附着力增大，流动性变差。另一方面，若小于10％，则虽然根据石墨等的添加率不同包覆率也不同，但存在不能使石墨粉等充分地附着在铁粉表面上的情况。此时，由于细小粒径的粒子增加，因此流动性反而变差。并且，包覆率进一步优选为30％以上且50％以下。

上述包覆率的控制能够根据粘合剂的添加量而容易地调整。另外，也可以通过控制混合温度、搅拌速度等混合条件来进行调整。并且，优选在粘合剂相对于铁粉100质量份为约0.05质量份～约0.8质量份的范围内，根据所期望的包覆率来调整粘合剂的添加量。

在此，由粘合剂包覆的包覆率是通过观察范围内的、被粘合剂包覆的部位的总面积相对于铁粉粒子表面的总面积的比例(％)来表示的。即，在通过SEM观察例如使用石墨作为合金元素、使用碳黑粒子作为流动性改善粒子的1个铁粉粒子时，如图1所示的铁粉粒子1具有被其表面附着的粘合剂包覆的部位2(包含粘合剂的上面还附着有石墨(未图示)、碳黑(未图示)的情况)。这里，关于该铁粉粒子1的包覆率，成为该部位2的面积率(％)。

并且，在上述的SEM观察中，利用通常的观察中广泛使用的观察条件(例如加速电压15kV、形状增强图像)识别附着在铁粉表面的粘合剂是极为困难的。即，虽然可以通过上述的条件确认铁粉表面上存在粘合剂，但不能应用于使用色调差的图像分析。

因此，本发明人进行了各种研究的结果发现，利用使加速电压为5kV以下、更优选为3kV以下的形状增强图像，铁粉与粘合剂的差异变得非常明显。

即，需要使求出铁粉表面上附着的粘合剂的比例时的加速电压为0.1～5kV，更优选在1～3kV的范围内，由此，能明确地得到用于识别铁粉和粘合剂的对比度。此时使用的检测器可以是得到形状增强图像的二次电子检测器，也可以是得到物质增强图像的Inlens检测器，但更优选使用二次电子检测器。

将在如上最优化的测定条件下拍摄的图像以数字数据的形式输入计算机。使用图像分析软件将其二进制换算后，求出铁粉表面上附着的粘合剂的面积率(％)，并将其作为铁粉表面上附着的粘合剂的包覆率。并且，在计算上述包覆率时的SEM观察中，优选在约300倍下观察约10个视野，并求出其平均值。

这里，优选的是，所使用的粘合剂的针入度(硬度)为0.05mm以上且2mm以下，优选为0.05mm以上且1mm以下。这里，针入度是测定蜡或沥青的硬度的方法，如JIS K-2207中所示，通常在室温25℃下测定。本来，优选对防偏析处理后的粘合剂进行测定，但由于难以测定粒子表面具有的粘合剂的针入度，因此根据需要在对粘合剂单体实施与防偏析处理相当的热处理后，作为块状(颗粒状)来进行测定。

在粘合剂的硬度低至需要以上、即针入度过高时，粒子间的粘着力、附着力增大，作为粉体的流动性降低。即，如本发明这样，优选的是，粘合剂的针入度为2mm以下，优选为1mm以下。另一方面，之前列举的粘合剂，由于也作为成形时的润滑剂发挥作用，因此在润滑剂的硬度高至需要以上、即针入度过低时，其润滑性存在降低的倾向。因此，优选粘合剂的针入度为0.05mm以上。特别是为了得到优良的润滑性，优选针入度为0.3mm以上。

作为利用粘合剂使合金成分附着的方法，有加热使粘合剂熔融从而附着的方法、和使粘合剂在溶剂中溶解混合后再将溶剂蒸发从而附着的方法。但是，为了使粘合剂在铁粉表面分散存在，优选前一种方法。

另外，为了使铁粉与铁粉间的附着力降低，利用粘合剂包覆铁粉的一部分、然后添加没有被粘合剂包覆的铁粉的方法也是有效的。其结果是，能够使粘合剂与粘合剂接触的概率降低。此时，由粘合剂包覆的包覆率是包含没有粘合剂的铁粉的平均的包覆率。

(铁粉)

并且，铁基粉末还可以含有Cu、C、Ni及Mo等作为合金成分。使铁基粉末含有这些合金成分的方法，有以铁粉作为合金、或作为与铁粉不同的粒子而使合金成分附着在铁粉上的方法等。另外，铁粉可以使用雾化铁粉、还原铁粉和附着了合金成分的铁粉等。以下进行详细说明。

铁粉根据其制造方法的不同而存在各种铁粉，考虑其成形性和成形体的特性、烧结体的特性，优选使用水雾化铁粉和/或还原铁粉。这些铁粉的粒子表面存在凹凸，在压粉时，由于它们聚集因而成形体及烧结体的强度提高。铁粉只要在上述定义的范围内，即为纯铁粉或合金钢粉(包括部分合金化钢粉、包括混合合金化钢粉)即可，则没有特别的限定。并且，纯铁粉含98％以上的铁且余量为杂质。合金钢粉总计含有约10质量％以下的Mn、Cu、Mo、Cr、W、Ni、P、S、V和Si等合金成分。另外，将事先在钢水中添加合金组成的方法称为预合金化(prealloying)，将通过扩散反应使含有合金成分的粒子与铁粉表面结合的方法称为部分合金化，将进行预合金化及部分合金化两者的方法称为混合合金化。铁粉的粒径一般以平均粒径计在60～100μm的范围内(通过日本粉末冶金工业会标准JPMA P02-1992所规定的筛析法得到的值)。

(利用润湿改善剂的润湿改善处理)

由于水雾化铁粉、还原铁粉的表面存在凹凸，因此存在粘合剂在该凹凸上局部地滞留的倾向。作为改善这种粘合剂的不均匀的分布、而使其更均匀的技术，有改善铁粉表面与粘合剂的润湿性的润湿改善处理。在本发明中，虽然不优选过度地消除粘合剂的分散存在，但为了调整粘合剂的包覆率和分布，也不禁止实施润湿改善处理。

作为利用润湿改善剂的有效处理方法，可以列举在防偏析处理前(加热混合粘合剂、铁粉和其它合金成分之前)，事先至少在铁粉表面包覆润湿改善剂的方法。作为润湿改善剂，可以列举硅烷偶联剂、乙二醇类表面活性剂和多元醇类表面活性剂等。

(流动性改善粒子)

本发明中使用的流动性改善粒子是具有改善铁粉的流动性的效果的细小的粉末，含有50～100质量％的碳黑。碳黑是作为调色剂、涂料使用的物质，其粒径优选在5～100nm的范围内。碳黑由于以碳作为主要成分，因此不用担心烧结后以有害的杂质的形式残留。而且，由于是非晶体，因此扩散也比石墨粉快，期待其通过低温短时间的烧结也容易地固溶。

优选粘合剂的表面上附着的流动性改善粒子的包覆率为50％以上。由于使包覆率为50％以上，因此能够使粘合剂与粘合剂间的附着力确实地降低。该包覆率的上限不需要特别地限定，即使是100％也没有问题。但是，从避免成形时的脱模力增大的观点出发，可以将其限定为90％以下。

这里，流动性改善粒子的包覆率是通过以SEM观察时在观察范围内的、表面存在流动性改善粒子的部位的总面积相对于被粘合剂包覆的部位的总面积的比例(％)来表示的。即，如图2所示，事先被铁粉(与图1相同)表面上附着的粘合剂包覆的部位2，在其表面上具有存在流动性改善粒子(在该例子中为碳黑3)的部位。这里，关于该粘合剂包覆部位2的流动性改善粒子的包覆率，成为部位3相对于部位2的面积的比例(％)。并且为了简便，在图2中没有示出石墨。

在上述的SEM观察中本发明人进行了各种研究，结果发现，在求出包覆铁粉表面上附着的粘合剂表面的碳黑的比例时，需要使加速电压为0.1～2kV，而且，特别是在0.1～1kV的范围内，能够最明确地得到用于识别铁粉、粘合剂、碳黑的对比度。此时使用的检测器，与得到形状增强图像的二次电子检测器相比，优选得到物质增强图像的Inlens检测器。

将在如上最优化的测定条件下拍摄的图像以数字数据的形式输入计算机。使用图像分析软件将其二进制换算之后，求出包覆粘合剂表面的碳黑的面积率(％)，并将其作为包覆粘合剂表面的碳黑的包覆率。并且，在计算上述包覆率时的SEM观察中，优选在约3000倍下观察约20个视野，并求出其平均值。

并且，在添加除碳黑以外的流动性改善粒子时，优选选择适合各种流动性改善粒子的观察条件并同样地求出包覆率。也可以基于通过上述观察得到的由碳黑包覆的包覆率和流动性改善粒子中碳黑的比例，估算被流动性改善粒子整体包覆的包覆率，用其来代替上述包覆率。

除碳黑外，在流动性改善粒子中添加的成分大致分为以下2种：

(A)Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O(硅酸铝镁)、SiO₂、TiO₂及Fe₂O₃中的1种或2种以上；

(B)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA：polymethylmethacrylate)及聚乙烯(PE)中的1种或2种。

若在碳黑的基础上添加这些成分作为流动性改善粒子，则改善铁粉(特别是雾化铁粉)的流动性的效果进一步提高。

通常，金属氧化物在烧结时阻碍铁粉粒子间的结合，导致烧结体的强度降低。因此，作为流动性改善粒子，优选尽可能地减少金属氧化物(例如Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃等)的添加量。而且，由于有机物(例如PMMA、PE等)价格昂贵，因此优选尽可能地减少有机物的添加量。由于上述理由，使碳黑的含量在50～100质量％的范围内。

通常已知若粉末粒子的表面存在细小的凹凸，则粒子间的接触面积减少，粒子间的附着力减小。虽然水雾化铁粉、还原铁粉的表面上也存在凹凸，但其曲率较小，为0.1～50μm^-1，因而在减少附着力方面不充分。

若这些流动性改善粒子的平均粒径小于5nm，则有可能埋没在铁粉表面的凹凸或铁粉表面上存在的润滑剂中。而且，这些微粒聚集存在，若过于细小则变得以聚集体的状态附着在铁粉表面上，因而不优选。而且，通常微粒越细小，微粒的制造成本越高。另一方面，若超过500nm，则自始与铁粉表面上存在的凹凸的曲率相同，而失去了特意使这些粒子附着的意义。特别是(A)的流动性改善粒子在烧结时没有分解，而直接存在于烧结体中。也可以将这些视为钢中的夹杂物，若其大小过大，则烧结体的强度下降。从这些原因出发，优选流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。更优选为100nm以下。并且，流动性改善粒子的粒径使用下述值：对于碳黑使用通过利用电子显微镜观察的算术平均而求出的值，对于上述(A)使用通过BET比表面积测定、以粒子形状为球形而求出的值，另外，对于上述(B)使用通过以乙醇作为分散介质的微跟踪法测定的值。

而且，若这些流动性改善粒子的添加量相对于铁粉100质量份小于0.01质量份，则没有发现稳定的流动性改善效果。另一方面，若超过3质量份，则在相同压力下成形时，压粉体的密度降低，结果烧结体的强度降低，因此不优选。因此，流动性改善粒子的添加量优选相对于铁粉100质量份为0.01～3质量份的范围。更优选为0.05质量份以上。而且，更优选为0.2质量份以下。

添加流动性改善粒子的效果是，在铁粉表面设置细小的凹凸，减少粒子间的接触面积，使附着力下降。而且，还具有阻碍铁粉表面上的粘合剂间的附着效果。

(没有粘合剂的铁粉的添加)

考虑上述方面，可以认为没有附着粘合剂的铁粉的流动性优良。

作为本发明的另一个方式，是含有没有粘合剂的铁粉的铁基粉末。基于上述观点，使铁粉中小于50质量％的铁粉没有粘合剂。若使表面没有粘合剂的铁粉为50质量％以上，则成形时脱模力增大，某些情况下产生粘模现象，成形体上有可能产生缺损。进一步优选没有粘合剂的铁粉为20质量％以下。而且，从得到显著的效果的观点出发，优选添加5质量％以上，进一步优选添加10质量％以上。

这种铁基粉末可以通过在实施了偏析处理的铁粉中混合没有实施偏析处理的铁粉而得到。添加时优选的铁粉的平均粒径范围与上述一般的铁粉的情况相同。而且，通过在没有粘合剂的铁粉中首先混合流动性改善粒子，然后与防偏析处理后的铁粉混合，能够进一步改善流动性。其原因虽不清楚，但推测一个原因是，由于裸露表面的铁粉具有粉碎流动性改善粉末的聚集体的防聚集效果，因此流动性改善粒子变得遍布粘合剂表面。虽然期待即使用没有粘合剂的其它原材料粉末代替没有粘合剂的铁粉也具有同样的效果，但最优选铁粉。

(其它)

本发明的铁基粉末中除铁以外的组合物(作为合金钢粉含有的物质、及通过粘合剂附着的物质)的含量优选相对于铁粉100质量份为10质量份以下。在粉末冶金中应用本发明的铁基粉末时，在填充模具、压缩成形前，还可以自由地添加、混合副原料粉末(合金用粉末、切削性改善用粉末等)来调整烧结体的组成等。

实施例

发明例1～9、16(表1～3)：以硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺作为粘合剂，以铁粉(JFE钢铁制300A)、Cu粉、石墨粉作为合金成分，使用亨舍尔(Henschel)式高速混合机进行加热、混合。然后，冷却至60℃，添加、混合表1、2所示的各种流动性改善粒子和游离润滑剂(即硬脂酸锌)。并且，流动性改善粒子的物性如表4所示。将所得的铁基粉末的表面状态示于表3，将粘合剂的针入度示于表1。这里，粘合剂表面由流动性改善粒子包覆的包覆率是通过(粘合剂表面由碳黑包覆的包覆率)/(流动性改善粒子中碳黑所占的粒子数比例)而求出的。并且，粒子数比例是通过使用由平均粒径及原材物质的比重估算的单位重量粒子数来修正重量比例而得到的。

并且，Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O、SiO₂所表示的物质被称为硅酸铝镁，只要复合化合物显示出稳定性，则x可以是任意数字，但通常为约1～2。

发明例12、17～20(表1～3)：除了使粘合剂和游离润滑剂为表1所述的物质之外，利用与上述相同的方法得到铁基粉末。

利用图3所示的填充试验机评价如上得到的铁基粉末的填充性。向设置于容器7中的长20mm、深40mm、宽0.5mm的腔6内填充铁基粉末来进行该评价。填充了铁基粉末5的粉箱4(长60mm、宽25mm、高50mm)沿图3中箭头的方向移动(移动方向8)，使其移动速度为200mm/秒，使在腔上的粉箱4的保持时间为0.5秒。以填充前的表观密度的百分比表示填充后的填充密度(填充重量/腔体积)，并将其作为填充率(填充率100％表示完全填充)，反复进行10次相同的实验，以填充率的标准偏差来表示其填充偏差。

而且，在模具中填充这些发明例的铁基粉末并加压(成形压力686MPa)，成形为厚5mm的拉伸试验片和厚10mm的夏比试验片，然后在RX气体气氛下进行烧结(烧结温度1130℃，烧结时间20分钟)，制作拉伸试验片和夏比试验片。将拉伸试验和夏比试验的结果一同示于表3。发明例1～9和12均显示出良好的填充偏差。而且烧结体的强度和韧性也良好，显示出与没有添加流动性改善粒子的烧结体(后述的比较例1)几乎相同的值。

发明例16中流动性改善粒子的添加量低至0.01％，而且，通过上述制造条件得到的、粘合剂表面由流动性改善粒子包覆的包覆率过小，因此填充偏差大于之前所述的发明例。

发明例17和18是粘合剂的包覆率超过50％的例子。与其它的发明例相比，它们的填充偏差也增大。

发明例19和20是粘合剂的针入度在最佳范围(0.05～1mm)或优选范围(0.05～2mm)之外的例子。与其它的发明例相比，它们的填充偏差也增大。

发明例10、11、13、14、15(表1～3)：以硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺作为粘合剂，将其与表1、2所示的铁粉(比表1所示的量少5质量％，即92.4质量％)、Cu粉、石墨粉一起用亨舍尔式高速混合机加热、混合。然后，冷却至60℃后，将没有附着粘合剂的铁粉(相当于5质量％)与表1及表2所示的流动性改善粒子和游离润滑剂一起投入，并进行混合。对所得的铁基粉末进行与发明例1～9等相同的研究。

虽然发明例10～15(除12外)均显示出良好的填充性，但由粘合剂包覆的包覆率为10％以上的铁基粉末的填充性更加优良。而且，虽然所得的烧结体的特性也良好，但由粘合剂包覆的包覆率为30％以上的铁基粉末的烧结体特性优良。

并且，在本发明例中，686MPa下成形时成形体的压粉密度为6.9～7.1Mg/m³，此时的脱模力为10～15MPa，均是没有问题的范围。

另一方面，作为比较例，以硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺作为粘合剂，以铁粉、Cu粉、石墨粉作为合金成分，使用亨舍尔式高速混合机加热混合。然后，冷却至60℃后，添加、混合游离润滑剂(即硬脂酸锌)。在本例中不使用流动性改善粒子。表1～3中的比较例1为这种例子。在比较例1中，虽然烧结体的特性良好，但填充性显著变差。

另外，除了添加、混合含有25质量％碳黑的SiO₂作为流动性改善粒子之外，通过与发明例1～9等同样的制造方法得到铁基粉末。表1～3中的比较例2为这种例子。并且，在表4中示出了与碳黑并用的流动性改善粒子的物性。比较例2中，虽然填充偏差良好，但烧结体的强度显著降低。

并且，由于各比较例的填充试验、拉伸试验、夏比试验与发明例相同，因此省略说明。

表1

^*1以百分比表示在合金成分中所占的比例

^*2表示相对于铁粉100质量份的比例

^*3以百分比表示在流动性改善粒子中所占的比例

^*4Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O

^*5由粘合剂包覆的包覆率偏离优选范围的例子

^*6粘合剂表面由流动性改善粒子包覆的包覆率偏离优选范围的例子

^*7粘合剂的针入度偏离最优选范围的例子

^*8粘合剂的针入度偏离优选范围的例子

表2

^*1以百分比表示在合金成分中所占的比例

^*2表示相对于铁粉100质量份的比例

^*3以百分比表示在流动性改善粒子中所占的比例

^*4Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O

^*5由粘合剂包覆的包覆率偏离优选范围的例子

^*6粘合剂表面由流动性改善粒子包覆的包覆率偏离优选范围的例子

^*7粘合剂的针入度偏离最优选范围的例子

^*8粘合剂的针入度偏离优选范围的例子

表3

^*1以百分比表示在合金成分中所占的比例

^*2表示相对于铁粉100质量份的比例

^*3以百分比表示在流动性改善粒子中所占的比例

^*4Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O

^*5由粘合剂包覆的包覆率偏离优选范围的例子

^*6粘合剂表面由流动性改善粒子包覆的包覆率偏离优选范围的例子

^*7粘合剂的针入度偏离最优选范围的例子

^*8粘合剂的针入度偏离优选范围的例子

表4

如表1所示，发明例均显示出良好的填充偏差，并且拉伸强度和夏比冲击值也良好。其中，在粘合剂的包覆率、粘合剂的针入度及粘合剂表面由流动性改善粒子包覆的包覆率处于适当范围的发明例中，上述各特性极为优良。

与此相对，比较例1的填充偏差大，比较例2的拉伸强度和夏比冲击值低。

并且，关于铁粉的种类(还原铁粉、合金钢粉等)和副原料粉(合金用粉末、切削性改善用粉等)、润滑剂，在使用表1记载之外的物质(例如Ni粉、MnS粉、CaF₂粉、硬脂酸锂等)时，也可见与上述实施例1相同的倾向，确认了本发明的效果。

产业上的利用可能性

根据本发明，能够以铁粉为原材制造具有优良的流动性且适合粉末冶金用途的铁基粉末。

Claims (30)

1.一种粉末冶金用铁基粉末，通过粘合剂使流动性改善粒子附着在铁粉粒子的表面上而得到，其特征在于，所述流动性改善粒子含有相对于流动性改善粒子为50～100质量％的碳黑粉末。

2.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉粒子的部分表面上附着有所述粘合剂，而且所述粘合剂的至少一部分表面上附着有所述流动性改善粒子。

3.如权利要求2所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉由所述粘合剂包覆的包覆率为50％以下。

4.如权利要求2所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉由所述粘合剂包覆的包覆率为10％以上且50％以下。

5.如权利要求2所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂由所述流动性改善粒子包覆的包覆率为50％以上。

6.如权利要求4所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂由所述流动性改善粒子包覆的包覆率为50％以上。

7.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂的针入度为0.05mm以上且2mm以下。

8.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺中的1种或2种以上。

9.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺中的1种或2种以上。

10.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁基粉末含有选自Cu、C、Ni和Mo中的1种或2种以上作为合金成分。

11.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁基粉末含有选自Cu、C、Ni和Mo中的1种或2种以上作为合金成分。

12.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉为选自雾化铁粉、还原铁粉和使合金成分部分扩散附着的铁粉中的1种或2种以上。

13.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉为选自雾化铁粉、还原铁粉和使合金成分部分扩散附着的铁粉中的1种或2种以上。

14.如权利要求10所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉为选自雾化铁粉、还原铁粉和使所述合金成分部分扩散附着的铁粉中的1种或2种以上。

15.如权利要求11所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉为选自雾化铁粉、还原铁粉和使所述合金成分部分扩散附着的铁粉中的1种或2种以上。

16.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉中小于50质量％的铁粉的表面不具有粘合剂。

17.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉中小于50质量％的铁粉的表面不具有粘合剂。

18.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O、SiO₂、TiO₂和Fe₂O₃的各粉末中的1种或2种以上，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

19.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O、SiO₂、TiO₂和Fe₂O₃的各粉末中的1种或2种以上，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

20.如权利要求2～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，以相对于所述铁粉100质量份为0.01～0.3质量份的比例含有所述流动性改善粒子。

21.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，以相对于所述铁粉100质量份为0.01～0.3质量份的比例含有所述流动性改善粒子。

22.如权利要求1～6中任一项所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有PMMA粉末和/或PE粉末，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

23.如权利要求7所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有PMMA粉末和/或PE粉末，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

24.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺和乙撑双硬脂酰胺中的1种或2种以上。

25.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁基粉末含有选自Cu、C、Ni和Mo中的1种或2种以上作为合金成分。

26.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉为选自雾化铁粉、还原铁粉和使合金成分部分扩散附着的铁粉中的1种或2种以上。

27.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述铁粉中小于50质量％的铁粉的表面不具有粘合剂。

28.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有Al₂O₃·MgO·2SiO₂·xH₂O、SiO₂、TiO₂和Fe₂O₃的各粉末中的1种或2种以上，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

29.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述流动性改善粒子除含有所述碳黑外，还含有PMMA粉末和/或PE粉末，并且所述流动性改善粒子的平均粒径在5～500nm的范围内。

30.如权利要求1所述的粉末冶金用铁基粉末，其中，所述粘合剂的针入度为0.05mm以上且2mm以下。

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