CN107107186B

CN107107186B - 还原铁粉及其制造方法以及轴承

Info

Publication number: CN107107186B
Application number: CN201680005894.0A
Authority: CN
Inventors: 町田智; 中村尚道
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: CA2972864A1; CA2972864C; JP6197953B2; SE1750827A1; CN107107186A; KR20170102942A; SE542056C2; WO2016114142A1; JPWO2016114142A1; US20180221960A1; KR102022947B1

Abstract

提供一种还原铁粉，能够减少粗大的夹杂物，成形性优异，烧结后的气孔率高，单位质量的反应性优异，进而即使在粒子内部也能够作为反应材料有效利用。表观密度处于1.00～1.40Mg/m³的范围。

Description

还原铁粉及其制造方法以及轴承

技术领域

本发明涉及还原铁粉及其制造方法以及使用该还原铁粉的轴承。

背景技术

作为代表性的铁粉，从制造方法来说，主要已知还原铁粉和雾化铁粉两种。在这里，作为目前公知的铁粉的表观密度，对于还原铁粉来说为2.3Mg/m³以上，对于雾化铁粉来说为2.5Mg/m³以上。另外，作为比表面积，对于还原铁粉来说为0.10m²/g以下，对于雾化铁粉来说为0.07m²/g以下。

具有这样的性状的铁粉用途广泛，其中作为化学反应材料、烧结机械部件的用途占了很大比例。而且，对于化学反应材料来说，为了提高反应效率需要高的比表面积，对于烧结机械部件来说，作为含油轴承需要高的气孔率。

在这里，表观密度越低比表面积越大。另外，为了制造气孔率高的烧结机械部件，需要表观密度低的铁粉。

接着，作为烧结机械部件，以烧结含油轴承为例进行说明。对于烧结含油轴承来说，保持适当的含油率是重要的，如果含油率低，则不能得到适当的润滑性、耐用性。于是，为了保持该适当的含油率，需要提高烧结体的气孔率。需要说明的是，作为现有技术文献，具有专利文献1。

近些年，伴随着机械部件的小型化，制造出了外径：2mm、内径：0.6mm左右的含油轴承。然而，为了进一步实现小型化，如果使用现有的还原铁粉，由于现有的还原铁粉的气孔和铁部分粗大，因此成形性和成品率差，制造变得困难。于是，希望得到与以往相比组织微细且为多孔性、夹杂物少的铁粉。

另外，在轴承那样与其他部件有摩擦的部件中，在该部件中存在夹杂物会对其他部件造成损伤，缩短产品的寿命。另外，夹杂物与周围的铁粉不烧结的情况成为构造缺陷的主要原因，尤其是在制造微小的机械部件时，对成品率和强度的下降造成的影响极大。

需要说明的是，夹杂物的说明如下所述。还原铁粉由铁矿石或氧化铁皮制造。其生成物即还原铁粉的纯度由原料即氧化铁的纯度决定。最常见的杂质为氧，大部分的氧作为表面氧化物的薄膜产生。基本的杂质包括碳、镁、铝、硅、磷、硫、铬、锰、镍和铜，其中大多作为氧化物存在，被称为夹杂物。

另外，考虑到作为化学反应材料的应用，通过增大粉末的比表面积能够实现反应的效率化，因此公知专利文献2和3所述的那样比表面积大、即表观密度低的铁粉是有益的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2001-132755号公报

专利文献2：(日本)特许第4667835号公报

专利文献3：(日本)特许第4667937号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在使用现有的还原铁粉作为轴承的情况下，由于在还原铁粉中含有超过200μm的夹杂物，存在对轴造成损伤、产生自身的构造缺陷等问题。

另外，在制造轴承时，如上所述，伴随着轴承的小型化，气孔和铁组织相对于轴承相对变大，因此存在不能得到润滑油的循环性能的问题。即，在现有的还原铁粉中，虽然有微细的气孔，但存在由于夹杂物多而不合格的问题。另外，在使用现有的还原铁粉的情况下，虽然能够以高的成品率制造内径：0.6mmφ、外径：2.0mmφ的轴承，但如果是例如内径：0.4mmφ，外径：1.4mmφ的微小的轴承，如果是现有的还原铁粉则成形性不充分而成品率大幅降低，量产变得困难。

需要说明的是，对于雾化铁粉来说，由于表面平滑，在成型时铁粉粒子彼此的接合力不足，拉托拉值显著下降，因此不适合上述小轴承的用途。另外，在制造含油轴承时气孔少，不能充分地得到油的循环也是大的缺点。另外，在雾化铁粉中，夹杂物少，存在微细的气孔少的问题。

另一方面，从还原铁粉作为化学反应材料的利用的观点考虑，需要粉末的比表面积大从而使单位质量的反应性优异、进而即使在粒子内部也能够作为反应材料有效利用的粉末。

如以上所说明的那样，为了以高的成品率制造比内径：0.6mmφ，外径：2.0mmφ更小的轴承，需要表观密度从2.0Mg/m³大幅下降，比表面积从0.1m³/g大幅上升的0.2m³/g以上的还原铁粉。然而，现有的制造方法不能制造出这样的还原铁粉。

本发明的目的在于提供一种能够有效解决上述问题的还原铁粉及其制造方法以及使用该还原铁粉的轴承，能够减少粗大的夹杂物、成形性优异、烧结后的气孔率高、单位质量的反应性优异、进而即使在粒子内部也能够作为反应材料有效利用。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的主旨结构如下所述。

1.一种还原铁粉，其特征在于，表观密度为1.00～1.40Mg/m³。

2.根据上述1所述的还原铁粉，其特征在于，所述还原铁粉中的氧含量为0.38mass％以下。

3.根据上述1或2所述的还原铁粉，其特征在于，所述还原铁粉的比表面积为0.20m²/g以上。

4.一种还原铁粉的制造方法，制造上述1～3中任一项所述的还原铁粉，其特征在于，具有以下工序：

使通过激光衍射法测定的平均粒子径为3.0μm以下的原料氧化铁粉结块而成为氧化铁粉的工序；

之后，使用氢气以800～1000℃对所述氧化铁粉进行还原而成为还原铁粉的工序。

5.根据上述4所述的还原铁粉的制造方法，其特征在于，在所述氧化铁粉的还原前，对所述氧化铁粉进行分级，使所述氧化铁粉的通过激光衍射法测定的平均粒子径为50～200μm。

6.根据上述4或5所述的还原铁粉的制造方法，使所述氧化铁粉中的铁分为68.8mass％以上。

7.一种轴承，以上述1～3中任一项所述的还原铁粉为原料。

发明的效果

根据本发明，能够得到减少粗大的夹杂物，成形性优异，烧结后的气孔率高，单位质量的反应性优异，进而即使在粒子内部也能够作为反应材料有效利用的还原铁粉。

附图说明

图1是表示本发明的还原铁粉的制造工序的流程图。

图2是表示现有例以及本发明例1、2的还原铁粉的外观像和剖面像的图。

具体实施方式

发明人成功利用新的制造方法，制造出表观密度为1.00～1.40Mg/m³、比表面积为0.20m²/g以上的新的还原铁粉。本发明的还原铁粉的表观密度充分地低，因此成形性优异，单位质量的反应性优异，进而即使在粒子内部也能够作为反应材料有效利用。另外，本发明的还原铁粉的铁组织微细(参照图2的剖面像中的白色部分)，其结果是，夹杂物也微细地分散。因此，以该还原铁粉为原料，能够以高的成品率制造强度高的轴承，能够以高的成品率量产例如内径：0.4mmφ、外径：1.4mmφ的轴承。

参照图1，对本发明的还原铁粉的制造方法的实施方式进行说明。首先，使规定的平均粒子径的氧化铁粉(原料氧化铁粉)结块而成为氧化铁粉。之后，对所得到的氧化铁粉进行分级，使氧化铁粉的平均粒子径成为规定的大小。之后，使用氢气对氧化铁粉进行还原(Fe₂O₃+3H₂＝2Fe+3H₂O)，通过适当地对其粉碎，成为本发明的还原铁粉(多孔质铁粉)。

在这里，在本发明中，为使还原铁粉的表观密度成为1.40Mg/m³以下，使还原铁粉中的夹杂物微细，对原材料即原料氧化铁粉进行微细化，使通过激光衍射法进行测定的平均粒子径(D50)为3.0μm以下的重要的。也就是说，伴随着微粒化，气孔变小，夹杂物微细化。原料氧化铁粉的平均粒子径优选为2.0μm以下，下限没有特别的限制，但在工业上为0.5μm左右。

作为上述原料氧化铁粉的制造方法的一个例子，已知将在炼铁厂中对钢板酸洗后的废酸进行中和而取出的方法。例如，作为方法，能够举出基于鲁式法的使用喷雾焙烧炉的方法和基于鲁奇法的流态化焙烧法。

另外，在本发明中，使原料氧化铁粉结块，得到原料氧化铁粉凝集而成的氧化铁粉是必不可少的。作为使原料氧化铁粉结块的方法，使用亨舍尔型混合机使粘合剂和水在原料氧化铁粉中混合而使其干燥的方法、使原料氧化铁粉与粘合剂一起溶于水而成为喷雾状后向该液滴吹热风而使其干燥的方法(喷雾干燥器)是有效的。在任一方法中使用PVA、淀粉等作为粘合剂。

在向容器填充或向还原炉装入氧化铁粉而进行还原时，在凝集的粒子之间产生空隙，通过确保适度的通气性，还原容易进行。因此，结块后的氧化铁粉的平均粒子径是重要的。另外，用于还原的氧化铁粉的粒子径与对其进行还原后的还原铁粉的粒子径有关。于是，优选对结块后的氧化铁粉进行分级，对其平均粒子径进行控制后再用于还原。

如上所述，结块后的氧化铁粉的平均粒子径是重要的。但是，并不是所有粒子都要保持形状，存在多个粒子结合、一个粒子被分割的情况。于是，发明人经过各种研究，结果发现在实用上有效的还原铁粉的平均粒子径为50～100μm，因此，优选氧化铁粉的平均粒子径为50～200μm。因此，在本发明中，优选对结块后的氧化铁粉适当地进行分级，使其平均粒子径为50～200μm。

另外，优选氧化铁粉中的铁分为68.8mass％以上。由此，能够得到充分地抑制还原铁粉中的氧含量，提高化学反应性的效果，并且能够更加充分地得到以高的成品率制造强度高的轴承的效果。对于氧化铁粉中的铁分的上限，没有特别的限制，但为77mass％左右。

另外，在本发明中，对上述结块后的氧化铁粉进行还原而成为还原铁粉(或简称为铁粉)。发明人发现，通过在该还原工序即氧化铁的氢还原中适当地管理还原温度，而使表观密度降低至现有的还原铁粉和雾化铁粉的一半来制造夹杂物微细地分散的铁粉的条件。使还原中的还原温度为800℃以上1000℃以下是极为重要的。如果还原温度不足800℃，则难以通过还原反应来除去还原铁粉中的氧。其结果是，由于铁粉中氧大量残留，因此化学反应性不充分，成形性降低而使制造轴承时的成品率恶化。另一方面，如果超过1000℃，则铁粉彼此之间发生烧结，表观密度超过1.40Mg/m³，化学反应性变得不充分，制造轴承时的成品率恶化。

对由平均粒子径3.0μm以下这样的微细的原料氧化铁粉制造的氧化铁粉充分地进行还原，从得到表观密度为1.00～1.40Mg/m³的还原铁粉的观点出发，还原时间优选为120分以上。另外，对于还原时间的上限没有特别的限制，但从高效的制造方法的观点出发设为240分左右。

需要说明的是，在本发明中，上述还原铁粉的制造条件之外的条件能够应用公知公用的还原铁粉的制造条件。作为还原方法，例如能够举出在氢气等还原氛围下使用带式炉，在大气压下进行加热的方法。

接着，对本发明的还原铁粉的实施方式进行说明。本发明的还原铁粉的表观密度为1.00～1.40Mg/m³，该还原铁粉能够通过上述制造方法制造。如果还原铁粉的表观密度不足1.00Mg/m³，则比表面积过剩，与大气中的氧的反应急速进行而发生粉尘爆炸的危险性增大。另一方面，在还原铁粉的表观密度比1.40Mg/m³大的情况下，化学反应性不充分。并且由于压粉成型体的强度也下降，因此在之后的工序中容易发生破损，轴承制造时的成品率恶化。

在还原铁粉的表观密度处于1.00～1.40Mg/m³的范围时，成型体强度增加而能够以高的成品率制造轴承。另外，通过使表观密度处于该范围，能够有效地减少粗大的夹杂物，并且烧结后的强度也得以提高，因此轴承的品质得以提高。另外，本发明的还原铁粉的单位质量的反应性优异，进而即使在粒子内部也能够作为反应材料高效利用。需要说明的是，本发明中的表观密度依据JIS-Z-2504测定。

另外，优选本发明的还原铁粉的氧含量为0.38mass％以下。由此，能够更充分地得到提高化学反应性以及以高的成品率制造强度高的轴承的效果。对于本发明的还原铁粉的氧含量的下限，虽然没有特别的限制，但为0.10mass％左右。

在还原铁粉的比表面积不足0.20m²/g的情况下，不能充分地形成本发明特征性的铁粉粒子，化学反应性不充分。因此，优选还原铁粉的比表面积为0.20m²/g以上。另外，铁粉的比表面积的上限没有特别的限制，但是考虑到处理性等优选为0.4m²/g左右。需要说明的是，本发明中的比表面积通过使用氮气的BET法测定。

另外，在本发明中，能够以前述本发明的还原铁粉为原料制造轴承。该轴承如后述实施例所述，制造轴承时的成品率、轴承的强度、气孔率优异，化学反应性高。需要说明的是，以本发明的还原铁粉为原料的轴承的制造方法除了以本发明的还原铁粉为原料之外能够使用现有的方法。

实施例

现有的还原铁粉(通过两次还原步骤而得到的还原铁粉)、现有的雾化铁粉、经过图1所示的制造工序的还原铁粉(比较例1～5、发明例1～4)的比较如表1所示。需要说明的是，在比较例1～5和发明例1～4中，在还原气体中使用氢气。并且，上述以往使用的还原铁粉以铁矿石和氧化铁皮为原料，在图1中，没有结块工序和分级工序，在添加焦炭粉而利用连续作业炉进行一次还原后，进行大块的还原。

表1所示的铁粉的评价项目通过以下方法实施。

原料氧化铁粉的平均粒子径通过体积基准的激光衍射法测定。

氧化铁粉中的铁分使用根据JIS-M-8212测定的值。

结块后的氧化铁粉的平均粒子径通过激光衍射法测定，使用50％的粒子径。

还原铁粉的表观密度依据JIS-Z-2504测定。

还原铁粉的平均粒子径通过体积基准的激光衍射法测定，使用50％的粒子径。

还原铁粉的基于BET法的比表面积使用氮气测定。

还原铁粉中的氧含量通过不活泼气体燃烧-红外线吸收法(the inert gasfusion infrared absorption method；GFA)测定。

制造轴承时的成品率以从压粉成型为内径：0.4mmφ、外径：1.4mmφ、高度：2～2.5mm的圆筒形状开始到烧结结束为止的破损率为5％以下(成品率为95％以上)为合格。强度以倒置圆筒的状态压缩时的强度为17N/mm²以上为合格，不足17N/mm²为不合格。

气孔率是决定含油轴承性能的因子，适当的值为18～22％。

气孔率的测定通过水银压入法进行。

化学反应中的反应率通过土壤中的硫成分对铁的吸附反应(Fe+S＝FeS)来评价。由于需要该反应的吸附性在实用上的水准以上，因此在表1中，以化学反应性为指标，以最低所需的水平为1，通过比值来表示。

另外，在图2中将本发明例1、2的还原铁粉的外观像和剖面像与现有还原铁粉比较表示。外观像是使用扫描电子显微镜，剖面像是使用光学显微镜而拍摄的。与现有的还原铁粉相比，在发明例1和发明例2中在粒子内部包含大量气孔。

表1

比较例1是以1050℃对氧化铁粉进行还原的铁粉，其表观密度为1.48Mg/m³，处于本发明的范围外。还原率较为良好，但制造轴承时的成品率不合格。并且，化学反应性也不合格。

比较例2以780℃对氧化铁粉进行还原的铁粉，其表观密度为0.98Mg/m³，处于本发明的范围外。制造轴承时的成品率和化学反应性均不合格。

比较例3是原料氧化铁粉的平均粒子径为3.2μm、以850℃对结块后的氧化铁粉进行还原的铁粉，其表观密度为0.95Mg/m³，处于本发明的范围外。还原率较低，制造轴承时的成品率低下，化学反应性也不合格。

比较例4是以结块后的氧化铁粉的平均粒子径为45μm制造的还原铁粉，其表观密度为1.49Mg/m³，处于本发明的范围外。还原率高，轴承的强度为合格，但制造轴承时的成品率不合格。化学反应性也不合格。

比较例5是以结块后的氧化铁粉的平均粒子径为220μm制造的还原铁粉，其表观密度为0.95Mg/m³，处于本发明的范围外。轴承的强度合格，但制造轴承时的成品率不合格。气孔率过剩，化学反应性也不合格。

发明例1是结块后的氧化铁粉的平均粒子径为50μm、以1000℃对结块后的氧化铁粉进行还原的铁粉，其表观密度为1.38Mg/m³。还原率高，制造轴承时的成品率、轴承的强度和气孔率均为合格。并且，化学反应性也表现出良好的性能。

发明例2是结块后的氧化铁粉的平均粒子径为120μm、以1000℃对结块后的氧化铁粉进行还原的铁粉，其表观密度为1.32Mg/m³。还原率为良好，制造轴承时的成品率、轴承的强度和气孔率均为合格。并且，化学反应性也表现出良好的性能。

发明例3是结块后的氧化铁粉的平均粒子径为120μm，以800℃对结块后的氧化铁粉进行还原的铁粉，其表观密度为1.03Mg/m³。还原率为良好，制造轴承时的成品率、轴承的强度和气孔率均为合格。并且，化学反应性表现出良好的性能。

发明例4是结块后的氧化铁粉中的铁分为68.2mass％的铁粉，还原后的铁粉的氧含量为0.43mass％，但其表观密度为1.12Mg/m³。化学反应性表现出良好的性能，制造轴承时的成品率、轴承的强度及气孔率均为合格。

发明例5是使原料氧化铁粉的平均粒子径为0.7μm的情况，氧化铁粉的平均粒径为90μm，但其表观密度为1.05Mg/m³。化学反应性表现出良好的性能，制造轴承时的成品率、轴承的强度及气孔率均为合格。

Claims

1.一种还原铁粉的制造方法，其特征在于，具有以下工序：

对所述氧化铁粉进行分级，使用于还原的所述氧化铁粉的通过激光衍射法测定的平均粒子径为50～200μm的工序；

之后，在800～1000℃使用氢气对所述氧化铁粉进行还原而得到表观密度为1.00～1.40Mg/m³的还原铁粉的工序；

在所述还原铁粉的制造中，还原工序仅为上述一次。

2.根据权利要求1所述的还原铁粉的制造方法，其特征在于，

所述氧化铁粉中的铁分为68.8mass％以上。

3.一种轴承的制造方法，以通过权利要求1或2所述的制造方法得到的还原铁粉为原料制造轴承。