JP2004190051A - 粉末冶金用鉄基粉末混合物およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】成分偏析が少なく、常温〜温間において流動性、圧縮性および抜き出し性に優れた粉末冶金用鉄基粉末混合物を提供する。
【解決手段】鉄基粉末および副原料粉末の表面に、粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子の混合層を形成する。
【選択図】 なし
【解決手段】鉄基粉末および副原料粉末の表面に、粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子の混合層を形成する。
【選択図】 なし
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、特に該鉄基粉末混合物の流動性および圧粉成形金型からの抜き出し性を改善すると共に、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）が、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、流動性および金型からの抜き出し性に問題があっただけでなく、圧粉体密度の面でも改善の余地を残していた。
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、流動性が良く、また金型からの抜き出し力が小さく、しかも圧粉体密度の向上も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、鉄基粉末混合物の表面に予め黒鉛粒子と潤滑剤粒子を均一に付着させておくこと、さらに好適には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．副原料粉末を含む鉄基粉末混合物であって、該鉄基粉末および副原料粉末の表面がそれぞれ、粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子の混合層で被覆されていることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【０００９】
２．上記１記載の鉄基粉末混合物中に、０．０１〜２．０ 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２０ ｖｏｌ％が、粒径：０．０１〜８０μｍ の一次粒子を凝集して造粒した粒径：１０〜２００ μｍ 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。
【００１０】
３．上記１または２において、前記副原料粉末が、銅粉末または酸化銅粉末のいずれかであることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【００１１】
４．上記１〜３のいずれかにおいて、前記鉄基粉末および副原料粉末の表面に被覆した混合層の厚みが ０．００１〜５．０ μｍ であることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【００１２】
５．鉄基粉末と副原料粉末を混合した後、溶媒中に粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子をそれぞれ乳化または分散させた処理液を噴霧して、該鉄基粉末および副原料粉末の表面を該処理液で覆い、ついで乾燥処理により該溶媒を揮散させて、該鉄基粉末および副原料粉末の表面に該黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成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。
【００１３】
６．上記５において、前記鉄基粉末および副原料粉末の表面に前記黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成したのち、さらに粒径：０．０１〜８０μｍ の一次粒子を凝集して造粒した粒径：１０〜２００ μｍ の二次粒子を少なくとも２０ ｖｏｌ％含む遊離潤滑剤を、０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％の範囲で添加し、ついで混合する際、該二次粒子が破壊しないせん断力で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。
【００１４】
７．上記５または６において、前記副原料粉末が、銅粉末または酸化銅粉末のいずれかであ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。
【００１５】
【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、純鉄粉純鉄粉を始めとして、ＦｅにＣｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ等を合金化させた完全合金化鋼粉や、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ等を純鉄粉または完全合金化鋼粉に拡散接合させた部分合金化鋼粉などを含む。
【００１６】
また、本発明において、副原料粉末とは、銅粉、酸化銅粉、Ｎｉ基粉末、Ｍｏ基粉末等の合金化用粉末および／またはＭｎＳ粉末、ＢＮ粉末、ＣａＦ粉末、ヒドロキシアパタイト粉末等の切削性改善用粉末が、その代表である。
かかる副原料粉末は、粉末冶金において常識的な範囲の量を鉄基粉末に混合することができる。すなわち、ＢＮ粉末やＭｎＳ粉末等の比重の小さい粉末は ０．１〜２０ｍａｓｓ％を鉄基粉末に混合し、また銅粉（酸化銅粉を含む）、Ｎｉ基粉末、Ｍｏ基粉末等の金属粉末は ０．１〜５０ｍａｓｓ％を鉄基粉末に混合してすることができる。粉末冶金用副原料粉末の混合量（ｍａｓｓ％）は、いずれも粉末冶金用鉄基粉末混合物全体における比率である。
【００１７】
さて、上記したような鉄基粉末および副原料粉末を混合したのち、溶媒中に粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子をそれぞれ乳化または分散させた処理液を噴霧して、鉄基粉末および副原料粉末の表面を処理液で被覆する。
ここに、黒鉛粒子および潤滑剤粒子の粒径を０．０１〜１０μｍ の範囲に限定したのは、粒径が０．０１μｍ 未満では、鉄基粉末表面に粒子が被覆されたのち溶媒を含有し易く、乾燥工程に長時間を要し、コスト高となり、一方１０μｍ を超えると、鉄基粉末表面に黒鉛および潤滑剤粒子が付着し難くなり、被膜の形成が困難となるからである。
【００１８】
また、潤滑剤粒子の成分としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸リチウム、ヒドロキシステアリン酸リチウム等の金属石鹸およびその誘導体、あるいはオレイン酸、パルチミン酸等の脂肪酸、あるいはステアリン酸アミド、ステアリン酸ビスアミド、セバシン酸ビスアミド等のエチレンジアミンと脂肪酸との共重合生成物、あるいはポリオレフィン等の熱可塑性樹脂から選ばれる１種または２種以上が好ましい。
さらに、溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトンおよびブタノン等の有機溶媒、または水などが有利に適合する。溶媒乾燥後の処理を考えると、水を用いることが好適である。なお、水に不溶な潤滑剤であっても、界面活性剤を適切に選択することにより、水中に均一に分散させて使用することができる。
【００１９】
ついで、乾燥処理により溶媒を揮散させて、鉄基粉末および副原料粉末の表面に黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成する。
ここに、乾燥処理温度は、５０〜１２０ ℃程度とするのが好ましい。というのは、処理温度が５０℃に満たないと、溶媒の乾燥時間が増大し、一方 １２０℃を超えると、水等の溶媒使用時には鉄粉が腐食するという問題が生じるだけでなく、潤滑剤液滴が鉄基粉末の表面に十分に被覆される以前に溶媒が蒸発して、均一な被膜が形成されないという問題が生じるからである。
また、黒鉛粒子および潤滑剤粒子の表面に形成する混合層の厚みは、 ０．００１〜５．０ μｍ 程度とすることが有利である。というのは、層厚が ０．００１μｍ に満たないと、製造された鉄基粉末混合物の成形を行う際に十分な潤滑効果を得ることができず、抜き出し力の増大を招き、一方 ５．０μｍ を超えると、鉄基粉末の表面に分子間相互作用の大きい高分子有機物層が形成されるため、分子間相互作用が増大し、鉄基粉末混合物の流動性が悪化するという問題を生じるからである。
【００２０】
かくして、鉄基粉末および副原料粉末の表面が、黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層で均一に覆われた鉄基粉末混合物を得られる。
かかる鉄基粉末混合物は、各粉末の表面が潤滑剤で均一に覆われているので、流動性が格段に向上する。また、黒鉛も各粉末の表面に均一に付着しているので、混合粉内で偏析したり、ばらつくこともない。さらに、潤滑効果が高まるので、従来に比べて潤滑剤の添加量を有利に低減させることができ、従って圧粉体密度の向上を図ることもできる。
【００２１】
さらに、本発明において、圧粉成形金型からの抜き出し性を一層向上させるには、粒度分布を適切に制御した遊離潤滑剤を添加することが有利である。
遊離潤滑剤は、添加する際には、微細粉（一次粒子）とこれらが凝集した粒径が大きい粉末（二次粒子）から構成される。従来は、かような一次粒子と二次粒子の比率については何ら考慮が払われてなく、鉄基粉末と潤滑剤とをできるだけ均一な状態に混合するのが好適と考えられていたので、混合する際には比較的大きなせん断力の下で混合が実施され、二次粒子を破壊していた。
しかしながら、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、金型からの抜き出し力が効果的に低減するだけでなく、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。
【００２２】
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、この二次粒子は鉄基粉末間の空隙に効果的に侵入すると共に、これらの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、加圧成形の際に凝集が解けて、鉄基粉末混合物の緻密化に伴い金型壁面接触面に発生する剪断力によって、金型壁面に押し広げられ、これ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と圧粉体密度の向上が併せて達成されるものと考えられる。
【００２３】
ここに、一次粒子については、粒径を０．０１〜８０μｍ 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０．０１μｍ に満たないと、粒子間結合力が強くなり、凝集して形成される二次粒子が鉄基粉末混合物成形時に解かれ難くなり、金型表面まで十分に分散しないため、潤滑効果が十分に発揮されないという問題が生じ、一方８０μｍ を超えると、成形後、成形体中に残留し、焼結後の粗大空孔の原因となるからである。
また、二次粒子については、その粒径を１０〜２００ μｍ 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１０μｍ に満たないと、鉄基粉末の粒子径に比べて極めて小さいため、鉄基粉末粒子の間隙に入って凝集が解かれ難くなるため、潤滑効果が十分に発揮されず、一方 ２００μｍ を超えると、二次粒子構造が解かれた後も一部凝集状態の二次粒子構造が残存し、成形体焼結後の粗大空孔の原因となるからである。
【００２４】
そして、上記した粒径が１０〜２００ μｍ の二次粒子を、遊離潤滑剤全体に対して少なくとも２０ ｖｏｌ％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２０ ｖｏｌ％に満たないと、鉄基粉末間の空隙や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および圧粉体密度の向上が望めないからである。
【００２５】
また、上記した遊離潤滑剤は、鉄基粉末混合物全体に対し０．０１〜２．０ 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０．０１ｍａｓｓ％に満たないと十分な潤滑効果が得られず，一方 ２．０ｍａｓｓ％を超えると鉄基粉末混合物中に占める潤滑剤の体積分率が高くなり、成形体密度の低下や焼結時の寸法収縮率の増大による焼結体の変形等の弊害を招くからである。
なお、上記した遊離潤滑剤としては、前述した混合層形成用の潤滑剤粒子と同じ成分で良い。
【００２６】
また、上記した造粒法を利用する場合には、遊離潤滑剤の二次粒子が破壊しない低せん断力で混合することが重要である。
混合手段として粉体混合機を使用する場合、粒径が１０〜２００ μｍ の二次粒子を少なくとも２０ ｖｏｌ％残存させるために適当な粉体混合機としては、混合操作によって粉体に加えられる外力は小さい方が好ましい。混合機が混合操作によって粉体に与える外力については、例えば日本粉体工業技術協会編「粉体混合技術」（日刊工業新聞社，２００１）によると、外力が小さい順に（１） 対流混合、（２） せん断混合、（３） 高せん断混合に分類される。この分類によれば、上記した（１）， （２）程度の外力が好適である。
【００２７】
好適な混合機としては、容器回転式混合機、機械撹拌式混合機および流動撹拌式混合機などがあり、高速せん断式混合機や衝撃式混合機は適さない。
ここで、容器回転式混合機としては、Ｖ型混合機、二重円錐形混合機および円筒回転形混合機が、また機械撹拌式混合機としては、単軸リボン形混合機、回転鋤形混合機（レディゲミキサーなど）、円錐遊星スクリュー形混合機（ナウターミキサーなど）、高速底部回転式混合機（ヘンシェルミキサーなど）および傾斜回転パン形混合機（アイリッヒミルなど）が好適である。
なお、機械撹拌式混合機の場合、撹拌翼については、表面積が大きい形状や高回転数での撹拌は好ましくない。
【００２８】
【実施例】
実施例１
鉄基粉末、副原料粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粒子および溶媒としては、それぞれ表１〜５に示すものを用いた。
さて、鉄基粉末に、副原料粉末を種々の割合で添加したのち、黒鉛粉末および潤滑剤粒子を溶媒に乳化または分散させた処理液を噴霧し、該鉄基粉末および副原料粉末の表面を該処理液で覆い、ついで同じく表６に示す温度で乾燥処理を施して溶媒を揮散させ、鉄基粉末および副原料粉末の表面に黒鉛粉末および潤滑剤粒子の混合層を形成した。
かくして得られた粉末冶金用鉄基粉末混合物の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表６に併記する。
【００２９】
また、比較のため、鉄基粉末、副原料粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粒子の配合が同じで、これらをＶ型混合機で単純混合して作製した粉末冶金用鉄基粉末混合物の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表７に示す。なお、この時の潤滑剤粒子としては、溶媒に分散させる前の原料粉末を用いた。
【００３０】
なお、各特性は次のようにして評価した。
（１） 流動性
鉄基粉末混合物：１００ ｇを、オリフィス径：２．６３ｍｍの容器に充填し、充填してから排出するまでの時間を測定して、流動度（ｓ／５０ｇ）を求め、この流動度で評価した。
（２） 抜き出し性および圧粉体密度
抜き出し性は、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の成形体を成形したのち、金型から成形体を抜き出し、その時の抜き出し力で評価した。
また、得られた成形体の密度を圧粉体密度とした。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
【表３】
【００３４】
【表４】
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
【表７】
【００３８】
表６および表７に、発明例１〜１６と比較例１〜１６それぞれを比較して示したところから明らかなように、同一配合の場合、黒鉛粉末と潤滑剤粒子を鉄基粉末の表面に被覆することにより、流動度が向上し、また高密度で低引き抜き力の成形が可能となる。
【００３９】
実施例２
実施例１と同様の方法で作製した表８に示す各種の鉄基粉末混合物に、表９に示す造粒構造の遊離潤滑剤を種々の範囲で添加したのち、Ｖ形混合機またはレディゲミキサーを用いて混合し、各種粉末冶金用鉄基混合粉末を作製した。
かくして得られた粉末冶金用鉄基混合粉末の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表１０に示す。
また、比較のため、鉄基粉末、副原料粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粒子の配合が同じで、これらをＶ型混合機で単純混合して作製した粉末冶金用鉄基粉末混合物の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表１１に示す。
【００４０】
【表８】
【００４１】
【表９】
【００４２】
【表１０】
【００４３】
【表１１】
【００４４】
表１０および表１１に、発明例１７〜３２と比較例１７〜３２それぞれを比較して示したところから明らかなように、同一配合の場合、黒鉛粉末と潤滑剤の一部を予め鉄基粉末の表面に被覆し、潤滑剤の残部を造粒構造とすることにより、黒鉛粉末と潤滑剤粒子を鉄基粉末に単純に混合した場合に比べて、流動度は向上し、また高密度で低引き抜き力の成形が可能となった。
【００４５】
実施例３
実施例１および２で作製した試料の一部を １３０℃に加熱し、流動度、圧粉体密度および抜き出し性を測定した。なお、圧粉体密度および抜き出し性の測定に際しては、 １３０℃に加熱した鉄基粉末混合物を １５０℃に加熱した内径：１１ｍｍφの金型中に装入し、 ６８６ ＭＰａで成形した。
得られた結果を表１２に示す。
【００４６】
【表１２】
【００４７】
表１２から明らかなように、本発明の鉄基粉末混合物によれば、抜き出し力の大きな上昇を伴うことなしに、さらに高密度の圧粉体を得ることが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、流動性に優れ、また金型からの抜き出し力が小さく、しかも圧粉体密度が大きい、すなわち常温成形性および温間成形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。
【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、特に該鉄基粉末混合物の流動性および圧粉成形金型からの抜き出し性を改善すると共に、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）が、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、流動性および金型からの抜き出し性に問題があっただけでなく、圧粉体密度の面でも改善の余地を残していた。
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、流動性が良く、また金型からの抜き出し力が小さく、しかも圧粉体密度の向上も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、鉄基粉末混合物の表面に予め黒鉛粒子と潤滑剤粒子を均一に付着させておくこと、さらに好適には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．副原料粉末を含む鉄基粉末混合物であって、該鉄基粉末および副原料粉末の表面がそれぞれ、粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子の混合層で被覆されていることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【０００９】
２．上記１記載の鉄基粉末混合物中に、０．０１〜２．０ 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２０ ｖｏｌ％が、粒径：０．０１〜８０μｍ の一次粒子を凝集して造粒した粒径：１０〜２００ μｍ 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。
【００１０】
３．上記１または２において、前記副原料粉末が、銅粉末または酸化銅粉末のいずれかであることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【００１１】
４．上記１〜３のいずれかにおいて、前記鉄基粉末および副原料粉末の表面に被覆した混合層の厚みが ０．００１〜５．０ μｍ であることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
【００１２】
５．鉄基粉末と副原料粉末を混合した後、溶媒中に粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子をそれぞれ乳化または分散させた処理液を噴霧して、該鉄基粉末および副原料粉末の表面を該処理液で覆い、ついで乾燥処理により該溶媒を揮散させて、該鉄基粉末および副原料粉末の表面に該黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成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。
【００１３】
６．上記５において、前記鉄基粉末および副原料粉末の表面に前記黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成したのち、さらに粒径：０．０１〜８０μｍ の一次粒子を凝集して造粒した粒径：１０〜２００ μｍ の二次粒子を少なくとも２０ ｖｏｌ％含む遊離潤滑剤を、０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％の範囲で添加し、ついで混合する際、該二次粒子が破壊しないせん断力で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。
【００１４】
７．上記５または６において、前記副原料粉末が、銅粉末または酸化銅粉末のいずれかであ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。
【００１５】
【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、純鉄粉純鉄粉を始めとして、ＦｅにＣｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ等を合金化させた完全合金化鋼粉や、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ等を純鉄粉または完全合金化鋼粉に拡散接合させた部分合金化鋼粉などを含む。
【００１６】
また、本発明において、副原料粉末とは、銅粉、酸化銅粉、Ｎｉ基粉末、Ｍｏ基粉末等の合金化用粉末および／またはＭｎＳ粉末、ＢＮ粉末、ＣａＦ粉末、ヒドロキシアパタイト粉末等の切削性改善用粉末が、その代表である。
かかる副原料粉末は、粉末冶金において常識的な範囲の量を鉄基粉末に混合することができる。すなわち、ＢＮ粉末やＭｎＳ粉末等の比重の小さい粉末は ０．１〜２０ｍａｓｓ％を鉄基粉末に混合し、また銅粉（酸化銅粉を含む）、Ｎｉ基粉末、Ｍｏ基粉末等の金属粉末は ０．１〜５０ｍａｓｓ％を鉄基粉末に混合してすることができる。粉末冶金用副原料粉末の混合量（ｍａｓｓ％）は、いずれも粉末冶金用鉄基粉末混合物全体における比率である。
【００１７】
さて、上記したような鉄基粉末および副原料粉末を混合したのち、溶媒中に粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子をそれぞれ乳化または分散させた処理液を噴霧して、鉄基粉末および副原料粉末の表面を処理液で被覆する。
ここに、黒鉛粒子および潤滑剤粒子の粒径を０．０１〜１０μｍ の範囲に限定したのは、粒径が０．０１μｍ 未満では、鉄基粉末表面に粒子が被覆されたのち溶媒を含有し易く、乾燥工程に長時間を要し、コスト高となり、一方１０μｍ を超えると、鉄基粉末表面に黒鉛および潤滑剤粒子が付着し難くなり、被膜の形成が困難となるからである。
【００１８】
また、潤滑剤粒子の成分としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸リチウム、ヒドロキシステアリン酸リチウム等の金属石鹸およびその誘導体、あるいはオレイン酸、パルチミン酸等の脂肪酸、あるいはステアリン酸アミド、ステアリン酸ビスアミド、セバシン酸ビスアミド等のエチレンジアミンと脂肪酸との共重合生成物、あるいはポリオレフィン等の熱可塑性樹脂から選ばれる１種または２種以上が好ましい。
さらに、溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトンおよびブタノン等の有機溶媒、または水などが有利に適合する。溶媒乾燥後の処理を考えると、水を用いることが好適である。なお、水に不溶な潤滑剤であっても、界面活性剤を適切に選択することにより、水中に均一に分散させて使用することができる。
【００１９】
ついで、乾燥処理により溶媒を揮散させて、鉄基粉末および副原料粉末の表面に黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成する。
ここに、乾燥処理温度は、５０〜１２０ ℃程度とするのが好ましい。というのは、処理温度が５０℃に満たないと、溶媒の乾燥時間が増大し、一方 １２０℃を超えると、水等の溶媒使用時には鉄粉が腐食するという問題が生じるだけでなく、潤滑剤液滴が鉄基粉末の表面に十分に被覆される以前に溶媒が蒸発して、均一な被膜が形成されないという問題が生じるからである。
また、黒鉛粒子および潤滑剤粒子の表面に形成する混合層の厚みは、 ０．００１〜５．０ μｍ 程度とすることが有利である。というのは、層厚が ０．００１μｍ に満たないと、製造された鉄基粉末混合物の成形を行う際に十分な潤滑効果を得ることができず、抜き出し力の増大を招き、一方 ５．０μｍ を超えると、鉄基粉末の表面に分子間相互作用の大きい高分子有機物層が形成されるため、分子間相互作用が増大し、鉄基粉末混合物の流動性が悪化するという問題を生じるからである。
【００２０】
かくして、鉄基粉末および副原料粉末の表面が、黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層で均一に覆われた鉄基粉末混合物を得られる。
かかる鉄基粉末混合物は、各粉末の表面が潤滑剤で均一に覆われているので、流動性が格段に向上する。また、黒鉛も各粉末の表面に均一に付着しているので、混合粉内で偏析したり、ばらつくこともない。さらに、潤滑効果が高まるので、従来に比べて潤滑剤の添加量を有利に低減させることができ、従って圧粉体密度の向上を図ることもできる。
【００２１】
さらに、本発明において、圧粉成形金型からの抜き出し性を一層向上させるには、粒度分布を適切に制御した遊離潤滑剤を添加することが有利である。
遊離潤滑剤は、添加する際には、微細粉（一次粒子）とこれらが凝集した粒径が大きい粉末（二次粒子）から構成される。従来は、かような一次粒子と二次粒子の比率については何ら考慮が払われてなく、鉄基粉末と潤滑剤とをできるだけ均一な状態に混合するのが好適と考えられていたので、混合する際には比較的大きなせん断力の下で混合が実施され、二次粒子を破壊していた。
しかしながら、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、金型からの抜き出し力が効果的に低減するだけでなく、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。
【００２２】
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、この二次粒子は鉄基粉末間の空隙に効果的に侵入すると共に、これらの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、加圧成形の際に凝集が解けて、鉄基粉末混合物の緻密化に伴い金型壁面接触面に発生する剪断力によって、金型壁面に押し広げられ、これ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と圧粉体密度の向上が併せて達成されるものと考えられる。
【００２３】
ここに、一次粒子については、粒径を０．０１〜８０μｍ 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０．０１μｍ に満たないと、粒子間結合力が強くなり、凝集して形成される二次粒子が鉄基粉末混合物成形時に解かれ難くなり、金型表面まで十分に分散しないため、潤滑効果が十分に発揮されないという問題が生じ、一方８０μｍ を超えると、成形後、成形体中に残留し、焼結後の粗大空孔の原因となるからである。
また、二次粒子については、その粒径を１０〜２００ μｍ 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１０μｍ に満たないと、鉄基粉末の粒子径に比べて極めて小さいため、鉄基粉末粒子の間隙に入って凝集が解かれ難くなるため、潤滑効果が十分に発揮されず、一方 ２００μｍ を超えると、二次粒子構造が解かれた後も一部凝集状態の二次粒子構造が残存し、成形体焼結後の粗大空孔の原因となるからである。
【００２４】
そして、上記した粒径が１０〜２００ μｍ の二次粒子を、遊離潤滑剤全体に対して少なくとも２０ ｖｏｌ％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２０ ｖｏｌ％に満たないと、鉄基粉末間の空隙や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および圧粉体密度の向上が望めないからである。
【００２５】
また、上記した遊離潤滑剤は、鉄基粉末混合物全体に対し０．０１〜２．０ 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０．０１ｍａｓｓ％に満たないと十分な潤滑効果が得られず，一方 ２．０ｍａｓｓ％を超えると鉄基粉末混合物中に占める潤滑剤の体積分率が高くなり、成形体密度の低下や焼結時の寸法収縮率の増大による焼結体の変形等の弊害を招くからである。
なお、上記した遊離潤滑剤としては、前述した混合層形成用の潤滑剤粒子と同じ成分で良い。
【００２６】
また、上記した造粒法を利用する場合には、遊離潤滑剤の二次粒子が破壊しない低せん断力で混合することが重要である。
混合手段として粉体混合機を使用する場合、粒径が１０〜２００ μｍ の二次粒子を少なくとも２０ ｖｏｌ％残存させるために適当な粉体混合機としては、混合操作によって粉体に加えられる外力は小さい方が好ましい。混合機が混合操作によって粉体に与える外力については、例えば日本粉体工業技術協会編「粉体混合技術」（日刊工業新聞社，２００１）によると、外力が小さい順に（１） 対流混合、（２） せん断混合、（３） 高せん断混合に分類される。この分類によれば、上記した（１）， （２）程度の外力が好適である。
【００２７】
好適な混合機としては、容器回転式混合機、機械撹拌式混合機および流動撹拌式混合機などがあり、高速せん断式混合機や衝撃式混合機は適さない。
ここで、容器回転式混合機としては、Ｖ型混合機、二重円錐形混合機および円筒回転形混合機が、また機械撹拌式混合機としては、単軸リボン形混合機、回転鋤形混合機（レディゲミキサーなど）、円錐遊星スクリュー形混合機（ナウターミキサーなど）、高速底部回転式混合機（ヘンシェルミキサーなど）および傾斜回転パン形混合機（アイリッヒミルなど）が好適である。
なお、機械撹拌式混合機の場合、撹拌翼については、表面積が大きい形状や高回転数での撹拌は好ましくない。
【００２８】
【実施例】
実施例１
鉄基粉末、副原料粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粒子および溶媒としては、それぞれ表１〜５に示すものを用いた。
さて、鉄基粉末に、副原料粉末を種々の割合で添加したのち、黒鉛粉末および潤滑剤粒子を溶媒に乳化または分散させた処理液を噴霧し、該鉄基粉末および副原料粉末の表面を該処理液で覆い、ついで同じく表６に示す温度で乾燥処理を施して溶媒を揮散させ、鉄基粉末および副原料粉末の表面に黒鉛粉末および潤滑剤粒子の混合層を形成した。
かくして得られた粉末冶金用鉄基粉末混合物の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表６に併記する。
【００２９】
また、比較のため、鉄基粉末、副原料粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粒子の配合が同じで、これらをＶ型混合機で単純混合して作製した粉末冶金用鉄基粉末混合物の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表７に示す。なお、この時の潤滑剤粒子としては、溶媒に分散させる前の原料粉末を用いた。
【００３０】
なお、各特性は次のようにして評価した。
（１） 流動性
鉄基粉末混合物：１００ ｇを、オリフィス径：２．６３ｍｍの容器に充填し、充填してから排出するまでの時間を測定して、流動度（ｓ／５０ｇ）を求め、この流動度で評価した。
（２） 抜き出し性および圧粉体密度
抜き出し性は、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の成形体を成形したのち、金型から成形体を抜き出し、その時の抜き出し力で評価した。
また、得られた成形体の密度を圧粉体密度とした。
【００３１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
表６および表７に、発明例１〜１６と比較例１〜１６それぞれを比較して示したところから明らかなように、同一配合の場合、黒鉛粉末と潤滑剤粒子を鉄基粉末の表面に被覆することにより、流動度が向上し、また高密度で低引き抜き力の成形が可能となる。
【００３９】
実施例２
実施例１と同様の方法で作製した表８に示す各種の鉄基粉末混合物に、表９に示す造粒構造の遊離潤滑剤を種々の範囲で添加したのち、Ｖ形混合機またはレディゲミキサーを用いて混合し、各種粉末冶金用鉄基混合粉末を作製した。
かくして得られた粉末冶金用鉄基混合粉末の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表１０に示す。
また、比較のため、鉄基粉末、副原料粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粒子の配合が同じで、これらをＶ型混合機で単純混合して作製した粉末冶金用鉄基粉末混合物の流動度、圧粉体密度および抜き出し性について調べた結果を表１１に示す。
【００４０】
【表８】
【表９】
【表１０】
【表１１】
表１０および表１１に、発明例１７〜３２と比較例１７〜３２それぞれを比較して示したところから明らかなように、同一配合の場合、黒鉛粉末と潤滑剤の一部を予め鉄基粉末の表面に被覆し、潤滑剤の残部を造粒構造とすることにより、黒鉛粉末と潤滑剤粒子を鉄基粉末に単純に混合した場合に比べて、流動度は向上し、また高密度で低引き抜き力の成形が可能となった。
【００４５】
実施例３
実施例１および２で作製した試料の一部を １３０℃に加熱し、流動度、圧粉体密度および抜き出し性を測定した。なお、圧粉体密度および抜き出し性の測定に際しては、 １３０℃に加熱した鉄基粉末混合物を １５０℃に加熱した内径：１１ｍｍφの金型中に装入し、 ６８６ ＭＰａで成形した。
得られた結果を表１２に示す。
【００４６】
【表１２】
表１２から明らかなように、本発明の鉄基粉末混合物によれば、抜き出し力の大きな上昇を伴うことなしに、さらに高密度の圧粉体を得ることが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、流動性に優れ、また金型からの抜き出し力が小さく、しかも圧粉体密度が大きい、すなわち常温成形性および温間成形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。
Claims (7)
- 副原料粉末を含む鉄基粉末混合物であって、該鉄基粉末および副原料粉末の表面がそれぞれ、粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子の混合層で被覆されていることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
- 請求項１記載の鉄基粉末混合物中に、０．０１〜２．０ 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２０ ｖｏｌ％が、粒径：０．０１〜８０μｍ の一次粒子を凝集して造粒した粒径：１０〜２００ μｍ 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。
- 請求項１または２において、前記副原料粉末が、銅粉末または酸化銅粉末のいずれかであることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
- 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記鉄基粉末および副原料粉末の表面に被覆した混合層の厚みが ０．００１〜５．０ μｍ であることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
- 鉄基粉末と副原料粉末を混合した後、溶媒中に粒径：０．０１〜１０μｍ の黒鉛粒子および粒径：０．０１〜１０μｍ の潤滑剤粒子をそれぞれ乳化または分散させた処理液を噴霧して、該鉄基粉末および副原料粉末の表面を該処理液で覆い、ついで乾燥処理により該溶媒を揮散させて、該鉄基粉末および副原料粉末の表面に該黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成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。
- 請求項５において、前記鉄基粉末および副原料粉末の表面に前記黒鉛粒子および潤滑剤粒子の混合層を形成したのち、さらに粒径：０．０１〜８０μｍの一次粒子を凝集して造粒した粒径：１０〜２００ μｍ の二次粒子を少なくとも２０ ｖｏｌ％含む遊離潤滑剤を、０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％の範囲で添加し、ついで混合する際、該二次粒子が破壊しないせん断力で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。
- 請求項５または６において、前記副原料粉末が、銅粉末または酸化銅粉末のいずれかであ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。
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