JP2005095939A

JP2005095939A - 粉末成形方法

Info

Publication number: JP2005095939A
Application number: JP2003333456A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Hirose; 和弘広瀬; Takao Nishioka; 隆夫西岡; Haruhisa Toyoda; 晴久豊田
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】加圧成形時に良好な潤滑性が得られるとともに、所望の状態の成形体を形成できる粉末成形方法を提供する。
【解決手段】粉末成形方法は、金型潤滑剤２１を噴出し、金型潤滑剤２１を加熱された金型装置１の内壁３に付着させる工程と、金型装置１に成形用粉末を充填し、成形用粉末を加圧成形することによって成形体を形成する工程とを備える。金型潤滑剤２１の粒径は、２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲にのみ実質的に分布している。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、粉末成形方法に関し、より特定的には、潤滑剤を金型の内壁に付着させる場合に乾燥噴霧法を利用する粉末成形方法に関する。

従来、金型に充填された金属粉末を加圧成形する場合に、潤滑剤を用いることによって金型の内壁と金属粉末との間で発生する摩擦を低減させ、品質の優れた成形体を形成する方法が様々考えられている。

たとえば、特開２００１−３４２４７８号公報には、所定の加圧成形の温度より高い融点を有する２種以上の潤滑剤の混合粉を金型表面に帯電付着させる高密度鉄基粉末成形体の製造方法が開示されている（特許文献１）。また、特開平１１−１４０５０５号公報には、押型（金型）の表面に潤滑剤を塗布する押型潤滑法と、粉末状の潤滑剤を所定の添加量で原料粉末に添加・混合する混入潤滑法とを併用した粉末成形方法が開示されている（特許文献２）。
特開２００１−３４２４７８号公報特開平１１−１４０５０５号公報

しかし、乾燥した状態の潤滑剤を噴出して金型の内壁に付着させる乾燥噴霧法を用いる場合、潤滑剤を均一かつ緻密に金型の内壁に付着させることは難しい。金型の内壁に潤滑剤が十分に付着していない部分があると、その部分で焼き付きが発生するおそれがある。また逆に、金型の内壁の一部で付着した潤滑剤が多すぎると、その部分に接触して形成された成形体の表面が外観不良を引き起こしたり、成形体の密度が低下するおそれがある。

したがって、特許文献１および２に開示されているように潤滑剤の融点や添加量を適当に制御したとしても、潤滑剤が均一かつ緻密に金型の内壁に付着されていない場合、所望の状態の成形体を得ることはできない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、加圧成形時に良好な潤滑性が得られるとともに、所望の状態の成形体を形成できる粉末成形方法を提供することである。

この発明に従った粉末成形方法は、粉末状潤滑剤を噴出し、粉末状潤滑剤を加熱された金型の内壁に付着させる工程を備える。粉末状潤滑剤の粒径は、２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲にのみ実質的に分布している。粉末成形方法は、金型に粉末を充填し、粉末を加圧成形することによって成形体を形成する工程をさらに備える。

このように構成された粉末成形方法によれば、金型の内壁に付着される粉末状潤滑剤には、粒径が２０μｍ未満の粉末状潤滑剤と、粒径が１２０μｍを超える粉末状潤滑剤とが、実質的に含まれていない。粒径が２０μｍ未満の粉末状潤滑剤が含まれる場合、粉末状潤滑剤の噴出時に、粉末状潤滑剤の一部が金型の内部に入らず外部に飛散してしまう。このため、粉末状潤滑剤の内壁に対する付着量にばらつきが生じ、良好な潤滑性が得られなかったり、成形体の密度がばらついたりする。

一方、粒径が１２０μｍを超える粉末状潤滑剤が含まれる場合、粒径が大きすぎるため、噴出された粉末状潤滑剤が内壁に対して粗雑に分布して付着される。また、自重によって粉末状潤滑剤が金型の内壁に定着せず、鉛直下方向に位置する金型の底面に溜まってしまう。このため、ある場所では、粉末状潤滑剤が不足して良好な潤滑性が得られず、また別の場所では、粉末状潤滑剤が多すぎて成形体が外観不良を引き起こすという問題が生じる。また、成形体の密度がばらつく原因にもなる。またさらに、可圧成形時に、金型の内壁に付着した粉末状潤滑剤を多量に巻き込んで成形体が形成されてしまう。この場合も、成形体が外観不良を引き起こすという問題が生じる。

以上に説明した理由から、本発明によれば、粉末状潤滑剤を均一かつ緻密に金型の内壁に付着させることができる。これにより、成形体を加圧成形する際、いずれの位置においても良好な潤滑性を得ることができ、また所望の状態の成形体を形成することができる。

また好ましくは、粉末状潤滑剤を付着させる工程は、内壁の一方端に規定された金型の開口部から内壁に向けて粉末状潤滑剤を噴出する工程を含む。内壁の他方端に規定され、開口部より最も離れて位置する点から開口部までの距離である内壁の高さをＨとし、開口部の開口面積をＳとする場合、金型は、（Ｓ^1/2）／Ｈ＞０．３５の関係を満たすように形成されている。

（Ｓ^1/2）／Ｈが０．３５以下である場合、粉末状潤滑剤の噴出時に、拭き返り等により粉末状潤滑剤が金型の底面まで行き届かないおそれがある。このため、金型の底面付近において良好な潤滑性が得られず、焼き付きが発生する。したがって、このように構成された粉末成形方法によれば、粉末の可圧成形時に金型の内壁の全体において良好な潤滑性を得ることができる。

また好ましくは、粉末状潤滑剤は、金属石鹸、ポリエチレン、アミド系ワックス、ポリアミド、ポリプロピレン、アクリル酸エステル重合体、メタクリル酸エステル重合体、フッ素系樹脂および層状潤滑剤からなる群より選ばれた少なくとも一種を含む。このように構成された粉末成形方法によれば、これらの材料から形成された粉末状潤滑剤が金型の内壁に付着することにより、粉末の加圧成形時に優れた潤滑性を得ることができる。たとえば、アミド系ワックスまたはポリアミドから粉末状潤滑剤を形成した場合、材料中に含まれるアミド基が粉末状潤滑剤の硬度を向上させ、脂肪酸基が滑剤として機能する。

また好ましくは、粉末状潤滑剤を付着させる工程は、成形体に対する粉末状潤滑剤の割合が０．００５質量％以上０．４０質量％以下となるように、粉末状潤滑剤を金型の内壁に付着させる工程を含む。このように構成された粉末成形方法によれば、粉末の加圧成形時にさらに良好な潤滑性を得ることができ、所望の状態で成形体を形成することができる。

つまり、粉末状潤滑剤の割合が０．００５質量％未満である場合、粉末状潤滑剤の割合が小さすぎるため、希望の潤滑性を得ることができない。このため、焼き付きが発生し、加圧成形工程を実施できないおそれがある。また、実施できたとしても、内壁との接触によって表面に引っ掻き傷が形成され、成形体が外観不良になるおそれがある。一方、粉末状潤滑剤の割合が０．４０質量％を超える場合、成形体が多量の粉末状潤滑剤を巻き込んで形成されたり、金型の底面に粉末状潤滑剤が溜まるおそれがある。このため、成形体が外観不良を引き起こしたり、成形体の密度が低下したりする。

以上説明したように、この発明に従えば、加圧成形時に良好な潤滑性が得られるとともに、所望の状態の成形体を形成できる粉末成形方法を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施の形態における加圧成形方法に用いられる金型装置を示す断面図である。図１を参照して、金型装置１は、直径Ｄの円筒状に開口され、内壁３を有するダイ２と、ダイ２の開口部分に下方から嵌め合わされ、内壁３に連なる底面６を有する下パンチ５と、ダイ２の上方に並んで配置された潤滑剤供給部８、シュー９および上パンチ１０とを備える。下パンチ５が設けられた側のダイ２の端面には、ダイ２を所定の温度に加熱するためのバンドヒータ７が設けられている。

ダイ２の内壁３は、下パンチ５の底面６とともに成形用粉末が充填される空間４を規定している。内壁３は、底面６の周縁から鉛直上方向に円筒状に延在している。ダイ２の開口端から下パンチ５の底面までの距離、つまり内壁３の高さをＨとし、ダイ２の開口面積Ｓ（＝πＤ^２／４）とする場合、金型装置１は、（Ｓ^1/2）／Ｈ＞０．３５の関係を満たして形成されていることが好ましい。

潤滑剤供給部８、シュー９および上パンチ１０は、ダイ２の上方でスライド移動可能なように設けられており、各装置は、加圧成形の工程にあわせた適当な位置に位置決めされる。なお、空間４内には、底面６の中央から鉛直上方向に延びるコアロッドが設けられていても良い。

図２および図３は、この発明の実施の形態における粉末成形方法の工程を示す断面図である。図１から図３を参照して、この発明の実施の形態における粉末成形方法を説明する。

図１を参照して、バンドヒータ７に通電し、ダイ２を所定の温度まで加熱する。この際、ダイ２の加熱温度は、後の工程で用いられる金型潤滑剤の種類によって適当に設定され、好ましくは、金型潤滑剤の融点よりも少し低い温度に設定される。なお、バンドヒータ７による加熱温度は、ダイ２の形状によっても操作可能な温度である。次に、空間４の上方に潤滑剤供給部８を位置決めする。エアーを用いて、潤滑剤供給部８の噴射ノズルから内壁３に向けて金型潤滑剤２１を吹き付ける。金型潤滑剤２１は、帯電付着効果によって内壁３に付着する。なお、図中の金型潤滑剤２１は、模式的に表わされている。

ダイ２が金型潤滑剤２１の融点よりも少し低い温度まで加熱されている場合、金型潤滑剤２１は、若干軟化し、内壁３に付着しやすくなるため、帯電付着効果との相乗効果によって良好な付着状態が得られる。また、金型潤滑剤２１が液状に変化することがないため、金型潤滑剤２１が底面６に溜まってしまうことを防止できる。

金型潤滑剤２１は、粉末状であり、その粒径は、２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲にのみ実質的に分布している。つまり、粒径が２０μｍ未満の金型潤滑剤と粒径が１２０μｍを超える金型潤滑剤とを強制的に排除した金型潤滑剤２１が使用されている。さらに好ましくは、金型潤滑剤２１の粒径は、３５μｍ以上８５μｍ以下の範囲にのみ実質的に分布している。

粒径が２０μｍ未満の金型潤滑剤を強制的に排除することによって、潤滑剤供給部８の噴射ノズルから吹き付けられた金型潤滑剤２１が、空間４の外部に飛散するということがない。また、粒径が１２０μｍを超える金型潤滑剤を強制的に排除することによって、内壁３に付着した金型潤滑剤２１が自重により底面６に溜まるということがない。このため、金型潤滑剤２１を内壁３の全体に均一に付着させることができる。また、粒径が１２０μｍ以下という粒径の比較的小さい金型潤滑剤２１を吹き付けることによって、金型潤滑剤２１を内壁３に対して緻密に付着させることができる。

また、金型装置１が上述の（Ｓ^1/2）／Ｈ＞０．３５の関係を満たして形成されている場合、内壁３の高さＨは、比較的低く抑えられている。このため、潤滑剤供給部８の噴射ノズルから吹き付けられた金型潤滑剤２１を、底面６の近傍に位置する内壁３まで確実に到達させることができる。

金型潤滑剤２１としては、たとえば、金属石鹸、ポリエチレン、アミド系ワックス、ポリアミド、ポリプロピレン、アクリル酸エステル重合体、メタクリル酸エステル重合体、フッ素系樹脂および層状潤滑剤などを用いることができる。また、これらの材料から２以上の材料を適当に選択し、混合したものを用いても良い。

図２を参照して、ダイ２の上方に並んで配置された装置を矢印１１に示す方向にスライド移動させ、空間４の上方にシュー９を位置決めする。次に、シュー９から空間４に成形用粉末２２を供給する。成形用粉末２２は、純鉄粉や鉄粉に適当な金属粉が混合された混合粉であっても良い。また、成形用粉末２２にステアリン酸亜鉛などの適当な粉末成形用潤滑剤が混合されていても良い。この粉末成形用潤滑剤は、加圧成形時において成形用粉末２２間の潤滑剤として機能するほか、成形用粉末２２の内壁３に対する潤滑剤としても一定の役割を果たす。

図３を参照して、ダイ２の上方に並んで配置された装置を矢印１１に示す方向にスライド移動させ、空間４の上方に上パンチ１０を位置決めする。上パンチ１０を下方に移動させることによって、空間４に充填された成形用粉末２２を加圧成形する。これにより、成形体２３が形成される。その後、空間４から成形体２３を抜き出す。

本実施の形態では、金型潤滑剤２１が内壁３に対して均一かつ緻密に付着されているため、上述の成形用粉末２２を加圧成形する工程と成形体２３を抜き出す工程との両方において、焼き付きが発生することがない。また、粒径が１２０μｍを超える金型潤滑剤を強制的に排除しているため、上パンチ１０が空間４内で下方に移動する際に、内壁３に付着した金型潤滑剤２１が上パンチ１０に近接する位置で成形用粉末２２に巻き込まれることを抑制できる。

空間４から抜き出された成形体２３に含まれる潤滑剤の割合は、０．００５質量％以上０．４０質量％以下であることが好ましい。さらに好ましくは、潤滑剤の割合は、０．０１質量％以上０．４０質量％以下である。ここで言う潤滑剤は、内壁３および底面６から成形用粉末２２に混入した金型潤滑剤２１を指し、元々、成形用粉末２２に混合されていた粉末成形用潤滑剤は含まれない。

この発明の実施の形態に従った粉末成形方法は、乾燥した状態の粉末状潤滑剤としての金型潤滑剤２１を噴出し、金型潤滑剤２１を加熱された金型としての金型装置１の内壁３に付着させる工程を備える。金型潤滑剤２１の粒径は、２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲にのみ実質的に分布している。粉末成形方法は、金型装置１に粉末としての成形用粉末２２を充填し、成形用粉末２２を加圧成形することによって成形体２３を形成する工程をさらに備える。

このように構成された粉末成形方法によれば、粉末成形の工程を通じて焼き付きが発生しないため、引っ掻き傷などを表面に付けることなく成形体２３を形成することができる。また、金型潤滑剤２１が底面６に溜まったり、多量の金型潤滑剤２１を巻き込んで成形体２３が形成されることがない。このため、成形体２３の表面に粉末状の金型潤滑剤２１が多量に取り込まれることがなく、成形体２３の面粗度が低下することを防止できる。また、部分的に多量の金型潤滑剤２１を含んで成形体２３が形成されることがないため、その部分で成形体２３の密度が低下したり、成形体２３の密度が不均一になることを防止できる。

（実施例１）
本発明の粉末成形方法による効果を確認するため、図１中に示す金型装置１を用いてサンプル１から４０の成形体を作製し、その成形体の各種評価を行なった。以下において、成形体の作製条件および評価内容について説明する。

本実施例では、図１中に示す内壁３の高さＨを５０ｍｍ、ダイ２の開口径Ｄを３０ｍｍに設定した。これにより、Ｓ^1/2（ダイ２の開口面積の平方根）／Ｈ（＝０．５３）＞０．３５の関係を満たす金型装置１を用いた。成形用粉末２２として、ヘガネス社製の鉄粉（商品名「ＡＳＣ１００．２９」）に粉末成形用潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛を０．５質量％の割合で添加し、Ｖ型ミキサーを用いて２時間混合したものを用いた。成形用粉末２２は、常温のまま金型装置１に投入されても良いし、金型装置１による処理に応じた加熱が施された後、金型装置１に投入されても良い。

金型潤滑剤２１として、Ａ：エチレンビスステアリン酸アミド（融点１４７℃）、Ｂ：ステアリン酸アミド（融点１００℃）、Ｃ：ステアリン酸亜鉛（融点１２７℃）、Ｄ：ポリエチレン（融点１４４℃）、Ｅ：ポリエチルアクリレート（融点１７８℃）、Ｆ：ポリプロピレン（融点１５３℃）、Ｇ：ポリメチルメタクリレート（融点１６０℃）、Ｈ：ポリテトラフルオロエチレン（融点３４６℃）から選ばれた材料を適当なメッシュ粗さの篩にかけ、粒径分布範囲の上限および下限を適当に設定したものを用いた。サンプル１から４０の成形体に用いられた金型潤滑剤２１の種類と、粒径分布範囲の上限および下限とを表１および表２に示した。また、所定の粒径分布範囲を得るために用いた篩のメッシュ粗さも表１および表２に併せて示した。

ダイ２の加熱温度は、用いる金型潤滑剤２１の融点よりも少し低い温度（融点の９５％程度の温度）とした。加圧成形時の圧力は、６（ｔｏｎ／ｃｍ^３）とした。サンプル１から４０の成形体を作製した際のダイ２の加熱温度を金型温度として表１および表２に示した。

加圧成形後、成形体２３を空間４から抜き出す際の抜き出し力を測定し、この測定結果から抜き出し圧力を求めた。また、得られた成形体２３の外観を観察し、さらに、アルキメデス法によって成形体２３の密度を求めた。また、空間４に供給した成形用粉末２２の質量と成形体２３の質量とから、成形体２３に含まれる金型潤滑剤２１の割合を求めた。以上の測定結果を表１および表２に示した。

表１および表２を参照して分かるように、金型潤滑剤２１の粒径の上限が１２０μｍを超えるサンプルでは、成形体２３の密度が比較的小さい値となった。また、成形体２３の表面には、金型潤滑剤２１を多量に含んだためと思われる凹凸模様が形成された。金型潤滑剤２１の粒径が２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲に収まらないサンプルでは、良好な潤滑性を得ることができず、抜き出し圧力が比較的大きい値となった。また、成形体２３の外観には、加圧成形時または抜き出し時に付いたと思われる引っ掻き傷が形成された。

これに対して、金型潤滑剤２１の粒径が２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲に収まっているサンプルでは、成形体２３の密度が比較的大きい値となり、抜き出し圧力が比較的小さい値となった。また、成形体の外観が良好であった。

（実施例２）
実施例１と同様に、図１中に示す金型装置１を用いてサンプル１から２０の成形体を作製し、その成形体の各種評価を行なった。本実施例では、図１中に示す内壁３の高さＨを５０ｍｍ、ダイ２の開口径Ｄを４０ｍｍに設定し、空間４の中心に直径１５ｍｍのコアロッドを設けた。これにより、Ｓ^1/2（ダイ２の開口面積の平方根）／Ｈ（＝０．６６）＞０．３５の関係を満たす金型装置１を用いた。

成形用粉末２２として、ヘガネス社製の鉄粉（商品名「Somaloy５００」）に粉末成形用潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛を０．５質量％の割合で添加し、Ｖ型ミキサーを用いて２時間混合したものを用いた。

金型潤滑剤２１としては、実施例１に記載のＡからＨの中から選ばれた複数の材料を適当な割合で組み合わせ、混合したものを用いた。また、実施例１と同様に、篩を用いて金型潤滑剤２１の粒径分布範囲の上限および下限を適当に設定した。サンプル１から２０の成形体に用いられた金型潤滑剤２１の種類および割合と、粒径分布範囲の上限および下限とを表３に示した。また、所定の粒径分布範囲を得るために用いた篩のメッシュ粗さも表３に併せて示した。

ダイ２の加熱温度は、金型潤滑剤２１を構成する材料の融点のうち最も低い融点を基準とし、その融点より少し低い温度とした。加圧成形時の圧力は、６（ｔｏｎ／ｃｍ^３）とした。成形体に行なった評価内容は実施例１と同様であり、その結果を表３に示した。

表３を参照して分かるように、金型潤滑剤２１を複数種の材料を組み合わせて形成した場合であったも、実施例１に記載の考察に従った結果を得ることができた。

（実施例３）
表１中に示すサンプル５の成形体の作製条件で、金型潤滑剤２１の割合のみを０．００５質量％から０．４２質量％の範囲で変化させ、サンプル５−１から５−８の成形体を作製した。そして、実施例１で行なった評価をサンプル５−１から５−８の成形体についても実施した。各サンプルにおける金型潤滑剤２１の割合と評価結果とを表４に示した。

表４を参照して分かるように、金型潤滑剤２１の割合を０．００５質量％以上とすることによって、良好な外観を得ることができた。また、金型潤滑剤２１の割合が０．４０質量％よりも大きいサンプル５−８では、他のサンプルと比較して、成形体２３の密度が小さい値となった。

（実施例４）
実施例３と同様に、表１中に示すサンプル５の成形体の作製条件で、金型装置１の内壁３の高さＨおよびダイ２の開口径Ｄを適当に変化させ、サンプル５−Ａから５−Ｄの成形体を作製した。そして、実施例１で行なった評価をサンプル５−Ａから５−Ｄの成形体についても実施した。これら各サンプルの作製に用いた金型装置１の形状寸法と各サンプルの評価結果とを、実施例１のサンプル５のものと併せて表５に示した。

表５を参照して分かるように、Ｓ^1/2／Ｈの値が０．３５以下のサンプル５−Ａでは、抜き出し圧力が大きくなったほか、若干の焼き付き跡が成形体２３の底面近くに表れた。一方、Ｓ^1/2／Ｈの値が０．３５より大きい他のサンプルでは、好ましい結果が得られた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態における加圧成形方法に用いられる金型装置を示す断面図である。この発明の実施の形態における粉末成形方法の工程を示す断面図である。この発明の実施の形態における粉末成形方法の別の工程を示す断面図である。

符号の説明

１金型装置、３内壁、６底面、２１金型潤滑剤、２２成形用粉末、２３成形体。

Claims

粉末状潤滑剤を噴出し、前記粉末状潤滑剤を加熱された金型の内壁に付着させる工程を備え、
前記粉末状潤滑剤の粒径は、２０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲にのみ実質的に分布しており、さらに、
前記金型に粉末を充填し、前記粉末を加圧成形することによって成形体を形成する工程を備える、粉末成形方法。
前記粉末状潤滑剤を付着させる工程は、前記内壁の一方端に規定された前記金型の開口部から前記内壁に向けて前記粉末状潤滑剤を噴出する工程を含み、
前記内壁の他方端に規定され、前記開口部より最も離れて位置する点から前記開口部までの距離である前記内壁の高さをＨとし、前記開口部の開口面積をＳとする場合、前記金型は、（Ｓ^1/2）／Ｈ＞０．３５の関係を満たすように形成されている、請求項１に記載の粉末成形方法。
前記粉末状潤滑剤は、金属石鹸、ポリエチレン、アミド系ワックス、ポリアミド、ポリプロピレン、アクリル酸エステル重合体、メタクリル酸エステル重合体、フッ素系樹脂および層状潤滑剤からなる群より選ばれた少なくとも一種を含む、請求項１または２に記載の粉末成形方法。
前記粉末状潤滑剤を付着させる工程は、前記成形体に対する前記粉末状潤滑剤の割合が０．００５質量％以上０．４０質量％以下となるように、前記粉末状潤滑剤を金型の内壁に付着させる工程を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の粉末成形方法。