JP2005307294A

JP2005307294A - 鉄基粉末混合物圧粉体の成形方法

Info

Publication number: JP2005307294A
Application number: JP2004127119A
Authority: JP
Inventors: Tomoshige Ono; 友重尾野; Yukiko Ozaki; 由紀子尾崎; Satoshi Uenosono; 聡上ノ薗
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】金型から抜き出す際の抜き出し力が低く、かつ圧粉密度の高い圧粉体を成形する方法について提案する。
【解決手段】鉄基粉末と粒径：10〜200μmの含有率が20mass％以上の潤滑剤とを含む鉄基粉末混合物を、金型に充填し、該金型の温度Ｔ（℃）を、下記で定義する温度Tm（℃）に対して、下記（1）式の範囲として加熱成形する。
Tm−50≦Ｔ≦Tm -----（1）
Tm：潤滑剤の融点、軟化点のうちの低い方の温度。ここに複数の種類の潤滑剤を
用する場合はそれら潤滑剤の融点、軟化点のうちの最も低い温度。
【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金用や電磁用途の鉄基粉末混合物圧粉体の成形方法に関し、特に圧粉成形金型からの抜出力の低減と共に、圧粉体密度の有利な向上を図ろうとするものである。

粉末冶金用や電磁用途の鉄基粉末混合物圧粉体の成形は、金型のキャビティー内に、鉄粉と副原料や潤滑剤などを混合した鉄基粉末混合物を充填し、金型をパンチで挟んで加圧するのが一般的である。この時の成形温度は、通常室温であるが、高強度部品を成形するような場合は、圧粉密度を高めることを目的として、該粉末混合物を室温と使用される固体潤滑剤の軟化温度との間の温度で加熱した上で成形する方法が知られている。一般的には、粉末温度を100℃以上200℃以下、好ましくは130℃から150℃の温度範囲で成形されている。

ここで、粉末温度を上げるための技術は、いろいろあるが、一般的には、粉末を貯蔵するホッパーの外壁や、搬送パイプ、フィードシュー、さらには金型壁面をヒーターで加熱する方法がとられている。しかし、粉末状態では、熱伝導が悪いため、ホッパー表層から加熱したのでは、中心部の粉末を目的とする温度にまで加熱するのに長時間を要する。また、時間を短縮しようとして、ヒーター温度を上げることも考えられるが、内部と外部で大きな温度差が生じ、粉体全体を均一の温度に保つことは難しい。

そして、粉体の温度が均一にならないと、粉の流動性が変化し、金型への充填量がばらつき、結果として、製品の寸法や密度にばらつきが生じて、ひいては欠陥が生ずるなどの不具合が生じる。

この金型内への粉末混合物の充填ばらつきを低減することを目的として、成形を開始する前に金型を所定の温度に加熱し、成形中も所定温度に制御することが、特許文献１に提案されている。
特開２００１−２３４２０５号公報

特許文献１に開示された技術によって、成形体の質量ばらつきを抑制することが可能になったが、圧粉密度についてはさらなる改善の余地を残していた。また、成形後に金型から圧粉体を抜き出す際の抜出力が低いことも重要である。この点、特許文献１には、金型の表面に潤滑剤を付着させることが記載されているが、潤滑剤を均一に金型表面に付着させることは、コストの上昇をはじめとして技術的な問題がある。

そこで、本発明は、金型から抜き出す際の抜出力が低く、かつ圧粉密度の高い圧粉体を成形する方法について提案することを目的とする。

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、粉末混合物は加熱しないで、金型温度を潤滑剤の融点または軟化点からそれより50℃低い温度までの範囲に加熱して成形すること、さらに鉄基粉末に添加する潤滑剤の粒径分布を規制することによって、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。
すなわち、本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）鉄基粉末と粒径：10〜200μmの含有率が20mass％以上の潤滑剤とを含む鉄基粉末混合物を、金型に充填し、該金型の温度Ｔ（℃）を、下記で定義する温度Tm（℃）に対して、下記（1）式の範囲として加熱成形することを特徴とする鉄基粉末混合物圧粉体の成形方法。
Tm−50≦Ｔ≦Tm -----（1）
Tm：潤滑剤の融点、軟化点のうちの低い方の温度。ここに複数の種類の潤滑剤を併
用する場合はそれら潤滑剤の融点、軟化点のうちの最も低い温度。
（２）金型の温度を100℃以下に制御することを特徴とする上記（１）に記載の鉄基粉末混合物圧粉体の成形方法。

本発明によれば、圧粉密度の高い圧粉体を成形できるため、かような圧粉体を用いることによって高密度で欠陥のない粉末冶金製品や圧粉磁芯を高精度で得ることができる。さらに、成形後の金型から抜き出す際の抜出力が低いため、成形体（圧粉体）に欠損を生じたり、型かじりを生ずることなく、成形することができる。ここで、型かじりとは、成形体を抜き出すときに、金型と接する部分に入る傷のことであり、一般的には抜出力が高いと、型かじりを生じやすくなる。

また、粉末自体を加熱することなく、従って難しい温度制御を行う必要がなく、しかも必要以上に高い温度にすることなく成形作業を行えるため、生産性の向上並びに省力化を実現できる。

本発明の粉末冶金用圧粉体の成形方法は、まず原料として、鉄基粉末と粒径：10〜200μmの含有率が20mass％以上の潤滑剤とを含む鉄基粉末混合物を用いる。
すなわち、鉄基粉末は、鉄粉および／または合金化鉄粉であり、例えばアトマイズ鉄粉や還元鉄粉等の純鉄粉、部分拡散合金化鋼粉、完全合金化鋼粉またはこれらの混合粉末を用いることができる。さらに、鉄基粉末には、平均粒径が30〜250μｍのものを用いることが高い密度の圧粉体を得るために好ましく、さらに好ましくは50〜100μmである。

上記の鉄基粉末に混合する潤滑剤は、粒径：10〜200μmの含有率が20mass％以上であることが肝要である。このような粒子径分布をもつ潤滑剤は、成形前の鉄基粉末混合物を金型内に充填する際に金型壁面に偏析しやすいため、成形体抜き出し時の潤滑性が向上して、抜出力が低下すると考えられる。すなわち、粒径を10〜200μmの範囲に限定したのは、10μmより小さい粉体が多いと、鉄基粉末混合物の流動性が悪化し、充填ばらつきなどの不具合を生じ、また200μmより大きいと、焼結体内に大きな空隙を生じ、機械的強度を悪化する恐れがあるからである。そして、その含有率を20mass％以上としたのは、前記粒径範囲のものが少なすぎると、上記抜出力低減の効果がみられなくなるからである。

この鉄基粉末に混合される潤滑剤には、脂肪酸アミドのようなワックスや、脂肪酸亜鉛、脂肪酸マンガンおよび脂肪酸リチウムのような金属石鹸などを、単独または複合して使用することができる。

以上の潤滑剤と鉄基粉末とを含む鉄基粉末混合物には、さらに銅粉、グラファイト、Ni粉などの副原料や、脂肪酸アミド、金属石けんおよび熱可塑性樹脂などのバインダ、そしてMnＳ粉などの切削性改善剤を添加して混合することが可能である。

次いで、上記の鉄基粉末混合物を金型に充填し、この金型を例えばパンチで挟んで加圧成形する際、該金型の温度Ｔ（℃）を、｛（潤滑剤の融点もしくは軟化点）−50℃｝〜（潤滑剤の融点もしくは軟化点）の範囲、すなわち
Tm−50≦Ｔ≦Tm -----（1）
Tm：潤滑剤の融点、軟化点のうちの低い方の温度。ここに複数の種類の潤滑剤を併
用する場合はそれら潤滑剤の融点、軟化点のうちの最も低い温度
に制御することによって、金型における鉄基粉末混合物の充填密度を上昇させる。

この金型の温度を上記の範囲に制御することによる、充填鉄基粉末混合物の高密度化の原理は、不明であるが、発明者の考えを検討例とともに以下に述べる。
検討例として、60mmφの円筒状金型の表面温度を60℃とし、この金型に鉄基粉末混合物を30mmの高さで充填してから６秒後の、高さ方向中心部（底部から15mmの高さ）における半径方向の温度分布を、図１に示す。同図に示される内容から、金型に鉄基粉末混合物を充填した場合、その充填した時点で、金型表面近傍の粉末温度は、比較的短時間で金型表面温度になることが予想できる。この際、鉄基粉末混合物中の潤滑剤も同様の温度分布となる。

ここで、潤滑剤は、溶融前（もしくは軟化前）であれば、高温にするほど柔らかくなり、潤滑性が向上する。そこで、金型を潤滑剤の融点もしくは軟化点以下の比較的高い温度域に加熱し、金型表面近傍の粉末温度も同温度域にすることによって、特に潤滑剤を優れた潤滑性を発現し得る状態とする。なお、潤滑剤は、液状で潤滑性を示す場合もあるが、粉末冶金用圧粉体の成形のように高圧下で行う成形では、潤滑性を示し得る液膜の厚さを保てず、粉末が金型に直接接触して摩擦力が増大し、成形性が悪化すること考えられる。従って、本発明では、潤滑剤の全てが液状になることなく（すなわち潤滑剤の融点もしくは軟化点以下で）、しかし柔らかい状態（すなわち潤滑剤の融点もしくは軟化点を下回ること50℃を超えない範囲）、にすることによって、成形時の金型との摩擦力を小さくして、圧粉体の高密度化を実現したものである。

潤滑剤は、融点もしくは軟化点を有するが、その温度は種類によって違う。脂肪酸アミドの場合、例えば、エルカ酸アミドは82℃、ステアリン酸アミドは103℃およびオレイン酸アミドは74℃の融点を示す。
従って、これらの潤滑剤を含む鉄基粉末混合物を用いて成形する場合、エルカ酸アミドを含有する場合には金型温度を42℃から82℃、ステアリン酸アミドを含む場合には同63℃から103℃、オレイン酸アミドの場合には同34℃から74℃として成形すればよい。

また、複数種の潤滑剤を含む場合には、それらの融点もしくは軟化点のうち最低の温度を基に金型温度を設定する。例えば、ステアリン酸アミド（融点：lO3℃）とエチレンビスステアリン酸アミド（融点：145℃）とを含有する鉄基粉末混合物の場合、低融点であるステアリン酸アミドの融点を基準として、金型温度を63℃から103℃に設定する。

なお、潤滑剤の含有量は、鉄基粉末100質量部に対して、0.05〜0.8質量部程度とすることが、圧粉体の密度を向上させ、かつ、抜出力も十分低くする上で好ましい。

本発明の方法では、鉄基粉末混合物の温度を直接制御することなく、金型温度を制御して成形を行うこととした。金型温度は、粉末温度に比較して簡単に制御することが可能であるため、有利である。さらに、この金型温度を100℃以下に制御すれば、電力の消費も比較的少なくて済み経済的であることから、金型温度を100℃以下に制御することが好ましい。

以上に述べたように、本発明の方法を用いれば、高い成形密度の圧粉体を金型内に形成して、かつ抜出力を小さくしながら圧粉体を抜き出せるので、高密度で欠陥のない粉末冶金製品を容易に得ることができる。

本発明に従って得られる圧粉体は、一般の粉末冶金における工法を適用して、機械部品の製造に供することができる。具体的には、本発明の圧粉体を金型に充填し圧縮成形したのち、必要に応じてサイジングを行い、焼結して焼結体とし、焼結後さらに浸炭焼入れ、光輝焼入れ、そして高周波焼入れなどの熱処理を施し、製品（機械部品等）とする。
また、鉄粉と潤滑剤のみで成形し、必要に応じてひずみ取りのためなどの熱処理を行い、圧粉磁芯とすることもできる。

平均粒径が75μｍの鉄粉に対して、2.0mass％のCu粉と0.8mass％の黒鉛を添加したもの100質量部に、表１に示す種々のバインダ及び潤滑剤を添加したものを、Ｖ型混合機にて室温で混合した。得られた鉄基粉末混合物を、表１に示す表面温度に加熱した金型に充填し、日本粉末冶金工業会規格（JPMA PO9，JPMA P13）に準拠して、686MPaの圧力で圧縮し、直径：11．3mmおよび高さ：11mmの圧粉体を作製した。
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出力について調べた結果を、表１に併記する。なお、圧粉体の密度および成形金型からの抜出力は、以下のように測定した。

［圧粉体の密度］
水中に成形体を沈める前後で重さを比較するアルキメデス法を用いた。

［成形金型からの抜出力］
圧形体を抜き出すときのパンチにかかる荷重を測定し、その最大荷重を成形体側面の面積で徐した値を抜出力とした。

表１に示したように、本発明の方法を用いた発明例１〜８では、圧粉体密度7.25Mg／m³以上かつ抜出力22MPa以下と、高い成形密度と小さい抜出力が両立できた。一方、金型温度が低い比較例１は圧粉体密度が低く、また、潤滑剤の粒径分布が外れる比較例２〜４は抜出力が高かった。

金型内の温度分布を示す図である。

Claims

鉄基粉末と粒径：10〜200μmの含有率が20mass％以上の潤滑剤とを含む鉄基粉末混合物を、金型に充填し、該金型の温度Ｔ（℃）を、下記で定義する温度Tm（℃）に対して、下記（1）式の範囲として加熱成形することを特徴とする鉄基粉末混合物圧粉体の成形方法。
Tm−50≦Ｔ≦Tm -----（1）
Tm：潤滑剤の融点、軟化点のうちの低い方の温度。ここに複数の種類の潤滑剤を併
用する場合はそれら潤滑剤の融点、軟化点のうちの最も低い温度。
金型の温度を100℃以下に制御することを特徴とする請求項１に記載の鉄基粉末混合物圧粉体の成形方法。