JP2005330547A

JP2005330547A - 粉末冶金用鉄基粉末混合物およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005330547A
Application number: JP2004150577A
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: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】圧粉成形金型からの抜き出し力を低減するとともに、特に成形時の型かじりの発生を抑制し得る、粉末冶金用鉄基粉末混合物を提供する。
【解決手段】鉄基粉末の表面に、粒子径が５μｍ未満の黒鉛を該鉄基粉末100質量部に対して0.05質量部以上にて被覆した黒鉛被覆鉄基粉末を含むものとする。
【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金用鉄基粉末混合物、特に圧粉成形金型からの抜出力を低減するとともに、成形時の型かじりを低減するのに有利な粉末冶金用鉄基粉末混合物およびその製造方法に関するものである。

粉末冶金用鉄基粉末混合物を金型にて圧粉成形する際に、その成形性を良好にすることを目的として、予め鉄基粉末混合物中に潤滑剤を添加するか、もしくは、金型表面に潤滑剤を付着させて成形を行うことが一般である。このような処理を施さないと、鉄基粉末と金型とが直接接触して摩擦力が大きくなり、成形時に目的とする圧粉密度にまで圧縮することができなかったり、成形後に成形品を金型から抜き出すときに大きな力を要したりする、などの不利をまねく。

このような理由から、圧粉成形に際して、種々の潤滑剤が用いられている。
例えば、金型からの抜き出しを念頭に置いた潤滑剤として、特許文献１には、脂肪酸リチウム、脂肪酸亜鉛および脂肪酸ビスアミドからなるものが、記載されている。
特開平10−46202号公報

上記の潤滑剤を用いることによって、成形時の摩擦低減が達成され、金型からの抜き出し力を低減することができるが、連続成形時に生じる型かじりを解消することは難しく、この点に問題を残すものであった。
すなわち、圧粉成形を連続的に繰り返した場合に、金型に鉄粉が付着そして堆積して、金型表面の平滑性が阻害される結果、最終的に成形品表面に傷がつくという、いわゆる型かじりと呼ばれる現象が生じる。この型かじりの発生を回避することは、粉末冶金を工業的規模で行う場合に、とりわけ必要となる。

そこで、本発明は、圧粉成形金型からの抜き出し力を低減するとともに、特に成形時の型かじりの発生を抑制し得る、粉末冶金用鉄基粉末混合物を、その製造方法に併せて提供することを目的とする。

発明者らは、前記課題を解決するための手段について鋭意究明したところ、鉄粉の表面に微細な黒鉛粉末を被覆することが、連続成形時に生ずる型かじりの防止に有効であることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
（1）鉄基粉末の表面に、粒子径が５μｍ未満の黒鉛を該鉄基粉末100質量部に対して0.05質量部以上にて被覆した黒鉛被覆鉄基粉末を含むことを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。

（2）粉末冶金用鉄基粉末混合物を製造するに当たり、黒鉛およびバインダを水または有機溶媒に分散した分散液と鉄基粉末とを接触させて、前記鉄基粉末の表面に黒鉛を被覆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。

（3）前記黒鉛は粒子径が5μm未満であり、かつ前記分散液における、黒鉛およびバインダの含有率が、それぞれ５〜50mass％および0.05〜20mass％であることを特徴とする請求項２に記載の粉末冶金用鉄基粉末混合物の製造方法。

本発明の粉末冶金用鉄基粉末混合物を圧粉体の成形に供することによって、型かじりを生ずることのない連続成形が実現されるため、成形品の歩留まりが上昇する結果、生産性を向上することができる。

本発明の粉末冶金用鉄基粉末混合物は、鉄基粉末の表面に、粒子径が５μm未満の黒鉛を該鉄基粉末100重量部に対して0.05重量部以上被覆した黒鉛被覆鉄基粉末を、含むものである。なお、黒鉛被覆鉄基粉末を含むとは、該黒鉛被覆鉄基粉末のみから成るものの他、必要に応じて副原料や潤滑剤を混合して成るものである。

ここで、鉄基粉末は、純鉄粉または合金化鉄粉のいずれでもよい。具体的には、アトマイズ鉄粉や還元鉄粉等の純鉄粉、部分拡散合金化鉄粉、完全合金化鉄粉またはこれらの混合粉末を用いることができる。特に、鉄基粉末の粒子径は30〜250μmが好ましく、圧粉密度を高めるには50〜100μｍがさらに好ましい。
以下、特に断わらない限り、鉄基粉末の種類に関わらず鉄粉と称する。

この鉄粉には、その表面に粒子径が５μm未満の黒鉛を鉄粉100質量部に対して0.05重量部以上にて被覆して、黒鉛被覆鉄基粉末（以下、黒鉛被覆鉄粉と示す）とすることが肝要である。すなわち、鉄粉の表面を黒鉛で被覆することによって、鉄粉表面の潤滑性が向上し、また黒鉛の介在によって、鉄粉と金型との直接接触が回避されて、金型表面に鉄粉が付着そして堆積することがないため、型かじりが起き難くなる。

さらに、鉄粉の被覆に供する黒鉛量は、鉄粉100質量部に対して0.05質量部以上とする必要がある。なぜなら、黒鉛の含有率が0.05質量部未満では、鉄粉表面の露出が大きくなって被覆効果を十分に得ることができない。一方、鉄粉を被覆する黒鉛は、最終的に焼結時の浸炭に消費されるが、一般に粉末冶金では５μｍ未満の微細な黒鉛を多く使うのは不経済であるために、１質量部より多くの黒鉛を添加することはないから、黒鉛の被覆量は最大でも１質量部とすることが好ましい。

また、一般に粉末冶金用鉄基粉末混合物に用いられる黒鉛は、粒子径が５〜20μm程度であり、一方の鉄粉は最大で250μm程度、平均粒径で70〜80μm程度であるため、かかる大きさの関係にある黒鉛を鉄粉の表面に均一に被覆することは難しい。本発明の鉄基粉末混合物では鉄粉の表面に黒鉛を均一に被覆する必要があるために、黒鉛の粒径を５μm未満とする。
なお、黒鉛の粒子を必要以上に細かくすると、過大な粉砕エネルギーが必要となり、経済的に不利になることから、黒鉛の粒子径は100nm以上とすることが望ましい。

上記の黒鉛被覆鉄粉に、必要に応じて、さらに副原料や潤滑剤を混合することができる。
すなわち、副原料としては、銅粉や（上記の被覆用でなく副原料用の）黒鉛粉のほか、NiやMoのような合金成分や、MnSのような切削性改善粉を混合することができる。さらに、副原料用のバインダとして、PVA（ポリビニルアルコール）、アクリル酸エステル、酢酸ビニル樹脂、ビニルウレタンおよび酢酸ビニルエチレン共重合体など、接着剤として広く使われているものや、塗料、印刷インキでビヒクル成分として用いられるフェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、乾性油、高沸点脂肪族炭化水素などを、そして潤滑剤として、金属石けん、脂肪酸アミド、熱可塑性樹脂などを、混合して鉄基粉末混合物とする。

次に、上記の黒鉛被覆鉄粉、そして鉄基粉末混合物の製造方法について説明する。
本発明の製造方法では、黒鉛およびバインダを水または有機溶媒に分散した分散液を用いる。分散液は、粒径が５μm未満で好ましくは100nm以上の黒鉛を10〜50mass％、かつ鉄粉の表面に黒鉛を付着させるためのバインダを例えば0.05〜20mass％にて、水または有機溶剤に分散させたものである。この分散液と鉄粉とを接触させて、鉄粉に黒鉛を均一に付着させ、その後に乾燥させて水分もしくは溶剤を除去することによって、黒鉛被覆鉄粉を製造することができる。

ここで、黒鉛を鉄粉に均一に付着させるためには、次のような、分散液と鉄粉との接触方法がある。例えば、被付着物である鉄粉を攪拌しながら、スプレーを利用して分散液を吹き付ける方法が有効である。また、場合によっては、分散液と鉄粉とを単純に攪拌混合するだけでもよい。分散液中の黒鉛の含有量は、多いほど生産性は上がるため、10mass％以上とすることが好ましいが、多すぎると分散液の粘度が上昇し、均一な被覆が難しくなるため、50mass％以下とすることが好ましい。

また、黒鉛被覆用のバインダは、分散液中に、少なくとも0.05mass％以上で含有させることが望ましいが、型かじりの要因ともなるため、できるだけ少ない方がよい。鉄粉への付着を考えると、20mass％以下であることが望ましい。このバインダとしては、特に制限はないが、黒鉛の潤滑性を妨げないものが好ましく、例えば上記した副原料用のバインダが適合する。或いは、上記した黒鉛被覆鉄粉に混合する潤滑剤種をバインダとして用いることも可能である。

さらに、上記鉄基粉末に、副原料である黒鉛や銅粉、さらには潤滑剤を混合するが、この際、前記した副原料用のバインダを別途加え、黒鉛や銅粉を鉄粉表面に付着させることもできる。また、前記混合は、黒鉛の被覆と同時でもよく、予め混合したものに黒鉛を被覆してもよく、勿論、黒鉛被覆後の鉄基粉末に副原料を添加してもよい。

かくして得られた鉄基粉末混合物は、金型内で圧縮成形されて圧粉体となるが、一般に圧粉成形は、室温から180℃の温度領域で行われる。特に、圧粉体の密度を高くする必要がある場合には、粉体および金型を共に所定温度に予熱しておいて成形する、温間成形を採用しても良い。

なお、前記鉄基粉末混合物に潤滑剤を混合することなく、粉末充填前の金型キャビティー表面に潤滑剤を付着させて成形する金型潤滑と呼ばれる成形方法も知られている。本発明で得られる鉄基粉末混合物は、いずれの成形方法にも使用可能である。

本発明の鉄基粉末混合物は、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、本発明の鉄基粉末混合物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って焼結し、この焼結後さらに浸炭焼入れ、光輝焼入れ、高周波焼入れなどの熱処理を施し、製品（機械部品等）としてもよい。

平均粒子径80μmの鉄粉に、表1に示す各種の分散液（溶媒：水）を用いて黒鉛を被覆した。鉄粉には、0.5mass％Ni−0.5mass％Mo合金鉄粉（JFEスチール株式会社製 KIP4655Ｓ）を用いた。黒鉛の被覆量は、鉄粉100質量部に対する値である。また、副原料としては、一部の例で平均粒子径20μmの黒鉛粉を用いた。この副原料の添加量も、鉄粉100質量部に対する添加量である。ここで、平均粒子径とは、前記の純鉄粉の場合を含め、JIS Z 8801−1の標準篩で判定した粒度分布により、積算量分布が50％となる粒径を指す。

また、分散液と鉄粉との接触は、分散液中に鉄粉を添加して攪拌混合する方法で行った。さらに、鉄粉の添加と同時に前記の副原料を分散液に添加した。そして、攪拌混合した後に100℃で乾燥させ、さらに潤滑剤を混合して黒鉛被覆鉄粉を含む鉄基粉末混合物を作製した。この混合物を金型に充填し、径が11.3mmおよび高さが11mmの成形体を686MPaで連続300個、加圧成形した。この成形体を抜き出すときに必要な力（抜出力）と成形体の圧粉密度（金成形体の平均）とを測定した。また、型かじりが生ずるまでの成形数を調べ、型かじり性の指標とした。ここで、型かじりは、成形体断面の顕微鏡観察（100倍）において傷が発生していることの確認をもって、発生したと判断した。これらの調査結果を、表１に併記する。

表1に示すように、本発明に従う発明例では、成形数300まで型かじりの発生は認められず、抜出力は20MPa以下と小さいながら、圧粉密度は7.24以上と大きかった。一方、被覆する黒鉛の粒子径および被覆量が本発明の範囲を外れる比較例では成形数が高々23程度で型かじりが発生し、抜出力は30MPa以上と大きく、圧粉密度は比較例３を除き7.18と小さかった。

Claims

鉄基粉末の表面に、粒子径が５μｍ未満の黒鉛を該鉄基粉末100質量部に対して0.05質量部以上にて被覆した黒鉛被覆鉄基粉末を含むことを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末混合物。
粉末冶金用鉄基粉末混合物を製造するに当たり、黒鉛およびバインダを水または有機溶媒に分散した分散液と鉄基粉末とを接触させて、前記鉄基粉末の表面に黒鉛を被覆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。
前記黒鉛は粒子径が5μm未満であり、かつ前記分散液における、黒鉛およびバインダの含有率が、それぞれ５〜50mass％および0.05〜20mass％であることを特徴とする請求項２に記載の粉末冶金用鉄基粉末混合物の製造方法。