JP2005504863A - 粉末冶金用粉末潤滑剤 - Google Patents

Abstract

本発明は、ポリエチレンエーテルとオリゴマーアミドとの組合せを含有する新規な潤滑剤、及び多量の鉄基粉末と、少量のこの新規な潤滑剤とを含む改良冶金粉末組成物に関する。更に本発明は、大きな未焼成強度を有する未焼成生成物を製造するために必要な放出力が低く、放出エネルギーが低い方法に関する。本方法は、鉄基粉末と、前記新規な潤滑剤と共に、場合により添加剤とを混合し、得られた粉末組成物を成形する工程を有する。

Description

【背景技術】
【０００１】
本発明は、冶金粉末組成物のための新規な潤滑剤のみならず、それらの潤滑剤を含有する金属粉末組成物に関する。特に本発明は、新規な潤滑剤を含有する鉄基粉末組成物、及びそれらの組成物から作った大きな未焼成(green)強度を特色とする成形体(compact)にも関する。
【０００２】
未焼成強度は、未焼成部品の最も重要な物理的性質である。この性質の重要性は、Ｐ／Ｍ部品の大きさが増大し、幾何学的形態が複雑になるに従って増大する。未焼成強度は、成形体密度が増大すると共に増大し、粉末に混合される潤滑剤の種類及び量によって影響を受ける。未焼成強度は用いる粉末の種類によっても影響を受ける。大きな未焼成強度を達成することが可能な別の方法は、金属粉末の混合及び／又は成形(compaction)を上昇させた温度で行うことである。成形物を成形工具から放出する間に亀裂を起こさないようにし、プレスと焼結炉との間の取り扱い及び移動中に損傷を受けないようにするためには、大きな未焼成強度が必要である。比較的大きな未焼成強度を有する現在用いられている成形体は、スポンジ状鉄粉末から製造されるのが有利であるが、噴霧形成粉末(atomised powder)の成形体を製造することに関しては、噴霧形成粉末が一層圧縮され易く、従って一層大きな未焼成密度を与える事実にも拘わらず、種々の問題が起きる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、大きな未焼成強度を有する成形された物体を与え、成形及び工具からの放出後の取り扱いに対し耐久性を確実に与えることである。
【０００４】
第二の目的は、噴霧形成鉄粉末又は高度に圧縮可能な鉄基粉末のような高度に圧縮可能な鉄粉末からそのような成形体を製造することを可能にする新規な潤滑剤を与えることである。
【０００５】
第三の目的は、鉄基粉末及び新規な潤滑剤を含む鉄基粉末組成物を与えることである。
【０００６】
第四の目的は、周囲温度で成形した時、大きな未焼成強度を有する成形された物体を製造する方法を与えることである。
【０００７】
第五の目的は、比較的低い密度にも拘わらず、大きな強度を有する未焼成物体を製造する方法を与えることである。
【０００８】
本発明の他の目的は、次の記載から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、ポリエチレンオキシドとオリゴマーアミドとの組合せを含有する新規な潤滑剤により達成できることが今度見出され、従って本発明は、そのような潤滑剤に関する。
【００１０】
本発明は、多量の、約２５〜３５０μｍの範囲の重量平均粒径を有する鉄基粉末、及び少量のこの新規な潤滑剤を含有する改良された冶金粉末組成物にも関する。更に、本発明は、低い放出力及び低い放出エネルギーを維持しながら、大きな未焼成強度を有する未焼成物体を製造する方法に関する。更に、その方法は、低いラトラー(Rattler)値によって証明されるように、成形及び工具からの放出後の取り扱いに対し確実に耐久性を与える。本方法は、鉄基粉末及び新規な潤滑剤と任意的添加剤とを混合し、得られた粉末組成物を成形する工程を有する。
【００１１】
本発明の詳細な記述
詳しくは、新規な潤滑剤は、反復単量体単位がエチレンエーテルである種類のポリエーテルから本質的になる。本明細書中、ポリエチレンエーテルという名前は、重合体を記述するのに用いられている。分子量及び重合のための出発化合物により、ポリエチレンエーテルは、低い分子量を有するポリエチレングリコール（ＰＥＧ）及び一層大きな分子量を有するポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）に分割することができる。新規な潤滑剤中のポリエチレンエーテルの含有量は、潤滑剤の１０〜６０重量％であり、残余はオリゴマーアミドである。低いラトラー値と組合せて大きな未焼成強度を得るためには、新規な潤滑剤のポリエチレンエーテル含有量は、少なくとも２０％であり、最も好ましくは少なくとも３０％であるべきである。ポリエチレンエーテルの量が６０％より大きくなると、未焼成強度は、低下する。未焼成強度を考慮に入れると、３０〜５０％のＰＥＯを含有し、残余がオリゴマーアミドである潤滑剤を用いて、最大の値が得られる。
【００１２】
鉄基粉末とを組合せてポリエチレングリコールを用いることは、米国特許第６，２２４，８２３号明細書に記載されており、それによれば、ポリエチレングリコールが７０００ｇ／モルより低い分子量を有する場合に、大きな未焼成強度が得られ、成形操作は、上昇させた温度で行われている。周囲温度（通常、約１５〜約３５℃）で粉末を成形することにより未焼成物体を製造することに関する本発明によれば、約７０００ｇ／モルより高い分子量を有するポリエチレンエーテルは、もしオリゴマーアミドと組合せるならば、予想外の利点を有することが判明している。
【００１３】
本発明に従って用いることができる適当なポリエチレンエーテルは、ここに参考のため入れる米国特許第５，４９８，２７６号明細書に記載されている。これらのポリエチレンエーテルは、約１０，０００〜約４，０００，０００の重量平均分子量を有する固体の粒状物質である。
【００１４】
本発明によれば、ポリエチレンエーテルは、好ましくは約２０，０００〜約４００，０００ｇ／モルの重量平均分子量をもつべきである。最も好ましくは、それらエーテルは、約５０，０００〜約３００，０００ｇ／モルの重量平均分子量をもつべきである。好ましい材料の例は、１００，０００ｇ／モル〜約２００，０００ｇ／モルの分子量をもつオキシドである。もし分子量が２０，０００より低いと、未焼成強度の大きさは充分でなくなり、もし分子量が４００，０００を越えると、慣用的方法では希望の粒径範囲内の粒子を得ることができない。
【００１５】
粉末金属組成物と組合せてポリエーテルを用いることは、米国特許第５，２９０，３３６号、第６，１２６，７１５号、及び第６，０３９，７８４号明細書からも知られている。これらの特許は、就中、ポリエーテルが、未焼成強度を向上し、放出力を減少するための薬剤として用いることができることを教示している。ポリエーテルは、ステアレート及びワックスのような種々の潤滑剤と混合してもよいことも開示されている。米国特許第５，４９８，２７６号明細書によれば、ポリエーテルは、組成物中に用いられる潤滑剤１００％の少なくとも９０％の量で用いるのが好ましい。
【００１６】
この教示とは対照的に、本発明により予想外の結果を達成するためには、ポリエチレンエーテルを９０％より少ない量で用いるべきであり、ポリエチレンエーテルは、オリゴマーアミドと組合せるべきであるのに対し、ポリエチレンエーテルと、上記特許に示唆されているエチレンビスステアルアミドのような他の一般に用いられている種々の種類の潤滑剤との組合せは成功を収めていないことが現在判明している。
【００１７】
本発明に従って用いられるオリゴマーアミドは、ここに参考のため入れてある米国特許第５，７４４，４３３号明細書から知られている。この特許によれば、それらのオリゴマーは、金属粉末組成物中の潤滑剤として用いられている。それらのオリゴマーは、せいぜい３０，０００で、好ましくは少なくとも１，０００である重量平均分子量Ｍｗを有する。更に、それらのオリゴマーアミドは、１２０〜２００℃の範囲の融点ピークを有する。最も好ましくは、Ｍｗは２，０００〜２０，０００の範囲にある。その潤滑剤の少なくとも８０重量％、好ましくは少なくとも８５重量％、最も好ましくは９０重量％がオリゴマーアミドから構成されていることも教示されている。
【００１８】
更に、米国特許第５，７４４，４３３号明細書は、これらのアミドが温間成形のため用いられることを教示している。これらのアミドを冷間成形、即ち、周囲温度での成形のために用いた場合、放出力が工業的に用いるには余りにも高くなり過ぎる。これは本発明とは対照的であり、本発明によれば、ポリエチレンエーテルと組合せたオリゴマーアミドが冷間成形のため有利に用いられるのに対し、その粉末組成物を上昇させた温度で成形すると劣った結果が得られる。
【００１９】
本明細書及び特許請求の範囲で用いられている用語「鉄基粉末」には、純粋鉄；強度、硬化性，電磁波性、或は他の最終生成物に望まれる性質を改良する他の物質と予め合金にした鉄粉末；及びそのような合金用元素の粒子と混合された鉄粒子（拡散アニール混合物又は純粋に機械的混合物）；から本質的に構成された粉末が含まれる。合金用元素の例は、銅、モリブデン、クロム、マンガン、燐、黒鉛の形の炭素、及びタングステンであり、それらは別々に、又は組合せて、例えば化合物の形（Ｆｅ_３Ｐ及びＦｅＭｏ）として用いられる。本発明による潤滑剤を、高圧縮性を有する噴霧形成鉄基粉末と組合せて用いた時に予想外に良好な結果が得られる。一般にそのような粉末は、低い炭素含有量、好ましくは０．０４重量％より低い炭素含有量を有する。そのような粉末には、例えば、ディスタロイ(Distaloy)ＡＥ、アスタロイ(Astaloy)Ｍｏ、及びＡＳＣ １００．２９が含まれ、それらは全てスウェーデンのヘガネス(Hoeganaes)ＡＢから市販されている。更に、スポンジ状鉄粉末及び新規な潤滑剤を含有し、比較的低い未焼成密度へ圧縮した未焼成物体について大きな未焼成強度及び低いラトラー値を得ることができる。
【００２０】
本発明による鉄基粉末及び潤滑剤を別として、粉末組成物は、結合剤、処理助剤、及び硬質相からなる群から選択された一種類以上の添加剤を含有していてもよい。結合剤は、米国特許第４，８３４，８００号明細書（これは参考のためここに入れてある）に記載されている方法に従って粉末組成物へ添加してもよい。
【００２１】
粉末組成物中に用いられる結合剤は、例えばセルロースエステル樹脂、アルキル基中に１〜４個の炭素原子を有するヒドロキシアルキルセルロース樹脂、又は熱可塑性フェノール樹脂からなる。
【００２２】
金属粉末組成物中に用いられる処理助剤は、タルク、フォルステライト、硫化マンガン、硫黄、二硫化モリブデン、窒化硼素、テルル、セレン、二フッ化バリウム、及び二フッ化カルシウムからなり、それらは別々に、又は組合せて用いられる。
【００２３】
粉末組成物中に用いられる硬質相は、タングステン、バナジウム、チタン、ニオブ、クロム、モリブデン、タンタル、及びジルコニウムの炭化物、アルミニウム、チタン、バナジウム、モリブデン及びクロムの窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_４Ｃ、及び種々のセラミック材料からなる。
【００２４】
慣用的技術を利用して、鉄基粉末及び潤滑剤粒子を混合して実質的に均質な粉末組成物にする。
【００２５】
本発明による潤滑剤組成物は、固体微粉砕粒子の形で金属粉末組成物に添加するのが好ましい。潤滑剤の平均粒径は変動していてもよいが、１５０μｍより小さいのが好ましく、３〜１００μｍの範囲にあるのが最も好ましい。もし粒径が大き過ぎると、成形中、潤滑剤が金属粉末組成物の気孔構造を出るのが困難になり、そうすると潤滑剤は焼結後に大きな気孔を生じ、低い強度特性示す成形体を与える結果になる。他方、粒径が余りにも小さすぎると、潤滑及び流動が悪化し、放出エネルギーが高くなり過ぎる。
【００２６】
粉末組成物の成形のために用いられる新規な潤滑剤の量は、組成物のせいぜい２重量％でよい。この量は、０．２〜１．５重量％の範囲にあるのが好ましい。
【００２７】
本発明に従い、成形工程を周囲温度（約２０℃）で約６００ＭＰａの圧力で行なった場合、大きな放出力及び／又は大きな放出エネルギーを必要とすることなく、約２０ＭＰａより大きく、約２７ＭＰａより大きくなることさえある未焼成強度を有する成形体を得ることができる。本発明の文脈で「大きな放出力」とは、１５Ｎ／ｍｍ^２より大きいものとして定義し、「大きな放出エネルギー」とは、３５Ｊ／ｃｍ^２より大きいものとして定義することができる。
【００２８】
重要で有利な特徴は、新規な潤滑剤を含有する組成物を混合し、周囲温度で、例えば、約５．５〜６．５ｇ／ｃｍ^３の比較的低い密度まで成形すると、大きな未焼成強度及び低い材料損失（低いラトラー値）が得られることさえあることである。
【００２９】
未焼成成形体を焼結すると、良好な機械的性質を有する生成物を得ることができる。焼結は、慣用的条件で行なってもよい。
【実施例】
【００３０】
次の例は、本発明の或る態様及び利点を与えるが、それらに限定されるものではない。別に指示しない限り、％は重量基準による。
【００３１】
実施例の各々で粉末組成物を構成する粉末を、周囲温度（約２０℃）で２分間ゲブルーダー・レーディゲ(Gebruder Loedige)装置で混合した。
【００３２】
次に粉末組成物を、周囲温度で指示した圧力で型中で未焼成棒に成形し、次に９０／１０（９０％のＮ_２及び１０％のＨ_２）雰囲気中で約３０分間、約１１２０℃の温度で０．５％のＣポテンシャルで焼結した。
【００３３】
粉末混合物、未焼成棒、及び焼結棒の物理的性質の、一般に次の試験方法及び形式に従い決定した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
ここで定義した放出力は、型からの成形部品の放出を開始させるために克服しなければならない静止力である。それは、放出を開始させるのに必要な荷重と、型表面と接触している部品の断面積との商として計算され、Ｎ／ｍｍ^２の単位で報告されている。
【００３６】
ここで定義する放出エネルギーは、放出を継続し、全放出距離に関して成形体を放出するために成形体に加えた力の積分を、型表面と接触している表面積で割ったもである。放出エネルギーはＪ／ｃｍ^２の単位で報告されている。
【００３７】
例１
この例は、本発明による潤滑剤組合せを用いることの重要性を実証し、潤滑剤組成物中に１０％より少ないか又は６０％より多い量のＰＥＯを用いた場合には劣った結果が得られることを実証する。
【００３８】
噴霧形成鉄粉末、２％のＣｕ粉末、０．５％の黒鉛、及び０．８％の新規な潤滑剤を混合した。鉄粉末は、スエーデン、ヘガネスＡＢから入手されたＡＳＣ １００．２９であり、Ｃｕ粉末は、７５μｍの平均粒径を有し、黒鉛粉末は５μｍの平均粒径をもっていた。新規な潤滑剤は、オリゴマーアミド、６０００の重量平均分子量を有するオルガゾル(Orgasol)（登録商標名）及び１００，０００又は２００，０００の平均分子量を有するＰＥＯにより構成されていた。微粉砕潤滑剤を篩い分け、７５μｍより小さな平均粒径をもつようにした。
【００３９】
次の表１に示した組成を有する新規な潤滑剤を含む５つの異なった潤滑試料を製造した。
【００４０】
【表２】

【００４１】
参照として、屡々ＥＢＳとして省略されるエチレンビスステアルアミドが用いられた。
【００４２】
混合物は、試料潤滑剤１〜５を用いてゲブルーダー・レーディゲ装置中で２分間混合し、各粉末混合物を、見掛け密度、流動、未焼成密度（６００ＭＰａで）、焼結密度、放出力、放出エネルギー、復元、形状変化、未焼成強度、ラトラー値、抗張力、及び降伏強度に関して調べた。焼結は、１１２０℃で３０分間行った。雰囲気は９０／１０（９０％の
Ｎ_２及び１０％のＨ_２）であった。結果を表２に記載する。
【００４３】
【表３】

【００４４】
上記結果は、本発明による潤滑剤組成物を用いることにより放出力及び放出エネルギーの予想外に低い値を得ることができることを実証している。得られる大きな未焼成強度及び低いラトラー値と組合されたこれらの性質は、未焼成物体を取扱い、運送する時の耐久性に必要な性質に関し、我々が優れた性質を有する潤滑剤組成物を見出すことが出来たことを示している。
【００４５】
例２
この例は、屡々用いられるＥＢＳ（エチレンビスステアルアミド）とポリエチレンオキシドを混合した時に得られる効果を実証する。試験は例１と同じように、同じ粉末及び及び量の潤滑剤を用いて行なった。次の表３から、ＰＥＯをＥＢＳと混合した時には、未焼成強度の改良は本質的に得られないことが分かる。
【００４６】
【表４】

【００４７】
例３
この例は、比較的低い密度を有する未焼成物体についても大きな未焼成強度値を得ることができ、即ち、粉末組成物は低い圧力で成形されたことを実証する。
次の混合物を調製した。
【００４８】
【表５】

【００４９】
混合物１及び３は、２０％のＰＥＯ及び８０％のオルガゾルを含んでいた。ステアリン酸亜鉛を含有する混合物２及び４は、参照として用いた。それら混合物は２３０ＭＰａの成形圧力で成形した。次の表５から分かるように、比較的低い未焼成密度を有する成形体についても、大きな未焼成強度を得ることができる。低いラトラー値は、本発明により得られた未焼成物体を成形し、工具から放出した後の取扱いのための耐久性が比較的非常に大きいことを実証している。
【００５０】
【表６】

Claims (12)

1. １０〜６０重量％のポリエチレンエーテル及び残余のオリゴマーアミドから本質的になる、粉末冶金組成物用潤滑剤。
2. ポリエチレンエーテル含有量が２０〜５０重量％、好ましくは３０〜５０重量％である請求項１に記載の潤滑剤。
3. 微粉砕粉末の形態をしている、請求項１又は２に記載の潤滑剤。
4. 潤滑剤が、約１５０μｍ未満の、好ましくは３〜１００μｍの重量平均粒径を有する、請求項３に記載の潤滑剤。
5. ポリエチレンエーテルが、約２０，０００〜４００，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の潤滑剤。
6. オリゴマーアミドが、約２，０００〜２０，０００ｇ／モルの重量平均分子量を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の潤滑剤。
7. 約２５〜３５０μｍの範囲の重量平均粒径を有する、多量の鉄基粉末、及び
   少量の、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体粒状潤滑剤、
   を含有する改良冶金粉末組成物。
8. 潤滑剤含有量がせいぜい２重量％である、請求項７に記載の粉末組成物。
9. 潤滑剤粉末が、組成物の０．２〜１．５重量％の濃度で与えられる、請求項８に記載の粉末組成物。
10. 更に、結合剤、処理剤、及び硬質相からなる群から選択された一種類以上の添加剤を含有する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の粉末組成物。
11. 鉄基粉末が噴霧形成粉末からなる、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の粉末組成物。
12. 大きな強度を有する未焼成生成物を製造する方法において、
    （ａ） 鉄基粉末と、請求項１〜６のいずれか１項に記載の潤滑剤粉末とを混合し、
    （ｂ） 前記金属・粉末組成物を周囲温度で成形する、
    ことを行う、未焼成生成物製造方法。