JP2006332420A

JP2006332420A - 焼結軟磁性部材の製造方法

Info

Publication number: JP2006332420A
Application number: JP2005155360A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yanaka; 雅樹谷中; Chio Ishihara; 千生石原; Teruo Ito; 輝雄伊藤
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP4509862B2; KR100783149B1; KR20060122706A

Abstract

【課題】焼結軟磁性部材の製造において、圧粉成形時に、経済的に有利な混入潤滑法を用いて冷間成形で使用でき、かつ成形体の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍを超えるような場合でも成形体表面に型カジリを生ずることなく、良好な抜き出しが可能な製造方法を提供する。
【解決手段】軟磁性粉末に、エチレンビスステアロアミドと脂肪族カルボン酸モノアミドを質量比で６：４〜８：２の割合で混合した成形潤滑剤０.４〜１.２質量％を添加混合した原料粉末を所望の形状に成形して得られる成形体を焼結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁、電磁クラッチ、電子制御式燃料噴射装置用インジェクター等のアクチュエータに好適な、軟磁気特性、特に、高磁束密度と高透磁率を備えた焼結軟磁性部材の製造方法に関する。

電磁弁、電磁クラッチ、電子制御式燃料噴射装置用インジェクター等のアクチュエータの磁心等に用いられる軟磁性部材は、磁束密度が高いことが要求されるが、磁束密度は磁心中のＦｅ成分の占積率で決まるため、焼結軟磁性部材としては、高い磁束密度の部材を製造するために高密度に圧粉成形する必要がある。また、速い応答が要求される用途の場合、透磁率を高めることが必要となる。そのため純鉄系等の焼結軟磁性部材は、一般の焼結機械部品を製造する場合の２倍以上の高い成形圧力をかけて圧粉成形を行っている。

一般の焼結機械部品は鉄基地の強度を向上させるため炭素を０.３〜１.２質量％程度含有させるが、この炭素分は通常原料粉末に黒鉛粉末を添加することによって付与している。そのため、一般の焼結部品では、黒鉛粉末が潤滑剤として機能するため、原料粉末に別途に添加する成形潤滑剤の効果とあいまって、圧粉成形後に成形体を金型より抜き出す際、抜き出し圧力を低減したり成形体のカジリが発生しない等、成形体の潤滑効果に有利な方向に働く。
ところで、焼結軟磁性部材は、純鉄、珪素鉄合金（Ｆｅ−１〜６Ｓｉ系合金）、パーマロイ（Ｆｅ−３０〜８０Ｎｉ系合金）、パーメンジュール（Ｆｅ−３０〜６０Ｃｏ系合金）、電磁ステンレス鋼（Ｆｅ−５〜１３Ｃｒ−２〜６Ｓｉ系合金）等の粉末を用いる。これらのうち純鉄、パーマロイは粉末が軟らかくかつ粘性を有する材料で、圧粉成形後に成形体を金型より抜き出す時に金型に凝着しやすく、抜き出し圧力が高くなり抜き出しにくい。また、珪素鉄合金、パーメンジュール、電磁ステンレス鋼は、粉末が硬く、圧粉成形後に成形体を金型より抜き出す時に金型を引っ掻きつつ抜き出されるため、金型をかじりやすく、やはり抜き出し圧力が高くなり抜き出し難い。このような金型からの抜き出し時に問題のある粉末を原料として用いる焼結軟磁性部材においては、原料粉に炭素分を付与すると、炭素が鉄基地中に固溶し、磁気特性、特に透磁率が劣化するため黒鉛粉末の添加は行われない。このため焼結軟磁性部材においては、黒鉛粉末を添加して潤滑効果を得ることができず、成形体の潤滑効果は、原料粉末に添加した成形潤滑剤の効果のみによることになる。したがって、一般の焼結機械部品の場合よりも潤滑性を向上させることが困難である。
このような原料粉末を用いて焼結軟磁性部材を製造する場合、高圧で高密度に圧粉成形した成形体を金型から抜き出す際には、成形体の潤滑効果が低いため抜き出し圧力が高くなり、型カジリが生じ易いという問題がある。この問題は、製品の高さが大きいもの、すなわち圧粉成形後の成形体の抜き出し時に金型と成形体の摺動する距離が長い軟磁性焼結部材において顕著であり、抜き出し方向の寸法が２５ｍｍを超えるような場合、成形金型の型孔表面に形成された成形潤滑剤の被膜が破れて金属接触が生じて成形体にカジリが発生したり、最悪の場合、圧粉成形後の成形体の抜き出しができなくなる。
なお、成形体の抜き出し方向の寸法が大きい、すなわち金型の摺動面積が大きい場合であっても、成形体の底面積、すなわちパンチの加圧面積が大きい製品であれば、金型の摺動面積に対してパンチの加圧面積が相対的に大きくなり、抜き出し時の単位面積当たりの荷重を小さくできる。しかし、金型の摺動面積がパンチの加圧面積に比して大きくなると相対的に大きな抜き出し荷重を必要とするため、金型の摺動面積とパンチの加圧面積の比が１を超える製品において、上記の問題がより顕著となっている。

一方、このような焼結軟磁性部材を製造する際に、成形体の潤滑効果を増加させるため多量の成形潤滑剤を添加すると、高圧で圧縮成形しても、成形潤滑剤の体積分だけ、成形体の密度が低下し、かつＦｅ成分の占積率が低下し、磁束密度が低下することとなる。また、成形潤滑剤は焼結時に揮発除去されるべきものであるが、成形体は高圧で圧粉成形され高密度となっているので、成形潤滑剤の全量を除去することは困難で、残留した成形潤滑剤が焼結時に分解して生じた炭素分がＦｅ基地中に拡散固溶して磁気特性、特に透磁率を劣化させる。

このような状況の下に、焼結軟磁性部材の製造方法として、特許文献１は、高級脂肪酸系潤滑剤を内面に塗布した成形用金型にＦｅを主成分とする磁性粉末を充填し、成形圧力７８４ＭＰａ以上で温間で加圧成形して、得られた粉末成形体を焼結した焼結軟磁性体を開示している。この成形工程では成形用金型の内面に塗布された高級脂肪酸系潤滑剤と、少なくとも成形金型の内面に接する磁性粉末との間でメカノケミカル反応を生じさせて磁性粉末と高級脂肪酸系潤滑剤とを化学的に結合させ、金属石鹸の被膜を磁性粉末成形体の表面に形成するものである。
特開２００３−８２４０１号公報

一般に圧粉成形時の潤滑法としては、原料粉末に成形潤滑剤を添加する混入潤滑法（内部潤滑法）と金型型孔壁面に成形潤滑剤を塗布する金型潤滑法（外部潤滑法）とがある。
混入潤滑法は、原料粉末の配合時に一緒に成形潤滑剤を添加するのみで済むのに対し、金型潤滑法では成形潤滑剤を塗布する装置が必要で、かつ成形潤滑剤を塗布する手間が必要となり、混入潤滑法に比べて製造コストの高い潤滑方法である。
特許文献１は、この製造コストの高い金型潤滑法によるものである。また、金型の型孔の深さは圧粉成形後の成形体高さの２〜２.５倍が原料粉末の充填のために必要であり、成形体の高さが大きい場合は型孔の深さが大きくなる。このため、金型潤滑法では、成形金型の内面全体に必要量のみ均一に成形潤滑剤を塗布することが難しく、さらに製品形状が複雑になれば成形潤滑剤の均一な塗布がより一層難しくなる。この点で特許文献１は上記課題を必ずしも解決するものではない。さらに、特許文献１は、上記のメカノケミカル反応を行うため温間成形、すなわち加熱条件下での成形を必須とするもので、通常の冷間成形に比して加熱装置および加熱するためのエネルギー等の製造コストのかかる成形方法を必須とするものである。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、安価な混入潤滑法を用いるとともに、安価な冷間成形で実施でき、かつ、成形体の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍを超えるような場合でも、成形体表面に型カジリを生じさせず、良好な抜き出し性で成形体の抜き出しを行うことができる焼結軟磁性部材の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の焼結軟磁性部材の製造方法は、軟磁性粉末に成形潤滑剤を添加混合した原料粉末を所望の形状に成形し、得られた成形体を焼結する焼結軟磁性部材の製造方法において、前記成形潤滑剤として、エチレンビスステアロアミドと脂肪族カルボン酸モノアミドを質量比で６：４〜８：２の割合で混合した成形潤滑剤０.４〜１.２質量％を用いることを特徴とする。

本発明の焼結軟磁性部材の製造方法は、軟磁性粉末を成形するに当たり、成形潤滑剤として、エチレンビスステアロアミドと脂肪族カルボン酸モノアミドを質量比で６：４〜８：２の割合で混合した成形潤滑剤０.４〜１.２質量％を用いるもので、抜き出し方向の寸法が２５ｍｍ以上の軟磁性粉末成形体を圧粉成形後金型から良好に抜き出すことができるという効果が得られる。

エチレンビスステアロアミド（エチレンビス脂肪族モノカルボン酸アミド）は、融点が約１２０〜１４５℃程度であり、金属成分を含有しないので、金属成分が気化して炉内に堆積したりせずに、すべて炭化水素ガスとなって炉外に排出されるので、粉末冶金用成形潤滑剤として使用されている。また、エチレンビスステアロアミドは、一般に使用されているステアリン酸亜鉛に比べて、原料粉末の圧縮性および成形体の抜き出し性が高いという利点を有しているが、原料粉末の見掛け密度および流動度が低いという欠点を有している。このような抜き出し性に優れたエチレンビスステアロアミドであっても、上記の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍを超えるような軟磁性焼結部材の成形体の抜き出しにおいては型カジリが発生する。

このため、本発明の軟磁性焼結部材の製造方法においては、エチレンビスステアロアミドに脂肪族カルボン酸モノアミドを添加して抜き出し性を向上させたものを成形潤滑剤として使用する。脂肪族カルボン酸モノアミド（以下、「モノアミド」という）は最も一般的な酸アミドで、融点が４０〜１１０℃程度のもので、滑剤や離形剤として使用されているものである。具体的にはラウリン酸アミド（融点８７℃）、パルチミン酸アミド（融点１００℃）、ステアリン酸アミド（融点１０１〜１０７℃）、ベヘン酸アミド（融点９８〜１１０℃）、ヒドロキシステアリン酸アミド（融点１０７℃）、オレイン酸アミド（融点７５℃）、エルカ酸アミド（融点８１〜８２℃）、リシノール酸アミド（融点６２℃）、あるいはこれらの混合物等があげられる。

図１は、エチレンビスステアロアミドにモノアミドとしてステアリン酸アミドを添加量を変えて混合したものを成形潤滑剤として用いた場合の、成形体の抜き出し圧力、ならびに原料粉末の見掛け密度および流動度の変化を示したものである。この図１は、原料粉末として鉄粉末に銅粉末を１.５質量％と黒鉛粉末を１.０質量％添加混合したもので、この原料粉末１００質量部に成形潤滑剤を０.８質量部添加した焼結機械部品用原料の場合の例である。図１より、モノアミド２０質量％以上をエチレンビスステアロアミドへ添加することにより、抜き出し性がさらに向上することがわかる。しかしその一方で、モノアミドを添加すると原料粉末の見掛け密度は低下し、特にモノアミドの添加量が４０質量％を超えると低下の割合が急激に大きくなる。これらのことから、エチレンビスステアロアミドへのモノアミドの添加は２０〜４０質量％の範囲で見掛け密度および流動度の大きな低下を生じさせず、抜き出し圧力を向上させることができることがわかる。

図１は焼結機械部品の場合の例であるが、この範囲のエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物を軟磁性焼結部材の成形潤滑剤として使用すると、焼結軟磁性部材の場合においても同様の効果を示し、成形体の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍを超えるような成形体の抜き出しについても良好に行えることがはじめてわかった。
本発明はこの知見に由来するものであり、このような成形潤滑剤を軟磁性焼結部材の製造に適用したことを発明の骨子とするものである。

焼結軟磁性部材は、高密度に圧粉成形されるため一般の焼結機械部品に比べて気孔量が少なく成形潤滑剤の除去がし難いという傾向があるが、エチレンビスステアロアミドとモノアミドを混合した成形潤滑剤は焼結中、特に脱ろう時に分解しやすく、揮発除去が容易であり、この点でも焼結軟磁性部材に適している。ただし、その添加量が０.４質量％に満たないと、潤滑効果が乏しく圧粉成形後の成形体の抜き出しが良好に行えなくなる。特に、その抜き出し方向の寸法が２５ｍｍ以上の成形体を抜き出す場合には、０.６質量％以上を添加すると好適である。一方、その添加量が１.２質量％を超えると成形体密度が低くなり、磁束密度が低下することとなる。また、成形潤滑剤が分解して生じる炭素分の除去がしにくくなり、これが鉄基地中に拡散して磁気特性、特に透磁率の低下が生じるおそれがあるので、その添加量は１.２質量％以下に止めるべきである。

なお、エチレンビスステアロアミドとモノアミドを混合した成形潤滑剤を用いれば、粉末の硬さが低く金型に凝着しやすい純鉄粉末やパーマロイ粉末、粉末の硬さが高く金型を引っ掻きやすい珪素鉄合金粉末、あるいはパーメンジュール粉末や電磁ステンレス鋼粉末のいずれの場合にも優れた潤滑効果を示し、良好な抜き出しが行える。

成形圧力は、使用する原料粉末と製品に要求される磁気特性（磁束密度および透磁率）とにより決定されるもので、特に限定するものではない。一例としては、Ｓｉを用いる軟磁性材料において原料粉末にＳｉ粉を添加する場合等は、成形体密度がある程度以上であれば焼結時に収縮して高い焼結体密度が得られるため、成形圧力は７００ＭＰａ程度以上で事足りる。また焼結収縮量の小さい純鉄材料等の場合は、予め成形体密度を高めておかなければ高い焼結体密度の製品が得られないため、成形圧力は８００ＭＰａ以上とする必要がある。一方、過大な成形圧力は金型の損耗を招くため好ましくなく、１２００ＭＰａ程度までが推奨される。

軟磁性粉末として、粉末が軟質な平均粒径が６５μｍの純鉄粉末、ならびに、粉末が硬質な平均粒径が６５μｍでＣｒ：６質量％、Ｓｉ：３質量％で残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金からなる電磁ステンレス原料粉末の２種類を用意した。また、成形潤滑剤として、エチレンビスステアロアミドとモノアミドとしてステアリン酸アミドとを質量比で７５：２５に混合したもの、および比較のためエチレンビスステアロアミドのみのもの、およびステアリン酸亜鉛を用意し、これらを軟磁性粉末に１.０質量％添加混合した原料粉末を用いて、成形圧力８００ＭＰａで成形して、外径がφ１１.３ｍｍで抜き出し方向の寸法が異なる成形体を成形し、その抜き出し状態を観察した。その結果を表１に併せて示す。

成形潤滑剤としてエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物を用いた場合、原料粉末が軟質または硬質のいずれの場合でも、全ての成形体の抜き出し方向の寸法において抜き出し圧力が低く、抜き出し性が良好であることがわかる。一方、成形潤滑剤がエチレンビスステアロアミドのみ、またはステアリン酸亜鉛の場合は、エチレンビスステアロアミドの方が抜き出し圧力は低いもののエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物より抜きだし圧力が高い。
また、成形体の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍの場合、エチレンビスステアロアミドでも型カジリが大きく抜き出し性が悪く、２５ｍｍを超えると成形体の抜き出しができなくなっている。なお、ステアリン酸亜鉛を使用した例では２５ｍｍ以上で成形体の抜き出しができなかった。
以上より、エチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物を成形潤滑剤として用いると、軟磁性粉末成形体の抜き出しを良好に行えることが確認された。

軟磁性粉末として、さらにＦｅ−４７Ｎｉ合金（パーマロイ）粉末、Ｆｅ−５０Ｃｏ（パーメンジュール）粉末、および、平均粒径が６５μｍの純鉄粉末に平均粒径が１０μｍのＳｉ微粉末を３.５質量％添加して純鉄粉末表面にＳｉ微粉末を被覆した珪素鉄原料粉末の３種類を用い、実施例１で用いたエチレンビスステアロアミドとモノアミドを７５：２５に混合した成形潤滑剤を１.０質量％添加混合した原料粉末とし、同様の成形条件で成形した。成形体の寸法は外径がφ１１.３ｍｍで、抜き出し方向の寸法が４０ｍｍで、成形した際の抜き出し状態を観察したが、いずれの軟磁性粉末の場合も、良好な抜き出しが行えた。

軟磁性粉末として実施例１で用いた純鉄粉末に、実施例１で用いたエチレンビスステアロアミドとモノアミドの成形潤滑剤の添加量を変えて添加混合した原料粉末を用いた。この原料粉末を、実施例１と同様の成形条件で、抜き出し方向の寸法が２０、２５および５０ｍｍの成形体を成形した。この際の抜き出し状態を観察した結果を表２に示す。

表２に示す結果から、成形潤滑剤の添加量が０.２質量％では添加量が乏しく、成形体の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍ以上の試料では抜き出せないが、０.４質量％以上の添加で抜き出しが行えるようになり、特に０.６質量％以上の添加で抜き出し圧力が低くなることがわかる。
一方、成形潤滑剤の添加量が１.２質量％を超えると、添加量が過剰となって焼結工程において成形潤滑剤の除去が不完全となり、焼結後の軟磁性焼結部材の磁気特性の低下が認められた。
これらのことから成形潤滑剤の添加量は、０.４〜１.２質量％の範囲で軟磁性粉末成形体の抜き出しが行え、特に抜き出し方向の寸法が２５ｍｍ以上の成形体では０.６〜１.２質量％の範囲で良好な抜き出しが行えることがわかった。

軟磁性粉末として実施例１で用いた電磁ステンレス原料粉末に、成形潤滑剤として実施例１で用いたエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物、エチレンビスステアロアミドのみ、およびステアリン酸亜鉛の添加量を変えて添加混合した原料粉末を用いた。この原料粉末を、外径が３０ｍｍ、内径が２０ｍｍで、かつ抜き出し方向の寸法が２５ｍｍの形状に圧粉成形した成形体を１０^−２Ｔｏｒｒの減圧ガス雰囲気中で１２５０℃×６０分間焼結し、得られた焼結体を、測定のために高さ５ｍｍに加工し表３に示す試料番号４９〜６９のリング状試料を得た。これらの試料について、１次側１００回、２次側２０回巻線し、直流のＢ−Ｈ曲線を室温（２０℃）にて測定し、磁界強さ２５００（Ａ／ｍ）における磁束密度Ｂ_２５００（Ｔ）および透磁率μ_ｍを求めた結果を表３に併せて示す。

表３に示す結果から、成形潤滑剤としてエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物を用いた場合、磁束密度は、成形潤滑剤添加量が０.２〜１.２質量％の範囲でほぼ一定の値を示しており、成形潤滑剤添加量が１.２質量％を超えると若干の低下が見られる。また、透磁率も添加量が０.２〜１.４質量％の範囲で４０００を超える高い値を示している。
一方、成形潤滑剤としてエチレンビスステアロアミドのみを用いた場合、成形潤滑剤添加量が０.６質量％まではエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物と同様の高い磁束密度を示すが、０.６質量％を超えると磁束密度の低下傾向が顕著となっている。また、透磁率は成形潤滑剤の添加量が増加するにしたがい低下しており、０.６質量％を超えると透磁率が４０００を下回るまで低下している。これは、成形潤滑剤の添加量が増加するにつれて、成形潤滑剤の除去が難しくなり、成形潤滑剤が分解した炭素分が基地に固溶するためと考えられる。
そして成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を用いた場合は、これらの傾向がより顕著であり、成形潤滑剤添加量が０.６質量％を超えた際の磁束密度の低下傾向、および透磁率の低下傾向がエチレンビスステアロアミドのみを用いた場合よりも大きいことがわかる。
これらのことからエチレンビスステアロアミドとモノアミドの混合物を成形潤滑剤として用いた場合、成形潤滑剤添加量が０.２〜１.２質量％の範囲で磁気特性の低下がほとんどないことが確認された。

本発明の製造法により、電磁弁、電磁クラッチ等のアクチュエータの磁心等に好適な、抜き出し方向の寸法が２５ｍｍ以上の焼結軟磁性部材を製造する場合でも、金型からの抜き出しが容易でその成形体表面に型カジリを生ずることなく成形することが可能となる。

焼結機械部品用原料粉末におけるエチレンビスステアロアミドと脂肪族カルボン酸モノアミドの混合割合が成形体の抜き出し圧力、原料粉末の見掛け密度、流動度に及ぼす影響を示すグラフである。

Claims

軟磁性粉末に成形潤滑剤を添加混合した原料粉末を所望の形状に成形し、得られた成形体を焼結する焼結軟磁性部材の製造方法において、
前記成形潤滑剤として、エチレンビスステアロアミドと脂肪族カルボン酸モノアミドを質量比で６：４〜８：２の割合で混合した成形潤滑剤０.４〜１.２質量％を用いることを特徴とする焼結軟磁性部材の製造方法。
前記焼結軟磁性部材の抜き出し方向の寸法が２５ｍｍ以上の成形体であり、前記成形潤滑剤を０.６質量％以上配合したことを特徴とする請求項１に記載の焼結軟磁性部材の製造方法。