JP2007031744A

JP2007031744A - 粉末冶金用混合粉末

Info

Publication number: JP2007031744A
Application number: JP2005213279A
Authority: JP
Inventors: Takayasu Fujiura; 貴保藤浦; Hironori Suzuki; 浩則鈴木; Mitsuo Suzuki; 光雄鈴木; Takeshi Matsuo; 武士松尾; Takaaki Niimi; 高明新実
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Frontier Carbon Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Frontier Carbon Corp
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】職場環境の悪化およびハンドリング性の低下を招かない、発塵の少ない粉末冶金用混合粉末を提供すること。
【解決手段】圧粉成形体の原料となる粉末冶金用混合粉末であって、鉄粉および／または鉄合金粉を含有し、炭素供給成分として、フラーレン類を含有する粉末冶金用混合粉末。

Description

本発明は、粉末の飛散が少なく、かつ流動性に優れた粉末冶金用混合粉末に関するものである。

鉄粉や銅粉等の金属粉末を主原料として用いる粉末冶金法において、製造する焼結体の強度や硬度を高めるために、粉末冶金用混合粉末中で、炭素供給成分（炭素源）として黒鉛粉末がよく用いられる。

しかし黒鉛粉末を使用すると、混合工程または成形工程における黒鉛粉末の発塵によって、職場衛生の悪化および混合粉末のハンドリング性の低下という問題が生ずる。また黒鉛粉末は鉄粉への付着性が弱いために、黒鉛粉末の分離による偏析が起こり、焼結体の特性、特に強度や硬度に悪影響を及ぼし得る。このような黒鉛粉末の問題を解消するために、粉末冶金用混合粉末ではバインダーが通常用いられる。

このようなバインダーは、通常、粘着性であり、混合粉末の流動性を阻害することがある。この点、圧粉成形では、混合粉末を貯蔵ホッパーから排出・移送する際、または金型に混合粉末を充填する際に、混合粉末が流動性であることは非常に重要である。この流動性が悪いと、ホッパーの排出上部におけるブリッジングによって排出不良が生じたり、ホッパーからシューボックスまでのホースが閉塞するなどの問題が起きる。さらに流動性の悪い混合粉末は、金型、特に薄肉部分の金型内にくまなく充填されず、その結果、良好な成形体が得られないことがある。そこで粉末冶金用混合粉末に良好な流動性を付与するための、特定のバインダーが提案されている（例えば特許文献１〜３）。
特開２００３−１０５４０５号公報特開２００４−２５６８９９号公報特開２００４−３６０００８号公報

本発明が解決しようとする課題は、職場環境の悪化およびハンドリング性の低下を招かない、発塵の少ない粉末冶金用混合粉末を提供することである。

この点、上記のようにバインダーを使用しても黒鉛による発塵を抑えることができるが、通常のバインダーは、混合粉末の流動性を低下させるという問題を有する。また混合粉末に良好な流動性を与える特定のバインダーを用いる場合にも、混合粉末へのバインダーの添加および混合工程が必要となり、工程数が増加するという問題がある。
よって本発明が解決しようとするさらなる目的は、バインダーの使用の有無を問わず、発塵を少なくでき、流動性を良好にできる粉末冶金用混合粉末を提供することである。

上記課題を解決することができた本発明とは、鉄粉および／または鉄合金粉を含有し、炭素供給成分として、フラーレン類を含有することを特徴とする粉末冶金用混合粉末である。本発明の粉末冶金用混合粉末において、炭素供給成分としてフラーレン類に加えて、さらに黒鉛粉末を使用することもできる。また本発明の混合粉末は、好ましくは合金粉末や潤滑剤を含有する。

驚くべきことに、炭素供給成分として、黒鉛粉末ではなくフラーレン類を使用することにより、バインダーを使用せずとも、粉末冶金用混合粉末の炭素の発塵を大幅に低減できることを見出した（以下の実施例における「遊離カーボン量」のデータ参照）。炭素の発塵を大幅に低減できるメカニズムは明らかではないが、フラーレン類は、黒鉛粉末よりも良好に、鉄粉に付着することが原因の１つであると考えられる。このようなフラーレン類の鉄粉への良好な付着性により、鉄粉とフラーレン類との分離は起こりにくく、その結果、黒鉛粉末を用いる場合と比べて偏析も低減できると考えられる。

フラーレン類を用いることにより、炭素の発塵を効果的に防ぐことができ、また偏析も低減すると考えられるので、本発明の粉末冶金用混合粉末では、黒鉛を用いる場合と異なり、バインダーを省略することもできる。さらに驚くべきことに、フラーレン類を使用することにより、バインダーを使用しなくても、極めて高い流動性も達成される（以下の実施例における「流動度」のデータ参照）。

このようにフラーレン類を用いる本発明の粉末冶金用混合粉末は、炭素供給成分の飛散が非常に少なく、流動性にも優れることから、この混合粉末から圧粉成形体を効率よく生産することができる。

発明を実施するための形態

本発明の粉末冶金用混合粉末は、鉄粉および／または鉄合金粉（以下、これらを合わせて「鉄系粉」と呼ぶ場合がある）を含有し、さらに炭素供給成分として、フラーレン類を含有することに要旨を有する。
本発明における「鉄粉」とは、いわゆる純鉄粉（不純物または調整成分として少量の炭素、マンガン、ケイ素等を含有するものも含む）を意味し、「鉄合金粉」とは、上記純鉄粉に、焼結体の特性の改善を目的として銅、ニッケル、クロム、モリブデン、硫黄等の元素を積極的に添加したもの等が含まれる。本発明の鉄系粉として、冶金材料分野で一般的に市販されているもの等を使用することができる。

本発明の混合粉末においてフラーレン類は、炭素供給成分として、即ち焼結体の特性改善のための炭素源として使用される。このフラーレン類は、焼結工程においてベースである鉄粉へ拡散することによって、焼結体の強度や硬さ等の機械的特性を向上させる。

フラーレンとは、炭素原子のみでできた閉殻構造を有するクラスターで、その炭素数は通常６０以上の偶数である。フラーレンの具体例としては、Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₇₆、Ｃ₇₈、Ｃ₈₂、Ｃ₈₄、Ｃ₉₀、Ｃ₉₄、Ｃ₉₆、およびより高次の炭素クラスター等が挙げられる。本発明における「フラーレン類」は、フラーレン骨格を有するものを指し、上記フラーレンの他に、フラーレンを原料に用いたフラーレン重合体、フラーレンに修飾処理を施したフラーレン誘導体等を含む。

本発明において用いるフラーレン類の炭素数には特に制限がない。また炭素供給成分として、１種のフラーレン類、またはフラーレン類の混合物を使用することができる。フラーレン類の混合物を使用する場合、製造の容易性、それによる入手可能性から、Ｃ₆₀のフラーレンの割合が５０質量％以上のものが望ましく、Ｃ₇₀のフラーレンが３０質量％以下であるものが好ましい。

本発明は、特にフラーレン類の炭素純度を制限するものではない。しかし炭素以外の原子は焼結体の組織や特性に影響を及ぼす可能性があることを考慮すると、炭素純度が高いフラーレン類が好ましい。従ってフラーレン類中の元素質量比率において炭素は、好ましくは９５質量％以上、より好ましくは９９質量％以上である。その他の元素について、フラーレン類中の水素は、好ましくは０．３質量％以下であり、金属元素は、好ましくは０．１質量％以下、より好ましくは０．０１質量％以下である。

本発明において、フラーレン類の使用形態および鉄粉への添加・混合方法に、特に制限はない。例えばフラーレン類を、粉末形態で、または有機溶剤などの液体に溶解若しくは分散させた溶液若しくは分散液の形態で使用することができる。いずれの形態の場合も、例えば一般的に使用されている羽根付き混合機内で、鉄粉とフラーレン類とを撹拌混合して、混合粉末を得ることができる。もしフラーレン類の溶液または分散液を使用した場合は、混合後に加熱などの適当な方法で、溶媒または分散媒を除去すればよい。

フラーレン類は、ベースとなる鉄系粉に対して、０．１〜４質量％添加する。フラーレン類の量が０．１質量％未満であると、ベースへの拡散量が少ないため、焼結体の特性を改善する効果が充分表れない場合があり、一方４質量％を超えると、この効果がかえって低下する場合があるからである。フラーレン類の量の好ましい上限は２．０質量％であり、より好ましい上限は１．２質量％であり、好ましい下限は０．２質量％であり、より好ましい下限は０．４質量％である。

本発明の炭素供給成分として、フラーレン類のみを使用することが好ましいが、フラーレン類と他の炭素成分との混合物を使用することもできる。例えば炭素供給成分として、フラーレン作成時に得られるフラーレン含有煤を使用することができる。さらに発塵や流動性に悪影響を及ぼさない範囲で、フラーレン類に加えて、炭素供給源として黒鉛粉末も使用し得る。

本発明の粉末冶金用混合粉末は、特にベースとして鉄粉を用いる場合、銅、ニッケル、クロム、モリブデンなどの合金粉末の１種または２種以上を含有していることが好ましい。これらの合金粉末は、焼結体の特性を改善することができる。また本発明の混合粉末は、同様の特性改善成分として、燐、硫黄または硫化マンガンなどの無機粉末の１種または２種以上も含有し得る。

本発明の粉末冶金用混合粉末は、好ましくはこれらの合金粉末または無機粉末を、ベースとなる鉄粉に対して０．０１質量％以上の量で含有する。合金粉末等の量が０．０１質量％未満であるとベースへの拡散量が少ないために、これらの特性改善の効果が充分表れないことがあるからである。また合金粉末および無機粉末の量は、本発明の効果を阻害しない限度で、最終製品に求められる諸特性に応じて任意に定めることができる。

例えば、鉄粉に対する銅粉末の好ましい量は、０．１〜１０質量％であり、ニッケル粉末の好ましい量は０．１〜１０質量％であり、クロム粉末の好ましい量は０．１〜８質量％であり、モリブデンの好ましい量は０．１〜５質量％であり、燐の好ましい量は０．０１〜３質量％であり、硫黄の好ましい量は０．０１〜２質量％である。

本発明の粉末冶金用混合粉末は、本発明の効果に悪影響を与えない範囲で、さらに潤滑剤を含有していてもよい。潤滑剤は、成形時に圧粉成形体と金型との摩擦係数を低減することによって、型かじりや金型損傷の発生を抑制する作用を有する。本発明で使用することができる好適な潤滑剤として、例えばエチレンビスステアリルアミド、ステアリン酸アミド、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、およびこれら２種以上の混合物を挙げることができ、目的に合わせて選択して使用すればよい。潤滑剤の添加量は、ベースの鉄系粉に対して０．０５〜１．５質量％とする。添加量が１．５質量％を超えると、粉末冶金用混合粉末の流動性および圧縮性が悪化するおそれがあるからである。潤滑剤のより好ましい量は、ベースの鉄系粉に対して０．１〜１．２質量％であり、さらに好ましい量は０．２〜１．０質量％である。

本発明の粉末冶金用混合粉末では、炭素発塵が少なく、フラーレン類が鉄系粉に良好に付着することから、バインダーを省略することができる。バインダーを省略すれば、工程数を低減できる等のメリットがある。但し本発明の効果、特に流動性の効果を阻害しない範囲で、本発明の粉末冶金用混合粉末においてバインダーを使用することもできる。例えば従来のバインダー、または特許文献１〜３に記載の特定のバインダーを使用することができる。

本発明の粉末冶金用混合粉末から、一般的な成形方法により圧粉成形体を製造することができる。例えば本発明の混合粉末を金型に充填した後に、５〜７ｔ／ｃｍ²（４９０〜６８６ＭＰａ）の圧力をかけて、圧粉成形体を得ることができる。また本発明の圧粉成形体から、一般的な焼結方法によって、焼結体を得ることができる。

実施例１
ベース金属粉末として、純鉄粉（神戸製鋼所製、商品名「アトメル３００Ｍ」）を用い、この純鉄粉に対して、市販の銅粉末を２．０質量％、フラーレン（フロンティアカーボン製、商品名「ナノムミックスＭＦ−Ｆ」、平均粒子径２μｍ）を０．８質量％、エチレンビスステアリルアミドを０．７５質量％の割合で添加し、この混合物を、羽根付ミキサーによって２分間高速攪拌した（撹拌羽根の回転速度５ｍ／ｓ）。得られた粉末冶金用混合粉末の見掛密度をＪＩＳＺ２５０４に、流動度をＪＩＳＺ２５０２に準拠して測定した。また遊離カーボン量を、以下のようにして測定した。結果を表１に示す。

［遊離カーボン量の測定］
図１に示すように、ニューミリポアフィルター１（網目１２μｍ）を取付けた漏斗状ガラス管２（内径：１６ｍｍ、高さ：１０６ｍｍ）に、試料粉末Ｐ（２５ｇ）を入れて、下方からＮ₂ガスを０．８リットル／分の速度で２０分間流し、次式より遊離カーボン量（％）を求めた：
遊離カーボン量（％）＝［１−（Ｎ₂ガス流通後の試料粉末のカーボン量（ｇ）／Ｎ₂ガス流通前の試料粉末のカーボン量（ｇ））］×１００

実施例２
撹拌羽根の回転速度を６ｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によって、粉末冶金用混合粉末を作製し、この見掛け密度、流動度および遊離カーボン量を測定した。結果を表１に示す。

実施例３
撹拌羽根の回転速度を７ｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によって、粉末冶金用混合粉末を作製し、この見掛け密度、流動度および遊離カーボン量を測定した。結果を表１に示す。

実施例４
撹拌羽根の回転速度を８ｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によって、粉末冶金用混合粉末を作製し、この見掛け密度、流動度および遊離カーボン量を測定した。結果を表１に示す。

実施例５
撹拌羽根の回転速度を９ｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によって、粉末冶金用混合粉末を作製し、この見掛け密度、流動度および遊離カーボン量を測定した。結果を表１に示す。

実施例６
フラーレンとしてフロンティアカーボン社製の商品名「ナノムミックスＭＦ−Ｓ」（平均粒子径１８μｍ）を使用し、撹拌羽根の回転速度を９ｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によって、粉末冶金用混合粉末を作製し、この見掛け密度、流動度および遊離カーボン量を測定した。結果を表１に示す。

実施例７
ベース金属粉末の純鉄粉（神戸製鋼所製、商品名「アトメル３００Ｍ」）に、フラーレン（フロンティアカーボン製、商品名「ナノムミックスＭＦ−Ｆ」、平均粒子径２μｍ）を予めトルエンに溶解させたフラーレン溶液を、鉄粉に対するフラーレン量が０．８質量％となるように添加した。この混合物を羽根付きミキサーにて撹拌し、トルエンを揮発除去して鉄粉とフラーレンとの混合粉末を作製した。この混合粉末に、鉄粉に対して、市販の銅粉末を２．０質量％、エチレンビスステアリルアミドを０．７５質量％の割合で添加し、この混合物を、羽根付ミキサーによって２分間高速攪拌した（撹拌羽根の回転速度９ｍ／ｓ）。得られた粉末冶金用混合粉末の見掛密度、流動度および遊離カーボン量を、実施例１と同様に測定した。結果を表１に示す。

比較例１
炭素供給成分として黒鉛粉末のみを使用し、撹拌羽根の回転速度を９ｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によって、粉末冶金用混合粉末を作製し、この見掛け密度、流動度および遊離カーボン量を測定した。結果を表１に示す。

表１の結果から、炭素供給成分として黒鉛粉末のみを使用する比較例１と比べて、本発明の実施例１〜７は、バインダーを使用せずとも遊離カーボン量（発塵）が少ないことが示される。このことから、フラーレンは鉄粉に良好に付着し、本発明の粉末冶金用混合粉末では、炭素成分の偏析も少ないと考えられる。
さらに表１の結果から、本発明の粉末冶金用混合粉末は、バインダーを使用せずとも、極めて流動性が高いことが示される。

遊離カーボン量の測定装置の概略断面図である。

符号の説明

１：ニューミリポアフィルター、２：漏斗状ガラス管、Ｐ：試料粉末

Claims

鉄粉および／または鉄合金粉を含有し、
炭素供給成分として、フラーレン類を含有することを特徴とする粉末冶金用混合粉末。
炭素供給成分として、さらに黒鉛粉末を含有するものである請求項１に記載の粉末冶金用混合粉末。
さらに合金粉末を含有するものである請求項１または２に記載の粉末冶金用混合粉末。
さらに潤滑剤を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の粉末冶金用混合粉末。