JP2007517984A - 微粉化デンプンを含む粉末金属混合物 - Google Patents

Abstract

粉末金属混合物は従来から粉末金属部品を生産するのに用いられてきた潤滑剤粉末を変成潤滑剤と組み合わせたものを含む。選択された金属粉末混合物を成形し焼結するのに従来から用いられてきた潤滑剤は平均の金属粒子より小さなデンプン粒子、および随意に、微粉化セルロース繊維をほんの少量だけ加えて変成するので、変成潤滑剤は混合物に対して重量で２％未満しか存在しない。デンプンまたは（デンプン＋繊維）による変性潤滑剤を用いた粉末金属混合物のホールの見かけ密度およびホールの流動度は成形粉末金属部品の生産に望ましいと見なされる範囲内に留まっている。変性潤滑剤を従来の潤滑剤の代わりに用いることにより混合物を成形して作った部品の湿態強度が増加しかつ寸法適合性が向上する。

Description

本特許出願は、２００３年１月１４日に米国特許第６，５０６，７１２号（“’７１２特許”）として公布された２００１年５月２１日出願の出願番号０９／９６１，８４２の部分継続出願である２００２年８月２８日出願の出願番号１０／２２９，４５２の部分継続出願である。

本発明は新規な粉末金属混合物で、粒子状の鉄金属粉（ferrous metal powder）をバインダーおよび潤滑剤と組み合わせて従来どおりに成形した任意の形状および寸法の物品が、物品を成形した金型から金型を傷つけず、かつ成形された部品から潤滑剤がふくれ出す程の熱を発生せずに排出できるだけの湿態強度（green strength）を持つ、新規な粉末金属混合物に関わる。

適切に細かく分割した粉末状の金属粒子をそれぞれに細かく分割した形状のバインダーおよび潤滑剤と混合して成形および焼結することにより任意の形状および寸法の部品が得られることが発見されて以来、常に装置、自動車および各種機械用の金属物品の大量生産に対する要求が粉末冶金技術を推進してきた。当技術分野において、「粉末金属混合物」とはそれぞれの平均相当径が１５０μｍ（マイクロメートルまたはミクロン）未満の粒子塊を意味し、好ましくはその最大寸法は、一般に金属粒子が最大であるが、平均相当径が７５μｍ未満であることが好ましく、最小の金属粒子の平均相当径は約２５μｍで、そして非金属添加物は一般に金属粒子のそれより小さい平均相当径を持ち、通常５０μｍ未満である。焼結、または焼結および熱処理した鉄物品（ferrous article）に要求される物性により広範囲の粉末添加物が加えられる。このような添加物の最も一般的なものは潤滑剤および／または黒鉛（グラファイト）、次がニッケル、銅、モリブデン、マンガン、クロム、コバルトのような金属類、および／または硫化物、リン化物のような有機金属または金属化合物、およびこれに類するもので、これらは焼結および／または熱処理した場合に粉末金属と合金化する。

本発明において用語「粉末金属混合物」は鉄（Ｆｅ）が９０パーセントを超える量で存在し、残りの成分が潤滑剤、潤滑剤と同じでも異なってもよい随意のバインダーのような添加物、および黒鉛や金属のような合金成分で、それぞれが鉄粉末を含む全混合物の重量で２パーセント（重量％）未満存在する鉄金属粒子（ferrous metal particles）の混合物を意味する。

用語「潤滑剤」は粒子の粉末でその寸法がいずれも約１００μｍより大きくはなく、一般に平均相当径が約５μｍから２５μｍの範囲内のものを意味するが、本発明においては潤滑剤は変成されていて本質的に従来から粉末金属の成形塊（compact mass of powder metal）を作るのに用いられてきた潤滑剤粉末と、粒状デンプンとをブレンドしたものから成り、その粒状デンプンは平均相当径の長さが１５０μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満で、随意に同量未満の、ミクロンサイズ（但しその断片の９０％が金属粒子の平均相当径の長さより短い）のデンプンや多糖類のような断片セルロース繊維と組み合わせてある。一般に用いられている粉末金属潤滑剤をデンプンのみで変成したものを便利さと簡潔さの観点から「スターチリューブ（starchlube）」と称する。

粉末金属の形状はデンプン粒子と同様に不揃いであるため、粒子の相当径とはこれが同一の容積を持った球と仮定した場合の直径を意味する。

デンプン粒と混ぜられるセルロース断片は５０μｍよりずっと小さく寸法範囲も狭いこと、つまり重量で少なくとも９０％は長さが１０μｍ未満で、すべての断片の平均長さが４〜５μｍの範囲にあることが好ましい。断片は一般に「ミクロ化された」と称せられるが、それは約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）未満の短い長さのセルロース繊維を市販されているジェット分級ミル、またはFluid Energy A1-Jet社製のModel 30 Roto-Jetのような「マイクロナイザー」に供給して都合良く得られるからである。最も好ましくは、セルロース繊維、例えば綿、大麻、マニラ麻、サイザル麻、黄麻など、に先ず、十分な放射線を照射して、好ましくは繊維を電子ビーム照射に曝して一般にキログレイ（ｋＧｙ）で測定される、約３０から１００メガラドの範囲に相当する放射線量を受けさせて、その表面構造を変えるが、このことは先に述べた‘７１２特許に詳細に記載され、その開示内容はここにすべてを記述したかのように本願に引用して本明細書とする。デンプン粒と同様に、セルロース断片には顕著な潤滑性がないために、これらは一括して「非潤滑剤」と称する。

実際の粉体混合における最優先基準はその均質性で、これなくしては成形した鉄の部品（compacted metal part）の組成に部品間のみならず部品それ自体の内部にも容認できないバラツキが生じてしまう。用語「部品（part）」はより正規な用語「物品（article）」と互換性があるものとして用いる。このような均質性には粉体の単位体積中の粒子の分布のみならず、粉末混合物のかさ密度（「ホールの見かけ密度（Hall apparent density）」として測定）および流動性（「ホールの流動度（Hall flow rate）」として測定）も包含される。見かけ密度は未成形粉末の単位体積の質量である。ホールの見かけ密度はＡＳＴＭ Ｂ−２１２（金属粉末工業連盟「ＭＰＩＦ」試験法０４の「金属粉末および粉末冶金製品に関する標準試験法」）に記載されているように測定される。流動度は標準重量の粉末がホールの流量計を通るのに要する時間で定量化される。ホールの流動度はＡＳＴＭ Ｂ−２１３（ＭＰＩＦ試験法０３）に指定されている。カサ密度および流れのバラツキは「充填量（“fill”）」、すなわち混合物が成形される前に金型の空洞（die cavity）に詰められた粉末混合物の量、および成形された部品の寸法のバラツキとなる。より限定的には、均質性に欠けると成形した部品の、とくに歯車の歯のような成形部品の微妙な部分（sensitive portions）の湿態強度のバラツキに反映する。

成形圧力を増すことにより十分な湿態強度が得られることが主な理由で、湿態強度が深刻な問題として注目を引くのは、押し固め（compaction）、または成形圧力が既に金型の使用寿命を顕著に縮める程高い場合、および／または金型から排出されるときに気になるほどの数（worrisome number）の成形部品が損傷する場合、または自動的に焼結炉に搬送する場合に圧粉体に例え強烈にではなくとも衝撃を与えることが避けられない条件下においてのみである。

湿態強度は未焼結の成形体（標準長方形棒）を破壊するのに必要な圧力として測定されＡＳＴＭ Ｂ−３１２（ＭＰＩＦ試験方法１５）に記載されている。

用語「バインダー」および「潤滑剤」は、成形される粉末金属混合物において異なる機能を定めるかのように用いられるが、実際には異なる高度に特殊化した材料により現されるものに比べて各機能は大きかったり小さかったりするが、単一の成分で同じ機能を現すこともできる。特に、エチレン−ビス−ステアルアミド（「ＥＢＳ」）は時に「バインダー」と称せられるが潤滑剤としても機能できるし、また金属石けんやワックスは一般に「潤滑剤」と称せられるがこれらもまたバインダーとしても機能できる。用語「ブレンド」は、本質的に均質に分散しているすべての成分を含み、成形できる状態の鉄金属粉を称する。「鉄」金属粉とはその金属粒子の大部分が鉄（Ｆｅ）成分、一般には少なくとも７５％がＦｅであるものを意味する。バインダーは黒鉛および合金成分の粒子を金属粒子の表面に結合する。潤滑剤は粉体が剪断力に曝されたり、応力を受けたりした場合に発生する摩擦を軽減するため、潤滑剤入りの金属粉末は潤滑剤無しのものに比べてより流動し易く、また潤滑剤を金属粒子に加えた粉末混合物に圧力を掛けて成形した場合に、成形物が十分な湿態強度を持つならば、金型部品に少ない損傷を与えるだけで金型から排出できる。

次いで通常、湿態物品（the green article）は焼結される。焼結棒（sintered bar）の強度は「抗折力」（transverse rupture strength「ＴＲＳ」）としてＡＳＴＭ Ｂ−５２８（ＭＰＩＦ試験法４１）に記載された標準ＴＲＳ治具を用いて測定される。ＴＲＳが満足できる場合は引っ張り強度も一般に満足できる。物品を成形した粉末金属および添加物の混合物の組成およびその最終用途によりさらなる処理工程、例えばサイジング／コイニング（圧印加工）、再焼結、熱処理その他をおこなう。

金属、バインダーおよび／または潤滑剤および１つ以上の添加物の粉体組成物が寸法、密度および形状が異なることを認識すれば、同等の寸法、形状の粒子を選定し、粉末混合物を用いる前に種々の粒子を十分に混合することにより均質性の問題を最小限度に抑えることができる。このような枠組みのもとでは、随意に植物性素材の有機繊維を伴ったデンプン粒子と共に潤滑剤および金属粒子を混合するという考え方は、他の場合にはいかに有用な非潤滑剤であったとしても、直ちに排除されることは明らかである。

さらに現在に至るまで、デンプン粒子は粉末金属部品の潤滑剤またはバインダーとして用いられることはなかったが、その理由はデンプンが、セルロースおよび他の多糖類と同様にこの目的のための測定できるほどのいかなる有益な価値も期待されなかったからである。デンプンおよび綿は似たような化学式を持つが、セルロースはセロビオースの重合体でデンプンはアミローズの重合体である。それぞれの重合体は構造的に異なり、異なる構造は結果として非常に異なる性質となる。例えば、デンプンは一般に人類により食することができるが、セルロースはできない。さらに、ポリセロビオースは本来繊維として存在するが、デンプンの方は粒状で存在する。

成形用粉末混合物に用いる金属粒子の平均相当径と同じ寸法範囲にあるにもかかわらず、平均径が５０μｍより小さくないデンプン粒子を全粉体混合物に対して重量でわずか２％を加えただけで、それが水溶性デンプンであれ非水溶性デンプンであれ、もし混合物を成形し焼結する部品の量産に用いるのであれば、結果として流動特性と同様にカサまたは見かけ密度も共に容認できないものとなってしまう。５０μｍ以上のデンプン粒子を含む粉末金属混合物の劣悪な物性は粒子が占める体積およびその個々の形状の不揃いに起因する。「微粉化デンプン」と称する５０μｍより小さいデンプン粒子を随意に微粉化綿繊維と組み合わせて合計の重量でわずか２％加えると、それぞれの割合がどうであれ、デンプン単体と同様の影響をもたらす。

一方で、より大きな粒子が寄与する表面積に比べてより小さな粒子が寄与することによる粉末混合物の表面積の増加は粉体混合物の「流動性」または流動特性を損ない、結果として金型に充填するのにより長い時間を要するとともに成形部品内の非均質性という新たなリスクとなることはよく知られている。このような流動性は実験室で１ダースやそこらの部品を成形する場合には問題とならないが、単位時間あたりに生産できる部品数が決定因子となるような生産現場ではこの問題は致命的となりうる。

近年大きく浮上してきたもう一つの深刻な問題は、特に黒鉛の「ダスティング（dusting：散粉）」、および焼結の際によく用いられる潤滑剤であるステアリン酸亜鉛の気化による有害な副作用の広がりである。特に焼結炉およびその煙道を掃除しなくてはならない後者の問題に対処するため、当技術においてはワックスや金属石けんを含む多数の他の潤滑剤の開示が急増している。ステアリン酸亜鉛の使用を最小化または排除するため、オリゴマーアミドと組み合わせたポリエチレンオキシドの使用が米国特許第６５１１９４５号に開示され、およびＥＢＳまたはポリカルボン酸アミドワックスがバインダーとして用いられているが均質な粉末混合物を作るためには一般にワックスを加熱して金属粒子にコーティングするように均一に分配しなくてはならず、これはStorstrom他の米国特許第５４８０４６９号およびVidarsson他の米国特許第６５７３２２５号にそれぞれ開示されている。潤滑性を向上するために米国特許第６４１３９１９号は、各々がそれ自体で効果的な２つの周知の潤滑剤を組み合わせて用い、１つは脂肪酸モノアミドまたはビスアミド、例えばＥＢＳで、他の１つは金属石けん、例えばステアリン酸亜鉛で、混合物を加工して１つの潤滑剤の芯を形成し他の１つで被覆することに依存している。

任意の形状および寸法の物品は、（ｉ）約１５０μｍ（米国標準篩系（U.S. Standard Sieve Series）の３０メッシュ）より小さな平均粒径を持つ鉄金属粉末を（ii）平均粒径が約５０μｍより小さく、好ましくは３０μｍより小さい粒状で流動性のある潤滑剤および（iii）平均相当径が５０μｍより小さく、好ましくは約１μｍから５０μｍの範囲内にあるデンプン粒子、または（iv）微粉化セルロース繊維と組み合わせたデンプン粒子、を組み合せたものから成形して供給されるが、物品は潤滑剤およびデンプン粒子の双方が重量で約０．０１％から２％未満の範囲で存在し、各々が好ましくは混合物に対して重量で１％未満存在する粉末金属混合物から成形される。重量で約９０％のデンプン粒子は平均相当径が５から５０μｍの範囲内にあり、重量で５から４０％の範囲内は平均相当径が２から２０μｍの範囲内で、重量で１から２０％は平均相当径が１から１０μｍの範囲内にあり、これらはマイクロトラック社標準範囲粒子分析装置（Microtrac Standard Range Particle Analyzer）で測定された。

最も好ましいのは前述の粒径範囲にあるデンプン粒子が、Ｘ線かガンマ線で照射されたもので、その化学構造は無理でも少なくともデンプンの表面を改質するだけの効果がある放射線量を供給できるだけの強さを持つガンマ線で照射されたものが好ましい。代表は例えばNational Starch & Chemical 社からPurity^(R) 21Cとして入手できるコーンスターチ粒子で、これはコバルト６０のガンマ線源により約１０から３０メガラドの範囲内、最も好ましくは約１５メガラドの放射線量を受けている。異なるデンプンに必要な放射線量は主にそれらの照射なしの適性によって異なる。一般的には、すべてのデンプン粒子に照射することが好ましく、それはこの特別な目的のためには、照射した粒子は非照射粒子に比べて物理化学的特性が予期しなかった程変化するように見受けられるからである。

ワックスおよび／または金属石けんと周知の球形の噴霧潤滑剤とを組み合わせることにより最高の流動性および見かけ密度がもたらされるというよく知られた固有の潤滑性に対する信頼（reliance）（前述‘９１９特許の）の点から見て、顕著な潤滑性がなく見かけ密度が小さな材料であるデンプンの粒子を既知の潤滑剤と組み合わることにより、デンプン変性潤滑剤という、デンプン無しの潤滑剤と本質的に同じ物性を有するだけでなく、結果として実質的に同等の見かけ密度およびより優れた湿態強度を持つ成形体となるような混合物を生みだすとはまさか予想できなかった。本質的にデンプン無しの潤滑剤と同じ物性を有するだけでなく、結果として実質的に同等の見かけ密度およびより優れた湿態強度を持つ成形体の混合物をもたらすデンプン繊維変性潤滑剤を生みだすとはまさか予想できなかった。

上に特定した寸法範囲および量のデンプン粒子それ自体では粉末金属混合物に明らかな潤滑性を与えることはないが、それが低合金鋼であってもステンレス鋼であっても、または合金化済み鉄粉（prealloyed iron powder）であっても成形用の粉末金属混合物を供給するのに適したどのような潤滑剤とも組み合わせて用いることができ、潤滑剤に対するセルロース繊維の割合はこれを粉末金属とブレンドした場合に、選択した湿態部品（green part）用の金型の生産用件（production requirement）が規定するホールの見かけ密度および流動比の特性を持つブレンドが得られるような「変性潤滑剤」または「スターチリューブ」に調整されることが好ましい。スターチリューブで成形された湿態部品は同じ条件下で同じ潤滑剤（スターチリューブと同じ量であるが繊維はない）で成形された別の部品より高い湿態強度をもたらす一方で、予め定めた焼結部品の硬度特性およびＴＲＳにも合致している。「低合金」粉末とは、重量で０．５％から５％までの黒鉛および Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｉ、ＶおよびＷから成る群から選択された成分を０．１％から２５％を含んでもよい鉄ベースの粉末を意味する。「ステンレス鋼」とは広範囲の組成の耐食鋼を意味するが、常に約８％から２５％の高いパーセンテージのクロム、通常は０から１２％のＮｉ、および０から約０．５％のＣ（カーボン）を含む。「合金化済み（prealloyed）」とは鉄が１つ以上の合金成分と溶融処理され実質的に均質に混合していることを意味する。低合金鋼部品は通常クロムやニッケルのいずれよりもずっと少ない量の他の成分で作られ、銅が比較的高い量で用いられて最大約５％まで、次いでＭｎ、Ｍｏ、Ｓｉ、ＶおよびＷが通常は約２％より少ない量で用いられる。

鉄金属粉体は上述のいずれの鉄ベースの粉体から選定してもよい。一般に、鉄金属粉末は噴霧粉（atomized powder）であるかまたはスポンジ鉄（sponge iron）に由来し寸法範囲は焼結した最終製品の特性に合うように選ばれる。

今まで用いられてきたどのようなワックス様の潤滑剤、例えばＥＢＳ、を用いてもよいが、好ましい潤滑剤は微粉化ポリオレフィンワックスで、重合した低級オレフィンオキシド、もしくは酸化ポリオレフィンホモポリマーまたはコポリマー、２から４個の炭素原子を持つオレフィンとして市販されているが、最も好ましいのは酸化微粉化ポリオレフィンホモポリマーワックスである。重量で０．１％未満の非潤滑剤は単独では潤滑剤に対して明らかな利点を与えないから、用いるスターチリューブまたは（スターチリューブ＋セルロース断片）は重量で０．２５％から１％の範囲内が好ましく、スターチリューブ中の潤滑剤／デンプン、もしくは潤滑剤／（スターチリューブ＋セルロース断片）の重量比は約１：２から１０：１の範囲で、１：１から４：１が好ましい。

均質な粉末金属混合物を作る方法は開示されていて、平均相当径が約１５０μｍより小さい金属粒子を、混合物に対して重量で２％未満存在する変性潤滑剤を含む添加物、この変成潤滑剤は本質的に平均相当径が好ましくは５０μｍより小さい粒状潤滑剤を平均相当径が５０μｍより小さいデンプン粒子と組み合わせたもの、随意に微粉化セルロース繊維と組み合わせたものから成る、および随意にバインダー、従来からこの分野で用いられている加工助剤および添加物と共に、（ｉ）ホールの見かけ密度が同じ粉末金属混合物にデンプン粒子無しの従来からある潤滑剤を用いて得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、および（ii）ホールの流動度が少なくとも２５秒／５０ｇ混合物の特性をもたらすのに十分な時間混合することを含む。ホールの見かけ密度は同じ粉末金属混合物にデンプン粒子無しの従来からある潤滑剤を用いて得られたものより数値的に大きいことが好ましい。

従来からある潤滑剤を重量で２％未満用いて作られた粉末金属混合物はホールの流動度が２５秒／５０ｇという容認できない低さであるが、重量で同じ割合であるが少なくとも重量で０．１％のそれ自体ではとるに足らない潤滑性しか混合物に与えない粒子状デンプン、またはデンプンおよび微粉化セルロース繊維を非潤滑剤および潤滑剤の両方が重量で混合物の２％未満存在するように加えることにより、好ましいホールの見かけ密度および流動度を持つだけでなく、デンプン粒子が省かれていた場合よりも結果として湿態強度がより高いブレンドをもたらす。容認できない流動度とは結果的に金型の空洞部の充填が不均一となる場合をいう。ほとんどの粉末金属混合物の最適充填量は２５〜３５秒／５０ｇの範囲内であるが、幾分長い時間、一般的に４０秒／５０ｇまでは生産速度に対する要求があまり強くない場合には許容できる。

重量で０．１％から１％未満のデンプン粒子と重量で０．１％から１％未満の従来からある好ましくは高分子潤滑剤を組み合わせて含む変性潤滑剤を、重量で２％未満含む商業的に使用可能な鉄粉体金属は、ホールの見かけ密度が２．７から３．５ｇ／ｃｃ、好ましくは２．９から３．３ｇ／ｃｃの範囲内にあり、ホールの流動度が２５〜３５秒／５０ｇ、好ましくは２９〜３３秒／５０ｇの範囲内にある。あまりにも遅く流れるか、または全く流れないブレンドでも通常は粉体容器の吐出管を問題なく流れ通り、このようなデンプンのある重量割合により引き起こされる金型空洞部の充填に関する些細な困難は吐出管に機械的または超音波振動など撹拌手段を用いて対処することができる。この新規な変性潤滑剤で一般に得られる幾分低い見かけ密度は今までより高い見かけ密度のブレンドで用いられていた金型空洞部を深くすることで補うことが出来る。

ここで定義したデンプン粒子は微粉化した合成ワックス、例えば約５０μｍより小さな相当径を持つポリオレフィンワックス粒子と組み合わせた新規組成物の成分で、ステアリン酸亜鉛または脂肪酸モノまたはビスアミドのような金属石けんの全体または一部の単なる代替品であるだけではなく、デンプン粒子無しの同じ重量の潤滑剤で得られるよりも高い湿態強度をもたらすことが見いだされた。スターチリューブを含む成形した湿態鉄粉末金属物品を従来からある焼結炉の無酸素雰囲気内で焼結する場合、炉の煙道はステアリン酸亜鉛含有品の焼結の場合ほどには頻繁な掃除を必要としない。デンプン粒子は黒鉛のような無機の潤滑剤と組み合わせることもあり、繊維の機能が本来なら黒鉛が用いられた一部を部分的に置き換えることがあり、またはステアリン酸亜鉛のような有機金属の潤滑剤と組み合わせることもあり、繊維の機能が本来なら有機金属が用いられた一部を部分的に置き換える。

前述の寸法範囲内のデンプン粒子を使用することが極めて重要で、その表面を変性するためにガンマ照射することの重要性は相対的に低い。用語「デンプン粒子」は前述の寸法範囲内のデンプン粒子をもたらすコーン、芋、タピオカ、米、豆、麦、および類似物など天然素材の植物質から得られたデンプンの粒子を意味する。１０から３０メガラドの範囲内の放射線量がデンプン粒子の塊に加えられると表面構造が変性し、その照射されたデンプンが従来からある有機潤滑剤の比較的小さな、またはより小さな粒子と混合された場合に粉末金属混合物の流れを促進するものと思われている。

デンプンはファイバードラムに入れられ照射室に運び込まれ希望する放射線量が加えられるまでの期間連続して保管されることが好ましい。あまりに少ない放射線量、例えば通常バクテリアを殺すのに用いられる２〜６メガラドの範囲内では、放射線処理したデンプン粒子を用いる粉末金属混合物の最も望ましい見かけ密度および流動度に反対に作用し、高すぎる放射線量は粒子の色を劣化させ色が重要な場合には問題となるが潤滑剤との組合せの性能に本質的な影響は与えず、特定の繊維に対する最適放射線量は現場では通例のことではあるが、試行錯誤により到達される。

従来から用いられてきたどのような潤滑剤も粉末金属混合物に用いることが可能であるが、特に好まれている潤滑剤はブレンドのホールの見かけ密度を２．７〜３．５ｇ／ｃｃの範囲内に、ホールの流動度を２９〜３５秒／５０ｇの範囲内にするものである。よく使われる潤滑剤は金属石けん類、およびポリワックス類で特にポリ（低級Ｃ_１〜Ｃ_５）オレフィンワックス類および酸化ポリ（低級）オレフィンホモポリマー類およびコポリマー類、脂肪酸ビスアミド類および脂肪酸モノアミド類、から成る群から選択される。好ましいワックス類はEastman Chemical社から市販されているEpolene^(R)ブランドの、Ｅ−１０，１４，１５，１６，１７，２０，４３、Ｇ−３００３およびＧ３０１５、Ｅ−１４，２０，４３、Ｃ−１０，１３，１６，１７，１８、Ｎ−１０，１１，１４，１５，２０，２１，３０，３４，３と名付けられたワックス、およびHoneywell社から市販されているAcumist^(R)ブランドのＡ−６，１２，１８，４５、Ｂ−６，９，１２，１８、Ｃ−５，１２，１８、Ｄ−５，９、１１０６，１１１２，１２０４，１３０６，３１０５，３２０５と名付けられたワックスである。特定のワックスの選定は、特定の金属粉末、これが成形され排出される条件、および成形された部品が焼結される条件にしたがっておこなわれる。

デンプン粒子と組み合わせた潤滑剤を含むブレンドは従来どおり準備され追加的な処理を必要としない。成分を本質的に均質のブレンドが形成されるまで混合してから部品を成形する金型の空洞部をブレンドで充填し、次いで金型空洞部に一致してピッタリ合う、通常は３００から９００Ｍｐａ（４３，５００ｐｓｉまたは４３．５Ｋｓｉまたは２１．７５Ｔｓｉ、トン／平方インチ）から１０００Ｍｐａ（１３０，５００ｐｓｉまたは１３０．５Ｋｓｉまたは６５．２５Ｔｓｉ）の範囲内の十分な圧力をおよぼすラムでブレンドを押し固めて湿態部品を形成し、次いで湿態部品は成形部品の完全性を損傷しない程度の最高排出力で型から排出されるが、この力は約４５３．６から２０４１．２Ｋｇｆ、キログラムフォース（１，０００から４，５００ｌｂｆ、ポンドフォース）の範囲内である。湿態部品は次いで焼結炉内で通常は窒素および／または水素の不活性雰囲気で潤滑剤およびデンプン粒子の一部または全部を気化させられるだけ高い昇温状態で焼結して焼結金属部品を形成する。炉は移動ベルトを内蔵し炉の高温雰囲気内で希望する時間を与える速度で移動し、通常は８０％Ｎ_２／２０％Ｈ_２で、ベルト速度は約１０００^oＦから２５００^oＦの範囲内の帯域では毎分２．５４ｃｍ（１”）から毎分３０．５ｃｍ（１２”）の範囲内である。

低合金および合金化済み部品は十分な黒鉛を含んでいて熱処理が正当化される場合を除き一般に熱処理はおこなわない。ステンレス鋼部品は熱処理されない。以下に示した実例のほとんどにおいては、粉末金属粒子より小さなデンプン粒子が用いられデンプンの寸法が追加的な変数とならないようにしている。潤滑剤なしでデンプン粒子のみを含むブレンドの見かけ密度および流動度を測定しなかったのは、重量で０．７５％のデンプン粒子を含むブレンドを７０３０．７７Ｋｇ／ｃｍ^２（５０ＴＳＩ）で成形したとき、許容できる力では棒を金型から排出できず、デンプンが明確な潤滑性をもたらさなかったことを示したからであり、したがって潤滑剤なしのでんぷんブレンドは使用できない。さらに、デンプン粒子による実績の有効性に焦点を当てるために、それぞれのブレンドは必須成分のみを用いて作られた。すべてのブレンドでデンプン粒子の効果に焦点を当てるために、黒鉛の使用は焼結部品に希望する特性を与えるのに必要な場合を除き避けた。

本発明について以下の実施例でさらに説明するが用語「部」は別途説明する場合を除き「重量部」を意味する。すべての結果は統計的に有意な数だけ、通常は少なくとも３つの個別に実行した実験の平均値である。以下の実施例は制約するためのものではなく、それどころか本発明の範囲内のほんの幾つかの実施例の説明に過ぎない。
＜実施例１〜１１＞

Hoeganaes Ancorsteel 1000Bを基本鉄とし、あるものはデンプン粒子と組み合わせた種々の潤滑剤を、各潤滑剤または組合せを（全混合物に対し）重量で０．７５％用いた、MPIF F-0000組成物のホールの見かけ密度およびホールの流動度の評価：

次の表１において、各サンプルは粉末金属混合物（「ブレンド」）として１ｌｂ準備したがこれらは直径約８ｃｍ（３インチ）で長さ約３０．５ｃｍ（１２”）のシリンダー内で成分を十分に混合してブレンドした。シリンダーを３０秒間手動で転がし、つまりテーブルの上で前後に移しながら長手方向の中央軸周りに回転し、次いでシリンダーを３０秒間くるくるとひっくり返し、つまり中央の横軸周りにくるくると回転し、次にシリンダーを３０秒間手で複数の軸方向に揺さぶった。この約９０秒間におよぶ手順を再度繰り返し十分に均質になることを確実にした。それからそれぞれのブレンドをホールの見かけ密度について評価した。下に示したそれぞれのMPIF F-0000(A1000B)の粉体混合物は重量で０．７５％の従来からある「潤滑剤」および「非潤滑剤」との組合せと称せられる変性潤滑剤とブレンドされ、この「非潤滑剤」はミクロンサイズのデンプン粒子または微粉化セルロース繊維、または両方である。それぞれのブレンドの各成分の量はブレンドされた粉末金属混合物の重量パーセントで与えられている。

「Allnat C」は微粉化セルロース繊維、なかでも綿繊維の内部コード名称である。

「P-105」は市販されているミクロンサイズのAcumist^(R)A-12ポリオレフィンワックス（潤滑剤）の内部コード名称で融点が約１３７℃〜１３８℃（２７９^oＦ〜２８１^oＦ）あり、このワックスは単独でブレンド５に用いられている。

ブレンド＃４においては、P-105が０．３７５％のデンプンおよび０．１８７％のAllnat Cと組み合わせて用いられている。

用いられたデンプン粒子はPurity^(R)21Cで、１５メガラドの放射線量を照射され、他のデンプン粒子の見かけ密度は約２．８ｇ／ｃｃから３．２ｇ／ｃｃの範囲内であろう。各タイプのデンプンの最適放射線量はデンプンの原料源、その粒子寸法および異なる照射放射線量に対するその表面の反応による。

残りのブレンドは先の仕様と矛盾しないように名付けられる。

金属粉末と共に作られたそれぞれのブレンドは次いで従来からある型の金型空洞部に充填され十分な圧力を加えて成形され湿態部品がもたらされる。成形圧力および最高排出圧力は一般に粉末金属部品の商業生産で容認できるとされている範囲内である。

焼結金属部品は、選択した潤滑剤および非潤滑剤成分を使用する鉄粉末金属と混合して成形用混合物をつくり、成分をブレンドして希望する範囲内の流動度で流れる均質な混合物を形成して混合物を金型空洞部に供給し、混合物を成形して圧粉密度（green density）が使用した粉末金属により約６．８ｇ／ｃｃから７．５ｇ／ｃｃの範囲にある湿態物品を形成し、湿態物品を排出し、そしてこれを焼結炉内で焼結金属部品を生産するのに適した条件下で焼結することにより生産される。

前述のデータよりすべてのブレンドが約２７から３６秒／５０ｇの範囲内の容認できる流動度を保有することは明らかである。より低い流動度の場合は混合物の流れを促進するために振動送り（vibrational delivery）を必要とする場合があることが知られている。細分化したAcrawax Cの見かけ密度を基準とし、ホールの見かけ密度が１０％を超えて低くはない、すなわち、少なくとも２．６９ｇ／ｃｃが生産の見地から容認されるならば、その場合はすべてのブレンドが容認されるが、既存の型を深めることを避けるために密度は２．９から３．３ｇ／ｃｃの範囲内が望ましい。

前述から、もしもP-105を標準とした場合、示した量の変性潤滑剤を追加することによりホールの見かけ密度が増加することもまた明らかであるが、これは予想外である。

それぞれのブレンドは次いで７０３０．７７Ｋｇ／ｃｍ^２または５０ＴＳＩ（トン／平方インチ）で成形して各々長さ３．１７５ｃｍ（１．２５”）×幅１．２７ｃｍ（０．５”）×厚み０．６３５ｃｍ（０．２５”）の標準試験棒とし、各潤滑剤が圧縮性および湿態強度におよぼす影響を評価した。それからすべての棒は約１２．７ｃｍ／分（５”／分）で進む在来の焼結炉のベルト上で温度が６４９℃（１２００^oＦ）、７６０℃（１４００^oＦ）、１１２１℃（２０５０^oＦ）、および１１２１℃（２０５０^oＦ）で８０％窒素／２０％水素雰囲気の通しの連続したゾーン（through successive zones）で焼結され、焼結された棒の特性を評価した。

使用する変性潤滑剤の量は非潤滑剤に対する潤滑剤の割合の選択と共に、成形される特定の粉末金属混合物および焼結部品の（満たさねばならない）仕様によることは当然である。混ぜ合わせる量や１つの成分に対する他のものの相対的割合が高すぎたり低すぎたりすると、見かけ密度および流動度の望ましい変数の限界から外れたブレンドになってしまう。一般的に、変性潤滑剤が重量で０．５％未満または１．５％を超えて存在する場合にはそのブレンドはすぐには生産運転には使えず、したがって量は重量で１．５％を超えないことが好ましく、重量で１％を超えないことがさらに好ましい。

上の表１に番号で区分したブレンドは圧粉密度、湿態強度、および金型空洞部から棒を排出するのに必要な最高排出圧力について評価した。それから棒は所望の時間だけ９７％Ｎ_２／３％Ｈ_２の高温環境を提供できる順次より高温となるゾーンを通過する８．９ｃｍ（３．５”）／秒で動くベルトを装備した焼結炉内で焼結されるが、ベルト速度は２．５４ｃｍ（１”）／分から３０．５ｃｍ（１２”）／分の範囲内で６４８．９℃（１２００^oＦ）、７６０℃（１４００^oＦ）、１１２１℃（２０５０^oＦ）、および１１２１℃（２０５０^oＦ）の４つの主な温度ゾーンを通過する。各ゾーンの長さはおよそ３ｍ（７’７”）である。

少なくとも３つのサンプルの焼結密度、焼結ＴＲＳ、焼結見かけロックウェルＦ硬度（ＨＲＦ）、および焼結寸法適合性（ＤＣ）を測定し平均した。

結果をつぎの表２に示す。

上記表において7⁺K Kg/cm²は7,030 Kg/cm²圧力＝50トン/平方インチ(TSI)を意味し、MPaはメガパスカルを意味し、ここに1 MPa＝1000 KPaである。

前述の結果よりブレンド＃１から＃７および“＃１０および１１はブレンド＃８（Acrawax C）および＃９（ステアリン酸亜鉛）に対して約２倍の湿態強度であることは明らかである。ブレンド＃１、２および６の最高排出圧力はブレンド＃８および９のそれの倍であるが、ブレンド＃１０および１１の最高排出圧力、すなわち金型空洞部から成形部品が出る動きを開始するのに必要な力（ロードセルで計測）は、わずか約２５％高いだけである。すべての排出圧力は許容範囲内である。

新規の焼結ブレンドからできたすべての棒の抗折力（ＴＲＳ）および見かけロックウェルＦ硬度がステアリン酸亜鉛、AcrawaxおよびAcumistでできた焼結棒のそれらより高いことも明らかである。さらに、新規の焼結棒は最良の寸法適合性（ＤＣ）がある、すなわち、歪みが最小である。

このように関連する題目に関する全般的な開示をおこない、新規の変性潤滑剤および粉末金属混合物について詳細に述べるとともに、本発明の具体的な実施形態をもって生産および本発明の使用に関する最善の方法を説明したが、説明し記述した具体的な実施形態を理由として必要以上の制約が課せられるべきではなく、特に、本発明はここに示した細部に隷属するように制約されるものではないのは当然のことである。

Claims (16)

1. 粉末金属混合物で、鉄金属粉末および本質的に（ｉ）潤滑剤粉末および（ii）平均相当径が５０μｍ未満のデンプン粒子から成る変性潤滑剤を含み、変成潤滑剤が組成物に対し重量で２％未満存在し、混合物の（ｉ）ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物でデンプン粒子を含まない従来の潤滑剤で得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、また（ii）ホールの流動度が約２５〜４０秒／５０ｇ混合物の範囲内にある、粉末金属混合物。
2. デンプン粒子の平均相当径が５０μｍ未満で、そして潤滑剤粉末が脂肪酸モノアミド類、脂肪酸ビスアミド類、金属石けん類、およびポリオレフィンワックス類から成る群から選択される、請求項１に記載の混合物。
3. 重量で約９０％のデンプン粒子の平均相当径が５から５０μｍの範囲内にあり、重量で５から４０％の平均相当径が２から２０μｍの範囲内にあり、そしてデンプンのホールの見かけ密度が２．８から３．２ｇ／ｃｃの範囲内にあり、ホールの流動度が約２５〜３５秒／５０ｇ混合物の範囲内にある、請求項１に記載の混合物。
4. 平均長さが１５０μｍ未満および直径が約１μから２０μの断片化セルロース繊維を含み、その存在量がデンプン粒子より多くはない、請求項１に記載の混合物。
5. 変性潤滑剤が好ましくは重量で０．２５％から１％の範囲内にあり、スターチリューブ内の潤滑剤／デンプン、および存在するならば、潤滑剤／（デンプン＋セルロース断片）の重量割合が、約１：２から１０：１、好ましくは１：１から４：１の範囲内にある、請求項４に記載の混合物。
6. デンプン粒子が１０〜３０メガラドのガンマ線を照射された、請求項１に記載の変性潤滑剤。
7. 平均長さが１５０μｍ未満および直径が約１μから２０μの範囲内にある断片化セルロース繊維を含み、その存在量がデンプン量より多くはなく、そしてデンプン粒子が約１５メガラドのガンマ線を照射されている、請求項６に記載の変性潤滑剤。
8. 断片化セルロース繊維が電子ビーム照射に曝されていて約３０から１００メガラドの放射線量を受けている、請求項７に記載の変性潤滑剤。
9. 潤滑剤を含む粉末鉄金属混合物において、この混合物のホールの流動度が約２５〜４０秒／５０ｇ混合物の範囲内にあり、改善は本質的に（ｉ）潤滑剤粉体および（ii）平均相当径が１５０μｍ未満で混合物に対して重量で約０．２５％から０．７５％未満の量存在するデンプン粒子、および（iii）平均長さが１５０μｍ未満で直径が約１μから２０μの範囲内にあり、混合物に対し重量で０％から０．７５％未満、しかしデンプンを超えない量だけ存在する断片化セルロース繊維から成る変性潤滑剤により構成され、変性潤滑剤が組成物に対し重量で１．５％未満存在し、混合物が（ｉ）ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物でデンプン粒子を含まない従来の潤滑剤で得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、スターチリューブ内の潤滑剤／デンプンの重量割合、および存在するならば、潤滑剤／（デンプン＋セルロース断片）のそれが、約１：２から１０：１、好ましくは１：１から４：１の範囲内にある、潤滑剤を含む粉末鉄金属混合物。
10. デンプン粒子が１０〜３０メガラドのガンマ線を照射され、および断片化セルロース繊維が電子ビームに曝されて約３０から１００メガラドの範囲内の放射線量を受け、およびホールの流動度が約２５〜３５秒／５０ｇ混合物である、請求項９に記載の混合物。
11. 均質な鉄粉末金属混合物を作る方法で、平均粒子径が約１５０μｍより小さな金属粒子を本質的に（ｉ）潤滑剤粒子および（ii）平均相当径が１５０μｍ未満のデンプン粒子から構成される変性潤滑剤と組み合わせ、変性潤滑剤が組成物に対して重量で２％未満存在し、混合物が（ｉ）ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物でデンプン粒子を含まない従来の潤滑剤で得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、および（ii）ホールの流動度が約２５〜４０秒／５０ｇ混合物であり、そしてこの混合物を金型内で成形して成形湿態物品を形成することから構成される、均質な鉄粉末金属混合物を作る方法。
12. ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物とデンプン粒子を含まない従来からある潤滑剤で得られたものより大きく、そしてホールの流動度が約２５〜３５秒／５０ｇ混合物 である、請求項１１に記載の方法。
13. 粉末金属部品に用いるのに適合した変性潤滑剤で、変性潤滑剤が本質的に無機化合物、有機金属化合物、およびワックスから成る群から選択された潤滑剤から成り、潤滑剤の平均粒子径は５０μｍより小さく、デンプン粒子と組み合わさるが、ここでデンプン粒子の重量で約９０％の平均相当径が５から５０μｍの範囲内にあり、重量で５から４０％の平均相当径が２から２０μｍの範囲内にあり、デンプンのホールの見かけ密度が２．８から３．２ｇ／ｃｃの範囲内にある、変性潤滑剤。
14. デンプン粒子が１０〜３０メガラドのガンマ線を照射されている、請求項１３に記載の変性潤滑剤。
15. 平均長さが１５０μｍ未満で直径が約１μから２０μの範囲内にあり、デンプン粒子より多い量では存在しない断片化セルロース繊維を含む、請求項１４に記載の変性潤滑剤。
16. 断片化セルロース繊維が電子ビームに曝され約３０から１００メガラドの範囲内の放射線量を受けた、請求項１５に記載の変性潤滑剤。