JP2008503653A - 絶縁された電磁軟鉄基粉末組成物のための潤滑剤 - Google Patents

Abstract

本発明は、粒子が絶縁性無機被覆で取り巻かれている、好ましくは粗い電磁軟質鉄又は鉄基粉末と、潤滑剤として、結晶融点が２５℃より低く、４０℃での粘度（η）が１５ｍＰａ・ｓより大きく、前記粘度が次の式：
１０ ｌｇ（η）＝ｋ／Ｔ＋Ｃ
（式中、勾配ｋは、８００より大きく、Ｔはケルビン単位であり、Ｃは定数である）
に従い温度に依存する、組成物の０．０５〜０．４重量％の量の、少なくとも一種類の不乾性油又は液体とを含む粉末冶金組成物に関する。

Description

本発明は、電磁軟質複合体（ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔ）（ＳＭＣ）のための潤滑剤に関する。特に本発明は、電磁軟鉄又は鉄基粉末で、それら粒子が無機絶縁層により囲まれている粉末のための液体潤滑剤に関する。

工業的に、電磁軟粉末組成物を成形し、熱処理することにより製造された金属製品が益々広く用いられるようになってきている。種々の形及び厚さの数多くの異なった製品が製造されており、これらの製品にはそれらの最終用途により異なった品質条件が課されている。それら異なった必要条件に適合させるため、粉末冶金工業では極めて多種類の鉄及び鉄基粉末組成物が開発されてきている。

これら粉末組成物から部品を製造するための一つの処理技術は、粉末組成物をダイ空洞中に入れ、その組成物を高圧で成形（ｃｏｍｐａｃｔ）することである。次に、得られた圧粉体をダイ空洞から取り出し、熱処理する。ダイ空洞での過度の摩耗を避けるため、成形処理中、一般に潤滑剤が用いられている。固体、特定の潤滑剤粉末を鉄基粉末と混合すること（内部潤滑）によるか、又は潤滑剤の液体分散物又は溶液をダイ空洞表面上に噴霧すること（外部潤滑）により、一般に潤滑が達成される。ある場合には、両方の潤滑技術が用いられている。

固体潤滑剤を鉄基粉末組成物中に混合することによる潤滑が広く用いられており、新しい固体潤滑剤が開発され続けている。これらの固体潤滑剤は一般に約１〜２ｇ／ｃｍ^３の密度を有し、それは約７〜８ｇ／ｃｍ^３である鉄基粉末の密度と比較して非常に低い。更に、実施する際、固体潤滑剤は、粉末組成物の少なくとも０．６重量％の量で用いられなければならない。その結果、これらの低密度の潤滑剤を組成物に含有させると、成形部品の圧粉密度（ｇｒｅｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）を低下する。

最近のＰＭ技術では、液体潤滑剤だけを用いた潤滑は、粉末の性質及び取扱い性が悪いため成功を収めていない。しかし、液体潤滑剤は、固体潤滑剤と組合せて用いることが提案されてきている。例えば、米国特許第６，５３７，３８９号明細書には、電磁軟質複合体材料を製造する方法が記載されている。この方法では、打ち抜き油又は菜種油メチルエステルが、成形する粉末組成物に適切な潤滑添加剤の例として言及されている。これらの化合物は固体ステアリン酸アミド潤滑剤と組合せて用いるように提案されているが、打ち抜き油又は菜種油メチルエステルの物理的性質については何も教示されておらず、これらの化合物を使用した実際の例は示されていない。液体潤滑剤を使用することは米国特許第３，７２８，１１０号明細書からも知られており、この特許は、液体潤滑剤を多孔質シリカゲルと組合せて用いるべきであることを教示している。この場合にも液体潤滑剤は固体潤滑剤と一緒にすべきである。

今回、ある種類の電磁軟鉄又は鉄基粉末を、潤滑剤として特定の種類の液体有機物質と一緒にすると、大きな密度を有する成形物体を得ることが図らずも発見されたばかりでなく、それらの成形物体を比較的低い押出力（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）でダイから押出させることができることも発見された。更に、これらの潤滑剤は、ダイの壁の摩耗を防ぎ、成形物体に優れた表面仕上げを与えるのに有効であることが判明している。潤滑のためのシリカゲルは不要である。

簡単に述べると、本発明は、無機絶縁層及び液体有機潤滑剤により粒子が囲まれている電磁軟鉄又は鉄基粉末を含む粉末組成物に関する。本発明は、液体潤滑剤を用いることにより、成形し、熱処理した部品を製造する方法にも関する。

粉末の種類
被覆処理のための出発材料として用いることができる適当な金属粉末は、鉄のような強磁性金属から調製された粉末である。ニッケル、コバルト、燐、珪素、アルミニウム、クロム、硼素等のような合金用元素を、鉄基製品の性質を修正するため、粒子として添加するか、予め合金化してもよい。鉄基粉末は、実質的に純粋な鉄粉末、予め合金化した鉄基粉末、及び実質的に純粋な鉄又は鉄基鉄粒子と合金用元素からなる群から選択することができる。粒子の形に関して、それら粒子は、水噴霧又はスポンジ状鉄により得られるような不規則な形を有するのが好ましい。ガス噴霧した粉末及びフレークを関与させてもよい。

ＰＭ工業内で通常用いられている鉄基粒子の粒径は、３０〜１００μｍの領域内に平均粒子直径を有するガウス分布曲線に従って分布しており、それら粒子の約１０〜３０％が４５μｍより小さい。従って、本発明により用いられる粉末は、通常用いられるものとは逸脱した粒径分布を有する。これらの粉末は、粉末の一層微細な部分を除去するか、又は希望の粒径分布を有する粉末を製造することにより得ることができる。

本発明の好ましい態様に従い、粉末は粗い粒子であるのがよく、即ち、粉末が本質的に微細な粒子を含まないことである。用語「本質的に微細な粒子を含まない」とは、ＳＳ−ＥＮ ２４ ４９７に記載されている方法により測定して、４５μｍより小さい粒径を有する粉末粒子が、約１０％より少なく、好ましくは５％より少ないことを意味するものとする。平均粒径は、典型的には１０６〜４２５μｍである。２１２μｍより大きい粒子の量は、典型的には２０％より多い。最大粒径は約２ｍｍになることがある。

大きな力を必要とする用途のためのＳＭＣ部品に関しては、無機層により粒子が囲まれている水噴霧鉄粉末を用いて特に有望な結果が得られている。本発明の範囲内に入る粉末の例は、スウェーデンのヘガネス（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ）ＡＢからのソマロイ（Ｓｏｍａｌｏｙ）（登録商標名）５５０及びソマロイ７００に相当する粒径分布及び化学組成を有する粉末である。

潤滑剤
本発明による潤滑剤は、周囲温度で液体であることによって区別される。即ち、結晶融点は２５℃より低くなるべきである。潤滑剤の別の特徴は、それが不乾性油又は液体であることである。

更に、４０℃での粘度（η）は、１５ｍＰａ・ｓより大きく、次の式に従い温度に依存すべきである：
ｌｇ（η）＝ｋ／Ｔ＋Ｃ
式中、勾配ｋは、８００より大きいのが好ましい（Ｔはケルビン単位であり、Ｃは定数である）。

上の条件を満たす種類の物質は不乾性油又は液体、例えば、種々の鉱物油、植物系又は動物系脂肪酸であるが、それのみでなく、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン、及びそれらのエステル化誘導体のような化合物でもある。これらの潤滑油は、「レオロジー修正剤」、「極圧添加剤」、「冷間圧接防止用添加剤」、「酸化防止剤」、及び「防錆剤」として言及することができるある添加剤と組合せて用いることができる。

潤滑剤は、本発明による金属粉末組成物の０．４重量％までを構成することができる。粉末組成物に含有させる潤滑剤の量は、好ましくは０．３重量％まで、最も好ましくは０．２０重量％までである。本発明により潤滑剤を非常に少ない量で用いることができることは、特に有利である。なぜなら、特にこれらの潤滑剤を固体潤滑剤と一緒にする必要がない場合には、大きな密度を有する成形体及び熱処理生成物を達成することができるようになるからである。しかし、本発明は、少量の固体（粒状）潤滑剤（一種又は多種）を少量添加することを排除するものではない。成分の幾何学的形態のみならず工具の材料及び品質が、押出（ｅｊｅｃｔｉｏｎ）後のＳＭＣ部品の表面状態に大きな影響を与えることに注意すべきである。従って、ある場合には、潤滑剤の最適含有量を０．２０重量％より低くすることができる。さらに、米国特許第６，５３７，３８９号明細書の教示とは対照的に、鉄粉末粒子は熱可塑性化合物で被覆されてはいない。

成形
少量（０．６重量％未満）の潤滑剤と混合して、微細粒子を含む慣用的に用いられている粉末を、高圧で、即ち約６００ＭＰａより高い圧力で慣用的に成形することは、ダイから成形体を押出すのに必要な力が大きく、それに伴われるダイの摩耗が大きく、部品の表面の輝きが悪くなるか、又は劣化する傾向があることにより、一般に不適切であると考えられている。本発明による粉末及び液体潤滑剤を用いることにより、約６００ＭＰａより大きな高圧で、押出力（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）が減少し、ダイ壁潤滑を用いない場合でも許容可能な又は完全でさえある表面を有する部品を得ることができることが図らずも発見された。成形は標準的設備を用いて行うことができ、そのことは、高額の投資を行わなくてもこの新規な方法を実施できることを意味している。成形は周囲温度又は上昇させた温度で、一つの工程で一軸的に行われる。本発明による利点を達成するためには、好ましくは成形は７．５０ｇ／ｃｍ^３より高い密度まで行われるべきである。

本発明を、更に次の例により例示するが、それらに本発明は限定されるものではない。

液体潤滑剤として、下の表１による物質を用いた。

次の表２は、用いた液体潤滑剤の種々の温度での粘度を示している。

次の表３は液体潤滑剤の粘度の温度依存性を示す式、ｌｇ（η）＝ｋ／Ｔ＋Ｃ（ＴはＫ単位）の定数を示している。

本発明による不乾性潤滑油又は液体は、次の必要条件を満足する上記式によって計算された粘度を有するであろう（必要条件：ｋ＞８００、及び４０℃での粘度＞１５ｍＰａ・ｓである）。従って、本発明の範囲外である潤滑剤Ｂ及びＥは、記載した式の必要条件を満足しない液体潤滑剤の効果を明らかに実証している。

例１
合計２ｋｇの種々の鉄基粉末組成物を調製した。鉄基粉末は電磁軟質粉末であり、その粒子には絶縁性無機被覆が与えられていた。粒径分布は、下の表４の「粗い粉末」に記載してある通りである：

４００ｇの鉄基粉末を、別の混合器中で４．０ｇの液体潤滑剤と一緒に強く混合し、所謂マスター混合物を得た。その後、マスター混合物を残りの量の電磁軟鉄基粉末に添加し、最終混合物を更に３分間混合した。

得られた混合物をダイに移し、２５ｍｍの直径を有する柱状試験試料（５０ｇ）へ、１１００ＭＰａの成形圧力で一軸プレス運動で成形した。使用したダイ材料は、慣用的工具鋼であった。成形試料の押出中、静止押出力（ｓｔａｔｉｃ ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）及び動的押出力（ｄｙｎａｍｉｃ ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）を測定し、ダイから試料を押出すために必要な全押出エネルギーを計算した。次の表５は、押出力、押出エネルギー、圧粉密度、表面外観、及び全性能を種々の試料について示している。

例２
例１に従い、潤滑剤Ｃを含む粉末混合物を調製し、例１に従う柱状試験試料を５つの異なったダイ温度で成形した。次の表６は、ダイから試験試料を押出すのに必要な押出力及び押出エネルギー、押出試料の表面外観、及び試料の圧粉密度を示している。

上の表から、優れた放出性を８０℃より低いダイ温度で得ることができることを結論することができる。

例３
この例は、成形試料をダイから放出させるのに必要な押出力及び押出エネルギーのみならず、押出試料の表面外観に与える潤滑剤Ｃの添加量の影響を例示している。潤滑剤を、０．０５％、０．１０％、及び０．０４％の添加レベルにした点を除き、例１にしたがって混合物を調製した。例１にしたがって試料を室温（ＲＴ）で成形した。次の表７は、ダイから試料を押出すのに必要なエネルギーのみならず、押出した試料の表面外観を示している。

表７から、ダイからの許容可能な押出挙動を得るためには、この成形圧力で少なくとも０．１０％の潤滑剤Ｃの含有量が必要であることが分かる。更に、部品の幾何学的形態及び工具材料の種類も放出に影響を与えると予想される。

例４
この例は、ダイから試料を押出すのに必要な押出力及び押出エネルギーに対する粒径分布の影響及び本発明による液体潤滑剤を用いた場合の押出試料の表面外観に与える粒径分布の影響を例示する。
粗い粉末（表４）と比較して、「微細粉末」を用いた点を除き、例１を繰り返した。

次の表８は、ダイから試料を押出すのに必要な押出力及びエネルギーのみならず、押出された試料の表面外観を示している。

上の表から、上に定義した種類の液体潤滑剤を含む組成物は、微細及び粗い両方の電磁軟質粉末に対して用いることができることが分かる。しかし、粗い粉末を用いた場合、成形部品の表面仕上げ及び圧粉密度の両方が改善される。しかし、微細粉末の見かけ密度及び流動性のような粉末の性質は、本発明による液体潤滑剤を用いたのでは通常よくない。それにも拘わらず、これらの粉末の性質に対し必要な厳しい条件のない用途では、微細粉末は、本発明による液体潤滑剤を用いて許容可能な品質の部品を与えることができる。

例５
この例は、本発明による液体潤滑剤の使用含有量を低くして得られる優れた磁気特性を例示している。一般に潤滑性が低い程、電気抵抗率が低く、鉄損が大きくなる結果を与える。しかし、この例では、潤滑性能が許容できない場合でも最大透磁率のような磁気特性は許容することができることを示している（試料Ｂ）。しかし、許容不可能な潤滑性能を示すそのような潤滑剤は、表面仕上げを悪くし、過度の工具摩耗を与えるため、大規模製造のための粉末として用いることはできない。

ケノルーブ（Ｋｅｎｏｌｕｂｅ）（登録商標名）のような慣用的粒状潤滑系は、同様な潤滑性能を達成するためには、一般に一層多量（＞０．５重量％）の潤滑剤を必要とする。そのように多量に潤滑剤を添加すると、８００ＭＰａより大きな成形圧力は改良された磁気特性を与える結果にはならず、密度レベルの一層の改良も得ることはできない（参考試料Ｇ）。

例１に従い、６つの混合物を調製した。得られた混合物をダイに移し、１１００ＭＰａの成形圧力で一軸プレスの運動で高さ５ｍｍの５５／４５ｍｍトロイドに成形した。それら試料を、空気中、５３０℃で３０分間熱処理した。ブロックハウス（Ｂｒｏｃｋｈａｕｓ）ヒステリシスグラフを用いて、１００励振（ｄｒｉｖｅ）及び１００センス（ｓｅｎｓｅ）回数でトロイド試料について測定した。次の表９は、四点法により測定した電気抵抗率、最大透磁率、１０ｋＡ／ｍでの誘導レベルのみならず、それぞれ１Ｔ、４００Ｈｚ、及び１ｋＨｚでの鉄損を示している。

Claims (9)

1. 粒子が絶縁性無機被覆で囲まれている鉄又は鉄基粉末を含み、潤滑剤として、結晶融点が２５℃より低く、４０℃での粘度（η）が１５ｍＰａ・ｓより大きく、前記粘度が次の式：
   ｌｇ（η）＝ｋ／Ｔ＋Ｃ
   （式中、勾配ｋは、８００より大きく、Ｔはケルビン単位であり、Ｃは定数である）
   に従い温度依存のある、少なくとも一種類の不乾性油又は液体を、組成物の０．０５〜０．４０重量％の量で含む、成形体のための粉末組成物。
2. 潤滑剤が、鉱物油、植物系又は動物系脂肪酸、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン、及びそれらのエステル化誘導体、任意に、「レオロジー修正剤」、「極圧添加剤」、「冷間圧接防止用添加剤」、「酸化防止剤」、及び「防錆剤」等の添加剤と組合せたものからなる群から選択されている、請求項１に記載の粉末組成物。
3. 潤滑剤が、０．１〜０．３、好ましくは０．１５〜０．２５重量％の量で含有されている、請求項１又は２に記載の粉末組成物。
4. 周囲温度で固体である潤滑剤（一種又は多種）を含まない、請求項３に記載の粉末組成物。
5. ４５μｍより小さい粒径を有する粉末粒子が、約５重量％より少ない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粉末組成物。
6. 鉄基粉末の少なくとも４０重量％、好ましくは少なくとも６０重量％が、約１０６μｍより大きい粒径を有する粒子からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の組成物。
7. 鉄基粉末の少なくとも２０重量％、好ましくは少なくとも４０重量％、最も好ましくは少なくとも５０重量％が、約２１２μｍより大きい粒径を有する粒子からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の組成物。
8. 更に、有機結合剤及び樹脂、流動性増加剤、処理助剤、及び粒状潤滑剤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１に記載の粉末組成物。
9. ａ） 粒子が無機絶縁性層で囲まれている電磁軟鉄又は鉄基粉末と、潤滑剤として、結晶融点が２５℃より低く、４０℃での粘度（η）が１５ｍＰａ・ｓより大きく、前記粘度が次の式：
   ｌｇ（η）＝ｋ／Ｔ＋Ｃ
   （式中、勾配ｋは、８００より大きく、Ｔはケルビン単位であり、Ｃは定数である）
   に従い温度に依存である、組成物の０．０５〜０．４重量％の量の、不乾性油又は液体とを混合する工程、及び
   ｂ） 前記組成物を約６００ＭＰａより大きい圧力で成形し、成形物体にする工程、
   を含む、熱処理された電磁軟質部品を製造する方法。