JP2008513602A - 潤滑剤及び／又は結合剤として第二級アミドを含む粉末金属組成物 - Google Patents
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Abstract
本発明は、鉄系粉末、及び一般式：Ｒ１−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ２（式中、Ｒ１及びＲ２は、同じか又は異なり、直鎖又は分岐鎖の飽和又は不飽和脂肪族炭化水素基である）の少なくとも一種の第二級アミドを含む潤滑剤及び／又は結合剤を含む粉末金属組成物に関する。本発明は、更に、本発明による粉末金属組成物の素地を製造する方法、結合された鉄系粉末組成物を製造する方法、並びに少なくとも一種の第二級アミドの、鉄系粉末のための潤滑及び／又は結合剤としての使用、及びダイ壁潤滑剤としての使用にも関する。
Description
本発明は、粉末金属組成物に関する。具体的には、本発明は、少なくとも一種の第二級アミドを含む潤滑剤及び／又は結合剤を含む粉末金属組成物に関する。本発明は、更に、素地（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）を製造する方法、結合した鉄系粉末組成物を製造する方法、及び潤滑剤及び／又は結合剤の使用にも関する。
金属粉末は、その金属粉末をダイ（ｄｉｅ）中で高圧で圧縮し、ダイから圧縮体（ｃｏｍｐａｃｔ）を取り出し、任意選択的にその生成物を焼結することにより金属製品を製造するために工業的に用いられている。大半の粉末冶金（ＰＭ）への用途では、圧縮中の粉末粒子間及びダイから取り出し中の圧縮体とダイとの間に必要な潤滑作用を与えるため、粉末中に潤滑剤を含有させている。金属粉末中に含まれている潤滑剤により達成される潤滑作用は、粉末が圧縮されるダイの壁に潤滑剤を適用することにより達成される外部潤滑に対して内部潤滑と呼ばれている。取り出し中の潤滑が不充分になると、圧縮体とダイとの間に過度の摩擦を与えることになり、大きな取り出しエネルギー及びダイ表面及び生成物表面の損傷を与える結果になる。
内部潤滑は、特別な潤滑剤を用いることにより達成される。通常これらの潤滑剤は、粉末の形で鉄又は鉄系粉末と混合される。例えば、合金用元素のような添加剤を鉄又は鉄系粒子に結合するために用いることができる潤滑剤もある。すなわち、これらの場合、潤滑剤は結合剤として働き、出荷及び取扱い中の添加剤の凝離を低減又は消失させる。
ＰＭ用途で一般に用いられている潤滑剤は、ステアリン酸リチウム及び亜鉛のような金属石鹸である。この種の潤滑剤についての欠点は、潤滑剤中の金属の酸化物が、焼結中の潤滑剤から金属が遊離される結果として焼結炉の内部を汚染することであり、他の問題は、焼結後の部品に汚れが形成されることがあることである。別の一般に用いられている潤滑剤は、エチレンビスステアルアミド（ＥＢＳ）である。この潤滑剤を用いた場合、焼結後に部品上に汚れが形成されることもあるが、例えば、ステアリン酸亜鉛を用いた場合と比較してその程度は少ない。潤滑剤は金属粉末の圧縮性及び焼結性に大きな影響を与えるので、用いられる潤滑剤の量、組成、及び構造を最適にすることが、製造される部品の高く一貫した密度及び良好な表面仕上げを得るために絶対的に重要である。
発明の目的
本発明の目的は、大きな取り出し力及び焼結された部品の表面汚れの問題を低減するか消失させる潤滑剤及び／又は結合剤を含む新規な粉末金属組成物を提供することである。
本発明の目的は、大きな取り出し力及び焼結された部品の表面汚れの問題を低減するか消失させる潤滑剤及び／又は結合剤を含む新規な粉末金属組成物を提供することである。
本発明の更に別な目的は、圧縮された生成物及び焼結又は熱処理された部品を製造する方法、結合された粉末金属組成物を製造する方法、及び潤滑剤及び／又は結合剤の使用を提供することである。
これらの目的は、少なくとも一種の第二級アミドを含む潤滑剤及び／又は結合剤及び鉄系粉末を含む粉末金属組成物により達成される。本発明は、更に前述の組成物を圧縮に供することにより素地を製造する方法にも関する。
結合した粉末金属組成物を製造する方法は、鉄系粉末を少なくとも一種の第二級アミドと混合し、その混合物をその少なくとも一種の第二級アミドの融点よりも高い温度へ加熱することを含む。
更に、本発明は、鉄系粉末のための潤滑剤及び／又は結合剤として少なくとも一種の第二級アミドを使用すること、及びダイ壁潤滑のためにそれを使用することに関する。
発明の詳細な説明
本発明による粉末金属組成物中の潤滑剤及び／又は結合剤は、一般式：
Ｒ１−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ２
（式中、Ｒ１−及びＲ２−基は、同じか又は異なり、直鎖又は分岐鎖、飽和又は不飽和脂肪族炭化水素基である。）
により定義することができる少なくとも一種の第二級アミドである。
本発明による粉末金属組成物中の潤滑剤及び／又は結合剤は、一般式：
Ｒ１−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ２
（式中、Ｒ１−及びＲ２−基は、同じか又は異なり、直鎖又は分岐鎖、飽和又は不飽和脂肪族炭化水素基である。）
により定義することができる少なくとも一種の第二級アミドである。
Ｒ１及びＲ２は、独立に１０〜２４個の炭素原子を含むのが好ましい。
Ｒ１及びＲ２は、アルキル及びアルケニルからなる群より選択されるのが好ましい。
アルキル基は、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル、エイコシル、ヘンエイコシル、ドコシル、トリコシル、テトラコシルから選択することができる。
アルケニル基は、デセニル、ウンデセニル、ドデセニル、トリデセニル、テトラデセニル、ペンタデセニル、ヘキサデセニル、ヘプタデセニル、オクタデセニル、ノナデセニル、エイコセニル、ヘンエイコセニル、ドコセニル、トリコセニル、テトラコセニルから選択することができる。
好ましい第二級アミドの例を表１に示す。
第二級のアミドの量は、粉末金属組成物の０．０５〜２．０重量％、好ましくは０．０５〜１．０重量％を構成することができる。
本発明の一つの態様は、少なくとも一種の第二級アミドの外に、少なくとも一種の第一級アミドを更に含む潤滑剤及び／又は結合剤を含む粉末金属組成物に関する。少なくとも一種の第一級アミドは、１２〜２４、好ましくは１４〜２２個のＣ原子、最も好ましくは１６〜２２個のＣ原子を有する飽和又は不飽和脂肪酸アミドであるのが好ましい。
特に好ましい第一級アミドは、ステアリン酸アミド（ステアルアミド）、ベヘン酸アミド（ベヘンアミド）、エルカ酸アミド（エルカミド）、パルミチン酸アミド（パルミトアミド）、及びアラキジン酸アミド（アラキドアミド）である。
本発明による第一級及び第二級アミドは市販されているか、又は当分野でよく知られた方法を用いることにより市販材料から製造することができる。
第一級及び第二級アミドの量は、合計して、粉末金属組成物の０．０５〜２．０重量％、好ましくは０．０５〜１．０重量％を構成することができる。
両方の種類のアミドを含む本発明の態様については、少なくとも一種の第一級アミドの量を０．０５〜１．０重量％とし、少なくとも一種の第二級アミドの量を０．０５〜１．０重量％とすることができる。
潤滑剤及び／又は結合剤は、夫々のアミドの固体粒子の形で粉末金属組成物に添加することができる。平均粒径は変化させることができるが、１５０μｍより小さいのが好ましい。
或いは、潤滑剤及び／又は結合剤は、溶融し、次いで固化したアミドの粒状混合物として粉末金属組成物に添加することができる。これは、アミドを所定の比で混合し、その混合物を次に溶融し、冷却し、次いで粉砕して潤滑剤粉末にすることにより達成することができる。
本発明による少なくとも一種の第二級アミドは、結合混合物を得るための結合剤として用いることができ、その結合混合物においては、少なくとも一種の第二級アミド及び任意選択的な合金用元素が鉄系粉末に結合している。これは、鉄系粉末と、本発明による少なくとも一種の第二級アミドとを混合し、その混合物をその少なくとも一種の第二級アミドの融点よりも高い温度へ加熱することにより達成することができる。少なくとも一種の第一級アミドは、更に上記混合物中に混合してもよく、そのとき加熱温度は第一級アミドの融点よりも低くすることができる。
上に記載した潤滑剤及び／又は結合剤とは別に、本発明による粉末金属組成物は、所望により、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ＥＢＳ等のような他の潤滑剤を含んでいてもよい。
本発明による粉末金属組成物の結合を達成するため、アルキド、セルロースエステル樹脂、アルキル基に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のような他の種類の結合系を用いることができる。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる用語「鉄系」粉末とは、純粋な鉄から本質的に構成された粉末、最終製品の強度、硬化特性、電磁気的性質、又は他の所望の性質を改良する他の元素と予め合金化した鉄粉末、及びそのような合金用元素の粒子と混合した鉄粒子（拡散アニールした混合物又は純粋に機械的な混合物）を包含する。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、ニッケル、珪素、硼素、バナジウム、チタン、アルミニウム、コバルト、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、コンパウンドの形（Ｆｅ３Ｐ及びＦｅＭｏ）で用いられる。
鉄系粉末は、柔軟磁気部品を製造するために用いることができ、この用途のためには電気的に絶縁することができる。粉末粒子の電気的絶縁は、無機材料で行うことができる。特に適当なのはＵＳ６３４８２６５に記載されている種類の絶縁であり、それは酸素−及び燐−含有絶縁性障壁を有する純粋な鉄から本質的になる基礎粉末の粒子に関する。絶縁された粉末粒子は、スウェーデンのホガナス（Ｈｏｇａｎａｓ）ＡＢからソマロイ（Ｓｏｍａｌｏｙ）（商標名）５００及び５５０として入手可能である。
鉄系粉末及び潤滑剤及び／又は結合剤とは別に、本発明による粉末金属組成物は、処理助剤からなる群より選択される一種以上の添加剤及び硬質相（ｈａｒｄ ｐｈａｓｅ）を含むことができる。
粉末金属組成物で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っていてもよく、それらは別々に又は組合せて用いられる。
粉末金属組成物で用いられる硬質相は、タングステン、バナジウム、モリブデン、クロムの炭化物、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ４Ｃ、及び種々のセラミック材料からなっていてもよい。
本発明は、更に、素地を製造する方法に関し、その方法は、本発明による粉末金属組成物を圧縮体へ圧縮することを含み、このとき前記組成物は一般式：Ｒ１−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ２（式中、Ｒ１及びＲ２は同じか又は異なり、直鎖又は分岐鎖、飽和又は不飽和脂肪族炭化水素基である）；を有する少なくとも一種の第二級アミドを含む潤滑剤及び／又は結合剤及び鉄系粉末を含む。圧縮体は焼結又は熱処理することができる。
圧縮工程前に、従来技術を利用して、鉄系粉末、潤滑剤及び／又は結合剤、及び任意選択的な添加剤を混合して実質的に均質な粉末組成物とすることができる。
粉末金属組成物及び／又はダイは、圧縮前に予熱することができる。
本発明は、更に、上で定義した少なくとも一種の第二級アミドを、鉄又は鉄系粉末のための潤滑剤及び／又は結合剤として使用することにも関する。
本発明の更に別な態様は、上で定義した少なくとも一種の第二級アミドを、ダイ壁潤滑剤として用いることに関する。
次に本発明を次の例を用いて更に記述するが、本発明は、それらに限定されるものではない。
次の例では、下の表２に開示した式を有する潤滑剤を用いた。
例１
この例は、鉄系粉末混合物中に粉末として添加される種々の第二級アミド及び第二級と第一級アミドの種々の組合せの潤滑性を立証するものである。
この例は、鉄系粉末混合物中に粉末として添加される種々の第二級アミド及び第二級と第一級アミドの種々の組合せの潤滑性を立証するものである。
基礎粉末ＡＳＣ １００．２９（スウェーデン、ホガネスＡＢから入手できる）を、表３及び４に従い、０．５重量％の黒鉛〔クロップムール（Ｋｒｏｐｆｍｕｈｌ）からのｕｆ−４〕及び０．８重量％の潤滑剤と２分間レーディゲ（Ｌｏｅｄｉｇｅ）混合機中で混合した。エチレンビスステアルアミド〔ドイツ、クラーリアント（Ｃｌａｒｉａｎｔ）からリコワックス（Ｌｉｃｏｗａｘ）（商標名）として入手できるＥＢＳ〕を基準として用いた。それら潤滑剤は１５０μｍより小さい粒径を持っていた。第二級及び第一級の両方のアミドを含む組成物は、夫々のアミドを５０％（全組成物の０．８重量％）含有していた。
潤滑性を測定するため、内径４５ｍｍ、外径５５ｍｍ、高さ１０ｍｍの環を、３つの異なった圧縮圧力（４００、６００、及び８００ＭＰａ）で周囲温度で圧縮した。圧縮した部品を取り出す間、その取り出し力を記録した。取り出し後、部品の素地密度を測定し、ダイから試料を取り出すために要した全取り出しエネルギー／包絡面積を計算した。得られた取り出しエネルギー及び密度を表３及び４に示す。ＥＢＳを含む基準組成物を使用した場合と比較して、本発明による粉末金属組成物を用いた場合、一層低い取り出しエネルギーが達成された。
例２
基礎粉末ＡＳＣ １００．２９を、２重量％の銅（−１００μｍ）、０．８重量％の黒鉛、及び０．８重量％の潤滑剤〔ａ）ＥＢＳ又はｂ）オレイルパルミトアミド〕と２分間レーディゲ混合機で混合した。潤滑剤は１５０μｍより小さい粒径を持っていた。部品を焼結した後の汚れの形成を測定するため、直径６４ｍｍ及び高さ３２ｍｍの円柱部品を周囲温度で７．１ｇ／ｃｍ３の素地密度まで圧縮した。一つの円柱の重量は７００ｇであった。それら部品を９０／１０のＮ２／Ｈ２を含有する雰囲気中で１１２０℃で１５分間焼結した。それら部品の写真を図１ａ）エチレンビスステアルアミド（ＥＢＳ）及び１ｂ）オレイルパルミトアミドに示すが、図１ａ）は、汚れのない本発明による粉末組成物（１ｂ）から製造された部品とは対照的に、汚れの形成を示している。
基礎粉末ＡＳＣ １００．２９を、２重量％の銅（−１００μｍ）、０．８重量％の黒鉛、及び０．８重量％の潤滑剤〔ａ）ＥＢＳ又はｂ）オレイルパルミトアミド〕と２分間レーディゲ混合機で混合した。潤滑剤は１５０μｍより小さい粒径を持っていた。部品を焼結した後の汚れの形成を測定するため、直径６４ｍｍ及び高さ３２ｍｍの円柱部品を周囲温度で７．１ｇ／ｃｍ３の素地密度まで圧縮した。一つの円柱の重量は７００ｇであった。それら部品を９０／１０のＮ２／Ｈ２を含有する雰囲気中で１１２０℃で１５分間焼結した。それら部品の写真を図１ａ）エチレンビスステアルアミド（ＥＢＳ）及び１ｂ）オレイルパルミトアミドに示すが、図１ａ）は、汚れのない本発明による粉末組成物（１ｂ）から製造された部品とは対照的に、汚れの形成を示している。
例３
この例は、第二級及び第一級アミドの種々の組合せの潤滑性を立証するものであり、それらは一緒に溶融し、冷却し、粉砕した後、鉄系粉末混合物と混合された。
この例は、第二級及び第一級アミドの種々の組合せの潤滑性を立証するものであり、それらは一緒に溶融し、冷却し、粉砕した後、鉄系粉末混合物と混合された。
潤滑剤の組合せは次の方法に従い作られた。すなわち、混合潤滑剤である５０％第一級及び５０％第二級アミドを、８０〜１１０℃で一緒に溶融し、次に冷却した。次にそれら材料を１５０μｍより小さい平均粒径まで粉砕した。
基礎粉末ＡＳＣ １００．２９を０．５重量％の黒鉛及び０．８重量％の潤滑剤の組合せ（表５参照）とレーディゲ混合機中で２分間混合した。潤滑性を測定するため、内径４５ｍｍ、外径５５ｍｍ、高さ１０ｍｍの環を、３つの異なった圧縮圧力４００、６００、及び８００ＭＰａで周囲温度で圧縮した。得られた取り出しエネルギー及び密度を表５に示す。
表５の試験結果を比較すると、本発明による粉末金属組成物から製造した試料は、既知の潤滑剤ＥＢＳから製造した試料と比較して一層低い取り出しエネルギーを示すことが分かる。
例４
この例は、粉末金属組成物中のアミドの種々の組合せの潤滑性及び結合性を立証するものである。
この例は、粉末金属組成物中のアミドの種々の組合せの潤滑性及び結合性を立証するものである。
潤滑剤は１５０μｍより小さい粒径を持っていた。基礎粉末ＡＳＣ １００．２９を、２重量％Ｃｕ−１００、０．８重量％の黒鉛、及び表６による潤滑剤／結合剤の組合せ０．８重量％と、レーディゲ混合機中で２分間混合した。ＥＢＳを用いた混合物を基準として維持する一方、アミドを含む混合物は、第二級アミドの融点よりは高いが、第一級アミドの融点よりは低い温度において、別の混合機中で混合する間加熱し、次に冷却して、それら添加剤の鉄粉末への結合を達成した。この混合物中では、第二級アミドは結合剤として働き、第一級アミドは潤滑剤として働いているはずである。それらアミドの溶融温度は表７に開示されている。
更に、取り出しエネルギーを、３つの異なった圧縮圧力、４００、６００、及び８００ＭＰａで周囲温度で圧縮した外径５５ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ１０ｍｍの環について測定した。得られた取り出しエネルギー及び素地密度を表８に示す。
本発明による潤滑剤／結合剤を利用して製造した試料は、基準として用いた潤滑剤、即ち、ＥＢＳを用いて製造した試料と比較して一層低い取り出しエネルギーを示す。本発明による潤滑剤／結合剤を含む粉末組成物を使用することにより、優れた表面仕上げ、即ち、本質的に擦り傷が無く、汚れの形成を示さない圧縮焼結部品（９０／１０のＮ２／Ｈ２中で１１２０℃で３０分間焼結したもの）を与える結果になった。
例５
粗い電磁軟鉄系粉末で、粒子が無機絶縁体で取り囲まれているものを、表９に従い、第二級アミド潤滑剤と混合した。基準潤滑剤として既知の物質であるステアリン酸亜鉛及びＥＢＳを用いた。用いた鉄系粉末の粒径分布を表１０に開示する。
粗い電磁軟鉄系粉末で、粒子が無機絶縁体で取り囲まれているものを、表９に従い、第二級アミド潤滑剤と混合した。基準潤滑剤として既知の物質であるステアリン酸亜鉛及びＥＢＳを用いた。用いた鉄系粉末の粒径分布を表１０に開示する。
得られた混合物をダイへ移し、１１００ＭＰａの圧縮圧力で一軸プレス運動で、２５ｍｍの直径を有する円柱状試験試料（５０ｇ）へと圧縮した。用いたダイ材料は、慣用的工具鋼であった。圧縮試料を取り出す間の取り出し力を記録した。ダイから試料を取り出すために必要な全取り出しエネルギー／包絡面積を計算した。
取り出しエネルギー、素地密度、及び素地状態での表面外観に関する測定結果を表９に示す。本発明による粉末金属組成物を用いることにより、基準組成物と比較して、優れた表面外観及び一層低い取り出しエネルギーを示す圧縮部品が達成される結果になった。
Claims (20)
- 鉄系粉末、及び一般式：
Ｒ１−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ２
（式中、Ｒ１及びＲ２は、同じか又は異なり、直鎖又は分岐鎖の飽和又は不飽和脂肪族炭化水素基である。）
の少なくとも一種の第二級アミドを含む潤滑剤及び／又は結合剤を含む粉末金属組成物。 - Ｒ１及びＲ２が、独立に、１０〜２４個の炭素原子を含む、請求項１に記載の組成物。
- Ｒ１及びＲ２が、アルキル及びアルケニルからなる群より選択される、請求項１又は２に記載の組成物。
- アルキル基が、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル、エイコシル、ヘンエイコシル、ドコシル、トリコシル、テトラコシルから選択される、請求項３に記載の組成物。
- アルケニル基が、デセニル、ウンデセニル、ドデセニル、トリデセニル、テトラデセニル、ペンタデセニル、ヘキサデセニル、ヘプタデセニル、オクタデセニル、ノナデセニル、エイコセニル、ヘンエイコセニル、ドコセニル、トリコセニル、テトラコセニルから選択される、請求項３に記載の組成物。
- 第二級アミドが、オレイルパルミトアミド、ステアリルステアルアミド、オレイルステアルアミド、ステアリルオレアミド、オレイルオレアミド、ステアリルエルカミド、オレイルエルカミド、エルシルステアルアミド、エルシルオレアミド、エルシルエルカミド、リグノセリルラウルアミド、リグノセリルステアルアミドから選択される、請求項１に記載の組成物。
- 少なくとも一種の第一級アミドを更に含む、請求項１に記載の組成物。
- 第一級アミドが、１２〜２４個の炭素原子を有する飽和又は不飽和直鎖脂肪酸のアミドである、請求項７に記載の組成物。
- 第一級アミドが、パルミトアミド、ステアルアミド、アラキドアミド、ベヘンアミド、及びエルカミドからなる群より選択される、請求項７に記載の組成物。
- 潤滑剤が粒状である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の組成物。
- 潤滑剤が、溶融し、次いで固化した、少なくとも一種の第二級アミドと少なくとも一種の第一級アミドとの粒状混合物を含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載の組成物。
- 組成物が結合された混合物である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の組成物。
- 少なくとも一種の第二級アミドが結合剤として用いられる、請求項１２に記載の組成物。
- 鉄系粒子が絶縁性無機被覆により取り囲まれている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の組成物。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の粉末金属組成物を圧縮することを含む、素地を製造する方法。
- 熱処理又は焼結工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の鉄系粉末と少なくとも一種の第二級アミドとを混合すること、
その混合物をその少なくとも一種の第二級アミドの融点よりも高い温度へ加熱すること、
を含む、結合された鉄系粉末組成物を製造する方法。 - 混合物が、少なくとも一種の第一級アミドを更に含み、加熱温度がその第一級アミドの融点よりも低い、請求項１７に記載の方法。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の潤滑剤及び／又は結合剤の、鉄系粉末のための潤滑剤及び／又は結合剤としての使用。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の潤滑剤の、ダイ壁潤滑剤としての使用。
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