JP2011026700A - 粉末冶金用鉄基混合粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄基混合粉末の流動性を高めて、圧粉体の成形密度を向上させると同時に、圧粉成形後の抜出力を大幅に低減し、もって製品品質の向上と製造コストの低減を達成する。
【解決手段】鉄基混合粉末中に、平均粒子径が０．５μｍ以上の酸化物粒子を、０．０１〜５．０質量％の範囲で含有させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金技術に用いて好適な鉄基混合粉末に関し、特に圧粉成形体の密度を高めると共に、圧粉成形後に圧粉体を金型から抜き出す際の抜出力の有利な低減を図ろうとするものである。

粉末冶金プロセスでは、原料粉末を混合した後、混合粉を移送して金型に充填し、加圧成形により製造した成形体（圧粉体という）を金型から取り出し、必要に応じて焼結などの後処理を施す。
かかる粉末冶金プロセスにおいて、製品品質の向上と製造コストの低減を実現するためには、移送工程における粉末の高い流動性、加圧成形工程における高い圧縮性、さらには圧粉体を金型から抜き出す工程における低い抜出力、を同時に達成することが求められる。

鉄基混合粉末の流動性を改善する手段としては、フラーレン類を添加することによって鉄基混合粉末の流動性を改善できることが特許文献１に開示されている。
また、５００ｎｍ未満の平均粒子径を有する粒状無機酸化物を添加することによって、粉末の流動性を改良する手法が、特許文献２に開示されている。
しかしながら、これらの手段を用いたとしても、流動性を維持した上で、高い圧縮性や低い抜出力を実現するには不十分であった。

また、圧粉体の成形密度を高めたり抜出力を低減したりするためには、鉄基混合粉末を加圧成形する温度において軟質で延伸性を有する潤滑剤を使用することが有効である。その理由は、加圧成形によって潤滑剤が鉄基混合粉末から滲み出して金型表面に付着し、金型と圧粉体との摩擦力を低減するからである。
しかしながら、このような潤滑剤は、延伸性を有するが故に、鉄粉や合金用粉末の粒子にも付着し易く、そのため鉄基混合粉末の流動性や充填性はかえって阻害されるという問題がある。
さらに、上記したような炭素材料、微粒子および潤滑剤を配合することは、鉄基混合粉末の理論密度（空隙率がゼロと仮定した場合）を低下させ、成形密度を低下させる要因となるので、あまりに多量の添加は好ましくない。
このように、従来は、鉄基混合粉末の流動性と、高い成形密度と、低い抜出力とを鼎立させることは極めて難しかった。

なお、鉄基混合粉末への添加物に関する技術として、鉄酸化物であるミルスケールを添加すれば、焼結体の寸法変化率を制御可能なことが、特許文献３に記載されている。
また、鋼材の防錆塗料用顔料として用いられるα−酸化鉄の製造技術に関し、５〜３０のアスペクト比を有するマイカ状酸化鉄の合成法が、特許文献４に開示されている。

特開２００７−３１７４４号公報 特表２００２−５１５５４２号公報 特開平８−３２５６６７号公報 特開平３−１３１５２６号公報

本発明は、上記した現状に鑑みて開発されたもので、鉄基混合粉末の流動性を高めることによって、圧粉体の成形密度を向上させると同時に、圧粉成形後の抜出力を大幅に低減し、もって製品品質の向上と製造コストの低減を併せて達成することができる粉末冶金用鉄基混合粉末を提案することを目的とする。

さて、発明者等は、上記の目的を達成するために、鉄基混合粉末中への添加材について種々検討を重ねた。
その結果、鉄基混合粉末中に、平均粒子径が０．５μｍ以上の酸化物粒子を適量添加することによって、流動性が大幅に改善され、また成形密度および抜出力も併せて改善されるという知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉄基粉末を主成分とする粉末冶金用の鉄基混合粉末であって、該鉄基混合粉末中に、平均粒子径が０．５μｍ以上の酸化物粒子を、０．０１〜５．０質量％の範囲で含有させることを特徴とする粉末冶金用鉄基混合粉末。

２．前記酸化物粒子が、鉄、アルミニウムおよびケイ素から選ばれた少なくとも一種を含有する酸化物であることを特徴とする前記１に記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。

３．前記鉄基混合粉末が、合金用粉末を含有することを特徴とする前記１または２に記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。

４．前記鉄基混合粉末が、有機結合剤を含有することを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。

５．前記鉄基混合粉末が、遊離潤滑剤を含有することを特徴とする前記１〜４のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。

本発明に従い、鉄基混合粉末中に、平均粒子径が０．５μｍ以上の酸化物粒子を適量添加することにより、流動性の向上のみならず、高い成形密度と低い抜出力を併せて達成することができ、その結果、生産性の向上および製造コストの低減が実現される。

粉末のアスペクト比を説明する模式図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明では、鉄基粉末の流動性改善成分として酸化物粒子を活用する。
一般的な鉄基混合粉末では、粉体の流動性を高めたり、成形体の抜出力を低下させたりするために、有機系潤滑剤が１質量％程度配合されている。この有機系潤滑剤の比重は１．０前後であり、鉄粉の比重７．８に比較して著しく低い。一般に、比重差の大きい粉末を混合しようとすると、混合時に偏析現象を起こし、流動性の低下やロット内での特性ばらつきの原因となる。
従って、異なる種類の粉末を混合する場合には、両者の比重差をできるだけ小さくすることが肝要である。

本発明で用いる酸化物粒子が、例えば酸化鉄（ヘマタイト）であれば比重が５．３であって、有機系潤滑剤に比較すると高比重である。従って、この酸化物粒子は、有機系潤滑剤に比べると粉体流動時の粉体層内部での空気流の影響を受けにくい。
従って、有機系潤滑剤に代えて、またはその一部を酸化物粒子で置換した本発明の鉄基混合粉末では、各種添加剤の偏析が抑止された結果、鉄基混合粉末の流動性が改善されるものと考えられる。
また、本発明のように、添加する酸化物粒子の粒子径を大きくすると、かかる酸化物粒子は、特許文献２に開示されているような一次粒子径がナノメートルオーダーの流動性改善粉末のように鉄基粉末表面を被覆するのではなく、鉄基粉末間の空隙へ好適に充填されるものと推定される。従って、成形工程においては圧粉体と金型間の実効接触面積が増大して、スプリングバック応力が分散された結果、抜出力の低下が実現できるものと推定される。

上記の効果を発揮させるためには、酸化物粒子の平均粒子径を０．５μｍ以上とする必要がある。酸化物粒子の平均粒子径が０．５μｍより小さい場合には、十分な抜出力の低減効果が得られない。とはいえ、酸化物粒子の平均粒子径が１００μｍを超えると、粉末冶金に常用される鉄基混合粉末（平均粒径：１００μｍ前後）との均一混合ができなくなり、やはり上記の効果を発揮できなくなるので、酸化物粒子の粒子径は平均で１００μｍ以下とすることが好ましい。より好ましい酸化物粒子の平均粒子径は４０μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以下である。
なお、酸化物粒子中に２０質量％以下程度（酸化物粒子全体に対する比率）の酸化物以外の不純物を含有することは許容される。ただし、工業的入手に支障がなければ、不純物がより少ないもの（例えば１０質量％以下、あるいは２質量％以下）を使用することが好ましい。不純物は特に限定されず、公知の工業的手段で製造させる酸化物粒子に混入するような不純物（例えば、金属やその他の無機化合物）であれば、特に問題はない。

本発明において、酸化物粒子としては、鉄、アルミニウムおよびケイ素のうちから選ばれた少なくとも一種を含有する酸化物が有利に適合する。かかる酸化物の具体例としては、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２などが挙げられるが、特に成分や結晶構造を規定するものではない。酸化物粒子中における、鉄、アルミニウムおよびケイ素のうちから選ばれた少なくとも一種の酸化物の含有量の合計は、８０質量％以上程度（酸化物粒子全体に対する比率）とすることが好ましく、９８質量％以上であることがさらに好ましい。

また、本発明を安価に実行可能とするためには、酸化物粒子が安価でかつ容易に入手できることが好適である。入手容易性という観点からは、鉄の酸化物、あるいは鉄の酸化物を主体とする鉄系の酸化物が特に好ましい。かような鉄系の酸化物のうち比較的工業的に入手が容易であるものとしては、鉄の酸化物を７０〜９５質量％程度（酸化物粒子全体に対する比率）含有し、他にＡｌの酸化物および／またはＳｉの酸化物を合計５〜３０質量％程度含有するものが挙げられる。
ところで、粒子形状をアスペクト比の観点から見ると、アスペクト比が高い粒子は人工的に合成可能である。例えば、特許文献４には、アスペクト比が５〜３０のα−酸化鉄の合成法が開示されている。しかしながら、このような手法は、合成過程で長時間の加熱や加圧が必要であり、製造コストが不可避的に高くなり、なおかつ入手が容易ではなかった。従って、アスペクト比は５未満とすることが好ましい。
本発明において、アスペクト比とは、図１に示すように、粉末の厚さ２に対する長径１の比を意味する。酸化物粒子のアスペクト比は後述する実施例に記載の方法で求めることが好ましい。

また、本発明において、酸化物粒子の鉄基混合粉末に対する配合量が０．０１質量％を下回ると、酸化物粒子の添加効果が現れない。一方、５．０質量％を超えると、抜出力の著しい上昇を招くので好ましくない。従って、酸化物粒子の配合量は０．０１〜５．０質量％とする。より好ましくは０．０５〜１．０質量％の範囲である。

本発明において、鉄基混合粉末の主成分である鉄基粉末としては、アトマイズ鉄粉や還元鉄粉などの純鉄粉、または部分拡散合金化鋼粉および完全合金化鋼粉、さらには完全合金化鋼粉に合金成分を部分拡散させたハイブリッド鋼粉などが例示される。かような鉄基粉末の平均粒子径は、１μｍ以上が好ましく、１０〜２００μｍ程度がさらに好ましい。
なお、本発明において、「主成分」とは、鉄基混合粉末中における鉄基粉末の含有量が５０質量％以上であることを意味する。

また、合金用粉末の種類としては、黒鉛粉末、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどの金属粉末、金属化合物粉末等が例示される。他の公知の合金用粉末も用いることができるのはいうまでもない。これらの合金用粉末の少なくとも１種を鉄基粉末に混合させることにより焼結体の強度を上昇させることができる。
上記した合金用粉末の配合量の合計は、鉄基混合粉末中で０．１〜１０質量％程度とすることが好ましい。というのは、合金用粉末を０．１質量％以上配合することにより、得られる焼結体の強度が有利に向上し、一方、１０質量％を超えると、焼結体の寸法精度が低下するからである。

上記した合金用粉末は、有機結合剤を介して鉄基粉末の表面に付着させた状態（以下、合金成分外装鉄粉という）であることが好ましい。これにより、合金用粉末の偏析を防止し粉末中の成分分布を均一にすることができる。

ここに、有機結合剤としては、脂肪酸アミドや金属石鹸などが特に有利に適合するが、ポリオレフィン、ポリエステル、（メタ）アクリルポリマーおよび酢酸ビニルポリマーなどの、他の公知の有機結合剤も用いることができる。これらの有機結合剤は、それぞれ単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。２種以上の有機結合剤を併用する場合、少なくともその一部を共溶融物として用いても良い。かような有機結合剤の添加量が０．０１質量％未満では、鉄粉の表面に合金用粉末を均一かつ十分に付着できない。一方、１．０質量％を超えると、鉄粉同士が付着し凝集するので、流動性が低下するおそれがある。したがって、有機結合剤の添加量は０．０１〜１．０質量％の範囲とするのが好ましい。なお、有機結合剤の添加量（質量％）は、粉末冶金用鉄基混合粉末全体に占める有機結合剤の比率を指す。

さらに、粉末冶金用鉄基混合粉末の流動性や成形性を向上させるために、遊離潤滑剤を添加することもできる。遊離潤滑剤の添加量は、粉末冶金用鉄基混合粉末全体に占める割合で１．０質量％以下とすることが好ましい。他方、遊離潤滑剤は０．０１質量％以上添加することが好ましい。遊離潤滑剤としては、金属石鹸（たとえばステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マンガン、ステアリン酸リチウム等）、ビスアミド（たとえばエチレンビスステアリン酸アミド等）、モノアミドを含む脂肪酸アミド（たとえばステアリン酸モノアミド、エルカ酸アミド等）、脂肪酸（たとえばオレイン酸、ステアリン酸等）および熱可塑性樹脂（たとえばポリアミド、ポリエチレン、ポリアセタール等）が、圧粉体の抜出力を低減する効果を有するので好ましい。前記以外の公知の遊離潤滑剤も、用いることができる。

本発明においては、有機系潤滑剤の配合量を従来より低減し、これを酸化物粒子で代替することにより、優れた抜出力を確保しつつ、流動性や成形密度を改善することができる。すなわち、通常、上記有機系潤滑剤を低減すると抜出力が上昇するが、本発明では酸化物粒子の添加によりこの悪影響を回避することができる。一方で有機系潤滑剤に代えて酸化物粒子を含有することにより、成形密度は改善される。また、酸化物粒子の存在により流動度も改善される。以上の利点を享受する観点からは、有機系潤滑剤の配合量は鉄基混合粉末全体に占める割合で０．８質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．７質量％以下であり、さらに好ましくは０．６質量％以下である。有機系潤滑剤の下限量としては、有機結合剤と遊離潤滑剤の各下限値の合計である０．０２質量％が好ましい。
なお、有機系潤滑剤は、有機結合剤、有機遊離潤滑剤および有機非遊離潤滑剤（結合剤で鉄粉表面に付着させた有機潤滑剤）の少なくともいずれかからなるが、有機非遊離潤滑剤は有機結合剤でその機能を代用することが多いので、通常は有機結合剤と有機遊離潤滑剤との合計量が有機系潤滑剤の量となる。

次に、本発明の鉄基混合粉末の製造方法について説明する。
鉄基粉末に、本発明に従う酸化物粒子や結合剤、潤滑剤などの添加材、さらに必要に応じて合金用粉末を加えて、混合する。なお、上記した結合剤、潤滑剤などの添加材は、必ずしも全量を一度に添加する必要はなく、一部のみを添加して一次混合を行ったのち、残部を添加して二次混合することもできる。

また、混合手段としては、特に制限はなく、従来から公知の混合機いずれもが使用できる。例えば、従来から知られている撹拌翼型ミキサー（たとえばヘンシェルミキサー等）や容器回転型ミキサー（たとえばＶ型ミキサー、ダブルコーンミキサー等）が使用できる。加熱が必要な場合には、加熱が容易な、高速底部撹拌式混合機や傾斜回転バン型混合機、回転クワ型混合機および円錐遊星スクリュー型混合機等が、特に有利に適合する。

なお、本発明では、上記した添加材の他に、目的に応じて特性を改善するための添加材を添加できることはいうまでもない。例えば、焼結体の切削性を改善する目的で、ＭｎＳなどの切削性改善用粉末の添加が例示される。

鉄基粉末として純鉄粉Ａ（アトマイズ鉄粉、平均粒子径：８０μｍ）と、この純鉄粉の表面に有機結合剤を介して合金用粉末を付着させた合金成分外装鉄粉Ｂとの二種類を準備した。Ｂに用いた合金用粉末はＣｕ粉末（平均粒子径：２５μｍ）：２．０質量％および黒鉛粉末（平均粒径：５．０μｍ）：０．８質量％とした。また、有機結合剤としては、ステアリン酸モノアミド：０．０５質量％およびエチレンビスステアリン酸アミド：０．０５質量％を使用した。なお、これらの添加比率はいずれも、鉄基混合粉末全体に占める比率である。
上記の純鉄粉Ａと合金成分外装鉄粉Ｂとに、アスペクト比が５未満の酸化物粒子と遊離潤滑剤を種々の比率で添加したのち、混合して、粉末冶金用鉄基混合粉末とした。なお、酸化物粒子としては、ＪＣ（Ｆｅ_２Ｏ_３、ＪＦＥケミカル製）、ＭＩＯＸ（Ｆｅ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物：Ｆｅ_２Ｏ_３＝９０質量％、ＳｉＯ_２＝５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３＝３質量％、残部不純物（いずれも概略値）、Karntner Montanindustrie Gesellschaft mbH製）およびＡ３１（Ａｌ_２Ｏ_３、日本軽金属製）を用いた。また、遊離潤滑剤としては、ステアリン酸リチウム：０．１質量％に加えて、ステアリン酸亜鉛や、エチレンビスステアリン酸アミド、エルカ酸アミド等を使用した。なお、鉄粉および酸化物粒子の平均粒子径は、ＪＩＳ Ｒ １６２９に準拠したレーザ回折・散乱法により粒子径分布を測定し、体積基準の積算分率における５０％径を採用した。また、走査型電子顕微鏡で酸化物粒子を観察し、ランダムに選択した５０個の粒子の各アスペクト比の平均値を、アスペクト比とした。
これらの混合粉末の配合比率を表１に示す。この配合比率は、粉末冶金用鉄基混合粉末全体に占める比率である。

次に、得られた各鉄基混合粉末を、金型に充填し、室温で圧力：９８０ＭＰａで加圧成形し、外径：１１ｍｍ、高さ：１１ｍｍの円柱状の圧粉体とした。その際、鉄基混合粉末の流動性、圧粉体を金型から抜き出すときの抜出力および得られた圧粉体の圧粉密度について測定した結果を、表１に併記する。なお、鉄基混合粉末の流動性は、ＪＩＳ Ｚ ２５０２に準拠して評価した。
ここに、流動性は流動度が３０ｓｅｃ／５０ｇ以下であれば、また圧縮性は成形密度が７．３５Ｍｇ／ｍ^３以上であれば、さらに抜出性は抜出力が２５ＭＰａ以下であれば、それぞれ良好といえる。

表１から明らかなように、本発明に従う酸化物粒子を適量添加することによって、流動性は勿論のこと、圧縮性および抜出力に優れる鉄基混合粉末が得られることが分かる。
これに対し、比較例はいずれも、流動性、成形密度および抜出力の少なくとも一つが劣っていた。
表１より、例えば有機系潤滑剤のみを合計０．８質量％含有する比較例９の鉄基混合粉末に比べ、鉄系の酸化物粒子（Ｆｅ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物粒子）を配合して有機系潤滑剤を０．４〜０．５質量％に低減した発明例９および１０の鉄基混合粉末は、同等の抜出力を確保しつつ、成形密度や流動度が顕著に改善されていることが分かる。無論、発明例８より分かるように、さらに有機系潤滑剤を低減しても良好な流動度、成形密度および抜出力が得られる。
なお、有機結合剤、遊離潤滑剤、合金用粉末および酸化物粒子（特に鉄、アルミニウムおよび／またはケイ素を含有する酸化物粒子）等を種々変えた場合や、切削性改善用粉末等をさらに添加した場合においても、上記発明例と同様の結果が得られた。

本発明に従う酸化物粒子を、鉄基混合粉末中に適量添加することにより、流動性は勿論のこと、成形密度と抜出力を併せて改善することができ、ひいては生産性の向上のみならず、製造コストを低減することができる。

１ 長径
２ 厚さ

Claims (5)

1. 鉄基粉末を主成分とする粉末冶金用の鉄基混合粉末であって、該鉄基混合粉末中に、平均粒子径が０．５μｍ以上の酸化物粒子を、０．０１〜５．０質量％の範囲で含有させることを特徴とする粉末冶金用鉄基混合粉末。
2. 前記酸化物粒子が、鉄、アルミニウムおよびケイ素から選ばれた少なくとも一種を含有する酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。
3. 前記鉄基混合粉末が、合金用粉末を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。
4. 前記鉄基混合粉末が、有機結合剤を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。
5. 前記鉄基混合粉末が、遊離潤滑剤を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基混合粉末。

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