JP2016222943A - 鉄基粉末冶金用混合粉及びその製造方法並びにそれを用いて作製した焼結体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、鉄基粉末と、無水III型の硫酸カルシウム、無水II型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される1種以上を含むCaS原料粉末とを混合してなる混合粉である。このCaS原料粉末は潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されていることを特徴とする。上記混合粉に、3元系酸化物、2元系酸化物、合金用粉末、黒鉛粉末、潤滑剤、バインダー等の各種添加剤を適宜添加してもよい。これら以外に、鉄基粉末冶金用混合粉の製造過程で微量の不可避不純物が含まれてもよい。本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、金型等に充填して成形した上で焼結することにより焼結体を得ることができる。このようにして作製された焼結体は、切削加工を施すことにより各種機械部品に使用することができる。この焼結体の用途及び製造方法は後述する。
鉄基粉末は、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する主要構成成分であり、鉄基粉末冶金用混合粉全体に対し60重量%以上の重量比で含まれることが好ましい。なお、ここでの鉄基粉末の重量%は、鉄基粉末冶金用混合粉のうちの潤滑剤以外の総重量に占める割合を意味する。以下に各成分の重量%を規定する場合、その規定はいずれも潤滑剤を除く鉄基粉末冶金用混合粉の総重量に占める重量割合を意味するものとする。
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、無水III型の硫酸カルシウム、無水II型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される1種以上を含むCaS原料粉末を含み、当該CaS原料粉末が潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されていることを特徴とする。このように潤滑剤及び/又はバインダで被覆されたCaS原料粉末を用いることにより、CaS原料粉末の吸水性を抑制することができ、以って焼結体の各種性能を安定して高めることができる。
CaS原料粉末を被覆する潤滑剤は、無水III型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムの吸湿性を抑制するために添加される。当該潤滑剤は、金型内で鉄基粉末冶金用混合粉を圧縮して得た成形体を、金型から取り出しやすくする機能をも有する。つまり、鉄基粉末冶金用混合粉に潤滑剤を添加すると、金型から成形体を取り出すときの抜き圧を低減し、成形体の割れや金型の損傷を防止することができる。また、ホットメルト法を用いる場合、潤滑剤が鉄基粉末の表面に合金用粉末及び黒鉛粉末を付着させる機能を発揮し、鉄基混合粉末の偏析を防止することもできる。なお、CaS原料粉末を被覆する潤滑剤とは別に、鉄基粉末冶金用混合粉を作製する過程で潤滑剤を添加してもよいし、鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填するときに金型の表面に潤滑剤を塗布してもよい。
CaS原料粉末を被覆するバインダは、無水III型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムの吸湿性を抑制し、かつ鉄基混合粉末の偏析を防止するために添加される。当該バインダは鉄基粉末表面に合金用粉末を付着させる機能も有する。なお、CaS原料粉末を被覆するバインダとは別に、鉄基粉末冶金用混合粉を作製する過程でバインダを添加してもよい。
3元系酸化物は、焼結体を切削加工に長時間用いたときの被削性を向上させるために添加されてもよい。上記3元系酸化物は、CaS原料粉末の添加と相俟って焼結体の被削性を顕著に高め得る。ここで、3元系酸化物とは3種の元素の複合酸化物を意味し、具体的にはCa、Mg、Al、Si、Co、Ni、Ti、Mn、Fe及びZnからなる群より選択される3種の元素の複合酸化物を用いることが好ましく、より好ましくはCa-Al-Si系酸化物、Ca-Mg-Si系酸化物等である。Ca-Al-Si系酸化物としては、2CaO・Al2O3・SiO2等が挙げられる。Ca-Mg-Si系酸化物としては、2CaO・MgO・2SiO2等が挙げられる。中でも2CaO・Al2O3・SiO2を添加することが好ましい。上記2CaO・Al2O3・SiO2は、切削工具中または切削工具に施されたコーティングに含まれるTiO2と反応して、切削工具の表面に保護皮膜を形成し、切削工具の耐摩耗性を顕著に向上させることができる。
2元系酸化物は、焼結体を切削加工に用いたときの切削初期の被削性を向上させるために添加されてもよい。ここで、2元系酸化物とは2種の元素の複合酸化物を意味し、具体的にはCa、Mg、Al、Si、Co、Ni、Ti、Mn、Fe及びZnからなる群より選択される2種の元素の複合酸化物を用いることが好ましく、より好ましくはCa-Al系酸化物、Ca-Si系酸化物等である。Ca-Al系酸化物としては、CaO・Al2O3、12CaO・7Al2O3等が挙げられる。Ca-Si系酸化物としては、2CaO・SiO2等が挙げられる。
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、2元系酸化物及び3元系酸化物の両方を合計重量で0.02重量%以上0.3重量%以下含むことが好ましい。上記酸化物の合計重量は、0.05重量%以上であることが好ましく、より好ましくは0.1重量%以上である。コストの観点からは、2元系酸化物及び3元系酸化物の重量割合は少ないほど好ましい。また、上記酸化物の合計重量は0.25重量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.2重量%以下である。酸化物の合計重量が0.25重量%以下であることにより、焼結体の圧環強度を十分に確保することができる。
合金用粉末は、鉄基粉末同士の結合を促し、かつ焼結後の焼結体の強度を高めるために添加される。このような合金用粉末は、鉄基粉末冶金用混合粉全体に対して0.1重量%以上10重量%以下含まれることが好ましい。0.1重量%以上であることにより焼結体の強度を高めることができ、また10重量%以下であることにより焼結体の焼結時の寸法精度を確保することができる。
本発明の鉄基粉末冶金用混合粉は、CaS原料粉末の表面を潤滑剤によって被覆した後に、当該被覆したCaS原料粉末と鉄基粉末とその他の成分の粉末とを機械撹拌式混合機で混合することにより作製してもよい。また、CaS原料粉末の表面を潤滑剤によって予め被覆せず、密閉容器内で全成分の粉末を加熱しながら混合し、潤滑剤により被覆するホットメルト法を用いて全成分の粉末の表面を潤滑剤で被覆してもよい。あるいは、鉄基粉末冶金用混合粉を構成する各粉末のうち潤滑剤を除く全粉末を密閉容器に添加し、密閉容器にバインダを溶解させた有機溶液を添加して混合した後に有機溶媒を揮発させて、最後に潤滑剤を添加して混合することにより、潤滑剤を除く全粉末の表面を潤滑剤及び/又はバインダで被覆してもよい。上記CaS原料粉末の体積平均粒子径は0.1μm以上60μm以下であることが好ましい。
上記で作製した鉄基粉末冶金用混合粉を金型に充填した後、300MPa以上1200MPa以下の圧力をかけることによって圧粉成形体を製造する。このときの成形温度は、25℃以上150℃以下であることが好ましい。
上記のようにして作製した焼結体は、0.01重量%以上0.1重量%以下のCaSを含むことが好ましい。焼結体中のCaSの上限は0.09重量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.08重量%以下である。また焼結体中のCaSの下限は0.02重量%以上であることが好ましく、より好ましくは0.03重量%以上である。当該焼結体は、必要に応じて切削工具等の種々の工具類で加工することによって、自動車、農機具、電動工具、家電製品の機械部品として使用することができる。上記焼結体を加工する切削工具としては、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用切削工具、旋削加工用切削工具、リーマ、タップ等を挙げることができる。
まず、市販の硫化カルシウム粉末を篩により分級して−63/+45μm(体積平均粒子径54μm)とした。分級した硫化カルシウム粉末を、焼結後のCaSの重量が0.5重量%となるような分量で密閉容器に入れた。この密閉容器に0.75重量%のアミド系潤滑剤(製品名:アクラワックスC(LONZA社製))を添加して、100℃に加熱しながら10分間混合することにより、硫化カルシウム粉末の表面にアミド系潤滑剤を被覆させた。
実施例1では、硫化カルシウム粉末とアミド系潤滑剤(製品名:アクラワックスC(LONZA社製))とを密閉容器に入れて100℃に加熱したが、実施例2では、実施例1で用いた全成分の粉末を密閉容器に入れて、ホットメルト法を用いて100℃に加熱して30分間混合することにより全成分粉末の表面にアミド系潤滑剤を被覆した。その後、室温まで冷却することにより鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。
実施例2で用いたアミド系潤滑剤を、スチレン・ブタジエンゴムを含むトルエン溶液に代えて、トルエン揮発後のスチレン・ブタジエンゴムの重量が0.1重量%となるように添加し、その他の成分は実施例2と同一のものを混合した後に、トルエンを100℃で揮発させることにより、スチレン・ブタジエンゴムをCaS原料粒子の表面に被覆した。その後、実施例1で用いたアミド系潤滑剤を、実施例1で用いた分量と同量添加して混合することにより、実施例3の鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。
比較例1は、CaS原料粉末を添加しなかったことが異なる他は実施例1と同様にして鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。比較例2及び3は、表1の「CaS成分」の欄に示すCaS原料粉末を用いたが、潤滑剤及びバインダで被覆しなかったことが異なる他は実施例1と同様にして鉄基粉末冶金用混合粉を作製した。
表1において、成形体密度、焼結体密度、圧環強度及び工具摩耗量の評価結果を「直後焼結体/10日後焼結体」として記した。かかる表記は、スラッシュを挟んで左側の値が直後焼結体の評価結果であり、スラッシュを挟んで右側の値が10日後焼結体の評価結果である。
Claims (8)
- 鉄基粉末と、無水III型の硫酸カルシウム、無水II型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される1種以上を含むCaS原料粉末と、を含む鉄基粉末冶金用混合粉であって、
前記CaS原料粉末は、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆されている、鉄基粉末冶金用混合粉。 - Ca-Al-Si系酸化物及びCa-Mg-Si系酸化物からなる群より選択される1種以上の3元系酸化物をさらに含む請求項1に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
- 前記3元系酸化物と焼結した後のCaSとの重量比が3:7〜9:1となるように前記3元系酸化物及び前記CaS原料粉末を含む請求項1又は2に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
- 前記CaS原料粉末を、焼結した後のCaSの重量比が0.01重量%以上0.1重量%以下となるように含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
- 前記CaS原料粉末は、体積平均粒子径が0.1μm以上60μm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の鉄基粉末冶金用混合粉。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することによって作製された焼結体。
- 無水III型の硫酸カルシウム、無水II型の硫酸カルシウム、二水硫酸カルシウム、硫化カルシウム及び半水硫酸カルシウムからなる群より選択される1種以上を含むCaS原料粉末を、潤滑剤又はバインダのいずれか一方若しくは両方によって被覆するステップと、
前記被覆されたCaS原料粉末と、鉄基粉末とを混合するステップと、を含む鉄基粉末冶金用混合粉の製造方法。 - 請求項7の製造方法によって作製された鉄基粉末冶金用混合粉を焼結することにより焼結体を得るステップを含み、
前記焼結体は、0.01重量%以上0.1重量%以下の重量比のCaSを含む、焼結体の製造方法。
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