JP4018223B2

JP4018223B2 - 粉末冶金用複合潤滑剤および寸法安定性に優れた粉末冶金用混合粉末、並びに該混合粉末を用いた焼結品の製法

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Publication number: JP4018223B2
Application number: JP03768298A
Authority: JP
Inventors: 宣明赤城; 義和関; 和久藤澤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JPH11229002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加圧成形工程と焼結工程を伴う粉末冶金、特に鉄を主体とする金属粉末冶金に用いられる複合潤滑剤および該潤滑剤を含む粉末冶金用混合粉末、並びに該粉末を用いた焼結品の製法に関し、特に潤滑剤を工夫することによって焼結時の寸法変化率のバラツキを少なくし、寸法安定性の高い焼結品を得るための改良技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粉末冶金とは、周知の通り金属粉末を原料としこれを圧粉成形した後焼結させて焼結成形品を得る技術であり、複雑な形状の部品であっても高精度の成形品を得ることができるところから、工業的に広く実用化されている。即ち粉末冶金は、鉄粉などの金属粉を含む粉末原料を金型で所望の形状に圧粉成形した後、粉末同士を強固に結合させるため焼結が行なわれる。
【０００３】
ところで焼結雰囲気ガスとしては、水素や窒素などの非酸化性ガスも用いられているが、通常は、工業的に安価に得ることのできる都市ガスや天然ガスを主体とし、これらを触媒の存在下で９００〜１１００℃程度に加熱し、炭化水素やＣＯを含むガスに変性して使用する例が多い。ところがこれらの変性ガスを使用すると、該変性ガス中に含まれる上記炭化水素やＣＯと被焼結金属、特に鉄との間で起こるＣの授受などによって焼結中に複雑な膨張・収縮現象が起こるため、焼結のままでは、最近における高度の寸法精度要求を満たすことが困難になっている。従って、焼結後の寸法調整を標準化すると共に簡略化するには、焼結時における寸法変化率のバラツキを極力少なくすることが望まれる。
【０００４】
寸法変化率とは、成形体または金型寸法に対する焼結工程で生じたワークサイズ変化量の百分率を意味し、そのバラツキは、
▲１▼粉末冶金用混合粉末の偏析に起因するもの、
▲２▼成形体密度のバラツキに起因するもの、
▲３▼焼結条件の変動に起因するもの、
▲４▼粉末冶金用混合粉末に用いられる各原料粉末の性状のバラツキに起因するもの
等が挙げられる。これらのうち、上記▲４▼として挙げた各原料粉末の性状に由来するバラツキについては、工業的量産におけるロット間のバラツキが避けられず、性状バラツキの許容範囲を過度に狭幅化することは、原料粉末の過度のコスト上昇を招く。
【０００５】
そこで、寸法変化率のバラツキ低減対策としては、上記▲１▼〜▲３▼に起因するバラツキを極力少なくすることが必要となるが、本発明者らが種々研究を重ねたところによると、中でも▲３▼として示した焼結条件の変動によって脱ロウ完了のタイミングにズレが起こり、脱ロウ残渣が前述した様な変性ガスと鉄粉間で生じる炭素（Ｃ）授受反応の触媒として作用し、焼結製品の寸法変化率のバラツキを大きくする原因になることが確認された。
【０００６】
ところで、従来より粉末冶金用混合粉末には、金型からの抜出抵抗の低減や粉末間の摩擦力を低減し成形体密度を向上させることを主目的として潤滑剤が添加されるが、潤滑剤の銘柄や添加量は次の様な観点から選定されている。
【０００７】
すなわち、
潤滑剤銘柄の選定：
・高成形体密度や高見掛密度が求められる場合は、高級脂肪酸金属塩系潤滑剤
（高級脂肪酸Ｚｎ、高級脂肪酸Ｃａ、高級脂肪酸Ｍｇ、高級脂肪酸Ｌｉ等）、
・金型からの抜出し性（低抜出し抵抗）、焼結体や焼結炉の汚れ防止が重視される場合は、ワックス系潤滑剤（高級脂肪酸、あるいはそれらの酸アミドもしくはビスアミドなど）
がそれぞれ選択される。
【０００８】
また潤滑剤添加量の決定は、金型からの抜出し性（金型寿命と潤滑剤コスト）や圧縮性（潤滑剤を多量に添加すると圧縮性は低下する）の兼ね合いで決定される。
【０００９】
一方、焼結部品の機械的特性は密度に大きく依存するので、成形時に高密度が得られ易い高級脂肪酸金属塩系潤滑剤、特にステアリン酸亜鉛が多く用いられている。
【００１０】
ところがステアリン酸金属塩系潤滑剤では、成形時に高密度が得られ易いという利点が得られる反面、焼結時における分解残渣の排出（脱ロウ）が不十分であるという欠点があり、これが焼結時における寸法変化のバラツキを大きくする原因になっている。一方ワックス系潤滑剤は、焼結時の分解放出性が良好で分解残渣に由来する焼結不良や寸法精度のバラツキは少ないが、密度向上効果が乏しいため、密度不足による寸法精度のバラツキが避けられず、また機械的特性も低い。
【００１１】
また、ステアリン酸金属塩系潤滑剤を使用した粉末冶金用混合粉末とワックス系潤滑剤を用いた粉末冶金用混合粉末では、それら混合粉末の見掛け密度と焼結時における寸法変化率が著しく異なるため、ステアリン酸金属塩系潤滑剤を用いた粉末冶金用混合粉末に対して設計された金型をそのまま、ワックス系潤滑剤を用いた粉末冶金用混合粉末用の金型として使用することはできず、各々専用の金型を準備しなければならないという難点もある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な従来技術の欠点に着目してなされたものであって、その目的は、圧粉成形時には高密度を確保することができ、しかも焼結時の分解放出が良好で分解残渣も少なく、粉末冶金用混合粉末バッチ間の焼結工程における寸法変化のバラツキを可及的に低減して寸法安定性を高め得る様な潤滑剤を開発すると共に、ひいては、該潤滑剤を用いた寸法変化率バラツキが小さく寸法安定性の高い粉末冶金用混合粉末を開発し、更には、該混合粉末を用いて寸法精度の高い焼結品を得ることのできる方法を開発しようとするものである。本発明の更に他の目的は、上記寸法安定性の向上により、ステアリン酸金属塩系潤滑剤を用いた粉末冶金用混合粉末の使用を前提として設計された金型に対して支障なく適用できる様な粉末冶金用混合粉末を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明にかかる複合潤滑剤とは、高級脂肪酸金属塩粉末に、脱ロウ促進剤としてワックス潤滑剤を配合し、焼結時の寸法安定性を高めたものであることころに特徴を有している。ここで用いられるワックス潤滑剤としては、高級脂肪酸金属塩粉末に対する脱ロウ促進剤としての機能をより有効に生かすため、焼結プロセスにおいて高級脂肪酸金属塩よりも低粘性を示して該高級脂肪酸金属塩の脱ロウを促進するものを使用することが望ましい。
【００１４】
また本発明に係る粉末冶金用混合粉末とは、粉末冶金用金属粉末中に、潤滑剤として高級脂肪酸金属塩粉末が含まれると共に、該高級脂肪酸金属塩粉末の脱ロウ促進剤としてワックス潤滑剤が含まれ、焼結時の寸法安定性を高めたものであるところに特徴がある。また本発明に係る焼結品の製法は、上記粉末冶金用混合粉末を原料として使用し、これを圧粉成形した後、都市ガスもしくは天然ガス主体の変性ガスを雰囲気ガスとして用いて焼結を行なうところに特徴を有している。
【００１５】
なお本発明で用いられる上記高級脂肪酸金属塩として特に好ましいのは、入手の容易性や潤滑効果などの観点からステアリン酸金属塩である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず本発明で用いられる高級脂肪酸金属塩粉末としては、一般的に粉末冶金で用いられる高級脂肪酸の金属塩粉末が挙げられ、具体的にはステアリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ベヘン酸などの高級脂肪酸の亜鉛塩、リチウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩、鉛塩、コバルト塩、Ｎｉ塩などが例示される。これらの中でも、入手の容易性や潤滑性能等を総合的に考慮して最も一般的なのは、ステアリン酸亜鉛（Ｚｎ−ｓｔ．）、ステアリン酸リチウム（Ｌｉ−ｓｔ．）、ステアリン酸カルシウム（Ｃａ−ｓｔ．）、ステアリン酸マグネシウム（Ｍｇ−ｓｔ．）、ステアリン酸鉛（Ｐｂ−ｓｔ．）、ステアリン酸コバルト（Ｃｏ−ｓｔ．）、ステアリン酸ニッケル（Ｎｉ−ｓｔ．）などであり、これらは粉末状態のものとして単独で使用し、あるいは２種以上を併用することができる。以下本明細書では、最も一般的なステアリン酸金属塩を代表例として説明を進める。
【００１７】
上記の様なステアリン酸金属塩粉末は、粉末冶金用の潤滑剤として広く実用化されており、前述の如く圧粉成形時に高密度が得られ易い反面、焼結時における分解残渣（例えば酸化亜鉛や酸化鉛などの金属酸化物）の排出（脱ロウ）が起こり難く、これが原因して焼結時の寸法変化のバラツキが大きくなるといった欠点を有している。こうした欠点は、前述した如く都市ガスや天然ガスの変性ガスを焼結雰囲気ガスとして用いた時に顕著に現われてくる。
【００１８】
即ち、一般に鉄粉系粉末冶金における脱ロウ温度域は６００〜７００℃前後と考えられているが、焼結雰囲気ガスとして前述の如き変性ガスを用いた場合は、該脱ロウ温度に至るまでの間に脱ロウがほぼ完全に完了していないと、前述の如く脱ロウ残渣（酸化亜鉛や酸化鉛など）の上記触媒作用によって前述した如く変性ガスと鉄粉間で炭素（Ｃ）授受反応が進行し、これが焼結製品の寸法変化率のバラツキとなって顕著に現われてくる。
【００１９】
従って、ステアリン酸金属塩粉末を使用することによって生じる上記欠点、特に脱ロウ不良による寸法変化率のバラツキを可及的に低減して寸法安定性を高めるには、通常６００℃前後と考えられている脱ロウ温度域に到達する前の低温域で脱ロウを完了させることが必要となる。
【００２０】
こうした観点から更に研究を進めた結果、該ステアリン酸金属塩粉末と共に、該ステアリン酸金属塩粉末に対して好ましくは等量以下（全量中に占める比率で５０％以下）のワックス潤滑剤を併用すれば、該ステアリン酸金属塩粉末の脱ロウが該ワックス潤滑剤によって加速され、脱ロウ不良による寸法変化率バラツキの増大が解消されることを知った。
【００２１】
ここで用いられるワックス潤滑剤としては、例えばベヘン酸やオレイン酸などの脂肪酸、もしくはそれらのモノアミドやビスアミド等が例示され、これらを単独で使用し得る他、２種以上を併用することも可能である。これらのワックス潤滑剤は、前述の如く粉末冶金用潤滑剤としても使用し得ることが知られているが、該ワックス潤滑剤は、前述した様な特徴を有効に活かすため、ステアリン酸金属塩等の高級脂肪酸金属塩系の潤滑剤とは異なる目的で使用されており、少なくとも、ステアリン酸金属塩粉末に対する脱ロウ不足による寸法変化率のバラツキを低減するためにワックス潤滑剤を併用するといった使用形態はこれまで提案されていない。ところが、ステアリン酸金属塩粉末と共に適量のワックス潤滑剤を併用すると、該ステアリン酸金属塩粉末の脱ロウが該ワックス潤滑剤によって加速され、脱ロウ不足による寸法変化率バラツキの増大が解消されることをつきとめたのである。
【００２２】
なお、該ワックス潤滑剤の上記脱ロウ促進効果をより有効に発揮させるには、焼結プロセスにおいて高級脂肪酸金属塩よりも低粘性を示して脱ロウを促進するものを選択することが望ましい。
【００２３】
なお本発明に類似した潤滑剤として、高級脂肪酸金属塩と高級脂肪酸ビスアミドを溶融混合した後粉砕し、圧粉成形時の減摩性を改善した複合潤滑剤が知られている（特開昭５４−１１７８７３号）。しかしこの複合潤滑剤を得るには、溶融混合と粉砕の少なくとも２工程が必要となるため生産性が悪い。しかもこの複合潤滑剤は、高級脂肪酸ビスアミドの併用によって減摩性を高め、圧粉成形体密度を向上させるところに特徴を有するものであり、本発明で併用されるワックス潤滑剤の如く高級脂肪酸金属塩粉末の焼結時における脱ロウを促進するといった技術思想は存在しない。しかも該公報に開示された複合潤滑剤では、高級脂肪酸金属塩と高級脂肪酸ビスアミドの溶融混合によって一見両者の複合効果が相乗的に発揮されると考えられるが、少なくとも焼結時の寸法安定性においては、本発明の様にステアリン酸金属塩とワックス潤滑剤をそれぞれ単独で添加した場合の方が優れた性能を発揮することが確認された。
【００２４】
その理由は明らかでないが、溶融混合物では、潤滑剤としての粘性がステアリン酸金属塩とワックスとの中間的な値になるのに対し、単純混合タイプの潤滑剤では、焼結温度において低粘性のワックスが毛細管現象によって金属粉末間の微細な隙間を速やかに移動して外部へ放出される際に、比較的高粘性のステアリン酸金属塩の放出を加速して脱ロウを促進するのではないかと考えている。しかもステアリン酸金属塩とワックス潤滑剤を溶融混合してから粉砕したものでは、溶融混合過程で両者が何らかの化学反応を起こし、本発明で得られる様にワックス潤滑剤による脱ロウ促進効果が十分に発揮されなくなることも考えられ、いずれにしても、上記溶融混合・粉砕物では、後記実施例でも明らかにする如く、満足のいく寸法変化率バラツキの低減効果を得ることができない。
【００２５】
以下、ワックス潤滑剤を併用することによる効果についての検討結果を含めて更に詳細に説明する。
【００２６】
本発明者らは、ステアリン酸金属塩粉末を潤滑剤として使用し、前述した如き変性ガス雰囲気下で焼結した場合に起こる寸法変化のバラツキは、粉末冶金用混合粉末のバッチ間、すなわち用いられる各原料粉末のロット間のわずかな性状の違いにより、ワックスに比べてステアリン酸金属塩の脱ロウ不良が顕著に現われる、という知見から、ステアリン酸金属塩の分解残渣（ＺｎＯ、Ｌｉ₂ ＣＯ₃ など）が、焼結雰囲気あるいは粉末冶金用混合粉末に強化成分として添加されている黒鉛粉末（Ｇｒ）と鉄粉とのＣ授受において触媒的な作用を果たすことにより助長されるのではないかと考え、ステアリン酸金属塩の脱ロウ性向上および分解残渣の低減方法について検討した。
【００２７】
その結果、ステアリン酸金属塩粉末と少量のワックス潤滑剤を併用すると、潤滑剤全体としての粘性がステアリン酸金属塩単体よりも大幅に低下し、毛細管現象によって成形体からの脱ロウが容易となることを見出した。また潤滑剤は焼結炉の脱ロウ帯で昇温する際に、液化・ガス化して成形体中から除去されるが、ワックス潤滑剤は分解・揮散がステアリン酸金属塩よりも早いため、極く少量のワックス潤滑剤を添加すれば、ステアリン酸金属塩および分解残渣の成形体中からの除去も促進されることを見出し、上記本発明に想到したものである。
【００２８】
以下、本発明で規定する前記各要件について、それぞれの設定理由を実験データに基づいて詳細に説明していく。
【００２９】
［複合潤滑剤の粘度測定］
まず、ステアリン酸金属塩粉末と共にワックス潤滑剤を併用することによって、潤滑剤の粘性が低下することを明らかにする。潤滑剤には、ステアリン酸金属塩粉末としてステアリン酸亜鉛（日本油脂製）粉末を、またワックス潤滑剤としてエチレンビスアマイド（大日化学社製の商品名「ＷＸＤＢＳ」）を使用し、ステアリン酸亜鉛粉末単体（ＺＮ−ｓｔ）、ワックス潤滑剤単体（ＷＡＸ）、およびステアリン酸亜鉛粉末とワックス潤滑剤を９：１〜３：７の重量比率で混合した複合潤滑剤を準備した。複合潤滑剤は、混合機に所望の比率となる様にステアリン酸亜鉛粉末とワックス潤滑剤を装入し、常温で３０分間混合することにより調製した。更に複合潤滑剤については、比較のため、ステアリン酸亜鉛とワックスを所定の比率で配合し、加熱して溶融混合した後、室温に冷却してから粉砕したものを準備した。
【００３０】
上記各潤滑剤について、ビスコテスター（クオン株式会社製の回転円筒型粘度計「ＶＴ−０４型」）を使用し、試験温度を変化させて各潤滑剤の粘性を測定したところ、表１および図１に示す結果を得た。なお、ビスコテスターの粘性測定下限値は０．３０Ｐ（ポイズ）であるので、該測定下限値以下であったものについては、表中に＜０．３０と表記している。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１および図１からも明らかである様に、単純混合の複合潤滑剤は、僅か１０％のワックス潤滑剤を添加することによって、１６０℃における粘度はステアリン酸亜鉛（Ｚｎ−ｓｔ）単独の場合の１／３以下に低下している。また単純混合則が成り立つならば、１６０℃におけるワックス（ＷＡＸ）の粘度を０ポイズと仮定すると、Ｚｎ−ｓｔ：ＷＡＸ＝９：１では２．２５、Ｚｎ−ｓｔ：ＷＡＸ＝７：３では１．７５となるはずであるが、実験より得られた複合潤滑剤の粘度はこれらの計算値よりも大幅に低く、単純混合則が成り立たないことを示している。
【００３３】
更に、複合潤滑剤であっても混合形式によってかなり異なった傾向を示し、２種の潤滑剤を溶融混合したものよりも粉末状態で単純混合した複合潤滑剤の方が同一温度における粘度が低く、焼結工程における脱ロウがより良好になることを確認できる。
【００３４】
［潤滑剤による寸法変化率バラツキの差異］
混合粉末ロット間の寸法変化率バラツキに及ぼす潤滑剤の影響を、試験用メッシュベルト式焼結炉で確認した。潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛（日本油脂製）と大日化学社製のワックス「ＷＸＤＢＳ」を用い、ステアリン酸亜鉛の分解生成物の影響を確認するため、ワックス潤滑剤に−１０μｍの金属亜鉛粉末（Ｍｅ・Ｚｎ：試薬）をステアリン酸亜鉛に含まれる亜鉛分の相当量添加したもの（ＷＡＸ＋Ｍｅ・Ｚｎ）、およびステアリン酸粉末（試薬）を比較に加えた。
ベース鉄粉：神戸製鋼所製「アトメル３００Ｍ」（ロットの異なる４種）
混合粉配合：Ｆｅ−１．５％Ｃｕ−１．０％Ｇｒ＋０．８％Ｌｕｂ
＊Ｃｕ，Ｇｒ（グラファイト）は同一銘柄・同一ロット、
潤滑剤（Ｌｕｂ）は上述の４種
成形体：３０ｍｍφ−１０ｍｍφ×１０ｍｍ^t リング状試験片、
成形密度６．９０ｇ／ｃｍ³
焼結：１１２０℃×２０分、都市ガス変成ガス雰囲気
寸法変化率（ＤＣ）：テストピース外径を金型基準で評価（％）
結果を表２および図２に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表２および図２からも明らかである様に、ステアリン酸亜鉛（Ｚｎ−ｓｔ）とワックス（ＷＡＸ）を比較すると、
▲１▼ステアリン酸亜鉛を潤滑剤として用いた混合粉末のロット間にはかなりのバラツキ（Ｒ）があり、
▲２▼混合粉配合や焼結条件により程度は異なるが、ステアリン酸亜鉛とＷＡＸではＤＣの平均値も大きく違うため、寸法変化率の混合粉ロット間バラツキを低減する目的で潤滑剤銘柄を単純に変更することはできない
ことがわかる。
【００３７】
また金属分を含まないステアリン酸では、バラツキがステアリン酸亜鉛の約半分となり、ワックスを使用した場合のバラツキに近づいているが、やはり寸法変化率の平均値がステアリン酸亜鉛のそれと大きく違ってくるため、既存の金型をそのまま使用するには問題がある。
【００３８】
更に、ワックス潤滑剤に金属亜鉛粉末（Ｍｅ・Ｚｎ）を添加した潤滑剤、および亜鉛を含まないステアリン酸では、寸法変化率バラツキがステアリン酸亜鉛よりもかなり小さいことから、Ｚｎを含む分解残渣がバラツキを拡大し、寸法変化率の平均値にも影響していることがわかる。
【００３９】
［複合潤滑剤の粉体、圧粉体特性に及ぼす影響］
粉末冶金用混合粉末の見掛密度（ＡＤ）が極端に低くなると、金型のコアやパンチのストロークに制約を受け、既存の金型をそのまま使用できないことがある。そこで、神戸製鋼所製「アトメル３００Ｍ」をベース鉄粉として、Ｆｅ−２％Ｃｕ−０．８％Ｇｒ＋０．８％Ｌｕｂの混合粉末を調製し、圧縮性、見掛密度（ＡＤ）、流れ性（ＦＲ）に及ぼす影響を確認した。複合潤滑剤は、Ｚｎ−ｓｔ：ＷＡＸ＝９：１〜３：７の範囲で変化させ、ステアリン酸亜鉛粉末とワックス潤滑剤が表３に示す比率となる様に鉄粉、銅粉（Ｃｕ）、黒鉛粉（Ｇｒ）と共にＶ型混合機に添加してから３０分間混合し、夫々について成形圧力を変えた時の成形体密度［ＧｒｅｅｎＤｅｎｓｉｔｙ：ＧＤ］と見掛密度［ＡｐｐａｒｅｎｔＤｅｎｓｉｔｙ：ＡＤ］および流れ性［ＦｌｏｗＲａｔｅ：ＦＲ］を調べた。結果を表３に示す。
【００４０】
【表３】

【００４１】
表３からも明らかである様に、圧縮性と見掛け密度は、ワックス潤滑剤の配合比率が高まるにつれて低下し、流れ性も悪化してくる。混合粉末の見掛密度に対する金型の調整許容範囲は、対象とする部品や金型の設計によっても異なるので、一義的に決めることはできないが、ワックス潤滑剤の配合比率が５０％を越えると、ステアリン酸亜鉛を用いた混合粉末に比べて見掛密度が極端に低下するため、ワックス潤滑剤の配合比率は、複合潤滑剤中に占める比率で５０％以下（ステアリン酸亜鉛に対して等量以下）が望ましい。
【００４２】
［複合潤滑剤の寸法変化率バラツキに対する効果］
複合潤滑剤のロット間寸法変化バラツキおよび寸法変化率の平均値への影響を調べるため、神戸製鋼所製「アトメル３００Ｍ」のロットの異なる９種をベース粉として、Ｆｅ−３％Ｃｕ−０．８５％Ｇｒ＋０．８％Ｌｕｂ配合の混合粉１〜９を調整した。複合潤滑剤は、混合粉の圧縮性と見掛密度について検討した上記方法と同様に、２種の潤滑剤を単純に混合したものと、比較のため２種の潤滑剤を所定の比率で配合してから溶融混合した後、室温まで冷却して粉砕したものを用いた。焼結には小型メッシュベルト式焼結炉を用い、都市ガス変性ガス雰囲気中１１００℃×１５分で行った。表４，５および図３に成形体基準の寸法変化率（％）を示す。
【００４３】
【表４】

【００４４】
【表５】

【００４５】
表４および図３は、単純混合タイプの複合潤滑剤を用いた例であり、これらからも明らかである様に、ワックス潤滑剤の添加量を多くするにつれて、寸法変化率（ＤＣ）の平均値はワックス潤滑剤単独使用のものに近づくが、ワックス潤滑剤添加量が５０％を越えると寸法変化率が大幅に変化し、金型のわずかな修正では対応できなくなる。また寸法変化のロット間バラツキ（Ｒ）も、５０％以上の添加による改善効果は認められず、実質的にワックス潤滑剤単独使用の作用効果と変わらなくなるため、２種の潤滑剤を混合する意味がなくなる。よってワックス潤滑剤添加量の上限は、ステアリン酸金属塩粉末に対して等量以下、すなわち複合潤滑剤中に占める比率で５０％とするのが適当である。
【００４６】
上記の様にワックス潤滑剤は、ごく少量の添加で潤滑剤全体の粘度を低下させ、脱ロウを促進して寸法変化率のバラツキを低減するので、該ワックス潤滑剤添加量の下限は特に制限されず、また粉末冶金用混合粉末の合金配合組成、焼結条件、成形方法によっても寸法変化率やそのバラツキの程度は変わってくるので、該ワックス潤滑剤配合量の下限値を一義的に決めることはできない。従って、用いられる金型の種類や焼結法に応じて、ワックス潤滑剤の添加量と寸法変化率の関係やバラツキ低減の程度を予め確認し、最適添加量を求めるべきである。即ち、ワックス潤滑剤の添加量下限を一義的に決めることはできず、Ｏ％超と規定されるが、実用規模でワックス潤滑剤の添加効果をより確実に発揮させるに、ステアリン酸金属塩粉末１０重量部に対して１〜１０重量部、より好ましくは３〜８重量部の範囲である。
【００４７】
また上記表５は、溶融混合タイプの複合潤滑剤を用いた例であり、このタイプの複合潤滑剤でも上記単純混合タイプの複合潤滑剤とほぼ同様の傾向が認められるが、表４と表５を対比すれば明らかである様に、ロット間の寸法変化率のバラツキは単純混合タイプの複合潤滑剤よりも大きくなっている。即ち寸法変化率の安定性に関しては、工程が複雑で高コストにつく溶融混合タイプの複合潤滑剤よりも、単純混合タイプの複合潤滑剤の方が優れている。
【００４８】
［各種ステアリン酸金属塩とワックス潤滑剤の組合せ効果］
ステアリン酸金属塩粉末とワックス潤滑剤の様々の組合せについての検討を以下に説明する。
【００４９】
ステアリン酸金属塩粉末として、ステアリン酸亜鉛（Ｚｎ−ｓｔ）、ステアリン酸リチウム（Ｌｉ−ｓｔ）、ステアリン酸カルシウム（Ｃａ−ｓｔ）、ステアリン酸マグネシウム（Ｍｇ−ｓｔ）、ステアリン酸鉛（Ｐｂ−ｓｔ）、ステアリン酸コバルト（Ｃｏ−ｓｔ）、ステアリン酸ニッケル（Ｎｉ−ｓｔ）を使用し、またワックス潤滑剤としては、モノアミド（ステアリアン酸アミド：試薬）、ビスアミド（エチレンステアリルビスアミド：試薬）、カルボン酸（オレイン酸：試薬）を使用した。発明例における複合潤滑剤のステアリン酸金属塩粉末とワックス潤滑剤の配合比率は８：２とし、鉄粉としては神戸製鋼所製「アトメル３００Ｍ」を用いて、Ｆｅ−２％Ｃｕ−０．８％Ｇｒ＋０．７５％Ｌｕｂの混合粉を調製した。金型を用いて３０ｍｍφ−１０ｍｍφ−１０ｍｍ、成形体密度６．８０ｇ／ｃｍ³ の成形体を作製し、都市ガス変成ガス雰囲気中１１３０℃×３０分の焼結を施した。成形体基準の外径寸法変化率のバラツキ（Ｒ）は下記表６に示した通りであり、発明材は、比較材に比べていずれも優れた寸法変化率のバラツキ低減効果が認めらる。
【００５０】
【表６】

【００５１】
［複合潤滑剤の焼結挙動への影響］
アトメル３００Ｍ−２％Ｃｕ−０．８％Ｇｒ＋α％Ｌｕｂ配合のテストピースを使い、複合潤滑剤の焼結時における寸法変化率への影響を熱膨張計で測定した。結果は図４，５に示す通りであり、ステアリン酸亜鉛単独添加材では、６００℃付近から急激な膨張を起こす。またステアリン酸亜鉛を０．８％添加したものでは、１０００℃以上の昇温過程でも複雑な挙動を示し、ステアリン酸亜鉛の添加量を０．４％に減少すると、１０００℃以上での複雑な挙動は見られなくなるが、これはステアリン酸亜鉛の分解残渣の多少に起因したもので、添加量を減らすことによって成分系独自の膨張・収縮挙動となるためと考えられる。
【００５２】
一方、ステアリン酸亜鉛とワックス潤滑剤を５：５の比率で混合した複合潤滑剤では、ステアリン酸亜鉛を０．４％に減少した材料でさえも見られる６００℃付近からの急激な膨張が著しく緩和され、ワックス潤滑剤と似た膨張収縮挙動を示している。これは、ステアリン酸亜鉛の成形体からの抜け出し（脱ロウ）が低粘度のワックスによって促進されたためと考えられる。
【００５３】
上記の様に本発明の複合潤滑剤は、高級脂肪酸金属塩粉末とワックス潤滑剤を混合せしめてなるところに特徴を有しており、これを粉末冶金用の潤滑剤として使用する場合は、上記混合粉末をそのまま粉末冶金用金属粉末中に適量（通常は０．１〜１．５重量％程度）添加して均一に混合すれば良いが、この他、前記高級脂肪酸金属塩粉末とワックス潤滑剤を、前述した配合比率を満たす様に粉末冶金用金属粉末に別々に添加して均一に混合することによっても、全く同様の成果を得ることができる。
【００５４】
またこの複合潤滑剤は、前述の如く金属粉を焼結する際の脱ロウ性が良好であるので、鉄粉や鉄系合金粉末の他、Ｎｉ粉やＣｏ粉などの非鉄金属粉末を用いた粉末冶金用の潤滑剤としても有効に活用できるが、本発明の特徴が最も有効に発揮されるのは、鉄粉や鉄系合金粉末を使用し、都市ガスや天然ガスの変性ガスを焼結雰囲気ガスとして用いて焼結を行なう場合である。しかして鉄粉や鉄系合金粉末を上記変性ガスを用いて焼結する際には、先に述べた様に雰囲気ガス中に含まれる炭化水素やＣＯと鉄との間で起こるＣの授受などによって焼結中に複雑な膨張・収縮現象が起こるため、焼結のままで高度の寸法安定性を確保することが特に困難になるが、本発明の複合潤滑剤を使用すれば、こうした寸法安定性の低下を可及的に抑えることができ、その結果として、焼結時における寸法変化率のバラツキを極力少なく抑えると共に、焼結後の寸法調整を標準化することが容易になるからである。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、潤滑剤としての高級脂肪酸金属塩粉末と、脱ロウ促進剤としてのワックス潤滑剤を併用することにより、高級脂肪酸金属塩系潤滑剤の特徴を有効に発揮させつつ、その欠点である脱ロウ不足とそれに伴う焼結時の寸法変化率のバラツキを大幅に低減することができ、高級脂肪酸金属塩系潤滑剤仕様の既存金型を大幅修正したり新規設計を行なうことなく、寸法精度の高い焼結製品を提供し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワックス潤滑剤の配合比率が複合潤滑剤の粘性に与える影響を示したグラフである。
【図２】潤滑剤の種類と焼結品の外径寸法変化率の関係を示すグラフである。
【図３】ワックス潤滑剤の配合比率が焼結時の寸法変化率とそのバラツキに与える影響を示したグラフである。
【図４】潤滑剤の種類を変えたときの昇温時の寸法変化挙動を示すグラフである。
【図５】潤滑剤の種類を変えたときの昇温時の寸法変化挙動を示すグラフである。

Claims

脱ロウ及び焼結を都市ガスおよび／または天然ガス主体の変性ガス雰囲気中で行って焼結品を製造するために使用される粉末冶金用の潤滑剤であって、高級脂肪酸金属塩粉末に、脱ロウ促進剤としてワックス潤滑剤を配合し、焼結時の寸法安定性を高めたものであることを特徴とする粉末冶金用複合潤滑剤（高級脂肪酸塩とワックス潤滑剤を溶融混合した粉末冶金用複合潤滑剤を除く）。
ワックス潤滑剤は、焼結プロセスにおいて高級脂肪酸金属塩よりも低粘性を示して脱ロウを促進するものである請求項１に記載の粉末冶金用複合潤滑剤。
高級脂肪酸金属塩粉末に対して等量以下のワックス潤滑剤が配合されている請求項１または２に記載の粉末冶金用複合潤滑剤。
脱ロウ及び焼結を都市ガスおよび／または天然ガス主体の変性ガス雰囲気中で行って焼結品を製造するために使用される粉末冶金用金属粉末中に、粉末冶金用複合潤滑剤（高級脂肪酸塩とワックス潤滑剤を溶融混合した粉末冶金用複合潤滑剤を除く）として高級脂肪酸金属塩粉末が含まれると共に、該高級脂肪酸金属塩粉末の脱ロウ促進剤としてワックス潤滑剤が含まれ、焼結時の寸法安定性を高めたものであることを特徴とする粉末冶金用混合粉末。
ワックス潤滑剤は、焼結プロセスにおいて高級脂肪酸金属塩よりも低粘性を示して脱ロウを促進するものである請求項４に記載の粉末冶金用混合粉末。
請求項４または５に記載の粉末冶金用混合粉末を使用し、成形後都市ガスおよび／または天然ガス主体の変性ガス雰囲気中で焼結することを特徴とする寸法安定性に優れた焼結品の製法。