JP4801302B2 - 粉末組成物および粉末組成物を作る方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、粉末混合物及びその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、粉末冶金に用いる鉄基粉末混合物に関する。
【０００２】
粉末冶金は、例えば自動車産業用の種々の部品の生産に用いる確立された技術である。部品の生産においては、粉末混合物を成形及び焼結して、所望の形状の部品を得る。この粉末混合物は、主成分としてのベース金属粉末、及び混合した粉末添加材を含む。この粉末添加材は、例えば黒鉛、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＭｎＳ、Ｆｅ₃Ｐ等とすることができる。粉末冶金技術を用いて所望の製品を再現可能に生産するためには、出発原料として用いる粉末組成物をできるだけ均一にしなければならない。通常これは、組成物の成分を均一に混合することにより達成される。しかし、組成物の粉末成分は、大きさ、密度及び形状が異なるため、組成物の均一性には問題がある。
【０００３】
ベース金属粉末よりも密度が高く、かつ大きさの小さい粉末成分は、組成物の下部に集まる傾向があるのに対して、密度の低い粉末成分は、組成物の上部に上昇する傾向があるため、粉末組成物を輸送したり、取り扱ったりする間に分離が起きる。この分離は、組成物が不均一に構成されていることを示している。換言すれば、粉末組成物で作った部品が、異なって構成されており、したがって、異なる特性を有するということを意味する。さらに、微粒子、特には黒鉛等の低密度の微粒子により、粉末混合物を取り扱う際に粉塵を招くことが問題である。
【０００４】
一般的に、添加材はベース金属粉末よりも粒子寸法の小さい粉末である。従って、ベース金属粉末が約１５０μｍより小さい粒子寸法であるのに対して、大半の添加材の粒子寸法は約２０μｍより小さい。このように粒子寸法が小さいことによって組成物の表面積が増大する。換言すると、その流動特性、すなわち、自由流動粉末として流動する能力が損なわれるということを意味している。流動が損なわれることによって金型を粉末で満たすのにかかる時間は増大し、それは生産性の低下、及び焼結後に許容できない変形を招く可能性のある、成形された組成物の密度が変動する危険性が増大することを意味している。
【０００５】
これまで、粉末組成物に種々のバインダー即ち結合材や潤滑材を加えることによって、上述の問題を解決する試みがなされてきた。バインダーの目的は、合金化成分等の添加材の粒子をベース金属粒子の表面に堅固かつ効果的に結合し、結果的に分離及び粉塵の問題を減少させることである。潤滑材の目的は、粉末組成物の摩擦を低減し、したがってこの流動を増大すること、及び排出力、すなわち最終的に成形した製品を金型より排出する際に必要な力を低減することである。
【０００６】
本発明の第一の目的は、先行技術と関連して上述した問題を軽減又は解消しようとするものである。具体的には、本発明の目的は、偏析と粉塵化を低減した粉末冶金混合物又は組成物を提供することである。第二の目的は、十分な流動性を有する粉末混合物を提供することである。第三の目的は、周囲温度での成形（低温成形）用の粉末混合物を提供することであり、第四の目的は、このような粉末組成物の大規模生産に適合する方法を提供するものである。第五の目的は、従来のバインダー及び溶媒の使用を排除するものである。
【０００７】
本発明によれば、上記の問題は、
鉄含有粉末、粉末添加材及び粉末潤滑材を混合し、潤滑材の融点よりも高い温度に加熱し、
集合体粒子を形成するために、潤滑材が凝固し、かつ添加材の粒子が鉄含有粒子に結合するのに十分な時間、得られた混合物を潤滑材の融点より低い温度にまで冷却し、及び
組成物の０．００５〜約２重量％の量の２００ｎｍ未満、好ましくは４０ｎｍ未満の粒子寸法を有する粉末流動材と得られた混合物とを混合することを含む方法で調製された粉末組成物により低減又は解消される。
【０００８】
溶融並びにそれに続くバインダー及び／又は潤滑材の凝固、すなわちいわゆる溶融結合法を伴う粉末混合物は例えば米国特許第４，９４６，４９９号より公知である。この特許はオイル及び金属石鹸又はワックスが総合して溶融して組み合わされたバインダーを有する鉄基粉末との混合物を開示するものである。この特許によると、組成物を製造する際、粉末を金属石鹸又はワックス、及びオイルと混合し、その混合物を、オイル及び金属石鹸又はワックスが互いに溶融するよう加熱し、次いでその混合物を冷却する。特開昭５８−１９３３０２号は、ステアリン酸亜鉛等の粉末潤滑材をバインダーとしての使用することを開示するものである。粉末潤滑材を粉末組成物に追加し、混合を続けながら溶融するまで加熱し、次いで冷却する。また、特開平１−２１９１０１号は、潤滑材をバインダーとして使用することを開示するものである。粉末組成物を製造する際、金属粉を潤滑材と混合し、潤滑材の融点よりも高い温度に加熱し、次いで冷却を行う。
【０００９】
欧州特許第５８０ ６８１号はベース鉄粉、バインダーとしての粉末添加材、好ましくはエチレン・ビス・ステアルアミドであるジアミドワックス、及び随意に粉末潤滑材を含む鉄基冶金粉末組成物を開示する。この組成物中で、バインダーは溶融形態で存在しており、その後、添加材の粉末粒子とベース金属の粉末粒子とを結合した凝固形態で存在する。
【００１０】
流動材の使用は、米国特許第５７８２９５４号に開示されている。この特許は、特に高い処理温度で組成物の流動特性を高めるのに有用なナノ粒子金属又は金属酸化物流動材を含む、鉄基冶金粉末組成物を開示している。鉄及び合金化元素に加えてバインダー及び高温潤滑材を含む鉄基粉末組成物を、酸化珪素若しくは酸化鉄、又は両者の組み合わせ等の流動材と有利に混合して、流動特性の向上した粉末組成物が得られる。
【００１１】
本発明により使用される流動材は、好ましくは酸化珪素、最も好ましくは約４０ｎｍ未満、好ましくは約１〜３５ｎｍの平均粒子寸法を有する二酸化珪素であり、使用量は、組成物全体の約０．００５〜約２重量％、好ましくは０．０１〜１重量％、最も好ましくは０．０２５〜０．５重量％である。金属又は金属酸化物いずれかの形態で流動材として使用し得る他の金属は、粒子寸法が２００ｎｍ未満のアルミニウム、銅、鉄、ニッケル、チタニウム、金、銀、白金、パラジウム、ビスマス、コバルト、マンガン、鉛、錫、バナジウム、イットリウム、ニオビウム、タングステン、及びジルコニウムを含む。
【００１２】
鉄含有粉末は、本質的に純粋な鉄粉又は粉末添加材と混合した種々の鉄粉であってよい。また、鉄含有粉末は、前もって合金化された粉末又は拡散又は部分的に合金化された粉末であってよい。
【００１３】
添加材は、グラファイト、フェロホスホル、並びに炭化物及び窒化物等の硬質相物質等の一般的に使用される合金化元素であってよい。鉄含有粉末は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、グラファイト、Ｆｅ₃Ｐ、及びＭｎＳ等の混合合金化元素を１０パーセントの量まで含むことができる。
【００１４】
潤滑材を、ワックス、金属石鹸、熱可塑性物質より選択することができる。ワックスの例は、エチレン・ビス・ステアルアミド等のジアミドワックスである。金属石鹸の例は、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウムである。また、熱可塑性物質の例は、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアルコキシド、ポリアルコールである。
【００１５】
潤滑材は、組成物の０．０５〜３重量％、好ましくは０．２〜２重量％、最も好ましくは０．５〜１．５重量％の量で使用することができる。また、処理中に少なくとも一つの潤滑材が溶融する、潤滑材の混合物も使用することができる。潤滑材が約０．０５重量％未満の場合、結合不足を招き、一方、潤滑材が約２重量％を超える場合、最終製品の不適当な気孔率を招く。設定範囲内で、潤滑材の重量を添加材の量に従って選択する。添加材の量が多ければ、潤滑材も多く必要となり、逆も同じである。
【００１６】
好適な実施態様によれば、周囲温度より高いが、潤滑材の融点より低い温度、例えば潤滑材の融点より１０〜３０℃低い温度範囲内で、凝固した潤滑材によって結合された添加材粒子を有する鉄含有粒子の混合物に粉末流動材を加える。この場合、周囲温度に達する前に、流動材を集合体粉末に加えてもよい。
【００１７】
本発明による粉末混合物は、標準状態での成形及び焼結成分の調製即ち製造を意図している。従って、成形は周囲温度（「低温成形」）で４００〜１０００ＭＰaの圧力で行われ、焼結は１０５０〜１２００℃の温度で行われる。あるいは、高温で成形を行ってもよい。
【００１８】
粉末混合物の調製法は、バッチ式又は連続式で行うことができる。連続調製の具体的な利点は、円滑かつ一様な流動を得ることが可能な点であり、換言するとより均質な製品につながる。
【００１９】
本発明はまた、鉄含有粉末、添加材、潤滑材、及び流動材を含む粉末組成物に関する。この粉末組成物は、集合体粒子を形成するため、溶融し、次いで凝固した潤滑材により結合された添加材含有鉄を含有する粒子、及び２００ｎｍ未満、好ましくは４０ｎｍ未満の粒子寸法を有する、約０．００５〜約２重量％の流動材から本質的になる。
【００２０】
本発明による方法を実施する際、潤滑材を含む混合物の成分が均質に混合していることが重要である。これはベース鉄粉末、グラファイト、Ｃｕ等の粉末添加材、及び粉末潤滑材を、均一な粉末混合物が得られるまで、混合装置内で混合することにより達成される。次いで、混合を続ける間、潤滑材が溶融するまで混合物を加熱する。これは現在最も使用されている潤滑材では、大気中で約９０〜１７０℃、好ましくは約１２０〜１５０℃で起こる。潤滑材の融点は高すぎるべきではなく、潤滑材が溶融するまで粉末混合物を加熱するのに必要な熱量は最小限にすべきである。従って、潤滑材の融点の上限は約１７０℃の温度に設定されている。
【００２１】
混合処理中に、溶融した潤滑材が混合物の中に均等に分散すると、混合物を冷却し、潤滑材を凝固させ、従ってベース鉄粒子と、その表面に整列したより小さいグラファイト、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＭｎＳ、Ｆｅ₃Ｐ等の添加材の粒子と間に結合効果を生じる。また、混合しながら冷却処理を行うことが重要であり、それによって混合物の均質性を維持する。しかし、冷却中の混合は、上述した均質な混合物調製のための混合ほど強力である必要はない。潤滑材が凝固すると、使用の前に、粉末混合物を流動材と均質に混合する。好ましくは、集合体の表面が流動材の粒子を付着又は結合可能な間に、すなわち表面が依然として温かいうちに、流動材を鉄及び添加材からなる集合体粒子に加える。
【００２２】
随意的に、潤滑材が凝固し、かつ流動材を混合した後に、粉末混合物にさらに潤滑材を加えてもよい。しかしこれは必須ではない。
【００２３】
本発明の理解を容易にするため、以下に非制限的な実施例を用いて本発明を説明する。
【００２４】
実施例で説明する実験において、以下の物質及び方法を用いた。
【００２５】
ベース金属粉末として約６３μｍの平均粒子寸法を有し、すべての粒子が１５０μｍ未満である噴霧鉄粉末を用いた。
【００２６】
添加材として、銅（Ｃｕ）粉末及びグラファイトを用いた。Ｃｕ粉末は約２００メッシュの平均粒子寸法を有し、グラファイト粉末は約４μｍの平均粒子寸法を有していた。
【００２７】
粉末混合物の混合は、２段階で行った。まず、混合物の成分をドイツ国、４７９０ ＰａｄｅｒｂｏｒｎのＧｅｂｒ．Ｌｏｄｉｇｅ Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕ社が供給するＬｏｄｉｇｅ型混合装置内で、２分間前混合を行い、その後、得られた混合物を、高さ約３００ｍｍ、直寸法約８０ｍｍで、二重螺旋ミキサー及び加熱調節可能な加熱ジャケットを備えた円筒混合装置に移した。円筒混合装置内で、粉末を撹拌し、かつ約１５分間約１５０度に加熱し、潤滑材を溶融した。その後、撹拌を続けながら約３分間温度を約１５０℃に保ち、次いで加熱を止め、流動材を加える前に、混合物を混ぜながら約１２０℃まで放冷した。次に、混合物がからになるまで、混合物を連続冷却に供した。粉末混合物の流動をスウェーデン国基準ＳＳ １１１０３１に従って計測した。これは国際基準ＩＳＯ ４４９０−１９７８に相当する。
【００２８】
粉末混合物の見掛密度（ＡＤ）をスウェーデン国基準ＳＳ １１１０３０に従って計測した。これはＩＳＯ ３９２３／１−１９７９に相当する。
【００２９】
粉末混合物の粉塵は、ダストトラック（Ｄｕｓｔ Ｔｒａｃｋ）型装置を用いて所定流量の空気で１分間あたりの計数として測定した。
【００３０】
全体として上述した方法により、種々の粉末混合物を作った。その組成物は以下のとおりである。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
実験及び上述した事柄より、本発明による方法が流動特性に優れ、かつ分離及び粉塵の少ない粉末冶金混合物を提供することは明らかである。

Claims (19)

1. 鉄含有粉末、添加材、潤滑材及び流動材を含む粉末組成物において、該粉末組成物は、
   集合体粒子を形成し、且つ合金化元素、硬質相物質、グラファイト、フェロホスホル、およびＭｎＳからなる群から選択された添加材粒子を含む鉄含有粒子および
   ０．００５〜２重量％で粒子寸法２００ｎｍ未満の流動材
   からなり、前記添加材粒子は、溶融し且つその後に凝固した潤滑材により前記鉄含有粒子に結合され、
   前記潤滑材は最大１７０℃の融点を有し、前記潤滑材は、ワックス、金属石鹸、熱可塑性物質からなる群より選択され、該熱可塑性物質は、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアルコキシド、ポリアルコールからなる群より選択され、
   前記流動材は、二酸化珪素、並びに金属又は金属酸化物のいずれかの形態で用いられるアルミニウム、銅、鉄、ニッケル、チタン、金、銀、白金、パラジウム、ビスマス、コバルト、マンガン、鉛、錫、バナジウム、イットリウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウムからなる金属の群より選択され、前記流動材の粒子の少なくとも一部が前記集合体粒子に前記潤滑剤により付着していることを特徴とする粉末組成物。
2. 前記流動材の量が０．０１〜１重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
3. 前記流動材の量が０．０２５〜０．５重量％であることを特徴とする、請求項２に記載の粉末組成物。
4. 前記流動材として二酸化珪素を選択し、該二酸化珪素の粒子寸法が４０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
5. 前記流動材の粒子寸法が１〜３５ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
6. 前記潤滑材の混合物を使用し、少なくともひとつの潤滑材が混合中に加熱により溶融することを特徴とする、請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の粉末組成物。
7. 前記鉄含有粒子が、少なくともひとつの合金化元素とまえもって合金化された鉄粒子を含むことを特徴とする、請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の粉末組成物。
8. 前記鉄含有粒子が、少なくともひとつの合金化元素と結合した鉄拡散粒子を含むことを特徴とする、請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の粉末組成物。
9. 前記鉄含有粒子が、純粋な鉄粒子を含むことを特徴とする、請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の粉末組成物。
10. グラファイト、フェロホスホル、硬質相物質からなる群より前記合金化元素を選択することを特徴とする、請求項１から請求項９までの何れか１項に記載の粉末組成物。
11. 前記粉末組成物の０．０５〜３重量％の量で前記潤滑材を用いることを特徴とする、請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載の粉末組成物。
12. 前記粉末組成物の０．２〜２重量％の量で前記潤滑材を用いることを特徴とする、請求項１１に記載の粉末組成物。
13. 前記粉末組成物の０．５〜１．５重量％の量で前記潤滑材を用いることを特徴とする、請求項１２に記載の粉末組成物。
14. 前記潤滑材は周囲温度における成形用潤滑材であることを特徴とする、請求項１から請求項１３までの何れか１項に記載の粉末組成物。
15. 前記潤滑材がステアリン酸亜鉛及び／又はエチレン−ビス−ステアルアミドを含むことを特徴とする、請求項１から請求項１４までの何れか１項に記載の粉末組成物。
16. 粉末冶金成分を準備するための粉末組成物を作る方法であって、該方法は、
    鉄含有粉末、粉末添加材及び粉末潤滑材を混合し、前記粉末潤滑材の融点よりも高い温度に加熱する段階であって、前記粉末添加材は、合金化元素、硬質相物質、グラファイト、フェロホスホル、およびＭｎＳからなる群から選択され、前記粉末潤滑材は、１７０℃以下の融点を有し、ワックス、金属石鹸、熱可塑性物質からなる群より選択され、該熱可塑性物質は、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアルコキシド、ポリアルコールからなる群より選択される、混合および加熱する段階と、
    集合体粒子を形成するために、前記粉末潤滑材が凝固し、かつ前記粉末添加材の粒子が鉄含有粒子に結合するのに十分な時間、得られた混合物を前記粉末潤滑材の融点より低い温度にまで冷却する段階と、
    前記粉末組成物の０．００５〜２重量％の量の２００ｎｍ未満の粒子寸法を有する粉末流動材と得られた混合物とを、前記粉末流動材の粒子の少なくとも一部が前記集合体粒子に付着する温度で混合する段階であって、前記粉末流動材が、二酸化珪素並びに金属又は金属酸化物のいずれかの形態で用いられるアルミニウム、銅、鉄、ニッケル、チタン、金、銀、白金、パラジウム、ビスマス、コバルト、マンガン、鉛、錫、バナブ、イットリウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウムからなる金属の群より選択される、混合する段階と
    を含む方法。
17. 前記粉末流動材の粒子寸法が４０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記粉末潤滑材の融点より１０〜３０℃低い温度で、前記粉末流動材を前記集合体粉末に加え、かつ混合することを特徴とする、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
19. 各工程は連続処理として行なわれることを特徴とする、請求項１６から請求項１８までの何れか１項に記載の方法。