JP4832433B2 - 流動性増加剤としてカーボンブラックを含有する粉末冶金組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、鉄ベース（ｉｒｏｎ−ｂａｓｅｄ）粉末冶金組成物に関する。特に、本発明は、流動性を改良し、見かけの密度も改良する流動剤を含有する組成物に関する。
粉末冶金組成物は、粉末冶金部品を製造するためによく知られている。粉末冶金部品の製造には、成形工具中に粉末を充填すること、粉末の成形（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）、及び続く成形物体の焼結が含まれる。粉末を充填するための必要条件は、粉末が自由流動性で充分な流動性を有することである。製造コストを低下し、製造される各部品について一層よい経済性を与える大きな製造速度を得るためには、粉末が大きな流動度をもつことが必須である。
効率的で経済的な製造に必須の別の要因は、見かけの密度である。見かけ密度は、工具の設計には不可欠である。見かけ密度が低い粉末は、充填高さを高くする必要があり、そのことは余計に高いプレス工具を要する結果になり、このことが今度は成形ストロークを一層長くし、プレス性能を低くする結果になるであろう。
流動性の改良剤は既に知られている。例えば、米国特許第３，３５７，８１８号明細書は珪酸をこの目的に用いることができることを開示している。米国特許第５，７８２，９５４号明細書には、金属、金属酸化物、又は酸化珪素を流動剤として用いることができることが開示されている。
本発明の目的は、流動性及び見かけ密度のような改良された粉末特性を有する粉末冶金組成物を与えることにある。
鉄ベース粉末組成物に少量のカーボンブラックを添加することにより、その粉末組成物の性質を改良することができることが図らずも発見された。更に、調節された量のカーボンブラックを添加しても、新規な鉄ベース組成物から製造された圧粉体及び焼結部品の性質を悪化することはなく、それらの性質が改良されることさえある。
本発明の詳細な記述
一般に粉末冶金組成物は、鉄又は鉄ベース粉末及び潤滑剤を含む。それら組成物は、結合剤、黒鉛、及び他の合金用元素を含んでいてもよい。硬質相材料、液相形成材料、及び機械加工性向上剤を含有させてもよい。
一般に粉末冶金組成物は、鉄又は鉄ベース粉末及び潤滑剤を含む。それら組成物は、結合剤、黒鉛、及び他の合金用元素を含んでいてもよい。硬質相材料、液相形成材料、及び機械加工性向上剤を含有させてもよい。
鉄ベース粉末は、水噴霧鉄粉末、還元鉄粉末、予め合金化した鉄ベース粉末、又は拡散合金化鉄ベース粉末のようなどのような種類の鉄ベース粉末からなっていてもよい。そのような粉末は、例えば、鉄粉末ＡＢＣ１００．２９、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＭｏを含む拡散合金化した鉄ベース粉末ディスタロイ（Ｄｉｓｔａｌｏｙ）ＡＢ、Ｃｒ及びＭｏと予め合金化した鉄ベース粉末アスタロイ（Ａｓｔａｌｏｙ）ＣｒＭ及びアスタロイＣｒＬであり、それらは全てスウェーデンのヘガネス（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ）ＡＢから入手することができる。
本発明による鉄ベース粉末組成物中のカーボンブラックの量は、０．００１重量％〜０．２重量％、好ましくは０．０１〜０．１％である。カーボンブラックの一次粒径は、好ましくは２００ｎｍより小さく、一層好ましくは１００ｎｍより小さく、最も好ましくは５０ｎｍより小さい。比表面積は、ＢＥＴ法で測定して、好ましい態様として、１５０〜１０００ｍ２／ｇである。しかし、他の比表面積及び一次粒径を有する他の種類のカーボンブラックを使用することもできる。
カーボンブラックは、通常ゴム材料中の充填剤及び着色顔料として用いられている。それは、その電気伝導度のために、静電気を減少させるための製品にも用いられている。鉄又は鉄ベース粉末と一緒にしたカーボンブラックは、米国特許第６，６０２，３１５号明細書に記載されている。この特許は、合金用粉末を結合剤により鉄ベース粉末に結合し、それにカーボンブラックを添加してもよい組成物を開示している。米国特許第６，６０２，３１５号明細書は、カーボンブラックの含有量、粒径、又は効果については何も記載しておらず、単に結合材料に関係があるだけである。特許出願ＪＰ７−１５７８３８にもカーボンブラックを含有する粉末組成物が記載されている。そこでのカーボンブラックの目的は、基礎材料の脱酸素を行うことにある。
本発明による組成物は、黒鉛、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｐ、Ｗ、Ｓ、及びＮｂからなる群から選択された合金用元素を含んでいてもよい。
粉末の圧縮性を増大し、圧粉体部品の放出を促進するため、潤滑剤又は異なった潤滑剤の組合せを粉末冶金組成物に添加してもよい。潤滑剤は粒状粉末として存在させてもよく、或は鉄ベース粉末の表面に結合させてもよい。溶媒に溶解した結合剤を添加し、次にその溶媒を蒸発させることにより、潤滑剤を鉄ベース粉末の表面に結合させてもよい。結合剤は、鉄ベース粉末の周りに膜を形成する能力を有するその自然の液体状態で添加してもよい。それに代わる別の方法は、潤滑剤の融点より高いか、又は潤滑剤成分の少なくとも一種類の融点より高く組成物を加熱し、次にその組成物を融点より低い温度へ冷却することにより潤滑剤を結合剤として用いることである。
潤滑剤は、脂肪酸、エチレンビスステアルアミド（ＥＢＳ）のようなアミドワックス、又は金属ステアリン酸塩のような他の脂肪酸誘導体、ポリエチレンのようなポリアルキレン、ポリグリコール、アミド重合体、又はアミドオリゴマーからなる群から選択することができる。潤滑剤は、ポリアルキレン、アミドワックス、アミド重合体、又はアミドオリゴマーからなる群から選択されるのが好ましい。
結合剤は、セルロースエステル樹脂、高分子量熱可塑性フェノール樹脂、ヒドロキシアルキルセルロース樹脂、及びそれらの混合物からなる群から選択される。結合剤は、セルロースエステル樹脂及びヒドロキシアルキルセルロース樹脂の群から選択されるのが好ましい。
他の可能な添加剤は、機械加工性改良剤、硬質相材料、及び液相形成剤である。
好ましい態様に従い、カーボンブラックを結合混合物、即ち、例えば合金用元素粒子の微細な粉末が、鉄又は鉄ベース粉末粒子の表面に結合剤により結合した混合物中の流動剤として用いる。なぜなら、これらの混合物は屡々流動性がよくないからである。カーボンブラックは、結合混合物中に用いる場合、結合操作が行われた後に添加するのが好ましい。結合操作は、混合中の混合物を、結合剤の融点より高い温度へ加熱し、その混合物を結合剤が固化するまで冷却することにより達成することができる。結合剤は、溶媒に溶解して添加してもよい。この場合、結合操作は、加熱又は真空により溶媒を蒸発させることにより達成する。組成物を成形し、焼結して最終粉体金属部品を得る。
本発明を、更に次の実施例により例示するが、本発明は、それに限定されるものではない。
例１
表１による種々の比表面積及び粒径を有する三つの種類のカーボンブラックを選択した。比表面積はＢＥＴ法により決定した。粒径は、電子顕微鏡により測定し、カーボンブラックの一次粒子として言及する。
表１による種々の比表面積及び粒径を有する三つの種類のカーボンブラックを選択した。比表面積はＢＥＴ法により決定した。粒径は、電子顕微鏡により測定し、カーボンブラックの一次粒子として言及する。
スウェーデンのヘガネスＡＢから入手できる鉄ベース粉末ＡＳＣ１００．２９を、０．７７重量％の黒鉛、０．８％の結合剤／潤滑剤系〔０．２％のポリエチレン（ポリワックス（Ｐｏｌｙｗａｘ）６５０）及び０．６％のエチレンビスステアルアミド（ＥＢＳ）からなる〕と混合した。混合物を混合しながらポリワックスの融点より高い温度へ加熱し、次に冷却した。ポリワックスの融点より低い温度で０．０３％のカーボンブラックを添加した。表１に従い、３種類の異なったカーボンブラックを試験した。二つの混合物を参照混合物として調製した。参照混合物Ｃは、試験混合物に従い調製したが、但し０．８％の黒鉛を添加し、流動剤は添加しなかった。参照混合物Ｒでは、０．８％の黒鉛及び０．０６％の、デガッサＡＧから入手できるエアロジルＡ−２００（登録商標名）を添加した。
粉末の特性を測定した。流動性を、標準的方法、ＩＳＯ ４４９０によるホール・フロー・カップ（Ｈａｌｌ−ｆｌｏｗ ｃｕｐ）を用いて測定し、見かけ密度、ＡＤを、標準的方法ＩＳＯ ３９２３を用いて測定した。
粉末特性の結果を表２に与える。
試験は、粉末冶金混合物へのカーボンブラックの添加により、流動剤を何等含まない混合物と比較して流動度及びＡＤが改良されることを示している。ＣＢ１の添加は、既知の流動剤を添加した場合と比較して流動性及びＡＤを改良するのに対し、ＣＢ２及びＣＢ３の添加は、ほぼ同じ流動性の改良を与え、流動剤Ａ−２００を添加した場合と比較して一層高いＡＤを与える。
例２
鉄ベース粉末混合物への最適添加量を決定するために、ＣＢ１の種類のカーボンブラックを選択した。例１の記述に従い、混合物を調製した。合金用元素、結合剤／潤滑剤、流動剤、及び黒鉛の添加量を表３に示す。
鉄ベース粉末混合物への最適添加量を決定するために、ＣＢ１の種類のカーボンブラックを選択した。例１の記述に従い、混合物を調製した。合金用元素、結合剤／潤滑剤、流動剤、及び黒鉛の添加量を表３に示す。
参照混合物、流動剤を含まないＲ１、及びデガッサＡＧから入手できるエアロジルＡ−２００である市販流動剤を含むＲ２を調製した。
ＩＳＯ ２７４０に従う試験片を周囲温度で６００ＭＰａの圧力で成形し、９０／１０Ｎ２／Ｈ２雰囲気中で１１２０℃で焼結した。表４に、表３に従う粉末組成物についての機械的性質を与える。
表４から分かるように、カーボンブラックの０．０６％の添加量は、抗張力、ＴＳ、降伏強度、ＹＳ、及び伸び、Ａに影響を与える。０．０４重量％以下の量のカーボンブラックを添加した場合には、機械的性質への影響は無視できる。
例３
例３は、温間成形のための組成物でこの新規な流動剤を用いることができることを示す。一つの試験混合物、Ｂ５と、一つの参照混合物、Ｒ３とを、夫々３０００ｇずつ、次のようにして調製した。
例３は、温間成形のための組成物でこの新規な流動剤を用いることができることを示す。一つの試験混合物、Ｂ５と、一つの参照混合物、Ｒ３とを、夫々３０００ｇずつ、次のようにして調製した。
参照混合物として、６０ｇの銅粉末、２４ｇの黒鉛、米国オハイオ州シンシナチのモルトン・インターナショナル（Ｍｏｒｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）から入手できる高温潤滑剤ポロモルド（Ｐｒｏｍｏｌｄ）（登録商標名）１３．５ｇ、残余の鉄粉末、ＡＳＣ １００．２９を、４５℃に加熱しながら完全に混合した。更に、アセトンに溶解したセルロースエステル樹脂４．５ｇを添加し、その混合物を５分間混合した、材料の４５℃の温度を維持しながら、第二の混合期間１０〜３０分間の間、溶媒を蒸発した。最後に、流動剤として１．８ｇのエアロジルＡ−２００を添加し、完全に混合した。
試験混合として、６０ｇの銅粉末、２３．１ｇの黒鉛、米国オハイオ州シンシナチのモルトン・インターナショナルから入手できる高温潤滑剤ポロモルド１３．５ｇ、残余の鉄粉末、ＡＳＣ １００．２９を、４５℃に加熱しながら完全に混合した。更に、アセトンに溶解したセルロースエステル樹脂４．５ｇを添加し、その混合物を５分間混合した、材料の４５℃の温度を維持しながら、第二の混合期間１０〜３０分間の間、溶媒を蒸発した。最後に、流動剤として０．９ｇのカーボンブラックＣＢ１を添加し、完全に混合した。
両方の混合物の流動性及びＡＤを、１２０℃の温度でＡＳＴＭ Ｂ２１３により測定した、表５から、本発明による粉末混合物では、ＡＤの実質的な増大が達成され、既知の流動剤を含む組成物と比較して、実質的に同じ流動度が新規な流動剤を含む組成物で達成されたことが分かる。
例４
例４は、新規な流動剤を種々の鉄ベース粉末と組合せて用いることができることを示す。例１の方法に従い、混合物を調製し、例１と同じ結合剤／潤滑剤系を用いた。用いた鉄ベース粉末及び添加剤の量を、表６に示す。記号、ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、ＲＥ、及びＲＦは、混合物がデガッサＡＧから入手できる流動剤エアロジルＡ−２００を０．０６％含む参照混合物であることを示している。記号、Ｃ、Ｅ、及びＦは、混合物が何等流動剤を含まない参照混合物であることを示している。全ての混合物でカーボンブラックＣＢ１を用いた。用いた鉄又は鉄ベース粉末は、次の通りである：
ＡＳＣ １００．２９；ヘガネスＡＢからの噴霧無添加鉄粉末。
ディスタロイＡＢ；ヘガネスＡＢからの、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＭｏを含有する拡散合金化鉄ベース粉末。
アスタロイＣｒＭ；ヘガネスＡＢからの、Ｃｒ及びＭｏを含有する予め合金化した鉄ベース粉末。
アスタロイＣｒＬ；ヘガネスＡＢからの、Ｃｒ及びＭｏを含有する予め合金化した鉄ベース粉末。
例４は、新規な流動剤を種々の鉄ベース粉末と組合せて用いることができることを示す。例１の方法に従い、混合物を調製し、例１と同じ結合剤／潤滑剤系を用いた。用いた鉄ベース粉末及び添加剤の量を、表６に示す。記号、ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、ＲＥ、及びＲＦは、混合物がデガッサＡＧから入手できる流動剤エアロジルＡ−２００を０．０６％含む参照混合物であることを示している。記号、Ｃ、Ｅ、及びＦは、混合物が何等流動剤を含まない参照混合物であることを示している。全ての混合物でカーボンブラックＣＢ１を用いた。用いた鉄又は鉄ベース粉末は、次の通りである：
ＡＳＣ １００．２９；ヘガネスＡＢからの噴霧無添加鉄粉末。
ディスタロイＡＢ；ヘガネスＡＢからの、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＭｏを含有する拡散合金化鉄ベース粉末。
アスタロイＣｒＭ；ヘガネスＡＢからの、Ｃｒ及びＭｏを含有する予め合金化した鉄ベース粉末。
アスタロイＣｒＬ；ヘガネスＡＢからの、Ｃｒ及びＭｏを含有する予め合金化した鉄ベース粉末。
粉末混合物の粉末特性を測定した。ＩＳＯ ２７４０に従う試験片を、周囲温度で６００ＭＰａの圧力で成形し、９０／１０ Ｎ２／Ｈ２雰囲気中で１１２０℃で焼結した。圧粉強度、ＧＳ、形状変化、ＤＣ、及び焼結密度、ＳＤのような機械的性質を決定し、それらの結果を表７に与える。
表７は、カーボンブラックが、既知の流動剤を含有する混合物と比較して、種々の基礎粉末を含有する混合物に改良された流動性、ＡＤ、及び圧粉強度を与えることを示している。
例５
例５は、新規な流動剤は、何等結合剤を含まない無添加の混合物（非結合混合物）の流動性も改良することを示す。表８に従い、鉄粉末ＡＳＣ１００．２９、銅粉末２％、黒鉛０．５％、潤滑剤としてエチレンビスステアルアミド０．８％、及び異なった量のカーボンブラック、ＣＢ１、を含む三種類の混合物を調製した。何等カーボンブラックを含まない混合物を参照混合物として用いた。それら種々の混合物について、流動度を測定した。
例５は、新規な流動剤は、何等結合剤を含まない無添加の混合物（非結合混合物）の流動性も改良することを示す。表８に従い、鉄粉末ＡＳＣ１００．２９、銅粉末２％、黒鉛０．５％、潤滑剤としてエチレンビスステアルアミド０．８％、及び異なった量のカーボンブラック、ＣＢ１、を含む三種類の混合物を調製した。何等カーボンブラックを含まない混合物を参照混合物として用いた。それら種々の混合物について、流動度を測定した。
表８から分かるように、非結合混合物にカーボンブラックを添加すると、流動度が改良される。
Claims (10)
- 鉄又は鉄ベース金属粉末、潤滑剤及び／又は結合剤を含む粉末冶金組成物の流動性を増加する方法であって、前記組成物にカーボンブラックを０．００１〜０．２重量％添加して流動性を増加する方法であって、カーボンブラックの粒径が１００ｎｍより小さく、比表面積が１００ｍ ２ ／ｇより大きい、前記方法。
- さらに、見かけ密度を増加する請求項１に記載の方法。
- カーボンブラックの量が０．０１〜０．１重量％である、請求項１又は２に記載の方法。
- カーボンブラックの粒径が５０ｎｍより小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 比表面積が１５０ｍ２／ｇより大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 比表面積が２００ｍ２／ｇより大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 合金用元素、機械加工性改良剤、硬質相材料、及び液相形成剤からなる群から選択された添加剤を含有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
- 合金用元素が、黒鉛、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｐ、Ｗ、Ｓ、及びＮｂからなる群から選択される、請求項７に記載の方法。
- 黒鉛及びＣｕからなる群から選択された少なくとも一種類の合金用元素の粒子が、鉄又は鉄ベース金属粉末に結合される、請求項８に記載の方法。
- 粉末冶金組成物中の流動性増加剤としてのカーボンブラックの使用であって、カーボンブラックの粒径が１００ｎｍより小さく、比表面積が１００ｍ ２ ／ｇより大きい、前記使用。
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