JP4964126B2 - 成形生成物を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、冶金用粉末（ＰＭ）組成物のための潤滑剤に関する。特に、本発明は、液体潤滑剤を含有する鉄又は鉄基粉末組成物に関する。

工業的に、金属粉末組成物を成形し、焼結することにより製造された金属製品は、益々広く使用されるようになってきている。種々の形及び厚さの数多くの異なった製品が製造されており、それらの最終的用途に依存して異なった品質条件がそれらの製品に課せられている。それら異なった必要条件に適合させるため、粉末冶金工業では極めて多種類の鉄及び鉄基粉末組成物が開発されてきた。

これらの粉末組成物から部品を製造するための一つの処理技術は、粉末組成物をダイ空洞（ｄｉｅ ｃａｖｉｔｙ）中に入れ、その組成物を高圧で成形（ｃｏｍｐａｃｔ）することである。得られた圧粉部品を、次にダイ空洞から取り出す。ダイ空洞での過度の摩耗を避けるため、通常成形処理中、潤滑剤を用いる。鉄基粉末と、固体の粒状潤滑粉末とを混合すること（内部潤滑）により、或いはダイ空洞表面上に潤滑剤の液体分散物又は溶液を噴霧すること（外部潤滑）により、一般に潤滑が達成される。或る場合には、両方の潤滑技術が用いられる。

鉄基粉末組成物に固体潤滑剤を混合することによる潤滑が広く用いられており、新しい固体潤滑剤が開発され続けている。これらの固体潤滑剤は一般に約１〜２ｇ／ｃｍ^３の密度を有し、それは、約７〜８ｇ／ｃｍ^３である鉄基粉末の密度と比較して非常に低い。更に、実施する際、固体潤滑剤は、粉末組成物の少なくとも０．６重量％の量で用いられなければならない。その結果、これらの低密度の潤滑剤を組成物に含有させると、成形部品の圧粉密度（ｇｒｅｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）を低下する。

成形部品を製造するため、鉄粉末と組合される液体潤滑剤は、米国特許第３，７２８，１１０号明細書に記載されている。この特許によれば、粒状多孔質酸化物ゲルと組合せて潤滑剤を用いることが必要である。更に、この特許の例は、慣用的固体潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）も用いられることを開示している。処理された鉄粉末は、８０メッシュ（米国標準篩サイズ）より小さい粒径を有する電解粉末である。米国特許第４，００２，４７４号明細書も液体潤滑剤に関する。この特許によれば、ばらばらの加圧破壊性マイクロカプセルが用いられている。マイクロカプセルは芯と、その芯を取り巻く固体の殻を含み、その芯が有機液体潤滑剤を含んでいる。米国特許第６，６７９，９３５号明細書に開示されている種類の潤滑剤系では、周囲条件で固体である潤滑剤が、金属部品をプレスする間に圧力の適用により溶融し、その潤滑剤系が、粉末が中でプレスされる空洞の壁に沿って液相を形成する。しかし、最近のＰＭ技術では、液体潤滑剤自体は、成功を収められなくなってきている。

今度、或る種類の鉄又は鉄基粉末を、潤滑剤として特定の種類の液体有機物質と一緒にすると、大きな密度を有する成形物体を得ることができるのみならず、それらの成形物体を比較的低い放出力でダイから放出させることができることが図らずも発見された。更に、これらの潤滑剤は、ダイの壁の摩耗を防ぐのに有効であり、成形物体の表面には傷がつかないことが判明している。米国特許第３，７２８，１１０号明細書の教示とは対照的に、粒状多孔質酸化物ゲルは不必要である。

簡単に述べると、本発明は、液体潤滑剤を用いて成形及び焼結部品を製造する方法に関する。本発明は、鉄又は鉄基粉末、場合により合金用元素、及び液体有機潤滑剤を含む粉末組成物にも関する。

粉末の種類
成形処理のための出発材料として用いることができる適当な金属粉末は、鉄のような金属から調製された粉末である。炭素、クロム、マンガン、モリブデン、銅、ニッケル、燐、硫黄等のような合金用元素を、最終焼結生成物の性質を修正するため、粒子として添加するか、予め合金化するか、又は拡散合金化してもよい。鉄基粉末は、実質的に純粋な鉄粉末、予め合金化した鉄基粉末、拡散合金化鉄基鉄粒子、及び鉄粒子又は鉄基粒子と合金用元素との混合物からなる群から選択することができる。粒子の形に関して、それら粒子は、水噴霧により得られるような不規則な形を有するのが好ましい。不規則な形をした粒子を有するスポンジ状鉄粉末を関与させてもよい。

大きな力を必要とする用途のためのＰＭ部品に関しては、少量の一種類以上の合金用元素Ｍｏ及びＣｒを含む予め合金化した水噴霧粉末を用いて特に有望な結果が得られている。そのような粉末の例は、スウェーデンのヘガネス（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ）ＡＢからのアスタロイ（Ａｓｔａｌｏｙ）Ｍｏ（１．５％Ｍｏ）及びアスタロイ８５Ｍｏ（０．８５％Ｍｏ）のみならず、アスタロイＣｒＭ（３Ｃｒ、０．５Ｍｏ）、及びアスタロイＣｒＬ（１．５Ｃｒ、０．２Ｍｏ）の化学的組成に相当する化学組成を有する粉末である。

本発明の決定的な特徴は、用いる粉末が粗い粒子を有すること、即ち、粉末が本質的に微細な粒子を含まないことである。用語「本質的に微細な粒子を含まない」とは、ＳＳ−ＥＮ２４４９７に記載されている方法により測定して、４５μｍより小さい粒径を有する粉末粒子が、約１０％より少なく、好ましくは５％より少ないことを意味するものとする。平均粒径は、典型的には７５〜３００μｍであり、２１２μｍより大きい粒子の量は、典型的には２０％より多い。最大粒径は約２ｍｍになることがある。

ＰＭ工業内で通常用いられている鉄基粒子の粒径は、３０〜１００μｍの領域内に平均粒子直径を有するガウス分布曲線に従って分布しており、それら粒子の約１０〜３０％が４５μｍより小さい。従って、本発明により用いられる粉末は、通常用いられるものとは逸脱した粒径分布を有する。これらの粉末は、粉末の一層微細な部分を除去するか、又は希望の粒径分布を有する粉末を製造することにより得ることができる。

このように、上で言及した粉末について、アスタロイ８５Ｍｏの化学組成に相当する化学組成を有する粉末についての適切な粒径分布は、４５μｍより小さい粒子が、せいぜい５％になるべきであり、平均粒子直径が、典型的には１０６〜３００μｍであるような分布であろう。アスタロイＣｒＬに相当する化学組成を有する粉末についての対応する値は、４５μｍより小さいものが５％より少なくなるべきであり、平均粒子直径が典型的には１０６〜２１２μｍであるのが適切である。

潤滑剤
本発明による潤滑剤は、周囲温度で液体であることによって区別される。即ち、結晶融点は２５℃より低くなるべきである。

更に、４０℃での粘度（η）は、１５ｍＰａより大きく、次の式に従い温度依存性であるべきである：
１０ ｌｏｇη＝ｋ／Ｔ＋Ｃ
式中、勾配ｋは、８００より大きいのが好ましく、
Ｔはケルビン単位であり、そして
Ｃは定数である。

上の条件を満たす種類の物質は不乾性油、例えば、種々の鉱物油、植物系又は動物系脂肪酸、例えば、オレイン酸、その外ポリアルキレングリコールのような液体物質、例えば、ＰＥＧ４００である。これらの潤滑油は、「レオロジー修正剤」、「極圧添加剤」、「冷間圧接防止用添加剤」、「酸化防止剤」、及び「防錆剤」として言及することができる或る添加剤と組合せて用いることができる。

ＷＯ ２００４／０３７４６７に記載されている種類のシラン化合物を、潤滑として有効な量、粉末混合物中に含有させてもよい。特にシラン化合物は、アルキルアルコキシ又はポリエーテルアルコキシシランで、アルキルアルコキシシランのアルキル基及びポリエーテルアルコキシシランのポリエーテル鎖が８〜３０個の炭素原子を含み、アルコキシ基が１〜３個の炭素原子を含むものにすることができる。そのような化合物の例は、オクタル−トリ−メトキシシラン、ヘキサデシル−トリ−メトキシシラン、及び１０個のエチレンエーテル基を有するポリエチレンエーテル−トリメトキシシランである。

潤滑剤は、本発明による金属粉末組成物の０．０４〜０．４重量％を構成することができる。潤滑剤の量は、好ましくは０．１〜０．３重量％、最も好ましくは０．１〜０．２５重量％である。本発明により潤滑剤を非常に少ない量で用いることができることは、特に有利である。なぜなら、特にこれらの潤滑剤を固体潤滑剤と一緒にする必要がない場合には、大きな密度を有する圧粉体及び焼結生成物を達成することができるようになるからである。

本発明により用いられる液体潤滑剤は、化学的には鉄又は鉄基組成物中の結合剤として用いられるか又は示唆されている有機物質と多かれ少なかれ同等になることがあるかもしれない。しかし、それらの場合、それら組成物は固体潤滑剤を含む。

本発明による満足すべき焼結した機械的性質を有する焼結金属部品を得るためには、成形すべき粉末混合物に黒鉛を添加することが必要になることもある。例えば、成形すべき全混合物の０．１〜１、好ましくは０．２〜１．０、一層好ましくは０．２〜０．７、最も好ましくは０．２〜０．５重量％の量の黒鉛を、成形前に添加してもよいであろう。しかし、或る用途では、黒鉛の添加は不必要である。

成形
少量（０．６重量％未満）の潤滑剤と混合して、微細粒子を含む慣用的に用いられている粉末を、高圧で、即ち約６００ＭＰａより高い圧力で慣用的に成形することは、ダイから圧粉体を押出す（ｅｊｅｃｔ）のに必要な力が大きく、それに伴われるダイの摩耗が大きく、部品の表面の輝きが悪くなるか、又は劣化する傾向があるために、一般に不適切であると考えられている。本発明による粉末及び液体潤滑剤を用いることにより、約８００ＭＰａより大きな高圧で、押出力（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）が減少し、ダイ壁潤滑を用いない場合でも許容可能な又は完全でさえある表面を有する部品を得ることができることが図らずも発見された。成形は標準的設備を用いて行うことができ、そのことは、高額の投資を行わなくてもこの新規な方法を実施できることを意味している。周囲温度又は上昇させた温度で、一つの工程で一軸的に行われる。本発明による利点を達成するためには、好ましくは成形は７．４５ｇ／ｃｍ^３より高い密度まで行われるべきである。

本発明を、更に次の例により例示するが、それらに本発明は限定されるものではない。

液体潤滑剤として、下の表１による物質を用いた。

次の表２は、用いた液体潤滑剤の種々の温度での粘度を示している。

次の表３は、粘度の温度依存性を示している。

本発明による不乾性潤滑油又は他の液体物質は、次の必要条件を満足する上記式によって計算された粘度を有するであろう：ｋ＞８００、及び４０℃での粘度＞１５ｍＰａ．ｓである。

例１
合計３ｋｇの種々の混合物を調製した。鉄基粉末として、アスタロイ８５Ｍｏに相当する化学組成を有し、下の表４による粒径分布を有する粉末を用いた：

１８０ｇの鉄基粉末を、別の混合器中で７．５ｇの液体潤滑剤と一緒に強く混合し、いわゆるマスター混合物を得た。

残りの鉄基粉末に９ｇの黒鉛をレーディゲル（Ｌｏｅｄｉｇｅｒ）混合機中で添加し、２分間強く混合した。マスター混合物を添加し、最終混合物を更に３分間混合した。

下の表５に従い、得られた混合物についてカーネイ・フロー（Ｃａｒｎｅｙ ｆｌｏｗ）及び見掛け密度を測定した：

得られた混合物をダイに移し、２５ｍｍの直径を有する柱状試験試料へ、１１００ＭＰａの成形圧力で一軸プレス運動で成形した。成形試料の押出中、静止押出力（ｓｔａｔｉｃ ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）及び動的押出力（ｄｙｎａｍｉｃ ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）を測定し、ダイから試料を放出させるために必要な全放出エネルギーを計算した。次の表６は、押出力（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）、押出エネルギー（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）、圧粉密度、表面外観、及び全性能を種々の試料について示している。

例２
例１に従い、潤滑剤Ａ、Ｃ、Ｆ及びＧ、例１による試料を含む三つの異なった混合物を調製し、異なった成形温度で成形した。次の表７は、ダイから試料を押出すのに必要な押出力及び押出エネルギー、押出された試料の表面外観、及び試料の圧粉密度を示している。

例３
この例は、成形試料をダイから押出させるのに必要な押出力及び押出エネルギーのみならず、放出試料の表面外観に与える潤滑剤Ａ及び潤滑剤Ｃの添加量の影響を例示している。添加潤滑剤の量を、０．２０％及び０．１５％の添加レベルで用いた点を除き、例１従い混合物を調製した。例１に従い試料を室温（ＲＴ）で成形した。次の表８は、ダイから試料を押出すのに必要な押出力及びエネルギーのみならず、押出した試料の表面外観を示している。

例４
この例は、ダイから試料を放出するのに必要な押出力及び押出エネルギーに対する粒径分布の影響及び本発明による液体潤滑剤を用いた場合の押出試料の表面外観に与える粒径分布の影響を例示する。
「微粉末」としてアスタロイ８５Ｍｏを用いた点を除き、例１を繰り返した。４５μｍより小さな粒径を持つ粒子の量は、２０％のアスタロイ８５Ｍｏであり、１５０μｍより大きな粗い粒子の量は典型的には１５％であった。
次の表９は、ダイから試料を押出すのに必要な押出力及びエネルギーのみならず、押出された試料の表面外観を示している。

上の表から、粗粒粉末及び上に定義した種類の液体潤滑剤を含む組成物は、大きな圧粉密度及び完全な表面仕上げを有する成形体へ成形することができることが分かる。

例５
三つの５ｋｇ鉄基粉末混合物を調製した。鉄基粉末として、約１．５％のＣｒ及び約０．２％のＭｏを含有し、４５μｍより小さなものが約３％、２１２μｍより大きいものが約３０％である粗い粒径分布を有する予め合金化した粉末を用いた。

二つの試験混合物を調製した。試験混合物１は、鉄基粉末を別として、０．２５％の黒鉛、０．１５％のヘキサデシル−トリ−メトキシシラン及び０．１５％の潤滑剤Ｃを含んでいた。

試験混合物２は、同じ材料を含んでいたが、０．２５５％のヘキサデシル−トリ−メトキシシラン及び０．０４５％の潤滑剤Ｃを用いた。

参照混合物として、潤滑用物質として０．３０％のヘキサデシル−トリ−メトキシシランを用いた。

得られた粉末冶金用混合物を、高さ２５ｍｍ、直径２５ｍｍの円柱に三つの異なった成形圧力で成形した。それら部品の押出中、押出力を測定し、ダイからそれら部品を放出するのに必要な全エネルギーを測定した。次の表１０は、成形圧力及び結果を示す。

表１０の結果から分かるように、本発明による潤滑剤を添加すると押出エネルギーを減少し、参照試料で得られた結果と比較して、なんら損傷のない押出を可能にする。

例６
例５を繰り返した。但し、成形を６０℃の上昇させた温度で行なった。次の表１１はその結果を示している。

試験試料及び参照試料の両方に関して、押出中の上昇させた温度の肯定的な影響が表１１に示されている。

Claims (6)

1. ａ）粗い鉄又は鉄基粉末であって、粉末粒子の、４５μｍより小さい粒径を有する粒子が、１０重量％より少ない、上記粗い鉄又は鉄基粉末と、
   潤滑剤で；
   ２５℃より低い結晶融点と；
   １５ｍＰａより大きい４０℃での粘度（η）で、３０℃から８０℃の温度範囲において次の式：
   ｌｏｇη＝ｋ／Ｔ＋Ｃ
   （式中、ｋは勾配であり、かつ、８００より大きく、
   Ｔはケルビン単位での温度であり、そして
   Ｃは定数である。）
   に従った温度依存性のある粘度；
   を有する上記潤滑剤を該粗い鉄又は鉄基粉末と該潤滑剤との混合物の合計に対して０．０４〜０．４重量％の量で混合する工程、及び
   ｂ）得られた混合物を８００ＭＰａより大きい圧力で成形する工程、
   を含む成形生成物を製造する方法。
2. 粉末混合物がアルキルアルコキシ又はポリエーテルアルコキシシランからなる群から選択された有機シランも含み、前記アルキルアルコキシシランのアルキル基及び前記ポリエーテルアルコキシシランのポリエーテル鎖が８〜３０個の炭素原子を含み、アルコキシ基が１〜３個の炭素原子を含む、請求項１に記載の方法。
3. 有機シランが、オクチル−トリ−メトキシシラン、ヘキサデシル−トリ−メトキシシラン、及び１０個のエチレンエーテル基を有するポリエチレンエーテル−トリメトキシシランからなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
4. 潤滑剤を、０．１〜０．３重量％の量で含有させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 潤滑剤を、０．１〜０．２５重量％の量で含有させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 成形を、上昇させた温度で行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。