JP5023566B2

JP5023566B2 - 粉末冶金用鉄基粉末

Info

Publication number: JP5023566B2
Application number: JP2006166189A
Authority: JP
Inventors: 友重尾野; 由紀子尾▲崎▼; 繁宇波
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: JP2007332423A

Description

本発明は、粉末冶金の用途に好適な鉄基粉末に関するものである。

粉末冶金技術は、複雑な形状の機械部品を極めて高い寸法精度で生産できるので、その機械部品の製造コストを大幅に低減することが可能である。そのため、粉末冶金技術を適用して製造した各種の機械部品が多方面に利用されている。さらに最近では、機械部品の小型化あるいは軽量化の要求が高まっており、小型軽量かつ十分な強度を有する機械部品を製造するための粉末冶金用原料粉が種々検討されている。

たとえば特許文献１，２，３には、鉄粉あるいは合金鋼粉の表面に合金用粉末を付着させた粉末冶金用原料粉が開示されている。そのような鉄を主体とする粉末（以下、鉄基粉末という）は、通常、副原料粉末（たとえば銅粉，黒鉛粉，燐化鉄粉，硫化マンガン粉等）および潤滑剤（たとえばステアリン酸亜鉛，ステアリン酸アルミニウム等）を添加し、得られた混合粉末が機械部品の製造に供される。

ところが鉄基粉末，副原料粉末，潤滑剤は特性（すなわち形状，粒径等）がそれぞれ異なるので、混合粉末の流動性は均一ではない。したがって、
(a)混合粉末を貯蔵用のホッパーへ輸送する途中で生じる振動や落下の影響を受けて、鉄基粉末，副原料粉末，潤滑剤が局部的に偏って分布する、
(b)ホッパーに投入された混合粉末の粒子間に比較的大きい隙間が生じるので、混合粉末の見掛け密度が低下する、
(c)ホッパーの下部に堆積した混合粉末の見掛け密度が時間の経過とともに（すなわち重力の影響を受けて）上昇する一方で上部の見掛け密度は低い状態で貯蔵されるので、ホッパーの上部と下部では混合粉末の見掛け密度が不均一になる
という問題が生じる。このような混合粉末では、均一な強度を有する機械部品を大量に製造することは困難である。

上記の(a)〜(c)の問題を解決するためには、鉄基粉末，副原料粉末，潤滑剤の混合粉末の流動性を高める必要がある。
そこで特許文献４には、所定の範囲の粒径を有する鉄粉を主体とする鉄基粉末が開示されている。しかしながら、この技術では、規定された範囲を外れる鉄粉を使用できないので鉄粉の歩留りが低下するばかりでなく、歯車刃先のような薄肉のキャビティーに鉄基粉末を均一かつ十分に充満させることは困難である。

鉄基粉末の素材となる鉄粉あるいは合金鋼粉は、その製法に応じてアトマイズ鉄粉，還元鉄粉等があり、これらの分類では鉄粉は合金鋼粉を含む広い意味で用いられる。
特開平1-219101号公報特開平2-217403号公報特開平3-162502号公報特開平5-148505号公報

本発明は上記のような問題を解消し、流動性に優れ、薄肉のキャビティーに均一に充填することができ、かつ抜出力も低く、成形し得る粉末冶金用鉄基粉末を提供することを目的とする。

本発明は、鉄粉の表面に流動性改善粒子を結合剤を介して付着させてなり、流動性改善粒子として平均粒径５〜500ｎｍのＰＭＭＡまたはＰＥを鉄粉100質量部に対して0.01〜0.3質量部の割合で含み、結合剤はステアリン酸モノアミドおよびエチレンビスステアロアミドである粉末冶金用鉄基粉末である。
また本発明では、鉄粉はアトマイズ鉄粉および／または還元鉄粉であることが好ましく、鉄粉のうち50質量％未満が結合剤のない鉄粉であることが好ましい。さらに鉄粉の表面を予め濡れ改善剤で処理することによって前記結合剤との濡れ性を改善することが好ましい。

本発明によれば、鉄粉を素材として優れた流動性を有し、粉末冶金の用途に好適な鉄基粉末を製造できる。

本発明では、機械攪拌式混合機の一種である高速ミキサーを用いて、鉄粉と黒鉛，Cu粉，Ni粉等の各種合金成分、ならびにMnＳ粉，CaＦ₂粉等の切削性改善剤等を結合剤とともに加熱混合し、さらに成形性を確保するための潤滑剤を添加して作製する粉末冶金用鉄基粉末の製造過程で、最後の潤滑剤を添加混合する際に、流動性改善粒子を同時に添加混合して製造する。その手順について説明する。

高速ミキサーに所定量の鉄粉を装入し、ここに黒鉛，Cu粉等の合金成分と、結合剤を添加する。これらの原料を投入した後、加熱混合を開始する。高速ミキサーにおける回転翼の回転数は、その混合槽の大きさ，回転翼の形状によって異なるが、一般には回転翼先端の周速で１〜10ｍ／sec程度である。混合槽内の温度が結合剤の融点以上になるまで加熱混合し、融点以上の温度で１〜30分程度混合する。これらの原料を十分混合した後、混合槽内を冷却する。冷却過程で結合剤が固化するが、その際、合金成分等の副原料を鉄粉の表面に付着させる。

結合剤の種類は、加熱して溶融するもの、もしくは加熱して固化するもの、いずれのものでも使用できるが、固化した後で潤滑性を有するものが好ましい。その理由は、粉体粒子間の摩擦力を低下させ、粉体の流動性を良くし、成形初期の粒子再配列を促すためである。具体的には、ステアリン酸モノアミド，エチレンビスステアロアミドを使用する。

一方、鉄粉は、その製造方法によって種々の鉄粉があるが、その成形性や成形体の特性，焼結体の特性を考慮して、水アトマイズ鉄粉，還元鉄粉を使用することが好ましい。これらの鉄粉は粒子表面に凹凸が存在し、圧粉したとき、これらが絡み合うので成形体および焼結体の強度が高くなる。
上記した結合剤は、その融点以上で溶融し、混合槽内にある原料粉体の各粒子表面を濡らす。水アトマイズ鉄粉や還元鉄粉は表面に凹凸が存在するので、その凹凸に局所的に結合剤が留まる傾向がある。そのため、鉄粉表面の結合剤の分布は均一ではない。結合剤の分布を均一にするためには、鉄粉表面と結合剤との濡れ性を改善する必要がある。そこで鉄粉表面と結合剤との濡れ性を改善するために濡れ改善剤を使用することが好ましい。

濡れ改善剤を使用する場合には、結合剤，鉄粉，他の合金成分を加熱混合する前に、予め鉄粉表面に濡れ改善剤を被覆する必要がある。シランカップリング剤を用いる場合には、混合槽に鉄粉を装入し、そこにシランカップリング剤を投入して１〜10分程度室温で攪拌すれば良い。その後に、結合剤，他の合金成分を投入して加熱混合する。
本発明で使用する流動性改善粒子は、アトマイズ鉄粉の流動性を改善する効果を有する微細な粉末であり、
(A)Al₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・xＨ₂Ｏ（ケイ酸アルミン酸マグネシウム），SiＯ₂，TiＯ₂およびFe₂Ｏ₃のうちの１種または２種以上、
(B)ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）およびポリエチレン（ＰＥ）のうちの１種、
の２種類に大別されるうちの(B)である。

一般に粉末粒子の表面に細かな凹凸があると、粒子間の接触面積が小さくなり、粒子間付着力が小さくなることが知られている。水アトマイズ鉄粉や還元鉄粉も、表面には凹凸が存在するが、その曲率は0.1〜50μｍ^-1と比較的小さく、付着力を低減するには十分ではない。
これらの流動性改善粒子の平均粒径が５ｎｍ未満では、鉄粉表面の凹凸や鉄粉表面に存在する潤滑剤中に埋没する可能性がある。また、これらの微粒子は凝集して存在するが、細か過ぎると凝集体のまま鉄粉表面に付着することになり、好ましくない。また一般に微粒子の製造コストは、細かくなるほど高くなる。一方、500ｎｍを超えると、初めから鉄粉表面に存在する凹凸の曲率と同じになり、わざわざこれらの粒子を付着させる意味がなくなる。特に(A)の流動性改善粒子は、焼結時に分解することなく、そのまま焼結体中に存在する。これらの理由から、流動性改善粒子の平均粒径は５〜500ｎｍの範囲内とする。

また、これらの流動性改善粒子の添加量が鉄粉100質量部に対して0.01質量部未満では、流動性改善の効果が見られない。一方、３質量部を超えると、同一圧力で成形した場合、圧粉体の密度が低下し、結果として焼結体の強度が下がるので、好ましくない。したがって、流動性改善粒子の添加量は、鉄粉100質量部に対して0.01〜３質量部の範囲内が好ましい。

流動性改善粒子を添加する効果は、鉄粉表面に細かな凹凸を設けて、粒子間の接触面積を減少し、付着力を下げることである。さらに、鉄粉表面にある結合剤同士の付着を妨げる効果もある。これらの点を考慮すると、結合剤の付着していない鉄粉は、流動性に優れていると考えられる。本発明の鉄基粉末の模式図を図１に示す。
本発明のもう一つの形態として、結合剤のない鉄粉が含まれる鉄基粉末がある。これは上記した観点に基づくもので、鉄粉のうち50質量％未満が結合剤のない鉄粉である。表面に結合剤のない鉄粉は、50質量％以上で成形時に抜出力が高くなり、場合によっては型かじり現象を生じたり、成形体に欠損を生じる惧れがある。

ステアリン酸モノアミドとエチレンビスステアロアミドを結合剤として、表１に示す鉄粉，Cu粉，黒鉛粉をヘンシェルタイプの高速ミキサーで加熱混合し、60℃まで冷却し、表１に示す各種流動性改善粒子と潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を添加混合した。なお、流動性改善粒子の物性は表２に示すとおりである。このようにして得られた鉄基粉末の充填性を、図３に示す充填試験機にて評価した。その評価は、長さ20mm，深さ40mm，幅0.5mmのキャビティー内に鉄基粉末を充填して行なった。粉箱は図中の矢印の方向に移動し、その移動速度は200mm／sec，キャビティー上での粉箱の保持時間は0.5secとした。充填した後の充填密度（充填重量／キャビティー体積）を充填前の見掛け密度の百分率で表わしたものを充填率（充填率100％は完全充填を意味する）とし、同じ試験を10回繰り返して、その充填バラツキを充填率の標準偏差で表わした。表１中の参考例１〜６、発明例７，８、参考例９〜11がその例である。

発明例７，８は、いずれも良好な充填バラツキを示した。また走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて鉄基粉末の表面を観察し、流動性改善粒子の付着状態を評価した。鉄基粉末の表面を撮影した写真の例を図２に示し、その評価の結果を併せて示す。図２の○は本発明として十分な状態を示し、△および×は不十分な状態を示す。
また、予めシランカップリング剤で処理した鉄粉を用い、流動性改善粒子としてAl₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・xＨ₂ＯもしくはSiＯ₂を用いて、参考例１と同じ方法で鉄基粉末を作製した。表１中の参考例12，13がその例である。

参考例12，13の充填バラツキは参考例１と同等もしくはそれ以上に良好なものであった。
さらに、結合剤および潤滑剤を変えて参考例１と同様の実験を行なった。表１中の参考例14〜16がその例である。
参考例14〜16は、いずれも良好な充填性を示した。

一方、比較例として、ステアリン酸モノアミドとエチレンビスステアロアミドを結合剤として、表１に示す鉄粉，Cu粉，黒鉛粉をヘンシェルタイプの高速ミキサーで加熱混合し、60℃まで冷却した後、結合剤としてステアリン酸亜鉛を添加混合した。表１中の比較例１がその例である。
また、ステアリン酸モノアミドとエチレンビスステアロアミドを結合剤として、表１に示す鉄粉，Cu粉，黒鉛粉をヘンシェルタイプの高速ミキサーで加熱混合し、60℃まで冷却した後、Al₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・xＨ₂Ｏとステアリン酸亜鉛を添加混合した。表１中の比較例２がその例である。

比較例１，２は、いずれも充填バラツキが大きかった。

本発明の鉄基粉末の例を示す図である。鉄基粉末の表面に流動性改善粒子が付着した状態を示す電子顕微鏡写真である。充填試験機の要部を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１アトマイズ鉄粉
２流動性改善粒子

Claims

鉄粉の表面に流動性改善粒子を結合剤を介して付着させてなり、前記流動性改善粒子として平均粒径５〜500ｎｍのＰＭＭＡまたはＰＥを前記鉄粉100質量部に対して0.01〜0.3質量部の割合で含み、前記結合剤はステアリン酸モノアミドおよびエチレンビスステアロアミドであることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末。
前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉および／または還元鉄粉であることを特徴とする請求項１に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
前記鉄粉のうち50質量％未満が、結合剤のない鉄粉であることを特徴とする請求項１または２に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
前記鉄粉が、その表面を予め濡れ改善剤で処理することによって前記結合剤との濡れ性を改善した鉄粉であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。