JP5141136B2 - 粉末冶金用原料粉末の混合方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金技術で使用する原料粉末の混合方法に関するものである。

粉末冶金技術で使用する原料粉末（以下、粉末冶金用原料粉末という）は、基本成分である鉄粉と、合金成分を含有する金属粉末（以下、合金用粉末という）と、その合金用粉末を鉄粉の表面に固着させるためのバインダー（以下、結合剤という）とを混合して製造される。また、必要に応じて固体潤滑剤，流動性改善材粉，切削性改善材粉および摺動性改善材粉の中から選ばれる１種または２種以上を添加した粉末冶金用原料粉末も使用されている。

粉末冶金用原料粉末では、鉄粉の表面に結合剤を介して合金用粉末が固着され、かつ必要に応じて添加される固体潤滑剤，流動性改善材粉，切削性改善材粉，摺動性改善材粉が均一に混合される必要がある。そこで種々の混合方法が検討されている。
たとえば特許文献１には、鉄粉に合金用粉末と切削性改善材粉と固体潤滑剤を添加して１次混合し、次いで結合剤を添加して昇温しながら２次混合し、さらに冷却しながら３次混合を行なう技術が開示されている。この技術は、１次混合〜３次混合を１台の混合装置で行なうので、鉄粉や合金用粉末等の素材粉を装入して混合し、粉末冶金用原料粉末を得るまで長時間にわたって混合装置を専用することになる。

しかも特許文献１に開示された技術では、粉末冶金用原料粉末の見掛け密度の調整が困難である。つまり見掛け密度の大きい粉末冶金用原料粉末を得るためには、混合時間を延長して鉄粉や合金用粉末等の素材粉を摩滅させて、丸みを帯びた粒子にしなければならず、生産性の低下を招く。一方、見掛け密度の小さい粉末冶金用原料粉末を得るためには、混合時間を短縮せざるを得ず、各種の素材粉が偏析する惧れがある。
特開平2-47201号公報

本発明は、簡便な手段で安価に効率良く混合でき、かつ見掛け密度の調整も可能な粉末冶金用原料粉末の混合方法を提供することを目的とする。

本発明は、固体潤滑剤，切削性改善材粉および摺動性改善材粉の中から選ばれる１種または２種以上と合金用粉末と結合剤とを鉄粉に添加して得た混合粉末を、結合剤の融点（以下、Ｔ_Mという）以上の温度Ｔ_Kまで昇温しながら攪拌した後、温度Ｔ_Kに保持して攪拌し、さらに温度Ｔ_Kから冷却しながら攪拌する１次混合攪拌を行ない、次いで得られた混合粉末を冷却しながら攪拌する２次混合攪拌を行なう粉末冶金用原料粉末の混合方法である。

本発明の混合方法においては、１次混合攪拌工程は高速底部攪拌式混合機（たとえばヘンシェルミキサー等）を用いて行なう。また、２次混合攪拌工程は高速底部攪拌式混合機あるいは円錐遊星スクリユー形混合機（たとえばナウターミキサー等）を用いて行なうことが好ましい。
１次混合攪拌では、温度Ｔ_Kまで昇温する過程と温度Ｔ_Kから冷却する過程で緩攪拌し、温度Ｔ_K に保持する過程で強攪拌する。また、１次混合攪拌の所要時間と２次混合攪拌の所要時間が均等になるように、１次混合攪拌から２次混合攪拌へ移行することが好ましい。

本発明によれば、簡便な手段で安価に効率良く粉末冶金用原料粉末を混合でき、かつ粉末冶金用原料粉末の見掛け密度の調整も可能である。

図１は、混合装置の断面図を用いて本発明の手順を示すフロー図である。図１に示すように、本発明では１次混合攪拌と２次混合攪拌に分けて混合を行なう。
まず、１次混合攪拌について説明する。
図１に示すように、鉄粉１と、合金成分を含有する金属粉末２（すなわち合金用粉末）と、その合金用粉末２を鉄粉１の表面に固着させるためのバインダー３（すなわち結合剤）とを１次混合攪拌装置11に装入する。さらに固体潤滑剤，切削性改善材粉および摺動性改善材粉の中から選ばれる１種または２種以上を１次混合攪拌装置11に装入する。ここでは固体潤滑剤，切削性改善材粉，摺動性改善材粉を総称して副原料と記し、図１中に符号４で示す。

１次混合攪拌装置11は、高速底部攪拌式混合機であり、とりわけヘンシェルミキサーが好適である。高速底部攪拌式混合機は、図１に示すように、回転軸８を中心にして回転羽根９が回転することによって、１次混合攪拌装置11内の粉体を攪拌して混合するものである。この装置は攪拌能力が大きいので、鉄粉１，合金用粉末２，結合剤３，副原料４を容易に摩滅させて丸みを帯びた粒子にすることが可能である。しかも、回転羽根９による攪拌時間や回転羽根９の回転速度を制御することによって、摩滅の進捗を変化させて１次混合攪拌装置11内の粉体の見掛け密度を調整することができる。

１次混合攪拌装置11には加熱手段を配設して、１次混合攪拌装置11内の粉体を昇温しながら攪拌する。加熱手段は、従来から知られている加熱技術を使用する。ただし１次混合攪拌では加熱手段のみならず、後述する冷却手段も必要である。そのため加熱機能と冷却機能を簡便な手段で獲得できる技術を選択する。たとえば電気ヒーターを使用すれば、１次混合攪拌装置11内の粉体を昇温することが可能である。ただし電気ヒーターは冷却機能を備えていないので、冷却手段を別個に配設せざるを得ず、１次混合攪拌装置11が複雑な構造になる。

本発明者の研究によれば、図１に示すように、１次混合攪拌装置11の外周を二重壁にすることが好ましい。二重壁にすれば、二重構造部７に高温の蒸気あるいはオイルを流通させることによって、１次混合攪拌装置11内の粉体を昇温することが可能である。しかも冷却する際には、低温の水あるいはオイルを流通させれば良い。つまり１次混合攪拌装置11の外周を二重壁にすることによって、１次混合攪拌装置11内の粉体の昇温と冷却を簡便な手段で行なうことが可能となる。

このようにして１次混合攪拌装置11内の粉体を昇温しながら攪拌する。そして結合剤３の融点Ｔ_M 以上の温度Ｔ_K に到達するまで昇温し、その温度Ｔ_K に保持してさらに攪拌する。温度Ｔ_K に保持することによって結合剤３が溶融し、かつ攪拌することによって鉄粉１の表面に溶融状態の結合剤３が塗布され、さらに合金用粉末２と副原料４が付着する。
引き続き１次混合攪拌装置11内の粉体を冷却しながら攪拌する。温度が融点Ｔ_M 以下に低下することによって結合剤３が固化し、合金用粉末２と副原料４を鉄粉１の表面に固着する。この過程でも攪拌を行なうことによって、過剰な合金用粉末２と副原料４を鉄粉１から取り除くことができる。なお冷却手段については、既に加熱手段と併せて説明した通りである。

この冷却過程で１次混合攪拌を停止し、１次混合攪拌装置11内の粉体を排出する。こうして得られた鉄粉１，合金用粉末２，結合剤３，副原料４の混合物５（以下、混合粉末という）を２次混合攪拌装置12に装入する。さらに固体潤滑剤，流動性改善材粉，切削性改善材粉および摺動性改善材粉の中から選ばれる１種または２種以上を２次混合攪拌装置12に装入する。

次に、２次混合攪拌について説明する。
２次混合攪拌装置12は、特定の機種に限定せず、従来から知られている装置を使用する。ただし本発明者の研究によれば、高速底部攪拌式混合機あるいは円錐遊星スクリユー形混合機が好ましく、とりわけヘンシェルミキサーあるいはナウターミキサーが好適である。

２次混合攪拌装置12には冷却手段を配設して、２次混合攪拌装置12内の混合粉末５を冷却しながら攪拌する。冷却手段は、従来から知られている冷却技術を使用する。ただし本発明者の研究によれば、図１に示す１次混合攪拌装置11と同様に、２次混合攪拌装置12の外周を二重壁にすることが好ましい。二重壁にすれば、低温の水あるいはオイルを流通させることによって、２次混合攪拌装置12内の粉体を冷却することが可能である。

このようにして２次混合攪拌装置12内の混合粉末５を攪拌しながら室温まで冷却し、２次混合攪拌装置12から排出することによって、所定の見掛け密度を有する粉末冶金用原料粉末６が得られる。
以上に説明した鉄粉１，合金用粉末２，結合剤３，副原料４を１次混合攪拌装置11に装入して粉末冶金用原料粉末６を２次混合攪拌装置12から排出するまで（以下、１サイクルという）の時間と温度の関係を図２に示す。図２中のｔ₁は１次混合攪拌の所要時間，ｔ₂は２次混合攪拌の所要時間，ｔ₃は１次混合攪拌装置11から混合粉末５を排出して２次混合攪拌装置12へ装入する所要時間（以下、移行時間という）を指す。

本発明では、１次混合攪拌から２次混合攪拌へ移行するタイミング（すなわち１次混合攪拌と２次混合攪拌の時間配分）は特に限定しない。粉末冶金用原料粉末６に要求される特性（すなわち見掛け密度，粒度等）や１次混合攪拌装置11，２次混合攪拌装置12の設備仕様等に応じて時間配分を適宜設定すれば良い。１次混合攪拌から２次混合攪拌へ移行するタイミングによっては、２次混合攪拌において温度が融点Ｔ_M 以下に低下する場合がある。その場合も、支障なく粉末冶金用原料粉末６を混合できる。

ただし、１次混合攪拌の所要時間ｔ₁と２次混合攪拌の所要時間ｔ₂が均等（すなわちｔ₁＝ｔ₂）になるように設定することが好ましい。１サイクルの総時間ｔ_TOTALは、１次混合攪拌の所要時間ｔ₁，２次混合攪拌の所要時間ｔ₂，１次混合攪拌から２次混合攪拌への移行時間ｔ₃の合計（すなわちｔ_TOTAL＝ｔ₁＋ｔ₂＋ｔ₃）であるから、ｔ₁＝ｔ₂とすることによって、２次混合攪拌装置12から粉末冶金用原料粉末６を排出する間隔が約１／２ｔ_TOTALに短縮される。その結果、１サイクルの総時間ｔ_TOTALの間に粉末冶金用原料粉末６が２回排出されることになる。

また１次混合攪拌では、温度Ｔ_Kに保持して強く攪拌（以下、強攪拌という）し、温度Ｔ_Kまで昇温する過程と温度Ｔ_Kから冷却する過程では、比較的弱く攪拌（以下、緩攪拌という）する。温度Ｔ_Kに保持した状態では結合剤３が溶融しているので、強攪拌を行なうことによって、合金用粉末２と副原料４を鉄粉１の表面に均一に付着させることができる。温度Ｔ_Kまで昇温する過程と温度Ｔ_Kから冷却する過程では、緩攪拌を行なうことによって、鉄粉１，合金用粉末２，副原料４の過剰な摩滅を防止できる。

以上に説明した通り、本発明を適用すれば、簡便な手段で安価に効率良く粉末冶金用原料粉末を混合でき、かつ粉末冶金用原料粉末の見掛け密度の調整も可能である。

図１に示すように、鉄粉１と合金用粉末２と結合剤３とを１次混合攪拌装置11に装入し、さらに副原料４として固体潤滑剤を１次混合攪拌装置11に装入した。１次混合攪拌装置11はヘンシェルミキサーを使用し、その外周を二重壁にした。その二重構造部７に蒸気を流通させて１次混合攪拌装置11内の鉄粉１，合金用粉末２，結合剤３，副原料４を加熱しながら攪拌して混合した。

温度が所定の保持温度Ｔ_Kに到達すると、温度をＴ_Kに保持しつつさらに攪拌した。この保持温度Ｔ_Kは、結合剤３の融点Ｔ_Mより高い温度である。また保持温度Ｔ_Kにて攪拌する際の回転羽根９の回転速度は、昇温過程の回転速度より大きくした。
引き続き二重構造部７に冷水を流通させて１次混合攪拌装置11内の鉄粉１，合金用粉末２，結合剤３，副原料４を冷却しながら攪拌した。この冷却過程では回転羽根９の回転速度を、保持温度Ｔ_Kにおける攪拌より小さくした。

この冷却過程で１次混合攪拌を停止し、得られた混合粉末５を１次混合攪拌装置11から排出し、２次混合攪拌装置12に装入した。さらに副原料として固体潤滑剤を２次混合攪拌装置12に装入した。２次混合攪拌装置12はナウターミキサーを使用し、その外周を二重壁にした。その二重構造部に冷水を流通させて２次混合攪拌装置12内の混合粉末５を冷却しながら攪拌して混合した。なお、１次混合攪拌の所要時間ｔ₁と２次混合攪拌の所要時間ｔ₂は、ｔ₁＝ｔ₂とした。

このようにして温度が室温まで低下した時点で２次混合攪拌装置12から排出した。得られた粉末冶金用原料粉末６の見掛け密度は、予め設定した目標範囲内を満足していた。

本発明の手順を示すフロー図である。 混合攪拌の時間と温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 鉄粉
２ 合金用粉末
３ 結合剤
４ 副原料
５ 混合粉末
６ 粉末冶金用原料粉末
７ 二重構造部
８ 回転軸
９ 回転羽根
11 １次混合攪拌装置
12 ２次混合攪拌装置

Claims (2)

1. 固体潤滑剤、切削性改善材粉および摺動性改善材粉の中から選ばれる１種または２種以上と合金用粉末と結合剤とを鉄粉に添加して得た混合粉末を、前記結合剤の融点Ｔ_M以上の温度Ｔ_Kまで昇温しながら攪拌した後、前記温度Ｔ_Kに保持して攪拌し、さらに前記温度Ｔ_Kから冷却しながら攪拌する１次混合攪拌を行ない、次いで得られた混合粉末を冷却しながら攪拌する２次混合攪拌を行なう粉末冶金用原料粉末の混合方法において、前記１次混合攪拌を、高速底部攪拌式混合機を用いて行い、前記１次混合攪拌にて、前記温度Ｔ _K まで昇温する過程と前記温度Ｔ _K から冷却する過程で緩攪拌し、前記温度Ｔ _K に保持する過程で強攪拌することを特徴とする粉末冶金用原料粉末の混合方法。
2. 前記１次混合攪拌の所要時間と前記２次混合攪拌の所要時間が均等になるように、前記１次混合攪拌から前記２次混合攪拌へ移行することを特徴とする請求項１に記載の粉末冶金用原料粉末の混合方法。
   

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