JP5312329B2 - カルナバワックスを含有する焼結成形体を製造するための混合物 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一つの金属材料、および／又はプラスチック材料、および少なくとも一つの圧縮成形助剤を含有する焼結成形体を製造するための混合物、並びにその混合物の製造方法、その混合物の使用、対応する圧縮成形助剤およびその混合物から製造される圧粉体に関する。

焼結成形体は、多くの用途、特に、エンジンおよびトランスミッションに用いられる成形体のような自動車において使用されている。焼結成形体を製造する上での困難な問題の一つは、できる限る高密度でこれらの成形体を製造することにある。一般的に圧粉体と呼ばれている、焼結可能な粉末から一般的な粉末冶金法を用いて一つまたは二つ以上の工程を経て圧縮成形によって得られる成形体は、保護雰囲気下の次の工程で焼結される。その結果、硬くて正確な大きさの成形体が製造される。

そのような方法で製造される焼結成形体の密度は、最初の圧縮成形工程で得られる圧粉体の密度である、いわゆる圧粉密度（圧縮成形密度）に依存している。それゆえ、最初の圧縮成形後にできる限りの高密度を有することを特徴とする圧粉体を得ようとすることは価値がある。

しかしながら、高密度の圧粉体を製造するために当業者に採用されている高い圧縮成形密度は、一方において、圧縮成形ダイの摩耗を早めることにつながり、他方において、押出ダイにおける完成した圧粉体の突き出し滑り摩耗を増加することにつながる。このように、摩耗の増加に対応する高い突き出し力が圧縮成形ダイに付加される。さらに、高い突き出し力によって、圧粉体に、局部的に好ましくない再強化部が形成されたり、亀裂が形成されたりする。

特許文献１によれば、圧縮成形助剤の全量に対して２０なしい６０重量％のポリグリコールと４０ないし７５重量％のモンタンワックスとを含有する、圧縮成形助剤が開示されている。このように、少なくとも７．１４ｇ／cm³の圧粉密度を有する圧粉体を８００ＭＰａの圧力で製造することは可能である。

独国特許出願公開第102 44 486 号明細書(DE 102 44 486 A1)

本発明の目的は、上記した不都合な点を避けることができる焼結成形体を製造するための混合物を提供することにある。

この目的は、少なくとも一つの金属材料および／又はプラスチック材料と少なくとも一つの圧縮成形助剤とを含有する、焼結成形体を製造するための混合物によって達成される。上記圧縮成形助剤は、圧縮成形助剤の全量に対して約０．５重量％から約６０重量％の少なくとも一つのアミドと、圧縮成形助剤の全重量に対して約４０重量％から約９９．５重量％の少なくとも一つのカルナバワックス(carnauba wax)とを含有している。

本発明において、焼結成形体とは焼結可能な材料から製造された成形体であることを意味する。他方、焼結成形体は複合部材としても理解される。そのような複合部材の主要部は、アルミニウム含有混合物または鉄含有混合物から製造することができる。主要部に接続される部分は、他の材料、例えば、鋳鋼、焼結体、固形物またはアルミニウム鋳物から製造することができる。逆に、複合部材は、その正面側のみ、又は表面のみに、アルミニウム含有混合物またはセラミック含有混合物から製造された焼結層を有することができる。一方、主要部は、例えば、鋼、鋳鉄、焼結体または固形物から製造することができる。焼結成形体は、熱処理によって、特性の調整及び／又は硬化を図ることができる。

本発明において、金属材料および／又はプラスチック材料は、特に、金属、セラミック、および／又はプラスチック成分から製造された粉末または混合物を意味する。例えば、低合金鋼、クロム−ニッケル鋼、青銅、ハステロイ、インコネルのようなニッケル基合金、金属酸化物、金属窒化物、金属珪化物など、さらに、アルミニウム含有粉末またはアルミニウム含有混合物などから製造された粉末または混合物が含まれる。上記混合物は、例えば、白金のような高融点成分を含有することができる。使用される粉末とその粒径は、対応する使用目的に依存している。どのように選択するかは当業者によく知られている。好ましい鉄含有粉末は、合金316L、合金304L、合金Inconel 600、合金Inconel 625、モネルメタル、合金Hastelloy B、合金Hastelloy X、合金Hastelloy C、および合金Distaloy DH1である。ここに、上記鉄含有粉末の混合物も明らかに使用することができる。さらに、金属材料および／又はプラスチック材料の全部または一部は、可塑性の繊維または繊維から製造することができる。約０．１μｍから約２μｍまでの直径を有し、数μｍから約５０μｍまでの長さを有する繊維を好ましく用いることができる。

さらに、好ましい合金を形成するために、金属材料および／又はプラスチック材料に相応の量の炭素を添加することができる。

さらに、本発明において、カルナバワックスは、０．９９０から０．９９９ｇ／cm³の範囲の密度と、特に、約８３℃から約８６℃の範囲の融点を有する植物のワックスである。カルナバワックスは、特に、ブラジルのコペルニシア(copernicia)のプルニフェラ(prunifera)のやし（カルナバやし）の木の葉から得られる。例えば、カルナバワックスは、ワックス酸、ω−ヒドロキシカルボン酸またはケイ皮酸とワックスアルコールおよびジオールとのエステル約８５重量％を含有している。さらに、カルナバワックスは、約３重量％ないし約５重量％の遊離酸、特に、カルナバおよびロウ酸(cerotic、acid)、さらに、アルコール、ジオール、炭化水素、および無機化合物も含有している。異なるカルナバワックスの混合物も使用することができる。

本発明において、カルナバワックスは、ヨウ素価が約８．５から約１０．５の範囲で、酸価が約１から約４の範囲で、鹸化価が約７０から約８３の範囲であるのが好ましい。

本発明において、アミドは、第一アミド、第二アミドおよび／又は第三アミドからなるグループから特に選択することができる。さらに好ましくは、本発明のアミドは、４から２２の炭素原子、好ましくは５から２１の炭素原子を伴う、少なくとも一つのアルキル残基を含んでいる。特に好ましくは、アミドは、５から２１の炭素原子を伴うアルキル残基を伴う第一アミドである。本発明において、異なるアミドの混合物を圧縮成形助剤に添加することができる。それらの混合物が第一アミドを含有することは好都合である。その混合物において、アルキル残基の連鎖の長さは、４から２２の炭素原子、好ましくは５から２１の炭素原子の範囲で変えることができる。

本発明において、用語“約”によって示される範囲または数値に関して、上限と下限の数値は絶対的なものではない。その代わりに、上限と下限の数値から逸脱しても本発明の効果が得られることは当業者には明らかである。ここに、その逸脱できる範囲は、上限と下限の数値から５％までの範囲である。

本発明の混合物は、特定の圧縮成形助剤を添加することによって、特に、単にカルナバワックスとアミド成分の使用によって、当業者に知られている圧縮成形助剤の圧縮成形密度（圧粉密度）を超える、公知の圧縮成形助剤によっては達成することができない非常に高い圧粉密度を得ることができるという大きな利点がある。このように、本発明の混合物から製造される圧粉体によれば、高い圧粉強度が得られる。さらに、本発明の混合物を用いて、室温（２０℃）から約１５０℃までの温度範囲において、熱間または冷間圧縮成形をして、連続的に圧粉体を製造することができる。本発明の混合物および本発明の圧縮成形助剤の非常に広い使用温度範囲は、特に、独国特許出願公開第102 44 486 号明細書(DE 102 44 486 A1)に開示されている、公知の圧縮成形助剤の使用温度範囲を遙かに超えている。

さらに、本発明の混合物によれば、圧粉体を圧縮成形した後、その圧粉体を圧縮成形ダイから取り出すのに必要な突き出し圧力がかなり小さいという利点がある。６５℃の温度および７００ＭＰａの成形圧力で、突き出し圧力は約１７０ＭＰａ未満である。さらに、本発明の混合物から成形体を製造するには、当業者に知られている他の圧縮成形助剤において使用される圧力よりもかなり高い圧力を圧縮成形ダイのラムに負荷することができる。このように、片側成形体のためにロア・ラムで使用することができる圧力、すなわち、ロア・ラムを用いた圧縮成形ダイにおける本発明の混合物の圧力は、４００ＭＰａを超える圧力である。

本発明の混合物のこれらの好都合な特性によって、使用される圧縮成形ダイの摩耗がかなり低減される一方、製造される圧粉体における亀裂の形成や局部的な再強化部の形成の危険性が減少する。さらに、本発明の混合物によって達成することができる圧粉密度は、最終の焼結成形体の密度に近い値である。

本発明の混合物は、他の成分、特に、混合物の全重量に対して、好ましくは、約０．２重量％から約５重量％の滑剤を含有することができる。滑剤として、例えば、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ＢＮ、グラファイト、および／又はコークス、極性グラファイトのような他の炭素改良剤のような自己潤滑材料を採用することができる。約１重量％から約３重量％の滑剤を焼結可能な混合物に添加することが好都合である。上記滑剤を使用することによって、焼結可能な混合物から製造される成形体は、何よりも自己潤滑特性が付与される。

さらに、本発明の混合物は、異なる混合物を形成するために、混合物の全量に対して、少なくとも０．３重量％から、より好ましくは約０．４重量％から約１．４重量％の範囲の炭素を含有するのが好ましく、最大で、混合物の全量に対して約３重量％の炭素を含有することができる。

さらに、本発明の混合物は、他の圧縮成形助剤またはアエロジルを含有することができる。当業者に知られた他の添加剤は、使用目的に応じて選択することができる。加熱下でミキサーを非対称に移動させながら（熱間混合）、および／又は室温下でミキサーを非対称に移動させながら（冷間混合）、本発明の混合物は各成分を代表的な装置を用いて混合することによって得ることができる。熱間混合は、好ましくは約５０℃から約８０℃の範囲の温度が好ましい。

本発明の混合物としては、約５０重量％から約７５重量％の少なくとも一つのカルナバワックスと約２５重量％から約５０重量％の少なくとも一つのアミドを含有する混合物が特に好ましい。さらに、脂肪酸塩のグループから選択される少なくとも一つの圧縮成形助剤を含有することが好都合であり、特に、ステアレート、さらに、亜鉛ステアレートおよび／又はケイ素ステアレートを、一層好ましく含有することができる。圧縮成形助剤の例としては、亜鉛ステアレートおよびアミドの混合物を含む、スウェーデンのHoganas ABのKenolube P11のもの、又は、カナダのMissisangaのH. L. Blachford Ltd.,のCaplube L のものを挙げることができる。少なくとも一つの付加的な圧縮成形助剤は、圧縮成形助剤の全量に対して約２５重量％までの範囲で混合物中に含むことができる。さらに、本発明の混合物は、特に、異なる化学構造の他の圧縮成形助剤を含まないのが好ましいが、明らかに他の圧縮成形助剤を含むことを除外するものでもない。さらに好ましくは、本発明の混合物は、圧縮成形助剤として、混合物の全量に対して約０.３重量％から約０.９重量％を含有し、圧縮成形助剤の全量に対して約２５重量％から約５０重量％の少なくとも一つのアミドと、圧縮成形助剤の全量に対して約５０重量％から約７５重量％の少なくとも一つのカルナバワックスと、圧縮成形助剤の全量に対して約０重量％から約２５重量％の亜鉛ステアレートを含有し、混合物の全量に対して約０.４重量％から約０.８重量％の炭素と約０.００５重量％から約０.０４重量％のアエロジルを含有する。残りは、金属材料であるのが特に好ましく、金属材料は異なる金属材料の混合物とすることができる。

本発明は、さらに、本発明の混合物を製造する方法に関する。その製造方法は、第一工程において、圧縮成形助剤として含まれる少なくとも一つのアミドと少なくとも一つのカルナバワックスがともに溶解され、第二工程において、第一工程において製造された圧縮成形助剤が金属材料および／又はプラスチック材料に添加される。

さらに好ましくは、本発明の方法の第一工程後に、得られた溶解物を冷却して粉砕するか又は粉状にする。驚くべきことに、本発明の方法による本発明の混合物を用いて製造された圧粉体によれば、一軸成形、二軸成形または等方圧成形のいずれであろうと、当業者に知られている一般的な圧縮成形助剤によって達成することができる圧粉密度を遙かに超える圧粉密度を得ることができる。

また、代わりに、本発明の混合物を製造する方法は、第一工程において、圧縮成形助剤として含まれる少なくとも一つのアミドと少なくとも一つのカルナバワックスが互いに混合され、第二工程において、第一工程において製造された圧縮成形助剤が金属材料および／又はプラスチック材料に添加される。

この代わりの方法によれば、冶金的圧縮プロセス後に、高い圧粉密度と高い圧粉強度を有する圧粉体を得ることができる。この場合、好ましくは、特に約５００μｍ未満の粒径の粉末状の少なくとも一つのアミドと少なくとも一つのカルナバワックスが使用される。

さらに、本発明は、焼結成形体を製造するために本発明の混合物を使用することに関する。また、本発明は、請求項１ないし６記載の圧縮成形助剤に関する。特に好ましくは、圧縮成形助剤は、約５０重量％から約７５重量％の少なくとも一つのカルナバワックスと約２５重量％から約５０重量％の少なくとも一つのアミドを含有し、５ないし２１の炭素原子を伴うアルキル残基を伴う第一アミド又はそのようなアミドの混合物が好ましい。 さらに、本発明は、７００ＭＰａおよび６５℃でISO 3927-1985に準拠して、少なくとも７．１５ｇ／cm³の圧粉密度を有する、本発明の混合物から製造された圧粉体に関する。

図１は、混合物ａ）ないしｄ）のフロータイム（秒）を示す。 図２は、混合物ａ）ないしｄ）の圧粉密度を示す。 図３は、摩擦試験の結果であり、混合物ａ）ないしｄ）のロア・ラムの圧力（黒色）と突き出し圧力（薄い色）を示す。

本発明の上記利点および他の利点は、添付図面を参照しながら以下に詳細に記載される。

混合物全量に対して、０.６重量％の以下の圧縮成形助剤と、０.６重量％の炭素と、０.０２重量％のアエロジル(ドイツ、デュッセルドルフに所在のDegussa AG社の商品であるAerosil(登録商標)200C)と、スウェーデンのHoganas AB社製の焼結可能な金属粉末distaloy DH1（残部）から混合物ａ)〜ｄ)が製造された。

混合物ａ）スウェーデンのHoganas AB社の製品であって、商品名がKenolube P11である２２.５重量％の亜鉛ステアレートと７７.５重量％のアミドワックスの混合物
混合物ｂ）ドイツ、ハンブルクに所在のBenecke GmbH社の製品であって、商品名がカルナバワックスフレークＦである純粋カルナバワックス
混合物ｃ）ドイツ、ロットバイルに所在のL.B. Bader & Co. GmbH社の製品であって、商品名がLUBA-print wax 467/Eである融点１１５℃の脂肪酸アミドワックス
混合物ｄ）上記ｂ）の６０重量％と上記ｃ）の４０重量％との混合物が、カルナバワックスと脂肪酸アミドワックスの共通の融点で溶解されて、その後、溶解物が適当に冷却されて凝固され、その凝固物の粉末への変化または分別蒸留によって得られたもの
本発明の混合物において添加される圧縮成形助剤の割合は、本発明の混合物全量に対して、約０.１重量％から約５重量％、好ましくは、約０.１重量％から約３重量％、さらに好ましくは、約０.１重量％から約１.５重量％である。

上記混合物は、一般的な圧縮成形ダイに充填されて、１４．３mmの内径で１４mmの長さを有するシリンダ内へ、７００ＭＰａの圧力および６５℃の温度で一軸圧縮された。

このようにして、上記４つの混合物に対して、フロータイムがDIN ISO 3923（充填密度パート１の測定、ファネル法）に従って測定され、圧縮性がDIN ISO 3927（一軸圧縮の圧縮性の測定）に従って測定された。ここで、Ｍ／Ｑ比（断面に対する側面の比）は標準の試験片では約４のＭ／Ｑの数値が採用されるが、本試験片では約１２のＭ／Ｑの数値が採用された。また、製造された圧粉体の圧粉密度はDIN ISO 3369（非透過性焼結金属および硬質金属の密度の測定）に従って測定された。さらに、ロア・ラムを伴い、６５℃の温度で一方向に作動するプレスによって、圧縮成形（摩擦試験）が実行された。その摩擦試験においてダイ力が検出され、そのダイ力の数値から、ロア・ラムの圧力と突き出し圧力の数値を求めることができる。Ｍ／Ｑ比は約１２になるようにされ、成形圧力は７００ＭＰａとされた。上記の測定結果は、図１ないし図３に示されている。

図１から、混合物ａ）、ｂ）、ｃ）およびｄ）のフロータイムは、ほぼ同じであることが分かる。

図２を見れば、本発明の混合物ｄ）の圧粉密度は、混合物ａ）の圧粉密度より大きく、特に、本発明の混合物ｄ）の混合圧縮成形助剤の構成成分であるものを単独で含む混合物ｂ）や混合物ｃ）の圧粉密度よりはるかに大きいことが分かる。ここに、驚くべき相助作用が混合物ｂ）と混合物ｃ）に係る圧縮成形助剤を混合することにより得られることが分かる。

図３に示す摩擦試験の結果によれば、本発明の混合物ｄ）は、ロア・ラムの圧力Ｐ_USが他の混合物ａ）ないしｃ）のロア・ラムの圧力Ｐ_USより大きく、他方、本発明の混合物ｄ）の突き出し圧力Ｐ_ausは他の混合物ａ）ないしｃ）の突き出し圧力Ｐ_ausより小さい。このように、圧縮成形工程において本発明の混合物ｄ）を使用すると、圧縮成形ダイに高い圧力を効果的に生成することができ、他方、本発明の混合物ｄ）によれば、突き出し滑り摩擦は低減される。混合物ａ）、ｂ）、ｃ）に比較して、混合物ｄ）によって製造された圧粉体の突き出し圧力Ｐ_ausは低くなる。

本発明の混合物によれば、公知の物質の欠点を改善する一方、本発明の混合物によれば、高い圧粉密度の混合物から得られる圧粉体の圧粉強度を高めることができる。他方、圧縮成形ダイの突き出し圧力を低くすることができるので、圧縮成形ダイの寿命を延ばすことができる。本発明の混合物から製造される圧粉体は優れた特性を有しており、局部的に好ましくない再強化部が形成されにくく、亀裂が形成されにくいので、品質が均一な焼結成形体を効率的に製造することができる。

Claims (11)

1. 少なくとも一つの金属材料、および、少なくとも一つの圧縮成形助剤を含む、焼結成形体を製造するための混合物であって、当該圧縮成形助剤が、少なくとも一つの第一アミド、および、少なくとも一つのカルナバワックスを含み、および、当該第一アミドの量が、当該圧縮成形助剤の全量の２５重量％〜５０重量％であり、かつ当該カルナバワックスの量が、当該圧縮成形助剤の全量の５０重量％〜７５重量％である、ことを特徴とする混合物。
2. 前記第一アミドが、５〜２１個の炭素原子を含むアルキル残基を有する請求項１に記載の混合物。
3. 前記カルナバワックスが、８.５〜１０.５のヨウ素価を有する請求項１または２に記載の混合物。
4. 前記圧縮成形助剤の量が、前記混合物の全量の０.１重量％〜５重量％である請求項１乃至３のいずれかに記載の混合物。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の混合物の製造方法であって、
   少なくとも一つの第一アミドを、少なくとも一つのカルナバワックスと共に溶解することによって圧縮成形助剤を調製し、および
   当該圧縮成形助剤を、金属材料に添加する、
   工程を含む、ことを特徴とする混合物の製造方法。
6. 前記圧縮成形助剤が、粉砕および／または粉状化される請求項５に記載の方法。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の混合物の製造方法であって、
   少なくとも一つの第一アミドと、少なくとも一つのカルナバワックスとを互いに混合することによって圧縮成形助剤を調製し、および
   当該圧縮成形助剤を、金属材料に添加する、
   工程を含む、ことを特徴とする混合物の製造方法。
8. 焼結成形体を製造するための請求項１乃至４のいずれかに記載の混合物の使用。
9. 少なくとも一つの第一アミド、および、少なくとも一つのカルナバワックスを含む、焼結成形体を製造するための圧縮成形助剤であって、当該第一アミドの量が、当該圧縮成形助剤の全量の２５重量％〜５０重量％であり、かつ当該カルナバワックスの量が、当該圧縮成形助剤の全量の５０重量％〜７５重量％である、ことを特徴とする圧縮成形助剤。
10. 前記第一アミドが、５〜２１個の炭素原子を含むアルキル残基を有する請求項９に記載の圧縮成形助剤。
11. 前記カルナバワックスが、８.５〜１０.５のヨウ素価を有する請求項９または１０に記載の圧縮成形助剤。

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