JP5381262B2 - 粉末冶金用鉄基粉末およびその流動性改善方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金の用途に好適な鉄基粉末およびその流動性改善方法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。

また特許文献５には、粒子径40ｎｍ（ナノメートル）未満のSiＯ₂を0.005〜２質量％含有し、温間成形における鉄粉の流動性を改善する技術が開示されている。しかしながら、この技術では、焼結の際にSiＯ₂が残留し、鉄粉粒子間の結合を阻害するので、得られる焼結体の強度が低下する。
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 特表2002-515542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、かつ成形体の抜出力も低く、かつ、その後の焼結においても焼結体の十分な強度を保持できる粉末冶金用鉄基粉末およびその流動性改善方法を提供することを目的とする。

本発明は、粒子径５〜100ｎｍのカーボンブラックを50〜100質量％含有する流動性改善粒子と、合金成分としての黒鉛粉とを、鉄粉の表面に結合剤を介して付着させてなり、結合剤の添加量を鉄粉100質量部に対して0.05〜0.8質量部の範囲内とし、結合剤による鉄粉の被覆率が10％以上50％以下、かつ流動性改善粒子による結合剤の被覆率が50％以上である粉末冶金用鉄基粉末である。
さらに本発明は、粒子径５〜100ｎｍのカーボンブラックを50〜100質量％含有する流動性改善粒子と、合金成分としての黒鉛粉とを、鉄粉の表面に結合剤を介して付着させて、結合剤の添加量を鉄粉100質量部に対して0.05〜0.8質量部の範囲内とし、結合剤による鉄粉の被覆率を10％以上50％以下、かつ流動性改善粒子による結合剤の被覆率を50％以上とする粉末冶金用鉄基粉末の流動性改善方法である。
また本発明では、結合剤がステアリン酸亜鉛，ステアリン酸リチウム，ステアリン酸カルシウム，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のうちの１種または２種以上であることが好ましい。鉄粉は、合金成分としてCu，Ｃ，NiおよびMoの中から選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましく、さらにアトマイズ鉄粉，還元鉄粉，および前記合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。また、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。さらに上記結合剤が、鉄粉粒子全体を被覆するのではなく、結合剤による鉄粉の被覆率が50％以下であることが好ましく、10％以上50％以下であることがより好ましい。被覆率は30％以上50％以下が一層好ましい。また本発明では、結合剤で鉄粉の表面を被覆した後に、その結合剤の表面に流動性改善粒子を付着させるが、結合剤の表面に付着した流動性改善粒子の被覆率が50％以上であることが好ましい。なお被覆率は、いずれも被覆された面積が粒子表面の面積に占める比率である。

結合剤の針入度は0.05〜２mmの範囲内であることが好ましい。
また鉄粉のうちの50％未満が、結合剤のない鉄粉であることが好ましい。その際、上記した結合剤による単位総カーボン添加量あたり被覆率は、結合剤のない鉄粉を含めた平均的な被覆率とする。
また流動性改善粒子がカーボンブラックに加えて、Al₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・ｘＨ₂Ｏ，SiＯ₂ ，TiＯ₂およびFe₂Ｏ₃のうちの１種または２種以上を含有し、かつ流動性改善粒子の平均粒径が５〜500ｎｍの範囲内であることが好ましい。

あるいは流動性改善粒子がカーボンブラックに加えて、ＰＭＭＡおよび／またはＰＥを含有し、かつ流動性改善粒子の平均粒径が５〜500ｎｍの範囲内であることが好ましい。
なお本発明の粉末冶金用鉄基粉末においては、流動性改善粒子を、鉄粉100質量部に対して、0.01〜0.3質量部の割合で混合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。

鉄粉に結合剤，黒鉛，カーボンブラックが付着して部分的に被覆された状態を模式的に示す説明図である。 図１中の被覆された部位を拡大して示す説明図である。 充填試験機の要部を模式的に示す斜視図である。

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、鉄粉と黒鉛粉，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遊離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、最後の遊離潤滑剤を添加混合する際に、カーボンブラックを50〜100質量％含有する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、ここに黒鉛粉，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（偏析防止処理）。

また、結合剤が完全に固化した後に、遊離潤滑剤を添加する。ここで使用する遊離潤滑剤は、成形の際の抜出し性を改善するために添加する潤滑剤であり、金属石鹸，アミドワックス，ポリアミド，ポリエチレン，酸化ポリエチレン等を使用するとこが好ましい。具体的には、ステアリン酸亜鉛，ステアリン酸リチウム，ステアリン酸カルシウム，ステアリン酸モノアミド，エチレンビスステアロアミド等が好適である。遊離潤滑剤の粒子径は１〜150μｍ程度である。

これらの遊離潤滑剤は、結合剤が固化した後に添加するので、鉄粉粒子に付着せず、遊離状態にある。したがって、遊離潤滑剤と呼ぶ。
カーボンブラックを主成分とする流動性改善粒子は、この遊離潤滑剤を添加するときに同時に添加する。このとき、結合剤は完全に固化しているが、流動性改善粒子は極めて微細（すなわち粒子径５〜500ｎｍ）であるから、ファンデルワールス力や静電力で鉄粉粒子に付着する。なお、流動性改善粒子については後述する。

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、金属石鹸，アミドワックス，ポリアミド，ポリエチレン，酸化ポリエチレン等を使用する。特にステアリン酸亜鉛，ステアリン酸リチウム，ステアリン酸カルシウム，ステアリン酸モノアミド，エチレンビスステアロアミドが好ましい。これらの結合剤は単体で使用しても良いし、２種以上を混合して使用しても良い。

結合剤で被覆した鉄粉の流動性を考えた場合、結合剤と結合剤との間の付着力は、鉄粉−鉄粉間の付着力や鉄粉−結合剤の付着力より大きい。したがって、鉄粉の表面全体が結合剤で被覆された場合には、その流動性は著しく劣化する。流動性を考えた場合には、結合剤が鉄粉の表面に偏在する方が好ましい。そこで本発明においては、鉄粉表面の一部にのみ結合剤を付着させることを好ましい要件とする。

また、結合剤による鉄粉の表面の被覆率は、結合剤や黒鉛等の添加率によっても異なるが、10％以上50％以下である。被覆率が50％を超えると、鉄粉粒子間の付着力が大きくなり、流動性が悪化する。一方、10％未満では、黒鉛等の添加率によっても異なるが、黒鉛粉等を十分に鉄粉表面に付着できなくなる場合がある。この場合には、細かい粒径の粒子が増加し、粉末全体として流動性が悪化する。なお、被覆率は30％以上50％以下が好ましい。

これらの被覆率の制御は、結合剤の添加量によって、容易に調整ができる。また、混合温度や攪拌速度等の混合条件を制御することによっても調整が可能である。なお、結合剤は、鉄粉100質量部に対して0.05〜0.8質量部の範囲内で、所望の被覆率に応じて添加量を調整する。
ここで、結合剤による被覆率は、ＳＥＭで鉄粉の粒子１個を観察したときに、図１に示すような鉄粉の表面に付着した結合剤によって被覆された部分の面積率（％）の値を指す。

上記のＳＥＭ観察において、通常の観察に汎用的に用いられる測定条件（たとえば加速電圧15ｋＶ，形状強調像）では、鉄粉表面に付着した結合剤の識別はほとんど困難である。上記の条件では、鉄粉表面に結合剤らしき微粉末の存在は認められるものの、色調差を用いての画像解析には適用できない。
そこで種々検討を行なった結果、加速電圧を５ｋＶ以下、より好ましくは３ｋＶ以下での形状強調像により、鉄粉と結合剤の差が非常に明確になることを見出した。

つまり、鉄粉表面に付着した結合剤の割合を求める際の加速電圧は0.1〜５ｋＶであることが必要で、より好ましくは１〜３ｋＶの範囲とすることで、鉄粉と結合剤とを識別するためのコントラストが明確に得られる。このとき用いる検出器は、形状強調像が得られる二次電子検出器でも、物質強調像が得られるInlens検出器でも構わないが、二次電子検出器を用いる方がより好ましい。

このように最適化した測定条件で撮影した画像をデジタルデータとしてパソコンに取り込む。これを、画像解析ソフトを用いて二値化した後、鉄粉表面に付着した結合剤の面積率（％）を求めて、これを鉄粉表面に付着した結合剤の被覆率とする。なお、上記の被覆率を算出する際のＳＥＭ観察においては、300倍程度で10視野程度を観察し、その平均値を求めることが好ましい。

ここで用いる結合剤は、その針入度（すなわち硬度）が、0.05〜２mmの範囲内であることが好ましい。より好ましくは0.05〜１mmである。なお、針入度は、ワックスやアスファルトの硬度を測定する方法で、ＪＩＳ規格K-2207に示されており、通常は室温（すなわち25℃）で測定される。本来、針入度の測定は偏析防止処理後の結合剤に対して行なうことが好ましいが、粒子表面にある結合剤の針入度の測定は難しいので、結合剤単体に必要に応じて偏析防止処理相当の熱処理を施した後、バルク状（すなわちペレット状）にして測定を行なう。

結合剤の硬度が必要以上に低い（すなわち針入度が高すぎる）場合には、粒子間の粘着力，付着力が高くなり、粉体としての流動性が低下する。つまり、本発明のように、結合剤の針入度は２mm以下であることが好ましく、１mm以下であることがより好ましい。一方、結合剤は、成形時の潤滑剤として機能するので、潤滑剤の硬度が必要以上に高い（すなわち針入度が低すぎる）場合には、その潤滑性が減少する傾向が現われる。したがって、結合剤の針入度は0.05mm以上であることが好ましい。特に優れた潤滑性を得るためには針入度が0.3mm以上であることがより好ましい。

また、結合剤で合金成分を付着させる方法としては、加熱して結合剤を溶融させて付着する方法，あるいは結合剤を溶媒に溶解して混合した後、溶媒を蒸発させて付着する方法がある。ただし、鉄粉の表面に結合剤を偏在させるためには、前者の方法が好ましい。
また、鉄粉と鉄粉との間の付着力を低下させるためには、鉄粉の一部を結合剤で被覆し、結合剤で被覆されていない鉄粉を後から添加することも有効である。その結果、結合剤と結合剤が接触する確率を低下させることができる。その際、結合剤による被覆率は、結合剤のない鉄粉を含めた平均的な被覆率とする。

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。
本発明で使用する流動性改善粒子は、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、カーボンブラックを50〜100質量％含有する。カーボンブラックはトナーや塗料で使用されるものであり、その粒子径は５〜100ｎｍの範囲内とする。また、結合剤の表面に付着した流動性改善粒子の被覆率は50％以上である。これは、結合剤と結合剤との間の付着力を低下させるためである。結合剤の表面に付着した流動性改善粒子の被覆率の上限は、特に限定する必要はなく、100％であっても問題はない。ただし、成形時の抜出力が増大する懸念を回避する観点から、90％以下に限定しても良い。

ここで流動性改善粒子の被覆率とは、ＳＥＭで観察したときに図２に示すような、予め鉄粉表面に付着した結合剤で被覆された部分に対して、カーボンブラックが表面に存在している部分の面積の比率である。
上記のＳＥＭ観察において、種々検討を行なった結果、鉄粉表面に付着した結合剤の表面を被覆するカーボンブラックの割合を求める際には、加速電圧を0.1〜２ｋＶとすることが必要で、特に0.1〜１ｋＶの範囲で鉄粉，結合剤，カーボンブラックを識別するためのコントラストが最も明瞭に得られることを見出した。このとき用いる検出器は、形状強調像が得られる二次電子検出器よりも物質強調像が得られるInlens検出器であることが好ましい。

このように最適化した測定条件で撮影した画像をデジタルデータとしてパソコンに取り込む。これを、画像解析ソフトを用いて二値化した後、結合剤の表面を被覆するカーボンブラックの面積率（％）を求めて、これを結合剤表面を被覆するカーボンブラックの被覆率とする。なお、上記の被覆率を算出する際のＳＥＭ観察においては、3000倍程度で20視野程度を観察し、その平均値を求めることが好ましい。

なお、カーボンブラック以外の流動性改善粒子が添加されている場合は、それぞれの流動性改善粒子に適した観察条件を選んで、同様に被覆率を求めることが好ましい。これに代えて、上記の観察で得られたカーボンブラックによる被覆率と、流動性改善粒子中のカーボンブラックの比率とを基に、流動性改善粒子全体による被覆率を概算しても良い。
カーボンブラックに加えて流動性改善粒子に添加される成分は、
(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種または２種、
の２種類に大別される。

流動性改善粒子としてカーボンブラックに加えて、これらの成分を添加すると、鉄粉(特にアトマイズ鉄粉)の流動性を改善する効果が一層向上する。
一般に金属酸化物は、焼結の際に鉄粉粒子同士の焼結を阻害し、焼結体の強度低下を招く。したがって流動性改善粒子としては、金属酸化物（たとえばAl₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・ｘＨ₂Ｏ，SiＯ₂ ，TiＯ₂ ，Fe₂Ｏ₃等）の添加量をできるだけ低減することが好ましい。また、有機物（たとえばＰＭＭＡ，ＰＥ等）は高価であるから、有機物の添加量をできるだけ低減することが好ましい。このような理由でカーボンブラックの含有量は50〜100質量％の範囲内とする。

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。これらは鋼中介在物と見ることもでき、その大きさが大きすぎると、焼結体の強度を落とすことになる。これらの理由から、流動性改善粒子の平均粒径は５〜500ｎｍの範囲内が好ましい。より好ましくは100ｎｍ以下である。なお、流動性改善粒子の粒径は、カーボンブラックについては電子顕微鏡観察による算術平均で求めた値を用い、上記(A)についてはＢＥＴ比表面積により粒子形状を球形として求めた値を用い、また上記(B)についてはエタノールを分散媒としたマイクロトラック法により測定した値を用いるものとする。

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、0.3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0.01〜0.3質量部の範囲内が好ましい。添加量の下限は、より好ましくは0.05質量部以上である。また、添加量の上限は、より好ましくは0.2質量部以下である。

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。

結合剤のない鉄粉は、20質量％以下とすることがより好ましい。また、５質量％以上添加することが顕著な効果を得る観点から好ましく、10質量％以上とすることがより好ましい。
このような鉄基粉末は、偏析防止処理を施した鉄粉に、偏析防止処理を施していない鉄粉を混合することで得られる。添加に好適な鉄粉の平均粒径の範囲は、上記の一般の鉄粉と同じである。

また、結合剤のない鉄粉にまず流動性改善粒子を混合し、偏析防止処理後の鉄粉と混合することで、流動性をさらに改善することができる。その理由は解明されていないが、裸面の鉄粉が流動性改善粒子の凝集体を粉砕する凝集防止効果によって、流動性改善粒子が結合剤の表面に行き渡るようになることが一因であると推定される。結合剤のない鉄粉を、結合剤のない他の素材粉末に代えても同様の効果があると期待されるが、鉄粉が最も好適である。

なお、鉄基粉末はCu，Ｃ，Ni，Mo等を合金成分として含有しても良い。鉄基粉末にこれらの合金成分を含有させる方法は、鉄粉を合金としたり、鉄粉とは別の粒子としたり、合金成分を鉄粉に付着させる等がある。また、鉄粉はアトマイズ鉄粉，還元鉄粉，合金成分を付着させた鉄粉等を使用して良い。

表１の発明例１〜９，参考例２に示すように、ステアリン酸アミドとエチレンビスステアロアミドを結合剤とし、鉄粉（ＪＦＥスチール製300A），Cu粉，黒鉛粉を合金成分として、ヘンシェル（Henschel）タイプの高速ミキサーで加熱混合した。その後、60℃まで冷却し、表２に示す各種流動性改善粒子と遊離潤滑剤（すなわちステアリン酸亜鉛）を添加混合した。なお、流動性改善粒子の物性は表３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表面状態を表２に示し、結合剤の針入度を表１に示す。

ここで流動性改善粒子による結合剤表面の被覆率は、〔カーボンブラックによる結合剤表面の被覆率〕／〔流動性改善粒子に占めるカーボンブラックの粒子数比率〕で求めた。なお、粒子数比率は、重量比率を、平均粒子径および素材物質の比重から概算される重量あたり粒子数にて補正して得た。
Al₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・xＨ₂Ｏで表わされる物質は、ケイ酸アルミン酸マグネシウムと呼ばれ、xは複合化合物が安定性を示すいずれの数であっても良いが、通常は１〜２程度と言われている。

また、表１の発明例12，参考例３〜６に示すように、結合剤と遊離潤滑剤を表１に示すものを使用した他は、上記の発明例１〜９，参考例２と同様の手順で鉄基粉末を得た。
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、容器７内に設けた長さ20mm，深さ40mm，幅0.5mmのキャビティー６内に鉄基粉末を充填して行なった。鉄基粉末５を充填した箱体４（長さ60mm，高さ50mm，幅25mm）は図３中の矢印の方向に移動し、その移動速度は200mm／秒，キャビティー６上での箱体４の保持時間は0.5秒とした。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。

また、これら発明例の鉄基粉末を金型に充填して加圧（成形圧力686MPa）し、厚み５mmの引張試験片と厚み10mmのシャルピー試験片を成形し、さらにＲＸガス雰囲気で焼結（焼結温度1130℃，焼結時間20分）を行ない、引張試験片とシャルピー試験片を作製した。引張試験とシャルピー試験の結果を表２に併せて示す。発明例１〜９，12は、いずれも良好な充填バラツキを示した。また焼結体の強度も、流動性改善粒子を添加しないもの（後述する比較例１）とほぼ同等の強度を示し、良好であった。

参考例２では、流動性改善粒子の添加量が0.01質量部と低く、また上記の製造条件で得られる流動性改善粒子による結合剤表面の被覆率が小さすぎるので、充填バラツキが発明例１〜９，12より大きくなった。
参考例３，４は、結合剤の被覆率が50％を超える例である。これらの発明例も、他の発明例に比べて充填バラツキが大きくなった。

参考例５は、流動性改善粒子による被覆率が50％未満であり、かつ結合剤の針入度がより好適な範囲（0.05〜１mm）の外となる例、参考例６は、結合剤による被覆率が50％を超え、かつ結合剤の針入度が好適な範囲（0.05〜２mm）の外となる例である。これらの場合も他の発明例に比べて充填バラツキが大きい。
発明例10，11，13，14，および結合剤による被覆率が10％未満の参考例１では、表１に示すステアリン酸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１，２に示す鉄粉（ただし表１に示された量より５質量％少ない量、すなわち92.4質量％），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た。その後、60℃まで冷却した後、結合剤の付着していない鉄粉（５質量％相当）を、表１に示す遊離潤滑剤と表２に示す流動性改善粒子と共に投入し、混合した。得られた鉄基粉末について、発明例１〜９，12と同様の調査を行なった。その結果を表２に示す。

発明例10〜14，参考例１は、いずれも良好な充填性を示したが、結合剤による被覆率が10％以上である方が、充填性が一層優れていた。また、得られた焼結体の特性も良好であったが、結合剤による被覆率が30％以上である方が、焼結体の特性が一層優れていた。
なお発明例においては、成形体の圧粉密度は686MPa成形時に6.9〜7.1Mg／ｍ³、そのときの抜出力は10〜15MPaであり、いずれも問題のない範囲であった。

一方、比較例として、ステアリン酸アミドとエチレンビスステアロアミドを結合剤とし、鉄粉，Cu粉，黒鉛粉を合金成分として、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、遊離潤滑剤（すなわちステアリン酸亜鉛）を添加混合した。流動性改善粒子は使用していない。表１，２中の比較例１がその例である。比較例１では、焼結体の特性は良好であるが、充填性が著しく劣る。

また、カーボンブラックを25質量％含有するSiＯ₂を流動性改善粒子として添加混合する他は発明例１〜９，12と同様の方法で鉄基粉末を得た。表１，２中の比較例２がその例である。なお、表３にカーボンブラックと併用する流動性改善粒子の物性を示す。比較例２では、充填バラツキは良好であるが、焼結体の強度が低下した。
なお、各比較例の充填試験，引張試験，シャルピー試験は、発明例と同じであるから説明を省略する。

表２から明らかなように、発明例は、いずれも良好な充填バラツキを示すとともに、引張強度とシャルピー衝撃値も良好であった。中でも、結合剤の被覆率，結合剤の針入度および流動性改善粒子による結合剤表面の被覆率が適正範囲にある発明例では、特性が極めて優れていた。
これに対して、比較例１は充填バラツキが大きく、比較例２は引張強度とシャルピー衝撃値が低かった。

なお、鉄粉の種類（すなわち還元鉄粉，合金鋼粉等）や副原料（すなわち合金用粉末，切削性改善用粉等），潤滑剤について、表１に記載した以外のもの（たとえばNi粉，MnＳ粉，CaＦ₂粉，ステアリン酸リチウム粉等）を用いた場合も、同様の効果が見られ、本発明の効果が確認された。

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することができ、産業上格段の効果を奏する。

１ 鉄粉の粒子
２ 結合剤，黒鉛，カーボンブラックで被覆された部位
３ カーボンブラックの粒子
４ 箱体
５ 鉄基粉末
６ キャビティー
７ 容器

Claims (12)

1. 粒子径５〜100ｎｍのカーボンブラックを50〜100質量％含有する流動性改善粒子と、合金成分としての黒鉛粉とを、鉄粉の表面に結合剤を介して付着させてなり、該結合剤の添加量が前記鉄粉100質量部に対して0.05〜0.8質量部の範囲内であり、前記結合剤による前記鉄粉の被覆率が10％以上50％以下、かつ前記流動性改善粒子による前記結合剤の被覆率が50％以上であることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末。
2. 前記結合剤が、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、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のうちの１種または２種以上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。
3. 前記鉄基粉末が、合金成分としてCu、Ｃ、NiおよびMoの中から選ばれる１種または２種以上を含有す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。
4. 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および前記合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
5. 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１〜４のいずれか一項に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
6. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、Al₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・ｘＨ₂Ｏ、SiＯ₂ 、TiＯ₂およびFe₂Ｏ₃のうちの１種または２種以上を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が５〜500ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
7. 前記流動性改善粒子を、前記鉄粉100質量部に対して、0.01〜0.3質量部の割合で混合することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
8. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、ＰＭＭＡおよび／またはＰＥを含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が５〜500ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の粉末冶金用鉄基粉末。
9. 粒子径５〜100ｎｍのカーボンブラックを50〜100質量％含有する流動性改善粒子と、合金成分としての黒鉛粉とを、鉄粉の表面に結合剤を介して付着させて、該結合剤の添加量を前記鉄粉100質量部に対して0.05〜0.8質量部の範囲内とし、前記結合剤による前記鉄粉の被覆率を10％以上50％以下、かつ前記流動性改善粒子による前記結合剤の被覆率を50％以上とすることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末の流動性改善方法。
10. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、Al₂Ｏ₃・MgＯ・２SiＯ₂・ｘＨ₂Ｏ、SiＯ₂ 、TiＯ₂およびFe₂Ｏ₃のうちの１種または２種以上を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径を５〜500ｎｍの範囲内とすることを特徴とする請求項９に記載の粉末冶金用鉄基粉末の流動性改善方法。
11. 前記流動性改善粒子を、前記鉄粉100質量部に対して、0.01〜0.3質量部の割合で混合することを特徴とする請求項９または１０に記載の粉末冶金用鉄基粉末の流動性改善方法。
12. 前記流動性改善粒子に前記カーボンブラックに加えて、ＰＭＭＡおよび／またはＰＥを含有させ、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径を５〜500ｎｍの範囲内とすることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の粉末冶金用鉄基粉末の流動性改善方法。

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