JP5388581B2 - 粉末冶金用組成物用の潤滑剤 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金用組成物（ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）に関する。本発明はとりわけ、新規な粒子状複合潤滑剤（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ）を含有する粉末金属組成物（ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）に関する。本発明は更に、新規な粒子状複合潤滑剤の他に、この潤滑剤の製造方法にも関する。

粉末冶金工業（ＰＭ工業）において、粉末金属（ほとんどの場合、鉄基粉末金属）は、部品製造のために使用される。その製造方法は、金型中で粉末金属混合物を圧縮して圧粉体を形成する工程と、該金型から該圧粉体を取り出す工程と、十分な強度を有する焼結体が作られるような温度と条件との下、該圧粉体を焼結する工程とを含む。粉末冶金製法を用いれば、固体金属から部品を機械加工する従来の方法であって、正味形状の部品又は正味に近い形状の部品を作ることのできるような方法に比べて、費用のかかる機械加工と材料の損失とを回避することができる。粉末冶金製法は、歯車等の、小さくてかなり複雑な部品を製造するのに最も適している。
粉末冶金部品の製造を容易にするために、圧縮工程の前、鉄基粉末に潤滑剤を添加することができる。潤滑剤を使用することによって、圧縮工程の間、個々の金属粒子の間の内部摩擦は減少する。潤滑剤を添加するもう１つの理由は、圧縮工程の後に金型から未焼結部分を取り出すのに必要な全エネルギーと押出力（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）とが減少することである。潤滑が不十分であれば、圧粉体を取り出す間に金型が損耗し且つ擦り減る結果となる。

潤滑が不十分であることに関連する課題は、主として２つの方法、即ち、潤滑剤の量を増加させること、又は、より効果的な潤滑剤を選定することによって解消することができる。しかし、潤滑剤量を増加させれば、潤滑剤量の増加によって潤滑がより良好になる結果として密度の獲得は逆方向となるという点で、望ましくない副作用に遭遇する。

したがって、より良い選択は、より効果的な潤滑剤を選定することであろう。しかし、粉末冶金に関連して、優れた潤滑性を有する化合物は、貯蔵されている間に凝集するか又は粉末冶金用組成物が凝集体を形成する一助となり、その結果、その後に圧縮成形され焼結された部品は、該部品の静的機械特性及び動的機械特性に不利な影響を与える比較的大きな孔隙（ｐｏｒｅｓ）を含有することがあるので、この潤滑剤の選定は１つの課題である。もう１つの課題は、優れた潤滑性を有する潤滑剤が、流動度（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）及び見かけ密度（ＡＤ）のようないわゆる粉体物性に悪影響を及ぼすことがあることである。流動度は、それがキャビティ充填（ｄｉｅ ｆｉｌｌｉｎｇ）に影響を及ぼすので重要であり、ひいては粉末冶金部品の生産速度にとって重要である。高い見かけ密度は、充填深さをより浅くするために重要であり、また、均一な見かけ密度は、最終部品の寸法及び重量の変動を回避するために重要である。したがって、上述の諸課題を克服するか又は軽減する、粉末金属組成物のための新規な潤滑剤を得ることは望ましい。

したがって、本発明の１つの目的は、優れた潤滑性能（ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を有する潤滑剤であるものであって、凝集体を形成する傾向が全くないか、又は凝集体を形成する傾向が減少する該潤滑剤を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、優れた潤滑性能を有する潤滑剤であるものであって、それが鉄粉末組成物又は鉄基粉末組成物の中で使用される場合、流動性又は改善された流動性を与える該潤滑剤を提供することである。
もう１つの目的は、前記の新規な潤滑剤を含有する新規な鉄粉末組成物又は鉄基粉末組成物であって、優れた流動性と、高くて均一な見かけ密度とを有する該組成物を提供することである。
更にもう１つの目的は、潤滑剤の製造方法を提供することである。

（発明の概要）
本発明によると、上記諸目的は、鉄粉末又は鉄基粉末と、新規な粒子状複合潤滑剤とを含有する鉄基粉末冶金用組成物であって、該複合潤滑剤が、固体有機質潤滑材料を含有するコアで、その上に炭素微粒子が付着された該コアを有する粒子を含有している、上記組成物によって達成できるということが、今回意外にも見い出された。
本発明は更に、粒子状複合潤滑剤それ自体だけでなく、それの製造方法にも関する。

本発明による複合潤滑剤の固体有機質潤滑材料の種類は、決定的に重要という訳ではない。しかし、金属−有機質の潤滑材料（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ）は不利であるため、該有機質潤滑材料は好ましくは、金属成分を含有しないことが望ましい。したがって、該有機質潤滑材料は、優れた潤滑性を有する様々な有機物質から選択することができる。そのような物質の例は、脂肪酸、ワックス、ポリマー、又は、それらの誘導体及び混合物である。
好ましい固体有機質潤滑材料は、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘン酸から成る群から選ばれる脂肪酸；パルミトアミド（ｐａｌｍｉｔａｍｉｄｅ）、ステアラミド（ｓｔｅａｒａｍｉｄｅ）、ベヘンアミド（ｂｅｈｅｎａｍｉｄｅ）、オレアミド（Ｏｌｅａｍｉｄｅ）及びエルカアミド（ｅｒｕｃａｍｉｄｅ）から成る群から選ばれる脂肪酸モノアミド；エチレンビスステアラミド（ＥＢＳ）、エチレンビスオレアミド（ＥＢＯ）、ポリエチレン、ポリエチレンワックス、等の脂肪酸ビスアミド；エルシルステアラミド（ｅｒｕｃｙｌ ｓｔｅａｒａｍｉｄｅ）、オレイルパルミトアミド（ｏｌｅｙｌ ｐａｌｍｉｔａｍｉｄｅ）、ステアリルエルカアミド（ｓｔｅａｒｙｌ ｅｒｕｃａｍｉｄｅ）、ステアリルオレアミド（ｓｔｅａｒｙｌ ｏｌｅａｍｉｄｅ）、ステアリルステアラミド（ｓｔｅａｒｙｌ ｓｔｅａｒａｍｉｄｅ）、オレイルステアラミド（ｏｌｅｙｌ ｓｔｅａｒａｍｉｄｅ）から成る群から選ばれる第二級脂肪酸アミドである。

とりわけ好ましい固体有機質潤滑材料は、ステアラミド；エルカアミド；ステアリルオレアミド；エルシルステアラミド；ステアリルエルカアミド；エチレンビスオレアミド（ＥＢＯ）；エチレンビスステアラミド（ＥＢＳ）；及び、オレアミド、エルカアミド、ステアリルオレアミド、ステアリルエルカアミド又はエルシルステアラミドと組み合わされたエチレンビスステアラミド；である。現時点で入手可能な結果は、本発明によるこれらの複合潤滑剤を含有する粉末金属組成物が、とりわけ大きい見かけ密度及び／又は流動度（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）によって特徴付けられることを示す。加えて、これらの潤滑剤は、それらの優れた潤滑性が認められる。

前記の有機質コアの粒子の平均粒度は、０．５〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍ、最も好ましくは５〜４０μｍである場合がある。更に、該コアの粒度は、前記炭素微粒子の粒度の少なくとも５倍であることが好ましく、また、該炭素微粒子は、該コア上にコーティングを形成していることが好ましい。
この文脈において、用語「炭素微粒子（ｆｉｎｅ ｃａｒｂｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」は、結晶質、半晶質又は非晶質の炭素粒子を意味するように意図されている。炭素微粒子は、天然黒鉛又は合成黒鉛、カーボンブラック、活性炭、木炭（ｃｏａｌ）、無煙炭等に由来する場合があり、また、これらの２種類以上の混合物であってもよい。前記固体有機質潤滑材料のコアの表面の上に付着される炭素微粒子は好ましくは、カーボンブラック；及び、１０μｍ未満で５μｍより大きい平均粒度を有する天然黒鉛又は合成黒鉛；から成る群から選ぶことができる。

カーボンブラックの一次粒度は、２００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満であり、また、最も好ましくは５０ｎｍ未満であり且つ５ｎｍより大きい。その比表面積は、ＢＥＴ法で測定して２０〜１０００ｍ^２／ｇの間である場合がある。カーボンブラックは、デグサ社（Ｄｅｇｕｓｓａ ＡＧ）（ドイツ国）等の供給業者から入手することができる。複合潤滑剤中のカーボンブラックの含有率は、０．１〜２５重量％、好ましくは０．２〜６重量％、最も好ましくは０．５〜４重量％である場合がある。
黒鉛の平均粒度は、１０μｍ未満であり且つ５００ｎｍより大きい場合がある。複合潤滑剤中の黒鉛の含有率は、０．１〜２５重量％、好ましくは０．５〜１０重量％、最も好ましくは１〜７重量％である場合がある。黒鉛は、

等の供給業者から入手することができるか、又は、超大な表面積を有する合成黒鉛は、アズベリー・カーボンズ社（Ａｓｂｕｒｙ Ｃａｒｂｏｎｓ）（米国）から入手することができる。

粉末金属組成物中の複合潤滑剤の含有率は、０．０５〜２重量％であってもよい。
本発明による粒子状複合潤滑剤は、粒子状有機質潤滑材料と炭素微粒子とを混合する工程を含む通常の粒子コーティング技術（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によって調製することができる。その方法は、加熱工程を更に含む。熱処理のための温度は、固体の粒子状有機質潤滑材料の融点よりも低いこともある。

固体の粒子状有機質潤滑材料は、混合機の中で炭素微粒子と完全に混合することができる。混合機は高速混合機であってもよい。その混合物は、混合工程の間、及び後続の任意的冷却工程の間に粒子状有機質潤滑材料の表面に炭素微粒子を付着させるのに十分な時間の間、一定温度で加熱することができる。
鉄基粉末は、プレアロイ鉄基粉末（ｐｒｅ−ａｌｌｏｙｅｄ ｉｒｏｎ−ｂａｓｅｄ ｐｏｗｄｅｒ：予合金鉄基粉末）、又は、合金元素が鉄粒子に拡散結合している鉄基粉末であってもよい。また、鉄基粉末は、本質的に純粋な鉄粉、又はプレアロイ鉄基粉末と、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｗ及び黒鉛から成る群から選ばれた合金元素との混合物であってもよい。黒鉛形態の炭素は、最終の焼結部品に十分な機械特性を与えるために、広く使用される合金元素である。単体成分としての炭素を鉄基粉末組成物に添加することによって、該鉄基粉末の溶解炭素含有量が低く保持されて、圧縮性の改善を向上させることができる。鉄基粉末は、水噴霧粉等の噴霧粉、又は海綿鉄粉（ｓｐｏｎｇｅ ｉｒｏｎ ｐｏｗｄｅｒ）であってもよい。鉄基粉末の粒度は、該材料の最終用途によって選ばれる。鉄粉又は鉄基粉末の粒子は、約５００μｍ以下の加重平均粒径（ｗｅｉｇｈｔ ａｖｅｒａｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ）を有することができる。該粒子は、更に好ましくは２５〜１５０μｍの範囲、最も好ましくは４０〜１００μｍの範囲の加重平均粒径を有することができる。

粉末金属組成物は、結合剤、加工助剤、硬質相、焼結部品の機械加工が必要ならば機械加工性改良剤、並びに、粉末冶金工業で通常使用されている固体潤滑材料［例えば、エチレンビスステアラミド、ステアリン酸亜鉛、及び、

から入手可能なケノリューベ（Ｋｅｎｏｌｕｂｅ）（登録商標）］から成る群から選ばれた１種以上の添加剤を更に含有することができる。本発明による粉末複合潤滑剤に任意的な固体潤滑材料を加えた濃度は、粉末金属組成物の０．０５〜２％の範囲であってもよい。
新規な鉄粉末又は鉄基粉末の組成物は、圧縮成形して、任意的に従来の粉末冶金技術によって焼結することができる。
次の諸実施例は、本発明を説明するのに役立つが、本発明の範囲はそれらの実施例に限定されるべきでない。

材料
次の諸材料を使用した。
（１）鉄基水噴霧粉として、ヘガネス社（スウェーデン国）から入手可能な「ＡＳＣ１００．２９」を使用した。
（２）潤滑剤用コア材料（ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｃｏｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）として、次の諸物質：クラリアント社（Ｃｌａｒｉａｎｔ）（ドイツ国）からリコワックス（Ｌｉｃｏｗａｘ）（登録商標）として入手可能なエチレンビスステアラミド（ＥＢＳ）；ステアラミド；エルカアミド；オレイルパルミトアミド；ステアリルオレイルアミド（ｓｔｅａｒｙｌ ｏｌｅｙｌａｍｉｄｅ）；エルシルステアラミド；ステアリルエルカアミド；エチレンビスオレアミド（ＥＢＯ）；及び、ポリエチレンワックス；を使用した。これらの潤滑材料の平均粒度は、表２に見ることができる。
（３）鉄基粉末組成物に添加される黒鉛として、グラフィト・クロフミール社（ドイツ国）からの黒鉛ＵＦ−４を使用した。
（４）被覆用粒子は、グラフィト・クロフミール社（ドイツ国）からの黒鉛ＵＦ−１（ＵＦ１）及びアズベリー・カーボンズ社（米国）からの黒鉛４８２７（４８２７）であって、それぞれ２μｍ及び１．７μｍの平均粒度を有するもの、並びに、３０ｎｍの一次粒度を有するデグサ社（ドイツ国）からのカーボンブラック（ＣＢ）であった。

鉄基粉末組成物は、黒鉛０．５重量％及び複合潤滑剤０．８重量％と一緒に混合されたＡＳＣ１００．２９から成った。
ホソカワ社（Ｈｏｓｏｋａｗａ）からの高速混合機で、表１及び表２に基づくコア材料を様々な濃度の炭素微粒子と混合することによって、様々な複合潤滑剤を調製した。カーボンブラックは、それぞれ０．７５、１．５、３及び４重量％の濃度で添加した。黒鉛はそれらの複合潤滑剤に、それぞれ１．５、３、５及び６重量％の濃度で添加した。混合工程のためのプロセスパラメータ（例えば、混合機中の前記粉末の温度、及び、各々の複合潤滑剤を得るための混合時間）は、表２に見ることができる。混合機の転子速度は１０００ｒｐｍであり、潤滑剤用コア材料の量は５００ｇであった。

得られた複合潤滑剤又は（対照として使用した）従来の粒子状潤滑剤を５０ｋｇナウタミキサー（Ｎａｕｔａ ｍｉｘｅｒ）で黒鉛及びＡＳＣ１００．２９と一緒に混合することによって、様々な鉄基粉末組成物（混合物番号１〜６３）であって、それぞれ２５ｋｇの組成物を調製した。混合物番号３６〜３８及び５０〜６１の固体有機質潤滑材料の粒子を溶融し、続いて固化し；次いで、複合潤滑剤を調製するためのとしてコア材料として使用する前に又は対象混合物に添加する前に微粉化した。混合工程の２４時間後、得られた諸鉄基粉末組成物の見かけ密度（ＡＤ）及びホールフロー（Ｈａｌｌ ｆｌｏｗ）（流動性）を、それぞれＩＳＯ４４９０及びＩＳＯ３９２３−１に従って測定した。表３は、それらの測定の結果を示す。
表３から分かるように、鉄基粉末組成物の流動度は改善されており、且つ、本発明による様々な複合潤滑剤を使用した場合、従来型潤滑剤を使用した場合と比べて、より高い見かけ密度を得ることができる。実際に、従来型潤滑剤を含有する粉末冶金用組成物は流動性を有さないのに対して、本発明の複合潤滑剤を含有する粉末冶金用組成物は流動性を提供する。本発明による複合潤滑剤を含有する粉末金属組成物であって、ステアラミド；エルカアミド；エルシルステアラミド；ステアリルエルカアミド；エチレンビスオレアミド（ＥＢＯ）；エチレンビスステアラミド（ＥＢＳ）；又は、オレアミド若しくはステアリルエルカアミドと組み合わされたＥＢＳ；を含有する粉末金属組成物については、とりわけ高い見かけ密度及び／又は流動度が得られた。

前記の諸複合潤滑剤及び従来型の諸潤滑剤が凝集体（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｓ）を形成する傾向を測定するために、それらの潤滑剤は、少なくとも１週間貯蔵した後、３１５μｍの標準篩で篩にかけた。残留材料の量を測定した。

表４は、結果的に本発明による複合潤滑剤を生じさせる潤滑剤用有機質コア材料が、炭素微粒子によって被覆される場合、凝集体を形成する傾向が減少することを示す。
従来型潤滑剤を含有する鉄基粉末組成物の中に凝集体を形成する傾向と、本発明による複合潤滑剤を含有する鉄基粉末組成物の中に凝集体を形成する傾向とを評価するために、幾種類かの鉄基粉末組成物を用いて、表４に示される測定と同様の測定を繰り返した。

表５は、本発明による複合潤滑剤を含有する鉄基粉末組成物の中に凝集体を形成する傾向が、従来型潤滑剤を含有する鉄基粉末組成物と比べて、それほど顕著ではないことを示す。

Claims (14)

1. 鉄粉末又は鉄基粉末と混合させることによって鉄基粉末冶金組成物を製造するために用いられる複合潤滑剤であって、前記鉄粉末又は鉄基粉末と混合させる前の前記複合潤滑剤が、固体有機質潤滑材料の上に炭素微粒子が付着された前記有機質潤滑材料を含有するコアを有する粒子を含有している、前記複合潤滑剤。
2. 前記炭素微粒子は、天然黒鉛又は合成黒鉛、カーボンブラック、活性炭、木炭、無煙炭、又はこれらの２種以上から選ばれている、請求項１に記載の複合潤滑剤。
3. 前記炭素微粒子は、天然黒鉛又は合成黒鉛、及び、カーボンブラックから選ばれている、請求項１に記載の複合潤滑剤。
4. 前記炭素微粒子は、前記コア上にコーティングを形成している、請求項１に記載の複合潤滑剤。
5. 前記固体有機質潤滑材料は、脂肪酸、ワックス、ポリマー、又は、それらの誘導体及び混合物から成る群から選ばれている、請求項１に記載の複合潤滑剤。
6. 前記コア粒子の平均粒度は、０．５〜１００μｍである、請求項１に記載の複合潤滑剤。
7. 前記鉄基粉末冶金組成物中の前記複合潤滑剤の含有率は、０．０５〜２重量％である、請求項１に記載の複合潤滑剤。
8. 前記コア粒子の粒度は、前記炭素微粒子の粒度の少なくとも５倍である、請求項１に記載の複合潤滑剤。
9. 前記カーボンブラックの粒度は、２００ｎｍ未満である、請求項２に記載の複合潤滑剤。
10. 前記複合潤滑剤中のカーボンブラックの含有率は、０．１〜２５重量％である、請求項２に記載の複合潤滑剤。
11. 前記黒鉛の平均粒度は、１０μｍ未満である、請求項２に記載の複合潤滑剤。
12. 前記複合潤滑剤中の前記天然黒鉛又は合成黒鉛の含有率は、０．１〜２５重量％である、請求項２に記載の複合潤滑剤。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に複合潤滑剤と、鉄粉末又は鉄基粉末とを混合させることによって製造される、鉄基粉末冶金組成物。
14. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の複合潤滑剤の製造方法であって、炭素微粒子が粒子状有機質潤滑材料の表面に付着する条件の下で、前記粒子状有機質潤滑材料と前記炭素微粒子とを混合する工程を含む、前記方法。