JPH0379701A - 機械加工に適した窒化ホウ素含有鉄粉末混合物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鉄粉末混合物に関するものである。

つには、本発明は窒化ホウ素を含有する機械加工に適し
た鉄粉末混合物に関するものであり、一方、一つには、
本発明は不規則な形のサブミクロン粒子の凝集体から成
る窒化ホウ素粉末の使用に関するものである。

（２）莫ｍえ遼 鉄粉末の製造方法や使用方法はよく知られ、またカーク
−オスマー（に１ｒｋ−Ｏｔｈ罹ｅｒ）のエンサイクロ
ベー゛イア・オブ・　ミカル・−クノロジー（Ｅｎｃｙ
ｃｌｏｐｅｄｉａ　ｏｆ　Ｃｈｅｓｉｃａｌ　Ｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ）第３版、１９巻、２８−６２頁にかなり
詳細に記述されている。鉄粉末は熔融した鉄金属を溶鉱
炉から湯だまりへ放出することにより造られるが、湯だ
まりでは溶融鉄が耐火性ノズルを通ってから水平式水噴
射により粒状に造られる０次に粒状の鉄は乾燥され粉末
になり、続いてこの粉末は酸素とカーボンを除去するた
めに焼きなましされる。純粋な鉄の塊りは回収され次に
粉末に粉砕され直される。

鉄粉末は多くの応用性があり、例えば粉末冶金（Ｐ／Ｍ
）組立部品、溶接電極のコーティング、フレーム切断及
びフレームスカーフィングに応用されている。粉末冶金
に適用される場合、鉄粉末は多くの場合潤滑剤、バイン
ダー及び合金化剤のような選択された添加剤と混合され
る。鉄の粉末冶金部品は鉄又は鋼の粉末をある特別な形
に造られたダイス孔に注入することにより形成される。

該ダイス孔には成型体を造るために圧力が加わり、モし
て該成型体は焼結され、次に焼結された成型体は所望の
仕様に仕上げられる。

形成された粉末冶金焼結成型体は多くの場合所望の粉末
冶金製品を製造するための仕上げ工程の一つとして機械
加工が必要とされる。粉末冶金製品が多量生産製品であ
る場合（粉末冶金は多量生産製品に適する）には、これ
らの粉末給金製品か製造されうる速度と効率は部分的に
機械加工工程の速度と効率に依存する。この機械加工工
程の速度と効率は、特に粉末冶金焼結成型体を工作機械
によっていかに容易に切削できるかということと順次に
相関関係がある。一般に、粉末冶金焼結成型体を切削す
ることがより難しいほど、切削工具により多くのエネル
ギーが必要とされ、よって切削工具の寿命は増々短くな
り、また機械加工工程を終えるのに必要な時間が増々多
くなる。

機械加工工程の速度と効率を増加させる方法の１つは、
切削工具と成型体の界面で低い摩擦係数を有し、かつ改
良されたチップ形成特性を有する粉末冶金焼結成型体を
造ることにある。そしてこれは鉄粉末を摩擦を減らす成
分、例えば硫化マンガン又は窒化ホウ素と混合すること
により可能であるが、鉄粉末に対するこれらの知られた
成分の機能は有効とはいえ、改善が必要である。例えば
、すべての添加剤が焼結前に鉄粉末と混和される場合、
添加剤のあるものは、焼結中に成型体が受ける寸法変化
に悪影響をおよぼし、又は一般に焼結成型体の強度特性
を減少させ、あるいはその両方を生じさせる。寸法変化
に対して大きく影響をおよぼす場合には、粉末冶金部品
の製造業者にダイスの変更の必要を生じせしめるので、
このような費用のかかる工程はできれば避けたい。焼結
成型体の強度特性のかなり大きな減少は一般にその最終
な有用性を減することになる。これらの好ましくない効
果は、少なくとも部分的には、鉄粉末に実際に付加され
た添加剤の性質や量と相関関係があり、そしてより低い
添加量程度でかつより低いコストで望ましい効果を提供
する添加剤を見い出すことが、粉末冶金研究の永続的な
目的である。

又里生塁要 本発明によると、機械加工に適した鉄粉末混合物は： （＾）約３００ミクロン以下の最大粒度を有する鉄粉末
を少なくとも約８５重量パーセントと；（Ｂ）不規則な
形のサブミクロン粒子の凝集体から成る窒化ホウ素粉末
を少なくとも約０．０１重量パーセント から製造される。この鉄粉末混合体から造られた粉末冶
金焼結成型体は良好な被削性を示す。さらに摩擦減少添
加剤窒化ホウ素は、粉末冶金焼結成型体の強度と、焼結
中に成型体がこうむる寸法変化の両方への影響を最小限
にする。

発里見立槻星笠皿 約３００ミクロン以下の最大粒度を有する鉄粉末は本質
的にどれでも本発明の組成物に使用できる。代表的な鉄
粉末には、カナダ、ケベック、トレーシーのケベック　
メタル　パウダー社（Ｏｕｅｂｅｃ　Ｍｅｔａｌ　Ｐｏ
ｗｄｅｒ　Ｌｉｍ１ｔｅｄ）製のＡｔｏｎｅｔ（登録商
標）鉄粉末がある。これらの鉄粉末は９９重量パーセン
ト以上が鉄成分であり、酸素は０．２重量パーセント以
下であり、また炭素は０．１重量パーセント以下である
。＾ｔｏｓｅｔ鉄粉末は一般的に少なくとも２．５０ｇ
／ｃｊの見掛は密度と５０ｇ当り３０秒以下の流動率を
有している。本発明の窒化ホウ素はＡｔｏｎ＋ｅｔ鉄粉
末においてより効果的であることがわかったが、ステン
レス鋼や合金鋼の粉末などの鋼粉末もまた本発明の混合
物用鉄粉末として使用可能であり、そしてＡ　ｔｏｍｅ
　ｔｌｏｏｌ、４２０１及び４６０１の鋼粉末は、鋼お
よび合金鋼の粉末の代表的なものである。これらのＡｔ
ｏｎｅｔ粉末は９７重量パーセント以上の鉄を含有し、
２．８５〜３．０５ｇ／ｃｄの見掛は密度と５０ｇ当り
２４〜２８秒の流動率を有する。　Ａ　ｔｏｔａｅ　を
鋼粉末１００１は９９重量パーセント以上の鉄を含有し
、一方Ａｔｏｍｅｔ鋼粉末４２０１および４６０１は、
共に０．５５重量パーセントのモリブデンと、それぞれ
０．５重量パーセントおよび１．８重量パーセントのニ
ッケルを含有する。そして実質的には鋼粉末のどの品位
も使用可能である。望ましくは、鉄粉末は約２１２ミク
ロン以下の最大粒度を有する。

本発明で使用される窒化ホウ素粉末は、少なくとも約０
．０５ミクロン、望ましくは少なくとも約０、１．１．
クロンの平均粒度を有する不規則な形の粒子から成って
いる。ここで使用した“不規則な形の粒子”とは、カー
ク・オスマーのエンサイクルロベディア　オブ　ケ逅カ
ル　テクノロジー第３版１９巻３２頁の図２（ｆ）に描
写されているような粒子のみならず、同じ引用箇所の図
２（Ｃ）、（ｄ）、ｔｅ＋、（ｇ）及び（ｈ）に描写さ
れているような粒子もまた意味する。粒子自体がサブミ
クロン粒度である以上、これら粒子は互いに集合し、約
５から約５０ミグロンの大きさの範囲に入る凝集体を形
成する傾向を有する。確実には知られないが、これらの
凝集体は鉄粒子と混合したときにこわれて分散し、次に
このサブミクロン粒子は、鉄粒子の細孔又は裂は目の中
に又は周辺に順次凝集すると思われる。

鉄粒子上における窒化ホウ素粒子のこのような配置は、
焼結工程中の鉄粒子に対する窒化ホウ素の効果を最小限
にすると信じられ、従って実質的に焼結工程後の粉末冶
金成型体の機械強度に与える影響を最小限にする。同様
な効果は凝集してないサブミクロン窒化ホウ素粒子を添
加しても予測される。本発明で用いる窒化ホウ素粒子の
平均粒径は好ましくは約０．２〜１．０ミクロンである
。

窒化ホウ素自体は１４００℃以下の温度では鉄や鋼と混
和しえない比較的不活性な物質であり、また１７００℃
以下の温度では炭素とは実質的に反応しない。しかし、
一般に窒化ホウ素につきものである吸湿性は酸化ホウ素
（ｂｏｒｉｃ　ｏｘｉｄｅ）、すなわち窒化ホウ素の製
造方法から生ずる残留物に大部分起因している。鉄粉末
混合物の使えなくなる寿命は、混合物が形成される時か
ら粉末冶金焼結成型体が造られる時までの間に吸収され
る水分の量に部分的に依存しているので、本発明の混合
物を造るに使用される窒化ホウ素に存在する酸化ホウ素
は一般的には約５重量パーセント（窒化ホウ素の総重量
を基礎にして）以下であり、また望ましくは約３重量パ
ーセント以下である。

本発明の鉄粉末混合物は、少なくとも約０．Ｏｌ望まし
くは少なくとも約０．０２重量パーセントの窒化ホウ素
粉末と少なくとも８５望ましくは少なくとも９０重量パ
ーセントの鉄粉末とを混合することによって造られる。

望ましくは約０．Ｏｌから０．１０重量パーセントの窒
化ホウ素粉末が、鉄粉末と混合される。そして、さらに
望ましくは０．０３から０．０７重量パーセントの窒化
ホウ素粉末が鉄粉末と混合される。混合は鉄粉末と窒化
ホウ素より戒る混合物が実質的に均一になるような方法
で行なわれる０本質的にはどんな混合方法も用いること
ができるが、慣習的な機械混合が最も一般的である。

本発明の鉄粉末混合物は鉄および窒化ホウ素粉末に加え
て他の物質を含有することができる。ポリエチレングリ
コール、ポリプロピレングリコール、灯油などの結合剤
、あるいはグラファイト、銅および／又はニッケルのよ
うな合金を造る粉末も用いることができる。これらの物
質、その使用および鉄粉末混合物中に含有させる方法は
従来技術でよく知られている。

向上した被削性を有する粉末冶金焼結成型体は本発明の
顕著な特徴である。これらの成型体は、ここで記述され
たような窒化ホウ素粉末を含有しない鉄粉末成分から造
られる成型体よりも容易に機械加工され、従って粉末冶
金方法の機械加工工程はより大きな効率を示す。この利
点は鉄粉末混合物の焼結特性に対していかなる大きな負
の影響を与えることもなしに達成される。

次の例は本発明の具体例である。

具体例 Ａｔｏｍｅｔ　２８鉄粉末が、粉末冶金成型体の焼結特
性と、粉末冶金焼結成型体の強度や被削性に与える影響
を研究するのに使用された。Ａ　ｔｏＩＩＩｅ　ｔ２８
鉄粉末は９９重量パーセント以上が鉄であり、また約０
．１８重量パーセントの酸素と約０．０７重量パーセン
トの炭素を含有している。この鉄粉末は、約２．８５　
ｇ　／ｃｒｌの見掛は密度と、５０ｇ当り約２６秒の流
動率を有する。篩別法（米国メンシュ）による結果は次
の通りである。

員坐大主嘉　　　　　里ヱバニ±ｌ上 ＋１００　　　　　　　　　　　　　５１００　　　＋
１４０　　　　　　　　２８−１４０　　　＋２００　
　　　　　　２３２００　　　＋３２５　　　　　　　
　２４−３２５　　　　　　　　　　　　　　　２０こ
れらの例に使用された硫化マンガン（ＭｎＳ）摩擦減少
添加剤は約５よりロンの平均粒度を有する凝集してない
粒子から戒っていた。

窒化ホウ素（ＢＮ）摩擦減少添加剤の３つのグレードを
使用した。第１グレード（ＢＮ−１）は、０、５−１ミ
クロンの平均粒度を有する板状粒子の゛５−１０．ｆク
ロンの凝集体から戒っていた。窒化ホウ素のこのグレー
ドはまた約０．２から約０．４重量パーセントの間で酸
化ホウ素を含有していた。

第２グレード（ＢＮ−Ｉｔ）は、５−１５ミクロンの凝
集してない板状粒子から成り、また最大限約０．５重量
パーセントの酸化ホウ素を含有していた。

第３グレード（ＢＮ−ＩＩＩ）は、第１グレードと同様
にまた０、０５−１ｆｉクロンの平均粒度を有する粒子
の５−３０ミクロンの凝集体から戊り、しかしこれらの
粒子は第１グレードの小板形状とは反対に、小板状では
なく不規則な形状を有していた。ＢＮ−ｍの酸化ホウ素
含有量は約０．５と約３重量パーセントの間にあった。

Ａｔｏ＋ｎｅｔ　２　Ｂ鉄粉末は、最初に約０．５重量
パーセントのステアリン酸亜鉛（潤滑剤）と、Ｏから０
．９重量パーセントまでの範囲の種々のレベルのグラフ
ァイトと混ぜ合わせた。次に種々の量の摩擦減少添加剤
を混合物をいくつかに分けてそれぞれに加え、さらに実
質的に均一な混合物を形成するために機械的に混合した
く添加レベルは５％以内である）。試験片を６．７ｇ／
ａｊに成型し、次にかなり吸熱性の雰囲気中で１１２０
℃で３０分間焼結した。焼結特性はメタルパウダーイン
ダストリーズ　フエデエレーション（Ｍｅｔａｌ　Ｐｏ
ｗｄｅｒＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ
）試験方法に従って標準の横方向破断片（ｓｔａｎｄａ
ｅｄ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｒｕｐｔｕｒｅ　ｂａｒ
ｓ）に関して測定された。表に報告された値は少なくと
も３回測定の平均値である。

被削性は穴あけスラスト力（ｔｈｒｕｓｔ　ｆｏｒｃｅ
）試験を利用することにより評価された。一般用途のツ
イスト　スチール　ドリルは工業用旋盤の回転ヘッドに
挿入され、そしてロードセルに置かれた試験片に送られ
る。スラスト力は試験片で測定されるが、試験片は前述
の方法に従って成型し、焼結された３　１．Ｅ！ｎＸ　
１２．７ｍｍｘ　１２．７ｍｍの寸法である。直径６１
１１と深さ１０ｍｍを有する２つの穴が各試験片に開け
られた。冷却剤は穴開は操作中は使用されず、そしてす
べての試験において、進入速度は、４０ｕ／分にかつド
リルの回転速度は８００ｒｐｎ＋に固定された。スラス
ト力はロードセルで測定され、そして高速プロッターに
記録された。このスラスト力は焼結部品の被削性の指数
として使用され、そしてスラスト力が低くなるほど、被
削性は良くなった（すなわち切削工具の寿命は長くなり
、切削工具の動力の必要性は小さくなり、そして焼結成
型体を機械加工するに必要な時間は短かくなる）。

これらの試験の結果は表に報告されていて、そしてこれ
らの結果が示すように、報告されている摩擦減少添加剤
のどんなものを添加しても、スラスト力の減少に関して
正の効果を有した。しかし、スラスト力減少のある一定
レベルを得るのに必要な添加剤の量はその添加剤によっ
て異なり、また成型体の強度、寸法変化及び硬度に関す
る負の効果も、添加剤と使用した添加剤の量によって異
なった。

例えば、０．５重量パーセントのＭｎＳは、０．９重量
パーセントのグラファイトを含有する混合物から造られ
た成型体に関し、スラスト力で１０パーセントの減少を
提供するが、しかし成型体はその横方向破断強度（１５
パーセント）と硬度（７７から７４へ）を減少させ、ま
たより大きな寸法変化（＋０．１パーセント）を生じた
。より良い結果はかなり少ない量のＢＮ−１やＢＮ−Ｉ
Ｉを使用することで得られた。これらの添加剤の両方と
も少なくとも１７パーセントのスラスト力を減少させた
が、一方０．５重量％の添加レベルでＭｎＳを使用した
場合より小さいか又は同程度の横方向破断強度や硬度に
なっていた。これらの比較的低い添加レベル（０，１，
０，２及び０．３重量パーセント）でＢＮ−ＩやＢＮ−
Ｉ［を使用することは、また小さい寸法変化を生じさせ
た。

ＢＮ−ＩＩＩの使用（本発明の実施例）はかなり正のス
ラスト力の減少（２３パーセント）を添加レベル（０，
０５）で生じているが、この添加レベルはほとんどＢＮ
−ＩやＢＮ−ｎから同様な結果が求められた場合より少
ない程度である。さらに加えて、横方向破断強度（７，
ｌパーセント）や硬度（７７から７４〉の減少と寸法変
化（＋０．０１）に対する悪影響は実質的に同じである
。より大きなスラスト力の減少（６１パーセント）は、
より多くのＢＮ−１１１（０，３重量パーセント）を使
用することで達成できるが、しかし横方向破断強度（４
３パーセント）と硬度（７７から５７）のより大きな減
少と、寸法変化（−０，０４）という不都合が生ずる。

しかしながら、これらの同時に満足しない条件は他の添
加剤についてもよく存在する（ＢＮ−ｎの添加レベル０
．１と０．２を比較せよ）従って本発明の摩擦減少添加
剤（ＢＮ−ＩＩＩ）を使用することにより、かなり少な
い量の添加剤が使用でき、しかも機械強度、硬度又は過
度の寸法変化の減少において同時に満足しえない条件を
増加させることなしになお望ましい被削性が得られる。

このようにＢＮ−ＩＩ［の添加レベルはＢＮ−１やＢＮ
−１１のそれに比べて少ないけれど、ＢＮ−ＩＩＩの単
位重量当りのより多い粒子数は、より持続性のある小片
破断効果と、小片と工具との境界で観察される潤滑性の
向上を生ずると信じられる。

本発明は特定の実施例について記述されているが、これ
らの実施例は説明の目的のためだけのものであり、特許
請求の範囲を制限するつもりはない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（Ａ）約３００ミクロン以下の最大粒度を有する鉄
   粉末を少なくとも約８５重量パーセントと、（Ｂ）不規
   則な形のサブミクロン粒子の凝集体から成る窒化ホウ素
   粉末を少なくとも約０．０１重量パーセントと、から成
   ることを特徴とする機械加工に適した粉末混合物。 ２、鉄粉末の最大粒度が約２１２ミクロン以下であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の粉末混合物。 ３、鉄粉末が混合物の少なくとも約９０重量パーセント
   を占めることを特徴とする請求項１記載の粉末混合物。 ４、窒化ホウ素が混合物の少なくとも約０．０２重量パ
   ーセントを占めることを特徴とする請求項１記載の粉末
   混合物。 ５、窒化ホウ素粉末が混合物の約０．０２から０．１重
   量パーセントまでの範囲を占めることを特徴とする請求
   項３記載の混合物。 ６、窒化ホウ素粉末が約５重量パーセント以下の酸化ホ
   ウ素を含有することを特徴とする請求項５の混合物。 ７、窒化ホウ素粉末が約３重量パーセント以下の酸化ホ
   ウ素を含有することを特徴とする請求項５の混合物。 ８、窒化ホウ素のサブミクロン粒子が約０．０５から１
   ．０ミクロンまでの範囲の平均粒度を有することを特徴
   とする請求項７の混合物。 ９、窒化ホウ素のサブミクロン粒子が約０．１から１ミ
   クロンまでの範囲の平均粒度を有することを特徴とする
   請求項７記載の混合物。 １０、請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９の
   粉末混合物を成型して成る鉄成型品。