JPH08504233A - 潤滑性冶金粉末組成物の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 鉄基粉末の冶金粉末組成物中に潤滑剤と焼結助剤とを取り込む方法を提供する。鉄基粉末粒子を脂肪酸の金属塩の有機溶媒溶液に接触させて濡らす。溶媒を除去して、金属塩の被覆を持つ鉄基粒子を得る。生成した自己潤滑性粉末組成物を加圧成形および焼結して優れた強度特性を持つコンパクトを作製することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 潤滑性冶金粉末組成物の作製方法 発明の分野 本発明は、有機潤滑剤と焼結助剤とを含む種類の冶金粉末組成物を作製する方 法に関する。更に詳しくは、鉄基粉末の個々の表面に脂肪酸の金属塩が結合して いる鉄基粉末の組成物を作成する方法に関する。金属塩の有機部分が加圧成形時 の潤滑性を付与し、この塩の金属部分が鉄に対する合金成分を付与すると共に特 に焼結助剤として機能する。 発明の背景 金属部品の製造に粉末冶金技術を用いることは十分に確立されている。このよ うな生産において、鉄または鋼の粉末を他の合金元素１種類と、これも粒子状に して、混合した後に加圧成形および焼結する場合が多い。合金元素が存在するこ とによって、合金しない鉄または鋼の粉末単独では到達できないレベルの強度等 の機械的性質を焼結部品に付与することができる。 この合金化の一つの側面として、一つの狙いは、鉄基粒子の表面に別の金属を 何らかの形で付着させておき、加圧成形時および焼結時に粒界に沿って所望の合 金が形成されるようにすることである。これを行う周知方法の一つは、鉄基粒子 を粘着質の物質で被覆してから、合金材料の微粉末を付着させて鉄基粒子を被覆 することである。この被覆された鉄基粒子を次に加熱することにより、芯部粒子 の表面に拡散接合された合金部分を生成させることができる。このように前処理 した粉末を加圧成形および焼結して得られる最終部品 は、密度と強度が向上することが知られている。しかし、個々の鉄粒子の表面に 最初に付着した合金化金属の状態は不均一である場合が多い。 場合によっては、鉄基粒子に合金化材料の粒子と共に少量の有機結合剤を添加 し、合金化粒子を鉄基粒子に結合あるいは「接着」させる。このような組成の場 合には、合金化粒子を下地の鉄基粒子の表面に拡散接合するための前処理は一般 に行わず、そのままの状態で、加圧成形工程および焼結工程に供して最終的な金 属部品にする。しかし、上記有機結合剤のうちには粉末の圧縮性を低下させるも のがあり、その結果、加圧成形後の「生材（グリーン材）」および最終焼結品の 密度が低下することがある。 旧来からも、粉末冶金組成物に金属ステアリン酸塩、パラフィン、あるいは合 成ワックスのような潤滑剤を配合して、加圧成形した生材を成形型（ダイ）から 取り外し易くしていた。加圧成形品を成形型から取り外すために打ち勝たなけれ ばならない摩擦力は、加圧成形に用いた圧力と共に増加するのが一般的であり、 「抜き取り」圧力または「滑り」圧力として測定される。潤滑剤は一般にこの圧 力を減少させるが、その存在によって粉末組成物の圧縮性が劣化する可能性もあ る。粒子状の合金化材料を含む鉄基粉末組成物の圧縮性は、潤滑剤の量を少なく することによって増加させることができるが、それによって潤滑性が低下し、抜 き取り力が大きくなり過ぎて、成形型にかじりが発生したり、型寿命が短くなっ たり、加圧成形品の表面に欠陥が発生したりする。潤滑剤を冶金粉末と組み合わ せる旧来からの方法は、潤滑剤を一般に固体粒子の状態で金属粉末自体と組み合 わせることである。 発明の概要 本発明は、潤滑剤と焼結助剤とを組み合わせたものを、鉄金粉末の粉末冶金組 成物中に取り込む方法を提供する。この方法によれば、鉄基粉末の組成物を、脂 肪酸の金属塩の有機溶媒基溶液と接触させる。この鉄粉末と溶液とを、鉄基粉末 １００重量部当たり約０．１〜３．０重量部の塩になるような相対量で用いる。 粉末が溶液で十分に濡れた状態になったら、溶媒を除去すると、鉄基粒子に金属 塩の被覆が形成される。 望ましい態様においては、塩の金属成分は粉末冶金分野で通常用いられる焼結 条件下で鉄と合金を形成することができる。望ましくはこの金属は銅、モリブデ ン、ニッケル、マンガン、またはこれらの混合物である。別の望ましい態様にお いては、脂肪酸はＣ₁₂〜Ｃ₂₀の脂肪酸であり、例えばステアリン酸である。最も 望ましい態様においては、金属塩はステアリン酸第二銅である。 本発明は、焼結助剤兼合金元素と潤滑剤とを、基材である鉄粉末をほぼ均一に 濡らし被覆する形で、粉末組成物に密着させて取り込む方法を提供する。その結 果得られる粉末組成物は、加圧成形時の潤滑性が特に加圧サイクルの初期部分で 向上すると共に、焼結された最終的な金属製品の特性が向上する。したがって、 この組成物は、他の有機結合剤や潤滑剤を別途に添加する必要なく、配合および 使用することができる。 望ましい態様の詳細な説明 潤滑剤を含有する種類の冶金粉末組成物を作成する方法を以下に説明する。潤 滑剤は脂肪酸の金属塩として準備するが、この金属は従来の焼結条件下で鉄と合 金を形成できることが望ましい。本発明の方法により得られる自己潤滑性冶金粉 末は、従来の粉末冶金技術を用いた加圧成形および焼結で強度および密度の向上 した品物を生 成する。この粉末は、他の有機結合剤や潤滑剤を別途に添加する必要なく組成を 決定することができる。この冶金粉末は従来の粉末冶金技術を用いて加圧成形お よび焼結することができる。 潤滑剤を、脂肪酸の金属塩の形で有機溶媒中に溶解させる。次に、鉄基粉末を 、この溶液に密着して均一に接触するようにこの溶液で濡らす。次に、有機溶媒 を除去することにより、金属塩の被覆を持つ鉄基粒子が最終的な粉末組成物とし て生成される。 脂肪酸の金属塩の被覆には重要な機能が２つある。脂肪酸部分が加圧成形時の 粉末組成物の潤滑性を付与すると共に、金属部分は超微細金属粒子として焼結時 に粒界に沿って望みの合金を形成する。塩の脂肪酸部分は、Ｃ₁₂〜Ｃ₂₀の脂肪酸 が望ましく、ステアリン酸が更に望ましい。塩の金属部分は、従来の焼結条件下 で鉄と合金を形成できる金属が望ましく、例えば銅、ニッケル、マンガン、モリ ブデン、またはこれらの混合物である。望ましい金属塩はステアリン酸第二銅で ある。更に望ましくは、ステアリン酸第二銅は比較的高純度で、ほぼ化学量論比 で存在し、それにより約１０〜１２重量％の銅を含有する銅化合物を提供する。 鉄基粉末に付与される塩の量は、用途毎に最適化することができる。金属成分 は焼結助剤として作用して強度を向上させるので、良好な合金形成を促進する十 分高いレベルにするのが有利である。脂肪酸成分は内部潤滑剤として作用するが 、同時に有機部分が空間を占めるため、その存在は圧縮性に対して逆効果になる 。鉄基粉末に対する金属塩の相対量は、潤滑剤含有粉末１００重量部当たり金属 塩約０．１〜３重量部が望ましいことが分かった。鉄基粉末の１００重量部当た りの金属塩の量は、約０．５〜１重量部が更に望ましく、約０．７〜０．８が最 も望ましい。これらの望ましい重量比は、鉄粒子の平均粒径が約７０〜１００ミ クロンの範囲内にあるときに特に望 ましい。 本発明において有用な鉄基粒子は、標準的な粉末冶金法で用いるための合金材 料の粒子と混合できる鉄粒子または鉄含有（鋼を含む）粒子である。鉄基粒子の 例としては、純鉄または実質的な純鉄の粒子、他の元素（例えば鋼を形成する元 素）をプレアロイした鉄の粒子、および上記のような他の元素を拡散接合した鉄 の粒子がある。本発明において有用な鉄基材料の粒子は、重量平均粒径が約５０ ０ミクロン以下でよいが、一般には重量平均粒径は約１０〜３５０ミクロンの範 囲内であろう。望ましくは平均粒径が最大で約１５０ミクロンであり、更に望ま しくは平均粒径は約７０〜１００ミクロンの範囲内である。 本発明において有用な望ましい鉄基粒子は、実質的な純鉄すなわち通常の不純 物が約１．０重量％以下、望ましくは０．５重量％以下の、高圧縮性粒子である 。このような品質等級の純鉄粉末の例としては、Hoeganaes Corporation，River ton，New Jerseyから市販されているANCORSTEEL 1000シリーズの鉄粉末（例えば 1000，1000B，および1000C）がある。その内の一例として、ANCORSTEEL 1000B鉄 粉末は典型的な粒度分布が、約２１重量％が篩目No.３２５より小、約１２重量 ％が篩目No.１００より大（微量がNo.６０より大）、残りがその間である。ANCO RSTEEL 1000B粉末は見掛け密度が約２．８〜約３．０ｇ／cm³（典型的には約２ ．９２）である。 プレアロイド粉末は、最終的な焼結製品の強度、焼入れ性、電磁特性等の望ま しい特性を高めることが冶金分野において知られている元素を１種以上プレアロ イした鉄の粒子である。プレアロイド粒子は、鉄および鉄にプレアロイする元素 の溶湯を作成し、この溶湯をアトマイズ（噴霧造粒）した後、アトマイズ粒滴を 冷却および凝固させて粉末にする工程を含む、この分野で周知の方法により作製 できる。 上記で鉄と組み合わせる合金材料としては、単体のモリブデン、マンガン、ク ロム、シリコン、銅、ニッケル、錫、バナジウム、コロンビウム（ニオブ）、冶 金用炭素材（グラファイト）、燐、アルミニウム、硫黄、およびこれらの組み合 わせがあるが、但しこれらに限定はしない。その他の適当な合金材料は、銅と錫 または燐との二元合金、マンガン、クロム、ホウ素、燐またはシリコンの各フェ ロアロイ、炭素と鉄、バナジウム、マンガン、クロム、およびモリブデンのうち の２種または３種との三元または四元の低融点共晶合金、タングステンまたはシ リコンの炭化物、シリコン窒化物、およびマンガンまたはモリブデンの硫化物で ある。 プレアロイド鉄基粉末の一例として、モリブデンをプレアロイした鉄があるが 、その望ましい態様は、実質的な純鉄に約０．５〜約２．５重量％のＭｏを含有 させた溶湯をアトマイズして生成できる。このような粉末として市販されている Hoeganaes ANCORSTEEL 85HP 鋼粉末は、０．８５重量％のＭｏ、その他にマンガ ン、クロム、シリコン、銅、ニッケル、またはアルミニウムのような材料を合計 で約０．４重量％未満、および約０．０２重量％未満の炭素を含有している。 拡散接合された鉄基粒子は、実質的な純鉄の粒子の外表面に鋼形成元素のよう な金属を１種以上拡散侵入させた層または被覆を持つ。このような粉末として市 販の一例としては、Hoeganaes CorporationのDISTALOY 4600Aがあり、これは１ ．８％ニッケル、０．５５％モリブデン、および１．６％銅を含有している。そ の他にこのような合金被覆鉄粒子は、米国特許第4,975,333号（Johnson et al． ：発行日1990／12／04）に開示されている方法によって作成することができる。 脂肪酸金属塩は、有機溶媒中の溶液の形で鉄基金属粉末に被覆す る。有機溶媒は、揮発性で、無極性であって、金属塩および鉄基粉末の両方に対 して化学的に不活性であることが望ましい。銅の塩と共に用いるのが望ましい溶 媒はテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）である。他の金属の塩については、アミン、 望ましくは炭化水素基に１〜４個の炭素を持つ第一または第二アミンが望ましい 。望ましいアミン溶媒はジエチルアミンである。 被覆処理は、鉄基粉末が金属塩溶液と密着して接触するように行う。金属塩溶 液の濃度は決定的に重要ではないが、一般には、溶媒コスト、除去コスト、およ び環境問題の観点から、溶媒の量（すなわち溶液の希釈度）は所定量の粉末を完 全に濡らすのに必要な量より多くすべきではない。典型的には、溶液濃度は溶液 リットル当たりの金属塩が約２５〜１００ｇである。金属塩の塗布方法の一つは 、鉄基粉末の攪拌床に金属塩溶液を噴霧して、溶媒が除去されるまで混練を続け る。この過程で、混練容器内に不活性ガスを流通させて溶媒の揮発除去を促進す ることが望ましい。 以下に、本発明によりステアリン酸第二銅を潤滑剤として付与した鉄基金属粉 末から作製した加圧成形体（コンパクト）の密度および強度を実験結果によって 説明する。比較サンプルとして、粉末冶金用潤滑剤として知られているACRAWAX またはステアリン酸第二銅の各々を潤滑剤として用いた従来の鉄基粉末からもコ ンパクトを作製した。各比較材とも、潤滑剤を鉄基粉末に付与する方法は従来の とおりであり、乾燥した粒子の形で潤滑剤を単に鉄基粉末と混合した。これらの 実験で用いた鉄基粉末はHoeganaes ANCORSTEEL 1000Bであった。 これらの実験で用いたステアリン酸第二銅は下記の手順で作成した。６０ｇの ＫＯＨを１ｌの蒸留水中に解かした後、この溶液を加熱して沸騰させることによ り、まずステアリン酸カリウムを作成し た。ステアリン酸７０ｇを加えて攪拌し、ステアリン酸カリウムをゼリー状にし た。これを約１６時間放置して分離させた固体のステアリン酸カリウムを、等量 のメタノールと混ぜ合わせてから濾過した。ステアリン酸１に対してメタノール ４を用い、この濾過処理を更に２回行った。次にステアリン酸カリウム（約３ｇ ）を１５０ｍｌの蒸留水中に解かした。これとは別に、５０ｍｌの蒸留水に約１ ．２ｇの硫酸銅を解かした溶液も作成した。これら２つの溶液を混合して、ステ アリン酸第二銅を青い沈澱物として生成させた。この沈澱物を濾過し、蒸留水で 洗浄した。 ３種類の潤滑剤用添加物を、鉄粉末の重量ベースで０．７５wt％のレベルで鉄 粉末に混合した。Acrawaxおよびステアリン酸第二銅の各比較サンプルは、乳鉢 と乳棒を用いて鉄粉末と混合した。本発明の実施例として、溶媒１ｌ当たり金属 塩の量で約６０ｇまでの濃度で、ステアリン酸第二銅をＴＨＦ中の解かした。次 にこの溶液で、鉄基粉末１００部当たり金属塩約０．７５部となる相対量で鉄粉 末を濡らした。その後溶媒を除去し、乾燥した流動性のある粉末を得た。 次に、本発明のサンプルおよび２種類の比較サンプルに、潤滑剤含有鉄粉末の 重量ベースで０．６wt％のグラファイトを混合した。これら各粉末サンプルを２ ５トン／平方インチ（ｔｓｉ）で加圧成形し、水素雰囲気中において１１００℃ で１時間焼結した。表１に示したように、生材（グリーン）密度、焼結密度、お よび横破断強度（ＴＲＳ）は、本発明の粉末から作成したコンパクトの方が、２ 種類の比較サンプルよりも高い値である。 第二の比較実験として、従来の方法で潤滑剤としてACRAWAXを付与した鉄粉末 と、本発明によりステアリン酸第二銅を潤滑剤として付与した鉄粉末とを比較し た。組成は、重量％で、ACRAWAX潤滑剤粉末サンプルが９８．６５％鉄粉末（Anc orsteel 1000B）、０．６％グラファイト、および０．７５％ACRAWAX潤滑剤であ り、ステアリン酸第二銅を潤滑剤とするサンプルは９８．６５％鉄粉末（Ancors teel 1000B）、０．６％グラファイト、および０．７５％（乾燥ベース）ステア リン酸第二銅（前述のようにＴＨＦ溶液として鉄粉末に被覆）であった。各粉末 を５０ｔｓｉで加圧成形し、分解アンモニア中において１１２０℃で３０分焼結 した。生材密度、焼結密度、ＴＲＳ、硬さ、抜き取り圧力、および滑り圧力を測 定し、表２に示した。本発明によりステアリン酸第二銅を潤滑剤として付与した 粉末から作製したコンパクトは、高い加圧成形圧力で強度が向上すると同時に、 望ましい潤滑性を維持していた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミューラー，ウィリアム ジェイ. アメリカ合衆国，ウィスコンシン 54730, コルファックス，ボックス 104エー，ル ート ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．下記の工程： （a）脂肪酸の金属塩の有機溶媒溶液を作成する工程であって、該金属が鉄と 合金を形成できる金属である工程、 （b）鉄基粒子の冶金粉末組成物を、該鉄基粒子約１００重量部に対して金属 塩が約０．１〜３重量部となる量の、上記溶液で濡らす工程、および （c）上記溶媒を除去することにより、上記金属塩の被覆を持つ鉄基粒子を生 成させる工程 を含む潤滑性鉄基冶金粉末組成物の製造方法。 ２．上記金属が、銅、モリブデン、ニッケル、マンガン、またはこれらの混合 物である請求項１記載の方法。 ３．上記脂肪酸がＣ₁₂〜Ｃ₂₀の酸である請求項２記載の方法。 ４．上記溶媒がテトラヒドロフランまたはジエチルアミンを含む請求項３記載 の方法。 ５．上記金属塩の溶液を、上記鉄基粒子約１００重量部に対して金属塩が約０ ．５〜１重量部となる量で用いる請求項３記載の方法。 ６．上記金属が銅を含む請求項３記載の方法。 ７．上記金属が銅を含む請求項５記載の方法。 ８．上記金属塩がステアリン酸第二銅である請求項５記載の方法。 ９．上記溶媒がテトラヒドロフランを含む請求項８記載の方法。 １０．上記金属塩の溶液を、上記鉄基粒子約１００重量部に対して金属塩が約 ０．７〜０．８重量部となる量で用いる請求項８記載の方法。 １１．請求項１の方法により製造された潤滑性鉄基粉末組成物。 １２．請求項３の方法により製造された潤滑性鉄基粉末組成物。 １３．請求項８の方法により製造された潤滑性鉄基粉末組成物。