JPWO2016114142A1 - 還元鉄粉およびその製造方法並びに軸受 - Google Patents

Abstract

粗大な介在物を低減し、成形性に優れ、焼結後の気孔率が高く、単位質量当りの反応性に優れ、さらに粒子内部まで有効に反応材として利用できる還元鉄粉を提供する。見掛密度を1.00〜1.40Mg/m3の範囲とする。

Description

本発明は、還元鉄粉およびその製造方法並びにその還元鉄粉を用いた軸受に関するものである。

鉄粉の代表的なものとしては、製造方法から、還元鉄粉とアトマイズ鉄粉の２つが主に知られている。ここで、現在知られている鉄粉の見掛密度は、還元鉄粉で2.3Mg/m³以上、アトマイズ鉄粉で2.5Mg/m³以上である。また、比表面積は、還元鉄粉で0.10m²/g以下、アトマイズ鉄粉で0.07m²/g以下である。

このような性状を持つ鉄粉の用途は広く、その中でも化学反応材や焼結機械部品といった用途が大きな割合を占めている。そして、化学反応材では反応の効率化のため高い比表面積が求められ、焼結機械部品では、含油軸受けとして高い気孔率が求められる。

ここで、比表面積は見掛密度が低いほど大きい。また、気孔率の高い焼結機械部品を製造するには、見掛密度の低い鉄粉が求められる。

次に、焼結機械部品として焼結含油軸受を例に述べる。焼結含油軸受は、適当な含油率を保持することが重要であって、含油率が低いと、適切な潤滑性、耐用性を得ることができない。そこで、この適当な含油率を保持するために、焼結体における気孔率を高める必要がある。なお、先行技術文献としては特許文献１がある。

近年では、機械部品の小型化に伴い、外径：２mm、内径：0.6mm程度の含油軸受が製造されている。しかしながら、さらに小型化を進める上で、従来の還元鉄粉を用いると、従来の還元鉄粉の気孔と鉄部分が粗大であることから、成形性や歩留が悪く、製造が困難になる。そこで、従来よりも組織が微細で多孔質かつ、介在物の少ない鉄粉が要望されてきている。

さらに、軸受のように他の部材との摺り合せがある部材では、該部材に介在物があることで他の部材を傷つけ、製品の寿命を縮めることも発生する。また、介在物が周囲の鉄粉と焼結しない場合は、構造欠陥の要因となって、特に微小な機械部品を製造する際には、歩留や強度の低下に与える影響が極めて大きい。

なお、介在物の説明は以下のとおりである。還元鉄粉は、鉄鉱石又はミルスケールから製造される。その生成物である還元鉄粉の純度は、原料である酸化鉄の純度によって決定される。最も一般的な不純物は、酸素であり、大抵の酸素は、表面酸化物の薄膜として生じる。基本的な不純物には、炭素、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、イオウ、クロム、マンガン、ニッケルおよび銅があり、それらの多くは酸化物として存在し、介在物と称される。

また、化学反応材への適用を考えると、粉末の比表面積を大きくすることで反応の効率化が図れることから、特許文献２および３に述べられているように比表面積の大きい、すなわち、見掛密度の低い鉄粉が有用であることが知られている。

特開２００１−１３２７５５号公報 特許第４６６７８３５号公報 特許第４６６７９３７号公報

しかしながら、従来の還元鉄粉を用いて軸受とした場合、還元鉄粉には、200μmを超える介在物が含まれているため、軸を傷つけたり、自身の構造欠陥が生じたりする問題があった。

また、軸受製造の際には、上述のとおり、軸受の小型化に伴って、気孔や鉄組織が軸受に対して相対的に大きくなるため、潤滑油の循環性能が得られなくなるおそれがあった。すなわち、従来の還元鉄粉では、微細な気孔があるものの、介在物が多いために不合格になる、といった問題があった。また、内径：0.6mmφ、外径：2.0mmφの軸受は、従来の還元鉄粉を用いた場合であっても、比較的高歩留で製造できるが、例えば内径：0.4mmφ、外径：1.4mmφの微小な軸受になると、従来の還元鉄粉では成形性が不十分で歩留が大幅に低下し、量産が困難となる。

なお、アトマイズ鉄粉についていえば、表面が平滑のため、成型した際に鉄粉粒子同士の結合力が不足して、ラトラー値が著しく低下するため、上述の小さい軸受の用途には適さない。さらに、含油軸受を製造した際には気孔が少なく、油の循環が充分に得られないことも大きな欠点である。また、アトマイズ鉄粉では、介在物が少ないが、微細な気孔が少ない、といった問題がある。

他方、化学反応材としての還元鉄粉の利用の観点から考えると、粉末の比表面積が大きいことで単位質量当りの反応性に優れ、さらに粒子内部まで有効に反応材として利用できる粉末であることが求められる。

以上説明したように、内径：0.6mmφ、外径：2.0mmφより小さい軸受を高い歩留まりで製造するためには、見掛密度が2.0Mg/m³を大幅に下回り、比表面積が0.1m³/gを大幅に上回る0.2 m³/g以上の還元鉄粉が要望されていた。しかしながら、従来の製造方法ではこのような還元鉄粉は製造できなかった。

本発明は、上記した問題を有利に解決するもので、粗大な介在物を低減し、成形性に優れ、焼結後の気孔率が高く、単位質量当りの反応性に優れ、さらに粒子内部まで有効に反応材として利用できる還元鉄粉およびその製造方法、並びにその還元鉄粉を用いた軸受を提供することを目的とする。

本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．見掛密度が1.00〜1.40Mg/m³であることを特徴とする還元鉄粉。

２．前記還元鉄粉中の酸素量が0.38mass％以下であることを特徴とする前記１に記載の還元鉄粉。

３．前記還元鉄粉の比表面積が0.20m ²/g以上であることを特徴とする前記１または２に記載の還元鉄粉。

４．前記１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄粉を製造する方法であって、
レーザー回折法による測定による平均粒子径が3.0μm以下である原料酸化鉄粉を塊成化して酸化鉄粉とする工程と、
その後、前記酸化鉄粉を800〜1000℃で水素を用いて還元して還元鉄粉とする工程と、
を有することを特徴とする還元鉄粉の製造方法。

５．前記酸化鉄粉の還元前に、前記酸化鉄粉を分級して、前記酸化鉄粉のレーザー回折法による測定による平均粒子径を50〜200μmとすることを特徴とする前記４に記載の還元鉄粉の製造方法。

６．前記酸化鉄粉中の鉄分を68.8mass％以上とすることを特徴とする前記４または５に記載の還元鉄粉の製造方法。

７．前記１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄粉を原料とする軸受。

本発明によれば、粗大な介在物を低減し、成形性に優れ、焼結後の気孔率が高く、単位質量当りの反応性に優れ、さらに粒子内部まで有効に反応材として利用できる還元鉄粉が得られる。

本発明の還元鉄粉の製造工程を示すフロー図である。 従来例及び本発明例１，２の還元鉄粉の外観像と断面像を示す図である。

発明者らは、新規な製造方法によって、見掛密度が1.00〜1.40Mg/m³であり、比表面積が0.20m ²/g以上である新規な還元鉄粉を製造することに成功した。本発明の還元鉄粉は、見掛密度が十分に低いため、成形性に優れ、単位質量当りの反応性に優れ、さらに粒子内部まで有効に反応材として利用できる。また、本発明の還元鉄粉は、鉄組織が微細となっており（図２の断面像の白い部分を参照）、その結果、介在物も微細分散している。そのため、当該還元鉄粉を原料として、強度の高い軸受を高い歩留まりで製造することができ、例えば内径：0.4mmφ、外径：1.4mmφの軸受を高い歩留まりで量産できる。

図１を参照して、本発明の還元鉄粉の製造方法の実施形態について説明する。まず、所定の平均粒子径の酸化鉄粉（原料酸化鉄粉）を塊成化して、酸化鉄粉とする。その後、得られた酸化鉄粉を分級して、酸化鉄粉の平均粒子径を所定のものとする。その後、酸化鉄粉を水素ガスで還元（Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O）し、これを適宜破砕することで、本発明の還元鉄粉（多孔質鉄粉）とする。

ここで、本発明において、還元鉄粉の見掛密度を1.40Mg/m³以下として、還元鉄粉中の介在物を微細にするためには、出発原料である原料酸化鉄粉を微細化し、レーザー回折法による測定による平均粒子径（D50）を3.0μm以下とすることが肝要である。というのは、微粒化に伴い、気孔が小さくなり、介在物が微細化するからである。原料酸化鉄粉の平均粒子径は、好ましくは2.0μm以下であり、下限に特に定めはないが、工業的に0.5μm程度である。

上記原料酸化鉄粉の製造方法の一例としては、製鉄所で鋼板を酸洗した後の廃酸を中和して取り出す方法がある。例えば、プロセスとして、ルスナー法による噴霧ばい焼炉を用いる方法とルルギ法による流動ばい焼法が挙げられる。

また、本発明では、原料酸化鉄粉を塊成化して、原料酸化鉄粉が凝集してなる酸化鉄粉を得ることが必須である。原料酸化鉄粉の塊成化の方法としては、ヘンシェル型ミキサーを使用して原料酸化鉄粉にバインダーと水を混合し、これを乾燥させる方法や、原料酸化鉄粉をバインダーと共に水に溶いてスラリー状にした後、この液滴に熱風を当てて乾燥させる方法（スプレードライヤー）が有効である。いずれの方法にもバインダーとしては、PVAやデンプン等が利用できる。

酸化鉄粉を容器に充填、あるいは還元炉に装入して還元する際には、凝集した粒子間に空隙ができ、適度な通気性を確保することで、還元が進み易くなる。このため、塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径は重要である。また、還元に供する酸化鉄粉の粒子径は、これを還元した後の還元鉄粉の粒子径と相関がある。そこで、塊成化後の酸化鉄粉を分級して、その平均粒子径を制御してから、還元に供することが好ましい。

塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径は、上記のとおり重要である。ただし、全ての粒子が形状を保っているわけではなく、複数の粒子が結合したものや、１個の粒子が割れているものなどもある。そこで、発明者らの種々の検討の結果、実用上有効な還元鉄粉の平均粒子径は、50〜100μmであり、そのためには、酸化鉄粉の平均粒子径を50〜200μmとすることが好ましいことを見出した。したがって、本発明では、塊成化後の酸化鉄粉を適宜分級し、その平均粒子径を50〜200μmとすることが好ましい。

また、酸化鉄粉中の鉄分を68.8mass％以上とすることが好ましい。これにより、還元鉄粉中の酸素量を十分に抑制することができ、化学反応性の向上という効果、および、強度の高い軸受の高い歩留まりでの製造という効果をより十分に得ることができる。酸化鉄粉中の鉄分の上限については、特に制限はないが77mass％程度である。

さらに、本発明では、上記塊成化後の酸化鉄粉を還元して還元鉄粉（または単に鉄粉という）とする。発明者らは、この還元工程である酸化鉄の水素還元において、還元温度を適正に管理することにより、見掛密度が、従来の還元鉄粉やアトマイズ鉄粉の半分程度と低く、介在物が微細分散した鉄粉を製造する条件を見出した。還元中の還元温度は800℃以上1000℃以下とするとすることが肝要である。還元温度が800℃未満では、還元鉄粉中の酸素を還元反応により除去するのが困難となる。その結果、鉄粉中に酸素が多く残留するため、化学反応性が不十分となり、成形性も低下して軸受製造時の歩留まりも悪化する。一方、1000℃超では、鉄粉同士の焼結が進行して、見掛密度が1.40Mg/m³超えとなり、やはり、化学反応性が不十分となり、軸受製造時の歩留まりも悪化する。

平均粒子径3.0μm以下という微細な原料酸化鉄粉から作製した酸化鉄粉を十分に還元して、見掛密度が1.00〜1.40Mg/m³で還元鉄粉を得る観点から、還元時間は120分以上とすることが好ましい。また、還元時間の上限については、特に制限はないが、効率的なプロセスの観点から240分程度とすることができる。

なお、本発明では、上記した還元鉄粉の製造条件以外の条件は、公知公用の還元鉄粉の製造条件が適用可能である。還元方法としては、例えば、水素などの還元雰囲気でベルト炉等を用いて、大気圧下で加熱する方法が挙げられる。

次に、本発明の還元鉄粉の実施形態について説明する。本発明の還元鉄粉は、見掛密度が1.00〜1.40Mg/m³であり、これは、既述のような製造方法によって初めて製造することができたものである。還元鉄粉の見掛密度が、1.00Mg/m³未満では、比表面積が過剰となって、大気中の酸素との反応が急速に進行する粉塵爆発の危険性が大きくなる。一方、還元鉄粉の見掛密度が、1.40Mg/m³より大きい場合、化学反応性が不十分となる。また圧粉成型体の強度も低下するため、その後の工程における破損が発生し易くなり、軸受製造時の歩留まりも悪化する。

還元鉄粉の見掛密度が1.00〜1.40Mg/m³の範囲にあると、成型体強度が増して軸受を高い歩留まりで製造することができる。また、見掛密度をこの範囲にすることにより、粗大な介在物が効果的に低減されるとともに、焼結後の強度も向上するため、軸受の品質が向上する。さらに、本発明の還元鉄粉は、単位質量当りの反応性に優れ、さらに粒子内部まで有効に反応材として利用できる。なお、本発明での見掛密度はJIS-Z-2504に準拠して測定している。

また、本発明の還元鉄粉の酸素量は0.38mass％以下であることが好ましい。これにより、化学反応性の向上という効果、および、強度の高い軸受の高い歩留まりでの製造という効果をより十分に得ることができる。本発明の還元鉄粉の酸素量の下限については、特に制限はないが0.10mass％程度である。

還元鉄粉の比表面積が0.20m²/g未満の場合、本発明に特徴的な鉄粉粒子が充分に形成されず、化学反応性が不十分である。従って、還元鉄粉の比表面積は0.20m²/g以上が好ましい。また、鉄粉の比表面積の上限は特に限定されないが、ハンドリング等を考えると0.4m²/g程度が好ましい。なお、本発明での比表面積は窒素ガスを用いたBET法により測定される。

また、本発明では、前述した本発明に従う還元鉄粉を原料として軸受を製造することができる。当該軸受けは、後述する実施例に記載のとおり、軸受作製時の歩留、軸受の強度、気孔率に優れており、化学反応性も高い。なお、本発明の還元鉄粉を原料とした軸受の製造方法は、本発明の還元鉄粉を原料とすること以外は常法によることができる。

従来の還元鉄粉（２回の還元ステップにより得られる還元鉄粉）と、従来のアトマイズ鉄粉と、図１に示す製造工程を経た還元鉄粉（比較例１〜５、発明例１〜４）との比較を表１に示す。なお、比較例１〜５と発明例１〜４において、還元ガスには水素を用いている。また、上記の従来使用されている還元鉄粉は、鉄鉱石やミルスケールを原料とし、図１中、塊成化工程および分級工程が無く、コークス粉を添加してトンネル炉による一次還元を行った後、太枠の還元を行っている。

表１に示す鉄粉の評価項目は、以下の方法で実施した。
原料酸化鉄粉の平均粒子径は、体積基準のレーザー回折法で測定した。
酸化鉄粉中の鉄分は、JIS-M-8212に則り測定した値を用いた。
塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径は、レーザー回折法で測定し、50％粒子径を用いた。

還元鉄粉の見掛密度は、JIS-Z-2504に準拠して測定した。
還元鉄粉の平均粒子径は、体積基準のレーザー回折法で測定し、50％粒子径を用いた。
還元鉄粉のBET法による比表面積は、窒素ガスを用いて測定した。
還元鉄粉中の酸素量は、不活性ガス燃焼−赤外線吸収法（the inert gas fusion infrared absorption method；GFA）により測定した。

軸受作製時の歩留は、内径：0.4mmφ、外径：1.4mmφ、高さ：２〜2.5mmの円筒形状に圧粉成型してから焼結を終えるまでの破損率が5％以下（歩留まり95％以上）を合格とした。強度は、円筒を倒した状態で、圧縮したときの強度であり17N/mm²以上が合格、17N/mm²未満が不合格とした。

気孔率は含油軸受の性能を決める因子であり、適正値は18〜22％である。
気孔率の測定は水銀圧入法により行った。

化学反応における反応率は、鉄への土壌中の硫黄分が吸着する反応（Fe＋S＝FeS）で評価した。この反応による吸着性は実用上ある水準以上であることが求められるので、表１では、化学反応性を指標とし、最低必要なレベルを１として、比によって示した。

さらに、図２には、本発明例１，２の還元鉄粉の外観像と断面像を、従来還元鉄粉と比較して示している。外観像は走査電子顕微鏡、断面像は光学顕微鏡を用いて撮影した。従来還元鉄粉に比べ、発明例１と発明例２では粒子内部に気孔を多く内包している。

比較例１は、酸化鉄粉を1050℃で還元した鉄粉であり、その見掛密度は1.48Mg/m³であり、本発明の範囲外である。還元率は比較的良好であるが、軸受作成時の歩留は不合格である。また、化学反応性も不合格である。

比較例２は、酸化鉄粉を780℃で還元した鉄粉であり、その見掛密度は0.98Mg/m³であり、本発明の範囲外である。軸受作成時の歩留と化学反応性は不合格である。

比較例３は、原料酸化鉄粉の平均粒子径が3.2μmであって、塊成化後の酸化鉄粉を850℃で還元した鉄粉であり、その見掛密度は0.95Mg/m³であり、本発明の範囲外である。還元率は比較的低く、軸受作成時の歩留は劣っており、化学反応性も不合格であった。

比較例４は、塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径を45μmとして製造した還元鉄粉であり、その見掛密度は1.49 Mg/m³であり、本発明の範囲外である。還元率は高く、軸受の強度は合格であるが、軸受作成時の歩留が不合格である。化学反応性も不合格であった。

比較例５は、塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径を220μmとして製造した還元鉄粉であり、その見掛密度が0.95Mg/m³であり、本発明の範囲外である。軸受の強度は合格であるが、軸受作成時の歩留は不合格である。気孔率は過剰であり、化学反応性も不合格であった。

発明例１は、塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径が50μmであって、塊成化後の酸化鉄粉を1000℃で還元した鉄粉であり、その見掛密度は1.38 Mg/m³である。還元率は高く、軸受作成時の歩留、軸受の強度および気孔率はいずれも合格である。また、化学反応性も良好な性能を示した。

発明例２は、塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径が120μmであって、塊成化後の酸化鉄粉を1000℃で還元した鉄粉であり、その見掛密度は1.32Mg/m³である。還元率は良好であり、軸受作成時の歩留、軸受の強度および気孔率はいずれも合格である。また、化学反応性も良好な性能を示した。

発明例３は、塊成化後の酸化鉄粉の平均粒子径が120μmであって、塊成化後の酸化鉄粉を800℃で還元した鉄粉であり、その見掛密度は1.03Mg/m³である。還元率は良好であり、軸受作成時の歩留、軸受の強度および気孔率はいずれも合格である。また、化学反応性も良好な性能を示した。

発明例４は、塊成化後の酸化鉄粉中の鉄分が68.2mass％である鉄粉であり、還元後の鉄粉の酸素量は0.43mass％であるが、その見掛密度は1.12 Mg/m³である。化学反応性は良好な性能を示し、軸受作成時の歩留、軸受の強度および気孔率はいずれも合格であった。

発明例５は、原料酸化鉄粉の平均粒子径を0.7μmとした場合であり、酸化鉄粉の平均粒径は90μmであるが、その見掛密度は1.05Mg/m³である。化学反応性は良好な性能を示し、軸受作成時の歩留、軸受の強度および気孔率はいずれも合格であった。

Claims (7)

1. 見掛密度が1.00〜1.40Mg/m³であることを特徴とする還元鉄粉。
2. 前記還元鉄粉中の酸素量が0.38mass％以下であることを特徴とする請求項１に記載の還元鉄粉。
3. 前記還元鉄粉の比表面積が0.20m²/g以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の還元鉄粉。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄粉を製造する方法であって、
   レーザー回折法による測定による平均粒子径が3.0μm以下である原料酸化鉄粉を塊成化して酸化鉄粉とする工程と、
   その後、前記酸化鉄粉を800〜1000℃で水素を用いて還元して還元鉄粉とする工程と、
   を有することを特徴とする還元鉄粉の製造方法。
5. 前記酸化鉄粉の還元前に、前記酸化鉄粉を分級して、前記酸化鉄粉のレーザー回折法による測定による平均粒子径を50〜200μmとすることを特徴とする請求項４に記載の還元鉄粉の製造方法。
6. 前記酸化鉄粉中の鉄分を68.8mass％以上とすることを特徴とする請求項４または５に記載の還元鉄粉の製造方法。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄粉を原料とする軸受。

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