KR20130099149A

KR20130099149A - 분말 야금용 혼합 분말 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130099149A
Application number: KR1020137011903A
Authority: KR
Inventors: 히로노리 스즈키
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-09-05
Also published as: US9868153B2; US20130180359A1; WO2012063628A1; JP5552031B2; KR101538241B1; SE537830E; SE537830C2; US20150151361A1; CN103209789B; JP2012102355A; CN103209789A; SE1350550A1

Abstract

흑연 분말의 비산이 적고, 또한 유동성이 우수한 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은, 평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을, 바인더를 첨가함이 없이 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하는 것에 의해 비교적 간편히 얻어진다. 상기 미세 흑연은 평균 입경이 2.4㎛ 이하인 것이나 습식 분쇄된 것임이 바람직하다. 또한, 상기 미세 흑연의 일부를, 카본 블랙, 풀러렌, 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물 및 평균 입경이 5㎛ 이상인 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 대체하여 첨가하는 것도 바람직하다.

Description

분말 야금용 혼합 분말 및 그의 제조 방법{MIXED POWDER FOR POWDER METALLURGY, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 철기(鐵基) 분말을 성형, 소결하여 소결체를 제조하는 분말 야금 기술에 관한 것이며, 특히 흑연 분말의 비산이 적고, 또한 유동성이 우수한 분말 야금용 혼합 분말 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

철 분말이나 구리 분말을 주원료로서 이용하여 소결체를 제조하는 분말 야금에 있어서는, 통상 상기 주원료의 분말, 소결체의 물성을 향상시키기 위한 부원료 분말(흑연 분말, 합금 성분 등), 및 윤활제 등을 포함하는 혼합 분말을 이용한다. 특히, 소결체의 기계적 물성(강도나 경도 등)을 향상시키기 위해, 흑연 등의 탄소 공급 성분(탄소원)을 첨가하여 성형하고, 계속해서 가열 소결 공정 동안에 탄소원을 철 분말에 확산, 침탄시키는 것이 일반적이다.

그러나, 흑연은 철 분말에 비해 비중이 작고, 또한 입경이 작기 때문에, 단지 혼합하는 것만으로는 흑연과 철 분말이 크게 분리되고 흑연이 편석되어, 균일하게 혼합할 수 없다는 문제가 있다. 분말 야금법에서는, 소결체를 양산하기 위해, 통상 혼합 분말을 미리 저장 호퍼에 저장해 둔다. 저장 호퍼에서는, 비중이 작은 흑연은 호퍼의 상층부에 편석되기 쉬워, 혼합 분말을 호퍼로부터 배출할 때 호퍼 배출의 최후의 쪽에서 흑연의 농도가 높아지고, 소결체 중의 흑연 농도가 높은 부분에는 시멘타이트 조직이 석출되어 기계적 특성을 저하시킨다. 흑연의 편석에 의해 소결체 중의 카본 함유량에 편차가 생기면, 품질이 안정된 부품을 제조하는 것이 곤란해진다. 또한, 혼합 공정이나 성형 공정에 있어서, 흑연의 편석에 의해 흑연 분말의 분진이 발생하여, 직장 환경의 악화 및 혼합 분말의 취급성 저하라는 문제가 생긴다. 상기한 편석은, 흑연뿐만 아니라, 철 분말과 혼합되는 그 밖의 다양한 분말에서도 마찬가지로 생겨, 편석의 방지가 요구되고 있었다.

상기한 흑연의 편석과 분진 발생을 방지하기 위해, 종래부터 대별하여 3개의 방법이 제안되어 왔다. 제 1 방법은 톨유 등의 액체 첨가제를 혼합 분말에 첨가하는 방법이다(예컨대, 특허문헌 1, 2). 이 방법은 간편한 설비로 제조할 수 있다는 이점은 있지만, 편석 방지 효과가 인정되는 데 필요한 양의 액체 첨가제를 첨가하면, 철 분말 입자 사이에 액 가교력이 작용하여 극단적으로 유동성이 악화된다는 문제가 있다. 제 2 방법은 고분자 폴리머 등의 고체 바인더를 용제에 용해시켜 균일하게 혼합한 후, 용제를 증발시켜 철 분말의 표면에 흑연을 부착시키는 방법이다(특허문헌 3, 4 등). 이 방법은 흑연을 확실히 부착시킬 수 있음과 더불어, 사용하는 윤활제의 선택지(選擇肢)도 넓다는 이점을 갖지만, 배합에 따라서는 혼합 분말의 유동성이 불충분한 경우가 있다. 제 3 방법은 지방산 등의 비교적 저분자량의 윤활제를 철 분말과의 혼합 중에 가열하여 용융시키는 것을 특징으로 한 이른바 핫 멜트법이다(예컨대, 특허문헌 5). 용융시킨 윤활제를 균일하게 철 분말 표면에 고착시키기 위해, 혼합 중의 온도 관리는 매우 중요하고, 또한 사용 가능한 윤활제의 선택지가 제한된다는 결점도 있다. 상기 제 1 내지 제 3 방법은 모두 유기 바인더를 첨가하기 때문에 복잡한 공정으로 되지 않을 수 없어, 보다 간편한 방법이 요망되고 있었다.

그런데, 편석 방지와는 관계없지만 흑연의 입경을 제어한 기술도 제안되어 있고, 특허문헌 6에서는, 0.1∼2㎛의 흑연과 철 분말을, 암모니아 등의 특수한 분위기 중에서 첨가제를 가하면서 진동 밀로 혼합하여, 철 분말 입자 표면에 흑연 입자를 피복시키고 있다. 특허문헌 7, 8에서는 흑연의 입경을 제어함과 더불어, 유기 바인더를 이용하여 철 분말의 표면에 흑연을 피복하고 있다.

일본 특허공개 소60-502158호 공보 일본 특허공개 평6-49503호 공보 일본 특허공개 평5-86403호 공보 일본 특허공개 평7-173503호 공보 일본 특허공개 평1-219101호 공보 일본 특허공개 소54-90007호 공보 일본 특허공개 2005-330547호 공보 일본 특허공개 2009-263697호 공보

본 발명은 비교적 간편히, 흑연 분말의 비산이 적고, 또한 유동성이 우수한 분말 야금용 혼합 분말 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성한 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은, 평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을, 바인더를 첨가함이 없이 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하는 것에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다. 상기 미세 흑연은 평균 입경이 2.4㎛ 이하인 것이나 습식 분쇄된 것임이 바람직하다.

본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은, 상기 미세 흑연의 일부를, 카본 블랙, 풀러렌, 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물 및 평균 입경이 5㎛ 이상인 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 대체하여 첨가하는 것도 바람직하고, 이 경우, 모든 흑연, 카본 블랙, 풀러렌 및 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물의 합계량은 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이상 3질량부 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 윤활제, 강도 향상제, 내마모성 개선제 및 피삭성(被削性) 개선제로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 흑연과 철기 분말의 혼합에 있어서 소량의 바인더를 첨가해도 좋고, 평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을, 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이하의 바인더를 첨가하고 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하는 것에 의해 얻어지는 분말 야금용 혼합 분말도 본 발명에 포함된다.

본 발명에 의하면, 흑연의 평균 입경을 미세하게 함과 더불어, 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하고 있기 때문에, 바인더를 첨가하지 않아도 흑연과 철기 분말의 부착력이 우수한 분말 야금용 혼합 분말을 얻을 수 있고, 그 결과, 흑연의 편석을 억제할 수 있다. 나아가 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 유동성도 우수하다. 본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 바인더를 첨가할 필요가 없기 때문에, 저비용으로 제조할 수 있고, 또한 생산성이 높다는 이점도 갖고 있다.

도 1은 실시예에 있어서 흑연의 비산율 측정에 이용한 기구의 단면도이다.
도 2는 실시예에 있어서의 혼합 분말의 표면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰했을 때의 SEM 사진이다.

본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은, 미세한 흑연을, 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하여 얻어지는 점에 특징을 갖고 있다.

본 발명에 있어서의 미세 흑연은, 마이크로트랙에 의한 측정 방법으로의 평균 입경이 4㎛ 이하이다. 흑연을 상기 범위로 미세화하는 것에 의해 철 분말과의 부착력이 상승하는 메커니즘은 완전히 밝혀진 것은 아니지만, 흑연의 입자 직경이 작아지면 비표면적이 커져, 정전기 등 물리적인 힘으로 부착되는 것으로 생각된다. 또한, 화학적인 힘도 작용하고 있다고 생각된다. 즉, 미세하게 분쇄된 흑연의 분쇄면에는 수소기 등의 작용기가 많이 포함되어 있다고 생각되고, 작용기를 통해 철 분말과 흑연 사이에서 분자간 힘이 발생하여 흑연이 철 분말 표면에 부착된다고 추측된다. 작용기의 유무와 그의 함유량은, 질소 분위기 중에서 흑연을 가열하여 실온으로부터 950℃까지의 질량 변화율을 측정함으로써 어느 정도 파악할 수 있다. 상기한 실온으로부터 950℃까지 승온시킬 때의 승온 속도는 약 10℃/분으로 하는 것이 좋다. 통상, 가열 온도 영역마다 흑연으로부터 발생하는 가스의 종류가 상이하여, 발생하는 가스의 종류로부터 그 온도 영역에서 제거되고 있는 작용기의 종류를 추정할 수 있다. 150∼500℃에서는 카복실기(-COOH)나 하이드록시기(-OH)가 제거되고, 500∼900℃에서는 옥소기(=O)가 제거되며, 900℃ 이상에서는 수소기(-H)가 제거된다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 150∼950℃까지의 중량 감소량을 조사하는 것에 의해, 150℃보다 낮은 온도에서 제거할 수 있는 수분의 중량 감소의 영향을 없앨 수 있어, 흑연에 포함되는 작용기의 종류와 함유량을 알 수 있다.

미세 흑연의 평균 입경은 바람직하게는 2.4㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 2.2㎛ 이하이며, 더 바람직하게는 2.0㎛ 이하이다. 미세 흑연의 평균 입경의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 통상 1.0㎛ 정도이다. 미세 흑연의 평균 입경을 상기 범위로 하기 위해서는, 시판 천연 흑연 또는 인조 흑연을, 분쇄기를 이용하여 분쇄하면 된다. 분쇄의 분위기는 특별히 한정되지 않고, 건식으로 분쇄해도 좋고, 습식으로 분쇄해도 좋지만, 바람직하게는 습식 분쇄이다. 습식 분쇄하는 경우, 용매로서 물, 알코올 등을 이용할 수 있다. 분쇄기로서는, 통상의 분쇄기를 이용할 수 있고, 예컨대 롤 크러셔, 커터 밀, 로터리 크러셔, 해머 크러셔, 진동 밀, 핀 밀, 윙 밀, 볼 밀, 유성 밀 등이다.

본 발명에 있어서의 미세 흑연과 철기 분말은 전단력을 부여하면서 혼합하는 것이 중요하다. 전단력을 부여하는 혼합 방법은, V형 혼합기나 더블 콘 혼합기로 대표되는 것과 같은 대류 혼합 방법과는 다른 방법이다. 전단력을 부여하면서 혼합하는 것에 의해, 철 분말과 미세 흑연의 거리를 가능한 한 접근시키면서 혼합하는 것이 가능해져, 상기한 흑연의 미세화에 의한 부착력 향상 효과를 보다 유효하게 발휘할 수 있다.

전단력을 부여하는 혼합은, 예컨대 분말을 자르도록 이동하는 교반익을 구비한 혼합기를 이용하는 것에 의해 실현될 수 있다. 상기 교반익의 형상은 패들, 터빈, 리본, 스크류, 다단익, 앵커형, 말굽형, 게이트형 등을 들 수 있으며, 상기 교반익을 구비하는 한, 혼합기의 용기는 고정형이어도 좋고 회전형이어도 좋다. 상기 교반익을 구비한 혼합기로서, 구체적으로는 하이 스피드 믹서(헨셀사제 등), 플라우형 믹서, 나우타 믹서 등을 들 수 있다. 혼합 시간은 이용하는 혼합기의 종류나 혼합 분말의 양 등에도 의존하지만, 대략 1∼20분이다.

미세 흑연과 철기 분말의 혼합은 습식으로 행해도 좋고, 건식으로 행해도 좋다. 또한, 미세 흑연과 철기 분말의 혼합 순서는 특별히 한정되지 않는다. 즉, 이들 분말을 혼합기에 동시에 넣어 혼합해도 좋고, 한쪽 분말을 먼저 혼합기에 투입해 두고, 다른 쪽 분말을 나중에 첨가해도 좋다.

미세 흑연과 철기 분말의 혼합은, 이른바 핫 멜트법과 같이 윤활제 등이 용융될 정도의 온도 이상으로 가열하여 행해지는 것은 아니며, 예컨대 상온에서 행하면 된다. 또한 혼합의 분위기는 특별히 한정되지 않지만, 대기 중으로 할 수 있다.

본 발명에서는, 탄소원으로서 상기한 미세 흑연만을 이용해도 좋고, 제조 비용을 저감할 목적으로, 상기 미세 흑연의 일부를, 통상의 흑연(통상, 평균 입경이 5㎛ 이상), 카본 블랙, 풀러렌 및 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물의 1종 이상으로 대체하여 이용해도 좋다. 이들 분말은 상기한 미세 흑연과 철기 분말의 혼합 시에 첨가하면 되고, 그의 첨가 순서는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 미세 흑연, 철기 분말, 및 미세 흑연 이외의 탄소원을 동시에 혼합기에 첨가하여 혼합해도 좋고, 미세 흑연과 철기 분말을 먼저 혼합해 두고, 그 후, 혼합하면서(예컨대 교반익을 작동시키면서) 미세 흑연 이외의 탄소원을 1종씩 또는 2종 이상 첨가해 가도 좋다. 이 경우, 상기 미세 흑연의 비율은, 탄소원(즉, 모든 흑연(미세 흑연 및 통상의 흑연), 카본 블랙, 풀러렌 및 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물의 1종 이상)의 총 질량에 대하여 15질량% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20질량% 이상이며, 더 바람직하게는 25질량% 이상이다. 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물은 식물 유래의 것이어도 또는 동물 유래의 것이어도 좋고, 예컨대 활성탄, 목탄, 무연탄이다.

탄소원의 함유량은 통상 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이상 3질량부 이하이다. 탄소원의 함유량의 하한은 철기 분말 100질량부에 대하여 바람직하게는 0.2질량부 이상이고, 보다 바람직하게는 0.3질량부 이상이다. 또한, 탄소원의 함유량의 상한은 철기 분말 100질량부에 대하여 바람직하게는 2.5질량부 이하이고, 보다 바람직하게는 2.0질량부 이하(특히 1.3질량부 이하)이다.

본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 추가로 윤활제 및 물성 개선 첨가제(예컨대 강도 향상제, 내마모성 개선제, 피삭성 개선제)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하고 있어도 좋다. 이들 분말은 미세 흑연과 철기 분말의 혼합 시에 첨가하면 되고, 그의 첨가 순서는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 미세 흑연 및 철기 분말과 동시에 혼합기에 첨가하여 혼합해도 좋고, 미세 흑연과 철기 분말을 먼저 혼합해 두고, 그 후에 혼합하면서(예컨대 교반익을 작동시키면서) 상기 윤활제, 물성 개선 첨가제를 1종씩 또는 2종 이상 혼합기에 첨가해도 좋다.

윤활제로서는, 금속 비누, 알킬렌비스지방산 아마이드, 지방산 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 상기 금속 비누에는, 지방산염, 예컨대 탄소수 12 이상의 지방산염이 포함되고, 스테아르산아연이 바람직하게 이용된다. 상기 알킬렌비스지방산 아마이드, 지방산으로서는, 예컨대 R₁COOH로서 예시되는 화합물이 사용될 수 있고, 상기 알킬렌비스지방산 아마이드로서 구체적으로는 C₂ _-6 알킬렌비스 C₁₂ _-24 카복실산 아마이드를 들 수 있으며, 에틸렌비스스테아릴아마이드가 바람직하게 이용된다. 상기 지방산으로서는, 예컨대 R₁COOH로서 예시되는 화합물이 사용될 수 있고, 바람직하게는 탄소수 16∼22 정도의 카복실산이며, 특히 스테아르산, 올레산이 바람직하게 이용된다. 윤활제의 함유량은 철기 분말 100질량부에 대하여 예컨대 0.3질량부 이상 1.5질량부 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5질량부 이상 1.0질량부 이하이다.

강도 향상제로서는, 예컨대 구리, 니켈, 크로뮴, 몰리브덴, 망간 및 실리콘 중 적어도 1종을 함유하는 분말을 들 수 있고, 구체적으로는 구리 분말, 니켈 분말, 크로뮴 함유 분말, 몰리브덴 분말, 망간 함유 분말, 실리콘 함유 분말 등이다. 강도 향상제는 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 강도 향상제의 첨가량은 철기 분말 100질량부에 대하여 예컨대 0.2질량부 이상 5질량부 이하이고, 보다 바람직하게는 0.3질량부 이상 3질량부 이하이다.

내마모성 개선제로서는, 탄화물, 규화물, 질화물 등의 경질 입자를 들 수 있으며, 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다.

피삭성 개선제로서는, 황화망간, 탈크, 불화칼슘 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다.

본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은 바인더를 첨가하지 않아도 흑연과 철기 분말의 부착력이 우수하지만, 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이하의 범위로 바인더를 첨가하는 태양도 본 발명에 포함된다. 바인더량은 보다 바람직하게는 0.08질량부 이하이고, 더 바람직하게는 0.05질량부 이하이다.

본 발명에서 이용되는 철기 분말은 순(純) 철 분말, 철 합금 분말 중 어느 것이어도 좋다. 철 합금 분말은 철기 분말의 표면에 합금 분말(예컨대 구리, 니켈, 크로뮴, 몰리브덴 등)이 확산 부착된 부분 합금 분말이어도 좋고, 합금 성분(상기 합금 분말과 마찬가지의 성분)을 함유하는 용융 철(또는 용강)로부터 얻어지는 프리얼로이 분말이어도 좋다. 철기 분말은, 통상, 용융된 철 또는 강을 아토마이즈 처리하는 것에 의해 제조된다. 또한, 철기 분말은 철광석이나 밀 스케일을 환원하여 제조하는 환원 철 분말이어도 좋다. 철기 분말의 평균 입경은 예컨대 30∼150㎛이고, 바람직하게는 50∼100㎛이다. 철기 분말의 평균 입경은 일본 분말 야금 공업회 규격 JPMA P 02-1992(금속 분말의 체 분석 시험 방법)에 준하여 입도 분포를 측정했을 때의 누적 체하량 50%의 입경을 의미한다.

본 발명의 분말 야금용 혼합 분말은, 전술한 바와 같이, 흑연의 입경을 제어함과 더불어, 혼합 방법으로서 적절한 것을 채용하고 있기 때문에, 바인더(유기 결합제 등)를 첨가하지 않아도 흑연과 철기 분말의 부착력을 높일 수 있다. 그 결과, 흑연의 편석을 억제할 수 있어, 후술하는 방법에 의해 얻어지는 흑연 비산율을 예컨대 20% 이하로 할 수 있으며, 바람직하게는 15% 이하, 보다 바람직하게는 10% 이하로 할 수 있다. 또한 본 발명의 혼합 분말은 바인더를 첨가하지 않고 있거나, 또는 첨가하더라도 극히 소량(0.1질량부 이하)이기 때문에, 바인더를 첨가한 것과 비교하여, 동일한 성형 압력으로 성형했을 때의 성형체의 밀도, 및 상기 성형체를 소결한 소결체의 밀도가 높아져, 소결체의 강도가 양호해진다. 나아가, 본 발명의 혼합 분말은, 성형 공정과 소결 공정 사이에 행해지는 탈납 공정을 생략 또는 간소화할 수 있어, 소결 부품의 생산성 향상과 환경 대책에도 기여한다.

또한, 흑연의 미세화에 의해 치수 변화를 최소한으로 할 수 있는 등 품질을 안정화할 수 있고, 소결 온도의 저감이나 소결 시간의 단축 등 소결 부품의 제조에 있어서 에너지 절약, 비용 절약도 실현될 수 있다. 본 발명의 혼합 분말은 기계 구조용 소결 부품 등에 적용할 수 있고, 특히 복잡, 박육 형상의 부품에도 적용할 수 있다. 그리고 경량화가 가능하기 때문에, 고강도재에도 적합하다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기, 후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

각 실시예에 대하여, 이하의 방법에 의해 흑연의 비산율, 혼합 분말의 겉보기 밀도 및 유동도를 측정했다.

(1) 흑연의 비산율

도 1에 나타내는 바와 같이, 아래쪽이 깔때기 형상인 유리관(2)(내경: 16mm, 높이 106mm)에 뉴클리포어(nuclepore) 필터(1)(망목은 12㎛)를 세팅하고, 그 위에 혼합 분말(P) 25g을 넣고, 유리관(2)의 아래쪽으로부터 N₂ 가스를 0.8리터/분의 속도로 20분간 흘려, 하기 식(1)에 의해 흑연 비산율을 구했다. 즉, 아래쪽으로부터 유통시킨 N₂ 가스에 의해, 철 분말에 부착되어 있지 않은 흑연은 비산하기 때문에, 하기 식(1)에 의해 흑연 비산율을 구할 수 있다. 한편, N₂ 가스 유통 전후의 혼합 분말의 탄소량은 연소법에 의해 측정할 수 있다.

흑연 비산율(%) = (1 - N₂ 가스 유통 후 탄소량/N₂ 가스 유통 전 탄소량)×100···(1)

(2) 혼합 분말의 겉보기 밀도

JIS Z2504(금속 분말-겉보기 밀도 시험 방법)에 따라 혼합 분말의 겉보기 밀도(g/cm³)를 측정했다.

(3) 혼합 분말의 유동도

JIS Z2502(금속 분말의 유동도 시험법)에 따라 혼합 분말의 유동도(초/50g)를 측정했다. 즉, 50g의 혼합 분말이 φ 2.63mm의 오리피스를 흘러나올 때까지의 시간(초)을 측정하여, 이 시간(초)을 혼합 분말의 유동도로 했다.

실시예 1

시판 천연 흑연(닛폰흑연제, JCPB, 평균 입경 5.0㎛)을 습식 비드 밀 분쇄(용매: 물)한 후, 건조시키고, 추가로 건식 제트 밀로 분쇄하여 평균 입경 2.1㎛의 흑연을 얻었다(흑연의 입경은 마이크로트랙 9300-X100으로 측정). 철 분말(고베제강소제, 아트멜 300M, 입경 180㎛ 이하, 평균 입경 70㎛) 100질량부에 대하여 상기 흑연 0.8질량부를, 바인더나 윤활제를 첨가함이 없이, 열을 가하지 않고서 하이 스피드 믹서에 동시에 투입하고 5분간 혼합하여 혼합 분말을 얻었다. 얻어진 혼합 분말의 흑연 비산율은 1%이었다. 또한, SEM으로 관찰한 결과를 도 2에 나타낸다. 도 2에서는, 철 분말의 표면에 미세 흑연이 균일하게 부착되어 있음을 확인할 수 있었다.

한편, 비교를 위해, 상기 JCPB를 분쇄하지 않고 그대로 이용한 것 이외는 상기와 마찬가지로 하여 혼합 분말을 얻은 바, 흑연 비산율은 50% 정도였다. 또한 상기 혼합 분말을 SEM 관찰한 바, 흑연의 일부가 국부적으로 철 분말의 오목부로 들어가 부착되어 있을 뿐이고, 대부분의 흑연은 부착되어 있지 않았다.

실시예 2

시판 천연 흑연(닛폰흑연제, JCPB, 평균 입경 5.0㎛)을 표 1에 기재된 방법에 의해 여러 가지의 입경으로 조정(단, 표 1의 실험 No. 1과 2는 JCPB 그 자체를 사용했음)한 흑연 분말, 철 분말(고베제강소제, 아트멜 300M, 입경 180㎛ 이하, 평균 입경 70㎛) 및 구리 분말(후쿠다금속제, CE-20)을 철 분말 100질량부에 대하여 구리 분말: 2질량부, 흑연: 0.8질량부의 비율로, 표 1에 기재된 혼합기에 동시에 첨가하고 혼합하여, 흑연 비산율 측정용의 혼합 분말로 했다. 흑연의 입경은 실시예 1과 마찬가지로 마이크로트랙 9300-X100으로 측정했다. 또한, 상기 혼합 분말 100질량부에 대하여 0.8질량부의 에틸렌비스아마이드 윤활제를, 표 1에 기재된 혼합기를 이용하여 혼합하여, 겉보기 밀도 및 유동도 측정용의 분말로 했다. 한편, 표 1의 No. 7, 8에서 행한 습식 분쇄의 용매는 에탄올이다.

실험 No. 4, 6, 8은 흑연의 평균 입경이 작고, 또한 전단 혼합 방법에 의해 흑연과 철기 분말이 혼합되어 있기 때문에, 흑연의 비산율이 작고, 유동도도 양호했다. 특히 실험 No. 6, 8은 흑연의 평균 입경이 2.4㎛ 이하이어서, 흑연의 비산율 및 혼합 분말의 유동도 모두가 No.4에 비해 더욱 양호했다.

한편, 실험 No. 1, 2는 흑연의 평균 입경이 크고, 실험 No. 1에 대해서는 대류 혼합 방법이었기 때문에, 모두 흑연의 비산율이 크고, 혼합 분말이 유동하지 않는 결과가 되었다. 실험 No. 3, 5는 흑연의 평균 입경은 4㎛ 이하였지만, 대류 혼합 방법이었기 때문에, 흑연의 비산율이 크고, 혼합 분말이 유동하지 않는 결과가 되었다. 실험 No. 7은 흑연의 평균 입경이 2.4㎛ 이하로, 매우 미세했지만, 대류 혼합 방법이었기 때문에, 흑연의 비산율이 커졌다.

또한 표 1로부터, 흑연의 평균 입경 및 혼합 방법이 혼합 분말의 겉보기 밀도에 미치는 영향을 알 수 있다. 예컨대, 실험 No. 1과 3, 또는 실험 No. 2와 4를 비교하는 것에 의해, 평균 입경이 작아질수록 혼합 분말의 겉보기 밀도가 커짐을 알 수 있다. 또한, 실험 No. 1과 2, 3과 4, 5와 6, 7과 8을 각각 비교하면, 대류 혼합 방법에 비해 전단 혼합 방법 쪽이 혼합 분말의 겉보기 밀도가 커짐을 알 수 있다.

실시예 3

철 분말(고베제강소제, 아트멜 300M, 입경 180㎛ 이하, 평균 입경 70㎛) 100질량부에 대하여, (i) 상기 실시예 2의 실험 No. 6에서 사용한 미세 흑연, 데구사제 A15 카본 블랙 및 시판 천연 흑연(닛폰흑연제, JCPB, 평균 입경: 5.0㎛)과, (ii) 구리 분말 2질량부를, 날개 부착 하이 스피드 믹서에 동시에 첨가하고 5분간 교반하여, 흑연 비산율 측정용의 분말로 했다. 한편, 미세 흑연, 카본 블랙, 시판 천연 흑연의 배합 비율(철 분말 100질량부에 대한 비율)은 표 2에 나타내는 바와 같다. 또한, 흑연 비산율 측정 혼합 분말 100질량부에 대하여 0.8질량부의 에틸렌비스아마이드 윤활제를 혼합하여(날개 부착 하이 스피드 믹서를 이용하여 2분간 교반), 겉보기 밀도 및 유동도 측정용의 분말로 했다.

표 2로부터, 미세 흑연의 일부를 카본 블랙 및/또는 시판 흑연(JCPB)으로 대체하여 이용해도 흑연 비산율이 충분히 억제될 수 있었음을 알 수 있었다.

실시예 4

실시예 2의 실험 No. 1과 8(에틸렌비스아마이드 윤활제를 첨가한 후의 분말), 및 비교를 위해 종래의 혼합 분말(바인더를 이용한 것)을 이용하여 각각 외경 30mm, 내경 10mm, 높이 10mm의 링 형상으로 되도록 686MPa의 압력에서 성형체를 제작하고, 후술하는 방법에 의해 성형체 밀도를 측정했다. 상기 성형체를, 질소 95%, 수소 5%의 분위기 하에 1120℃에서 30분간 소결했다. 얻어진 소결체의 밀도, 치수 변화율, 압환(壓環) 강도, 경도를 이하의 방법으로 측정했다.

한편, 상기한 종래의 혼합 분말(바인더를 이용한 것)의 제작 순서는 다음과 같다. 우선, 날개 부착 하이 스피드 믹서를 이용하여, 철 분말(고베제강소제, 아트멜 300M, 입경 180㎛ 이하, 평균 입경 70㎛) 100질량부에 대하여 시판 천연 흑연(닛폰흑연제, JCPB, 평균 입경: 5.0㎛)을 0.8질량부, 구리 분말(후쿠다금속제, CE-20)을 2질량부 혼합했다. 계속해서, 철 분말, 천연 흑연 및 구리 분말의 합계량 100질량부에 대하여 0.2질량부의 10% 스타이렌 뷰타다이엔 공중합체 용액(용매는 톨루엔)을 믹서에 투입하고, 2분간 혼합했다. 그 후, 진공 가온하여 상기 톨루엔을 증발시켜 혼합 분말을 얻었다. 이 혼합 분말 100질량부에 대하여 0.8질량부의 에틸렌비스아마이드 윤활제를 혼합했다(날개 부착 하이 스피드 믹서를 이용하여 2분간 교반).

(4) 성형체 밀도 및 소결체 밀도의 측정

성형체 밀도와 소결체 밀도는, 성형체와 소결체의 각각의 치수를 측정하여 체적을 구함과 더불어 질량을 측정하고, 질량을 체적으로 나누어 구했다.

(5) 치수 변화율의 측정

치수 변화율(%)은 하기 식(2)에 의해 구했다.

치수 변화율 = {(소결체의 외경)-(성형체의 외경)}/(성형체의 외경)×100···(2)

(6) 압환 강도의 측정

상기 소결체의 성형축 방향과 수직인 방향으로 압환 프레스하여 링이 깨졌을 때의 강도를 측정하고, JIS Z2507에 기초하여 압환 강도(MPa)를 구했다.

(7) 경도의 측정

상기 링 형상 소결체의 표면과 이면의 임의의 각 3점(합계 6점)을 록웰 B 스케일로 측정하여 경도(HRB)를 구했다.

표 3으로부터, 본 발명의 요건을 만족시키고 있는 실시예 2의 실험 No. 8은 흑연의 평균 입경이 크고, 또한 대류 혼합한 실험 No. 1과 비교하여 성형체 밀도가 높고, 소결 시의 치수 변화가 작기(팽창이 작기) 때문에, 소결체 밀도가 높아짐과 더불어 소결체의 압환 강도나 경도도 높아졌다. 또한, 실시예 2의 실험 No. 8은 종래 기술과 비교해도 성형체 밀도가 크고, 또한 치수 변화율이 작고, 소결체 밀도가 높아짐과 더불어 압환 강도도 극히 우수함을 알 수 있다. 한편, 종래 기술에 대해서도 흑연 비산율을 측정하고 있고, 그 결과는 1%이었다.

1: 뉴클리포어 필터
2: 유리관

Claims

평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을, 바인더를 첨가함이 없이 전단력을 부여하면서 철기(鐵基) 분말과 혼합하는 것에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 미세 흑연의 평균 입경이 2.4㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 미세 흑연은 습식 분쇄된 것임을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 미세 흑연의 일부를, 카본 블랙, 풀러렌, 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물 및 평균 입경이 5㎛ 이상인 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 대체하여 첨가한 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
제 4 항에 있어서,
상기 미세 흑연의, 모든 흑연, 카본 블랙, 풀러렌 및 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물의 합계량에 대한 비율이 15질량% 이상인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분체.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
모든 흑연, 카본 블랙, 풀러렌 및 소성에 의해 탄화되는 탄소 화합물의 합계량이 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이상 3질량부 이하인 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
윤활제, 강도 향상제, 내마모성 개선제 및 피삭성 개선제로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을, 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이하의 바인더를 첨가하고 전단력을 부여하면서 상기 철기 분말과 혼합하는 것에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말.
평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을 준비하고, 상기 미세 흑연을, 바인더를 첨가함이 없이 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말의 제조 방법.
평균 입경이 4㎛ 이하인 미세 흑연을 준비하고, 철기 분말 100질량부에 대하여 0.1질량부 이하의 바인더를 첨가하고, 상기 바인더가 첨가된 상기 미세 흑연을, 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말의 제조 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 전단력을 부여하면서 철기 분말과 혼합하는 공정을, 이동하는 교반익을 구비한 혼합기를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 분말 야금용 혼합 분말의 제조 방법.