粉末冶金用铁基混合粉末 技术领域 本 发 明 涉 及 用 于 粉 末 冶 金 技 术 优 选 的 铁 基 混 合 粉 末 (iron-based mixed powder)。本发明特别是在提高压粉成型体的密度 (green density) 的同时， 谋求在压粉成 型 (compaction) 后从模具 (die) 拔出压粉体 (green compaction) 时的拔出力 (ejection force) 的有利降低的发明。
背景技术
在粉末冶金工艺中， 混合原料粉末后， 移送混合粉填充到模具中， 压制成型后， 从 模具取出制造的成型体 ( 称为压粉体 )， 根据需要实施烧结等的后处理。
在该粉末冶金工艺中， 为了实现制品品质的提高和制造成本的降低， 要求同时 实现移送工序中的粉末的高的流动性 (flowability)、 压制成型工序中的高的压缩性 (compressibility)、 以及从模具拔出压粉体的工序中的低的拔出力。
作为改善铁基混合粉末的流动性的手段， 在专利文献 1 中公开了通过添加富勒烯 (fullerene) 类可以改善铁基混合粉末的流动性。
另外， 在专利文献 2 中公开了通过添加具有低于 500nm 的平均粒径的粒状无机氧 化物来改良粉末的流动性的方法。
但是， 即使使用这些手段， 也不足以在维持流动性的基础上实现高的压缩性和 / 或低的拔出力。
另外， 为了提高压粉体的成型密度、 或降低拔出力， 使用在将铁基混合粉末压制成 型的温度下软质且具有延伸性的润滑剂 (lubricant) 是有效的。其理由是因为通过压制成 型润滑剂从铁基混合粉末渗出， 附着到模具表面， 降低模具和压粉体的摩擦力。
但是， 由于这样的润滑剂具有延伸性， 所以也容易附着到铁粉和合金用粉末 (powder for an alloy) 的粒子上， 因此存在铁基混合粉末的流动性和填充性反而被损害 的问题。
此外， 配合上述那样的碳材料、 微粒子和润滑剂会使铁基混合粉末的理论密度 ( 空隙率假定为零的情况 ) 降低， 成为使成型密度降低的主要原因， 因此太多量的添加并不 优选。
这样， 以往兼顾铁基混合粉末的流动性、 高的成型密度和低的拔出力极其困难。
现有技术文献
专利文献 1 ： 日本特开 2007-31744 号公报
专利文献 2 ： 日本特表 2002-515542 号公报 发明内容
本发明是鉴于上述的现状开发的， 其目的在于提供一种粉末冶金用铁基混合粉 末， 该粉末能够在提高铁基混合粉末的流动性， 使压粉体的成型密度提高的同时， 大幅度地 降低压粉成型后的拔出力， 从而一并实现制品品质的提高和制造成本的降低。本发明者们为了达到上述的目的， 对于向铁基粉末中添加的添加材料反复进行了 各种研讨。
其结果， 得到了下述见解 ： 通过向铁基粉末中添加适量的片状粉末， 不仅流动性优 异， 还可大幅度地改善成型密度和拔出力。
本发明是立足于上述的见解的发明。
即， 本发明的要旨构成如下。
1. 一种粉末冶金用铁基混合粉末， 其特征在于， 是在铁基粉末中， 相对于铁基混合 粉末以 0.01 ～ 5.0 质量％的范围含有长径的平均粒径为 100μm 以下、 厚度为 10μm 以下， 并且纵横比 ( 长径相对于厚度的比率 ) 为 5 以上的片状粉末而成的。
2. 根据上述 1 所述的粉末冶金用铁基混合粉末， 其特征在于， 上述片状粉末是选 自二氧化硅、 硅酸钙、 氧化铝和氧化铁之中的至少一种。
3. 根据上述 1 或 2 所述的粉末冶金用铁基混合粉末， 其特征在于， 还含有合金用粉 末。
4. 根据上述 1 ～ 3 的任一项所述的粉末冶金用铁基混合粉末， 其特征在于， 还含有 有机粘合剂 (organic binder)。 5. 根据上述 1 ～ 4 的任一项所述的粉末冶金用铁基混合粉末， 其特征在于， 还含有 游离润滑剂 (free lubricant powder)。
依据本发明， 通过向铁基粉末中添加适量的片状粉末， 不仅流动性优异， 还能够一 并实现高的成型密度和低的拔出力， 其结果， 对生产率的提高和制造成本的降低产生显著 的效果。
附图说明
图 1 是模式地表示本发明涉及的片状粉末的图。 具体实施方式
以下， 具体地说明本发明。
本发明中使用的片状粉末， 是由厚度方向的径与扩展方向的径相比非常小的平板 状的粒子构成的粉末。在本发明中， 如图 1 所示， 一次粒子是薄片状的粉末， 其特征在于， 其 长径 1 的平均粒径为 100μm 以下， 厚度 2 为 10μm 以下， 并且纵横比 ( 长径相对于厚度的 比率 ) 为 5 以上。
该片状粉末在铁基混合粉末的成型压缩工序中， 能够降低粉末的再排列和 / 或塑 性变形所需的粉体间的摩擦力、 以及粉体与模具间的摩擦力， 实现成型密度的提高。此外， 在成型体的拔出工序中， 可通过压粉体与模具间的摩擦力的降低， 来大大降低拔出力。 认为 这些效果是起因于片状粉末的扁平的形状， 通过片状粉末在铁基混合粉末间有效地排列， 有效地防止金属粉末彼此以及金属粉末与模具间的直接接触， 降低摩擦力而得到的。
片状粉末优选为氧化物， 作为其具体例， 可举出鳞片状二氧化硅 ( サンラブリ一 (Sunlovely(TM))、 AGC エスアイテツク (AGC Si-Tech Co.， Ltd. 制 )、 花瓣状硅酸钙 ( フ ロ 一 ラ イ ト (FLORITE(TM))、 ト ク ヤ マ (Tokuyama Corporation) 制 )、 板状氧化铝 ( セ ラフ (SERATH(TM))、 キンセイマテツク (KINSEI MATEC CO.， LTD.) 制 )、 鳞片状氧化铁(AM-200(TM)、 チタン工業 (Titan Kogyo， Ltd.) 制 ) 等， 并不特别规定成分和晶体结构。
再者， 一直以来已知的石墨粉有时为片状粉末 ( 鳞片状石墨等 )， 但看不到因添加 引起的改善效果 ( 参照实施例 )， 不能够达到本发明的目的。其原因尚未明确， 但推测是石 墨与铁粉、 铁粉压粉体、 以及与模具的附着力高， 阻碍了本发明中期待的特性改善。与模具 等的附着， 推测在由金属或上述的石墨之类的半金属 (semimetal) 形成的片状粉末的情况 下引起， 因此它们从本发明中的片状粉末排除在外。 相反地讲， 只要是除了金属和半金属以 外的片状粉末， 就不具有与模具等的附着这一阻碍因素， 因此能够期待本发明的效果。 根据 本发明者们的调查， 优选由构成物质的原子间的键形式主要由共价键或离子键组成， 电子 传导率比较低的物质构成的片状粉末， 如上述那样尤其优选为氧化物。 其中， 特别优选为二 氧化硅、 硅酸钙、 氧化铝和氧化铁的至少一种。
再者， 因上述理由， 片状的石墨粉末从本发明中的片状粉末排除在外， 但添加石墨 粉作为合金用粉末， 与片状、 非片状无关地被允许。
在此， 如果上述的片状粉末的纵横比不足 5， 则得不到上述的效果， 因此在本发明 中， 片状粉末的纵横比规定为 5 以上。更优选是 10 以上， 进一步优选是 20 以上。
再者， 纵横比采用以下的方法测定。 利用扫描型电子显微镜观察氧化物粒子， 对随 机地选择的 100 个以上的粒子测量粒子的长径 1 和厚度 2， 计算各个粒子的纵横比。 由于纵 横比存在分布， 所以利用其平均值定义纵横比。
再者， 在本发明中， 作为片状粉末的一形态可以举出针状粉末。所谓针状粉末， 是 由形状为细的针状或棒状的粒子构成的粉末， 但片状粉末由添加带来的上述效果大。
另外， 如果片状粉末的长径的平均粒径超过 100μm， 则不能够与常用于粉末冶金 的铁基混合粉末 ( 平均粒径为 100μm 左右 ) 均匀混合， 变得不能够发挥上述的效果。
因此， 片状粉末需要将长径的平均粒径设为 100μm 以下。更优选为 40μm 以下， 进一步优选为 20μm 以下。
再者， 片状粉末的平均粒径是如上述那样地使用扫描型电子显微镜观察的长径 1 的平均值。但是， 也可以利用依据 JIS R 1629 的激光衍射 - 散射法测定粒径分布， 使用体 积基准的累积分数中的 50％粒径。
另外， 如果片状粉末的厚度超过 10μm， 则变得不能够发挥上述的效果。因此， 片 状粉末的厚度需要设为 10μm 以下。更有效的片状粉末的厚度为 1μm 以下， 进一步优选是 0.5μm 以下。再者， 厚度的实用的最小值约为 0.01μm。
此外， 在本发明中， 如果片状粉末的相对于铁基混合粉末的配合量低于 0.01 质 量％， 则不体现片状粉末的添加效果。另一方面， 如果超过 5.0 质量％， 则导致成型密度的 显著降低， 因此不优选。 因此， 片状粉末的配合量设为 0.01 ～ 5.0 质量％， 更优选在 0.05 ～ 2.0 质量％的范围。
在 本 发 明 中， 作为铁基粉末可例示以下的粉末 ： 雾 化 铁 粉 (atomized iron powder) 和还原铁粉 (reduced iron powder) 等的纯铁粉 (pure iron powder) ； 部分扩散 合金化钢粉 (partly diffused alloyed steel powder) 和完全合金化钢粉 (prealloyed steel powder)， 还可例示向完全合金化钢粉部分扩散了合金成分的混合钢粉。 铁基粉末的 平均粒径优选为 1μm 以上， 进一步优选为 10 ～ 200μm 左右。
另外， 作为合金用粉末的种类， 可例示石墨粉末、 Cu、 Mo、 Ni 等的金属粉末、 金属化合物粉末等。也可以使用其他的公知的合金用粉末。可以通过将这些合金用粉末的至少一 种混合到铁基粉末中来使烧结体的强度上升。
上述的合金用粉末的配合量的合计， 优选在铁基混合粉末中为 0.1 ～ 10 质量％左 右。这是因为， 通过配合 0.1 质量％以上的合金用粉末， 得到的烧结体的强度有利地提高， 另一方面， 如果超过 10 质量％， 则烧结体的尺寸精度降低。
上述的合金用粉末， 优选为通过有机粘合剂附着到铁基粉末的表面的状态 ( 以 下， 称为外附合金成分的铁粉 )。 由此， 能够防止合金用粉末的偏析， 使粉末中的成分分布均 匀。
在此， 作为有机粘合剂， 脂肪酰胺和金属皂 (metallic soap) 等尤其有利地适合， 但也可以使用聚烯烃、 聚酯、 ( 甲基 ) 丙烯酸聚合物、 醋酸乙烯酯聚合物等的其他公知的有 机粘合剂。这些有机粘合剂既可以分别单独地使用， 也可以并用两种以上。在使用两种以 上的有机粘合剂的情况下， 也可以至少将其一部分作为共熔融物 (composite melt) 使用。 有机粘合剂的添加量低于 0.01 质量％时， 不能够在铁粉的表面均匀且充分地附着合金用 粉末。另一方面， 如果超过 1.0 质量％， 则铁粉彼此附着凝集， 因此有流动性降低之虞。因 此， 有机粘合剂的添加量优选在 0.01 ～ 1.0 质量％的范围。 再者， 有机粘合剂的添加量 ( 质 量％ )， 是指有机粘合剂在粉末冶金用铁基混合粉末整体中所占的比率。 此外， 为了使粉末冶金用铁基混合粉的流动性和成型性提高， 也可以添加游离润 滑剂粉末。 游离润滑剂的添加量， 按在粉末冶金用铁基混合粉整体中所占的比例计， 优选为 1.0 质量％以下。另一方面， 游离润滑剂优选添加 0.01 质量％以上。作为游离润滑剂， 金属 皂 ( 例如硬脂酸锌、 硬脂酸锰、 硬脂酸锂等 )、 双酰胺 ( 例如亚乙基双硬脂酰胺等 )、 含有单 酰胺的脂肪酰胺 ( 例如硬脂酸单酰胺、 芥酸酰胺等 )、 脂肪酸 ( 例如油酸、 硬脂酸等 )、 热塑 性树脂 ( 例如聚酰胺、 聚乙烯、 聚缩醛等 ) 由于具有降低压粉体的拔出力的效果因而优选。 上述以外的公知的游离润滑剂也可以使用。
再者， 铁基混合粉末中的铁的含量优选为 50 质量％以上。
接着， 对于本发明的铁基混合粉末的制造方法进行说明。
向铁基粉末中加入遵循本发明的片状粉末和粘合剂、 润滑剂 ( 游离润滑剂、 利用 粘合剂附着到铁粉表面的润滑剂 ) 等添加剂， 以及根据需要加入合金用粉末， 进行混合。再 者， 上述的粘合剂、 润滑剂等的添加剂未必需要一次地添加总量， 也可以仅添加一部分进行 一次混合后， 再添加其余量进行二次混合。
另外， 作为混合手段， 没有特别限制， 以往公知的混合机均可以使用。 例如， 可以使 用以往已知的搅拌叶片型混合机 ( 例如亨舍尔混合机 (Henschel mixer) 等 )、 容器旋转型 混合机 ( 例如 V 型混合机、 双锥混合机等 )。在需要加热的情况下， 加热容易的高速底部搅 拌式混合机和倾斜旋转盘型混合机、 旋转犁铧型混合机、 圆锥行星螺杆型混合机等特别有 利地适合。
再者， 在本发明中， 除了上述的添加剂以外， 当然还可以根据目的添加用于改善特 性的添加剂。例如， 可例示 ： 出于改善烧结体的切削性的目的， 添加 MnS 等的切削性改善用 粉末。
实施例
实施例 1
作为铁基粉末， 准备了纯铁粉 ( 雾化铁粉、 平均粒径为 80μm)A 和通过有机粘合剂 在该纯铁粉的表面附着了合金用粉末的外附合金成分的铁粉 B 这两种。用于 B 的合金用粉 末是 2.0 质量％的 Cu 粉末 ( 平均粒径为 25μm) 以及 0.8 质量％的石墨粉末 ( 平均粒径为 5.0μm、 纵横比＞ 5)。 另外， 作为有机粘合剂， 使用了 0.05 质量％的硬脂酸单酰胺以及 0.05 质量％的亚乙基双硬脂酰胺。再者， 它们的添加比率都是在铁基粉末整体中所占的比率。
向上述的铁基粉末中以各种的比率添加片状粉末和游离润滑剂后进行混合， 形成 为粉末冶金用铁基混合粉末。作为游离润滑剂， 除了使用 0.1 质量％的硬脂酸锂以外， 还使 用了表 1 中记载的量的硬脂酸锌、 亚乙基双硬脂酰胺、 芥酸酰胺。
另外， 为了比较， 也准备了添加有薄片状石墨粉末、 富勒烯粉末、 氧化铝微粒子或 者氧化镁微粒子的粉末。富勒烯使用直径为 1nm 的一次粒子凝集了的粒径约为 20μm 的市 售粉末。将这些混合粉末的配合比率示于表 1。该配合比率是在粉末冶金用铁基混合粉末 整体中所占的比率。
接着， 将得到的各铁基混合粉末填充到模具中， 在室温下以 980MPa 压力进行压制 成型， 形成为圆柱状的压粉体 ( 直径为 11mm、 高度为 11mm)。该时， 对于铁基混合粉末的流 动性、 从模具拔出压粉体时的拔出力以及得到的压粉体的压粉密度进行测定的结果一并记 载于表 1。再者， 铁基混合粉末的流动性依据 JIS Z 2502 进行评价。 在此， 关于流动性， 若流动度为 30sec/50g(30 秒 /50g) 以下， 另外， 关于压缩性， 3 若成型密度为 7.35Mg/m 以上， 此外， 关于拔出性， 若拔出力为 20MPa 以下， 则分别可以说良 好。
从表 1 明确地可知， 通过适量添加遵循本发明的片状粉末， 可得到流动性优异， 压 缩性和拔出力优异的铁基混合粉末。 另一方面， 即使为相同的成分， 与添加了片状粉末的发 明例 4 相比， 添加了粒状微粉的比较例 1 流动性显著地差， 成型密度也低。再者， 片状粉末 的成分为石墨的比较例 5， 虽然混合粉末的流动性高， 但是在成型时在压粉体和模具间产生 了粘着， 因此不能够测定成型密度和拔出力。产业上的利用可能性
通过将遵循本发明的片状粉末向铁基粉末中适量添加， 流动性不用说， 还可以一 并改善成型密度和拔出力， 进而不仅能够提高生产率， 还可以降低制造成本。
附图标记说明
1 长径 ；
2 厚度。