焼結材用粉末
【課題】成形時における潤滑剤の液状化の状態や離型後における成形体表面への潤滑剤の過剰な染み出しに伴う問題が生じ難い焼結材用粉末、この粉末を用いて得られた焼結材用成形体、焼結材、及び焼結材用成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】焼結材用粉末は、母相粉末に潤滑剤の粉末が添加されたものである。この潤滑剤は、ずり速度:6(rpm)における粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域を有する。このようなチクソ性を有する潤滑剤を含有することで、成形時にせん断力が加わった状態では、液状化した潤滑剤により、成形や離型を容易に行うことができ、離型後にせん断力が消失した状態では、潤滑剤がゲル状になることで、過剰な染み出しを抑制することができる。
【解決手段】焼結材用粉末は、母相粉末に潤滑剤の粉末が添加されたものである。この潤滑剤は、ずり速度:6(rpm)における粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域を有する。このようなチクソ性を有する潤滑剤を含有することで、成形時にせん断力が加わった状態では、液状化した潤滑剤により、成形や離型を容易に行うことができ、離型後にせん断力が消失した状態では、潤滑剤がゲル状になることで、過剰な染み出しを抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結材の原料に利用される焼結材用粉末、焼結材用成形体、及びこの成形体を焼結した焼結材、並びに焼結材用成形体の製造方法に関する。特に、成形時における潤滑剤の液状化の状態や離型後における成形体への潤滑剤の染み出し量が成形用金型の温度変化に対して安定している焼結材用粉末に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車、OA機器、家庭用電気製品といった種々の分野の機械部品(例えば、ギアなど)などに金属製の焼結材が利用されている。また、耐熱性部品、絶縁性部品などにセラミックス製の焼結材が利用されている。焼結材は、一般に、原料粉末を成形用金型に充填してから加圧して成形体を作製し、この成形体を焼結することで製造される。
【０００３】
上記成形用金型からの成形体の離型性を高めるために、原料粉末に潤滑剤の粉末を添加したり(混入潤滑法、特許文献1)、金型の内壁に潤滑剤を塗布したりする(押型潤滑法、特許文献2)。押型潤滑法は、成形体の形状によっては、成形用金型の内壁に均一的に潤滑剤を塗布することが難しく、潤滑剤の不足による焼付きやカジリが発生したり、潤滑剤の過剰による潤滑剤の巻き込みなどが生じる。これに対し、混入潤滑法は、粉末全体に均一的に潤滑剤を存在させられるため、上記潤滑剤の過不足による不具合が生じ難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-097130号公報
【特許文献２】特開2005-256073号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼結材の分野では、一般に、成形工程において、密度がより高い成形体を得ることが望まれる。成形体の密度を高めるには、成形時の圧力を高くする方法がある。しかし、この方法は、成形用金型の短寿命化によるコスト増大を招き、現実的でない。
【０００６】
成形体の密度を高める他の方法として、潤滑剤の添加量を少なくする方法がある。しかし、従来一般的に用いられる潤滑剤の添加量を少なくすると、潤滑剤の不足による焼付きやカジリの発生を招く。
【０００７】
従来の添加量よりも添加量を少なくした場合に潤滑剤の不足を解消する方法として、加圧圧縮時に潤滑剤を積極的に液状化させ、成形用金型と成形体との界面に溶融した潤滑剤を介在させる方法が検討されている。この方法として、融点の低い潤滑剤を用いる方法や、成形用金型を加熱して成形する温間成形法などがある。これらの方法は、成形用金型から成形体に伝達される熱や、加圧圧縮時に発生する熱などを利用して、潤滑剤を融点以上にして液状化させる。
【０００８】
しかし、上記潤滑剤を溶融させる方法は、成形後に成形体の表面に染み出す潤滑剤の量を制御することが困難であり、成形体を安定して生産することが難しい。同じ成形用金型を用いて複数の成形体を連続して成形する場合、成形開始当初、金型の温度が常温程度であっても、成形回数が増すにつれて、加圧圧縮に伴う摩擦熱や、成形体を金型から抜く際の摩擦熱などにより、金型の温度が上昇する。また、プレス機を一時的に停止した場合、成形用金型の温度が低下する。このような連続成形中における成形用金型の温度変化は、潤滑剤の液状化の状態と染み出し量とに対して大きな影響を与える。具体的には、成形用金型の温度の低下により焼付きやカジリが発生したり、金型の温度の上昇により潤滑剤が過剰に染み出したりする。特に、潤滑剤の過剰な染み出しは、成形用金型の周囲に飛散している原料粉末などが成形体に付着する原因となることがある。上記原料粉末などが付着した成形体を焼結すると、焼結材の外観の不良や、寸法精度の低下を招く。特に、焼結材は、高い寸法精度を望まれることが多い。そのため、潤滑剤の染み出しにより原料粉末などが成形体に付着した場合、焼結前に付着物を除去するための洗浄が必要となり、焼結材の生産性が低下する。
【０００９】
従って、焼結材用粉末に含有される潤滑剤は、成形時や離型時に十分な潤滑性を有し、かつ、成形時(加圧圧縮時)における潤滑剤の液状化の状態や離型後の成形体の表面への染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定していることが望まれる。
【００１０】
また、上述のように焼結材は、高い寸法精度が望まれる。しかし、従来の原料粉末を用いて作製した成形体では、焼結時に寸法が大きく変化し、所定の寸法の焼結材が得られないことがある。成形体を若干大きめに形成して、所定の寸法よりも大きな焼結材を作製し、この焼結材に切削などの機械加工やサイジングなどの再加圧加工を施せば、所定の寸法の焼結材が得られる。しかし、この場合、原料粉末が余分に必要であったり、上述のように焼結後に加工が必要であり、生産性の低下を招く。
【００１１】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、成形時における潤滑剤の液状化の状態や、離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定している焼結材用粉末を提供することにある。また、本発明の他の目的は、寸法精度に優れる成形体が得られる焼結材用粉末を提供することにある。
【００１２】
更に、本発明の他の目的は、上記焼結材用粉末を用いた焼結材用成形体、及びその製造方法、並びに、上記成形体を焼結した焼結材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、チクソ性を有する潤滑剤を添加することで、上記目的を達成する。即ち、本発明焼結材用粉末は、母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された粉末であり、上記潤滑剤がチクソ性を有することを特徴とする。
【００１４】
従来の潤滑剤では、粘度が主として温度に依存しており、成形時に加わるせん断力に関わらず、成形時の温度域において粘度が低い。これに対し、本発明焼結材用粉末に含有される潤滑剤は、チクソ性(チクソトロピー)を有することから、粘度が主としてせん断力に依存する。従って、成形用金型に本発明焼結材用粉末を充填して加圧圧縮すると、母材粉末を構成する粒子同士が接触しようとして、これらの粒子同士の界面に大きなせん断力が加わる。このとき、粒子間に挟まれて存在する潤滑剤が一度に液状化(ゾル化)する。このゾル化した潤滑剤は、容易に移動が可能となり、せん断力が小さい領域、つまり、母材粉末の粒子で囲まれる空間(三重点部)や成形用金型と母材粉末の粒子との界面近傍などに押し出されるように移動することで、潤滑性を十分に発揮することができる。一方、成形用金型から成形体を抜き出して、成形体中の加圧力が消滅した状態、即ち、せん断力が実質的に無くなった状態とすると、この潤滑剤は、ゲル化することから、成形体内で移動し難くなり、成形体の表面に染み出し難い。
【００１５】
このように本発明焼結材用粉末は、潤滑剤に加わるせん断力が低い状態においてゲル状となり、せん断力が高い状態において液状となる。特に、潤滑性が必要とされる、大きなせん断力が作用する部分において、本発明焼結材用粉末に添加されている潤滑剤は、確実に液状化する。このことから、本発明焼結材用粉末を用いることで、融点の低い潤滑剤を用いる方法や、成形用金型の温度を上昇させる方法と同様に所望の潤滑性を有する、特に従来よりも潤滑剤の添加量が少なくても所望の潤滑性を有することができる。また、本発明焼結材用粉末を用いることで、高密度な成形体や焼結材も製造することができる。かつ、本発明焼結材用粉末は、せん断力が消失される離型直後から常温に冷却されるまでの間において成形体の表面に潤滑剤の過剰な染み出しが生じ難いため、潤滑剤の染み出しによる原料粉末などの付着を防止することができる。
【００１６】
チクソ性を有するとは、成形時に潤滑剤が取り得る温度域において、成形に伴うせん断力が加わっているとき(或いは大きいとき)に液状化し、せん断力が加わっていないとき(或いは小さいとき)にゲル化する程度の粘度を有することをいう。より定量的には、潤滑剤が、ずり速度:6(rpm)における粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域(以下、この温度域をチクソ性発現温度域と呼ぶ)を有することをいう。
【００１７】
上記粘度の比η6/η60は、塗料などの分野でチクソトロピーインデックス(TI)として一般的に利用されているチクソ性を示す指標である。ずり速度が6rpm、即ち、潤滑剤に加わるせん断力が低い状態にあるとき(例えば、成形用金型から抜き出した成形体中の潤滑剤)、潤滑剤の粘度η6が100Pa・s未満といった低粘度であると、離型後、即ち、実質的に無負荷の状態にある成形体の表面に潤滑剤が染み出し易くなる。一方、ずり速度が60rpm、即ち、潤滑剤に加わるせん断力が高い状態にあるとき(例えば、成形用金型によって加圧圧縮された状態にある潤滑剤)、潤滑剤が高粘度であると、十分な潤滑性を得られず、離型性が低くなったり、高密度化し難くなる。η6≧100Pa・s、かつη6/η60≧3を満たす潤滑剤は、離型に必要な潤滑性を確保しながら、離型後の成形体の表面に過剰な染み出しが生じることを抑制できる。
【００１８】
上記チクソ性を有する潤滑剤は、例えば、層状物質、直径1μm以下の超微粒子、増粘多糖類、及び脂肪酸金属塩から選択される1種以上の物質を潤滑剤全体に対して合計で50質量％未満の範囲で含有するものが挙げられる。上記物質は1種でもよいし、2種以上の物質を混合して含有していてもよいし、無機材料でも有機材料でもよい。特に、上記物質を1種以上含有する場合、即ち、上記物質の含有量が潤滑剤全体に対して0質量％超である場合、溶媒として、従来の潤滑剤、例えば、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸などの飽和脂肪族、及びそれらのアミド化合物やエステル化合物などを利用することができる。つまり、従来の潤滑剤に上記のような物質を適宜添加することで、チクソ性を有する潤滑剤を容易に製造することができる。これらの物質の含有量は、上記チクソ性を発現し得る範囲で適宜調整することができる。特に、潤滑剤全体に対して20質量％未満が好ましい。また、これらの物質を含む潤滑剤は、成形時の熱により溶媒の融点以上になっても、せん断力が加わらなければ、粘度が低くならないため、離型後のせん断力が消失した状態において、成形体の表面に過剰に染み出すことがない。なお、上記物質を含んでいなくても(含有量が0質量％でも)、上記チクソ性を有する潤滑剤は、適宜利用することができる。
【００１９】
上記層状物質として、例えば、グラファイト、金属カルコゲン化物、金属酸化物・金属オキシハロゲン化物、金属リン酸塩、粘土鉱物・ケイ酸塩、複水酸化物が挙げられる。金属カルコゲン化物は、例えば、(M)(X)2((M)=Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W、(X)=S,Se)、(M)P(X)3((M)=Mg,V,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Cd,In、(X)=S,Se、P:リン)が挙げられる。金属酸化物・金属オキシハロゲン化物は、例えば、(M)x(O)y(MoO3,Mo18O52,V2O5,LiNbO2,LixV3O8)、(M)O(X)O4((M)=Ti,V,Cr,Fe、(X)=P,As、O:酸素)、(M)O(X)((M)=Ti,V,Cr,Fe、(X)=Cl,Br、O:酸素)、(Ln)OCl((Ln)=Yb,Er,Tm)、ニオブ酸塩(K[Ca2Nan-3NbnO3n+1]、3≦n＜7)、チタン酸塩(K2Ti4O9,KTiNbO5)が挙げられる。金属リン酸塩は、例えば、(M)(HPO4)2((M)=Ti,Zr,Ce,Sn)、Zr((R)OPO3)2((R)=H,Rh,Me:メチル基)が挙げられる。粘土鉱物・ケイ酸塩は、例えば、スメクタイト族(モンモリロナイト、サポナイトなど)、カオリン族(カオリナイトなど)、パイロフィライト-タルク、バーミキュライト、雲母群、脆雲母群、緑泥石群、セピオライト-パリゴルスカイト、イモゴライト、アロフェン、ヒシンゲライト、マガディアイト、カネマイトが挙げられる。複水酸化物は、例えば、[(M2+)1-x(M3+)x(OH)2][An-]x/n・zH2O((M2+)=Mg,Zn、(M3+)=Al,Fe)が挙げられる。層状物質の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。特に、層状物質の好ましい含有量は、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、0.12質量％以下である(0を含まない)。即ち、母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された本発明焼結材用粉末の一形態として、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、上記潤滑剤が層状物質を0.12質量％以下含有するものが挙げられる(0を含まない)。特に、上記層状物質は、ベントナイトが挙げられる。
【００２０】
上記ベントナイトといった層状物質を上記特定の範囲で含有することで、上述したチクソ性を有することができる。かつ、詳しい理由は定かではないが、当該焼結材用粉末で形成した成形体を焼結する焼結工程において、成形体の寸法変化を低減することができ、寸法精度に優れる焼結材が得られる。そのため、所定の寸法の焼結材を得るにあたり、大きめに成形体を作製したり、得られた焼結材に切削などの加工を施す必要が実質的に無い。或いは、上記加工を低減することができる。また、上述のように層状物質を上記特定の範囲で含有した焼結材用粉末を利用することで、焼結材の強度の低下が少なく、高強度な焼結材が得られる。
【００２１】
直径1μm以下の超微粒子としては、金属粒子、セラミックス粒子、カーボンナノチューブといった無機材料からなる粒子が挙げられる。金属粒子は、例えば、Au,Ag,Ptが挙げられる。セラミックス粒子は、例えば、SiO2,Al2O3,CaCO3が挙げられる。これら超微粒子は、小さい方が好ましく、500nm以下、更に100nm以下が好ましい。超微粒子の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。
【００２２】
増粘多糖類は、例えば、デンプン、ペクチン、グアーガム、キサンタンガム、タマリンドガム、カラギーナン、プロピレングリコール、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)が挙げられる。増粘多糖類の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。
【００２３】
脂肪酸金属塩は、例えば、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ノナデカン酸、アラキン酸、ヘンエイコサン酸、ベヘン酸、トリコサン酸、リグノセリン酸、ペンタコサン酸、セロチン酸、ヘプタコタン酸及びモンタン酸といった脂肪酸と、Mg,Ca,Zn,Al,Ba,Li,Sr,Cd,Pb,Na,Kといった金属とからなる脂肪酸金属塩、及びそれらの混合物(複合体)が挙げられる。脂肪酸金属塩の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。
【００２４】
上記母相粉末は、金属粉末、セラミックス粉末、及び金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末のいずれか1種の粉末が挙げられる。即ち、上記チクソ性を有する潤滑剤、代表的には、上記層状物質などを特定の範囲で含有する潤滑剤は、母相粉末の組成に関わらず、混合させることができる。
【００２５】
金属粉末は、粉末冶金に利用されるもの、例えば、鉄粉、鉄合金粉又は焼結後に鉄合金を構成する粉末、アルミニウム粉、アルミニウム合金粉又は焼結後にアルミニウム合金を構成する粉末が挙げられる。セラミックス粉末は、例えば、SiO2(シリカ)、Al2O3(アルミナ)、SiC(炭化ケイ素)が挙げられる。金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末は、例えば、アルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末とシリカとの組合せが挙げられる。このような混合粉末を用いることで、ヒートスプレッダーなどに利用される複合材料を製造できる。
【００２６】
本発明焼結材用粉末を成形用金型に充填してから加圧して、成形体を作製する工程を具える本発明焼結材用成形体の製造方法により、焼結材用成形体を得ることができる。上記チクソ性を有する潤滑剤を含む本発明粉末を用いることで、成形時における潤滑剤の液状化の状態や、離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定し易い。従って、本発明焼結材用粉末によれば、成形用金型の温度の低下による焼付きやカジリの発生、金型の温度の上昇による潤滑剤の過剰な染み出しといった問題が生じ難い。そのため、得られた本発明成形体を成形後焼結前に洗浄しなくても、外観や寸法精度に優れる本発明焼結材が得られる。また、本発明焼結材用粉末により成形された成形体は焼結時の寸法変化が少なく、このことからも寸法精度に優れた本発明焼結材が得られる。
【００２７】
本発明成形体の製造方法において、上記チクソ性発現温度域の下限温度をTminとし、この下限温度Tminよりも20℃低い温度をTmin-20とするとき、成形用金型の温度がTmin-20℃以上であると、高密度の成形体を製造できる。従来、高密度の成形体を製造する場合、成形用金型の温度を潤滑剤の融点近傍まで加熱したり、或いは加圧力を大きくする必要があった。前者の加熱する手法では、潤滑剤が液状化することによって外観や寸法精度が劣化する問題があり、後者の加圧する手法では成形用金型が短命となり、頻繁に金型を交換することで作業性の劣化や金型費の増大を招く。これに対し、チクソ性を有する本発明焼結材用粉末を用いた場合、潤滑剤のチクソ性発現温度域においてせん断力を加えることで潤滑剤が容易に液状化する。従って、金型の温度を上述のように特定の温度に調整して潤滑剤のチクソ性発現温度域となるようにすることで、従来と同様の加圧力であっても、高密度な成形体が得られ、かつ、従来見られたような離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出しを抑制でき、外観や寸法精度にも優れる。つまり、本発明焼結材用粉末を用いれば、通常の密度の成形体を製造する際の条件にしても、高密度な成形体が得られる。また、この高密度な成形体を焼結することで、高密度な焼結材が得られる。なお、成形用金型の温度の上限値は特に設けないが、熱による金型の損傷を考慮すると、チクソ性発現温度域の上限値以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明焼結材用粉末は、成形時における潤滑剤の液状化の状態や、離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定している。そのため、成形用金型の温度の低下による焼付きやカジリ、金型の温度の上昇による潤滑剤の過剰な染み出しが抑制され、原料粉末などが付着し難い本発明焼結材用成形体が得られる。また、この成形体を焼結して得られる本発明焼結材は、外観、寸法精度に優れる。本発明成形体の製造方法は、上記成形体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図1は、潤滑剤に特定の添加物を含有した粉末を用いた成形体、潤滑剤に添加物を含有していない粉末を用いた成形体をそれぞれ焼結した後の収縮率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
[試験例1]
焼結材用粉末に混合する潤滑剤を作製し、粘度及びチクソ性を調べた。
【００３１】
この試験では、ステアリン酸アミド複合潤滑剤(大日化学工業株式会社製 ダイワックスWAS75 融点:60℃)をベース潤滑剤(溶媒)として用意した。この溶媒を90℃に加熱して融解状態とし、この溶融した溶媒に、表1に示す添加物を表1に示す含有量(溶媒＋添加物＝100質量％)となるように添加した。表1中の有機ベントナイト(主成分:モンモリロナイト)は、株式会社ホージュン製エスベンN400を用い、またステアリン酸アルミニウムは、日油株式会社製アルミニウムステアレート#600を用いた。この添加物を添加した溶媒をミキサーにより撹拌混合し(700rpm×1時間)、混合溶液を得た。なお、有機ベントナイトを添加して撹拌する際、極性添加剤として、ベース潤滑剤(100質量％)に対して3質量％のイソプロパノールを添加した。比較として、添加物を添加していないベース潤滑剤のみを用意した。
【００３２】
得られた混合溶液及び比較のベース潤滑剤を加熱して、種々の温度状態とし、各温度における粘度を測定した。粘度は、市販のB型粘度計を使用し、ローターの回転速度が6rpm(この速度をずり速度:6rpmとする)のときの粘度η6(Pa・s)、ローターの回転速度が60rpm(このずり速度を60rpmとする)のときの粘度η60(Pa・s)を測定した。その結果を表1に示す。ここでは、成形用金型を構成するダイとパンチにおける熱膨張によるクリアランスの変化を考慮して、150℃を上限とした。
【００３３】
また、粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60(TI)、η6≧100Pa・sを満たす温度範囲、及びη6/η60(TI)≧3を満たす温度範囲を求めた。その結果も表1に示す。
【００３４】
なお、表1において「※」は、測定対象が凝固して粘度の測定が不能であったことを示し、「×」は、η6≧100Pa・sを満たさないこと、TI≧3を満たさないことを示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表1に示すように、ベントナイトといった添加物を適宜添加することで、η6≧100Pa・s、かつη6/η60(TI)≧3を満たす温度域を有する潤滑剤が得られることが分かる。即ち、チクソ性を有する潤滑剤が得られることが分かる。また、添加物を添加することで、溶媒の融点(60℃)以上となっても、無添加のベース潤滑剤よりも粘度が高い状態であることがわかる。
【００３７】
[試験例2]
試験例1で用意した潤滑剤を粉末状に加工し、母相粉末にこの潤滑剤の粉末を混合した混合粉末を用いて成形体を作製し、成形体の外観及び密度を調べた。
【００３８】
潤滑剤の粉末は、試験例1と同様にして作製した混合溶液を室温に冷却した後、冷凍粉砕して、平均粒径30μmの粉末状に加工して作製した。母相粉末として、純鉄粉(ヘガネスジャパン株式会社製Astaloy CrM(登録商標))を用意した。この純鉄粉に、混合粉末全体に対して0.6質量％となるように、上記作製した潤滑剤の粉末を添加して、V型混合機にて1時間撹拌混合し、混合粉末を作製した。この混合粉末を用いて、外径34mm、内径20mm、高さ25mmの円筒状の成形体を連続して100個作製した(成形時の圧力:700MPa)。
【００３９】
なお、成形開始前において成形用金型の温度を室温(20℃程度)とし、成形は、金型を加熱手段により加熱せずに行った。100個の成形体を作製中、随時、成形用金型の温度を測定したところ、成形回数が増えると共に金型の温度が上昇し、最終的には、約50℃で安定した。成形時の粉末自体の温度は、摩擦熱により上記金型温度よりも高温であると考えられる。
【００４０】
得られた100個の成形体を離型後に目視確認して、潤滑剤の染み出し状態及び離型性を調べた。その結果を表2に示す。染み出し状態は、原料粉末などの付着の有無で評価し、100個の成形体の全てに付着が見られない場合を○、100個の成形体のうち、一部に付着が見られた場合を△、100個の成形体のほぼ全てに付着が見られた場合を×として評価した。離型性は、焼付きの有無で評価し、100個の成形体の全てに焼付きが見られない場合を○、100個の成形体のうち、一部に焼付きが見られた場合を△、100個の成形体のほぼ全てに焼付きが見られた場合を×として評価した。各成形体の密度は、アルキメデス法により求め、100個の成形体の平均を表2に示す。表2において「添加物」の質量割合は、潤滑剤(溶媒＋添加物)の量を100％としたときの添加物の割合を示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表2に示すように、チクソ性を有する潤滑剤を含有する混合粉末を用いて成形体を作製した場合、潤滑剤が染み出し難いことが分かる。特に、連続的に成形を行って、成形用金型の温度がある程度高温となっても、潤滑剤が染み出し難いことが分かる。従って、この混合粉末を用いた場合、潤滑剤の過剰な染み出しに伴う原料粉末などの付着により、成形体や焼結材の外観の劣化や寸法精度の低下を招き難い。かつ、チクソ性を有する潤滑剤を含有する混合粉末を用いた場合、焼付きが無く、成形用金型から成形体を抜き出す際に潤滑剤が十分に機能していることが分かる。従って、チクソ性を有する潤滑剤が添加された焼結材用粉末を用いることで、離型後の成形体の表面に潤滑剤が過剰に染み出ることを低減できる上に、成形時、この潤滑剤を十分に機能させて、外観や寸法精度に優れる成形体や焼結材を得ることができる。
【００４３】
また、この例では、連続成形に伴う発熱により自動的にチクソ性を発現する温度域になるため、成形時に成形用金型を加熱するための加熱手段などが不要である。
【００４４】
[試験例3]
試験例1で用意した試料No.Dの潤滑剤を試験例2と同様にして粉末状に加工し、母相粉末にこの潤滑剤の粉末を添加した混合粉末を用いて成形体を作製し、成形体の外観及び密度を調べた。この試験では、成形用金型を加熱手段(ヒーター)により加熱して、又は冷却手段(水冷)により冷却することで金型の温度を変化させて成形体を作製した。
【００４５】
母相粉末として、鉄粉(ヘガネスジャパン株式会社製Astaloy CrM(登録商標))を用意した。この鉄粉に、混合粉末全体に対して0.5質量％となるように、上記作製した潤滑剤粉末を添加すると共に、混合粉末全体に対して0.5質量％となるようにカーボン粉末(日本黒鉛工業株式会社製CBP)を添加して、V型混合機にて1時間撹拌混合して混合粉末を作製した。この混合粉末を用いて、試験例2と同じ形状の成形体を連続して100個作製した(成形時の圧力:700MPa)。この試験では、100個作製する間において、成形用金型の温度が表3に示す温度に維持されるように、金型の温度を随時測定し、必要に応じて加熱又は冷却を行った。
【００４６】
得られた100個の成形体を試験例2と同様に目視確認して、潤滑剤の染み出し状態及び離型性を調べた。その結果を表3に示す。染み出し状態及び離型性の評価は、試験例2と同様である。また、成形体の密度を試験例2と同様に測定し、100個の平均を表3に示す。表3において、「添加物」の質量割合は、潤滑剤(溶媒＋添加物)の量を100％としたときの添加物の割合を示す。
【００４７】
【表３】
【００４８】
表3に示すように、成形時の加圧力が一定であっても、成形用金型の温度が高くなるにつれて成形体の密度が上昇している、即ち、高密度化していることが分かる。特に、潤滑剤がチクソ性を発現する温度域(ここでは、60〜150℃)の下限温度Tmin(ここでは、60℃)よりも20℃低い温度Tmin-20(ここでは、40℃)以上の温度に成形用金型がなっていると、高密度化することが分かる。このことから、チクソ性を有する潤滑剤を含有する焼結材用粉末を用いると、従来と同程度の加圧力であっても、高密度な成形体や焼結材が得られると期待できる。
【００４９】
また、上記温度Tmin-20が連続成形に伴う発熱により自動的に達する温度である場合、チクソ性を有する潤滑剤を用いることで、加熱手段などを用いることなく、或いは加熱手段の使用頻度を少なくしても、高密度な成形体を容易に得ることができる。
【００５０】
[試験例4]
試験例1で用意した試料No.Aの潤滑剤、及び試験例1の試料.C〜Eと同様に作製した潤滑剤(但し、有機ベントナイト20質量％、以下、試料.Fと呼ぶ)を試験例2と同様にして粉末状に加工し、母相粉末に各潤滑剤の粉末を添加した混合粉末を用いて成形体を作製した。そして、上記成形体を焼結して、焼結前後の寸法変化を調べた。
【００５１】
母相粉末として、鉄粉(ヘガネスジャパン株式会社製Astaloy CrM(登録商標))を用意した。この鉄粉に、混合粉末全体に対して0.6質量％となるように、上記作製した潤滑剤粉末を添加すると共に、混合粉末全体に対して0.5質量％となるようにカーボン粉末(日本黒鉛工業株式会社製CBP)を添加して、V型混合機にて1時間撹拌混合して混合粉末を作製した。試料No.Fの潤滑剤を含んだ混合粉末(焼結材用粉末)において、当該混合粉末を100質量％としたときのベントナイトの含有量は、0.12質量％である。作製した混合粉末を用いて、外径34mm、内径20mm、高さ5mmの円筒状の成形体を形成した。この試験では、密度が6.9g/cm3、7.1g/cm3、7.2g/cm3の成形体をそれぞれ連続して複数作製した。成形体の密度は、成形時の圧力を650〜850MPaの範囲で変化させることで異ならせた。また、この試験では、上記成形は、成形用金型の温度を60℃程度として行った。
【００５２】
得られた各密度の成形体をそれぞれ窒素雰囲気中で1250℃で焼結して、焼結材を得た。得られた各焼結材の密度をアルキメデス法により求め、更に、以下の収縮率(％)を求めた。収縮率は、成形体の密度Dc(6.9g/cm3又は7.1g/cm3又は7.2g/cm3)に対する成形体の密度Dcと焼結材の密度Dsとの差:{(Dc-Ds)/Dc}×100とした。上記収縮率が小さいほど、成形体の焼結時の寸法変化が小さいと言える。求めた収縮率を図1に示す。
【００５３】
図1に示すように、特定量の層状物質を特定の範囲で含有する潤滑剤を含んだ混合粉末により作製した成形体は、収縮率が小さいことが分かる。即ち、この成形体は、焼結時の寸法の変化が小さいことが分かる。また、上記特定量の層状物質を特定の範囲で含有する潤滑剤を含んだ混合粉末により複数の成形体を作製した場合、図1に示すように収縮率の変動幅が小さく、寸法のばらつきの少ない焼結材を大量に製造できることがわかる。従って、上記特定の物質が特定量添加された潤滑剤を含有する焼結材用粉末を利用することで、チクソ性の発現により外観や寸法精度に優れる成形体が得られるだけでなく、焼結時の寸法の変化を低減できることからも、高い寸法精度の焼結材が得られる。そのため、この焼結材用粉末は、寸法精度に優れる焼結材を大量生産する際に好適に利用することができると期待される。
【００５４】
なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、添加物の材質、含有量を適宜変化させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明焼結材用粉末、及びこの粉末を用いて成形した本発明成形体は、種々の分野の部品を構成する焼結材の原料に好適に利用することができる。本発明焼結材は、例えば、ギアなどの機械部品や、スリーブなどの内燃機関の構成部品などに好適に利用することができる。本発明成形体の製造方法は、上記本発明成形体の製造に利用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結材の原料に利用される焼結材用粉末、焼結材用成形体、及びこの成形体を焼結した焼結材、並びに焼結材用成形体の製造方法に関する。特に、成形時における潤滑剤の液状化の状態や離型後における成形体への潤滑剤の染み出し量が成形用金型の温度変化に対して安定している焼結材用粉末に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車、OA機器、家庭用電気製品といった種々の分野の機械部品(例えば、ギアなど)などに金属製の焼結材が利用されている。また、耐熱性部品、絶縁性部品などにセラミックス製の焼結材が利用されている。焼結材は、一般に、原料粉末を成形用金型に充填してから加圧して成形体を作製し、この成形体を焼結することで製造される。
【０００３】
上記成形用金型からの成形体の離型性を高めるために、原料粉末に潤滑剤の粉末を添加したり(混入潤滑法、特許文献1)、金型の内壁に潤滑剤を塗布したりする(押型潤滑法、特許文献2)。押型潤滑法は、成形体の形状によっては、成形用金型の内壁に均一的に潤滑剤を塗布することが難しく、潤滑剤の不足による焼付きやカジリが発生したり、潤滑剤の過剰による潤滑剤の巻き込みなどが生じる。これに対し、混入潤滑法は、粉末全体に均一的に潤滑剤を存在させられるため、上記潤滑剤の過不足による不具合が生じ難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-097130号公報
【特許文献２】特開2005-256073号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼結材の分野では、一般に、成形工程において、密度がより高い成形体を得ることが望まれる。成形体の密度を高めるには、成形時の圧力を高くする方法がある。しかし、この方法は、成形用金型の短寿命化によるコスト増大を招き、現実的でない。
【０００６】
成形体の密度を高める他の方法として、潤滑剤の添加量を少なくする方法がある。しかし、従来一般的に用いられる潤滑剤の添加量を少なくすると、潤滑剤の不足による焼付きやカジリの発生を招く。
【０００７】
従来の添加量よりも添加量を少なくした場合に潤滑剤の不足を解消する方法として、加圧圧縮時に潤滑剤を積極的に液状化させ、成形用金型と成形体との界面に溶融した潤滑剤を介在させる方法が検討されている。この方法として、融点の低い潤滑剤を用いる方法や、成形用金型を加熱して成形する温間成形法などがある。これらの方法は、成形用金型から成形体に伝達される熱や、加圧圧縮時に発生する熱などを利用して、潤滑剤を融点以上にして液状化させる。
【０００８】
しかし、上記潤滑剤を溶融させる方法は、成形後に成形体の表面に染み出す潤滑剤の量を制御することが困難であり、成形体を安定して生産することが難しい。同じ成形用金型を用いて複数の成形体を連続して成形する場合、成形開始当初、金型の温度が常温程度であっても、成形回数が増すにつれて、加圧圧縮に伴う摩擦熱や、成形体を金型から抜く際の摩擦熱などにより、金型の温度が上昇する。また、プレス機を一時的に停止した場合、成形用金型の温度が低下する。このような連続成形中における成形用金型の温度変化は、潤滑剤の液状化の状態と染み出し量とに対して大きな影響を与える。具体的には、成形用金型の温度の低下により焼付きやカジリが発生したり、金型の温度の上昇により潤滑剤が過剰に染み出したりする。特に、潤滑剤の過剰な染み出しは、成形用金型の周囲に飛散している原料粉末などが成形体に付着する原因となることがある。上記原料粉末などが付着した成形体を焼結すると、焼結材の外観の不良や、寸法精度の低下を招く。特に、焼結材は、高い寸法精度を望まれることが多い。そのため、潤滑剤の染み出しにより原料粉末などが成形体に付着した場合、焼結前に付着物を除去するための洗浄が必要となり、焼結材の生産性が低下する。
【０００９】
従って、焼結材用粉末に含有される潤滑剤は、成形時や離型時に十分な潤滑性を有し、かつ、成形時(加圧圧縮時)における潤滑剤の液状化の状態や離型後の成形体の表面への染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定していることが望まれる。
【００１０】
また、上述のように焼結材は、高い寸法精度が望まれる。しかし、従来の原料粉末を用いて作製した成形体では、焼結時に寸法が大きく変化し、所定の寸法の焼結材が得られないことがある。成形体を若干大きめに形成して、所定の寸法よりも大きな焼結材を作製し、この焼結材に切削などの機械加工やサイジングなどの再加圧加工を施せば、所定の寸法の焼結材が得られる。しかし、この場合、原料粉末が余分に必要であったり、上述のように焼結後に加工が必要であり、生産性の低下を招く。
【００１１】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、成形時における潤滑剤の液状化の状態や、離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定している焼結材用粉末を提供することにある。また、本発明の他の目的は、寸法精度に優れる成形体が得られる焼結材用粉末を提供することにある。
【００１２】
更に、本発明の他の目的は、上記焼結材用粉末を用いた焼結材用成形体、及びその製造方法、並びに、上記成形体を焼結した焼結材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、チクソ性を有する潤滑剤を添加することで、上記目的を達成する。即ち、本発明焼結材用粉末は、母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された粉末であり、上記潤滑剤がチクソ性を有することを特徴とする。
【００１４】
従来の潤滑剤では、粘度が主として温度に依存しており、成形時に加わるせん断力に関わらず、成形時の温度域において粘度が低い。これに対し、本発明焼結材用粉末に含有される潤滑剤は、チクソ性(チクソトロピー)を有することから、粘度が主としてせん断力に依存する。従って、成形用金型に本発明焼結材用粉末を充填して加圧圧縮すると、母材粉末を構成する粒子同士が接触しようとして、これらの粒子同士の界面に大きなせん断力が加わる。このとき、粒子間に挟まれて存在する潤滑剤が一度に液状化(ゾル化)する。このゾル化した潤滑剤は、容易に移動が可能となり、せん断力が小さい領域、つまり、母材粉末の粒子で囲まれる空間(三重点部)や成形用金型と母材粉末の粒子との界面近傍などに押し出されるように移動することで、潤滑性を十分に発揮することができる。一方、成形用金型から成形体を抜き出して、成形体中の加圧力が消滅した状態、即ち、せん断力が実質的に無くなった状態とすると、この潤滑剤は、ゲル化することから、成形体内で移動し難くなり、成形体の表面に染み出し難い。
【００１５】
このように本発明焼結材用粉末は、潤滑剤に加わるせん断力が低い状態においてゲル状となり、せん断力が高い状態において液状となる。特に、潤滑性が必要とされる、大きなせん断力が作用する部分において、本発明焼結材用粉末に添加されている潤滑剤は、確実に液状化する。このことから、本発明焼結材用粉末を用いることで、融点の低い潤滑剤を用いる方法や、成形用金型の温度を上昇させる方法と同様に所望の潤滑性を有する、特に従来よりも潤滑剤の添加量が少なくても所望の潤滑性を有することができる。また、本発明焼結材用粉末を用いることで、高密度な成形体や焼結材も製造することができる。かつ、本発明焼結材用粉末は、せん断力が消失される離型直後から常温に冷却されるまでの間において成形体の表面に潤滑剤の過剰な染み出しが生じ難いため、潤滑剤の染み出しによる原料粉末などの付着を防止することができる。
【００１６】
チクソ性を有するとは、成形時に潤滑剤が取り得る温度域において、成形に伴うせん断力が加わっているとき(或いは大きいとき)に液状化し、せん断力が加わっていないとき(或いは小さいとき)にゲル化する程度の粘度を有することをいう。より定量的には、潤滑剤が、ずり速度:6(rpm)における粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域(以下、この温度域をチクソ性発現温度域と呼ぶ)を有することをいう。
【００１７】
上記粘度の比η6/η60は、塗料などの分野でチクソトロピーインデックス(TI)として一般的に利用されているチクソ性を示す指標である。ずり速度が6rpm、即ち、潤滑剤に加わるせん断力が低い状態にあるとき(例えば、成形用金型から抜き出した成形体中の潤滑剤)、潤滑剤の粘度η6が100Pa・s未満といった低粘度であると、離型後、即ち、実質的に無負荷の状態にある成形体の表面に潤滑剤が染み出し易くなる。一方、ずり速度が60rpm、即ち、潤滑剤に加わるせん断力が高い状態にあるとき(例えば、成形用金型によって加圧圧縮された状態にある潤滑剤)、潤滑剤が高粘度であると、十分な潤滑性を得られず、離型性が低くなったり、高密度化し難くなる。η6≧100Pa・s、かつη6/η60≧3を満たす潤滑剤は、離型に必要な潤滑性を確保しながら、離型後の成形体の表面に過剰な染み出しが生じることを抑制できる。
【００１８】
上記チクソ性を有する潤滑剤は、例えば、層状物質、直径1μm以下の超微粒子、増粘多糖類、及び脂肪酸金属塩から選択される1種以上の物質を潤滑剤全体に対して合計で50質量％未満の範囲で含有するものが挙げられる。上記物質は1種でもよいし、2種以上の物質を混合して含有していてもよいし、無機材料でも有機材料でもよい。特に、上記物質を1種以上含有する場合、即ち、上記物質の含有量が潤滑剤全体に対して0質量％超である場合、溶媒として、従来の潤滑剤、例えば、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸などの飽和脂肪族、及びそれらのアミド化合物やエステル化合物などを利用することができる。つまり、従来の潤滑剤に上記のような物質を適宜添加することで、チクソ性を有する潤滑剤を容易に製造することができる。これらの物質の含有量は、上記チクソ性を発現し得る範囲で適宜調整することができる。特に、潤滑剤全体に対して20質量％未満が好ましい。また、これらの物質を含む潤滑剤は、成形時の熱により溶媒の融点以上になっても、せん断力が加わらなければ、粘度が低くならないため、離型後のせん断力が消失した状態において、成形体の表面に過剰に染み出すことがない。なお、上記物質を含んでいなくても(含有量が0質量％でも)、上記チクソ性を有する潤滑剤は、適宜利用することができる。
【００１９】
上記層状物質として、例えば、グラファイト、金属カルコゲン化物、金属酸化物・金属オキシハロゲン化物、金属リン酸塩、粘土鉱物・ケイ酸塩、複水酸化物が挙げられる。金属カルコゲン化物は、例えば、(M)(X)2((M)=Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W、(X)=S,Se)、(M)P(X)3((M)=Mg,V,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Cd,In、(X)=S,Se、P:リン)が挙げられる。金属酸化物・金属オキシハロゲン化物は、例えば、(M)x(O)y(MoO3,Mo18O52,V2O5,LiNbO2,LixV3O8)、(M)O(X)O4((M)=Ti,V,Cr,Fe、(X)=P,As、O:酸素)、(M)O(X)((M)=Ti,V,Cr,Fe、(X)=Cl,Br、O:酸素)、(Ln)OCl((Ln)=Yb,Er,Tm)、ニオブ酸塩(K[Ca2Nan-3NbnO3n+1]、3≦n＜7)、チタン酸塩(K2Ti4O9,KTiNbO5)が挙げられる。金属リン酸塩は、例えば、(M)(HPO4)2((M)=Ti,Zr,Ce,Sn)、Zr((R)OPO3)2((R)=H,Rh,Me:メチル基)が挙げられる。粘土鉱物・ケイ酸塩は、例えば、スメクタイト族(モンモリロナイト、サポナイトなど)、カオリン族(カオリナイトなど)、パイロフィライト-タルク、バーミキュライト、雲母群、脆雲母群、緑泥石群、セピオライト-パリゴルスカイト、イモゴライト、アロフェン、ヒシンゲライト、マガディアイト、カネマイトが挙げられる。複水酸化物は、例えば、[(M2+)1-x(M3+)x(OH)2][An-]x/n・zH2O((M2+)=Mg,Zn、(M3+)=Al,Fe)が挙げられる。層状物質の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。特に、層状物質の好ましい含有量は、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、0.12質量％以下である(0を含まない)。即ち、母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された本発明焼結材用粉末の一形態として、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、上記潤滑剤が層状物質を0.12質量％以下含有するものが挙げられる(0を含まない)。特に、上記層状物質は、ベントナイトが挙げられる。
【００２０】
上記ベントナイトといった層状物質を上記特定の範囲で含有することで、上述したチクソ性を有することができる。かつ、詳しい理由は定かではないが、当該焼結材用粉末で形成した成形体を焼結する焼結工程において、成形体の寸法変化を低減することができ、寸法精度に優れる焼結材が得られる。そのため、所定の寸法の焼結材を得るにあたり、大きめに成形体を作製したり、得られた焼結材に切削などの加工を施す必要が実質的に無い。或いは、上記加工を低減することができる。また、上述のように層状物質を上記特定の範囲で含有した焼結材用粉末を利用することで、焼結材の強度の低下が少なく、高強度な焼結材が得られる。
【００２１】
直径1μm以下の超微粒子としては、金属粒子、セラミックス粒子、カーボンナノチューブといった無機材料からなる粒子が挙げられる。金属粒子は、例えば、Au,Ag,Ptが挙げられる。セラミックス粒子は、例えば、SiO2,Al2O3,CaCO3が挙げられる。これら超微粒子は、小さい方が好ましく、500nm以下、更に100nm以下が好ましい。超微粒子の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。
【００２２】
増粘多糖類は、例えば、デンプン、ペクチン、グアーガム、キサンタンガム、タマリンドガム、カラギーナン、プロピレングリコール、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)が挙げられる。増粘多糖類の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。
【００２３】
脂肪酸金属塩は、例えば、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ノナデカン酸、アラキン酸、ヘンエイコサン酸、ベヘン酸、トリコサン酸、リグノセリン酸、ペンタコサン酸、セロチン酸、ヘプタコタン酸及びモンタン酸といった脂肪酸と、Mg,Ca,Zn,Al,Ba,Li,Sr,Cd,Pb,Na,Kといった金属とからなる脂肪酸金属塩、及びそれらの混合物(複合体)が挙げられる。脂肪酸金属塩の好ましい含有量は、潤滑剤全体を100質量％とするとき、50質量％未満である。
【００２４】
上記母相粉末は、金属粉末、セラミックス粉末、及び金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末のいずれか1種の粉末が挙げられる。即ち、上記チクソ性を有する潤滑剤、代表的には、上記層状物質などを特定の範囲で含有する潤滑剤は、母相粉末の組成に関わらず、混合させることができる。
【００２５】
金属粉末は、粉末冶金に利用されるもの、例えば、鉄粉、鉄合金粉又は焼結後に鉄合金を構成する粉末、アルミニウム粉、アルミニウム合金粉又は焼結後にアルミニウム合金を構成する粉末が挙げられる。セラミックス粉末は、例えば、SiO2(シリカ)、Al2O3(アルミナ)、SiC(炭化ケイ素)が挙げられる。金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末は、例えば、アルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末とシリカとの組合せが挙げられる。このような混合粉末を用いることで、ヒートスプレッダーなどに利用される複合材料を製造できる。
【００２６】
本発明焼結材用粉末を成形用金型に充填してから加圧して、成形体を作製する工程を具える本発明焼結材用成形体の製造方法により、焼結材用成形体を得ることができる。上記チクソ性を有する潤滑剤を含む本発明粉末を用いることで、成形時における潤滑剤の液状化の状態や、離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定し易い。従って、本発明焼結材用粉末によれば、成形用金型の温度の低下による焼付きやカジリの発生、金型の温度の上昇による潤滑剤の過剰な染み出しといった問題が生じ難い。そのため、得られた本発明成形体を成形後焼結前に洗浄しなくても、外観や寸法精度に優れる本発明焼結材が得られる。また、本発明焼結材用粉末により成形された成形体は焼結時の寸法変化が少なく、このことからも寸法精度に優れた本発明焼結材が得られる。
【００２７】
本発明成形体の製造方法において、上記チクソ性発現温度域の下限温度をTminとし、この下限温度Tminよりも20℃低い温度をTmin-20とするとき、成形用金型の温度がTmin-20℃以上であると、高密度の成形体を製造できる。従来、高密度の成形体を製造する場合、成形用金型の温度を潤滑剤の融点近傍まで加熱したり、或いは加圧力を大きくする必要があった。前者の加熱する手法では、潤滑剤が液状化することによって外観や寸法精度が劣化する問題があり、後者の加圧する手法では成形用金型が短命となり、頻繁に金型を交換することで作業性の劣化や金型費の増大を招く。これに対し、チクソ性を有する本発明焼結材用粉末を用いた場合、潤滑剤のチクソ性発現温度域においてせん断力を加えることで潤滑剤が容易に液状化する。従って、金型の温度を上述のように特定の温度に調整して潤滑剤のチクソ性発現温度域となるようにすることで、従来と同様の加圧力であっても、高密度な成形体が得られ、かつ、従来見られたような離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出しを抑制でき、外観や寸法精度にも優れる。つまり、本発明焼結材用粉末を用いれば、通常の密度の成形体を製造する際の条件にしても、高密度な成形体が得られる。また、この高密度な成形体を焼結することで、高密度な焼結材が得られる。なお、成形用金型の温度の上限値は特に設けないが、熱による金型の損傷を考慮すると、チクソ性発現温度域の上限値以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明焼結材用粉末は、成形時における潤滑剤の液状化の状態や、離型後における成形体表面への潤滑剤の染み出し量が、連続成形中の成形用金型の温度によらず安定している。そのため、成形用金型の温度の低下による焼付きやカジリ、金型の温度の上昇による潤滑剤の過剰な染み出しが抑制され、原料粉末などが付着し難い本発明焼結材用成形体が得られる。また、この成形体を焼結して得られる本発明焼結材は、外観、寸法精度に優れる。本発明成形体の製造方法は、上記成形体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図1は、潤滑剤に特定の添加物を含有した粉末を用いた成形体、潤滑剤に添加物を含有していない粉末を用いた成形体をそれぞれ焼結した後の収縮率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
[試験例1]
焼結材用粉末に混合する潤滑剤を作製し、粘度及びチクソ性を調べた。
【００３１】
この試験では、ステアリン酸アミド複合潤滑剤(大日化学工業株式会社製 ダイワックスWAS75 融点:60℃)をベース潤滑剤(溶媒)として用意した。この溶媒を90℃に加熱して融解状態とし、この溶融した溶媒に、表1に示す添加物を表1に示す含有量(溶媒＋添加物＝100質量％)となるように添加した。表1中の有機ベントナイト(主成分:モンモリロナイト)は、株式会社ホージュン製エスベンN400を用い、またステアリン酸アルミニウムは、日油株式会社製アルミニウムステアレート#600を用いた。この添加物を添加した溶媒をミキサーにより撹拌混合し(700rpm×1時間)、混合溶液を得た。なお、有機ベントナイトを添加して撹拌する際、極性添加剤として、ベース潤滑剤(100質量％)に対して3質量％のイソプロパノールを添加した。比較として、添加物を添加していないベース潤滑剤のみを用意した。
【００３２】
得られた混合溶液及び比較のベース潤滑剤を加熱して、種々の温度状態とし、各温度における粘度を測定した。粘度は、市販のB型粘度計を使用し、ローターの回転速度が6rpm(この速度をずり速度:6rpmとする)のときの粘度η6(Pa・s)、ローターの回転速度が60rpm(このずり速度を60rpmとする)のときの粘度η60(Pa・s)を測定した。その結果を表1に示す。ここでは、成形用金型を構成するダイとパンチにおける熱膨張によるクリアランスの変化を考慮して、150℃を上限とした。
【００３３】
また、粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60(TI)、η6≧100Pa・sを満たす温度範囲、及びη6/η60(TI)≧3を満たす温度範囲を求めた。その結果も表1に示す。
【００３４】
なお、表1において「※」は、測定対象が凝固して粘度の測定が不能であったことを示し、「×」は、η6≧100Pa・sを満たさないこと、TI≧3を満たさないことを示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表1に示すように、ベントナイトといった添加物を適宜添加することで、η6≧100Pa・s、かつη6/η60(TI)≧3を満たす温度域を有する潤滑剤が得られることが分かる。即ち、チクソ性を有する潤滑剤が得られることが分かる。また、添加物を添加することで、溶媒の融点(60℃)以上となっても、無添加のベース潤滑剤よりも粘度が高い状態であることがわかる。
【００３７】
[試験例2]
試験例1で用意した潤滑剤を粉末状に加工し、母相粉末にこの潤滑剤の粉末を混合した混合粉末を用いて成形体を作製し、成形体の外観及び密度を調べた。
【００３８】
潤滑剤の粉末は、試験例1と同様にして作製した混合溶液を室温に冷却した後、冷凍粉砕して、平均粒径30μmの粉末状に加工して作製した。母相粉末として、純鉄粉(ヘガネスジャパン株式会社製Astaloy CrM(登録商標))を用意した。この純鉄粉に、混合粉末全体に対して0.6質量％となるように、上記作製した潤滑剤の粉末を添加して、V型混合機にて1時間撹拌混合し、混合粉末を作製した。この混合粉末を用いて、外径34mm、内径20mm、高さ25mmの円筒状の成形体を連続して100個作製した(成形時の圧力:700MPa)。
【００３９】
なお、成形開始前において成形用金型の温度を室温(20℃程度)とし、成形は、金型を加熱手段により加熱せずに行った。100個の成形体を作製中、随時、成形用金型の温度を測定したところ、成形回数が増えると共に金型の温度が上昇し、最終的には、約50℃で安定した。成形時の粉末自体の温度は、摩擦熱により上記金型温度よりも高温であると考えられる。
【００４０】
得られた100個の成形体を離型後に目視確認して、潤滑剤の染み出し状態及び離型性を調べた。その結果を表2に示す。染み出し状態は、原料粉末などの付着の有無で評価し、100個の成形体の全てに付着が見られない場合を○、100個の成形体のうち、一部に付着が見られた場合を△、100個の成形体のほぼ全てに付着が見られた場合を×として評価した。離型性は、焼付きの有無で評価し、100個の成形体の全てに焼付きが見られない場合を○、100個の成形体のうち、一部に焼付きが見られた場合を△、100個の成形体のほぼ全てに焼付きが見られた場合を×として評価した。各成形体の密度は、アルキメデス法により求め、100個の成形体の平均を表2に示す。表2において「添加物」の質量割合は、潤滑剤(溶媒＋添加物)の量を100％としたときの添加物の割合を示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表2に示すように、チクソ性を有する潤滑剤を含有する混合粉末を用いて成形体を作製した場合、潤滑剤が染み出し難いことが分かる。特に、連続的に成形を行って、成形用金型の温度がある程度高温となっても、潤滑剤が染み出し難いことが分かる。従って、この混合粉末を用いた場合、潤滑剤の過剰な染み出しに伴う原料粉末などの付着により、成形体や焼結材の外観の劣化や寸法精度の低下を招き難い。かつ、チクソ性を有する潤滑剤を含有する混合粉末を用いた場合、焼付きが無く、成形用金型から成形体を抜き出す際に潤滑剤が十分に機能していることが分かる。従って、チクソ性を有する潤滑剤が添加された焼結材用粉末を用いることで、離型後の成形体の表面に潤滑剤が過剰に染み出ることを低減できる上に、成形時、この潤滑剤を十分に機能させて、外観や寸法精度に優れる成形体や焼結材を得ることができる。
【００４３】
また、この例では、連続成形に伴う発熱により自動的にチクソ性を発現する温度域になるため、成形時に成形用金型を加熱するための加熱手段などが不要である。
【００４４】
[試験例3]
試験例1で用意した試料No.Dの潤滑剤を試験例2と同様にして粉末状に加工し、母相粉末にこの潤滑剤の粉末を添加した混合粉末を用いて成形体を作製し、成形体の外観及び密度を調べた。この試験では、成形用金型を加熱手段(ヒーター)により加熱して、又は冷却手段(水冷)により冷却することで金型の温度を変化させて成形体を作製した。
【００４５】
母相粉末として、鉄粉(ヘガネスジャパン株式会社製Astaloy CrM(登録商標))を用意した。この鉄粉に、混合粉末全体に対して0.5質量％となるように、上記作製した潤滑剤粉末を添加すると共に、混合粉末全体に対して0.5質量％となるようにカーボン粉末(日本黒鉛工業株式会社製CBP)を添加して、V型混合機にて1時間撹拌混合して混合粉末を作製した。この混合粉末を用いて、試験例2と同じ形状の成形体を連続して100個作製した(成形時の圧力:700MPa)。この試験では、100個作製する間において、成形用金型の温度が表3に示す温度に維持されるように、金型の温度を随時測定し、必要に応じて加熱又は冷却を行った。
【００４６】
得られた100個の成形体を試験例2と同様に目視確認して、潤滑剤の染み出し状態及び離型性を調べた。その結果を表3に示す。染み出し状態及び離型性の評価は、試験例2と同様である。また、成形体の密度を試験例2と同様に測定し、100個の平均を表3に示す。表3において、「添加物」の質量割合は、潤滑剤(溶媒＋添加物)の量を100％としたときの添加物の割合を示す。
【００４７】
【表３】
【００４８】
表3に示すように、成形時の加圧力が一定であっても、成形用金型の温度が高くなるにつれて成形体の密度が上昇している、即ち、高密度化していることが分かる。特に、潤滑剤がチクソ性を発現する温度域(ここでは、60〜150℃)の下限温度Tmin(ここでは、60℃)よりも20℃低い温度Tmin-20(ここでは、40℃)以上の温度に成形用金型がなっていると、高密度化することが分かる。このことから、チクソ性を有する潤滑剤を含有する焼結材用粉末を用いると、従来と同程度の加圧力であっても、高密度な成形体や焼結材が得られると期待できる。
【００４９】
また、上記温度Tmin-20が連続成形に伴う発熱により自動的に達する温度である場合、チクソ性を有する潤滑剤を用いることで、加熱手段などを用いることなく、或いは加熱手段の使用頻度を少なくしても、高密度な成形体を容易に得ることができる。
【００５０】
[試験例4]
試験例1で用意した試料No.Aの潤滑剤、及び試験例1の試料.C〜Eと同様に作製した潤滑剤(但し、有機ベントナイト20質量％、以下、試料.Fと呼ぶ)を試験例2と同様にして粉末状に加工し、母相粉末に各潤滑剤の粉末を添加した混合粉末を用いて成形体を作製した。そして、上記成形体を焼結して、焼結前後の寸法変化を調べた。
【００５１】
母相粉末として、鉄粉(ヘガネスジャパン株式会社製Astaloy CrM(登録商標))を用意した。この鉄粉に、混合粉末全体に対して0.6質量％となるように、上記作製した潤滑剤粉末を添加すると共に、混合粉末全体に対して0.5質量％となるようにカーボン粉末(日本黒鉛工業株式会社製CBP)を添加して、V型混合機にて1時間撹拌混合して混合粉末を作製した。試料No.Fの潤滑剤を含んだ混合粉末(焼結材用粉末)において、当該混合粉末を100質量％としたときのベントナイトの含有量は、0.12質量％である。作製した混合粉末を用いて、外径34mm、内径20mm、高さ5mmの円筒状の成形体を形成した。この試験では、密度が6.9g/cm3、7.1g/cm3、7.2g/cm3の成形体をそれぞれ連続して複数作製した。成形体の密度は、成形時の圧力を650〜850MPaの範囲で変化させることで異ならせた。また、この試験では、上記成形は、成形用金型の温度を60℃程度として行った。
【００５２】
得られた各密度の成形体をそれぞれ窒素雰囲気中で1250℃で焼結して、焼結材を得た。得られた各焼結材の密度をアルキメデス法により求め、更に、以下の収縮率(％)を求めた。収縮率は、成形体の密度Dc(6.9g/cm3又は7.1g/cm3又は7.2g/cm3)に対する成形体の密度Dcと焼結材の密度Dsとの差:{(Dc-Ds)/Dc}×100とした。上記収縮率が小さいほど、成形体の焼結時の寸法変化が小さいと言える。求めた収縮率を図1に示す。
【００５３】
図1に示すように、特定量の層状物質を特定の範囲で含有する潤滑剤を含んだ混合粉末により作製した成形体は、収縮率が小さいことが分かる。即ち、この成形体は、焼結時の寸法の変化が小さいことが分かる。また、上記特定量の層状物質を特定の範囲で含有する潤滑剤を含んだ混合粉末により複数の成形体を作製した場合、図1に示すように収縮率の変動幅が小さく、寸法のばらつきの少ない焼結材を大量に製造できることがわかる。従って、上記特定の物質が特定量添加された潤滑剤を含有する焼結材用粉末を利用することで、チクソ性の発現により外観や寸法精度に優れる成形体が得られるだけでなく、焼結時の寸法の変化を低減できることからも、高い寸法精度の焼結材が得られる。そのため、この焼結材用粉末は、寸法精度に優れる焼結材を大量生産する際に好適に利用することができると期待される。
【００５４】
なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、添加物の材質、含有量を適宜変化させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明焼結材用粉末、及びこの粉末を用いて成形した本発明成形体は、種々の分野の部品を構成する焼結材の原料に好適に利用することができる。本発明焼結材は、例えば、ギアなどの機械部品や、スリーブなどの内燃機関の構成部品などに好適に利用することができる。本発明成形体の製造方法は、上記本発明成形体の製造に利用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された焼結材用粉末であって、
前記潤滑剤は、チクソ性を有することを特徴とする焼結材用粉末。
【請求項２】
前記潤滑剤は、ずり速度:6(rpm)における粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域を有することを特徴とする請求項1に記載の焼結材用粉末。
【請求項３】
前記潤滑剤は、層状物質、直径1μm以下の超微粒子、増粘多糖類、及び脂肪酸金属塩から選択される1種以上の物質を合計で50質量％未満の範囲で含有することを特徴とする請求項2に記載の焼結材用粉末。
【請求項４】
前記潤滑剤は、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、前記層状物質を0.12質量％以下含有することを特徴とする請求項3に記載の焼結材用粉末。
【請求項５】
母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された焼結材用粉末であって、
前記潤滑剤は、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、層状物質を0.12質量％以下含有することを特徴とする焼結材用粉末。
【請求項６】
前記層状物質がベントナイトであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の焼結材用粉末。
【請求項７】
前記母相粉末は、金属粉末、セラミックス粉末、及び金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末のいずれか1種の粉末であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の焼結材用粉末。
【請求項８】
前記母相粉末は、鉄粉であることを特徴とする請求項7に記載の焼結材用粉末。
【請求項９】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の焼結材用粉末を成形用金型に充填してから加圧して、成形体を作製する工程を具えることを特徴とする焼結材用成形体の製造方法。
【請求項１０】
ずり速度:6(rpm)における前記潤滑剤の粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における前記潤滑剤の粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域の下限温度をTminとし、この下限温度Tminよりも20℃低い温度をTmin-20とするとき、前記金型の温度は、Tmin-20℃以上であることを特徴とする請求項9に記載の焼結材用成形体の製造方法。
【請求項１１】
請求項9又は10に記載の製造方法により得られたことを特徴とする焼結材用成形体。
【請求項１２】
請求項11に記載の成形体を焼結して得られたことを特徴とする焼結材。
【請求項１】
母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された焼結材用粉末であって、
前記潤滑剤は、チクソ性を有することを特徴とする焼結材用粉末。
【請求項２】
前記潤滑剤は、ずり速度:6(rpm)における粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域を有することを特徴とする請求項1に記載の焼結材用粉末。
【請求項３】
前記潤滑剤は、層状物質、直径1μm以下の超微粒子、増粘多糖類、及び脂肪酸金属塩から選択される1種以上の物質を合計で50質量％未満の範囲で含有することを特徴とする請求項2に記載の焼結材用粉末。
【請求項４】
前記潤滑剤は、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、前記層状物質を0.12質量％以下含有することを特徴とする請求項3に記載の焼結材用粉末。
【請求項５】
母相粉末に潤滑剤の粉末が添加された焼結材用粉末であって、
前記潤滑剤は、当該焼結材用粉末を100質量％とするとき、層状物質を0.12質量％以下含有することを特徴とする焼結材用粉末。
【請求項６】
前記層状物質がベントナイトであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の焼結材用粉末。
【請求項７】
前記母相粉末は、金属粉末、セラミックス粉末、及び金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末のいずれか1種の粉末であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の焼結材用粉末。
【請求項８】
前記母相粉末は、鉄粉であることを特徴とする請求項7に記載の焼結材用粉末。
【請求項９】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の焼結材用粉末を成形用金型に充填してから加圧して、成形体を作製する工程を具えることを特徴とする焼結材用成形体の製造方法。
【請求項１０】
ずり速度:6(rpm)における前記潤滑剤の粘度をη6(Pa・s)、ずり速度:60(rpm)における前記潤滑剤の粘度をη60(Pa・s)とするとき、粘度η6が100Pa・s以上であり、かつ粘度η60に対する粘度η6の比η6/η60が3以上となる温度域の下限温度をTminとし、この下限温度Tminよりも20℃低い温度をTmin-20とするとき、前記金型の温度は、Tmin-20℃以上であることを特徴とする請求項9に記載の焼結材用成形体の製造方法。
【請求項１１】
請求項9又は10に記載の製造方法により得られたことを特徴とする焼結材用成形体。
【請求項１２】
請求項11に記載の成形体を焼結して得られたことを特徴とする焼結材。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−３１３６５（Ｐ２０１０−３１３６５Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４２７０４（Ｐ２００９−１４２７０４）
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５９３０１６４１１）住友電工焼結合金株式会社 (214)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５９３０１６４１１）住友電工焼結合金株式会社 (214)
【Ｆターム（参考）】
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