WO2009035119A1

WO2009035119A1 - 粉末冶金用鉄基粉末

Info

Publication number: WO2009035119A1
Application number: PCT/JP2008/066615
Authority: WO
Inventors: Tomoshige Ono; Shigeru Unami; Takashi Kawano; Yukiko Ozaki; Kyoko Fujimoto
Original assignee: Jfe Steel Corporation
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2009-03-19
Also published as: CN101801566A; EP2210691A1; JP4379535B1; CN101801566B; JP2010053440A; JP2010053437A; US7867314B2; EP2210691B1; CA2699033C; US20100224025A1; CA2699033A1; EP2210691B2; EP2210691A4; JP5381262B2

Abstract

カーボンブラックを50～100質量％含有する流動性改善粒子を、鉄粉の表面に結合剤を介して付着させることにより、流動性に優れ、薄肉のキャビティーに均一に充填することができ、かつ抜出力も高く成形でき、かつ、その後の焼結においても焼結体の十分な強度を保持できる粉末冶金用鉄基を提供する。

Description

明細書粉末冶金用鉄基粉末技術分野

本発明は、粉末冶金（powder metallurgy)の用途に好適な鉄基粉末（iron- based powder) に関するものである。背景技術

粉末冶金技術は、複雑な形状の機械部品を極めて高い寸法精度で生産できるので、その機械部品の製造コストを大幅に低減することが可能である。そのため、粉末冶金技術を適用して製造した各種の機械部品が多方面に利用されている。さらに最近では、機械部品の小型化あるいは軽量化の要求が高まっており、小型 ·軽量かつ十分な強度を有する機械部品を製造するための粉末冶金用原料粉が種々検討されている。

たとえば特開平 1-219101号公報（特許文献 1 )、特開平 2-217403号公報（特許文献 2 )、特開平 3-162502号公報（特許文献 3 )、および特開平 5-148505号公報（特許文献 4 ) には、純鉄粉（pure iron powder) あるいは合金鋼粉（al loy steel powder) の表面に、結合剤 (binder) を用いて合金用粉末（alloying powder) を付着させた（「偏析防止処理： segregation- free treatment」とよぶ）粉末冶金用原料粉が開示されている。そのような鉄を主体とする粉末（以下、狭い意味で鉄基粉末という）は、通常、副原料粉末（additive powder：たとえば銅粉、黒鉛粉、燐化鉄粉、硫化マンガン粉等）および潤滑剤 (lubricant：たとえばステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウム等）を添加し、得られた混合粉末 (広い意味でこれも鉄基粉末と呼ばれる）が機械部品の製造に供される。以下とくにことわらなければ、鉄基粉末は広い意味を指すものとする。ところが鉄基粉末（狭い意味）、副原料粉末、潤滑剤は特性（すなわち形状、粒径等）がそれぞれ異なるので、混合粉末の流動性（flowability) は均一ではない。したがって、

(a)混合粉末を貯蔵用のホッパー（hopper) へ輸送する途中で生じる振動や落下の影響を受けて、鉄棊粉末（狭い意味）、副原料粉末、潤滑剤等が局部的に偏って分布する。流動性の相違に起因するこのような偏りは、上記偏析防止処理でも完全には防止できない。

(b)ホッパーに投入された混合粉末の粒子間に比較的大きい隙間が生じるので、混合粉末の見掛け密度（apparent density) が低下する、

(c)ホッパーの下部に堆積した混合粉末の見掛け密度が時間の経過とともに（すなわち重力の影響を受けて）上昇し、他方、ホッパー上部の見掛け密度は低い状態で貯蔵される。したがって、ホッパーの上部と下部では混合粉末の見掛け密度が不均一になる

という問題が生じる。このような混合粉末では、均一な強度を有する機械部品を大量に製造することは困難である。上記の (a)〜(c)の問題を解決するためには、鉄基粉末（狭い意味）、副原料粉末、潤滑剤の混合粉末の流動性を高める必要がある。

そこで特開 2002- 180103号公報（特許文献 5 ) には、所定の範囲の粒径を有する鉄粉を主体とする鉄基粉末が開示されている。しかしながら、この技術では、規定された範囲を外れる鉄粉を使用できないので鉄粉の歩留りが低下するばかりでなく、歯車刃先のような薄肉のキヤビティー（cavity)に鉄基粉末を均一かつ十分に充満させることは困難である。また特表 2002- 515542号公報（特許文献 6 ) には、粒子径 500 n m (ナノメートル）未満の少量の無機粒状酸化物（例えば粒子径 40 n m未満の Si O ₂を 0. 005〜 2質量％)を含有し、温間成形（warm compaction) における鉄粉の流動性を改善する技術が開示されている。しかしながら、この技術では、焼結の際に Si O ₂等の酸化物が残留し、また鉄粉粒子間の結合を阻害するので、得られる焼結体の強度が低下する。

さらに、 PCT国際公開公報 WO06/004530 A1 (特許文献 7 ) には、鉄粉又は鉄基金属粉末と、潤滑剤及び Z又は結合剤と、流動性増加剤としてのカーボンブラック（carbon black) とを含み、前記カーボンブラックの量を 0. 001〜0. 2重量％とした粉末冶金組成物が開示されている。この技術では、焼結部品の性質の悪化を伴わないとされている。なお、鉄基粉末の素材となる鉄粉あるいは合金鋼粉としては、その製法に応じてアトマィズ鉄粉 ^atomized iron powder)、還兀鉄粉 ^reduced iron powder) 等ある ₀ ここで、純鉄粉を鉄粉と呼ぶこともあるが、製法による前記の分類では鉄粉は合金鋼粉を含む広い意味で用いられる。以後、とくに断らなければ、鉄粉はこの広い意味での鉄粉を意味するものとする。合金鋼粉には、予合金の場合以外、すなわち部分合金化鋼粉やハイプリッド合金化鋼粉も含まれるものとする。発明の開示〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、特許文献 7の技術においても、薄肉部を有する機械部品を量産すると、充填率のばらつきがあり、問題が十分解決されてはいない。本発明は上記のような問題を解消することを目的とする。すなわち、流動性に優れ、薄肉のキヤビティーに均一にしかもばらつきなく充填することができ、かつ成形体 (compacted body) の抜出力（ejection force) も低く、さらに、その後の焼結においても焼結体（sintered body) の十分な強度を保持できる粉末冶金用鉄基粉末を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、下記の通りである。

( 1 ) カーボンブラックを 50〜100質量％含有する流動性改善粒子を、鉄粉粒子（iron powder particle) の表面に結合剤を介して付着させてなることを特徴とする粉末冶金用鉄基粉末。

ここでいう鉄粉は、合金銅粉を含む、前記の広い意味での鉄粉である。また結合剤は、副原料粉末（とくに合金用粉末）の少なくとも一部を鉄粉に付着させていてよい。

( 2 ) 前記鉄粉粒子の表面の一部に前記結合剤が付着し、さらに前記結合剤の表面の少なくとも一部に前記流動性改善粒子が付着していることを特徴とする、上記（1 ) に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

すなわち、本発明では、結合剤で鉄粉の表面を被覆した後に、その結合剤の表面に流動性改善粒子を付着させることが好ましく、また、上記結合剤が、鉄粉粒子全体を被覆するのではなく、一部を被覆することが好ましい。

( 3 ) 前記結合剤による前記鉄粉の被覆率が 50%以下であることを特徴とする、上記 ( 1 ) または（2 ) に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

( 4 ) 前記結合剤による前記鉄粉の被覆率が 10%以上 50%以下であることを特徴とする、上記（1 ) 〜（3 ) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

前記結合剤による前記鉄粉の被覆率は 30%以上 50%以下であることが一層好ましい。なお上記（2) および（3) における被覆率は、結合剤に被覆された面積が鉄粉粒子表面の面積に占める比率を意味する。

( 5 ) 前記流動性改善粒子による前記結合剤の被覆率が 50%以上であることを特徴とする、上記（1) 〜（4) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

ここで、結合剤の表面に付着した流動性改善粒子の被覆率は、結合剤で覆われた粒子表面の面積に占める、流動性改善粒子に被覆された面積の比率を意味する。

(6) 前記結合剤の針入度が 0.05〜2mmであることを特徴とする、上記（1) 〜（5) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

なお、針入度は 0.05〜lmmであることが好ましい。

(7) 前記結合剤が、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシゥム、ステアリン酸モノアミドおよびエチレンビスステア口アミド

(ethylenbis (stearamide) ) のうちの 1種または 2種以上であることを特徴とする、上記 (1) 〜（6) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

(8) 前記鉄基粉末が、合金成分として Cu、 C、 Niおよび Moの中から選ばれる 1種または 2種以上を含有することを特徴とする上記（1) 〜（7) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

なお、前記鉄粉が、合金成分として Cu、 C, Niおよ t oの中から選ばれる 1種または 2 種以上を含有することが好ましい。

(9) 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる 1種または 2種以上であることを特徴とする上記（1) 〜（8) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

合金成分としては、上記（8) の発明に挙げられたものが好ましい。

(10) 前記鉄粉のうち 50質量。 /₀未満が、結合剤を表面に有さない鉄粉であることを特徴とする上記（1) 〜（9) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

例えば第一の鉄粉に偏析防止処理を施した後、偏析防止処理を施していない第二の鉄粉を混合した場合、該第二の鉄粉が「結合剤のない鉄粉」に該当する。

(10)の発明においては、上記した結合剤による鉄粉の被覆率は、結合剤のない鉄粉を含めた平均的な被覆率とする。

(11) 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 A1₂ 0 ₃ - MgO · 2 Si 0 ₂ · x H ₂0、 Si〇₂、 Ti 0 ₂および Fe₂0 ₃の各粉末のうちの 1種または 2種以上を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5〜500 n mの範囲内であることを特徴とする上記（1 ) 〜（10) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

(12) 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 P MMA粉末および Z または P E粉末を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5〜500 n mの範囲内であることを特徴とする上記（1 ) 〜（11) のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。上記（11) に記した流動性改善粒子と、上記（12) に記した流動性改善粒子とを共に添加してもよい。

(13) 前記流動性改善粒子を、前記鉄粉 100質量部に対して、 0. 01〜0. 3質量部の割合で含有することを特徵とする上記（1 )〜（12)のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。図面の簡単な説明

図 1は、鉄粉に結合剤、黒鉛、力一ボンブラックが付着して部分的に被覆された状態を模式的に示す説明図である。

図 2は、図 1中の被覆された部位を拡大して示す説明図である。

図 3は、充填試験機の要部を模式的に示す斜視図である。

〔符号の説明〕

1 鉄粉の粒子

2 結合剤、黒鉛、カーボンブラックで被覆された部位

3 カーボンブラックの粒子

粉箱

5 鉄基粉末

6 キヤビティー

7 容器 8 移動方向発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の好ましい形態を述べる。流動性改善粒子の混合に関する部分以外については、公知の粉末冶金用粉末（原料 ·添加物の選択も含む）およびその製造方法（手順や装置も含む）（例えば特開 2005 - 232592号公報等に開示されたもの）を適用することができる。

(鉄基粉末の製造方法）

本発明では、混合装置を用いて、鉄粉と合金成分とを結合剤と共に加熱しつつ混合する (偏析防止処理の一種)。カーボンブラックを 50〜100質量％含有する流動性改善粒子は、この偏析防止処理の後に添加し、混合装置にて乾式状態で混合する。

ここで、切削性改善剤等の、種々の特性改善剤を合金成分と共に添加し、結合剤と共に加熱 ·混合してもよい。合金成分や特性改善剤は一般に 1〜2 0 m程度の粉末である。合金成分としては、黒鉛粉、 Cu粉、 Ni粉が代表的なものであり、他に Cr粉、 W粉、 Mo粉、 Co粉等もしばしば用いられる。切削性改善剤としては、 Mn S粉、 Ca F ₂粉が代表的なものであり、他にリン酸塩粉、 B N粉等も用いられる。また、上記加熱温度より融点の高い潤滑剤を合金成分と同時期に添加してもよい。

なお、前記偏析防止処理の後に、さらに成形性を確保するために粉末の潤滑剤を添加することが好ましい（遊離潤滑剤： free lubricantという）。各潤滑剤も、公知のものより適宜選択できる。流動性改善粒子は、遊離潤滑剤と同時に偏析防止処理後の鉄粉（鉄基粉末）に添加し、混合することが好ましい。特性改善剤としては他に、摺動性改善剤などがある。

混合装置としては、機械攪拌式混合装置の一種である高速ミキサーが撹拌力の観点から好ましい。しかし、混合装置は鉄基粉末の製造量や求められる流動度等に応じて適宜選択してよレ、。好適な具体的手順としては、高速ミキサーに所定量の鉄粉を装入し、ここに黒鉛粉、 Cu 粉等の合金成分と、結合剤を添加する。これらの原料を投入した後、加熱 ·混合を開始する。高速ミキサーにおける回転翼（rotating impeller) の回転数は、その混合槽の大きさ、回転翼の形状によって異なるが、一般には回転翼先端の周速で l〜10mZs_ec程度とすることが好ましい。混合槽内の温度が結合剤の融点以上になるまで加熱混合し、融点以上の温度で好ましくは 1〜30分程度混合する。これらの原料を十分混合した後、混合槽内を冷却する。冷却過程で結合剤が固化するが、その際、合金成分等の副原料を鉄粉の表面に付着させる。また、結合剤が完全に固化した後に、遊離潤滑剤を添加する。ここで使用する遊離潤滑剤は、成形の際の抜出し性を改善するために添加する潤滑剤である。遊離潤滑剤は、公知のものより適宜選択できるが、金属石睽（metal lic soap)、アミドヮックス（amide wax)、ポリアミド、ポリエチレン、酸化ポリエチレン等を使用することが好ましい。具体的には、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸モノアミド、エチレンビスステア口アミド等が好適である。遊離潤滑剤の粒子径は 1〜 150 μ m程度とすることが好ましい。

これらの遊離潤滑剤は、結合剤が固化した後に添加するので、鉄粉粒子に付着せず、遊離状態にある。したがって、遊離潤滑剤と呼ぶ。カーボンブラックを主成分とする流動性改善粒子は、この遊離潤滑剤を添加するときに同時に添加する。このとき、結合剤は完全に固化しているが、流動性改善粒子は極めて微細（すなわち粒子径 5〜500 n m) であるから、ファンデルワールスカゃ静電力で鉄粉粒子に付着する。なお、流動性改善粒子については後述する。以上の方法により、本発明の鉄基粉末が製造される。

(結合剤による被覆）

結合剤は公知のものから適宜選択してよく、その種類は、加熱して溶融するもの、もしくは加熱して固化するもの、いずれのものでも使用できる。中でも固化した後で潤滑性を有するものが好ましい。その理由は、このタイプのものは粉体粒子間の摩擦力を低下させ、粉体の流動性を良くし、成形初期の粒子の再配列を促すためである。具体的には、金属石験、アミドワックス、ポリアミド、ポリエチレン、酸化ポリエチレン等を使用する。特にステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸モノアミド、エチレンビスステアロアミドが好ましい。これらの結合剤は単体で使用しても良いし、 2種以上を混合して使用しても良い。結合剤で被覆した鉄粉の流動性を考えた場合、結合剤と結合剤との間の付着力は、鉄粉一鉄粉間の付着力や鉄粉一結合剤の付着力より大きい。したがって、鉄粉の表面全体が結合剤で被覆された場合には、その流動性は著しく劣化する。流動性を考えた場合には、結合剤が鉄粉の表面に偏在する方が好ましい。そこで本発明においては、鉄粉表面の一部にのみ結合剤を付着させることを好ましレ、要件とする。

結合剤による鉄粉の表面の好適な被覆率は、結合剤や黒鉛等の添加率によっても異なるが、 50%以下であることが好ましく、 10%以上 50%以下であることがより好ましい。被覆率が 50%を超えると、鉄粉粒子間の付着力が大きくなり、流動性が悪化する。一方、 10%未満.では、黒鉛等の添加率によっても異なるが、黒鉛粉等を十分に鉄粉表面に付着できなくなる場合がある。この場合には、細かい粒径の粒子が増加することにより、流動性がかえって悪化する。なお、被覆率は 30%以上 50%以下が一層好ましい。

これらの被覆率の制御は、結合剤の添加量によって、容易に調整ができる。また、混合温度や撹拌速度等の混合条件を制御することによつても調整が可能である。なお、結合剤は鉄粉 100質量部に対し 0. 05〜0. 8質量部程度の範囲内で、所望の被覆率に応じて添加量を調整することが好ましい。ここで、結合剤による被覆率は、観察範囲内にある、鉄粉粒子表面の総面積に対する結合剤で被覆された部位の総面積の比率（％) で表すものとする。すなわち、例えば合金元素として黒鉛を、流動性改善粒子としてカーボンブラック粒子を用いた鉄粉の粒子 1個を S EMで観察したときに、図 1に示すような鉄粉粒子 1は、その表面に付着した結合剤によって被覆された部位 2 (結合剤の上にさらに黒鉛（図示せず）やカーボンブラック（図示せず）が付着している場合を含む）を有する。ここで、当該鉄粉粒子 1に関する被覆率は、当該部位 2の面積率（％) となる。なお、上記の S EM観察において、通常の観察に汎用的に用いられる観察条件（たとえば加速電圧 15 k V、形状強調像）では、鉄粉表面に付着した結合剤の識別は極めて困難である。すなわち、上記の条件では、鉄粉表面に結合剤の存在は認められるものの、色調差を用いての画像解析には適用できない。

そこで種々検討を行なった結果、加速電圧を 5 k V以下、より好ましくは 3 k V以下とした形状強調像により、鉄粉と結合剤の差が非常に明確になることを本発明者らは見出した。つまり、鉄粉表面に付着した結合剤の割合を求める際の加速電圧は 0. 1〜 5 k Vであることが必要であり、より好ましくは 1〜3 k Vの範囲とすることで、鉄粉と結合剤とを識別するためのコントラストが明確に得られる。このとき用いる検出器は、形状強調像が得られる二次電子検出器でも、物質強調像が得られる Inlens検出器でも構わないが、二次電子検出器を用いる方がより好ましい。

このように最適化した測定条件で撮影した画像をデジタルデータとしてパソコンに取り込む。これを、画像解析ソフトを用いて二値化した後、鉄粉表面に付着した結合剤の面積率（％) を求めて、これを鉄粉表面に付着した結合剤の被覆率とする。なお、上記の被覆率を算出する際の S E M観察においては、 300倍程度で 10視野程度を観察し、その平均値を求めることが好ましい。

ここで、用いる結合剤は、その針入度（硬度） I 0. 05 以上 2 以下、好ましくは、 0. 05 以上 1 以下であることが好ましい。ここで、針入度は、ワックスゃァスフアルトの硬度を測定する方法で、 JIS K - 2207に示されており、通常は、室温 25°Cで測定される。本来、測定は偏析防止処理後の結合剤に対して行うことが好ましいが、粒子表面にある結合剤の針入度測定は難しいので、結合剤単体に必要に応じて偏析防止処理相当の熱処理を施した後、バルク状（ペレット状）として、測定を行う。

結合剤の硬度が必要以上に低い、すなわち、針入度が高すぎる場合、粒子間の粘着力、付着力が高くなり、粉体としての流動性が低下する。すなわち、本発明にあるように、結合剤の針入度は、 2mm以下、好ましくは、 1 以下であることが好ましい。一方、先にあげた結合剤は、成形時の潤滑剤としても働くため、潤滑剤の硬度が必要以上に高い、すなわち、針入度が低すぎる場合には、その潤滑性が低減する傾向がある。従って結合剤の針入度は 0. 05 以上であることが好ましい。特に優れた潤滑性を得る為には、針入度は、 0. 3mm以上であることが、好ましい。結合剤で合金成分を付着させる方法としては、加熱して結合剤を溶融させて付着する方法や、結合剤を溶媒に溶解して混合した後、溶媒を蒸発させて付着する方法がある。ただし、鉄粉の表面に結合剤を偏在させるためには、前者の方法が好ましい。

また、鉄粉と鉄粉との間の付着力を低下させるためには、鉄粉の一部を結合剤で被覆し、結合剤で被覆されていない鉄粉を後から添加することも有効である。その結果、結合剤と結合剤が接触する確率を低下させることができる。その際、結合剤による被覆率は、結合剤のない鉄粉を含めた平均的な被覆率とする。

(鉄粉)

なお、鉄基粉末は Cu、 C、 Ni、 Mo等を合金成分として含有しても良い。鉄基粉末にこれらの合金成分を含有させる方法は、鉄粉を合金としたり、鉄粉とは別の粒子としたり、合金成分を鉄粉に付着させる等がある。また、鉄粉はアトマイズ鉄粉、還元鉄粉、合金成分を付着させた鉄粉等を使用して良い。以下、詳細を述べる。

鉄粉は、その製造方法によって種々の鉄粉があるが、その成形性や成形体の特性、焼結体の特性を考慮して、水ァトマイズ鉄粉および Zまたは還元鉄粉を使用することが好ましい。これらの鉄粉は粒子表面に凹凸が存在し、圧粉したとき、これらが絡み合うので成形体おょぴ焼結体の強度が高くなる。鉄粉は前記の定義の範囲内、すなわち純鉄粉あるいは合金銅粉 (部分合金化鋼粉、ノ、ィブリッド合金化鋼粉を含む）であればよく、とくに限定はない。なお純鉄粉は鉄： 98%以上で残部は不純物である。合金鋼粉は Mn、 Cu、 Mo、 Cr、 W、 Ni、 P、 S、 V、 Si等の合金成分を合計で 10質量％以下程度含有する。また、合金組成を予め溶鋼に添加することを予合金化（prealloying)、合金成分を含有する粒子を拡散反応で鉄粉表面に結合させることを部分合金化、予合金化および部分合金化の両方を行うことをハイブリッド合金化と呼ぶ。鉄粉の粒径は一般に、平均粒径で 60〜100 /i.m の範囲である（日本粉末冶金工業会規格 J P MA P02— 1992に規定されるふるい分布法による値)。

(濡れ改善剤による濡れ改善処理）

水ァトマイズ鉄粉や還元鉄粉は表面に凹凸が存在するので、その凹凸に局所的に結合剤が留まる傾向がある。このような結合剤の不均一な分布を改善し、より均一にする技術として、鉄粉表面と結合剤との濡れ性を改善する、濡れ改善処理がある。本発明においては、結合剤の偏在を過度に解消することは望ましくないが、結合剤の被覆率や分布の調整のために濡れ改善処理を施すことを禁じるものではない。

濡れ改善剤による効果的な処理方法としては、偏析防止処理の前（結合剤と鉄粉と他の合金成分とを加熱混合する前）に、予め少なくとも鉄粉表面に濡れ改善剤を被覆する方法が挙げられる。濡れ改善剤としてはシランカップリング剤、アセチレングリコール系界面活性剤や、多価アルコール系界面活性剤等が挙げられる

(流動性改善粒子）

本発明で使用する流動性改善粒子は、鉄粉の流動性を改善する効果を有する微細な粉末であり、カーボンブラックを 50〜100質量％含有する。カーボンブラックはトナーや塗料で使用されるものであり、その粒子径は 5〜100 n mの範囲内が好ましい。カーボンブラックは、炭素を主成分とするため、焼結後に有害な不純物として残る懸念はない。しかも、非晶質体であるため、拡散も黒鉛粉に比べて速く、低温短時間の焼結でも容易に固溶することが期待される。

結合剤の表面に付着した流動性改善粒子の被覆率は 50%以上であることが好ましい。被覆率を 50%以上とすることにより、結合剤と結合剤との間の付着力を確実に低下させることができる。同被覆率の上限はとくに限定する必要は無く、 100%であっても問題はない。ただし、成形時の抜出力が増大する懸念を回避する観点から、 90%以下に限定してちょい。

ここで流動性改善粒子の被覆率とは、 S E Mで観察したときに観察範囲内にある、結合剤で被覆された部位の総面積に対する、流動性改善粒子が表面に存在している部位の総面積の比率（％) で表すものとする。すなわち、図 2に示すような、予め鉄粉（図 1と同じものとする）の表面に付着した結合剤で被覆された部位 2は、その表面に、流動性改善粒子（この例ではカーボンブラック 3 ) が存在している部位^有する。ここで、当該結合剤被覆部位 2に関する流動性改善粒子の被覆率は、部位 2に対する部位 3の面積の比率 (%) となる。なお簡単のため、図 2でも黒鉛は図示していない。

上記の S E M観察において種々検討を行なった結果、本発明者らは鉄粉表面に付着した結合剤の表面を被覆するカーボンブラックの割合を求める際には、加速電圧を 0. 1〜2 k Vとすることが必要であること、および、特に 0. 1〜1 k Vの範囲で鉄粉、結合剤、力一ボンブラックを識別するためのコントラストが最も明瞭に得られることを見出した。このとき用いる検出器は、形状強調像が得られる二次電子検出器よりも物質強調像が得られる Inlens検出器であることが好ましい。

このように最適化した測定条件で撮影した画像をデジタルデータとしてパソコンに取り込む。これを、画像解析ソフトを用いてニ値ィ匕した後、結合剤の表面を被覆するカーボンブラックの面積率（％) を求めて、これを、結合剤表面を被覆するカーボンブラックの被覆率とする。なお、上記の被覆率を算出する際の S E M観察においては、 3000倍程度で 20視野程度を観察し、その平均値を求めることが好ましい。

なお、カーボンブラック以外の流動性改善粒子が添加されている場合は、それぞれの流動性改善粒子に適した観察条件を選んで、同様に被覆率を求めることが好ましい。これに代えて、上記の観察で得られたカーボンブラックによる被覆率と、流動性改善粒子中のカーボンブラックの比率とを基に、流動性改善粒子全体による被覆率を概算してもよい。カーボンブラックに加えて流動性改善粒子に添加される成分は、

(A) A1₂0 ₃ · MgO · 2 SiO _z · xH ₂0 (ケィ酸アルミン酸マグネシウム）、 Si0 ₂、 TiO ₂および Fe₂0₃のうちの 1種または 2種以上、

(B) ポリメチルメタクリレート（ P MM A： polymethylmethacrylate) およびポリエチレン（P E ) のうちの 1種または 2種、の 2種類に大別される。

流動性改善粒子としてカーボンブラックに加えて、これらの成分を添加すると、鉄粉（特にアトマイズ鉄粉）の流動性を改善する効果が一層向上する。

一般に金属酸化物は、焼結の際に鉄粉粒子同士の結合を阻害し、焼結体の強度低下を招く。したがって流動性改善粒子としては、金属酸化物（たとえば A1₂0₃ - MgO · 2 Si O _z · x H ₂0、 Si0 ₂、 Ti0 ₂、 Fe₂0 ₃等）の添加量をできるだけ低減することが好ましい。また有機物（たとえば P MMA、 P E等）は高価であるから、有機物の添加量をできるだけ低減することが好ましい。このような理由でカーボンブラックの含有量は 50〜 100質量％の範囲内とする。一般に粉末粒子の表面に細かな凹凸があると、粒子間の接触面積が小さくなり、粒子間付着力が小さくなることが知られている。水アトマイズ鉄粉や還元鉄粉も、表面には凹凸が存在するが、その曲率は0. 1〜50 _ ¹と比較的小さく、付着力を低減するには十分ではない。

これらの流動性改善粒子の平均粒径が 5 n m未満では、鉄粉表面の凹凸や鉄粉表面に存在する潤滑剤中に埋没する可能性がある。また、これらの微粒子は凝集して存在するが、細力過ぎると凝集体のまま鉄粉表面に付着することになり、好ましくない。また一般に微粒子の製造コストは、細かくなるほど高くなる。一方、 500 n mを超えると、初めから鉄粉表面に存在する凹凸の曲率と同じになり、わざわざこれらの粒子を付着させる意味がなくなる。特に (A)の流動性改善粒子は、焼結時に分解することなく、そのまま焼結体中に存在する。これらは鋼中介在物と見ることもでき、その大きさが大きすぎると、焼結体の強度を落とすことになる。これらの理由から、流動性改善粒子の平均粒径は 5 〜500 n mの範囲内が好ましい。より好ましくは 100 n m以下である。なお、流動性改善粒子の粒径は、カーボンブラックについては電子顕微鏡観察による算術平均により求めた値を、上記（A) については B E T比表面積測定により粒子形状を球形として求めた値を、また上記 (B)についてはエタノールを分散媒としたマイクロトラック法により測定した値を用いるものとする。

また、これらの流動性改善粒子の添加量が鉄粉 100質量部に対して 0. 01質量部未満では、安定した流動性改善の効果が見られない。一方、 3質量部を超えると、同一圧力で成形した場合、圧粉体の密度が低下し、結果として焼結体の強度が下がるので、好ましくない。レたがって、流動性改善粒子の添加量は、鉄粉 100質量部に対して 0. 01〜 3質量部の範囲内が好ましい。より好ましくは 0. 05質量部以上である。また、より好ましくは 0. 2質量部以下である。流動性改善粒子を添加する効果は、鉄粉表面に細かな凹凸を設けて、粒子間の接触面積を減少し、付着力を下げることである。さらに、鉄粉表面にある結合剤同士の付着を妨げる効果もある。

(結合剤のない鉄粉の添加）

上記の点を考慮すると、結合剤の付着していない鉄粉は、流動性に優れていると考えられる。

本発明のもう一つの形態として、結合剤のない鉄粉が含まれる鉄基粉末がある。これは上記した観点に基づくもので、鉄粉のうち 50質量％未満を結合剤のない鉄粉とする。表面に結合剤のない鉄粉を 50質量％以上とすると、成形時に抜出力が高くなり、場合によつては型かじり現象を生じたり、成形体に欠損を生じたりする惧れがある。結合剤のない鉄粉は 20質量％以下とすることがさらに好ましい。また、 5質量％以上添加することが、顕著な効果を得る観点から好ましく、 10質量％以上とすることがさらに好ましい。

このような鉄基粉末は、偏析処理を施した鉄粉に、偏析処理を施していない鉄粉を混合することで得ることができる。添加に好適な鉄粉の平均粒径の範囲は、前記の一般の鉄粉の場合と同じである。また、結合剤のない鉄粉にまず流動性改善粒子を混合し、偏析防止処理後の鉄粉と混合することで、流動性をより改善することができる。この理由は解明されていないが、裸面の鉄粉が流動性改善粉の凝集体を粉砕する凝集防止効果により、流動性改善粒子が結合剤表面に、より行き渡るようになることが一因と推測される。結合剤のなレヽ鉄粉を、結合剤のない他の素材粉末に代えても同様の効果があるものと期待されるが、鉄粉が最も好ましい。

(その他）

本発明の鉄基粉末における鉄以外の組成物（合金鋼粉として含有されるもの、および結合剤により付着しているもの）の含有量は、鉄粉 100質量部に対して 10質量部以下とすることが好ましい。本発明の鉄基粉末を粉末冶金に適用するに際し、金型に充填して圧縮成形する前に、. さらに副原料粉末（合金用粉末、切削性改善用粉末など）を添加 '混合して焼結体の組成等を調整することは自由である。

〔実施例〕

発明例 1 ~ 9、 16 (¾ 1 - 3 ) ：ステアリン酸アミドとエチレンビスステア口アミドを結合剤とし、鉄粉（J F Eスチール製 300A)、 Cu粉、黒鉛粉を合金成分として、ヘンシェル（Henschel) タイプの高速ミキサーで加熱.混合した。その後、 60でまで冷却し、表 1 、 2に示す各種流動性改善粒子と遊離潤滑剤（すなわちステアリン酸亜鉛）を添加 ·混合した。なお、流動性改善粒子の物性は表 4に示すとおりである。得られた鉄基粉末の表面状態を表 3に、結合剤の針入度を表 1に示す。ここで流動性改善粒子による結合剤表面の被覆率は、（カーボンブラックによる結合剤表面の被覆率） / (流動性改善粒子に占めるカーボンブラックの粒子数比率）により求めた。なお粒子数比率は、重量比率を、平均粒子径および素材物質の比重から概算される重量当り粒子数にて補正して得た。なお、 Al ₂0₃ ' MgO . 2 SiO _z - x H ₂0、 Si 0 ₂で表される物質はケィ酸アルミン酸マグネシゥムと呼ばれ、 Xは複合化合物が安定性を示すいずれの数であってもよいが、通常は 1 〜 2程度と言われている。

発明例 12、 17〜20 (表 1 〜 3 ) ：結合剤および遊離潤滑剤を表 1に記載のものとした他は、上と同様の方法で、鉄基粉末を得た。このようにして得られた鉄基粉末の充填性を、図 3に示す充填試験機にて評価した。その評価は、容器 7に設けられた長さ 20mm、深さ 40匿、幅 0. 5瞧のキヤビティー 6内に鉄基粉末を充填して行なった。鉄基粉末 5を充填した粉箱 4 (長さ 60mm、幅 25mm、高さ 50mm) は図 3中の矢印の方向に移動し（移動方向 8 )、その移動速度は 200mm/秒、キャビティー上での粉箱 4の保持時間は 0. 5秒とした。充填した後の充填密度（充填重量キヤビティー体積）を充填前の見掛け密度の百分率で表わしたものを充填率（充填率 100%は完全充填を意味する）とし、同じ試験を 10回繰り返して、その充填バラツキを充填率の標準偏差で表わした。またこれらの発明例の鉄基粉末を金型に充填して加圧（成形圧力 686MPa) し、厚み 5 mm の引張試験片と厚み 10画のシャルピー試験片を成形し、さらに R Xガス雰囲気で焼結（焼結温度 1130 、焼結時間 20分）を行ない、引張試験片とシャルピー試験片を作製した。引張試験とシャルピー試験の結果を表 3に併せて示す。発明例 1〜 9および 12は、いずれも良好な充填バラツキを示した。また焼結体の強度 '靭性も、流動性改善粒子を添加しないもの（後述の比較例 1 ) とほぼ同等の値を示し、良好であった。

発明例 16では流動性改善粒子の添加量が 0. 01%と低く、また、上記製造条件で得られる、流動性改善粒子による結合剤表面の被覆率が小さすぎるので、充填パラッキが先に述べた発明例より大きい。

発明例 17および 18は、結合剤の被覆率が 50。/οを超える例である。これらの場合も、他の発明例に比べて充填バラツキが大きくなる。

発明例 19および 20は、結合剤の針入度が最適範囲（0. 05〜1讓）あるいは好適範囲（0. 05 〜2mm) の外となる例である。これらの場合も、他の発明例に比べて充填バラツキが大きい。発明例 10、 11、 13、 14、 15 (¾ 1 ~ 3 ) ：ステアリン酸アミドとエチレンビスステア口ァミドを結合剤として、表 1、 2に示す鉄粉（ただし表 1に示された量より 5質量％少ない量、すなわち 92. 4質量％)、 Cu粉、黒鉛粉と共にヘンシェルタイプの高速ミキサーで加熱 ·混合した。，その後、 60°Cまで冷却した後、結合剤の付着していない鉄粉（5質量％相当）を表 1および 2に示す流動性改善粒子および遊離潤滑剤と共に投入し、混合した。得られた鉄基粉末について、発明例 1〜9等と同様の調査を行った。

発明例 10〜15 (12除く）は、いずれも良好な充填性を示したが、結合剤による被覆率が 10%以上の方が、充填性により優れていた。また、得られた焼結体の特性も良好であつたが、結合剤による被覆率が 30%以上の方が焼結体の特性に優れていた。なお、本発明例においては、成形体の圧粉密度は 686MPa成形時に 6. 9〜7. lMg/m ³、そのときの抜出力は 10〜15MPaであり、いずれも問題のない範囲であった。一方、比較例として、ステアリン酸アミドとエチレンビスステア口アミドを結合剤とし、鉄粉、 Cu粉、黒鉛粉を合金成分として、ヘンシェルタイプの高速ミキサーで加熱混合した。その後、 60 まで冷却した後、遊離潤滑剤（すなわちステアリン酸亜鈴）を添加 .混合した。本例では流動性改善粒子は使用していない。表 1〜 3中の比較例 1がその例である。比較例 1では、焼結体の特性は良好であるが、充填性が著しく劣る。

また、カーボンブラックを 25質量％含有する Si O ₂を流動性改善粒子として添加 ·混合する他は発明例 1〜 9等と同様の製造方法で、鉄基粉末を得た。表 1〜3中の比較例 2 がその例である。なお、表 4にカーボンブラックと併用する流動性改善粒子の物性を示す。比較例 2では、充填バラツキは良好であるが、焼結体の強度が著しく低下する。

なお、各比較例の充填試験、引張試験、シャルピー試験は、発明例と同じであるから説明を省略する。

表

*1 合金成分中に占める割合を百分率で示す

*2 鉄粉 100質量部に対する比率を示す

*3 流動性改善粒子中に占める割合を百分率で示す

*4 ΑΙ_ζ0₃· MgO - 2Si0₂ xH₂0

*5 結合剤による被覆率に関する好適範囲を外れた例

*6 流動性改善粒子による結合剤表面の被覆率に関する好適範囲を外れた例 *7 結合剤の針入度に関する最好適範囲を外れた例

*8 結合剤の針入度に関する好適範囲を外れた例表 2

*1 合金成分中に占める割合を百分率で示す

*2鉄粉 100質量部に対する比率を示す

*3 流動性改善粒子中に占める割合を百分率で示す

*4 Al₂0₃■ gO - 2Si0₂ · xH₂0

*5結合剤による被覆率に関する好適範囲を外れた例

*8 結合剤の針入度に関する好適範囲を外れた例表 3

*1 合金成分中に占める割合を百分率で示す

*2鉄粉 100質量部に対する比率を示す

*3 流動性改善粒子中に占める割合を百分率で示す

*4 Al₂0₃■ gO■ 2Si0₂ · xH_zO

*5 結合剤による被覆率に関する好適範囲を外れた例

*8結合剤の針入度に関する好適範囲を外れた例表 4

表 1から明らかなように、発明例は、いずれも良好な充填バラツキを示すとともに、引張強度とシャルピー衝撃値も良好であった。中でも、結合剤の被覆率、結合剤の針入度、および流動性改善剤粒子による結合剤表面の被覆率が適正範囲にある発明例では、上記各特性が極めて優れていた。

これに対して、比較例 1は充填バラツキが大きく、比較例 2は引張強度とシャルピー衝撃値が低かった。 ' . なお、鉄粉の種類（還元鉄粉、合金銅粉等）や副原料粉（合金用粉末、切削性改善用粉等）、潤滑剤について表 1に記載以外のもの（例えば Ni粉、 MnS粉、 Ca F ₂粉、ステアリン酸リチウム等）を用いた場合も、上記実施例 1と同様の傾向が見られ、本発明の効果が確認された。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、鉄粉を素材として優れた流動性を有し、粉末冶金の用途に好適な鉄基粉末を製造できる。

Claims

請求の範囲

1 . 流動性改善粒子を、鉄粉粒子の表面に結合剤を介して付着させてなる粉末冶金用鉄基粉末であって、

前記流動性改善粒子が、カーボンブラック粉末を流動性改善粒子に对し 50〜100質量％含有する、粉末冶金用鉄基 1^末。

2 . 前記鉄粉粒子の表面の一部に前記結合剤が付着し、さらに前記結合剤の表面の少なくとも一部に前記流動性改善粒子が付着している請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

3 . 前記結合剤による前記鉄粉の被覆率が 50%以下である請求項 2に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

4 . 前記結合剤による前記鉄粉の被覆率が 10%以上 50%以下である請求項 2に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

5 . 前記流動性改善粒子による前記結合剤の被覆率が 50%以上である請求項 2に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

6 . 前記流動性改善粒子による前記結合剤の被覆率が 50%以上である請求項 4に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

7 . 前記結合剤の針度が 0. 05 以上 2 以下であることを特徴とする請求項 2〜 6 のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

8 . 前記結合剤が、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシゥム、ステアリン酸モノアミドおよびエチレンビスステア口アミドのうちの 1種または 2 種以上である、請求項 2〜 6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

9 . 前記結合剤が、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシゥム、ステアリン酸モノアミドおよびエチレンビスステア口アミドのうちの 1種または 2 種以上である、請求項 7に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

10. 前記鉄基粉末が、合金成分として Cu、 C、 Niおよひ Έοの中から選ばれる 1種または 2種以上を含有する、請求項 2〜 6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

11. 前記鉄基粉末が、合金成分として Cu、 C、 Niおよ ϋ¾οの中から選ばれる 1種または 2種以上を含有する、請求項 7に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

12. 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる 1種または 2種以上である、請求項 2〜6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

13. 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる 1種または 2種以上である、請求項 7に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

14. 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および前記合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる 1種または 2種以上である、請求項 10に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

15. 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および前記合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる 1種または 2種以上である、請求項 11に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

16. 前記鉄粉のうち 50質量％未満が、結合剤を表面に有さない鉄粉である、請求項 2 〜 6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

17. 前記鉄粉のうち 50質量％未満が、結合剤を表面に有さない鉄粉である、請求項 7 に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

18. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 Al ₂ 03 - MgO · 2 Si 0 ₂ · xH₂0、 Si0₂、 Ti0₂および Fe₂0₃の各粉末のうちの 1種または 2種以上を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5〜500nmの範囲内である、請求項 2〜 6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

19. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 A1₂0₃ -MgO · 2Si0₂ · xH₂0、 Si〇₂、 Ti〇₂および Fe₂0₃の各粉末のうちの 1種または 2種以上を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5〜500nmの範囲内である、請求項 7に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

20. 前記流動性改善粒子を、前記鉄粉 100質量部に対して、 0.01〜0.3質量部の割合で含有する、請求項 2〜 6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

21. 前記流動性改善粒子を、前記鉄粉 100質量部に対して、 0.01〜0.3質量部の割合で含有する、請求項 7に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

22. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 PMMA粉末および/または PE粉末を含有し、

かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5〜500nmの範囲内である、請求項 1〜 6のいずれかに記載の粉末冶金用鉄基粉末。

23. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 PMMA粉末および Zまたは P E粉末を含有し、

かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5〜500nmの範囲内である、請求項 7に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

24. 前記結合剤が、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシゥム、ステアリン酸モノアミドおよびエチレンビスステア口アミドのうちの 1種または 2 種以上である、請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

25. 前記鉄基粉末が、合金成分として Cu、 C、 Niおよび Moの中から選ばれる 1種または 2種以上を含有する、請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

26. 前記鉄粉が、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉、および合金成分を部分拡散付着させた鉄粉の中から選ばれる 1種または 2種以上である、請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

27. 前記鉄粉のうち 50質量％未満が、結合剤を表面に有さない鉄粉である、請求項 1 に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

28. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 Al₂03'MgO · 2Si0₂ · xH₂0 Si0₂ Ti0₂および Fe₂0₃の各粉末のうちの 1種または 2種以上を含有し、つ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5 500nmの範囲内である、請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

29. 前記流動性改善粒子が前記カーボンブラックに加えて、 PMMA粉末および/または P E粉末を含有し、かつ前記流動性改善粒子の平均粒径が 5 500nmの範囲内である、請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。

30. 前記結合剤の針入度が 0.05 以上 2 以下であることを特徴とする請求項 1に記載の粉末冶金用鉄基粉末。