(57)【要約】  粉末金属混合物が、従来から粉末金属部品を作るのに用いられてきた潤滑剤粉末と微粉化セルロース繊維とを組み合わせたものを重量で混合物の２％未満の量含む。潤滑剤と共に繊維を加えることにより混合物を成形してできた部品の湿態強度を増しかつ寸法適合性を改善する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属組成物で、鉄金属粉末および本質的に潤滑剤ならびに平均長が１５０μｍ未満および直径が１μから２０μの範囲内の断片化セルロース繊維から成る変成潤滑剤を含み、この変成潤滑剤が重量で組成物の２％未満存在し、混合物が（i）ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物でセルロース繊維を含まない従来の潤滑剤を用いて得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、および（ii）ホールの流動度が少なくとも２５秒／５０ｇ混合物である、粉末金属組成物。
【請求項２】
潤滑剤粉末が脂肪酸モノアミド類、脂肪酸ビスアミド類、金属石けん類およびポリオレフィンワックス類から成る群から選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
セルロース繊維の平均長が約１μからしかし７０μ未満に、およびホールの見かけ密度が２．７から３．５ｇ／ｃｃの範囲内にある、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
潤滑剤を含む粉末鉄金属混合物において、混合物のホールの流動度が２５秒／５０ｇ混合物未満であり、改善点として平均長が約１μからしかし７０μ未満で直径が約１μから２０μの範囲内の微粉化セルロース繊維を、潤滑剤と繊維を合わせた重量で粉末金属混合物の２％未満存在し、潤滑剤／繊維の割合が１：２から１０：１の範囲内にあることを含む、粉末鉄金属混合物。
【請求項５】
均質な鉄粉末金属混合物を作る方法で、平均粒子径が約１５０μｍ未満の金属粒子と本質的に潤滑剤とセルロース繊維から成り、合わせて重量で混合物の２％未満存在する変成潤滑剤と組み合わせ、潤滑剤は平均相当径が５０μｍより小さく、セルロース繊維の平均長は７０μｍより小さく、混合物を（i）ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物でセルロース繊維を含まない従来の潤滑剤を用いて得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、および（ii）ホールの流動度が少なくとも２５秒／５０ｇ混合物という特性をもたらすのに十分な時間だけ混合することを含む、均質な鉄粉末金属混合物を作る方法。
【請求項６】
ホールの見かけ密度が同一の粉末金属混合物でセルロース繊維を含まない従来の潤滑剤を用いて得られたものより大きい、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
粉末金属物品に使用するのに適合させた変成潤滑剤で、変成潤滑剤が本質的に無機化合物、有機金属化合物、およびワックスから成る群から選択された潤滑剤から成り、潤滑剤の平均粒子径が５０μｍより小さく、平均長が７０μｍより小さなセルロース繊維と組み合わせて、繊維に対する潤滑剤の割合が約１：２から１０：１の範囲内にある、変成潤滑剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、２００３年１月１４日に米国特許第６，５０６，７１２号（“‘７１２特許”）として公布された２００１年５月２１日出願の出願番号０９／９６１，８４２の部分継続出願である２００２年８月２８日出願の出願番号１０／２２９，４５２の部分継続出願である。
【０００２】
本発明は新規な粉末金属混合物で、粒子状の鉄金属粉（ferrous metal powder）をバインダーおよび潤滑剤と組み合わせて従来どおりに成形した任意の形状および寸法の物品が、物品を成形した金型から金型を傷つけず、かつ成形された部品から潤滑剤がふくれ出す程の熱を発生せずに排出できるだけの湿態強度（green strength）を持つ、新規な粉末金属混合物に関わる。
【背景技術】
【０００３】
適切に細かく分割した粉末状の金属粒子をそれぞれに細かく分割した形状のバインダーおよび潤滑剤と混合して成形および焼結することにより任意の形状および寸法の部品が得られることが発見されて以来、常に装置、自動車および各種機械用の金属物品の大量生産に対する要求が粉末冶金技術を推進してきた。当技術分野において、「粉末金属混合物」とはそれぞれの平均相当径が１５０μｍ（マイクロメートルまたはミクロン）未満の粒子塊を意味し、好ましくはその最大寸法は、一般に金属粒子が最大であるが、平均相当径が７５μｍ未満であることが好ましく、最小の金属粒子の平均相当径は約２５μｍで、そして非金属添加物は通常５０μｍ未満である。粉末金属粒子は形状が不規則なこともあるため、粒子の相当径とはこれが同一容積で球形であったと仮定した場合の直径を意味する。焼結、または焼結および熱処理した鉄物品に要求される物性により広範囲の粉末添加物が加えられる。このような添加物の最も一般的なものは潤滑剤および／またはバインダーで次が黒鉛（グラファイト）ならびにニッケル、銅、モリブデン、マンガン、クロム、コバルトのような金属類、および／または硫化物、リン化物のような有機金属または金属化合物、およびこれに類するもので、これらは焼結および／または熱処理した場合に粉末金属と合金化する。本発明において用語「粉末金属混合物」は鉄（Ｆｅ）が９０パーセントを超える量で存在し、残りの成分が潤滑剤、潤滑剤と同じでも異なってもよい随意のバインダーのような添加物、および黒鉛や金属のような合金成分で、それぞれが鉄粉末を含む全混合物の重量で２パーセント（重量による％）未満存在する鉄金属粒子の混合物を意味する。用語「潤滑剤」は粒子の粉末でその寸法がいずれも約１００μｍより大きくはなく、一般に平均相当径が約５μｍから２５μｍの範囲内のものを意味するが、本発明においては潤滑剤は変成されていて本質的に従来から粉末金属の成形塊（compact mass of powder metal）を作るのに用いられてきた潤滑剤粉末と、平均の長さが１５０μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満で、直径が約１μｍから２０μｍの範囲内にある断片化セルロース繊維とをブレンドしたものから成る。
【０００４】
実際の粉体混合における最優先基準はその均質性で、これなくしては成形した鉄の部品（compacted metal part）の組成に部品間のみならず部品それ自体の内部にも容認できないバラツキが生じてしまう。用語「部品（part）」はより正規な用語「物品（article）」と互換性があるものとして用いる。このような均質性には粉体の単位体積中の粒子の分布のみならず、かさ密度（「ホールの見かけ密度（Hall apparent density）」として測定）および流動性（「ホールの流動度（Hall flow rate）」として測定）も包含される。見かけ密度は未成形粉末の単位体積の質量である。ホールの見かけ密度はＡＳＴＭ  Ｂ−２１２（金属粉末工業連盟「ＭＰＩＦ」試験法０４の「金属粉末および粉末冶金製品に関する標準試験法」）に記載されているように測定される。流動度は標準重量の粉末がホールの流量計を流れ通るのに要する時間で定量化される。ホールの流動度はＡＳＴＭ  Ｂ−２１３（ＭＰＩＦ試験法０３）に指定されている。カサ密度および流れのバラツキは「充填量（“fill”）」、すなわち混合物が成形される前に金型の空洞に詰められた粉末混合物の量、および成形された部品の寸法のバラツキとなる。より限定的には、均質性に欠けると成形した部品の、とくに歯車の歯のような成形部品の微妙な部分（sensitive portions）の湿態強度のバラツキに反映する。
【０００５】
成形圧力を増すことにより十分な湿態強度が得られることが主な理由で、湿態強度が深刻な問題として注目を引くのは押し固め（compaction）、または成形圧力が既に金型の使用寿命を顕著に縮める程高い場合、および／または金型から排出されるときに気になるほどの数（worrisome number）の成形部品が損傷する場合、または自動的に焼結炉に搬送する場合に圧粉体に例え強烈にではなくとも衝撃を与えることが避けられない条件下においてのみである。
【０００６】
湿態強度は未焼結成形体（標準長方形棒）を破壊するのに必要な圧力として測定されＡＳＴＭ  Ｂ−３１２（ＭＰＩＦ試験方法１５）に記載されている。
【０００７】
用語「バインダー」および「潤滑剤」は成形される粉末金属混合物において異なる機能を定めるかのように用いられるが、実際には異なる高度に特殊化した材料により現されるものに比べて各機能は大きかったり小さかったりするが、単一の成分で同じ機能を現すこともできる。特に、エチレン−ビス−ステアルアミド（「ＥＢＳ」）は時に「バインダー」と称せられるが潤滑剤としても機能できるし、また金属石けんやワックスは一般に「潤滑剤」と称せられるがこれらもまたバインダーとしても機能できる。用語「ブレンド」はすべての成分を含み本質的に均質に分散して成形できる状態の鉄金属粉を称する。「鉄」金属粉とはその金属粒子の大部分が鉄（Ｆｅ）成分、一般には少なくとも７５％がＦｅであるものを意味する。バインダーは黒鉛および合金成分の粒子を金属粒子の表面に結合する。潤滑剤は粉体が剪断力に曝されたり応力を受けたりした場合に発生する摩擦を軽減するため、潤滑剤入りの金属粉末は潤滑剤無しのものに比べてより流れ易く、また潤滑剤を金属粒子に加えた粉末混合物に圧力を掛けて成形した場合に、成形物が十分な湿態強度を持つならば、金型部品に少ない損傷を与えるだけで金型から排出できる。
【０００８】
次いで通常、湿態物品（the green article）は焼結される。焼結棒（sintered bar）の強度は「抗折力」（transverse rupture strength「ＴＲＳ」）としてＡＳＴＭ  Ｂ−５２８（ＭＰＩＦ試験法４１）に記載された標準ＴＲＳ治具を用いて測定される。ＴＲＳが満足できる場合は引っ張り強度も一般に満足できる。物品を成形した粉末金属および添加物の混合物の組成およびその最終用途によりさらなる処理工程、例えばサイジング／コイニング（圧印加工）、再焼結、熱処理その他をおこなう。
【０００９】
金属、バインダーおよび／または潤滑剤および１つ以上の添加物の粉体組成物が寸法、密度および形状が異なることを認識すれば、同等の寸法、形状の粒子を選定し、粉末混合物を用いる前に種々の粒子を十分に混合することにより均質性の問題を最小限度に抑えることができる。このような枠組みのもとでは、植物性素材の有機繊維を他の粒子と混合するという考え方は、他の場合にはいかに有用な繊維であったとしても、直ちに排除されることは明らかである。
【００１０】
さらに現在に至るまで、平均長さが７０μｍより短い粉砕したセルロース繊維はさらに粉砕しようとしても一般に繊維質の押し固めたマットになってしまうので入手できていない。このような粉砕した繊維の長さが成形用粉末混合物に用いる金属粒子の平均相当径と同じ寸法範囲内にあったとしても、このような繊維を粉体混合物の合計の重量でわずか２％加えるだけで混合物を成形し焼結する部品の量産に用いるのであれば、結果としてカサまたは見かけ密度、および流動特性が容認できないものとなってしまう。１５０μｍ以上の長さの繊維を含む粉末金属混合物の劣悪な物性は繊維が占める体積およびその個々の形状の不揃いに起因する。
【００１１】
一方で、より大きな粒子が寄与する表面積に比べてより小さな粒子が寄与することによる粉末混合物の表面積の増加は粉体混合物の「流動性」または流動特性を損ない、結果として金型に充填するのにより長い時間を要するとともに成形部品内の非均質性という新たなリスクとなることはよく知られている。このような流動性は実験室で１ダースやそこらの部品を成形する場合には問題とならないが、単位時間あたりに生産できる部品数が決定因子となるような生産現場ではこの問題は致命的となりうる。
【００１２】
近年大きく浮上してきたもう一つの深刻な問題は、特に黒鉛の「ダスティング（dusting：散粉）」、および焼結の際によく用いられる潤滑剤であるステアリン酸亜鉛の気化による有害な副作用の広がりである。特に焼結炉およびその煙道を掃除しなくてはならない後者の問題に対処するため、当技術においてはワックスや金属石けんを含む多数の他の潤滑剤の開示が急増している。ステアリン酸亜鉛の使用を最小化または排除するため、オリゴマーアミドと組み合わせたポリエチレンオキシドの使用が米国特許第６，５１１，９４５号に開示され、およびＥＢＳまたはポリカルボン酸アミドワックスがバインダーとして用いられているが均質な粉末混合物を作るためには一般にワックスを加熱して金属粒子にコーティングするように均一に分配しなくてはならず、これはStorstrom他の米国特許第５，４８０，４６９号およびVidarsson他の米国特許第６，５７３，２２５号にそれぞれ開示されている。潤滑性を向上するために米国特許第６，４１３，９１９号は、各々がそれ自体で効果的な２つの周知の潤滑剤を組み合わせて用い、１つは脂肪酸モノアミドまたはビスアミド、例えばＥＢＳで、他の１つは金属石けん、例えばステアリン酸亜鉛で、混合物を加工して１つの潤滑剤の芯を形成し他の１つで被覆することに依存している。セルロース誘導体は広くバインダーとして提唱されているし（米国特許第５，４８０，４６９号参照）、セルロースエステル樹脂およびヒドロキシアルカリセルロース樹脂もまた提唱されているが（米国特許第６，５７３，２２５号参照）、これらの化合物は物理的な物（physically）で、セルロース繊維とは無関係で類似した化学的特性はない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
任意の形状および寸法の物品は、（i）約１５０μｍ（米国標準篩系（U.S. Standard Sieve Series）の３０メッシュ）より小さな平均粒径を持つ鉄金属粉末を（ii）平均粒径が約５０μｍより小さく、好ましくは３０μｍより小さい粒状で流動性のある潤滑剤および（iii）天然の綿、つまりワタ（Gossypium）の種の毛がそのよい例だが長さが約１ｃｍ〜２ｃｍの範囲内で直径が約５〜２０μｍの範囲内にあり、これをミクロンサイズの部分にまで断片化（「微粉化」）した平均長さが７０μｍより小さく、好ましくは３０μｍより小さい繊維と組み合わせて成形して供給されるが、この物品は潤滑剤および微粉化繊維の双方が重量で約０．０１％から２％未満の範囲で存在し、各々が好ましくは混合物に対して重量で１％未満存在する粉末金属混合物から成形される。繊維の大半の直径は粉砕により減少することはないが、繊維片の相当数、重量で５から４０％は平均長が２から２０μｍの範囲内にあり、重量で１から２０％は平均長が１から１０μｍの範囲内にあり平均径は０．５から５μｍの範囲内にある。微粉化後、繊維の９０％は２５μｍより小さいことが好ましく、１０μｍより小さく、中央値が８〜１２μｍの範囲内にあり平均値が約９〜１５μｍの範囲内にあることが最も好ましい。これらはマイクロトラック社標準範囲粒子分析装置（Microtrac Standard Range Particle Analyzer）で測定された。
【００１４】
ワックスおよび／または金属石けんと周知の球形の噴霧潤滑剤とを組み合わせることにより最高の流動性および見かけ密度がもたらされるというよく知られた固有の潤滑性に対する信頼（reliance）（前述‘９１９特許の）の点から見て、潤滑性がなく見かけ密度が小さな素材であるセルロースの断片化繊維を既知の潤滑剤と組み合わることにより、本質的に繊維無しの潤滑剤と同じ物性を有するだけでなく、結果として実質的に同等の見かけ密度およびより優れた湿態強度を持つ成形体の混合物をもたらす、ここでは「変成潤滑剤」またはより簡便に「ファイバーリューブ(fiberlube)」と名付ける繊維変性潤滑剤を生みだすとはまさか予想できなかった。
【００１５】
上に特定した寸法範囲および量の微粉化セルロース繊維（より長い繊維を断片化して得る）それ自体では粉末金属混合物に明らかな潤滑性を与えることはないが、それが低合金鋼であってもステンレス鋼であっても、または合金化済み鉄粉（prealloyed iron powder）であっても成形用の粉末金属混合物を供給するのに適したどのような潤滑剤とも組み合わせて用いることができ、潤滑剤に対するセルロース繊維の割合はこれを粉末金属とブレンドした場合に選択した湿態部品（green part）用の金型の生産用件（production requirement）が規定するホールの見かけ密度および流動比の特性を持つブレンドが得られるような「変性潤滑剤」または「ファイバーリューブ」に調整されることが好ましい。ファイバーリューブで成形された湿態部品は同じ条件下で同じ潤滑剤（ファイバーリューブと同じ量であるが繊維はない）で成形された別の部品より高い湿態強度をもたらす一方で、予め定めた焼結部品の硬度特性およびＴＲＳにも合致している。「低合金」粉末とは、重量で０．５％から５％までの黒鉛およびＮｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｉ、ＶおよびＷから成る群から選択された成分を０．１％から２５％含むことがある鉄ベースの粉末を意味する。「ステンレス鋼」とは広範囲の組成の耐食鋼を意味するが、常に約８％から２５％の高いパーセンテージのクロム、通常は０から１２％のＮｉ、および０から約０．５％のＣ（カーボン）を含む。「合金化済み（prealloyed）」とは鉄が１つ以上の合金成分と溶融処理され実質的に均質に混合していることを意味する。低合金鋼部品は通常クロムやニッケルのいずれよりもずっと少ない量の他の成分で作られ、銅が比較的高い量で用いられて最大約５％まで、次いでＭｎ、Ｍｏ、Ｓｉ、ＶおよびＷが通常は約２％より少ない量で用いられる。
【００１６】
鉄金属粉末は上述のいずれの鉄ベースの粉末から選定してもよい。一般に、鉄金属粉末は噴霧粉（atomized powder）であるかまたはスポンジ鉄（sponge iron）に由来し寸法範囲は焼結した最終製品の特性に合うように選ばれる。今まで用いられてきたどのようなワックス様の潤滑剤、例えばＥＢＳ、を用いてもよいが、好ましい潤滑剤は微粉化ポリオレフィンワックスで、重合した低級オレフィンオキシド、もしくは酸化ポリオレフィンホモポリマーまたはコポリマー、２から４個の炭素原子を持つオレフィンとして市販されているが、最も好ましいのは酸化微粉化ポリオレフィンホモポリマーワックスである。重量で０．１％未満の繊維は単独では潤滑剤に対して明らかな利点を与えないから、用いるファイバーリューブは重量で０．２５％から１％の範囲内が好ましく、潤滑剤／繊維の重量比は約１：２から１０：１の範囲で、１：１から４：１が好ましい。
【００１７】
均質な粉末金属混合物を作る方法は開示されていて、平均相当径が約１５０μｍより小さい金属粒子を混合物に対して重量で２％未満存在する変性潤滑剤を含む添加物、この変成潤滑剤は本質的に平均相当粒径が好ましくは５０μｍより小さい潤滑剤を平均長が７０μｍより小さいセルロース繊維と組み合わせたものから成る、および随意にバインダー、従来からこの分野で用いられている加工助剤および添加物と共に、（i）ホールの見かけ密度が同じ粉末金属混合物にセルロース繊維無しの従来からある潤滑剤を用いて得られたものより数値的に１０％を超えて小さくはなく、および（ii）ホールの流動度が少なくとも２５秒／５０ｇ混合物の特性をもたらすのに十分な時間混合することを含む。ホールの見かけ密度は同じ粉末金属混合物にセルロース繊維無しの従来からある潤滑剤を用いて得られたものより数値的に大きいことが好ましい。
【００１８】
従来からある潤滑剤を重量で２％未満用いて作られた粉末金属混合物はホールの流動度が２５秒／５０ｇという容認できない低さであるが、重量で同じ割合であるが少なくとも重量で０．１％のそれ自体ではとるに足らない潤滑性しか混合物に与えない微粉化セルロース繊維を繊維および潤滑剤の両方が重量で混合物の２％未満存在するように加えることにより、好ましいホールの見かけ密度および流動度を持つだけでなく、セルロース繊維が省かれていた場合よりも結果として湿態強度がより高いブレンドをもたらす。重量で０．１％から１％未満の微粉化セルロース繊維と重量で０．１％から１％未満の従来からある好ましくは高分子潤滑剤を組み合わせて含む変性潤滑剤を、重量で２％未満含む商業的に使用可能な鉄粉体金属は、ホールの見かけ密度が２．７から３．５ｇ／ｃｃ、好ましくは２．９から３．３ｇ／ｃｃの範囲内にあり、ホールの流動度が２５〜３５秒／５０ｇ、好ましくは２９〜３３秒／５０ｇの範囲内にある。あまりにも遅く流れるか、または全く流れないブレンドでも通常は粉体容器の吐出管を問題なく流れ通り、このような繊維／潤滑剤のある重量割合により引き起こされる金型空洞部の充填に関する些細な困難は吐出管に機械的または超音波振動などの撹拌手段を用いて対処することができる。この新規な変性潤滑剤で一般に得られる幾分低い見かけ密度は今までより高い見かけ密度のブレンドで用いられていた金型空洞部を深くすることで補うことが出来る。
【００１９】
ここで定義した微粉化セルロース繊維は約５０μｍより小さな相当径を持つ微粉化ポリオレフィンワックス粒子と組み合わせた新規組成物の成分で、ステアリン酸亜鉛または脂肪酸モノまたはビスアミドのような金属石けんの全体または一部の単なる代替品であるだけではなく、セルロース繊維無しの同じ重量の潤滑剤で得られるよりも高い湿態強度をもたらすことが見いだされた。変性潤滑剤を含む成形した湿態鉄粉末金属物品を従来からある焼結炉の無酸素雰囲気内で焼結する場合、炉の煙道はステアリン酸亜鉛含有品の焼結の場合ほどには頻繁な掃除を必要としない。微粉化繊維は黒鉛のような無機の潤滑剤と組み合わせることもあり、繊維の機能が本来なら黒鉛が用いられた一部を部分的に置き換え、またはステアリン酸亜鉛のような有機金属の潤滑剤と組み合わせることもあり、繊維の機能が本来なら有機金属が用いられた一部を部分的に置き換える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
微粉化セルロース繊維を使用することが極めて重要である。セルロース繊維とは例えば大麻、黄麻  綿、木材、サイザル麻、竹、トウモロコシの茎（corn stalks）などのような直径が約２０μｍ未満の固有の繊維をもたらす主にセルロース素材の繊維を意味する。このようなセルロース繊維はどれでも約７５μｍ未満の平均長まで粉砕できるが、これらに繊維が非常に折れやすくなる量だけのガンマ線、Ｘ線または電子ビームの放射に暴露してからの方が容易により小さな寸法範囲の断片に微粉化でき、このことは先に述べた‘７１２特許に記載され、その開示内容はここにすべてを記述したかのように本願に引用して本明細書とする。３０から１００ＭＲ（メガラド）の範囲内の放射線量がセルロース繊維の塊に加えられるとそれらの表面構造も変性し、曝された粉砕繊維が従来からある有機潤滑剤の比較的小さな、またはより小さな粒子と混合された場合に粉末金属混合物の流れを促進するものと思われている。最も好まれているのはその分子構造を変えることなく漂白できるセルロース繊維である。それぞれの繊維の直径はそのセルロースが収穫される原料の成長過程においてセルロースの層が繊維の細胞壁の上に形成されるにしたがって太くなることが知られているが、繊維を粉砕する際に少なくとも重量で５０％が平均長が７０μｍ未満で直径が１０μｍ未満となる平均直径を持った原繊維を用いることが望ましい。「原料」とは繊維がそのセルロース分子の構造を変化させるような化学的処理をされていない、つまり他の多糖類に比べてセルロースやポリセロビオーズの独特な構造が維持されていて、誘導体ではないこと（derivatized）を意味する。最も好ましいのは上記の放射線量範囲内の電子ビームを照射され、その後にModel 811 Series Inline Granulatorのような高速ロータリーカッター、もしくは Model 30 Roto-Jetまたは Model 24のようなジェット分級ミルで粉砕され、平均長が約１から５０μｍ未満および平均径が約１から１０μｍ、好ましくは約１から２０μｍの平均長および約１から５μｍの平均径、そして最も好ましくは約１から１０μｍの平均長および約１から３μｍの平均径とすることである。これら粉砕された電子ビーム照射繊維の小さ目のサイズ範囲の寸法はセルロース繊維の原料源および粉砕前の各繊維の寸法、および粉砕中の繊維自身間の衝撃度合いに因るところが大きい。
【００２１】
従来から用いられてきたどのような粉末金属潤滑剤も粉末金属混合物に用いることが可能であるが、特に好まれている潤滑剤はブレンドのホールの見かけ密度を２．７〜３．５ｇ／ｃｃの範囲内に、ホールの流動度を２９〜３５秒／５０ｇの範囲内にするものである。よく使われる潤滑剤は金属石けん類、およびワックス類で特にポリ（低級）オレフィンワックス類および酸化ポリ（低級）オレフィンホモポリマー類およびコポリマー類、脂肪酸ビスアミド類および脂肪酸モノアミド類、から成る群から選択される。好ましいワックス類はEastman Chemical社から市販されている Epolene(R)ブランドの、Ｅ−１０，１４，１５，１６，１７，２０，４３、Ｇ−３００３およびＧ３０１５、Ｅ−１４，２０，４３、Ｃ−１０，１３，１６，１７，１８、Ｎ−１０，１１，１４，１５，２０，２１，３０，３４，３と名付けられたワックス、およびHoneywell社から市販されている Acumist(R)ブランドのＡ−６，１２，１８，４５、Ｂ−６，９，１２，１８、Ｃ−５，１２，１８、Ｄ−５，９、１１０６，１１１２，１２０４，１３０６，３１０５，３２０５と名付けられたワックスである。特定のワックスの選定は、特定の金属粉末、これが成形され排出される条件、および成形された部品が焼結される条件にしたがっておこなわれる。
【００２２】
微粉化セルロース繊維と組み合わせた潤滑剤を含むブレンドは従来どおり準備され追加的な処理は必要としない。成分を本質的に均質のブレンドが形成されるまで混合してから部品を成形する金型の空洞部をブレンドで充填し、次いで金型空洞部に一致してピッタリ合う、通常は３００から９００Ｍｐａ（４３５００ｐｓｉまたは４３．５Ｋｓｉまたは２１．７５Ｔｓｉ、トン／平方インチ）から１０００Ｍｐａ（１３０５００ｐｓｉまたは１３０．５Ｋｓｉまたは６５．２５Ｔｓｉ）の範囲内の十分な圧力をおよぼすラムでブレンドを成形して湿態部品を形成し、次いで湿態部品は成形部品の健全性（integrity）を損傷しない程度の最高排出力で型から排出されるが、この力は約４５３．６から２０４１．２Ｋｇｆ、キログラムフォース（１０００から４５００ｌｂｆ、ポンドフォース）の範囲内である。湿態部品は次いで焼結炉内で通常は窒素および／または水素の不活性雰囲気で潤滑剤およびセルロース繊維の一部または全部を気化させられるだけ高い昇温状態で焼結して焼結金属部品を形成する。炉は移動ベルトを内蔵し炉の高温雰囲気内で所望の時間を与える速度で移動し、通常は８０％Ｎ２／２０％Ｈ２で、ベルト速度は約１０００oＦから２５００oＦの範囲内の帯域では毎分２．５４ｃｍ（１”）から毎分３０．５ｃｍ（１２”）の範囲内である。
【００２３】
低合金および合金化済み部品は十分な黒鉛を含んでいて熱処理が正当化される場合を除き一般に熱処理はおこなわない。ステンレス鋼部品は熱処理されない。以下に示した実例のほとんどにおいては、平均長が１０μｍ未満および平均径が約５μｍ未満のセルロース繊維が用いられ繊維の寸法が追加的な変数とならないようにしている。潤滑剤なしでセルロース繊維のみを含むブレンドの見かけ密度および流動度を測定しなかったのは、重量で０．７５％の綿繊維を含むブレンドを７０３０．７７Ｋｇ／ｃｍ２（５０ＴＳＩ）で成形したとき、許容できる力では棒を金型から排出できず、セルロース繊維が明確な潤滑性をもたらさなかったことを示したからであり、したがって潤滑剤なしの繊維ブレンドは使用できない。さらに、セルロース繊維による実績の有効性に焦点を当てるために、それぞれのブレンドは必須の成分のみを用いて作られた。すべてのブレンドでセルロース繊維の効果に焦点を当てるために、黒鉛の使用は焼結部品に希望する特性を与えるのに必要な場合を除き避けた。
【実施例】
【００２４】
本発明について以下の実施例でさらに説明するが用語「部」は別途説明する場合を除き「重量部」を意味する。すべての結果は統計的に有意な数だけ、通常は少なくとも３つの個別に実行した実験の平均値である。以下の実施例は制約するためのものではなく、それどころか本発明の範囲内のほんの幾つかの実施例の説明に過ぎない。
＜実施例１〜７＞
【００２５】
Hoeganaes Ancorsteel 1000Bを基本鉄とし、あるものは綿繊維と組み合わせた種々の潤滑剤を、各潤滑剤または組合せを（全混合物に対し）重量で０．７５％用いた、ＭＰＩＦ  Ｆ−００００組成物のホールの見かけ密度およびホールの流動度の評価：
【００２６】
次の表１において、各サンプルは粉末金属混合物（「ブレンド」）として１ｌｂ準備したがこれらは直径約８ｃｍ（３インチ）で長さ約３０．５ｃｍ（１２”）のシリンダー内で成分を十分に混合してブレンドした。シリンダーを３０秒間手動で転がし、つまりテーブルの上で前後に移しながら長手方向の中央軸周りに回転し、次いでシリンダーを３０秒間くるくるとひっくり返し、つまり中央の横軸周りにくるくると回転し、次にシリンダーを３０秒間手で複数の軸方向に揺さぶった。この約９０秒間におよぶ手順を再度繰り返し十分に均質になることを確実にした。それからそれぞれのブレンドをホールの見かけ密度について評価した。潤滑剤Ｐ−１０５（内部コード名）は市販されている微粉化Acumist(R)ポリオレフィンワックスで融点が約１３７℃〜１３８℃（２７９oＦ〜２８１oＦ）あり、このワックスは単独でブレンド１に、異なる割合の綿繊維と組み合わせてブレンド２、３および４に用いられている。ブレンド５および６では広く使用されている潤滑剤のステアリン酸亜鉛およびＥＢＳがそれぞれ単独で用いられ、ブレンド７では０．５６％繊維が０．１９％ＥＢＳと組み合わされ、これはブレンド３でポリオレフィンワックスに用いられたのと同じ割合である。
【００２７】
【表１】
2007517985.tif 000002
【００２８】
前記のデータより微粉化ポリオレフィンワックスは単独で用いた場合、ブレンドが流れないため実際の使用には耐えない。残りのブレンドはホールの見かけ密度およびホールの流動度が許容基準に合致しそれぞれ２．９から３．３ｇ／ｃｃおよび２７から３６秒／５０ｇという望ましい範囲内にある。ＥＢＳおよびステアリン酸亜鉛と比べて、綿繊維を用いたブレンドのホールの見かけ密度はＥＢＳおよびステアリン酸亜鉛のそれの間にあり、ホールの流動度はどちらよりも優れ、同じ割合の綿繊維を用いたブレンド＃４および＃７は潤滑剤がＥＢＳであれポリオレフィンワックスであれ実質的に同じ見かけ密度を持ち、従来からある良好な潤滑剤の選定には気配りが必要ないことを実質的に示している。
【００２９】
しかしながら、漏斗を容易には流れない０．７５％Ｐ−１０５潤滑剤を用いたブレンドが同量のＥＢＳを用いたものと実質的に同じ見かけ密度３．００ｇ／ｃｃを持つこと、断片化セルロース繊維の見かけ密度が粉末金属のそれよりずっと小さいにもかかわらずＰ−１０５の部分が綿繊維に置き換わったそれぞれの場合に見かけ密度は予想外に増加し、この増加はＥＢＳの部分が綿繊維に置き換わった場合にも明瞭であることは特筆すべきである。ファイバーリューブを重量で０．２５％から１％の範囲内で流動度が３５秒／５０ｇを超える高速流動粉末に加えてもほとんど効果はなく逆効果もないことは明らかであるが、流動度が３０秒／５０ｇであるAncorsteel 1000B金属粉末にファイバーリューブを加えると流動度が改善するとは予想もしないし、また加えることによりブレンドの見かけ密度が増加するとは予想もしない。
【００３０】
次いでそれぞれのブレンドを７０３０．７７Ｋｇ／ｃｍ２または５０ＴＳＩ（トン／平方インチ）で成形して各々が長さ３．１７５ｃｍ（１．２５”）×幅１．２７ｃｍ（０．５”）×厚み０．６３５ｃｍ（０．２５”）の標準試験棒とし、各潤滑剤による圧縮性および湿態強度に対する影響を評価した。それからすべての棒を在来の焼結炉内の８０％窒素／２０％水素雰囲気で１１２１℃（２０５０oＦ）の移動ベルト上で焼結し、焼結した棒の特性を評価した。
【００３１】
使用する潤滑剤および繊維を組み合わせた量は潤滑剤に対する繊維の割合と共に、成形される特定の粉末金属混合物および焼結部品の（満たさねばならない）仕様によることは当然である。混ぜ合わせる量、および１つの成分の他のものに対する相対的割合が高すぎたり低すぎたりすると、見かけ密度および流動度が望ましい変数の限界から外れたブレンドになってしまう。一般的に、組み合わせた量が重量で０．５％未満または１．５％を超えて存在する場合にはそのブレンドは容易に生産運転には使えず、したがって組み合わせた量は重量で１．５％を超えないことが好ましく、重量で１％を超えないことがさらに好ましい。
【００３２】
上の表１に番号で区分したブレンドは圧粉密度、湿態強度、および金型空洞部から棒を排出するのに必要な最高排出圧力について評価した。それから棒は望みの時間だけ９７％Ｎ２／３％Ｈ２の高温環境を提供できる順次より高温となるゾーンを通過する８．９ｃｍ（３．５”）／秒で動くベルトを装備した焼結炉内で焼結されるが、ベルト速度は２．５４ｃｍ（１”）／分から３０．５ｃｍ（１２”）／分の範囲内で６４８．９℃（１２００oＦ）、７６０℃（１４００oＦ）、１１２１℃（２０５０oＦ）、および１１２１℃（２０５０oＦ）の４つの主な温度ゾーンを通過する。各ゾーンの長さはおよそ３ｍ（７’７”）である。
【００３３】
少なくとも３つのサンプルの焼結密度、焼結ＴＲＳ、焼結見かけロックウェルＦ硬度（ＨＲＦ）、および焼結寸法適合性（ＤＣ）を測定し平均した。結果を次の表２に示す。
【００３４】
【表２】
2007517985.tif 000003
【００３５】
前述の結果より潤滑材料に比べて重量で大きな割合の綿繊維を含むブレンド＃４が、最高の湿態強度、ＴＲＳ、および硬度（ＨＲＦ）持つだけでなく、最良の寸法適合性（ＤＣ）、つまり最小のゆがみの焼結棒をもたらすことは明白である。
【００３６】
ＥＢＳおよびステアリン酸亜鉛に比べ、綿繊維を用いたブレンドによる圧粉棒は同様の圧粉密度および望ましい最高排出圧力（ロードセルで測定）を持っている。
＜実施例８〜１１＞
【００３７】
２種類の標準粉末金属組成物に含まれる、５０％の微粉化ポリオレフィンワックス潤滑剤（「ワックス」）および５０％の微粉化綿繊維を組み合わせ、併せて重量で０．７５％存在するファイバーリューブの評価：
【００３８】
ファイバーリューブの効果を従来からある微粉化Acrawax(R)ＥＢＳ潤滑剤が（i）MPIF F-0000鉄粉末金属、および（ii）MPIF FC-0208粉末金属に入ったものと比較するため、４種類のブレンドを準備した。MPIF F-0000には Hoeganes Ancorsteel 1000 Base Iron を用い、MPIF FC-0208には（Hoeganes Ancorsteel 1000 Base Iron＋２％銅＋０．８％グラファイト）を用いた。
【００３９】
先ず、研究室用ダブルコーンブレンダー内で別ロットのMPIF F-0000 および MPIF FC-0208の粉末金属を用いて２つのロットを均質化しそれぞれ重量で０．７５％のＥＢＳを含む４．５ｋｇ（１０ｌｂ）の実質的に均質なブレンド（＃８および１０）の２つのロットを得た。
【００４０】
さらに２ロットの粉末金属（各々同重量）を重量で同比率の Acumist(R)微粉化ポリオレフィンワックスおよび綿繊維と共にブレンダー内でブレンドしそれぞれが重量で０．７５％のファイバーリューブを含む２つのブレンド（＃９および１１）を得た。少なくとも３つのサンプルのホールの見かけ密度および流動度を測定し平均し、その結果を下の表３に表す。
【００４１】
【表３】
2007517985.tif 000004
【００４２】
ファイバーリューブで作られたサンプルの「流動せず」状態は用いたブレンドの手順によるものかもしれず、流れを得るためには手順の変更が必要となるかもしれない。「流動せず」状態と、通常は公称径が少なくとも２．５４ｃｍ（１”）ある生産現場の粉末金属供給容器の吐出管で得られる流れと、は相互に関連づけられるものではないことには言及しておく必要がある。さらに、変成潤滑剤を用いた場合の見かけ密度はＥＢＳを用いた場合より０．０８〜０．０９ｇ／ｃｃ低いがF-0000の正常範囲（２．９０〜３．２０ｇ／ｃｃ）から外れてないこと、ブレンド＃９の見かけ密度がブレンド＃８のそれより３％以上低くはないこと、およびブレンド＃１１の見かけ密度がブレンド＃１０のそれより４％以上低くはないことには言及しておく必要がある。このような小さな差異は一般に生産用のプレスの金型空洞部で調整できる。
【００４３】
次いでそれぞれ４つのブレンドは２８１２ｋｇ／ｃｍ２（２０ＴＳＩ）から８４３６Ｋｇ／ｃｍ２（６０ＴＳＩ）の範囲の圧力で標準棒を作り、これらの棒をＴＲＳ、圧縮性（圧粉密度）、湿態強度、および焼結特性について試験するのに用いられる。それからすべての棒は２０ＴＳＩから６０ＴＳＩの圧力の元で成形され標準テスト棒となり、そして棒は望みの時間だけ９７％Ｎ２／３％Ｈ２の高温環境を提供できる順次より高温となるゾーンを通過する８．９ｃｍ（３．５”）／秒で動くベルトを装備した焼結炉内で焼結されるが、ベルト速度は２．５４ｃｍ（１”）／分から３０．５ｃｍ（１２”）／分の範囲内で６４８．９℃（１２００oＦ）、７６０℃（１４００oＦ）、１１２１℃（２０５０oＦ）、および１１２１℃（２０５０oＦ）の４つの主な温度ゾーンを通過する。少なくとも３つのサンプルでおこなった測定は平均して記録される。
【００４４】
次の表４および５に同じF-0000粉末を用い、同一量の潤滑剤（重量で０．７５％）、一方には Acrawax(R) EBS、他方には Acumist(R)ポリオレフィンワックスおよび微粉化綿繊維の５０／５０組合せ、を用いて得られた比較結果を示す。
【００４５】
次の表６および７に同じFC-0208粉末用い、同一量の潤滑剤（重量で０．７５％）、一方には Acrawax(R) EBS、他方には Acumist(R)ポリオレフィンワックスおよび微粉化綿繊維の５０／５０組合せ、を用いて得られた比較結果を示す。
【００４６】
【表４】
2007517985.tif 000005
【００４７】
【表５】
2007517985.tif 000006
【００４８】
【表６】
2007517985.tif 000007
【００４９】
【表７】
2007517985.tif 000008
【００５０】
上に掲げた表４〜７から明らかなように変性潤滑剤を用いて作ったF-0000棒はＥＢＳを用いて作った棒に比べ圧縮率がいくらか低いが、一方FC-02108で作ったものは事実上同じ圧縮率である。
【００５１】
変性潤滑剤を用いて作ったF-0000の棒は湿態強度が著しく向上し、ＥＢＳを用いて作った棒より成形圧力に無関係に平均で３６％良く、F-0208の棒では５１％高い湿態強度である。このような湿態強度の向上は部品を成形および排出する圧力に基づく割れに対する抵抗力を確かなものとすると共に、湿態状態で扱われる間の部品の筋目立て、欠損および割れに対する抵抗力も確かなものとする。
【００５２】
排出最高圧力は、これは金型空洞部から成形部品が出るための動きを開始するのに必要な力であるが、一般的な成形圧力で成形した場合のブレンド＃８および＃９による棒では本質的に同等であるが、より極端な圧力で成形された棒の場合の力は高めとなる。しかしながら、ブレンド＃１０および＃１１から作られた棒では、最高排出圧力は成形圧力に無関係に実質的に同等か低めになる。
【００５３】
平均脱型圧力は、これは金型空洞部から出すために部品を動かし続けるために必要な力であるが、それぞれの F-0000棒では一様に高めであるがF-0208の棒では実質的に同等か低めのいずれかである。
【００５４】
変性潤滑剤を用いて作ったF-0000の棒はＥＢＳを用いて作った棒に比べて相対的に焼結膨らみ（growth）が異常に低く極端な圧力では特に顕著であり、FC-0208を用いて作った棒は正常な焼結密度および寸法変化を示しＥＢＳを用いて作った棒とほとんど同等であった。
【００５５】
ＴＲＳは制御した条件下で強度を評価するための焼結棒に対する３点試験により得られるが、低圧で作られたF-0000棒に関しては正常だがより高圧で作られた棒では低下してしまうが、FC-0208棒に関してはそれぞれの潤滑剤で得られたＴＲＳ値は実質的に同様である。
【００５６】
変性潤滑剤を用いて低めの成形圧力で作った F-0000の棒の見かけ硬度は正常であるが高めの圧力においてはＥＢＳを用いて作った棒の硬度に比べて相対的に低下し、F-0208 の棒に関しては見かけ硬度は両方の潤滑剤についてすべての成形圧力において実質的に同じである。
＜実施例１２〜１４＞
【００５７】
標準３１６ステンレス鋼の粉末金属組成物内に微粉化ポリオレフィンワックス潤滑剤（「ワックス」）および微粉化綿繊維を異なる比率および異なる量含み、一方の組成物は重量で１．０％、他方は重量で０．７５％存在する２つの組成物の評価：
【００５８】
ブレンド＃１３および１４のファイバーリューブの効果を従来からある微粉化Acrawax(R) ＥＢＳ潤滑剤の重量で１％による効果（ブレンド＃１２）と比較するため、それぞれがHoeganaes 316L 粉末に入った３つのブレンドを同じように準備した。
【００５９】
先ず、少量のＥＢＳ潤滑剤をあるロットの316 L粉末と研究室用のダブルコーンブレンダー内でブレンドし重量で１．０％のＥＢＳを含む０．９０７Ｋｇ（２ｌｂ）の実質的に均質なブレンド（＃１２）を得た。
【００６０】
さらに２つのロットの316 L粉末（それぞれ同重量）をブレンダー内でブレンドしブレンド＃１３および＃１４を作った。＃１３は重量で０．６７％繊維／０．３３部 Acumis(R)を含み、＃１４は０．５６％繊維を０．１９％ Acumist(R)と共に含み、したがってブレンド＃１３および＃１４は重量でそれぞれ１．０％および０．７５％のファイバーリューブを含む。各ブレンドの少なくとも３つのサンプルについてホールの見かけ密度および流動度を測定し平均をとり、その結果を下の表８に表す。
【００６１】
【表８】
2007517985.tif 000009
【００６２】
ファイバーリューブを用いたブレンドの見かけ密度はＥＢＳを用いたブレンドより約０．１５ｇ／ｃｃ低いことは明らかである。先に指摘したとおり、見かけ密度のこのようなわずかな差は生産設備では許容でき、もし非常な精度を必要とするなら金型空洞部を深くすればよい。ブレンド＃１４の流動度はファイバーリューブの含有量をわずかに減らすだけで大幅に増加することは特筆すべきことである。
【００６３】
次いでそれぞれ３つのブレンドは２８１２ｋｇ／ｃｍ２（２０ＴＳＩ）から８４３６Ｋｇ／ｃｍ２（６０ＴＳＩ）の範囲の圧力で標準棒を作るのに用いられ、それらの棒はＴＲＳ、圧縮性（湿態強度（green strength））、および焼結特性について試験される。それからすべての棒は２０ＴＳＩから６０ＴＳＩの圧力の下で成形され標準テスト棒となり、そして棒は所望の時間だけ１００％Ｈ２の高温環境を提供できる順次より高温となるゾーンを通過する８．９ｃｍ（３．５”）／秒で動くベルトを装備した焼結炉内で焼結されるが、ベルト速度は３．５”／分で６４８．９℃（１２００oＦ）、７６０℃（１４００oＦ）、１２８７．８℃（２３５０oＦ）、および１２８７．８℃（２３５０oＦ）の４つの主な温度ゾーンを通過する。少なくとも３つのサンプルでおこなった測定は平均して記録される。
【００６４】
次の表９、１０および１１にそれぞれブレンド＃１２、１３および＃１４で得られた比較結果を掲げる。
【００６５】
【表９】
2007517985.tif 000010
【００６６】
【表１０】
2007517985.tif 000011
【００６７】
【表１１】
2007517985.tif 000012
【００６８】
成形圧力にかかわらず、ファイバーリューブを含むブレンドの驚異的に高い湿態強度は特筆に値する。
【００６９】
先のデータよりファイバーリューブを用いたブレンドの圧縮性はＥＢＳを用いたブレンドのそれより通常は約０．１５ｇ／ｃｃ低く、ファイバーリューブの含有量を０．７５％まで減らしたことでより高い圧力の圧粉密度の改善がみられたことは明らかである。生産設備では最高排出圧力の差は顕著ではない。棒の焼結密度は一般に圧粉密度の差に対応する。寸法変化によるパーセント焼結縮みは同一密度においてはＥＢＳを用いたブレンドに比べてファイバーリューブを用いたブレンドの方が少なく、同一の焼結密度を持つ棒に対するＴＲＳおよび見かけ硬度は実質的に同じである。
【００７０】
このように関連する題目に関する全般的な開示をおこない、新規の変性潤滑剤および粉末金属混合物について詳細に述べるとともに、本発明の具体的な実施形態をもって生産および本発明の使用に関する最善の方法を説明したが、説明し記述した具体的な実施形態を理由として必要以上の制約が課せられるべきではなく、特に、本発明はここに示した細部に隷属するように制約されるものではないのは当然のことである。
【国際調査報告】
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