(57)【要約】【課題】潤滑剤の融点を超える温度で温間成形する方法において、粉末冶金用粉末の流動性を確保し、量産性を向上させることで、より高密度の圧粉体を得ることができる粉末焼結品の製造方法を提供する。【解決手段】原料粉末６Ａに固体潤滑剤８が配合された粉末冶金用粉末６を、固体潤滑剤８の融点Ｔ８を越える温度の成形型１内に充填する充填工程と、この成形型１内に充填された粉末冶金用粉末６を圧縮して圧粉体21を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体21を成形型１より取り出す圧粉体離型工程とを備え、圧粉体21を連続して成形し、圧粉体21を焼結する。前記充填前の粉末冶金用粉末６を冷却するから、成形型１の温度Ｔが粉末冶金用粉末６中の固体潤滑剤８の融点Ｔ８を超える温度になっても流動性を確保することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料粉末に固体潤滑剤が配合された粉末冶金用粉末を、固体潤滑剤の融点を越える温度の成形型内に充填する充填工程と、この成形型内に充填された粉末冶金用粉末を圧縮して圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体を成形型より取り出す圧粉体離型工程とを備え、前記圧粉体を連続して成形し、前記圧粉体を焼結する粉末焼結品の製造方法において、充填前の前記粉末冶金用粉末を冷却することを特徴とする粉末焼結品の製造方法。
【請求項２】
前記粉末冶金用粉末に、前記固体潤滑剤より融点の高い固体潤滑剤を配合し、この融点の高い固体潤滑剤の該融点より前記成形型の温度を低く設定することを特徴とする請求項１記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項３】
前記充填前の粉末冶金用粉末を、水の沸点未満で、該成形雰囲気の露点より高い温度に冷却することを特徴とする請求項１又は２記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項４】
前記固体潤滑剤がステアリン酸亜鉛であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項５】
前記ステアリン酸亜鉛の配合量が０．２５重量％以上，０．７５重量％以下であることを特徴とする請求項４記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項６】
前記高い融点の固体潤滑剤が黒鉛粉末であることを特徴とする請求項２記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項７】
前記黒鉛粉末の配合量が０．２重量％以上，０．８重量％以下であることを特徴とする請求項６記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項８】
前記粉末冶金用粉末の冷却に冷却水を用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の粉末焼結品の製造方法。
【請求項９】
前記冷却水の温度を、水の沸点未満、成形雰囲気の露点以上に保持することを特徴とする請求項８記載の粉末焼結品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末冶金用粉末中の固体潤滑剤の融点を越える温度で温間成形する粉末焼結品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金における成形において、原料粉末の流動性を確保し、量産性を向上するため、潤滑剤の融解温度を超えない温度で温間成形する方法が一般的であるが、温間成形においては、温度が高ければ圧縮性が向上して密度が上がり、機械的強度が向上するため、量産性を無視すれば、潤滑剤の溶融温度を超える温度で温間成形することにより、高密度の圧粉体を得ることができる。
【０００３】
また、原料粉末の流動性を確保し、量産性を向上するため、原料粉末を加熱せずに、潤滑剤の溶融温度を超えない温度でダイを加熱して成形する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１７６８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようにダイなどの成形型を加熱する方法では、潤滑剤の融解温度を超えない温度では流動性を確保できるが、連続成形時にダイの上部に粉末冶金用粉末を接触させる際、ダイから充填前の粉末冶金用粉末に熱が伝わって潤滑剤の融解温度まで加熱されると、充填時における粉末冶金用粉末の流動性が低下する問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、潤滑剤の融点を超える温度で温間成形する方法において、粉末冶金用粉末の流動性を確保し、量産性を向上させることで、より高密度の圧粉体を得ることができる粉末焼結品の製造方法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】
【０００６】
請求項１の発明は、原料粉末に固体潤滑剤が配合された粉末冶金用粉末を、固体潤滑剤の融点を越える温度の成形型内に充填する充填工程と、この成形型内に充填された粉末冶金用粉末を圧縮して圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体を成形型より取り出す圧粉体離型工程とを備え、前記圧粉体を連続して成形し、前記圧粉体を焼結する粉末焼結品の製造方法において、充填前の前記粉末冶金用粉末を冷却する製造方法である。
【０００７】
また、請求項２の発明は、前記粉末冶金用粉末に、前記固体潤滑剤より融点の高い固体潤滑剤を配合し、この融点の高い固体潤滑剤の該融点より前記成形型の温度を低く設定する製造方法である。
【０００８】
また、請求項３の発明は、前記充填前の粉末冶金用粉末を、水の沸点未満で、該成形雰囲気の露点より高い温度に冷却する製造方法である。
【０００９】
また、請求項４の発明は、前記固体潤滑剤がステアリン酸亜鉛である製造方法である。
【００１０】
また、請求項５の発明は、前記ステアリン酸亜鉛の配合量が０．２５重量％以上，０．７５重量％以下である製造方法である。
【００１１】
また、請求項６の発明は、前記高い融点の固体潤滑剤が黒鉛粉末である製造方法である。
【００１２】
また、請求項７の発明は、前記黒鉛粉末の配合量が０．２重量％以上，０．８重量％以下である製造方法である。
【００１３】
また、請求項８の発明は、前記粉末冶金用粉末の冷却に冷却水を用いる製造方法である。
【００１４】
また、請求項９の発明は、前記冷却水の温度を、水の沸点未満、成形雰囲気の露点以上に保持する製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の構成によれば、粉末冶金用粉末を成形型に充填する前に冷却することにより、成形型の温度が粉末冶金用粉末中の固体潤滑剤の融点を超える温度になっても流動性を確保することができる。これにより、より高温での温間成形の量産性を向上することが可能となり、より高密度の圧粉体を安定して得ることができる。
【００１６】
また、請求項２の構成によれば、複数種類の固体潤滑剤を用いて少なくとも一種類の融点の高い固体潤滑剤は融解させず成形することにより、圧縮性及び潤滑性を向上することができる。
【００１７】
また、請求項３の構成によれば、冷却温度を、成形雰囲気の露点より高い温度にすることで、空気中の水蒸気が液化することを防止でき、一方、水の沸点未満とすることにより、成形型で加熱された粉末冶金用粉末の流動性の悪化を防止し、量産性を確保することができる。
【００１８】
また、請求項４の構成によれば、、ステアリン酸亜鉛は、融解させて使用する固体潤滑剤として圧縮性及び潤滑性に優れている。
【００１９】
また、請求項５の構成によれば、ステアリン酸亜鉛が０．２５重量％未満では、潤滑性が低下し、不適当であり、０．７５重量％を越えると、圧縮性が低下し、不適当であるから、上記の範囲が好ましい。
【００２０】
また、請求項６の構成によれば、黒鉛は融解させないで使用する固体潤滑剤として圧縮性及び潤滑性に優れている。
【００２１】
また、請求項７の構成によれば、黒鉛が０．２重量％未満では、潤滑性が低下し、不適当であり、０．８重量％を越えると、圧縮性が低下し、不適当であるから、上記の範囲が好ましい。
【００２２】
また、請求項８の構成によれば、冷却水は常温で液体、無害且つ潜熱が大きい特徴があり取扱性及び冷却性に優れているため好適である。
【００２３】
また、請求項９の構成によれば、冷却水の温度を水の沸点未満、成形雰囲気の露点以上に保持することにより、容易に量産することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる新規な粉末焼結品の製造方法を採用することにより、従来にない粉末焼結品の製造方法が得られ、粉末焼結品の製造方法を夫々記述する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例１について、図１〜図６を参照しながら説明する。まず、製造方法について、図１及び図２を参照して説明する。同図において、２は貫通孔３を軸線Ｙ上に形成した成形型としてのダイであり、このダイ２の下方に貫通孔３に挿入する下パンチ４が昇降自在に設けられると共に、このダイ２の上方に貫通孔３に挿入する上パンチ５が昇降自在に設けられている。
【００２６】
このように成形型１は、ダイ２と上，下パンチ５，４を備え、下パンチ４が嵌合した状態の貫通孔３により充填空間10が構成される。
【００２７】
さらに、ダイ２には該ダイ２、ひいてはダイ２に収容した粉末冶金用粉末６を加熱する電気ヒータなどの加熱手段７が設けられている。
【００２８】
前記粉末冶金用粉末６は、鉄粉を主とした鉄系の原料粉末６Ａに複数種類の固体潤滑剤８，９を配合したものが用いられ、融点の低い固体潤滑剤８としては、ステアリン酸亜鉛，エチレンビスアマイド，ステアリン酸リチウム，１２ヒドロキシステアリン酸リチウムなどが例示され、これより融点の高い固体潤滑剤９としては、黒鉛粉末，２硫化モリブデン，ステアリン酸リチウム，１２ヒドロキシステアリン酸リチウムなどが例示される。
【００２９】
そして、前記加熱手段７により成形型１のダイ２の温度を、前記固体潤滑剤８の融点Ｔ８と前記固体潤滑剤９の融点Ｔ９との間の温度範囲に加熱し、具体的には、前記ダイ２の内周面２Ａをその温度範囲に加熱する。
【００３０】
前記粉末冶金用粉末６は、供給装置たるホッパー11に貯蔵され、このホッパー11に接続した原料粉末供給管12を介して、フィーダー本体13に供給される。このフィーダー本体13は下部開口13Ａを有し、この下部開口13Ａから、前記充填空間10内に、前記粉末冶金用粉末６が落下供給される。
【００３１】
ここで、充填空間10に供給する前の粉末冶金用粉末６を冷却する冷却手段14を備える。この冷却手段14は、前記フィーダー本体13の外面に沿って冷却管15を配置し、この冷却管15は例えば蛇腹状に配置され、その冷却管15の管端に冷却水供給手段16が接続されている。
【００３２】
したがって、冷却水供給手段16を駆動して冷却管15に冷却水を循環供給することにより、フィーダー本体13が冷却され、これによりフィーダー本体13内の充填前の粉末冶金用粉末６を冷却することができる。
【００３３】
そして、前記冷却手段14により、前記粉末冶金用粉末６を成形型１の温度Ｔ以下で、かつ充填前雰囲気の露点ＴＲ以上の温度に冷却する。
【００３４】
次に、製造工程について説明すると、加熱手段７により、成形型１において、ダイ２の温度Ｔを固体潤滑剤８，９の融点Ｔ８，Ｔ９の間（Ｔ８＜Ｔ＜Ｔ９）に加熱する。この例では、固体潤滑剤８にステアリン酸亜鉛、固体潤滑剤９に黒鉛粉末を用いる。ホッパー11からフィーダー本体13内に供給された粉末冶金用粉末６の温度Ｔ６を、冷却手段14により、水の沸点ＴＦ未満で、成形雰囲気の露点ＴＲより高い温度（ＴＳ＜Ｔ６＜ＴＲ）に冷却する。尚、水の沸点ＴＦより、固体潤滑剤８の融点Ｔ８は高い（ＴＦ＜Ｔ８）。
【００３５】
そして、フィーダー本体13の前進により、予め下パンチ４が嵌合した状態の貫通孔３により形成された充填空間10に、固体潤滑剤８，９が配合された粉末冶金用粉末６が落下供給される（充填工程）。
【００３６】
この場合、固体潤滑剤８の融点より高い温度にダイ２を加熱するため、その熱がフィーダー９内の粉末冶金用粉末６に伝わって温度Ｔ６が上昇するのに対して、冷却手段14により粉末冶金用粉末６を冷却するため、落下供給時における粉末冶金用粉末６の流動性を確保することができる。また、冷却し過ぎると、結露が発生し、粉末冶金用粉末６に悪影響を与えるから、露点Ｔ２より高い温度に冷却する。
【００３７】
充填空間10に充填された粉末冶金用粉末６は、配合された融点Ｔ８の低い固体潤滑剤８がダイ２の内周面２Ａで溶け、これにより内周面２Ａと原料粉末６Ａとの摩擦を軽減し、一方、融点Ｔ９の高い固体潤滑剤９は原料粉末６Ａ中に分散し、原料粉末６Ａ同士の摩擦を軽減し、次に、上パンチ５を貫通孔３に挿入することで、原料粉末６Ａは圧縮成形されて圧粉体21が形成され（圧粉体成形工程）、それら固体潤滑材８，９により、高密度の圧粉体21を形成することができる。
【００３８】
また、この温間成形における圧縮成形のメカニズムは、第１工程で貫通孔３に収容された原料粉末６Ａが再配列される。この際、原料粉末６Ａ及び固体潤滑剤８，９が加熱されていることに起因して原料粉末６Ａ間に固体潤滑剤８，９がなじみ、常温で圧粉体21を形成する常温での再配列の状態と比較して同じ比重であっても充填性が高まる状態となっている。このように原料粉末６Ａが再配列した第１工程の後に、第２工程としてさらに上パンチ５を貫通孔３に圧入することで、原料粉末６Ａは塑性変形し、この結果、圧粉体21が形成されるものである。
【００３９】
そして、上パンチ５が上方へ抜けると共に、下パンチ４が貫通孔３を上昇して圧粉体21を充填空間10より従来とおり抜き出す（圧粉体離型工程）ものである。
【００４０】
このように、圧粉体21の製造工程で、原料粉末６Ａに固体潤滑剤８，９が配合された粉末冶金用粉末６を、成形型１の充填空間10内に充填（充填工程）し、この充填空間10内に充填された粉末冶金用粉末６を圧縮して圧粉体21を成形（圧粉体成形工程）し、この圧粉体21を成形型１の充填空間10より取り出し（圧粉体離型工程）、この圧粉体離型工程後の成形型１の充填空間10内に再び粉末冶金用粉末６を充填する工程を連続的に行い、圧粉体21を連続形成する。
【００４１】
尚、ダイ２に図示しない温度センサを設けて加熱手段７の加熱温度を制御したり、粉末冶金用粉末６の充填のタイミングに合わせて加熱手段７の加熱温度を制御したり、ダイ２を水冷したりすることにより、ダイ２の内周面２Ａの設定温度範囲に保つようにする。また、前記温度センサによりダイ２の内周面２Ａの温度を検出する。
【００４２】
また、フィーダー本体13に図示しない温度センサを設けて冷却手段14の冷却温度を制御したり、粉末冶金用粉末６の充填のタイミングに合わせて冷却手段14の冷却温度を制御したりすることにより、フィーダー本体13の内面13Ｎの設定温度範囲に保つようにする。また、前記温度センサによりフィーダー本体13の内面13Ｎの温度を検出する。尚、冷却温度の制御は、この場合は、冷却水の温度や流量を調節して行う。
【００４３】
そして、圧粉体製造工程を経て得られた圧粉体21は、所定の雰囲気ガス中で焼成される。
【００４４】
［実験例］
次に、粉末冶金用粉末６において、原料粉末６Ａとして、鉄粉（ヘガネス社製：商品名ＡＢＣ１００．３０）、固体潤滑剤９として、黒鉛（日本黒鉛社製：商品名ＣＰＢ−Ｓ）、固体潤滑剤８としてステアリン酸亜鉛（大日化学社製：商品名ダイワックスＺＳ）を用いて実験を行った。
【００４５】
添付の図３に、粉末冶金用粉末６は９種類配合例を示し、「0.5％Ｃ＋0.75％ＺＳ」は、前記鉄粉に、前記黒鉛0.5重量％と前記ステアリン酸亜鉛0.75質量％とを配合した粉末冶金用粉末６の配合例である。
【００４６】
各配合例の粉末冶金用粉末６を、３０分間Ｖコーンミキサーで混合して粉混し、各７ｇを計量し、粉末冶金用粉末６を成形直前まで成形型１に接触しないようにして粉末冶金用粉末６の温度Ｔ６を２０℃に冷却した。この実験における成形雰囲気温度は２５℃で、成形雰囲気の相対湿度は６０％であり、これらの条件から、図４の湿り空気線図より、露点ＴＲは約１７℃である。
【００４７】
そこで、２５℃、８０℃、１５０℃の３種類の温度Ｔに成形型１のダイ２を保温し、アムスラー試験機で圧縮面積１cm2の円柱（図示せず）を６ｔ/cm2で成形した。
【００４８】
固体潤滑剤８であるステアリン酸亜鉛の融点Ｔ８は、約１２２℃であり、水の沸点ＴＦより高く、成形型１の温度Ｔが１５０℃の場合は、粉末冶金用粉末６中の固体潤滑剤８の融点Ｔ８を越える温度であり、今回の発明の実施例となる。一方、成形型１の温度Ｔが２５℃、８０℃の場合は、比較例となる。
【００４９】
図３より、比較例の成形型１の温度Ｔが２５℃、８０℃の場合に比較して、成形型１の温度Ｔを１５０℃にした実施例では大幅に成形密度が向上することがわかる。また、実施例で鉄粉に０．５％Ｃ＋０．５％ＺＳを加えたものが最も高い成形密度を示し、黒鉛とステアリン酸亜鉛は、それぞれ多すぎても少なすぎても成形密度が低下することがわかる。
【００５０】
図５は、鉄粉にステアリン酸亜鉛を混合したものの流動性（ＦＲ）の温度による変化を示す（ＪＰＭＡ規格  Ｐ  ０７−１９９２  金属粉の流動度試験方法で測定）。８０℃までは流動性は向上するが、１００℃になると流動性が急速に悪化し流動しなくなることがわかる。このことから、原料を冷却せずに成形した場合、成形型１からの熱によって粉末冶金用粉末６が１００℃以上となることで原料の流動性が悪化して量産性が低下することがわかる。このため、量産成形で連続して成形する場合、成形型近辺での粉末冶金用粉末６の冷却が特に重要であることがわかる。
【００５１】
図６は、図３で最も成形密度が高かったＡＢＣ１００．３０（鉄粉）＋０．５％Ｃ＋０．５％ＺＳの配合原料の成形圧力を、さらに８ｔ/cm2、１０ｔ/cm2に上げて試験したものである。約８ｔ/cm2でほぼ限界まで成形密度が向上し、温度Ｔを２５℃や８０℃で成形した比較例と比べても低圧力で高密度が得られることがわかる。低圧力で成形すれば、成形型への負担が減少し、金型寿命が大幅に向上することが知られている。
【００５２】
このように本実施例では、請求項１に対応して、原料粉末６Ａに固体潤滑剤８が配合された粉末冶金用粉末６を、固体潤滑剤８の融点Ｔ８を越える温度の成形型１内に充填する充填工程と、この成形型１内に充填された粉末冶金用粉末６を圧縮して圧粉体21を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体21を成形型１より取り出す圧粉体離型工程とを備え、圧粉体21を連続して成形し、圧粉体21を焼結する粉末焼結品の製造方法において、充填前の粉末冶金用粉末６を冷却するから、粉末冶金用粉末６を成形型１に充填する前に冷却することにより、成形型１の温度Ｔが粉末冶金用粉末６中の固体潤滑剤８の融点Ｔ８を超える温度になっても流動性を確保することができる。これにより、より高温での温間成形の量産性を向上することが可能となり、より高密度の圧粉体21を安定して得ることができる。
【００５３】
このように本実施例では、請求項２に対応して、粉末冶金用粉末６に、固体潤滑剤８より融点Ｔ９の高い固体潤滑剤９を配合し、この融点Ｔ９の高い固体潤滑剤９の該融点Ｔ９より成形型１の温度Ｔを低く設定するから、複数種類の固体潤滑剤８，９を用いて少なくとも一種類の融点Ｔ９の高い固体潤滑剤９は融解させず成形することにより、圧縮性及び潤滑性を向上することができる。
【００５４】
このように本実施例では、請求項３に対応して、充填前の粉末冶金用粉末６を、水の沸点ＴＦ未満で、該成形雰囲気の露点ＴＲより高い温度に冷却するから、冷却温度を、成形雰囲気の露点ＴＲより高い温度にすることで、空気中の水蒸気が液化することを防止でき、一方、水の沸点ＴＦ未満とすることにより、成形型１で加熱された粉末冶金用粉末６の流動性の悪化を防止し、量産性を確保することができる。
【００５５】
このように本実施例では、請求項４に対応して、固体潤滑剤８がステアリン酸亜鉛であるから、融解させて使用する固体潤滑剤８として、ステアリン酸亜鉛が圧縮性及び潤滑性に優れている。
【００５６】
このように本実施例では、請求項５に対応して、前記ステアリン酸亜鉛の配合量が０．２５重量％以上，０．７５重量％以下であるから、ステアリン酸亜鉛が０．２５重量％未満では、潤滑性が低下し、不適当であり、０．７５重量％を越えると、圧縮性が低下し、不適当であるから、上記の範囲が好ましい。
【００５７】
このように本実施例では、請求項６に対応して、高い融点の固体潤滑剤９が黒鉛粉末であるから、融解させないで使用する固体潤滑剤として、黒鉛が圧縮性及び潤滑性に優れている。また、黒鉛は材料として、焼結品の強度を向上することができる。
【００５８】
このように本実施例では、請求項７に対応して、前記黒鉛粉末の配合量が０．２重量％以上，０．８重量％以下であるから、黒鉛が０．２重量％未満では、潤滑性が低下し、不適当であり、０．８重量％を越えると、圧縮性が低下し、不適当であるから、上記の範囲が好ましい。
【００５９】
このように本実施例では、請求項８に対応して、粉末冶金用粉末６の冷却に冷却水を用いるから、冷却水は常温で液体、無害且つ潜熱が大きい特徴があり取扱性及び冷却性に優れているため好適である。
【００６０】
このように本実施例では、請求項９に対応して、冷却水の温度を、水の沸点ＴＦ未満，成形雰囲気の露点ＴＲ以上に保持するから、冷却水の温度を水の沸点ＴＦ未満、成形雰囲気の露点以上に保持することにより、容易に量産することが可能となる。
【００６１】
また、実施例上の効果して、冷却手段14は、フィーダ本体13の外面に冷却管15を蛇腹状に配置したから、構造簡易にして所定の冷却効果を得ることができる。
【００６２】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、２種類の固体潤滑剤を用いたが、３種類以上の固体潤滑剤を配合してもよく、この場合も、一番融点が高い固体潤滑剤の融点と、一番融点が低い固体潤滑剤の融点との間の温度範囲に、成形型の温度を設定すればよい。また、冷却手段は、請求項８，９以外では、各種の冷却液を用いることができ、さらに、空冷式やペルチェ素子などを用いた冷却方式など各種のものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１を示す第１工程の断面図である。
【図２】同上、第２工程の断面図である。
【図３】同上、成形密度と成形温度との関係を示すグラフ図である。
【図４】同上、湿り蒸気線図である。
【図５】同上、粉末冶金用粉末の温度と流動度との測定結果を示す図である。
【図６】同上、成形圧力と成形密度の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  成形型
２  ダイ
２Ａ  内周面
６  粉末冶金用粉末
６Ａ  原料粉末
７  加熱手段
８  固体潤滑剤
９  固体潤滑剤
13  フィーダー本体
14  冷却手段
21  圧粉体
Ｔ  成形型の温度
Ｔ６  粉末冶金用粉末の温度
Ｔ８  融点
Ｔ９  融点
ＴＦ  水の沸点
ＴＲ  露点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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