(57)【要約】【課題】本発明は、原料粉末を通常より低い圧力で圧縮しても、従来並みの高密度成形体が得られる粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法を提供することを目的としている。【解決手段】粉末冶金用原料粉末を金型に充填、圧縮して成形体を形成する粉末冶金技術を改良した。つまり、原料粉末に、０．０１〜２．０質量％の水を添加するようにした。この場合、前記水の添加を、前記金属粉末への吹き付け及び混合で行うのが好ましい。また、前記水の添加を、水蒸気若しくは前記原料粉末の温度より高い露点を有する気体に該原料粉末を接触させる、又は該原料粉末の層内に該気体を通過させて行っても良い。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末冶金用の原料粉末を金型に充填、圧縮して成形体を形成するに際して、
前記原料粉末に、水を該原料粉末及び水の合計に対して０．０１〜２．０質量％添加することを特徴とする粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法。
【請求項２】
前記水の添加を、前記原料粉末への吹き付け及び混合で行うことを特徴とする請求項１記載の粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法。
【請求項３】
前記水の添加を、水蒸気若しくは前記原料粉末の温度より高い露点を有する気体に、該原料粉末を接触させて行うことを特徴とする請求項１記載の粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法。
【請求項４】
前記気体を、空気又は窒素ガスとすることを特徴とする請求項３記載の粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法。
【請求項５】
前記原料粉末の主要部を鉄粉とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法に係わり、特に、鉄粉を焼結して高強度の機械部品にするに際し、焼結前に該鉄粉を金型に充填後、加圧して高密度の成形体とする粉末冶金技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
所謂「粉末冶金」は、原料粉末を金型で加圧成形してから所定温度で焼結し、種々の機械部品とする技術である。そのような機械部品を高強度なものにするには、高密度であることが必要である。そのため、通常は、原料粉末を金型で成形体とするに際し、高圧力で圧縮したり、あるいは原料粉末を１５０℃程度の温度（温間と称している）として圧縮して、できるだけ高密度の成形体としてから、焼結するようにしている。また、予備成形体を作製し、その焼結後に再圧縮する方法もある。
【０００３】
さらに、圧縮を促進するため、一般には、原料の金属粉末に金属石鹸等の粉末や油脂等の液体を潤滑剤として混合したり、金型の表面に潤滑剤を吹き付け、又は塗布して、圧縮時の金型内表面の抵抗を低減することも行なわれている。
【０００４】
しかしながら、高圧力の圧縮では、いくら圧力を高めても成形体の密度は飽和し、それ以上増加しないという問題や、金型の強度との兼ね合いもあって、適用する圧力に限界がある。また、前記温間で圧縮する技術では、原料の金属粉末を金型に供給するまでの間に加熱して一定温度に保持するため、複雑な機構の装置が必要であるし、金型も加熱するので、成形コストが非常に高くなるという問題がある。さらに、前記成形体を焼結した後に、再圧縮する技術では、圧縮工程が２回に増えて成形に時間がかかり、生産性が低下するという問題がある。加えて、原料粉末に圧縮を促進する潤滑剤を添加するにも、下記のような問題がある。
【０００５】
つまり、粉末の固体潤滑剤を用いると、成形体に均一に分散しないので、摩擦を生じる箇所の全てを効率良く潤滑できない。そのため、十分な潤滑効果を得るには、潤滑剤の添加量が増える。また、潤滑剤自体の密度は小さいので、成形体の到達できる最高密度を低くする。一方、液体の潤滑剤を用いた場合には、成形原料である金属粉末との均一な混合が難しく、混合後に粉末の流動性が低下して、金型の細径部分への充填ができなくなる等の問題が生じる。
【特許文献１】特開平７−７４０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、粉末冶金用原料粉末を通常より低い圧力で圧縮しても、従来並みの高密度成形体が得られる粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者は、上記目的を達成するため、粉末冶金用原料粉末の圧縮時における潤滑作用について鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。
【０００８】
すなわち、本発明は、粉末冶金用の原料粉末を金型に充填、圧縮して成形体を形成するに際して、前記粉末冶金用原料粉末に、水を該原料粉末及び水の合計に対して０．０１〜２．０質量％添加することを特徴とする粉末冶金用原料粉末の加圧成形方法である。この場合、前記水の添加を、前記原料粉末への直接吹き付け及び混合で行うのが好ましい。また、前記水の添加を、水蒸気若しくは前記原料粉末の温度より高い露点を有する気体に接触させて行っても良い。さらに、前記気体は、空気又は窒素ガスが好ましい。加えて、前記原料粉末の主要部を鉄粉とすることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原料粉末に水を添加することで、金属粉末表面に吸着水を生じ、金属粉末の充填層内に均一な潤滑作用が出現する。その結果、固体潤滑剤だけを用いた際の必要な箇所に潤滑剤が行き届かなかったり、液体潤滑剤だけを用いた際の流動性が悪化する問題が解消され、通常より低い圧力で円滑に高密度の成形体が得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明を実施する最良の形態を説明する。
【００１１】
まず、発明者は、原料粉末の成形体を圧縮で形成するに際しては、前記したように、潤滑剤の作用に問題があることに着眼し、その作用を幾分でも改良することにした。その際、耐火物やフェライトのような非金属を原料粉末とする成形体の製造では、該原料粉末に水を添加、混合していることに着眼した（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、金属粉末を含む原料粉末の成形体の製造では、該成形体の焼結前に金属粉末が酸化し、焼結に好ましくない影響を与えることを恐れ、今までに水を利用したことがない。
【００１２】
そこで、本当に焼結部品に及ぼす水の影響があるかを確認するため、粉末冶金用原料粉末に水を添加する試みを多々行った。その結果、成形体を製造する段階では、水の添加量は極めて少量で良く、焼結部品の品質への影響は皆無であることを見出した。そして、水の添加量と成形体の密度との関係を多種の原料粉末に対して調査したところ、水の添加は成形体密度を高めるのに極めて有効であることを発見し、この発見を本発明に具現化したのである。
【００１３】
その代表例として、粒径が１８０μｍ以下の鉄粉９７．２質量％、銅粉２質量％、黒鉛粉０．８質量％からなる鉄粉を主要部とする原料粉末を２５℃で成形した結果を以下に示す。なお、潤滑剤としては、固体のステアリン酸亜鉛を該原料粉末に外掛け０．７５質量％添加（原料粉末１００質量部に対して０．７５質量部添加）、混合した。
【００１４】
この原料粉末及び潤滑剤の混合粉を容器に入れ、該容器の重量を測定しながら、所定量の水をスプレーして吹き付けて水の添加量を調整してから、回転ミキサで十分に混合した。そして、得られた混合粉を内径１１．３ｍｍΦの円筒状金型に充填し、上方より４９０ＭＰａで加圧して高さ１０ｍｍの円柱状に圧縮成形した。この場合、水の添加量は、原料粉末と水の和に対して計算している。
【００１５】
その結果、図１に示すような成形体密度と添加水分量との関係が得られた。図１より、原料粉末に、水を添加してから、その後に金型に充填して圧縮成形すると、０．１質量％というわずかな水分の添加で、最高６．９８ｇ／ｃｍ2に近い高密度の成形体が得られることが明らかである。この値は、水を添加しない場合には、６９０ＭＰａで圧縮して得られるものであり、水の添加効果が大きいことを証明している。また、図１より、添加水分量が、原料粉末に対して０．０１〜２質量％の範囲にあれば、成形体密度が向上することもわかった。水の添加効果が出現する理由は、今までのところ定かでないが、０．０１質量％未満の水分添加では、少な過ぎて十分な潤滑効果が出現せず、２質量％超えでは、過剰な水が粉末粒子間に残留し、密度が十分に増加しないからと考えられる。
【００１６】
引き続いて、上記原料粉末以外にも多種の金属粉末で、上記と同様な実験を行ったところ、すべての金属粉末について図１とほぼ同様の結果が得られた。そこで、この結果を要件にして、本発明を完成させたのである。
【００１７】
次に、発明者は、水を添加する方法についても検討を行い、上記のように、所定量の水を原料粉末に吹き付けて、ミキサで混合することを最適と判断した。この場合、ミキサの形式は、Ｖ型ミキサ、ダブルコーン型ミキサ等の回転ミキサや、回転羽根を持つ撹拝器等、特に形式を選ばず適用できる。また、その他の水添加方法としては、金型に原料粉末を充填する直前に、水蒸気を含んだ気体を接触させても良い。その気体には、空気、窒素等をキャリア・ガスとして水蒸気を含有させたものが利用できる。この場合、気体の露点を原料粉末の温度より高くする必要がある。露点が原料粉末の温度以下であると、原料粉末に水を付与できないからである。
【００１８】
該原料粉末に水蒸気を含む気体を接触させる方法としては、圧縮成形工程において原料粉末を搬送する管や一時貯留する容器などに、水蒸気を含む気体を導入すれば良い。この場合、原料粉末を一時貯留する容器には、原料粉末を金型に充填するための所謂「フィーダー」も含まれる。水蒸気を含む気体の導入は、単に該気体を所要の部分に充満させるだけでなく、原料粉末層内部に通気させることも有効である。原料粉末層の内部に通気させる方法としては、所謂「エアレーション」法（容器壁面や、容器内部に通したパイプから気体を噴出させる）が利用できる。
【実施例】
【００１９】
種々の鉄粉を含有する原料粉末を用いて機械部品を製造した。その際、焼結前の高密度成形体の形成に、本発明に係る粉末冶金用原料粉末の加圧成形法を適用し、成形結果を従来の水を添加しない方法による成形結果と比較した。なお、原料粉末には、外掛けでステアリン酸亜鉛を０．７５質量％添加し、水の添加は、前記と同様に原料粉末を入れた容器の質量を測定しながら、スプレーで所定量の水を添加し、その後該容器ごと回転ミキサにかけて混合することで行った。その混合粉は、内径１１．３ｍｍΦの金型で、高さ１０ｍｍの円柱形状に圧縮成形された。また、成形時の原料粉末の温度は全て２５℃とした。
【００２０】
成形結果を、成形体で評価し、表１に一括して示す。表１より、本発明は、水を利用しない従来の成形方法より優れていることが明らかである。つまり、原料粉末を圧縮しても、従来に比較して高密度の成形体が得られる。
【００２１】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明をなす基盤となった原料粉末への水の添加量と成形体密度との関係を示す図である。
【図１】
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