JP5032459B2 - 乾性油結合剤を含む金属粉末組成物 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮成形部品を製造するための粉末冶金組成物に関する。具体的には、本発明は、改良された結合剤を含む結合された鉄粉末組成物に関する。

産業界では、鉄ベース粉末組成物を圧縮成形及び焼結することで製造される金属製品がますます普及している。これらの金属製品の品質要求事項は継続的に高くなり、その結果、改良された特性を有する新規な粉末組成物が開発されている。この最終の焼結製品の最も重要な特性の中には、密度及び寸法の許容誤差もあり、これらはとりわけ均一でなければならない。最終製品における寸法の変動の問題は、圧縮成形される粉末混合物の不均一性から生じることが多い。これらの問題は、サイズ、密度及び形状が相異する粉末状成分を含む粉末混合物で特に顕著であり、このような相異が粉末組成物の輸送、貯蔵及び取扱い中に偏析が起こる理由である。この偏析は、この組成物が不均一に構成されていることを意味し、これは、この粉末組成物から製造される部品が異なって構成され、したがって異なる特性を有することを意味する。他の問題は、微細な粒子、特に黒鉛などの低密度のものは、粉末混合物の取扱い中に発塵の原因になることである。

この粉末組成物に結合剤を添加することによって、偏析及び発塵の問題を軽減するか除くことが可能である。この結合剤の目的は、合金成分などの添加剤の小サイズ粒子をベース金属粒子の表面に強固に及び有効に結合させ、この結果、偏析及び発塵の問題を軽減することである。

結合剤の１つのタイプは、樹木樹脂からなり、約２０〜５０％のロジン酸（トールロジン）及び約３５〜５５％の遊離脂肪酸を含む乾性油であるトール油をベースとする。このような結合剤は、米国特許第４６７６８３１号、同第４８３４８００号、同第６６８２５７９Ｂ２号、同第６０６８８１３号、及び同第５４２９７９２号に開示されている。

ＵＳ４６７６８３１（Ｅｎｇｓｔｒｏｍ）には、一般に、結合剤としてある種のトール油の使用が開示されている。

ＵＳ４８３４８００（Ｓｅｍｅｌ）には、調整剤、おそらく、例えば、アマニ油、大豆油、キリ油又はトール油などの乾性油又は重合性液体モノマーの存在下で、多価アルコールと多塩基酸の生成物である、ある種の被膜形成性及び水不溶性アルキド樹脂の使用が開示されている。

ＵＳ６６８２５７９Ｂ２（Ｎａｒａｓｉｍｈａｎ）及びＵＳ６０６８８１３（Ｓｅｍｅｌ）には、冶金粉末組成物における結合剤として、トール油エステルの使用の可能性が開示されている。

ＵＳ５４２９７９２（Ｌｕｋ）には、高温で圧縮成形することが可能であり、鉄ベース粉末、合金粉末、高温圧縮成形潤滑剤及び結合剤を含む冶金粉末組成物が開示されている。好ましい結合剤としては、セルロースエステル樹脂、高分子量熱可塑性フェノール樹脂、ヒドロキシアルキルセルロース樹脂、及びこれらの混合物がある。この熱可塑性フェノール樹脂は、天然木材ロジン及びトール油ロジンからの樹脂酸と、例えば、メタノール、メチレン及びジエチレングリコール、グリセロール及びペンタエリスリトールなどのアルコール部分を含む化合物の間のエステル化反応の生成物である。

乾性油をベースとする結合剤は、満足に機能することが多いが、大規模の製造時に問題が発生することがあり、これらの問題は、圧縮成形部品の許容できない製品の不均一性及び広過ぎる重量の分散範囲を引き起こすことがある。広範囲の研究の後、これらの問題は、この油の乾燥時間が変化する場合に生じ、十分に制御することができないことが現在判明している。本発明はこの問題の解決に関する。

したがって、本発明の目的は、重量の分散範囲の狭い圧縮成形部品を製造するための新規な粉末冶金組成物を提供することである。この新規な組成物は、圧縮成形部品の大規模の製造に十分に適しており、輸送、貯蔵及び取扱い中の最小の偏析、低レベルの発塵及び十分な流動特性により特徴付けられる。

この目的は、結合剤として、乾性油を乾燥剤と組み合わせて用いることによって達成される。したがって、本発明は、鉄又は鉄ベース粉末、黒鉛及び場合による他の合金元素、潤滑剤又は添加剤、並びに乾性油及び乾燥剤を含む結合剤を含む、圧縮成形部品を製造するための粉末冶金組成物に関する。

本発明の乾燥剤は、乾性油の制御された乾燥を促進する化合物であり、本発明の方法の必要条件に合わせてこの油の乾燥時間を調整することを可能にする。この乾燥剤は、乾性油中に可溶性であり、これらの試薬は、化学的に金属石鹸と記述することができ、アルカリ土類金属又は重金属を含み得る。この乾燥剤は、好ましくは、オクタン酸又はナフテン酸のＺｎ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｚｒ、又はＣａ塩から選択され、これらの中でナフテン酸コバルトが最も好ましい。

使用する乾燥剤のタイプに応じて、乾性油に添加する最適な速度は、実験を通して容易に確立することができる。

これに関連して、乾性油は、化学的には、多価不飽和脂肪酸とポリオールのエステルとして記述することができ、酸素との反応を通して重合し（硬化し）、より微細な粒子を鉄ベース粉末粒子に結合させることが可能な固体被膜を成形する。好ましい乾性油では、この多価不飽和脂肪酸は、トール油脂肪酸又はアマニ油脂肪酸から誘導され、このポリオールは、好ましくは、グリセロール、プロパン−１，３−ジオール、ペンタ−、ジペンタ−又はトリペンタエリスリトールの群から選択される。

この結合剤は、鉄ベース粉末組成物に、０．０１〜１重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％の量で添加される。この結合剤中の乾燥剤の量は、使用する乾性油及び乾燥剤のタイプ及び好ましい乾燥時間に応じて０．０１〜５重量％である。本発明の現在のところ好ましい実施形態によれば、この乾燥剤は、結合剤の０．０５から２．５重量％の間、より好ましくは０．１から１重量％の間の量で使用される。

この結合剤の目的は、上述のように、黒鉛、他の合金元素及び他の添加剤の小サイズ粒子をベース金属粒子の表面に強固に及び有効に結合させて、この結果、偏析及び発塵の問題を軽減することである。驚くべきことには、乾性油を含む結合剤の乾燥時間の厳密な制御によって、許容されるレベルの発塵及び流動度、並びに、産業規模で製造した部品の重量の分散範囲をかなり狭くすることを達成することができることが判明した。

この結合剤の乾燥時間は、この乾性油に少なくとも１種の乾燥剤を添加することによって、好ましくは、４時間未満の値に制御される。さらに、結合剤が完全に乾燥される前に、均一に結合された粉末混合物の産業規模での製造を促進するためには、乾燥時間は、約３０分より短くしないことが好ましい。しかし、結合される材料の量、タイプ及びサイズ及び／又は他のパラメータに応じて、乾燥時間の他の好ましい間隔を対象としてよい。この乾燥時間の好ましい間隔は、実験によって容易に確立することができる。上記乾燥時間値は、Ｒｈｏｐｏｉｎｔ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ａｎａｌｙｓｅｒ（ＴＦＡ）を用いた、周囲温度及び湿度における測定を指す。

次に、本発明の冶金粉末組成物の他の成分の特性を手短に考察する。

鉄又は鉄ベース粉末は、粉末状添加剤と混合される、実質的に純粋な鉄粉又は異なる鉄粉の混合物であってよい。この粉末は、前駆合金粉末又は拡散合金若しくは部分的合金の粉末であってもよい。鉄又は鉄ベース粒子の粒径は、好ましくは、約５００μｍまでの最大の重量平均粒径を有する。

合金元素の例には、銅、モリブデン、クロム、ニッケル、マンガン、リン、黒鉛の形態の炭素及びタングステンがあり、これらは、単独で又は組み合わせて使用される。一般的に使用される元素、銅及びニッケルは、適切にはそれぞれ３重量％及び５重量％までの量で使用し得る。黒鉛の量は、０．１から２重量％の間で変化し得る。これらの添加剤は、一般に、ベース鉄粉末より小さな粒径を有する粉末であり、大部分の添加剤は、約２０μｍ未満の粒径を有する。

さらに、本発明の組成物は、一般的な添加剤、例えば、焼結助剤、硬質相材料、被削性向上剤を含んでよい。

潤滑剤の例には、ステアリン酸の金属塩、例えばステアリン酸亜鉛、及びアミドワックス、例えばエチレンビスステアリン酸アミドがある。この潤滑剤は、冶金組成物中に１．５重量％までの量で含まれ得る。

本発明の好ましい実施形態に関する下記の非限定的な実施例によって、本発明をさらに例示する。

（実施例１）
この実施例は、乾燥時間と乾燥剤の添加量の間の関係に関する。

結合剤として、トール油脂肪酸及びジペンタエリスリトールのエステル化を通して得られるトール油エステルを含む乾性油、及び乾燥剤を使用した。乾燥剤として、ナフテン酸コバルトの１０重量％溶液を使用した。

この乾性油の乾燥時間を制御するために、様々な量の乾燥剤を乾性油と混合した。乾燥剤の添加量（乾性油の重量％として）と乾燥時間（Ｒｈｏｐｏｉｎｔ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ａｎａｌｙｓｅｒ（ＴＦＡ）を用いて、周囲温度及び湿度で測定した）の間の関係を、以下の表１に示す。

図に示すように、適当な乾燥時間を得るためには、トール油エステル中の乾燥剤、ナフテン酸コバルトの量は、０．３から０．６重量％の間で変化するべきである。

（実施例２）
この実施例は、製造された圧縮成形部品の重量の分散への、結合剤中の乾燥剤量の影響を例示する。

実施例１と同じ乾性油及び乾燥剤を使用した。

２種の鉄粉混合物Ａ及びＢをそれぞれ調製した。両混合物は、Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢから入手可能なアトマイズ鉄粉ＡＨＣ １００．２９、銅粉２重量％、黒鉛ＵＦ−４ ０．８重量％、及び潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．８重量％を含んでいる。第１の混合物に、乾燥剤０．２５重量％及び残りは乾性油を含む結合剤を０．０５重量％添加し、第２の混合物に、乾燥剤０．５重量％及び残りは乾性油を含む結合剤を０．０５重量％添加した。

それぞれの混合物から、２５０ｇの目標重量を有する２００個の構成材の小片を産業的環境で製造した。各小片を秤量し、±１．２５ｇを超える重量偏差を有する小片を排除した。表２は、産業的環境で製造した場合に、それぞれの異なる組成物から排除された小片の数を示す。

表２から分かるように、乾燥時間を３０分から４時間の間に制御するのに十分な乾燥剤の量を添加すると、産業的環境で構成材を製造する場合に排除される小片の数は明らかに減少する。

Claims (10)

1. 鉄又は鉄ベース粉末、並びに乾性油及び乾燥剤からなる結合剤を含む、圧縮成形部品を製造するための粉末冶金組成物であって、前記乾性油が、多価不飽和脂肪酸とポリオールとのエステル化により得られたエステルを含み、前記結合剤の量が前記組成物中の０．０１〜１重量％の間であり、前記結合剤中の前記乾燥剤の量が０．０１〜５重量％である、前記粉末冶金組成物。
2. 前記多価不飽和脂肪酸が、トール油から又はアマニ油から誘導される、請求項１に記載の粉末冶金組成物。
3. 前記ポリオールが、グリセロール、プロパン−１，３−ジオール、及びジペンタ−又はトリペンタエリスリトールの群から選択される、請求項１に記載の粉末冶金組成物。
4. 前記乾燥剤の少なくとも１種の成分が、油溶性の、オクタン酸又はナフテン酸のＺｎ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｚｒ、又はＣａ塩の群から選択される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の粉末冶金組成物。
5. 前記乾燥剤がナフテン酸コバルトである、請求項４に記載の粉末冶金組成物。
6. 前記結合剤の量が、前記組成物中の０．０１〜０．５重量％の間である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の粉末冶金組成物。
7. 前記結合剤が０．５〜４時間の乾燥時間を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の粉末冶金組成物。
8. 黒鉛をさらに含む、請求項１から７までのいずれか一項に記載の粉末冶金組成物。
9. 少なくとも１種の潤滑剤をさらに含む、請求項１から８までのいずれか一項に記載の粉末冶金組成物。
10. 合金元素、焼結助剤、被削性向上剤及び硬質相材料からなる群から選択される少なくとも１種の添加剤をさらに含む、請求項１から９までのいずれか一項に記載の粉末冶金組成物。