TW200800441A - Mixed powder for powder metallurgy, green compact thereof and sintered compact - Google Patents

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200800441 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於能減少碳供給成分之飛散與偏析之粉末 冶金用混合粉末、使用該粉末冶金用混合粉末所製得之高 密度的壓粉體、以及將該壓粉體燒結而製得之燒結體。 【先前技術】 使用鐵基粉末來製造燒結體等的製品之粉末冶金法， 相較於其他方法，在價格、製品尺寸精度、生產性等方面 均相當優異，因此被廣爲使用。 粉末冶金法，係將含有鐵基粉末之原料粉末經混合、 加壓成形而形成壓粉體，再在熔點以下的溫度予以燒結以 製造燒結體。其中之混合步驟，基於提昇混合粉末之操作 性可提高加壓成形步驟之作業效率以製得均質的燒結體之 觀點，其乃極重要的操作。在混合步驟，一般是在鐵基粉 末中加入既定的碳供給成分（碳源）而構成原料粉末，再 在其中添加混合用來提昇潤滑性之潤滑劑。 以往，關於碳供給成分，一般廣泛採用價廉且容易取 得之石墨。 然而，當使用石墨粉末時，由於在混合步驟或加壓成 形步驟石墨會發生粉塵（飛散），而產生混合粉末之操作 性差、工作環境變差等的問題。再者，石墨粉末與鐵基粉 末，由於粒徑不同，且比重也有很大的差異，即使在混合 機中暫時進行均質混合，在其後之操作中仍然容易產生分 -5- (2) (2)200800441 離、偏析（粒度偏析、比重偏析）。 於是，以往爲了防止石墨粉末之偏析，係使用黏結劑 (binder) 〇 然而，黏結劑由於一般均具有黏著性，故會阻礙混合 粉末之流動性。當混合粉末之流動性變差，例如，在將混 合粉末從貯藏斗移送至成形模具時、或將混合粉末充塡於 成形模具時等之加壓成形步驟，會在貯藏斗之排出上部發 生橋接（bridging)等而造成排出不良，或將從貯藏斗通 到粉末供給箱（shoe box )之軟管堵塞而產生問題。此外 ，當混合粉末之流動性變差，要在成形模具（特別是薄壁 部分）內整體均一地充塡混合粉末會有困難，因此不容易 獲得均質的壓粉體。 爲了解決起因於黏結劑之上述問題點，專利文獻1〜3 揭示出能防止石墨粉末之偏析且能改善混合粉末的流動性 之新型黏結劑。然而，在使用該等黏結劑時無法使壓粉體 之密度充分提昇，而存在難以獲得強度及硬度良好的燒結 體之問題。 此外，使用黏結劑之習知方法，必須另外導入在混合 粉末中添加混合黏結劑之步驟，必然會造成生產性變差。 另一方面，在專利文獻4、5中，關於碳供給成分， 除石墨粉末外雖例示出碳黑，但其實施例欄中僅記載使用 石墨粉末之實驗結果，針對使用碳黑之實驗結果則完全沒 有記載。 專利文獻1:日本特開2003 - 1 05405號公報 (3) (3)200800441 專利文獻2:日本特開2004 - 256899號公報 專利文獻3:日本特開2004 - 360008號公報 專利文獻4 :日本特開2004 - 162170號公報 專利文獻5:日本特開2004 - 115882號公報 【發明內容】 本發明係有鑑於上述事情而構成者，其目的係提供一 種不須使用黏結劑仍能防止碳供給成分之發生粉塵及偏析 之均質的粉末冶金用混合粉末。 本發明之另一目的，係針對具有前述特性之混合粉末 ’提供一種能製造出機械特性優異的壓粉體及均質的燒結 體之粉末冶金用混合粉末。 本發明之另一目的，係提供一種高密度且具有良好的 形狀保持性之壓粉體。 本發明之另一目的，係提供一種強度及硬度均高且機 械特性優異之燒結體。 亦即，本發明係關於一種粉末冶金用混合粉末，其爲 含有鐵基粉末及碳供給成分之粉末冶金用混合粉末，前述 碳供給成分係包含石墨粉末及碳黑，且石墨粉末及碳黑之 混合比例爲石墨粉末：碳黑=2 5〜8 5重量份：7 5〜1 5重量 份的範圍內。 上述粉末冶金用混合粉末較佳爲，碳黑之酞酸二丁酯 吸收量60mL/100g以下、且氮吸附比表面積5〇m2/g以下 (4) 200800441 本發明另關於一種粉末冶金用混合粉末，其爲含有鐵 基粉末及碳供給成分之粉末冶金用混合粉末，前述碳供給 成分係含有：酞酸二丁酯吸收量60mL/100g以下、且氮吸 附比表面積50m2/g以下之碳黑作爲主成分。 在此之主成分是指，碳供給成分僅由碳黑所組成，或 碳供給成分中佔最大比例的成分爲碳黑。 上述粉末冶金用混合粉末較佳爲，相對於前述鐵基粉 Φ 末1 〇〇重量份，前述碳供給成分之含量爲4重量份以下。 前述碳供給成分之較佳下限爲〇. 1重量份。 上述粉末冶金用混合粉末更佳爲含有物性改善成分。 上述粉末冶金用混合粉末更佳爲含有潤滑劑。 能夠解決上述課題之本發明的壓粉體，係使用上述任 一粉末冶金用混合粉末而製得。 能夠解決上述課題之本發明的燒結體，係將上述壓粉 體予以燒結而製得。 • 依據本發明，由於不須使用黏結劑即可製得能減少碳 供給成分之發生粉塵與偏析之混合粉末，故其生產性優異 〇 再者，若使用本發明之粉末冶金用混合粉末’由於能 製得高密度且形狀保持性良好的壓粉體，最終能製得機械 性優異的燒結體。 【實施方式】 本案發明人，爲了提供不須使用黏結劑仍可製得能減 -8 - (5) (5)200800441 少碳供給成分之發生粉塵與偏析之粉末冶金用混合粉末， 係著眼於碳黑進行深入檢討。結果，關於碳供給成分，不 僅像習知般僅使用碳黑，若使用石墨粉末與碳黑組成之既 定混合物，則可達成所期望之目的而完成本發明。 以下詳細說明本發明。 本案發明人，爲了提供出不須使用黏結劑之粉末冶金 用混合粉末、特別是能製造高密度的壓粉體之混合粉末， 係著眼於碳供給成分而進行深入檢討。 具體而言，本發明之混合粉末的指標包括：（1 )游 離碳量爲30%以下、（2 )以成形壓力490MPa形成壓粉體 時之密度爲6.70g/cm3以上。 本案發明人，首先僅使用碳黑進行實驗。結果得知， 若取代石墨粉末而全部使用碳黑，混合粉末之游離碳量（ C-loss)變小，能減少碳供給成分之發生粉塵與偏析。然 而’經本案發明人之實驗結果得知，依碳黑之品種（酞酸 二丁酯吸收量、比表面積、粒徑），可能難以均一混合於 鐵基粉末中，相較於使用石墨粉末的情形，可能發生粉塵 與偏析的程度變嚴重，且即使進行壓粉成形可能仍無法獲 得足夠強度的壓粉體。 於是’本案發明人，針對不論碳黑品種爲何均能以碳 黑作爲碳供給成分之技術深入硏究。結果得知，作爲碳供 給成分’不是僅使用碳黑而是使用碳黑與石墨粉末之既定 比例混合物，則不論碳黑之品種爲何，均能獲得混合粉末 所要求的特性（防止碳供給成分之發生粉塵與偏析）。再 -9 - (6) (6)200800441 者，藉由提供一種混合粉末，將其實施加壓成形而製得之 壓粉體的特性（壓粉體之密度、耐磨耗測試値（rattler value ))良好，且其最終製品之燒結體的特性（密度、壓 環強度、硬度）優異，而到達本發明之完成。 本發明之將石墨粉末與碳黑以既定比例倂用以獲得兼 備所期望的特性之粉末冶金用混合粉末，其詳細機制雖不 清楚，但能做以下的推定。當碳黑與石墨粉末混合時，由 於能防止碳黑粒子彼此間之凝集、固接，不論碳黑之品種 爲何，均能和鐵基粉末均一地混合，以減少發生粉塵與偏 析的程度。此外，當碳黑與石墨粉末混合時，會有覆石墨 粉末粒子之碳黑粒子存在，由於具有這種被覆形態之碳黑 粒子會附著於鐵基粉末，故能使用對鐵基粉末附著性不佳 之石墨粉末。 首先說明本發明所使用之碳黑。 一般而言’碳黑係大致由95 %以上的無定形碳所構成 ，其爲比表面積最大可達1 〇〇〇 m2/g左右之微粒粉體。碳 黑’其各個粒子彼此熔合，而以三維之連鎖狀或串狀的凝 集體（structure)之形態存在。 碳黑之特性’主要是根據粒子形態（粒徑、比表面積 等）、粒子的凝集形態、粒子表面之物理化學特性等來評 價。本發明對這些特性沒有特別的限定，在不影響本發明 作用之範圍內能選擇適當的特性。 然而’爲了進〜步改善混合粉末所要求之上述特性， fe黑較佳爲付合以下要件。 -10- (7) (7)200800441 首先，代表粒子凝集形態之酞酸二丁酯（DBP )吸收 量以120mL/100g以下爲佳。 在此之「DBP吸收量」是指，爲了塡滿碳黑之空隙所 需之DBP量’亦即碳黑能吸收液體DBP之吸油量。已知 DBP吸收量與凝集體有密切的關係。例如，由小粒徑（數 nm〜2 0nm左右）的一次粒子以高度連鎖凝集而構成、亦 即凝集體高度發達之碳黑，由於存在於粒子間之空隙容積 很大，具有大的DBP吸收量。另一方面，一次粒子之粒 徑大且各粒子具有獨立構造、亦即凝集體不發達之碳黑， 由於空隙容積小而具有小的DBP吸收量。 DBP吸收量大之碳黑，由於具有凝集體高度發達的凝 集構造，其壓粉體之密度無法充分提昇，且以耐磨耗測試 値爲代表之機械強度不佳。 碳黑之DBP吸收量越少越好，例如以60mL/100g以 下爲佳，50mL/100g以下更佳，40mL/100g以下則更佳。 關於其下限，基於改善壓粉體的密度與機械強度之觀點雖 沒有特別的限定，但考慮到碳黑所形成之凝集體等時，則 以20mL/100g以上爲佳。 碳黑之DBP吸收量，係根據JIS K6217-4之「橡膠用 碳黑-基本特性-第4部：DBP吸收量之求取方法」來測 定。 此外，比表面積之代表性指標之氮吸附比表面積，大 致以150m2/g以下爲佳。 在此，「氮吸附比表面積」是指，包含碳黑表面的細 -11 - (8) (8)200800441 孔部分之全表面積之對應量。 當氮吸附比表面積變大，其壓粉體之密度無法充分提 昇，耐磨耗測試値變差。因此，可能無法充分符合燒結體 所要求的特性。 碳黑之氮吸附比表面積越小越好，例如較佳爲50m2/g 以下，更佳爲40m2/g以下，30m2/g以下則更佳。關於其 下限，基於改善壓粉體的密度與機械強度之觀點雖沒有特 別的限定，但考慮到碳黑所形成之凝集體等時，則以 5m2/g以上爲佳。 碳黑之氮吸附比表面積，係根據JIS K 6217-2所記載 之方法進行測定。 碳黑之一次粒子之平均粒徑，以40nm以上爲佳。除 前述氮吸附比表面積外，若進一步控制一次粒子之平均粒 徑以嚴密地調整碳黑之粒子形態，則能更加改善壓粉體的 特性而獲得機械特性更加優異的燒結體。當一次粒子的平 均粒徑未達40nm時，在混合步驟，碳黑容易形成高度凝 集之複雜的凝集體，而使壓粉體之密度等變低。一次粒子 的平均粒徑越大越好，例如較佳爲70nm以上。關於其上 限，基於改善壓粉體的密度與機械強度之觀點雖沒有特別 的限定，但考慮到碳黑所形成之凝集體等時，則以1 000 nm以下爲佳。 碳黑之一次粒子的平均粒徑，能用電子顯微鏡進行測 定。具體而言，用電子顯微鏡在幾個視野拍攝數萬倍的相 片，平均每1樣品測定約2千個〜1萬個粒子之圓近似直 -12 - (9) (9)200800441 徑。測定能使用粒徑自動解析裝置（Zeiss Model TGA10 )等來進行。 碳黑之碳純度沒有特別的限定。但是，碳（C )以外 的原子可能會對燒結體特性發生不良影響，因此碳黑之碳 純度越高越好。具體而言，碳黑之碳比例較佳爲9 5 %以上 ’更佳爲9 9 %以上。C以外的元素，例如包含氫（η )、 灰分（金屬元素、無機元素）等等。關於灰分，可列舉 Mg、Ca、Si、Fe、Α卜V、K、Na等的鹽類以及其等的氧 化物等等，其中，氫（Η)含量較佳爲0.5 %以下。灰分之 合計含量，較佳爲0 · 5 %以下，更佳爲〇 · 1 %以下。 符合前述要件之碳黑的製作方法，並沒有特別的限定 ’能適當選擇一般使用的方法。具體而言，例如包括油爐 法、熱解法（熱分解法）等等，其中，後者之熱解法，由 於容易控制成一次粒子的平均粒徑大、一次粒子呈獨立構 造’故適用於作爲本發明之碳黑的製作方法。 滿足上述要件之碳黑也能使用市售品。 此外，本案發明人發現，當碳供給成分之主成分，係 使用酞酸二丁酯吸收量60mL/100g以下、且氮吸附比表面 積50m2/g以下之碳黑時，所組成之粉末冶金用混合粉末 之游離碳量少，且加壓成形爲壓粉體時的特性（壓粉體的 密度與耐磨耗測試値）良好。這時，碳供給成分中之碳黑 本身也能獲得良好的特性。這時，相對於基底之鐵基粉末 1〇〇重量份，碳黑含量較佳爲4.0重量份以下。如前述般 ’碳黑雖具有提昇壓粉體的密度與強度之作用，但當碳黑 -13- (10) (10)200800441 含量超過4· 0重量份時，上述作用反而可能會降低。再者 ’碳黑含量之下限較佳爲〇_ 1重量份以下，藉此能有效發 揮碳黑之上述作用。碳黑之含量更佳爲〇·2重量份以上 2 · 〇重量份以下。 此外’燒結時碳黑朝向鐵基粉末之滲碳作用，係和石 墨粉末相同，亦即碳黑也屬於碳供給源。 接著說明本發明所使用之石墨粉末。 石墨粉末，只要是一般使用於粉末冶金用混合粉末者 即可’並沒有特別的限定。 但是’石墨粉末之平均粒徑以大致4 0 // m以下爲佳。 平均粒徑超過40 // m時，在燒結步驟其與鐵基粉末之反應 可能不完全。其下限沒有特別的限定。一般使用之石墨粉 末的平均粒徑大致爲5〜20 μ m左右，本發明也能採用這 種石墨粉末。 符合上述要件之石墨粉末，例如可使用市售品。 碳黑與石墨粉末之混合比例，如後述之實施例所示， 不拘碳黑之品種，相對於碳黑及石墨粉末合計1 〇〇重量份 ，碳黑以15重量份以上75重量份以下的範圍爲佳。亦即 ，石墨粉末與碳黑之混合比例，較佳爲石墨粉末：碳黑 =25〜85重量份：75〜15重量份的範圍內。當碳黑比例未 達15重量份時，游離碳量（c-loss)增大，碳供給成分之 發生粉塵與偏析變嚴重。另一方面，當碳黑比例超過7 5 重量份時，碳黑品種所造成的影響變大，依所選擇之碳黑 品種，在加壓成形時’可能變脆而難以保持其形狀。此外 -14- (11) 200800441 ’也可能無法達到所期望之粉體密度。碳黑比例較佳爲20 重量份以上60重量份以下，更佳爲20重量份以上50重 量份以下。 具體而言，碳黑之混合比例較佳爲，如後述之實施例 所示’按照碳黑之DBP吸收量及氮吸附比表面積的範圍 來做適當的改變。藉此，能獲得所期望之混合粉末（游離 碳量爲30%以下、壓粉體密度爲6.70g/cm3以上）。 ^ 本發明之粉末冶金用混合粉末，係含有上述碳供給成 分與鐵基粉末。 本發明所使用之鐵基粉末，係包含純鐵粉與鐵合金粉 。其等係單獨使用或倂用皆可。 前述之純鐵粉，係含有純鐵97%以上、剩餘部由不可 避免的雜質（例如氧、矽、碳、錳等）構成，亦即實質上 可視爲純鐵成分之鐵粉。 此外，前述鐵合金粉，基於改善燒結體特性之目的， • 係含有銅、鎳、鉻、鉬、硫、錳等之鐵以外的合金成分。 鐵合金粉可大致分成：擴散型鐵粉（將合金元素擴散接合 於基鐵粉中而構成，partially alloy powder)、預合金型 鐵粉（在熔解步驟添加合金元素而製得，prealloyed powder)，在本發明，可將其等單獨使用，或將兩者組合 使用。 本發明之混合粉末，可由前述碳供給成分與鐵基粉末 所構成，基於改善燒結體特性等之目的，亦可進一步添加 物性改善成分。 -15- (12) 200800441 關於物性改善成分，例如可列舉金屬粉末、無機粉末 。其等係單獨使用或倂用2種以上皆可。 前述金屬粉末，可列舉銅、鎳、鉻、鉬、錫、釩、錳 、磷鐵等。其等係單獨使用或倂用2種以上皆可。特別是 ’當鐵基粉末是使用純鐵粉時，以添加上述金屬粉末爲佳 。該等金屬粉末’可以是和鐵進行合金化所得之鐵合金， 也可以是鐵以外之2種以上金屬所構成之合金粉末。 • 前述無機粉末’可列舉：硫化錳、二氧化錳等的硫化 物；氮化硼等的氮化物；硼酸、氧化鎂、氧化鉀、氧化矽 等的氧化物；磷、硫等等。其等係單獨使用或倂用2種以 上皆可。 上述物性改善成分之含量沒有特別的限制，在不影響 本發明作用的限度內，能按照最終製品所要求之諸特性來 適當的決定，但較佳爲，相對於鐵基粉末1 〇〇重量份，其 合計含量爲0 · 0 1重量份以上1 0重量份以下。 # 例如，鐵基粉末是使用鐵粉時，下述粉末之較佳含量 如下所示。銅·· 0 · 1〜1 0重量份，鎳：0.1〜1 0重量份，鉻 :0.1〜8重量份，鉬：0.1〜5重量份，磷·· 0.01〜3重量 份，硫：0 · 0 1〜2重量份。 本發明之混合粉末，在不對本發明的作用發生不良影 響之範圍內，能進一步含有潤滑劑。潤滑劑之作用在於， 在壓粉體之加壓成形時，能減低壓粉體與模具之摩擦係數 ，而減少咬住模具與模具損傷等之發生。 本發明所使用之潤滑劑，只要是粉末冶金用混合粉末 -16- (13) (13)200800441 一般採用者即可，並沒有特別的限制，可列舉：伸乙雙硬 脂醯胺、硬脂酸醯胺、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰等等。其等係 單獨使用或倂用2種以上皆可。 上述潤滑劑較佳爲，相對於鐵基粉末1 〇〇重量份，其 含量在〇 · 〇 1〜1 · 5重量份的範圍內。潤滑劑之含量未達 0 · 0 1重量份時，添加潤滑劑之作用無法充分發揮。另一方 面，當潤滑劑之含量超過1 . 5重量份時，壓粉體之壓縮性 等可能變差。潤滑劑之較佳含量爲0.1〜1.2重量份，其更 佳含量爲0.2〜1.0重量份。 在本發明，可將通常添加於粉末冶金用混合粉末中之 黏結劑予以省略。如前述般，本發明係使用石墨粉末與碳 黑之既定混合物、或是既定碳黑作爲碳供給成分，因此， 不須使用黏結劑仍能充分防止碳供給成分之飛散與偏析（ 參照後述實施例）。但是，在不影響本發明作用（特別是 混合粉末之流動性）之範圍內，也能使用一般汎用的黏結 劑。添加黏結劑之目的，並非基於防止碳供給成分偏析之 觀點，而是爲了抑制Ni粉、Cu粉等缺乏自附著性的粉末 之偏析。或者是，也能使用前述日本特開2 0 0 3 - 1 0 5 4 0 5 號公報、日本特開2004 - 256899號公報、日本特開2004 -36 0008號公報等所記載之黏結劑。 接著說明使用上述成分來製作混合粉末、壓粉體以及 燒結體之方法。 本發明之混合粉末，係將本發明所規定之碳供給成分 (石墨粉末與碳黑之既定混合物、或是既定碳黑作爲碳供 -17- (14) 200800441 給成分）與鐵基粉末混合而製得。視需要，也 物性改善成分，或進一步添加潤滑劑、黏結劑 與鐵基粉末混合時之碳黑以及石墨粉末之 有特別的限定。 例如，碳黑能以粉末形態與鐵基粉末進行 碳黑用有機溶劑等的分散介質分散而以分散液 基粉末進行混合。後者的情形，在混合後，較 φ 等方法將分散介質除去。 混合方法沒有特別的限定，可使用具有葉 、V形混合機、雙重圓錐混合機（W錐）等之 混合機進行混合。混合條件較佳爲，例如在使 之混合機時，將葉片之旋轉速度（葉片之周速 約 2〜10m/S的範圍內攪拌約 0.5〜20分鐘。 用V形混合機、雙重圓錐混合機時，較佳爲 混合1〜60分鐘。 • 然後，用上述混合粉末使用粉末壓縮成形 的加壓成形方法製得壓粉體。具體之成形條件 成混合粉末之成分種類與添加量、壓粉體的形 等（大致爲室溫〜15.CTC)、成形壓力等會有 佳爲以壓粉體密度成爲約6.0〜7.5g/cm3的範 進行成形。 最後，使用上述壓粉體，用通常的燒結方 體。具體之燒結條件，雖依照構成壓粉體之成 添加量、最終製品之種類等會有不同，但較 能添加前述 〇 形態，並沒 混合，或將 的狀態與鐵 佳爲用加熱 片之混合機 一般使用的 用具有葉片 度）控制在 此外，在使 乂 2 〜5 Orpm 機而以通常 ，雖依照構 狀、成形溫 不同，但較 圍內之方式 法製得燒結 分的種類與 佳爲例如在 -18- (15) (15)200800441 N2、N2-H2、烯烴等的環境氣氛下，於1000〜1300°C之溫 度進行5〜60分鐘之燒結。 (實施例） 以下用實施例來具體說明本發明，但本發明並不受下 述實施例之限制，在能符合本發明主旨之範圍內也能做適 當的改變來實施，當然其等均包含於本發明之技術範圍內 。再者，以下實施例中之「％」，在沒有特別說明的情形 ，係指「重量％」。 實施例1 (混合粉末及壓粉體特性之探討） 本實施例係探討，使用各種碳黑及石墨粉末作爲碳供 給成分時之混合粉末與壓粉體的特性。 具體而言，係使用表1所示之a〜c之碳黑（市售品 )及表2所記載之X〜Z之石墨粉末（市售品），如以下 所示般製作出粉末冶金用混合粉末及壓粉體（實驗1〜24 )。表1及表2中之數値係根據市售品之型錄所記載之數 據。 關於各實驗所得之混合粉末及壓粉體之特性，係根據 以下方法進行測定' 評價。 (混合粉末之特性） 1·關於表觀密度之測定，係根據JI S Z2 504 (金屬粉 之表觀密度試驗法）來測定混合粉末之表觀密度（g/cm3 -19- (16) 200800441 2·關於流動性之測定，係根據JIS Z2502 (金屬粉之 流動性試驗法）來測定混合粉末（50g )從 2·63πιπιφ 之孔 口流出所花費的時間（seC/50g)。 3·關於游離碳量（發生粉塵率，C-loss )，係如第1 圖所示，在裝設有新型微孔過濾器1(網目12#m)之漏 斗狀玻璃管2 (內徑16mm、高l〇6mm )中倒入混合粉末 φ P(2 5g)，由玻璃管2下方以0·8升/分鐘的速度通20分 鐘氮氣，用下式求出游離碳量（％ )。在本實施例，將游 離碳量3 0 %以下者評價爲合格。 游離碳量（％) = [1 -(氮氣流通後之碳量（％))/(氮氣流通 前之碳量（％))]χ100 在此，碳量（％)是指混合粉末中之碳重量％。 (壓粉體之特性） • 1.關於密度之測定，爲了測定壓粉體之密度，係根 據粉體粉末冶金協會（Japan Society of Powder and Powder Metallrugy、JSPM )之標準1-64 (金屬粉之壓縮 性試驗方法）製作出直徑 1 1.3mm、高10mm之圓柱狀壓 粉體。其成形壓力爲49 0MPa。測定所製得之粉體重量， 將其除以體積即獲得壓粉體之密度（g/cm3 )。在本實施 例’將壓粉體之密度爲6.70 g/cm3以上者評價爲合格。 2·關於磨耗試驗値（rattler value )之測定，係根據 曰本粉末冶金工業規格（Japan Powder Metallurgy -20- (17) 200800441

Association standard、JPMA) 011-1192 (金屬壓粉體之磨 耗試驗値測定方法），測定壓粉體之磨耗試驗値（％ )。 (實驗1 ) 首先，作爲鐵基粉末，係準備市售之純鐵粉（神戶製 鋼所製「愛特梅爾300M」），對該純鐵粉，添加市售之 霧化銅粉（平均粒徑48 // m) 2.0%、碳供給成分0.80%〔 φ 表1所記載之碳黑a佔0.004%，表2所記載之石墨粉末 X佔0.796% (碳黑：石墨粉末=〇·5重量份：99.5重量份 )〕、潤滑劑之伸乙雙硬脂醯胺0.75%，使用V型混合機 以30rpm的轉速進行30分鐘混合而製得混合粉末。此處 並未使用黏結劑。 接著’將上述混合粉末置入粉末壓縮成形機，於490 MPa的壓力下進行壓縮成形，製得外徑1K3mm、高1〇mm 之圓柱狀壓粉體。 (實驗2〜7 ) 將實驗1中碳黑a與石墨粉末X之混合比例分別改變 成表3所記載，除此外以和實驗1同樣地方式製作出實驗 2〜7之混合粉末及壓粉體。 (實驗8 ) 在實驗1中未使用石墨粉末X而採用表1之碳黑a計 0 · 8 0 % ’除此外以和實驗1同樣地方式製作出實驗8之混 -21 - (18) 200800441 合粉末及壓粉體。 (實驗例9〜1 3 ) 在實驗1中，取代碳黑a而使用表丨之碳黑b，且如 表3所示改變碳黑b與石墨粉末X之混合比例，除此外以 和實驗1同樣地方式分別製作出實驗9〜1 3之混合粉末及 壓粉體。 (實驗1 4 ) 在實驗1中，不使用石墨粉末X而使用表1之碳黑b 計0 · 8 0%，除此外以和實驗1同樣地方式製作出實驗1 4 之混合粉末及壓粉體。 (實驗1 5〜1 8 ) 在實驗1中，取代碳黑a而使用表1之碳黑c，且如 表3所示改變碳黑c與石墨粉末X之混合比例，除此外以 和實驗1同樣地方式分別製作出實驗1 5〜1 8之混合粉末 及壓粉體。 (實驗19) 在實驗1中，不使用石墨粉末X而使用表1之碳黑c 計0.80%，除此外以和實驗1同樣地方式製作出實驗19 之混合粉末及壓粉體。 -22 - (19) 200800441 (實驗20 ) 在實驗1中，不使用碳黑而採用表2之石墨粉末X計 0.80%，除此外以和實驗1同樣地方式製作出實驗20之混 合粉末及壓粉體。 (實驗2 1 ) 在實驗5中，取代石墨粉末X而改用石墨粉末γ，除 • 此外以和實驗5同樣地方式製作出實驗21之混合粉末及 壓粉體。 (實驗22 ) 在實驗20中，取代石墨粉末X而改用表2之石墨粉 末Y計0.80%，除此外以和實驗20同樣地方式製作出實 驗22之混合粉末及壓粉體。 • (實驗23 ) 在實驗5中，取代石墨粉末X而改用石墨粉末z，除 此外以和實驗5同樣地方式製作出實驗2 3之混合粉末及 壓粉體。 (實驗24) 在實驗20中，取代石墨粉末X而改用表2之石墨粉 末Z計0.80%，除此外以和實驗20同樣地方式製作出實 驗24之混合粉末及壓粉體。 -23- (20) 200800441 將實驗結果整理於表3。在表3設有綜合評價欄，符 合本發明的合格基準（游離碳量3 0%以下、以成形壓力 490MPa成形出壓粉體時之密度6.70g/cm3以上）之混合粉 末評價爲A，只要不符合任一合格基準就評價爲B。

〔表1〕 記號 製造廠商 DBP吸收量 (mL/100g) 氮吸附比 表面積 (m2/g) 一次粒徑之 平均粒徑 (nm) 製造方法 備考 a A公司 38 8 300 熱解法 揮發份<1%、 灰份〇·3% b A公司 113 130 10 油爐法 比著色力124%、 灰份0.5% c B公司 22 24 80 油爐法 比著色力52%、 揮發份〇·50%、ρΗ7·5 〔表2〕 記號 製造廠商 純度 (%) 灰份 (%) 平均粒徑 (// m) 種別 X C公司 97 2 5 天然石墨 Υ D公司 9 5 5 11 天然石墨 Ζ Ε公司 95 4 8 天然石墨 -24- (21) 200800441 〔表3〕

實驗 碳供給成分 特性 (混合比例) 碳黑 石墨粉末 混合粉末 壓讎 綜合評價 記號 比例 記號 比例 表觀密度 流動度 游離碳量 密度* 耐磨耗 測試値* (份) (份) (g/cm3) (sec/50g) (%) (g/cm3) (%) 1 0.5 99.5 3.13 28.5 40 6.91 0.85 B 2 15 85 3.13 28.0 28 6.90 0.86 A 3 20 80 3.13 27.5 21 6.89 0.88 A 4 40 X 60 3.12 25.4 11 6.88 0.85 A 5 a 60 40 3.12 23.9 4 6.85 0.96 A 6 80 20 3.14 23.6 4 6.81 1.12 A 7 90 10 3.14 22.3 4 6.80 1.15 A 8 100 0 3.13 21.8 4 6.79 1.12 A 9 10 90 2.98 26.5 40 6.87 0.75 B 10 15 85 2.92 24.5 30 6.85 0.73 A 11 b 20 X 80 2.91 23.9 20 6.84 0.72 A 12 50 50 3.05 23.0 10 6.80 1.02 A 13 80 20 3.09 21.7 6 6.68 1.98 B 14 100 0 3.02 23.0 8 6.53 100.0 B 15 10 90 3.02 32.3 40 6.86 0.94 B 16 20 80 3.02 30.6 27 6.85 0.96 A 17 c 60 X 40 3.00 27.0 5 6.80 0.98 A 18 80 20 3.04 26.6 6 6.76 1.17 A 19 100 0 3.11 22.6 2 6.76 1.16 A 20 - 0 X 100 3.13 28.8 45 6.92 0.84 B 21 a 60 Y 40 3.13 25.0 12 6.81 1.06 A 22 0 100 3.08 29.6 63 6.89 0.91 B 23 a 60 Z 40 3.12 27.5 11 6.88 0.91 A 24 - 0 100 3.08 29.2 53 6.92 0.81 B * :成形壓力49 0 MPa 註：加底線代表不符合本發明之要件。 -25- (22) (22)200800441 根據表3可進行以下的探討。 (關於碳黑a ) 首先探討，作爲碳供給成分係使用碳黑a ( DBP吸收 量38mL/100g、氮吸附比表面積8m2/g)及石墨粉末X， 虽改變其寺的混合比例之結果（實驗1〜8、2 0 )。 當碳供給成分僅使用石墨粉末X時，如實驗20所示 ’雖可獲得高密度之壓粉體，但混合粉末之游離碳量變多 。此外’在碳黑a比例過小之實驗丨中，混合粉末之游離 碳量也會變多。 相對於此，在實驗2〜5，游離碳量與壓粉體的密度均 在良好的範圍內。特別是碳黑a與石墨粉末X之混合比例 符合本發明較佳範圍（碳黑比例：1 5〜7 5重量份）之實驗 2〜5，如表3所示可獲得良好的混合粉末。 以上是在碳黑a中配合石墨粉末X的結果，當取代石 墨粉末X而改用石墨粉末γ時（參照實驗21及22)、或 是取代石墨粉末X而改用石墨粉末Z時（參照實驗23及 2 4)，也能獲得相同的結果。表3雖僅顯示出碳黑a比例 爲60重量份時的結果（實驗2 1、23 )，但即使碳黑a比 例如實驗1〜7般做各種改變時，已經透過實驗確認出可 獲得相同的實驗結果（表3未顯示）。 此外，上述一連串的結果，不僅限於碳黑a，即使是 使用屬於碳黑A群之碳黑時也能獲得相同的傾向，這點已 經透過實驗確認（表3未顯示）。 -26- (23) (23)200800441 (關於碳黑b) 接著探討，作爲碳供給成分係使用碳黑b ( DBP吸收 量1 13mL/100g、氮吸附比表面積 1 3 0m2/g )及石墨粉末 X，當改變其等的混合比例之結果（實驗9〜1 4、20 )。 當碳供給成分僅使用石墨粉末X時，如實驗20所示 ，雖可獲得高密度之壓粉體，但混合粉末之游離碳量變多 。另一方面，當僅使用碳黑b時，如實驗14所示，雖然 混合粉末之游離碳量少，但壓粉體之密度低。 相對於此，在碳黑b與石墨粉末X之混合比例符合本 發明較佳範圍（碳黑比例：15〜75重量份）之實驗1〇〜 1 2，如表3所示可獲得期望的混合粉末。在實驗9，因碳 黑b的比例過小故游離碳量變多。在實驗1 3，因碳黑b的 比例過大故壓粉體的密度降低。 以上是在碳黑b中配合石墨粉末X的結果，當取代石 墨粉末X而改用石墨粉末Y或Z時，也能獲得相同的結 果，這點已經透過實驗確認（表3未顯示）。 此外，上述一連串的結果，不僅限於碳黑b，即使是 使用屬於碳黑B群之碳黑時也能獲得相同的傾向，這點已 經透過實驗確認（表3未顯示）。 (關於碳黑c ) 接著探討，作爲碳供給成分係使用碳黑c ( DBP吸收 量22mL/100g、氮吸附比表面積80m2/g)及石墨粉末X， -27- (24) (24)200800441 當改變其等的混合比例之結果（實驗i 5〜20 )。 當碳供給成分僅使用石墨粉末X時，如實驗2 0所示 ，雖可獲得高密度之壓粉體，但混合粉末之游離碳量變多 〇 相對於此，實驗16〜19，游離碳量、壓粉體密度均在 良好的fe圍內。在碳黑c與石墨粉末X之混合比例符合本 發明較佳範圍（碳黑比例：1 5〜7 5重量份）之實驗1 6〜 1 7，如表3所示可獲得期望的混合粉末。在實驗1 5，因碳 黑b的比例過小故游離碳量變多。 以上是在碳黑c中配合石墨粉末X的結果，當取代石 墨粉末X而改用石墨粉末Y或Z時，也能獲得相同的結 果，這點已經透過實驗確認（表3未顯示）。 此外，上述一連串的結果，不僅限於碳黑c，即使是 使用屬於碳黑C群之碳黑時也能獲得相同的傾向，這點已 經透過實驗確認（表3未顯示）。 實施例2 (燒結體特性之探討） 本實施例，係針對前述實施例1中作爲碳供給成分係 使用碳黑及石墨粉末之混合物時的特性，在以石墨做對比 下進行探討。此處燒結體之密度爲6.80g/cm3。 具體而言，係針對前述實施例1之實驗3〜8 (使用碳 黑a )、實驗1 1、1 3 (使用碳黑b )、實驗16、1 8〜19 ( 使用碳黑c )、實驗20、22、24 (未添加碳黑而僅使用石 墨粉末）之習知例，將各混合粉末置入粉末壓縮成形機， -28- (25) 200800441 於400〜600MPa的壓力下進行壓縮成形而製得外徑3〇mm 、內徑10mm、高10mm之環狀壓粉體。 取上述壓粉體，在N2-1〇V〇1%H2氣體環境氣氛下、使 用推式燒結爐於1 1 2 0 °c進行燒結2 0分鐘，製得燒結體（ 密度 6.80g/cm3 )。 所製得燒結體之壓環強度及硬度如下述般進行測定並 予以評價。 (燒結體之特性） 1·壓環強度之測定：實施JIS Z2 5 07所記載之壓環試 驗，測定壓環強度（N/mm2)。 2·硬度之測定：依據JIS Z2245之洛式硬度試驗方法 測定洛式硬度（HRB )。 將測疋結果整理於表4。 -29- (26) 200800441 (26)

〔表4〕

No· 表3之 碳供給成分（混合比例） 燒結體之特性 No. 碳黑 石墨粉末 燒結體之密度=6.80g/cm3 記號 比例 記號 比例 壓環強度 硬度 (份） (份） (N/mm2) (HRB) 1 3 20 80 815.9 76.4 2 4 40 60 814.9 76.3 3 5 a 60 X 40 815.0 75.9 4 6 80 20 813.4 76.0 5 8 100 0 813.9 76.1 6 11 b 20 X 80 810.4 75.6 7 13 80 20 806.8 75.6 8 16 20 80 814.2 76.3 9 18 c 80 X 20 811.4 76.1 10 19 100 0 811.1 76.0 11 20 - 0 X 100 816.3 763 12 21 a 60 Y 40 789.4 74.2 13 22 - 0 100 796.3 74.7 14 23 a 60 Z 40 801.4 75.5 15 24 - 0 100 811.4 75.7

根據表4可進行以下之探討。 由表4可知，在將燒結密度6· 80g/cm3時之特定做比 較時，不管是使用碳黑a〜c中任一者的情形，當將碳黑 與石墨粉末混合使用時，不拘碳黑之混合比例爲何，都能 獲得和使用石墨粉末時相同程度的機械特性（壓環強度及 硬度）。此外，觀察燒結體之微組織的結果得知’所有的 樣品均觀察到波來鐵（pearlite )組織。這代表碳黑和石 墨同樣地對鐵基粉末具有滲碳作用° 表4僅顯示表3所示實驗例中的一部分的結果’但透 -30- (27) 200800441 過實驗已確認出，表3所示其他的實驗也能獲得同樣的結 果（表4未顯示）。 此外，上述一連串的結果，不僅限於碳黑a、b、c的 情形’即使是使用屬於碳黑A群、B群、C群之碳黑時也 能獲得相同的傾向，這點已透過實驗確認（表4未顯示） • 實施例3 (混合粉末與壓粉體特性之探討） 本實施例係針對使用各種碳黑時之混合粉末及壓粉體 的特性進行探討。 具體而言，係使用表5所示之碳黑d〜〇 (市售品）， 如下述般製得粉末冶金用混合粉末及壓粉體（實驗25〜36 )。上述碳黑中，d〜i代表符合本發明要件的例子，j〜〇 代表不符合本發明要件的例子。表5係援用市售品之型錄 中記載的數値。爲了進行比較，取代碳黑而使用石墨粉末 ® 以製得粉末冶金用混合粉末及壓粉體（實驗3 7 )。 各實驗所得之混合粉末及壓粉體的特性，係依實施例 . 1記載的方法進行測定、評價。 (實驗25 ) 首先’作爲鐵基粉末，係準備市售之純鐵粉（神戶製 鋼所製「愛特梅爾300M」），對該純鐵粉，添加市售之 霧化銅粉（平均粒徑48 // m ) 2.0%、碳供給成分0.80% ( 表4所記載之碳黑a)、潤滑劑之伸乙雙硬脂醯胺0.75% -31 - (28) 200800441 ’使用 V型混合機進行2分鐘高速攪拌（葉片之轉速 5 m/s )而製得混合粉末。此處並未使用黏結劑。 接著’將上述混合粉末置入粉末壓縮成形機，於 490MPa的壓力下進行壓縮成形，製得外徑n.3mm、高 10mm之圓柱狀壓粉體。 (實驗2 6〜3 6 ) • 將實驗25中之碳供給成分改用表5所記載之碳黑d〜 〇，除此外以和實驗25同樣地方式製作出實驗26〜36之 混合粉末及壓粉體。 (實驗3 7 ) 在實驗2 5之碳供給成分，取代碳黑而改用市售之石 墨粉末（平均粒徑5 // m )，除此外以和實驗25同樣地方 式製作出實驗25之混合粉末及壓粉體。 ® 實驗結果整理於表6。表6中，爲供做參考，係一倂 記載所使用之碳供給成分的種類及特性。 -32- (29)200800441

〔表5〕 記號 製造 廠商 DBP吸收量 (mL/lOOg) 氮吸附比 表面積 (m2/g) 一次粒徑之 平均粒徑 (nm) 製造 方法 備考 d A公司 38 8 300 熱解法 揮發份<1%、灰份0.3% e B公司 22 24 80 油爐法 比著色力52%、 揮發份0.50%、ρΗ7·5 f B公司 49 24 78 油爐法 比著色力48%、 揮發份0.70%、ρΗ7·5 g c公司 44 9.5 250 熱解法 揮發份0.10%、 灰份0.2%、ρΗΙΟ.Ο h D公司 51 23 95 油爐法 比著色力40%、灰份0.1% 、表觀密度570g/L i D公司 60 27 70 油爐法 揮發份0.12%、 灰份0.02% i A公司 113 130 1〇 油爐法 比著色力124%、 灰份0.5% k B公司 61 140 20 油爐法 比著色力140%、 揮發份 1·50ο/〇、pH7.5 1 E公司 72 25 75 油爐法 比著色力58%、揮發份 0.50%、表觀密度270g/L m E公司 46 55 Μ 油爐法 比著色力101%、揮發份 1.00%、表觀密度310g/L n F公司 360 800 39.5 油爐法 揮發份0·40%、 灰份0.02%、ρΗ9·0 0 F公司 495 1400 34 油爐法 揮發份0.50%、 灰份0.02%、ρΗ9.0 註：加底線代表不符合本發明之要件。 -33- (30) 200800441 〔表6〕 實驗 碳供給成分 特性 碳黑 混合粉末 Mi m 記號 DBP 氮吸附 一次粒徑之 表觀 流動度 游離 密度1 耐磨耗 吸收量 比表面 平均粒徑 密度 碳量 測試値1 (mL/lOOg) 積(m2/g) (nm) (g/cm3) (sec/50g) (%) (g/cm3) (%) 25 d 38 8 300 3.13 21.8 4 6.79 1.12 26 e 22 24 80 3.11 22.6 2 6.76 1.16 27 f 49 24 78 3.27 20.7 3 6.70 1.68 28 g 44 9.5 250 3.15 23.2 1 6.76 1.51 29 h 51 23 95 3.20 22.5 2 6.74 1.63 30 i 60 27 70 3.22 21.6 3 6.71 1.74 31 j 113 130 1〇 3.02 23.0 8 6.53 100.0 32 k 61 140 20 2.92 27.2 0 6.68 2.37 33 1 72 25 75 3.28 22.1 3 6.64 3.07 34 m 46 55 34 2.99 23.0 7 6.65 2.62 35 n 360 800 39.5 2.54 39.2 Μ 6.07 100.0 36 o 495 1.400 Μ 2.52 37.6 70 5.97 100.0 37 石墨 5000 3.13 28.8 45 6.92 0.84

-34- 1 代表成形壓力490MPa 註：加底線代表不符合本發明之要件。 (31) 200800441 根據表6可進行以下的探討。 實驗25〜30，分別是使用符合本發明要件之碳黑d〜 i的本發明例，不僅混合粉末之各特性優異，且壓粉體特 性也很優異。 相對於此，實驗31〜36係使用不符合本發明要件之 碳黑的比較例，其等之混合粉末之游離碳量、壓粉體密度 以及耐磨耗測試値都未到達本發明所規定之基準値。 # 在實驗3 5及3 6，混合粉末之游離碳量增加、流動度 變差，其原因在於使用DBP吸收量及氮吸附比表面積極 大之碳黑η、〇，在混合步驟和鐵基粉末進行混合（附著於 鐵基粉末）之前，碳黑就會形成大的凝集體。 實驗3 7係僅使用石墨粉末作爲碳供給成分之習知例 ，結果混合粉末之游離碳量增多。 實施例4 (燒結體特性之探討） ® 本實施例，係針對使用符合本發明要件之碳黑時之燒 結體特性，在以石墨粉末做對比下進行探討。此處燒結體 . 之密度爲6.80g/cm3。 . 具體而言，係將前述實驗25〜30(使用表5之碳黑d 〜i)、實驗38(使用石墨粉末）之混合粉末置入粉末壓 縮成形機，於400〜600MPa的壓力下進行壓縮成形而製得 外徑30mm、內徑10mm、高l〇mm之環狀壓粉體。 取上述壓粉體，在N2-l〇vol%H2氣體環境氣氛下、使 用推式燒結爐於1120°C進行燒結20分鐘，製得燒結體（ -35- (32) 200800441 密度 6.80g/Cm3 )。 所製得燒結體之壓環強度及硬度如下述般進行測定並 予以評價。 (燒結體之特性） 1·壓環強度之測定：實施ns Z2507所記載之壓環試 驗，測定壓環強度（N/mm2)。 2·硬度之測定：依據JIS Z2245之洛式硬度試驗方法 測定洛式硬度（HRB )。 將測定結果整理於表7。 〔表7〕 實驗 碳供給成分 燒結體之特性 (燒結體之密度6.80g/cm3) 記號 DBP吸收量 氮吸附比表面積 —次粒徑之平均 壓環強度 硬度 (mL/lOOg) (m2/g) 粒徑(nm) (N/mm2) (HRB) 25 d 38 8 300 811.7 76.4 26 e 22 24 80 818.7 76.8 27 f 49 24 78 810.8 75.9 28 g 44 9.5 250 813.4 75.8 29 h 51 23 95 808.2 74.9 30 i 60 27 70 807.7 75.2 37 石墨 5000 820.9 76.3 註：記號d〜i代表表5所示之碳黑。

由表7可知，將燒結密度6.8 0 g/cm3時之特性做比較 的結果，使用任一碳黑時都具有與使用石墨粉末相同程度 之機械特性（壓環強度及硬度）。因此確認出，碳黑可取 -36- (33) 200800441 代石墨粉末而作爲極有用的碳供給成分。 以上是參照特定樣態來詳細說明本發明，但在不脫離 本發明之精神與範圍內當然能做各種變更及修正，此乃熟 習此技藝人士所能輕易明白。 此外，本申請案係根據2006年3月14日申請之日本 發明申請案（特願2006-06 9731)及2006年3月14日申 請之日本發明申請案（特願2006-069732 )而構成，因此 φ 將其全部內容以引用的方式援用於此。 在此所引用之參照內容，係以整體的方式援用。 依據本發明，不須使用黏結劑即可獲得能防止碳供給 成分之發生粉塵及偏析之混合粉末，因此生產性特別優異 〇 此外，使用本發明之粉末冶金用混合粉末即可獲得高 密度且形狀保持性良好之壓粉體，因此最終可獲得機械特 性優異的燒結體。 【圖式簡單說明】 . 第1圖係實施例1中用來測定游離碳量之裝置的槪略 截面圖。 【主要元件之符號說明】 1 :新型微孔過濾器 2 :漏斗狀玻璃管 P :混合粉末 -37-

Claims (1)

1. (1) (1)200800441 十、申請專利範圍 1· 一種粉末冶金用混合粉末，係含有鐵基粉末及碳 供給成分之粉末冶金用混合粉末， 前述碳供給成分係包含石墨粉末及碳黑， 且石墨粉末及黑之混合比例爲石墨粉末：碳黑=2 5 〜85重量份：75〜15重量份的範圍內。 2·如申請專利範圍第1項之粉末冶金用混合粉末， 其中，前述碳黑之酞酸二丁酯吸收量爲60mL/10 〇g以下， 且氮吸附比表面積爲50m2/g以下。 3 · —種粉末冶金用混合粉末，係含有鐵基粉末及碳 供給成分之粉末冶金用混合粉末， 前述碳供給成分係含有：酞酸二丁酯吸收量 60mL/100g以下且氮吸附比表面積50m2/g以下之碳黑作 爲主成分。 4.如申請專利範圍第1至3項中任一項之粉末冶金 用混合粉末，其中，相對於前述鐵基粉末1〇〇重量份，前 述碳供給成分之含量爲4重量份以下的範圍。 5 ·如申請專利範圍第1至4項中任一項之粉末冶金 用混合粉末，其中，進一步含有物性改善成份。 6 ·如申請專利範圍第1至5項中任一項之粉末冶金 用混合粉末，其中，進一步含有潤滑劑。 7· —種壓粉體，其特徵在於：係使用申請專利範圍 第1至6項中任一項之粉末冶金用混合粉末而製得。 8. —種燒結體，其特徵在於：係將申請專利範圍第7 -38- (2) 200800441 項之壓粉體予以燒結而製得。 -39 -