DE112016001286T5

DE112016001286T5 - Maschinenkomponente und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112016001286T5
Application number: DE112016001286.1T
Authority: DE
Inventors: Naoki YASHIRO; Kouya Oohira
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2018-01-11
Also published as: JP2016176143A; CN107427923A; CN107427923B; JP6675886B2; WO2016147796A1; US20180056394A1

Abstract

Es wird ein Maschinenteil (ein ölimprägniertes Lager (1)) hergestellt, indem ein Grünling einer Hitzebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre (zum Beispiel in Luft) unterzogen wird, wobei der Grünling durch Verdichten und Formen eines Rohmaterialpulvers hergestellt wird, das Eisenpulver und Kupferpulver enthält. Eisenpartikel (10) und Kupferpartikel (20) werden durch Oxidfilme (11) und (21) miteinander verbunden, die auf den Oberflächen der Partikel gebildet werden. Die Oxidfilme (11) und (21) weisen jeweils in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von einer Oberfläche des Grünlings eine maximale Dicke von 1 μm oder weniger auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Maschinenteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Maschinenteil, das durch die Erhöhung der Festigkeit eines Grünlings erzielt wird, der erzielt wird, indem Metallpulver ohne Sintern verdichtet und geformt wird, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie wurde bisher ein Produkt im Allgemeinen hergestellt, indem Rohmaterialpulver, die hauptsächlich Metallpulver enthielten, gemischt wurden und die gemischten Pulver verdichtet und geformt wurden, worauf ein Sintervorgang in einem Ofen bei einer hohen Temperatur von mehr als 800°C folgte. Ein Produkt, das durch Verdichten und Formen des Metallpulvers ohne Sinterbehandlung erzielt wird, wird im Folgenden als "Grünling" bezeichnet und von einem Sinterkörper unterschieden, der erzielt wird, indem zusätzlich eine Sinterbehandlung durchgeführt wird.
Gemäß JIS Z 2500:2000 handelt es sich bei der Pulvermetallurgie um eine Kategorie der Metallurgietechnologie, welche die Herstellung des Metallpulvers und die Fertigung eines Produkts durch Formen des Metallpulvers und einen Sinterschritt beinhaltet. Die Pulvermetallurgie ist eine Technologie, die sich vom Gießen und Schmieden unterscheidet. Bei der Pulvermetallurgie wird das Produkt im Allgemeinen durch die folgenden Schritte hergestellt.

(1) Mischen von als Rohmaterialien dienenden Pulvern wie z.B. Metallpulver, Gleitmittelpulver und Graphitpulver
(2) Verdichten und Formen
(3) Sintern bei einer Temperatur, die gleich einem oder niedriger als ein Schmelzpunkt ist
(4) Korrigieren (Nachprägen)
(5) Nachbearbeiten wie z.B. Hitzebehandlung oder Ölimprägnierung (bei Bedarf)

Was diese Schritte betrifft, so beinhaltet der Sinterschritt (3) im Fall eines Materials auf Eisenbasis im Allgemeinen eine Behandlung in einem Hochtemperaturbereich von 800°C oder mehr, wobei sich die Kosten dieses Schritts auf 1/4 bis 1/2 der gesamten Fertigungskosten belaufen. Ferner kommt es durch den Hochtemperatur-Sinterschritt zu einer Ausdehnung oder einem Schrumpfen des Grünlings, wodurch der Korrigierschritt (4) unerlässlich ist, um die Abmessungen und die Präzision des Produkts innerhalb von Zielabmessungen und einer Zielpräzision zu halten.
Darüber hinaus wird der Sinterschritt im Allgemeinen in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt, die zum Beispiel aus einem Inertgas wie z.B. Stickstoff oder Argon, einem reduzierenden Gas wie z.B. Wasserstoff, einem Mischgas aus diesen oder einem Vakuum besteht, um die Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche der Metallpulverpartikel während des Sinterns zu verhindern, um dadurch die Verschmelzung der Partikel zu fördern. Durch diesen Sinterschritt werden die Metallpartikel miteinander verschmolzen, d.h. es kommt zu einer Kontraktion, was zu einer Erhöhung der Festigkeit führt. Wenn eine ausreichende Festigkeit durch eine Behandlung bei einer niedrigeren Temperatur gewährleistet werden kann, können jedoch die Fertigungskosten gesenkt werden. Zudem kann eine Abmessungsveränderung vermieden werden, wodurch der Korrigierschritt weggelassen werden kann.
Im Hinblick auf ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit des Grünlings ohne den vorstehend beschriebenen Hochtemperatur-Sinterschritt wurden bisher die folgenden Forschungsarbeiten durchgeführt.
Ein in der Patentliteraturstelle 1 offenbartes Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines Grünlings beinhaltet das Verdichten und Formen eines Metallpulvers, dem Metallseife als Gleitmittel zum Formen zugesetzt wurde, und das anschließende Erhitzen des resultierenden Grünlings auf eine Temperatur, die gleich dem oder höher als der Schmelzpunkt der Metallseife und gleich der oder niedriger als die Entwachsungstemperatur der Metallseife ist. Dadurch wird die mechanische Festigkeit des Grünlings signifikant erhöht. Als Mechanismus dieses Verfahrens wird folgender angenommen: Die Metallseife in den Poren des Grünlings schmilzt durch die Hitzebehandlung, wodurch eine durchgehende Schicht gebildet wird, die sich anschließend verfestigt, um dadurch die Festigkeit des Grünlings aufgrund der Dichte der Schicht zu erhöhen (siehe Patentansprüche, Zeilen 10 bis 12 in der zweiten Spalte und Zeilen 22 bis 25 in der dritten Spalte der Patentliteraturstelle 1).
In der Patentliteraturstelle 2 wird offenbart, dass ein Sinterteil auf Eisenbasis hergestellt wird, indem ein Grünling einer Dampfschwärzungsbehandlung ohne Sintern unterzogen wird, um die Partikel des Grünlings miteinander zu verbinden. Der Mechanismus dieser Technologie ist folgender: Die gesamte Oberfläche des Grünlings wird durch die Dampfschwärzungsbehandlung mit einem Oxidfilm bedeckt, wodurch ein Gegenstand erhalten wird, bei dem die Partikel an seiner Oberfläche miteinander verbunden und aneinander befestigt sind, wodurch in seiner Gesamtheit eine vorbestimmte Festigkeit erzielt wird (Zeilen 8 bis 11 in der unteren linken Spalte auf Seite 2 der Patentliteraturstelle 2). Das in der Literatur offenbarte "Sinterteil" auf Eisenbasis wird in dieser Beschreibung als "Grünling" klassifiziert, da das Teil keinem Sinterschritt unterzogen wurde, der eine Erhitzung auf eine hohe Temperatur von 800°C oder mehr beinhaltet.
In der Patentliteraturstelle 3 wird ein Maschinenteil auf Eisenbasis offenbart, bei dem ein Eisenpulver beinhaltender Grünling in einer oxidierenden Atmosphäre auf 400°C bis 700°C erhitzt wird, um Eisenoxid auf den Oberflächen der Eisenpulverpartikel zu erzeugen, um dadurch die Eisenpulverpartikel mit Eisenoxid aneinanderzubinden. Insbesondere werden zuerst die Oberflächen der Eisenpulverpartikel durch Erhitzen des Grünlings oxidiert, wodurch Eisenoxid auf den Oberflächen erzeugt wird. Anschließend füllen die jeweiligen erzeugten Eisenoxide die Poren im Grünling, um eine netzartige Verbindung zu bilden. Auf diese Weise werden die Partikel fest miteinander verbunden.
Liste der zitierten Dokumente

Patentliteraturstelle 1: JP 61-011282 B2
Patentliteraturstelle 2: JP 63-072803 A
Patentliteraturstelle 3: JP 51-43007 B2

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Ein Ziel der in der Patentliteraturstelle 1 offenbarten Technologie besteht eben darin, ein Zerbröckeln und Brechen des Grünlings während seiner Beförderung von einem Formungsschritt zu einem Sinterofen zu verhindern. Als Produkt im vorliegenden Zustand weist der Grünling keine Festigkeit auf. Daher wird selbstverständlich nicht vorgeschlagen, den Sinterschritt wegzulassen. Somit kann letztlich ohne einen nachfolgenden Hochtemperatur-Sinterschritt keine Festigkeit des Grünlings gewährleistet werden, die ausreichend für seine Verwendung als Produkt ist. Zudem ist die Anzahl der Schritte im Vergleich zu einem üblichen Sinterprodukt aufgrund der Behandlung vor dem Sintern um einen Schritt erhöht, was im Gegenteil zu einer Erhöhung der Kosten führt.
In der Patentliteraturstelle 2 wird offenbart, dass eine Erhöhung der Festigkeit erzielt wird, indem der Grünling der Dampfschwärzungsbehandlung unterzogen wird, um den Oxidfilm zu bilden. Es wird jedoch nicht offenbart, wie viel Festigkeit tatsächlich erzielt wird. Die Anwendung des Sinterteils auf Eisenbasis ist auf solche beschränkt, die eine geringe Festigkeit erfordern, wobei z.B. ein Teil aus weichmagnetischem Material als spezifisches Beispiel angegeben wird. Darüber hinaus kommt es in einer Dampfatmosphäre zu einer leichten Bildung des Oxidfilms auf einer Oberfläche jedes Metallpulverpartikels, wodurch die meisten inneren Poren des Grünlings damit gefüllt sind. Diese Struktur wird bei einigen Anwendungen nicht bevorzugt. Wenn zum Beispiel ein Teil, wie es vorstehend beschrieben wurde, als ölimprägniertes Lager verwendet wird, das innere Poren aufweist, die mit einem Öl imprägniert sind, ist die in seinem Inneren enthaltene Ölmenge reduziert, da seine inneren Poren mit einem Oxid gefüllt sind, wodurch die Gefahr besteht, dass keine ausreichende Schlüpfrigkeit erzielt wird.
Auf ähnliche Weise wird auch die in der Patentliteraturstelle 3 offenbarte Technologie bei einigen Anwendungen nicht bevorzugt, da der Grünling in der oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, um das Oxid zu bilden, wodurch die inneren Poren des Grünlings mit dem Oxid gefüllt sind.
In Anbetracht der vorstehend erwähnten Umstände besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, in einem Maschinenteil, das einen Grünling umfasst, bei dem Metallpulverpartikel durch einen Oxidfilm miteinander verbunden sind, eine ausreichende Festigkeit zu erzielen und innere Poren sicherzustellen. Hierbei weist ein Teil, der eine radiale Bruchfestigkeit gemäß "Sintered metal bearing-Determination of radial crushing strength" in JIS Z 2507 von 120 MPa oder mehr aufweist, eine Festigkeit auf, die ausrechend ist, um der Verwendung als Maschinenteil standzuhalten.
Lösung des Problems
Um das vorstehend erwähnte Ziel zu erreichen, umfasst ein Maschinenteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Grünling, bei dem Metallpulverpartikel durch einen Oxidfilm miteinander verbunden sind, der auf einer Oberfläche jedes Partikels gebildet ist, wobei eine maximale Dicke des Oxidfilms in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von einer Oberfläche des Grünlings 1 μm oder weniger beträgt.
Um das vorstehend erwähnte Ziel zu erreichen, umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte: Verdichten und Formen eines Metallpulver enthaltenden Rohmaterialpulvers, um einen Grünling bereitzustellen; und Unterziehen des Grünlings einer Hitzebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre, um zu ermöglichen, dass die Metallpulverpartikel durch einen Oxidfilm miteinander verbunden werden, der auf einer Oberfläche jedes Partikels gebildet wird, wobei die Bedingungen der Hitzebehandlung derart eingestellt werden, dass eine maximale Dicke des Oxidfilms in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von einer Oberfläche des Grünlings 1 μm oder weniger beträgt.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die maximale Dicke des auf der Oberfläche jedes Metallpulverpartikels gebildeten Oxidfilms im Inneren des Grünlings, insbesondere in einem Bereich in einer Tiefe von etwa 300 μm von der Oberfläche des Grünlings, noch spezieller in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von der Oberfläche, auf 1 μm oder weniger eingestellt. Bei den von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführten Forschungsarbeiten hat es sich herausgestellt, dass auch der Oxidfilm mit einer extrem geringen Dicke, wie sie vorstehend beschrieben wurde, eine Festigkeit gewährleistet, die für ein Maschinenteil erforderlich ist (insbesondere eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr). Wenn der Oxidfilm wie vorstehend beschrieben dünn ausgebildet ist, wird ein Verhältnis der Füllung der inneren Poren des Grünlings mit dem Oxidfilm reduziert, wodurch eine ausreichende Porosität des Grünlings sichergestellt werden kann.
Bei dem Maschinenteil wird bevorzugt, dass die maximale Dicke des Oxidfilms in einer Oberflächenschicht des Grünlings (insbesondere in einem Bereich in einer Tiefe von 30 μm oder weniger von der Oberfläche des Grünlings) das Doppelte oder mehr der maximalen Dicke des Oxidfilms im Inneren des Grünlings (insbesondere im Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von der Oberfläche des Grünlings) beträgt. Wenn der in der Oberflächenschicht des Grünlings gebildete Oxidfilm wie vorstehend beschrieben dick ausgebildet ist, sind Verbesserungen bei der Rostbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erwarten.
Das Maschinenteil gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel einen Grünling, der nur Eisen als Hauptbestandteil umfasst, oder einen Grünling, der Eisen und Kupfer als Hauptbestandteil umfasst, beinhalten.
Ein Beispiel einer möglichen oxidierenden Atmosphäre bei der Hitzebehandlung des Grünlings ist eine Dampfatmosphäre. Wenn der Grünling in einer Dampfatmosphäre erhitzt wird, bildet sich der Oxidfilm jedoch leicht auf der Oberfläche jedes Metallpulverpartikels, wodurch es schwierig wird, die Dicke des Oxidfilms im Inneren des Grünlings auf 1 μm oder weniger einzustellen. Um eine ausreichende Menge an Dampf in einen Ofen einzuleiten und den Ofen auf einer hohen Temperatur und auf einem hohen Druck zu halten, ist darüber hinaus eine große Anlage erforderlich, und die Kosten steigen. Angesichts der vorstehenden Ausführungen wird bevorzugt, dass die Hitzebehandlung des Grünlings in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird, in der die Geschwindigkeit der Bildung des Oxidfilms geringer als in der Dampfatmosphäre ist, insbesondere in einer aus einer Sauerstoffatmosphäre, einer Luftatmosphäre und einer Atmosphäre aus einem oxidierenden Gas, die erzielt wird, indem ein Inertgas mit Sauerstoff oder Luft gemischt wird. Die Luftatmosphäre beinhaltet eine Atmosphäre, die erzielt wird, indem einem Ofen Reinluft zugeführt wird, und eine Atmosphäre des Typs Atmosphäre ohne Atmosphärenregelung.
Wenn der Oxidfilm im Inneren des Grünlings wie vorstehend beschrieben dünn ausgebildet ist, kann der Grünling eine Porosität von 8% oder mehr aufweisen.
Das Maschinenteil kann auf geeignete Weise als ölimprägniertes Lager verwendet werden, das mit einem Öl imprägnierte innere Poren aufweist, vor allem als ölimprägniertes Lager, das einen Abschnitt zur Erzeugung von dynamischem Druck, wie z.B. eine Dynamikdrucknut, in einer Lageroberfläche umfasst.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, in dem Maschinenteil, der einen Grünling umfasst, bei dem Metallpulverpartikel durch einen Oxidfilm miteinander verbunden sind, eine ausreichende Festigkeit zu erzielen und innere Poren sicherzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines ölimprägnierten Lagers als Maschinenteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine Fotografie einer Querschnittstruktur des ölimprägnierten Lagers in einer Oberflächenschicht.
2B ist eine Fotografie einer Querschnittstruktur des ölimprägnierten Lagers in einer Tiefe von etwa 300 μm von der Oberflächenschicht.
3A ist eine vergrößerte Fotografie einer Querschnittstruktur eines ölimprägnierten Lagers gemäß dem Vergleichsbeispiel in einer Oberflächenschicht.
3B ist eine vergrößerte Fotografie einer Querschnittstruktur des in 3A dargestellten ölimprägnierten Lagers in einer Tiefe von etwa 300 μm von der Oberflächenschicht.
4A ist eine vergrößerte Fotografie einer Querschnittstruktur eines ölimprägnierten Lagers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4B ist eine vergrößerte Fotografie einer Querschnittstruktur des in 4A dargestellten ölimprägnierten Lagers in einer Tiefe von etwa 300 μm von einer Oberflächenschicht.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nun soll ein Fall beschrieben werden, bei dem ein Maschinenteil gemäß der vorliegenden Erfindung in einem ölimprägnierten Lager verwendet wird, das mit einem Öl imprägnierte innere Poren aufweist.
Ein in 1 dargestelltes ölimprägniertes Lager 1 ist aus einem zylindrischen Grünling gebildet, wobei seine inneren Poren mit einem Öl imprägniert sind. Eine innere Umfangsfläche 1a des ölimprägnierten Lagers 1 fungiert als Lageroberfläche, die dafür ausgelegt ist, eine Welle 2 zu halten, die in einen Innenumfang eingefügt wird. Wenn sich die Welle 2 dreht, kommt es zusammen mit einem Temperaturanstieg zu einem Heraussickern des in den inneren Poren des ölimprägnierten Lagers 1 enthaltenen Öls zu einem Gleitabschnitt zwischen dem ölimprägnierte Lager 1 und der Welle 2. Auf diese Weise wird dem Gleitabschnitt immer reichlich Öl zugeführt, wodurch die Schlüpfrigkeit verbessert wird.
Der Grünling zur Bildung des ölimprägnierten Lagers 1 gemäß dieser Ausführungsform umfasst Eisenpulver und Kupferpulver als Hauptbestandteil. 2A und 2B sind jeweils eine vergrößerte Fotografie {ein Bild von zurückgestreuten Elektronen (engl. backscattered electrons, BSE) eines FE-REM} einer Querschnittstruktur eines Produkts, das erzielt wird, indem ein Grünling, der dem später beschriebenen Beispiel 17 entspricht, insbesondere ein Grünling mit einer Zusammensetzung Fe + 60% Cu bei 500°C während 30 Minuten in einer Luftatmosphäre einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird. 2A ist eine Querschnittsfotografie einer Oberflächenschicht, und 2B ist eine Querschnittsfotografie des Inneren (in einer Tiefe von etwa 300 μm von einer Oberfläche). In den Figuren stellen Partikel mit relativ glatten Oberflächen (dunkler schattierte Partikel) Eisenpartikel 10 dar, und verästelte Partikel (heller schattierte Partikel) stellen Kupferpartikel 20 dar. Ein Eisenoxidfilm 11 bzw. ein Kupferoxidfilm 21 sind an jeder der Oberflächen der Eisenpartikel 10 bzw. an jeder der Oberflächen der Kupferpartikel 20 gebildet. Durch die Oxidfilme 11 und 21 werden die jeweiligen Eisenpartikel 10, die jeweiligen Kupferpartikel 20 oder die Eisenpartikeln 10 und die Kupferpartikel 20 miteinander verbunden. Nicht alle Partikel werden durch die Oxidfilme 11 und 21 miteinander verbunden, wobei ein Teil der Partikel ohne die Oxidfilme 11 und 21 in direkten Kontakt miteinander gebracht wird und miteinander verschmolzen wird.
In der in 2A dargestellten Querschnittsfotografie der Oberflächenschicht des Grünlings ist die Bildung der Oxidfilme 11 und 21 auf den Oberflächen der Eisenpartikel 10 bzw. auf den Oberflächen der Kupferpartikel 20 deutlich erkennbar. In der in 2B dargestellten Querschnittsfotografie des Inneren des Grünlings hingegen ist das Vorhandensein der Oxidfilme kaum zu sehen. Bei der visuellen Betrachtung einer Querschnittsfläche eines tatsächlichen Grünlings ist jedoch auch in seinem Inneren eine durch Oxidation entstandene Schwärzung zu beobachten, was zeigt, dass im Inneren zweifellos Oxidfilme auf den Oberflächen der Partikel gebildet wurden. Aufgrund dieser Tatsachen wird angenommen, dass ein Oxidfilm mit einer extrem geringen Dicke im Inneren des Grünlings gebildet wurde. Es wird angenommen, dass die maximale Dicke des Oxidfilms im Inneren (zum Beispiel in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von der Oberfläche des Grünlings) wenigstens 1 μm oder weniger, 0,5 μm oder weniger oder ferner 0,3 μm oder weniger beträgt, da der Oxidfilm in einem solchen Ausmaß vorhanden ist, dass er in 2B schwer zu sehen ist. Selbst wenn der Oxidfilm im Inneren wie vorstehend beschrieben eine extrem geringe Dicke aufweist, wird eine Festigkeit erzielt, die für ein Maschinenteil, wie z.B. ein ölimprägniertes Lager, erforderlich ist, wobei insbesondere eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr erzielt wird. Die "maximale" Dicke des Oxidfilms bezieht sich auf eine maximale Dicke der Oxidfilme, wobei ein zufällig gebildeter lokaler Abschnitt mit großer Dicke ausgeschlossen ist.
Wenn der Oxidfilm im Inneren des Grünlings wie vorstehend beschrieben eine extrem geringe Dicke aufweist, kann eine ausreichende Porosität des ölimprägnierten Lagers 1 sichergestellt werden. Insbesondere kann die Porosität des ölimprägnierten Lagers 1 auf 8% oder mehr, vorzugsweise 11% oder mehr eingestellt werden. Auf diese Weise können die inneren Poren des ölimprägnierten Lagers 1 mit einer ausreichenden Ölmenge imprägniert werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Porosität des ölimprägnierten Lagers 1 auf 27% oder weniger, vorzugsweise 24% oder weniger einzustellen, um die Festigkeit sicherzustellen. Die Porosität wird durch das folgende Verfahren gemessen. Wenn die Trockendichte eines Grünlings, die durch ein in JIS Z 2501:2000 angegebenes Archimedes-Verfahren gemessen und berechnet wird, als ρ (trocken) definiert wird und die wahre Dichte des Ausgangsmaterialpulvers (mit Ausnahme des Gleitmittelpulvers) zum Bilden des Grünlings als ρ (Pulver) definiert wird, wird die Porosität basierend auf dem Verhältnis zwischen diesen Dichten berechnet, indem die folgende Gleichung verwendet wird. Porosität (%) = 100 – {ρ(trocken)/ρ(Pulver)} × 100
Wenn zum Beispiel die Trockendichte eines nur aus Fe-Pulver gebildeten Grünlings nach der Hitzebehandlung 5,8 g/cm³ beträgt, so ist die Porosität wie folgt: 100 – (5,8/7,87) × 100 ≈ 26,3%.
Darüber hinaus geht aus 2A und 2B hervor, dass die maximale Dicke des Oxidfilms in der Oberflächenschicht des Grünlings (zum Beispiel in einem Bereich in einer Tiefe von 30 μm oder weniger von der Oberfläche) größer als die maximale Dicke des Oxidfilms im Inneren des Grünlings ist. Es wird angenommen, dass die maximale Dicke des Oxidfilms in der Oberflächenschicht wenigstens das Doppelte oder mehr, das Fünffache oder mehr, ferner das Zehnfache oder mehr der maximalen Dicke des Oxidfilms im Inneren beträgt. Wenn der auf der Oberfläche jedes Partikels in der Oberflächenschicht gebildete Oxidfilm wie vorstehend beschrieben eine relativ große Dicke aufweist, sind Verbesserungen bei der Rostbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erwarten. Wenn wie vorstehend beschrieben bei dem Grünling zur Bildung des ölimprägnierten Lagers 1 der Oxidfilm im Inneren extrem dünn ausgebildet ist und der Oxidfilm in der Oberflächenschicht dick ausgebildet ist, kann ein ölimprägniertes Lager 1 erzielt werden, das eine ausgezeichnete Rostbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist und eine hohe Schlüpfrigkeit besitzt.
Ein solches Phänomen, wie es vorstehend beschrieben wird, ist auch im Fall eines Grünlings auf Eisenbasis zu beobachten, der hauptsächlich aus Eisenpulver gebildet ist. 3A und 3B sind jeweils eine vergrößerte Fotografie einer Querschnittstruktur eines nur aus Eisenpulver gebildeten Grünlings, der einer Hitzebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre unterzogen wurde (was dem später beschriebenen Vergleichsbeispiel 9 entspricht), und 4A und 4B sind jeweils eine vergrößerte Fotografie einer Querschnittstruktur eines nur aus Eisenpulver gebildeten Grünlings, der einer Hitzebehandlung in einer gemischten, zwei Komponenten enthaltenden Stickstoff/Sauerstoff-Atmosphäre unterzogen wurde, die einen Sauerstoffanteil von 20 Vol.-% aufweist (was dem später beschriebenen Beispiel 26 entspricht). 3A und 4A zeigen eine Querschnittsfläche einer Oberflächenschicht, und 3B und 4B zeigen die Querschnittsfläche im Inneren (in einer Tiefe von etwa 300 μm von einer Oberfläche). Bei dem in 3A und 3B dargestellten Grünling ist auf den Oberflächen der Eisenpartikel 10 in der Oberflächenschicht und im Inneren kein Oxidfilm zu sehen. Bei dem in 4A und 4B dargestellten Grünling hingegen ist in der Oberflächenschicht und im Inneren ein Oxidfilm 11 auf den Oberflächen der Eisenpartikel 10 gebildet. Bei dem in 4A und 4B dargestellten Grünling ist zu sehen, dass der Oxidfilm 11 in der Oberflächenschicht dicker als im Inneren ist, wobei die maximale Dicke in der Oberflächenschicht wenigstens das Doppelte oder mehr der maximalen Dicke im Inneren beträgt. Auf diese Weise können ähnliche Wirkungen wie die vorstehend beschriebenen erzielt werden.
Das ölimprägnierte Lager 1 wird durch einen Mischschritt, einen Verdichtungsschritt, einen Entfettungsschritt, einen Oxidationsschritt und einen Ölimprägnierungsschritt hergestellt. Nun sollen die Schritte genauer beschrieben werden.
(1) Mischschritt
Bei einem Mischschritt handelt es sich um einen Schritt des Mischens verschiedener Metallpulver, um ein Rohmaterialpulver herzustellen. Das Rohmaterialpulver enthält als Hauptbestandteil Eisenpulver oder Kupferpulver oder beide Pulver. Bei dieser Ausführungsform enthält das Rohmaterialpulver Eisenpulver und Kupferpulver. Das Eisenpulver kann unabhängig vom Verfahren seiner Herstellung (zum Beispiel Zerstäubungsverfahren, Reduktionsverfahren, Zerstampfverfahren oder Carbonylverfahren) verwendet werden. Auch das Kupferpulver kann unabhängig vom Verfahren seiner Herstellung (zum Beispiel Elektrolyseverfahren, Zerstäubungsverfahren, Reduktionsverfahren oder Zerstampfverfahren) verwendet werden. Darüber hinaus kann auch ein Legierungspulver, das Eisen oder Kupfer als Hauptbestandteil enthält (zum Beispiel vorlegiertes Pulver, das vorab legiert wurde, oder ein teilweise diffusionslegiertes Pulver, das teilweise diffusionslegiert wurde), oder ein vorgemischtes Pulver, das erzielt wird, indem vorab eine Vielzahl von Arten von Metallpulvern gemischt werden, verwendet werden. Darüber hinaus kann dem Rohmaterialpulver auch ein Metallpulver mit niedrigem Schmelzpunkt wie z.B. Sn oder Zn oder ein Pulver auf Kohlenstoffbasis wie z.B. Graphit oder Industrieruß zugesetzt werden, um zum Beispiel die Schlüpfrigkeit zu verbessern und die Festigkeit zu erhöhen.
Ferner kann dem Rohmaterialpulver ein Gleitmittel zugesetzt werden, so dass in einem unten beschriebenen Verdichtungsschritt die Schmierung zwischen dem Rohmaterialpulver und einer Form oder zwischen den Partikeln des Rohmaterialpulvers sichergestellt wird. Als Gleitmittel können Metallseife, Amidwachs oder dergleichen verwendet werden. Es ist günstig, das Gleitmittel dem Rohmaterialpulver als Pulver beizumischen. Es ist auch günstig, das vorstehend genannte Gleitmittel in einem Lösemittel zu dispergieren und die resultierende Lösung auf das Metallpulver zu sprühen oder das Metallpulver in die Lösung zu tauchen, worauf eine Entfernung der Lösemittelkomponente durch Verdampfung folgt, um dadurch die Oberfläche des Metallpulvers mit dem Gleitmittel zu beschichten.
(2) Verdichtungsschritt
Bei einem Verdichtungsschritt handelt es sich um einen Schritt des Einführens des im Mischschritt hergestellten Rohmaterialpulvers in eine Form und des Verdichtens und Formens des Rohmaterialpulvers, um einen zylindrischen Grünling zu schaffen. Beim Verfahren für den Verdichtungsschritt gibt es keine besonderen Einschränkungen, wobei uniaxiales Pressformen sowie Formen mit einer multiaxialen CNC-Presse, Spritzgießen (MIM) oder dergleichen angewendet werden kann.
Im Allgemeinen weist ein Sinterteil mit einer höheren Dichte eine höhere Festigkeit auf. Wenn jedoch wie bei dieser Ausführungsform eine Erhöhung der Festigkeit durch eine Oxidationsbehandlung des Grünlings erzielt werden soll, kann eine übermäßig hohe Gründichte jedoch im Gegenteil zu einer Verringerung der Festigkeit führen, da ein oxidierendes Gas wie z.B. Luft nicht in das Innere des Grünlings eindringen kann und die Bildung des Oxidfilms einzig auf die Oberflächenschicht des Grünlings beschränkt ist. Von dem vorstehend erwähnten Standpunkt aus gesehen ist es wünschenswert, die Gründichte auf 7,2 g/cm³ oder weniger, vorzugsweise 7,0 g/cm³ oder weniger, einzustellen. Eine übermäßig niedrige Gründichte hingegen kann zu einem Zerbröckeln oder Brechen bei der Handhabung (größerer Rattler-Wert) und aufgrund einer übermäßig langen Entfernung zwischen den Partikeln zu einer geringeren Bildung von Oxidfilm zwischen den Partikeln führen. Von dem vorstehend erwähnten Standpunkt aus gesehen ist es wünschenswert, die Gründichte auf 5,8 g/cm³ oder mehr, vorzugsweise 6,0 g/cm³ oder mehr, einzustellen. Die Gründichte wird durch ein Abmessungsmessverfahren gemessen.
(3) Entfettungsschritt
Bei einem Entfettungsschritt handelt es sich um einen Schritt des Erhitzens des Grünlings zur Entfernung einer im Grünling enthaltenen Gleitmittelkomponente (Entwachsen). Bei dieser Ausführungsform wird der Entfettungsschritt bei einer Temperatur durchgeführt, die höher als die Zersetzungstemperatur des Gleitmittels und niedriger als die Temperatur eines unten beschriebenen Oxidationsschritts ist. Beispielsweise wird der Entfettungsschritt durch Erhitzen auf 350°C während 90 Minuten durchgeführt. Bei den Verfahren des Stands der Technik wird die in dem Grünling enthaltene Gleitmittelkomponente durch Halten auf einer hohen Temperatur während eines nachfolgenden Sinterschritts zersetzt, wodurch es in einem Produkt nach dem Sintern nicht enthalten ist. Wenn die vorliegende Erfindung angewendet wird, kann die Gleitmittelkomponente jedoch in Abhängigkeit von der Dichte des Grünlings, einer Behandlungstemperatur und eines Haltezeitraums zurückbleiben. Daher ist es wünschenswert, ein Verfahren anzuwenden, bei dem vor der Oxidationsbehandlung vorab ein Entfettungsschritt zum Zersetzen und Entfernen der Gleitmittelkomponente durchgeführt wird, wobei die Oxidationsbehandlung nach dem Entfettungsschritt anschließend in der gleichen Atmosphäre durchgeführt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine Erhöhung der Festigkeit auch dann erzielt werden kann, wenn die Oxidationsbehandlung mit dem enthaltenden Gleitmittel durchgeführt wird, ohne den Entfettungsschritt durchzuführen. Alternativ dazu kann der Entfettungsschritt mit einer separaten Erhitzungsvorrichtung in einer Atmosphäre durchgeführt werden, die sich von jener des Oxidationsschritts unterscheidet (zum Beispiel in einem Inertgas, einem reduzierenden Gas oder im Vakuum).
(4) Oxidationsschritt
Bei einem Oxidationsschritt handelt es sich um einen Schritt des Erhitzens des Grünlings in einer oxidierenden Atmosphäre zur Bildung des Oxidfilms auf der Oberfläche jedes Partikels des Metallpulvers (in dem vor allem Eisenpulver und Kupferpulver als Hauptbestandteil dienen), um dadurch die Partikel durch den Oxidfilm miteinander zu verbinden und auf diese Weise die Festigkeit des Grünlings zu erhöhen. Bei dieser Ausführungsform werden die Behandlungsbedingungen im Oxidationsschritt (Erhitzungstemperatur, Erhitzungszeitraum und Erhitzungsatmosphäre) derart eingestellt, dass der vorstehend beschriebene Oxidfilm erzielt wird. Insbesondere wird bei dieser Ausführungsform beim Oxidationsschritt die Erhitzungstemperatur auf 350°C oder mehr, vorzugsweise 450°C oder mehr eingestellt. Darüber hinaus wird die Erhitzungstemperatur vorzugsweise auf 600°C oder weniger eingestellt, da eine übermäßig hohe Erhitzungstemperatur eine große Abmessungsveränderung in dem Grünling bewirkt. Der Erhitzungszeitraum wird auf geeignete Weise auf einen Wert innerhalb eines Bereichs von 5 Minuten bis 2 Stunden eingestellt. Es wird eine oxidierende Atmosphäre als Erhitzungsatmosphäre verwendet, um eine positive Oxidation zu fördern. Es wird bevorzugt, eine oxidierende Atmosphäre zu verwenden, bei der die Geschwindigkeit der Bildung des Oxidfilms niedriger als in einer Dampfatmosphäre ist, da in einer Dampfatmosphäre die Geschwindigkeit der Bildung des Oxidfilms hoch ist und somit damit gerechnet werden muss, dass die Dicke des Oxidfilms im Inneren 1 μm übersteigt. Insbesondere erfolgt die Erhitzung vorzugsweise in einer von einer Luftatmosphäre, einer Sauerstoffatmosphäre und einer Atmosphäre aus einem oxidierenden Gas, die erzielt wird, indem ein Inertgas wie z.B. Stickstoff oder Argon mit Luft oder Sauerstoff gemischt wird. Wenn die Erhitzungsatmosphäre einen Sauerstoffanteil von 2 Vol.-% oder mehr aufweist, wird eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr erzielt, was ausreicht, dass das erzielende Maschinenteil der Verwendung als Maschinenteil, wie z.B. als ölimprägniertes Lager, standhält.
Ein auf der Oberfläche des Eisenpulvers gebildeter Eisenoxidfilm ist aus einer Mischphase aus zwei oder mehr Arten aus Fe₃O₄, Fe₂O₃ und FeO gebildet. Ein auf der Oberfläche des Kupferpulvers gebildeter Kupferoxidfilm ist aus einer Mischphase aus zwei oder mehr Arten aus CuO, Cu₂O und Cu₂₊₁O gebildet. Das Verhältnis zwischen diesen Oxidfilmen variiert in Abhängigkeit von den Materialien und Behandlungsbedingungen.
Durch den Oxidationsschritt bildet der auf den Oberflächen der Metallpulverpartikel gebildete Oxidfilm ein Netz, das sich zwischen den Metallpulverpartikeln ausbreitet. Dadurch ersetzt der Oxidfilm eine herkömmliche Bindekraft, die durch das Hochtemperatur-Sintern entsteht, und führt zu einer Erhöhung der Festigkeit des Grünlings. Darüber hinaus sind bei dieser Ausführungsform nicht alle Partikel des Eisenpulvers und Kupferpulvers, die als Hauptbestandteil dienen, durch den Oxidfilm miteinander verbunden, wobei ein Teil der Partikel ohne den Oxidfilm in direkten Kontakt miteinander gebracht wird und miteinander verschmolzen wird. Die Festigkeit des Grünlings nach dem Oxidationsschritt wird auf eine Festigkeit eingestellt, die für ein gesintertes Maschinenteil wie z.B. ein ölimprägniertes Lager oder ein Gleitelement erforderlich ist, insbesondere auf eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr, vorzugsweise 150 MPa oder mehr.
Eine Erhöhung der Festigkeit durch den Oxidationsschritt kann in einem Grünling erzielt werden, der aus Eisen, Kupfer oder einem Material hergestellt ist, das durch das Mischen von Eisen und Kupfer in verschiedenen Verhältnissen erzielt wird (Material auf Eisenbasis, Material auf Kupferbasis, Material auf Eisen-Kupfer-Basis oder Material auf Kupfer-Eisen-Basis), wie es in einem herkömmlichen allgemeinen Sinterelement verwendet wird. Somit kann der Oxidationsschritt unabhängig vom Mischungsverhältnis von Kupfer und Eisen angewendet werden. Beispielsweise kann der Oxidationsschritt selbst bei einem Grünling auf Kupfer-Eisen-Basis mit einem Kupferanteil von 50 Gew.-% oder mehr angewendet werden.
Der vorstehend erwähnte Oxidationsschritt wird bei einer Behandlungstemperatur durchgeführt, die niedriger als jene beim herkömmlichen Hochtemperatur-Sinterschritt ist. Dadurch ist die Abmessungsveränderung gering, wodurch ein nachfolgender Schritt des Korrigierens (Nachprägens) in Abhängigkeit vom Material, von den Behandlungsbedingungen, von der Form des Produkts, von den Abmessungen und dergleichen weggelassen werden kann. Auf diese Weise wird der Fertigungsprozess verkürzt, es kann eine Kostenreduktion erzielt werden, und die Ausgestaltung des Produkts und die Form zum Verdichten und Formen werden vereinfacht.
Der Oxidationsschritt kann unabhängig von der Form und den Abmessungen des Grünlings durchgeführt werden. Darüber hinaus ist die Oberfläche des Grünlings, der dem Oxidationsschritt unterzogen wurde, mit dem Oxidfilm beschichtet. Dadurch wird eine hohe Rostschutzwirkung erzielt, was in manchen Fällen eine Rostschutzbehandlung unnötig macht. Darüber hinaus ist die Behandlungstemperatur im Oxidationsschritt relativ niedrig, wodurch ein Additiv zugesetzt werden kann, das bei einer über der Behandlungstemperatur liegenden Temperatur verändert oder zersetzt wird (zum Beispiel ein Material, das Gleitfähigkeit oder Schlüpfrigkeit aufweist), um auf diese Weise ein Produkt hochgradig zu funktionalisieren.
(5) Ölimprägnierungsschritt
Bei einem Ölimprägnierungsschritt handelt es sich um einen Schritt, der es ermöglicht, die inneren Poren des Grünlings, welcher der Oxidationsbehandlung unterzogen wurde, mit einem Schmieröl zu imprägnieren. Insbesondere wird der Grünling in einer Umgebung mit vermindertem Druck in das Schmieröl eingetaucht, wonach der Druck wieder auf Atmosphärendruck gebracht wird. Dadurch dringt das Schmieröl in die inneren Poren des Grünlings ein. Dabei können die inneren Poren des Grünlings mit einer ausreichenden Menge an Öl imprägniert werden, da die Dicke des im Inneren des Grünlings gebildeten Oxidfilms 1 μm oder weniger beträgt und somit eine ausreichende Porosität des Grünlings sichergestellt ist. Durch die vorstehend erwähnten Schritte wird das ölimprägnierte Lager 1 gemäß dieser Ausführungsform fertiggestellt.
Das vorstehend beschriebene ölimprägnierte Lager ist nicht auf ein Lager beschränkt, das dafür ausgelegt ist, eine Welle durch Kontakt zu halten, sondern es kann auch ein Lager sein, das dafür ausgelegt ist, die Welle durch die Wirkung des dynamischen Drucks eines in einen radialen Zwischenraum zwischen dem Lager und der Welle eingefüllten Öls kontaktfrei zu halten. In diesem Fall kann ein Abschnitt zur Erzeugung von dynamischem Druck (zum Beispiel eine fischgrätenförmige oder spiralförmige Dynamikdrucknut) in der inneren Umfangsfläche des ölimprägnierten Lagers gebildet sein.
Das Maschinenteil, das einen Grünling gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, weist eine ausreichende Festigkeit auf und ist dadurch nicht nur in einem Gebiet einsetzbar, das weniger Festigkeit erfordert, wie z.B. als Teil aus einem weichmagnetischen Material, sondern es kann auch als ölimprägniertes Lager, wie es in der vorstehend erwähnten Ausführungsform beschrieben wurde, als sonstige Gleitelemente oder als Metallverstärkung eines Verbundlagers verwendet werden, bei dem eine Harzschicht auf einer Gleitfläche gebildet ist.
Beispiele
Zur Bestätigung der bevorzugten Bedingungen für das Verfahren zum Herstellen eines Maschinenteils wurden die folgenden Tests durchgeführt. Bei jedem Test wurden jeweils reduziertes Eisenpulver und elektrolytisches Kupferpulver als Metallpulver verwendet, und ein Gleitmittel in Form eines Pulvers auf Amidwachs-Basis wurde als Gleitmittel zum Verdichten und Formen verwendet. Darüber hinaus wurde jeder Grünling durch uniaxiales Pressformen mittels Schwebematrizenverfahren in eine Form mit den Abmessungen φ6 mm Innendurchmesser × φ12 mm Außendurchmesser × 5 mm Länge in Achsrichtung gebracht, wobei eine Form aus SKD11 verwendet wurde. Das Gleitmittel wurde in einer Menge von 0,7 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallpulvers zugesetzt. Sofern nicht anders angegeben, wurde zum Erhitzen ein Erhitzungszofen vom Chargentyp mit regelbarer Atmosphäre verwendet. Während des Erhitzens wurden die Durchsätze eines oxidierenden Gases und andernfalls eines Inertgases oder eines reduzierenden Gases auf 0,1 L/min bzw. 2,0 L/min eingestellt. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs während des Erhitzens wurde auf 10°C/min eingestellt, und die Kühlung erfolgte durch Ofenkühlung auf Raumtemperatur.
Prüfstücke, die durch eine Veränderung der verschiedenen Bedingungen erzielt wurden, wurden hinsichtlich ihrer radialen Bruchfestigkeit getestet, die gemäß dem in JIS Z 2507 angegebenen Verfahren gemessen und berechnet wurde. Ein Durchschnittswert der bei drei Prüfstücken gemessenen radialen Bruchfestigkeit wurde für die Bewertung verwendet. Bei der verwendeten Prüfvorrichtung handelt es sich um den Autograph AG-5000A, hergestellt von Shimadzu Corporation. Die "radiale Bruchfestigkeit" bezieht sich auf die Festigkeit eines zylindrischen Grünlings, die basierend auf einer radialen Bruchbelastung durch ein bestimmtes Verfahren bestimmt wurde, und die "radiale Bruchbelastung" bezieht sich auf eine Belastung, bei welcher der zylindrische Grünling zu brechen beginnt, wenn er zwischen zwei Ebenen zusammengedrückt wird, die jeweils parallel zu seiner Achse sind. Die Kriterien zur Beurteilung der radialen Bruchfestigkeit (Einheit: MPa) waren die folgenden: Ein Fall von weniger als 120 wurde als nicht akzeptabel beurteilt (×), ein Fall von 120 oder mehr und weniger als 150 wurde als akzeptabel beurteilt (o), und ein Fall von 150 oder mehr wurde als gut beurteilt (⌾). Was die Prüfstücke betrifft, so wurden jene mit einer radialen Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr (akzeptabel oder gut) als Beispiele bezeichnet, und jene mit einer radialen Bruchfestigkeit von weniger als 120 MPa (nicht akzeptabel) wurden als Vergleichsbeispiele bezeichnet. Im Folgenden werden die Tests im Einzelnen beschrieben.
(a) Untersuchungen zur Gründichte

Grünlinge mit einer durch ein Abmessungsmessverfahren gemessenen Gründichte von 5,5 g/cm³ bis 7,4 g/cm³ wurden hergestellt, indem nur reduziertes Eisenpulver als Ausgangsmaterial-Metallpulver verwendet wurde, wobei sie einer Entwachsung zur Entfernung des Gleitmittels bei 350°C während 90 Minuten in einem mit Reinluft gespülten Ofen und anschließend einer Oxidation durch Erhitzen auf 500°C während 30 Minuten unterzogen wurden. Die Bedingungen und Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

	Material	Gründichteg/cm³	Erhitzungsbedingungen °C × min	Atmosphäre	Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
Vergleichsbeispiel 1	Nur Fe	5,5	500 × 30	Reinluft	103	×
Vergleichsbeispiel 2		7,4			110	×
Beispiel 1		5,8			145	o
Beispiel 2		6,0			160	⌾
Beispiel 3		6,5			165	⌾
Beispiel 4		7,0			153	⌾
Beispiel 5		7,2			142	o

Wenn die Gründichte mit 5,5 g/cm³ niedrig ist, ist die Festigkeit des Grünlings in einem Zustand vor der Erhitzung ungenügend, mit dem Ergebnis, dass damit gerechnet werden muss, dass es bei der Handhabung vor der Erhitzung zu einem Zerbröckeln oder Brechen kommt (der Rattler-Wert ist hoch). Selbst wenn der Grünling, der wie vorstehend beschrieben eine geringe Dichte aufweist, darüber hinaus in Reinluft erhitzt wird, erreicht die radiale Bruchfestigkeit höchstens etwa 100 MPa, was unter dem Wert von 120 MPa liegt, der ausreicht, damit das herzustellende Maschinenteil der Verwendung als Gleitlager oder anderes Maschinenteil standhält.
Wenn die Gründichte hingegen mehr als 5,8 g/cm³ beträgt, ist es weniger wahrscheinlich, dass es zu einem Zerbröckeln oder Brechen kommt, wie dies vorstehend beschrieben wurde, und nach der Hitzebehandlung wird eine radiale Bruchfestigkeit in einem Ausmaß von über 120 MPa erzielt. Bei einem üblichen Sinterteil steigt die Festigkeit mit zunehmender Dichte des Grünlings. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Erhöhung der Festigkeit jedoch vor allem durch eine Netzbildung durch den Oxidfilm erzielt und nicht durch ein Verschmelzen der Partikel. Wenn die Dichte zu hoch ist, wird dem Inneren des Grünlings somit nicht ausreichend Sauerstoff zugeführt, wodurch die Bildung des Oxidfilms auf einen Oberflächenschichtbereich des Grünlings beschränkt ist, weshalb dies im Gegenteil tendenziell dazu führt, dass die Festigkeit sinkt. Wenn die Dichte auf bis zu 7,4 g/cm³ erhöht wurde, sank ferner die radiale Bruchfestigkeit auf 110 MPa.
Die vorstehend erwähnten Ergebnisse zeigen Folgendes: Wenn die Gründichte in einen Bereich von 5,8 g/cm³ bis 7,2 g/cm³ fällt, weist der Grünling eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr auf, und wenn die Gründichte ferner in einen Bereich von 6,0 g/cm³ bis 7,0 g/cm³ fällt, weist der Grünling eine radiale Bruchfestigkeit von mehr als 150 MPa auf. Somit kann gesagt werden, dass ein geeigneter Gründichtebereich in einem Bereich von 5,8 g/cm³ bis 7,2 g/cm³, vorzugsweise von 6,0 g/cm³ bis 7,0 g/cm³ liegt.
(b) Untersuchungen zur Erhitzungstemperatur und zum Erhitzungszeitraum

Der gleiche Grünling wie in Beispiel 2, der aus reinem Eisenpulver hergestellt wurde und eine Dichte von 6,0 g/cm³ aufwies, wurde in Reinluft während verschiedener Zeiträume auf verschiedene Temperaturen erhitzt. Dadurch wurde ein Einfluss auf die radiale Bruchfestigkeit untersucht. Die Bedingungen waren mit Ausnahme der Höchsttemperatur während der Erhitzung und des Zeitraums der Erhitzung die gleichen wie in Beispiel 2. Die Bedingungen und Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Table 2

	Material	Gründichteg/cm³	Erhitzungsbedingungen °C × min	Atmosphäre	Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
Vergleichsbeispiel 3	Nur Fe	6,0	Ohne Behandlung	-	15	×
Vergleichsbeispiel 4			300 × 30	Reinluft	76	×
Vergleichsbeispiel 5			500 × 1		82	×
Beispiel 6			350 × 30		122	o
Beispiel 7			400 × 30		138	o
Beispiel 8			450 × 30		152	⌾
Beispiel 2			500 × 30		160	⌾
Beispiel 9			600 × 30		190	⌾
Beispiel 10			500 × 5		154	⌾
Beispiel 11			500 × 30		160	⌾
Beispiel 12			500 × 120		171	⌾

Zuerst ist festzustellen, dass die radiale Bruchfestigkeit ohne Behandlung (direkt am Grünling gemessen) mit 15 MPa bemerkenswert niedrig war. Darüber hinaus war bei einer Behandlungstemperatur von 300°C die Erhöhung der Festigkeit ungenügend, wobei die radiale Bruchfestigkeit weniger als 100 MPa betrug. Wenn die Behandlungstemperatur hingegen auf 350°C oder mehr erhöht wurde, stieg die Festigkeit auf 120 MPa oder mehr. Wenn die Behandlungstemperatur in einen Bereich von 450°C bis 600°C fiel, stieg ferner die Festigkeit auf 150 MPa oder mehr. Darüber hinaus stieg auch bei einer Einstellung der Behandlungstemperatur auf 500°C und bei einem Behandlungszeitraum von 1 Minute die Festigkeit nicht ausreichend und blieb bei etwa 80 MPa. Wenn jedoch der Behandlungszeitraum auf 5 Minuten oder mehr verlängert wurde, stieg die Festigkeit in jedem Fall auf 150 MPa oder mehr. Aufgrund dieser Ergebnisse kann gesagt werden, dass eine geeignete Erhitzungstemperatur 350°C oder mehr, vorzugsweise 450°C oder mehr beträgt und ein geeigneter Behandlungszeitraum 5 Minuten oder mehr beträgt.
(c) Untersuchungen zur Behandlungsatmosphäre

Der gleiche Grünling wie in Beispiel 2, der aus reinem Eisenpulver hergestellt wurde und eine Dichte von 6,0 g/cm³ aufwies, wurde in verschiedenen Atmosphären erhitzt. Dadurch wurde ein Einfluss der Atmosphäre während der Hitzebehandlung auf die radiale Bruchfestigkeit untersucht. Die Bedingungen waren mit Ausnahme der Atmosphäre während der Erhitzung die gleichen wie jene in Beispiel 2. Darüber hinaus bedeutet der Ausdruck "die Atmosphäre" in der entsprechenden Spalte bei Beispiel 14, dass kein Reinluftgas zugeführt wurde, sondern dass eine Erhitzung in einem Atmosphärenofen vom Chargentyp ohne Atmosphärenregelung erfolgte, was sich vom Beispiel 2 unterscheidet, bei dem "Reinluft" angegeben ist. Die Bedingungen und Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3

	Material	Gründichteg/cm³	Erhitzungsbedingungen °C × min	Atmosphäre	Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
Vergleichsbeispiel 6	Nur Fe	6,0	500 × 30	Wasserstoff	42	×
Vergleichsbeispiel 7				Stickstoff	37	×
Beispiel 2				Reinluft	160	⌾
Beispiel 13				Sauerstoff	178	⌾
Beispiel 14				Die Atmosphäre	162	⌾

Wenn eine Wasserstoffatmosphäre (reduzierende Atmosphäre) oder eine Stickstoffatmosphäre (Inertatmosphäre) als Atmosphäre während der Erhitzung verwendet wird, erhöht sich die Festigkeit um einen Faktor zwei oder mehr im Vergleich zu den 15 MPa vor der Hitzebehandlung, bleibt aber hinter 120 MPa zurück, was eine erforderlicher Wert ist. Wenn hingegen eine Sauerstoffatmosphäre oder eine Reinluftatmosphäre oder eine Atmosphäre verwendet wird, die aus der sauerstoffhaltigen Atmosphäre gebildet wird, wird eine radiale Bruchfestigkeit von 150 MPa oder mehr erzielt. Es wird nachgewiesen, dass die Festigkeit ausreichend erhöht wird.
Nun werden diese Ergebnisse in Verbindung mit den Ergebnissen des Abschnitts "(b) Untersuchungen zur Erhitzungstemperatur und zum Erhitzungszeitraum" betrachtet. Im Fall der Verwendung eines Inertgases oder eines reduzierenden Gases kommt es wahrscheinlich durch Verschmelzen eines Teils der Partikel des Eisenpulvers zu einer Erhöhung der Festigkeit. Beim Vergleichsbeispiel 4, das eine Erhitzung auf 300°C beinhaltet, steigt die Festigkeit wahrscheinlich deshalb auf ungenügende Weise, da die Verschmelzung bei niedrigen Temperaturen nicht stattfindet. Die Festigkeit kann selbst in einem nicht-oxidierenden Gas auf 120 MPa oder mehr erhöht werden, indem die Behandlungstemperatur erhöht wird; um eine Festigkeit auf einem Niveau wie in den Beispielen 2, 13 und 14 zu erzielen, ist jedoch wahrscheinlich eine Erhitzung auf eine hohe Temperatur auf dem gleichen Niveau wie beim herkömmlichen Sintern erforderlich. Aufgrund der Tatsache, dass bei den Beispielen 2, 13 und 14 unter den gleichen Erhitzungsbedingungen wie bei den Vergleichsbeispielen 6 und 7 eine radiale Bruchfestigkeit von 150 MPa oder mehr erzielt wird, kann gesagt werden, dass zusätzlich zur Verschmelzung der Eisenpulverpartikel die Bildung eines Oxidfilmnetzes zwischen den Partikeln durch Erhitzung in der oxidierenden Atmosphäre notwendig ist, um die Festigkeit zu erhöhen.
Aufgrund der vorstehenden Ausführungen kann gesagt werden, dass die oxidierende Atmosphäre wie z.B. eine Sauerstoffatmosphäre oder eine Mischgasatmosphäre aus Sauerstoff und einem Inertgas wichtig ist, um die Festigkeit bei einer niedrigen Temperatur von 600°C oder weniger ausreichend zu erhöhen.

Ferner wurde ein Einfluss des Sauerstoffanteils in der Atmosphäre während der Hitzebehandlung auf die radiale Bruchfestigkeit untersucht. Bei der Hitzebehandlung des gleichen Grünlings wie in Beispiel 3, der aus reinem Eisenpulver hergestellt wurde und eine Dichte von 6,5 g/cm³ aufwies, wurde eine Zweikomponenten-Behandlungsatmosphäre aus Stickstoff/Sauerstoff als Behandlungsatmosphäre verwendet, wobei die Volumenanteile der Komponenten verändert wurden. Die Atmosphäre wurde geregelt, indem der Gesamtdurchsatz der zwei Komponenten Stickstoff und Sauerstoff auf 2,0 L/min eingestellt wurde und das Verhältnis zwischen den Durchsätzen der Komponenten verändert wurde. Die Bedingungen, einschließlich der Entfettungsbedingungen und der Bedingungen bei der Erhöhung und Senkung der Temperatur, waren mit Ausnahme der Atmosphäre während der Erhitzung die gleichen wie jene in Beispiel 3. Die Bedingungen und Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4

	Material	Gründichte g/cm³	Erhitzungs- bedingungen °C × min	Sauerstoffanteil Vol.-%	Gasdurchsatz L/min		Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
	Material	Gründichte g/cm³	Erhitzungs- bedingungen °C × min	Sauerstoffanteil Vol.-%	Stickstoff	Sauerstoff	Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
Vergleichsbeispiel 9	Nur Fe	6,5	500 × 30	0	2	0	45	×
Beispiel 23				2	1,96	0,04	150	⌾
Beispiel 24				5	1,9	0,1	176	⌾
Beispiel 25				10	1,8	0,2	173	⌾
Beispiel 26				20	1,6	0,4	179	⌾
Beispiel 27				50	1	1	184	⌾
Beispiel 28				100	0	2	186	⌾

Wenn der Sauerstoffanteil in der Behandlungsatmosphäre 2 Vol.-% oder mehr betrug, lag die radiale Bruchfestigkeit bei einem Niveau von 150 MPa oder mehr. Darüber hinaus stieg die Festigkeit annähernd mit steigendem Sauerstoffanteil, wenn jedoch der Sauerstoffanteil 5 Vol.-% oder mehr, vor allem 10 Vol.-% oder mehr betrug, stieg die Festigkeit langsam. Ein niedrigerer Sauerstoffanteil ermöglicht es, die inneren Poren durch eine Reduktion der Dicke des Oxidfilms im Inneren des Grünlings sicherzustellen. Daher kann gesagt werden, dass ein Grünling mit einer ausreichenden Festigkeit und einer ausreichenden Porosität erzielt werden kann, wenn der Sauerstoffanteil in der Behandlungsatmosphäre auf 2 Vol.-% oder mehr und 10 Vol.-% oder weniger (vorzugsweise 5 Vol.-% oder weniger) eingestellt wird.
(d) Untersuchungen zum Material

Ein Grünling mit einer Gründichte von 6,0 g/cm³ wurde bei den Beispielen 15 bis 18 erzielt, bei denen elektrolytisches Kupferpulver in einer Menge von 20 Gew.-% bis 80 Gew.-% zugesetzt wurde, wobei das vorstehend beschriebene Beispiel 2 die Basis bildete. Darüber hinaus wurde ein Grünling ohne Eisen und Kupfer als Hauptbestandteil hergestellt, der reines Al-Pulver als Material zur Bildung eines Oxidfilms enthielt, und als Vergleichsbeispiel 8 verwendet. Die Gründichte betrug jedoch 1,9 g/cm³, da das Al-Pulver eine niedrige wahre Dichte aufwies und sein Verdichten und Formen schwierig war. Beim Vergleichsbeispiel 8 waren die Bedingungen mit Ausnahme des Materials des Grünlings und der Dichte die gleichen wie jene von Beispiel 2. Die Bedingungen und Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 5

	Material	Gründichteg/cm³	Erhitzungsbedingungen °C × min	Atmosphäre	Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
Vergleichsbeispiel 8	Nur Al	1,9	500 × 30	Reinluft	41	×
Beispiel 2	Nur Fe	6,0			160	⌾
Beispiel 15	Fe + 20% Cu				152	⌾
Beispiel 16	Fe + 40% Cu				147	o
Beispiel 17	Fe + 60% Cu				134	o
Beispiel 18	Fe + 80% Cu				128	o

Bei den Beispielen 2 und 15 bis 18, bei denen der Grünling Eisen oder Kupfer als Hauptbestandteil enthielt, wurde eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr erzielt, wobei im Fall eines Kupferanteils von 20 Gew.-% oder weniger eine radiale Bruchfestigkeit von 150 MPa oder mehr erzielt wurde. Beim Vergleichsbeispiel 8 hingegen, bei dem die Bildung eines Oxidfilms durch die Erhitzung in der oxidierenden Atmosphäre erwartet wurde und bei dem auf diese Weise eine Erhöhung der Festigkeit wie im Fall von Eisenpulver erwartet wurde, blieb die radiale Bruchfestigkeit bei etwa 40 MPa.
Aufgrund dieser Ergebnisse kann gesagt werden, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf alle Metalle anwendbar ist, die den Oxidfilm bilden können, wobei es bemerkenswert erfolgreich ist, wenn Eisen oder Kupfer als Hauptbestandteil enthalten sind. Durch zukünftige Untersuchungen wird jedoch möglicherweise ein Fall gefunden, bei dem die Festigkeit erhöht werden kann, auch wenn ein anderes Metall als Hauptbestandteil enthalten ist.
(e) Untersuchungen zum Vorhandensein oder zum Fehlen des Entwachsungsschritts zur Entfernung des Gleitmittels (Entfettungsschritt)

Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel 2 wird vor dem Schritt des Erhitzens in Reinluft zur Bildung des Oxidfilms eine Entwachsung zur Entfernung des zum Formen verwendeten Gleitmittels ebenfalls in Reinluft durchgeführt. Hierbei wurden Untersuchungen zu den Entwachsungsbedingungen durchgeführt, die basierend auf den Ergebnissen folgender Fälle erfolgte: auf Fällen, bei denen ein vorheriges Entwachsen zur Entfernung des Gleitmittel in verschiedenen Atmosphären durchgeführt wurde, und auf den Fall, bei dem die Erhitzung ohne den vorherigen Entwachsungsschritt durchgeführt wurde. Die Bedingungen sind mit Ausnahme der Bedingungen des Entwachsungsschritts vor der Erhitzung die gleichen wie jene von Beispiel 2. Die Bedingungen und Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 6 dargestellt. Tabelle 6

	Material	Gründichteg/cm³	Erhitzungsbedingungen °C × min	Atmosphäre	Entfettungsschritt	Radiale Bruchfestigkeit MPa	Beurteilung
Beispiel 2	Nur Fe	6,0	500 × 30	Reinluft	Vorhanden (in Reinluft)	160	⌾
Beispiel 19					Vorhanden (in Stickstoff)	172	⌾
Beispiel 20					Vorhanden (im Vakuum)	180	⌾
Beispiel 21					Fehlt	133	o

Eine radiale Bruchfestigkeit von 120 MPa oder mehr wurde in jedem Fall unabhängig vom Vorhandensein oder vom Fehlen des Entwachsungsschritts zur Entfernung des zur Formung verwendeten Gleitmittels und der Atmosphäre während des Entwachsens erzielt. Bei den Beispielen 2, 19 und 20, bei denen der Entwachsungsschritt durchgeführt wurde, wurde eine höhere Festigkeit als bei dem Beispiel 21 erzielt, bei dem der Entwachsungsschritt nicht durchgeführt wurde. Darüber hinaus wurde bei dem Beispiel 20, das ein Entwachsen im Vakuum beinhaltete und bei dem die im Inneren des Grünlings zurückbleibende Menge an Gleitmittel als minimal (Rückstand) angenommen wurde, mit etwa 180 MPa die höchste Festigkeit erzielt. Aufgrund dieser Tatsache kann gesagt werden, dass die Entfernung des Gleitmittels die Festigkeit wirksam erhöht.
Bezugszeichenliste

1: ölimprägniertes Lager
2: Welle
10: Eisenpartikel
11: Eisenoxidfilm
20: Kupferpartikel
21: Kupferoxidfilm

Claims

Maschinenteil, umfassend einen Grünling, bei dem Metallpulverpartikel durch einen Oxidfilm, der auf einer Oberfläche jedes Partikels gebildet ist, miteinander verbunden sind, wobei eine maximale Dicke des Oxidfilms in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von einer Oberfläche des Grünlings 1 μm oder weniger beträgt.
Maschinenteil nach Anspruch 1, wobei eine maximale Dicke des Oxidfilms in einem Bereich in einer Tiefe von 30 μm oder weniger von der Oberfläche des Grünlings das Doppelte oder mehr der maximalen Dicke des Oxidfilms im Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von der Oberfläche des Grünlings beträgt.
Maschinenteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grünling Eisen und Kupfer als Hauptbestandteil umfasst.
Maschinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Grünling eine Porosität von 8% oder mehr aufweist.
Maschinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Maschinenteil als ölimprägniertes Lager verwendet wird, das eine Lageroberfläche an einer inneren Umfangsfläche aufweist und mit einem Öl imprägnierte innere Poren aufweist.
Maschinenteil nach Anspruch 5, wobei das Maschinenteil einen Abschnitt zur Erzeugung von dynamischem Druck in der Lageroberfläche umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Maschinenteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Verdichten und Formen eines Rohmaterialpulvers, das Metallpulver enthält, um einen Grünling bereitzustellen; und Unterziehen des Grünlings einer Hitzebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre, um zu ermöglichen, dass die Metallpulverpartikel durch einen Oxidfilm, der auf einer Oberfläche jedes Partikels gebildet wird, miteinander verbunden werden, wobei die Bedingungen der Hitzebehandlung derart eingestellt werden, dass eine maximale Dicke des Oxidfilms in einem Bereich in einer Tiefe von 300 μm ± 10 μm von einer Oberfläche des Grünlings 1 μm oder weniger beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Maschinenteils nach Anspruch 7, wobei die Hitzebehandlung in einer aus einer Sauerstoffatmosphäre, einer Luftatmosphäre und einer Atmosphäre aus einem oxidierenden Gas durchgeführt wird, die erzielt wird, indem ein Inertgas mit Sauerstoff oder Luft gemischt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Maschinenteils nach Anspruch 8, wobei das oxidierende Gas einen Sauerstoffanteil von 10 Vol.-% oder weniger aufweist.