JP2004190141A - 粉末金属部品の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 粉末金属部品を製造する際の製造時間を短縮し、製造コストを低減させる。
【解決手段】 粉末金属部品の製造方法は、鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅を含む冶金粉末を用意する工程と、６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体（green compact）が得られるように、冶金粉末を２５〜６５ｔｓｉの圧力で圧縮する工程と、圧粉体を２１００〜２４００°Ｆの温度で２０〜６０分間加熱し、次に１０００〜１９００°Ｆの温度で５〜６０分間保持する工程と、圧粉体を７．６ｇ/ｃｃ以上の密度まで選択的に高密度化させる工程と、圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間再び加熱して、１５０〜２５０°Ｆ/minの速度で冷却する工程とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冶金粉末から材料を製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、鉄および炭素を含む冶金粉末から材料を製造する方法に関する。
焼結硬化（焼入れ）処理は、バッチ式熱処理または高周波焼入れのような従来の熱処理工程を用いることなく、高マルテンサイト含有材料を製造するのに使用される工程である。焼結硬化処理は、昇温下で圧粉体（compact）を焼結し、焼結炉の端部で圧粉体を急速に冷却してマルテンサイト変態させる工程を備えている。
粉末金属部品を製造するのに当該分野で一般に用いられているもう一つの方法は、ダブルプレス・ダブル焼結（ＤＰＤＳ：double press double sinter）である。この方法では、粉末混合物が、圧粉され、予め焼結され、サイジングされ、高温焼結を経てから熱処理される。この方法における問題は、時間がかかり、コスト高であるという点である。
したがって、当該分野では、粉末金属部品を製造する効率的な方法の必要性が存在している。
本発明が解決しようとする課題は、粉末金属部品を製造する際の製造時間を短縮するとともに、製造コストを低減させる点にある。
請求項１の発明に係る粉末金属部品の製造方法は、以下の工程から構成されている。
（ａ）鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４.５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅（各重量％は粉末の総重量に基づいて計算）を含む冶金粉末を用意する工程。
（ｂ）冶金粉末を２５〜６５ｔｓｉの圧力で圧縮して圧粉体を提供する工程。
（ｃ）圧粉体を２１００〜２４００°Ｆで２０〜６０分間加熱する工程。
（ｄ）圧粉体の微細組織が主にパーライトになるように、圧粉体を１０００〜１９００°Ｆで５〜６０分間保持する工程。
（ｅ）圧粉体の少なくとも一部の密度を７．６ｇ/ｃｃ以上の密度まで増加させる工程。
（ｆ）圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間加熱する工程。
（ｇ）圧粉体を毎分１５０〜２５０°Ｆの速度で冷却する工程。
（ｈ）圧粉体の微細組織が、焼戻しマルテンサイト、０〜２０％のベイナイトおよび５％以下の残留オーステナイトになりかつ２７〜５０ＨＲＣの硬度を有するように、圧粉体を３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間加熱する工程。
請求項２の発明においては、粉末金属部品がスプロケットである。
請求項３の発明では、スプロケット歯が６．７５〜７．２５ｇ/ｃｃの密度を有している。
請求項４の発明では、冶金粉末の圧縮工程が６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を生成している。
請求項５の発明では、工程（ｃ）において、圧粉体が２３００°Ｆの温度で４０分間加熱されている。
請求項６の発明では、工程（ｄ）において、圧粉体が１０００〜１８００°Ｆの温度に保持されている。
請求項７の発明では、工程（ｄ）において、圧粉体が１５００〜１９００°Ｆの温度に保持されている。
請求項８の発明では、工程（ｃ）,（ｄ）間において、圧粉体が追加の冷却または加熱処理を受けていない。
請求項９の発明では、工程（ｃ）で生成された圧粉体が臨界温度を有しており、工程（ｄ）において臨界温度以下に保持されている。
請求項１０の発明では、工程（ｃ）で生成された圧粉体が臨界温度を有しており、工程（ｄ）において臨界温度に保持されている。
請求項１１の発明では、パーライトが球状化されている。
請求項１２の発明に係る粉末金属部品の製造方法は、以下の工程から構成されている。
（ａ）鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅（各重量％は粉末の総重量に基づいて計算）を含む冶金粉末を用意する工程。
（ｂ）冶金粉末を２５〜６５ｔｓｉの圧力で圧縮して６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を提供する工程。
（ｃ）圧粉体を２１００〜２４００°Ｆで２０〜６０分間加熱し、圧粉体を室温まで冷却する工程。
（ｄ）圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間加熱する工程。
（ｅ）圧粉体を毎分１５０〜２５０°Ｆの速度で冷却する工程。
（ｆ）圧粉体を３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間加熱する工程。
請求項１３の発明では、工程（ｃ）において、圧粉体が２３００°Ｆの温度で４０分間加熱されている。
請求項１４の発明に係る粉末金属部品の製造方法は、以下の工程から構成されている。
（ａ）鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅（各重量％は粉末の総重量に基づいて計算）を含む冶金粉末を用意する工程。
（ｂ）２５〜６５ｔｓｉの圧力で冶金粉末を圧縮して６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を提供する工程。
（ｃ）圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間加熱する工程。
（ｄ）圧粉体を毎分１５０〜２５０°Ｆの速度で冷却する工程。
（ｅ）圧粉体を３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間加熱する工程。
本発明に係る粉末金属部品の製造方法は、鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅を含む冶金粉末を用意する工程を備えている。なお、各重量％は粉末の総重量に基づいて計算されている。次に、冶金粉末は、６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体（green compact）が得られるように、２５〜６５ｔｓｉの圧力で圧縮される。圧粉体は、２１００〜２４００°Ｆの温度で２０〜６０分間加熱され、１０００〜１９００°Ｆの温度で５〜６０分間保持される。次に、圧粉体は、７．６ｇ/ｃｃ以上の密度まで選択的に高密度化される。圧粉体は、１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間再び加熱されて、１５０〜２５０°Ｆ/minの速度で冷却される。
本発明およびその目的をさらに理解するためには、図面、図面の簡単な説明、本発明の好ましい実施態様の詳細な説明および特許請求の範囲に注意が向けられるべきである。
本発明によれば、製造工程の数を減らすことができるので、製造時間および製造コストを低減できる。
以下、本発明の実施態様を添付図面に基づいて説明する。
本発明は、優れた機械的特性を有しかつ熱ひずみを最小限に抑える粉末金属部品を製造するための方法を提供する。本発明による方法は、迅速であり、従来一般的に行われていた焼結・熱処理に比べて工程数が少ない。
図１は、本発明による粉末金属部品を製造する方法を示すブロック図である。同図において、第１のステップでは、鉄、０〜１．５重量％のシリコンおよび０．４〜０．９重量％の炭素からなる冶金粉末の混合物が、圧粉体を提供するように結合されて一体化される。
冶金粉末は、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅のような他の要素をさらに含んでいてもよい（表１参照）。
Figure 2004190141
第２の工程は、粉末混合物を圧縮することである。粉末は、２５〜６５ｔｓｉの範囲の圧縮比で圧縮され、その結果、６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体（green compact）が得られる。
本発明の第３の工程は、圧粉体を焼結することである。図１に示すように、焼結は、製作される部品が、優れた面耐久性、優れた転がり疲れおよび（または）高精度の形状を要求されるかどうかに基づいて、種々の方法で実行される。
もし優れた面耐久性、転がり疲れおよび（または）高精度の形状を要求されるのであれば、部品は、高温で焼結されて焼鈍され、選択的に高密度化されて焼結炉で硬化される必要がある。好ましい実施例においては、上記特性が必要であり、圧粉体は、２１００°〜２４００°Ｆの間の高温で、好ましくは２３００°Ｆで焼結される。
圧粉体は、２０〜６０分間、好ましくは４０分間高温に保持される。圧粉体を十分な時間焼結温度に保持することは、個々の合金要素が圧粉体全体に拡散するのを確保するのに重要である。
圧粉体の焼鈍は、高温焼結の冷却工程時に行われる。たとえば米国特許第 6,338,747号における従来技術においては、粉末金属部品の製造方法は、図２ａに示すように、緩やかな冷却工程を使用していた。緩やかな冷却工程は制御が難しい。
図２ｂに示す従来技術は、部品が室温まで冷却された後に焼鈍工程が存在していることを示している。このような技術は受け入れることができるものの、部品を室温まで冷却してから焼鈍温度まで加熱する必要があるため、かなりの時間とエネルギを要する。
本発明の好ましい第１の実施例においては、図２ｃに示すように、圧粉体の焼鈍が、高温焼結直後の炉冷却中に行われている。圧粉体は、室温まで冷却されるようには許容されていない。そのかわりに、炉は、１０００°〜１８００°Ｆの範囲で変化する鋼の臨界温度に対して炉内の温度が約５０°Ｆ低くなるまで自然に冷却されている。
次に、圧粉体は、焼鈍が行われるように１０００〜１８００°Ｆで５〜６０分間保持され、これにより、高密度化のために粉末金属部品の成形性が改良される。冷却速度は、圧粉体の最終硬度を制御する際の要因ではない。
図２ｄに示す他の実施例においては、焼鈍が臨界温度で生じている。前記実施例と同様に、炉は炉自身の冷却速度で臨界温度まで冷却される。圧粉体は、１６００〜１９００°Ｆの温度で５〜６０分間保持される。
この場合においても、冷却速度は、圧粉体の最終硬度を制御する際の要因ではない。圧粉体は、次に急速に冷却される。焼鈍後の微細組織は、主に球状パーライトかまたはパーライトである。焼鈍は、それに続く高密度化のために、粉末金属部品の成形性を改良する。
高密度化の次の工程は、いずれかの実施例における焼鈍工程の後に続き、焼結圧粉体のすべてまたは所望の部分または領域の密度を７．６ｇ/ｃｃ以上の密度に増加させるように、機械加工またはその他の変形技術を利用している。
機械加工は、たとえばサイジング、転造、ローラバニシング、ショットピーニングまたはショットブラスト、押出し、スエージ加工および加熱成形を含んでいる。当該分野の当業者に知られたその他の技術もまた用いられ得る。
次の工程は、焼結炉硬化である。圧粉体は１６５０〜２１００°Ｆで２０〜８０分間保持され、その後、１５０〜２５０°Ｆ/minの速度で冷却される。
表面の高耐久性および高転がり疲れが要求されないのであれば、焼鈍および高密度化は必要ではない。粉末金属部品は、高温で焼結され、次に焼結炉で硬化される。この焼結炉硬化処理は、高温焼結処理と分離して行うこともできるし、あるいは、焼結炉の端部に急速冷却装置を追加することによって、高温焼結の同じサイクルに組み合わせることもできる。
次に、圧粉体は、３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間焼き戻しされる。最終の微細組織は、主に、焼戻しマルテンサイト、０〜２０％のベイナイトおよび５％以下の残留オーステナイトであり、製造された金属部品は、２７〜５０ＨＲＣの硬度を有している。
試験例１
０．６０重量％の炭素、０．７重量％のシリコン、０．０３重量％のクロム、０．１３重量％のマンガン、４．４重量％のニッケルおよび０．８５重量％のモリブデンを含む粉末は、表２に示すように配合された。圧粉体は、２５〜６５ｔｓｉの圧力で粉末を成形することによって形成された。圧粉体の密度は６．９５ｇ/ｃｃであった。
次に、圧粉体は、２３００°Ｆの温度で４０分間焼結された。次の工程において、圧粉体は、１８５０°Ｆの温度で２５分間の急速冷却をともないつつ焼結炉で硬化された。最後に、圧粉体は、４００°Ｆの温度で６０分間焼き戻しされた。
最終製品である歯数２５枚のスプロケットは、３７〜３９ＨＲＣの見かけ硬度と７．０７ｇ/ｃｍ３の全歯密度を示した。スプロケット歯は、歯が折損または破損するまでどれだけの荷重を作用できるかをみるために、試験された。この例では、直径０．２００インチの３本のピンを用いて試験が行われた。その結果は、７３００〜８３００lbfであった。
一方、ダブルプレス・ダブル焼結（ＤＰＤＳ：double pressed double sintered）法により製作されかつ高周波焼入れにより処理されたＭＰＩＦ ＦＮ−０２０８による同じ部品の場合、歯の破損が発生するまで５０００〜６５００lbfであった。本発明による方法および冶金粉末を使用することにより、歯の密度が低くても、破壊強度の高い歯が得られた。試験結果は、表３に要約されている。
Figure 2004190141
Figure 2004190141
試験例２
０．５５重量％の炭素、０．７重量％のシリコン、０．１３重量％のマンガン、４．４重量％のニッケルおよび０．８５重量％のモリブデンを含む粉末が、表４に示すように配合された。圧粉体は、２５〜６５ｔｓｉの圧力で粉末を成形することによって形成された。圧粉体の密度は、６．９５ｇ/ｃｃであった。
次に、圧粉体は、２３００°Ｆで４０分間焼結された。次の工程では、圧粉体は、２５分間の急速冷却をともないつつ１８５０°Ｆの温度で焼結炉で硬化された。最後に、圧粉体は、４００°Ｆで６０分間焼き戻しされた。最終製品である１７枚歯のスプロケットは、３８．５ＨＲＣの見かけ硬度と７．０５ｇ/ｃｍ3の全歯密度を示した。
スプロケット歯は、歯の折損または破損が発生するまでどのくらいの荷重が作用するかをみるために試験された。この例では、試験は、直径０．１８７インチの３本のピンを用いて行われた。その結果は、３３５３〜４３５３lbfであった。
一方、ダブルプレス・ダブル焼結（ＤＰＤＳ）法により製作されかつ高周波焼入れにより処理されたＭＰＩＦ ＦＮ−０２０８による同じ部品の場合、歯の破損が発生するまで２４７３〜３６６１lbfであった。本発明による方法および冶金粉末を使用することにより、歯の密度が低くても、破壊強度の高い歯が得られた。試験結果は、表５に要約されている。
Figure 2004190141
Figure 2004190141
試験例３
０．６０重量％の炭素、０．７重量％のシリコン、０．１３重量％のマンガン、４．４重量％のニッケルおよび０．８５重量％のモリブデンを含む粉末が、表６に示すように配合された。圧粉体は、２５〜６５ｔｓｉの圧力で粉末を成形することによって形成された。圧粉体の密度は、６．９５ｇ/ｃｃであった。
次に、圧粉体は、２３００°Ｆで４０分間焼結された。次の工程では、圧粉体は、２５分間の急速冷却をともないつつ１８５０°Ｆで焼結炉硬化された。最後に、圧粉体は、４００°Ｆで６０分間焼き戻しされた。最終製品である２６枚歯のスプロケットは、４０ＨＲＣの見かけ硬度と７．０６ｇ/ｃｍ3の全歯密度を示した。
スプロケット歯は、歯の折損または破損が発生するまでどのくらいの荷重が作用するかをみるために試験された。この例では、試験は、直径０．１８７インチの３本のピンを用いて行われた。その結果は、４７４０lbfであった。
一方、ダブルプレス・ダブル焼結（ＤＰＤＳ）法により製作されかつ高周波焼入れにより処理されたＭＰＩＦ ＦＮ−０２０８による同じ部品の場合、歯の破損が発生するまで８０６lbfであった。本発明による方法および冶金粉末を使用することにより、歯の密度が低くても、破壊強度の高い歯が得られた。試験結果は、表７に要約されている。
Figure 2004190141
Figure 2004190141
上述した方法を用いて金属部品を製造する際、製造される金属部品の歯の密度は、圧縮比および粉末の圧縮率により変化する。このため、本発明の方法を用いて製造される歯の密度の範囲は、６．７５〜７．２５ｇ/ｃｃになる。
本発明が関連する分野の当業者は、上述の教示内容を考慮するとき、本発明の精神および本質的な特徴部分から外れることなく、本発明の原理を採用する種々の変形例やその他の実施態様を構築し得る。上述の実施態様はあらゆる点で単なる例示としてのみみなされるべきものであり、限定的なものではない。
それゆえ、本発明の範囲は、上記記述内容よりもむしろ添付の請求の範囲に示されている。したがって、本発明が個々の実施態様に関連して説明されてきたものの、構造、順序、材料その他の変更は、本発明の範囲内においてではあるが、当該技術分野の当業者にとって明らかであろう。
粉末金属部品を製造するための本発明による製造工程を示すブロック図である。 焼鈍（焼きなまし）のための従来の温度線図である。 焼鈍のための従来の温度線図である。 焼鈍のための本発明による温度線図である。 焼鈍のための本発明による温度線図である。

Claims (14)

  1. 粉末金属から部品を製造する方法であって、
    （ａ）鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４.５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅（各重量％は粉末の総重量に基づいて計算）を含む冶金粉末を用意する工程と、
    （ｂ）冶金粉末を２５〜６５ｔｓｉの圧力で圧縮して圧粉体を提供する工程と、
    （ｃ）圧粉体を２１００〜２４００°Ｆで２０〜６０分間加熱する工程と、
    （ｄ）圧粉体の微細組織が主にパーライトになるように、圧粉体を１０００〜１９００°Ｆで５〜６０分間保持する工程と、
    （ｅ）圧粉体の少なくとも一部の密度を７．６ｇ/ｃｃ以上の密度まで増加させる工程と、
    （ｆ）圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間加熱する工程と、
    （ｇ）圧粉体を毎分１５０〜２５０°Ｆの速度で冷却する工程と、
    （ｈ）圧粉体の微細組織が、焼戻しマルテンサイト、０〜２０％のベイナイトおよび５％以下の残留オーステナイトになりかつ２７〜５０ＨＲＣの硬度を有するように、圧粉体を３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間加熱する工程と、
    を備えた製造方法。
  2. 請求項１において、
    部品がスプロケットである、
    ことを特徴とする製造方法。
  3. 請求項２において、
    スプロケット歯が６．７５〜７．２５ｇ/ｃｃの密度を有している、
    ことを特徴とする製造方法。
  4. 請求項１において、
    冶金粉末の圧縮工程が６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を生成している、
    ことを特徴とする製造方法。
  5. 請求項１において、
    圧粉体が、工程（ｃ）において２３００°Ｆの温度で４０分間加熱されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  6. 請求項１において、
    圧粉体が、工程（ｄ）において１０００〜１８００°Ｆの温度に保持されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  7. 請求項１において、
    圧粉体が、工程（ｄ）において１５００〜１９００°Ｆの温度に保持されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  8. 請求項１において、
    圧粉体が、工程（ｃ）,（ｄ）間において、追加の冷却または加熱処理を受けていない、
    ことを特徴とする製造方法。
  9. 請求項８において、
    工程（ｃ）で生成された圧粉体が臨界温度を有しており、工程（ｄ）において臨界温度以下に保持されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  10. 請求項８において、
    工程（ｃ）で生成された圧粉体が臨界温度を有しており、工程（ｄ）において臨界温度に保持されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  11. 請求項１において、
    パーライトが球状化されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  12. 粉末金属から部品を製造する方法であって、
    （ａ）鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅（各重量％は粉末の総重量に基づいて計算）を含む冶金粉末を用意する工程と、
    （ｂ）冶金粉末を２５〜６５ｔｓｉの圧力で圧縮して６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を提供する工程と、
    （ｃ）圧粉体を２１００〜２４００°Ｆで２０〜６０分間加熱し、圧粉体を室温まで冷却する工程と、
    （ｄ）圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間加熱する工程と、
    （ｅ）圧粉体を毎分１５０〜２５０°Ｆの速度で冷却する工程と、
    （ｆ）圧粉体を３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間加熱する工程と、
    を備えた製造方法。
  13. 請求項１２において、
    圧粉体が、工程（ｃ）において２３００°Ｆの温度で４０分間加熱されている、
    ことを特徴とする製造方法。
  14. 粉末金属から部品を製造する方法であって、
    （ａ）鉄、０〜１．５重量％のシリコン、０．４〜０．９重量％の炭素、０．５〜４．５重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０〜０．５重量％のマンガンおよび０〜１．５重量％の銅（各重量％は粉末の総重量に基づいて計算）を含む冶金粉末を用意する工程と、
    （ｂ）２５〜６５ｔｓｉの圧力で冶金粉末を圧縮して６．４〜７．４ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を提供する工程と、
    （ｃ）圧粉体を１６５０〜２１００°Ｆの温度で２０〜８０分間加熱する工程と、
    （ｄ）圧粉体を毎分１５０〜２５０°Ｆの速度で冷却する工程と、
    （ｅ）圧粉体を３００〜１０００°Ｆの温度で３０〜９０分間加熱する工程と、
    を備えた製造方法。
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