JP2004517215A - 高密度の成形部品を製造するための粉末冶金法 - Google Patents
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Abstract
少なくとも２０重量％のクロムと、鉄と、合計して１０重量％以下の単数又は複数の付加的な金属及び／又はセラミックスの合金成分から成る高密度の成形体を製造するための粉末冶金法を提供する。本発明により、その製造を粉末成分の最終形に近いプレス成形及び焼結により行い、その際付加合金分が専ら母合金粉末の形で粉末成分中に入れられる。この母合金が選択的に、付加合金分と鉄分とから成るか、或いは付加合金分、鉄分及びクロム分とから成るか、或いは付加合金分とクロム分とからできている。
Description
【０００１】
本発明は、少なくとも２０重量％のクロムと、鉄と、合計して１０重量％以下の単数又は複数の付加的な金属及び／又はセラミックスの合金分とから成る高密度の成形部品を製造するための粉末冶金法に関する。
【０００２】
純粋なクロム及びクロム分の多い合金は、低温で極めて脆く、従って通常の粉末冶金製造法でこれらの出発粉末をプレス成形及び焼結により加工することは極めて困難である。従ってこの種の材料から、例えば板状のスパッタ・ターゲットのような、造型が容易で、低密度でかつ頑丈な製品もしくは半製品をプレス成形及び焼結により製造し、それらを必要に応じて更に所望の最終密度及び最終強度を得るため、更に熱機械的に加工するのが通例である。
【０００３】
鉄の粉末はクロム粉末に比べて低温でも極めて延性に富み、従って問題なくプレス成形可能である。従って鉄の分量の十分に多いクロム合金粉末も通常かなり良好にプレス成形できる。しかし鉄分の他に更に別の合金分が少量でも合金粉末中に存在する場合は、やはり問題を生ずる。
【０００４】
特にクロム含有量が約９０〜９５重量％であり、約９〜４重量％の鉄分と約１重量％迄のイットリウム又は他の希土類もしくはそれらの酸化物を含む合金は、その特別な熱膨張率の故に、固体酸化物燃料電池のインターコネクタにも使用される。ごく少量だけ存在するイットリウム又は希土類の合金成分を粉末混合物中に十分均質に分散させるために、高純度の出発粉末を高エネルギーの粉砕機中で所謂機械的に合金するには、通常アトライターミルを必要とする。従ってこの種の合金は今日の技術状況でも、専ら機械的に合金する方法で製造される。
【０００５】
その際、機械的に合金することにより、粉末のモフォロジーを付加的に補強及び変形させることになり、粉末成分の良好なプレス成形性を著しく損なう欠点がある。このように機械的に合金された粉末から、例えば燃料電池のインターコネクタのような複雑に成形された高密度の成形部品を、プレス成形及び焼結により最終形に近い形にもはや製造することはできない。
【０００６】
従ってこの種の部品を製造するには、まず粗製部品を、最大限度で約７０％の密度が得られ、十分大きくかつ単純に成形した部品として、或いは半製品としてプレス成形及び焼結により製造しなければならない。十分な機械的強度に必要な最終密度を獲得するため、これらの粗製部品を、例えば圧延のような機械的変形により更に成形しなければならない。インターコネクタの場合、例えば溝とけばで構造化した表面であってもよい所望の最終外形は、これら粗製部品から多大な費用と時間をかけて機械的及び／又は電気化学的に製造せねばならない。
【０００７】
例えば金属粉末噴射法等の他の粉末冶金製造法により、複雑に成形された部品も、確かに最終の外形に近い形に製造できる。しかしこの方法では、成形した部品の焼結中に約１０％又はそれ以上に収縮させる多量の接着剤が必要になり、これはまた完成部品の寸法安定性と外形の精度に悪影響を及ぼす。更にこの金属粉末噴射法の技術は、今日の技術水準では、小さい部品にのみ限定されている。
【０００８】
従って本発明の課題は、粉末冶金法を使用して、少なくとも２０重量％のクロムと、鉄と、合計して１０重量％以下の単数又は複数の付加的な金属及び／又はセラミックスの合金成分とから成る合金から、簡単な方法で経費的に有利に、かつ複雑な形状の、十分緊密な最終形に近いサイズの大きい成形部品を製造できる粉末冶金法を提供することにある。
【０００９】
本発明によればこの課題は、成形部品の製造を粉末成分の最終形に近いプレス成形及び焼結により行い、その際付加合金分を専ら母合金粉末の形で粉末混合物に混入させ、この母合金が選択的に、
付加合金分と鉄分とから成り、或いは
付加合金分、鉄分及びクロム分とから成り、或いは
付加合金分とクロム分とから成る
ことにより達成される。
【００１０】
付加的な金属及び／又はセラミックスの合金成分を、専ら母合金の形で１種又は２種のそれ以外の合金成分と共に粉末成分中に入れ、それにより一方では、合金中への付加合金成分の極めて一様な分布を達成し、他方では粉末成分のプレス成形性を引続き保持し、その結果形状の複雑な大きな成形部品も確実に製造できることは重要である。鉄分又はクロム分がこの母合金の製造に使用されない場合は、それらは粉末成分に基本的な粉末として添加される。
【００１１】
母合金粉末を、その母合金成分の少なくとも１つの溶融及びそれに次ぐ溶融物の噴射により製造すると有利である。
【００１２】
この粉末成分は９０％及びそれ以上の圧縮密度まで圧縮可能であり、焼結時に実際上収縮せず、従って本発明方法により、実際より大きな寸法のものを後加工することなく、最終形に近い厳密な寸法で製造できる。
【００１３】
付加合金成分の母合金が鉄から成ると特に好ましい。鉄は約１５００℃の温度で容易に、問題なく溶融し、従って母合金粉末の効率のよい製造を可能にする。
【００１４】
粉末混合物のプレス成形を、成形部品の形状に適合し、粉末と接触状態になる少なくともその表面に摩耗保護層を備えた、複数部分から成るプレス型で行うと特に有利である。このプレス型を細分化し、かつこの成形部品の形状に適合させることにより、成形部品に部分的に更に大きな圧縮力が加わり、最大限の高い密度がこの成形部品の全ての部分、特に複雑に成形された部分にも得られる。硬質材料の被覆は、最大限の圧力でもプレス工具の早過ぎる摩損を阻止する。
【００１５】
特に本発明方法は、燃料電池のインターコネクタの製造にも使用できる。
【００１６】
この種のインターコネクタに特に好適な合金は、例えば２０〜３０重量％のクロムと０．５〜０．８重量％の希土類金属、特にイットリウムを含む７０〜８０重量％の鉄から成る母合金でできた粉末成分又は９５重量％のクロムと０．５〜０．８重量％のイットリウムを含む５重量％の鉄から成る母合金で構成された合金である。インターコネクタの場合、複雑な形状に必要な正確な形態の他に、インターコネクタに要求される気密度を保証する上で材料に必要な密度も達成される。この気密度は、多くの場合本発明方法を使用するだけで達成される。
【００１７】
気密度が不十分な合金の場合、プレス成形及び焼結されたインターコネクタの表面上にクロム層を電気メッキ法で施すか、又はこの表面に黒鉛板を載せ、引続き１２〜４８時間、１１００〜１３００℃の温度での熱処理により浸炭すると有利である。この付加的処理工程の使用により、インターコネクタも１００％の確実性で十分な気密度を保証する。
【００１８】
本発明を製造例に基づき以下に詳述する。
【００１９】
製 造 例
溝及び微細なけばのある表面を有する直径１２０ｍｍ及び厚さ２．５ｍｍの円板形のインターコネクタ半部を製造するため、９５重量％の元素状のクロム粉末と、０．８重量％のイットリウムを含む５重量％の鉄から成る母合金粉末とから粉末成分を製造した。この粉末に使用した粒状片は、粒径４５〜１６０μｍ の範囲であった。この成分の製造は、個々の粉末の計量、プレス補助剤としての約１重量％のマイクロワックスの添加及び引続いての１５分間の回転ミキサ中での混合により行った。
【００２０】
この粉末成分のプレス成形は、平坦な表面を有する内側環用の型、けば立った表面を有する中心の表面用型及び外側表面用の型を有するインターコネクタの半部の特殊な形に適合させた、細分化したプレス型を有するマトリックス圧し型で行った。
【００２１】
プレス型を分割することで、複雑に成形した表面も７ｔ／ｃｍ２の圧力で圧縮できた。粉末成分中のクロム粉末の侵食性によるラムの摩耗を低減するため、粉末と接触状態になるプレス型の表面を硬質材層で被覆した。
【００２２】
プレス後、例えば鋼のような良好にプレス成形可能な粉末に比べて、その排出工程時のプレス加工物の比較的低いグリーン強度に配慮して、インターコネクタの半部ずつを鋳型から取り出した。
【００２３】
これらインターコネクタの半部毎の更なる圧縮及び硬化を、水素中で３時間、１４５０℃での焼結により行った。
【００２４】
このようにして製造した２つのインターコネクタの半部を、更に機械的に後加工せずにろう接により接続し、インターコネクタを完成した。
本発明は、少なくとも２０重量％のクロムと、鉄と、合計して１０重量％以下の単数又は複数の付加的な金属及び／又はセラミックスの合金分とから成る高密度の成形部品を製造するための粉末冶金法に関する。
【０００２】
純粋なクロム及びクロム分の多い合金は、低温で極めて脆く、従って通常の粉末冶金製造法でこれらの出発粉末をプレス成形及び焼結により加工することは極めて困難である。従ってこの種の材料から、例えば板状のスパッタ・ターゲットのような、造型が容易で、低密度でかつ頑丈な製品もしくは半製品をプレス成形及び焼結により製造し、それらを必要に応じて更に所望の最終密度及び最終強度を得るため、更に熱機械的に加工するのが通例である。
【０００３】
鉄の粉末はクロム粉末に比べて低温でも極めて延性に富み、従って問題なくプレス成形可能である。従って鉄の分量の十分に多いクロム合金粉末も通常かなり良好にプレス成形できる。しかし鉄分の他に更に別の合金分が少量でも合金粉末中に存在する場合は、やはり問題を生ずる。
【０００４】
特にクロム含有量が約９０〜９５重量％であり、約９〜４重量％の鉄分と約１重量％迄のイットリウム又は他の希土類もしくはそれらの酸化物を含む合金は、その特別な熱膨張率の故に、固体酸化物燃料電池のインターコネクタにも使用される。ごく少量だけ存在するイットリウム又は希土類の合金成分を粉末混合物中に十分均質に分散させるために、高純度の出発粉末を高エネルギーの粉砕機中で所謂機械的に合金するには、通常アトライターミルを必要とする。従ってこの種の合金は今日の技術状況でも、専ら機械的に合金する方法で製造される。
【０００５】
その際、機械的に合金することにより、粉末のモフォロジーを付加的に補強及び変形させることになり、粉末成分の良好なプレス成形性を著しく損なう欠点がある。このように機械的に合金された粉末から、例えば燃料電池のインターコネクタのような複雑に成形された高密度の成形部品を、プレス成形及び焼結により最終形に近い形にもはや製造することはできない。
【０００６】
従ってこの種の部品を製造するには、まず粗製部品を、最大限度で約７０％の密度が得られ、十分大きくかつ単純に成形した部品として、或いは半製品としてプレス成形及び焼結により製造しなければならない。十分な機械的強度に必要な最終密度を獲得するため、これらの粗製部品を、例えば圧延のような機械的変形により更に成形しなければならない。インターコネクタの場合、例えば溝とけばで構造化した表面であってもよい所望の最終外形は、これら粗製部品から多大な費用と時間をかけて機械的及び／又は電気化学的に製造せねばならない。
【０００７】
例えば金属粉末噴射法等の他の粉末冶金製造法により、複雑に成形された部品も、確かに最終の外形に近い形に製造できる。しかしこの方法では、成形した部品の焼結中に約１０％又はそれ以上に収縮させる多量の接着剤が必要になり、これはまた完成部品の寸法安定性と外形の精度に悪影響を及ぼす。更にこの金属粉末噴射法の技術は、今日の技術水準では、小さい部品にのみ限定されている。
【０００８】
従って本発明の課題は、粉末冶金法を使用して、少なくとも２０重量％のクロムと、鉄と、合計して１０重量％以下の単数又は複数の付加的な金属及び／又はセラミックスの合金成分とから成る合金から、簡単な方法で経費的に有利に、かつ複雑な形状の、十分緊密な最終形に近いサイズの大きい成形部品を製造できる粉末冶金法を提供することにある。
【０００９】
本発明によればこの課題は、成形部品の製造を粉末成分の最終形に近いプレス成形及び焼結により行い、その際付加合金分を専ら母合金粉末の形で粉末混合物に混入させ、この母合金が選択的に、
付加合金分と鉄分とから成り、或いは
付加合金分、鉄分及びクロム分とから成り、或いは
付加合金分とクロム分とから成る
ことにより達成される。
【００１０】
付加的な金属及び／又はセラミックスの合金成分を、専ら母合金の形で１種又は２種のそれ以外の合金成分と共に粉末成分中に入れ、それにより一方では、合金中への付加合金成分の極めて一様な分布を達成し、他方では粉末成分のプレス成形性を引続き保持し、その結果形状の複雑な大きな成形部品も確実に製造できることは重要である。鉄分又はクロム分がこの母合金の製造に使用されない場合は、それらは粉末成分に基本的な粉末として添加される。
【００１１】
母合金粉末を、その母合金成分の少なくとも１つの溶融及びそれに次ぐ溶融物の噴射により製造すると有利である。
【００１２】
この粉末成分は９０％及びそれ以上の圧縮密度まで圧縮可能であり、焼結時に実際上収縮せず、従って本発明方法により、実際より大きな寸法のものを後加工することなく、最終形に近い厳密な寸法で製造できる。
【００１３】
付加合金成分の母合金が鉄から成ると特に好ましい。鉄は約１５００℃の温度で容易に、問題なく溶融し、従って母合金粉末の効率のよい製造を可能にする。
【００１４】
粉末混合物のプレス成形を、成形部品の形状に適合し、粉末と接触状態になる少なくともその表面に摩耗保護層を備えた、複数部分から成るプレス型で行うと特に有利である。このプレス型を細分化し、かつこの成形部品の形状に適合させることにより、成形部品に部分的に更に大きな圧縮力が加わり、最大限の高い密度がこの成形部品の全ての部分、特に複雑に成形された部分にも得られる。硬質材料の被覆は、最大限の圧力でもプレス工具の早過ぎる摩損を阻止する。
【００１５】
特に本発明方法は、燃料電池のインターコネクタの製造にも使用できる。
【００１６】
この種のインターコネクタに特に好適な合金は、例えば２０〜３０重量％のクロムと０．５〜０．８重量％の希土類金属、特にイットリウムを含む７０〜８０重量％の鉄から成る母合金でできた粉末成分又は９５重量％のクロムと０．５〜０．８重量％のイットリウムを含む５重量％の鉄から成る母合金で構成された合金である。インターコネクタの場合、複雑な形状に必要な正確な形態の他に、インターコネクタに要求される気密度を保証する上で材料に必要な密度も達成される。この気密度は、多くの場合本発明方法を使用するだけで達成される。
【００１７】
気密度が不十分な合金の場合、プレス成形及び焼結されたインターコネクタの表面上にクロム層を電気メッキ法で施すか、又はこの表面に黒鉛板を載せ、引続き１２〜４８時間、１１００〜１３００℃の温度での熱処理により浸炭すると有利である。この付加的処理工程の使用により、インターコネクタも１００％の確実性で十分な気密度を保証する。
【００１８】
本発明を製造例に基づき以下に詳述する。
【００１９】
製 造 例
溝及び微細なけばのある表面を有する直径１２０ｍｍ及び厚さ２．５ｍｍの円板形のインターコネクタ半部を製造するため、９５重量％の元素状のクロム粉末と、０．８重量％のイットリウムを含む５重量％の鉄から成る母合金粉末とから粉末成分を製造した。この粉末に使用した粒状片は、粒径４５〜１６０μｍ の範囲であった。この成分の製造は、個々の粉末の計量、プレス補助剤としての約１重量％のマイクロワックスの添加及び引続いての１５分間の回転ミキサ中での混合により行った。
【００２０】
この粉末成分のプレス成形は、平坦な表面を有する内側環用の型、けば立った表面を有する中心の表面用型及び外側表面用の型を有するインターコネクタの半部の特殊な形に適合させた、細分化したプレス型を有するマトリックス圧し型で行った。
【００２１】
プレス型を分割することで、複雑に成形した表面も７ｔ／ｃｍ２の圧力で圧縮できた。粉末成分中のクロム粉末の侵食性によるラムの摩耗を低減するため、粉末と接触状態になるプレス型の表面を硬質材層で被覆した。
【００２２】
プレス後、例えば鋼のような良好にプレス成形可能な粉末に比べて、その排出工程時のプレス加工物の比較的低いグリーン強度に配慮して、インターコネクタの半部ずつを鋳型から取り出した。
【００２３】
これらインターコネクタの半部毎の更なる圧縮及び硬化を、水素中で３時間、１４５０℃での焼結により行った。
【００２４】
このようにして製造した２つのインターコネクタの半部を、更に機械的に後加工せずにろう接により接続し、インターコネクタを完成した。
Claims (8)
- 少なくとも２０重量％のクロムと、鉄と、合計して１０重量％以下の単数又は複数の付加的な金属及び／又はセラミックスの合金成分とから成る高密度の成形体を製造するための粉末冶金法において、その製造を粉末成分の最終形に近いプレス成形及び焼結により行い、付加的な合金成分が専ら母合金粉末の形で粉末成分中に入れられ、この母合金が選択的に、
付加合金分と鉄分とから成るか、
付加合金分、鉄分及びクロム分とから成るか、或いは
付加合金分とクロム分とから成る
ことを特徴とする高密度の成形部品を製造するための粉末冶金法。 - 粉末成分として、元素状のクロム粉末と、鉄及び付加的な合金成分から成る母合金粉末との混合物を使用することを特徴とする請求項１記載の粉末冶金による製造法。
- 粉末混合物のプレス成形を、製造すべき成形部品の形状に適合し、かつ粉末と接触状態になる、少なくともその表面に摩耗保護層を備えた複数部分から成るプレスダイにより行うことを特徴とする請求項１又は２記載の粉末冶金法。
- 成形部品が燃料電池のインターコネクタであることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の粉末冶金法。
- 粉末成分が９５重量％のクロムと、イットリウムを０．５〜０．８重量％含む鉄から成る５重量％の母合金とから成ることを特徴とする請求項２乃至４の１つに記載の粉末冶金法。
- 粉末成分が２０〜３０重量％のクロムと、希土類金属、特にイットリウムを０．５〜０．８重量％含む鉄から成る７０〜８０重量％の母合金とから成ることを特徴とする請求項２乃至４の１つに記載の粉末冶金法。
- プレス成形及び焼結したインターコネクタの表面上にクロム層を電気メッキにより施すことを特徴とする請求項４記載の粉末冶金法。
- プレス成形及び焼結したインターコネクタの表面に黒鉛板を載せ、次いで１２〜４８時間、１１００〜１３００℃の温度で熱処理することにより浸炭することを特徴とする請求項４記載の粉末冶金法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT0003101U AT4737U1 (de) | 2001-01-15 | 2001-01-15 | Pulvermetallurgisches verfahren zur herstellung hochdichter formteile |
| PCT/AT2001/000398 WO2002055747A1 (de) | 2001-01-15 | 2001-12-19 | Pulvermetallurgisches verfahren zur herstellung hochdichter formteile |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004517215A true JP2004517215A (ja) | 2004-06-10 |
| JP4119750B2 JP4119750B2 (ja) | 2008-07-16 |
Family
ID=3479677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002556792A Expired - Lifetime JP4119750B2 (ja) | 2001-01-15 | 2001-12-19 | 高密度の成形部品を製造するための粉末冶金法 |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1268868B1 (ja) |
| JP (1) | JP4119750B2 (ja) |
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Cited By (4)
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