JP2005509521A - 液相焼結されたロウ付け成形品 - Google Patents

Abstract

ロウ付け予成形品（１９、２９、３９）、およびロウ付け予成形品を製造するための方法が開示される。ロウ付け予成形品には、溶加材の少なくとも一部分からなる液相を生成するように焼結されている溶加材（１０）が含まれる。

Description

本発明は、ロウ付けによって部品を接合する方法に関する。より詳しくは、粉末冶金によって製造された金属部品をロウ付けするための方法および装置に関する。

物質および製造方法の進歩のために、粉末冶金（「Ｐ／Ｍ」）技術を用いる部品の製作が、他の金属加工技術に替わるものとして、ますますより広まっている。Ｐ／Ｍにより、高品質の部品を、経済的に充分な耐性をもって形成する可能性がもたらされる。Ｐ／Ｍ技術は、複雑な形状を有するネットシェイプまたはニアネットシェイプの部品を製造するのに、容易に自動化されるであろうことから、Ｐ／Ｍ技術による製作は、多くの場合、費用の節約、精度、生産性および材料の節約を増大する。

Ｐ／Ｍには、多くの製作技術が含まれるものの、これらの技術には、典型的には、「グリーン」部品の形成および焼結方法が含まれる。グリーン部品は、種々の方法によって形成されるであろう構造物である。それには、粉末をダイ中に圧密すること、および粉末をバインダーと混合して、混合物がプラスチックの射出成形と類似の方法で射出成形されることを可能にすることによる方法が含まれる。圧密または射出成形から得られたグリーン部品は、明確な幾何学的形状を有するものの、それは、最終部品の望ましい特性（例えば強度、靭性、多孔度など）に欠ける。所望の特性は、焼結として知られる加熱処理によってもたらされる。グリーン部品は、部品の形状が損なわれることなく粉末粒子間に金属結合が生じるように、粉末の主成分の溶融温度未満の温度で焼結される。焼結が完了すると、部品は、所望により、例えば油含浸、樹脂含浸、浸漬、機械加工および組立などの二次操作によって、さらに処理されるであろう。

Ｐ／Ｍ部品を組立てることは、Ｐ／Ｍ部品が、相互にまたは非Ｐ／Ｍ物質（例えば鍛錬および鋳造物質など）に接合されされなければならない場合には、独得の目標を呈する。ロウ付けは、溶加材を用いて部品を接合する一群の処理である。溶加材は、典型的には、４５０℃超の溶融温度を有する。しかし、それは、接合される部品のベース物質の溶融温度未満である。溶加材が加熱された際には、それは、毛管現象によって部品間の接合部中に引き込まれる。Ｐ／Ｍ部品は、焼結後または焼結過程中のいずれかで、ロウ付けによって接合されるであろう。しかし、Ｐ／Ｍ部品の多孔度のために、溶融溶加材を接合部中に引き込む毛管現象はまた、溶融された溶加材を、接合部からＰ／Ｍ部品の細孔中に引き込む。これは、過剰な溶浸および不充分な接合品質をもたらす。

米国特許公報（特許文献１）に開示された粉末溶加材により、Ｐ／Ｍ部品中への過剰な溶浸の問題の解決が試みられる。しかし、この溶加材は、脆く、また有用な予成形品形状に冷間加工することが困難である。結果的に、このロウ付け粉末の予成形品は、ロウ付け前の取扱いに耐えるように、実質的に嵩高なものでなければならない。過剰な溶加材が組立物の品質を損なう接合においては、例えばスプライン中に流し込むなどをして、この溶加材のスラグは、接合部に、正確な間隔で形成され、また置かれるであろう。しかし、これらのスラグは、ロウ付け流が不規則である場合には、断続的かつ不充分な品質の接合の原因となるであろう。加えて、スラグを正しい間隔で置くことは、例えばロウ付け環などの予成形品材を用いるより多くの労力を要する。

米国特許第３，７１７，４４２号明細書

したがって、先行技術のこれらおよび他の問題を解決し、さらに接合される部品の少なくとも一つがＰ／Ｍ部品である場合には、ロウ付けに適切なロウ付け予成形品を提供する必要性がある。本発明は、次の説明で示されるように、上記された問題の一つ以上を解決することに関する。

本発明の形態にしたがって、ロウ付け予成形品を製造する方法が開示される。方法は、粉末形態の溶加材を提供する工程を含み、その際溶加材には、少なくとも一種の金属粉末が含まれる。溶加材は、少なくとも一種の金属粉末の一部分からなる液相を生成する温度で焼結される。

本発明の他の形態にしたがって、ロウ付け予成形品が開示される。ロウ付け予成形品には溶加材が含まれる。ロウ付け予成形品は、溶加材の少なくとも一部分からなる液相を生成するように焼成されている。

本発明のさらに他の形態にしたがって、粉末冶金部品を、他の部品にロウ付けするための方法が開示される。方法は、少なくとも溶加材粉末を含むロウ付け予成形品を提供する工程を含み、その際ロウ付け予成形品は、溶加材粉末の少なくともいくらかからなる液相を生成するように焼結されている。ロウ付け予成形品は、粉末冶金部品および他の部品の間の接合部の近傍位置に置かれ、その位置により、液体状態の溶加材が接合部中に引き込まれることが可能となる。ロウ付け予成形品は、液体状態の溶加材粉末を提供するように加熱される。

次の説明においては、その一部分を構成する添付の図面が参照される。そこでは、図面により、本発明が実施されるであろう特定の実施形態が示される。この実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするように、充分詳細に開示される。他の実施形態が利用されるであろうこと、および変更が、本発明の範囲を逸脱することなく為されるであろうことを理解されたい。次の説明は、したがって、限定された意味では解釈されない。

本明細書で用いられるように、用語「Ｐ／Ｍ」は、用語「粉末冶金」と同義語であり、またそれと置換え可能である。識別用語が用語「Ｐ／Ｍ部品」に関して全く用いられない場合には、「Ｐ／Ｍ部品」は、焼結部品、部分焼結部品、および／または予焼結部品を意味する。識別する場合には、「焼結」「部分焼結」「予焼結」および「グリーン」を含む識別用語が、用いられるであろう。本明細書で用いられるように、用語「グリーンロウ付け予成形品」は、焼結されていないが、一定の形状を有する溶加材量を意味する。例えば、ダイから除去した後の圧密溶加材、または成形型から除去した後のバインダーと混合された溶加材などである。

図１Ａ〜Ｄを参照するに、本発明の一つの例示的実施形態にしたがって、過剰な溶加材の発生を防止するように効果的に寸法取りされた、Ｐ／Ｍ部品を接合するためのロウ付け予成形品を製造する方法が示される。図１に示されるように、Ｐ／Ｍ部品をロウ付けするのに適切な粉末化された溶加材１０は、ダイ１４のダイキャビティ１２内におかれる。Ｐ／Ｍ部品をロウ付けするための適切な溶加材の例は、商品名「アンカーブレーズ７２（Ａｎｃｏｒｂｒａｚｅ ７２）」として知られた合金粉末である。アンカーブレーズ７２（Ａｎｃｏｒｂｒａｚｅ ７２）の組成には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、ＳｉおよびＢが含まれる。アンカーブレーズ７２（Ａｎｃｏｒｂｒａｚｅ ７２）はまた、Ｆｅ粉末と混合されて、溶加材が形成されるであろう。ダイキャビティ１２中におかれた溶加材１０の量は、接合部の設計および組立の方法に基く。この量は、接合部の品質を損なうであろう過剰な溶加材なしに所望の部品を効果的に接合する、ロウ付け部品を製造するのに充分なものである。フラックス（図示せず）が、溶加材１０に添加されて、ロウ付け中に接合部からガスを形成する酸化物および窒化物が排除されるであろう。潤滑剤（図示せず）もまた、所望により、溶加材１０に添加されて、パンチおよび溶加材の間の摩擦が低減され、同様にダイからの圧密予成形品の除去が容易にされるであろう。

図１Ｂを参照するに、グリーンロウ付け予成形品１７は、溶加材を機械的に圧密することによって形成される。溶加材の圧密は、溶加材をダイキャビティ１２内で矢印１５で表される方向に加圧するパンチ１６によって達成される。圧密されると、グリーンロウ付け予成形品１７は、ダイ１４から除去される。

グリーンロウ付け予成形品１７を形成するための機械的圧密方法が開示されるものの、グリーンロウ付け予成形品は、ネットシェイプまたはニアネットシェイプ構造を製造する、当分野で知られたいかなる方法によっても形成されるであろう。これには、限定されることなく、射出成形、等方圧加圧、押出し成形、噴霧成形、スリップ注型法、ロール圧密成形、溶射成形、およびバインダーの存在下での鋳造が含まれる。

グリーンロウ付け予成形品１７は、次いで、図１Ｃに示されるように、液相焼結処理に付される。グリーンロウ付け予成形品１７は、制御された雰囲気を有する加熱炉１８内で、溶加材の合金の一種の少なくとも一部分からなる液相を生成する時間および温度で加熱される。雰囲気は、液相焼結に適切ないかなる雰囲気でもあろう。例えば、空気、窒素＋吸熱性ガス、または水素ガス＋窒素ガスなどである。液相焼結の時間および温度は、液相の一部分を生成するのに充分なものであろう。それは、毛管力によって残りの固相内に保持されるのに充分に小さなものであり、そのために得られたロウ付け予成形品は、実質的に、グリーンロウ付け予成形品１７の形状を留める。不充分な液相焼結の時間および／または温度は、取扱いおよび輸送に耐えるのに強度が充分でないロウ付け予成形品をもたらす。過剰な液相焼結の時間および／または温度は、グリーンロウ付け予成形品の形状を実質的に留めることができないロウ付け予成形品をもたらすであろう。Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉベースの合金粉末を含む溶加材については、液相焼結の温度は、約９４０℃〜１０００℃であろう。

あるいは、ロウ付け予成形品１７は、最初にグリーンロウ付け予成形品を形成することなく形成されるであろう。この実施形態においては、溶加材は、キャビティ１２内に置かれる。溶加材をキャビティ１２内に含むダイ１４（この実施形態においては、また「成形型」として知られる）は、次いで、加熱炉１８中に入れられる。したがって、溶加材は、液相焼結され、一方グリーンロウ付け予成形品を形成することなく、そのままキャビティ１２内にある。

液相焼成、および所望により冷却の後、ロウ付け予成形品１９は、ロウ付け処理で用いられて、部品が接合されるであろう。ロウ付け予成形品１９は、図１Ｄに、形状化された環として示される。しかし、これは、いかなる形状にも製造されるであろう。当業者に知られるように、ロウ付け予成形品のサイズおよび形状は、接合部の設計および組立の方法を含む数種の要因による。ロウ付け予成形品のサイズは、所望の部品を充分な強度で接合するのに充分に大きく、しかし過剰のロウ付け物質を防止するのに充分に小さなものであろう。接合部の設計および組立の方法は、当業者に知られることから、本明細書では、接合部の設計および組立の方法の単なる例が提供される。本発明の範囲は、しかし、開示された例によって限定されない。

本発明の実施形態によるロウ付け方法を図２に示す。重ね接合部２５は、部品２４および２６によって形成される。部品２４および２６はＰ／Ｍ部品である。上述したように、ロウ付け予成形品２９には、Ｐ／Ｍ部品をロウ付けするのに適切な液相焼結された溶加材が含まれる。本発明の方法の一実施形態においては、部品２４および２６は、焼結Ｐ／Ｍ部品であり、ロウ付け予成形品２９は、接合部２５の近傍に配置される。そのために、溶融された際に、液体溶加材は接合部２５中に引き込まれる。ロウ付け予成形品２９は、種々の方法によって溶融されるであろう。これらの方法には、加熱炉、トーチ、誘導加熱、浸漬、電子ビーム法が含まれる。

本発明の他の実施形態においては、部品２４および２５は、グリーンであるか、または一部分が焼結される。この場合には、ロウ付けは、部品２４および２６が焼結される際に、焼結炉内で行われるであろう。

本発明のさらなる他の実施形態においては、部品２４はＰ／Ｍ部品であり、部品２６は非Ｐ／Ｍ部品である。この場合には、ロウ付け予成形品２９は、先に開示された方法のいかなるものによっても溶融されるであろう。

図３を参照するに、例示的実施形態が開示される。ここでは、ロウ付け予成形品は、二つのＰ／Ｍ部品をロウ付けするのに用いられて、バックホーローダーの中間軸トランスミッションハブの一部分が形成されるであろう。第一のグリーンＰ／Ｍ部品３０および第二のグリーンＰ／Ｍ部品３３は、当業者に知られた方法によって、例えばＭＰＩＦグレードＦＣ−０２０８などの粉末化金属を用いて形成される。第一のグリーンＰ／Ｍ部品３０は、外径（ＯＤ）約１１２ｍｍ、および内径（ＩＤ）約７０ｍｍを有する円筒である。第二のグリーンＰ／Ｍ部品３３は、ＯＤ約１１２ｍｍ、およびＩＤ約９７ｍｍを有する円筒である。

ロウ付け予成形品３９は、例えば、溶加材を環形状のグリーンロウ付け予成形品に圧密することによって形成される。溶加材は、例えば、アンカーブレーズ７２（Ａｎｃｏｒｂｒａｚｅ ７２）であろう。グリーンロウ付け予成形品は、次いで、焼結されて、合金粉末の少なくとも一部分からなる液相が生成される。液相焼結は、約９４０℃〜約１０００℃の温度の中性雰囲気にあろう。液相焼結の時間は、約５分〜約１５分で変化するであろうが、液相を生成するのに充分なものであろう。それは、毛管力によって残りの固相内に保持されるのに充分に小さなものであり、そのために得られたロウ付け予成形品は、実質的に、グリーンロウ付け予成形品の形状を留める。得られたロウ付け予成形品３９は、ＯＤ約９６ｍｍ、重量約８グラム、ならびに取扱いおよび輸送に耐えるのに充分な強度を有する。

図３に示されるように、組立物３１は、第一のグリーンＰ／Ｍ部品３０の端部を、第二のグリーンＰ／Ｍ部品３３の端部に対向して置いて、接合部３５を形成することによって形成される。ロウ付け予成形品３９は、第一のグリーンＰ／Ｍ部品３０の端部の上、および第二のグリーンＰ／Ｍ部品３３の内径内に置かれる。

組立物３１は、次いで、加熱炉内に置かれ、例えば四段処理を経て、焼結およびロウ付けが行なわれる。加熱炉の雰囲気は、例えば窒素＋吸熱性ガス、または水素ガス＋窒素ガスなどの中性雰囲気であろう。第一の工程においては、加熱炉の温度は、第一のグリーンＰ／Ｍ部品３０および第二のグリーンＰ／Ｍ部品３３を圧密ダイから取外すのを容易にするように用いられたいかなる潤滑材をも焼き払うのに充分な時間の間、約７８５℃である。第二の工程においては、加熱炉の温度は、約１０４０℃〜約１１４０℃の高い加熱温度に昇温される。ロウ付けは、一般に、第二の工程中に、加熱炉の温度が液相焼結されたロウ付け予成形品３９を溶融し始めるのに充分な温度に昇温された際に始まる。

第三の工程においては、組立物３１は、第一および第二のＰ／Ｍ部品の焼結を可能にするように、高い加熱温度で約３０〜約４０分間維持される。第四の工程においては、ロウ付け組立物は、所望の特性に応じた速度で冷却される。当業者に認められるであろうように、冷却は、所望の特性を達成するように、緩やかであるか、急速であるか、または中間のいかなる速度でもあろう。

別の実施形態は、本発明がその精神および範囲から逸脱することなく従事する当業者には、自明となるであろう。

本発明のロウ付け予成形品およびロウ付け予成形品の製造方法は、例えば、製造工業で有用であることが見出される。ロウ付け予成形品およびその製造方法は、Ｐ／Ｍ部品が、互いにまたは他の金属加工技術によって製造された部品に接合されて、組立物が形成されるいかなる工業においても広範な応用を有する。

したがって、本発明は、過剰な溶加材、断続的な接合、および不充分な品質の接合を防止したＰ／Ｍ部品のロウ付け方法を提供する。方法により、これは、効果的に寸法取りされたロウ付け予成形品を用いることによって達成される。それには、部品の細孔中への接合部からの過剰な溶浸を防止する溶加材が含まれる。

明らかな本質を有する種々の変更および改良が為されるであろうこと、および全てのこれらの変更および改良は、添付された請求の範囲内に包含されると考えられることは、当業者には容易に自明であろう。本発明の他の実施形態は、ここに開示された本発明の明細書および実施を考慮すれば、当業者に明らかであろう。明細書および例は、単に例示としてみなされ、本発明の真の範囲および精神は、請求の範囲およびその等価物によって示されるものと解される。

本発明の例示的実施形態による予成形ダイ内の溶加材の概略平面図である。 本発明の実施形態によるグリーンロウ付け予成形品を形成するように溶加材を圧密するパンチの概略断面図である。 グリーンロウ付け予成形品の液相焼結の概略平面図である。 本発明の例示的実施形態によるロウ付け予成形品を示す。 本発明の例示的実施形態による二つの部品をロウ付けする方法の概略図である。 本発明の例示的実施形態による中間軸トランスミッションハブの一部分を形成するように二つの部品のロウ付けを説明する断面図である。

Claims (10)

1. 粉末形態の溶加材（１０）を提供し、その際溶加材は少なくとも一種の金属粉末を含む工程、および
   溶加材を、少なくとも一種の金属粉末の一部分からなる液相を生成する温度で焼結する工程
   を含むロウ付け予成形品（１９、２９、３９）の製造方法。
2. 少なくとも一種の金属粉末は、Ｃｕ、ＭｎおよびＮｉを含む合金粉末である請求項１に記載の方法。
3. 溶加材は、Ｆｅ粉末をさらに含む請求項２に記載の方法。
4. 溶加材は、フラックスおよび潤滑剤の少なくとも一種をさらに含む請求項１に記載の方法。
5. グリーン予成形品（１７）は、溶加材を金属粉末の少なくとも一種の一部分からなる液相を生成する温度で焼結する前に、溶加材から形成される請求項１に記載の方法。
6. 溶加材（１０）を含み、溶加材の少なくとも一部分からなる液相を生成するように焼結されているロウ付け予成形品（１９、２９、３９）。
7. 溶加材は、Ｃｕ、ＭｎおよびＮｉを含む合金粉末を含む請求項６に記載のロウ付け予成形品。
8. 溶加材は、Ｆｅ粉末をさらに含む請求項６に記載のロウ付け予成形品。
9. 溶加材は、フラックスおよび潤滑剤の少なくとも一種をさらに含む請求項６に記載のロウ付け予成形品。
10. 粉末冶金部品（２４、３０）を他の部品（２６、３３）にロウ付けする方法であって、
    少なくとも溶加材粉末を含むロウ付け予成形品（１９、２９、３９）を提供し、その際ロウ付け予成形品は、溶加材粉末の少なくともいくらかからなる液相を生成するように焼結されている工程、
    ロウ付け予成形品を、粉末冶金部品および他の部品の間の接合部（２５、３５）の近傍位置に置き、その位置により、液体状態の溶加材が接合部中に引き込まれることが可能となる工程、および
    液体状態の溶加材粉末を提供するように加熱する工程
    を含むロウ付け方法。

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