JP2006521472A

JP2006521472A - コバルト系金属粉末及びその部品の製造方法

Info

Publication number: JP2006521472A
Application number: JP2006507961A
Authority: JP
Inventors: モールス、オーウェ; スザボ、クリストフ
Original assignee: ホガナスアクチボラゲット
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2006-09-21
Also published as: KR20050105243A; WO2004085099A1; BRPI0408804A; SE0300881D0; TW200426226A; MXPA05010291A; EP1606071A1; CN1777485A; RU2005132992A

Abstract

本発明は、少なくとも１５重量％のＣｒ及び０．３重量％未満のＣを含む不規則な形状の粒子を有し、グラファイトと混合された、Ｃｏ系のプレアロイ粉を含む、粉末金属部品製造用の粉末金属組成物に関する。又、本発明は、本発明による粉末金属組成物から成形すべき物品をプレスし、それを焼結することによってＰＭ部品を製造する方法に関する。

Description

本発明は粉末冶金に関する。さらに詳細には、本発明はコバルト系粉末金属組成物、及び特に高負荷用途の部品の製造方法に関する。

ステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）（登録商標）（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ合金の商標）などのコバルト系合金は硬質合金であり、多くの摩耗形態に極めて耐性がある。これらの合金製品は広い温度範囲で高い硬度を示し、耐食性がある。これらの製品は、中でも機械部品（軸受胴、弁座埋め金等）、又は高密度、高強度及び耐摩耗性が要求される他の部品など、様々な種類の部品の鋳造に使用される。

鋳造材料にはしばしば微小構造欠陥及び炭化物偏析の欠点がある。炭化物偏析は不均一に分布した硬質相を招く。それらの材料の欠点は、破断靭性の欠如と機械加工性の悪さである。

粉末冶金（ＰＭ）製品は一般に鋳造製品よりも均一な微小構造を有する。ＰＭ製造方法のさらに他の利点は、最終形状へのコストのかかる機械加工を省くことができるか、或いは従来の鋳造方法に比べて最小限とすることができ、且つ、本方法は小さな物品を多数製造するのにもっと適していることである。

長い間、ＰＭ技術を用いてコバルト系製品を製造する試みが行われた。すなわち、米国特許第４１２９４４４号は噴霧したＣｏ系粉末を結合剤で被覆し、次いで固結させ個々の物体を形成し、それを乾燥し、粉砕し、篩にかけて凝集塊を得る工程を開示している。凝集塊は圧粉体にプレスし、高温で焼結される。さらに、米国特許第５，４６２，５７２号は、ガス噴霧Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末から調製された粉末冶金部品を開示している。合金粉末は缶に装填し、真空中で焼いて粉末の脱ガスを行い、その後、粉末を装填した缶は好ましくは熱平衡プレス（ＨＩＰ）によって固められる。

本発明の目的は、従来のＰＭ工程で使用することのできるＣｏ系粉末金属組成物を提供することである。

他の目的は、高い圧粉密度（ｇｒｅｅｎｄｅｎｓｉｔｙ）及び圧粉強度（ｇｒｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈ）に成形することのできる高い成形性を有するＣｏ系粉末金属組成物を提供することである。

さらに他の目的は、焼結の前に機械加工できるコバルト系合金の圧粉体（ｇｒｅｅｎｂｏｄｙ）を提供することである。

さらに他の目的は、成形し、高い焼結温度を必要としないで高密度に焼結することのできる粉末金属組成物を提供することである。

以下の説明から明らかになると思われるこれらの目的、並びに他の目的は、新規なＣｏ系粉末金属組成物を提供することによる本発明によって達成された。この組成物の重要な特徴は、組成物がグラファイトと混合した不規則な形状の粒子を有するＣｏ系のプレアロイ粉を含むことである。さらに、Ｃｏ系のプレアロイ粉は０．３重量％未満の炭素と少なくとも１５重量％のＣｒを含まなければならない。Ｃｏ系のプレアロイ粉は少なくとも３０重量％、好ましくは８０重量％未満のＣｏを含む。

又、本発明は、本発明による粉末金属組成物を提供するステップと、組成物を鋳型中で少なくとも約４００ＭＰａの圧力で所望の形状の部品に成形するステップとを含む方法に関する。

本発明による組成のＣｏ系のプレアロイ粉は、所望の組成を有する溶融物を水によって噴霧することによって製造することができる。

本発明によるＣｏ系のプレアロイ粉は、０．３重量％未満の炭素を含む。しかし、粉末の炭素含有率は０．１重量％未満であることが好ましく、０．０５重量％未満であることが最も好ましい（すなわち、不可避的な不純物以外、本質的にＣが無い）。

Ｃｏ系のプレアロイ粉は、少なくとも１５重量％、好ましくは３５重量％未満のＣｒを含む。

Ｃｒの添加は、固溶硬化及び／又は炭化物形成によってコバルト母材の強度を改善する。これらの効果は、Ｗ及び／又はＭｏの添加によってさらに改善される。

Ｃｏ系のプレアロイ粉に含むことのできる他の元素は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｂから選択することができる。

本発明による好ましいプレアロイ粉は、５〜３５重量％のＣｒ、０〜２０重量％のＷ、０〜２５重量％のＮｉ、０〜５重量％のＳｉ、０〜５重量％のＦｅ、０〜１０重量％のＭｏ、残りはＣｏ及び０．３重量％未満のＣを含む。

本発明による他の好ましい粉末は、０〜３重量％のＭｎ、０〜４重量％のＶ、０〜４重量％のＢをさらに含む。

本発明による粉末金属組成物は、グラファイトと混合した本発明によるプレアロイ粉を含む。グラファイト添加の量は所望の炭化物含有率及びカーバイド形成元素の含有率に依存する。グラファイト含有率は、好ましくは少なくとも０．５重量％、より好ましくは少なくとも０．７重量％で、好ましくは３重量％未満である。

粉末金属組成物は、合金化元素、潤滑剤、加工補助剤及び結合剤からなる群から選択される１種又は複数の添加剤をさらに含むことができる。

特性の改善又はコスト低減のために他の元素を加えることができる。

使用される潤滑剤は得られる圧粉特性に重要な役割を果たす。良好な結果は、Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）（ＨｏｅｇａｎａｅｓＡＢ、Ｓｗｅｄｅｎから入手可能）、アミドワックス、金属ステアリン酸塩、及び他の通常使用される潤滑剤で達成された。

本発明による粉末金属組成物に使用される加工補助剤は、タルク、フォルステライト、硫化マンガン、硫黄、二硫化モリブデン、窒化ボロン、テルリウム、セレン、二フッ化バリウム、二フッ化カルシウムからなることができ、これらは別々に、又は組み合わせて使用される。

本発明による粉末金属組成物は鋳型に装填され、少なくとも４００ＭＰａの圧力で所望の形状の部品に成形される。この成形は高い圧粉強度と圧粉密度の部品を生成し、この部品はこの段階で圧粉体の機械加工をすることさえできる。これは、最終的な焼結部品の材料が硬く、機械加工が困難であるので、有利である。

該部品は、好ましくは保護的環境中又は真空中で少なくとも１０８０℃の温度で焼結される。

本発明による粉末及び本発明の方法によって製造された部品は、バルブ座が交換又は点検せずにエンジンの寿命期間持続する必要のある、エンジン用弁座埋め金などの高負荷用途に特に適している。

制限することを意図しない以下の実施例は、本発明のいくつかの実施形態を示す。

表２及び表３にリストした試験混合物（混合物１〜５）を、表１の水で噴霧したプレアロイ粉から調製した（重量％）。

プレアロイ粉は表２及び３の潤滑剤、合金化元素、加工補助材とさらに混合した。試験混合物１、３、４中に、１．７重量％のグラファイトをさらに含めた。ＩＳＯ３９９５によるＴＲＳ試料を成形した。成形操作は、異なる３種の試料で、それぞれ６００及び８００ＭＰａで行った。

得られた部品の圧粉密度（ＧＤ）と圧粉強度（ＧＳ）とを試験した。９０％Ｎ_２／１０％Ｈ_２の雰囲気中で、１１２０℃で３０分間焼結の後、部品の焼結密度（ＳＤ）及び硬度（Ｈｖ１０）を試験した。表４及び５は試験結果を開示する。

混合物２の成形、及びある程度は混合物５の成形も良好になされず、部品は粗悪な表面を呈し、縁に頻繁に亀裂が見られ、脆弱で取り扱えなかった。

プレアロイ粉にＣを含まない混合物１、３、４は、表４及び５に見ることができるように、成形性に顕著な向上を示し、得られた部品には高い圧粉強度と圧粉密度が達成された。薄い壁を有する部品は取り扱いを可能にするために、通常少なくとも７ＭＰａの圧粉強度を必要とする。２０ＭＰａを超える圧粉強度では、通常圧粉体の機械加工が可能である。

焼結混合物３の部品は混合物５の部品よりも高い密度と硬度（Ｈｖ１０）を示す。

焼結部品の冶金学的試験では混合物３及び５から作製した部品が類似の構造を有することを示した。したがって、焼結中に、混合物３の部品中に所望の炭化物構造を形成することが可能である。

表５中の混合物３と混合物４の比較は、成形された部品の圧粉強度と圧粉密度への潤滑剤の影響を示している。Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）は、ポリエチレンオキシドとオルガゾルの混合物よりも高い密度を与え、焼結状態でのより良好な性能を可能にする。

Claims

少なくとも１５重量％のＣｒ及び０．３重量％未満のＣを含む不規則な形状の粒子を有し、グラファイトと混合された、Ｃｏ系のプレアロイ粉を含む、粉末金属部品製造用の粉末金属組成物。
Ｗ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種の元素をさらに含む、請求項１に記載の粉末金属組成物。
Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｂから選択される少なくとも１種の合金化元素をさらに含む、請求項１又は２に記載の粉末金属組成物。
前記プレアロイ粉中のＣの含有率が、好ましくは０．１重量％未満、最も好ましくは０．０５重量％未満である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の粉末金属組成物。
１５〜３５重量％のＣｒ、０〜２０重量％のＷ、０〜２５重量％のＮｉ、０〜５重量％のＳｉ、０〜５重量％のＦｅ、０〜１０重量％のＭｏ、残りとしてＣｏを含む請求項１から４までのいずれか一項に記載の粉末金属組成物。
前記混合されたグラファイトの含有率が、好ましくは少なくとも０．５重量％、さらに好ましくは少なくとも０．７重量％である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の粉末金属組成物。
潤滑剤、加工補助剤、合金化元素及び結合剤からなる群から選択される１種又は複数の添加剤をさらに含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の粉末金属組成物。
（ａ）少なくとも１５重量％のＣｒ及び０．３重量％未満のＣを含む不規則な形状の粒子を有し、グラファイトと混合された、Ｃｏ系のプレアロイ粉を含む粉末金属組成物を提供するステップと、
（ｂ）前記組成物を鋳型中で少なくとも４００ＭＰａの圧力で所望の形状の部品に成形するステップと
を含む、高い圧粉強度と高い圧粉密度を有するＣｏ系合金の部品を製造する方法。
プレアロイ粉が０．１重量％未満のＣ、好ましくは０．０５重量％のＣを含む、請求項８に記載の方法。
前記混合されたグラファイトの含有率が、少なくとも０．５重量％、好ましくは少なくとも０．７重量％である請求項８又は９に記載の方法。
請求項８に記載のステップ（ａ）及び（ｂ）に加えて、
（ｃ）部品を焼結するステップを
含む、Ｃｏ系の粉末金属組成物の焼結部品を製造する方法。
前記焼結が、保護的環境中又は真空中で少なくとも１０８０℃の温度で行われる、請求項１１に記載の方法。
少なくとも１５重量％のＣｒ及び０．３重量％未満のＣを含む不規則な形状の粒子を有する、Ｃｏ系のプレアロイ粉。