JP2007508460A - 緻密化表面を有する焼結金属部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、緻密化表面を有する粉体金属部品を製造する方法に関する。その方法は、７．２ｇ／ｃｍ^３以上の密度まで高速圧縮技術により鉄又は鉄基粉末を圧縮する工程、前記部品を焼結する工程、前記部品を表面緻密化処理にかける工程を含む。

Description

本発明は、焼結金属部品の製造方法に関する。特に、本発明は、緻密化表面を有する焼結金属部品の製造方法に関する。

粉体金属部品を利用する将来成長性のある一つの分野は、自動車工業である。この分野の中で特に興味のあるものは、動力伝達用途のような力を一層必要とする用途での粉体金属部品、例えば、歯車を使用することである。粉末金属法により形成される歯車についての問題点は、棒原材料又は鍛造物から機械加工した歯車と比較して、粉体金属歯車では歯車の歯の根元部分の曲げ疲労強度が低く、歯の側面の接触疲労強度が低いことである。これらの問題は、一般に表面緻密化として知られている方法により歯の根元及び側面部分の表面の塑性変形により軽減されるか、又は解決されることさえある。緻密化表面を有する製品は、例えば、米国特許第５，７１１，１８７号及び第６，１７１，５４６号明細書に記載されている。

米国特許第５，７１１，１８７号明細書によれば、歯車は加圧焼結された粉体金属素材から形成され、その表面は転造(rolling)によって硬化されている。焼結は、１３５０℃までの、即ち、高い焼結温度で行われることが教示されている。焼結のために用いられている正確な温度に関する特別な例は記載されていないが、通常「高い焼結温度」と言う用語は、焼結が約１２５０℃で行われることを意味する。高い焼結温度は、大きなエネルギー消費の外に、焼結部品の形状誤差によくない影響を与え、それが転造部品の誤差問題を起こすことがある。

米国特許第６，１７１，５４６号明細書にも、緻密化表面を得るための方法が記載されている。この特許によれば、表面の緻密化は、転造、又は好ましくは鉄基粉末の圧粉体(green body)のショット・ピーニング(shot peening)により得られる。この特許から、最終的緻密化及び焼結操作前に予備的焼結工程を行なった場合に、最も興味のある結果が得られることを結論することができる。この特許によれば、焼結は１１２０℃、即ち、慣用的焼結温度で行うことができるが、二つの焼結工程が推奨されているので、エネルギー消費がかなり大きくなるであろう。

従って、歯車及び同様な製品を製造するために、圧粉体と、焼結した成形体との間の形状変化を最小にすることを必要とする簡単でコスト的に効果的な方法が関心を集めており、本発明の主たる目的は、そのような方法を与えることにある。本発明の別の目的は、一層低いエネルギー消費、従って、一層低いエネルギーコストを達成出来るようにすることである。

簡単に述べると、鉄又は鉄基(iron-based)粉末を、高速圧縮技術により７．２ｇ／ｃｍ^３以上の高い密度へ圧縮し、得られた部品を低温で焼結し、次に前記部品を表面緻密化処理にかける工程を含む方法を用いることにより、緻密化表面を有するそのような製品を形成することができることが今度発見された。

粉末の種類
圧縮処理のための出発材料として用いることができる適当な金属粉末は、鉄のような金属から調製された粉末である。炭素、クロム、マンガン、モリブデン、銅、ニッケル、燐、硫黄等のような合金用元素を、粒子として添加し、予め合金にするか、又は拡散合金化して、最終焼結生成物の性質を修正することができる。鉄基粉末は、実質的に純粋な鉄粉末、予め合金化した鉄基粒子、拡散合金化した鉄基鉄粒子、及び鉄粒子又は鉄基粒子と合金用元素との混合物からなる群から選択することができる。最も好ましい粉末は、大きな硬化性のため、予め合金化した鉄基粉末である。

圧縮及び焼結
本発明によれば、希望の大きな密度及び狭い形状誤差を有する製品を得るために、高速度圧縮(high velocity compaction)、ＨＶＣ、を用いる。ＨＶＣ−圧縮のための装置の一例は、上で言及し、参考のためここに入れてある米国特許第６，２０７，７５７号明細書に記載されているコンピューター制御衝撃機械である。特にそのような衝撃機械の衝突ラムを、最終圧縮部品の希望の形に相当する形を有する空洞中に粉末を入れたダイスの上方パンチに衝撃を与えるために用いてもよい。ダイス、例えば、慣用的に用いられているダイスを保持するためのシステム、及び粉末を充填するための単位装置（これは慣用的な型のものでもよい）が補充されている場合、この衝撃機械は、高密度成形体を製造するための工業的に有用な方法を可能にする。７．２ｇ／ｃｍ^３以上の高い密度に到達させるためには、２ｍ／秒以上の高いラム速度を用いるのが好ましい。

本発明による焼結は、１２００℃より低く、好ましくは１１６０℃より低く、最も好ましくは１１２０℃〜１１６０℃の低温焼結として行われる。どのような慣用的焼結炉を用いてもよく、焼結時間は約１５〜６０分の範囲にすることができる。焼結炉の雰囲気は、エンドガス(endogas)雰囲気、水素と窒素との混合物、又は真空にしてもよい。

上で言及した利点を達成するための本発明の方法の重要な特徴は、従って、圧縮部品の密度が少なくと約７．２ｇ／ｃｍ^３であること、及び焼結を低い温度で行うことができることである。

焼結部品の大きな密度を達成する従来知られている方法は、高温焼結、又は二重加圧、及び二重焼結である。

低い焼結温度を用いることができることにより、高温焼結で必要となるエネルギー消費と比較して、それを低くすることができる。更に、低い温度、例えば１１２０℃〜１１６０℃の温度範囲内での焼結後の部品の形状分散度(dimensional scatter)は、高温での焼結後の形状分散度と比較してかなり小さい。焼結素材についての形状誤差が狭いことは、表面緻密化部品の高品質を達成するためには必須である。

二重加圧及び二重焼結を含む方法と比較して、本発明による方法は、一つの加圧工程及び一つの焼結工程が省略されている利点を有する。

更に、大きな圧粉体密度を達成するためにこのＨＶＣ技術を用いることにより、最終焼結部品の機械的性質を改良することができるのみならず、表面緻密化深さを増大することもできる。

表面緻密化
表面の緻密化は、径方向、又は軸方向の転造、ショット・ピーニング、サイジング(sizing)等により行うことができる。好ましい方法は、径方向の転造である。なぜなら、この方法は、大きな緻密化深さと組合せて短い工程時間を与えるからである。本発明の方法により、円筒状部品については、１．５ｍｍ、２ｍｍ、及び３ｍｍ、或いはそれ以上まで好ましい緻密化深さを得ることができる。歯車のような一層複雑な部品の場合、達成される緻密化深さは少なくとも０．３ｍｍ、好ましくは少なくとも０．５ｍｍである。粉体金属部品は、緻密化深さが増大すると共に、一層よい機械的性質を得ることができる。

本発明を、更に次の実施例により例示するが、本発明は、それに限定されるものではない。

例１
０．３％の黒鉛添加、及び網戸ワックス潤滑剤を加えた予め合金化した粉末アスタロイ(Astaloy)Ｍｏからなる粉末冶金組成物から円筒を圧縮成形した。７．２ｇ／ｃｍ^３以上の圧粉体密度を得るために高速圧縮を用い、７．２ｇ／ｃｍ^３までの密度を得るために慣用的な一軸圧縮を用いた。円筒を１１２０℃で、９０％の窒素及び１０％の水素からなる雰囲気中で、３０分間焼結した。径方向の転造により表面の緻密化を行い、転造中の直径の減少は０．３ｍｍであった。緻密化深さは、画像分析により評価し、表面から、密度が理論密度の９８％まで減少した点までの最も短い距離として定義する。

素材の焼結密度と、緻密化部品で得られた緻密化深さとの関係は、図１に見ることができる。

例２
図２には、圧縮、焼結、及び表面緻密化した円筒の顕微鏡写真が示されている。図２ａの円筒は、７．０ｇ／ｃｍ^３の密度まで慣用的に成形され、達成された緻密化深さは１ｍｍであるのに対し、図２ｂに示した円筒は、７．５ｇ／ｃｍ^３の密度まで高速圧縮され、達成された緻密化深さは２ｍｍである。

例３
高速圧縮した円筒で、９０／１０のＮ_２／Ｈ_２の雰囲気中で３０分間１１２０℃で焼結したものは、２本ローラー研磨機で転造することにより表面緻密化された。転造中の直径の減少は０．３ｍｍであった。転造した円筒の研磨断面を光学的顕微鏡で調べ、緻密化深さを画像分析を用いて評価した。転造円筒で得られた緻密化深さを表１に示す。

表１
試料 密度 緻密化深さ
記号 (g/cm ^３ ) (mm)
Ａ 7.49 2.5
Ｂ 7.48 2.5
Ｃ 7.42 2.3
Ｄ 7.42 2.0

例４
表２に示した歯車データーを有する歯車を、二つの異なった製造経路を用いて圧縮し、焼結した：
１） ７．２の圧粉体密度まで高速圧縮し、１１２０℃で３０分間焼結する。
２） ７．１の圧粉体密度まで一軸圧縮し、１３００℃で１２０分間焼結する。

表２
歯の数 18
モジュール（ｍ_ｎ) 1.5875 mm
ピッチ直径（ｄ） 28.575 mm

経路１により製造された歯車は、７．２７の焼結密度に到達し、経路２により製造した歯車は、７．３６の焼結密度に到達した。

圧粉体から焼結状態までの形状変化を、夫々の製造経路について２０個の歯車について測定した。４つの異なった形状について形状変化の標準偏差を図３に与える。

図１は、焼結密度と、表面緻密化深さとの関係を示すグラフである。 図２において、図２ａは、慣用的圧縮及び表面緻密化を行なった試料の顕微鏡写真であり、図２ｂは、高速圧縮及び表面緻密化を行なった試料の顕微鏡写真である。 図３は、圧粉体と、焼結した部品との形状変化についての標準偏差を示すグラフである。

Claims (10)

1. 緻密化表面を有する粉体金属部品を製造する方法において、
   − ７．２ｇ／ｃｍ^３以上の密度まで高速圧縮技術により鉄又は鉄基粉末を圧縮する工程と、
   − 前記部品を焼結する工程と、
   − 前記部品を表面緻密化処理にかける工程と、
   を含む製造方法。
2. 焼結を低温で行う、請求項１に記載の方法。
3. 表面緻密化を、転造により行う、請求項１又は２に記載の方法。
4. 部品を、少なくとも７．３ｇ／ｃｍ^３、好ましくは少なくとも７．４ｇ／ｃｍ^３の密度まで圧縮する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 部品を、１１６０℃より低い温度で焼結する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 圧縮部品を、１１２０℃〜１１５０℃の温度で焼結する、請求項５に記載の方法。
7. 圧縮部品を、１５〜６０分の時間焼結する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 圧縮部品を、エンドガス雰囲気、水素と窒素との混合物、又は真空中で焼結する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 表面緻密化部品を、少なくとも０．３ｍｍ、好ましくは少なくとも０．５ｍｍの深さまで緻密化する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 製造した粉体金属部品が、歯車、ベアリング、ローラー、鎖歯車等である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。