JP2007520635A - 粉末金属部品のシート材料溶浸 - Google Patents

Abstract

粉末金属部品溶浸方法は、溶浸のための金属源として、打ち抜き金属シートを用い、高強度粉末金属部品を実現する。粉末金属は圧縮成形され、溶浸材ブランクが、鍛錬された金属シートから形成される。溶浸材ブランクは、成形体の表面に載置され、孔を有するマトリックスを有する焼結される成形体を形成するのに十分な温度であり、鍛錬された金属を溶融してこの溶融した鍛錬された金属がマトリックスの孔を溶浸するようにするのに十分な温度で前記成形体を焼結する。溶浸材ブランクは、成形体上のブランクの位置決めを向上するために、成形体上の対応する位置決め要素と係合する位置決め要素を備えて形成できる。成形体は独立に焼結しても良く、その場合、溶浸材ブランクは焼結された成形体上に載置できる。そして、鍛錬された金属は溶融され、溶融された鍛錬された金属がマトリックスの孔を溶浸するようにする。

Description

本発明は粉末金属部品の製造に係り、特に、銅等の金属材料を用いた粉末金属部品の溶浸に関する。

粉末金属部品は、ネットシェイプ部品に対する必要性のある多くの自動車部品を製造するために用いられる。粉末金属部品は、典型的には、ダイス中の粉末金属を所望の形状の成形体に押圧し、その後、成形体を焼結してその部品の強度を増すことにより、製造される。

押圧と焼結とにより製造された従来の粉末金属部品が、焼結部品中に孔があるために、低い耐衝撃性と疲労強度とを有することが報告されている。従って、有孔部分を取り除き、ほぼ完全な密集状態を部品中に実現するための方法が提案されている。ほぼ完全な密集状態を得るための一つの方法は、粉末金属部品を銅等の金属により溶浸することである。例えば、米国特許第６，６７６，８９４号、第６，５５１，３７３号、第６，５００，３８４号、第５，９２５，８３６号、第５，５７４，９５９号、第５，０３１，８７８号、第４，９７６，７７８号、第４，８６１，３７３号、第４，８３６，８４８号、第４，７６９，０７１号、第４，７３４，９６８号、第４，７３１，１１８号、第４，６０６，７６８号、第４，４８５，１４７号、第４，４２４，９５３号、第４，４１２，８７３号、第４，１６８，１６２号、第４，００８，０５１号及び第３，８２９，２９５号を参照のこと。

溶浸は、毛管現象により、より低い融点の溶融した金属乃至合金（「溶浸材」）を用いて粉末金属の成形体の連続孔を充填する工程である。例えば、銅で溶浸した鋼板は、鉄又は鉄に基づく粉末（黒鉛粉末を有するか有しないもの）を仕上がり形状に圧縮成形し、その焼結動作中に銅に基づく材料を用いて連続孔を溶浸することにより製造される。これは、ワンパス溶浸あるいは二段溶浸であってよい。その結果は、粉末冶金工程に特有な鋼銅構造である。焼結される鉄粉末金属部品又は炭素鋼粉末金属部品と比較すると、銅の溶浸は、引張り強度、疲労強度、伸び、硬度及び対衝撃性の特性を改善することができる。

過去においては、粉末金属部品を溶浸させるための銅の源は、粉末金属の銅の成形体、即ち、その形状を維持するために共に押圧される銅の粉末で作られた部品だった。しかし、銅を溶浸させる源として銅の粉末金属成形体を用いることには難点がある。例えば、（１）溶浸後に残留物が残るかもしれず、（２）溶浸材の進入地点での母材表面の浸食が生じるかもしれず、（３）従来の粉末金属溶浸材の成形体を介する、ある形状は実際的ではないかもしれないので、溶浸を局在化することが困難かもしれず、（４）脆い粉末金属溶浸材成形体に関連した破損が生じるかもしれず、（５）粉末銅成形体の位置合わせが困難かもしれない。

したがって、銅等の金属材料に多孔性の粉末金属部品を溶浸させるための改善された工程が必要である。

本発明は、溶浸源として粉末金属成形体を使用することに対する代替物を提供することにより、前述の要請を満たす。本発明による溶浸方法は、溶浸のための金属源として打ち抜き金属シート材料を用いて、高強度粉末金属物品を実現する。一つの態様において、本発明による溶浸方法は、溶浸のための銅源として打ち抜き伸銅シート材料を用いて、高強度粉末鉄物品又は高強度鋼板物品を実現する。

一つの態様では、本発明は、金属で溶浸された粉末金属部品を製造する方法を提供する。この方法では、粉末金属は圧縮成形され、成形体を形成し、溶浸材ブランクは、鍛錬された金属シートから形成される。溶浸材ブランクは、成形体に接触して置かれ、成形体は、孔を有するマトリックスを備えた焼結された成形体を形成するのに十分な温度であって、かつ鍛錬された金属を溶かして、この溶融した鍛錬された金属がマトリックスの孔を溶浸して金属で溶浸された粉末金属部品を形成するのに十分な温度で焼結される。成形体の表面にブランクを配置すると、鍛錬された金属の溶浸が改善される。一つの実施形態では、粉末金属は鉄及び鉄の合金から選択され、鍛錬された金属は銅と銅合金とから選択される。鍛錬された金属シートが１ミリメートル未満の厚さを持つことは有益であり得る。溶浸材ブランクは、打ち抜き加工、精密打ち抜き又は研磨水流切断等の方法によって形成することができる。

本発明の別の態様においては、成形体上の対応する位置決め要素に係合するのに適した位置決め要素と共に溶浸材ブランクを形成してよく、この溶浸材ブランクは、ブランクの位置決め要素が成形体上の対応する位置決め要素と係合するように、成形体に接触して載置されることができる。例えば、ブランクの位置決め要素は、ブランク本体から外側に伸張するブランクの一部であってよい。その結果、成形体上のブランクの位置合わせが改善される。

本発明の更に別の態様においては、成形体は、孔を有するマトリックスを備えた焼結された成形体を形成するのに十分な温度で独立して焼結され、溶浸材ブランクは、鍛錬された金属シートから形成される。そして、溶浸材ブランクは、焼結される成形体に接触して載置され、鍛錬された金属は溶融して、溶融した鍛錬された金属がマトリックスの孔を溶浸して金属溶浸粉末金属部品を形成するようにされる。

溶浸材料に対して粉末金属成形体の代わりに鍛錬された金属シートを利用することの幾つかの利点は次の通りである。（１）溶浸後に残る残留物量の減少。（２）溶浸材進入地点の母材成形体表面の浸食量の減少。（３）シート打ち抜き加工工程が、従来の粉末金属溶浸材成形体によって有用でない薄片等の形状や欠けている領域を備えた形を促進するので、溶浸する場所を局在化する選択が改善される。（４）脆い粉末金属溶浸材成形体に関連する破損を取り除くことにより溶浸工程の品質が改善される。（５）溶浸される部品に連動又は係合するための位置決め構造を形成する打ち抜き加工工程の能力により、打ち抜き板ブランクの位置合わせが改善される。

本発明の、これら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び添付の特許請求の範囲を考察することにより一層よく理解されるようになるであろう。

本発明によって金属を溶浸した粉末金属部品を製造する方法の一例において、鉄又は鉄合金の粉末が、最終部品の所望の形状のダイス中に導入される。そして、この粉末金属はダイス中で圧縮され、「圧粉体」として一般に知られている高密度物品となる。典型的には、鉄に基づいた圧粉体は、６．０ｇ／ｃｃから７．３ｇ／ｃｃ（鉄に対する理論的な密度は７．８８ｇ／ｃｃ）の密度を有する。次に、所望の量の銅又は銅合金の鍛錬シートが、溶浸材ブランクに対する所望の形状に形成され、加熱時に成形体の孔を銅が溶浸するように、このブランクを圧粉体と接触させて載置する。

成形体及び成形体に接して置かれた銅ブランクは、適切な雰囲気（例えば水素を含む還元雰囲気）中で、一定の時間（例えば１５分）の間、銅の融点以上の所定の温度（例えば１１００℃）でなされる従来の焼結処理を受ける。典型的には、この焼結処理が、鉄又は鉄合金の粉末粒子の間の結合形成又は拡散を促進して、孔があるマトリックスを備えた焼結された成形体を作成する。焼結工程中に、溶融した銅がマトリックス中の孔へ流入する。溶融した銅がマトリックスの開いた有孔部分中に、表面張力、重力及び毛管現象により運ばれる。したがって、溶融銅は、マトリックスの孔を充填し、それにより、マトリックスの密度及び結合性を増加させる。溶浸した銅の量は、マトリックスの中で望まれる物理的・機械的特性に依存する。マトリックスの中への部分的な溶浸だけが望まれる場合、銅の量が減少される。圧粉体の有孔性測定を、必要な銅の溶浸材の量を決定するために用いることができる。

別の工程では、成形体だけが最初に従来の焼結工程を受けて、マトリックスを備えた焼結された成形体を形成する。第二の工程では、鍛錬シートから形成された銅の溶浸材ブランクが、焼結された成形体に接して載置され、銅シート及び焼結された成形体が、所定の温度で加熱される。第二の工程の間に、銅が溶融して、前もって焼結された多孔性のマトリックス中の孔に流入する。銅は溶融し、そしてマトリックスの開いた有孔部分の中へ、表面張力、重力及び毛管現象により運ばれる。

図１は、本発明の方法で用いるのに適した成形体及び溶浸材ブランクの結合例を示す。環状で厚さ約０．０３２インチ（０．８１２８ｍｍ）の銅の溶浸材ブランク１０が、焼結前に、管状の鉄に基づく成形体２０の表面２２上に置かれた状態で示されている。成形体２０の表面２２は、ブランク１０の本体の外周縁１２から外側に延伸するタブ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄを受ける陥凹部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄを有する。

タブ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄは位置決め構造を提供し、成形体２０中の陥凹部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄと連動乃至係合して、ブランク１０の銅により溶浸される。図示された実施の形態では、タブ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄは、ブランク１０から外部に延伸し、成形体２０中の陥凹部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄに係合する。しかしながら、別の構成では、ブランクは、外側に延伸する成形体の位置決め構造に係合する凹部を有するようにしても良い。

銅の溶浸材ブランク１０は、伸銅又は銅合金シート材料の打ち抜き加工、精密打ち抜き又は研磨水流切断により形成することができる。我々は、「鍛錬、伸（銅）」により、圧延、鍛造、押出し鍛造又は絞り加工等の機械的な行為によって形成された材料を意味する。鍛錬材料は、典型的には、９９％の理論的な密度以上の密度を有する。したがって、圧縮成形された粉末材料は、典型的には９３％以下の理論的な密度を有する圧縮成形された粉末材料としての鍛錬材料にはみなされない。典型的な伸銅材料は、０．００１インチ乃至０．２５０インチ（０．０２５４ｍｍ乃至６．３５ｍｍ）の厚さを有している。０．０３９インチ（１ｍｍ）未満の厚さを有する伸銅材料は、特に有利である。適切な銅合金は真鍮とブロンズを含んでいる。
（実施例）

以下の実施例は、本発明を更に例証するために提示されたものであり、どのような意味でも本発明を限定するようには意図されていない。
１．実験方法

３つの溶浸技術が、溶浸しなかった対照試験に対して比較された。名目上、外径２．０インチ（５０．８ｍｍ）＊内径０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）＊長さ１．１２５インチ（２８．５７５ｍｍ）と測定される、標準試験環を使用した。この試験環は、米国粉末冶金工業会（ＭＰＩＦ）の仕様標準Ｓｔｄ３５ＦＣ−０２０８に合致する材料で作られた。ＭＰＩＦＳｔｄ３５ＦＣ−０２０８は以下の通りである。要素の鉄の粉末９３．２〜９７．９重量パーセント；要素の銅の粉末１．５〜３．９重量パーセント；炭素（黒鉛粉末として）０．６〜０．９重量パーセント；及び他の要素２．０重量パーセント（最大）。

基礎成形体は、６．９５ｇ／ｃｃの密度に押圧された。１８の試験環が溶浸のために製造された。

調査された３つの溶浸技術は次の通りだった：（１）ＭＰＩＦＳｔｄ３５ＦＣ−０２０８に基づき、溶浸しない（対照）；（２）ＭＰＩＦＳｔｄ３５（ＦＸシリーズ）に記述されるような標準の粉末金属の銅の溶浸、つまり、粉末化された銅溶浸材材料を用いて押圧し、焼結の間の次の銅の溶浸用の圧縮成形された鉄又は鉄に基づく粉末金属物品の表面に置くのに適した形状の成形体を形成すること；（３）銅の粉末がＭＰＩＦＳｔｄ３５ＦＣ−０２０８材料と混合された二重供給法で、次にダイスが低下して、銅の溶浸材料を用いた第二の充填が加えられ、圧縮成形され；（４）形成された銅源を試験環と同じ面積に製造するための、錫の小片を用いた０．０３２インチ（０．８１２８ｍｍ）の厚さの銅の打ち抜き加工材料切片を用いた溶浸。

試験片はすべて、通常の焼結条件、即ち９０％の窒素−１０％の水素雰囲気中で１５分間２０５０°Ｆ（１１２１℃）で、２４インチマッフル炉中で焼結した。

図２は、焼結／溶浸後の試験片の詳細を示す。一番上の行は二重供給法のものである。一番上から二番目の行は、頂上に設定された押圧された粉末の銅の成形体環を備えた標準環である。底から二番目の行は、頂上に設定された、あらかじめ作り上げられた銅打ち抜き加工を備えた標準環である。底行は標準環である。上側二行上に残された頭骨の量に注目せよ。あらかじめ作り上げられた打ち抜き加工は何の頭骨も残さない。
２．試験結果

密度測定が行われ、表１中に示される。

本発明による銅打ち抜き加工による溶浸は、最も高い密度を生じ、したがって粉末金属溶浸にふさわしい置換である。溶浸材料の源として銅以外に鍛錬シート材料を使用することもまた可能かもしれない。

浸食／洗浄示度の読み取りが行われ、表２に示す。

３．結論

材料の二重供給は、粉末金属物品の溶浸にふさわしい方法ではなかった。

従来の銅の溶浸は、重要な残留物及び浸食を生じる。一貫しない溶浸を引き起こす押圧された銅溶浸材スラグを調整するのは困難である。押圧された溶浸材材料の脆い圧粉体強さにより、溶浸材スラグが取り扱い破損により薄い場合、溶浸工程は廃棄が高くなりがちである。

銅打ち抜き加工による溶浸は、独自の工程で、以下の利点を有する。（１）この工程は低い浸食の溶浸工程である。（２）この工程は低い残留物の溶浸工程である。（３）この工程は、従来の粉末金属溶浸材スラグによって有用でない薄片等の形状や欠けている領域を備えた打ち抜き加工の形状による、選択的な溶浸工程である。（４）この工程は、薄い番手の銅材料を用い、したがって粉末金属溶浸材スラグに関連する破損を取り除き、それにより廃棄を少なくしてかつ品質を向上させる。（５）この工程は、「耳」、「唇」、「タブ」又は他の容易に打ち抜かれる延伸構造等の打ち抜き加工配置構造を使用することを許容する。

したがって、本発明は、溶浸源として粉末金属成形体を使用することに対する代替物を供給する。本発明による溶浸工程は、溶浸のための金属（例えば、銅）の源として、打ち抜かれた金属（例えば、銅）のシート材料を用いて、高強度粉末金属（例えば鉄又は鋼）部品を実現する。

本発明はある実施の形態に関して相当に詳細に説明されたが、例示の目的で提示され、制限する目的を有しない、説明した実施の形態以外により本発明を実施できることを当業者は理解するであろう。したがって、添付された特許請求の範囲は、ここに含まれる実施の形態の記述に制限されるべきではない。

本発明は、より強く、より高い密度及び改善された表面生地の粉末金属部品を生産するための方法に関係する。

本発明の一つのバージョンに従って焼結する前の鉄に基づく成形体上に置かれた銅の溶浸材ブランクの上面図である。 焼結及び溶浸後の実験的試験片の詳細を示す図である。

符号の説明

１０ 銅の溶浸材ブランク
１２ 外周縁
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ タブ
２０ 成形体
２２ 表面
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ 陥凹部

Claims (22)

1. 金属を溶浸した粉末金属部品を製造するための方法であって、
   粉末金属を圧縮成形して成形体を形成するステップと、
   鍛錬された金属シートから溶浸材ブランクを形成するステップと、
   前記成形体の表面上に前記溶浸材ブランクを載置するステップと、
   孔を有するマトリックスを備えて焼結される成形体を形成するのに十分な温度であって、かつ前記鍛錬された金属を溶融して該溶融した鍛錬された金属が前記マトリックスの前記孔に溶浸するのに十分な温度で、前記成形体を焼結するステップと、
   を備えたことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記粉末金属は、鉄、鉄の合金及びそれらの混合物から選ばれ、
   前記鍛錬された金属は、銅と銅合金とから選ばれることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記鍛錬された金属シートは、１ミリメートルより小さい厚さを有することを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記溶浸材ブランクは、打ち抜き加工、精密打ち抜き及び研磨水流切断から選択された方法により形成されることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記成形体上の対応する位置決め要素と係合するのに適した位置決め要素を有する前記溶浸材ブランクを形成するステップと、
   前記ブランクの前記位置決め要素が前記成形体上の前記対応する位置決め要素と係合するように前記成形体と接触して前記溶浸材ブランクを載置するステップと、
   を更に備えたことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   前記ブランクの前記位置決め要素は、前記ブランクの本体から外側に延伸する前記ブランクの一部であることを特徴とする方法。
7. 金属を溶浸した粉末金属部品を製造するための方法であって、
   粉末金属を圧縮成形して成形体を形成するステップと、
   孔を有するマトリックスを備えて焼結される成形体を形成するのに十分な温度で前記成形体を焼結するステップと、
   鍛錬された金属シートから溶浸材ブランクを形成するステップと、
   前記焼結された成形体の表面上に前記溶浸材ブランクを載置するステップと、
   前記鍛錬された金属を溶融して該溶融した鍛錬された金属が前記マトリックスの前記孔を溶浸するようにするステップと、
   を備えたことを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記粉末金属は、鉄、鉄の合金及びそれらの混合物から選ばれ、
   前記鍛錬された金属は、銅と銅合金とから選ばれることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   前記鍛錬された金属シートは、１ミリメートルより小さい厚さを有することを特徴とする方法。
10. 請求項７に記載の方法であって、
    前記溶浸材ブランクは、打ち抜き加工、精密打ち抜き及びレーザ切断から選択された方法により形成されることを特徴とする方法。
11. 請求項７に記載の方法であって、
    前記成形体上の対応する位置決め要素と係合するのに適した位置決め要素を有する前記溶浸材ブランクを形成するステップと、
    前記ブランクの前記位置決め要素が前記成形体上の前記対応する位置決め要素と係合するように前記成形体と接触して前記溶浸材ブランクを載置するステップと、
    を更に備えたことを特徴とする方法。
12. 請求項７に記載の方法であって、
    前記ブランクの前記位置決め要素は、前記ブランクの本体から外側に延伸する前記ブランクの一部であることを特徴とする方法。
13. 金属を溶浸した粉末金属部品を製造するための方法であって、
    粉末金属を圧縮成形して成形体を形成するステップと、
    鍛錬された金属シートから溶浸材ブランクを形成するステップであって、前記ブランクは、前記成形体上の対応する位置決め要素と係合するのに適した位置決め要素を有するステップと、
    前記成形体上の前記対応する位置決め要素と前記ブランクの前記位置決め要素が係合するように前記成形体と接触して前記溶浸材ブランクを載置するステップと、
    孔を有するマトリックスを備えて焼結される成形体を形成するのに十分な温度であって、かつ前記鍛錬された金属を溶融して該溶融した鍛錬された金属が前記孔に溶浸するようにするのに十分な温度で、前記成形体を焼結するステップと、
    を備えたことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、
    前記粉末金属は、鉄、鉄の合金及びそれらの混合物から選ばれ、
    前記鍛錬された金属は、銅と銅合金とから選ばれることを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、
    前記鍛錬された金属シートは、１ミリメートルより小さい厚さを有することを特徴とする方法。
16. 請求項１３に記載の方法であって、
    前記溶浸材ブランクは、打ち抜き加工、精密打ち抜き及びレーザ切断から選択された方法により形成されることを特徴とする方法。
17. 請求項１３に記載の方法であって、
    前記ブランクの前記位置決め要素は、前記ブランクの本体から外側に延伸する前記ブランクの一部であることを特徴とする方法。
18. 金属を溶浸した粉末金属部品を製造するための方法であって、
    粉末金属を圧縮成形して成形体を形成するステップと、
    孔を有するマトリックスを備えて焼結される成形体を形成するのに十分な温度で前記成形体を焼結するステップと、
    鍛錬された金属シートから溶浸材ブランクを形成するステップであって、前記ブランクは、焼結される成形体上の対応する位置決め要素と係合するのに適した位置決め要素を有するステップと、
    前記ブランクの前記位置決め要素が前記焼結される成形体上の前記対応する位置決め要素と係合するように前記焼結される成形体と接触して前記溶浸材ブランクを載置するステップと、
    前記鍛錬された金属を溶融して該溶融した金属が前記焼結される成形体の前記孔を溶浸するようにするステップと、
    を備えたことを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記粉末金属は、鉄、鉄の合金及びそれらの混合物から選ばれ、
    前記鍛錬された金属は、銅と銅合金とから選ばれることを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、
    前記鍛錬された金属シートは、１ミリメートルより小さい厚さを有することを特徴とする方法。
21. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記溶浸材ブランクは、打ち抜き加工、精密打ち抜き及びレーザ切断から選択された方法により形成されることを特徴とする方法。
22. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記ブランクの前記位置決め要素は、前記ブランクの本体から外側に延伸する前記ブランクの一部であることを特徴とする方法。

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