JP2013519792A - 焼結硬化鋼製部品を製造するための母合金、および焼結硬化部品を製造するためのプロセス - Google Patents

Abstract

鋼製部品を製造するために用いる母合金、および当該母合金から焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセスを説明する。粉末状母合金は、鉄と、約１〜５重量％未満のＣと、約３〜１５重量％未満のＭｎと、約３〜１５重量％未満のＣｒとを含む組成を有し、母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトと、鉄化合物としての残部とを含む。当該プロセスは、母合金を準備するステップと、母合金を鋼粉と混合して混合物を生成するステップとを含み、母合金の重量％は、混合物の５〜３５重量％であり、プロセスはさらに、混合物を部品の形状に圧縮し、混合物を焼結して鋼製部品を生成するステップと、焼結硬化を発生させるために焼結後に冷却速度を制御するステップとを含む。母合金粉末は、低合金鋼粉と混合すると、焼結硬化促進剤としても使用可能である。

Description

関連出願との相互参照
本願は、米国特許法第１１９条(ｅ)に基づいて、２０１０年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／３０４，６００号の利益を主張し、この米国仮特許出願第６１／３０４，６００号は、引用によって本明細書に援用される。

発明の分野
本発明は、焼結硬化によって硬化された鋼製部品を製造するために用いる母合金、および当該母合金を含む焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセスに関する。

発明の背景
高性能の鋼製部品を製造するために、硬化合金元素が粉末冶金に広く用いられている。これらの硬化合金元素として、ニッケル、モリブデンおよび銅がある。これらの合金元素の欠点の１つは、費用が高くしばしば変動することである。

従来の錬鋼冶金では、付加的な硬化合金元素として、マンガン、クロムおよびシリコンがある。マンガンは、特に効果的な硬化合金である。これらの付加的な合金元素はより安価であり、費用もより安定する傾向にある。これらのより安価な元素の主な欠点は酸化しやすいことであり、このため現在まで、粉末冶金におけるこれらの使用が限られてきた。

合金元素を粉末冶金成分に導入する方法は多数ある。１つの方法は、合金元素を微粒子化の前に溶鋼に添加することである（予合金化）。別の方法は、合金元素を添加物として混合粉末に添加することである（混和）。予合金化した粉末は圧縮率が比較的低いが、より均質な微細構造／性質を有する。一方、混和した合金元素は圧縮率がより高いが、微粒子拡散、したがって均質な微細構造／性質を確保するために、より高い焼結温度が必要である。

Sintermetallwerk Krebsoge GmbH社に譲渡されたZaft et al.による英国特許第１，５０４，５４７号は、粉末混合物を、鋼粉と、複合炭化物として最大２５％のＣｒ、最大２５％のＭｏ、最大２５％のＭｎ、最大１０％のＣおよび残余Ｆｅの元素を含有する複合炭化物硬化合金鉄と共に加圧および焼結することによって作られる焼結合金鋼を教示している。このZaft et al.の排他的に含有する炭化物硬化合金鉄は非常に硬質であり、鋼製部品の製造に用いる設備および工具を摩耗させ得る（G. Zapf et al. による“Process for making alloyed steel sintered parts and sinter powder for use in the process”、 英国特許第１，５０４，５４７号、１９７４年）。Zaft et al.の母合金が処理設備において工具を過剰に摩耗させるという結論は、Paul Beiss による“New Cr-Mn-alloyed sintered steel for high-performance applications”, Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, Part 7、２４頁、２００５年に説明されている。

したがって、高価な硬化合金元素の使用を減らし、これらの部品の製造時における工具の摩耗を最小限に抑えることによって材料費および製造費を節約することができる、硬化合金鋼製部品を製造するための、より軟質な、またはより硬度の低い母合金が必要である。これによって、プロセスが実行可能になる。当該母合金はさらに、処理時にマンガンおよびクロムなどの酸素親和性元素を酸化から保護すべきである。

概要
本明細書中に記載される母合金およびプロセスによって、酸素に対する親和性がより高い、より安価な硬化合金元素の使用が可能になる。特に、マンガンおよびクロムが、オーステナイトおよび他の炭素含有化合物などの炭素含有位相において固溶体にあるときに酸化から保護される。固溶体の炭素が存在するため、母合金製造時、および焼結硬化を含むその後の処理ステップ時に、これらの合金元素が酸化から保護される。

本発明の１つの局面では、母合金であって、母合金中の約１〜５重量％未満のＣと、母合金中の約３〜１５重量％未満のＭｎと、母合金中の約３〜１５重量％未満のＣｒと、残部Ｆｅおよび不可避不純物とを含む組成を有し、母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトと、鉄化合物としての残部とを含む母合金が提供される。

本発明の別の局面では、焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセスであって、母合金の粉末を準備するステップを含み、母合金は、母合金中の約１〜７重量％未満のＣと、母合金中の約３〜２０重量％未満のＭｎと、母合金中の約３〜２０重量％未満のＣｒと、残部Ｆｅおよび不可避不純物とを含む組成を有し、母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトと、鉄化合物としての残部とを含み、プロセスはさらに、母合金の粉末を鋼粉と混合して混合物を生成するステップを含み、母合金の重量％は、混合物の５〜３５重量％であり、プロセスはさらに、混合物を圧縮して部品を成形するステップと、混合物を焼結して鋼製部品を生成するステップと、焼結硬化を発生させるために焼結後の冷却を制御するステップとを含むプロセスが提供される。

一般的な局面によると、焼結硬化鋼製部品のための母合金であって、母合金は、鉄と、母合金中の約１〜約５重量％未満のＣと、母合金中の約３〜約１５重量％未満のＭｎと、母合金中の約３〜１５重量％未満のＣｒとを含む組成を有し、母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトを含む母合金が提供される。

別の一般的な局面によると、焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセスであって、母合金の粉末を準備するステップを含み、母合金は、鉄と、母合金中の約１〜７重量％未満のＣと、母合金中の約３〜２０重量％未満のＭｎと、母合金中の約３〜２０重量％未満のＣｒとを含む組成を有し、母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトを含み、プロセスはさらに、母合金の粉末を鋼粉と混合して混合物を生成するステップを含み、母合金の重量％は、混合物の５〜３５重量％であり、プロセスはさらに、混合物を圧縮して部品を成形するステップと、混合物を焼結して鋼製部品を生成するステップと、焼結硬化を発生させるために焼結後の冷却を制御するステップとを含むプロセスが提供される。

さらなる一般的な局面によると、上述のプロセスによって得られる焼結硬化鋼製部品が提供される。

さらに別の一般的な局面によると、鋼製部品を製造するための粉末混合物であって、鋼粉と、粉末混合物の約５〜約３５重量％の濃度の母合金粉末とを含み、母合金粉末は、鉄と、母合金粉末中の約１〜７重量％未満のＣと、母合金粉末中の約３〜２０重量％未満のＭｎと、母合金粉末中の約３〜２０重量％未満のＣｒとを含み、母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトを含む粉末混合物が提供される。

本明細書では、「母合金」という用語は、主要成分金属融液に添加される、たとえば炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）およびクロム（Ｃｒ）などの１つ以上の付加的な元素で予合金化した鉄などの主要成分金属を意味することを意図している。母合金は、液体や気体などの適切な高圧媒体を用いて、準備した母合金の溶融金属を微粒子化することによって得られる。母合金粒子のサイズはマイクロメートルのオーダである。

本明細書では、「合金鉄」という用語は、１つ以上の元素の割合が高いさまざまな鉄の合金を意味することを意図している。合金鉄は鋳造、成形および破砕によって得られる。合金鉄粒子のサイズはミリメートルのオーダであり、すなわち母合金粒子よりも約１０００倍大きい。

ここで、本発明の特定の実施形態を一例として示す添付の図面を参照する。

ある実施形態に係る母合金粉末および焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセスのブロック図である。 １つの実施形態に係る母合金、および２つの市販の主要成分金属鋼粉の粒度分布（粒径μｍ対体積％）のグラフである。 実施例１に記載のプロセスの実施形態に従って製造された焼結硬化鋼製部品のマイクログラフである。 実施例２に記載のプロセスの実施形態に従って製造された第２の焼結硬化鋼製部品のマイクログラフである。 実施例３に記載のプロセスの実施形態に従って製造された第３の焼結硬化鋼製部品のマイクログラフである。 実施例４に記載のプロセスの実施形態に従って製造された第４の焼結硬化鋼製部品のマイクログラフである。

詳細な説明
本発明では、特に油中または水中でのオーステナイト化および焼入れからなる別途の熱処理を用いずに、焼結サイクルの冷却速度を制御して、マルテンサイト、ベイナイトおよびパーライト位相の混合物を含有する比較的硬質な微細構造を生成することからなる焼結硬化を説明する。ここで対象となるより安価な合金元素（マンガンおよびクロム）によって、本発明のプロセスによる焼結硬化が可能になる。別途の熱処理がないので、プロセスの全体的な作業費用が減少し、部品を油中または水中で焼入れすることによってしばしば生じる部品の歪みが減少する。最後に、焼結硬化は、油焼入れ熱処理よりも安価で環境に優しい。焼結硬化によって、大気中への油排出、および焼入れ部品を洗浄する必要がなくなり、高温油浴に伴う健康および安全上の危険が減少する。本発明は、より安価な合金元素を用いた硬化鋼製部品の製造を達成する。微粒子化の前に液体金属中に炭素が高含有量で存在しているため、合金元素は酸化から保護される。

ここで図面を参照して、図１は、粉末状母合金１５０の製造を通じた、本発明に係る焼結硬化鋼製部品４５０を製造するためのプロセス１０のブロック図である。

焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセス１０は、４つの主なステップを含む。第１のステップ１００は、微粒子化および研削を含む、粉末状の母合金の準備である。第２のステップ２００は、粉末状母合金１５０を主要成分金属鋼粉ＳＰと混合することであり、ＳＰは「鋼粉」を意味する。第３のステップ３００は、粉末母合金１５０および主要成分鋼粉ＳＰの加圧または圧縮である。本プロセスは、所望の微細構造および性質を生成するために冷却を制御する焼結ステップ４００で完了する。

母合金粉末１５０を準備するステップ１００は、母合金の溶融金属を生成するためのさまざまな元素の溶解１０５で開始する。母合金は、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、および任意にモリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）または銅（Ｃｕ）の元素を含む組成を有する。Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、ＰおよびＢを含むがこれらに限定されない他の合金元素を用いてもよい。付加的な合金元素の選択は通常、比較的安価な母合金および必要な硬化を達成するための市場状況に基づく。溶解プロセス１０５における典型的な溶融金属温度は１４００〜１７００℃のオーダであるが、溶解物の化学的性質に依存していくらかの変動がある。合金の残部は、鉄および不可避不純物で完成する。

溶融金属中の元素の典型的な濃度は、約１〜７重量％未満のＣ、約３〜２０重量％未満のＭｎ、および約３〜２０重量％未満のＣｒであり、残余は母合金およびすべての不可避不純物である。母合金の組成は任意に、０〜１０重量％のＭｏ、任意に０〜１０重量％のＳｉ、および任意に０〜１０重量％のＣｕを含み得る。母合金の組成は任意にさらに、０〜５重量％のＶ、０〜５重量％のＷ、０〜５重量％のＮｂ、０〜５重量％のＮｉ、０〜１重量％のＰ、および０〜０．１重量％のＢを含み得る。図１の点線は、ステップ１００におけるＭｏ、Ｓｉおよび他の合金元素の任意の添加を表わす。

代替実施形態では、母合金は、約１〜５重量％未満のＣ、約３〜１５重量％未満のＭｎ、および約３〜１５重量％未満のＣｒを含む。さらに別の実施形態では、母合金は、約２〜５重量％未満のＣ、約５〜１５重量％未満のＭｎ、および約５〜１５重量％未満のＣｒを含む。

ある実施形態では、母合金の組成は、少なくとも６０重量％の鉄を含む。
「重量％」という用語は、混合物全体の全重量に対する元素の重量に１００を乗算したものと定義される。

母合金の溶融金属を準備した後、液体や気体などの好適な高圧媒体を用いて溶融金属を微粒子化１０７（または粉砕）し、微粒子化粉末を生成する。ある実施形態では、水微粒子化処理を用い、微粒子化ステップ１０７における保護雰囲気１０２はアルゴンである。

微粒子化粉末を、当業者に周知である乾燥ユニット作業１０９で乾燥させる。
水微粒子化の際に形成された可能性のあるすべての酸化物を減少させるか除去するために、微粒子化した／乾燥させた母合金粉末に、任意の還元熱処理を適用してもよい。さらに、当該熱処理は、母合金粉末の圧縮率を向上させる可能性がある。ある実施形態では、還元熱処理は、８００℃〜１１００℃の温度で約０．５〜１０時間行われ得る。

生成した微粒子化母合金粉末は、ミリングステップ１１１に進み得る。微粒子化粉末のミリングステップ１１１は、ボールミル、遊星ミル、インパクトミルおよび任意の他の好適な研削装置のいずれかで達成することができる。ミリング後、ｄ₅₀が５〜３０μｍである研削した母合金粉末が得られ、ある実施形態ではｄ₅₀は５〜１５μｍである。

ｄ₅₀は、粒度分布の中央値である。したがって体積上、粒子の５０％はｄ₅₀よりも粒度が大きく、残りの５０％はｄ₅₀よりも小さい。ｄ₁₀およびｄ₉₀は、粒子の１０％および９０％がそれぞれｄ₁₀およびｄ₉₀よりも小さい粒度を表わす。

ミリング時にプロセス制御剤を添加物として使用することによって、研削した粉末の粉末度を高めることができる。ある実施形態では、使用するプロセス制御剤はステアリン酸であり、約０重量％〜約２重量％の割合の微粒子化した母合金粉末と混合した後にミリングを行う。ステアリン酸分子は、研削時に生成された新鮮な金属面（破砕粒子）に付着して凝集現象を妨げることによって、より粉末度の高い母合金粉末を製造することができる。プロセス制御剤を使用することによって、ｄ₅₀が約６μｍまで減少した研削母合金粉末を製造することができる。

ミリング時にプロセス制御剤（ＰＣＡ）を粉末混合物に添加することによって、冷間圧接の効果を減少させる。ＰＣＡは固体、液体または気体であり得る。ＰＣＡは主に表面活性剤として作用する有機化合物であるが、これに限定されない。ＰＣＡは粉末粒子の表面に吸着し、粉末粒子同士の冷間圧接を最小限に抑えることによって塊状集積作用を防止する。当業者であれば、たとえば限定されずにメタノール、エタノール、ヘキサン、および引用によって本明細書に援用されるSuryanarayana, Mechanical alloying and milling, Progress in Materials Science 46 （２００１年）、１〜１８４頁に記載されているような他のプロセス制御剤も使用可能であることを認識するであろう。

粉末の硬度を減少させて圧縮率を高めるために、任意のアニール加熱処理１１２を母合金粉末に適用してもよい。

研削し、任意にアニール処理した母合金粉末を、選抜や空気分級などのさまざまな公知の方法のいずれかを用いて分類１１３することができる。分類ステップ１１３では典型的に、４５μｍよりも大きい粒子を除去する。ｄ₅₀は５μｍ〜３０μｍの範囲のままであり、より狭い実施形態では５μｍ〜１５μｍであり、ｄ₉₀は２０μｍ〜４５μｍであり、より狭い実施形態では３０μｍ未満である。

分類または選別した粒子を任意に磁気分離１１５して、母合金１００を準備するこれまでの処理ステップのいずれかにおいて形成された可能性のあるすべての残留酸化物を除去することができる。したがって、分類／磁気分離のステップ後、粉末状母合金１５０は、焼結硬化鋼製部品４５０の製造に向けたさらなる処理の準備ができている。

本発明の重要な局面は、母合金中の炭素の形態である。実際は、母合金粒子中に含まれる炭素はオーステナイト状態で化合物中に固溶体で存在し、焼結時に再分布される。固溶体のオーステナイト含有炭素が存在しているため、酸素に対する親和性が高い元素の保護を損なうことなく、母合金１５０の硬度を減少させることができる。また、炭素を母合金に予合金化することによって、混合物中へのグラファイトの添加を減少または無くす助けとなる。しかし、これは明らかに、必要な部品の最終的な化学的性質、および使用する母合金１５０の量に依存する。混合物中のグラファイトの量を減少させることは、偏析を減少させ、したがって最終部品の性質のばらつきを減少させるのに有利である。これによって空気中へのグラファイト排出も減少するため、健康および環境に有利である。最後に、母合金の硬度を減少させることによって、圧縮工具の摩耗が減少する。

一例として限定されずに、鋼粉混合物の組成は、約０〜０．４重量％のグラファイトを含み得る。これは、焼結硬化および他の高強度用途のための一般的に０．５重量％よりも高い、鉄粉冶金に用いられる典型的なグラファイト添加量よりも低い。

次に、炭素および合金元素を焼結時に微粒子拡散によって再分布させる。炭素を母合金粉末に予合金化することによって、グラファイト粉末の形態の炭素を含有する混合物、または合金鉄とグラファイトの混合物と比較して、鋼粒子中の合金元素の微粒子拡散の効果を高めることもできる。

したがって、母合金中の炭素量は、微粒子化した母合金の硬度、合金元素の酸化からの保護、および混合物に添加されるグラファイト量などの多数の要因によって決定される。

「オーステナイト」とは、合金元素を有する鉄または鉄の固溶体の非磁性同素体である、ガンマＦｅ中のＣの固溶体であると理解される。

純粋なオーステナイトは、固溶体の最大２．１重量％のＣを含有し得る。オーステナイトが飽和する（すなわちＣ重量％＞２．１％）と、別のカーボンリッチ位相、特にセメンタイト（炭化鉄）またはグラファイトが平衡状態で形成される。グラファイトを得るために、合金はＳｉなどの黒鉛化合金元素も含有している必要があり、凝固／被覆は比較的緩慢に行なわれる。これは本発明には当てはまらない。Ｃ重量％＞２．１％である場合の位相の相対的比率は、補間によって得ることができる。したがって、２．１％のＣを含有する合金は、Ｃで飽和した１００％のオーステナイトを含有し、６．７％のＣを含有する合金は、１００％のセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）を含有する。

このように、２．１重量％のＣ〜６．７重量％のＣの組成を有する合金は、オーステナイトおよびセメンタイトの２つの位相の混合物を有する。Ｃの重量％が低いほど、合金微細構造におけるオーステナイトの体積分率は大きくなる。

このように、母合金は多数の鉄の位相を含み、そのうちの１つは、セメンタイトなどの炭化鉄位相と比較して比較的軟質のオーステナイト位相である。母合金中の炭素量が減少するにつれて、オーステナイトの比率は増加する。母合金中にオーステナイトが存在することによってその硬度が低下するため、圧縮時の工具の摩耗が減少する。約２０重量％のレベルのオーステナイトは、母合金中の約４．５重量％のＣで得られ、この結果、約８５０ＨＶの硬度が得られる。オーステナイト位相およびセメンタイト位相、ならびに場合によっては１つ以上の他の位相を含む微細構造構成要素の体積％は一般的に、入念な顕微鏡観察によって得られる。

このように、母合金は微粒子化によって生成され、その後の研削ステップによって所望の粒度が得られる。

焼結硬化鋼製部品４５０を製造するためのプロセス１０の第２のステップ２００は、粒状母合金１５０を主要成分鋼粉ＳＰと混合する混合ステップである。ある実施形態では、主要成分金属鋼粉として高圧縮率の鋼粉を用いる。たとえば、主要成分鋼粉ＳＰは、粉末冶金で使用される市販の、予合金化または拡散接合され得る、ほぼ純粋の鋼粉または低合金鋼粉であり得る。ある実施形態では、鋼粉ＳＰは、約０．０１重量％未満の炭素を含む。ある実施形態では、低合金鋼粉ＳＰの合金元素の全含有量は、約２重量％未満である。

使用する母合金の量、その母合金の化学的性質、および部品に必要な最終的な炭素含有量に依存して、少量のグラファイト粉末２０１を混合物に任意に添加してもよい。より圧縮率の高い混合物を得るために、混和潤滑剤またはダイ壁潤滑２０３などの当業者に周知の潤滑技術を用いる。鋼粉混合物全体の最大１重量％が潤滑剤で構成され得る。

母合金１５０をより高い重量パーセントで使用する場合、この新たなプロセスは特に効果的である。

母合金１５０はまた任意に、潤滑剤、グラファイトおよび他の添加物と混合する前に、主要成分鋼粉に拡散接合されてもよい。

ステップ２００において、銅およびニッケル粉末などの他の粉末状添加物を混合物に任意に混和してもよい。この慣習は、当業者に周知である。

本発明のプロセスは、当該技術においてこれまで公知であるよりも、主要成分鋼粉ＳＰに対する母合金１５０の粉末の百分率が高い。これによって、合金元素の空間的な分布がより均質になるため、広範な焼結温度の微細構造構成要素がもたらされる。さらに、上述の母合金は、炭化物の形態の炭素を排他的に有する以前に開発された硬化合金鉄ほど硬質でない。上述の母合金は硬度が低いため、工具の摩耗が減少する。

粒状混合物２５０中の母合金の重量パーセントは５〜３５重量％であり、ある実施形態では５〜２０％である。

粒状混合ステップ２００について、主要成分鋼粉ＳＰに対する母合金の重量％の増加、母合金１５０の細かい粒度分布、およびＳＰ混合物中の母合金の良好な空間的分布の組合せは、強固な焼結硬化に特に好適な特性である。上述の特性によって、製造した鋼鉄製品または部品に良好なレベルの微細構造の均質性が与えられ、母合金中の固溶体の炭素によって、Ｍｎなどのより容易に酸化される元素が微粒子化およびその後の処理時に酸化から保護される。

図１に示す製造プロセス１０の第３のステップ３００は、上述の混合物２５０の圧縮または加圧である。粒状混合物２５０を、圧縮部品または成形体３５０を製造する室温圧縮、温間圧縮、鍛造および熱間等方圧加圧（hot isostatic pressing：ＨＩＰ）を含むがこれらに限定されない、当業者に公知のいくつかの圧縮法のいずれかによって、形状保持状態に置く。

製造プロセス１０の第４のステップは、焼結４００である。圧縮された微粒子または成形体３５０は、Ｈ₂／Ｎ₂雰囲気を含むがこれに限定されないガス雰囲気を用いた炉内で、１１００℃〜１３００℃を含むがこれに限定されない範囲の高温で焼結４０７にかけれられる。これらの一般的に使用するガス雰囲気は当業者に公知である。焼結部品を製造するための焼結ステップ４０７の時間の長さは、典型的に１５〜６０分である。

最終的な焼結ステップ４００は、硬化鋼部材を生成するために、０．５℃／秒（３０℃／分）よりも速い冷却速度で通常５５０℃〜３５０℃の臨界温度範囲内で焼結部品の制御冷却４０９によって生成される、焼結硬化である。換言すれば、温度が約５５０℃に達すると、温度が約３５０℃に達するまで冷却速度を制御する。冷却速度を制御することによって、高い冷却速度でのマルテンサイト、低い冷却速度でのベイナイト／パーライト／フェライト、および中間冷却速度でのマルテンサイト／ベイナイト／パーライト／フェライトから主になり得る、適切な微細構造を生成することができる。各微細構造は、異なる機械的性質を有する。適切に選択された合金元素と組合されると、この制御冷却ステップは、鋼製部品４５０に硬化特性を与える。最終的な冷却ステップ４１１は、室温を達成することが要求される。

焼上がり（as-sintered）部品の延性および靭性を高めるために、焼上がり部品に焼戻し熱処理（図１には図示せず）を適用してもよい。微細構造のスケールで、焼結硬化時に生成された硬質相であるマルテンサイトを焼戻す。焼上がりのマルテンサイト位相よりも脆性の低い焼戻されたマルテンサイトによって、靭性が与えられる。ある実施形態では、焼戻しは１５０〜２５０℃で最大６０分間行なわれる。

焼戻し熱処理の前後に、機械加工、含浸、溶浸、または被覆などの任意の二次的な作業を焼結鋼製部品に対して行なってもよい。

実施例
本発明のプロセスを以下の実施例によってさらに説明する。表１は、以下の実施例で用いた異なる主要成分鋼粉および母合金の元素組成の概要を示す。粉末Ａは本質的に非合金の高圧縮性鋼粉であり、粉末Ｂは予め低合金化された鋼粉である。

粉末および母合金の粒度分布を、粒径（μｍ）対重量％を示す図２に表わす。表２は、さまざまな分率の粒度の数値を含む。

４．５重量％のＣ、５．３９重量％のＭｎ、５．４重量％のＣｒ、１．２７重量％のＭｏおよび１．９８重量％のＳｉ（母合金中の重量％）の組成を有するＭＡ１母合金に対して、光学および電子顕微鏡法検査を行なった。微粒子化後の（as-atomized）母合金（ＭＡ１）は、３つの異なる位相、すなわちセメンタイト、オーステナイト、およびＭｏリッチな第３の位相（位相３）を含む。第１の位相は、Ｃｒ、Ｍｎおよび少量のＭｏを固溶体で含有する合金化セメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）である。第２の位相は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＣを固溶体で含有するオーステナイトである。したがって、炭素はこの位相では炭化物形態ではない。第３の位相は比較的Ｍｏリッチであるが、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＣも含有する。

この結果はさらに、Ｃｒ、ＭｎおよびＭｏなどの合金元素が微粒子化およびさらなる処理時に酸化されなかったことを示している。微粒子化後の粉末の全酸素含有量は、約０．２重量％のＯであった。ある実施形態では、微粒子化後の粉末の全酸素含有量を約１重量％未満に保つべきであり、別の実施形態では、全酸素含有量を約０．５重量％未満に保つべきである。還元熱処理および研削は、微粒子化の際に水中で粒子の周りに必然的に形成される薄い酸化物層を除去する助けとなるため、微粒子化後の還元熱処理および／または研削によって全酸素含有量をさらに減少させることができる。したがって、微粒子化およびその後の処理時に合金元素を保護するためにＣの含有量の高い溶解物を使用する発想は効果的であった。炭素を含有するこれらの位相の形成によって、合金元素が酸化から保護される。これらの位相は、合金元素および炭素を含有するオーステナイトまたは他の化合物および／もしくは位相の固溶体である。

実施例１〜４の焼結硬化鋼製部品の計算した最終的な化学組成を表３に示す。

実施例１
上述のプロセスの１つの実施形態に従って準備した母合金ＭＡ１を鋼粉Ａと混合した。実施例１では、１５重量％の母合金ＭＡ１を、８４重量％の粉末Ａ、および１重量％の元素銅粉、および０．７重量％のKenolube（登録商標）（一般的なポリマー潤滑剤）と混合した。潤滑剤は、焼結時に蒸発して焼結部品に痕跡を残さないため、母合金および鋼粉を含む混合物の組成中に計算していない。

ＭＡ１と鋼粉Ａの混合物を、約６．９５ｇ／ｃｍ³の密度で１０ｍｍ×１０ｍｍ×７５ｍｍの寸法の矩形バーに圧縮した（アイゾッド衝撃試験）。

圧縮した見本を、動作周波数が可変である（０Ｈｚ〜６０Ｈｚ）対流冷却システムを備えた準工業炉内で、１２００℃で３０分間焼結した。周波数が高いほど冷却速度は速くなる。試料を９０Ｎ₂〜１０Ｈ₂雰囲気下で焼結し、焼結サイクルの最後に制御冷却に晒した。対流冷却システムの周波数は、中間冷却速度を表わす１５Ｈｚに設定した。

実施例１の焼結硬化鋼製部品の微細構造（２００×、２％ナイタール／４％ピクラールでエッチング）を図３に示す。実施例１の鋼製部品の微細構造は、約６０％のマルテンサイトおよび４０％の混合ベイナイト／パーライト（体積％）からなり、マルテンサイトは明るい相であり、暗い領域はベイナイトとパーライトの混合物からなる。

実施例１の鋼製部品の外見上の硬度は、約３４ＨＲＣ（＠６．９５ｇ／ｃｍ³）である。ＨＲＣは、ロックウェル硬度Ｃスケールを意味する。

このように、約１５重量％の母合金を実質的に純粋な鋼粉に添加することによって、結果として得られる焼結硬化鋼製部品に焼結硬化可能性が与えられる。

実施例２
実施例２では、混合物は、９３．６重量％の粉末Ｂ、５重量％の母合金ＭＡ１および０．４重量％のグラファイトからなる。潤滑剤および銅の添加、圧縮、焼結および制御冷却を含む、実施例２におけるすべての処理条件は、実施例１と同様であった。

実施例２の焼結硬化鋼製部品の微細構造（１００×、２％ナイタール／４％ピクラールでエッチング）を図４に示す。当該微細構造は、約５０％のマルテンサイトおよび５０％の混合ベイナイト／パーライト（体積％）からなる。実施例２の鋼製部品の外見上の硬度は、約３５ＨＲＣ（＠７．０２ｇ／ｃｍ³）である。

母合金を含まず、９８．４重量％の粉末Ｃ、１重量％の元素銅、０．７重量％のグラファイトおよび０．７重量％のKenolube（登録商標）からなり、実施例２と同じ条件で加圧および焼結した基準混合物の外見上の硬度は、わずか８９ＨＲＢ（〜８．５ＨＲＣ）である。ＨＲＢは、ＨＲＣよりも柔軟な硬度スケールであるロックウェル硬度Ｂスケールを意味する。

約５重量％の母合金を低合金鋼粉Ｂに添加することによって、結果として得られる焼結硬化鋼製部品の焼結硬化可能性が高まる。

実施例３
実施例３では、混合物は、約７９重量％の粉末Ａ、２０重量％の母合金ＭＡ１、１重量％の元素銅粉および０．７重量％のKenolube（登録商標）からなる。圧縮した見本を、流れるアルゴンの雰囲気下で制御可能な冷却速度で実験用炉内で焼結した。５５０°Ｃ〜３５０°Ｃの温度範囲における実施例３の実効的な冷却速度は、約０．６５℃／秒（３９℃／分）である。

実施例３の焼結硬化鋼製部品の微細構造（１００×、２％ナイタール／４％ピクラールでエッチング）を図５に示す。当該微細構造は、７０％のマルテンサイトおよび３０％の混合ベイナイト／パーライト（体積％）である。焼上がり状態の実施例３の鋼製部品の外見上の硬度は、約３７ＨＲＣ（＠６．９ｇ／ｃｍ³）である。焼戻し熱処理を２００°Ｃで１時間行った後、焼戻された状態の鋼製部品の外見上の硬度は、３３ＨＲＣ（＠６．９ｇ／ｃｍ³）である。

より高い冷却速度を用いることによって、実施例３で説明した混合物の焼結硬化反応を向上させることができる。したがって、５５０℃〜３５０℃の温度範囲内の約１．９℃／秒（１１５℃／分）の実効的な冷却速度に対して、焼結硬化後の部品の外見上の硬度は４５ＨＲＣに達する。焼上がり微細構造は、８０％のマルテンサイトおよび２０％の混合ベイナイト／パーライト（体積％）である。３７ＨＲＣの外見上の硬度が、焼戻し状態（２００℃で１時間）で観察される。

実施例４
実施例４では、混合物は、８９重量％の粉末Ａ、１０重量％の母合金ＭＡ１、１重量％の元素銅粉および０．７重量％のKenolube（登録商標）からなる。実施例４の圧縮および焼結条件は、実施例３と同様であった。５５０°Ｃ〜３５０°Ｃの温度範囲における実施例４の実効的な冷却速度は実施例３とは異なり、約１．４℃／秒（８３℃／分）である。

実施例４の焼結硬化鋼製部品の微細構造（１００×、２％ナイタール／４％ピクラールでエッチング）を図６に示す。当該微細構造は、２０％のマルテンサイトおよび８０％の混合ベイナイト／パーライト（体積％）である。焼上がり状態の実施例４の鋼製部品の外見上の硬度は、約２５ＨＲＣ（＠７．０ｇ／ｃｍ³）である。

実施例３および４は、その硬度を含む焼結部品性質に対する、冷却速度およびもしあればその後の熱処理の効果を示す。

微粒子化および研削によって得られる母合金は、鋳造、破砕および研削によって得られる合金鉄よりも微細構造が細かい。

さらに、母合金および主要成分鋼粉を含む混合物は、一般に用いられる予合金化された焼結硬化粉末、および主要成分鋼粉と合金鉄の混合物よりも圧縮率が高い。

上述の本発明の実施形態は、例示的であることを意図している。したがって、当業者であれば、上記の説明が例示的なものに過ぎず、本発明の思想から逸脱することなくさまざまな代替の構成および変形例を考案可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲に含まれるすべてのそのような代替の構成、変形例および変更例を含むことを意図している。

Claims (76)

1. 焼結硬化鋼製部品のための母合金であって、前記母合金は、
   鉄と、
   前記母合金中の約１〜約５重量％未満のＣと、
   前記母合金中の約３〜約１５重量％未満のＭｎと、
   前記母合金中の約３〜約１５重量％未満のＣｒとを含む組成を有し、
   前記母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、前記微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトを含む、母合金。
2. 前記微細構造は、固溶体の合金元素および炭素を含有する少なくとも２０体積％のオーステナイトを含む、請求項１に記載の母合金。
3. 前記微細構造は、固溶体の合金元素および炭素を含有する少なくとも４０体積％のオーステナイトを含む、請求項１に記載の母合金。
4. 前記微細構造は、固溶体の合金元素および炭素を含有する少なくとも６０体積％のオーステナイトを含む、請求項１に記載の母合金。
5. 前記母合金は、微粒子化によって生成された粒子の形態である、請求項１〜４のいずれかに記載の母合金。
6. 粒度は研削によって制御される、請求項５に記載の母合金。
7. 前記母合金の硬度は９００ビッカース未満である、請求項１〜６のいずれかに記載の母合金。
8. 前記母合金の硬度は８００ビッカース未満である、請求項１〜６のいずれかに記載の母合金。
9. 前記母合金は、ｄ₅₀が５μｍ〜３０μｍの粒子の形態である、請求項１〜８のいずれかに記載の母合金。
10. ｄ₅₀が５μｍ〜２０μｍである、請求項９に記載の母合金。
11. ｄ₅₀が約１０μｍである、請求項９に記載の母合金。
12. ｄ₉₀が２０μｍ〜６０μｍである、請求項１〜１１のいずれかに記載の母合金。
13. ｄ₉₀が約４５μｍ未満である、請求項１〜１１のいずれかに記載の母合金。
14. 前記組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＭｏをさらに含む、請求項１〜１３のいずれかに記載の母合金。
15. 前記組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＳｉをさらに含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の母合金。
16. 前記組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＣｕをさらに含む、請求項１〜１５のいずれかに記載の母合金。
17. 前記組成は、前記母合金中の、５重量％未満のＶ、５重量％未満のＷ、５重量％未満のＮｂ、５重量％未満のＮｉ、１重量％未満のＰ、および０．１重量％未満のＢをさらに含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の母合金。
18. 前記組成の残部は、鉄および不可避不純物である、請求項１〜１７のいずれかに記載の母合金。
19. 前記母合金は、全酸素含有量が約１重量％未満の微粒子化された粒子形状である、請求項１〜１８のいずれかに記載の母合金。
20. 前記母合金は、少なくとも６０重量％の鉄を含む、請求項１〜１９のいずれかに記載の母合金。
21. 焼結硬化鋼製部品を製造するためのプロセスであって、
    母合金の粉末を準備するステップを備え、前記母合金は、
    鉄と、
    前記母合金中の約１〜７重量％未満のＣと、
    前記母合金中の約３〜２０重量％未満のＭｎと、
    前記母合金中の約３〜２０重量％未満のＣｒとを含む組成を有し、
    前記母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、前記微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトを含み、前記プロセスはさらに、
    前記母合金の粉末を鋼粉と混合して混合物を生成するステップを備え、前記母合金の重量％は前記混合物の５〜３５重量％であり、前記プロセスはさらに、
    前記混合物を圧縮して前記部品を成形するステップと、
    前記混合物を焼結して前記鋼製部品を生成するステップと、
    焼結硬化を発生させるために焼結後の冷却を制御するステップとを備える、プロセス。
22. 焼上がりの前記鋼製部品を焼戻し熱処理するステップをさらに備える、請求項２１に記載のプロセス。
23. 焼上がりの前記鋼製部品を焼戻し熱処理する前記ステップは、約１５０℃〜約２５０℃の温度で最大約６０分間行われる、請求項２２に記載のプロセス。
24. 前記焼結硬化鋼製部品を機械加工、熱処理、含浸、溶浸、および被覆する作業のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２１〜２３のいずれかに記載のプロセス。
25. 母合金の粉末を準備する前記ステップは、
    前記組成を溶融金属で溶解するステップと、
    前記組成を流体で微粒子化して、微粒子化粉末を生成するステップと、
    前記微粒子化粉末を乾燥させて、乾燥させた微粒子化粉末を生成するステップと、
    乾燥させた前記微粒子化粉末を研削して、研削粉末を生成するステップと、
    前記研削粉末を選別して、前記母合金の粉末を生成するステップとを含む、請求項２１〜２４のいずれかに記載のプロセス。
26. 乾燥させた前記微粒子化粉末を熱処理して、前記母合金の粉末中の残留酸化物を少なくとも部分的に除去するステップをさらに備える、請求項２５に記載のプロセス。
27. 前記微粒子化粉末をミリングして、前記母合金の粉末の表面から酸化物を除去するステップをさらに備える、請求項２５および２６のいずれかに記載のプロセス。
28. 前記研削は、プロセス制御剤を添加して、研削した前記母合金の粉末の粉末度を高めるステップをさらに備える、請求項２５〜２７のいずれかに記載のプロセス。
29. 前記プロセス制御剤はステアリン酸を含む、請求項２８に記載のプロセス。
30. 選別した前記母合金の粉末を磁気分離して、酸化物粒子を除去するステップをさらに備える、請求項２５〜２９のいずれかに記載のプロセス。
31. 研削した前記母合金の粉末をアニール熱処理して、粒子の微細構造を軟化させるステップをさらに備える、請求項２５〜３０のいずれかに記載のプロセス。
32. 前記組成の溶解は、約１４００℃〜１７００℃の温度で行なわれる、請求項２５〜３１のいずれかに記載のプロセス。
33. 前記微粒子化は、アルゴン雰囲気中で水を用いて行われる、請求項２５〜３２のいずれかに記載のプロセス。
34. 前記混合物を圧縮および焼結するステップは、
    前記混合物を形状保持状態下に置いて、圧縮成分を生成するステップと、
    前記圧縮成分を約１１００℃〜１３００℃の温度で焼結して、焼結部品を生成するステップと、
    前記焼結部品を５５０℃〜３５０℃で０．２°Ｃ／秒よりも高い制御された冷却速度で冷却して、部分的にまたは完全に硬化した鋼製部品を生成するステップとを含む、請求項２１に記載のプロセス。
35. 前記焼結はＨ₂／Ｎ₂雰囲気中で行われる、請求項２１〜３４のいずれかに記載のプロセス。
36. 前記混合物は、最大１重量％の潤滑剤を含む、請求項２１〜３５のいずれかに記載のプロセス。
37. 前記鋼粉は、実質的に純粋な鋼粉および低合金鋼粉からなるグループから選択される、請求項２１〜３６のいずれかに記載のプロセス。
38. 前記鋼粉は、炭素含有量が約０．０１重量％未満である、請求項３７に記載のプロセス。
39. 前記鋼粉は、合金元素の全含有量が約２重量％未満の予め低合金化された鋼粉を含む、請求項２１〜３６のいずれかに記載のプロセス。
40. 前記混合物は前記母合金の粉末を含み、前記鋼粉は前記母合金の約１０〜２５重量％を構成する、請求項２１〜３９のいずれかに記載のプロセス。
41. 前記母合金の粉末および前記鋼粉を含む前記混合物をグラファイトと混合するステップをさらに備え、前記混合物中の前記グラファイトの重量％は、前記混合物の０．４重量％未満である、請求項２１〜４０のいずれかに記載のプロセス。
42. 前記混合するステップは、前記母合金の粉末と前記鋼粉の前記混合物を、グラファイト粉末および潤滑剤の少なくとも一方と混合する前に、前記母合金の粉末および前記鋼粉を拡散接合させるステップをさらに含む、請求項２１〜４１のいずれかに記載のプロセス。
43. 前記焼結硬化鋼製部品は、マルテンサイト、ベイナイト、フェライト、およびパーライトの少なくとも１つを含む、請求項２１〜４２のいずれかに記載のプロセス。
44. 前記母合金の組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＭｏをさらに含む、請求項２１〜４３のいずれかに記載のプロセス。
45. 前記母合金の組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＳｉをさらに含む、請求項２１〜４４のいずれかに記載のプロセス。
46. 前記母合金の組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＣｕをさらに含む、請求項２１〜４５のいずれかに記載のプロセス。
47. 前記母合金の組成は、前記母合金中の、５重量％未満のＶ、５重量％未満のＷ、５重量％未満のＮｂ、５重量％未満のＮｉ、１重量％未満のＰ、および０．１重量％未満のＢをさらに含む、請求項２１〜４６のいずれかに記載のプロセス。
48. 前記母合金の組成の残部は、鉄および不可避不純物である、請求項２１〜４７のいずれかに記載のプロセス。
49. 前記母合金は、少なくとも６０重量％の鉄を含む、請求項２１〜４８のいずれかに記載のプロセス。
50. 請求項２１〜４９のいずれかのプロセスによって得られる、焼結硬化鋼製部品。
51. 鋼製部品を製造するための粉末混合物であって、
    鋼粉と、
    前記粉末混合物の約５〜約３５重量％の濃度の母合金粉末とを備え、前記母合金粉末は、
    鉄と、
    前記母合金粉末中の約１〜７重量％未満のＣと、
    前記母合金粉末中の約３〜２０重量％未満のＭｎと、
    前記母合金粉末中の約３〜２０重量％未満のＣｒとを含み、
    前記母合金は、合金元素および炭素の固溶体からなる微細構造を有し、前記微細構造は、少なくとも１０体積％のオーステナイトを含む、粉末混合物。
52. 前記母合金の前記微細構造は、固溶体の合金元素および炭素を含有する少なくとも２０体積％のオーステナイトを含む、請求項５１に記載の粉末混合物。
53. 前記母合金の前記微細構造は、固溶体の合金元素および炭素を含有する少なくとも４０体積％のオーステナイトを含む、請求項５１に記載の粉末混合物。
54. 前記母合金の前記微細構造は、固溶体の合金元素および炭素を含有する少なくとも６０体積％のオーステナイトを含む、請求項５１に記載の粉末混合物。
55. 前記母合金粉末は微粒子化によって生成される、請求項５１〜５４のいずれかに記載の粉末混合物。
56. 粒度は研削によって制御される、請求項５５に記載の粉末混合物。
57. 前記母合金の硬度は９００ビッカース未満である、請求項５１〜５６のいずれかに記載の粉末混合物。
58. 前記母合金の硬度は８００ビッカース未満である、請求項５１〜５６のいずれかに記載の粉末混合物。
59. 前記母合金粉末は、ｄ₅₀が５μｍ〜３０μｍであることによって特徴付けられる、請求項５１〜５８のいずれかに記載の粉末混合物。
60. ｄ₅₀が５μｍ〜２０μｍである、請求項５９に記載の粉末混合物。
61. ｄ₅₀が約１０μｍである、請求項５９に記載の粉末混合物。
62. 前記母合金粉末は、ｄ₉₀が２０μｍ〜６０μｍであることによって特徴付けられる、請求項５１〜６１のいずれかに記載の粉末混合物。
63. ｄ₉₀が約４５μｍ未満である、請求項６２に記載の粉末混合物。
64. 前記母合金の組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＭｏをさらに含む、請求項５１〜６３のいずれかに記載の粉末混合物。
65. 前記母合金の組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＳｉをさらに含む、請求項５１〜６４のいずれかに記載の粉末混合物。
66. 前記母合金の組成は、前記母合金中の１０重量％未満のＣｕをさらに含む、請求項５１〜６５のいずれかに記載の粉末混合物。
67. 前記母合金の組成は、前記母合金中の、５重量％未満のＶ、５重量％未満のＷ、５重量％未満のＮｂ、５重量％未満のＮｉ、１重量％未満のＰ、および０．１重量％未満のＢをさらに含む、請求項５１〜６６のいずれかに記載の粉末混合物。
68. 前記母合金の組成の残部は、鉄および不可避不純物である、請求項５１〜６７のいずれかに記載の粉末混合物。
69. 前記母合金の組成は、６０重量％を超える鉄を含む、請求項６８に記載の粉末混合物。
70. 前記母合金粉末の全酸素含有量は、約１重量％未満である、請求項５１〜６９のいずれかに記載の粉末混合物。
71. 前記混合物は、最大１重量％の潤滑剤をさらに含む、請求項５１〜７０のいずれかに記載の粉末混合物。
72. 前記鋼粉は、実質的に純粋な鋼粉および低合金鋼粉からなるグループから選択される、請求項５１〜７１のいずれかに記載の粉末混合物。
73. 前記鋼粉の炭素含有量は約０．０１重量％未満である、請求項７２に記載の粉末混合物。
74. 前記鋼粉は、合金元素の全含有量が約２重量％未満の予め低合金化された鋼粉を含む、請求項５１〜７１のいずれかに記載の粉末混合物。
75. 前記混合物は前記母合金の約１０〜２５重量％を構成する、請求項５１〜７４のいずれかに記載の粉末混合物。
76. 前記混合物はグラファイトをさらに含み、前記混合物中の前記グラファイトの重量％は、前記混合物の０．４重量％未満である、請求項５１〜７５のいずれかに記載の粉末混合物。