JP2016104907A - 粒子状材料の冶金組成物、自己潤滑性焼結体、および自己潤滑性焼結体を得る方法 - Google Patents
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本発明は、粒子状材料の冶金組成物(金属粉末および非金属粉末の形状)から構造化され、焼結されるように設計されている完成製造物(部品)および半完成製造物(幾つかの物品)を製造するための特殊な技術に関する。製造物は、焼結工程で形成される製造物の金属構造マトリックスを構成する構成要素の他に、粉末形状で金属マトリックス中に分散されている固体潤滑剤を含み、それによって、連続的な金属マトリックスを提示し、高い機械的強度および高い硬度と結び付く低い摩擦係数を焼結部品や製造物に付与することが可能な、ミクロ構造の自己潤滑性複合体を形成する。本発明は、組成物から、焼結することによって、自己潤滑性複合体(部品)を形成するための前記冶金組成物、ならびに粉末冶金によって前記部品または製造物を得るための特殊な代替技術または方法に関する。
機械工学においては、低い摩擦係数と結び付く高い機械的強度および高い磨耗強度といった特性を必要とする用途のための材料を得るための研究がますます進んでいる。
従って、本発明は、金属構造マトリックスおよび非金属固体潤滑剤によって形成される複合材料の冶金組成物であって、高い機械的強度および高い硬度に結び付けられる低い摩擦係数を提示する焼結体(完成品および半完成品)の構造化(緻密化)および焼結作業による製造に適切である冶金組成物を提供することを目的とする。同様に、本発明は、構造化(緻密化)および焼結作業により、上記したような焼結体を製造するための複合材料の冶金組成物であって、鉄もしくは合金鉄に基づくマトリックスに適用される時は、マトリックスが焼結温度で炭素を溶解するとしても、炭素を含有する、即ち、グラファイトからの、粒子状固体潤滑剤の前処理を必要としない、複合材料の冶金組成物を提供することを目的とする。
既に前述したように、本発明の目的の1つは、粒子状材料の冶金組成物を提供することである。これは圧縮(加圧、圧延、押出)または射出成形によって均質に混合および構造化(緻密化)されることができ、従来技術の教示によって得られた製造物と関連する、硬度や機械的強度が高く摩擦係数が減少した製造物を得るために、焼結されるように規定された幾何形状(部品)が想定され得る。本冶金組成物は、組成物の形成において優勢な主粒子状金属材料、および合金元素を硬化させる少なくとも1つの粒子を含み、これらの成分は、焼結される複合体中の構造的マトリックス10の形成に関わっている。
Claims (33)
- 構造化された、および焼結された自己潤滑性複合体を形成するための、粒子状材料の冶金組成物であって、焼結されるべき複合体中に構造的マトリックス(10)を形成する、優勢な化学元素の形態の主粒子状金属材料、および少なくとも1つの硬化元素;非金属の粒子状固体潤滑剤(20);および、構造化された冶金組成物を焼結する間に、構造的マトリックス(10)を形成する粒子状材料と粒子状固体潤滑剤(20)の間に液相を形成し、別個の粒子中に後者を凝集させることが可能である少なくとも1つの粒子状合金元素を含むことを特徴とする、冶金組成物。
- 粒子状固体潤滑剤(20)が、形成される複合体材料の約15%以下の体積パーセンテージを示すことを特徴とする、請求項1に記載の組成物。
- 主粒子状金属材料は鉄であり、焼結中、液相を形成し、粒子状固体潤滑剤を凝集させる機能を有する粒子状合金元素は、ニッケル、マンガン、銅、ケイ素、リン、および炭素から選択される元素のうちの少なくとも1つによって定義されることを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載の組成物。
- 鉄マトリックスを硬化させる機能を有する粒子状合金材料は、クロム、モリブデン、炭素、ケイ素、マンガン、およびニッケルから選択される元素のうちの少なくとも1つによって定義されることを特徴とする、請求項3に記載の組成物。
- 圧縮によって構造化され、ならびに鉄の主粒子状金属材料は、平均粒径が約10μmから約90μmであり、構造的マトリックス(10)を硬化させる機能を有する硬化元素、および、圧縮によって構造化された冶金組成物の焼結中に、液相を形成し、および粒子状固体潤滑剤凝集させる機能を有する粒子状合金元素は、平均粒径が約45μm未満であることを特徴とする、請求項3または4のいずれかに記載の組成物。
- 射出成形によって構造化され、ならびにさらに有機バインダーを含むこと、および鉄の主粒子状金属材料、硬化元素、液相を形成する粒子状合金元素、ならびに粒子状固体潤滑剤は、平均粒径が約1μmから約45μmであることを特徴とする、請求項3または4のいずれかに記載の組成物。
- 粒子状固体潤滑剤(20)は、六方晶窒化ホウ素であることを特徴とする、請求項3、4、5または6のいずれかに記載の組成物。
- 請求項3、4、5または6のいずれかに記載のおよび冶金組成物の焼結温度で構造的鉄マトリックスに少なくとも部分的に可溶である粒子状固体潤滑剤(20)を使用する組成物であって、さらに、冶金組成物の焼結中に、鉄アルファ相を安定化し、鉄中の粒子状固体潤滑剤の可溶化を阻害することが可能な少なくとも1つの合金成分を含むことを特徴とする、組成物。
- 粒子状固体潤滑剤は、グラファイトまたは任意の比率のグラファイトおよび六方晶窒化ホウ素からなる混合物であり、鉄アルファ相を安定化する合金成分は、リン、ケイ素、コバルト、クロム、およびモリブデンから選択される元素のうち少なくとも1つによって定義されることを特徴とする、請求項8に記載の組成物。
- 複合体の構造的マトリックスを硬化させる機能を有する合金元素;液相を形成し、および固体潤滑剤を凝集させる機能を有する粒子状合金元素;および鉄アルファ相を安定化する機能を有する合金成分は、含有量が冶金組成物の約2重量%から約5重量%のケイ素、ならびに含有量が冶金組成物の約2重量%から約8重量%のケイ素、マンガンおよび炭素からなる混合物から選択される元素によって定義されることを特徴とする、請求項9に記載の組成物。
- 優勢な主粒子状金属材料はニッケルであり、粒子状固体潤滑剤は、グラファイト、六方晶窒化ホウ素、またはこれらの両方の任意の割合での混合物から選択され、ならびに焼結中に、液相を形成して粒子状固体潤滑剤を凝集させる機能を有する粒子状合金元素は、クロム、リン、ケイ素、鉄、炭素、マグネシウム、コバルト、およびマンガンから選択される元素のうちの少なくとも1つによって定義されることを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載の組成物。
- 圧縮によって構造化され、ならびにニッケルの主粒子状金属材料は、平均粒径が約10μmから約90μmであり、マトリックスを硬化させる機能を有する硬化元素、および圧縮によって構造化される冶金組成物の焼結中に、液相を形成して粒子状固体潤滑剤を凝集させる機能を有する粒子状合金元素は、約45μm以下の平均粒径を有することを特徴とする、請求項11に記載の組成物。
- 射出成形によって構造化され、ならびにさらに有機バインダーを含むこと、およびニッケルの主粒子状金属材料、硬化元素、および液相を形成する粒子状合金元素、ならびに粒子状固体潤滑剤は、約1μmから約45μmの平均粒径を有することを特徴とする、請求項11に記載の組成物。
- ニッケルマトリックスを硬化させる機能を有する粒子状硬化性合金元素、および液相を形成し、別個の粒子中の固体潤滑剤を凝集させる機能を有する粒子状合金元素は、冶金組成物の約2重量%から約5重量%の含有率のケイ素、リンおよびクロムから選択される元素、または、冶金組成物の約2重量%から約8重量%の含有率のケイ素、リン、およびクロムからなる混合物によって定義されることを特徴とする、請求項11、12または13のいずれかに記載の組成物。
- 有機バインダーは、冶金組成物の総体積の約40%から約45%の割合でパラフィンおよびその他のワックス類、EVAおよび低融点ポリマー類からなる群から選択されることを特徴とする、請求項6または13のいずれかに記載の組成物。
- 請求項3から10のいずれかで定義される粒子状材料の冶金組成物(40)から得られ、焼結の前に構造化される自己潤滑性焼結体であって、硬度がHV≧230、摩擦係数がμ≦0.15、および牽引力抵抗性がστ≧450Mpaであることを特徴とする、自己潤滑性焼結体。
- 請求項11から14のいずれかで定義される粒子状材料の冶金組成物(40)から得られ、焼結の前に構造化に付される自己潤滑性焼結体であって、硬度がHV≧240、摩擦係数がμ≦0.20、および曲げ破壊強度がστ>350MPaである、自己潤滑性焼結体。
- 圧縮により構造化され、平均粒径が約10μmから約60μmの固体潤滑剤(20)の別個の粒子が分散されている構造的マトリックス(10)を含むことを特徴とする、請求項16または17のいずれかに記載の自己潤滑性焼結体。
- 射出成形により構造化され、平均粒径が約2μmから約20μmの固体潤滑剤(20)の別個の粒子が分散されている構造的マトリックス(10)を含むことを特徴とする、請求項16または17のいずれかに記載の自己潤滑性焼結体。
- 冶金組成物(40)の少なくとも1つの表面層(41)を規定し、構造的基板(30)に組み込まれていることを特徴とする、請求項16、17または18のいずれかに記載の自己潤滑性焼結体。
- 構造的基板(30)は、冶金組成物(40)の表面層(41)とともに焼結される粒子状材料中に規定されていることを特徴とする、請求項18に記載の自己潤滑性焼結体。
- 構造的基板(30)は、冶金組成物(40)の表面層(41)を組み込んだ対向する面の少なくとも1つを有する、板または細片の形状をとることを特徴とする、請求項21に記載の自己潤滑性焼結体。
- 構造的基板(30)は、周辺を取り囲むように、および外面的に、前記冶金組成物(40)の表面層(41)を組み込んだ複合体棒材(4)の構造的コア(35)の形状をとることを特徴とする、請求項21に記載の自己潤滑性焼結体。
- 請求項1から5および11および12のいずれかで定義される粒子状材料の冶金組成物から自己潤滑性焼結体を得る方法であって:
冶金組成物を規定する粒子状材料を所定量で混合する工程;
粒子状材料混合物を均質化する工程;
粒子状材料混合物を圧縮して、該混合物に、焼結される製造物の形状を付与する工程;および
圧縮され、構造化された混合物を約1125℃から約1250℃の温度で焼結して、焼結中に、粒子状合金元素で液相を形成し、よって構造的マトリックスの中に分散された別個の粒子中の固体潤滑剤の凝集を促進させる工程
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項8から10のいずれかで定義される粒子状材料の冶金組成物から自己潤滑性焼結体を得る方法であって:
冶金組成物を規定する粒子状材料を所定量で混合する工程;
粒子状材料混合物を均質化する工程;
粒子状材料混合物を圧縮して、該混合物に、焼結される製造物の形状を付与する工程;および
圧縮され、構造化された混合物を約1125℃から約1250℃の温度で焼結して、焼結中に、粒子状合金元素で液相を形成し、よって構造的マトリックスの中に分散された別個の粒子中の固体潤滑剤の凝集を促進させ、構造的マトリックスの鉄アルファ相を安定化させて、グラファイトによって規定される固体潤滑剤の鉄構造的マトリックス中への溶解の一部を阻害する工程
を含むことを特徴とする方法。 - 冶金組成物(40)を規定する粒子状材料混合物を圧縮する工程は、その後に焼結される板状または細片状の中で後者を圧延する工程を含むことを特徴とする、請求項24または25に記載の方法。
- 冶金組成物(40)を規定する粒子状材料混合物を圧縮する工程は、構造的マトリックス(10)を形成する主粒子状金属材料と共溶性の、板状または細片状の形状の粒子状材料中において構造的基板(30)の対向面の少なくとも1つへの後者の圧延を含むことを特徴とする、請求項24または25に記載の方法。
- 粒子状材料を焼結後、板または細片を冷間圧延して残留孔隙率を減少させる追加工程を含むことを特徴とする、請求項26または27に記載の方法。
- 冶金組成物(40)を規定する粒子状材料混合物を圧縮する工程において、押出しを行い、棒状(2)および管状(3)によって規定される形状のいずれか一つの形状にすることを特徴とする、請求項24または25に記載の方法。
- 冶金組成物(40)を規定する粒子状材料混合物を圧縮する工程は、構造的マトリックス(10)を形成する主粒子状金属材料と共溶性の粒子状材料の棒形状の構造的コア(35)の周りの表面層(41)の形状で、後者の共押出しを行い、複合体棒材(4)を形成することを含むことを特徴とする、請求項24または25に記載の方法。
- 冶金組成物(40)は、焼結工程の前に、製造物から熱的に除去される有機バインダーを含むことを特徴とする、請求項29および30のいずれかに記載の方法。
- 請求項6または13のいずれかで定義され、構造的マトリックスに不溶性の固体潤滑剤を含有する粒子状材料の冶金組成物から、自己潤滑性焼結体を得る方法であって:
冶金組成物を規定する粒子状材料を所定量で混合する工程;
有機バインダーを溶融する温度を下回らないの温度で粒子状材料混合物を均質化する工程;
組成物を粒状にし、その取り扱い、保存および注入機への供給を容易にする工程;
粒子状材料混合物を射出成形し、混合物に、焼結される製造物の形状を付与する工程;
成形部品から有機バインダーを抽出する工程;および
構造化された混合物を約1125℃から約1250℃の温度で焼結して、焼結中、粒子状合金元素で液相を形成し、それによって構造的マトリックスの中に分散された別個の粒子中の固体潤滑剤の凝集を促進させる工程
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項6に従って、請求項8で定義される粒子状材料の冶金組成物から自己潤滑性焼結体を得る方法であって:
冶金組成物を規定する粒子状材料を所定量で混合する工程;
有機バインダーの溶融温度を下回らないの温度で粒子状材料混合物を均質化する工程;
組成物を粒状にし、その取り扱い、保存および注入機への供給を容易にする工程;
粒子状材料混合物を射出成形し、混合物に、焼結される製造物の形状を付与する工程;
成形された部品から有機バインダーを抽出する工程;および
構造化された混合物を約1125℃から約1250℃の温度で焼結し、焼結中、粒子状合金元素で液相を形成し、よって構造的マトリックスの中に分散された別個の粒子中の固体潤滑剤の凝集を促進させ、構造的マトリックスの鉄アルファ相を安定化させ、グラファイトによって規定される固体潤滑剤の鉄構造的マトリックス中への溶解の一部を阻害する工程
を含むことを特徴とする方法。
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