JP2019536901A - Self-generating protective atmosphere for liquid metals - Google Patents

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Abstract

砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、もしくは遠心鋳造、または水、ガス、プラズマ、超音波、もしくは回転ディスク噴霧化による粉末金属材料による鋳造部品の改善された製造方法が提供される。本方法は、鋳造または噴霧化プロセスの前または最中に少なくとも1つの添加剤を溶融金属材料に添加することを含む。少なくとも1つの添加剤は、処理される溶融物の体積よりも少なくとも3倍大きい、溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する。保護雰囲気は、材料への硫黄(S)および酸素(O2)などの汚染物質の導入または再導入を防止する。製造される鋳造部品または噴霧化粒子は、以下の利点のうちの少なくとも1つを含む:より少ない内部細孔、より少ない内部酸化物、少なくとも0.60のメジアン円形度、少なくとも0.60のメジアン真円度、ならびに微細構造相および/または成分の増加した球形度。Provided is an improved method for manufacturing cast parts from powder metal materials by sand casting, permanent mold casting, investment casting, lost foam casting, die casting, or centrifugal casting, or water, gas, plasma, ultrasonic, or rotary disk atomization. Is done. The method includes adding at least one additive to the molten metal material before or during the casting or atomization process. The at least one additive forms a protective gas atmosphere surrounding the molten metal material that is at least three times greater than the volume of the melt to be treated. The protective atmosphere prevents the introduction or reintroduction of contaminants such as sulfur (S) and oxygen (O2) into the material. The cast parts or atomized particles produced include at least one of the following advantages: less internal pores, less internal oxides, median circularity of at least 0.60, median of at least 0.60. Roundness, and increased sphericity of microstructure phases and / or components.

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、2016年10月17日に出願された米国仮特許出願第62/409,192号、および2017年9月1日に出願された米国実用新案特許出願第15/693,747号に対する優先権を主張するものであり、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This patent application is filed with US Provisional Patent Application No. 62 / 409,192 filed October 17, 2016, and US Utility Model Patent Application No. 15 filed September 1, 2017. No./693,747, the content of which is incorporated herein by reference in its entirety.

本発明は、一般に金属材料に関し、より詳細には粉末金属または鋳造物を形成するために噴霧化または凝固された溶融金属材料、およびその形成方法に関する。   The present invention relates generally to metallic materials, and more particularly to molten metal materials that have been atomized or solidified to form powdered metals or castings, and methods of forming the same.

粉末金属材料は、水噴霧化、ガス噴霧化、プラズマ噴霧化、超音波噴霧化、または回転ディスクなどの様々なプロセスによって形成することができる。粉末金属材料は、プレスおよび焼結、金属射出成形、ならびに積層造形などの様々な異なる技術で使用される。金属鋳造物は、自動車部品および非自動車部品の両方を含む様々な技術においても一般的に使用されており、砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、または遠心鋳造などの様々なプロセスによって製造される。噴霧化および鋳造プロセスは、両方とも溶融金属材料から始まる。一般的な噴霧化プロセスは、溶融金属材料に流体(水、ガス、油、超音波、またはプラズマ)を適用して複数の粒子を形成することを含む。鋳造プロセスは、典型的には、溶融金属材料を所望の形状を有する型に注入し、型から金属部品を取り出す前に液体金属を凝固させることを含む。   Powdered metal materials can be formed by various processes, such as water atomization, gas atomization, plasma atomization, ultrasonic atomization, or rotating disks. Powdered metal materials are used in a variety of different technologies, such as pressing and sintering, metal injection molding, and additive manufacturing. Metal castings are also commonly used in a variety of technologies, including both automotive and non-automotive parts, and can be used in a variety of applications, such as sand casting, permanent mold casting, investment casting, lost foam casting, die casting, or centrifugal casting. It is manufactured by a simple process. The atomization and casting processes both begin with molten metal material. A common atomization process involves applying a fluid (water, gas, oil, ultrasonic, or plasma) to a molten metal material to form a plurality of particles. The casting process typically involves pouring molten metal material into a mold having the desired shape and solidifying the liquid metal before removing the metal part from the mold.

本発明の1つの態様は、粉末金属材料を製造する方法を提供する。この方法は、少なくとも1つの添加剤を溶融卑金属材料に添加することであって、少なくとも1つの添加剤が、処理される溶融卑金属材料の体積の少なくとも3倍の体積を有する溶融卑金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、添加すること、および少なくとも1つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に溶融卑金属材料を噴霧化して、複数の粒子を製造することを含む。本発明の別の態様は、自己発生保護雰囲気を有する溶融金属材料から形成された粉末金属材料を提供する。   One aspect of the present invention provides a method of making a powdered metal material. The method comprises adding at least one additive to the molten base metal material, wherein the at least one additive surrounds the molten base metal material having at least three times the volume of the molten base metal material to be treated. Forming, adding, and atomizing the molten base metal material after adding at least some of the at least one additive to produce a plurality of particles. Another aspect of the present invention provides a powdered metal material formed from a molten metal material having a self-generated protective atmosphere.

本発明の別の態様は、鋳造部品の製造方法を提供する。本方法は、少なくとも1つの添加剤を溶融卑金属材料に添加することであって、少なくとも1つの添加剤が、処理される溶融卑金属材料の体積の少なくとも3倍の体積を有する溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、添加すること、および少なくとも1つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に、溶融金属材料を鋳造することを含む。本発明の別の態様は、自己発生保護雰囲気を有する溶融金属材料から形成された鋳造物を提供する。   Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a cast component. The method comprises adding at least one additive to the molten base metal material, wherein the at least one additive surrounds a molten metal material having at least three times the volume of the molten base metal material to be treated. Forming, adding, and adding at least some of the at least one additive, followed by casting the molten metal material. Another aspect of the present invention provides a casting formed from a molten metal material having a self-generated protective atmosphere.

両方の方法とも、溶融卑金属材料内に自己発生保護雰囲気を製造することを含む。溶融卑金属材料に少なくとも1つの添加剤を添加することは、溶融物の品質を改善させることができる。少なくとも1つの添加剤は、酸化に対する保護障壁として作用する保護雰囲気を生成することができる。保護雰囲気はまた、硫黄(S)および/または酸素(O)などの不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入するのを防止するための障壁としても作用する。したがって、少なくとも1つの添加剤は、プロセスの溶融段階および注入段階中の酸化を制限し、内部酸化物の量を制限することができる。さらに、凝固した金属材料中の粉末粒子の物理的構造および/または微細構造的特徴は、材料特性を改善またはそれに影響を与えるように変更することができる。例えば、少なくとも1つの添加剤はまた、サイズおよび形態などの沈殿物の微細構造工学にも寄与し得る。 Both methods involve producing a self-generated protective atmosphere in the molten base metal material. Adding at least one additive to the molten base metal material can improve the quality of the melt. At least one additive can create a protective atmosphere that acts as a protective barrier against oxidation. The protective atmosphere also acts as a barrier to prevent impurities such as sulfur (S) and / or oxygen (O 2 ) from entering or re-entering the molten metal material. Thus, the at least one additive may limit oxidation and limit the amount of internal oxides during the melting and pouring stages of the process. Further, the physical structure and / or microstructural characteristics of the powder particles in the solidified metallic material can be altered to improve or affect material properties. For example, at least one additive may also contribute to microstructural engineering of the precipitate, such as size and morphology.

溶融金属材料が噴霧化されるとき、少なくとも1つの添加剤は、得られる粉末粒子の形状および形態を工作することができる。粉末噴霧化の場合にも、少なくとも1つの添加剤は、得られる粉末粒子の真円度および球形度を改善させる。粉末および鋳造物中の内部空隙の量もまた減少させることができる。   When the molten metal material is atomized, the at least one additive can shape the shape and morphology of the resulting powder particles. Even in the case of powder atomization, the at least one additive improves the roundness and sphericity of the resulting powder particles. The amount of internal voids in powders and castings can also be reduced.

噴霧化工程は、球状を有する複数の粒子を製造することも含み得る。粒子の球形度、および噴霧化されたままの状態、鋳造されたままの状態、または熱処理された状態の噴霧化粒子もしくは鋳造物中の微細構造相もしくは成分の形状の球形度は、以下の式に従って2つの画像の分析指標、具体的には円形度および真円度によって決定され得る。   The nebulizing step may also include producing a plurality of particles having a spherical shape. The sphericity of the particles, and the sphericity of the shape of the microstructured phases or components in the nebulized, as-cast, or heat-treated nebulized particles or castings is given by the following equation: In accordance with the analysis index of the two images, specifically, the circularity and the roundness.

円形度(C)=4π×([面積]/[周囲長]2
新円度(R)=4×([面積]/(π×[長軸]2))=1/AR
式中、AR=[長軸]/[短軸]である。
Circularity (C) = 4π × ([Area] / [Perimeter] 2 )
New circularity (R) = 4 × ([area] / (π × [long axis] 2 )) = 1 / AR
Where AR = [long axis] / [short axis].

画像分析指標は、ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/)などのオープンソースソフトウェアを使用して計算することができる。1.0の球形度指数値は、真円を示す。   Image analysis indices can be calculated using open source software such as ImageJ (http://imagej.nih.gov/ij/). A sphericity index value of 1.0 indicates a perfect circle.

本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮すると、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになるので、容易に理解されるであろう。   Other advantages of the present invention will be readily understood as they become better understood by reference to the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings.

様々な化学系(Al、Cu、Mn、Ni、Co、Fe、Ti、およびCr)について、保護ガス雰囲気を生成する添加剤(「×」で印を付けたセル)を示す図である。FIG. 3 shows additives (cells marked with “x”) that create a protective gas atmosphere for various chemical systems (Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, and Cr). 様々な化学系(Al、Cu、Mn、Ni、Co、Fe、Ti、およびCr)について、酸化物と反応する添加剤(「×」で印を付けたセル)を示す図である。FIG. 3 shows additives (cells marked with “x”) that react with oxides for various chemical systems (Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, and Cr). 様々な化学系(Al、Cu、Mn、Ni、Co、Fe、Ti、およびCr)について、硫黄と反応する添加剤(「×」で印を付けたセル)を示す図である。FIG. 3 shows additives (cells marked with “x”) that react with sulfur for various chemical systems (Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, and Cr). 例示的な組成物について添加剤の量の関数として発生したガスの計算された総体積の曲線を示す図である。FIG. 4 shows a curve of the calculated total volume of gas evolved as a function of the amount of additive for an exemplary composition. 図4に記載される粉末の噴霧化プロセス中にタンディッシュの上部の雰囲気に曝される前後の研磨された純鉄表面上で実験的に得られたEDSスペクトルを示すグラフである。5 is a graph showing experimentally obtained EDS spectra on a polished pure iron surface before and after exposure to the atmosphere above the tundish during the powder atomization process described in FIG. 異なる温度(摂氏800度および摂氏900度)でアルミニウム中のナトリウム(Na)およびカリウム(K)添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated volume of gas generated by sodium (Na) and potassium (K) additives in aluminum at different temperatures (800 degrees Celsius and 900 degrees Celsius), with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏1800度の温度でチタン中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in titanium at a temperature of 1800 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏1600度の温度でコバルト中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in cobalt at a temperature of 1600 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏2000度の温度でクロム中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in chromium at a temperature of 2000 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏1200度の温度で銅中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in copper at a temperature of 1200 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏1650度の温度で鉄中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in iron at a temperature of 1650 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏1400度の温度でマンガン中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。1 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in manganese at a temperature of 1400 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 摂氏1600度の温度でニッケル中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the calculated volume of gas generated by various additives in nickel at a temperature of 1600 degrees Celsius, with the dashed line indicating the lower limit of gas. 添加剤(KおよびLi)の量の関数として、摂氏1600度の温度で複合コバルト合金の溶融物100グラム当たりに得られるガスの計算された総体積を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the calculated total volume of gas obtained per 100 grams of composite cobalt alloy melt at a temperature of 1600 degrees Celsius as a function of the amount of additives (K and Li). 噴霧化プロセスの注入工程中に溶融物に導入された内部酸化ケイ素上に多くの不規則な1次黒鉛ノジュールが沈殿した、マグネシウムを添加しない水噴霧過共晶鋳鉄粉末の後方散乱電子顕微鏡写真である。Backscattered electron micrograph of water-sprayed hypereutectic cast iron powder without added magnesium, with many irregular primary graphite nodules precipitated on the internal silicon oxide introduced into the melt during the injection step of the atomization process. is there. 噴霧化プロセス中にMgを含有する不均一酸化物核上に1つの球状1次黒鉛ノジュールが沈殿した、マグネシウムを添加した別の水噴霧過共晶鋳鉄粉末の後方散乱電子顕微鏡写真である。FIG. 3 is a backscattered electron micrograph of another water-sprayed hypereutectic cast iron powder with added magnesium, with one spherical primary graphite nodule precipitated on the heterogeneous oxide nuclei containing Mg during the atomization process. マグネシウムを添加しない約4.0%のCおよび2.3%のSiを含有する水噴霧過共晶鋳鉄粉末の後方散乱電子顕微鏡写真であって、後熱処理プロセス中に固体状態で成長した黒鉛ノジュールが存在する後方散乱電子顕微鏡写真である。Figure 5 is a backscattered electron micrograph of a water atomized hypereutectic cast iron powder containing about 4.0% C and 2.3% Si without the addition of magnesium, the graphite nodules grown in the solid state during the post heat treatment process. 3 is a backscattered electron micrograph in which is present. 例示的な実施形態によるマグネシウムを添加した別の水噴霧過共晶鋳鉄粉末の顕微鏡写真であって、図17に示したものと比較して、後熱処理プロセス中に固体状態で成長したより球形の黒鉛ノジュールが存在する顕微鏡写真である。FIG. 18 is a photomicrograph of another water-sprayed hypereutectic cast iron powder with added magnesium according to an exemplary embodiment, showing a more spherically grown solid state during the post heat treatment process as compared to that shown in FIG. 17. It is a microscope picture in which graphite nodule exists. 図17および図18に示す水噴霧化過共晶鋳鉄粉末において観察された黒鉛ノジュールの円形度頻度分布を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the circularity frequency distribution of graphite nodules observed in the water atomized hypereutectic cast iron powder shown in FIGS. 17 and 18. 図17および図18に示す水噴霧化過共晶鋳鉄粉末において観察された黒鉛ノジュールの真円度頻度分布を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the roundness frequency distribution of graphite nodules observed in the water atomized hypereutectic cast iron powder shown in FIGS. 17 and 18. 図17および図18で観察された2つの過共晶鋳鉄粉末について固体状態で成長した黒鉛ノジュールの円形度についての数値データを示す表である。19 is a table showing numerical data on the circularity of graphite nodules grown in a solid state for the two hypereutectic cast iron powders observed in FIGS. 17 and 18. 図17および図18で観察された2つの過共晶鋳鉄粉末について固体状態で成長した黒鉛ノジュールの真円度についての数値データを示す表である。19 is a table showing numerical data on the roundness of graphite nodules grown in a solid state with respect to the two hypereutectic cast iron powders observed in FIGS. 17 and 18. −80/+200メッシュ(177〜74ミクロン)でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない水噴霧化ステンレス鋼粉末の後方散乱電子顕微鏡写真であって、赤い矢印が、内部空隙を指す後方散乱電子顕微鏡写真である。Backscattered electron micrographs of water atomized stainless steel powder without magnesium added, sieved through -80 / + 200 mesh (177-74 microns), where red arrows indicate backscattered electron micrographs pointing to internal voids. is there. −80/+200メッシュ(177〜74ミクロン)でふるいにかけた、マグネシウムを添加した別の水噴霧化ステンレス鋼粉末の後方散乱電子顕微鏡写真であって、1つの赤い矢印が、図23のものと比較して、1つのみの小さい内部空隙を指す後方散乱電子顕微鏡写真である。23 is a backscattered electron micrograph of another water atomized stainless steel powder with magnesium added, sieved through -80 / + 200 mesh (177-74 microns), with one red arrow comparing to that of FIG. 4 is a backscattered electron micrograph pointing to only one small internal void. −200メッシュ(74ミクロン以下)でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない約1.3%のCおよび1.1%のSiを含有するケイ素粉末と合金化した水噴霧化高炭素鋼の光学顕微鏡写真であって、赤い矢印が、内部空隙を指す光学顕微鏡写真である。Optical micrograph of water atomized high carbon steel alloyed with silicon powder containing about 1.3% C and 1.1% Si without magnesium addition, sieved through -200 mesh (74 microns or less) Wherein the red arrow is an optical micrograph pointing to the internal void. 1つの例示的な実施形態により−200メッシュ(74ミクロン以下)でふるいにかけた、マグネシウムを添加した約1.4%のCおよび1.1%のSiを含有するケイ素と合金化した比較の水噴霧化高炭素鋼の光学顕微鏡写真であって、赤い矢印が、図25の粉末よりも内部空隙が少ないことを示す光学顕微鏡写真である。Comparative water alloyed with silicon containing about 1.4% C and 1.1% Si with magnesium added, sieved through -200 mesh (74 microns or less) according to one exemplary embodiment. 25 is an optical micrograph of the atomized high carbon steel, wherein the red arrow indicates that the internal voids are less than the powder of FIG. 評価された組成を列挙する表を含む図である。FIG. 3 includes a table listing the evaluated compositions.

本発明の1つの態様は、噴霧化プロセスの前および/または最中に少なくとも1つの添加剤を溶融金属材料に添加することによる、水もしくはガス噴霧化、または噴霧化される材料がプラズマ噴霧化、超音波噴霧化、または回転ディスク噴霧化などの液体金属浴の生成を経ることを必要とする任意の他の噴霧化プロセスによって、粉末金属材料を製造する改善方法を含む。本発明の別の態様は、溶融金属材料に少なくとも1つの添加剤を添加することによる溶融金属材料からの砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、または遠心鋳造などのプロセスによって鋳造物を製造する改善方法を含む。少なくとも1つの添加剤は、処理される溶融物の体積よりも少なくとも3倍大きい、溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する。   One aspect of the present invention is to provide water or gas atomization, or plasma atomization, by adding at least one additive to the molten metal material before and / or during the atomization process. Includes improved methods of producing powdered metal materials by any atomization process that requires going through the creation of a liquid metal bath, such as ultrasonic atomization, or rotating disk atomization. Another aspect of the invention is a process such as sand casting, permanent casting, investment casting, lost foam casting, die casting, or centrifugal casting from molten metal material by adding at least one additive to the molten metal material. Includes improved methods of manufacturing castings. The at least one additive forms a protective gas atmosphere surrounding the molten metal material that is at least three times greater than the volume of the melt to be treated.

溶融材料に添加される少なくとも1つの添加剤によって生成される保護雰囲気は、保護ガスが溶融物から出てくるので、硫黄(S)および/もしくは酸素(O)または他のものなどの不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入するのをそれらを溶融材料の表面から押し出すことによって防止するための障壁として作用する。保護ガス雰囲気を形成する添加剤は、添加剤の導入前に溶融物中の溶存硫黄および/または溶融物中に懸濁していた酸化物とも反応することができる。添加剤と溶融物中の溶存硫黄との反応は、溶融物から形成された噴霧化粒子の球形度を増加させ、かつ/または噴霧化粒子または鋳造物中の微細構造相および成分の球形度を増加させる。 The protective atmosphere created by the at least one additive added to the molten material is such that impurities, such as sulfur (S) and / or oxygen (O 2 ) or others, as the protective gas comes out of the melt. Acts as a barrier to prevent intrusion or re-entry into the molten metal material by extruding them from the surface of the molten material. The additive forming the protective gas atmosphere can also react with dissolved sulfur in the melt and / or oxides suspended in the melt before the introduction of the additive. The reaction of the additive with the dissolved sulfur in the melt increases the sphericity of the atomized particles formed from the melt and / or reduces the sphericity of the microstructured phases and components in the atomized particles or casting. increase.

水噴霧化を用いる場合、溶融金属材料に添加剤を添加すると、噴霧化粒子の球形度をガス噴霧化によって形成された粒子の球形度に近いレベルまで増加させることができるが、ガス噴霧化と比較してコストが低い。添加剤を溶融金属材料に添加することはまた、溶融物の表面からの新しい酸化物の形成およびエントレインメントを制限し、添加剤の導入前に溶融物中に既に存在するものと反応させることによってより清浄な粒子を製造することができる。これらの酸化物は、酸化物の膜がそれら自身の上に折り畳まれて酸化物膜の間に弱い界面を残す二層膜として形成することができる。添加剤はまた、噴霧化粉末で遭遇する問題である内部空隙の量およびサイズを低下させることができる。添加剤はまた、噴霧化粒子中におよび/またはその後の熱処理プロセス中に形成される微細構造成分および/または相の球形度を増加させることができる。例えば、噴霧化粒子が鋳鉄材料から形成される場合、後熱処理プロセス中に形成される黒鉛沈殿物の少なくとも50%は、少なくとも0.6の円形度および少なくとも0.6の真円度を有する。   When water atomization is used, the addition of an additive to the molten metal material can increase the sphericity of the atomized particles to a level close to the sphericity of the particles formed by gas atomization. The cost is low in comparison. Adding additives to the molten metal material also limits the formation and entrainment of new oxides from the surface of the melt, by reacting with those already present in the melt before the introduction of the additives. Cleaner particles can be produced. These oxides can be formed as bilayer films in which the oxide films fold over themselves, leaving a weak interface between the oxide films. Additives can also reduce the amount and size of internal voids, a problem encountered with atomized powders. Additives can also increase the sphericity of microstructural components and / or phases formed in the atomized particles and / or during the subsequent heat treatment process. For example, if the atomized particles are formed from a cast iron material, at least 50% of the graphite precipitate formed during the post heat treatment process has a circularity of at least 0.6 and a roundness of at least 0.6.

鋳造を用いる場合、添加剤を溶融金属材料に添加すると、鋳造においておよび/またはその後の熱処理プロセス中に形成される微細構造成分および/または相の球形度を増加させることができる。添加剤を溶融金属材料に添加することはまた、溶融物の表面からの新しい酸化物の形成およびエントレインメントを制限することによって、かつ添加剤の導入前に溶融物中に既に存在するものと反応させることによってより清浄な鋳造物を製造することができる。これらの酸化物は、酸化物の膜がそれら自身の上に折り畳まれて酸化物膜の間に弱い界面を残す二層膜として形成することができる。添加剤はまた、多くの鋳造で遭遇する問題である内部空隙の量およびサイズを低下させることができる。   When casting is used, additives can be added to the molten metal material to increase the sphericity of the microstructural components and / or phases formed during casting and / or during subsequent heat treatment processes. Adding additives to the molten metal material also limits the formation and entrainment of new oxides from the surface of the melt and reacts with those already present in the melt prior to the introduction of the additives. By doing so, a cleaner casting can be manufactured. These oxides can be formed as bilayer films in which the oxide films fold over themselves, leaving a weak interface between the oxide films. Additives can also reduce the amount and size of internal voids, a problem encountered in many castings.

1つの例示的な実施形態によれば、本方法は、卑金属材料を溶融することから始まる。多くの異なる金属組成を卑金属材料として使用することができる。しかしながら、保護雰囲気として作用する十分なガスを製造し、これによって所望の球状の粉末および/もしくはより球形の微細構造成分および/もしくはより清浄な粒子を得るため、かつ/またはより少ない内部細孔を有するために、添加剤は、金属材料中で低い溶解度を有しなければならない。基材および添加剤は、添加剤が導入されたときに発生する保護ガス雰囲気の体積が、処理される溶融金属材料の体積の少なくとも3倍になるように選択されるべきである。例えば、0.22重量パーセント(重量%)のマグネシウムが鉄リッチ溶融物に添加される場合、発生するガスの体積は、処理される溶融物の初期体積の3倍として定義される保護雰囲気を提供するのに必要とされるガスの下限の約20倍になる。   According to one exemplary embodiment, the method begins with melting a base metal material. Many different metal compositions can be used as the base metal material. However, in order to produce enough gas to act as a protective atmosphere, thereby obtaining the desired spherical powder and / or more spherical microstructure components and / or cleaner particles, and / or to reduce the internal pores To have, the additive must have low solubility in the metallic material. The substrate and additives should be selected such that the volume of the protective gas atmosphere generated when the additives are introduced is at least three times the volume of the molten metal material being treated. For example, if 0.22 weight percent (% by weight) of magnesium is added to an iron-rich melt, the volume of gas evolved provides a protective atmosphere defined as three times the initial volume of the melt to be treated. About 20 times the lower limit of the gas required to perform

卑金属材料は、典型的には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、およびクロム(Cr)のうちの少なくとも1つを含む。卑金属材料は、純Al、Cu、Mn、Ni、Co、Fe、Ti、またはCrを含むことができる。アルミニウムリッチ、銅リッチ、マンガンリッチ、ニッケルリッチ、コバルトリッチ、鉄リッチ、チタンリッチ、クロムリッチ合金、または少なくとも50重量%のAl、Cu、Mn、Ni、Co、Fe、Ti、および/またはCrを含む合金も出発卑金属材料としての使用によく適している。異なる割合のこれらの卑金属材料の混合物はまた、Al−Cu、Fe−Ni、Fe−Co、Fe−Ni−Co、Ni−Cr、Ti−Cu、およびCo−Cr合金などの出発材料としての使用によく適しているが、これらに限定されない。合金はまた、それらが目的の合金の溶融物中に溶解状態で留まる限り、合金元素として以下のうちの少なくとも1つを含むことができる:銀(Ag)、ホウ素(B)、バリウム(Ba)、ベリリウム(Be)、炭素(C)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、カリウム(K)、ランタン(La)、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、モリブデン(Mo)、窒素(N)、ナトリウム(Na)、ニオブ(Nb)、リン(P)、硫黄(S)、スカンジウム(Sc)、シリコン(Si)、スズ(Sn)、ストロンチウム(Sr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、タングステン(W)、イットリウム(Y)、亜鉛(Zn)、およびジルコニウム(Zr)。   Base metal materials are typically aluminum (Al), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), titanium (Ti), and chromium (Cr). At least one of them. The base metal material can include pure Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, or Cr. Aluminum-rich, copper-rich, manganese-rich, nickel-rich, cobalt-rich, iron-rich, titanium-rich, chromium-rich alloy, or at least 50% by weight of Al, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, and / or Cr. Containing alloys are also well suited for use as starting base metal materials. Mixtures of these base metal materials in different proportions are also used as starting materials such as Al-Cu, Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co, Ni-Cr, Ti-Cu and Co-Cr alloys. But is not limited to these. The alloys can also include at least one of the following as alloying elements, as long as they remain in solution in the melt of the desired alloy: silver (Ag), boron (B), barium (Ba) , Beryllium (Be), carbon (C), calcium (Ca), cerium (Ce), gallium (Ga), germanium (Ge), potassium (K), lanthanum (La), lithium (Li), magnesium (Mg) , Molybdenum (Mo), nitrogen (N), sodium (Na), niobium (Nb), phosphorus (P), sulfur (S), scandium (Sc), silicon (Si), tin (Sn), strontium (Sr) , Tantalum (Ta), vanadium (V), tungsten (W), yttrium (Y), zinc (Zn), and zirconium (Zr).

「合金元素」として記載される元素と「添加剤」として記載される元素との間には区別すべきことがある。合金元素は、卑金属材料中に溶解したままであり、かつ/または最終部品/粉末中に異なる相/成分を形成する。合金元素は、部品の微細構造および特性に影響を与える。例えば、Fe中のCは、強度を増加させるセメンタイトを形成する。添加剤は、保護ガス雰囲気を生成し、Sおよび/または酸化物と反応させるために溶融物に添加される元素として定義される。図1〜3は、様々な卑金属材料の添加剤の一覧を含む。1つの特定の元素は、1つの基材中の合金元素であり得るが、異なる基材中の添加剤であり得る。例えば、Mgは、Alリッチ合金中の合金元素であるが、Feリッチ合金中の添加物である。1つの例示的な実施形態によれば、Al−Mg合金内にガス状保護雰囲気を生成するために、Kおよび/またはNaを添加剤として使用し、選択した添加剤に従って溶融温度を選択しなければならない。例えば、Mgは、アルミニウム合金(Al−5000シリーズ)の合金元素として使用されるので、保護ガス雰囲気を発生しない。   A distinction may be made between elements described as "alloy elements" and elements described as "additives". The alloying elements remain dissolved in the base metal material and / or form different phases / components in the final part / powder. Alloying elements affect the microstructure and properties of the part. For example, C in Fe forms cementite which increases strength. Additives are defined as elements added to the melt to create a protective gas atmosphere and react with S and / or oxides. Figures 1-3 include a listing of additives for various base metal materials. One particular element may be an alloying element in one substrate, but may be an additive in a different substrate. For example, Mg is an alloy element in the Al-rich alloy, but is an additive in the Fe-rich alloy. According to one exemplary embodiment, to create a gaseous protective atmosphere in the Al-Mg alloy, K and / or Na must be used as an additive and the melting temperature selected according to the selected additive. Must. For example, since Mg is used as an alloy element of an aluminum alloy (Al-5000 series), no protective gas atmosphere is generated.

しかしながら、出発金属材料は、上記の組成に限定されない。添加剤が選択された材料への溶解度が低く、十分な量の保護ガス雰囲気を発生する限り、他の金属組成物を使用することができる。ガス状保護雰囲気を生成するために使用されるいくつかの添加剤は、溶融物中の溶存硫黄と自然に反応してより安定な化合物を生成し、それによって表面張力を増加させる。これは、固体のMgSが沈殿するFeリッチ系におけるMgの場合である。しかしながら、いくつの添加剤は、保護雰囲気を生成するが、Feリッチ系におけるNaの場合のように、溶存硫黄と反応しない。このような状況では、表面張力を上げて保護雰囲気を生成するために、様々な添加剤を組み合わせて使用しなければならない。   However, the starting metal material is not limited to the above composition. Other metal compositions can be used as long as the additive has low solubility in the selected material and generates a sufficient amount of protective gas atmosphere. Some additives used to create a gaseous protective atmosphere react spontaneously with dissolved sulfur in the melt to produce more stable compounds, thereby increasing surface tension. This is the case for Mg in an Fe-rich system where solid MgS precipitates. However, some additives, while creating a protective atmosphere, do not react with dissolved sulfur, as is the case with Na in Fe-rich systems. In such situations, various additives must be used in combination to increase the surface tension and create a protective atmosphere.

上述のように、様々な異なる添加剤を溶融金属材料に添加して、保護雰囲気の増加および上述の他の利点を達成することができる。選択される添加剤は、卑金属材料の組成に依存する。例えば、少なくとも1つの添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Ca、Sr、およびBaのうちの少なくとも1つを含み得る。添加剤によって発生した保護ガス雰囲気は、不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入することを防止する。   As described above, a variety of different additives can be added to the molten metal material to achieve an increased protective atmosphere and other benefits described above. The additive selected depends on the composition of the base metal material. For example, the at least one additive may include at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Ca, Sr, and Ba. The protective gas atmosphere generated by the additive prevents impurities from penetrating or re-entering the molten metal material.

上記の添加剤は、それらが使用される化学系に応じて、異なる量の保護ガス雰囲気を発生する。いくつかの添加剤は、他のものよりもいくつかの系に適している。例えば、アルミニウム合金では、KおよびNaがしばしば好ましい。銅合金では、KおよびNaがしばしば好ましい。マンガン合金では、K、Na、Zn、Mg、およびLiがしばしば好ましい。ニッケル合金では、KおよびNaがしばしば好ましい。コバルト合金では、K、Na、Li、およびCaがしばしば好ましい。鉄合金では、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、およびCaがしばしば好ましい。チタン合金では、Zn、Mg、Li、Ca、およびBaがしばしば好ましい。クロム合金では、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaがしばしば好ましい。好ましい添加剤に印が付けられた図1に例が提供される。   The above additives generate different amounts of protective gas atmosphere, depending on the chemical system in which they are used. Some additives are more suitable for some systems than others. For example, in aluminum alloys, K and Na are often preferred. In copper alloys, K and Na are often preferred. For manganese alloys, K, Na, Zn, Mg, and Li are often preferred. For nickel alloys, K and Na are often preferred. For cobalt alloys, K, Na, Li, and Ca are often preferred. For iron alloys, K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, and Ca are often preferred. For titanium alloys, Zn, Mg, Li, Ca, and Ba are often preferred. For chromium alloys, K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are often preferred. An example is provided in FIG. 1 with the preferred additives marked.

特定の1つの例示的な実施形態によれば、金属系材料は、鉄リッチであり、保護ガスを発生するとともに硫黄不純物とも反応するMgを含む。あるいは、卑金属材料は、純鉄であり、添加剤は、Mgである。別の特定の例によれば、金属系材料は、鉄リッチであり、添加剤は、KとBaとの混合物を含む。カリウム(K)は、保護ガス雰囲気を発生し、バリウム(Ba)は、硫黄と反応する。   According to one particular exemplary embodiment, the metal-based material includes Mg that is rich in iron and generates a protective gas and also reacts with sulfur impurities. Alternatively, the base metal material is pure iron and the additive is Mg. According to another particular example, the metal-based material is iron-rich, and the additive comprises a mixture of K and Ba. Potassium (K) generates a protective gas atmosphere and barium (Ba) reacts with sulfur.

保護雰囲気は、噴霧化粒子および鋳造物中の酸化物の量を制限し、また噴霧化粒子および鋳造物中の内部空隙のサイズおよび量を制限する。ガス状保護雰囲気を生成するために使用されるいくつかの添加剤、例えば、合金元素としてSiを含有するFeリッチ系におけるMg添加剤は、溶融物中に懸濁している酸化物と自然に反応してより安定な化合物を生成し、化学反応プロセス中にそれらの形態も変化する。これらの材料では、二層膜(不十分に結合された酸化物の重なり合った膜)の形態であり得るSiOの酸化物が溶融物中に懸濁している。より少ない量の空隙が観察されることを説明する理由のうちの1つは、Mgが、Mgと酸化物との間の化学反応の結果として、重なり合った膜間の界面を結合するのを助け、その後、細孔を形成するために分離することができないより強い界面を生成することである。自己発生Mgガス状雰囲気は、溶融物の表面のさらなる酸化を制限し、それは粒子中の内部酸化物の量を制限する。しかしながら、いくつかの添加剤は、保護雰囲気を生成するが、Tiリッチ系におけるZnの場合のように、溶融物中に懸濁している酸化物とは反応しない。このような状況では、内部空隙の量とサイズを制限するために異なる添加剤の組み合わせを使用しなければならない。例えば、少なくとも1つの添加剤を添加して、溶融金属材料への不純物の侵入または再侵入を防止する保護ガス雰囲気を生成することができ、少なくとも1つの添加剤を添加して既に溶融物中の酸化物と反応させることができるが、必ずしも保護ガス雰囲気を生成するとは限らない。より球形の粒子ならびに/またはより少ない内部空隙を有する相および成分を生成するためのTiリッチ合金中の添加剤のそのような組み合わせの例は、保護雰囲気の発生には関与しないが、保護雰囲気を生成するためのZnと、SおよびTiOと反応させるためのSrとの混合物であり得る。 The protective atmosphere limits the amount of atomized particles and oxides in the casting, and also limits the size and amount of the atomized particles and internal voids in the casting. Some additives used to create a gaseous protective atmosphere, such as Mg additives in Fe-rich systems containing Si as alloying element, react spontaneously with oxides suspended in the melt. To produce more stable compounds and their morphology changes during the chemical reaction process. In these materials, the oxide of SiO 2 , which may be in the form of a bilayer film (overlapping film of poorly bound oxide), is suspended in the melt. One of the reasons for explaining that a smaller amount of voids is observed is that Mg helps bond the interface between the overlapping films as a result of the chemical reaction between Mg and the oxide. And then to create a stronger interface that cannot be separated to form pores. The self-generated Mg gaseous atmosphere limits further oxidation of the melt surface, which limits the amount of internal oxides in the particles. However, some additives, while creating a protective atmosphere, do not react with oxides suspended in the melt, as is the case for Zn in Ti-rich systems. In such situations, different additive combinations must be used to limit the amount and size of the internal voids. For example, at least one additive can be added to create a protective gas atmosphere that prevents the intrusion or re-entry of impurities into the molten metal material, and at least one additive can be added to the molten metal material to form a protective gas atmosphere. Although it can react with oxides, it does not always create a protective gas atmosphere. Examples of such combinations of additives in a Ti-rich alloy to produce more spherical particles and / or phases and components with less internal voids do not contribute to the generation of a protective atmosphere, but and Zn to produce, may be a mixture of Sr to react with S and TiO 2.

言い換えれば、いくつかの添加剤は、形成される酸化物の種類に応じて、他の系よりもいくつかの系においてより効果的である。上に示したように、より小さいサイズを有するより少ない内部空隙が望まれる場合、添加剤は、溶融物中の懸濁液中の酸化物と反応しなければならない。これらの酸化物はまた、溶融卑金属材料中の不純物、例えば、アルミニウム系材料中のAl、または鉄系材料中のFeとみなされる。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系である場合、酸化物と反応するのに好ましい添加剤は、K、Na、Mg、Li、およびCaを含む。溶融卑金属材料が鉄合金または鉄系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系である場合、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料が銅合金または銅系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料がニッケル合金またはニッケル系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaを含む。例を図2に示している。 In other words, some additives are more effective in some systems than others, depending on the type of oxide formed. As indicated above, if less internal voids having a smaller size are desired, the additive must react with oxides in suspension in the melt. These oxides are also considered as impurities in the molten base metal material, for example, Al 2 O 3 in aluminum-based materials or Fe 2 O 3 in iron-based materials. When the molten base metal material is an aluminum alloy or aluminum-based, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Mg, Li, and Ca. When the molten base metal material is an iron alloy or iron-based, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a titanium alloy or a titanium-based material, preferred additives for reacting with the oxide include Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a chromium alloy or chromium-based, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a cobalt alloy or a cobalt-based, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a copper alloy or copper-based, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a manganese alloy or manganese-based, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a nickel alloy or a nickel-based material, preferred additives for reacting with the oxide include K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. An example is shown in FIG.

溶融基材が鉄系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。より球形の粒子ならびに/または相および成分を生成するための鉄系材料またはFeリッチ合金中の添加剤のそのような組み合わせの例は、NaとBaとの混合物であり得る。Naは、保護雰囲気およびBaを生成し、Sと反応する。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Na、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、K、Na、Zn、Mg、Sr、Ca、およびBaが好ましい。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、K、Na、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。溶融卑金属材料がニッケル合金またはニッケル系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。溶融卑金属材料が銅合金または銅系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、K、Na、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、K、Na、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaが好ましい。例を図3に示している。   When the molten base material is iron-based and contains sulfur as an impurity, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. An example of such a combination of additives in an iron-based material or Fe-rich alloy to produce more spherical particles and / or phases and components may be a mixture of Na and Ba. Na produces a protective atmosphere and Ba and reacts with S. When the molten base metal material is a titanium alloy or a titanium-based material and contains sulfur as an impurity, K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. When the molten base metal material is a cobalt alloy or a cobalt-based material and contains sulfur as an impurity, Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. When the molten base metal material is a chromium alloy or a chromium-based material and contains sulfur as an impurity, K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. When the molten base metal material is an aluminum alloy or an aluminum-based material and contains sulfur as an impurity, K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. When the molten base metal material is a nickel alloy or a nickel-based material and contains sulfur as an impurity, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. When the molten base metal material is a copper alloy or a copper-based material and contains sulfur as an impurity, K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. When the molten base metal material is a manganese alloy or a manganese-based material and contains sulfur as an impurity, K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba are preferable for reacting with sulfur. An example is shown in FIG.

さらに、ある種の添加剤は、保護ガス雰囲気を首尾よく発生し、溶融卑金属材料中に不純物として存在する硫黄および酸化物とも反応する。例えば、溶融卑金属材料が鉄合金または鉄系である場合、保護ガス雰囲気を発生させるとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Zn、Mg、Li、Sr、およびCaを含む。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系である場合、保護ガス雰囲気を発生させるとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、CaおよびBaを含む。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、K、Na、Zn、Mg、Sr、Ca、およびBaを含む。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Na、Li、およびCaを含む。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、KおよびNaを含む。溶融卑金属材料が銅合金または銅系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、KおよびNaを含む。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、K、Na、Mg、およびLiを含む。   In addition, certain additives successfully generate a protective gas atmosphere and also react with sulfur and oxides present as impurities in the molten base metal material. For example, when the molten base metal material is an iron alloy or an iron-based additive that generates a protective gas atmosphere and reacts with sulfur and oxide impurities includes Zn, Mg, Li, Sr, and Ca. When the molten base metal material is a titanium alloy or a titanium-based material, additives that generate a protective gas atmosphere and react with sulfur and oxide impurities include Ca and Ba. When the molten base metal material is a chromium alloy or chromium-based additive that generates a protective gas atmosphere and reacts with sulfur and oxide impurities includes K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, and Ba. When the molten base metal material is a cobalt alloy or a cobalt-based additive that generates a protective gas atmosphere and reacts with sulfur and oxide impurities includes Na, Li, and Ca. When the molten base metal material is an aluminum alloy or an aluminum-based material, additives that generate a protective gas atmosphere and react with sulfur and oxide impurities include K and Na. When the molten base metal material is a copper alloy or a copper-based additive that generates a protective gas atmosphere and reacts with sulfur and oxide impurities includes K and Na. When the molten base metal material is a manganese alloy or manganese-based additive that generates a protective gas atmosphere and reacts with sulfur and oxide impurities includes K, Na, Mg, and Li.

上述のように、溶融金属材料は、例えば水またはガス噴霧化によって噴霧化され、粉末金属を形成することができる。あるいは、溶融金属材料を鋳造物に成形することができる。   As mentioned above, the molten metal material can be atomized, for example by water or gas atomization, to form a powdered metal. Alternatively, the molten metal material can be formed into a casting.

上で示唆したように、選択される出発卑金属材料は、しばしば添加剤を添加する前の金属材料の総重量に基づいて、少なくとも50.0重量%の量の鉄を含む。例えば、鋳鉄、高合金鋳鉄、ステンレス鋼、非合金鋼および合金鋼、工具鋼、マレージング鋼、またはハドフィールド鋼を使用することができる。1つの例示的な実施形態例によれば、金属材料は、1.3重量%の炭素および1.1重量%のケイ素を含む鋼粉末である。別の例示的な実施形態によれば、金属材料は、4.0重量%の炭素および2.3重量%のケイ素を含む鋳鉄粉末である。別の例示的な実施形態によれば、金属材料は、1.2%のMn、0.30%のSi、0.44%のCu、0.23%のMo、17.3%のCr、9.5%のNi、および他の微量元素を含むステンレス鋼粉末である。上述のように、アルミニウム合金(例えば、2024、3003、3004、6061、7075、7475、5080、および5082と表される合金)、銅合金(アルミニウム青銅、ケイ素青銅、および黄銅など)、マンガン合金、ニッケル合金(例えば、625と表される合金)、コバルト合金(トリバロイおよびHaynes188など)、コバルト−クロム合金(CoCrMo合金およびステライトなど)、チタン合金(例えば、Ti−6Al−4VまたはTi−6Alと表される合金)、クロム合金(Kh65NVFT合金など)、ならびにこれらの化学系から作製された任意のハイブリッド合金も出発粉末金属材料として使用することができる(例えば、Invar、Monel、Chromel、Alnico、およびNitinol60と表される合金)。これらの例は、網羅的なものではなく、少なくとも1つの添加剤(カリウム(K)、ナトリウム(Na)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、リチウム(Li)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、およびバリウム(Ba))が選択された材料への溶解度が低い限り、他の金属組成物を使用することができ、その結果、溶融材料の上部に保護ガス雰囲気が形成されて、処理される溶融物の初期体積の少なくとも3倍の総量を形成する。図4〜14は、添加剤が本発明の例示的な実施形態による溶融金属材料に添加されるときに発生する保護ガス雰囲気の体積の増加を示す実施された計算および実験の結果を表す。図4は、例示的な組成物について添加剤の量の関数として得られるガスの総体積の曲線を表す。添加剤(ここでは、添加剤は、90重量%のMgと10重量%のNaとの混合物であった)。この合金は、4.0%のC、1.5%のSi、0.02%のS、および2.0%のCuを含有する鋳鉄粉末材料(Feリッチ)である。この曲線は、水噴霧化された1つの粉末の化学組成を使用して計算され、この実験で使用された添加剤の量は、0.11重量%であり、これは、溶融物100グラムごとに約0.40リットルの保護ガス(MgおよびNa)をもたらした。破線は、処理される溶融物の初期体積の3倍の体積である保護雰囲気を提供するために得られるべきであるガスの下限を表す。この具体例では、計算されたガス量は、下限の約5倍である。   As suggested above, the starting base metal material selected often contains iron in an amount of at least 50.0% by weight, based on the total weight of the metal material before adding the additives. For example, cast iron, high alloy cast iron, stainless steel, non-alloyed and alloyed steel, tool steel, maraging steel, or hadfield steel can be used. According to one exemplary embodiment, the metallic material is a steel powder comprising 1.3% by weight of carbon and 1.1% by weight of silicon. According to another exemplary embodiment, the metallic material is a cast iron powder comprising 4.0 wt% carbon and 2.3 wt% silicon. According to another exemplary embodiment, the metallic material comprises: 1.2% Mn, 0.30% Si, 0.44% Cu, 0.23% Mo, 17.3% Cr, Stainless steel powder containing 9.5% Ni and other trace elements. As described above, aluminum alloys (e.g., alloys designated as 2024, 3003, 3004, 6061, 7075, 7475, 5080, and 5082), copper alloys (such as aluminum bronze, silicon bronze, and brass), manganese alloys, Nickel alloys (e.g., alloys represented as 625), cobalt alloys (e.g., Tribaloy and Haynes 188), cobalt-chromium alloys (e.g., CoCrMo alloys and stellite), titanium alloys (e.g., Ti-6Al-4V or Ti-6Al) Alloys), chromium alloys (such as the Kh65 NVFT alloy), and any hybrid alloys made from these chemical systems can also be used as starting powder metal materials (eg, Invar, Monel, Chromel, Alnico, and Ni). Alloys represented as inol60). These examples are not exhaustive and at least one additive (potassium (K), sodium (Na), zinc (Zn), magnesium (Mg), lithium (Li), strontium (Sr), calcium ( Ca), and barium (Ba)) can be used as long as their solubility in the selected material is low, resulting in the formation of a protective gas atmosphere on top of the molten material, resulting in processing. To form at least three times the initial volume of the melt to be melted. 4-14 represent the results of performed calculations and experiments showing the increase in volume of the protective gas atmosphere that occurs when additives are added to a molten metal material according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 4 represents a curve of the total volume of gas obtained as a function of the amount of additive for an exemplary composition. Additives (where the additives were a mixture of 90 wt% Mg and 10 wt% Na). This alloy is a cast iron powder material (Fe rich) containing 4.0% C, 1.5% Si, 0.02% S, and 2.0% Cu. This curve was calculated using the chemical composition of one water atomized powder, the amount of additive used in this experiment was 0.11% by weight, which was Provided about 0.40 liters of protective gas (Mg and Na). The dashed line represents the lower limit of gas that should be obtained to provide a protective atmosphere that is three times the initial volume of the melt to be treated. In this example, the calculated gas volume is about five times the lower limit.

図5は、図4に記載される粉末の噴霧化プロセス中にタンディッシュの上部のガス状雰囲気に曝される前後の研磨された純鉄表面上で得られたエネルギー分散型X線分光法(EDS)スペクトルを示す。これは、添加剤(この場合はMgおよびNa)が溶融物の上部に発生させたガス状保護雰囲気を形成し、これらの元素が露出した研磨された鉄表面に堆積したことを裏付ける。   FIG. 5 shows energy dispersive X-ray spectroscopy obtained on a polished pure iron surface before and after exposure to a gaseous atmosphere above the tundish during the powder atomization process described in FIG. 3 shows an EDS) spectrum. This confirms that the additives (in this case Mg and Na) formed a gaseous protective atmosphere generated on top of the melt and that these elements were deposited on the exposed polished iron surface.

図6は、異なる添加剤について異なる温度でアルミニウム合金中に発生し得る異なる量のガスの例を示す。計算の基本系は、Al+0.02%のS+0.02%のAl2O3である。破線は、処理される溶融物の初期体積の3倍として定義される保護雰囲気を提供するために得られるべきであるガス量の下限を表す。これらの例において、添加される添加剤の最小量は、添加剤の性質および溶融物の温度に従って変わる。例えば、溶融物が摂氏約800度の温度である場合、添加される量にかかわらず、Naは、十分なガスを発生させることができない。しかしながら、溶融物の温度が摂氏約900度まで上昇すると、処理される溶融物の初期体積の少なくとも3倍を発生するためのNaの最小量は、約0.32重量%である。Kについては、溶融物が摂氏800度である場合、最小量は、0.36重量%であり、溶融物が摂氏約900度である場合、0.26重量%である。半分のNaと半分のKとの混合物が摂氏900度のアルミニウム溶融物中で使用される場合、Na+Kの最小量は、約0.29重量%(0.16重量%のNaおよび0.13重量%のK)となる。図7は、摂氏1800度でチタン溶融物に添加される最小量の異なる添加剤の例を示す。例えば、0.11重量%のCaの添加は、0.48重量%のZnの添加とほぼ同じ最小量のガス保護を提供する。同様に、図8〜13は、異なる系(Co、Cr、Cu、Fe、Mn、およびNi)における異なる量の異なる添加剤の他の例を示す。図14は、複合コバルト合金中の計算された最小量の添加剤(K+Li)を示す。   FIG. 6 shows examples of different amounts of gas that can be generated in an aluminum alloy at different temperatures for different additives. The basic system of calculation is Al + 0.02% S + 0.02% Al2O3. The dashed line represents the lower limit of the amount of gas that should be obtained to provide a protective atmosphere defined as three times the initial volume of the melt to be treated. In these examples, the minimum amount of additive added depends on the nature of the additive and the temperature of the melt. For example, if the melt is at a temperature of about 800 degrees Celsius, Na cannot generate enough gas regardless of the amount added. However, when the temperature of the melt rises to about 900 degrees Celsius, the minimum amount of Na to generate at least three times the initial volume of the melt to be treated is about 0.32% by weight. For K, the minimum amount is 0.36% by weight when the melt is 800 degrees Celsius and 0.26% by weight when the melt is about 900 degrees Celsius. If a mixture of half Na and half K is used in an aluminum melt at 900 degrees Celsius, the minimum amount of Na + K is about 0.29 wt% (0.16 wt% Na and 0.13 wt% % K). FIG. 7 shows an example of the minimum amount of different additives added to a titanium melt at 1800 degrees Celsius. For example, the addition of 0.11 wt% Ca provides about the same minimum amount of gas protection as the addition of 0.48 wt% Zn. 8-13 show other examples of different amounts of different additives in different systems (Co, Cr, Cu, Fe, Mn, and Ni). FIG. 14 shows the calculated minimum amount of additive (K + Li) in the composite cobalt alloy.

溶融卑金属材料に少なくとも1つの添加剤を添加した後、溶融物は、噴霧化または鋳造することができる。水噴霧化は、ガス噴霧化よりも3〜9倍安価であり、他の噴霧化プロセスよりもさらに安価であるため、しばしば好ましい。しかしながら、容易に酸化されるいくつかの合金については、ガス噴霧化が好ましい。ガス噴霧化前の付加的処理は、より大きいガス圧などの噴霧化のための改善された条件を可能にし、それでもなお円形粒子を達成し、内部酸化物および空隙の量を制限することもできる。さらに、添加された添加剤は、水噴霧化粒子の球形度を増加させることができ、その結果、球形度は、ガス噴霧化粒子の球形度に近づく。   After adding at least one additive to the molten base metal material, the melt can be atomized or cast. Water atomization is often preferred because it is 3 to 9 times cheaper than gas atomization and even cheaper than other atomization processes. However, for some alloys that are easily oxidized, gas atomization is preferred. Additional treatment prior to gas atomization allows for improved conditions for atomization, such as higher gas pressure, yet still achieves round particles and can also limit the amount of internal oxides and voids . In addition, the added additives can increase the sphericity of the water atomized particles so that the sphericity approaches that of the gas atomized particles.

上述のように、添加剤は、添加剤の導入後のガスの総体積が、処理される溶融物の初期体積の少なくとも3倍になるような量で添加される。1つの例示的な実施形態例では、添加剤、この場合はMgが、溶融卑金属材料(鉄リッチ合金)および添加したマグネシウムの合計重量に基づいて、0.05〜1.0重量%、例えば0.18重量%の範囲の量で純Mgの塊として単一の操作で添加される。したがって、得られた噴霧化粉末金属材料または鋳造物は、添加剤を含まない材料と同様に、非常に少量の残留マグネシウムおよび総硫黄含有量を含むが、この噴霧化粉末金属材料の場合、Sが添加剤と化学的に結合しており(MgSの固体沈殿物として)溶融物中に溶解しておらず、このことは、より大きな表面張力、ひいてはより球形の粒子、ならびに/またはより球形の微細構造相および成分、ならびに/またはより少ない量の内部空隙をもたらす。熱力学的計算により、たとえ両方の材料の総硫黄含有量が同様であっても、Mg処理鉄リッチ材料中の遊離硫黄含有量が未処理材料のものよりも10倍を超えて低いことが示された。   As mentioned above, the additives are added in such an amount that the total volume of the gas after the introduction of the additives is at least three times the initial volume of the melt to be treated. In one exemplary embodiment, the additive, in this case Mg, comprises 0.05-1.0% by weight, e.g. 0%, based on the total weight of the molten base metal material (iron-rich alloy) and the added magnesium. It is added in a single operation as a mass of pure Mg in an amount in the range of .18% by weight. Thus, the resulting atomized powder metal material or casting, as well as the material without additives, contains a very small amount of residual magnesium and total sulfur content, but with this atomized powder metal material, Is chemically bound to the additive and is not dissolved in the melt (as a solid precipitate of MgS), which results in greater surface tension, and thus more spherical particles, and / or more spherical particles. Providing microstructure phases and components and / or lesser amounts of internal voids. Thermodynamic calculations show that the free sulfur content in the Mg-treated iron-rich material is more than 10 times lower than that of the untreated material, even if the total sulfur content of both materials is similar Was done.

添加剤は、単一の連続工程で、例えば単一の連続工程で最大1.0重量%、またはある時間間隔で互いに間隔があいた複数の工程で、例えば、最大0.2重量%の添加剤を含むそれぞれ3工程または4工程で添加することができる。さらにまたは代替的に、添加剤は、炉内もしくは取鍋内に添加することができ、それらは、純金属の形態、または添加剤を含む合金もしくは化合物としてあり得る。既に利用可能な様々な技術は、これらに限定されないが、添加剤を含有する材料の塊/チャンクなどの溶融金属材料に添加剤を導入するために使用することができ、溶融物の上部、もしくは炉/るつぼの底部、もしくは型内に直接堆積させることができ、または芯入りワイヤ技術もしくはプランジャープロセスの使用によって溶融物中に導入することもできる。例えば、芯入りワイヤ技術は、Mgリッチ合金で充填されたスチールシースを使用し、プロセスパラメーターに依存する速度で溶融物中に導入される。プランジャー技術は、Mg含有母合金が配置されている容器を使用し、この容器が液体鋳鉄に投入される。したがって、マグネシウムは、表面から離れて溶融物中のより深いところで液体鋳鉄と接触する。   The additive may be present in a single continuous step, for example up to 1.0% by weight in a single continuous step, or in multiple steps spaced from one another at certain time intervals, for example up to 0.2% by weight of the additive. Can be added in three or four steps, respectively. Additionally or alternatively, the additives can be added in a furnace or in a ladle, which can be in the form of a pure metal or as an alloy or compound containing the additives. Various techniques that are already available can be used to introduce additives into molten metal materials, such as, but not limited to, chunks / chunks of material containing the additives, the top of the melt, or It can be deposited directly on the bottom of the furnace / crucible, or in a mold, or it can be introduced into the melt by using cored wire technology or a plunger process. For example, cored wire technology uses a steel sheath filled with a Mg-rich alloy and is introduced into the melt at a rate that depends on process parameters. Plunger technology uses a vessel in which a Mg-containing master alloy is placed, which vessel is cast into liquid cast iron. Thus, the magnesium contacts the liquid cast iron deeper in the melt away from the surface.

上述のように、(Feリッチ合金中のMgの場合には)溶融金属材料に添加剤を添加することによって、0.6以上の円形度および真円度値を有する水噴霧化粒子の数が、添加剤を含まない同じ水噴霧化材料と比較して、少なくとも8%増加した。添加剤、例えば、マグネシウムはまた、より少ない内部酸化物をもたらし、溶融金属材料中に存在する残留酸化物二層膜の界面を閉じることができる。これによって、より少なくかつより小さい内部空隙を有するより清浄な噴霧化粒子およびより清浄な鋳造物が製造される。   As described above, by adding additives to the molten metal material (in the case of Mg in a Fe-rich alloy), the number of water atomized particles having a circularity and roundness value of 0.6 or more is reduced. Increased by at least 8% compared to the same water atomized material without additives. Additives, such as magnesium, can also result in less internal oxides and close the interface of the residual oxide bilayer present in the molten metal material. This produces cleaner atomized particles and cleaner castings with fewer and smaller internal voids.

噴霧化または鋳造工程後、本方法は、後熱処理プロセスを含むことができる。熱処理工程は、粉末金属材料に典型的に適用される焼鈍または別の加熱プロセスを含むことができる。熱処理は、不活性または還元雰囲気、例えば窒素、アルゴン、および/もしくは水素を含む雰囲気、または真空中で実施することができるが、これらに限定されない。例えば、水噴霧化後に還元雰囲気中で焼鈍すると、表面酸化物を還元することができる。熱処理工程はまた、噴霧化粒子または鋳造物中に新しい微細構造相および/または成分、例えば黒鉛沈殿物もしくはノジュール、炭化物、または窒化物を形成するために使用することができる。金属材料の組成に応じて、他の微細構造相および/または成分が存在し得る。1つの例示的な実施形態例では、金属材料は、過共晶鋳鉄合金であり、鋳鉄合金中に存在するセメンタイトは、熱処理工程中にフェライトおよび球状黒鉛ノジュールに変換する、図17および18を参照されたい。球状炭化物はまた、高合金鋼の熱処理中にも形成されるべきである。外部保護雰囲気または真空システムはまた、溶融物の上部への窒素(N2)流の投射、またはアルゴン(Ar)流の投射などの本明細書に記載される自己発生保護雰囲気と一緒に使用することができるが、これらに限定されない。溶融物は、保護用の不活性雰囲気または真空システムを備えたチャンバー内に封入することもできる。これらのシステムは、プロセスの有効性を高めることができる。   After the atomization or casting step, the method may include a post heat treatment process. The heat treatment step can include annealing or another heating process typically applied to powdered metal materials. The heat treatment can be performed in an inert or reducing atmosphere, such as, but not limited to, an atmosphere containing nitrogen, argon, and / or hydrogen, or in a vacuum. For example, annealing in a reducing atmosphere after water atomization can reduce surface oxides. The heat treatment step can also be used to form new microstructural phases and / or components, such as graphite precipitates or nodules, carbides, or nitrides, in the atomized particles or castings. Other microstructure phases and / or components may be present, depending on the composition of the metallic material. In one exemplary embodiment, the metallic material is a hypereutectic cast iron alloy, and the cementite present in the cast iron alloy converts to ferrite and spheroidal graphite nodules during the heat treatment process, see FIGS. 17 and 18. I want to be. Spherical carbides should also form during heat treatment of high alloy steels. An external protective atmosphere or vacuum system may also be used with the self-generated protective atmosphere described herein, such as a nitrogen (N2) flow onto the melt or a argon (Ar) flow. But not limited thereto. The melt can also be enclosed in a chamber provided with a protective inert atmosphere or vacuum system. These systems can increase the effectiveness of the process.

添加剤はまた、後熱処理中に噴霧化粒子または鋳造物中に形成される微細構造成分および/または相の球形度を増加させることができる。しかしながら、より丸い相および/または成分は、熱処理後だけでなく噴霧化直後の粉末金属材料中または鋳放し材料中に存在することができる。微細構造相は、黒鉛沈殿物、炭化物、および/または窒化物を含み得る。金属材料の組成に応じて、他の微細構造相および/または成分が存在し得る。典型的には、微細構造成分および/または相は、少なくとも0.6の円形度のメジアンおよび真円度のメジアンを有する。また、同じ合金であるが添加剤処理をしていないものと比較して、0.6より大きい円形度および真円度値を有する、マグネシウム処理された鉄系材料中に形成される少なくとも10%以上、好ましくは少なくとも15%以上の成分および/または相が存在する。   Additives can also increase the sphericity of the microstructured components and / or phases formed in the atomized particles or casting during post heat treatment. However, more rounded phases and / or components can be present in the powdered metal material immediately after atomization as well as in the as-cast material as well as after heat treatment. The microstructure phase can include graphite precipitates, carbides, and / or nitrides. Other microstructure phases and / or components may be present, depending on the composition of the metallic material. Typically, the microstructural components and / or phases have a median circularity of at least 0.6 and a median circularity. Also, at least 10% formed in a magnesium-treated iron-based material having a circularity and roundness value greater than 0.6 compared to the same alloy but without the additive treatment. Above, preferably at least 15%, of the components and / or phases are present.

1つの例示的な実施形態例によれば、粉末金属材料は、鋳鉄などの鉄を少なくとも50重量%の量で含み、噴霧化粒子は、黒鉛沈殿物を含み、黒鉛沈殿物の少なくとも50%は、0.6以上の円形度および真円度を有する。金属材料が鉄系であり、Mgで処理された別の実施形態では、焼鈍工程は、黒鉛沈殿物またはノジュールを製造することを含み、黒鉛沈殿物またはノジュールは、少なくとも0.6の円形度のメジアンおよび真円度のメジアンを有する。1つの例示的な実施形態例では、金属材料は、Mgで処理された過共晶鋳鉄合金であり、球状黒鉛ノジュールが熱処理プロセス中に形成される。   According to one exemplary embodiment, the powdered metal material comprises iron, such as cast iron, in an amount of at least 50% by weight, and the atomized particles comprise graphite precipitate, wherein at least 50% of the graphite precipitate comprises , 0.6 or more and circularity. In another embodiment in which the metallic material is iron-based and treated with Mg, the annealing step includes producing a graphite precipitate or nodule, wherein the graphite precipitate or nodule has a circularity of at least 0.6. It has a median and a median of roundness. In one exemplary embodiment, the metallic material is a hypereutectic cast iron alloy treated with Mg, and spheroidal graphite nodules are formed during the heat treatment process.

上述のように、添加剤の導入後に生成された自己発生保護雰囲気は、溶融物の表面の酸化を抑制し、噴霧化後の粉末および凝固後の鋳造物中の内部酸化物の量を制限する。図15は、るつぼからタンディッシュへの注入中に形成された溶融物における懸濁液中の酸化ケイ素上に沈殿した過共晶鋳鉄粉末中の1次黒鉛ノジュールを示し;この合金は、いかなる添加剤でも処理されなかった。高炭素含有量を含有するFeリッチ系では、(高温のために)炭素がるつぼ内の溶融物の酸化に対する保護をもたらし、それがるつぼ内での酸化物の形成を防止する。これらの異なる酸化物上に成長した多数の黒鉛ノジュールが、添加剤を含まない粉末中に観察され得る。比較すると、図16は、添加剤(Mg)で処理された過共晶鋳鉄粉末中に観察することができる比較的少数の1次黒鉛ノジュールのうちの1つを示す。Mgガスで作製された保護雰囲気は、るつぼから直接かつ注入を通して溶融物の酸化を制限したので、添加物の導入前に溶融物中に存在していた酸化物の量は、添加物を含まない溶融物中よりも著しく少なかった。したがって、凝固中の黒鉛沈殿物に利用可能な基材は非常に少なく、存在する黒鉛ノジュールはより少ない。   As mentioned above, the self-generating protective atmosphere created after the introduction of the additives suppresses the oxidation of the surface of the melt and limits the amount of internal oxides in the powder after atomization and in the casting after solidification. . FIG. 15 shows primary graphite nodules in hypereutectic cast iron powder precipitated on silicon oxide in suspension in a melt formed during injection from a crucible into a tundish; The agent was not treated. In Fe-rich systems containing a high carbon content, carbon provides protection against oxidation of the melt in the crucible (due to the high temperatures), which prevents the formation of oxides in the crucible. Numerous graphite nodules grown on these different oxides can be observed in powders without additives. By comparison, FIG. 16 shows one of the relatively small number of primary graphite nodules that can be observed in hypereutectic cast iron powder treated with the additive (Mg). The protective atmosphere made of Mg gas limited the oxidation of the melt directly from the crucible and through the injection, so that the amount of oxides present in the melt before the introduction of the additives was free of additives Significantly less than in the melt. Thus, very little substrate is available for the graphite precipitate during solidification and less graphite nodules are present.

上述のように、溶融金属材料を噴霧化して粉末金属材料を形成するか、または鋳造して凝固部品を形成することができる。粉末金属材料は、典型的には水またはガス噴霧化によって形成されるが、別の噴霧化プロセスを使用することもできる。開示された方法で得られた粉末および鋳造物は、様々な異なる自動車または非自動車用途に使用することができる。例えば、噴霧化粒子は、典型的なプレスおよび焼結プロセスにおいて使用することができる。噴霧化粒子はまた、金属射出成形、溶射、ならびに3次元印刷、電子ビーム溶融、バインダー噴射、および選択的レーザー焼結などの積層造形用途にも使用することができる。   As described above, the molten metal material can be atomized to form a powdered metal material or cast to form a solidified component. The powdered metal material is typically formed by water or gas atomization, but other atomization processes can be used. The powders and castings obtained with the disclosed method can be used in a variety of different automotive or non-automotive applications. For example, atomized particles can be used in a typical pressing and sintering process. Atomized particles can also be used in metal injection molding, thermal spraying, and additive manufacturing applications such as three-dimensional printing, electron beam melting, binder jetting, and selective laser sintering.

溶融金属材料が鋳造されるとき、本方法は、卑金属材料を溶融すること、および次いで少なくとも1つの添加剤を卑金属材料に添加することを含む。次いで、本方法は、溶融金属材料を所望の形状を有する型に注入すること、および凝固した金属部品を型から取り出す前に液体金属を凝固させることを含む。   When the molten metal material is cast, the method includes melting the base metal material and then adding at least one additive to the base metal material. The method then includes pouring the molten metal material into a mold having the desired shape and solidifying the liquid metal before removing the solidified metal part from the mold.

実験
図17および18は、水噴霧化プロセスの前または最中および熱処理後に添加剤(この場合はマグネシウム)を添加することによって達成される、微細構造相および/または成分、具体的には、黒鉛ノジュールの改善された球形度を示す顕微鏡写真である。各材料は、約4.0重量%の炭素および2.3重量%のケイ素を含む鋳鉄粉末である。しかしながら、図17の材料は、マグネシウムを添加せずに噴霧化されたが、図18の材料は、マグネシウムを添加して噴霧化された。マグネシウムを添加していない図17に示す黒鉛ノジュールの真円度のメジアンは、0.56であると計算された。図18に示すマグネシウムを含む黒鉛ノジュールの真円度のメジアンは、0.73であると計算された。添加剤処理によるノジュールの球形度の改善を示す他の結果を図19〜22に示す。
Experiments FIGS. 17 and 18 show microstructure phases and / or components, specifically graphite, achieved by adding an additive (magnesium in this case) before or during the water atomization process and after heat treatment. Figure 4 is a photomicrograph showing improved sphericity of nodules. Each material is a cast iron powder containing about 4.0% by weight carbon and 2.3% by weight silicon. However, the material of FIG. 17 was atomized without the addition of magnesium, whereas the material of FIG. 18 was atomized with the addition of magnesium. The median roundness of the graphite nodules shown in FIG. 17 without added magnesium was calculated to be 0.56. The median roundness of the graphite nodules containing magnesium shown in FIG. 18 was calculated to be 0.73. Other results showing an improvement in the sphericity of nodules by additive treatment are shown in FIGS.

図23および24は、本発明の例示的な実施形態によるより低い内部空隙含有量を示す。この例では、304ステンレス鋼を水噴霧化した。図24に示された粉末は、Mgで処理され、より少ない量の内部空隙を示した。   Figures 23 and 24 show lower internal void content according to an exemplary embodiment of the present invention. In this example, 304 stainless steel was atomized with water. The powder shown in FIG. 24 was treated with Mg and showed a smaller amount of internal voids.

図25および26は、本発明の例示的な実施形態によるより低い内部空隙含有量を示す。この例では、ケイ素と合金化した高炭素鋼を水噴霧化した。図26に示された粉末は、Mgで処理され、より少ない量の内部空隙を示した。   Figures 25 and 26 show a lower internal void content according to an exemplary embodiment of the present invention. In this example, high carbon steel alloyed with silicon was atomized with water. The powder shown in FIG. 26 was treated with Mg and showed a smaller amount of internal voids.

図27は、本発明の例示的な実施形態の化学組成を示す。
明らかに、本発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、以下の特許請求の範囲内にありながら具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得る。特に、全ての請求項および全ての実施形態の全ての特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせることができる。
FIG. 27 shows the chemical composition of an exemplary embodiment of the invention.
Obviously, many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings, and may be implemented in other ways than those specifically described while remaining within the scope of the following claims. In particular, all features of all claims and all embodiments can be combined with one another, as long as they do not conflict with one another.

Claims (28)

粉末金属材料を製造する方法であって、
少なくとも1つの添加剤を溶融卑金属材料に添加する工程であって、前記少なくとも1つの添加剤が、処理される前記溶融卑金属材料の体積の少なくとも3倍の体積を有する前記溶融卑金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、工程、および
前記少なくとも1つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に前記溶融卑金属材料を噴霧化して、複数の粒子を製造する工程を含む、方法。
A method for producing a powder metal material, comprising:
Adding at least one additive to the molten base metal material, wherein the at least one additive surrounds the molten base metal material having a volume at least three times the volume of the molten base metal material to be treated. Forming an atmosphere, and atomizing the molten base metal material after adding at least some of the at least one additive to produce a plurality of particles.
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも1つの添加剤がマグネシウムを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the molten base metal material is iron-based and the at least one additive comprises magnesium. 前記噴霧化工程が、水噴霧化、ガス噴霧化、プラズマ噴霧化、超音波噴霧化、または回転ディスク噴霧化を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the atomizing step comprises water atomization, gas atomization, plasma atomization, ultrasonic atomization, or rotating disk atomization. 前記溶融卑金属材料が、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、およびクロム(Cr)のうちの少なくとも1つを含み、前記溶融卑金属材料が、銀(Ag)、ホウ素(B)、バリウム(Ba)、ベリリウム(Be)、炭素(C)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、カリウム(K)、ランタン(La)、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、モリブデン(Mo)、窒素(N)、ナトリウム(Na)、ニオブ(Nb)、リン(P)、硫黄(S)、スカンジウム(Sc)、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、ストロンチウム(Sr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、タングステン(W)、イットリウム(Y)、亜鉛(Zn)、およびジルコニウム(Zr)からなる群から選択される少なくとも1つの合金元素を任意に含有する、請求項1に記載の方法。   The molten base metal material is at least one of aluminum (Al), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), titanium (Ti), and chromium (Cr). Wherein the molten base metal material is silver (Ag), boron (B), barium (Ba), beryllium (Be), carbon (C), calcium (Ca), cerium (Ce), gallium (Ga) , Germanium (Ge), potassium (K), lanthanum (La), lithium (Li), magnesium (Mg), molybdenum (Mo), nitrogen (N), sodium (Na), niobium (Nb), phosphorus (P) , Sulfur (S), scandium (Sc), silicon (Si), tin (Sn), strontium (Sr), tantalum (Ta), vanadium (V), tungsten (W), Potassium (Y), zinc (Zn), and optionally containing at least one alloying element selected from the group consisting of zirconium (Zr), The method of claim 1. 前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、およびCaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The said molten base metal material is an iron type | system | group, The said at least one additive which forms the said protective gas atmosphere contains at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, and Ca. 5. The method according to 4. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄を含み、前記少なくとも1つの添加剤が、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   5. The molten base metal material is iron-based, includes sulfur present as an impurity, and the at least one additive includes at least one of Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. The method described in. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する少なくとも1つの酸化物を含み、前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The molten base metal material is iron-based and includes at least one oxide present as an impurity, and the at least one additive includes at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. 5. The method of claim 4, comprising one. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄および少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、Zn、Mg、Li、Sr、およびCaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The molten base metal material is iron-based, includes sulfur and at least one oxide present as impurities, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere includes Zn, Mg, Li, Sr, and Ca. 5. The method of claim 4, comprising at least one of the following. 前記溶融卑金属材料がアルミニウム合金であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、KおよびNaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのK、Na、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのK、Na、Mg、Li、Caのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The molten base metal material is an aluminum alloy, which contains sulfur and / or at least one oxide present as impurities, and wherein the at least one additive forming the protective gas atmosphere is at least one of K and Na And the at least one additive comprises at least one of K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur, and / or the at least one additive 5. The method of claim 4, wherein comprises at least one of K, Na, Mg, Li, Ca for reacting with the at least one oxide. 前記溶融卑金属材料がチタン系であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、Zn、Mg、Li、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのSr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The molten base metal material is titanium-based, includes sulfur present as an impurity and / or at least one oxide, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere includes Zn, Mg, Li, Ca, and Comprising at least one of Ba, wherein the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur. 5. The method of claim 4, wherein the at least one additive comprises at least one of Sr, Ca, and Ba for reacting with the at least one oxide. 前記溶融卑金属材料がコバルト合金であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Li、およびCaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのNa、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、Baのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The molten base metal material is a cobalt alloy and includes sulfur present as an impurity and / or at least one oxide, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere includes K, Na, Li, and Ca. And at least one additive includes at least one of Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur, and / or the at least one additive. 5. The method of claim 4, wherein the one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, Ba for reacting with the at least one oxide. 前記溶融卑金属材料がクロム合金であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。   The molten base metal material is a chromium alloy, includes sulfur present as an impurity and / or at least one oxide, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere is K, Na, Zn, Mg, Li. , Sr, Ca, and Ba, wherein the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur. And / or the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the at least one oxide The method of claim 4. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも1つの添加剤がMgを含む、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the molten base metal material is iron-based and the at least one additive comprises Mg. 鋳造部品を製造する方法であって、
少なくとも1つの添加剤を溶融卑金属材料に添加する工程であって、前記少なくとも1つの添加剤が、処理される前記溶融卑金属材料の体積の少なくとも3倍の体積を有する前記溶融卑金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、工程、および
前記少なくとも1つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に、溶融金属材料を鋳造する工程を含む、方法。
A method of manufacturing a cast part, comprising:
Adding at least one additive to the molten base metal material, wherein the at least one additive surrounds the molten base metal material having a volume at least three times the volume of the molten base metal material to be treated. Forming an atmosphere, and casting the molten metal material after adding at least some of the at least one additive.
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも1つの添加剤がマグネシウムを含む、請求項15に記載の方法。   16. The method of claim 15, wherein said molten base metal material is iron-based and said at least one additive comprises magnesium. 前記鋳造工程が、砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、または遠心鋳造を含む、請求項15に記載の方法。   16. The method of claim 15, wherein the casting step comprises sand casting, permanent mold casting, investment casting, lost foam casting, die casting, or centrifugal casting. 前記溶融卑金属材料が、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、およびクロム(Cr)のうちの少なくとも1つを含み、前記溶融卑金属材料が、銀(Ag)、ホウ素(B)、バリウム(Ba)、ベリリウム(Be)、炭素(C)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、カリウム(K)、ランタン(La)、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、モリブデン(Mo)、窒素(N)、ナトリウム(Na)、ニオブ(Nb)、リン(P)、硫黄(S)、スカンジウム(Sc)、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、ストロンチウム(Sr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、タングステン(W)、イットリウム(Y)、亜鉛(Zn)、およびジルコニウム(Zr)からなる群から選択される少なくとも1つの合金元素を任意に含有する、請求項15に記載の方法。   The molten base metal material is at least one of aluminum (Al), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), titanium (Ti), and chromium (Cr). Wherein the molten base metal material is silver (Ag), boron (B), barium (Ba), beryllium (Be), carbon (C), calcium (Ca), cerium (Ce), gallium (Ga) , Germanium (Ge), potassium (K), lanthanum (La), lithium (Li), magnesium (Mg), molybdenum (Mo), nitrogen (N), sodium (Na), niobium (Nb), phosphorus (P) , Sulfur (S), scandium (Sc), silicon (Si), tin (Sn), strontium (Sr), tantalum (Ta), vanadium (V), tungsten (W), Potassium (Y), zinc (Zn), and optionally containing at least one alloying element selected from the group consisting of zirconium (Zr), The method of claim 15. 前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、およびCaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The said molten base metal material is an iron type | system | group, The said at least one additive which forms the said protective gas atmosphere contains at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, and Ca. 19. The method according to 18. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄を含み、前記少なくとも1つの添加剤が、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   19. The molten base metal material is iron-based and includes sulfur present as an impurity, and the at least one additive includes at least one of Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. The method described in. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する少なくとも1つの酸化物を含み、前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The molten base metal material is iron-based and includes at least one oxide present as an impurity, and the at least one additive includes at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba. 19. The method according to claim 18, comprising one. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄および少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、Zn、Mg、Li、Sr、およびCaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The molten base metal material is iron-based, includes sulfur and at least one oxide present as impurities, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere includes Zn, Mg, Li, Sr, and Ca. 19. The method of claim 18, comprising at least one of the following. 前記溶融卑金属材料がアルミニウム合金であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、KおよびNaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのK、Na、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのK、Na、Mg、Li、Caのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The molten base metal material is an aluminum alloy, which contains sulfur and / or at least one oxide present as impurities, and wherein the at least one additive forming the protective gas atmosphere is at least one of K and Na And the at least one additive comprises at least one of K, Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur, and / or the at least one additive 20. The method of claim 18, wherein comprises at least one of K, Na, Mg, Li, Ca for reacting with the at least one oxide. 前記溶融卑金属材料がチタン系であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、Zn、Mg、Li、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのSr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The molten base metal material is titanium-based, includes sulfur present as an impurity and / or at least one oxide, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere includes Zn, Mg, Li, Ca, and Comprising at least one of Ba, wherein the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur. 19. The method of claim 18, wherein the at least one additive comprises at least one of Sr, Ca, and Ba for reacting with the at least one oxide. 前記溶融卑金属材料がコバルト合金であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Li、およびCaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのNa、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、Baのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The molten base metal material is a cobalt alloy and includes sulfur present as an impurity and / or at least one oxide, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere includes K, Na, Li, and Ca. And at least one additive includes at least one of Na, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur, and / or the at least one additive. 19. The method of claim 18, wherein one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, Ba for reacting with the at least one oxide. 前記溶融卑金属材料がクロム合金であり、不純物として存在する硫黄および/または少なくとも1つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも1つの添加剤が、K、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含み、前記少なくとも1つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、かつ/または前記少なくとも1つの添加剤が、前記少なくとも1つの酸化物と反応させるためのK、Na、Zn、Mg、Li、Sr、Ca、およびBaのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の方法。   The molten base metal material is a chromium alloy, includes sulfur present as an impurity and / or at least one oxide, and the at least one additive forming the protective gas atmosphere is K, Na, Zn, Mg, Li. , Sr, Ca, and Ba, wherein the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Sr, Ca, and Ba for reacting with the sulfur. And / or the at least one additive comprises at least one of K, Na, Zn, Mg, Li, Sr, Ca, and Ba for reacting with the at least one oxide The method of claim 18. 前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも1つの添加剤がMgを含む、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein said molten base metal material is iron-based and said at least one additive comprises Mg.
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