JP2020500261A - 遊離黒鉛含有粉末 - Google Patents
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Abstract
熱処理および／または焼結後に増加した量の遊離黒鉛を含有する改善された噴霧化粉末金属材料が提供される。粉末金属材料は、典型的には鉄合金であり、粉末金属の総重量に基づいて、１．０重量％〜６．５重量％の量の炭素および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素を含む。粉末金属材料はまた、他の様々な合金元素、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを含み得る。
Description
関連出願の相互参照
この米国実用新案特許出願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４０９，２４４号、および２０１７年１０月１６日に出願された米国実用新案特許出願第１５／７８４，５８７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。
この米国実用新案特許出願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４０９，２４４号、および２０１７年１０月１６日に出願された米国実用新案特許出願第１５／７８４，５８７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。
本発明は、一般に粉末金属材料、粉末金属材料を含む焼結部品、ならびに粉末金属材料および焼結部品を形成する方法に関する。
粉末金属材料は、バルブガイド、バルブシートインサート、ギア、およびブッシュなどの自動車用途のための改善された耐摩耗性および／または潤滑性および／または機械加工性を有する部品を形成するためにしばしば使用される。粉末金属材料は、典型的には、溶融金属材料を水またはガス噴霧化して複数の噴霧化粒子を形成することによって形成される。次いで、噴霧化粒子を、ふるい分け、粉砕、熱処理、他の粉末とのブレンド、凝固／圧縮、印刷（積層造形）、および焼結などの様々な処理に供して、改善された特性を有する部品を形成することができる。
粉末金属産業では、焼結後に部品中に遊離黒鉛を得るための努力がなされてきた。遊離黒鉛は、潤滑による耐摩耗性の改善、機械加工性の向上、および軽量などのいくつかの利点を提供することができる。遊離黒鉛はまた、超固相液相焼結によって大きな緻密化の可能性を提供し、焼結後に高い相対密度の可能性を提供することができる。しかしながら、ほとんどの粉末金属部品は、鉄合金からなり、黒鉛の主成分である炭素は、高温で鉄にかなり溶けやすく、冷却中に炭化物を容易に形成するので、遊離黒鉛を得るという課題は、容易ではない。
発明の概要
本発明の１つの態様は、遊離黒鉛を含有する改善された粉末金属材料を提供する。粉末金属材料は、典型的には鉄合金であるが、別の鉄、ニッケル、および／またはコバルト系材料でもあり得る。粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、１．０重量％〜６．５重量％の量の炭素および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素を含む。粉末金属材料はまた、他の様々な合金元素、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを含み得る。粉末金属材料も噴霧化されており、遊離黒鉛を含む。
本発明の１つの態様は、遊離黒鉛を含有する改善された粉末金属材料を提供する。粉末金属材料は、典型的には鉄合金であるが、別の鉄、ニッケル、および／またはコバルト系材料でもあり得る。粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、１．０重量％〜６．５重量％の量の炭素および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素を含む。粉末金属材料はまた、他の様々な合金元素、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを含み得る。粉末金属材料も噴霧化されており、遊離黒鉛を含む。
本発明の別の態様は、粉末金属材料を製造する方法を提供する。本方法は、溶融物を水またはガス噴霧化することを含むが、他の粉末製造プロセス、例えばプラズマ噴霧化および回転ディスク噴霧化を使用して、粉末金属材料とも呼ばれる複数の噴霧化粒子を形成することができる。本方法は、好ましくは、材料中に存在する遊離黒鉛の量を増加させるために噴霧化粒子を熱処理することを含む。
本発明の別の態様は、粉末金属材料から形成された焼結部品、およびその焼結部品の製造方法を提供する。
粉末金属材料中に存在する遊離黒鉛は、機械加工性の向上、軽量化、および焼結後の高密度化の可能性を提供する。加えて、バルブガイドなどの粉末金属材料から形成された焼結部品は、遊離黒鉛によって提供される潤滑性の増加のために改善された耐摩耗性を有する。
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。
本発明の１つの態様は、遊離黒鉛含有粉末とも呼ばれる、遊離黒鉛を含有する粉末金属材料を提供する。粉末金属材料は、典型的には溶融物を水またはガス噴霧化によって噴霧化すること、および好ましくは噴霧化粒子を熱処理することによって形成される。粉末金属材料は、焼結部品、例えば自動車用のバルブガイドを形成するために使用することができる。粉末金属材料中に存在する遊離黒鉛は、機械加工性の向上、軽量化、および焼結後の高い相対密度の可能性を提供する。粉末金属材料から形成された焼結部品はまた、遊離黒鉛によって提供される潤滑性の増加のために改善された耐摩耗性を有する。
粉末金属材料は、鉄を含み、典型的には鋳鉄粉末などの鉄合金である。鋳鉄の微細構造は、黒鉛の存在から生じる自己潤滑性、機械加工性の向上、黒鉛の低密度による軽量化、および最大で完全密な材料を含む、より大きな焼結密度の可能性を含む多数の利点により粉末金属産業において求められている。しかしながら、粉末金属材料は、ニッケル、コバルト、鉄系材料、および／またはこれらの金属の混合物などの別の種類の金属材料であり得る。鉄系粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、少なくとも５０重量％の量の鉄を含む。ニッケル系粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、少なくとも５０重量％の量のニッケルを含む。コバルト系粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、少なくとも５０重量％の量のコバルトを含む。鉄、ニッケル、および／またはコバルトの混合物に基づく材料は、少なくとも５０重量％の量の混合物を含む。各実施形態の粉末金属材料はまた、粉末金属材料の総重量に基づいて、少なくとも１．０重量％〜最大６．５重量％の量の炭素および少なくとも０．１重量％〜最大６．０重量％の量のケイ素を含む。
炭素は、黒鉛を構成し、形成され得る黒鉛の最大量を決定する。言い換えれば、黒鉛は、１００％の炭素からなり、炭素含有量が低すぎる場合、黒鉛は、沈殿しない。黒鉛の密度と鉄の密度との間には約３．５倍の係数が存在する。したがって、１．０重量％の炭素は、約３．５体積％の黒鉛を表す。炭素供給は、遊離黒鉛の可能量を低下させるので、例えば炭化物中の他の元素で制限されるべきではない。遊離黒鉛を形成するためには、炭化物形成元素の量と総炭素含有量とを慎重に均衡させるべきである。遊離黒鉛と、炭化物などの炭素を含有する他の相または微細構造成分との組み合わせも可能である。
ケイ素は、黒鉛化剤であり、これは、それが溶液中の炭素の活性を増大させるので、黒鉛の沈殿が好ましいことを意味する。黒鉛の沈殿に対するケイ素の効果は、鉄リッチ系ではより大きい。鉄系では、オーステナイトに溶解している炭素の一部は、冷却中に炭化物、例えばセメンタイトを形成する。しかしながら、ケイ素は、溶液中の炭素の活性を増大させ、炭素を溶液から追い出し、これによって黒鉛沈殿を促進する。鉄−炭素（Ｆｅ−Ｃ）系中のケイ素は、ケイ素を含まない系と比較して、所与の温度に対する液相の量を増加させる。これは、超固相液相焼結中に粉末金属材料で形成された部品の緻密化を促進する。ケイ素は、フェライトを硬化させ、他の合金元素と組み合わせると硬化性を増加させる。ケイ素はまた、炭素の拡散にも影響を及ぼし、これは、アップヒル拡散と呼ばれる。この現象は、焼結後の黒鉛の形態を制御し、したがって部品の機械的性質をより良好に制御するために利用することができる。
鋳鉄粉末では、ケイ素は、溶液中の炭素量を減少させるので、黒鉛沈殿を促進する。噴霧化鋳鉄粉末の場合、ほとんどの黒鉛は、噴霧化後の熱処理中に固体状態で沈殿する。ケイ素含有量が多いほど、黒鉛を促進するのが容易になる。鋳鉄中のケイ素含有量が少ないと、黒鉛を沈殿させるのにより長い熱処理が必要となる。しかしながら、ケイ素を粉末金属材料に導入して黒鉛を促進し、フェライトおよびパーライトの硬度を高め、また硬化性を高めることができる。一定量の炭素の場合、ケイ素は、ケイ素含有量がより少ない鋳鉄と比較して、所与の温度で液相の量を増加させる。したがって、鋳鉄に基づく粉末金属材料は、大きな緻密化、および最大で完全密な材料をもたらすことができる液相焼結のための理想的な候補である。
粉末金属材料はまた、他の様々な合金元素を含み得る。鉄（Ｆｅ）に加えて、ニッケル（Ｎｉ）、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、およびコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも１つが、典型的には遊離黒鉛を有する粉末金属材料の主成分である。しかしながら、ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）は、必要とされない。他の可能な合金元素には、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つが含まれる。粉末金属材料の可能な組成の概観は、図１の表に提供されている。
粉末金属材料に使用される合金元素の組み合わせおよび量は、ベース成分および粉末金属材料を形成するのに使用される方法に応じて変わる。例えば、アルミニウムおよびジルコニウムは、ガス噴霧化粉末のために好ましく使用される。鋳鉄に基づく粉末金属材料の場合、様々な合金元素をケイ素と組み合わせて使用して新規の微細構造を生成することができる。例えば、炭化物形成元素であるクロム、ニオブ、および／またはバナジウムは、黒鉛および炭化物の両方の形成を促進するために鋳鉄粉末に使用することができる。コバルトは、高温での機械的性質を改善し、潤滑性のために遊離黒鉛を含有する領域を得るために鋳鉄粉末中で使用することができる。さらに、バナジウム、ニオブ、タングステン、スズ、およびコバルトの組み合わせを鋳鉄粉末に使用して、コバルトに富む鉄マトリックス中に炭化物が存在することによる高温での高い耐摩耗性などの独自の特性を得ることができる。
図２は、粉末金属材料について可能な組成の範囲をそれぞれ表す４つの領域を示す図である。示された４つの領域は、炭素重量％およびケイ素重量％に関して定義されており、これらは鉄リッチ組成物中で遊離黒鉛を得るのに必要な２つの要素である。領域＃１〜＃３の組成は、合金元素として炭素およびケイ素のみを必要とする。しかしながら、領域＃４の組成は、典型的には少なくとも１つの追加の合金元素を必要とする。図３は、領域＃１の粉末金属材料中に存在する各元素の好ましい範囲を列挙する。図４は、領域＃２の粉末金属材料中に存在する各元素の好ましい範囲を列挙する。図５は、領域＃３の粉末金属材料中に存在する各元素の好ましい範囲を列挙する。図６は、領域＃４の粉末金属材料中に存在する各元素の好ましい範囲を列挙する。領域＃１〜４に開示されている組成はまた、以下の表１〜４に提供されている。粉末金属材料の組成は、表に開示されている異なる範囲または量のいずれかの組み合わせを含むことができ、例えば、その組成は、表１の炭素範囲＃１、ケイ素範囲＃４、およびニッケル範囲＃７を含むことができる。別の例は、表１の範囲＃１内の炭素量および範囲＃２内のケイ素量を含む組成物である。第３の例は、表４の範囲＃２の炭素、範囲＃２のケイ素、および範囲＃３のコバルトを含む組成物である。図７は、遊離黒鉛を含有する粉末金属材料のいくつかの具体例を示すチャートである。
１つの例示的な実施形態によれば、粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、約１．０重量％〜約２．０重量％の炭素および約０．１重量％〜約６．０重量％のケイ素を含む。別の実施形態によれば、粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、約１．１重量％〜約２．０重量％の炭素および約０．２〜約５．０重量％のケイ素、または約１．２重量％〜約１．９重量％の炭素および約０．７５〜約３．０重量％のケイ素、または約１．２重量％〜約１．８重量％の炭素および約０．７５〜約２．０重量％のケイ素、または約１．３重量％〜約１．７重量％の炭素および約０．７５〜約１．５重量％のケイ素、または約１．３５重量％〜約１．６５重量％の炭素および約１．０〜約１．５重量％のケイ素、または約１．４重量％〜約１．６重量％の炭素および約１．０〜約１．３重量％のケイ素、または具体的には１．５重量％の炭素および１．０重量％のケイ素を含む。上に列挙された炭素およびケイ素含有量を有する例示的な粉末金属材料はまた、ニッケル、コバルト、銅、スズ、アルミニウム、硫黄、リン、ホウ素、窒素、クロム、マンガン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タングステン、チタン、タンタル、ジルコニウム、またはそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含み得る。例示的な粉末金属材料は、粉末金属材料の総重量に基づいて、約４７重量％未満、または約２５重量％未満、または約１５重量％未満、または約１０重量％未満、または約８重量％未満、または１重量％を超え６重量％未満、または１．５重量％を超え４重量％未満、または具体的には２．０重量％の量のニッケルをさらに含むことができる。粉末金属材料の組成は、表に開示されている異なる範囲のいずれかの組み合わせを含むことができ、例えば、粉末金属材料は、約１．１重量％〜約２．０重量％の炭素および約０．７５〜約２．０重量％のケイ素を含む。
１つの例示的な実施形態によれば、クロム（Ｃｒ）およびマンガン（Ｍｎ）の両方は、同じ粉末金属材料中で互いに３重量％を超えず、存在するこれらの元素：コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも１つを有さない。言い換えれば、粉末金属材料の組成がコバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）を含まない場合、組成物中のクロムの量は、３．０重量％以下であり、組成物中のマンガンの量は、３．０重量％以下である。
１つの実施形態によれば、遊離黒鉛を含有する粉末金属材料は、上述の組成のうちの１つを有する溶融金属材料をガスまたは水噴霧化することによって形成される。しかしながら、プラズマ噴霧化または回転ディスク噴霧化などの他の噴霧化プロセスを使用することができる。選択された具体的な組成（通常４．６重量％のＣおよび２．６重量％のＳｉなどの過共晶組成の場合）のために、少なくともいくらかの遊離黒鉛が噴霧化粒子中に存在し得る。しかしながら、噴霧化粒子は、遊離黒鉛の総量を増加させるために熱処理されるのが好ましい。熱処理プロセスの具体的な温度および条件は、化学組成に応じて調整される。熱処理プロセス中に、遊離黒鉛が沈殿し、粉末、例えば炭化物中の硬質相の量が減少し、それにより粉末金属材料の圧縮性が増加する。
噴霧化され、好ましくは熱処理された粉末金属材料は、使用される具体的な組成および方法に応じて様々な異なる微細構造を有することができる。例えば、微細構造は、パーライト、フェライト、黒鉛、ベイナイト、オースフェライト、オーステナイト、およびマルテンサイトのうちの少なくとも１つを含み得る。いくつかの実施形態では、Ｓｎリッチ相、炭化物、および他の微細構造的特徴が粉末金属材料中に存在し得る。
図８〜２３は、上述の例示的な組成のうちの１つを有する例示的な粉末金属材料および焼結部品の微細構造を示す。図８は、１．１重量％の炭素および１．１重量％のケイ素を含む、領域＃１内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図８の粉末金属材料の微細構造は、パーライト、フェライト、および黒鉛の混合物を含む。
図９は、１．８重量％の炭素、２．０重量％のケイ素を含み、噴霧化前に０．２０重量％のマグネシウムで処理された、領域＃１内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図９の粉末金属材料の微細構造は、フェライトと黒鉛との混合物を含む。
図１０は、４．０重量％の炭素、２．５重量％のケイ素を含み、噴霧化前に０．２２重量％のマグネシウムで処理された、領域＃４内で領域＃２に近い組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図１０の粉末金属材料の微細構造は、フェライトと黒鉛との混合物（約２０体積％）を含む。
図１１は、４．５重量％の炭素および３．５重量％のケイ素を含む領域＃２内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図１１の粉末金属材料の微細構造は、フェライトと黒鉛との混合物を含む。
図１２は、５．１重量％の炭素および０．８重量％のケイ素を含む、領域＃３内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図１２の粉末金属材料の微細構造は、フェライトと黒鉛との混合物を含む。
図１３は、材料が２つの異なる熱処理に供されたときに、４．８重量％の炭素、０．７重量％のケイ素、１．０重量％の銅、および０．３６重量％のモリブデンを含む領域＃４内の組成を有する粉末金属材料の微細構造を示す。微細構造を示す図１３の２つの画像は、適用された熱処理プロセスに応じて異なる。図１３の左側の粉末金属材料の微細構造は、フェライト、黒鉛、およびベイナイトの混合物を含む。図１３の右側の微細構造は、フェライトと黒鉛との混合物を含む。
図１４は、４．７重量％の炭素、０．７重量％のケイ素、２．４重量％の銅、および０．６０重量％のモリブデンを含む領域＃４内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図１４の粉末金属材料の微細構造は、オースフェライトと黒鉛との混合物を含む。
図１５は、３．８重量％の炭素、１．０重量％のケイ素、３．５重量％の銅、および０．５重量％のモリブデンを含む領域＃４内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図１５の粉末金属材料の微細構造は、フェライトと黒鉛との混合物を含む。
図１６は、４．１重量％の炭素、１．５重量％のケイ素、および５．０重量％のスズを含む領域＃４内の組成を有する熱処理粉末金属材料の微細構造を示す。図１６の粉末金属材料の微細構造は、パーライト、黒鉛、およびパーライトと緊密に混合されたＳｎリッチ相の混合物を含む。
図１７は、固相焼結後の部品の微細構造を示す。部品は、粉末金属材料の混合物、具体的には領域＃１内の組成を有する４０．０重量％を超える粉末金属材料と、領域＃４内の組成を有する４０．０重量％超の粉末金属材料との混合物を含む。図１７の部品の微細構造は、粒子の中心にパーライト、フェライト、および黒鉛沈殿物の混合物を含む。
図１８は、同じ熱プロファイルを使用する超固相液相焼結後の２つの部品の微細構造を示す。第１の部品は、領域＃１内の組成を有する７５．０重量％未満の第１の粉末金属材料と、領域＃４内の組成を有する２５．０重量％を超える第２の粉末金属材料とを含む混合物から形成される。第２の部品は、領域＃１内の組成を有する７５．０重量％未満の同じ第１の粉末金属材料と、領域＃４内の組成を有する２５．０重量％を超える異なる第２の粉末金属材料とを含む混合物から形成される。第２の部品の第２の粉末金属材料中のケイ素の量は、第１の部品の第２の粉末金属材料中のケイ素の量とは異なる。図１８の左側の画像は、第１の部品の微細構造が、パーライト、フェライト、ならびに粒内部に位置する多数の小さな黒鉛沈殿物および粒間のいくらかの層状黒鉛を含有する領域を含むことを示す。図１８の右側の画像は、第２の部品の微細構造が、パーライト、フェライト、および層状黒鉛のみを含むことを示す。局所的なケイ素濃度勾配は、２つの部品で異なり、それは炭素のアップヒル拡散の制御による遊離黒鉛形態の制御を可能にする。加えて、両方の部品は、６％を超える緻密化を有する。
図１９は、３０．０重量％を超える量の、噴霧化前にＭｇで処理された領域＃４からの粉末と第２の一般的な鉄リッチ粉末金属材料とを含む混合物の超固相液相焼結後の２．４重量％の炭素、１．０重量％のケイ素の公称組成を有する部品の微細構造を示す。図１９の微細構造は、層状黒鉛を含むパーライトのマトリックス、少しのフェライト領域、およびいくらかの球状黒鉛を含む。その部品は、７．５％を超える緻密化を有する。
図２０は、４．１重量％の炭素、１．５重量％のケイ素、および５．０重量％のスズを含む領域＃４内の組成を有する少なくとも３０重量％の粉末で作製された同じ粉末金属材料の混合物で作製された２つの部品の微細構造を示す。しかしながら、それらの部品は、異なる条件下で焼結された。第１の部品は、固相焼結によって作製され、左側に示されている部品の微細構造は、パーライト、層状黒鉛、フェライトおよび球状黒鉛、ならびに青銅（Ｃｕ−Ｓｎ）の小さな島を含む。第２の部品は、超固相液相焼結によって作製され、右側に示されている第２の部品の微細構造は、パーライト、層状黒鉛、およびフェライトを含む。
図２１は、４．８重量％の炭素、０．７重量％のケイ素、１．０重量％の銅、および０．３６重量％のモリブデンを含む領域＃４内の組成を有する４０．０重量％を超える粉末金属材料を含有する混合物の固相焼結後の部品の微細構造を示す。図２１の微細構造は、パーライト、オースフェライト、マルテンサイト、黒鉛沈殿物、および炭化物の混合物を含む。
図２２は、同じ粉末金属材料の混合物からなるが異なる条件で焼結された２つの部品の微細構造を示す。混合物は、４．８重量％の炭素、０．７重量％のケイ素、１．０重量％の銅、および０．３６重量％のモリブデンを含む領域＃４内の組成を有する５０．０重量％を超える粉末金属材料を含有する粉末金属材料を含む。第１の部品は、固相焼結により作製され、第２の部品は、超固相液相焼結により作製された。左側に示されている第１の部品の微細構造は、ベイナイト、オースフェライト、黒鉛沈殿物、およびモリブデンを含有する炭化物の混合物を含む。右側に示されている第２の部品の微細構造は、オースフェライト、ベイナイト、および層状黒鉛の混合物を含む。
図２３は、３．０重量％の炭素、２．０重量％のケイ素、および２０重量％以上の事前合金化銅を含む領域＃４内の組成を有する３５．０重量％を超える噴霧化されたままの状態の粉末金属材料の混合物で作製された部品の微細構造を示す。焼結中に、球状黒鉛が新しい粉末金属材料の内部に沈殿した。焼結微細構造は、パーライト、遊離銅、および球状黒鉛から構成される。
上述のように、粉末金属材料は、焼結部品を形成するために使用することができる。粉末金属材料は、単独で使用することも、本発明の範囲内および本発明の範囲外のものを含めて、１つ以上の他の粉末金属材料と混合することもできる。例えば、粉末金属材料は、非合金鋼および／または合金鋼と混合することができる。粉末金属材料は、添加剤としても使用することができる。さらに、本発明の様々な実施形態による粉末金属材料を一緒に混合することができ、焼結中に形成可能な液相の位置および量に対する制御を与える特定の条件を生成することができる。これはまた、焼結後の黒鉛形態に対する制御を与え、それは部品の機械的性質に影響を与える。別の実施形態によれば、粉末金属材料は、粉末混合物中の炭素担体として使用され、それは混合された黒鉛の量を減少させ、それによりダスティングを減らす。
１つの例示的な実施形態によれば、粉末金属材料を焼結して自動車用のバルブガイド部品を形成する。エンジンの寿命の間にバルブとバルブガイドとの間に多くの摩擦が生じるので、バルブガイド部品が有するべき１つの重要な特性は、耐摩耗性である。本発明の例示的な実施形態による、４０．０重量％を超える遊離黒鉛を含有する粉末金属材料からなるバルブガイドによって達成される耐摩耗性を測定するために実験を実施した。部品を圧縮し、固体状態で焼結した。次いで、部品を、バルブガイドの摩耗を評価するために行われる標準試験であるリグ試験に供した。また、市販のバルブガイド材料である異なる基準材料から形成された２組の部品それぞれについてもリグ試験を行った。例示的な実施形態による粉末金属材料の摩耗平均値は、８つのバルブガイド部品からのデータを使用して計算された。図２４は、平均摩耗試験結果を示しており、本発明の例示的な実施形態による粉末金属材料から形成された部品が、基準材料よりも著しく良好に機能したことを示している。この実施形態の新しい材料は、焼結後に約４体積％の黒鉛を含有する。
本発明の別の態様は、上述の粉末金属材料を製造する方法を提供する。本方法は、典型的には溶融物を水またはガス噴霧化することを含むが、他の噴霧化方法を使用することもできる。溶融物は、溶融物の総重量に基づいて、少なくとも１．０重量％〜最大６．５重量％の量の炭素。および少なくとも０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素を含む、上述の組成物のうちの少なくとも１つを有する。溶融物は、他の様々な合金元素も含み得る。鉄（Ｆｅ）に加えて、ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも一方が典型的には主成分である。他の可能な合金元素には、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つが含まれる。溶融物の可能な組成の概要は、図１の表に提供されている。
噴霧化工程後、場合によっては、噴霧化粒子中に少なくともいくらかの遊離黒鉛が存在する。しかしながら、遊離黒鉛の量を増加させるために、本方法は、好ましくは噴霧化粒子を熱処理することを含む。熱処理プロセスの具体的な温度および条件は、化学組成に応じて調整される。熱処理プロセス中に、遊離黒鉛が沈殿し、粉末、例えば炭化物中の硬質相の量が減少し、それにより粉末金属材料の圧縮性が増加する。
本方法は、粉末金属材料を、本発明の範囲内または本発明の範囲外のいずれかである１つ以上の他の粉末金属材料と混合することをさらに含むことができる。
本方法はまた、典型的には、熱処理粉末金属材料を焼結して、自動車用のバルブガイド部品などの焼結部品を形成することを含む。粉末金属材料は、例えば超固相液相焼結によって、固体状態または液体状態で焼結することができる。
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、本発明の範囲内にありながら具体的に記載された以外の方法で実施されてもよい。そのような組み合わせが互いに矛盾しない限り、記載された全ての特徴および全ての実施形態は、互いに組み合わせることができると考えられる。
Claims (24)
- 材料であって、
熱処理後および／または粉末金属の焼結中に噴霧化され、かつ遊離黒鉛を含有する粉末金属を含み、
前記粉末金属が、鉄系であり、
前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、１．０重量％〜２．０重量％の量の炭素（Ｃ）および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含み、
前記粉末金属が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、材料。 - 前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、１．１重量％〜２．０重量％の量の炭素および０．２重量％〜５．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の材料。
- 前記粉末金属が焼結されている、請求項１に記載の材料。
- 材料であって、
熱処理後および／または粉末金属の焼結中に噴霧化され、かつ遊離黒鉛を含有する粉末金属を含み、
前記粉末金属が、鉄系であり、
前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、２．０重量％〜５．０重量％の量の炭素（Ｃ）および２．５重量％〜６．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含み、
前記粉末金属が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、材料。 - 前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、２．０重量％〜４．８重量％の量の炭素および２．５重量％〜４．５重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項４に記載の材料。
- 前記粉末金属が焼結されている、請求項４に記載の材料。
- 材料であって、
熱処理後および／または粉末金属の焼結中に噴霧化され、かつ遊離黒鉛を含有する粉末金属を含み、
前記粉末金属が、鉄系であり、
前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、５．０重量％〜６．５重量％の量の炭素（Ｃ）および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含み、
前記粉末金属が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、材料。 - 前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、５．０５重量％〜６．０重量％の量の炭素および０．２重量％〜５．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項７に記載の材料。
- 前記粉末金属が焼結されている、請求項７に記載の材料。
- 材料であって、
熱処理後および／または粉末金属の焼結中に噴霧化され、かつ遊離黒鉛を含有する粉末金属を含み、
前記粉末金属が、鉄系であり、
前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、２．０重量％〜５．０重量％の量の炭素（Ｃ）、０．１重量％〜２．５重量％の量のケイ素（Ｓｉ）、および以下：４．０〜４６重量％の量のニッケル、０．１〜４６重量％の量のコバルト、３．０〜４０重量％の量の銅、０．１〜１５重量％の量のスズ、０．１〜１０重量％の量のアルミニウム、０．０５〜２．０重量％の量の硫黄、１．０〜２．０重量％の量のリン、０．２０〜１．０重量％の量のホウ素、０．０５〜１．０重量％の量の窒素、２〜２５重量％の量のクロム、２〜２５重量％の量のマンガン、４〜１０重量％の量のモリブデン、０．１〜１０重量％の量のバナジウム（Ｖ）、０．１〜１０重量％の量のニオブ（Ｎｂ）、０．１〜２０重量％の量のタングステン（Ｗ）、０．１〜１０重量％の量のチタン（Ｔｉ）、０．１〜１０重量％の量のタンタル（Ｔａ）、および０．１〜１０重量％の量のジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも１つを含み、
前記粉末金属が、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、材料。 - 前記粉末金属が、前記粉末金属の総重量に基づいて、２．２重量％〜４．８重量％の量の炭素（Ｃ）、０．５重量％〜２．５重量％の量のケイ素（Ｓｉ）、および以下：４〜３５重量％の量のニッケル、０．５〜３５重量％の量のコバルト、４〜３０重量％の量の銅、０．２〜１０重量％の量のスズ、０．５〜８重量％の量のアルミニウム、０．１〜１．５重量％の量の硫黄、１．０〜１．５重量％の量のリン、０．２０〜０．４重量％の量のホウ素、０．０５〜０．６重量％の量の窒素、３〜２０重量％の量のクロム、３〜１５重量％の量のマンガン、４〜８重量％の量のモリブデン、０．５〜８重量％の量のバナジウム（Ｖ）、０．５〜８重量％の量のニオブ（Ｎｂ）、０．５〜１５重量％の量のタングステン（Ｗ）、０．５〜８重量％の量のチタン（Ｔｉ）、０．５〜８重量％の量のタンタル（Ｔａ）、および０．５〜８重量％の量のジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも１つを含み、
前記粉末金属が、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、請求項１０に記載の材料。 - 前記粉末金属が焼結されている、請求項１０に記載の材料。
- 材料を製造する方法であって、
鉄系組成物を噴霧化して粉末金属を形成する工程を含み、前記鉄系組成物が、前記粉末金属の総重量に基づいて、１．０重量％〜２．０重量％の量の炭素（Ｃ）および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含み、前記粉末金属が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、イオウ（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、方法。 - 前記噴霧化粉末金属を熱処理することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 前記噴霧化粉末金属を焼結することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 材料を製造する方法であって、
鉄系組成物を噴霧化して粉末金属を形成する工程を含み、前記鉄系組成物が、前記粉末金属の総重量に基づいて、２．０重量％〜５．０重量％の量の炭素（Ｃ）および２．５重量％〜６．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含み、前記粉末金属が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、イオウ（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、方法。 - 前記噴霧化粉末金属を熱処理することを含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記噴霧化粉末金属を焼結することを含む、請求項１６に記載の方法。
- 材料を製造する方法であって、
鉄系組成物を噴霧化して粉末金属を形成する工程を含み、前記鉄系組成物が、前記粉末金属の総重量に基づいて、５．０重量％〜６．５重量％の量の炭素（Ｃ）および０．１重量％〜６．０重量％の量のケイ素（Ｓｉ）を含み、前記粉末金属が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、イオウ（Ｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、方法。 - 前記噴霧化粉末金属を熱処理することを含む、請求項１９に記載の方法。
- 前記噴霧化粉末金属を焼結することを含む、請求項１９に記載の方法。
- 材料を製造する方法であって、
鉄系組成物を噴霧化して粉末金属を形成する工程を含み、前記鉄系組成物が、前記粉末金属の総重量に基づいて、２．０重量％〜５．０重量％の量の炭素（Ｃ）、０．１重量％〜２．５重量％の量のケイ素（Ｓｉ）、および以下：４．０〜４６重量％の量のニッケル、０．１〜４６重量％の量のコバルト、３．０〜４０重量％の量の銅、０．１〜１５重量％の量のスズ、０．１〜１０重量％の量のアルミニウム、０．０５〜２．０重量％の量の硫黄、１．０〜２．０重量％の量のリン、０．２０〜１．０重量％の量のホウ素、０．０５〜１．０重量％の量の窒素、２〜２５重量％の量のクロム、２〜２５重量％の量のマンガン、４〜１０重量％の量のモリブデン、０．１〜１０重量％の量のバナジウム（Ｖ）、０．１〜１０重量％の量のニオブ（Ｎｂ）、０．１〜２０重量％の量のタングステン（Ｗ）、０．１〜１０重量％の量のチタン（Ｔｉ）、０．１〜１０重量％の量のタンタル（Ｔａ）、および０．１〜１０重量％の量のジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも１つを含み、前記粉末金属が、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）のうちの少なくとも１つを任意に含む、方法。 - 前記噴霧化粉末金属を熱処理することを含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記噴霧化粉末金属を焼結することを含む、請求項２２に記載の方法。
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