JP2021526584A - 鉄粉金属部品のバインダージェッティングおよび超固相線焼結 - Google Patents
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Abstract
混合粉末をバインダージェット積層造形印刷して印刷された部品を形成する。印刷された部品を超固相線焼結して金属部品を形成し、それを次に熱処理することによって緻密化した高強度の金属部品が製造される。前記混合粉末は、水アトマイズベースの鉄粉との高炭素母鉄合金粉末とを含む。高炭素鉄合金粉末は、ＢＪＡＭ印刷が容易な混合粉末に高濃度の炭素を導入する。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年５月１０日に出願された米国特許仮出願第６２／６６９，４５０号からの優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。
本出願は、２０１８年５月１０日に出願された米国特許仮出願第６２／６６９，４５０号からの優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。
様々な実施形態は、概して金属部品の積層造形に関し、より具体的には、金属部品のバインダージェット（ｂｉｎｄｅｒ ｊｅｔ）積層造形に関する。
金属部品の積層造形プロセスは、様々な材料で複雑な形状を製造するべく開発された。典型的にはガスアトマイズ（ＧＡ）によって生成される粒子状金属の選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）や電子ビーム溶融（ＥＢＭ）等の技術が知られている。球状ＧＡ粉末技術は高価であり、当初は航空宇宙や医療機器等の高価値市場で使用されていた。
バインダージェット積層造形（ＢＪＡＭ）プロセスは、ポリマー材料を使用した試作品の作成、および、鋳造業界向けのサンドコアの製造に用いられている。金属部品もＢＪＡＭにより低焼結密度で製造することができ、焼結後に部品を溶浸（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）する必要がある。この技術を使用して、例えば、スラリーポンプを作成可能である。
鉄の水アトマイズ（ＷＡ）を使用したＢＪＡＭプロセスが知られているが、高密度を実現するには、印刷後に行われる溶浸合金が必要であることから更なる費用がかかる場合がある。
また、最終的な特性は、所与の微細構造および生成される密度によって制限される。
また、最終的な特性は、所与の微細構造および生成される密度によって制限される。
スラリーポンプのロータやドリル部分等、産業および鉱業分野で使用される耐摩耗性の高い部品は、従来は、鍛造品から鋳造または機械加工により製造されている。これらに使用される合金は非常に高い硬度を有する必要があり、例えば、硬度５０〜６５ＨＲｃであり、機械加工は容易ではない。このように製造可能性の理由から、複雑な特徴を設けることは難しい。したがって、一つまたは複数の非限定的な実施形態では、良好な耐摩耗性の微細構造および高い硬度レベルを備えた複雑な形状の製造を容易にするべく、ＢＪＡＭおよび焼結を利用する。これらの実施形態によれば、設計の自由度および材料特性によって、従来の加工に勝る利点を提供できる。
積層造形では、通常、高価で特殊な鉄粉（ガスアトマイズ鉄粉等）が必要である。対照的に、一つまたは複数の非限定的な実施形態では、容易に入手可能な低コストの水アトマイズによるものを使用する。
一つまたは複数の非限定的な実施形態では、水アトマイズベースの鉄粉と少なくとも一つの母鉄合金粉末とを混合した粉末をＢＪＡＭ印刷して印刷された部品を形成し、印刷された部品を超固相線焼結することによって金属部品を製造する方法を提供する。
これらの実施形態の一つまたは複数において、方法はまた、前記印刷の前に、水アトマイズ系鉄粉を少なくとも一つの母鉄合金粉末と混合して、混合粉末を生成する工程を備える。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記水アトマイズベースの鉄粉は、純鉄粉またはプレアロイ鉄粉を含む。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記焼結する工程によって、前記金属部品が緻密化する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記金属部品は、高強度の金属部品を含む。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記鉄合金は、遷移元素を含む。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記遷移元素は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、ＮｉまたはＣｕを含む。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記少なくとも一つの母鉄合金粉末は、５〜１０ｗｔ％の炭素を含む。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記少なくとも一つの母鉄合金粉末は、４５μｍ未満のＤ５０粒子サイズを有する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記水アトマイズベースの鉄粉は、４０μｍ未満のＤ５０粒子サイズを有する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記水アトマイズベースの鉄粉は、７０〜１３０μｍのＤ５０粒子サイズを有する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記混合粉末の合金総含有量は、１５〜３５ｗｔ％である。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記混合粉末の炭素含有量は、２〜５ｗｔ％である。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記印刷する工程は、前記印刷された部品を形成するべく、硬化および粉末除去することを含む。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記印刷された部品は、前記焼結する工程の前に４０〜６０％の気孔率を有し、前記焼結する工程によって、前記金属部品における気孔率が１０％未満に減少する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記金属部品の気孔率は１０％未満である。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記焼結する工程は、１１００〜１４００℃で行われる。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記焼結する工程により、前記印刷された部品が１５〜２５％線収縮する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記金属部品の微細構造は、母材に埋め込まれている炭化物相部分を含み、前記母材は前記炭化物相部分よりも柔らかい。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記炭化物相部分の微小硬度は１０００−１７００ＨＶ０．１である。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記母材の微小硬度は２５０〜８００ＨＶ０．１である。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記焼結する工程が完了した後、前記金属部品は３０〜５０ＨＲＣの硬度を有する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記方法は、前記焼結する工程の後、前記金属部品を熱処理する工程を更に備え、前記熱処理により前記金属部品の硬度が増加する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記金属部品は、
これら実施形態の一つまたは複数において、前記熱処理する工程の後、前記金属部品は、少なくとも５０ＨＲＣの硬度を有する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記熱処理後、前記金属部品は５５〜６５ＨＲＣの硬度を有する。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記炭化物相部分の微小硬度は１０００−１７００ＨＶ０．１である、
これら実施形態の一つまたは複数において、前記母材の微小硬度は６００〜８００ＨＶ０．１である。
これら実施形態の一つまたは複数において、前記熱処理後、前記金属部品は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−１０手順Ａに従った場合に１００ｍｍ3以下の体積損失となる耐摩耗性を有する。
一のまたは複数の実施形態は、印刷された部品を形成するべく、混合粉末をバインダージェット積層造形印刷する工程と、前記金属部品を形成するべく、前記印刷された部品を超固相線焼結する工程と、によって製造される金属部品を提供する。前記混合粉末は、水アトマイズベースの鉄粉と少なくとも一つの母鉄合金粉末とを含む。
一つまたは複数の実施形態は、正味の所望の部品の形状およびサイズを達成するための二次操作を必要とせずに、高密度、高硬度および高強度を有する複雑な形状の合金鉄部品の製造を容易にする。
様々な実施形態において、前記ＢＪＡＭ印刷プロセスは、複雑な形状を有する丈夫で硬い部品の少数ロットの製造の新規市場を促進する。
これらの実施形態のうちの一つまたは複数に従って製造される部品は、ドリル部品、スラリーポンプ等を含む。
本発明の様々な実施形態のこれらおよび／または他の態様の１つ以上、並びに関連する構造要素の動作方法および機能、そして製造における各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ、以下の説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってより明らかになるであろう。これらは何れも本明細書の一部を構成する。本明細書において、同様の参照符号は種々の図における対応部分を表す。更に、本明細書における任意の一実施形態に示される、または説明される構造的特徴は、他の各実施形態においても用いられ得ることが理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲において用いられる場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」には複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によって別に解すべきことが明らかな場合にはこの限りでない。
本明細書において開示されるすべての閉鎖式の値の範囲（例えば、「ＡとＢの間」）及び開放式の値の範囲（例えば、「Ｃより大きい」）は、その範囲内のすべての範囲を明示的に含む。例えば、１から１０までと開示された範囲は、２から１０まで、１から９まで、３から９まで、等の範囲をも開示しているものと理解される。同様に、複数のパラメータ（例えば、パラメータＣ、パラメータＤ）が範囲を有するものとして別個に開示される場合、本明細書に開示される実施形態は、１つのパラメータ（例えば、パラメータＣ）の開示された範囲内の任意の値と他のパラメータの（たとえば、パラメータＤ）内の開示された範囲内の任意の値との組み合わせを明示的に含む
様々な実施形態並びにそれらの他の目的および更なる特徴をより理解するために、添付図面と共に用いられるべき以下の記載が参照される。
図１は、様々な実施形態に係る、金属部品を製造する様々な方法を示すフローチャートである。ステップ１Ａ〜５Ａは、熱処理されていない部品１６０の製造工程であり、ステップ１Ｂ〜６Ｂは、熱処理された部品２００の製造工程である。
ステップ１Ａ／１Ｂにおいて、ベース鉄粉および／またはプレアロイベース鉄粉１００が母合金粉末１１０と混合されて、混合粉末１２０が生成される。
様々な実施形態によれば、ベース鉄粉１００は、少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％および／または１００％水アトマイズ（ＷＡ）元素鉄粉を含む。様々な実施形態によれば、鉄粉１００は、一般的な低コストのＷＡ鉄粉を含む。様々な実施形態によれば、ＷＡ鉄粉１００は、Ｄ４０、Ｄ４５、Ｄ５０、Ｄ５５、Ｄ６０、Ｄ６５、Ｄ７０、Ｄ７５および／またはＤ８０における粒子サイズとして、（ａ）１５０μｍ、１４０μｍ、１３０μｍ、１２５μｍ、１２０μｍ、１１５μｍ、１１０μｍ、１０５μｍ、１００μｍ、９５μｍ、９０μｍ、８５μｍ、８０μｍ、７０μｍ、６５μｍ、６０μｍ、５５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４０μｍ、３５μｍおよび／または３０μｍ未満、（ｂ）２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍ、５５μｍ、６０μｍ、６５μｍ、７０μｍ、７５μｍ、８０μｍ、８５μｍ、９０μｍ、９５μｍおよび／または１００μｍ以上、および／または（ｃ）これらのうちの任意の２つの値の間（例えば、Ｄ５０粒子サイズとして、２０〜１５０μｍ、２５〜４０μｍおよび／または９０〜１１０μｍ；Ｄ６０粒子サイズの２０〜１５０μｍ、２５〜４０μｍおよび／または９０〜１１０μｍ）の大きさを有する。
様々な実施形態において、母合金粉末１１０は、高合金高炭素含有量の鉄粉末を含む少なくとも一つの鉄合金粉末を備える。様々な実施形態によれば、母合金粉末１１０の合金材料は、鋼および鋳鉄冶金で典型的に使用される遷移元素のうちの一つまたは複数を含み、これに限定されないが、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｉおよび／またはＣｕのうちの一つまたは複数を含む。この場合、母合金粉末１１０は、フェロマンガン（ＦｅＭｎ）、フェロクロム（ＦｅＣｒ）、フェロバナジウム（ＦｅＶ）および／またはフェロモリブデン（ＦｅＭｏ）等の一つまたは複数の合金鉄（フェロアロイ）を含んでもよい。様々な実施形態において、母合金粉末１１０は、このような合金鉄のうちの一つまたは複数からなる混合物（このような合金鉄の任意の全ての組み合わせを含む）を含む。例えば、様々な実施形態において、母合金粉末１１０は、ＦｅＭｎ混合粉末（以下でさらに説明する）およびＦｅＣｒ混合粉末（以下でさらに説明する）の混合物を含む。
様々な実施形態によれば、母合金粉末１１０の炭素含有量は、（ａ）少なくとも２ｗｔ％、３ｗｔ％、４ｗｔ％、５ｗｔ％、６ｗｔ％、７ｗｔ％、８ｗｔ％、９ｗｔ％および／もしくは１０ｗｔ％、（ｂ）１４ｗｔ％、１３ｗｔ％、１２ｗｔ％、１１ｗｔ％、１０ｗｔ％、９ｗｔ％、８ｗｔ％、７ｗｔ％、６ｗｔ％、５ｗｔ％、４ｗｔ％、３ｗｔ％、２ｗｔ％および／もしくは１ｗｔ％未満、ならびに／または（ｃ）これらの値のうちの任意の２つの間の値（例えば、２〜１４ｗｔ％、５〜１０ｗｔ％）、である。様々な実施形態によれば、高炭素含有量の鉄合金を使用することにより、合金粉末１１０の効果的なＢＪＡＭ印刷が容易となり、印刷される部品１３０に含有される炭素のＢＪＡＭ導入が容易となる。したがって、鉄合金は、印刷される部品１３０の炭素含有量を増加させる、効果的な炭素のＢＪＡＭ印刷可能担体として機能する。
様々な実施形態によれば、母合金粉末１１０は、Ｄ４０、Ｄ５０、Ｄ６０、Ｄ７０および／またはＤ８０における粒子サイズとして、（ａ）７０μｍ、６５μｍ、６０μｍ、５５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４０μｍ、３５μｍ、３０μｍ、２５μｍ、２０μｍ、１９μｍ、１８μｍ、１７μｍ、１６μｍ、１５μｍ、１４μｍ、１３μｍ、１２μｍ、１１μｍ、１０μｍおよび／もしくは９μｍ未満、（ｂ）５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍおよび／もしくは３０μｍ、ならびに／または（ｃ）このような値のうちの任意の２つの間の値（例えば、５〜７０μｍの間、５〜４５μｍの間、８〜１２μｍの間の値）を有する。
一実施形態では、母合金粉末１１０は、Ｄ５０のサイズが８．１μｍ、Ｄ９７のサイズが２０．７６μｍである時、Ｃを６．５３％、Ｍｎを７５．３％、Ｓｉを１．５％、Ｓを０．０２５％およびＰを０．１８％含有する。以下、この母合金粉末をＦｅＭｎ混合粉末と称する（但し、実際には、当該粉末は他の成分も含む）。
別の実施形態では、母合金粉末１１０は、Ｄ５０のサイズが８．２μｍ、Ｄ９７のサイズが２２．１８μｍである時、Ｃを８．７％、Ｃｒを６０．４％、Ｓｉを２．７％、Ｓを０．０３％およびＰを０．０３％含有する。以下、この母合金粉末をＦｅＣｒ混合粉末と称する（但し、実際には、当該粉末は他の成分も含む）。
更に別の実施形態によれば、母合金粉末１１０は、ＦｅＣｒ混合粉末を５０％、ＦｅＭｎ混合粉末を５０％含む。更に別の実施形態によれば、母合金粉末１１０は、ＦｅＣｒ混合粉末を約９７％、ＦｅＭｎ混合粉末を約３％含む。母合金粉末１１０に使用される混合粉末の比率は任意に設定可能であり、例えば、ＦｅＣｒ混合粉末を少なくとも１％、２％、３％、４％、５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％および／もしくは９９％、ならびに／または、ＦｅＭｎ混合粉末を少なくとも１％、２％、３％、４％、５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％および／もしくは９９％含む。
様々な実施形態において、元素状炭素（例えば、グラファイト）を介するのではなく、母合金粉末１１０を介して炭素を導入することにより、混合粉末１２０（および結果として得られる印刷された部品１３０）内における炭素含有量をより均一に混合させ分布させるようにすることができる。
様々な実施形態において、特定の用途における特性要件を達成するべく混合粉末１２０を適切に調整するために、様々な組み合わせでベース鉄粉１００と母合金粉末１１０とが混合され得る。様々な実施形態によれば、混合粉末１２０におけるベース鉄粉１００の含有量は、（ａ）少なくとも４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％および／もしくは８５％、（ｂ）９５％、９０％、８５％、８０％、７５％、７０％、６５％、６０％、５５％、５０％、４５％、４０％および／もしくは３５％未満、ならびに／または、（ｃ）このような値のうちの任意の２つの間の値（例えば、４５〜９５％、５５〜６５％、７５〜８５％）である。様々な実施形態によれば、混合粉末１２０における母合金粉末１１０の含有量は、（ａ）６５％、６０％、５５％、５０％、４５％、４０％、３５％、２５％、２０％および／もしくは１５％未満、（ｂ）５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％および／または６５％を超える値、ならびに／または、（ｃ）このような値のうちの任意の２つの間の値（例えば、５〜６５％、３５〜４５％、２５〜３５％）である。
様々な実施形態によれば、混合粉末１２０における、非Ｆｅ合金の総含有量（すなわち、混合粉末１２０における非鉄成分の累積含有量（例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃ等を含む））は、少なくとも５ｗｔ％、１０ｗｔ％、１５ｗｔ％、２０ｗｔ％、２５ｗｔ％、または、５０ｗｔ％、４５ｗｔ％、４０ｗｔ％、３５ｗｔ％、３０ｗｔ％未満、ならびに／または、これらの値のうち任意の２つの間の値（例えば、５〜５０ｗｔ％、１０〜４５ｗｔ％、１５〜３５ｗｔ％）である。様々な実施形態によれば、混合粉末１２０における総鉄含有量は、（ａ）Ｆｅを、少なくとも５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％および／もしくは９５％、（ｂ）Ｆｅを、５％、１０％、１５％、２０％および／もしくは２５％未満、ならびに／または（ｃ）これらの上限値および下限値のうちの任意の２つの間の値（例えば、５０〜９５％、５５〜９０％、６５〜８５％）である。
様々な実施形態によれば、混合粉末１２０における炭素含有量は、（ａ）少なくとも１ｗｔ％、２ｗｔ％、２．５ｗｔ％、３ｗｔ％、３．５ｗｔ％および／もしくは４ｗｔ％、（ｂ）６ｗｔ％、５．５ｗｔ％、５ｗｔ％、４．５ｗｔ％、４ｗｔ％、３．５ｗｔ％、３ｗｔ％、２．５ｗｔ％、２ｗｔ％および／もしくは１ｗｔ％未満、ならびに／または、（ｃ）このような値のうちの任意の２つの間の値（例えば、２〜５ｗｔ％、２〜３．５ｗｔ％）である。
一実施形態（以下、混合コードＥ２３３２と称する）によれば、混合粉末１２０は、ＦｅＣｒ合金粉末（例えば、Ｆｅを２８％、Ｃｌを６０％、Ｃを９％）を約２０％、ＦｅＭｎ合金混合粉末（例えば、Ｆｅを１７％、Ｍｎを７５％、Ｃを６％）を２０％、およびベース鉄粉１００を約６０％含む。様々な実施形態によれば、焼結後、Ｅ２３３２の混合粉末は、Ｃを約３．０５％、Ｍｎを１５％、Ｃｌを１２％、Ｓｉを０．８４％、およびＦｅを約７０％含む。
別の実施形態（以下、混合コードＥ２１３８と称する）によれば、混合粉末１２０は、ＦｅＣｒ粉末を約３０％、ＦｅＭｎ粉末を１％、およびベース鉄粉末１００を約６９％含む。様々な実施形態によれば、焼結後、Ｅ２１３８の混合粉末は、Ｃを約２．７％、Ｍｎを０．７５％、Ｃｌを１８．１％、Ｓｉを０．８３％、およびＦｅを約７８％含む。
様々な実施形態によれば、混合粉末１２０は、Ｃｌを１１〜３０％、Ｎｉ０〜２．５％の、Ｍｎを０〜１８％の、Ｍｏを０〜３％、Ｃｕを０〜１．２％、Ｃを２〜５％、Ｖを０〜３％含み、残りはＦｅと避けられない不純物である。
ステップ２Ａ／２Ｂにおいて、混合粉末１２０は、３Ｄ部品１３０を形成するために、互いに結合された複数の層からなる印刷された３Ｄ部品１３０へとＢＪＡＭ印刷される。様々な実施形態において、炭素は、元素炭素（例えば、グラファイト）を介してではなく、母合金粉末１１０に含有される炭素を介して部品１３０に導入される。様々な実施形態においてこのように構成することにより、元素状炭素（例えば、グラファイト）をＢＪＡＭ印刷するという難しい工程を回避できる、および／または、より高い炭素含有量を有するようにＷＡ鉄粉を改質する必要性を回避できる。元素状炭素（グラファイト）は非常に細かく（例えば、５〜１５μｍ）塵状であるため、うまく混ざり合わなかったり、流動性に乏しく広がり難いため、印刷する粉末に元素状炭素を単純に混合することは難しいまたは不可能である。様々な実施形態によれば、母合金として炭素を添加することにより、粉末床での混合および拡散が可能になる。
ステップ３Ａ／３Ｂにおいて、印刷された部品１３０を硬化して粉末除去し、圧粉体状の部品１４０を形成する。様々な実施形態によれば、圧粉体状の部品１４０の密度は、（ａ）少なくとも３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％および／もしくは６０％、（ｂ）６５％、６０％、５５％、５０％、４５％および／もしくは４０％未満、および／または、（ｃ）これらの値のうちの任意の２つの間の値（例えば、３０〜６５％、３０〜６０％、３５〜５５％、４０〜６０％）である。様々な実施形態によれば、圧粉体状の部品１４０の密度は、混合粉末１２０の粒子サイズ分布の関数であり、混合粉末１２０の見掛け密度に比較的近い（例えば、様々な非限定的な実施形態において、３ｇ／ｃｃから４ｇ／ｃｃの範囲）。
ステップ４Ａ／４Ｂにおいて、圧粉体状の部品１４０は、超固相線焼結されて、焼結された部品１５０が形成される。超固相線焼結により、様々な割合の液相と固相との組み合わせが存在する。液相材料は部品の収縮および緻密化に役立ち、固相材料は構成要素の形状を維持して崩壊するのを回避するのに役立つ。
様々な実施形態において、超固相線焼結は１１００〜１４００℃の間の温度で生じる。様々な実施形態において、焼結温度は、部品１４０の構成物質の超固相線温度（すなわち、部品１４０の状態図に基づく超固相線範囲）に対応するように選択される。焼結温度が上昇すると、炭素は液相を局所的に形成するまで拡散し、合金元素と鉄との相互拡散を促進する。最高温度では、わずかな液相が残り、粒子の固化と焼結、細孔の丸め、緻密化および炭素と合金との均質化が更に加速される。
部品の形状を保持するのに十分な固相材料を維持すると同時に液相材料を増やすように、焼結温度を調節してもよい。一のまたは複数の実施形態において、焼結は図２における斜線で示した超固相線温度領域で起こる。図２の状態図はＦｅ−Ｃの場合であり、説明のみを目的として示されている。合金（遷移金属等）を添加すると、実際の合金粉末の状態図は変化する。
様々な実施形態において、焼結によって圧粉体状の部品１４０が収縮および高密度化し、その密度が（ａ）少なくとも８０％、８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％および／または９２％、（ｂ）１００％、９９％、９８％、９７％、９６％、９５％、９４％、９３％未満、ならびに／または（ｃ）これらの値のうちの任意の２つの間の値（例えば、８０〜９９％、８５〜９５％、９０〜９５％）である焼結済部品１５０が得られる。様々な実施形態において、このような密度は材料の焼結後の溶浸を行うことなく達成される。
様々な実施形態によれば、焼結によって、圧粉体状の部品１４０が（ａ）少なくとも１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２１％、２２％、２３％、２４％、２５％、２６％、２７％、２８％、２９％および／もしくは３０％、（ｂ）４０％、３５％、３４％、３３％、３２％、３１％、３０％、２９％、２８％、２７％、２６％、２５％、２４％、２３％、２２％、２１％、２０％、１９％および／もしくは１８％、ならびに／または（ｃ）これらの値のうちの任意の２つの間の値（例えば、１５〜４０％、２０〜２７％、１５〜２５％）線収縮する。
ステップ５Ａにおいて、焼結済金属部品１５０は、（例えば、機械加工、研磨等により）仕上げが行われて、熱処理されていない最終金属部品１６０となる。様々な実施形態において、仕上げ工程は省略されてもよく、この場合、焼結済金属部品１５０が最終的な金属部品となる。
様々な実施形態において、部品１６０は、（ａ）少なくとも２５ＨＲＣ、３０ＨＲＣ、３５ＨＲＣ、４０ＨＲＣおよび／もしくは４５ＨＲＣ、（ｂ）５５ＨＲＣ、５０ＨＲＣ、４５ＨＲＣ、４０ＨＲＣおよび／もしくは３５ＨＲＣ未満、ならびに／または（ｃ）これらの値のうちの任意の２つの間の値（例えば、２５〜５５ＨＲＣ、３０〜５０ＨＲＣ、３５〜４５ＨＲＣ）の硬度を有する。
様々な実施形態において、部品１６０は、炭化物相部分よりも柔らかいオーステナイト母材に埋め込まれた比較的硬い炭化物相部分を含む微細構造を有する。様々な実施形態において、部品１６０は耐摩耗性および優れた靭性という良好な組み合わせを有する。様々な実施形態において、炭化物相部分は１０００〜１７００ＨＶ０．１の微小硬度を有し、母材は２５０〜８００ＨＶ０．１および／または２５０〜３５０ＨＶ０．１の微小硬度を有する。
一のまたは複数の実施形態によれば、混合粉末１２０はＥ２３３２であり、焼結は約１１８０℃で生じて約２３％の線収縮をもたらし、部品１６０の焼結後（例えば、熱処理されていない）硬度は約３７．０ＨＲＣ、炭化物相部分の微小硬度は約１０８９ＨＶ０．１であり、母材（例えば、オーステナイト）の微小硬度は約３１３ＨＶ０．１であり、部品１６０の横破裂強度（ＴＲＳ）は約１３７３ＭＰａである。
これに代えて、焼結済金属部品１５０は、ステップ５Ｂとして示されるように熱処理（例えば、硬化、焼き入れ）されてもよい。
図１には図示していないが、ステップ５Ｂの熱処理の前に、焼結済金属部品の仕上げ／機械加工を行ってもよい。様々な実施形態において、仕上げ／機械加工は、熱処理の前に行う方が容易である。仕上げ／機械加工は、最終部品２００の所望の形状および公差に部品１５０を適合させるために行われ得る。
ステップ６Ｂにおいて、熱処理された金属部品に仕上げが行われ、最終的な熱処理済金属部品２００が形成される。様々な実施形態において、仕上げ工程は省略されてもよく、この場合、熱処理済金属部品が最終金属部品となる。
様々な実施形態において、部品２００は、硬質マルテンサイト母材に埋め込まれた硬質炭化物相部分を含む微細構造を有する。様々な実施形態において、部品は、優れた耐摩耗性および高硬度を有する。様々な実施形態において、部品２００の炭化物相部分は、１０００〜１７００ＨＶ０．１の微小硬度を有する。様々な実施形態において、部品２００の母材は、６００〜８００ＨＶ０．１の微小硬度を有する。様々な実施形態において、熱処理後、金属部品２００は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−１０手順Ａに従った場合に１００ｍｍ3以下の体積損失となる耐摩耗性を有する。
様々な実施形態によれば、金属部品２００は、（ａ）少なくとも４０ＨＲＣ、４５ＨＲＣ、５０ＨＲＣ、５５ＨＲＣおよび／もしくは６０ＨＲＣ、（ｂ）８０ＨＲＣ、７５ＨＲＣ、７０ＨＲＣ、６５ＨＲＣおよび／もしくは６０ＨＲＣ未満、ならびに／または（ｃ）これらの値のうちの任意の２つの間の値（例えば、４０〜８０ＨＲＣ、５０〜６０ＨＲＣ、５５〜６５ＨＲＣ）の硬度を有する。
一のまたは複数の実施形態において、混合粉末１２０はＥ２１３８であり、焼結が約１３００℃で行われた後は約７．５０ｇ／ｃｃの密度となり、焼結済部品１５０は中性硬化を介して熱処理され、熱処理後の部品２００の熱処理後硬度は約６０ＨＲＣであり、炭化物相部分の微小硬度は約１５５０ＨＶ０．１であり、マルテンサイト母材の微小硬度は約６９０ＨＶ０．１である。別の実施形態では、Ｅ２１３８混合粉末１２０は、熱処理ステップを省略した製造方法で使用され、フェライト／パーライト母材に埋め込まれた炭化物相を有するＥ２１３８から作製された最終金属部品１６０を提供できる。
特に明記されていない限り、全ての含有量とパーセンテージは重量ベースである。したがって、５％は５重量（ｗｔ）％を意味する。
様々な実施形態において、部品１５０、１６０、２００としては、削岩機の構成要素（例えば、ライフルナット２１０（図３を参照）、スプラインナット、ライフルピストン、チャック等）が挙げられ、これに限定されないが、米国特許第３，０５５，４４１号または第２，０６１，８０７号に開示されている削岩機の構成要素の全てが含まれ、これらの両方の特許の内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。様々な実施形態において、部品１５０、１６０、２００としては、スラリーポンプの１つ以上の構成要素（例えば、ロータ、ベーン、インペラ、ポンプハウジング、ボリュート）が挙げられ、これに限定されないが、スラリーポンプの米国特許第５，７９７，７２４号に開示されている構成要素の全てが含まれ、本特許の内容全体が本明細書に組み込まれる。
上記の例示的な各実施形態は、様々な実施形態の構造的および機能的な原理を示すために与えられたものであって、限定することを意図したものではない。むしろ、本発明の原理は、その任意および全ての変更、改変、および／または代替（例えば、以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲内にある任意の改変）を含むことを意図している。
Claims (30)
- 金属部品を製造する方法であって、
印刷された部品を形成するべく、混合粉末をバインダージェット積層造形印刷する工程と、
前記金属部品を形成するべく、前記印刷された部品を超固相線焼結する工程と、を備え、
前記混合粉末は、水アトマイズベースの鉄粉と少なくとも一つの母鉄合金粉末とを含む、方法。 - 前記印刷する工程の前に、前記水アトマイズベースの鉄粉と、前記少なくとも一つの母鉄合金粉末とを混合して、前記混合粉末を形成する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
- 前記水アトマイズベースの鉄粉は、純鉄粉またはプレアロイ鉄粉を含む、請求項２に記載の方法。
- 前記焼結する工程によって、前記金属部品が緻密化する、請求項１に記載の方法。
- 前記金属部品は、高強度の金属部品を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも一つの母鉄合金粉末は、少なくとも一つの遷移元素を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの遷移元素は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、ＮｉまたはＣｕを含む、請求項６に記載の方法。
- 前記少なくとも一つの母鉄合金粉末は、５〜１０ｗｔ％の炭素を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも一つの母鉄合金粉末は、４５μｍ未満のＤ５０粒子サイズを有する、請求項１に記載の方法。
- 前記水アトマイズベースの鉄粉は、４０μｍ未満のＤ５０粒子サイズを有する、請求項１に記載の方法。
- 前記水アトマイズベースの鉄粉は、９０〜１１０μｍのＤ５０粒子サイズを有する、請求項１に記載の方法。
- 前記混合粉末の合金総含有量は、１５〜３５ｗｔ％である、請求項１に記載の方法。
- 前記混合粉末の炭素含有量は、２〜５ｗｔ％である、請求項１に記載の方法。
- 前記印刷する工程は、前記印刷された部品を形成するべく、硬化および粉末除去することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記印刷された部品は、前記焼結する工程の前に４０〜６０％の気孔率を有し、
前記焼結する工程によって、前記金属部品における気孔率が１０％未満に減少する、請求項１に記載の方法。 - 前記金属部品の気孔率は１０％未満である、請求項１に記載の方法。
- 前記焼結する工程は、１１００〜１４００℃で行われる、請求項１に記載の方法。
- 前記焼結する工程は、前記印刷された部品を１５〜２５％線収縮させる、請求項１に記載の方法。
- 前記金属部品の微細構造は、母材に埋め込まれている炭化物相部分を含み、前記母材は前記炭化物相部分よりも柔らかい、請求項１に記載の方法。
- 前記炭化物相部分の微小硬度は１０００−１７００ＨＶ０．１である、請求項１９に記載の方法。
- 前記母材の微小硬度は２５０〜８００ＨＶ０．１である、請求項１９に記載の方法。
- 前記焼結する工程が完了した後、前記金属部品は３０〜５０ＨＲＣの硬度を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記焼結する工程の後、前記金属部品を熱処理する工程を更に備え、前記熱処理により前記金属部品の硬度が増加する、請求項１に記載の方法。
- 前記熱処理する工程の後、前記金属部品の微細構造は、マルテンサイト母材に埋め込まれた炭化物相部分を含む、請求項２３に記載の方法。
- 前記熱処理する工程の後、前記金属部品は、少なくとも５０ＨＲＣの硬度を有する、請求項２３に記載の方法。
- 前記熱処理後、前記金属部品は５５〜６５ＨＲＣの硬度を有する、請求項２３に記載の方法。
- 前記炭化物相部分の微小硬度は１０００−１７００ＨＶ０．１である、請求項２３に記載の方法。
- 前記母材の微小硬度は６００〜８００ＨＶ０．１である、請求項２３に記載の方法。
- 前記熱処理後、前記金属部品は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−１０手順Ａに従った場合に１００ｍｍ3以下の体積損失となる耐摩耗性を有する、請求項２３に記載の方法。
- 印刷された部品を形成するべく、混合粉末をバインダージェット積層造形印刷する工程と、
前記金属部品を形成するべく、前記印刷された部品を超固相線焼結する工程と、によって製造された金属部品であって、
前記混合粉末は、水アトマイズベースの鉄粉と少なくとも一つの母鉄合金粉末とを含む、前記金属部品。
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