JP3572078B2 - 焼結部品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、高い靭性及び大きい密度を有する焼結部品を製造する方法に関する。
焼結技術により鉄材料から機械的構造部品を製造することが（例えば旋盤加工、穿孔、フライス加工等の）切削成形による製造に対して有する大きい利点は、実際の成形が、ただ１つの作業工程で実際の上で廃棄物の発生なしに行われ、従ってシリーズ生産部品の場合、迅速かつ小コストで成形が可能であることにある。部品は、例えば液圧式金属粉末プレス機械で成形工具の中で例えば7t/cm²のプレス圧力でプレスされ、次いで、炉で約1120〜1150℃（通常の焼結）の温度又は約1250〜1280℃（高温焼結）で焼結され、これにより、充分な静的又は動的強度を得ることが期される。しかし、製造方法に起因して、焼結部品は常に対応する中実の材料の密度（理論密度）に比して小さい密度を有する。鉄材料では、使用プレス圧力と部品の形状とに依るが、焼結部品の実際の密度は、理論密度の約80〜92％である。この事実の必然的結果として、機械的特性の低下が起こる。そして、この欠点を補償するために寸法を大きくすることは、通常、それに伴う体積及び重量の増加に起因して許容されないので、従来、焼結部品は特に優れた機械的特性が要求される場合にはほとんど使用されていない。その上、焼結部品の中の気孔が内部切欠きとして作用することがあり、これにより動的強度が大幅に低減することがある。
焼結部品の気孔体積を低減するために、大きい燐含量を有する鉄基粉末（鉄を主成分とする粉末）を使用することが公知である。これにより焼結工程の際の収縮が大幅に大きくなり、ひいては密度が増加する。焼結部品の収縮はプレスモールド（プレスダイ）の幾何学的形状の寸法を適切に大きくすることにより考慮し、これにより焼結部品の収縮を大幅に補償できる。噴霧された溶融金属に燐を添加して合金化すること、あるいは鉄基粉末に燐化合物を付加的に混合することにより燐を添加することは、燐の添加がある程度までしか密度増加に利用できないという欠点を有する。何故ならば、燐含量をある程度以上に増加すると焼結部品の脆性が高まり、ひいては内部切欠きによる影響が現れやすくなるからである。
密度を高め気孔体積を減少する別の方法は、いわゆる再焼結技術である。この再焼結技術では、成形体は通常約700〜900℃の第１の焼結の後に再びプレス工程にかけられ、次いで最終的な仕上げ焼結にかけられる。この方法は２重のプレス及び焼結をするので、コストが大きい。
国際公開第W091/19582号明細書から公知の鉄基粉末は、比較的高い耐衝撃性を保証する。この場合、必要不可欠な合金元素として、0.3〜0.7重量％の燐と、3.5重量％のモリブデンとが定められている。その他の存在する合金元素は、和にして最大２重量％に制限されている。有利にはモリブデン含量は0.5〜2.5重量％であり、燐は0.4〜0.6重量％である（例えばFe₃Pの形での添加）。炭素に対しては0.07重量％の上限が推奨される。この鉄基粉末は、通常の焼結温度（1450℃より低い温度）に適する。この文献に記載の試験結果は、燐に対しても、モリブデンに対しても、耐衝撃性がとりわけ高い最適な含量割合が存在することを示す。すなわち、燐が0.5重量％である粉末の耐衝撃性は、モリブデン含量が０〜1.0重量％の場合に急峻に増加し、モリブデン含量が１〜２重量％の領域内で最大に到達し、モリブデン含量が3.5重量％を越えると降下して初期値より低くなることさえある。
更に、ドイツ特許出願公開第DE2943601号公報から高い強度の焼結部品を製造するための予備合金（プレアロイ）鋼粉末が公知であり、この鋼粉末は、0.35〜1.50％のMnと、0.2〜5.0％のCrと、0.1〜7.0％のMoと、0.01〜1.0％のＶと、最大0.10％のSiと、最大0.01％Alと、最大0.05％のＣと、最大0.004％のＮと、最大0.25％の酸素と、残りの鉄と、製造方法に起因して発生するその他の不純物とを含有する。鋼粉末のプレス加工性が良好であるためにＣ含量が小さいことが必要である。この鋼粉末は、溶鋼を水噴霧し、次いで1000℃で還元性雰囲気中で赤熱して製造される。プレフォームにプレス加工する前に、この鋼粉末には、通常、潤滑剤（例えば１％のステアリン酸亜鉛）が添加され、付加的に、黒鉛粉末が混合され、これにより焼結部品のＣ含量を希望の値に調整する。黒鉛粉末の添加量は、通常、0.1％の数倍（例えば0.8％）である、何故ならば焼結部品は、充分な強度を達成するために、焼結の後、油の中で焼入れしなければならないからである。従って、プレス成形された金属粉末混合物は、焼結の際に予測されるバーンオフ損失を考慮して、調質鋼にとって充分に高いＣ含量を有しなければならない。焼結工程により、Ｃ含量に起因して必然的に、冷却速度に依存してマルテンサイト、又はマルテンサイト及びベイナイト、又はベイナイト及びパーライトから成る組織が形成される。鋼の理論密度に近い値の密度を得るために、焼結部品は熱処理（調質）の前に鍛造加工されなければならない。
機械的に強いことが要求される歯車は、できるだけ高い歯底曲げ変動荷重疲労強度の外に、とりわけ高い歯側面負荷能力が必要である。従って、このような歯車は通常、焼入れされる。しかし、比較的高い燐含量の材料の場合、これは、構造部品の脆性が許容できない程に高くなる原因となる。
本発明の課題は、表面硬化が良好に可能であり、良好な動的強度特性を有し、これにより、コストのかかる再焼結技術を使用しなくとも、又は鍛造加工を行わなくとも、機械的に非常に強く負荷される構造部品のために使用でき、特に自動車変速機の歯車等として使用できる、高密度の焼結部品の製造が可能な素材としてのプレス成形鋼粉末混合物を製造し、この粉末混合物を使用して焼結部品を製造する方法を提供することにある。
上記課題は、請求の範囲第１項に記載の特徴により解決される。この方法の有利な実施例は、第２項〜第12項に記載されている。
例えばガス噴霧法、ガス／液体噴霧法、又は、有利には水噴霧法により、モリブデンを含有する溶鋼を粉化し、次いで、850〜950℃で還元性雰囲気中で弱く赤熱させて製造された鋼粉末が、粉末冶金において通常の潤滑剤（例えばステアリン酸亜鉛）と混合した後、非常に小さい気孔体積を有する構造部品、すなわち、材料の理論値に近い可及的最大の密度（理論値の例えば95〜98％）を有する材料に成形できること発見したことは、意外な結果であった。この場合、6.0〜8.0t/cm²、有利には6.5〜7.5t/cm²の領域内の通常の圧力を印加する簡単なプレス加工でよい。焼結温度は、1050〜1350℃の領域内でよいが、より高い温度のほうが有利である。これは、メッシュベルト炉（コンベヤ形炉）を使用する場合、約1150℃までの温度を意味し、ウォーキングビーム炉を使用する場合、約1250〜1300℃までの温度（高温焼結）を意味する。高温焼結により実現可能な密度が通常の焼結に比して更に増加する。
本発明の粉末混合物は実際の上で燐を含有しないことを特徴とする、すなわち、燐は不純物としてのみ含有されている（Ｐ＜0.02重量％）。粉末製造に使用される溶鋼の中の最小限必要なモリブデン含量は、後に焼結部品を製造する際の焼結温度に依存する。いずれにせよ4.0重量％の含量で充分である。コストの理由から５重量％の上限を越えてはならず、有利には4.5重量％の上限をも越えてはならない。1120℃の焼結温度の場合、3.6重量％のモリブデンで充分であり、1280℃の場合、2.7重量％でも充分である。しかし、溶融の際の公差を考慮して、安全のためにこの下限を例えば0.5重量％だけ高めて、4.3重量％又は3.2重量％にすることが推奨される。最低必要なモリブデン含量は、焼結温度T_Sは次のように定めることができる。

噴霧法により粉化する溶鋼は、実際の上で無燐でなければならないだけでなく、規格値を越える炭素含量を有してはならない（Ｃ＜0.01重量％）。これを守ると、粉末は充分に柔らかく、良好にプレス成形可能な状態を保持できる。強度を高めるために、一般的にはできるだけ回避すべき手段ではあるが、例外的な場合には黒鉛粉末を添加混合できる。しかし黒鉛粉末の最大量は、粉末混合物の中の炭素含量が、0.06重量％を越える量であってはならない。有利には、炭素含量は、最大0.04重量％に制限され、とりわけ、有利には0.02重量％に制限される。なお、粉末は、溶鋼の通常の不純物を含有していても差し支えない。モリブデン以外、合金に金属元素を添加することは不要であるが、このような金属元素を含有していても過剰な量でなければ差し支えない。合金の中のこのような無用な金属元素は、和にして1.0重量％を越えてはならず、有利には0.5重量％を越えてはならない。合金の強度を増加するために、前述の限界内で、例えば（有利にはその他の付加的な合金元素を添加することなしに）クロームを添加すると好適である。
本発明の粉末混合物を処理する場合、有利には焼結工程を還元性雰囲気、例えば少なくとも10体積％の水素、有利には20〜40体積％の水素を含有する雰囲気の中で行う。これにより、例えば、窒素の放散を防止できるか、又は、最小限にとどめることができる。好適には、例えば、成形ガス、すなわち、H₂とN₂との混合気を使用する。H₂含量がより大きいと、一般的傾向として、焼結の際に到達可能な密度を高めることができる。この焼結は、本発明の粉末混合物の調整に起因してα相のみで行われ、従って固相焼結（液相を形成せずに）が、強く促進される。焼結後の冷却は特別な手段を必要としない。焼結部品は、Fe−Mo混晶の微細なフェライト組織を有する。
焼結された部品は次いでサイジングにかけられ、サイジングにより表面領域が変形し（粗形状の平滑化）、ひいては表面品質が改善され寸法精度が高まる。次いで公知の方法ではだ焼きが行われる。はだ焼きは、歯車及び類似の強く負荷される部品に推奨される、何故ならばはだ焼きは表面硬度を大幅に高め圧縮残留応力をもたらすからである。歯車の場合、はだ焼きの前に、歯部に弱いスクレーパ処理をすると有利である。歯車をはだ焼きした後、端面の穿孔を通常のように研磨する。
このようにして製造された焼結部品は理論的最大値に近い密度を有し、その際注目すべき点は、残留気孔が、小さく、自己閉鎖しており丸形であり、従って、さしたる切欠き作用を発生しないことである。従って優れた動的強度が得られ、更に、はだ焼きの後、高い表面硬度が得られる。これは、耐摩耗性にとっても例えば歯側面負担能力にとっても重要である。
次に実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。第１図及び第２図は、本発明の材料から成る焼結部品の研磨表面図を異なる倍率で拡大して示す。
次の組成（重量％）の溶鋼から、水噴霧法により、微細な鋼粉末が製造される。
C ＜0.01％
P ＜0.02％
Mo ＜3.2％
残りは鉄及び通常の不純物（＜0.5％）
約900℃で約70分にわたり還元性雰囲気中で赤熱した後、0.15重量％より少ない残留酸素含量を有し更にふるい分けの後0.2mmより小さい粒度を有する粉末は、滑剤としての0.8重量％のミクロワックスと混合された。液圧式金属粉末プレス装置で、この材料から7t/cm²のプレス圧力の印加の下に、ISO 2740に記載の試料体を製造された。この試料体は、1280℃の温度で約30分にわたり炉の中で成形ガス（N₂80％,H₂20％）雰囲気の中で焼結された。次いで試料体の一部に、920〜950℃でのはだ焼き（浸炭＋焼入れ）が0.8％の表面部炭素量への加炭能力を有する炉の中で行われ、これにより約0.4mmのはだ焼き深さが得られた。試料体を調査して、次の値が得られた。
焼結密度 7.60±0.04g/cm³
（理論密度の96〜97％）
２×10⁶の荷重変動における曲げ変動荷重疲労強度
はだ焼き後 約450MPa
はだ焼き無し 約180MPa
破断伸び 焼結されたA⁵＞25％
多孔性が非常に低いことが第１図及び第２図の研磨表面図から分かり、第２図から気孔が丸く形成されていることが分かり、これは有利である。

Claims (12)

1. プレス加工された圧粉体を1280℃の焼結温 度で焼結することによって、高い靭性及び高い密度を有する焼結部品を製造する方法において、
   前記圧粉体が、プレス加工により粉末混合物から製造され、この粉末混合物が、通常の不純物を含有し炭素及び燐を含有しないモリブデン溶鋼を噴霧、特に水噴霧し続いて還元性雰囲気中で弱く赤熱することにより製造され、前記モリブデン溶鋼のモリブデン含量が2.7〜５重 量％であり、
   前記粉末混合物には通常の滑剤が添加され、場合に応じて炭素含量を調整するために微量の黒鉛粉末が混合され、前記粉末混合物の炭素含量が、最大で0.06重量％に制限され、前記還元性雰囲気中の赤熱焼きが850〜950℃の温度領域内で行われる方法。
2. 溶鋼の中のその他の合金元素の含量が、最大和で1.0重量％、有利には0.5重量％に制限されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 溶融金属に、クローム、特にその他の合金元素を含まないクロームが添加されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の方法。
4. モリブデン含量が、少なくとも3.2重量％であることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のうちのいずれか１つの項に記載の粉末混合物を製造する方法。
5. モリブデン含量が最大で4.5重量％に制限 されることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の うちのいずれか１つの項に記載の方法。
6. 炭素含量（黒鉛粉末）が、最大で0.04重量 ％、とりわけ0.02重量％に制限されることを特徴とする 請求の範囲第１項から第５項のうちのいずれか１つの項 に記載の方法。
7. 一段プレス成形技術により粉末混合物を6. 0〜8.0t/cm ² のプレス圧力で粉末プレフォーム（圧粉 体）としてプレスし、次いで1280℃の温度で、少なくと も10体積％の水素を含有する雰囲気、特にN ₂ /H ₂ の雰囲 気の中で焼結し、焼結部品がフェライト組織を有するこ とを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のうちのい ずれか１つの項に記載の方法。
8. H ₂ 含量が、20〜40体積％であることを特徴 とする請求の範囲第７項に記載の方法。
9. プレス圧力が、6.5〜7.5t/cm ² であること を特徴とする請求の範囲第７項に記載の方法。
10. 焼結部品が、次いで、サイジングにかけ られることを特徴とする請求の範囲第７項から第９項の うちのいずれか１つの項に記載の方法。
11. 焼結され、場合に応じてサイジングされ た、特に歯車として製造された製品が、はだ焼き（浸炭 ＋焼入れ）されることを特徴とする請求の範囲第７項か ら第10項のうちのいずれか１つの項に記載の方法。
12. 焼結され、サイジングされた歯車が、は だ焼きの前に歯部にスクレーパ処理が施されることを特 徴とする請求の範囲第11項に記載の方法。

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