JP3884618B2 - 凝集した球形金属粉を単軸圧縮する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、球形金属粉から高密度焼結部品を作る方法に関する。
【０００２】
発明の背景
焼結等の粉末冶金法は、ほとんど後の機械加工なしに、複雑な細部を作り出すことを可能にし、したがって、小形および中形の構造部品もしくは構成要素を作るのに有利な方法である。
【０００３】
不活性雰囲気内で溶融液体をガス噴霧化することにより作られる球形粉が、純度の高い粉末であることは、周知のことである。例えばステンレス鋼またはニッケル基合金のこの種粉末は、高温で全密度まで焼き締めされ、その結果、多くの場合、鍛錬製品に優れた製品となる。この種の製品を作り出す方法としては、例えば、ホットアイソスタティック成形（HIP）および金属射出成形（MIM）など、いくつか既知の方法がある。最初に挙げた方法、HIPは、主として金属カプセルを用いて粉体を封じる方法であるが、経済的な理由から、主としてより大きな物体に適している。粉末は、成形の前にカプセルに入れ、成形後、成形された粉末材料に付いているカプセルを取り除くため、機械加工が必要である。第２の方法、MIMは、一般に非常に複雑な形状をもった、１kg以内の小形の物体に適しているが、この方法は、より微細な粉末および長い処理時間が必要であるため、どちらかと言えば、高価である。この方法はまた、粉末を押し出す前に、例えば、プラスチック材料と混合することが必要である。このプラスチック材料は、焼結の前に除去して、低密度の圧粉体を得なければならない。したがって、MIM法は、上記の理由から、主として、非常に複雑な形状をもった小形部品を、大規模な機械加工なしに作りたい場合に用いられる。
【０００４】
材料加工、例えば、高速度鍛造プレスによる鋼棒の切断、ブランクのスチール・シースへの切断等の材料加工では、非常に興味深い結果に至ることが知られている。この方法は、４０年代から基礎が知られていたが、６０年代初期に開発されたものであり、その用途は、小径の棒材を切断して、後加工のためのブランク、例えば、世界中で何百万個も作られており、かつ、高生産能力並びに切断処理における高歩留まりの処理が必要とされる自動車業界のエンジン・バルブ用バルブ・ヘッドのブランクを作ることにある。
【０００５】
切断または打抜き用高速度プレスとは、約３〜４m/s以上の、望ましくはより高いラム速度、すなわちツール速度をもつプレスを意味する。この種の処理、例えば、上記の小径棒材の切断の際には、断熱昇温と呼ばれる現象が生ずるが、これは、次のように説明できる。すなわち、材料が変形する際には、変形は、異なる平面および方向、いわゆる剪断面または剪断帯で起こる。これらの平面では、物体に加わる変形エネルギーの一部は、熱エネルギーに変換される。変形エネルギーが、塊状の物体に十分な速さで加わる場合は、剪断面は、暫時、いわゆる断熱状態で高温に加熱され、材料は、この平面に沿って剪断される。変形速度が遅すぎる場合は、熱伝導により、断熱の効果が次第に減り、切断されたブランクの表面は粗く、割れが入るなどの状態となり、また、精度が不均一になる。これは、既知の技術である。
【０００６】
単軸粉末処理では、伝統的に速度が遅い油圧プレスを用い、不揃いな形状の粉末は、閉じたツール内で、ブランクに圧縮され、次いで、焼結して、機械的な特性を向上させる。炭素鋼やステンレス鋼等の標準的な粉末では、全密度に決して到達せず、したがって、最終製品は、多孔質であり、そのため、用途は限定される。しかしながら、単軸処理は、正味の形状に近い製品を作るための非常に効率の高い生産方法であり、したがって、鍛造製品と同じ特性をもつ全密度の製品を得る方法が分かれば、非常に興味深いことであろう。単軸処理においては、限定要因の一つは、ツールにおける最高表面圧力であり、この限度は、一般に、ほぼ７００〜８００N/mm2である。これら標準の粉末の場合は、粉体全体を加熱してからツールに入れる、いわゆるウォーム・コンパクション法により、かなり向上し、これは、この数年間に導入されている。圧粉密度はかなり向上するが、非常に劇的ではなく、特に、ステンレス鋼等の高合金鋼では、その効果は取るに足りない。
【０００７】
この種の不揃いな形状の粉末で、高速度成形の試験がいくつか行われたが、密度あるいは機械的性質の向上の点で、注目に価する効果は見られなかった。これは、恐らく、不揃いな形状の粉末は、その形状により、収縮力に乏しく、また、表面に酸化物および他の不純物の形で高いレベルの酸素が有るためであろう。
【０００８】
ガス噴霧化により作られる球形金属粉は、単軸圧縮後の圧粉強度が低いという欠点がある。一方、水噴霧化により作り出される不揃いな形状の金属粉は、圧粉強度に優れているが、生産の際に強く酸化し、前記酸化物の膜が、後の焼結を妨げる。米国特許５，４６０，６４１は、冷間圧縮成形後焼結が可能な凝集した金属粉の作成法を開示しており、この方法では、球形化された金属粒子は、ゼラチンの水溶液と混合してペースト状の混合物とし、これを粒状化し、乾燥する。凝集した金属粉を型内で冷間圧縮して後、圧粉体を得るが、その機械的強度は、最初の金属粒子で得られるそれよりも優れており、取扱いおよび後の焼結に対して十分である。この方法は、球形化された金属粒子から低密度の焼結部品を作り出すのに用いることができる。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、上記の方法の欠点を克服して、さらによりよい圧粉強度を持つ高密度の圧粉体を得、これを後で焼結して、高密度の金属部品にする方法を提供することにある。
【００１０】
発明の説明
驚くべきことに、凝集した球形金属粉から、高速度成形およびその後の焼結により、全あるいは近全密度の製品が得られることが、今や、分かった。前記方法を用いることにより、複雑な形状の製品が、大規模な機械加工の必要なしに得られる。本発明によるこの方法から得られる製品は、強度特性が向上しており、非常に厳しい環境でも使用できる。
【００１１】
本発明は、結合剤として、少なくとも重量で０．５％の熱可逆性親水コロイドを含む凝縮した球形金属粉を圧縮する方法に関し、凝縮した球形金属粉は、高密度を持つ圧粉体に対して、２m/sを超えるラム速度で、単軸プレス作業で成形されることを特徴とする。
【００１２】
本発明はまた、結合剤として、少なくとも重量で０．５％の熱可逆性親水コロイドを含む凝縮した球形金属粉から、焼結製品を作成する方法に関し、凝縮した球形金属粉は、圧粉体に対して、２m/sを超えるラム速度で、単軸プレス作業で成形され、前記圧粉体は、後で、全あるいは近全密度に焼結される。
【００１３】
圧縮し、任意に焼結すべき球形金属粉は、望ましくは、ガス噴霧化された金属粉であるが、化学的あるいは電気化学的析出等、何か他の従来の方法で得られた球形金属粉でもよい。金属粉は、炭素鋼あるいはステンレス鋼の粉末でよく、あるいはニッケルを基材にした何か他の高融点合金でもよい。合金は、例えば、炭素、クロム、モリブデン、銅、窒素、バナジウム、硫黄、チタンおよびニオブ等、より少量の他の元素を含んでいてもよい。しかしながら、タンタルあるいはタングステンを基材にした合金は、約３０００℃という高すぎる融点を持つため、適当ではない。本テキストで用いられている「球形金属粉」の語は、球形金属粉ばかりでなく、近球形金属粉、例えば楕円形金属粉も指す。
【００１４】
熱可逆性親水コロイドは、それぞれ冷却および加熱により制御できる熱可逆的なゲル化および軟化を特徴とする親水性のコロイド材料を指す。このような熱可逆性親水コロイドの特定の例としては、僅かにエステル化されたペクチン、K-カラギーナンおよびゼラチンがある。前記親水コロイドの別の例は、Mero Rousselot Satia, Paris により編集された出版物 Hydrocolloidesに記載されている。金属粉末を凝集させるには、望ましくは、球形金属粉に、水溶液の形で結合剤を添加する。凝集粉末における結合剤の量は、一般に、重量で０．５％より多くすべきである。なぜなら、０．５％以下では、結合特性が十分でないからである。また、凝集粉末における結合剤の量は、あまり多くすべきではない。なぜなら、そうすると、結合剤を除去する時に問題が生ずるからである。好適な上限値は、重量で１．５％である。好適な方法によれば、結合剤として、ゼラチンを使用する。ゼラチンを結合剤として使用する凝集法のこれ以上の詳細は、米国特許５，４６０，６４１に記載されている。ゲル化処理（これは一般に４０〜８０℃でゼラチンを用いて行われる）は、したがって、無限回可逆的であるべきである。
【００１５】
単軸成形作業は、望ましくは閉じたツールを用いて、凝集した球形金属粉を単一の方向に圧縮する方法である。ツールは、２m/sを超えるラム速度で使用して、圧粉体を成形すべきである。ラム速度は、本発明の好適な実施例によれば、４m/sまたはそれ以上、例えば、４〜７m/sである。ラム速度が高ければ、予備焼結製品、すなわち、高い圧粉密度を持つ圧粉体が得られる。ラム速度の上限値は、ツールの強度で決定する。使用速度が高すぎると、ツールは、砕解して、バラバラになる。圧力は、一般に、４００〜８００N/mm²である。結合剤がゼラチンである場合は、単軸成形作業は、望ましくは、４０℃〜５５℃、最も望ましくは、４５℃〜５０℃の範囲の温度で行なう。
【００１６】
圧粉体の焼結は、金属粉の組成により決まる温度で、かつ、制御された雰囲気内で行われる。最適温度は、従来の手段、例えばThermo-calcと呼ばれるソフトウェアを用いて決定可能である。鋼粉末および高融点合金粉末の焼結温度は、一般に、それぞれ、１１００〜１３５０℃および１３５０〜１５５０℃の範囲内である。例えば、ステンレス鋼は、１３５０℃で、２〜３時間で焼結可能である。焼結は、一般に、真空中、あるいは還元性または不活性ガス、望ましくは水素中で行われる。焼結では、全あるいは近全密度をもつ最終製品が得られる。焼結剤は、焼結の前に、３００〜５００℃の温度に予備加熱して除去する。
【００１７】
好適な実施例によれば、焼結された製品は、後で、カプセル封じをすることなく、ホットアイソスタティック成形（HIP）を施し、それにより、１００％の密度が保証された製品を得ることができる。
【００１８】
本発明はまた、結合剤として、少なくとも重量で０．５％の熱可逆親水コロイドを含む凝縮した球形金属粉から、該凝縮した球形金属粉を、圧粉体に対して、２m/sを超えるラム速度で、単軸プレス作業で成形し、次いで、前記圧粉体を全あるいは近全密度に焼結することにより得られる焼結製品に関する。本発明の好適な実施例によれば、成形作業中のプレスのラム速度は、４m/sまたはそれ以上であり、凝集した粉末内の結合剤の量は、重量で１．５％を超えず、熱可逆性親水性コロイドは、ゼラチンである。
【００１９】
本発明はまた、焼結製品並びに上述の方法から得られる圧粉体に関する。本方法の歩留まりは、９８％以上である。
【００２０】
本発明の焼結製品は、高強度、非酸化、耐蝕性もしくは耐火製品の生産に使用可能である。この種製品の例は、フィルタ、高トルク・ギヤボックス部品等のギヤボックス部品、エンジン部品、ファスナー、腕時計のケース、ゲート等のバルブ部品、および他の細部部品である。
【００２１】
下記の非限定例は、圧粉体を作り、その後で焼結製品を作るための方法の特徴、および特に、従来のやり方で作り出した同様の製品に比較した本発明の製品の特性について述べるものである。
【００２２】
例１
前記の米国特許５，４６０，６４１に記載のように、重量で１．５％のゼラチンの結合剤を含有するステンレス鋼AISI 316、すなわち、重量で１８％のＣｒ、１２％のＮｉ、３％のＭｏそして残りがＦｅ、若干の不純物となっている鋼の凝集粉末を用いた。この粉末を用いて、直径４０mmの型内で、単軸成形によりブランクを作った。粉末の重量は、２２グラムであった。
【００２３】
成形品の第１の組は、ラム速度最高１m/sの従来の油圧プレスで、８００N/mm2の特定の最高ツール圧力（超硬工具の場合の実用限度）で作った。圧縮された試料片の圧粉密度は、理論密度の平均８６．５％であった。
【００２４】
成形品の第２の組は、ラム速度４m/sの高速度プレスで作った。放出された合計エネルギーは、２３００Nmであった。ツール速度範囲内で、このエネルギーは、移動可能なツールの速度および重量により制御される。圧縮された試料片の圧粉密度は、平均９２．５％であった。
【００２５】
この初期ステップ後、ブランクもしくは圧粉体の二つのグループは、乾いた水素内で、１３５０℃で焼き鈍しされたが、これは、ステンレス鋼の標準の高温焼結作業である。焼結後、再び密度を測定した。低速度で成形された製品は、９５．５％の密度を持っていたが、高速度で成形された製品は、９９．７％の密度を持っていた。低速度製品は、多数の細孔を示し、一方、高速度製品は、ほんの数個の非常に小さな孤立した孔を示した（しかし、原則として、十分に高密度の製品であった）。
【００２６】
２種類の製品は、機械的試験で試験し、次の結果を得た。
【００２７】
低速度成形
降伏強さ：１５５．４ MPa
破断強さ：３７５．２ MPa
伸び率：３２％
高速度成形
降伏強さ：２３５．４ MPa
破断強さ：４８５．６ MPa
伸び率：５８％
低速度で成形された製品は、従来の焼結成形材料についてのASTM規格B 525を満足する機械的特性を持っていたが、鍛造製品についての条件は、満足しなかった。これに対して、高速度で成形された製品は、鍛造製品についての必要な特性を、あらゆる手段において満足した。
【００２８】
例２
この試験では、炭素０．１２％の低合金鋼の凝集した球形粉末を用いた。この粉末は、軟化焼鈍してから凝集させて、成形の際の良好な延性を得た。この粉末は、上記のように凝集させたが、重量で０．７５％の結合剤を含有させた。例１におけるのと同じ作業を行い、低速度で成形した部品については、９１．２％の圧粉密度を、また、高速度で成形した部品については、９５．２％の圧粉密度を得た。圧粉製品は、標準の圧粉強度試験（EN 23995）に従い測定し、低速度で成形した部品については、２．５MPaの値を得、高速度で成形した部品については、９．４MPaの値を得た。目安としては、圧粉強度は、安全に取扱いができると考えられる圧粉体の４MPaを上回るべきである。低速度で成形した部品の圧粉強度は、複雑な圧粉体を安全に取り扱うためには低すぎることは、明らかである。
【００２９】
部品は、真空中、１２５０℃で焼き鈍した。焼結後、再び密度を測定した。低速度で成形した製品は、９６．５％の密度を持ち、高速度で成形した製品は、９９．８％の密度を持っていた。２種類の製品は、機械的試験で試験し、次の結果を得た。
【００３０】
低速度成形
降伏強さ：１７５．２ MPa
破断強さ：３７２．５ MPa
伸び率：１４％
高速度成形
降伏強さ：２３５．０ MPa
破断強さ：３８５．３ MPa
伸び率：２８％
低速度で成形された製品は、鍛造製品についての規格を満足していないが、高速度で成形された製品は、条件を満足している。
【００３１】
比較例
本発明と比較すべき新しい試験を、比較例として例２におけるのと同様に行った。これを比較例とする。高速度プレスのラム速度は、１．５m/sに落とし、一方、移動可能なツールの合計重量を増大して、作業で供給される合計エネルギーを維持した。この場合は、後の焼結後、次の結果を得た。
【００３２】
高速度成形
降伏強さ：１８５．６ MPa
破断強さ：３６６．０ MPa
伸び率：１８％
これらの値は、この種材料についての鍛造材料用の国際規格を満足していない。
【０３３】
前出の例１，２においては、球形凝縮粉末の高速度成形を、前記のように行うと、焼結後に得られる製品は、低速度で成形された製品に比べて、大幅に向上した機械的特性を得ることが明らかに示されている。この特性の差は、高い応力が生ずるか、あるいは腐蝕により、十分に高密度であることが条件である製品にとっては、極めて重要である。また、圧粉密度をできるだけ高くして、焼結中の収縮を最小限に抑える場合にも重要である。
【００３４】
これらの驚くべき結果がなぜ得られるのかは、容易には理解できないが、一つの説明は、結合剤と粉末の混合物が、高速度圧縮中、粘度の高い流体のように働き、焼き締めに必要なエネルギーの量を減らして、この独特な高圧粉密度をもたらす、ということであろう。しかしながら、本発明の範囲は、いかなる点においても、これによって限定されない。凝集した球形粉末に対する成形パラメータおよび焼結パラメータの多数の変更が、可能であり、これは、この技術に熟練した人にとっては明らかである。これらの変形および変更もまた、本発明の一部を為すものである。

Claims (5)

1. 結合剤として、重量で少なくとも０．５％の熱可逆性親水コロイドたるゼラチンを含む凝集した、炭素鋼、ステンレス鋼、又はＮｉ，Ｆｅをベースとする溶融合金の球形金属粉末を圧縮する方法において、該凝集した球形金属粉末は、単軸成形作業で２m/sを超えるラム速度そして４００〜８００N/mm²の圧力により、高密度を有する圧粉体に成形されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、該成形作業中のプレスのラム速度は、４m/sまたはそれ以上であることを特徴とする方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の方法において、該凝集した金属粉末における結合剤の量は、重量で１．５％を超えないことを特徴とする方法。
4. 結合剤として、重量で少なくとも０．５％のゼラチンを含む凝集した、炭素鋼、ステンレス鋼、又はＮｉ，Ｆｅをベースとする溶融合金の球形金属粉末から焼結製品を作成する方法において、該凝集した球形金属粉末は、単軸成形作業で２m/sを超えるラム速度そして４００〜８００N/mm²の圧力により、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に従い、圧粉体に成形され、前記圧粉体は、その後、全または近全密度に焼結されることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、該焼結製品は、その後、カプセル封じされることなく、ホットアイソスタティック成形を受けることを特徴とする方法。