JP4129201B2 - 乾燥自己潤滑性高密度材料、該材料から形成された機械部品、該材料の製造方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、
・中乃至高温度範囲で有利な強度を有する、新規な高密度乾燥自己潤滑性材料、
・該材料から形成された機械部品、
・該材料の製造方法
に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのターボ機械機能は、一般的な潤滑（当該の材料の気孔率と油及び／又はグリースの使用とを組み合わせる一般的な潤滑）が不可能である帯域に於いて、低摩擦係数を有する摩擦製品を使用して実施されなくてはならない。これらの機能の実質的部分は、（可変ピッチ羽根ピボットを有するスピンドル内のブッシュのような）複雑性がより大きい又はより小さい形状を有する小さい機械部品によって実施され、この部品は高い温度及び応力に付される。
【０００３】
有機材料が、「低」温度範囲（３００℃より低い）に於いて使用され、そして「高」温度範囲（６００℃より高い）に於いて、（低い膨張係数が二次的考慮事項である場合）主としてコバルトベースの金属材料が使用されるか又はセラミック材料が使用される。中間の範囲、即ち中乃至高温度範囲に於いて、炭素のみが使用され、それらの脆性がそれらの用途を実質的に制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような状況で開発され、中乃至高温度範囲（３００℃≦θ≦６００℃）内で乾燥機能し得る、良好な機械的特性及び低い熱膨張係数を有し、本体自己潤滑性である、小さい機械部品を提案する。該機械部品は、それらの３個の寸法が、最大１センチメートルから数センチメートルのオーダーのものであるので、「小さい」と命名する。この規準を考慮して、当業者は、本発明が、現在の技術の隙間を埋め、より小さい又はより大きいこと以外は等価の機械部品の製造方法を提供することを理解する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
それらの構成材料（該材料は、本発明の第一の態様を構成する）のために、該機械部品（本発明の第二の態様）は、時間の経過に亘って維持することができる、熱時の良好な強度と低い摩擦係数との間の非常に有利な妥協を提供する（これは、自己潤滑性表面層が運転の間に再生され、材料が本体自己潤滑性であるからである）。このような部品の表面には、十分な潤滑要素が含有されており、該潤滑要素の比率は、このような部品の体積全体で有利に均一である。
【０００６】
元の材料、半完成製品及び該材料から形成された製品（前記のような機械部品）は、粉末冶金技術を使用して有利に得られる。本発明者等によって開発されたこれらの製造方法は、特許請求の範囲に記載されているように、本発明の最終の態様を構成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の新規な材料は、下記のような材料である。
【０００８】
・高密度である材料、その密度は９０％以上である、即ち、最大残留多孔度は１０％である；
・本体乾燥自己潤滑性である材料、これは、０．３より小さい摩擦係数を有する；
・中乃至高温度範囲、３００℃から６００℃で良好な強度を有する材料、Ｒｍ≧４００ＭＰａ（該強度は、一般的に、当業者によく知られた方法で、その静的破断強度として定義される）；
・該材料にその乾燥潤滑特性を与える、その体積内の固体滑剤の粒子と共に、それに上記の良好な強度を与えることができるマトリックスから構成されている材料。有利な変形内で、該粒子は該体積全体に均一に分布されている。
【０００９】
その製造方法（下記参照）から得られる材料の残留多孔度は、該材料が良好な強度を有していなくてはならず、油又はグリースリザーバー効果は望ましくないので、低い（≦１０％）か又は殆どゼロである。
【００１０】
該材料は、中間温度範囲（３００℃≦θ≦６００℃）内でその用途に適合する、一般的に１２×１０−６より小さい低い熱膨張係数を有する。
【００１１】
明らかに、使用される固体滑剤（本発明は、少なくとも２種類の固体滑剤を使用することを排除しない）は、この材料の製造温度及び使用温度で安定である。これは、損なわれることなく、その潤滑作用を発揮できるままでなくてはならず、特に、これは、その中にこれが使用されるマトリックスと反応してはならない。有利には、固体滑剤は、窒化ホウ素又はグラファイトからなる。
【００１２】
また、これは、材料の製造方法に適合する形態で存在していなくてはならない。これは、予備コンディショニング、予備凝集化、予備合金化等々をさせることができる。
【００１３】
本発明の材料中の固体滑剤粒子は、一般的に、５マイクロメートル（μｍ）から１００μｍの範囲内の等価直径（粒子は球状であるか又は角張っていてよい）を有する。
【００１４】
固体滑剤の該粒子は、有利にはお互いから分離されている。
【００１５】
しかしながら、このことは、それらが小さい塊に一緒に群れになることを排除しない。明らかに、該塊は、材料の均質性を保持するために、小さいままでなくてはならない。該小さい塊は、最大２００μｍの等価直径を有する。当業者は、該塊又は凝集塊の形成を最小にするか又は回避するために、本発明の材料の製造方法の実施を最適化することに於ける利点を、容易に認める。
【００１６】
固体滑剤粒子は、一般的に、当該の材料の１体積％から３０体積％の範囲内の量で存在する。明らかに、これらは、（自己潤滑特性を有する材料を提供するための）予想される効果を得るために必要な量（≧１体積％）で存在するが、それらが材料の機械的特性に猛烈に影響を与えるような多量（≦３０体積％）では存在しない。熱時の強度と低い摩擦係数との間の妥協が得られなくてはならない。
【００１７】
該固体滑剤粒子は、有利には、１０体積％から２０体積％の量で存在する。
【００１８】
本発明の材料のマトリックスは、有利には、スチール又は金属超合金、更に特に、
・マルテンサイトステンレススチール（例えば、Ｚ５ＣＮＵ１７又は１７−４ＰＨタイプのもの）；
・コバルトベース合金（例えば、ＫＣ２０ＷＮ又はＫＣ２５ＮＷ、ＨＳ２５、ＨＳ３１タイプのもの）；
・ニッケル（Ｎｉ）又はニッケルベース合金（例えば、ＮｉＣｒ、ＮＫ１７ＣＤＡＴ（アストロロイ（Ａｓｔｒｏｌｏｙ））タイプのもの）
からなる。
【００１９】
既に示したように、該マトリックスは、材料の強度を保証する。
【００２０】
本発明の材料は、有利には、
・窒化ホウ素粒子を含有するマルテンサイトステンレススチール（例えば、前記のタイプのもの）；
・窒化ホウ素及び／又はグラファイトの粒子を含有するコバルトベース合金（例えば、前記のタイプのもの）（同じマトリックス中に複数のタイプの滑剤固体を使用することが排除されないことは、前記されている）；
・グラファイト粒子を含有するニッケル又はニッケルベース合金（例えば、前記のタイプのもの）
からなる。
【００２１】
本発明の材料は、粉末冶金技術を使用して得ることができる。このような技術をベースにする該材料の製造方法を、以下説明する。
【００２２】
第二の態様に於いて、本発明は、本発明の該新規な材料から形成された、より多く又はより少なく複雑な形状の金属部品を提供する。該材料から複雑な形状を有する部品を製造することが可能である（下記参照）。
【００２３】
本発明の機械部品は、ブッシュ、ピボット、スピンドル等であってよい。更に正確には、これらは、（乾燥雰囲気中で、約４００℃の高温度で）高圧圧縮機内で作動する、可変ピッチ羽根のスピンドルを受け入れることができるブッシュからなっていてよい。
【００２４】
第三の態様に於いて、本発明は、３００℃から６００℃の範囲内で良好な強度を有する新規な高密度本体自己潤滑性材料の製造方法を提供する。
【００２５】
該方法は、粉末化金属材料射出成形（ＭＩＭ）タイプのものであってよい。全ての場合に、マトリックス及び固体滑剤の粒子を構成する出発材料は、有機バインダーと共に混合された粉末形で存在する。
【００２６】
該方法には、
・マトリックス前駆体である粉末、滑剤の粒子及び有機バインダーの緊密な混合物を形成すること、
・該緊密な混合物を、金型の中にプレス又は射出することによって成形すること、
・成形されたブランクを該金型から取り出すこと、
・該ブランクを脱バインダーすること、
・該脱バインダーしたブランクを、焼結によって高密度化すること
が含まれる。
【００２７】
含有される粉末は、これらが、方法の次の工程の間に形状保持及び高密度化を容易にするように、これらの製造方式に依存して、球状又は角張った形態を有していてよい。これらは、予備合金化された粉末又は他のものであってよい。滑剤としてグラファイトが使用されるとき、マトリックスの前駆体粉末及びバインダーと混合できるようにするために、これを予備凝集化させなくてはならない。
【００２８】
使用される粉末はマトリックス前駆体であり、アセンブリの強度を与える。その粒子は、有利には、２０μｍから７０μｍの範囲内の等価直径を有する。有利には、前記のように、これらは、スチール、ニッケル又はニッケル若しくはコバルトをベースにする超合金の粒子である。
【００２９】
固体滑剤粒子は、潤滑特性を与える。これらは、一般的に、前記の量（全体積、即ち粉末＋粒子の１体積％から３０体積％）で含有される。特に、該粒子には、窒化ホウ素の粒子及び／又は金属で被覆されたグラファイトの粒子が含まれてよい。これらには、５μｍから３０μｍの範囲内の等価直径を有する窒化ホウ素の粒子及び／又は３０μｍから９０μｍの範囲内の等価直径の被覆されたグラファイトの粒子が含まれてよい。使用される被覆物は、明らかに、その中に固体滑剤の粒子が含有されるべきマトリックスと相溶性でなくてはならない。
【００３０】
使用される有機バインダーは、一般的なバインダー、例えば、ワックス＋ポリマー（特にポリプロピレン）を含むタイプのものである。
【００３１】
粉末、粒子及びバインダーの緊密な混合物は、有利には下記のようにして製造される。
【００３２】
・該粉末及び粒子（前もって冷時に一緒に混合する）及び該バインダーを、１５０℃から２００℃の範囲内の温度で混合する、この温度で、該バインダーは適切な粘度を有していなくてはならない、
・該混合物を、それが固化するまで冷却する、
・該固化した混合物を粉砕する。
【００３３】
次いで、形成された緊密な混合物−有利には粉砕された材料の形態で得られた混合物を、所望の形状に成形する。適切な金型の中への圧縮又は射出を、（次の高密度化工程の間の収縮を補償するために）僅かにオーバーサイズで、所望の形状を再生するように実施することができる。該金型は、有利には、該金型の充填、バインダーの硬化及び／又は金型からの取り出しを単純化するために、成形された混合物を加熱又は冷却することができる、ジャケット付きである。この成形工程によって、部品用の所望の形状が作られる。このような部品は、直接得ることができる（完成製品）か又は半完成製品（これは、続いて機械加工される）を得ることができるか又は未完成製品を得ることができる。
【００３４】
成形操作は、有利に、例えば下記の条件下、即ち、１５０℃から２００℃の範囲内の温度で１５から６０秒間で、射出成形により（更に特に、金属射出成形により）実施される。
【００３５】
この成形操作は、一般的に、金型からの取り出し及び脱バインダー操作に続く。
【００３６】
脱バインダーは、明らかに、使用されるバインダーの性質に適合されなくてはならない。有利には、これは２工程で行われる。この有利な変形に於いて、これには連続的に次の工程が含まれる。
【００３７】
・第一に、金型からの取り出しで得られたブランクからバインダーを抽出して、その体積内にマイクロチャンネルのネットワークを形成するための、化学的処理。第一化学処理は、液相で次いで蒸気相でヘキサン（バインダー用の溶媒）を使用することができる。
【００３８】
・第二に、化学的に開始した脱バインダーを完結し、仕上げる熱処理。該熱処理は、一般的に、１１０℃と４５０℃との間で（有利には、温度上昇の遅い速度で）行われ、ガス（還元雰囲気、例えば、水素）を使用して適切に保護される。脱バインダーを仕上げる該熱処理は、有利には、ブランクを予備焼結するために行われる。予備焼結温度は、一般的に、５００℃から１２００℃の範囲内である。このような予備焼結を行うことによって、ブランクに構造的原形保持性が与えられる。この熱処理は、複数のサイクル及び最後の１０時間から５０時間が含まれてよい。全ての場合に、これは、当該の材料の性質及びブランクの厚さに適合される。
【００３９】
最終工程は、脱バインダーしたブランクを完全に又は部分的に高密度化することからなる。最終材料は、１０％以下の残留多孔度を有し得ることが観察された。焼結サイクルが、当該の材料に適合され、加熱及び冷却速度、一定温度段階並びにしきい温度によって制御される。焼結温度範囲は、一般的に、１１００℃から１５００℃、更にしばしば１１００℃から１３５０℃である。該焼結は、真空中で又は適切な保護ガス（例えば、アルゴン又は水素）の低い分圧中で実施される。
【００４０】
上記の方法は、明らかに、類似性による方法として解析することができる。完全に驚くべきことに、これによって、よく性能を発揮し、有利な温度範囲内で実質的な密度を自己潤滑性と組み合わせる新規な材料が作られる。
【００４１】
既に示されたように、該方法は、得られた高密度自己潤滑性構造物を機械加工することによって仕上げられることができる。これはまた、該構造物を焼き入れすることを意図した少なくとも１回の追加熱処理によって仕上げられることができる。該機械加工及び追加熱処理工程は、累積的であってよい。
【００４２】
本発明の異なった面（生成物、方法）の非限定実例を、
・添付する図面；
・下記の実施例
を参照して、下記に示す。
【実施例】
【００４３】
第一工程に於いて、下記の２種の金属粉末を緊密に混合した。
【００４４】
・約５０μｍの平均粒子サイズを有する、８５体積％の量のＺ５ＣＮＵ１７粉末化スチール；
・約３０μｍの平均粒子サイズを有する、１５体積％の量の窒化ホウ素粒子。
【００４５】
次いで、ワックス及びポリプロピレンによって構成された有機バインダーを、該緊密な混合物に添加した。バインダーは、３０体積％の量で使用した（７０体積％の粉末混合物で）。第二の緊密な混合物が生成した。これを１８０℃に加熱して、完全に均一であったペーストを製造した。
【００４６】
次いで、これを冷却し、切断し、最後に粉砕して、顆粒を生成した。
【００４７】
得られた顆粒を、射出成形機の中に導入し、１８０℃に加熱した。
【００４８】
この加熱した混合物を、適切な形状の金型のキャビティの中に射出した。
【００４９】
１分後に、該金型を開き、成形された部品を取り出した。
【００５０】
脱バインダーは、２工程で行った。第一工程に於いて、ワックスの殆ど全部が除去されるまで、ヘキサンを使用した。第二工程に於いて、ポリプロピレンを水素雰囲気中で熱分解させた。次いで、温度をゆっくり上昇させ、４００℃で２時間保持した。
【００５１】
４００℃でのこの段階の後で、該温度を９００℃までゆっくり上昇させた。これをこの値で１０分間保持して、金型から取り出した部品を予備焼結した。この予備焼結サイクルの期間は、３２時間であった。
【００５２】
該予備焼結した部品を冷却し、次いで、焼結のために、１２００℃で２時間、再び熱処理した（高密度化）。
【００５３】
図１は、明らかに、スチールマトリックス（より薄い色）中に分散された窒化ホウ素粒子を示している。該粒子の等価直径は、２０μｍから１００μｍである。明らかに、初期の２０μｍ直径粒子は、時々一緒に集められて、小さい塊を形成した。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図面は、参照番号１を有する本発明の材料の断面の写真である（目盛を、写真中に示す）。マトリックス（マルテンサイトステンレススチール）、参照番号２内に、参照番号３を有する滑剤（ＢＮ）の固体粒子の均一な分布が存在する。該材料は、前記の実施例に記載したようにして得られた。
【符号の説明】
【００５５】
１ 本発明の材料
２ マトリックス
３ 滑剤

Claims (10)

1. マトリックス前駆体である金属粉末、固体滑剤の粒子および有機バインダーの混合物を形成し、混合物を金型の中にプレスまたは射出することにより成形し、成形されたブランクを金型から取り出し、ブランクを脱バインダー処理し、脱バインダー処理後のブランクを、５００および１２００℃の間の温度で１０〜５０時間、予備焼結し、予備焼結後のブランクを、真空中または保護ガスの低分圧中で１１００℃と１５００℃の間の温度で焼結して高密度化することを含む、９０％以上の密度を有する乾燥自己潤滑性材料の製造方法であり、前記材料が１体積％から３０体積％の固体滑剤の粒子を含み、前記固体滑剤の粒子の粒子サイズが５μｍから１００μｍの範囲内であり、マトリックス前駆体である金属粉末が、２０μｍから７０μｍの範囲内の粒子サイズを有する粒子によって構成されており、前記材料が、窒化ホウ素含有マルテンサイトステンレススチール、窒化ホウ素および／またはグラファイト含有コバルトベース合金、または、グラファイト含有ニッケルもしくはニッケルベース合金からなる、前記製造方法。
2. 前記固体滑剤の粒子が、５μｍから３０μｍの範囲内の粒子サイズを有する窒化ホウ素の粒子を含む、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記固体滑剤の粒子が、３０μｍから９０μｍの範囲内の粒子サイズを有する金属被覆グラファイトの粒子を含む、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記混合物が、金属粉末、固体滑剤の粒子および有機バインダーを１５０℃から２００℃の範囲内の温度で混合し、混合物を固化するまで冷却し、固化した混合物を粉砕することにより得られる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記成形が、混合物を１５０℃から２００℃の範囲内の温度で、１５から６０秒間、射出成形することにより実施される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記脱バインダー処理が、第一化学処理およびそれに続く第二熱処理を含み、第二熱処理がブランクを予備焼結するまで続けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 前記脱バインダー処理が、液相中で次いで蒸気相中でヘキサンを使用する第一化学処理を含む、請求項６に記載の製造方法。
8. 前記脱バインダー処理が、保護ガス中で１１０℃と４５０℃の間の温度で実施される第二熱処理を含む、請求項７に記載の製造方法。
9. 脱バインダー処理し、高密度化したブランクを機械加工することを更に含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. 得られたブランクを焼き入れするために少なくとも１回の追加熱処理することを更に含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の製造方法。