JP4223559B2 - 鉄基粉末 - Google Patents

Description

本発明は粉末冶金法（ＰＭ）による部品製造に使用される鉄基粉末に関するものである。
ＰＭ法、すなわち粉末が融合して部品を形成するように鉄基粉末を用意し、粉末を圧縮して圧粉成形体を形成した後に焼結することにより部品を製造することはよく知られている。粉末は鉄を主体とする元素粉末の混合物の場合もあるし、鉄合金と他の元素（このような合金粉末（alloyed powders）は水アトマイゼーションにより製造可能である）を含む場合もある。合金粉末を元素鉄と混合すること、および異なる合金粉末を混合することも知られている。ＰＭ法は、特に機械加工工数を削減できるということに関して多くの利点を有する。
確かに、周知の粉末冶金法により生産された製品は、その性質上、最小限度の機械加工を必要とすることが好ましい。周知の粉末冶金法により製造された製品は十分な密度の製品ではないので、びびりとして知られる現象が生じる可能性があり、製品および機械加工工具の両者が損傷する。この問題は、特に、工具鋼粉末を含む混合物から製品が形成される場合に生じ、これは工具の過剰摩耗を招く。
熱酸化抵抗を必要とする条件、例えば最高８５０℃までの温度、および腐食性気体中で使用する必要がある部品の製造にはＰＭ法を利用することが望ましいであろうことは認識されていた。このような用途の一例が、排気ガス環境中で作動するターボチャージャの排気ゲートバルブ・ブッシュである。このようなブッシュは、従来、高クロム鋳鉄またはオーステナイト鋼で作られる。しかしながら、従来、ＰＭ法で製造されるこの種のブッシュは満足すべきものではなく、例えばスエリング（swelling）による焼付きが生じがちである。
ＧＢ−２２９８８６９−Ａに、重量で、１４〜３０％のクロム、１〜５％のモリブデン、０〜５％のバナジウム、０〜６％のタングステンから成り、モリブデン、バナジウムおよびタングステンの合計が少なくとも３％であり、さらに合計で０〜５％のその他の強炭化物形成元素、例えばニオブ、タンタルおよびチタン、０〜１．５％のシリコン、さらにモリブデン、バナジウム、タングステンおよびその他の強炭化物形成元素と炭化物を形成する上で最小限レベルの炭素、および残部としての鉄と付随的不純物から成る組成を有する合金粉末が開示されている。炭素の最高レベルはクロム含量の５分の１マイナス２と記載されている。示されている例は、２０〜２８％のクロム、２〜３％のモリブデン、１．５〜２．５％のバナジウム、２．５〜３．５％のタングステン、０．８〜１．５％のシリコン、および０．５５５〜２％の炭素から成る。粉末は、迅速アトマイゼーションの後、焼鈍処理を行うことにより製造され、溶体化した少なくとも１２％のクロムを含むマトリックスと分散炭化物を含む。
ＧＢ−２２９８８６９−Ａに開示されている合金粉末から製造される部品は優れた熱酸化抵抗を示さない。また、ＧＢ−２２９８８６９−Ａでは、従来のステンレス鋼で作られる部品の耐摩耗性が、開示された粉末とステンレス鋼粉末を混合することによって改善できることが提案されている。一例によると、８０％のステンレス鋼に対して２０％の開示された合金粉末である。しかしながら、わずかな割合の開示された粉末とステンレス鋼粉末との混合物は、優れた熱酸化抵抗を有する部品を形成しない。
さらに、ＧＢ−２２９８８６９−Ａにおいて、従来のステンレス鋼粉末と開示されている粉末との混合物から製品を製造することが説明されているが、これらの粉末を組み合わせた結果として生じる予期しない物理的または機械的特性については何も開示されていない。むしろ、開示された粉末の硬さが混合物に与えられ、従来の軟質のステンレス鋼粉末の硬度を高め、そうでないとの示唆は何ら記載されておらず、粉末混合物から形成された製品の特性は主として使用したステンレス鋼粉末の特性である。
しかしながら、さらに最終製品の特性を調和させることが好ましいであろう場合が依然としてある。例えば、粉末混合物から製造された最終製品の熱膨張係数を変更することにより、全使用温度範囲で最終製品と組み合う部品の熱膨張係数に十分近づけたい場合がある。そのような状況は恐らく、最終製品と他の部品が干渉状態で嵌合されるかまたは機械的な相対運動をする場合に生じる。
本発明の目的は前記条件において十分に作動可能な部品をＰＭ法により製造できる鉄基粉末を提供することである。
本発明によって粉末混合物から製造された部品には実質的に機械加工時のびびりを除去するという追加の利点があり、斯かる部品は事後に高い許容誤差で機械加工できる。さらに本発明の利点として、斯様に機械加工された部品は優れた表面仕上げを有する。また、本発明により機械加工特性が改善されると、機械加工工具の寿命が長くなる。
本発明によれば、主成分である第一合金粉末、少量成分である第二合金粉末および固体潤滑剤としての最高３０重量％までの二硫化モリブデンを含む混合物である鉄基粉末が提供される。第一合金粉末は、重量で、１４〜３０％のクロムと、合計量（Ｍｏ，Ｖ，Ｗ）が少なくとも３％である１〜５％のモリブデン、１．５〜５％のバナジウムおよび２．５〜６％のタングステンと、最高５％のその他の強炭化物形成元素と、０．８〜１．５％のシリコンと、モリブデン、バナジウム、タングステンおよび強炭化物形成元素の大部分と炭化物を形成する上で十分な最小限量である０．５５５〜２％の炭素と、残部としての鉄および付随的不純物とから成り、第二合金粉末はオーステナイト・ステンレス鋼である。なお、本明細書では、別途断りのない限り、「合金粉末」とは、予合金化された材料を意味する。
本発明の粉末によれば、前記条件で満足できる性能を有する部品を、一工程が冷間圧縮であり、一工程が焼結であるＰＭ法によって製造可能であることが判った。第一合金粉末は優れた耐摩耗性と耐蝕性を有する。第二合金粉末は、圧粉成形体の強度、気孔率を低減化、および耐蝕性の増大に寄与する。また、第二合金粉末は熱膨張係数を増大させ、このパラメータを調整することによって協働する部品と適合させることができる。
本発明による粉末を第一合金粉末のみを含む比較粉末と比較したところ、圧縮性が高いことが判った。本発明による粉末から製造された部品は比較粉末から製造された部品と比べて、改善された熱酸化抵抗、増大した熱膨張係数、および増大した密度を有することが判った。
好ましくは、第一合金粉末は、重量で、２０〜２８％のクロム、２〜３％のモリブデン、１．５〜２．５％のバナジウム、２．５〜３．５％のタングステン、０．８〜１．５％のシリコン、および残部としての鉄と付随的不純物を含む。
好ましくは、第二合金粉末は、重量で、１〜３７％のニッケル、１２〜２８％のクロム、０〜１９％のマンガン、０〜７％のモリブデン、最高１％のニオブ、最高０．４％の窒素、最高０．２％の炭素、および残部としての鉄と付随的不純物を含む。特に、第二合金粉末は、重量で、８〜１６％のニッケル、１２〜２０％のクロム、０〜４％のモリブデン、０．１％未満の炭素、および残部としての鉄と付随的不純物を含む。第二合金粉末は、重量で、１１〜１３％のニッケル、１６．２〜１７．２％のクロム、１〜３％のモリブデン、および０〜１％のシリコンを含む場合、よい結果が得られた。
本発明による粉末において、前記混合物は、５０〜９５重量％の第一合金粉末を含むことができる。この割合が７０％と８０％の間である場合に良い結果が得られた。第二合金粉末の割合を調節することにより熱膨張係数を調節することができ、例えば、部品がターボチャージャのブッシュである場合、その熱膨張係数をハウジングの熱膨張係数に合わせて調整することができる。熱膨張係数は１２×１０^-6℃^-1より大きくすることができる。
本発明による粉末において、前記混合物は追加で最高１重量％の遊離炭素（予合金化された粉末中において、予合金化されていない単体元素として存在している炭素を意味する）も含むことができる。
混合物は焼結助剤（例えば、最高約０．５重量％の燐）も含むことができる。
また本発明によれば、粉末冶金法により熱酸化抵抗を有する部品を製造するための本発明による粉末の使用も提供される。
以下、添付図面を参照して本発明による実施例の説明を行う。
図面において、
図１は圧縮圧力ＭＰａ（ｘ軸）を圧粉成形体密度Ｍｇ／ｍ³に対して示すグラフである。
図２は熱膨張係数を単位１０^-6ｍｍ／ｍｍ／℃（ｙ軸）で温度℃に対して示すグラフである。
図３は熱酸化抵抗テストにおける２４時間の増量率（ｙ軸）を温度℃に対して示すグラフである。
例１
実施例において、水アトマイゼーション処理された第一合金粉末と第二合金粉末、固体潤滑剤、および標準結合剤を混合することにより鉄基粉末を製造した。第一合金粉末の組成は（重量で）２４．３％のクロム、３．１％のモリブデン、２．２％のバナジウム、３．２％のタングステン、１．６％の炭素、１．３％のシリコン、および残部としての鉄と付随的不純物（主として約０．１％の硫黄）であった。第二合金粉末の組成は（重量で）１２．７％のニッケル、１７．１％のクロム、２．３％のモリブデン、０．９％のシリコン、０．０２５％の炭素、および残部としての鉄と付随的不純物であった。固体潤滑剤は二硫化モリブデンで結合剤はアクラワックス（Acrawax）であった。
第一実施例において、混合物は７０％の第一合金粉末、２６．５％の第二合金粉末、および３．５％の固体潤滑剤を含む。これに０．５％の結合剤を加えた。混合物サンプルを図１において星印で示されている圧縮圧力でプレス成形し圧粉成形体を形成した。図１には第一例で達成した密度が示されている。また図１には比較粉末で達成した密度が示されている（×印で示されている）。比較粉末は第二合金を含まず、９６．５％の第一合金および３．５％の固体潤滑剤を含む。
次に、第一実施例において、圧粉成形体が温度６５０℃で脱蝋され、メッシュベルト焼結炉において１１１０℃で焼結された。焼結された部品の密度は最高６．２７Ｍｇｍ^-3であった。
第一例で製造した焼結部品は硬度５９ＨＲＡを有することが判った。また部品の摩耗テストおよび腐食テスト（特に図３に示されている熱酸化テスト）を行った結果、高温における排気ガス中での使用に適することが判った。
図２に示されているように、第一実施例により製造された部品をテストし温度範囲における線状の熱膨張係数を判定した。図２において、線Ａがこの結果を示し、線Ｂは前記比較粉末から製造された部品に対して得られた結果を示す。図３は第一実施例から製造された部品を小さい正方形として比較粉末から製造された部品を大きい正方形で示している。図３に示されているように、比較例の熱酸化抵抗は温度が高くなるにつれて漸次低下し、第一実施例は温度が上昇するにつれて良くなると共に非常に低い率で増加する。
次に、この例のサンプルの摩擦テストを行った。テスト時、これらのサンプルをとって各サンプルをテストリグ（装置）内に配置した。テストリグ中でサンプルの端部をブッシュ内に置き、次に各ブッシュに２ｋｇの負荷を加えることによりサンプルの各端部に下向きの力を加えた。次に加熱されたディーゼル排気環境においてサンプルを約６００℃に加熱した。その後、この環境中での１１０時間の連続テストでサンプルを１分間当り２０サイクル回転させた。これらの条件下での支持圧は約０．１ＭＰａでテスト時の摩擦係数は０．１５と０．５との間であることが判った。
例２
第二実施例において、焼結が１２００℃での真空焼結であること以外は第一例を繰り返した。部品が有する硬度は５０ＨＲＡであり焼結密度は最高６．５３Ｍｇｍ^-3であった。部品の摩耗および腐食抵抗テストも行った。
例３
追加の実施例において、第二合金粉末の割合を変化させ第一合金粉末の割合を変更することにより差を埋めた。
４６．５％の第二合金粉末で、図１において小さな正方形により示されているような未処理密度が得られ硬度は２３０ｋｇ／ｍｍ²であった。本例に従ってサンプルのブロック／リング摩耗テストを行った。テスト時の摩耗により傷あとが生じる。次に傷あとの形状を使用してテスト時に除去された材料の量すなわち摩耗損を判定することができる。摩耗テストにおいて、１．５０ｍｍ³の損失が観察された。
３６．５％の第二合金粉末で、図１において十字印により示されているような圧粉成形体密度が得られ硬度は２４６ｋｇ／ｍｍ²であった。摩耗テストにおいて、摩耗損は１．８ｍｍ³であった。１６．５％の第二合金粉末で、大きな正方形で示されているような圧粉成形体密度が得られ硬度は２７０ｋｇ／ｍｍ²であった。摩耗テストにおいて、摩耗損は２．１ｍｍ³であった。
テスト結果によれば、本発明の粉末混合物をもってＰＭ法により部品を製造することができ、部品は第一合金粉末から、すなわちオーステナイトステンレス鋼成分なしで製造された部品と比べて熱酸化抵抗が改善され耐摩耗性がわずかに低下することが判る。
例４
さらに、呼称が３１６Ｌである商業的に入手可能なオーステナイトステンレス鋼を使用して実施例を作成した。サンプルの範囲において、固体潤滑剤のレベルが設定量増加すると第一合金およびオーステナイトステンレス鋼の量が各々低減化され、第一合金のオーステナイトステンレス鋼に対する２．６：１の比率が維持された。サンプルは第一合金と、ステンレス鋼と必要に応じて固体潤滑剤との混合物を作成することにより製造した。各混合物をプレス成形し圧粉成形体を形成した。その後、圧粉成形体を１０℃／分で温度約６００℃に加熱し、３０分間その温度に維持した。次に、サンプルを１０℃／分で約９００℃の温度に加熱し、３０分間その温度に維持した。最後に、サンプルを４ミリバールの真空に近い状態で５℃／分で約１１７５℃に加熱し６０分間その温度に維持した後、室温に冷却した。
各サンプルの熱酸化テストを行った。サンプルは２４時間約７５０℃の一定温度で維持し各サンプルの増量を判定した。増量は各サンプルにおいて形成された酸素量を示している。最高３０％の二硫化モリブデンで１％未満の増量が検出されたという点で満足できる結果が得られることが判った。
酸化物は形成される場合、焼結材の空所すなわち気孔に形成され、その結果酸化物の体積が酸化物が形成される気孔の体積よりも大きくなると焼結材が破壊する。明らかにＰＭ部分の破壊を回避することが望ましく、あまり酸化物を形成せず物理的特性を維持することが好ましい。
例５
さらに実施例を作成した。サンプルは実質上互いに同じであり、各サンプルは各々所定量の第一合金、第二合金および固体潤滑剤を含む。いずれの場合も窒素／水素の雰囲気においてウォーキングビーム炉で粉末混合物を焼結した。
サンプルを種々の温度で焼結した。機械工具に平均を超える摩耗を生じさせることなく機械加工できるであろうサンプルを製造するためには約１２３０℃より高い焼結温度が必要であることが判った。

Claims (12)

1. 粉末冶金法による部品製造用として用いられる鉄基粉末が、５０〜９５重量％の第一合金粉末、第二合金粉末、および、固体潤滑剤としての最高３０重量％までの二硫化モリブデンを含む混合物であり、
   前記第一合金粉末は、重量で、１４〜３０％のクロムと、合計量（Ｍｏ，Ｖ，Ｗ）が少なくとも３％である１〜５％のモリブデン、１．５〜５％のバナジウムおよび２．５〜６％のタングステンと、最高５％のその他の強炭化物形成元素と、０．８〜１．５％のシリコンと、モリブデン、バナジウム、タングステンおよび強炭化物形成元素の大部分と炭化物を形成する上で十分な最小限量である０．５５５〜２％の炭素と、残部としての鉄および付随的不純物とから成り、
   前記第二合金粉末はオーステナイト・ステンレス鋼である鉄基粉末。
2. 前記第二合金粉末が、重量で、１〜３７％のニッケル、１２〜２８％のクロム、０〜１９％のマンガン、０〜７％のモリブデン、最高１％のニオブ、最高０．４％の窒素、最高０．２％の炭素、および残部としての鉄と付随的不純物を含む請求項１に記載された鉄基粉末。
3. 前記第二合金粉末が、重量で、８〜１６％のニッケル、１２〜２０％のクロム、０〜４％のモリブデン、０．１％未満の炭素、および残部としての鉄と付随的不純物を含む請求項２に記載された鉄基粉末。
4. 前記第二合金粉末が、重量で、１１〜１３％のニッケル、および１６．２〜１７．２％のクロムを含む請求項３に記載された鉄基粉末。
5. 前記第二合金粉末が、重量で、１〜３％のモリブデンを含む請求項４に記載された鉄基粉末。
6. 前記混合物が、最高１％の遊離炭素を更に含む請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された鉄基粉末。
7. 前記混合物が焼結助剤を更に含む請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された鉄基粉末。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された鉄基粉末から粉末冶金法により製造される部品。
9. 粉末冶金法により熱酸化抵抗を有する部品を製造するための請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された鉄基粉末の使用。
10. 請求項８に記載された部品と、異なる材料で形成された別の部品との組み合わせであり、前記初めに言及した部品における前記第二合金粉末の割合を調整することにより、十分大きな温度範囲に亘って、前記両部品の熱膨張係数が互いに整合せしめられて成る部品の組み合わせ。
11. 前記初めに言及した部品がターボチャージャのブッシュであり、前記別の部品がターボチャージャのハウジングである請求項１０に記載された部品の組み合わせ。
12. 前記初めに言及した部品の熱膨張係数が１２×１０ ^-6 ℃ ^-1 よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載された部品の組み合わせ。

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