JP4863618B2

JP4863618B2 - ステンレス鋼粉末の温間圧縮成形のための組成物及び方法

Info

Publication number: JP4863618B2
Application number: JP2004512955A
Authority: JP
Inventors: ベルグクヴィスト、アンデルス; ダールベルグ、ミカエル
Original assignee: ホガナスアクチボラゲット
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: US20030230165A1; ATE483540T1; RU2294815C2; ES2353845T3; DE60334454D1; CN1299859C; SE0201825D0; ZA200409738B; CN1662328A; WO2003106077A1; RU2005100785A; DK1513639T3; JP2005530035A; KR20100126806A; CA2489489A1; AU2003239021A1; AU2003239021B2; CA2489489C; TW575472B; EP1513639B1

Description

本発明は鋼粉末組成物に関し、そしてその得られた圧縮成形され（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ）且つ焼結された物体に関する。特定的には本発明は温間圧縮成形（ｗａｒｍｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）のためのステンレス鋼粉末組成物に関する。

粉末冶金処理、即ち金属粉末の圧縮及び焼結処理の、産業上の使用の開始以来、市場を拡大しそして最も低い総費用を達成させるための、粉末冶金成分（Ｐ／Ｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の機械的性質を高め、そして仕上げ部品の許容度を改良するために、大きな努力がなされてきた。

最近、粉末冶金成分（Ｐ／Ｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の性質を改良する前途有望な方法として温間圧縮成形に多くの注意が払われてきた。温間圧縮成形方法は、密度水準を増大させるための、即ち仕上げ部品における間隙率水準を減少させるための機会を提供する。温間圧縮成形方法は殆どの粉末／材料システムに適用できる。通常、温間圧縮成形方法は、より高い強度及びいっそう良好な寸法公差（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｏｌｅｒａｎｃｅ）に導く。圧粉体機械加工、即ち“圧縮されたまま（ａｓ−ｐｒｅｓｓｅｄ）”の状態での機械加工の可能性がまた、この方法により得られる。

温間圧縮成形（ｗａｒｍｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）とは、デンスミックス^ＴＭ（Ｄｅｎｓｍｉｘ^ＴＭ）、アンコルボンド^ＴＭ（Ａｎｃｏｒｂｏｎｄ^ＴＭ）又はフロウ−メット^ＴＭ（Ｆｌｏｗ−Ｍｅｔ^ＴＭ）のような現在利用できる粉末技術に従って、約１００℃以上であって、約１５０℃までで、殆ど金属粉末からなる粒状物質の圧縮成形（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）として定義されると考えられる。

温間圧縮成形方法の詳細な記載は、例えば１９９６年６月のワシントンでの、ＰＭＴＥＣ９６世界学会において提出された論文（この論文を参照することにより本明細書に組み入れる）において記載されている。鉄粉末の温間圧縮成形のために使用される特定のタイプの潤滑剤は、例えば米国特許第５，１５４，８８１号（Ｒｕｔｚ）及び同第５，７４４，４３３号（Ｓｔｏｒｓｔｒｏｅｍ）に開示されている。

最近まで、ステンレス鋼粉末の場合において、例えば密度及び圧粉体強度においてほんの僅かな差しか示されていなかったので、温間圧縮成形を用いての一般的な利点は微々たるものであったことが観察されていた。ステンレス鋼粉末を温間圧縮成形する場合に出会う主要な問題は、圧縮成形中の高い放出力及び高い内部摩擦である。

しかしながら、米国特許第６，３６５，０９５号（Ｂｅｒｇｋｖｉｓｔ）において開示されているように、ステンレス鋼粉末が非常に低い酸素、炭素及び珪素水準であることが特徴であることを条件にして、良好な結果でステンレス鋼粉末を温間圧縮成形に付すことができることが最近分かった。しかしながら、より高い水準のこれらの元素を有する広く使用されている標準の品質のものは、首尾よく温間圧縮成形することができなかった、即ち温間圧縮成形体の性質が、周囲の温度で圧縮成形された対応する物体の圧粉密度よりも有意義に良好なものではなかった。

標準のステンレス鋼粉末がまた、良好な結果で、高められた温度で圧縮成形することができることが、予期せずに新しく見い出された。上記米国特許において開示されたステンレス鋼粉末と比較して、標準のステンレス鋼粉末は一般に、より高い量の酸素、炭素及び珪素で特徴づけられる。これらの粉末はまた、いっそう製造し易く、したがっていっそう安価である。本発明に従えば、該米国特許における教示とは反対に、過度に高い圧縮圧力を使用することなしに、これらの標準の粉末を、高い圧粉密度に圧縮成形することができることが、かくして見い出された。高い圧粉密度は、良好な機械的性質を得るために通常必要である高い焼結密度を得るための高いエネルギー消費を伴う高い焼結温度を使用することを必要としないので、生成物が後で焼結される場合に、高い圧粉密度は有益である。さらに高い焼結温度は、材料中に歪みを起こさせ、ひいてはこれは貧弱な寸法安定性を与える。

発明の概要
要するに、本発明に従う水噴霧化（ｗａｔｅｒａｔｏｍｉｓｅｄ）標準のステンレス鋼粉末の高い密度の温間圧縮成形された物体を製造する方法は、高められた温度で圧縮成形に付されるステンレス鋼粉末組成物において特定の量の潤滑剤を使用しなければならないことの発見に基づいている。本組成物中に含まれる少量の選ばれた添加剤は、標準のステンレス鋼を首尾よく圧縮成形することができると言う予期しなかった発見に寄与している。

発明の詳細な記載
粉末のタイプ
好ましくは、温間圧縮成形に付される粉末は、重量パーセントにより、１０〜３０％のクロムを含む、予め合金化された、水噴霧化（ｗａｔｅｒａｔｏｍｉｓｅｄ）粉末である。これらの粉末は標準タイプのステンレス鋼粉末であり、そして少なくとも０．５重量％の珪素を含む。通常は、珪素含有量は、該鋼粉末の０．７〜１．０重量％である。当該のステンレス鋼粉末はまた、モリブデン、ニッケル、マンガン、ニオブ、チタン、バナジウムのような他の元素を含むことができる。これらの元素の量は、０〜５％のモリブデン、０〜２２％のニッケル、０〜１．５％のマンガン、０〜２％のニオブ、０〜２％のチタン、０〜２％のバナジウム及び多くとも１％の不可避の不純物、そして最も好ましくは１０〜２０％のクロム、０〜３％のモリブデン、０．１〜０．４％のマンガン、０〜０．５％のニオブ、０〜０．５％のチタン、０〜０．５％のバナジウム、及び本質的にニッケル無しか又は別法として、５〜１５％のニッケルであり、残余が鉄及び（通常１重量％未満の）不可避の不純物であることができる。さらに、その鋼粉末の平均粒子寸法は、好ましくは約３０μｍ以上であり、そして適当な間隔は３０〜７０μｍである。

本発明に従って適当に用いられるステンレス鋼粉末の例は、３１６Ｌ、４０９Ｎｂ、４０９Ｌ、４１０Ｌ、４３４Ｌである。本発明に従って使用される標準の鋼粉末は、一般に０．５重量％より多くのＳｉを含み、そして通常、Ｓｉ含有量は０．７〜１．０重量％である。この特徴は、上記米国特許第６，３６５，０９５号（Ｂｅｒｇｋｖｉｓｔ）に従って温間圧縮成形のために用いられるステンレス鋼粉末から、標準のステンレス鋼粉末を区別させる。

潤滑剤の量
圧縮成形されるべき本組成物中の潤滑剤の量は、満足できる結果を得ることを可能にするための重要な要因である。したがって、潤滑剤の総量は、全体の粉末組成物の、０．８重量％以上、好ましくは少なくとも１．０重量％、最も好ましくは少なくとも１．２重量％であるべきであることが分かった。潤滑剤は、通常金属粉末よりずっと低い密度を有することの事実に起因して、潤滑剤の量を増大させると最終圧粉密度が減少するので、２．０重量％より上の潤滑剤の量は重要性が低い。実施にあたって、上限は１．８重量％未満であるべきであると信じられる。少なくとも０．０５重量％、そして多くとも０．４重量％のような少量の潤滑剤は、好ましくは焼結活性を促進する、高い酸素親和性を有する化合物であるべきである。

潤滑剤のタイプ
潤滑剤は、それが温間圧縮成形処理と適合性である限り、任意のタイプのものであることができる。そのような潤滑剤の例は、例えば上に引用されている米国特許第５，１５４，８８１号（Ｒｕｔｚ）及び同第５，７４４，４３３号（Ｓｔｏｒｓｔｒｏｅｍ）（この両方の特許を参照することにより本明細書に組み入れる）に開示されている。それらの潤滑剤はまた、例えばステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛のような、ステアリン酸金属塩；パラフィン類；ワックス類；天然及び合成脂肪誘導体；及びポリアミド類であることができる。ＥＢＳのような、冷間圧縮成形のために慣用的に使用されている潤滑剤は、そのような粉末組成物の流動性質が劣っているけれども、本発明に従う標準の鋼粉末の温間圧縮成形のために用いられることができることを予備結果はまた示した。

しかしながら、今までのところ、最も前途有望な結果は、共係続中の特許出願ＳＥ０２／００７６２ＰＣＴに開示されたタイプの潤滑剤を用いることにより得られた。これらのタイプの潤滑剤は以下の式により表されることができるアミド成分を含む：
Ｄ−Ｃ_ｍａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ_ｍｂ−Ｄ
（式中、Ｄは−Ｈ、−ＣＯＲ、−ＣＮＨＲ（但し、Ｒは２〜２１個のＣ原子を含む、直鎖又は分枝鎖の脂肪族基又は芳香族基である）であり；
Ｃは、基−ＮＨ（ＣＨ_２）_ｎＣＯ−（但し、ｎは５〜１１の整数である）であり；
Ｂはアミノ又はカルボニルであり；
Ａは、場合により４個までのＯ原子を含む、４〜１６個のＣ原子を有するアルキレンであり；
同じであっても又は異なっていてもよいｍａ及びｍｂは、１〜１０の整数であり、ｎは５〜１１の整数である）。

好ましいそのようなアミド類の例は下記のとおりである：
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_２−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_２−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３；
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_２−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_３−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３；
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_３−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_３−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３；
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_３−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_４−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３；
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_４−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_４−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３；
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_４−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_５−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３；
ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１６ＣＯ−〔ＨＮ（ＣＨ_２）_１１ＣＯ〕_５−ＨＮ（ＣＨ_２）_１２ＮＨ−〔ＯＣ（ＣＨ_２）_１１ＮＨ〕_５−ＯＣ（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３。

前方に記載したように、潤滑剤は、好ましくは酸素に対して高い親和性を有する化合物をまた含むべきである。そのような高い親和性化合物の例はステアリン酸アルカリ金属である。他の例はアルカリ土類金属のステアリン酸塩である。現在最も好ましい化合物はステアリン酸リチウムである。

選ばれた添加剤
本発明の好ましい態様に従えば、本粉末組成物を温間圧縮成形に付す前に、選ばれた添加剤の少量を本組成物中に包含させることができる。これらの添加剤は脂肪酸類及び流動強化剤（ｆｌｏｗｅｎｈａｎｃｉｎｇａｇｅｎｔｓ）を包含する。

脂肪酸はステアリン酸及びオレイン酸からなる群から選ばれることができる。本発明に従う組成物中の脂肪酸の量は、潤滑剤組成物の、０．００５〜０．５％、好ましくは０．０１０〜０．１６％、最も好ましくは０．０１５〜０．１０％で変化させることができる。脂肪酸は見掛け密度に有益な影響を有する。

流動剤（ｆｌｏｗａｇｅｎｔ）は、米国特許第５，７８２，９５４号（Ｌｕｋ）に記載されているタイプの材料であることができる。この材料は種々の金属、及び酸化珪素のようなそれらの酸化物のナノ級の粒子からなる。典型的には、その金属及び金属酸化物粉末は、約５００ナノメートル以下の平均粒子寸法を有する。酸化珪素流動剤は、好ましくは得られる粉末組成物の約０．００５〜約２重量％の量で、鉄をベースとする粉末とブレンドする。好ましい酸化珪素流動剤は、約４０ナノメートル以下の平均粒子寸法を有する二酸化珪素の粉末又は粒子である。適当な流動剤の例はエーロシル（Ａｅｒｏｓｉｌ）である。

温間圧縮成形
潤滑剤及び場合により添加剤を含むステンレス鋼粉末は、次ぎに、高められた温度で圧縮成形される。温間圧縮成形は、予め加熱された粉末、予め加熱されたダイス型又はその両方を用いて行うことができる。粉末は例えば６０℃より上、好ましくは９０℃より上の温度に予備加熱することができるだろう。温間圧縮成形のための適当な間隔は、１００℃〜２００℃であり、そして好ましくは圧縮成形は、約１５０℃未満の温度で行うことができるだろう。圧縮成形は、約４００〜２０００ＭＰａ、好ましくは約５００ＭＰａ〜１０００ＭＰａの圧縮圧力を用いて標準の圧縮成形装置で行われる。

温間圧縮成形のために用いる粉末混合物は、主として２つの方法で調製することができる。その２つの方法のうちの一方の方法は、鋼粉末、固体粒子の形での潤滑剤（１種又は複数種）及び流動剤を注意深くブレンドして均質な混合物にすることにより粉末混合物を調製することである。その２つの方法のうちの他方の方法は、ステンレス鋼粉末粒子に潤滑剤を付着（接着）させることである。このことは、鋼粉末及び潤滑剤（１種又は複数種）を含む混合物を、該潤滑剤（１種又は複数種）の融点より上の温度に加熱し、その加熱した混合物を混合し、そして得られた混合物を冷却し、その後に流動剤を加えることにより行うことができる。それはまた、溶媒中に潤滑剤（１種又は複数種）を溶解し、得られた溶液を鋼粉末と混合し、乾燥混合物を得るために溶媒を蒸発させ、次ぎに乾燥混合物に流動剤を加えることによって行うことができる。

焼結
次ぎに得られた圧粉体を標準の材料と同じ方法で、即ち１１００℃〜１４００℃の温度で焼結し、最も顕著な利点は焼結が１２５０〜１３２５℃で行われる場合に得られる。周囲の温度で圧縮成形する代わりに温間圧縮成形を用いることにより、一定の焼結密度に到達させるために、より低い焼結温度を用いることができる。さらに、焼結は、１５〜９０分、好ましくは２０〜６０分の期間にわたって好ましくは標準の非酸化性雰囲気中で行うことができる。本発明に従って高い密度が、再圧縮成形、再焼結及び／又は真空又は減圧の雰囲気中での焼結の必要性なしに得られる。

本発明は以下の非限定的例により例示される。
例１
この実験は、ベルギー国のヘガネス（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ）から全て市販されており、そして表１において示される組成を有する、標準の材料４３４ＬＨＣ、４０９Ｎｂ、３１６ＬＨＤｏｃｈ、４１０ＬＨＣを用いて行った。

圧縮成形を、６００ＭＰａ及び８００ＭＰａで、これらのステンレス鋼粉末の５０ｇのサンプルについて行った。その温間圧縮成形を、１１０℃の粉末温度及びダイス型温度で行った。潤滑剤の量は下記表２に開示しており、その表において、ＣＣ（慣用のタイプの圧縮成形である冷間圧縮成形）は、圧縮成形が室温（周囲の温度）で行われたことを示し、そしてＷＣは温間圧縮成形を示す。

以下の潤滑剤及び潤滑剤組成物を、異なるサンプルにおいて用いた：
ａ：エチレンビスステアルアミド（ＥＢＳ）
（Ｅｔｈｙｌｅｎｅｂｉｓｓｔｅａｒａｍｉｄｅ）；
ｂ：アドバワックス（Ａｄｖａｗａｘ）；
ｃ：ＥＢＳ＋０．３％ステアリン酸リチウム；
ｄ：（特許公開ＷＯ０２０８３３４５号に従う）１．０％アミドオリゴマー＋０．
２％ステアリン酸リチウム、０．０５％ステアリン酸、０．１％エーロシル（Ａ
ｅｒｏｓｉｌ）。

以下のとおりにして異なる組成物を調製した。
ＥＢＳを含む組成物、及びＥＢＳ＋ステアリン酸リチウムを含む組成物それぞれは、圧縮成形操作の前に混合した。アドバワックス（Ａｄｖａｗａｘ）を含む組成物は米国特許第５，４２９，７９２号において開示された方法に従って調製し、そしてアミドオリゴマーを含む組成物は特許公開ＷＯ０２０８３３４６に開示された方法に従って調製した。

下記表３は、６００ＭＰａ及び８００ＭＰａ、それぞれでサンプルを圧縮成形した場合に得られた圧粉体密度を開示する。

圧粉体部分を４５粉間、水素雰囲気中で１１６０℃で焼結し、その後に焼結密度を測定した（表４）。

表５において開示した結果は、焼結を１２５０℃で行ったときに得られた。

下記表６は１２５０℃での焼結後の引っ張り性質を開示する。

下記の表７は、１２５０℃での焼結後の衝撃エネルギーを開示する。

Claims

温間圧縮成形のためのステンレス鋼粉末及び潤滑剤を含む組成物であって、上記組成物は、ステンレス鋼粉末が少なくとも０．５重量％の珪素と、１０〜３０重量％のクロムを含む水噴霧化鋼粉末であること、そして潤滑剤が０．８〜２．０重量％の量で存在する組成物であって、前記潤滑剤が下記の式を有するアミドオリゴマー潤滑剤から本質的になる、前記組成物：
Ｄ−Ｃ_ｍａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ_ｍｂ−Ｄ
（式中、Ｄは、−Ｈ、−ＣＯＲ、−ＣＮＨＲ（但し、Ｒは２〜２１個のＣ原子を含む直鎖又は分枝鎖の脂肪族基又は芳香族基である）であり；
Ｃは、基−ＮＨ（ＣＨ_２）_ｎＣＯ−（但し、ｎは５〜１１の整数である）であり；
Ｂは、アミノ又はカルボニルであり；
Ａは、４〜１６個のＣ原子を有するアルキレンであり；
同じであっても又は異なっていてもよいｍａ及びｍｂは、１〜１０の整数である）。
該鋼粉末が０．７〜１．０重量％の珪素を含む、請求項１に記載の組成物。
該鋼粉末がモリブデン、ニッケル、マンガン、ニオブ、チタン、バナジウムからなる群から選ばれた１種以上の元素及び多くとも１．０重量％の不可避不純物を含む、請求項１又は２に記載の組成物。
潤滑剤が温間圧縮成形潤滑剤である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組成物。
潤滑剤が、０．４重量％までのステアリン酸リチウムと組み合わされている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の組成物。
潤滑剤が０．０５〜０．３重量％のステアリン酸リチウムを含む、請求項５に記載の組成物。
前記アルキレンが４個までのＯ原子をまた含む、請求項１に記載の組成物。
脂肪酸及び流動剤からなる群から選ばれた添加剤の少量をまた含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の組成物。
脂肪酸がステアリン酸及びオレイン酸からなる群から選ばれる、請求項８に記載の組成物。
脂肪酸の量が組成物の０．００５〜０．５重量％である、請求項９に記載の組成物。
流動剤として、組成物の０．００５〜２重量％の量で酸化珪素を含む、請求項８に記載の組成物。
鉄と１０〜３０重量％のクロムと少なくとも０．５重量％の珪素とを含む水噴霧化ステンレス鋼粉末の、高い密度の温間圧縮成形され且つ焼結された物体を調製する方法であって、その方法が、
−１０〜３０重量％のクロム含有量、及び少なくとも０．５重量％の珪素含有量を有する予め合金化された、水噴霧化ステンレス鋼粉末の混合物を用意し；
−該粉末を０．８〜２．０重量％の潤滑剤と混合し；
−高められた温度で該混合物を圧縮成形し；そして
−該圧縮成形された物体を焼結する；
工程からなる、前記方法であって、前記潤滑剤が下記の式を有するアミドオリゴマー潤滑剤から本質的になる、前記方法：
Ｄ−Ｃ_ｍａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ_ｍｂ−Ｄ
（式中、Ｄは、−Ｈ、−ＣＯＲ、−ＣＮＨＲ（但し、Ｒは２〜２１個のＣ原子を含む直鎖又は分枝鎖の脂肪族基又は芳香族基である）であり；
Ｃは、基−ＮＨ（ＣＨ_２）_ｎＣＯ−（但し、ｎは５〜１１の整数である）であり；
Ｂは、アミノ又はカルボニルであり；
Ａは、４〜１６個のＣ原子を有するアルキレンであり；
同じであっても又は異なっていてもよいｍａ及びｍｂは、１〜１０の整数である）。
温間圧縮成形が、少なくとも６０℃の温度で行われる、請求項１２に記載の方法。
減圧雰囲気で予め焼結することなしに、焼結が非酸化性雰囲気で行われる、請求項１２又は１３に記載の方法。
焼結が、１１００℃〜１４００℃の温度で行われる、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
温間圧縮成形が、少なくとも９０℃の温度で行われる、請求項１３に記載の方法。
焼結が、１２５０℃〜１３２５℃の温度で行われる、請求項１５に記載の方法。