JP6577547B2 - セリアおよび／またはイットリアで含浸された粉末金属部品と製造方法 - Google Patents

セリアおよび／またはイットリアで含浸された粉末金属部品と製造方法 Download PDF

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Description

この出願は２０１０年１２月３日に出願された米国特許出願番号６１/４１９５２２の優先権を主張し、参照としてここに組入れられる。
この発明は一般的に粉末金属（ＰＭ）部品の製造に関し、そのようなＰＭ部品の細孔の他の材料による含浸に関する。
粉末金属（ＰＭ）部品は、所望の粉末組成を混合し（予め合金化、混合、またはそれらの両方）、粉末混合物を圧粉体に圧縮し、そして焼結ＰＭ部品を生じるように圧粉体を焼結することによって造られる。
焼結の後にＰＭ部品の細孔を樹脂または油で含浸することは知られている。
クロム含有鉄系鍛錬材料をナノ・セリアの薄層で被覆することは知られており、この薄層は表面に保護クロム酸化物を生成するために高温または水性の酸化雰囲気へ晒されるときに反応性触媒として働く。有用性の一方で、保護クロム酸化物層が摩耗または損傷すれば、下地材料が露出されて得て、Ｆｅ２Ｏ３およびＦｅＯのような不所望な酸化物が生成し得て、したがってナノ・セリアの使用は限られた保護を提供する。
粉末金属部品は、所定の多孔性を有する圧縮焼結粒子材料で造られている。そのＰＭ部品は、セリアおよび/またはイットリアの粒子で含浸される。
ＰＭ部品を造る方法は、圧縮焼結ＰＭ部品をセリアおよび/またはイットリアで含浸することを含む。
後の熱処理プロセスの間に、含浸されたセリアおよび/またはイットリアは保護酸化物が生成するための核生成位置を提供する。例えば、クロムがＰＭ材料中に存在するとき、それはセリアおよび/またはイットリアの含浸粒子と好都合に反応してクロム酸化物を生成し、鉄も存在するときに鉄酸化物のような不所望な酸化物の生成を抑制するようにも働く。他のクロム酸化物複合物も生成し得て、数例を挙げればバナジウム、タングステン、モリブデン、およびアルミニウムのような他の合金元素の存在における酸化物を含む他の保護酸化物も生成され得る。
さらなる利益は、初期の保護酸化物がＰＭ部品の外側表面上に生成した後にもその部品をセリアおよび/またはイットリアの粒子で含浸することによって実現される。保護酸化物層下の細孔内に存在する含浸粒子は元の保護酸化物層が摩耗または損傷した場合に保護酸化物の継続的生成に利用可能であり、したがって非ＰＭ部品上の被覆と異なって、細孔内に保持されたセリアおよび/またはイットリアはＰＭ部品に対して再生または自己治癒する保護酸化物を与える。したがって、セリアおよび/またはイットリアによる含浸は、熱処理中にその場の有益な効果を与えるとともに、部品の寿命にわたって腐食耐性の持続的効果を与える。
セリアおよび/またはイットリアは油、水もしくは他の液体のような担体中に組入れられ得て、含浸プロセスの一部として樹脂中に組入れられてもよい。例えば油の使用はその公知の利益（例えば、自己潤滑特性）を有する油含浸の利益を有し、セリアおよび/またはイットリアが混入された場合にその組合せはＰＭ部品の寿命にわたって持続的な腐食保護の付加的利益を有する。担体（油または水）は含浸粒子の移動性を増大させ得て、含浸粒子の有効性を高め得る。さらに、油含浸で現在使用されているのと同じ含浸技術と装置が、担体としての油内へ粒子を組入れるときに依然として有利に使用され得て、したがって付加的なコストは追加の粒子含浸材料のコストだけである。
含浸されるセリアおよび/またはイットリア粒子は、ＰＭ部品の細孔のサイズに比べて相対的に小さい。保護酸化物層の生成のための核生成位置としての作用において、良好な分布、被覆および有効性のために、含浸粒子がナノ粒子として選択されることが有利である。
この発明のこれらおよび他の特徴と利益は、好ましい実施例の詳細な説明から、当業者にとってより明らかになるであろう。詳細な説明に伴う図面は、以下において説明される。
本発明によって造られた含浸粉末金属部品の模式図である。 図１の領域２の拡大模式図である。 ＰＭ含浸プロセスの模式図である。
粉末金属（ＰＭ）部品は、ＰＭ部品の多孔性より小さなセリア（ＣｅＯ２）および/またはイットリア（Ｙ２Ｏ３）の粒子で含浸される。部品の露出表面も、含浸プロセス中にセリアおよび/またはイットリアで被覆される。その後の熱処理の間に、ＰＭ部品の少なくとも表面または表面近くの含浸粒子は、少なくともその表面にクロム酸化物のような保護酸化物のための核生成位置を与えるように反応性であるとともに、Ｆｅ２Ｏ３のような或る不所望の酸化物の生成を抑制するように働く。そのような酸化物触媒粒子でＰＭ部品を含浸することによって（例えば、単に部品を被覆することと異なって）、熱処理中に反応しない含浸粒子の部分は部品の保護層下の細孔内に留まって、部品の耐用年数の後期において元の保護酸化物層が摩耗または損傷した場合に保護酸化物（例えば、クロム酸化物）の継続的生成のための活性化の用意ができている。そのような場合の間、露出されて摩耗または損傷した被覆領域の近傍の含浸セリアおよび/またはイットリアはそのような領域に動員されて、そのような領域中で保護酸化物被覆を迅速に再生させる。含浸粒子が油のような液体担体中である場合に、移動性が特に促進される。したがって、これらの粒子による含浸は、例えば非粉末金属物品の表面を単にセリアで被覆することによっては達成され得ない腐食耐性の持続的な自己治癒効果を与える。
代表的なＰＭ部品１０が図１において模式的に図解されており、そのようなＰＭ部品は任意のサイズ、形または形態であり得て複数の粉末金属粒子１３で造り上げられ、これら粒子は所望の形の部品を与えるように圧縮されて金属粒子１３を互いに結合するように焼結されていることが理解されよう。そのようなＰＭ部品１０は一以上の露出表面１２を有し、粉末金属技術によって製造された部品の性質によって、部品の表面および本体の至るところに或る量の多孔性（例えば、ＰＭ部品を造り上げている圧縮焼結金属粒子間に存在する隙間のネットワーク）を有するであろう。細孔サイズは、圧縮、材料、密度、焼結、合金、添加物などに依存する。含浸粒子１４は、粒子の有効な含浸が達成されるように、ＰＭ部品の特定の性質に基づいて寸法付けされて選択される。含浸プロセスはＰＭ部品を焼結した後に行われるので、含浸されたセリアおよび/またはイットリア粒子１４は焼結されず、したがって互いに対してまたはＰＭ部品１０の金属粒子１３に対して結合されない。含浸粒子のサイズは、相対的に小さくてＰＭ部品の細孔１６へ浸透し得る限りにおいて変り得る。含浸粒子１４は全てが一つのサイズであり得て、または所望の範囲のサイズを達成するために異なるサイズの粒子が混合されてもよい。含浸粒子１４は、全セリア、全イットリア、または二つの混合であり得て、他の反応性金属酸化物粒子および充填剤を含む他の粒子の付加を伴いまたは伴わなくてもよい。核生成位置としてのセリアおよび/またはイットリアの存在に基づいて生成する保護酸化物１８は、図１および２において１８で模式的に図解されている。保護酸化物層１８は露出表面１２に存在し、保護酸化物が細孔内に生成することが好まれる条件（例えば、酸化環境への細孔の露出）では、図２に図解されているように内部細孔１６の少なくとも幾つか内にも存在し得る。
ＰＭ部品１０の粒子による含浸は、粒子のための担体として油を使用することを含めて種々の方法で行うことができる。そのようなプロセスが図３に図解されており、ＰＭ部品が真空環境へ導入され、そこでは細孔から空気が引出され、油およびその油に担持されたセリアおよび/またはイットリア粒子が細孔へ引込まれかつ部品の露出表面を被覆する。油の代わりに、水または樹脂のような他の担体も採用され得るであろう。油の使用は公知の利益（例えば、自己潤滑支持表面）を伴う油含浸を与える有利な効果を有し、粒子との組合せによって部品の寿命にわたって持続的な腐食保護を与える。さらに、ＭＰ部品の表面が摩耗して下地材料が露出するとき、細孔内に捕獲されている含浸粒子が表面に到って保護酸化物被覆を生成して補充するように好ましく反応し、それらは摩耗条件下においても持続的保護のために表面に必要とされる。この利益は、ＰＭ部品の使用とナノ粒子の含浸を通してのみ達成され得る。含浸プロセスは、一段階または数段階で行われ得ることも認識されるべきである。例えば、粒子と適当な担体（例えば、水）で部品を含浸してその後に担体の幾らかまたは全てが沸騰除去される熱処理が続く第一段階が存在し得るであろう。これには少なくとも含浸作業の第二段階が続くことができ、油のような担体が細孔内へ含浸され得て、拡張された期間にわたって部品に残る単なる担体として働くか、または予備熱処理作業において沸騰除去された担体を補充するように働く。
ＰＭ部品１０を粒子で含浸するさらなる利益は、粒子の存在の結果として生成する保護酸化物被覆１８が部品の外側表面上に存在するのみならず、酸化雰囲気に露出されれば部品の細孔内へさらに延在することができ、その近傍の粒子は表面上にあるがごときに同様に反応し、好ましい保護酸化物の生成のための触媒として作用し、不所望の酸化物の生成に対して保護する。このことは、表面を貫通しないそのような粒子層で外側表面のみが被覆され得る非ＰＭ部品とは異なる。
ＰＭ部品に使用される材料１３は変わり得る。一つの例示的実施例は、少なくともクロムを含む鉄系粉末金属材料（例えば、ステンレス鋼または工具鋼の粉末）１３を利用し、これは保護クロム酸化物被覆の生成中の熱処理においてセリアおよび/またはイットリアの存在下で好ましく反応する。そのような粒子の含浸から利益を生じるであろう他の合金、予備合金および混合物は、本発明によって予期されており、開示の範囲内で実施される。例えば、合金元素としてクロムが存在するとき、クロム酸化物の種々の複合物が生成し得る。セリアおよび/またはイットリアの存在下で生成し得る他の保護酸化物の例は、数例を挙げれば、バナジウム、タングステン、モリブデン、およびアルミニウムの酸化物を含み、これらの元素は合金元素として含まれる。これらの種々の保護酸化物の複合物も生成し得る。
粒子１４の特定のサイズについては、細孔サイズ１６より大きくなくて、特定のＰＭ部品がセリアおよび/またはイットリア材料とともに処理されるように含浸され得る限りにおいて制限がない。例えば、セリアおよび/またはイットリア粒子の名目サイズは１ｎｍから２５０μｍまでの範囲であり得て、より好ましくは１ｎｍから１００ｎｍであり、その一方で細孔１６は１μｍから２５０μｍの範囲内の名目サイズであり得る。粒子のサイズは均一であり得て、または或る範囲のサイズを有することが有利であり得る。セリアおよび/またはイットリア粒子は単独で使用され得て、または充填剤または機能粒子（例えば、他の酸化物の触媒または充填剤）としての他の粒子と組合され得る。
上述の説明は、限定的な性質のものではなくて、例示的なものである。開示された実施例に対する変形例および一部変更例であって当業者にとって明らかであろうものはここで本発明の範囲内に組入れられる。本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (2)

  1. 圧縮されて焼結された金属粒子で造られた金属部品であって、前記粒子は互いに結合され、前記部品は多孔質であって、前記部品の細孔内へ含浸されたセリアまたはイットリアの少なくとも一方の粒子を含み、
    前記部品は、クロム、あるいは、さらにバナジウム、タングステン、モリブデン、およびアルミニウムの元素の少なくとも一つを含む、鉄系材料から造られており、
    前記部品の外側表面上に保護酸化物層が形成され、前記粒子の少なくとも幾らかは前記保護酸化物層の下で前記部品の前記細孔内に存在し、
    前記保護酸化物層は、クロム、あるいは、さらにバナジウム、タングステン、モリブデン、およびアルミニウムの元素の少なくとも一つを含む、部品。
  2. 金属部品を造る方法であって、
    多孔性、関連する細孔、および露出された表面を有する圧縮かつ焼結された部品を準備し、
    焼結の後に、セリアおよび/またはイットリアの少なくとも一方の粒子で前記細孔を含浸しかつ前記表面を被覆することを含み、
    前記部品は、クロム、あるいは、さらにバナジウム、タングステン、モリブデン、およびアルミニウムの元素の少なくとも一つを含む、鉄系材料から造られており、
    前記部品の外側表面上に保護酸化物層が形成され、
    前記保護酸化物層は、クロム、あるいは、さらにバナジウム、タングステン、モリブデン、およびアルミニウムの元素の少なくとも一つを含む、方法。
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