JPH0610009A - 無気孔帯域を有する焼結鉄成形部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鉄材料からなる焼結成形部品において、他の
帯域は多孔性であるが若干の帯域又は縁帯域を密度１０
０％の無気孔性に形成してその材料特性を部分的に改善
し、高い機械的強度を達成し、完成後この焼結成形部品
を補正可能にする。 【構成】 通常の粉末圧縮法及び焼結法により残留気孔
率を１０容積％にもたらされた成形部品を、更に付加的
処理工程で残留する気孔内に付加材料を帯域毎に注入す
ることにより又は成形部品を部分的に作用する機械的仕
上げ圧縮によりこれらの帯域内の残留気孔率を５容積％
又はそれ以下にし、それにより閉塞された気孔構造を作
り、最終的にＨＩＰ法又は焼結ＨＩＰ法によりこれらの
帯域を更に圧縮する。焼結成形部品の他の全ての帯域は
通常の約１０容積％の残留気孔率をそのまま維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、若干の帯域又は縁帯域
は無気孔で残りの帯域は多孔性である鉄材料からなる焼
結成形部品を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄材料からなる焼結成形部品は通常粉末
を軸方向圧縮で圧粉体又は粉末圧縮素材に圧縮し、これ
らを引続きほぼ標準方法で焼結することにより仕上げ
る。その際理論密度の約９０％の焼結密度が達成され
る。この密度は公知の付加工程により他の重大な欠点を
招かないという条件の下に改善することが可能である。
従って機械的強度特性は溶融された密度１００％の材料
からなる成形部品のそれには達しない。焼結法を成形部
品の製造に使用することは全く切削によらない仕上げで
ある点において価格的に有利である。粉末を圧縮する際
に得られる寸法に関しては完成部品は形状安定性が良好
で、寸法誤差が僅かで再現可能である。更に焼結成形部
品は焼結後に存在する残留気孔により補正において優れ
ており、すなわち圧縮により予定目標寸法に極めて正確
に成形可能である。

【０００３】通常残留気孔を有する材質的に均一な焼結
成形部品に一様に少なくともほぼ理論値のすなわち１０
０％の材料密度をもたらす多くの方法が公知となってい
る。粉末鍛錬法は完全密度を必ずしも達成するものでは
ない上述の諸方法の１つである。高温等圧法はもう１つ
の適切な方法といえるが、しかしこれは粉末又は焼結体
を被覆することを必要とするため極めて経費がかさみ、
従って量産部品の製造には用いられない。焼結高温等圧
法は高温等圧法の一変形であり、この方法により上記の
制約下に同様に焼結部品中の残留気孔を排除できるもの
である。

【０００４】これらの方法はすべて焼結成形部品の機械
的のみならず例えば腐食特性も改善する目的で使用され
る。これらの方法に共通する欠点の一つは、このように
改善された焼結成形部品が“未完成品”であり、機械的
に仕上げ加工を必要とし、その限りでは従来の完成焼結
部品とは本質的に異なることである。選択的に圧縮仕上
げ補正により完成される従来の焼結成形部品は通常組み
込み可能な構造部品である。

【０００５】更に少なくとも一範囲が焼結体である範囲
毎に異なる材料からなる成形材料をそのあらゆる範囲で
可能な限り高密度化し、従って機械的に剛性であるよう
にする方法も公知である。

【０００６】例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第２
２５８３１０号明細書に“焼結鉄成形部品並びにその製
造方法及び焼結カッヘル”の名称の一方法が記載されて
いるが、それによると鉄材料からなる圧縮成形部品が焼
結処理中に“少なくとも焼結温度でオーステナイトを形
成する元素をそこから成形部品の表面内に拡散する補助
剤と結合される”。従ってその表面範囲内にその表面の
耐摩耗性を改善する材料の精錬が達成される。この完成
焼結鉄成形部品は全ての範囲に気孔を有し、拡散範囲内
にもこの成形部品は少なくとも“閉塞気孔”を合計して
最大９５％の材料密度で有する。

【０００７】ドイツ連邦共和国特許出願公開第２３１０
５３０号明細書「複合金属からなる物品の製造方法」に
よれば、溶融冶金法で製造され従って十分に緊密な成形
部品の芯が容器の中心に入れられ、芯と容器壁との間の
間隙は金属粉末で満たされている。この容器内に封入さ
れた複合物はオートクレーブ中で高い全方位的な圧縮力
及び高温に曝されて、その密度は全面的に“理論密度の
１００％の範囲に”達する。こうして得られた複合物は
引続き例えば鍛造又は圧延される。この方法により理論
密度の９５％以上の粉末密度が得られる。複合物は全体
的に緊密である。従ってその芯が比較的粘性で加工し易
い金属からなる複合物が得られ、一方例えばフライス
盤、歯車又は他の不規則な刃の表面などに適用した場合
その縁帯域は極めて硬い物質からなることになる。

【０００８】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３００７
００８号明細書には耐摩耗性の燃焼機関用部品について
記載されているが、この部品は溶融鉄又は鋼材からなる
基体及び焼結により内部で基体と結合される鉄含有焼結
体を有する。この発明の骨子は焼結体用に提案された鉄
合金である。この方法はまた、その基体内部は粘性であ
り少なくともその表面の切断面は特に高い耐摩耗性に優
れている部品を製造することを目的としている。

【０００９】ドイツ連邦共和国特許出願公開第２０５０
２７６号明細書によれば、耐摩耗性の表面を有する部品
を鋼基体上に作るため耐摩耗性硬質金属粉末を押圧し、
焼結する。鉄材料を焼結する場合との相異点は、焼結す
る際溶けて液化したバインダ相によってほぼ１００％の
密度の硬質金属が作られることである。完成複合体は一
様に緊密である。この複合体の欠点は焼結による収縮が
激しいことである。この収縮は、材料の脆性及び材料費
のような他の欠点と共に、チップを生じる切削仕上げ加
工を必要としない目標寸法の狭い許容誤差内での成形部
品の製造を不可能にする。

【００１０】以上に記載した全ての公開文献に共通して
いることは、材料複合体が個々の材料範囲を焼結法を用
いて接合することにより作られることである。完成材料
複合体はできるだけ一様に高い密度、最も有利な場合に
は１００％の密度を有する。個々の成形部品範囲は異な
った機械的特性を有するが、しかし表面帯域の範囲では
常に高い耐摩耗性及び強度を有する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
の先行技術を更に発展させて、焼結法により製造された
鉄材料からなる成形部品において、相応に負荷のかかる
成形部品帯域内に密度１００％の材料が得られ、高い機
械的強度を達成し、しかも最終的に焼結成形部品を補正
できるようにすることにある。

【００１２】この課題は詳細には、一連の適切なそれぞ
れ個々には既に公知になっている処理工程により焼結成
形部品の若干の予定帯域内に通常の焼結による製造の際
に約１０容積％残る残留気孔を実質的に完全に除去す
る、すなわちこれらの帯域内に少なくともほぼ１００％
の材料密度及びそれに相応する高い機械的耐性又は耐摩
耗性を達成することにある。しかし同時にまた焼結成形
部品の他の帯域は約１０容積％の残留気孔率が維持され
るか又はそれ以上に高めることが可能でなければならな
い。従って標準方法を用いた場合のように、圧粉体を圧
縮して得られた部分の寸法は一様にそのまま維持され、
完全に焼結された部分は最終補正に適していることが保
証される必要がある。更に適用される方法は量産部品の
仕上げにとって十分に経済性を有するものでなければな
らない。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の課題は本発明によ
り、冒頭に記載した形式の鉄材料からなる焼結成形部品
の製造方法において、通常の圧縮法及び焼結法により残
留気孔率を約１０容積％にされた成形部品を更に次の処
理工程で残留する気孔内に付加材料を部分的に注入する
ことにより及び／又は成形部品を部分的に作用する機械
的仕上げ圧縮によりこれらの帯域内の残留気孔率を５容
積％又はそれ以下にし、それにより閉塞された気孔構造
を作り、引続き高温等圧法又は焼結高温等圧法によりこ
れらの帯域を更に圧縮することにより解決される。焼結
成形部品の他の全ての帯域は通常約１０容積％の残留気
孔率を維持する。

【００１４】本発明における“緊密なほぼ無気孔の焼結
成形部品の若干の帯域又は縁帯域内”という概念は、厳
密にいえば、これらの帯域は実質的に１００％の密度を
有するが、しかし少なくとも１容積％以下の無視し得る
ような小さな残留気孔をなお有することを意味する。

【００１５】鉄材料からなる焼結成形部品に関して“通
常”の方法として呼ばれている粉末圧縮法及び焼結法は
関連文献に種々の工程が記載されているものである。本
発明による個々の重要な付加的処理工程は同様にまたこ
のような焼結技術分野でよく使用されまた専門家に公知
の方法の広範囲な変形を含むものである。有利な実施態
様については請求項２以下並びに実施例に記載する。以
下にＨＩＰ法として記載する短縮表現は焼結成形部品の
高温等圧法を表す。また焼結ＨＩＰ法とは焼結工程と高
温等圧が同時に並列的に行われるものを意味する。詳細
は後に記載する実施例に示されている。

【００１６】本発明方法の以下の実施態様は特に良好な
ことが実証されたものである。

【００１７】鉄材料の基本マトリックス中に組み込むこ
とのできる付加材料には鉄材料の通常の焼結温度以下で
溶融するものが有利である。この種の付加材料の群には
銅、マンガン、ニッケル、燐及び／又は硼素が含まれ
る。これらの付加材料は気孔の毛細管引力を利用して成
形部品の焼結中に基本材料の気孔中に液相として浸潤さ
せることができる。付加材料は限定可能の帯域内に、例
えば所定の厚さの表面縁帯域内に組み込むことができ
る。

【００１８】付加材料は純粋な気孔充填材の機能をもつ
ことができるが、しかしそれらは例えば本発明方法の有
利な実施態様に基づき相応する熱処理で少なくとも部分
的に鉄基本材料と合金化される。

【００１９】焼結中にプレス加工品の異種元素から構成
される個々の帯域内に形成される液相が焼結成形部品の
他の所定の帯域内を所望のように拡散できることが実証
されている。

【００２０】焼結材料を機械的圧縮又は圧延により表面
的に仕上げ圧縮すること自体は公知である。本発明によ
り焼結成形部品を製造するには、焼結成形部品の縁帯域
を揺動圧縮により残留気孔率５容積％又はそれ以下に仕
上げ圧縮することが特に有利であることが実証されてい
る。

【００２１】本発明方法は鉄材料からなる焼結成形部品
の製造を可能にするが、その際通常の圧縮法及び焼結法
に基づき製造される成形部品の利点、すなわち特にその
形状安定性、補正可能性及び経済性は、個々の高負荷帯
域における高い材料密度及び高い機械的強度の有利な特
性と結び付けることができる。例えば歯車の歯側の範囲
における機械的強度及び耐摩耗性の上昇は特に重要であ
る。

【００２２】本発明の工程全般にわたって重要なこと
は、焼結基本材料の通常の気孔容積を帯域毎にまず５容
積％又はそれ以下にし、それらの帯域内に“閉塞され
た”気孔を作ることにある。こうすることによってのみ
相応する帯域は引続きＨＩＰ法又は焼結ＨＩＰ法により
１００％の密度を達成される。約１０容積％の通常の気
孔率を有するその他の焼結成形部分は仕上げ圧縮措置に
よっても左右されずそのままである。

【００２３】

【実施例】本発明方法を個々の実施例に基づき以下に詳
述する。

【００２４】例 １ ２種の異なる粉末からなる複合体として環状の焼結体を
製造する。第１の粉末は例えばＡＳＣの商品名で市販さ
れているような市販の鉄粉末である。第２の粉末はやは
り市販の鉄−銅−合金ＦｅＣｕ２０である。環状金型
を、その内側を、すなわち軸近辺内を鉄粉ＡＳＣで、外
側を鉄粉合金ＦｅＣｕ２０で満たす。粉末複合物をまず
全体的に６ｔ／ｃｍ²で圧縮し、引続き焼結することに
より以下の変化が生じる。すなわち焼結体の外側の当初
のＦｅＣｕ２０を含む環状範囲は焼結後Ｃｕ相の液相を
形成しながら空洞化し、従って極めて多孔性であり、一
方環の内側部分は銅の液化の際にこの孔内に生じる一層
高い毛細管引力により銅で満たされる。この複合材料の
微小写真からその内側範囲内に合計しても僅かしかない
残留気孔に閉塞気孔を認めることができる。この環の内
側部分になお存在する残留気孔は次の処理工程中に焼結
ＨＩＰ法により除去される。環の外側部分は多孔性のま
まである。焼結成形部品は焼結ＨＩＰ法後に補正され
る。

【００２５】例 ２ 環状の焼結成形部品を市販の鉄粉を用いて通常の圧縮及
び焼結法により製造すると、この部品は理論密度の約９
０％の標準密度を有する。引続き環の中心から離れた表
面帯域を環の内側から表面に向かって増大して行き表面
では約９５％になる密度で圧延により０．５ｍｍ〜１ｍ
ｍの厚さに圧縮する。引続いてのＨＩＰ法又は焼結ＨＩ
Ｐ法により表面帯域の狭い縁層は所望の１００％の密度
にもたらされる。

【００２６】圧延により達成可能の１００％の密度の限
定幅帯域を広げるためには、予備焼結され圧延された焼
結成形部品の素材中に一定量のＣｕ液相を含浸法により
焼結成形部品に注入する。その際液相は有利には圧延に
より圧縮されているが１００％までは圧縮されていない
縁帯域内に浸潤する。それというのもそこでは気孔寸法
が小さいことにより一層高い毛細管引力が生じるからで
ある。浸潤された液相はなお“閉塞された残留気孔”を
有する。拡大された縁帯域はＨＩＰ法により１００％圧
縮されるが、一方焼結部品の内部には通常の気孔率が維
持されている。この環は引続き寸法通りに補正される。

【００２７】例 ３ 通常の圧縮及び焼結法により作られた焼結成形部品を限
定された帯域内で機械的仕上げ圧縮により引続いての焼
結ＨＩＰ工程中に液相が浸潤できる程度に圧縮するが、
その際液相はまずそこに存在する一層大きな毛細管引力
によって仕上げ圧縮されたより小さな気孔の範囲内に集
まり、更に液相焼結工程を介して閉塞された気孔性を有
する圧縮帯域となる。次の焼結ＨＩＰ処理は無気孔帯域
を有する成形部分を作る。前処理された帯域の外側に
は、当初の閉塞されていない気孔が焼結成形部品中に変
化しない状態のままで残る。この焼結成形部品は最後の
補正工程中に寸法安定性の構造部品に、すなわち許容誤
差の少ない構造部品に成形される。

【００２８】例 ４ 市販の粉末状鉄基本材料を用いて通常の圧縮及び焼結法
により作られた密度約９０％の歯車の歯側の範囲内にペ
ーストに混ぜ込まれた硼素又は燐をベースとする合金を
塗布する。この付加合金は液相形成物となる。成形部品
を次の焼結ＨＩＰ工程で焼結温度に加熱中に第１の部分
工程中に塗布された付加材料の硼素又は燐は溶融し、焼
結成形部品の縁帯域内に拡散浸潤されまた気孔内を支配
する毛細管引力によって０．５〜１ｍｍの厚さの縁帯域
に吸い込まれる。こうして得られた複合物は浸潤物を有
する縁帯域で閉塞された気孔率、すなわち少なくとも９
５％の密度を有する。この閉塞された残留気孔は焼結Ｈ
ＩＰ処理の第２の部分工程中に完全に除去される。こう
して得られた歯車は無気孔で１００％密度の強度の高い
表面帯域をその歯の範囲に有する。その際その表面強度
は相応して溶融された鋼材料のそれに近くなるか又は等
しくなる。歯車の残りの帯域はその当初の気孔率を維持
する。相応する構造を有する歯車は最終処理工程で補正
される。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 若干の帯域又は縁帯域内は無気孔性で残
   りの帯域は多孔性である鉄材料からなる焼結成形部品を
   製造する方法において、通常の粉末圧縮法及び焼結法に
   より残留気孔率を約１０容積％にされた成形部品を更に
   次の処理工程で残留する気孔内に付加材料を帯域毎に注
   入することにより及び／又は成形部品を部分的に作用す
   る機械的仕上げ圧縮によりこれらの帯域内の残留気孔率
   を５容積％又はそれ以下にし、それにより閉塞された気
   孔構造を作り、引続き高温等圧法又は焼結高温等圧法に
   よりこれらの帯域を仕上げ圧縮することを特徴とする無
   気孔帯域を有する焼結成形部品の製造方法。
2. 【請求項２】 鉄材料を通常の焼結温度以下で融解させ
   るために付加材料を使用することを特徴とする請求項１
   記載の焼結成形部品の製造方法。
3. 【請求項３】 付加材料として銅、マンガン、ニッケ
   ル、燐及び／又は硼素を使用することを特徴とする請求
   項２記載の焼結成形部品の製造方法。
4. 【請求項４】 焼結工程中の基本鉄材料の予備焼結に後
   続して付加材料を液相で基本材料の気孔に浸潤させるこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の焼結成形材料の製
   造方法。
5. 【請求項５】 焼結素材に加工された鉄材料に配量され
   た付加材料を施し、引続いての焼結処理中に融点に達し
   た時点で鉄材料中に浸潤させ、最小気孔帯域内に沈積さ
   せることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の
   方法。
6. 【請求項６】 鉄材料と注入された付加材料とを焼結成
   形部品内で合金化することを特徴とする請求項１又は２
   記載の焼結成形部品の製造方法。
7. 【請求項７】 焼結成形部品の若干の帯域を揺動圧縮に
   より残留気孔率５容積％又はそれ以下に仕上げ圧縮する
   ことを特徴とする請求項１記載の焼結成形部品の製造方
   法。
8. 【請求項８】 焼結成形部品が粉末プレス加工物に比べ
   て変化しない仕上げ寸法を有することを特徴とする請求
   項１ないし７の１つに記載の方法により製造された焼結
   成形部品。