JPS5933654B2 - 粉末冶金圧縮成形体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は粉末冶金による固い金属合金物品に関するもの
であり、更に詳細には高性能金属合金の物品に関するも
のである。

本発明の関係のある高性能合金は、摩毛、熱及び腐食に
抵抗性のあるコバルトベース、ニッケルベース及び鉄ベ
ースのクロム含有合金である。

これらの合金は成型が不可能であるか又は成型が困難で
あり、且つ普通は鋳造品として製造され、必要に応じて
研摩又は機械加工をする。

繊維ミル用の糸の導き、バルブシート挿入物などのよう
な高性能合金から製造される多数の小型の物品は必要量
を鋳造するのに時間がかかり且つ高価につく。

流し込み鋳造又は微粉末から物品を圧縮成形してから焼
結することになるような粉末冶金の方法によって上記の
製品を製造しようとする試みがなされている。

しかしながら、このような方法は多数の合金に対しては
申し分なく且つ経済的であることが明らかになっている
のであるが、本発明に関係のある高性能合金はどの硬い
合金に適用するのは困難であり且つ高価につくことにな
る。

一つの難点は仕上がり物品で所望の高密度にすることが
困難なことである。

粉末粒子は最適光てん密度を提供し従って次の濃密化を
促進するように球形構造であり且つやや広い粒度範囲に
わたって無秩序な粒度分布であるべきものと一般に考え
られている。

１９７２年２月１日付のステイフ゛ンライヒマン（Ｓ
ｔｅｖｅｎ Ｒｅｉｃｈｍａｎ）その他による米国特許
第３６３９１７９号明細書、大型粒度のスーパーアロイ
（Ｌａｒｇｅ Ｇｒａｉｎ Ｓ １ｚｅｄＳ ｕｐｅｒ
ａｌｌｏｙｓ）の製造法において、特許権者は約１５０
μないし約１０μの粒度範囲を推奨している。

しかしながら多数の高性能合金粉末をこの方法で圧密す
る場合には非常に狭い温度範囲でだけでしか焼結できな
いか、あるいは全く焼結できないことを見い出した。

実験では一般に粉末の粒度を一３２５メツシュ又は以下
に縮小することによって金属粉末の焼結を改良できるこ
とを示した。

細かいふるいを通しての粉末のふるい分けでこれを行え
ば、粉末の僅か一部が使用されるだけで不経済である。

粉末冶金で広く使用されているタイプの粉末であるが融
解合金からアトマイザ−粉砕された粉末では、例えば粉
末の僅か２５係ないし３５係が一３２５メツシュになる
だけである。

ふるい残りをより微細な粒度まで粉砕することによって
これを利用しようと試みて本明細書に関係のある高性能
合金の焼結性粉末を得ることができることを見い出した
。

しかしながら多くの場合この粉末を粉砕して焼結に必要
な粒度よりもかなり小さな粒度にするのでなければこの
粉末は加圧下での凝集性が不十分であった。

鉄粉又は通常の合金の粉末から物品を製造する際には粉
末を圧縮していわゆる所望の物品の形状の生の圧密体に
し、次にこれらの圧密体を炉に入れて焼結させるのが普
通である。

これらの圧密体は焼結操作によって粒子が結合されるま
でその形状を維持していなければならない。

生の圧密体が耐えなければならない応力は数ある理由の
中で圧密体の形状及びその寸法許容誤差に左右される。

圧密体のかさ密度は鋳造密度の約５０係から高い圧縮圧
力を使用した場合の約７０係の範囲にわたる。

一般に焼結物品の密度は鋳造密度の９５係又はそれ以上
である必要であるように、圧密体はすべて焼結中に約２
５係ないし４０係又はそれ以上程まで収縮する。

焼結された圧密体が寸法許容誤差に精密に合致しなけれ
ばならない場合には圧密体は焼結中に無理に圧迫される
。

内径許容誤差に合うように作らなければならないバルブ
・シート・インサート（ｖａｌｖｅ ５ｅａｔ １ｎ
ｓｅｒｔ ）の製作に当っては、例えば生の圧密体を心
金上をすべらせてその位置で焼結させる。

粉末物品間の凝集力が十分でなければ圧密体にひびが入
る。

効果的な圧縮に必要な平均粒度は最悪の場合でも約５μ
以下でなければならないことが見い出され、且つこのよ
うな粉末にするのに必要な粉砕時間は数日かかった。

かなり高くなった。その上更に非常に微細な粉末の表面
積は非常に増大し、且つその粉砕に要する時間が長いた
めに粉末の酸化を促進し、従ってあらゆる注意をしたに
もかかわらずその酸素含量はアトマイザ−で粉砕した粉
末よりもはるかに多かった。

この高い酸素含量は種種の理由で好ましくない。

好ましくない理由の一つは粉末の焼結範囲を狭めること
である。

このように焼結粉末は多数の合金に対して融和性でなく
、又融和性粉末は効果的に焼結できなかった、もちろん
これでコストはかなり高くなった。

それ故アトマイザー粉砕した粉末を経済的に使用する粉
末冶金法によって製造された高性能合金の物品を提供す
るのが本発明の目的である。

別の目的は焼結温度の範囲を拡大するような方法を提供
することである。

もう一つの目的は従前から公知の方法よりも大きなふる
い分は寸法の粒子の使用を許容するような方法を提供す
ることであり、更にもう一つの目的は現在公知の粉末冶
金方法では焼結することのできない高性能合金に適用で
きる方法を提供することである。

本発明の他の目的は下記の記載から明らかになるであろ
う。

高性能合金粉末の融和性はこれから記載しようとしてい
る方法で粒子を結合剤でコーチングすることによって非
常に改良されること、及び粉末の酸素含量を許容し得な
い濃度まで増加しない比較的簡単な粉砕操作で焼結する
のに適切な粒度まで粉末の粗大な分画を縮小できること
を見い出した。

本発明の物品を製造する方法は、得られる物品で最大密
度を所望しない場合には多数の高性能合金のアトマイザ
−粉砕した融解物の最大限の粒度範囲を使用するのに応
用できる。

この方法は又従来の方法では焼結できないか、あるいは
端しか焼結できない高性能合金にも応用される。

この発明の方法では粒子を縮小して許容し得ない酸化を
伴わない粒度にするようにアトマイザ−粉砕された融解
物又は全生成物の比較的粗大な分画を製粉しこの粉末を
結合剤と乾式混和し、且つこの混和物を混合剤用の溶剤
と混合して可塑性の塊を生成し、この塊を固めて中間密
度の別々の物体にし、これらの物体を乾燥し、粉砕し、
且つ得られる凝結体をふるい分けて約−１００メツシュ
粒度にし、凝結体を圧縮して形状を保持している生の圧
密体にし、これらの圧密体を炉の中に入れ、且つこの圧
密体を焼結することを包含している。

本発明の多数の合金の組成を添付の表に示す。

使用する合金粉末は所望する組成の融解物をアトマイザ
−粉砕して製造するのが好ましい。

この融解物をるつぼに入れて、それの融解点よりも１１
１°Ｃ（２０００Ｆ）位高い温度に加熱する。

この融解は真空中又はアルゴンのような不活性ガスのブ
ランケット（ｂｌａｎｋｅｔ ）の下で行うのが好まし
い。

次に金属の流れがアトマイザ−の粉砕室に流入するとき
に通る小直径のノズルを底に作っである予熱された耐火
タンディツシュ（ｔｕｎｄｉｓｈ）に融解物を注入する
。

ノズルから出て来る流れはノズルの直下で融解流と接触
する不活性ガス又は水の高圧ジェットによって粉砕され
て微細な粒子になる。

粒子すなわち小滴はアトマイザ−粉砕機の流体によって
ほとんど瞬間的に急冷されてアトマイザ−粉砕機室の底
部にある貯蔵器の中に落ち込む。

３０メツシユふるいを通過する分画だけを使用する。

これらの粒子は形状がほぼ球形であり、且つ粒子の約２
５係ないし３５係が一３２５メツシュである。

３２５メツシユふるいは最大寸法が４４μの粒子を通す
。

本発明の粉末用の結合剤としてはポリビニルアルコール
を使用するのが好ましいが、当業界で公知の他の固体結
合剤も使用される。

例はショウノウ、メチルアルコール、バラジクロルベン
ゼン、クロル酢酸、ナフタリン、安息香酸、無水フタル
酸、グリセリン、特許化合物であるアクロワックス（Ａ
ｃｒｏｗａｘ ） Ｃ１カルボワックス（Ｃａ ｒｂ
ｏｗａ ｘ ）のような酸化エチレン重合体固形物、ア
クリルアミドのような合成ゴム、及び金属ステアリン酸
塩である。

結合剤用の溶剤は適当に選定しなければならない。

水溶性結合剤に対しては水で十分である。

任意の適切な混合装置中において粉末粒子と結合剤粒子
との混和を行う。

結合剤の量に臨界的ではなく、且つ数重量係で十分であ
る。

粒子の可塑性の、すなわちパラ様の混和物、結合剤、及
び溶剤の押出し成形が可塑性混合物を固めて凝結体にす
る最も便宜な方法であるが、圧延加圧成形のような他の
方法を用いてもよい。

次に押出し成形品を乾燥し、ローラー・クラッシャー（
ｒｏｌｌｅｒ ｃｒｕｓｈｅｒ ）、ハンマー°ミル（
ｈａｍｍｅｒ ｍ１ｌｌ ）、又はその種の他の粉砕機
で粉砕してふるい分ける。

粉砕された押出し成形結合剤粉末の一１００メツシュ分
画は非常に微細である。

粒子の約６０ないし８０％は一３２５メツシュであって
、１ｃｃ当たり約２．０ないし３．３ｇの見掛は密度に
相当する。

しかしながら微粉末の百分率及びこの物質の見掛は密度
の両方共製粉された粉末のものよりも小さい。

混和及び押出し成形した結果として物質中の粉末の各粒
子は結合剤の皮膜で被覆されており、且つこの物質から
圧縮された生の圧密体はこの結合剤皮膜によって結合さ
れているものと思われる。

粉末及び結合剤の凝結体をダイス、すなわち所望の形状
の型中において既に記載したような約７、０３ ｔ／ｉ
（５０ｔ／平方インチ）の圧力で圧縮する。

圧縮圧力は２．８１ ｔ／ｉ（２０ｔ／平方インチ）程
度に低くてもよく又９．８４ｔ／ｉ（７０ｔ／平方イン
チ）程度に高くでもよく、圧縮圧力の高い程、生の圧密
体の密度が高い。

２、ｓ１ｔ／湖（２０ｔ／平方インチ）の圧縮圧力にお
ける圧縮密度は鋳造密度の約５６ないし５８係であり、
又９．８４ ｔ／＝（７０ｔ７平方インチ）においては
鋳造密度の７０ないし７２係である。

仕上がり物品の所望の密度は合金の固相線温度と液相線
温度との間の温度における真空あるいは減圧ふんい気中
において圧密体を焼結することによって得られる。

焼結は約１時間で完結させることができるが、時間を２
時間あるいは高々３時間まで延長させる場合には物品の
特性をそこなうことなく温度をやや低下させることがで
きる。

正しく焼結された圧密体は鋳造密度の９８係又はよりよ
い密度を有している。

本発明において必要のある場合には上記の融解物のアト
マイザ−粉砕で得られる粉末粒子の一部又は全部の粉砕
を行う。

本発明においては一３０メツシュのような比較的粗大な
アトマイザ−粉砕した粉末を９８係以上が一３２５メツ
シュになる粒子に転化させるようにボールミル、衝撃製
粉、摩擦製粉、振動製粉、又は他の公知の方法によって
粉砕し、且つこれらの粒子を上記の方法で処理して改良
された特性を有する焼結物品を製造する。

使用するのに好ましい製粉用ビヒクルはメタノールであ
り、製粉機を真空にして仕込み品の酸化を最小にするの
が好ましく、又ボール・ミルの場合には充てんするボー
ルは製造中の製品と融和性の組成の耐摩耗性合金で製造
する。

製粉時間は約８時間から３６時間までの範囲にわたり、
且つ−３２５メツシユ製品の平均粒度は製粉条件に左右
されて、約３０μから９μ程度の範囲にわたる。

製粉後、充てん物を製粉機から出して粉末を沈降させる
。

アルコールをデカンテーションさせてスラッジを真空ろ
過する。

粉末のろ過ケーキを真空又は空気中において乾燥させ、
次に粉砕して結合剤の付着した粒子の−６０メツシユ凝
結体にする。

合金第７号の一３０メツシュのアトマイザ−粉砕粉末の
圧密体は焼結させることができない。

この粉末の−３２５メツシユ分画は約３１μなる平均粒
度を有し、９５係密度に対する温度範囲はやや狭くはあ
るが焼結させることができる。

しかしながら既に上記したように、アトマイザ−で粉砕
した粉末の−３２５メツシユ分画は粉末のわずか約２５
％ないし３５係である。

アトマイザ−粉砕した一３０メツシュ粉末を製粉して約
１５μの平均粒度にしたものは約１３．９°ないし１６
．７°（摂氏目盛）（２５°ないし３５°（華氏目盛）
）の温度範囲以内で焼結させて９５係密度又はこれ以上
にすることができ、この範囲は工業的な操作には十分な
幅である。

製粉粉末の酸素含量は約０．４４％である。

製粉粉末にアトマイザ−粉砕された粒子の比較的少量の
微細な分画を添加すれば多少焼結性を付与することが見
い出されるのは興味深いことである。

別の操作において合金第７号のアトマイザ−粉砕した−
３０＋２７０メツシユの仕込み品をボールミル中におい
て２５時間粉砕して約１０μの平均粒度にした。

この物質を集合体の３０重量係に相当する量の一２７０
メツシュのアトマイザ−粉砕した粉末と混合した。

この集合体の平均粒度は２３．５μであった。

集合体の圧密体はアトマイザ−粉砕した−３０＋２７０
メッシュの粉末をボールミル中において１８時間製粉し
て１５μの平均粒度にしたものの圧密体のようには焼結
しなかった。

最初に記載の粉末は９５係の密度を達成するには１２６
０．０６Ｃ（２３００°Ｆ）の温度において１時間以上
焼結させなければならなかった。

１２６５．６°Ｇ（２３１０’Ｆ）における１時間の焼
結では９８．２５％の物品密度を得られた第二番目に記
載の粉末では１２４８．９°Ｇ（２２８００Ｆ ）にお
ける焼結１時間後には９５％、又１２５４．４°Ｃ（２
２９０°Ｆ）における１時間後には９８係の圧密体密度
を達成した。

実施例 １ 表ノ合金第３号のアトマイザ−粉砕粉末の−３２５メツ
シユ分画を混合機中において２ないし３重量係の結合剤
、好ましくは一１００メツシュのポリビニルアルコール
の粒子と乾燥混和させた。

使用の粉末粒子は約３０μなる平均粒度であった。

次に十分な温度を添加して粉末と結合剤との可塑性混合
物を作った。

次にこの混合物を固化させて鋳造密度の約６０係の密度
にするのに十分な圧力下においてこの混合物を押出し成
型して長さ約５０．８ｍｍ（２インチ）、直径１２．７
朋（０，５インチ）の円筒又は円盤にする。

次にこの円盤を乾燥し、ローラー クラッシャー、ハン
マーミル又はその種の他の機械で粉砕し、粉砕粉末をふ
るい分けして一１００メツシュにした。

混和された合金粉末物品の一１００メツシュ凝結体を約
７．０３ ｔ／ＣＩ？Ｌ（５０ｔ／平方インチ）なる圧
力下において成形して後続の処理に十分耐える強度を有
する所望の形状の生の圧密体を作った。

次に生の圧密体を１２３７．８°ないし１２７３．９
℃（２２６０°ないし２３２５°Ｆ）の温度において１
ないし３時間焼結させた。

結合剤は焼結中に揮発し、且つ焼結物品の密度は鋳造密
度の９７係ないし９９ｆ０であった。

実施例 ２ ニッケルベース合金、合金第７号を不活性ガスでアトマ
イザ−粉砕した粉末を３０メツシユふるいでふるい分け
た。

ふるい分は粉末４５．４ｋｇ（１００ポンド）をメタノ
ール４９．２１（１３ガロン）及びハイネス・ステライ
ト＊（）ＩＡＹＮＥＳＳ置ＬＩＴＥ）合金第３号の球約
２６２．９ｋｇ（８００ポンド）と共に長さ７１ｃｒ／
Ｌ（２８インチ）のボールミルに仕込んだ。

このミルを減圧し、且つ１０時間の間臨界速度の約８０
％（５４回転／分）で運転した。

得られた粉末の平均粒度は約１７．５μであり、粉末の
約９８係は一３２５メツシュであった。

粉末をミルから取り出し、ろ過、乾燥し、且つ一１００
メツシュのポリビニルアルコール粒子２重量係、及びア
クロワックスＣＩ重量係と乾式混和をし、水と混合して
パテ様の塊を作り、押出し成形して小型円盤にし、乾燥
し、粉砕し、ダイスに充てんし、圧縮してからダイスか
ら取り出した。

凝集性の生の圧密体を焼結炉中に入れ、■ないし３時間
の間１２１０．０°ないし１２２１．１°Ｃ（２２１０
°ないし２２３０°Ｆ）の温度において焼結させた。

得られた物品の密度は鋳造密度の９８係ないし９９係で
あり、且つロックウェルＣ硬度（Ｒｏｃｋｗｅｌ ｌ
Ｃ−８ｃａ ｌ ｅｈａｒｄｎｅｓｓ ）は４１ないし
４４であった。

＊キャボット社（Ｃａｂｏｔ Ｃａｒｐｏｒａｔｉｏｎ
）の登録商品名 実施例 ３ コバルトベース合金である合金第６号の不活性ガスでア
トマイザ−粉砕した粉末を３６時間粉砕した以外は実施
例２に記載したようにして製粉し、１１．５μの平均粒
度を有する粉末にした。

次にポリビニルアルコール３係とアクロワックスＣ１％
とを結合剤の構成要素にしたことを除いて上記のように
処理して凝集性の圧密体にし、これを焼結炉に移し、１
１７１．１°ないし１１８２．２°Ｃ（２１４０°ない
し２１６０°Ｆ）の温度において焼結させた。

完成物品の密度は鋳造密度の９６ないし９８係であった
。

実施例 ４ 鉄ベース合金、合金第８号を不活性ガスでアトマイザ−
粉砕した粒子を３２５メツシユふるいでふるい分けた。

次に結合剤がポリビニルアルコール３係であることを除
いて実施例１に記載したようにふるいを通過した粉末を
結合剤と混合し、更に上記のように処理して生の圧密体
にした。

これらの圧密体はそれらの形状を保持し、且つ焼結炉中
に移され、１１７６．７°ないし１１８７．８°Ｃ（２
１５０°ないし２１７０°Ｆ）の温度において焼結され
て鋳造密度の９７係の密度を有する物品になった。

実施例 ５ −３０メツシユ粒度の合金第８号を不活性ガスで粉砕し
た粒子を２４時間ボールミル中で粉砕して約９μの平均
粒度の粒子にした。

次にこれらの粒子をポリビニルアルコール粒子３重量係
及びアクロワックスＣの粒子１重量係と混和し、更に実
施例１に記載したように処理して凝集性の生の圧密体を
作り、これらの圧密体を１１７１．１°ないし１１８７
．８°Ｇ（２１４０°ないし２１７０°Ｆ）の温度にお
いて焼結させて鋳造密度の９７係の密度を有する物品に
した。

ボールミル製粉用に選定されたビヒクル （Ｖｅｈｉｃｌｅ ）は焼結工程にある種の影響を及ぼ
す。

水を使用するのは好ましいのであるが、水を使用すれば
焼結物品の酸素含量が測定にかかる程増加することにな
り、且つ焼結温度範囲の狭くなることが分っている。

合金の酸素含量が臨界的であるか、あるいは焼結範囲が
限定される場合には水以外の溶剤を使用する。

例えば平均粒度約１８μの粉末から成る合金第７号の場
合においては、ビヒクルとして水を使用するために生じ
る合金の酸素含量の増加は約０．４３％である。

ビヒクルとしてメタノールを使用するのが好ましく、こ
れは僅か約０．１２％の酸素含量の増加をもたらすにす
ぎない。

ビヒクルとして使用することのできる他の有機溶剤はケ
トン、芳香族炭化水素、及びメタン列化合物である。

一方、有機結合剤の分解で焼結物品の炭素含量が約ｏ、
１％ないし０．２％の量増加する。

合金第３号及び当業界で周知の低炭素高性能合金ではこ
の増加が顕著なことがあり、このような場合には焼結温
度で炭素によって還元される金属の酸化物少量を粉末に
添加する。

酸化コバルトは合金第３号用に適切であり、且つ本発明
において好ましい。

他の合金に対しては酸化ニッケル、又は合金の組成と融
和性の他の金属の酸化物が使用される。

本発明において使用する方法は分散相を含有する合金の
粉末からの製造に有用である。

この方法によって炭化タングステン粒子が約２５ないし
約６０重量係分散している合金第２号の母体から成る合
金を製造した。

炭化タングステン粉末を合金粉末に添加して機械的に混
合する。

次に粉末混合物を適切な結合剤と混和し、その時点から
一上に開示の実施例に記載したのと同じ方法で処理する
。

上記記載において、ふるいの寸法は米国材料試験協会の
ふるい寸法である。

平均粒度はシャープレス・ミクロメログラフ（Ｓｈａｒ
ｐｌｅｓＭ ｉｃｒｏｍｅｒｏｇｒａｐｈ）によって測
定した。

上記明細書において本発明の目下のところ好ましい実施
態様を開示したけれども、前記の特許請求の範囲の項に
記載の範囲内において、別の方法で本発明を具体化する
ことの可能なことが理解されるであろう。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高性能のコバルトベース、ニッケルベースまたは
   鉄ベースのクロム含有合金の焼結粉末金属物品であって
   、類似合金の鋳造物品の特性と等しいかまたはそれより
   優れている特性を有ししかも、この物品は平均粒径９〜
   ３０ミクロンの上記合金粉末を、合金粉末の５重量係以
   下の乾燥微粉末有機結合剤と混合して合金粉末中に結合
   剤が均一に分散した分散体を形成し、次いで、合金粉末
   および結合剤と可塑性混合物を形成するのに十分な量の
   、結合剤用溶剤を添加し、可塑性混合物を固化してその
   かさ密度を、合金粉末のかさ密度とその鋳造合金のかさ
   密度の中間のかさ密度とし、固化混合物を乾燥して溶剤
   を蒸発させ、固化混合物を一１００メツシュの粒子で、
   しかもそのうち少なくとも半分が一３２５メツシュであ
   る粒子に粉砕した予備合金粉末粒子のばらばらの、塊状
   体を形成し、所望の形状のダイスにそれらの塊状体を充
   填し、ダイス中の塊状体を上記合金の鋳造密度の少なく
   とも５０％まで圧縮して凝集性の生圧縮成形体を形成し
   、この圧縮成形体をダイスから取り出し、この生圧縮成
   形体を上記合金の固相線温度と液相線温度の間の温度で
   焼結することにより製造されたことを特徴とする物品。