JPS62253704A

JPS62253704A - 粉末物質による金属、セラミツク又は金属セラミツク部品の製造方法

Info

Publication number: JPS62253704A
Application number: JP61182609A
Authority: JP
Inventors: アルフレッド・エフ・ホスタッター; ウェイン・ピー・リチティ; ジョン・ジー・パップ
Original assignee: Metals Ltd
Current assignee: Metals Ltd
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1986-08-02
Publication date: 1987-11-05
Also published as: EP0211643B1; DE3675457D1; EP0211643A1; SG17992G; US4594219A; ATE58075T1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は一般に粉末金属技術棟だけセラミック部品特に
複雑な形状からなる部品を完全な密度の９０％の範囲ま
で統合することに関する。

粉末金属およびセラミックの統合技術をこのような形状
をもった受容し得る部品の製造に採用しようという試み
は難しく面倒なものとされてきた。

このような部品の典型的なものは複雑な断面、Ｈ型品な
どアンダーカットのある部分および／またけ出来上り部
品を貫通する穴のある部分を有するものである。例とし
ては機械のコネクチングロッドやス・ξすがあり、他に
も多くの同様の複雑形状のものがある。しかし、粉末金
属技術の利点は大きく、このような統合された金属部品
やセラミックスの成形を可能とする改善技術に対しては
大きな需要がある。

本発明の主Ｉ皮な目的は上記需要に見合う方法を提供す
ることである。本発明の方法は基本的に、製造しようと
する出来上り部品の部分をなす２つ寸だはそれ以上の過
大な予備成形体の成形、このような部品の接合、そして
そのあとの全体的な寸法縮小により、それらの密度を増
加させ、そしてそノｔらを〃に溶接させるような方法で
もって高温加圧下において接合した部分品を統合させる
ことを企図するものである。

明らかなように、過大寸法の予備成形体は接着剤、仮着
は溶接捷だは局部的な機械的手段などにより、並んだ形
で接合されイ（Ｉ、非密着性金属粉が予備成形体間に薄
い層状におかバー、それらを統合させ、そしてそれら相
互の溶接を助けるようになされイ；）る。１つまたはそ
れ以」二の予備成形体には凹所が形成され、統合中その
中にインサートが保持されるようになされ得る。そして
予備成形体は同じかまたは異なった金属組成またはセラ
ミック組成を有し得るものである。

さらなる目的は、引続く最終統合のために並べた形で掛
合することに先立って、予備成形体の寸法を一部縮小さ
せるという予備統合工程を含めることである。

本発明のなおさらなる目的は、最終部品において、側面
または斜面の孔あるいは溝、あるいはくほみを有する部
品を製造するための簡単な方法を確立することであり、
このような開口部は統２合工程において部品のプレス方
向に対し９σの角度あるいは斜めの角ｊ仄となっている
ものである。側面や斜面のくぼみ、孔あるいは溝を有す
る部品の最終形状を分析すると、部品は前記開口部を横
切る面に沿って２分される。このような部品の予備成形
体をつくるには、このような予備成形体を最終部品のセ
グメントとして形成し、各セグメントには前記した溝、
くほみまたは孔の半分か半分近くを含１せるようにする
。この技術は密度の均一性および形状調整の双方につい
て予備成形体の特質を著しく簡略化し、かつ改善する。

たとえば、予備成形体が側面に特別形状を有し、あるい
はそれに凹部（すなわちアンダーカット満または孔）を
有する１つの部片に冷間プレスされる場合、このような
キャビティを形成させるには型の中子インサートを用い
なければならない。型キャビティのこのような障害物の
まわりの予備成形体粉末密度を均一にするのは困難なこ
とである。キャビティあるいは特別形状を分割し、それ
ら特別形状を２分した２つまたはそれ以上の部分からな
る予備成形体をつくることにより、事前の多くの分割さ
れた予（＋ｉｉｉ成形体が均角な一体部品となった良ｑ
ｊ＋の最終部品がつくられる。統合後インサートは化学
浸出あるいは機械的置換によって除かれる。

予備統合および最終統合工程は共に熱粒子床（たとえば
セラミックか炭素質の粒子のような）の内部で行なわれ
、それに王力が伝達されることがわかるであろう。

本発明のこのようなこと、そして他の目的および利点は
詳細な態様の説明と併せ、以下の明細および図面からさ
らに十分に了解されるであろう。

第１図は、本発明の方法の工程を示す工程系統図である
。

第２図は組立てだ形の予備成形部分品を示す断面図であ
る。

第２ａ図〜２０図は予備成形体の相反連結方法を示す部
分断面図である。

第３図は第２図に類似しているが、統合した部品を示し
だ断面図である。

第３ａ図は統合したスパナの斜視図である。

′第３ｂ図は組立前のスパナ頂部の図である。

第４図は本発明の統合工程を示す切取図である。

第５図は一端から見たコネクティングロッドを示す立面
図である。

第６図は第５図の線６−６における断面図である。

第７図は統合したコネ多ティングロツｈ’すなわち予備
成形体の半分を示しだ正両立面図である。

第８図および第９図は第７図の線８−８および９−９に
おける断面図である。

第１０図は組立てられたコネクティングロッドの端面図
である。

まず第１図てついて言えば、本発明の方法の工程を示す
工程系統図が示されている。数字１ｏにみられるように
、捷ず製造品あるいは予９ｊう成形体の金属、金属−セ
ラミック１だはセラミックの部品または部月は、たとえ
ばスパナその他の部品の部分の形につくられる。好塘し
い態様としては、鋼粉末粒子その他の金属および金属合
金からつくられる金属予備成形体の使用が企図されてい
るが、フェライト、窒化珪素、アルミナ、シリカおよび
その類似物などのセラミック物質も才だ本発明の範囲内
にある。

典型的な鋼の予１１ｉ成型体の組成は、次のようなニッ
ケルおよびモリブデンで合金された鉄からなる。

鉄　　　　　　　　９６〜１００　　重量係ニッケル　
　　　０〜２０〃モリブデン　　　０〜１０〃炭素　　　　　　０．１−　０．６　１１典型的には予
備成形体は理論的な密度の約８０ないし８５チである。

粉末が予備成形される形につくられた後、その強度を増
加させるだめ例典型的には焼結される。金属予備成形体
（たとえば鋼）の焼結には、保護雰囲気内で約２〜３０
分という時間で約２，０００〜２，３００　°Ｆ　（Ｌ
Ｏ９３°〜１，２６０℃）の範囲の温度を必要とする。

１つの実施態様ではこのような保護的な非酸化性の不活
性雰囲気は窒素を主体としたものである。１２に示しだ
焼結に続き、予備成形品はそのあとの工程のために貯蔵
しておくことが出来る。このような必要がある場合、予
備成形品は引続いて保護雰囲気内で約１９５０°Ｆ（１
（２６６℃）に再加熱される。

次に最終製品と較べて過大にされた予備成形体は２つの
予備成形体を並べた形におくよう組み立てられる。たと
えば長い境界面３３に沿って組み立てられる第２図およ
び第３ｂ図における２つの予備成形体３）と３２、およ
び（たとえば）ハント゛ル３４とヘラ）”３５を有する
可調整スノξすのような工具の形をした単一の予備成形
体からなる成形用部分品を参照されたい。

部品の１つまたはそれ以上のセグメントは十分に稠密な
物質からつくることができる。（第１図、種目１１）組
立体にはタングステンカーバイドのような特殊な物質ま
たはねじ切りしたインサートを結合させることができる
。

次に組み合わされた予備成形体は高温下および加圧下で
統合されて部分品３）と３２を互に溶接し、第３図およ
び第３ａ図に描かれたようにそれらを最終部品寸法に縮
小される。１６と第４図に示されているが、統合工程は
以下にさら尾詳細に論じられるように典型的には加熱さ
れた予備成形体が加熱された粒子床内におかれだ後に行
なわれる。こ＼で文献として関連のある米−１１！？ボ
「第３．６８９．２５８号、第３．３５へ４９６号、第
４．５０１．、７１８号、および第、ｌ、４９９，０４
９号そして米国特許出願中の特願第５３５．７９１号を
も参照されたい。必要とされる多量生産を行なうには、
多数の加熱粒子層か粒子床および高温の予備成形体が用
いられるか、あるいは多数の予備成形体を加熱粒子床内
に並べておかれるかの何れかで行なわれる。さらに生産
を促進させるだめに、予０１１１成形品が冷却されない
限りは焼結に引き続き統合を行なわせることができる。

統合は埋め込んだ予備成形品を高温で加圧することによ
って行なわれる。金ＦＡ　（鋼）対象物のためては約２
０００°Ｆ　（１，０８３℃）の範囲の温度および約２
５　ｔ／１ｎ２３）３８，７５ｋｇｆ／ｍｘ２）の−軸
圧力が用いられる。他の金属やセラミックでは、物質に
もよるが１０−６０　ｔ／１ｎ２３）１５，５〜９３ｋ
ｇｆ／ｍｍ２）　オヨび９００〜３，５００°Ｆ　（４
８２°〜１９２７℃）の温度で統合が行なわれる。予備
成形体は今や稠密化され、そして１８で示されたように
分離される。こ＼で粒子は予備成形体と分離され１９で
示されたように循環される。必要があれば予備成形体に
（＝ｊ着している粒子は容易に除去されるし、最終製品
はさらに什」二げを施される。

さて第４図には統合工程がより完全に示されている。予
備成形品２０は前記のようにセラミック粒子床または炭
素質粒子床に完全に埋没され、そして順番に統合用の型
２４内の収納域２４ａ内に置かれる。プレス床２６は底
面盤を構成し、一方水王プレスラム２８は頂部を措成し
粒子２２をプレス加圧するのに用いられ、予備成形体２
０に対し実質的に均一にＬＴ：力を加える。予備成形体
および粒子床は統合に先立ち、９００〜４０００°Ｆ　
（／１８２〜２２０４℃）の温度にされる。この温度は
各物質について実験的て決められるものである。肝め込
まれた金属粉予備成形体２０は型２４内のラム２８の作
動により高い擬似静圧力のもとて急速に圧縮される。第
３図は統合された部材２０ａを示す。

第２ａ図〜第２ｃ図は統合工程に先立ち、並べた形で予
備成形体を接合するいろいろの方法を示しだものである
。第２ａ図では予（＋！！ｉ成形体３）と３２が；３（
ｉで示しだように仮着は溶接で接合きハ１、第２ｂ図で
は予備成形体はＩＮ　ＩＡ的に３７と３８で示された突
起と溝の結合により、機械的接合がなされる。

第２ｃ図では、乾いた金１１１５粉か助゛い層状３９で
予備成形体の対向面間、すなわち第２図で示した境界面
３３のところにおかれる。次いで粉末は工程１６で統合
され統合予備成形体を互に溶接する。粉末は予（、ｉｊ
、成形体のそれと同じ組成をもちその層はｏ、ｏｏｔ〜
０．００５インチ厚（０，０２５４朋〜０１２７朋厚）
の間にある。また有機タイプの揮発性バインダーの中に
入れてもよい。例としてはセルローズアセテート、ブチ
ルアセテートおよびステアレートなどがある。バインダ
ーは常温で３〜２４時間の乾燥で揮発し得るか、または
７０〜３００°Ｆ　（２１〜１４９℃）で数時間酸化性
に近い雰囲気内で焼くことにより揮発する。あるいは予
備成形体は別法として統合に先立ち互に接着剤による接
合を行なうこともできる。

凹所を１つまたは２つの予備成形体につくることができ
る。予備成形体３）と３２にある２つの対向凹所が４０
と４１に示されている。哄、　’ｆ、％！ｊ的にインサ
ートを４２に示されたように凹所に配置することができ
、統合工程１６においてその中にインサートが保持され
予め設定された寸法の最終凹所が得られるようにされる
。次いでインサートは統合のあと除去される。典型的な
インサート組成物には、セラミック（石英、ジルコニア
およびアルミナなど）、黒鉛および耐火物金属と合金あ
るいは成製カーバイドが含まれる。インサートは凹所よ
りも小さい場合は金属粉が凹所壁とインサート間の間隙
４３内におかれ、工程１６で層内で統合され凹所壁を被
うようになる。このような被覆物は予備成形体と同じ組
成でもよいし、まだたとえば１１１１受層を与えるよう
な異なる金属組成でもよい。このことに関連し、２つの
予備成形体３）と３２は異なる金属組成でもよいし、ま
だインサート４２は統合に先立って予備成形体の１つに
そして凹所内に仮接合させてもよい。

第１図はまだ１つまたは２つの予備成形体について１４
の組立に先立ち、２０の予備統合からなる追加の工程を
も示している。予備統合工程は典型的には工程１６で得
られる最終稠密体の７５係と８５チの間にまで予備成形
体をプレスするように行なわれる。

第５図−第９図を参照するに、本発明の方法はコネクテ
ィングロッドＳ５０の成形に用いられている。

コネクティングロッド用の予備成形体５１は類似してお
り、第７図に見られるような形をしている。

この図は第５図のロッドの対称的な半分の１つを示し、
第５図の線７−７に沿って見だものであり、このような
予備成形体は第２図で前記したのと同じ方法で境界面５
２３）コネクティングロッドの反対面５３間の距離の半
分をなす）に沿って組み立てられ、あるいは接合された
ものである。

予備成形体は初めに適当な過大寸法に（たとえば金属銅
粉を用いて）冷間プレスされ、統合後のコネクティング
ロッドの最終密度の約８０％にされる。−緒にしたとき
、２つの予備成形体の半分の部分５１は正確に合わさり
、第２ａ図または第２ｂ図に示されたように一緒にされ
る。あるいけ金属粉と接合剤の薄層は第２ｃ図で述べた
ように境界面５２におかれる。

第１０図は組み立てられたコネクティングロッドの端面
図である。第１０図に５３で示されたインサートはコネ
クティングロッド９の２つの半片で形成される頂部ボル
ト孔に配置される。これらインサートの詳細は第２ｄ図
の種目４２について述べたものと同じである。

一緒に組み合わされた半分づ−の２つの部分品は約２０
００°Ｆ（１，０９３℃）の鍛造温度に加熱され、次い
で粒子床内に移される。この粒子もまだ約２０００°Ｆ
　（］、Ｃ１９３℃）に加熱されており、次いで第４図
のとおりに型内で十分な密度に統合され、そして互に溶
接される。この工程の間、２つの半部品は互に融接状態
で完全に溶接される。この融接は金属の溶は落ちがなく
、本質的に何も残らない。この接合の強さは完全に稠密
な合金母料１．００チのそれである。さらに２つの半部
品は使用される合金の完全な１００　％密度にまで統合
される。コネクティングロッドの形状はほとんど正寸法
をなすものである。コネクティングロッドゝのだめの２
次作業には、インサートの除去、線９−９でのジャーナ
ルキャップの切断、機械加工、熱処理、軸受部分のグラ
インダー仕上げおよびジャーナルキャップボルト用孔の
ねじ切りなどがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法の工程系統図、第２図は、組み
立て状態の予備成形体の部分品を示す断面図、第２ａ図〜第２ｄ図は、予備成形体の相互の連結方法を
示す部分断面図。第３図は、統合部品を示す断面図、第３ａ図は、統合したスパナの斜視図、第３ｂ図は、組
立て前のスパナ頭部の斜視図、第４図は、本発明の統合
工程を示す切取図、第５図は、コネクティングロッドを
一端から見た立面図、第６図は、第５図の線６−６における断面図、第７図は
、統合したコネクティングロッドの半分を示す正両立面
図、第８図および第９図は、第７図におけるそれぞれ線８−
８および線９−９での断面図、そして第１（）図は、組
立てだコネクティングロッドゝの端面図である。２３））・・・予備成形体　　　４０　、４］・・・凹
所２２・・・粒子　　　　　　４２・・・インサート２
４・・・型５０・・・コネクティングロッド８３）　、
３２・・・予備成形体　５１・・・半部分品７−、ｉ手　　続　　補　　正　　書昭和２７年２月λヲ日特許庁＆官黒　江１　明　雄　殿事件との関係　　特許出願人住所兎婢千　−夕Ｉレズ′・リミｒツド４、代理人５、補正の対象

Claims

【特許請求の範囲】

（１）粉末状物質を用いて金属部品、セラミック部品あ
るいは金属セラミック部品を製造する方法であつて、（ａ）製造しようとする最終部品の２つまたはそれ以上
の部分品にそれぞれ相当する２つまたはそれ以上の過大
な粉末物質の予備成形体を成形する工程、（ｂ）前記予備成形体を隣接させて配置する工程、およ
び（ｃ）前記予備成形体を高温加圧下で統合し、前記部分
品を互に溶接し、そして部分品を最終部品寸法に縮小さ
せる工程からなることを特徴とする複数の粉末金属予備成形体の
統合方法。
（２）前記予備成形体を前記（ｃ）の工程に先立つて隣
接させて接合させることを含む特許請求の範囲第（１）
項記載の方法。
（３）前記接合が前記予備成形体の接着結合を含む特許
請求の範囲第（２）項記載の方法。
（４）前記接合が前記予備成形体の機械的連結を含む特
許請求の範囲第（２）項記載の方法。
（５）前記機械的連結が予備成形体の突起と溝とを嵌合
させることを含む特許請求の範囲第（４）項記載の方法
。
（６）前記機械的連結が予備成形体の仮着け溶接を含む
特許請求の範囲第（２）項記載の方法。
（７）前記予備成形体の側面間に乾燥した金属粉または
セラミック粉末をおき、次いで該予備成形体を特許請求
の範囲第（１）項の工程（ｂ）に従つて一緒に配置する
ことを含む特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
（８）粉末が０．０００１ないし０．００５インチ間の
厚さをもつ層状におかれるところの特許請求の範囲第（
７）項記載の方法。
（９）前記（ａ）工程が少なくとも１つの予備成形体の
境界面に凹所を形成させること、および前記凹所にイン
サートを配置し、インサートが前記（ｃ）工程中前記凹
所に保持されるようにし、次いでインサートを除去する
ことを含む特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
（１０）インサートが、セラミック、黒鉛、耐火物合金
または金属合金、石英および炭浸カーバイドを含む群か
ら選択された組成を有するところの特許請求の範囲第（
９）項記載の方法。
（１１）前記セラミックが、シリカ、ジルコニア、アル
ミナ、カーバイドおよびナイトライドを含む群から選択
されるところの特許請求の範囲第（１０）項記載の方法
。
（１２）前記予備成形体が細長く成形され、細長い側面
を有し、そして凹所が前記予備成形体の双方にその部分
を有し、前記（ｂ）工程が前記凹所の部分を併わせるよ
うに行なわれる特許請求の範囲第（９）項記載の方法。
（１３）前記凹所が特許請求の範囲第（１）項の工程（
ｂ）に従つて一緒に配置された２つの予備成形体を通し
て伸びており、前記工程（ｃ）に先立ち前記凹所にイン
サートを配置させることを含むところの特許請求の範囲
第（１２）項記載の方法。
（１４）前記部品が長い工具であるところの特許請求の
範囲第（１３）項記載の方法。
（１５）前記インサートが前記凹所よりも小さく、凹所
の中に、そしてインサートのまわりに粉末金属またはセ
ラミックを配置し、前記（ｃ）工程で凹所壁を被わせる
ところの特許請求の範囲第（９）項記載の方法。
（１６）前記（ｃ）工程に先立ち、前記インサートを少
なくとも１つの予備成形体に、そして凹所内の個所に仮
接合することを含む特許請求の範囲第（９）項および第
（１５）項の１つに記載の方法。
（１７）前記予備成形体が各々異なる金属組成または化
学組成を有する特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
（１８）前記（ｂ）工程に引続き高温で前記予備成形品
を焼結し、あるいは予備統合してそれらの寸法を一部縮
小させる特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
（１９）前記焼結または予備統合工程が実施され、前記
（ｃ）工程で達せられる最終密度の７５％ないし８５％
にまで予備成形体が稠密化されるところの特許請求の範
囲第（１８）項記載の方法。
（２０）前記（ｃ）工程が約２，０００°Ｆの予備成形
温度で行なわれるところの特許請求の範囲第（１８）項
記載の方法。
（２１）前記統合工程が、約２，０００°Ｆに加熱され
た粒子床内に前記予備成形体を埋め込み、粒子を加圧し
て予備成形体に統合力を伝達することによつて行なわれ
る特許請求の範囲第（２０）項記載の方法。
（２２）粒子が本質的に球状の炭素質またはセラミック
の粒子からなる群から選択された物質からなり、前記（
ｃ）工程中約２，０００°Ｆである特許請求の範囲第（
２１）項記載の方法。
（２３）前記予備成形体がニッケル、炭素およびモリブ
デンで合金された鉄からなる組成を有する特許請求の範
囲第（１８）項記載の方法。
（２４）前記最終部品がＨ型断面を有する特許請求の範
囲第（１８）項記載の方法。
（２５）前記部品がコネクティングロッドからなる特許
請求の範囲第（２４）項記載の方法。
（２６）前記予備成形体の側面間におき、次いで特許請
求の範囲第（１）項の工程（ｂ）に従つて該成形体を一
緒に配置する特許請求の範囲第（１８）項記載の方法。
（２７）前記（ａ）工程が予備成形体の少なくとも１つ
に凹所を形成させること、および前記凹所内にインサー
トを配置させることを含み、前記（ｃ）工程で前記凹所
内にインサートを保持し、そのあとインサートを除去す
るところの特許請求の範囲第（１８）項記載の方法。
（２８）前記予備成形体が長く形成され、長い側面を有
するものであり、凹所が前記双方の予備成形体に形成さ
れた部分を有し、前記（ｂ）工程が前記凹所の部分を併
わせるように行なわれる特許請求の範囲第（２７）項記
載の方法。
（２９）最終部品の１つまたはそれ以上の部分が形成さ
れ、かつ完全に稠密な金属、金属−セラミックまたはセ
ラミック組成物からなるものであるところの特許請求の
範囲第（１）項ないし第（１５）項および第（１７）項
ないし第（２２）項記載の方法。
（３０）前記（ｃ）工程が粒子床内で行なわれ、統合に
先立つ予備成形体の温度は９００°ないし４０００°Ｆ
であるところの特許請求の範囲第（１）項記載の方法。