JPH09502766A - 粉末混合物を製造する方法及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 噴霧、プレス、及び焼結により、モリブデンを含有する鋼合金から焼結部品を製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】 粉末混合物を製造する方法及びその使用方法 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の粉末混合物を製造する方法と 、高い靭性及び大きい密度を有する焼結部品を製造するためにこのような粉末混 合物を使用する方法とに関する。 焼結技術により鉄材料から機械的構造部品を製造することが（例えば旋盤加工 、穿孔、フライス加工等の）切削成形による製造に対して有する大きい利点は、 実際の成形が、ただ１つの作業工程で実際の上で廃棄物の発生なしに行われ、従 ってシリーズ生産部品の場合、迅速かつ小コストで成形が可能であることにある 。部品は、例えば液圧式金属粉末プレス機械で成形工具の中で例えば７ｔ／ｃｍ² のプレス圧力でプレスされ、次いで、炉で約１１２０〜１１５０℃（通常の焼 結）の温度又は約１２５０〜１２８０℃（高温焼結）で焼結され、これにより、 充分な静的又は動的強度を得ることが期される。しかし、製造方法に起因して、 焼結部品は常に対応する中実の材料の密度（理論密度）に比して小さい密度を有 する。鉄材料では、使用プレス圧力と部品の形状とに依るが、焼結部品の実際の 密度は、理論密度の約８０〜９２％である。この事実の必然的結果として、機械 的特性の低下が起こる。そして、この欠点を補償するために寸法を大きくするこ とは、通常、それに伴う体積及び重量の増加に起因して許容されないので、従来 、焼結部品は特に優れた機械的特性が要求される場合にはほとんど使用されてい ない。その上、焼結部品の中の気孔が内部切欠きとして作用することがあり、こ れにより動的強度が大幅に低減することがある。 焼結部品の気孔体積を低減するために、大きい燐含量を有する鉄基粉末（鉄を 主成分とする粉末）を使用することが公知である。これにより焼結工程の際の収 縮が大幅に大きくなり、ひいては密度が増加する。焼結部品の収縮はプレスモー ルド（プレスダイ）の幾何学的形状の寸法を適切に大きくすることにより考慮し 、これにより焼結部品の収縮を大幅に補償できる。噴霧された溶融金属に燐を添 加して合金化すること、あるいは鉄基粉末に燐化合物を付加的に混合することに より燐を添加することは、燐の添加がある程度までしか密度増加に利用できない という欠点を有する。何故ならば、燐含量をある程度以上に増加すると焼結部品 の脆性が高まり、ひいては内部切欠きによる影響が現れやすくなるからである。 密度を高め気孔体積を減少する別の方法は、いわゆる再焼結技術である。この 再焼結技術では、成形体は通常約７００〜９００℃の第１の焼結の後に再びプレ ス工程にかけられ、次いで最終的な仕上げ焼結にかけられる。この方法は２重の プレス及び焼結をするので、コストが大きい。 国際公開第ＷＯ９１／１９５８２号明細書から公知の鉄基粉末は、比較的高い 耐衝撃性を保証する。この場合、必要不可欠な合金元素として、０．３〜０．７ 重量％の燐と、３．５重量％のモリブデンとが定められている。その他の存在す る合金元素は、和にして最大２重量％に制限されている。有利にはモリブデン含 量は０．５〜２．５重量％であり、燐は０．４〜０．６重量％である（例えばＦ ｅ₃Ｐの形での添加）。炭素に対しては０．０７重量％の上限が推奨される。こ の鉄基粉末は、通常の焼結温度（１４５０℃より低い温度）に適する。この文献 に記載の試験結果は、燐に対しても、モリブデンに対しても、耐衝撃性がとりわ け高い最適な含量割合が存在することを示す。すなわち、燐が０．５重量％であ る粉末の耐衝撃性は、モリブデン含量が０〜１．０重量％の場合に急峻に増加し 、モリブデン含量が１〜２重量％の領域内で最大に到達し、モリブデン含量が３ ．５重量％を越えると降下して初期値より低くなることさえある。 更に、ドイツ特許出願公開第ＤＥ２９４３６０１号公報から高い強度の焼結部 品を製造するための予備合金（プレアロイ）鋼粉末が公知であり、この鋼粉末は 、 ０．３５〜１．５０％のＭｎと、０．２〜５．０％のＣｒと、０．１〜７．０％ のＭｏと、０．０１〜１．０％のＶと、最大０．１０％のＳｉと、最大０．０１ ％Ａｌと、最大０．０５％のＣと、最大０．００４％のＮと、最大０．２５％の 酸素と、残りの鉄と、製造方法に起因して発生するその他の不純物とを含有する 。鋼粉末のプレス加工性が良好であるためにＣ含量が小さいことが必要である。 この鋼粉末は、溶鋼を水噴霧し、次いで１０００℃で還元性雰囲気中で赤熱して 製造される。プレフォームにプレス加工する前に、この鋼粉末には、通常、潤滑 剤（例えば１％のステアリン酸亜鉛）が添加され、付加的に、黒鉛粉末が混合さ れ、これにより焼結部品のＣ含量を希望の値に調整する。黒鉛粉末の添加量は、 通常、０．１％の数倍（例えば０．８％）である、何故ならば焼結部品は、充分 な強度を達成するために、焼結の後、油の中で焼入れしなければならないからで ある。従って、プレス成形された金属粉末混合物は、焼結の際に予測されるバー ンオフ損失を考慮して、調質鋼にとって充分に高いＣ含量を有しなければならな い。焼結工程により、Ｃ含量に起因して必然的に、冷却速度に依存してマルテン サイト、又はマルテンサイト及びベイナイト、又はベイナイト及びパーライトか ら成る組織が形成される。鋼の理論密度に近い値の密度を得るために、焼結部品 は熱処理（調質）の前に鍛造加工されなければならない。 機械的に強いことが要求される歯車は、できるだけ高い歯底曲げ変動荷重疲労 強度の外に、とりわけ高い歯側面負荷能力が必要である。従って、このような歯 車は通常、焼入れされる。しかし、比較的高い燐含量の材料の場合、これは、構 造部品の脆性が許容できない程に高くなる原因となる。 本発明の課題は、表面硬化が良好に可能であり、良好な動的強度特性を有し、 これにより、コストのかかる再焼結技術を使用しなくとも、又は鍛造加工を行わ なくとも、機械的に非常に強く負荷される構造部品のために使用でき、特に自動 車変速機の歯車等として使用できる、高密度の焼結部品の製造が可能な素材とし てのプレス成形鋼粉末混合物を製造する冒頭に記載の方法を提供することにある 。副次的課題として、このような構造部品を製造するために本発明の粉末混合物 を使用する方法を提供する。 上記課題は、粉末混合物を製造する方法に関しては、第１項の特徴部分に記載 の特徴により解決される。この方法の有利な実施例は、第２項〜第７項に記載さ れている。焼結部品を製造するためにこのような粉末混合物を使用する方法は、 第８項の特徴部分に記載の特徴により可決され、有利な実施例は、第９項〜第１ ４項に記載されている。 例えばガス噴霧法、ガス／液体噴霧法、又は、有利には水噴霧法により、モリ ブデンを含有する溶鋼を粉化し、次いで、８５０〜９５０℃で還元性雰囲気中で 弱く赤熱させて製造された鋼粉末が、粉末冶金において通常の潤滑剤（例えばス テアリン酸亜鉛）と混合した後、非常に小さい気孔体積を有する構造部品、すな わち、材料の理論値に近い可及的最大の密度（理論値の例えば９５〜９８％）を 有する材料に成形できること発見したことは、意外な成果であった。この場合、 ６．０〜８．０ｔ／ｃｍ²、有利には６．５〜７．５ｔ／ｃｍ²の領域内の通常の 圧力を印加する簡単なプレス加工でよい。焼結温度は、１０５０〜１３５０℃の 領域内でよいが、より高い温度のほうが有利である。これは、メッシュベルト炉 （コンベヤ形炉）を使用する場合、約１１５０℃までの温度を意味し、ウォーキ ングビーム炉を使用する場合、約１２５０〜１３００℃までの温度（高温焼結） を意味する。高温焼結により実現可能な密度が通常の焼結に比して更に増加する 。 本発明の粉末混合物は実際の上で燐を含有しないことを特徴とする、すなわち 、燐は不純物としてのみ含有されている（Ｐ＜０．０２重量％）。粉末製造に使 用される溶鋼の中の最小限必要なモリブデン含量は、後に焼結部品を製造する際 の焼結温度に依存する。いずれにせよ４．０重量％の含量で充分である。コスト の理由から５重量％の上限を越えてはならず、有利には４．５重量％の上限をも 越 えてはならない。１１２０℃の焼結温度の場合、３．６重量％のモリブデンで充 分であり、１２８０℃の場合、２．７重量％でも充分である。しかし、溶融の際 の公差を考慮して、安全のためにこの下限を例えば０．５重量％だけ高めて、４ ．３重量％又は３．２重量％にすることが推奨される。最低必要なモリブデン含 量は、焼結温度Ｔ_sは次のように定めることができる。 Mo（重量％）＝16.1×（T_s／100°）−0.7×（T_s／100°）²−88.7 噴霧法により粉化する溶鋼は、実際の上で無燐でなければならないだけでなく 、規格値を越える炭素含量を有してはならない（Ｃ＜０．０１重量％）。これを 守ると、粉末は充分に柔らかく、良好にプレス成形可能な状態を保持できる。強 度を高めるために、一般的にはできるだけ回避すべき手段ではあるが、例外的な 場合には黒鉛粉末を添加混合できる。しかし黒鉛粉末の最大量は、粉末混合物の 中の炭素含量が、０．０６重量％を越える量であってはならない。有利には、炭 素含量は、最大０．０４重量％に制限され、とりわけ、有利には０．０２重量％ に制限される。なお、粉末は、溶鋼の通常の不純物を含有していても差し支えな い。モリブデン以外、合金に金属元素を添加することは不要であるが、このよう な金属元素を含有していても過剰な量でなければ差し支えない。合金の中のこの ような無用な金属元素は、和にして１．０重量％を越えてはならず、有利には０ ．５重量％を越えてはならない。合金の強度を増加するために、前述の限界内で 、例えば（有利にはその他の付加的な合金元素を添加することなしに）クローム を添加すると好適である。 本発明の粉末混合物を処理する場合、有利には焼結工程を還元性雰囲気、例え ば少なくとも１０体積％の水素、有利には２０〜４０体積％の水素を含有する雰 囲気の中で行う。これにより、例えば、窒素の放散を防止できるか、又は、最小 限にとどめることができる。好適には、例えば、成形ガス、すなわち、Ｈ₂とＮ₂ との混合気を使用する。Ｈ₂含量がより大きいと、一般的傾向として、焼結の 際に到達可能な密度を高めることができる。この焼結は、本発明の粉末混合物の 調整に起因してα相のみで行われ、従って固相焼結（液相を形成せずに）が、強 く促進される。焼結後の冷却は特別な手段を必要としない。焼結部品は、Ｆｅ− Ｍｏ混晶の微細なフェライト組織を有する。 焼結された部品は次いでサイジングにかけられ、サイジングにより表面領域が 変形し（粗形状の平滑化）、ひいては表面品質が改善され寸法精度が高まる。次 いで公知の方法ではだ焼きが行われる。はだ焼きは、歯車及び類似の強く負荷さ れる部品に推奨される、何故ならばはだ焼きは表面硬度を大幅に高め圧縮残留応 力をもたらすからである。歯車の場合、はだ焼きの前に、歯部に弱いスクレーパ 処理をすると有利である。歯車をはだ焼きした後、端面の穿孔を通常のように研 磨する。 このようにして製造された焼結部品は理論的最大値に近い密度を有し、その際 注目すべき点は、残留気孔が、小さく、自己閉鎖しており丸形であり、従って、 さしたる切欠き作用を発生しないことである。従って優れた動的強度が得られ、 更に、はだ焼きの後、高い表面硬度が得られる。これは、耐摩耗性にとっても例 えば歯側面負担能力にとっても重要である。 次に実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。第１図及び第２図は 、本発明の材料から成る焼結部品の研磨表面図を異なる倍率で拡大して示す。 次の組成（重量％）の溶鋼から、水噴霧法により、微細な鋼粉末が製造される 。 Ｃ ＜０．０１％ Ｐ ＜０．０２％ Ｍｏ ＜３．２％ 残りは鉄及び通常の不純物（＜０．５％） 約９００℃で約７０分にわたり還元性雰囲気中で赤熱した後、０．１５重量％ より少ない残留酸素含量を有し更にふるい分けの後０．２ｍｍより小さい粒度を 有する粉末は、滑剤としての０．８重量％のミクロワックスと混合された。液圧 式金属粉末プレス装置で、この材料から７ｔ／ｃｍ²のプレス圧力の印加の下に 、ＩＳＯ ２７４０に記載の試料体が製造された。この試料体は、１２８０℃の 温度で約３０分にわたり炉の中で成形ガス（Ｎ₂８０％，Ｈ₂２０％）雰囲気の中 で焼結された。次いで試料体の一部に、９２０〜９５０℃でのはだ焼き（浸炭＋ 焼入れ）が０．８％の表面部炭素量への加炭能力を有する炉の中で行われ、これ により約０．４ｍｍのはだ焼き深さが得られた。試料体を調査して、次の値が得 られた。 焼結密度 ７．６０±０．０４ｇ／ｃｍ³ （理論密度の９６〜９７％） ２×１０⁶の荷重変動における曲げ変動荷重疲労強度 はだ焼き後 約４５０ＭＰａ はだ焼き無し 約１８０ＭＰａ 破断伸び 焼結されたＡ₅＞２５％ 多孔性が非常に低いことが第１図及び第２図の研磨表面図から分かり、第２図 から気孔が丸く形成されていることが分かり、これは有利である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者 フォッセン，クラウス ドイツ連邦共和国、デー 40667 メール ブッシュ、ヘルマン‐ウンガー‐アレー 28

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 炭素及び燐を含有しないモリブデン溶鋼を噴霧し続いて還元性雰囲気中 で弱く赤熱することにより製造される鋼粉末から成り、高い靭性及び高い密度を 有する焼結部品を製造するために、鋼粉末に通常の滑剤が添加され、場合に応じ て炭素含量を調整するために微量の黒鉛粉末が混合される、プレス加工成形用粉 末混合物を製造する方法において、 噴霧する溶融金属が、約１０５０〜１３５０℃の領域内の所定の焼結温 度Ｔ_sに依存して決まるモリブデン含量を有し、モリブデン含量が少なくとも、 Mo（重量％）＝16.1×（T_s／100°）−0.7×（T_s／100°）²−88.7 であり、 粉末混合物の炭素含量が、最大で０．０６重量％に制限され、還元性雰 囲気中の赤熱焼きが８５０〜９５０℃の温度領域内で行われることを特徴とする 粉末混合物を製造する方法。 ２． 溶鋼の中のその他の合金元素の含量が、最大和で１．０重量％、有利に は０．５重量％に制限されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の粉末混 合物を製造する方法。 ３． 溶融金属に、クローム、特にその他の合金元素を含まないクロームが添 加されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の粉末混合物を製造する方法 。 ４． モリブデン含量が、１２８０℃の焼結温度において、少なくとも３．２ 重量％であることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のうちのいずれか１ つの項に記載の粉末混合物を製造する方法。 ５． モリブデン含量が、１１２０℃において、少なくとも４．３重量％であ ることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のうちのいずれか１つの項に記 載の粉末混合物を製造する方法。 ６． モリブデン含量が最大で５．０重量％、有利には最大で４．５重量％に 制限されることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のうちのいずれか１つ の項に記載の粉末混合物を製造する方法。 ７． 炭素含量（黒鉛粉末）が、最大で０．０４重量％、とりわけ０．０２重 量％に制限されることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のうちのいずれ か１つの項に記載の粉末混合物を製造する方法。 ８． 一段プレス成形技術により粉末混合物を６．０〜８．０ｔ／ｃｍ²のプ レス圧力で粉末プレフォーム（圧粉体）としてプレスし、次いで１０５０〜１３ ５０℃の領域内の温度で、少なくとも１０体積％の水素を含有する雰囲気、特に Ｎ₂／Ｈ₂の雰囲気の中で焼結し、焼結部品がフェライト組織を有することを特徴 とする、高い靭性及び密度を有する焼結部品を製造するために請求の範囲第１項 から第７項のうちのいずれか１つの項に記載の方法で製造された粉末混合物を使 用する方法。 ９． Ｈ₂含量が、２０〜４０体積％であることを特徴とする請求の範囲第８ 項に記載の粉末混合物を使用する方法。 １０． プレス圧力が、６．５〜７．５ｔ／ｃｍ²であることを特徴とする請 求の範囲第８項に記載の粉末混合物を使用する方法。 １１． 焼結温度が、１２５０〜１３００℃であることを特徴とする請求の範 囲第８項又は第９項に記載の粉末混合物を使用する方法。 １２． 焼結部品が、次いで、サイジングにかけられることを特徴とする請求 の範囲第８項から第１１項のうちのいずれか１つの項に記載の粉末混合物を使用 する方法。 １３． 焼結され、場合に応じてサイジングされた、特に歯車として製造され た製品が、はだ焼き（浸炭＋焼入れ）されることを特徴とする請求の範囲第８項 から第１２項のうちのいずれか１つの項に記載の粉末混合物を使用する方法。 １４． 焼結され、サイジングされた歯車が、はだ焼きの前に歯部にスクレー パ処理が施されることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の粉末混合物を使 用する方法。