JP2012511629A - 焼結された金属部材を製造するための半製品、半製品の製造方法並びに部材の製造 - Google Patents

Abstract

本発明は、焼結された金属部材を製造するための半製品、半製品の製造方法並びに部材の製造に関する。本発明の課題は、焼結し終えた部材に関して高められた物理学的密度及び低減された収縮率を可能にする焼結された金属部材を製造するための方法を提供することである。焼結された金属部材を製造するための本発明による半製品の場合に、それぞれ第１の金属粉末の粒子から形成されているコア上に被膜層を形成する。この被膜層は、第２の粉末及び結合剤を用いて形成される。この場合、第１の粉末は少なくとも５０μｍの粒度ｄ₉₀を有し、第２の粉末は少なくとも２５μｍの粒度ｄ₉₀を有する。この半製品は粉末状である。

Description

本発明は、焼結された金属部材を製造するための半製品、半製品の製造方法並びに部材の製造に関する。

焼結された金属部材の製造のために粉末が使用され、この粉末は通常では、部材が製造されるそれぞれの金属及び一般に金属合金から形成される。この部材の製造のために、部材の特性を決定する出発粉末の選択又は前処理によりかなりの影響を生じさせることができる。使用された粉末の粒度は、部材材料の達成可能な物理的密度及び焼結の際の収縮に著しい影響を及ぼす。

過去において、焼結活性は特に予め実施される高エネルギー粉砕により及びそれによりこの部材材料の特性も改善することができた。

使用された金属粉末には、さらに他の要求も課せられる。グリーンボディの製造の際の加工のために、粉末の良好な流動性、焼結前のグリーンボディの高められたグリーン密度及びグリーン強度が望まれる。圧縮による付形の場合に、グリーンボディのより高いグリーン密度が達成される場合、焼結を終えた部材に関して生じる収縮の程度が低減される。極めて小さな収縮の程度は、しかしながら、複雑な外形の部材を製造するためにも、この場合に後加工を行う必要がないためにも望ましい。

高合金の金属粉末は、その硬度に基づいて、簡単に粉末冶金の技術、例えば圧縮及び焼結によって焼結された部材に加工することができない。この種の合金粉末の高エネルギー粉砕及び後続するアグロメレーションにより、このような粉末は、例えば圧縮可能である。しかしながら、焼結活性が高められると共に、悪化する工業的パラメータ、例えば僅かな充填密度、悪い流動特性及び焼結時の高い収縮を甘受しなければならない。この不都合な特性のために、かなりの機械的後加工なしで高密度部材を製造することは不可能である。

従来の方式により製造された焼結された部材に関して、理論密度の最大９５％にあり、かつ少なくとも１０％の収縮率を有する物理学的密度が達成される。

従って、本発明の課題は、焼結し終えた部材に関して高められた物理学的密度及び低減された収縮率を可能にする焼結された金属部材を製造するための可能性を提供することである。

本発明の場合に、この課題は、請求項１の特徴を有する半製品により解決される。これは、請求項７記載の方法により製造することができる。この請求項１１は、焼結された金属部材の製造に関する。本発明の有利な実施態様及び実施形態は、従属請求項に記載された特徴により達成することができる。

本発明は、焼結された金属部材を製造するための有利な方法に関する。この場合、粉末状の半製品が使用され、この半製品は今まで使用された金属粉末の代わりに付形及び焼結される。

この半製品は、被膜層により取り囲まれているコアからなる。この製造のために、少なくともその粒度が異なっている第１の粉末と第２の粉末とが使用される。コアを形成する第１の粉末の粒子は大きく、少なくとも５０μｍ、有利に少なくとも８０μｍの粒度ｄ₉₀を有する。これは金属であるか又は金属合金である。

第２の粉末の粒子は小さく、２５μｍ未満、有利に２０μｍ未満、さらに特に有利に１０μｍ未満の粒度ｄ₉₀を有する。この被膜層中には、付加的に結合剤が含まれている。この結合剤は有利に有機物であることができる。結合剤として例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が使用される。第２の粉末は、金属、金属合金又は金属酸化物であることができる。しかしながら、これらの成分の少なくとも２つを有する混合物であることもできる。さらに、炭素を黒鉛の形で含むことができる。

最も簡単な場合には、第１及び第２の粒子の粉末は、同じ金属又は同じ金属合金から形成されていてもよい。しかしながら、有利に、両方の粉末のために異なる金属、異なる金属合金又は第２の粉末のためには金属酸化物も使用することができる。それにより、仕上げられた部材を製造するために実施される焼結の際に、同時に合金形成も達成するか、又は合金成分の濃度補償により、仕上げられた部材材料に関して変化された合金組成を達成する方法が生じる。

第２の粉末が、第１の粉末よりも延性が大きい場合に、グリーンボディ及び仕上げられた部材の製造の際の更なる加工のために適している。それにより、グリーンボディの製造のための圧縮の際に、付形方法を用いて高いグリーン密度を達成することができ、これにより最終的に焼結後の部材の高い物理的密度及び僅かな収縮率も生じる。この被膜層は、この場合、圧縮助剤と類似とみなされる機能を満たす。

この半製品において、この半製品の個々の粒子は、この被膜層が、最大でコアの質量割合と同じ大きさの質量割合を有するように製造されるのが好ましい。この被膜層中の結合剤の割合は、この場合、考慮しないか又は無視することができる。しかしながら、コアの質量割合は、有利に、被膜層の質量割合よりも大きいのが好ましい。被膜層は同じ層厚を有しているのも好ましく、このことは半製品の個々の粒子及び全ての粒子に該当する。

この本発明による半製品は、第１の粒子の粉末に懸濁液を吹き付けることにより製造される。この懸濁液は、この場合、第２の粉末の粒子と結合剤とを含有する。水性懸濁液を使用することができる。吹き付けの場合に、第１の粉末の粒子を運動させる。このために、例えば流動層ローターを使用することができる。

第１の粉末のコアを形成する粒子上で、被膜層の所定の層厚を達成した後に、半製品の粉末を乾燥することができる。理論密度の約４０％の高い充填密度、及びHall Flow漏斗で測定して３０ｓより低いことができる良好な流動性を達成することができる。

さらに、この半製品の予備焼結を行うことができる。それにより、この半製品の、充填密度及び流動性に関する特性に十分な影響を与えることができる。この充填密度はそれにより高められ、流動性を改善することができる。後者の流動性は、予備焼結を少なくとも８００℃の温度で実施する場合に、例えば４０ｓから３０ｓに低減することができる。この流動性は、この場合、Hall Flow漏斗で測定することができる。焼結し終えた部材の物理的密度も高めることができ、収縮率も５％以下に低減させることができる。

この半製品を、次いで付形することができる。この場合、緻密化を生じさせる圧縮力を作用させる。この場合に得られたグリーンボディは、高められたグリーン密度及びグリーン強度を達成する。圧縮の間に、主に被膜層中に含まれた成分が変形する。このコアは、この場合、一般に変形されずに残る。この被膜層の変形により高められた緻密化を達成することができ、このことは焼結の際の収縮率の低減を生じさせる。この収縮率は８％未満に保つことができる。５％以下の減少も可能である。焼結し終えた部材の物理学的密度は、理論密度の少なくとも９２％、９５％まで又は９５％を越えることも達成できる。

既に述べたように、焼結時に合金形成又は変更された合金組成を生じさせることができる。この場合、コアのために使用した粉末と被膜のために使用した粉末とがそれぞれ異なる濃度又は組成を有する場合に、これらの両方の間で濃度補償が行われる。拡散プロセスを利用することができる。最大拡散経路は、この場合、半製品粒子直径の０．５倍である。この拡散のために必要な時間は、従来の製造方法と比べて明らかに短縮することができる。このことは、純鉄からなる粒子と、例えばニッケル又はモリブデンの粒子とを焼結させる拡散接合した粉末の公知の使用と比較しても生じる。それにより、しかしながら、０．１〜２％の範囲内の極めてわずかな割合の合金元素を達成できるにすぎない。本発明の場合には、これと比べて、さらに高度に合金化された部材材料を得ることができる。本発明の使用下で焼結により製造可能な合金のコンシステンシーは、公知の技術的解決策と比べて極めて正確に調節できかつ再現可能に製造できる。

多様な鉄基合金、コバルト基合金及びニッケル基合金を製造することができる。それぞれのベース金属の割合は、この場合、少なくとも５０質量％である。

次に、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

実施例１
この場合、この部材材料は、５．８Ｗ ５．０Ｍｏ ４．２Ｃｒ ４．１ Ｖ ０．３Ｍｎ ０．３Ｓｉ １．３Ｃ 鉄合金である部材を製造する。

半製品のコアを形成する第１の粉末のために、８．１Ｗ ６．７Ｍｏ ５．９Ｃｒ ０．４ Ｍｎ ０．４Ｓｉを有する鉄基合金を使用した。この粒度ｄ₉₀は９５μｍであった。

被膜層のために、それぞれ１０μｍ未満の粒度ｄ₉₀を有するカルボニル鉄粉３１．０質量％及び部分非晶質黒鉛１．３質量％とからなる混合物を使用した第２の粉末を使用した。結合剤なしで、コアについて６７．７質量％及び被膜層について３２．３質量％の質量割合が生じる。

このカルボニル鉄は還元されていたが、還元せずに使用することもできる。

この第１の粉末は、受容器として流動層ローター中に注ぎ込み、この場合に運動させた。ローターの回転方向に対して接線方向に配置された二成分ノズルを通じて、水、ＰＶＡ及び被膜層を形成させるための粉末混合物を有する懸濁液を吹き付けた。コアの周囲の被膜層の構成は、できる限りゆっくりと行うことが好ましい。この懸濁液の組成は、水３８質量％、カルボニル鉄粉５８質量％、部分非晶質黒鉛２．４質量％及び結合剤（ＰＶＡ）１．８質量％であった。

乾燥後に、この粉末状の半製品は１２５μｍの粒度ｄ₉₀を有していた。

引き続き、付形を行って、グリーンボディの緻密化及び形成のための圧縮を実施した。このために、通常の付形方法を使用することができ、この付形方法は、例えば型中での圧縮、射出成形又は押出である。６．９ｇ／ｃｍ³のグリーン密度及び１０．３ＭＰａのグリーン強度を達成することができた。

この後で、このグリーンボディをフォーミングガス（Ｈ₂ １０体積％およびＮ₂ ９０体積％）下で焼結した。この熱処理を、段階的に２５０℃、３５０℃、及び６００℃で、それぞれ０．５時間の持続時間で行った。１２００℃の最大温度は２時間保持した。

焼結し終えた部材は、７．９５ｇ／ｃｍ³の物理学的密度を有し、焼結後の収縮率は４．６％であった。この材料の理論的密度は７．９７ｇ／ｃｍ³であった。

実施例２
３４．０Ｃｒ ２．１Ｍｏ ２．０Ｓｉ １．３Ｃ 残り鉄の鉄基合金からなる部材の製造のために、コアのために５１．５Ｃｒ ３．６Ｍｏ ２．７Ｓｉ ０．６８Ｍｎ １．９Ｃ 残り鉄の合金を有し、８２μｍの粒度ｄ₉₀を有する第１の粉末を使用した。

この第２の粉末のために、バリエーション１として還元されていないカルボニル鉄粉（９μｍの粒度ｄ₉₀）及びバリエーション２として還元された酸化鉄から得られる鉄粉（５μｍの粒度ｄ₉₀）を使用した。

第１の粉末については６６．７％の質量割合であり、第２の粉末についてはそれぞれ３３．３質量％であった。

この第１の粉末は、受容器として流動層ローター中に注ぎ込み、この場合に運動させた。ローターの回転方向に対して接線方向に配置された二成分ノズルを通じて、水、ＰＶＡ及び被膜層用の粉末混合物を有する懸濁液を吹き付ける。コアの周囲の被膜層の構成は、できる限りゆっくりと行うことが好ましい。この懸濁液は、水４９質量％、第２の粉末４９質量％及び結合剤（ＰＶＡ）２質量％の組成を有していた。

バリエーション１による半製品は、Hall Flow漏斗を用いて測定して３６ｓの流動時間で、２．２ｇ／ｃｍ³の充填密度を有していた。バリエーション２による半製品について、２．４ｇ／ｃｍ³の充填密度を達成することができ、３３ｓの流動時間を測定することができた。

引き続き、付形を行って、グリーンボディの緻密化及び形成のための圧縮を実施した。このために、通常の付形方法を使用することができ、この付形方法は、例えば型中での圧縮、射出成形又は押出である。

バリエーション１によるグリーンボディは、５．３ｇ／ｃｍ³のグリーン密度及び３．８ＭＰａのグリーン強度を達成し、バリエーションについては５．４ｇ／ｃｍ³のグリーン密度及び５．０ＭＰａのグリーン強度を達成することができた。

この後で、全ての２つのバリエーションの場合のグリーンボディをフォーミングガス（Ｈ₂ １０体積％およびＮ₂ ９０体積％）下で焼結した。この場合、２５０℃、３５０℃及び６００℃の温度でそれぞれ０．５時間の持続時間の段階状の温度管理を維持した。続いて、１２５０℃で２時間の期間で焼結して完成させた。

この焼結し終えた部材は、バリエーション１について、７．１ｇ／ｃｍ³の物理的密度を有し、焼結後の収縮率は７．６％であり、バリエーション２について、６．９ｇ／ｃｍ³の物理的密度を有し、収縮率は６．３％であった。この材料の理論的密度は７．３５ｇ／ｃｍ³であった。

実施例３
コバルト基合金として２７．６Ｍｏ ８．９Ｃｒ ２．２Ｓｉ 残りコバルトの組成を有する目標合金を有する部材を製造するために、５３．６μｍの粒径ｄ₉₀を有する、合金２７．６Ｍｏ ８．９Ｃｒ ２．２Ｓｉ 残りコバルトの水を吹き付けた第１の粉末と、２１μｍの粒径ｄ₉₀を有する、合金２７．６Ｍｏ ８．９Ｃｒ ２．２Ｓｉ 残りコバルトの第２の粉末とを使用した。両方の粉末を、半製品の製造のためにそれぞれ５０質量％で使用した。この懸濁液は、水２９質量％、第２の粉末６９質量％、パラフィン１質量％及び結合剤（ＰＶＡ）１．４質量％の組成を有していた。

この第１の粉末は、受容器として流動層ローター中に注ぎ込み、この場合に運動させた。ローターの回転方向に対して接線方向に配置された二成分ノズルを通じて、水、ＰＶＡ及び被膜層を形成するための粉末混合物を有する懸濁液を吹き付ける。コアの周囲の被膜層の構成は、できる限りゆっくりと行うことが好ましい。

乾燥後に、この粉末状の半製品は１３０μｍの粒度ｄ₉₀を有していた。この充填密度は３．０ｇ／ｃｍ³であり、Hall Flow漏斗を用いて２９ｓの流動時間が測定された。

引き続き、付形を行って、グリーンボディの緻密化及び形成のための圧縮を実施した。このために、通常の付形方法を使用することができ、この付形方法は、例えば型中での圧縮、射出成形又は押出である。６．４ｇ／ｃｍ³のグリーン密度が達成された。

その後で、次のパラメータを有するグリーンボディを水素雰囲気中で焼結させた：
段階的に２５０℃、３５０℃及び６００℃の温度で熱処理をそれぞれ０．５時間の持続時間で、最終的にこの温度を１２８０℃に高めることを実施した。この最大温度を２時間にわたり保持した。

焼結し終えた部材は、８．７ｇ／ｃｍ³の物理学的密度を有し、焼結後の収縮率は１０．２％であった。

Claims (16)

1. 焼結された金属部材を製造するための半製品において、第１の金属粉末のそれぞれの粒子から形成されているコア上に被膜層が形成されていて、前記被膜層は第２の粉末及び結合剤を用いて形成されていて、前記第１の粉末は、少なくとも５０μｍの粒度ｄ₉₀を有し、第２の粉末は２５μｍより小さい粒度Ｄ₉₀を有し、前記半製品は粉末状である、半製品。
2. 前記コアは、金属又は金属合金から形成されていることを特徴とする、請求項１記載の半製品。
3. 前記被膜層は、金属、金属合金及び／又は金属酸化物を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の半製品。
4. 被膜層中の金属、金属合金及び／又は金属酸化物の質量割合は、それぞれコアを形成する第１の粒子の粉末の質量割合以下に保持されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の半製品。
5. 被膜層中にさらに炭素を含有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の半製品。
6. 被膜層を形成している前記第２の粉末は、コアを形成している第１の粉末よりも延性が大きいことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の半製品。
7. 少なくとも５０μｍの粒度ｄ₉₀を有する第１の金属粉末を、２５μｍ未満の粒径ｄ₉₀を有する第２の粉末及び結合剤を含有している懸濁液で被覆して、第１の粉末の粒子が形成するコア上に結合剤及び第２の粉末の粒子を有する被膜層を形成させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の半製品の製造方法。
8. 第２の粉末として、金属、金属合金及び／又は金属酸化物を使用することを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 第１の粉末及び第２の粉末を使用し、これらの粉末は焼結により金属合金を形成することを特徴とする、請求項７又は８記載の方法。
10. 第１の粉末の粒子を運動させ、この場合同時に、結合剤及び第２の粉末を含有する懸濁液を吹き付け、被膜層の所定の層厚が達成された後に、半製品を乾燥させる、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 請求項１から６までのいずれか１項記載の粉末状の半製品を使用して焼結された金属部材を製造する方法において、乾燥した粉末状の半製品を、緻密化を行いかつグリーンボディを得る付形プロセスにかけ、引き続き焼結を実施して部材を完成させる、焼結された金属部材を製造する方法。
12. 被膜層中に金属酸化物を含有している半製品の場合に、焼結法を還元雰囲気下で実施することを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 第１の粉末及び第２の粉末中に含まれる成分を用いて焼結法において金属合金が形成されることを特徴とする、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 焼結法の実施の際の合金形成は、拡散プロセスによって達成されることを特徴とする、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 第１の粉末の粒子を、第２の粉末を用いて形成された懸濁液で被覆して、付形法及び焼結法を、焼結後の収縮率が＜８％であり、理論密度の９２％より高い密度を達成するように前記第１の粉末の粒子から形成されるコア上に被膜層を形成させるように実施することを特徴とする、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 鉄基合金、コバルト基合金又はニッケル基合金を用いて形成されている部材を製造することを特徴とする、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。