(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属焼結品の製造方法であって、0.8〜2.0重量％の黒鉛及び潤滑剤を、0.5重量％以上のモリブデンと98％より多い鉄を含む予備合金鉄基粉末とブレンドする工程、前記ブレンド混合物を焼結前に少なくとも6.8g/ccの密度に押圧して一段圧縮段階で成形する工程、前記成形品を一段焼結工程において1250〜1350℃の温度で、水素、水素／窒素混合物、真空及び部分バックフィル真空から選択される還元雰囲気中で高温焼結して密度が7.4g/ccより大きい焼結品を製造する工程を含む方法。
【請求項２】
前記予備合金鉄基粉末がモリブデンを0.6重量％以上含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記焼結が1270〜1310℃の温度で行われる請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記予備合金鉄基粉末を、黒鉛1.5％及び潤滑剤とブレンドする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記焼結品を熱処理して前記焼結品に含まれる結晶粒界炭化物を球状化して、密度が7.4g/ccより大きい粉末金属焼結品を製造する請求項１記載の方法。
【請求項６】
下記の工程を更に含む請求項５記載の方法。
（ａ）前記焼結品を焼結炉内でACM温度より高い温度に冷却する工程；
（ｂ）前記焼結品を200℃より低い温度に急冷する工程；及び
（ｃ）該温度をA1温度近くまで上げて前記炭化物を急速に球状化する工程。
【請求項７】
下記の工程を更に含む請求項５記載の方法。
（ａ）前記焼結品を該焼結炉内で冷却する工程；
（ｂ）前記冷却物を熱処理ラインにおいて1000℃で30分間オーステナイト化する工程；
（ｃ）オーステナイト化した焼結品を油焼入れする工程；及び
（ｄ）該温度をA1温度近くまで上げて前記油焼入れした焼結品を急速に球状化する工程。
【請求項８】
該予備合金鉄基粉末が0.85重量％のモリブデンを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
該粉末金属焼結品がコネクティングロッドである、請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
該コネクティングロッドが120ksiの極限張力を有する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、高密度を有する粉末金属焼結品の製造方法に関し、特に、ベース材料として予備合金粉を使用し、それに黒鉛及び他の添加剤を加え、その品物を還元雰囲気中で高温焼結して高密度を有する焼結部品を製造し、続いて任意に球状化することにより、粉末金属から焼結品を製造する方法に関する。また、本発明は、黒鉛と、モリブデンを含有する予備合金鉄基粉末（pre−alloyed iron based powder）のブレンドに続いて炭化物をミクロ構造で球状化するために熱処理して高張力及び高靱性の双方を有する品物を製造することにより高密度を有する粉末金属の焼結品を製造する方法に関する。
【０００２】
発明の背景
粉末金属技術は、当業者に周知であり、一般的には、圧縮してから高温に供して焼結製品を製造する金属粉の形成を含む。
更に、米国特許第2,289,569号は、一般的には、粉末や金に関し、更に詳細には、低融点合金粉及び焼結品の形成における該低融点合金粉の使用に関する。
従来の粉末金属品の弾性率及び靱性率は密度によって制限される。従来の粉末金属法は、一段押圧、一段焼結法で約7.2g/ccまで制限される。密度を高めるためにコストが追加される二段押圧、二段焼結法が用いられる。
【０００３】
高密度を有する焼結品を製造するためにこれまで種々の方法が設計されてきた。その方法は、密度が典型的には7.5g/ccまでの二段押圧二段焼結法及び7.8g/ccまでのほぼ十分な密度が得られる粉末熱鍛造が含まれる。しかしながら、その従来法は、比較的高価であり時間を要する。最近開発された方法としては、米国特許第5,154,881号（Rutz）に開示された7.35g/ccまでの粉末の温間押圧が含まれる。しかしながら、加熱装置においてツールクリアランスを維持するといった温間押圧についてプロセスの欠点がある。また、温間押圧は、7.5g/ccまで及びそれよりも大きい非常に超高密度が慣用の合金装置で二段押圧及び二段焼結せずに容易に達することができない。
【０００４】
また、米国特許第2,027,763号に他の方法が開示されており、超硬合金の製造方法に関し、実質的に硬金属の製造での方法に関した工程からなる。特に、米国特許第2,027,763号は、焼結硬金属の製造方法であって、高応力下で硬金属を結合する普通の接着剤の噴霧を生じる高圧下で可融性金属と、溶融し易い補助金属との乾燥微粉末混合物の噴霧を生成する工程、該金属粉噴霧と該接着液噴霧が押型に向かって又は押型の中で適合する噴霧とし、押型を金属粉の湿潤圧縮物質で充填する工程、及びこのように形成された該硬金属粒子を焼結によって完全なものにする工程を含む方法に関する。
米国特許第4,707,332号には、焼結援助と同時に働きかつ仕上げ構造製品の延性を高める特殊添加剤によって焼結することができる金属間相から構造部品を製造する方法が教示されている。
【０００５】
更に、米国特許第4,464,206号は、予備合金粉の鍛錬粉末金属法に関する。特に、米国特許第4,464,206号には、実質的に非成形性予備合金金属粉を粉砕し、粉砕した金属粉粒子を高温に加熱して平らにし、粒子が加熱中に粘着し物質を形成する工程、該金属粉物質を破砕する工程、該破砕金属粉物質を圧縮する工程及び該金属粉を鍛錬製品に熱時加工する工程を含む方法が教示されている。
焼結鉄基合金を圧縮強化するか又はその耐摩耗性を高める他の方法は、粉末や金部品の圧縮強化方法に関する米国特許第5,151,247号及び耐摩耗性焼結部品の製造方法に関する米国特許第4,885,133号に開示されている。
従来技術に記載された方法は、全て焼結製品の所望の機械的性質を効果的に生じるコストに重大な欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は、更に、一段圧縮、一段焼結処理によって7.4g/ccより大きい密度の焼結品を製造する方法を提供するものである。
本発明の目的は、動的張力特性が改良された焼結品を製造する改良法及びそれを調節する精密な方法を提供することである。
本発明の目的は、更に、炭素含量が0.8％より大きい、特に、炭素0.8〜2.0％の張力特性が改良された焼結品を製造する改良法を提供することである。
本発明の他の態様は、更に、球状化によって高延性を有するPM品を製造するものである。
【０００７】
歴史的に、鋼は炭素含量0.8％未満で製造されてきた。しかしながら、超高炭素鋼が製造された。超高炭素鋼は、炭素0.8〜2.0％を含有する炭素鋼である。微細球状化炭化物を有する超高炭素鋼を製造するプロセスは、米国特許第3,951,697号及びJournal of the Minerals,Metals and Materials Soc.,Aug.1993に出てくる“構造物質としての超高炭素鋼の事例”と称するD.R.Lesver,C.K.Syn,A.Goldberg,J.Wadsworth ＆ O.D.Sherbyによる論文に開示されている。
出願人は、微粉末鉄合金と鉄末のブレンドの組合わせによる粉末金属の焼結品を製造して還元雰囲気中で焼結部品を製造して高密度を有する焼結部品を製造する方法に関する高密度焼結合金と称する発明のPTC出願第PCT/CA94/00065号を1994年２月７日に及び米国出願第08/193,578号を1994年２月８日に出願した。
本発明の目的は、ベース材料として予備合金粉を使用しかつそれに黒鉛を加えることにより高密度焼結部品を製造する点で他の改良を与えることである。
【０００８】
本発明は以下に述べる粉末金属焼結品の製造方法に関する。
1.粉末金属焼結品の製造方法であって、0.8〜2.0重量％の黒鉛及び潤滑剤を、0.5重量％以上のモリブデンと98％より多い鉄を含む予備合金鉄基粉末とブレンドする工程、前記ブレンド混合物を焼結前に少なくとも6.8g/ccの密度に押圧して一段圧縮段階で成形する工程、前記成形品を一段焼結工程において1250〜1350℃の温度で、水素、水素／窒素混合物、真空及び部分バックフィル真空から選択される還元雰囲気中で高温焼結して密度が7.4g/ccより大きい焼結品を製造する工程を含む方法。
2.前記予備合金鉄基粉末がモリブデンを0.6重量％以上含む、上記１記載の方法。
3.前記焼結が1270〜1310℃の温度で行われる、上記１または２に記載の方法。
4.前記予備合金鉄基粉末を、黒鉛1.5％及び潤滑剤とブレンドする、上記１〜３のいずれか一に記載の方法。
5.前記焼結品を熱処理して前記焼結品に含まれる結晶粒界炭化物を球状化して、密度が7.4g/ccより大きい粉末金属焼結品を製造する、上記１記載の方法。
6.下記の工程を更に含む、上記５記載の方法。
（ａ）前記焼結品を焼結炉内でACM温度より高い温度に冷却する工程；
（ｂ）前記焼結品を200℃より低い温度に急冷する工程；及び
（ｃ）該温度をA1温度近くまで上げて前記炭化物を急速に球状化する工程。
7.下記の工程を更に含む、上記５記載の方法。
（ａ）前記焼結品を該焼結炉内で冷却する工程；
（ｂ）前記冷却物を熱処理ラインにおいて1000℃で30分間オーステナイト化する工程；
（ｃ）オーステナイト化した焼結品を油焼入れする工程；及び
（ｄ）該温度をA1温度近くまで上げて前記油焼入れした焼結品を急速に球状化する工程。
8.該予備合金鉄基粉末が0.85重量％のモリブデンを含む、上記１〜７のいずれか一に記載の方法。
9.該粉末金属焼結品がコネクティングロッドである、上記５〜８のいずれか一に記載の方法。
10.該コネクティングロッドが120ksiの極限張力を有する、上記９記載の方法。
【０００９】
図面の説明
ここで、本発明のこれらの及び他の特徴及び目的を下記の図面に関して述べる。
図１は、錬鋼の炭素％に対する引張伸び％のグラフである。
図２は、密度に対する弾性率のグラフである。
図３は、焼結した状態の品物の結晶粒界炭化物のスケッチである。
図4aは、高密度粉末金属処理段階の概略図である。
図4bは、高密度粉末金属処理段階の他の実施態様の概略図である。
図５は、本明細書に記載された本発明で製造したコネクティングロッドの上面図である。
図６は、フローチャートである。
図７は、Fe−Fe3C相の共融体部分を示すグラフである。
図８は、コンロッド粒度分布；圧印加工部品と対比した球状化部品の幅のグラフである。
【００１０】
発明の説明
焼結粉末金属法
本明細書に開示された発明は、1250〜1350℃の高温及び水素、水素／窒素のような還元雰囲気又は真空中を用いる。更に、高焼結温度と組合わせた還元雰囲気は、表面酸化物を減少又は洗浄し、粒子が良好な結合を生じかつ成形品が適切な張力を生じることを可能にする。
潤滑剤は、当業者に周知の方法で添加されて粉末の結合を援助しかつ押圧後の製品の射出を援助する。用いられる潤滑剤の例は、ステアリン酸亜鉛である。品物は、適切な圧力、例えば、１平方インチ当たり25〜50メートルトンを用いて混合物を形に押圧することにより形成される。
熱処理段階は、焼結段階後に導入される。コイニング、再サイジング、機械加工等の二次加工が焼結段階後に導入される。
更に、仕上製品のミクロ構造は、下記のことを示すように改善される。
（ａ）高密度；
（ｂ）十分に丸い細孔；
（ｃ）均一構造；
（ｄ）微細に分散した球状化炭化物；及び
（ｅ）従来の粉末金属鋼より性質が錬鋼に近い製品。
【００１１】
超高炭素鋼
典型的には、炭素鋼の％は炭素0.8％までの範囲にある。超高炭素鋼は、炭素0.8〜２％を含有する炭素鋼である。
引張延性が炭素含量の増加で劇的に低下することは既知であり、超高炭素鋼は歴史的には脆すぎて広く用いられないと考えられてきた。図１は、鋼の炭素含量に対する伸び又は延性の関係を示すグラフである。図１から、炭素％が高いほど鋼の延性が小さいことが明らかである。更に、鋼中の炭素を減少させることにより、引張張力が低下する。
しかしながら、超高炭素鋼の適切な熱処理を用いることにより、高延性及び高張力が得られる。
【００１２】
高密度焼結合金による超炭素鋼粉末金属
本明細書に記載される発明は、黒鉛及び潤滑剤を予備合金鉄基粉末と本明細書に記載され図６に示されるようにブレンドする工程を含む。本明細書に用いられる該黒鉛の例は、Asbury製の3203グレードからなるが他の黒鉛グレードも含まれる。
本明細書に用いられる予備合金粉は、粉末製造法で合金にされ、粒子が全体に適度な同じ組成を有する２種以上の元素から構成される金属粉末からなる。
本明細書に記載される方法は、下記の組成によって超高炭素含量を有する高密度グレード粉末金属焼結製品を製造するように修正することができる。
Mo                                    0.5−3.0％
Ｃ、黒鉛として                        0.8−2.0％
Fe及び他の避けられない不純物                残部
黒鉛は、潤滑剤及びモリブデン含有予備合金鉄基粉末とブレンドされ、従来の押圧法で最低6.8g/ccまで圧縮される。次に、真空中、又は部分バックフィル（即ち、アルゴン又は窒素を流入）真空中、又は純粋水素、又はH2/N2の混合中1250〜1350℃、特に、1270〜1310℃の温度で焼結を行なう。真空は、典型的には、約200ミクロンで生じる。更に、一段工程圧縮は、典型的には、6.8g/cc以上、好ましくは6.8〜7.1g/ccを生じる。
上記に示した組成を用いることにより7.4g/ccより大きい高密度の焼結した状態の品物が二段押圧二段焼結法よりむしろ一段圧縮一段焼結段階で製造される。本明細書に開示される本発明を用いることにより、7.4〜7.7g/ccの焼結密度を有する高密度焼結品が製造される。
【００１３】
その高密度焼結品は、下記の特性を要する品物に用いられる。即ち：
高弾性（剛性）
高耐摩耗性
高引張特性
高疲労度
高靱性（高衝撃強さ）
良好な機械加工性
【００１４】
図２は、焼結品の密度と弾性率間の関係を示すグラフである。図２から、密度が高いほど弾性率が高いことが明らかである。
約100〜120ksiの引張強さ及び約50フットポンドの衝撃強さが本明細書に記載される高密度焼結合金法を用いることにより達成されたことは注目すべきことである。
黒鉛を予備合金粉末に加えかつそれを真空中又はバックフィル真空中、又は純粋水素又はN2/H2中で1270〜1350℃の温度で焼結することにより、高密度焼結合金が超固相線焼結によって製造される。上記で示した組成について、焼結密度が7.6g/ccの合金は減圧下又はH2/N2を含む還元雰囲気中1280〜1310℃で一段圧縮及び焼結によって製造される。
モリブデン0.85％を含む鉄の予備合金鉄基粉末を1.5％黒鉛添加物及び潤滑剤とブレンドした予備合金形態で用いることにより特に良好な結果が得られた。更に詳しくは市場で入手できる適切な市販グレードが下記に引用した物理的及び科学的性質を有するQMP AT 4401の呼称で販売されている。
見掛け密度                             2.92g/cm3
流量                                    26秒/50g
【００１５】
化学分析
Ｃ                                       0.003％
Ｏ                                        0.08％
Ｓ                                       0.007％
Ｐ                                        0.01％
Mn                                        0.15％
Mo                                        0.85％
Ni                                        0.07％
Si                                       0.003％
Cr                                        0.05％
Cu                                        0.02％
Fe                                    98％より大
【００１６】
上記に示された市販の予備合金は、鉄と予備合金したモリブデン0.85％及び避けられない不純物からなる。避けられない不純物の存在は、当業者に周知である。
他のグレードの予備合金粉も用いられる。Ni及びSiのような黒鉛化元素（微量元素以外）は避けられるべきである。
【００１７】
熱処理−球状化
本明細書に記載された方法に従って製造された焼結超高炭素鋼品は高密度を示すが、上記の理由のために脆い傾向がある。特に、図３に示されるように形成される結晶粒界炭化物50のために脆性が生じる。結晶粒界炭化物50は、冷却中オーステナイトからフェライト変態で析出する。鉄がフェライト相とオーステナイト相を有することは注目されるべきである。更に、炭素が0.02％までフェライト又は（α）相に溶解し、2.0％までオーステナイト又は（γ）相に溶解される。フェライト相とオーステナイト相間の転移温度は、図７に示されるように約727℃である。球状化は、炭化物の丸い形又は球形を生じる鋼を加熱及び冷却する任意の方法である。
【００１８】
球状化は、脆化している結晶粒界炭化物及び他の角状炭化物を丸い形又は球形に変化させる熱処理の方法である。従来技術における球状化法は炭化物が丸い形に非常にゆっくりとしか変化しないので時間を要し非経済的である。典型的には、完全な球状化には温度における長い浸漬時間が必要である。プロセスを速める方法は、機械的加工と加熱を組合わせて急速な球状化をもたらす加工熱処理を用いることである。この方法は、高精度の正味形部品に適さず、コストの欠点もある。
球状化方法は、高密度焼結成分について開発されたものであり、部品を焼結し、焼結炉内でＡCMより高い約1000℃に冷却し、200℃より低く急冷し、脆化している結晶粒界炭化物の析出を防止又は最少化する。この方法は、主に残留オーステナイトとマルテンサイトからなる準安定ミクロ構造の形成を生じる。部品がA1温度（700〜800℃）近くの温度に高められる後続の熱処理により、炭化物の比較的急速な球状化、及び高張力と高延性双方が得られる。図4aは、この球状化方法を示すグラフである。図4aの方法は、図６にも示される。図4aにグラフで示される焼入れ（quenching）は、油焼入れによって生じるものである。
【００１９】
他の実施態様においては、部品を第１段階で上記のように焼結するが、図4bに示されるように室温に冷却する。従って、焼結ミクロ構造は脆化炭化物を含む。第２段階は、別の熱処理ラインで行われ、部品を約1000℃でオーステナイト化して炭化物を溶解し、油焼入れし、続いて球状化する。
従って、焼結した状態の超高炭素鋼を球状化することにより、その方法は高延性、典型的には引張伸び５〜10％及び高張力100〜120ksiUTSを有する粉末金属を生じる。球状化処理により、炭化物は脆さの小さな球形となる。
球状化した粉末金属超高炭素鋼は、高張力と延性についての特性の良好なバランスをもつ高密度P/M鋼を生じる。
その延性は、圧印加工されるべき部品の良好な寸法精度を維持することを可能にする。その焼結部品は、球状化状態で用いられるか又は超高張力成分に熱処理される。
【００２０】
更に、超高張力及び超高延性については、超高炭素鋼粉末金属を下記のように球状化後に慣用的に熱処理し、球状化炭化物を部分的に溶解する。
1.マトリックスをオーステナイト化する；
2.マルテンサイトに焼入れする；
3.マルテンサイトを焼戻す。
コネクティングロッド
本明細書に記載された本発明に従って種々の焼結品が製造される。本明細書に記載された本発明の特に良好な用途は、自動車エンジンコネクティングロッド又はコンロッドの製造に関する。
焼結コネクティングロッドは、これまで、Journal of the Minerals,Metals and Materials So.,May 1988に出てくる“焼結コネクティングロッドの疲労設計”と称する論文に詳述された従来技術で製造されてきた。
【００２１】
しかしながら、その従来技術の一段押圧、一段焼結コネクティングロッドは、その一段押圧、一段焼結ロッドの密度及び弾性率が高くないので商業ベースで製造されなかった。更に、高張力のために熱処理が必要でありかつ機械にかけにくい設計がある。図５は、コネクティングロッドを示す図である。
特に、高密度焼結合金コネクティングロッドは、本明細書に記載される高密度焼結合金法及び本明細書に記載される超高炭素鋼に従って製造される。
更に詳細には、下記の組成を有する自動車コネクティングロッドが製造される。
Mo                                    0.6〜3.0％
Ｃ                                    0.8〜2.0％
Fe                                          残量
＋避けられない不純物
その自動車コネクティングロッドは、下記の特性を示した。即ち：
球状化した状態のもの：
UTS（最後の引張応力）                     120ksi
YS（収量）                                 95ksi
伸び％                                      ８％
衝撃強さ                                40ft/lbs
逆曲げ疲労                                 40ksi
ここで、％は重量％を示す。
【００２２】
球状化したままの状態における成分はある程度のひずみを示すものである。例えば、焼結コンロッドは、上から下まで（狭いところから広いところまで）側面テーパがあり部品毎に可変縮みがある。本明細書に記載される球状化により、高延性を有する焼結部品が得られ、部品を冷間精密圧印加工することができ、良好な寸法精度が達成される。
例えば、図８は、黒鉛1.5％を含む前述のQMP AT 4401組成を用いて球状化したままの状態の図５の寸法Ｘの変化及びコイニング後の変化を示すグラフである。特に、図８から、球状化したままの状態で近似変化2.94〜2.99インチが示され、圧印加工変化は約2.975〜2.98インチである。
高度に強化した伝動装置のような他の製品も本明細書に記載された発明に従って製造される。
好適実施態様並びに操作及び使用は図面に関して詳しく記載してきたが、好適実施態様の変更が請求の範囲に記載された発明の真意から逸脱することなく当業者によって達成されることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】錬鋼の炭素％に対する引張伸び％のグラフである。
【図２】密度に対する弾性率のグラフである。
【図３】焼結した状態の品物の結晶粒界炭化物のスケッチである。
【図４ａ】高密度粉末金属処理段階の概略図である。
【図４ｂ】高密度粉末金属処理段階の他の実施態様の概略図である。
【図５】本明細書に記載された本発明で製造したコネクティングロッドの上面図である。
【図６】フローチャートである。
【図７】Fe−Fe3C相の共融体部分を示すグラフである。
【図８】コンロッド粒度分布；圧印加工部品と対比した球状化部品の幅のグラフである。
【図１】
0003634376.tif 000002
【図２】
0003634376.tif 000003
【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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