(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金化処理が完了し空気焼入れされた調質鋼粉末から成り黒鉛の形で添加された少なくとも０．３％の炭素含量を有するものを粉末プレフォームとしてプレスし、少なくとも１０００℃の焼結温度で保護ガスの中で焼結することと、次いで冷却することとにより、高い耐摩耗性を及び良好な動的強度を有し成形体から成る焼結部品を形成する、焼結部品製造方法において、
前記焼結部品が、前記焼結に続いてＡｒ3 からＡｒ3 の上方最大１５０℃の領域内で冷却され、５〜２５ｍｉｎの第１の保持時間この温度に保持されることと（オーステナイト化フェーズ）、
前述の処理に直接に続いて前記焼結部品が、対流によるガス冷却により冷却が加速されて第２の保持温度に到達し、第２の保持時間この温度に保持され、前記第２の保持温度がベイナイト組織が形成される温度領域内にあり、前記第２の保持時間がベイナイト組織成分の割合が少なくとも５０％になるように定められることと、
次いで焼結部品が冷却されて室温に到達することを特徴とする焼結部品製造方法。
【請求項２】
第１の保持温度が、Ａｒ3 の上方最大５０〜１００℃であることを特徴とする請求項１に記載の焼結部品製造方法。
【請求項３】
第１の保持時間が１０〜２０ｍｉｎであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の焼結部品製造方法。
【請求項４】
対流によるガス冷却が３〜６℃／ｓで行われることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１つの請求項に記載の焼結部品製造方法。
【請求項５】
第１の保持温度への冷却が、０．５〜１．５℃／ｓでの冷却速度で行われることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１つの請求項に記載の焼結部品製造方法。
【請求項６】
第１の保持時間の上限が、ベイナイト組織成分の割合が最大９５％であるように定められていることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１つの請求項に記載の焼結部品製造方法。
【請求項７】
第２の保持時間が、ベイナイト組織成分が６０〜８０％であるように定められていることを特徴とする請求項６に記載の焼結部品製造方法。
【請求項８】
オーステナイト化フェーズの保護ガス雰囲気が、焼結部品の浸炭部に作用できる加炭能力に設定されることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１つの請求項に記載の焼結部品製造方法。
【請求項９】
焼結ゾーン（２）と、前記焼結ゾーン（２）の後ろに配置されガス冷却する急激冷却ゾーン（４）と、前記急激冷却ゾーン（４）の後ろに配置されている通常冷却ゾーン（５）とを有する、連続装置として形成され電子制御される焼結炉を備える請求項１に記載の方法を実施する装置において、
前記焼結ゾーン（２）と前記急激冷却ゾーン（４）との間にオーステナイト化ゾーン（３）が配置され、前記急激冷却ゾーン（４）と通常冷却ゾーン（５，５ｂ）との間にベイナイト化ゾーン（７）が配置されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
互いに平行に配置されている２つの通常冷却ゾーン（５ａ，５ｂ）が選択可能に設けられ、それらのうちの１つの通常冷却ゾーン（５ｂ）には、横方向搬送装置（６）を介して材料が供給され、他方の冷却ゾーン（５ａ）はベイナイト化ゾーン（７）を回避するために直接に急激冷却ゾーン（４）に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
横方向搬送装置（６）が急激冷却ゾーン（４）とベイナイト化ゾーン（７）との間に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
第２の通常冷却ゾーン（５ｂ）とベイナイト化ゾーン（７）とが、焼結ゾーン（２）及びオーステナイト化ゾーン（３）及び急激冷却ゾーン（４）の搬送方向に対して反対の方向で平行な搬送方向を有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前段に記載のプレスされた成形体から、高い耐摩耗性と同時に良好な動的強度を有する焼結部品を製造する方法と、この方法を実施する装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば伝動装置の歯車等の鋼製の機械的に大きい負荷がかかる構造用部品は、高い寸法精度を有しなければならないだけでなく、非常に良好な動的強度と高い耐摩耗性の両方を有しなければならない。このような部品を、切削仕上げと後続のはだ焼きとにより製造する方法が、長い間にわたりただ１つの可能な方法と見なされていた。しかし成形コストを低減するために、粉末冶金学的方法を利用することも可能である。これに関連して、拡散合金にされ油焼入れされた鋼粉末に、所望の炭素量に相当する量の黒鉛と通常の潤滑剤とを添加し、次いでこの鋼粉末から圧粉体を粉末プレフォームとして成形し、この圧粉体を連続方式で炉の中で焼結し、次いで室温に冷却することが公知である。寸法精度を高めるために、次いで校正プレスで再びプレス工程が行われる。次いで、油浴の中での急冷するはだ焼きが行われ、これに焼き戻しが続く。このようにして製造された構造用部品は、典型的な焼き戻し組織を有する。
【０００３】
このような製造法は、良好な静的強度（引張り強さ、硬度、耐摩耗性）も良好な動的強度も有する構造用部品を提供する。第２のプレス工程（校正）に起因するコスト増大にもかかわらず、寸法精度及び一様性はしばしば満足できるものではない。到達可能な公差クラスは約ＩＴ１０である。
【０００４】
更に、焼結部品を、合金処理が完了し空気焼入れされた鋼粉末からプレスされた圧粉体から製造することが公知である。この場合、空気をマルテンサイト開始温度より低い温度に冷却することによりマルテンサイト組織が形成される。このような焼結部品は、その高い硬度に起因して確かに高い耐摩耗性を有するが、しかし破断伸びが低いことに起因して、例えば歯車において規則的に発生する動的負荷には適さない。到達可能な寸法精度（公差クラスＩＴ９）の面でも、このようにして製造された焼結部品は満足できるものではない。
【０００５】
最後に、ドイツ特許出願公開第ＤＥ４００１８９９Ｃ１号公報から、合金処理が完了した鋼粉末からなり０．３〜０．７％の炭素量割合を有する黒鉛が添加されたものから高い強度の焼結部品粉末プレフォームを製造するために、プレスし、１１２０〜１２８０℃の領域内の温度で焼結し、冷却により焼入れし、次いで焼き戻しすることが公知である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、良好な動的強度と高い耐摩耗性を維持するとともに寸法精度を大幅に高め（狭い仕上り公差）、しかも処理コスト及び装置コストをできるだけ小さく保つように、冒頭に記載の形式の方法を改善することにある。更に、この方法を実施する装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、請求項１の特徴部分に記載の特徴により解決される。有利な実施の形態は、請求項２〜請求項８に記載されている。本発明の方法を実施する装置は、請求項９の特徴部分に記載の特徴を有し、請求項１０〜請求項１２の特徴部分に記載の特徴により発展することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明を実施の形態に基づいて図を用いて詳細に説明する。
本発明の基礎は、焼結部品を製造するために公知の調質鋼粉末を使用することにある。調質鋼とは焼き戻しにより鋼質を調整した鋼であって、でき上った合金鋼から製造されたものである。この調質鋼粉末の合金成分の分布は、Ｃ含量以外は一様である。従ってこの一様分布は、焼結の間に拡散を長い時間にわたり行って達成することによって初めて得られるものではない。
【０００９】
従来では焼結部品は、焼結処理の後に別個に熱処理し、これにより焼結部品は良好な動的強度特性と同時に耐摩耗性を得ていた。このような特性の調整は焼結処理の過程で直接に行われる。これを実現するために重要な点は、使用鋼粉末が空気焼入れ材料から成ることにある。これにより、環境保護の理由からもともと望ましくない油浴を使用して急冷することが不要となる。
【００１０】
焼結部品の炭素含量は、通常のように黒鉛の形で別個に添加され、これにより鋼粉末は、充分な圧縮成形性を保証するのに充分な軟らかさを保持する。焼結プロセスの間に黒鉛は、互いにつながっている粉末粒子の中に拡散する。
【００１１】
本発明では、図１に示されているように焼結（ａ区間）に直接に続いて焼結温度から第１の保持温度に冷却される。第１の保持温度は、Ａｒ3 からＡｒ3 上方の最大１５０℃の温度までの温度区間の中に位置する。焼結温度から第１の保持温度への冷却（ｂ区間）は好適には０．５〜１．５℃／ｓの冷却速度で行われる。焼結部品は約５〜２５ｍｉｎ（第１の保持時間、ｃ区間）の間にわたり第１の保持温度に保持される。これにより小さいオーステナイト粒度が達成される。
【００１２】
なお、Ａｒ3 は当業者にはよく知られているように、鋼を冷却する際のある臨界温度あるいは転移温度であって、鋼の成分によって変わる温度である。
【００１３】
オーステナイト化フェーズ（ｃ区間）では次のことが推奨される、すなわち、焼結処理の間にわたり維持されなければならなかった保護ガス雰囲気の中での加炭能力(C-Potential) をさらに高めることが推奨される。これにより、焼結部品の外面層が加炭され、これにより表面領域の中の硬度を大幅に高めることが可能である。これは、良好な耐摩耗性にとって重要である。これに対して焼結部品の内部では炭素含量が低く維持され、これにより動的強度特性は非常に良好になる（横断面の硬度分布）。
【００１４】
第１の保持温度をＡｒ3 の上方の最大５０〜１００℃の領域内に選択すると特に有利である。第１の保持時間の好適な持続時間は１０〜２０ｍｉｎである。
【００１５】
第１の保持時間に直接に続いて、対流によるガス冷却により冷却が加速されて行われて第２の保持温度に到達する（ｄ区間）。これを実現するために３〜６℃／ｓの領域内の冷却速度が推奨される。
【００１６】
この第２の保持温度は、各材料のＺＴＵ図表に基づいて、フェライト形成の領域が回避されベイナイト組織が形成され始めるように選択される。
【００１７】
この第２の保持温度の保持時間（ｅ区間）は、少なくとも５０％のベイナイトの組織成分が形成されるまで続く。しかし、組織が完全にベイナイトに変換することは通常、望ましくない。最も遅い時点としてベイナイトが最大９５％に到達した時点で、第２の保持温度の保持を終了するのが好ましい。特に好適にはベイナイト成分の割合は、６０〜８０％のオーダである。次いで焼結部品は、通常のように室温まで冷却される（通常冷却、ｆ区間）。
【００１８】
判明した１つの意外な点は、本発明の方法によりとりわけ良好な部品品質が保証されることである。すなわち、寸法精度が比較的高いだけでなく、公差が、従来の製造方法の場合に比して大幅に小さい。従来の油焼入れ及び調質を用いて到達可能な品質等級ＩＴ１０の代りに、本発明ではＩＴ８に到達可能である。これは、別個の校正動作を行うことさえ不要であるのでなおさら意外である。これにより、１つの複雑かつ大規模な作業工程全部が不要となる。更に、別個の熱処理工程のためのエネルギコスト及び取扱いの手間が不要となる。
【００１９】
図２には、電子制御式連続焼結炉として形成されている本発明の装置の最も簡単な構成が示されている。左側の矢印により、焼結部品が第１のゾーンに導入されることが示されている。第１のゾーンは加熱ゾーンとして機能し、この中に粉末プレフォームの中に含有されている潤滑剤（例えばろう）が蒸発する。従ってこの第１のゾーンは脱ろうゾーン１とも呼ばれる。
【００２０】
脱ろうゾーン１に搬送方向で直接に続いて本来の焼結ゾーン２が配置されている。焼結ゾーン２の中で焼結部品は、充分に長い時間にわたり焼結温度（少なくとも１０００℃）に保持される。
【００２１】
焼結部品は一定の速度で装置全体を通過するので、焼結ゾーン３はそれに対応する長さを有する。
【００２２】
焼結部品の酸化を防止するために装置全体の中に、酸素を含有しない雰囲気（保護雰囲気）が維持される。
【００２３】
第２の焼結ゾーン２に続いてオーステナイト化ゾーン３が配置されている。オーステナイト化ゾーン３の中で焼結部品はまず初めに冷却され、オーステナイト化温度に保持される。
【００２４】
次いで急激冷却ゾーン４が配置されている。急激冷却ゾーン４には、充分に強い対流式ガス冷却を実現する（図示されていない）ガスシャワが設けられている。
【００２５】
焼結部品が第２の保持温度に到達すると、焼結部品はベイナイト化ゾーン７の中に入り、第２の保持時間にわたり充分に長くこの温度に保持され、これにより少なくとも５０％のベイナイト西部が組織の中に形成される。これを実現するためにベイナイト化ゾーン７は、相応の長さを有する。
【００２６】
充分なベイナイト化時間が経過した後、しかしできるだけ９５％の成分比に到達する前に焼結部品は、仕上げの通常冷却ゾーン５の中に入り、通常冷却ゾーン５の中でベイナイト化温度から室温に近い温度まで冷却される。
【００２７】
図３には、図２に対して変形されている装置が示されている。この装置の相違点は、この装置の中に装填される粉末プレフォームが、選択的に２つの異なる通路を走行できることにある。
【００２８】
脱ろうゾーン１から急激冷却ゾーン４までの構成は、図１に示されている構成と完全に一致する。急激冷却ゾーン４の後ろで材料流の方向を選択的に設定できる。
【００２９】
形成された焼結部品は直接に別個の通常冷却ゾーン５ａに入り、この装置から“通常に”焼結されているすなわち本発明によらない方法で形成された部品として出るか、又は本発明の方法を適用するために、急激冷却ゾーン４を出た後に選択的に切換え可能な横方向搬送装置６を介して図示の矢印により示されているように本発明の装置の第１の部分に平行に配置されているベイナイト化ゾーン７の中に導入される。
【００３０】
好適にはこの搬送方向は、本発明の装置全体の第１の部分に対して反対の方向である。
【００３１】
次いで再び通常冷却ゾーン５ｂが配置され、通常冷却ゾーン５ｂの中では、本発明により処理された部品が冷却されて室温に到達する。これによりこのような装置は、処理する製品の多様性の面で高い融通性を提供する。
【００３２】
勿論、ベイナイト化ゾーン７と第２の通常冷却ゾーン５ｂとを互いに１８０゜ずらして配置することも可能である、すなわち元の材料流方向を維持することも可能である。
【００３３】
同様に、通常冷却ゾーン５ａと、ベイナイト化ゾーン７及び通常冷却ゾーン５ｂから形成されている装置列とを互いに交換して配置することも容易に可能である。しかし図示の例は、比較的短い構造長を有する利点を有する。
【００３４】
【実施例】
本発明の効果を、次の２つの例に基づいて詳細に説明する。
比較例：
Ｆｅ−４Ｎｉ−０．５Ｍｏの組成を有する、合金処理が完了した鋼粉末であって単体元素の１％Ｃｕ，０．６％黒鉛及び通常の潤滑剤が添加されたものから、密度６．８０〜６．９０ｇ／ｃｍ3 の圧粉体が製造された。これらの部品は１１５０℃の温度で３０ｍｉｎ間焼結される。その際、吸熱雰囲気から成り加炭能力が制御されている保護ガス雰囲気が、維持された。マルテンサイト開始温度で部品を対流によりガス冷却し（３〜６℃／ｓの冷却速度）、次いで通常冷却により冷却して室温に到達すると、部品は次の特性を有する。
【００３５】
引張り強さ  ６５０Ｎ／ｍｍ2 、
硬度レベル  ５５０〜７００ＨＶ１、
破断伸び  ０．３〜０．６％、
寸法精度は公差クラスＩＴ９に相当した。
【００３６】
本発明の例：
Ｆｅ−４Ｎｉ−０．５Ｍｏの組成を有し合金処理が完了した鋼粉末であって１％のＣｕ及び０．６％の黒鉛及び通常の潤滑剤が添加されたものから、前述の例の場合と同様の圧粉体が製造された。焼結は、加炭能力が制御されている吸熱ガス雰囲気の中で、１１２０℃の温度で３０ｍｉｎの持続時間で行われた。オーステナイト化の後、３℃／ｓの冷却速度の急激冷却が行われ、更に、本発明によるベイナイト化が行われ、次いで、室温までの通常冷却が行われた。その際、構造用部品の中に次の特性のベイナイト組織が形成された。
【００３７】
引張り強さ  ７５０〜８００Ｎ／ｍｍ2 、
硬度レベル    ３５０〜４５０ＨＶ１、
破断伸びＡ３  ６％まで、
本発明により製造された部品の寸法精度は、大幅により良好であった。この寸法精度はＩＴ８クラスに相当した。
【００３８】
本発明の方法により、焼結状態の構造用部品において高い靭性と高い強度とを組合せることが可能であり、このような組合せは、別個の熱処理を行っても達成できず、しかも、本発明の方法により良好な寸法公差が保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＺＴＵ線図に基づいて本発明の方法の経過を示す線図である。
【図２】本発明の方法を実行する焼結炉の概念図である。
【図３】本発明の方法を実行する焼結炉の概念図である。
【符号の説明】
１  脱ろうゾーン
２  焼結ゾーン
３  オーステナイト化ゾーン
４  急激冷却ゾーン
５  通常冷却ゾーン
６  横方向搬送装置
７  ベイナイト化ゾーン
【図１】
0003679508.tif 000002
【図２】
0003679508.tif 000003
【図３】
0003679508.tif 000004