(57)【要約】  砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、もしくは遠心鋳造、または水、ガス、プラズマ、超音波、もしくは回転ディスク噴霧化による粉末金属材料による鋳造部品の改善された製造方法が提供される。本方法は、鋳造または噴霧化プロセスの前または最中に少なくとも１つの添加剤を溶融金属材料に添加することを含む。少なくとも１つの添加剤は、処理される溶融物の体積よりも少なくとも３倍大きい、溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する。保護雰囲気は、材料への硫黄（Ｓ）および酸素（Ｏ２）などの汚染物質の導入または再導入を防止する。製造される鋳造部品または噴霧化粒子は、以下の利点のうちの少なくとも１つを含む：より少ない内部細孔、より少ない内部酸化物、少なくとも０．６０のメジアン円形度、少なくとも０．６０のメジアン真円度、ならびに微細構造相および／または成分の増加した球形度。
2019536901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属材料を製造する方法であって、
少なくとも１つの添加剤を溶融卑金属材料に添加する工程であって、前記少なくとも１つの添加剤が、処理される前記溶融卑金属材料の体積の少なくとも３倍の体積を有する前記溶融卑金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、工程、および
前記少なくとも１つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に前記溶融卑金属材料を噴霧化して、複数の粒子を製造する工程を含む、方法。
【請求項２】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも１つの添加剤がマグネシウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記噴霧化工程が、水噴霧化、ガス噴霧化、プラズマ噴霧化、超音波噴霧化、または回転ディスク噴霧化を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記溶融卑金属材料が、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含み、前記溶融卑金属材料が、銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの合金元素を任意に含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄を含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する少なくとも１つの酸化物を含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄および少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融卑金属材料がアルミニウム合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、ＫおよびＮａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記溶融卑金属材料がチタン系であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＳｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶融卑金属材料がコバルト合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＮａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶融卑金属材料がクロム合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも１つの添加剤がＭｇを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１５】
鋳造部品を製造する方法であって、
少なくとも１つの添加剤を溶融卑金属材料に添加する工程であって、前記少なくとも１つの添加剤が、処理される前記溶融卑金属材料の体積の少なくとも３倍の体積を有する前記溶融卑金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、工程、および
前記少なくとも１つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に、溶融金属材料を鋳造する工程を含む、方法。
【請求項１６】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも１つの添加剤がマグネシウムを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記鋳造工程が、砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、または遠心鋳造を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記溶融卑金属材料が、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含み、前記溶融卑金属材料が、銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの合金元素を任意に含有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄を含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する少なくとも１つの酸化物を含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄および少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記溶融卑金属材料がアルミニウム合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、ＫおよびＮａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記溶融卑金属材料がチタン系であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＳｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記溶融卑金属材料がコバルト合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＮａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記溶融卑金属材料がクロム合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、前記硫黄と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、前記少なくとも１つの酸化物と反応させるためのＫ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記溶融卑金属材料が鉄系であり、前記少なくとも１つの添加剤がＭｇを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４０９，１９２号、および２０１７年９月１日に出願された米国実用新案特許出願第１５／６９３，７４７号に対する優先権を主張するものであり、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に金属材料に関し、より詳細には粉末金属または鋳造物を形成するために噴霧化または凝固された溶融金属材料、およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
粉末金属材料は、水噴霧化、ガス噴霧化、プラズマ噴霧化、超音波噴霧化、または回転ディスクなどの様々なプロセスによって形成することができる。粉末金属材料は、プレスおよび焼結、金属射出成形、ならびに積層造形などの様々な異なる技術で使用される。金属鋳造物は、自動車部品および非自動車部品の両方を含む様々な技術においても一般的に使用されており、砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、または遠心鋳造などの様々なプロセスによって製造される。噴霧化および鋳造プロセスは、両方とも溶融金属材料から始まる。一般的な噴霧化プロセスは、溶融金属材料に流体（水、ガス、油、超音波、またはプラズマ）を適用して複数の粒子を形成することを含む。鋳造プロセスは、典型的には、溶融金属材料を所望の形状を有する型に注入し、型から金属部品を取り出す前に液体金属を凝固させることを含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様は、粉末金属材料を製造する方法を提供する。この方法は、少なくとも１つの添加剤を溶融卑金属材料に添加することであって、少なくとも１つの添加剤が、処理される溶融卑金属材料の体積の少なくとも３倍の体積を有する溶融卑金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、添加すること、および少なくとも１つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に溶融卑金属材料を噴霧化して、複数の粒子を製造することを含む。本発明の別の態様は、自己発生保護雰囲気を有する溶融金属材料から形成された粉末金属材料を提供する。
【０００５】
本発明の別の態様は、鋳造部品の製造方法を提供する。本方法は、少なくとも１つの添加剤を溶融卑金属材料に添加することであって、少なくとも１つの添加剤が、処理される溶融卑金属材料の体積の少なくとも３倍の体積を有する溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、添加すること、および少なくとも１つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に、溶融金属材料を鋳造することを含む。本発明の別の態様は、自己発生保護雰囲気を有する溶融金属材料から形成された鋳造物を提供する。
【０００６】
両方の方法とも、溶融卑金属材料内に自己発生保護雰囲気を製造することを含む。溶融卑金属材料に少なくとも１つの添加剤を添加することは、溶融物の品質を改善させることができる。少なくとも１つの添加剤は、酸化に対する保護障壁として作用する保護雰囲気を生成することができる。保護雰囲気はまた、硫黄（Ｓ）および／または酸素（Ｏ２）などの不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入するのを防止するための障壁としても作用する。したがって、少なくとも１つの添加剤は、プロセスの溶融段階および注入段階中の酸化を制限し、内部酸化物の量を制限することができる。さらに、凝固した金属材料中の粉末粒子の物理的構造および／または微細構造的特徴は、材料特性を改善またはそれに影響を与えるように変更することができる。例えば、少なくとも１つの添加剤はまた、サイズおよび形態などの沈殿物の微細構造工学にも寄与し得る。
【０００７】
溶融金属材料が噴霧化されるとき、少なくとも１つの添加剤は、得られる粉末粒子の形状および形態を工作することができる。粉末噴霧化の場合にも、少なくとも１つの添加剤は、得られる粉末粒子の真円度および球形度を改善させる。粉末および鋳造物中の内部空隙の量もまた減少させることができる。
【０００８】
噴霧化工程は、球状を有する複数の粒子を製造することも含み得る。粒子の球形度、および噴霧化されたままの状態、鋳造されたままの状態、または熱処理された状態の噴霧化粒子もしくは鋳造物中の微細構造相もしくは成分の形状の球形度は、以下の式に従って２つの画像の分析指標、具体的には円形度および真円度によって決定され得る。
【０００９】
円形度（Ｃ）＝４π×（［面積］／［周囲長］2）
新円度（Ｒ）＝４×（［面積］／（π×［長軸］2））＝１／ＡＲ
式中、ＡＲ＝［長軸］／［短軸］である。
【００１０】
画像分析指標は、ＩｍａｇｅＪ（ｈｔｔｐ：／／ｉｍａｇｅｊ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｉｊ／）などのオープンソースソフトウェアを使用して計算することができる。１．０の球形度指数値は、真円を示す。
【００１１】
本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮すると、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになるので、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】様々な化学系（Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣｒ）について、保護ガス雰囲気を生成する添加剤（「×」で印を付けたセル）を示す図である。
【図２】様々な化学系（Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣｒ）について、酸化物と反応する添加剤（「×」で印を付けたセル）を示す図である。
【図３】様々な化学系（Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣｒ）について、硫黄と反応する添加剤（「×」で印を付けたセル）を示す図である。
【図４】例示的な組成物について添加剤の量の関数として発生したガスの計算された総体積の曲線を示す図である。
【図５】図４に記載される粉末の噴霧化プロセス中にタンディッシュの上部の雰囲気に曝される前後の研磨された純鉄表面上で実験的に得られたＥＤＳスペクトルを示すグラフである。
【図６】異なる温度（摂氏８００度および摂氏９００度）でアルミニウム中のナトリウム（Ｎａ）およびカリウム（Ｋ）添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図７】摂氏１８００度の温度でチタン中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図８】摂氏１６００度の温度でコバルト中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図９】摂氏２０００度の温度でクロム中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図１０】摂氏１２００度の温度で銅中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図１１】摂氏１６５０度の温度で鉄中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図１２】摂氏１４００度の温度でマンガン中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図１３】摂氏１６００度の温度でニッケル中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示し、破線がガスの下限を示すグラフである。
【図１４】添加剤（ＫおよびＬｉ）の量の関数として、摂氏１６００度の温度で複合コバルト合金の溶融物１００グラム当たりに得られるガスの計算された総体積を示すグラフである。
【図１５】噴霧化プロセスの注入工程中に溶融物に導入された内部酸化ケイ素上に多くの不規則な１次黒鉛ノジュールが沈殿した、マグネシウムを添加しない水噴霧過共晶鋳鉄粉末の後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図１６】噴霧化プロセス中にＭｇを含有する不均一酸化物核上に１つの球状１次黒鉛ノジュールが沈殿した、マグネシウムを添加した別の水噴霧過共晶鋳鉄粉末の後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図１７】マグネシウムを添加しない約４．０％のＣおよび２．３％のＳｉを含有する水噴霧過共晶鋳鉄粉末の後方散乱電子顕微鏡写真であって、後熱処理プロセス中に固体状態で成長した黒鉛ノジュールが存在する後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図１８】例示的な実施形態によるマグネシウムを添加した別の水噴霧過共晶鋳鉄粉末の顕微鏡写真であって、図１７に示したものと比較して、後熱処理プロセス中に固体状態で成長したより球形の黒鉛ノジュールが存在する顕微鏡写真である。
【図１９】図１７および図１８に示す水噴霧化過共晶鋳鉄粉末において観察された黒鉛ノジュールの円形度頻度分布を示す図である。
【図２０】図１７および図１８に示す水噴霧化過共晶鋳鉄粉末において観察された黒鉛ノジュールの真円度頻度分布を示す図である。
【図２１】図１７および図１８で観察された２つの過共晶鋳鉄粉末について固体状態で成長した黒鉛ノジュールの円形度についての数値データを示す表である。
【図２２】図１７および図１８で観察された２つの過共晶鋳鉄粉末について固体状態で成長した黒鉛ノジュールの真円度についての数値データを示す表である。
【図２３】−８０／＋２００メッシュ（１７７〜７４ミクロン）でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない水噴霧化ステンレス鋼粉末の後方散乱電子顕微鏡写真であって、赤い矢印が、内部空隙を指す後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図２４】−８０／＋２００メッシュ（１７７〜７４ミクロン）でふるいにかけた、マグネシウムを添加した別の水噴霧化ステンレス鋼粉末の後方散乱電子顕微鏡写真であって、１つの赤い矢印が、図２３のものと比較して、１つのみの小さい内部空隙を指す後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図２５】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない約１．３％のＣおよび１．１％のＳｉを含有するケイ素粉末と合金化した水噴霧化高炭素鋼の光学顕微鏡写真であって、赤い矢印が、内部空隙を指す光学顕微鏡写真である。
【図２６】１つの例示的な実施形態により−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加した約１．４％のＣおよび１．１％のＳｉを含有するケイ素と合金化した比較の水噴霧化高炭素鋼の光学顕微鏡写真であって、赤い矢印が、図２５の粉末よりも内部空隙が少ないことを示す光学顕微鏡写真である。
【図２７】評価された組成を列挙する表を含む図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の１つの態様は、噴霧化プロセスの前および／または最中に少なくとも１つの添加剤を溶融金属材料に添加することによる、水もしくはガス噴霧化、または噴霧化される材料がプラズマ噴霧化、超音波噴霧化、または回転ディスク噴霧化などの液体金属浴の生成を経ることを必要とする任意の他の噴霧化プロセスによって、粉末金属材料を製造する改善方法を含む。本発明の別の態様は、溶融金属材料に少なくとも１つの添加剤を添加することによる溶融金属材料からの砂型鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、ロストフォーム鋳造、ダイカスト、または遠心鋳造などのプロセスによって鋳造物を製造する改善方法を含む。少なくとも１つの添加剤は、処理される溶融物の体積よりも少なくとも３倍大きい、溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する。
【００１４】
溶融材料に添加される少なくとも１つの添加剤によって生成される保護雰囲気は、保護ガスが溶融物から出てくるので、硫黄（Ｓ）および／もしくは酸素（Ｏ２）または他のものなどの不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入するのをそれらを溶融材料の表面から押し出すことによって防止するための障壁として作用する。保護ガス雰囲気を形成する添加剤は、添加剤の導入前に溶融物中の溶存硫黄および／または溶融物中に懸濁していた酸化物とも反応することができる。添加剤と溶融物中の溶存硫黄との反応は、溶融物から形成された噴霧化粒子の球形度を増加させ、かつ／または噴霧化粒子または鋳造物中の微細構造相および成分の球形度を増加させる。
【００１５】
水噴霧化を用いる場合、溶融金属材料に添加剤を添加すると、噴霧化粒子の球形度をガス噴霧化によって形成された粒子の球形度に近いレベルまで増加させることができるが、ガス噴霧化と比較してコストが低い。添加剤を溶融金属材料に添加することはまた、溶融物の表面からの新しい酸化物の形成およびエントレインメントを制限し、添加剤の導入前に溶融物中に既に存在するものと反応させることによってより清浄な粒子を製造することができる。これらの酸化物は、酸化物の膜がそれら自身の上に折り畳まれて酸化物膜の間に弱い界面を残す二層膜として形成することができる。添加剤はまた、噴霧化粉末で遭遇する問題である内部空隙の量およびサイズを低下させることができる。添加剤はまた、噴霧化粒子中におよび／またはその後の熱処理プロセス中に形成される微細構造成分および／または相の球形度を増加させることができる。例えば、噴霧化粒子が鋳鉄材料から形成される場合、後熱処理プロセス中に形成される黒鉛沈殿物の少なくとも５０％は、少なくとも０．６の円形度および少なくとも０．６の真円度を有する。
【００１６】
鋳造を用いる場合、添加剤を溶融金属材料に添加すると、鋳造においておよび／またはその後の熱処理プロセス中に形成される微細構造成分および／または相の球形度を増加させることができる。添加剤を溶融金属材料に添加することはまた、溶融物の表面からの新しい酸化物の形成およびエントレインメントを制限することによって、かつ添加剤の導入前に溶融物中に既に存在するものと反応させることによってより清浄な鋳造物を製造することができる。これらの酸化物は、酸化物の膜がそれら自身の上に折り畳まれて酸化物膜の間に弱い界面を残す二層膜として形成することができる。添加剤はまた、多くの鋳造で遭遇する問題である内部空隙の量およびサイズを低下させることができる。
【００１７】
１つの例示的な実施形態によれば、本方法は、卑金属材料を溶融することから始まる。多くの異なる金属組成を卑金属材料として使用することができる。しかしながら、保護雰囲気として作用する十分なガスを製造し、これによって所望の球状の粉末および／もしくはより球形の微細構造成分および／もしくはより清浄な粒子を得るため、かつ／またはより少ない内部細孔を有するために、添加剤は、金属材料中で低い溶解度を有しなければならない。基材および添加剤は、添加剤が導入されたときに発生する保護ガス雰囲気の体積が、処理される溶融金属材料の体積の少なくとも３倍になるように選択されるべきである。例えば、０．２２重量パーセント（重量％）のマグネシウムが鉄リッチ溶融物に添加される場合、発生するガスの体積は、処理される溶融物の初期体積の３倍として定義される保護雰囲気を提供するのに必要とされるガスの下限の約２０倍になる。
【００１８】
卑金属材料は、典型的には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含む。卑金属材料は、純Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、またはＣｒを含むことができる。アルミニウムリッチ、銅リッチ、マンガンリッチ、ニッケルリッチ、コバルトリッチ、鉄リッチ、チタンリッチ、クロムリッチ合金、または少なくとも５０重量％のＡｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、および／またはＣｒを含む合金も出発卑金属材料としての使用によく適している。異なる割合のこれらの卑金属材料の混合物はまた、Ａｌ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｃｕ、およびＣｏ−Ｃｒ合金などの出発材料としての使用によく適しているが、これらに限定されない。合金はまた、それらが目的の合金の溶融物中に溶解状態で留まる限り、合金元素として以下のうちの少なくとも１つを含むことができる：銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）。
【００１９】
「合金元素」として記載される元素と「添加剤」として記載される元素との間には区別すべきことがある。合金元素は、卑金属材料中に溶解したままであり、かつ／または最終部品／粉末中に異なる相／成分を形成する。合金元素は、部品の微細構造および特性に影響を与える。例えば、Ｆｅ中のＣは、強度を増加させるセメンタイトを形成する。添加剤は、保護ガス雰囲気を生成し、Ｓおよび／または酸化物と反応させるために溶融物に添加される元素として定義される。図１〜３は、様々な卑金属材料の添加剤の一覧を含む。１つの特定の元素は、１つの基材中の合金元素であり得るが、異なる基材中の添加剤であり得る。例えば、Ｍｇは、Ａｌリッチ合金中の合金元素であるが、Ｆｅリッチ合金中の添加物である。１つの例示的な実施形態によれば、Ａｌ−Ｍｇ合金内にガス状保護雰囲気を生成するために、Ｋおよび／またはＮａを添加剤として使用し、選択した添加剤に従って溶融温度を選択しなければならない。例えば、Ｍｇは、アルミニウム合金（Ａｌ−５０００シリーズ）の合金元素として使用されるので、保護ガス雰囲気を発生しない。
【００２０】
しかしながら、出発金属材料は、上記の組成に限定されない。添加剤が選択された材料への溶解度が低く、十分な量の保護ガス雰囲気を発生する限り、他の金属組成物を使用することができる。ガス状保護雰囲気を生成するために使用されるいくつかの添加剤は、溶融物中の溶存硫黄と自然に反応してより安定な化合物を生成し、それによって表面張力を増加させる。これは、固体のＭｇＳが沈殿するＦｅリッチ系におけるＭｇの場合である。しかしながら、いくつの添加剤は、保護雰囲気を生成するが、Ｆｅリッチ系におけるＮａの場合のように、溶存硫黄と反応しない。このような状況では、表面張力を上げて保護雰囲気を生成するために、様々な添加剤を組み合わせて使用しなければならない。
【００２１】
上述のように、様々な異なる添加剤を溶融金属材料に添加して、保護雰囲気の増加および上述の他の利点を達成することができる。選択される添加剤は、卑金属材料の組成に依存する。例えば、少なくとも１つの添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み得る。添加剤によって発生した保護ガス雰囲気は、不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入することを防止する。
【００２２】
上記の添加剤は、それらが使用される化学系に応じて、異なる量の保護ガス雰囲気を発生する。いくつかの添加剤は、他のものよりもいくつかの系に適している。例えば、アルミニウム合金では、ＫおよびＮａがしばしば好ましい。銅合金では、ＫおよびＮａがしばしば好ましい。マンガン合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＬｉがしばしば好ましい。ニッケル合金では、ＫおよびＮａがしばしば好ましい。コバルト合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａがしばしば好ましい。鉄合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａがしばしば好ましい。チタン合金では、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、およびＢａがしばしば好ましい。クロム合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａがしばしば好ましい。好ましい添加剤に印が付けられた図１に例が提供される。
【００２３】
特定の１つの例示的な実施形態によれば、金属系材料は、鉄リッチであり、保護ガスを発生するとともに硫黄不純物とも反応するＭｇを含む。あるいは、卑金属材料は、純鉄であり、添加剤は、Ｍｇである。別の特定の例によれば、金属系材料は、鉄リッチであり、添加剤は、ＫとＢａとの混合物を含む。カリウム（Ｋ）は、保護ガス雰囲気を発生し、バリウム（Ｂａ）は、硫黄と反応する。
【００２４】
保護雰囲気は、噴霧化粒子および鋳造物中の酸化物の量を制限し、また噴霧化粒子および鋳造物中の内部空隙のサイズおよび量を制限する。ガス状保護雰囲気を生成するために使用されるいくつかの添加剤、例えば、合金元素としてＳｉを含有するＦｅリッチ系におけるＭｇ添加剤は、溶融物中に懸濁している酸化物と自然に反応してより安定な化合物を生成し、化学反応プロセス中にそれらの形態も変化する。これらの材料では、二層膜（不十分に結合された酸化物の重なり合った膜）の形態であり得るＳｉＯ２の酸化物が溶融物中に懸濁している。より少ない量の空隙が観察されることを説明する理由のうちの１つは、Ｍｇが、Ｍｇと酸化物との間の化学反応の結果として、重なり合った膜間の界面を結合するのを助け、その後、細孔を形成するために分離することができないより強い界面を生成することである。自己発生Ｍｇガス状雰囲気は、溶融物の表面のさらなる酸化を制限し、それは粒子中の内部酸化物の量を制限する。しかしながら、いくつかの添加剤は、保護雰囲気を生成するが、Ｔｉリッチ系におけるＺｎの場合のように、溶融物中に懸濁している酸化物とは反応しない。このような状況では、内部空隙の量とサイズを制限するために異なる添加剤の組み合わせを使用しなければならない。例えば、少なくとも１つの添加剤を添加して、溶融金属材料への不純物の侵入または再侵入を防止する保護ガス雰囲気を生成することができ、少なくとも１つの添加剤を添加して既に溶融物中の酸化物と反応させることができるが、必ずしも保護ガス雰囲気を生成するとは限らない。より球形の粒子ならびに／またはより少ない内部空隙を有する相および成分を生成するためのＴｉリッチ合金中の添加剤のそのような組み合わせの例は、保護雰囲気の発生には関与しないが、保護雰囲気を生成するためのＺｎと、ＳおよびＴｉＯ２と反応させるためのＳｒとの混合物であり得る。
【００２５】
言い換えれば、いくつかの添加剤は、形成される酸化物の種類に応じて、他の系よりもいくつかの系においてより効果的である。上に示したように、より小さいサイズを有するより少ない内部空隙が望まれる場合、添加剤は、溶融物中の懸濁液中の酸化物と反応しなければならない。これらの酸化物はまた、溶融卑金属材料中の不純物、例えば、アルミニウム系材料中のＡｌ２Ｏ３、または鉄系材料中のＦｅ２Ｏ３とみなされる。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系である場合、酸化物と反応するのに好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、およびＣａを含む。溶融卑金属材料が鉄合金または鉄系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系である場合、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料が銅合金または銅系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がニッケル合金またはニッケル系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。例を図２に示している。
【００２６】
溶融基材が鉄系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。より球形の粒子ならびに／または相および成分を生成するための鉄系材料またはＦｅリッチ合金中の添加剤のそのような組み合わせの例は、ＮａとＢａとの混合物であり得る。Ｎａは、保護雰囲気およびＢａを生成し、Ｓと反応する。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がニッケル合金またはニッケル系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料が銅合金または銅系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。例を図３に示している。
【００２７】
さらに、ある種の添加剤は、保護ガス雰囲気を首尾よく発生し、溶融卑金属材料中に不純物として存在する硫黄および酸化物とも反応する。例えば、溶融卑金属材料が鉄合金または鉄系である場合、保護ガス雰囲気を発生させるとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａを含む。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系である場合、保護ガス雰囲気を発生させるとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、ＣａおよびＢａを含む。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａを含む。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、ＫおよびＮａを含む。溶融卑金属材料が銅合金または銅系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、ＫおよびＮａを含む。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、およびＬｉを含む。
【００２８】
上述のように、溶融金属材料は、例えば水またはガス噴霧化によって噴霧化され、粉末金属を形成することができる。あるいは、溶融金属材料を鋳造物に成形することができる。
【００２９】
上で示唆したように、選択される出発卑金属材料は、しばしば添加剤を添加する前の金属材料の総重量に基づいて、少なくとも５０．０重量％の量の鉄を含む。例えば、鋳鉄、高合金鋳鉄、ステンレス鋼、非合金鋼および合金鋼、工具鋼、マレージング鋼、またはハドフィールド鋼を使用することができる。１つの例示的な実施形態例によれば、金属材料は、１．３重量％の炭素および１．１重量％のケイ素を含む鋼粉末である。別の例示的な実施形態によれば、金属材料は、４．０重量％の炭素および２．３重量％のケイ素を含む鋳鉄粉末である。別の例示的な実施形態によれば、金属材料は、１．２％のＭｎ、０．３０％のＳｉ、０．４４％のＣｕ、０．２３％のＭｏ、１７．３％のＣｒ、９．５％のＮｉ、および他の微量元素を含むステンレス鋼粉末である。上述のように、アルミニウム合金（例えば、２０２４、３００３、３００４、６０６１、７０７５、７４７５、５０８０、および５０８２と表される合金）、銅合金（アルミニウム青銅、ケイ素青銅、および黄銅など）、マンガン合金、ニッケル合金（例えば、６２５と表される合金）、コバルト合金（トリバロイおよびＨａｙｎｅｓ１８８など）、コバルト−クロム合金（ＣｏＣｒＭｏ合金およびステライトなど）、チタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶまたはＴｉ−６Ａｌと表される合金）、クロム合金（Ｋｈ６５ＮＶＦＴ合金など）、ならびにこれらの化学系から作製された任意のハイブリッド合金も出発粉末金属材料として使用することができる（例えば、Ｉｎｖａｒ、Ｍｏｎｅｌ、Ｃｈｒｏｍｅｌ、Ａｌｎｉｃｏ、およびＮｉｔｉｎｏｌ６０と表される合金）。これらの例は、網羅的なものではなく、少なくとも１つの添加剤（カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、およびバリウム（Ｂａ））が選択された材料への溶解度が低い限り、他の金属組成物を使用することができ、その結果、溶融材料の上部に保護ガス雰囲気が形成されて、処理される溶融物の初期体積の少なくとも３倍の総量を形成する。図４〜１４は、添加剤が本発明の例示的な実施形態による溶融金属材料に添加されるときに発生する保護ガス雰囲気の体積の増加を示す実施された計算および実験の結果を表す。図４は、例示的な組成物について添加剤の量の関数として得られるガスの総体積の曲線を表す。添加剤（ここでは、添加剤は、９０重量％のＭｇと１０重量％のＮａとの混合物であった）。この合金は、４．０％のＣ、１．５％のＳｉ、０．０２％のＳ、および２．０％のＣｕを含有する鋳鉄粉末材料（Ｆｅリッチ）である。この曲線は、水噴霧化された１つの粉末の化学組成を使用して計算され、この実験で使用された添加剤の量は、０．１１重量％であり、これは、溶融物１００グラムごとに約０．４０リットルの保護ガス（ＭｇおよびＮａ）をもたらした。破線は、処理される溶融物の初期体積の３倍の体積である保護雰囲気を提供するために得られるべきであるガスの下限を表す。この具体例では、計算されたガス量は、下限の約５倍である。
【００３０】
図５は、図４に記載される粉末の噴霧化プロセス中にタンディッシュの上部のガス状雰囲気に曝される前後の研磨された純鉄表面上で得られたエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）スペクトルを示す。これは、添加剤（この場合はＭｇおよびＮａ）が溶融物の上部に発生させたガス状保護雰囲気を形成し、これらの元素が露出した研磨された鉄表面に堆積したことを裏付ける。
【００３１】
図６は、異なる添加剤について異なる温度でアルミニウム合金中に発生し得る異なる量のガスの例を示す。計算の基本系は、Ａｌ＋０．０２％のＳ＋０．０２％のＡｌ２Ｏ３である。破線は、処理される溶融物の初期体積の３倍として定義される保護雰囲気を提供するために得られるべきであるガス量の下限を表す。これらの例において、添加される添加剤の最小量は、添加剤の性質および溶融物の温度に従って変わる。例えば、溶融物が摂氏約８００度の温度である場合、添加される量にかかわらず、Ｎａは、十分なガスを発生させることができない。しかしながら、溶融物の温度が摂氏約９００度まで上昇すると、処理される溶融物の初期体積の少なくとも３倍を発生するためのＮａの最小量は、約０．３２重量％である。Ｋについては、溶融物が摂氏８００度である場合、最小量は、０．３６重量％であり、溶融物が摂氏約９００度である場合、０．２６重量％である。半分のＮａと半分のＫとの混合物が摂氏９００度のアルミニウム溶融物中で使用される場合、Ｎａ＋Ｋの最小量は、約０．２９重量％（０．１６重量％のＮａおよび０．１３重量％のＫ）となる。図７は、摂氏１８００度でチタン溶融物に添加される最小量の異なる添加剤の例を示す。例えば、０．１１重量％のＣａの添加は、０．４８重量％のＺｎの添加とほぼ同じ最小量のガス保護を提供する。同様に、図８〜１３は、異なる系（Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＮｉ）における異なる量の異なる添加剤の他の例を示す。図１４は、複合コバルト合金中の計算された最小量の添加剤（Ｋ＋Ｌｉ）を示す。
【００３２】
溶融卑金属材料に少なくとも１つの添加剤を添加した後、溶融物は、噴霧化または鋳造することができる。水噴霧化は、ガス噴霧化よりも３〜９倍安価であり、他の噴霧化プロセスよりもさらに安価であるため、しばしば好ましい。しかしながら、容易に酸化されるいくつかの合金については、ガス噴霧化が好ましい。ガス噴霧化前の付加的処理は、より大きいガス圧などの噴霧化のための改善された条件を可能にし、それでもなお円形粒子を達成し、内部酸化物および空隙の量を制限することもできる。さらに、添加された添加剤は、水噴霧化粒子の球形度を増加させることができ、その結果、球形度は、ガス噴霧化粒子の球形度に近づく。
【００３３】
上述のように、添加剤は、添加剤の導入後のガスの総体積が、処理される溶融物の初期体積の少なくとも３倍になるような量で添加される。１つの例示的な実施形態例では、添加剤、この場合はＭｇが、溶融卑金属材料（鉄リッチ合金）および添加したマグネシウムの合計重量に基づいて、０．０５〜１．０重量％、例えば０．１８重量％の範囲の量で純Ｍｇの塊として単一の操作で添加される。したがって、得られた噴霧化粉末金属材料または鋳造物は、添加剤を含まない材料と同様に、非常に少量の残留マグネシウムおよび総硫黄含有量を含むが、この噴霧化粉末金属材料の場合、Ｓが添加剤と化学的に結合しており（ＭｇＳの固体沈殿物として）溶融物中に溶解しておらず、このことは、より大きな表面張力、ひいてはより球形の粒子、ならびに／またはより球形の微細構造相および成分、ならびに／またはより少ない量の内部空隙をもたらす。熱力学的計算により、たとえ両方の材料の総硫黄含有量が同様であっても、Ｍｇ処理鉄リッチ材料中の遊離硫黄含有量が未処理材料のものよりも１０倍を超えて低いことが示された。
【００３４】
添加剤は、単一の連続工程で、例えば単一の連続工程で最大１．０重量％、またはある時間間隔で互いに間隔があいた複数の工程で、例えば、最大０．２重量％の添加剤を含むそれぞれ３工程または４工程で添加することができる。さらにまたは代替的に、添加剤は、炉内もしくは取鍋内に添加することができ、それらは、純金属の形態、または添加剤を含む合金もしくは化合物としてあり得る。既に利用可能な様々な技術は、これらに限定されないが、添加剤を含有する材料の塊／チャンクなどの溶融金属材料に添加剤を導入するために使用することができ、溶融物の上部、もしくは炉／るつぼの底部、もしくは型内に直接堆積させることができ、または芯入りワイヤ技術もしくはプランジャープロセスの使用によって溶融物中に導入することもできる。例えば、芯入りワイヤ技術は、Ｍｇリッチ合金で充填されたスチールシースを使用し、プロセスパラメーターに依存する速度で溶融物中に導入される。プランジャー技術は、Ｍｇ含有母合金が配置されている容器を使用し、この容器が液体鋳鉄に投入される。したがって、マグネシウムは、表面から離れて溶融物中のより深いところで液体鋳鉄と接触する。
【００３５】
上述のように、（Ｆｅリッチ合金中のＭｇの場合には）溶融金属材料に添加剤を添加することによって、０．６以上の円形度および真円度値を有する水噴霧化粒子の数が、添加剤を含まない同じ水噴霧化材料と比較して、少なくとも８％増加した。添加剤、例えば、マグネシウムはまた、より少ない内部酸化物をもたらし、溶融金属材料中に存在する残留酸化物二層膜の界面を閉じることができる。これによって、より少なくかつより小さい内部空隙を有するより清浄な噴霧化粒子およびより清浄な鋳造物が製造される。
【００３６】
噴霧化または鋳造工程後、本方法は、後熱処理プロセスを含むことができる。熱処理工程は、粉末金属材料に典型的に適用される焼鈍または別の加熱プロセスを含むことができる。熱処理は、不活性または還元雰囲気、例えば窒素、アルゴン、および／もしくは水素を含む雰囲気、または真空中で実施することができるが、これらに限定されない。例えば、水噴霧化後に還元雰囲気中で焼鈍すると、表面酸化物を還元することができる。熱処理工程はまた、噴霧化粒子または鋳造物中に新しい微細構造相および／または成分、例えば黒鉛沈殿物もしくはノジュール、炭化物、または窒化物を形成するために使用することができる。金属材料の組成に応じて、他の微細構造相および／または成分が存在し得る。１つの例示的な実施形態例では、金属材料は、過共晶鋳鉄合金であり、鋳鉄合金中に存在するセメンタイトは、熱処理工程中にフェライトおよび球状黒鉛ノジュールに変換する、図１７および１８を参照されたい。球状炭化物はまた、高合金鋼の熱処理中にも形成されるべきである。外部保護雰囲気または真空システムはまた、溶融物の上部への窒素（Ｎ２）流の投射、またはアルゴン（Ａｒ）流の投射などの本明細書に記載される自己発生保護雰囲気と一緒に使用することができるが、これらに限定されない。溶融物は、保護用の不活性雰囲気または真空システムを備えたチャンバー内に封入することもできる。これらのシステムは、プロセスの有効性を高めることができる。
【００３７】
添加剤はまた、後熱処理中に噴霧化粒子または鋳造物中に形成される微細構造成分および／または相の球形度を増加させることができる。しかしながら、より丸い相および／または成分は、熱処理後だけでなく噴霧化直後の粉末金属材料中または鋳放し材料中に存在することができる。微細構造相は、黒鉛沈殿物、炭化物、および／または窒化物を含み得る。金属材料の組成に応じて、他の微細構造相および／または成分が存在し得る。典型的には、微細構造成分および／または相は、少なくとも０．６の円形度のメジアンおよび真円度のメジアンを有する。また、同じ合金であるが添加剤処理をしていないものと比較して、０．６より大きい円形度および真円度値を有する、マグネシウム処理された鉄系材料中に形成される少なくとも１０％以上、好ましくは少なくとも１５％以上の成分および／または相が存在する。
【００３８】
１つの例示的な実施形態例によれば、粉末金属材料は、鋳鉄などの鉄を少なくとも５０重量％の量で含み、噴霧化粒子は、黒鉛沈殿物を含み、黒鉛沈殿物の少なくとも５０％は、０．６以上の円形度および真円度を有する。金属材料が鉄系であり、Ｍｇで処理された別の実施形態では、焼鈍工程は、黒鉛沈殿物またはノジュールを製造することを含み、黒鉛沈殿物またはノジュールは、少なくとも０．６の円形度のメジアンおよび真円度のメジアンを有する。１つの例示的な実施形態例では、金属材料は、Ｍｇで処理された過共晶鋳鉄合金であり、球状黒鉛ノジュールが熱処理プロセス中に形成される。
【００３９】
上述のように、添加剤の導入後に生成された自己発生保護雰囲気は、溶融物の表面の酸化を抑制し、噴霧化後の粉末および凝固後の鋳造物中の内部酸化物の量を制限する。図１５は、るつぼからタンディッシュへの注入中に形成された溶融物における懸濁液中の酸化ケイ素上に沈殿した過共晶鋳鉄粉末中の１次黒鉛ノジュールを示し；この合金は、いかなる添加剤でも処理されなかった。高炭素含有量を含有するＦｅリッチ系では、（高温のために）炭素がるつぼ内の溶融物の酸化に対する保護をもたらし、それがるつぼ内での酸化物の形成を防止する。これらの異なる酸化物上に成長した多数の黒鉛ノジュールが、添加剤を含まない粉末中に観察され得る。比較すると、図１６は、添加剤（Ｍｇ）で処理された過共晶鋳鉄粉末中に観察することができる比較的少数の１次黒鉛ノジュールのうちの１つを示す。Ｍｇガスで作製された保護雰囲気は、るつぼから直接かつ注入を通して溶融物の酸化を制限したので、添加物の導入前に溶融物中に存在していた酸化物の量は、添加物を含まない溶融物中よりも著しく少なかった。したがって、凝固中の黒鉛沈殿物に利用可能な基材は非常に少なく、存在する黒鉛ノジュールはより少ない。
【００４０】
上述のように、溶融金属材料を噴霧化して粉末金属材料を形成するか、または鋳造して凝固部品を形成することができる。粉末金属材料は、典型的には水またはガス噴霧化によって形成されるが、別の噴霧化プロセスを使用することもできる。開示された方法で得られた粉末および鋳造物は、様々な異なる自動車または非自動車用途に使用することができる。例えば、噴霧化粒子は、典型的なプレスおよび焼結プロセスにおいて使用することができる。噴霧化粒子はまた、金属射出成形、溶射、ならびに３次元印刷、電子ビーム溶融、バインダー噴射、および選択的レーザー焼結などの積層造形用途にも使用することができる。
【００４１】
溶融金属材料が鋳造されるとき、本方法は、卑金属材料を溶融すること、および次いで少なくとも１つの添加剤を卑金属材料に添加することを含む。次いで、本方法は、溶融金属材料を所望の形状を有する型に注入すること、および凝固した金属部品を型から取り出す前に液体金属を凝固させることを含む。
【実施例】
【００４２】
実験
図１７および１８は、水噴霧化プロセスの前または最中および熱処理後に添加剤（この場合はマグネシウム）を添加することによって達成される、微細構造相および／または成分、具体的には、黒鉛ノジュールの改善された球形度を示す顕微鏡写真である。各材料は、約４．０重量％の炭素および２．３重量％のケイ素を含む鋳鉄粉末である。しかしながら、図１７の材料は、マグネシウムを添加せずに噴霧化されたが、図１８の材料は、マグネシウムを添加して噴霧化された。マグネシウムを添加していない図１７に示す黒鉛ノジュールの真円度のメジアンは、０．５６であると計算された。図１８に示すマグネシウムを含む黒鉛ノジュールの真円度のメジアンは、０．７３であると計算された。添加剤処理によるノジュールの球形度の改善を示す他の結果を図１９〜２２に示す。
【００４３】
図２３および２４は、本発明の例示的な実施形態によるより低い内部空隙含有量を示す。この例では、３０４ステンレス鋼を水噴霧化した。図２４に示された粉末は、Ｍｇで処理され、より少ない量の内部空隙を示した。
【００４４】
図２５および２６は、本発明の例示的な実施形態によるより低い内部空隙含有量を示す。この例では、ケイ素と合金化した高炭素鋼を水噴霧化した。図２６に示された粉末は、Ｍｇで処理され、より少ない量の内部空隙を示した。
【００４５】
図２７は、本発明の例示的な実施形態の化学組成を示す。
明らかに、本発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、以下の特許請求の範囲内にありながら具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得る。特に、全ての請求項および全ての実施形態の全ての特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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