(57)【要約】  三次元形状を有し、１以上の緻密化された表面を有する粉末金属製品を製造する方法であって、a)粉末金属のブレンドを提供する工程、b)前記ブレンドを圧縮して一般的な形状を有する前記製品の予備成形品を成形する工程、c)前記予備成形品を焼結する工程、d)前記予備成形品の１以上の円筒状の表面領域を緻密化する工程、及び、e)前記予備成形品を最終密度及び三次元形状の前記製品に成形する工程、を含む方法。
2008527166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元形状を有し、１以上の緻密化された表面領域を有する粉末金属製品を製造する方法であって、
a)粉末金属のブレンドを提供する工程、
b)前記ブレンドを圧縮して、一般的な形状を有する前記製品の予備成形品を成形する工程であって、前記予備成形品が、前記１以上の緻密化された表面領域に対応する領域に一般的に円筒状に造形されている工程、
c)前記予備成形品を焼結する工程、
d)前記予備成形品の前記１以上の表面領域を緻密化する工程、及び、
e)前記予備成形品を所望の最終密度及び所望の三次元形状の前記製品に成形する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記緻密化する工程が、前記１以上の表面を冷間圧延することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
f)前記製品を焼きなます工程、
を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
f)前記製品を熱処理する工程、
を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記粉末を工程(b)において理論上の最大密度の７０乃至９０％の密度に圧縮する請求項１記載の方法。
【請求項６】
工程(d)が、前記１以上の表面領域を理論上の最大密度の８０％以上の密度に緻密化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
工程(d)が、前記１以上の表面領域を理論上の最大密度の９５乃至１００％の密度に緻密化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記成形工程が、前記予備成形品を理論上の最大密度の９０％以上のコア密度に圧縮することを含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記成形工程が、前記予備成形品を理論上の最大密度の９０乃至９８％のコア密度に圧縮することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記１以上の表面領域が、緻密化後０．０２５乃至１mm(０．００１乃至０．０４インチ)の厚さを有する請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記粉末金属ブレンドが、圧縮性の鉄粉末、１種以上の鉄合金、潤滑剤、及びグラファイトの形の炭素を含む請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記鉄合金が、クロム、銅、マンガン、モリブデン、ニッケル、ニオブ、バナジウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される金属と鉄との合金を含む請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記鉄合金が、マンガン鉄、モリブデン鉄、及びクロム鉄からなる群から選択される請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記粉末ブレンドが、元素のまたは実質的に純粋な粉末ブレンド、完全に予め合金にされた粉末ブレンド、部分的に予め合金にされた粉末ブレンド、または鉄合金を含む粉末ブレンドを含む請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記焼結工程(c)の後に等温処理工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記焼結工程(c)の冷却段階に含まれる等温処理工程を更に含む請求項１６記載の方法。
【請求項１７】
三次元形状を有し、１以上の緻密化された表面領域を有する粉末金属製品を製造する方法であって、
a)粉末金属のブレンドを提供する工程、
b)前記ブレンドを圧縮して、一般的な形状を有する前記製品の予備成形品を成形する工程であって、前記予備成形品が、理論上の最大密度の７０乃至９０％の密度を有し、前記１以上の緻密化された表面領域に対応する領域に一般的には円筒状に造形されている工程、
c)前記予備成形品を焼結する工程、
d)前記予備成形品の前記１以上の表面領域を理論上の最大密度の少なくとも８０％に緻密化する工程、及び、
e)前記予備成形品を所望の最終密度及び所望の三次元形状の前記製品に成形する工程、
を含む方法。
【請求項１８】
前記焼結工程(c)の後に等温処理工程を更に含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記焼結工程(c)の冷却段階に含まれる等温処理工程を更に含む請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
理論上の最大密度の７０乃至９０％の密度を有し、１以上の表面領域に一般的には円筒状に造形されている、一般的な形状を有する所望の製品の粉末金属予備成形品。
【請求項２１】
請求項２０記載の予備成形品から形成される粉末金属成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末金属部品を製造する方法に関する。特に本発明は、均一に緻密化された表面を有する製品を得るために粉末金属部品のコア及び表面を緻密化する方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
粉末金属(PM)の技術は、鍛錬用金属から製造される部品の製造に代わる低価格の代替技術である。PM部品の使用は、残留空隙率により引き起こされる劣った機械的強度のために多くの用途において回避される。したがって、PM製品の強度及び耐久性がその密度に直接関連するために、PM製品の製造においては、錬鋼の密度(一般的には約７．８６g/ccとみなされる)に近い高密度を得ることが非常に重要である。典型的には、粉末金属部品の製造に含まれる基本的な工程は、a)所望の金属粉末をブレンドする工程、b)粉末を所望の形状に圧縮する工程、c)コンパクトを焼結する工程、及びd)焼結されたコンパクトを所望の最終形状に成形する工程である。最終工程は、製品に必要とされる寸法の外観を付与するのに使用される。成形工程の後には、所望であれば、当業者に公知のある種の機械的性質を付与するために、最終製品に熱処理を実施するのが一般的である。
PM製品の最終密度は、ブレンドにおける粉末の特性、焼結条件、及び主として圧縮及び成形工程中に製品に適用される圧縮力に依存する。粉末ブレンドを中程度の初期の密度、すなわち約７．０g/ccに圧縮し、その後の成形工程中にコンパクトを更に緻密化することは公知の方法において一般的である。圧縮及び焼結の方法と同様に金属粉末ブレンドの種々の組成は当業者には公知である。公知のブレンド及び方法の例は、米国特許第5,476,632号明細書(参考として本明細書に導入されている)に教示されている。
【０００３】
軸受面等を有する製品の製造においては、軸受力に耐えうる緻密化領域を提供するために、所望の位置において表面密度を増大させることが周知である。先行技術には、PM製品の表面部分を緻密化する種々の方法が提供されている。例えば、米国特許第5,540,883号明細書(参考として本明細書に導入されている)には、製品に軸受面を作成するために回転するシリンダ等を適用することにより焼結された製品の選択された表面部分を緻密化する方法が教示されている。密度が増大したおかげで、軸受面は製品のその部分に適用される物理的な応力(すなわち、回転または滑る応力)に耐えるのに一層適する。前述の参考文献において教示された方法では、製品の特定の部分に理論上の最大値に近い密度が提供されうるが、製品の残りの部分は理論上の最大値の約９０乃至９８％の密度である。参考文献は、もともと円筒状で複雑な形状ではない軸受面または軸受筒を提供することに関する。更に参考文献には、円筒の表面緻密化工程中のコア密度のいかなる変化も教示されていない。
例えば、米国特許第6,168,754号、同第6,013,225号、同第5,884,527号、及び同第6,110,419号明細書(これらはすべて参考として本明細書に導入されている)におけるようなその他の種々の表面緻密化方法が業界では公知である。
例えば、米国特許第5,884,527号明細書には、回転するロール成形ギアダイを妨害するように焼結された予備成形品をかみ合わせることを含む焼結されたギアをロール成形する方法が教示されている。この方法は、主として、ダイ及び予備成形品間の線接触及び相対運動の必要とされる組み合わせを付与するように回転するダイの設計を許容するギアの歯のような特定の形状の予備成形品を表面緻密化するのに適する。
【０００４】
更に、米国特許第6,168,754号明細書には、製品を周囲温度において緻密化される表面と連続的に一層妨害接触する一連のダイに押し込むことを含む焼結された予備成形品の外形面を緻密化する方法が教示されている。この方法の欠点は複数のダイが必要であること及びその複雑さと価格である。
更に米国特許第6,013,225号明細書には、製品の表面を選択的に加熱してそれをダイに押し込む方法を用いる予備成形品を表面緻密化する方法が教示されている。この方法の欠点は、別の表面加熱工程が必要なこと、上昇したダイ温度のために工具寿命が低下すること及びそれに対応した寸法精度の低下の影響である。
表面緻密化の公知の方法においては、緻密化工程は典型的には、成形された製品がその最終的な形状を有し、最終のコア密度に近い成形工程後に実施される。さらに、公知の方法は、一般的には外形表面を表面緻密化することができず、過度に複雑なダイを必要とし、及び/または高い加工費を含む。例えば、公開された米国特許出願第10/767,014号(公開第2004/0177719号)明細書には、表面緻密化の方法が教示されている。この参考文献には、粉末金属が最終の形状に圧縮され、焼結され、次いでサイジングまたは鍛造前に表面緻密化される方法が教示されている。この参考文献には、複雑または不規則な形状を有するいずれかの最終表面の場合には、特別な緻密化工程(例えば、ピーニング)が必要とされるということが明記されている。したがって、不規則な形状の製品には比較的高価ではない圧延工程は使用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、先行技術の粉末金属の製造方法における欠陥の少なくともいくつかを軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一表面においては、本発明は、コア及び表面の密度が高く、外形精度が高い粉末金属部品を製造する方法を提供する。
別の表面においては、本発明は、まず焼結された予備成形品の柱面を表面緻密化し、次いで製品を閉じたダイキャビティ中で最終のコア密度及び最終の形状に成形することにより、成形された製品が元の焼結された長さより５乃至３０％短い圧縮長さを有する、焼結された粉末金属製品を緻密化する方法を提供する。
別の表面においては、本発明は、１種以上の潤滑剤、炭素、合金、及び鉄をブレンドする工程、ブレンドを圧縮してコンパクトを形成する工程、コンパクトを焼結して焼結された粉末金属製品を製造する工程、製品及び緻密化工具の相対的な運動により周囲温度において製品の表面を緻密化する工程、及び、前記製品の動く隙間を有する閉じたダイキャビティ中で製品を成形して最終の形状及び最終の密度とみなされる製品とする工程を含む焼結された金属製品を製造する方法を提供する。
別の表面においては、本発明は、１種以上の潤滑剤、グラファイト、鉄及び１種以上のマンガン鉄、モリブデン鉄及びクロム鉄をブレンドする工程、ブレンドを圧縮してコンパクトを形成する工程、コンパクトを１２５０℃以上の温度で焼結する工程、ローラーバーニッシングにより焼結された製品の１以上の柱面を表面緻密化する工程、理論密度の９０乃至９８％のコア密度、焼結された長さより５乃至３０％短い圧縮長さ及び緻密化外形面を有する最終部品を製造するように閉じたキャビティ中６００乃至１３００MPaで前記製品を成形する工程を含む焼結された金属製品を緻密化する方法を提供する。
【０００７】
別の表面においては、本発明は、１種以上の潤滑剤、炭素、及びMn、Mo、Cr、Ni等と予め合金にした鉄粉末をブレンドする工程、混合物、またはブレンドを圧縮してコンパクトを製造する工程、コンパクトを１１００℃以上の温度で焼結する工程、ローラーバーニッシングにより焼結された製品の１以上の柱面を表面緻密化する工程、成形された製品が元の焼結された長さより５乃至３０％短い圧縮長さを有するように閉じたダイキャビティ中で最終コア密度及び形状に前記製品を成形する工程を含む焼結された金属製品を製造する方法を提供する。
別の表面においては、本発明は、１種以上の潤滑剤、炭素、及び元素または実質的に純粋な鉄及び元素の形のMn、Mo、Ni、Cu等の１種以上をブレンドする工程、混合物、またはブレンドを圧縮してコンパクトを製造する工程、コンパクトを１１００℃以上の温度で焼結する工程、ローラーバーニッシングにより焼結された製品の１以上の柱面を表面緻密化する工程、及びその後、成形された製品が元の焼結された長さより５乃至３０％短い圧縮長さを有するように閉じたダイキャビティ中で最終コア密度及び形状に前記製品を成形する工程を含む焼結された金属製品を製造する方法を提供する。
更なる表面においては、本発明は、高いコア密度及び緻密化された接触面を有するオーバーランニングクラッチ等を製造する方法を提供する。
【０００８】
したがって、一表面においては、本発明は、三次元形状を有し、１以上の緻密化された表面領域を有する粉末金属製品を製造する方法であって、
a)粉末金属のブレンドを提供する工程、
b)前記ブレンドを圧縮して、前記１以上の緻密化された表面領域に対応する領域に一般的には円筒状に造形されている、一般的な形状を有する前記製品の予備成形品を成形する工程、
c)前記予備成形品を焼結する工程、
d)前記予備成形品の前記１以上の表面領域を緻密化する工程、及び、
e)前記予備成形品を所望の最終密度及び所望の三次元形状の前記製品に成形する工程、
を含む方法を提供する。
別の表面においては、本発明は、三次元形状を有し、１以上の緻密化された表面領域を有する粉末金属製品を製造する方法であって、
a)粉末金属のブレンドを提供する工程、
b)前記ブレンドを圧縮して、理論上の最大密度の７０乃至９０％の密度を有し、前記１以上の緻密化された表面領域に対応する領域に一般的には円筒状に造形されている、一般的な形状を有する前記製品の予備成形品を成形する工程、
c)前記予備成形品を焼結する工程、
d)前記予備成形品の前記１以上の表面領域を理論上の最大密度の少なくとも９０％に緻密化する工程、及び、
e)前記予備成形品を所望の最終密度及び所望の三次元形状の前記製品に成形する工程、
を含む方法を提供する。
別の表面においては、本発明は、理論上の最大密度の７０乃至９０％の密度を有し、１以上の表面領域に一般的には円筒状に造形されている、一般的な形状を有する所望の製品の粉末金属予備成形品を提供する。
【０００９】
本発明の好ましい実施態様のこれら及びその他の特徴は、添付図面を参照する以下の詳細な記載において一層明らかになるであろう。
以下の記載において、以下に示される用語は結び付けられている意味を有すると理解されよう。
“金属粉末”−微粉状の金属。金属は純粋(すなわち、鉄)でも、予め合金にされた鉄(すなわち、限定するわけではないが、モリブデン、クロムまたはニッケルの１以上のようなその他の金属と合金にされた鉄)でも、１種以上の金属の合金(すなわち、マンガン鉄、モリブデン鉄またはクロム鉄)でもよい。
“粉末金属製品”−金属粉末から成形される製品。金属粉末は、所望の形状を有するダイまたは金型中において高圧下で圧縮される。圧縮された製品は焼結等のようなその他の加工を受けて所望の物理的性質を得る。
“ブレンド”または“金属粉末ブレンド”−１種以上の金属粉末及び潤滑剤、炭素(例えば、グラファイト)等のようなその他の添加剤とのブレンド。
“圧縮”−ブレンドが所望の形状及び密度とみなされるまで剛性のダイ中において粉末金属ブレンドを圧縮する工程。圧縮された形状は、最終製品のそれと同様または類似していてもよい。
“コンパクト”または“予備成形品”−粉末金属ブレンドを圧縮することにより得られる製品。
【００１０】
“焼結”−コンパクトが高温及び選択された雰囲気(例えば、還元雰囲気)中で、溶融することなく加熱されることにより凝集塊とされる工程。焼結は、通常粉末金属コンパクトに実施され所望の物理的性質が付与される。
“表面緻密化”または“選択的緻密化”−焼結されたコンパクトの選択された部分、通常外表面またはその一部を緻密化する工程。緻密化は、好ましくはローラー及び当業者に公知の同様なものにより実施される。しかしながら、以下の記載を再検討した後には、表面を緻密化する種々の装置が当業者に明らかとなろう。緻密化工程は、コンパクトの表面全体またはその１以上の円筒部分に実施されうる。したがって、本明細書において使用されている“領域”または“緻密化表面領域”という用語は、表面全体またはその一部を意味すると理解されよう。緻密化表面領域は、典型的には、理論上の最大値の８０乃至１００％、好ましくは少なくとも９８％の密度に緻密化されよう。更に、緻密化された領域の深さは表面から少なくとも０．０２５mm(または０．００１インチ)であろう。一実施態様においては、緻密化領域は表面から約１mm(または０．０４インチ)の厚さに延されるであろう。
“理論上の最大密度”−孔隙が存在しなくなるまで加工した粉末金属コンパクトの密度を言及する。一般的な場合には、理論上の最大密度は錬鋼の密度、すなわち７．８６g/ccであろう。
“成形”−焼結されたコンパクトに最終形状を提供する工程。この工程は、通常、閉じたダイまたは金型中で実施され、その際、焼結されたコンパクトは圧力を受けて最終製品の最終寸法及び密度になる。成形工程は、サイジング、圧印加工、再圧縮、たたき直し及び粉末鍛造を含む種々の用語により公知である。場合によっては、焼結されたコンパクトはまた、材料の可鍛性を改良するために成形工程の前に加熱されうる。
【００１１】
“焼なまし”−製品を焼きなまして有利な微細構造を得るために、製品が選択された雰囲気(例えば、保護雰囲気、真空等)中で高温にされる表面緻密化または成形された焼結製品を処理する工程。
“熱処理”−製品が高温、選択された雰囲気(例えば、保護雰囲気、真空、浸炭等)、及び迅速な冷却を受けて所望の機械的性質を得る成形された焼結製品を処理する工程。熱処理法には、限定するわけではないが、典型的には最適な性質のための焼き戻し処理が更に実施される通し焼入れ、浸炭及び高周波焼入れが含まれる。
一実施態様においては、本発明は、最初に低密度予備成形品の柱面を表面緻密化し、閉じたダイキャビティ中で製品を最終の所望の形状及び密度に成形することにより、例えば、ワンウェイクラッチのカムのような焼結された粉末金属製品の外形表面を表面緻密化する方法が提供される。このように、本発明によれば、表面緻密化工程は、成形工程の前に実施される。したがって、要約すれば、本発明の工程は、a)１種以上の粉末金属を混合して所望のブレンドを形成する工程、b)粉末を圧縮して予備成形品を作成する工程、c)予備成形品を焼結する工程、d)予備成形品に表面緻密化工程を実施する工程、及び、e)製品を所望の形状及びコア密度に成形する工程である。成形工程の後、成形された製品は更に造形及び熱処理されうる。
【００１２】
粉末金属ブレンドの形成
本発明の方法においては幅広い種類の粉末ブレンドが使用されうることは当業者に理解されよう。一実施態様においては、本発明は、炭素含量が最終焼結製品の０．７質量％未満、好ましくは０．３質量％未満である低合金鋼組成物を使用する。
本発明の一実施態様においては、粉末組成物は、最終の所望の組成物が焼結後に得られ、粉末ブレンドが剛性圧縮ダイ中で圧縮されるのに適するように計算された量の合金鉄、グラファイト及び潤滑剤とブレンドされている低価格の鉄粉末を含みうる。これらの粉末ブレンドの例は米国特許第5,476,632号明細書(参考として本明細書に導入されている)に提供されている。合金鉄と混合される実質的に純粋な鉄粉末の使用は、そのような粉末が予め合金にされている粉末と比較して高度に圧縮されうるし安価であるので好ましい。本発明の粉末ブレンドは、元素または実質的に純粋な鉄粉末ブレンド、完全に予め合金にされた粉末ブレンド及び部分的に予め合金にされた粉末ブレンドを含みうる。いかなる組成の粉末金属ブレンドも本発明において使用されうることは理解されよう。本発明の一実施態様においては、最終製品の所望の性能要件を満たすのに必要とされるので、マンガン鉄、モリブデン鉄及びクロム鉄のような鉄の合金が個々に、または組み合わせで使用されうる。例えば、１種、２種、または３種の鉄合金が基本の鉄粉末とブレンドされうる。本明細書に記載されている工程においては、最終製品の性能要件に依存して、炭素、クロム、銅、マンガン、モリブデン、ニッケル、ニオブ及びバナジウムを含む幅広い範囲の合金元素が使用されうる。合金元素は単一でも組み合わせでも存在しうる。
【００１３】
基本の鉄粉末は、一般的には１０乃至３５０μmの粒度分布を有するであろう。この範囲には、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、または３５０μm及びそれらの間のいずれかの寸法の基本の鉄粉末の粒度が含まれる。合金添加剤は、典型的には２乃至２０μmの粒度分布を有するであろう。この範囲には、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０μm及びそれらの間のいずれかの寸法の合金添加剤の粒度が含まれる。圧縮を容易にするために、市販の潤滑剤粉末がブレンドに添加される。典型的な潤滑剤には、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸またはエチレンビステアラミドが含まれる。種々の粒度、潤滑剤及びその他の添加剤が当業者に明らかであろう。
あるいは、本発明は、予め合金にされた粉末金属、例えば、モリブデンまたはクロム-モリブデン予備合金を用いて使用されてもよく、各合金が０乃至１．５％で残りが避けられない不純物である。そのような粉末の場合には、焼結は１１００乃至１１５０℃の温度、あるいは１２５０℃より高い高温で実施されうる。予め合金されたモリブデン粉末の典型的な市販の例は、QMP Atomet(登録商標)4401、及びHoeganaes Ancorsteel(登録商標)85HP(ともに約０．８５質量％のモリブデンを含む)という商標名で市販されているQuebec Mtal Powderである。予め合金にされたモリブデン粉末金属の粒度は、典型的には４５乃至２５０μmである。０乃至０．７質量％の炭素が添加されうる。前述の潤滑剤を添加することにより圧縮が容易になる。
【００１４】
粉末金属ブレンドの圧縮
圧縮工程は、ブレンドされた粉末を約４００MPaの剛性ダイ中で圧縮して理論上の最大密度の７０乃至９０％に圧縮することにより、前述のようにして配合された粉末を用いて公知のようにして実施される。種々のその他の圧力及び最終製品の密度は当業者に理解されよう。圧縮後、得られるコンパクト、すなわち予備成形品の形状及び寸法は、その後の作業による寸法の変化以外は実質的に最終製品と同様である。しかしながら、本発明によれば、緻密化される１以上の表面領域は円筒型に保持されている。これらは最終製品においては、後述するように複雑な非円筒形状に成形されうる。以下の記載で明らかになるように、緻密化される表面領域を円筒型に保持することにより、コンパクトの表面緻密化が容易になる。
【００１５】
圧縮された予備成形品の焼結
次に、圧縮された製品、すなわち予備成形品を当業者に公知の方法を用いて焼結する。例えば、焼結工程は、コンパクトに含まれる鉄及び合金添加物の両方の酸化物が還元され、接触する粒子間に金属結合が形成されて焼結された製品に強さ及び延性が付与されるように還元性雰囲気または真空中１２５０℃を超える温度で実施されうる。化学的還元工程はまた、均質な微細構造中の鉄粒子に合金元素の一様な拡散を許容する。特に炭素含量の高い材料の場合には、例えば、米国特許第5,997,805号明細書(参考として本明細書に導入されている)に記載されているように、前記製品のフェライト含量を最大にするために、等温保持または徐冷処理も使用されうる。理解されるように、そのような等温処理は焼結された製品の可鍛性を改良するのに役立つ。更に、等温処理工程は焼結工程の冷却段階に含まれ(すなわち、焼結工程の一部を形成し)てもよいし、焼結後の別の工程として含まれてもよい。元素の粉末ブレンド及び部分的または完全に予め合金にされた粉末金属の場合には、焼結は１１００乃至１１５０℃の従来の焼結温度または１３５０℃以下の高温で実施されうる。業界では公知のように、焼結工程中には有意な緻密化は起こらない。焼結されたコンパクトの密度は実質的に圧縮された予備成形品のそれと同一であろう。
【００１６】
焼結された予備成形品の表面緻密化
本発明の一表面によれば、表面の緻密化は、一般的には、焼結されたコンパクトの１以上の柱面を冷間圧延するためにローラーバーニッシング工具の複数個の小さな直径のローラーを用いて実施される。そのような工具及び工程の例は、米国特許第5,540,883号明細書に提供されている。しかしながら、業界で公知の種々のその他の工具及び方法も同様に使用されうる。当業者には公知であるように、例えば柱面にローラーバーニッシング工具を適用すると、表面を圧縮して、製品の表面が理論上の最大密度に近い密度を有するようにそれに含まれる孔隙を崩壊させる。
前述のように、本発明の表面緻密化工程は、予備成形品の１以上の一般的には柱面(または表面領域)に実施される。したがって、当業者には明らかなように、本発明は、安価(かつ使用するのに容易)なローラー装置使用して所望の緻密化を達成しうる。更に、緻密化される表面を最初に(所望の形状に)成形しないことにより、本発明は緻密化される領域全体にわたって均一な緻密化を達成しうる。その上、本発明の好ましい実施態様によれば、ローラー緻密化装置を使用すると、公知のショットピーニング法では不可能な最適な表表面仕上げ及び寸法制御が得られる。したがって、このことが業界で公知のその他の方法より重要な利点を提供する。
表面緻密化工程においては、緻密化される表面領域は理論上の最大密度の８０乃至１００％の密度が提供される。好ましい実施態様においては、緻密化された表面領域は、表面の下にほぼ０．０２５乃至１mm(すなわち、０．００１乃至０．０４インチ)の厚さを有する。予備成形品のコア密度は表面緻密化工程中に有意には変化せず、したがって、予備成形品のコアは圧縮工程から得られるそれと同一のままである。
製品はその後、適切な金属結合を生み出し、緻密化された表面物質を再結晶化させ、かつ成形または接触疲労耐久性に有利な微細構造を得るために、保護雰囲気または真空中８００乃至１１００℃の温度で焼きなましてもよい。
この工程で緻密化される表面は、予備成形品の内部及び外部領域の一方または両方を含みうる。この表面は、例えば、米国特許第5,540,883号及び同第5,972,132号明細書(その内容すべてが参考として本明細書に導入されている)に記載されている。
【００１７】
製品の成形
次いで、選択的に緻密化された製品は、所望の最終密度、形状及び寸法の要件を満たすために成形作業を受ける。成形工程は、必要に応じて高温も使用されうるけれども、好ましくは閉じたダイ中、周囲温度において実施される。成形中の焼結された材料の動きにより最終密度が得られて厳密に制御され、剛性のダイセットにより寸法が制御される。そのようなダイは通常業界では公知である。最終寸法が部品の機能性に重要ではない場合には、ダイキャビティの完全な充填は必要ないかもしれない。あるいは、成形作業は、業界では、とりわけ、サイジング、圧印加工、再圧縮、鍛造またはたたき直しと呼ばれる。これらの工程は当業者には公知であろう。前述の工程のすべては、剛性ダイキャビティ内に閉じ込められた焼結されたコンパクトへの圧力の印加を含む。最終製品の最終の表面形状及びより高い密度を正確に制御して達成するためには、通常のサイジング/圧印加工/再圧縮/たたき直しのプレスに使用されるような従来の剛性ダイが本発明において使用されうる。成形は、焼結された製品の組成の選択、適する焼結温度及び加熱炉の特徴の選択、成形作業に使用される圧力の選択、及び焼結されたコンパクトの最終形状への動きに必要な工具及び焼結された製品間の隙間を提供するための成形工具の選択により実施される。これらのパラメータの必要とされる選択は当業者には公知であろう。成形後、製品は理論上の最大密度の９０乃至９８％の最終コア密度を有し、緻密化された表面は、外形の半径の寸法が全体的に、予備成形品の表面緻密化領域の直径と比較して０．１乃至１０％異なる最終形状であるとみなされるであろう。更に、最終製品は通常、焼結されて表面緻密化された予備成形品に関して測定された寸法より約５乃至３０％短い寸法を有するであろう。
【００１８】
前述のように、一般的には、表面緻密化工程から得られる製品は、所望の製品とほぼ同様な形状ではあるが最終形状ではないであろう。表面緻密化製品は、典型的には成形ダイの全体積を占めないであろう。図１乃至４は、壁部(12)及び(14)を有するパンチまたはラム及び外側ダイ壁部(16)を有するダイを示す。典型的には、外壁部(16)は固定されているが、パンチ壁部(12)及び(14)は相互に近づいたり離れたりするように設計されている。系によっては、パンチ壁部(12)及び(14)の一方も固定されている。これらの要素(12、14及び16)の組み合わせが、焼結された予備成形品(22)が挿入されるダイキャビティ(20)を形成する。本発明によれば、予備成形品の表面が、一般的には前述のように円筒状を有する緻密化された層(23)を有するであろう。また前述のように、ダイキャビティは所望の最終製品の形状を有する。図１及び２に示されるように、予備成形品はダイキャビティより小さい寸法を有し、それにより予備成形品(22)及び外壁部(16)及び(18)間に隙間(24)を残す。パンチ壁部(12)及び(14)は相互に近づくので、予備成形品は圧縮され、ダイキャビティ(20)を満たし、その形状を呈するまで容易に膨張する。最終のパンチの位置は図３及び４に示され、それはまたダイ壁部(16)及び(18)の形状を呈した後の緻密化された表面(28)を有する最終成形品(26)を示す。
図１乃至４は、成形作業のためのダイのみを示す。ダイの実際の形状及び配置は成形される特定の製品に依存することは当業者には理解されよう。例えば、ダイには、心棒、可動外壁または最終製品の形状を得るのに必要なその他の構成が含まれうる。図１乃至４が焼結された予備成形品の外部表面において実施される成形作業を示すことは注目されよう。しかしながら、当業者には理解されるように、成形ダイは、当業者に公知のような所望の外部及び/または内部形状を有する成形品を提供するのに使用されうる。同様に、成形作業は、オーバーランニングクラッチまたは業界で公知のようなその他の製品のような多層部品の成形に使用されうる。
【００１９】
成形品の熱処理
成形後、適する金属結合を得て所望の機械的性質を十分に生み出すために、製品は任意に保護雰囲気または真空中８００乃至１３００℃の温度において焼きなされ、適切に冷却されうる。
最終製品は、通常高い摩耗及び疲労抵抗を有することが必要とされる。このためには、０．４％以下の炭素とのブレンドから製造される製品に浸炭、急冷及び焼き戻し等のような熱処理を適用してもよいし、０．４％を超える炭素を含む部品には通し焼入れまたは高周波焼入れ及び焼き戻し等を実施してもよい。急速冷却、または焼きなまし後の急冷としてまたは別々の熱処理作業としての事前の通し焼入れ処理は、コアの降伏強さを増大させるために適用されうる。両方の方法が、耐摩耗性であり優れた疲労性状を示す硬化された表層格及び硬いコアを有する製品を製造する。種々のその他の熱処理方法が当業者には公知であろう。
本明細書に記載されている発明は、なお単純な円筒状(すなわち、製品の最終成形前には)を有し、緻密化された表面に最終外形を付与するために予備成形品の延性を用いる、PM製品の表面緻密化に関する。当業者には認められるように、本発明は、最終成形品の表面緻密化を必要とするすでに公知の方法を改良する。当業者には理解されるように、本発明の主要な利点の一は、複雑な形状を有する特定の表面が緻密化されたPM製品を製造する改良された効果的な方法を提供しうることにある。前述のように、業界において公知の緻密化装置は単純な(すなわち、円筒状の軸受)または特定の(すなわち、歯車の歯)形状に適合しうるだけか、または種々のダイの複数の通過を必要とするので、複雑な表面を選択的に緻密化することはしばしば非常に困難であるか不可能である。また前述のように、先行技術の方法は、不規則な形状の物体の表面緻密化を達成するのに複雑な緻密化方法及び装置を必要とする。本発明により製造される製品には、当業者には認められるように、歯車、軸受、カム等のようないずれの粉末金属製品も含まれる。
特定の実施例を参照して本発明を記載しよう。以下の実施例は本発明を説明することのみを意味し、決して本発明の範囲を限定するつもりはないことは理解されよう。
【実施例１】
【００２０】
炭素マンガンモリブデン外輪
鉄粉末、潤滑剤、グラファイト、マンガン鉄及びモリブデン鉄をブレンドして、約０．２％の炭素、０．９％のマンガン及び０．５％のモリブデンを含む焼結された組成物を得た。粉末を環に成形し、それを約３５０MPaの圧力で圧縮して６．５g/cc(理論上の最大値の約８３％)の密度とした。圧縮された環を１２８０℃で２０分間焼結した。窒素/水素雰囲気を作業サイクル中保持した。
焼結された環の各々の内径表面を米国特許第6,110,419号明細書(参考として本明細書に導入されている)に記載されている方法で表面緻密化することにより、局部的な表面密度は理論上の最大密度の９９％を超えたが、コア密度は６．５g/ccのままであった。この密度勾配を図５に示す。内径表面を緻密化した環を、最終のカムの形状を有する心棒を用い閉鎖したダイで成形した。材料は顕著な延性及び緻密化を示した。図６に示されるように、７００乃至１０５０MPaの成形圧力において、７．３０乃至７．５５g/ccのコア密度が得られた。同一の圧力範囲に渡って軸方向の閉鎖率は焼結された長さの１５乃至１８％であり(図７に示されるように)、焼結された外径の４％までの放射状の動きが得られた(図８に示されるように)。成形工程後、緻密化された内径表面の層はそのままであり(図５)、コア密度は前述のように増大し、表面は実質的に、最終のカムの形状及び動作中のカムの形が優れた表面の仕上げ及び寸法安定性の両方を示すとみなされた。
【実施例２】
【００２１】
炭素モリブデン内輪
鉄粉末、モリブデン鉄、グラファイト、及び潤滑剤を混合することにより、約０．６％の炭素及び０．９％のモリブデンを含む焼結された組成物のブレンドを調製した。粉末ブレンドの環を約５２０MPaの圧力で理論上の最大密度の８５％に圧縮した。環を窒素/水素雰囲気中１２８０℃で２０分間焼結したのち等温に保持する(参考として本明細書に導入されている米国特許第5,997,805号明細書に記載されているように)と、可鍛性の焼結された製品が得られた。焼結された環の円筒状の外表面をローラーバーニッシング法(参考として本明細書に導入されている米国特許第5,540,883号明細書に記載されている)を用いて選択的に緻密化することにより、図９に示されるように理論上の最大値の９９％を超える表面密度が得られた。実施例１に示されるように、材料は顕著な延性及び中までの緻密化を示した。７００乃至１０５０MPaの成形圧力において、７．２０乃至７．４５g/ccのコア密度が得られ(図１０に示されるように)、焼結された長さの１２乃至１６％の軸方向の閉鎖率であった(図１１に示されるように)。図１２に示されるように、焼結された内径の４％までの放射状の動きが得られた。実施例１と同様に、成形工程後、緻密化された内径表面の層はそのままであり(図９)、コア密度は前述のように増大し、表面は実質的に、最終のカムの形状及び動作中のカムの形が優れた表面の仕上げ及び寸法安定性の両方を示すとみなされた。
ある種の特定の実施態様を参照して本発明を記載したが、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、それらを種々に改良することは当業者には明らかであろう。引用したすべての参考文献の開示はそのすべてが本明細書に導入されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】予備成形品を搭載している、トップパンチが除去された、隙間のある位置のダイの上面図である。
【図２】図１のダイの断面図である。
【図３】予備成形品を搭載している、トップパンチが除去された、隙間のない位置のダイの上面図である。
【図４】図３のダイの断面図である。
【図５】表面緻密化予備成形品及び９８５MPaで成形された最終C-Mn-Moワンウェイクラッチの外輪の表面の下の密度勾配を比較するグラフである。
【図６】C-Mn-Moワンウェイクラッチの外輪の成形されたコア密度のグラフである。
【図７】C-Mn-Moワンウェイクラッチの外輪の成形された閉鎖率のグラフである。
【図８】C-Mn-Moワンウェイクラッチの外輪の成形された放射状の動きのグラフである。
【図９】表面緻密化予備成形品及び９２５MPaで成形されたC-Moワンウェイクラッチの内輪の最終成形形状の表面の下の密度勾配を比較するグラフである。
【図１０】C-Moワンウェイクラッチの内輪の成形されたコア密度のグラフである。
【図１１】C-Moワンウェイクラッチの内輪の成形された閉鎖率のグラフである。
【図１２】C-Moワンウェイクラッチの内輪の成形された放射状の動きのグラフである。
【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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【国際調査報告】
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