(57)【要約】  合金化粉末を出発粉末冶金組成物に、粉末混合物または十分に合金化された粉末として添加する現在の工業的な方法とは対照的に、本発明では、拡散結合ニッケル−銅前駆物質添加剤混合物を、出発粉末冶金母ブレンド組成物に一工程で直接添加する。偏析および粉塵発生が実質的に低下し、得られる圧粉体の機械的特性が改良される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末冶金鋼および合金に使用するのに好適な拡散結合ニッケル−銅前駆物質粉末。
【請求項２】
前記ニッケルが、約１〜９９重量％の範囲である、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項３】
前記銅が、約１〜９９重量％の範囲である、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項４】
前記ニッケルが、金属ニッケル粉末、酸化ニッケル粉末、および酸化ニッケルフレークからなる群の少なくとも一種から選択され、前記銅が、金属銅粉末、酸化銅粉末、および酸化銅フレークからなる群の少なくとも一種から選択される、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項５】
前記ニッケルおよび銅のサイズが、約１００μｍ以下である、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項６】
前記ニッケルおよび銅のサイズが、約１０μｍ以下である、請求項５に記載の拡散結合粉末。
【請求項７】
前記ニッケルおよび銅の拡散結合が、約１００〜１１００℃で約１〜１２０分間行われる、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項８】
前記ニッケルおよび銅の拡散結合が、約４００〜７００℃で約２０〜６０分間行われる、請求項７に記載の拡散結合粉末。
【請求項９】
前記ニッケルおよび銅の拡散結合が、約５５０℃で約３０〜４０分間行われる、請求項８に記載の拡散結合粉末。
【請求項１０】
拡散結合が、還元性環境中で行われる、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項１１】
前記ニッケルと銅の比が、約４：１．５〜１：１の範囲である、請求項１に記載の拡散結合粉末。
【請求項１２】
粉末冶金鋼および合金用の前駆物質粉末添加剤混合物を製造する方法であって、
ａ）ニッケルを用意し、
ｂ）銅を用意し、
ｃ）前記ニッケルおよび銅を混合し、そして
ｄ）前記ニッケルおよび銅を、粉末冶金鋼および合金に添加するのに好適な混合物に拡散結合させること
を含んでなる、方法。
【請求項１３】
前記ニッケルが、粉末、酸化物、およびフレークからなる群の少なくとも一種から選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記銅が、粉末、酸化物、およびフレークからなる群の少なくとも一種から選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ニッケルおよび銅のサイズが、個別に、または一緒に、約１００μｍ以下である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記ニッケルおよび銅のサイズが、個別に、または一緒に、約１０μｍ以下である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ニッケルおよび銅が、約１００〜１１００℃で拡散結合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記ニッケルおよび銅が、約１〜１２０分間拡散結合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記ニッケルおよび銅が、約４００〜７００℃で約２０〜６０分間拡散結合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記ニッケルおよび銅が、約５５０℃で約３０〜４０分間拡散結合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
モリブデン、クロム、マンガン、三酸化モリブデン、フェロマンガン、フェロクロム、フェロモリブデン、およびフェロホスホルからなる群の少なくとも一種から選択された前記混合物を、粉末冶金鋼および合金に添加することを含んでなる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記ニッケルと銅の比が、約４：１．５〜１：１の範囲である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記拡散結合されたニッケルおよび銅混合物を、粉末冶金母ブレンドに添加することを含んでなる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
前記前駆物質混合物の拡散結合が、還元性環境中で行われる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２５】
前記前駆物質混合物の拡散結合が、窒素約９５％と水素約５％の雰囲気中で行われる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記混合物に結合剤を添加することを含んでなる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２７】
前記結合剤が、ポリビニルアセテート、メチルセルロース、ビニルアセテート、アロイ化された樹脂、およびポリエステル樹脂からなる群の少なくとも一種から選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
粉末冶金製品の製造方法であって、
ａ）拡散結合ニッケル−銅前駆物質混合物を用意し、
ｂ）冶金母粉末を用意し、
ｃ）前記拡散結合ニッケル−銅前駆物質混合物を、前記鉄系鋼冶金母粉末に添加して、粉末ブレンドを形成し、
ｄ）前記粉末ブレンドを混合し、
ｅ）前記粉末ブレンドを固化させ、そして
ｆ）前記粉末ブレンドを焼結させ、選択された形状の粉末冶金製品を作り出すこと
を含んでなる、方法。
【請求項２９】
前記ニッケルが、粉末、酸化物、およびフレークからなる群の少なくとも一種から選択され、前記銅が、粉末、酸化物、およびフレークからなる群の少なくとも一種から選択される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ニッケルおよび銅が、約１００〜１１００℃で約１〜１２０分間拡散結合される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記ニッケルが、約１〜９９重量％であり、前記銅が、約９９〜１重量％である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
モリブデン、クロム、マンガン、三酸化モリブデン、フェロマンガン、フェロクロム、およびフェロホスホルからなる群の少なくとも一種から選択された前記拡散結合ニッケル−銅前駆物質混合物が、粉末冶金鋼および合金に添加される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記ニッケルのサイズ、が約１００μｍ以下であり、前記銅のサイズが、約１００μｍ以下である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記ニッケルのサイズおよび前記銅のサイズが、約１０μｍ以下である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ニッケルと銅の比が、約４：１〜１：１の範囲である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記ニッケル−銅前駆物質混合物が、約４００〜７００℃で約２０〜６０分間拡散結合される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
前記ニッケル−銅前駆物質混合物が、約５５０℃で約３０〜４０分間拡散結合される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記前駆物質混合物の拡散結合が、還元性環境中で行われる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
前記前駆物質混合物の拡散結合が、窒素約９５％と水素約５％の雰囲気中で行われる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記前駆物質混合物に、結合剤を添加することを含んでなる、請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
前記結合剤が、ポリビニルアセテート、メチルセルロース、ビニルアセテート、アロイ化された樹脂、およびポリエステル樹脂からなる群の少なくとも一種から選択される、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記ニッケルおよび銅が、前記粉末ブレンドの約２％をそれぞれ構成する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４３】
前記冶金母粉末が、鉄である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４４】
前記冶金母粉末が、合金である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４５】
前記冶金母粉末が、鋼である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４６】
前記冶金母粉末が、ハイブリッド鋼である、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には粉末冶金(「Ｐ／Ｍ」)鋼における合金化元素に、特にＰ／Ｍ鋼用の拡散結合したニッケル−銅前駆物質粉末添加剤および関連する組成物に関する。
【発明の背景】
【０００２】
銅およびニッケルは、Ｐ／Ｍ鋼で最も一般的に使用される合金化元素の中の二つである。銅は、鋼を硬化および強化する。銅は、焼結工程中に融解するので、比較的粗い銅粉末を、機械的特性を損なわずに、鋼に使用できる。Ｐ／Ｍでは、細かい銅粉末が望ましい。しかし、そのコストは、得られる有益性に対して一般的に高すぎる。ニッケルも硬度および強度を鋼に与えながら、良好な延性を鋼に与える。粗い銅粉末を使用できるので、銅を添加するコストは、ニッケルと比較して低い。ニッケルは焼結の際に融解しないので、ニッケルの添加は、細かい粉末の使用により行う。粉末が細かい程、固体状態拡散により、より優れた分布が得られる。
【０００３】
銅の液相焼結は、Ｐ／Ｍ部品の膨張を引き起こすので、鋼に負の影響を及ぼす。銅を含む部品の寸法膨張は極めて高く、規格を外し、密度低下をも引き起こすことがある。ニッケルは緻密化を引き起こし、これが、銅により引き起こされる膨張に反作用するので、部品製造業者は、銅含有鋼にニッケルを添加することが多い。
【０００４】
合金化粉末は、鋼の母粉末（典型的には鉄と炭素）に、一般的に２つの様式で、すなわち混合した粉末として、または十分に予備合金化した粉末として、添加する。混合した粉末は、鉄または鋼粉末を所望の合金化元素と元素形態で混合することにより調製される。十分に予備合金化された鋼粉末は、合金化元素の所望の組成物を含む鋼溶融物を噴霧して粉末にすることにより、製造される。ハイブリッド粉末は、これらの２通りの合金化方法を組み合わせ、それによって予備合金化された鉄粉末を合金粉末と混合する。
【０００５】
混合された粉末は、ａ）輸送および処理の際の偏析（成分の不均質な組成のため）、およびｂ）取扱の際の粉塵発生を起こし易いので、予備合金化された粉末に対して大きな欠点がある。前者の好ましくない現象である偏析は、粉末が、サイズ、形状および密度が著しく異なっていることが多い粒子からなり、物理的に相互連絡していないために起こる。従って、混合された粉末は、それらの輸送および取扱の際に偏析を起こし易い。この偏析により、混合された粉末から製造された未焼成圧粉体の組成が変動し、従って、それに続く焼結操作の際の寸法変化および焼結した状態における機械的特性の変動が引き起こされる。混合された粉末のもう一つの欠点は、特に合金化元素が非常に小さな粒子の形態で存在する場合に、粉塵を発生する傾向である。
【０００６】
完全に予備合金化された粉末では、すべての粒子が同じ組成を有するので、偏析は問題にならない。粉塵発生は、非常に細かい粒子が存在しないので、あまり重要ではない。しかし、予備合金化された粉末は、各合金化元素がホスト鉄粉末に対して有する固溶体硬化効果のために、混合された粉末よりはるかに圧縮され難い。
【０００７】
これらの欠点にも関わらず、混合された粉末の使用には、完全に予備合金化された粉末に対する特定の優位性がある。Ｐ／Ｍ鋼の機械的特性は、それらの密度に直接関係し、その密度が、鋼を製造する粉末の圧縮性に関係する。さらに、混合された粉末は、より経済的である。ニッケルは、主として鉄粉末の圧縮性を維持するために混合されるのに対し、銅は、Ｐ／Ｍ中に常に混合される。
【０００８】
鉄粉末に対する元素の拡散合金化は、粉末混合物における偏析および粉塵発生の問題を緩和するために取られた第一段階であった。英国特許第１，１６２，７０２号は、合金化元素を部分的に、熱的に焼きなましする着想を開示している。今日、鉄粉末製造業者は、合金化元素（例えばニッケル、銅、モリブデン）を鉄の表面に拡散合金化した様々な鉄粉末製品を製造している。これらの拡散合金化されたブレンドは、一般的に高性能材料と考えられ、最終的な部品において、高い物理的特性が達成される必要がある場合に使用される。Ｐ／Ｍ部品がより小さくなり、高い性能が必要とされる傾向があるヨーロッパでは広範囲に使用されている一方、これらの粉末のコストは比較的高く、それらの使用は、部品がより大きく、最終的な部品材料コストがより重要なファクターである北アメリカではそれ程普及していない。
【０００９】
混合された粉末により引き起こされる有害な偏析および粉塵発生問題に対する別の解決策が、より最近開発されている。様々な粒子を共に結合させるのに、有機樹脂剤が使用されている。この開発は、樹脂結合された鉄粉末が、性能上、類似の組成物を有する拡散結合された鉄粉末と競合し得る程度に改良されてきている。しかし、樹脂結合の際に非常に細かい粉末添加剤が鉄粉末に凝集する幾つかの問題が報告されており、ある種の材料では、製品品質を維持するために、非常に慎重な処理が必要になる場合があることを示唆している。拡散結合された鉄粉末より安価であるが、樹脂結合された鉄粉末は、混合された鉄粉末に異質な取扱および処理工程が必要になり、従って、Ｐ／Ｍ部品製造業者に材料コストの増加を強いることになる。
【００１０】
樹脂結合（結合剤処理としても知られる）を開示する最初の公知の特許は、米国特許第４，４８３，９０５号である。結合剤は、細かい添加剤（すなわち、〜４４μｍＦｅ−Ｐ）の粗い鉄粉末に対する結合を著しく改良し、大規模鋼ブレンドにおけるグラファイト（炭素）の偏析を最少に抑えるために使用された。その特許で好ましい結合剤は、それらの化学的および物理的な安定性（経時的に硬化せずに、粒子を結合しておく能力）ならびに焼結操作の際に容易に燃焼する能力のために、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアルコール、およびグリセロールであった。
【００１１】
米国特許第４，８３４，８００号は、類似の製法を使用する結合剤処理された鉄粉末に好適な他の試剤を記載している。この特許は、好ましい試剤として非水溶性重合体状樹脂の使用に焦点を当てている。
【００１２】
米国特許第５，０６９，７１４号は、それ以前のどの結合剤処理特許にも記載されていない一つの具体的な結合剤、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を選択し、結合剤処理方法を行うための溶剤系製法を開示している。
【００１３】
現在、標準的なニッケル−銅Ｐ／Ｍ鋼は、鉄粉末、グラファイト炭素、ニッケル粉末、銅粉末、および潤滑剤粉末を適切な重量比（通常、ニッケル１〜４％、銅１〜３％、グラファイト０．２〜１．０，ワックス０．７５％、残部鉄）で容器の中に入れ、得られた粉末混合物を十分にブレンドされるまで（粉末総重量１０トンまでに対して、通常３０〜４５分間）混合することにより、製造される。
【００１４】
あるいは、Ｐ／Ｍ工業は、結合された鉄粉末製品、例えば高性能拡散結合された鉄粉末および樹脂結合された鉄粉末、を使用している。これらの材料では、鉄および合金化元素がすでに混合されているので、潤滑剤およびグラファイト炭素だけがブレンドに加えられた後、未焼成部品に固められる。ある種の商業的ハイブリッド鉄粉末製品は、合金化元素の幾つか、例えばモリブデン、クロム、およびマンガン、を予備合金化している一方、他の元素は混合（グラファイト）、拡散結合（Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ）、または鉄上に樹脂結合（Ｎｉ、Ｃｕ、グラファイト炭素）されている。
【００１５】
次いで、粉末混合物をダイの中で圧縮（典型的な圧力４００〜７００ＭＰａ）して、未焼成圧粉体を形成し、次いでその圧粉体を還元雰囲気（例えば９５／５Ｎ２／Ｈ２）中、高温（１１００〜１２５０℃）で２０〜４５分間焼結させる。
【００１６】
本共同発明者らの何名かによって行われた研究（Singh, et al.「Ｐ／Ｍ鋼におけるニッケル−銅の相互作用」(Nickel-Copper Interactions in P/M Steels), Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials-２００４, Metal Powder Industries Federation, December ２００４, ２００４年６月のInternational Conference on Powder Metallurgy and Particulate Materials in Chicago, Illinoisで発表）は、細かいニッケル粉末を使用してニッケル−銅鋼におけるニッケルの分布を改良することにより、銅の分布も改良されることを示している。鋼の焼結中に銅が融解するので、ニッケルと銅の互いに対する親和力が、焼結した鋼における銅の分布に影響を及ぼす。全体として、細かいニッケルにより得られたニッケルと銅の改良された分布が、最終的な鋼部品におけるより良好な特性を与え、寸法制御性が著しく改良され（部品の膨張が減少し、部品間のサイズ変動が減少する）、機械的特性が改良される（曲げ強度、硬度、引張強度が高くなり、部品間の機械的特性変動が小さくなる）。
【００１７】
従って、細かいニッケル粉末は、ニッケルと銅の間の相互作用を増加すると共に、これらの合金化元素の焼結された鋼における分布を改良するための手段を与える。鉄Ｐ／Ｍ工業で商業的に使用される標準等級の銅粉末は、ニッケルと比較して相対的に粗い（例えば、〜１６５メッシュ）が、細かい銅粉末の使用における有益性は良く知られている。鋼を焼結させる際に、粗い銅粉末により融解後に残される大きな細孔は、機械的特性、特に鋼の動的特性に負の影響を及ぼす。しかし、上記のように、噴霧された銅粉末のコストは、平均粒子径が１０マイクロメートルに近づくにつれて、低収率のために劇的に増加する。鉄粉末製造業者は、拡散結合された鉄粉末における細かい銅粉末の高いコストを、細かい酸化銅を使用し、拡散結合工程の際に共還元することにより、回避している。脆い材料は細かい粒子径に容易に粉砕されるので、細かい酸化銅を経済的に製造することができる。しかし、細かい酸化銅粉末は、圧縮性が乏しく、焼結の際に銅を還元するために炭素を追加する必要があり、圧粉体の未焼成密度を低下させるので、混合または樹脂結合された鉄粉末では使用されてこなかった。比較的粗い酸化物還元された銅粉末はＰ／Ｍ工業で一般的に使用されているが、混合された、または樹脂結合された鉄粉末に配合する前に、細かい酸化銅粉末を還元する何の試みもなされていないようであり、これは恐らく、還元された粉末がケーキングを起こし、個別粒子が失われ、追加の処理操作のコスト増加および複雑さによるものであろう。
【００１８】
Ｐ／Ｍ鋼で細かいニッケルおよび銅を使用する有益性は立証されている。しかし、本発明を発展させる中で、ニッケルおよび銅の粉末を互いに近接させることにより観察された別の有益性がある。鋼中に比較的低量、典型的にはＮｉ約４重量％未満およびＣｕ約２重量％未満、で存在する場合、ニッケルおよび銅が相互作用する機会は、焼結工程の後の段階の際に、液体の銅が固体のニッケルに移行することに限られる。混合された粉末鋼では、粉末をブレンダーに加える簡素な順序が、合金化元素間の相互作用に影響を及ぼすことがある。本発明の一部として、ニッケルおよび銅粉末を予備混合することにより、構成する粉末を同時に加え、次いでブレンドする標準的な混合と比較して、本発明者らは、焼結した鋼の特性を改良した。
【００１９】
本発明は、ニッケルおよび銅粒子の相互作用を強化することができる手段を提供する。特に、安定した、輸送可能なニッケル−銅粉末を用意し、ニッケルおよび銅粒子の近接度を増加することにより、この望ましい相互作用をさらに増加させることができる。
【００２０】
従って、現在の混合された粉末または予備合金化された鉄粉末により引き起こされる難点を排除しながら、Ｐ／Ｍ鋼の特性を強化する、Ｐ／Ｍ鋼用の結合したニッケル−銅粉末添加剤が求められている。
【発明の概要】
【００２１】
Ｐ／Ｍ鋼および合金に使用するための、熱的に結合されたニッケル−銅前駆物質粉末を提供する。粉末は、銅およびニッケルの相互拡散により、好ましくは還元雰囲気中、約４００〜７００℃で約３０〜４０分間焼きなまし、ニッケルおよび銅が緊密に関連(「互いに粘着」)または「拡散結合」している粉末を形成することにより、熱的に共に結合されるが、ニッケルと銅を完全に合金化すると、得られる粒子が非常に硬くなり、未焼成Ｐ／Ｍ圧粉体の圧縮性を損なうことがあるので、完全には合金化していない。
【００２２】
次いで、結合したニッケル−銅前駆物質粉末を鉄−炭素鋼母粉末に加え、後の混合、固化および焼結により、Ｐ／Ｍ鋼部品を形成する。合金Ｐ／Ｍ部品も同様に製造される。
【発明の好ましい実施態様】
【００２３】
一連の値の前にある副詞「約」は、他に反対の言及がない限り、一連の各値に適用可能なものとして解釈されるものとする。
【００２４】
上記のように、Ｐ／Ｍニッケル−銅鋼の寸法変動挙動は、部分的に、ニッケルおよび銅粉末の両方の粒子径ならびにこれらの元素の分布の一様性によって左右される。ニッケル−銅鋼の機械的特性もまた、これらのファクターにより、ならびに銅およびニッケルが焼結の際に相互作用する程度により、影響される。
【００２５】
拡散結合されたニッケル−銅粉末添加剤により、優れたＰ／Ｍ製品が得られ、従来の工業的方法を取り巻く問題が解決されるという概念を試験し、確認するために、多くの試料を調製し、それらの特徴を試験した。
【００２６】
拡散結合された(「ＤＢ」)粉末の製造
ニッケル粉末（１〜１００μｍ）を銅粉末または（未還元）酸化銅粉末（１〜１００μｍ）と、適切な重量％比で（金属部品中に望まれる最終的な含有量に応じて）混合する。好ましいＮｉ：Ｃｕ重量％比は、約１：１〜４：１．５の範囲である。ニッケル−酸化銅混合物を、標準的なＰ／Ｍ型ミキサー（Ｖ−コーン、多軸、二重コーン等）中で、ある時間（１０〜３０分間）混合する。酸化銅は、酸化物の還元により活性な表面が得られるので、銅粉末よりも好ましい。この活性表面は、ニッケルと銅粒子間の結合効率を改良するのみならず、拡散結合工程の際にニッケルと銅の合金化（および後の粒子の硬化）を遅延させる。
【００２７】
ニッケル−酸化銅混合物をセラミックるつぼの中に入れ（ゆるく詰めた床として）、高温の焼結炉の中に入れる。温度は好ましくは約４００℃〜７００℃の範囲である。拡散結合温度は、主として酸化銅の初期酸素含有量、ならびにニッケルおよび酸化銅粒子径によって左右される。一般的に、ＤＢ粉末の最終的な酸素含有量を５％未満にさせようとするように、できるだけ低いＤＢ温度を使用するのが好ましい。ＤＢ粉末中の酸素含有量が５％を超えると、未焼成密度および鋼の機械的一体性が大きく損なわれる（鋼に対する４％ＤＢＮｉ−Ｃｕ添加を仮定して）。さらに、ＤＢＮｉ−Ｃｕ粉末中０．５％未満の酸素含有量が、このレベルでは未焼成密度が負の影響を受けないので、好ましい。炉の好ましい雰囲気は、約９５Ｎ２−約５Ｈ２である。炉中のＨ２％が１０％を超えると、酸化銅の粒子が非常に硬くなり、粉砕できなくなる。好ましい拡散結合時間は約２０〜６０分間である。
【００２８】
ＤＢ工程の後、粉末はケーキ状になる（硬化しないことが多い）。軽いハンマー粉砕作用（例えば乳鉢と乳棒）を加え、粉末をさらに細かくすることができる。一例として、出発ニッケル粉末のｄ５０サイズが８μｍであり、酸化銅（Ｏ２２０重量％）の粒子径が５μｍである場合、粉砕後の９０％収率のＤＢ５０Ｎｉ−５０Ｃｕ粉末は、ｄ５０粒子径が約３０μｍであった。一般的に、ＤＢ温度が低い程、得られる粉末の粒子は細かくなる。
【実施例】
【００２９】
例１−予備混合の影響
下記の組成を有する２種類のＰ／Ｍ鋼粉末を調製した。
【表１】
2008524447.tif 000002
【００３０】
混合物＃１では、すべての粉末成分を混合容器の中に同時に入れ、３０分間混合した（Ｔｕｒｂｕｌａ（商品名）Ｔ２Ｆ多軸ミキサーを使用）。
【００３１】
混合物＃２では、ニッケルおよび銅を２０分間予備混合し、このニッケル−銅予備混合物を残りの粉末成分に加え、３０分間混合した。
【００３２】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ混合物＃１および２からの鋼＃１および２）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表１に示す。(「ＴＲＳ」は横方向破壊強度である。「ＵＴＳ」極限引張強度である。「ＨＲＢ」はＲｏｃｋｗｅｌｌ Ｂ硬度である。)
【表２】
2008524447.tif 000003
【００３３】
例２−予備混合された鋼に対するＮｉ粉末の細かさの影響
下記の組成を有する２種類のＰ／Ｍ鋼粉末を調製した（例１の混合物＃２で説明した予備混合ニッケル−銅方法により調製）。
【表３】
2008524447.tif 000004
【００３４】
混合物＃１ではＩＮＣＯ Ｔｙｐｅ  １２３ニッケル粉末（標準サイズ、８μｍｄ５０）を使用する一方、混合物＃２ではＩＮＣＯ Ｔｙｐｅ  １１０（超微小サイズ１．５μｍｄ５０）を使用した。
【００３５】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ、直上の混合物＃１および２から得た鋼＃１および２）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表２に示す。
【表４】
2008524447.tif 000005
【００３６】
例３−拡散結合の影響
下記の組成を有するＰ／Ｍ鋼粉末を調製した。
【表５】
2008524447.tif 000006
【００３７】
混合物＃１は、ＡＣｕＰｏｗｄｅｒ １６５銅粉末を使用し、ニッケル−銅予備混合物方法（例１における混合物＃２で説明した）により調製した。
【００３８】
混合物＃２は、拡散結合されたニッケル−銅粉末を加えることにより調製した。Ａｌｄｒｉｃｈ（商品名）ＣｕＯ（Ｏ２２０重量％）をニッケル粉末(ＩＮＣＯ Ｔ１２３)と、銅：ニッケル比を１：１で混合した。次いで、得られたニッケル−銅混合物を９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、５５０℃で４０分間拡散結合させた。このＤＢＮｉ−Ｃｕ粉末を粉砕し、＜６３μｍにスクリーン処理した。スクリーン処理した画分を、他の粉末成分に加え、混合した（直上の混合物＃１と同様に）。
【００３９】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ、直上の混合物＃１および２からの鋼＃１および２）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表３に示す。
【表６】
2008524447.tif 000007
【００４０】
例４−ＤＢ温度の影響（標準Ｎｉを使用）
下記の組成を有する３種類のＰ／Ｍ鋼粉末を調製した（例３の混合物＃２と同様に、ニッケル−銅拡散結合させた粉末を使用して調製）。
【表７】
2008524447.tif 000008
【００４１】
混合物＃１、＃２、および＃３は、それぞれ４５０℃、５５０℃、および６５０℃で拡散結合により調製した（ＤＢＮｉ−Ｃｕ粉末は、それぞれ酸素含有量が１０．５％、５．５％、および０．３％であった）。
【００４２】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ、直上の混合物＃１、＃２、および＃３からの鋼＃１、＃２および＃３）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表４に示す。
【表８】
2008524447.tif 000009
【００４３】
例５−出発ＣｕＯ粉末の酸素含有量の影響
ニッケル−銅拡散結合粉末を使用して２種類のＰ／Ｍ鋼粉末を調製した（例３の混合物＃２と同様に、５５０℃でＤＢ）。これらの混合物は下記の組成を有していた。
【表９】
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【００４４】
混合物＃１では、Ａｌｄｒｉｃｈ ＣｕＯ（出発Ｏ２０重量％、５μｍｄ５０）を、５５０℃で行った拡散結合工程に使用した。混合物＃２では、未還元ＣｕのＡＣｕＰｏｗｄｅｒ（初期酸素１０重量％、５μｍｄ５０）を、５５０℃で行った拡散結合工程に使用した。ＤＢＮｉ−Ｃｕ粉末の酸素含有量は、混合物＃１および混合物＃２で、それぞれ５．５％および０．２％であった。
【００４５】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ、直上の混合物＃１および＃２からの鋼＃１および＃２）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表５に示す。
【表１０】
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【００４６】
例６−Ｎｉ粉末の細かさのＤＢ鋼に対する影響
ニッケル−銅拡散結合粉末を使用して２種類のＰ／Ｍ鋼粉末を調製した（例３の混合物＃２と同様に、５５０℃でＤＢ）。これらの混合物は下記の組成を有していた。
【表１１】
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【００４７】
混合物＃１では、ＩＮＣＯ Ｔｙｐｅ  １２３ニッケル粉末（標準サイズ、８μｍｄ５０）を使用する一方、混合物２では、ＩＮＣＯ Ｔｙｐｅ  １１０ニッケル粉末（超微小サイズ１．５μｍｄ５０）を使用した。
【００４８】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ、直上の混合物＃１および＃２からの鋼＃１および＃２）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表６に示す。
【表１２】
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【００４９】
例７−超微小Ｎｉを使用するＤＢ温度の影響
ニッケル−銅拡散結合粉末を使用して２種類のＰ／Ｍ鋼粉末を調製した（例３の混合物＃２と同様に、５５０℃でＤＢ）。これらの混合物は下記の組成を有していた。
【表１３】
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【００５０】
混合物＃１および＃２は、それぞれ５５０℃および４５０℃における拡散結合粉末で調製した（ＤＢＮｉ−Ｃｕ粉末は、それぞれ０．３％および０．２％のＯ２を有していた）。
【００５１】
各混合物からの標準試験試料（それぞれ、直上の混合物＃１および＃２からの鋼＃１および＃２）を、５５０ＭＰａ圧縮圧でプレスし、９５／５Ｎ２／Ｈ２雰囲気中、１１２０℃で３０分間焼結させた。これらの混合物に関連する試験の結果を表７に示す。
【表１４】
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【００５２】
拡散結合したニッケル−銅粉末を調製し、使用することの優位性は、下記の結論により実証される。
【００５３】
１．ニッケルおよび銅を含む焼結鋼では、ニッケルと銅との間の拡散係数が高く、互いに対する固溶性が十分であり、結晶構造および原子質量が類似しているために、ニッケルおよび銅の相互の親和力が非常に強い。
【００５４】
２．ニッケルおよび銅を予備混合してＮｉ−Ｃｕ母混合物を製造することにより、焼結の際のニッケルと銅の相互作用が増加する。従って、（例えば、より細かいニッケル粉末を使用して）粉末の一方の分布を改良することにより、他方の分布の改良も達成することができる。分布がより優れているために、焼結の際に鋼中の拡散がより均質になり、寸法精度特性および機械的特性が改良される。
【００５５】
３．細かい酸化銅粉末をＮｉ粉末に熱的に結合させることにより、ニッケルおよび銅を予備混合するよりも、ニッケルおよび銅の相互作用をさらに高めることができる拡散結合した（ＤＢ）粉末が結果得られる。その結果、標準的な混合された銅およびニッケル粉末添加剤と比較して、ＤＢＮｉ−Ｃｕ添加により焼結鋼の特性が有意に改良される。
【００５６】
４．ＤＢ粉末を使用するＰ／Ｍ鋼は、同じ組成の標準的な予備混合された鋼よりも、実質的に、寸法安定性が改良され、焼結の際の膨張が減少している。さらに、ＤＢ粉末添加を使用した鋼は、標準的な予備混合方法により製造された、同じ組成の鋼より、機械的特性が著しく改良されている。
【００５７】
５．焼きなましは、約１〜１２０分間行うことができる。焼きなまし熱処理時間は、焼きなまし温度によって左右される。粒子の表面エネルギーおよび鉄との焼結活性が低下するのを防止するために、高温は避けるべきである。温度が高い程、元素の完全な合金化を回避するために処理を短くする必要がある。完全に合金化すると、粒子が硬くなり、また圧縮が困難になるので、これは避けるべきである。
【００５８】
６．ＤＢ（焼きなまし）温度は、約１００〜１１００℃の範囲にできる。この温度範囲は、酸化銅の初期酸素含有量ならびにニッケルおよび銅の粒子径を含む幾つかのファクターによって左右される。一般的に、ＤＢ温度は、ＤＢ粉末中の最終的な酸素含有量を０．５％未満にさせようとするように、最小限に抑えるべきである。酸化銅粒子径５μｍおよび焼きなまし時間４０分間を仮定すると、標準的なＰ／Ｍニッケル粉末（ｄ５０、〜８μｍ）を使用する場合には５５０℃ＤＢで最適な結果が得られる一方、超微小ニッケル粉末（ｄ５０、〜１．５μｍ）を使用する場合には４５０℃ＤＢで最適な結果が得られた。
【００５９】
７．拡散結合粉末の組成は、目標とするＰ／Ｍ鋼に左右され、約１％ニッケル−約９９％銅〜約９９％ニッケル−約１％銅の範囲内で変えることができる。上記の試験は５０％ニッケル−５０％銅を使用しているが、好ましいＮｉ：Ｃｕ比は約１：１〜４：１である。
【００６０】
８．出発ニッケル材料は、ニッケル粉末、酸化ニッケル、およびニッケルフレーク等でよい。粒子径は、約１００μｍ以下にすべきであり、約１０μｍ未満が好ましい。
【００６１】
９．出発銅材料は、銅粉末、酸化銅、および銅フレーク等でよい。粒子径は、約１００μｍ以下にすべきであり、約１０μｍ未満が好ましい。酸化銅は、その酸素表面により、結合を改良させ、加熱の際に粉末が堅くなりすぎないように維持するので、好ましい。
【００６２】
１０．他の金属系粉末、例えばモリブデン、ＭｏＯ３、フェロモリブデン、フェロクロム、フェロマンガン、およびフェロホスホルを本来の個別ニッケルおよび／または銅に拡散結合させ、様々な拡散結合粉末を製造することができる。
【００６３】
１１．５５０℃焼きなまし処理に関する結果に基づき、約３０〜４０分間の時間が好ましい。温度が高い程、圧縮性が低下して弱くなるのを避けるために、ＤＢ時間を短くする必要がある。
【００６４】
上記の例は、通常の鉄粉末鋼における、拡散結合ニッケル−銅粉末を使用する性能改良を立証しているが、これらの性能上の有益性は、ハイブリッド鋼および合金、すなわちＭｏ、Ｃｒ、およびＭｎのような元素で予備合金化した鉄粉末でも期待されるであろうことを、当業者は認めるだろう。本発明の拡散結合ニッケル−銅添加剤は、どのような粉末冶金母ブレンドにでも添加することができる。これらの実施例は、一時的な有機結合剤、例えばポリビニルアセテート、メチルセルロース、ビニルアセテート、アルキド樹脂、およびポリエステル樹脂を使用し、焼きなまし前のニッケルと酸化銅粒子の間の接触を改良し、それによって、拡散結合工程の結合効率を増加することにもさらに拡張できる。
【００６５】
法律の規定により、本発明の具体的な実施態様が本明細書中に例示および説明されている。請求項により規定される本発明の形態で変形が可能であり、本発明の特定の特徴を、他の特徴に対応して使用することなく、時には有利に使用できることを、当業者は理解するだろう。
【国際調査報告】
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