(57)【要約】  本発明は、モノリシック鉄部品（ferrous monolithic component）の製造方法、及び、その方法によって製造された部品に関する。本発明は、強度を高めたい部品の部分を選択的に急速に冷却し、かつ、機械加工性を高めたい部品の部分を選択的に制御冷却する仕組みを利用する。そのような制御冷却は、冷却、再加熱、及び、再冷却を含んでも良い。それにより、より急速に冷却されたゾーンでは部分的に強度が高くなり、かつ、よりゆっくり冷却されたゾーンでは、部分的に機械加工性が高くなる。
2010533243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上のゾーンを有するモノリシック鉄金属粉末材料を含んだ部品であって、
前記ゾーンの一つが機械加工され、かつ、前記ゾーンのうち別のゾーンが機械加工されなく、そして、
パーライト、ベイナイト、及び、マルテンサイトのうち１以上からなる群から選択された微細構造の比率が、前記機械加工されるゾーンよいも前記機械加工されないゾーンにおいて高くなるように、前記機械加工されるゾーンが、前記機械加工されないゾーンよりもゆっくり冷却されたことを特徴とする部品。
【請求項２】
前記機械加工されないゾーンにおける前記微細構造の高い比率が、前記機械加工されるゾーンよりも前記機械加工されないゾーンをより急速に冷却させることによって、もたらされたことを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項３】
前記部品全体が、前記同じ金属粉末材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項４】
前記部品が、内燃機関用の連接棒であることを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項５】
前記連接棒の端部が、機械加工されるゾーンを含み、そして、前記端部間をつなぐ前記連接棒の中間ゾーンが、機械加工されないゾーンであることを特徴とする請求項４に記載の部品。
【請求項６】
前記連接棒の前記中間ゾーンが、前記連接棒の前記端部よりも高い強度を有していることを特徴とする請求項５に記載の部品。
【請求項７】
前記部品が、２％の銅を含んだ１１Ｃ６０金属粉末材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の部品。
【請求項８】
前記中間ゾーンが、３０秒以内に1700°F以上から1240°F以下まで冷却されたことを特徴とする請求項７に記載の部品。
【請求項９】
前記中間ゾーンが、さらに２０秒後、1200°以下の温度に冷却されたことを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１０】
前記連接棒の前記端部が、少なくとも１８０秒後、1700°以上から1250°F以上の温度が得られる速度で冷却されたことを特徴とする請求項７に記載の部品。
【請求項１１】
前記連接棒の前記中間ゾーンが、前記中間ゾーンにおいて微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、又は、それらの混合物を形成する速度にて鍛造温度から急冷されたことを特徴とする請求項５に記載の部品。
【請求項１２】
前記連接棒の前記中間ゾーンが、所定時間急冷された後、マルテンサイト転換温度直下の温度にて維持されたことを特徴とする請求項１１に記載の部品。
【請求項１３】
前記連接棒の前記端部が、前記端部において微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、又は、それらの混合物の形成を妨げる速度で制御冷却されたことを特徴とする請求項１１に記載の部品。
【請求項１４】
前記部品を再加熱して、前記部品の前記２つのゾーンを異なる速度で冷却することで、前記機械加工されるゾーンではより高い機械加工性が得られ、かつ、前記記載加工されるゾーン以外のゾーンではより高い強度が得られることを特徴とする請求項１に記載の部品の製造方法。
【請求項１５】
単一の金属粉末材料で構成された部品を選択的に熱処理する方法であって、
少なくとも２つのゾーンを有する前記部品を加熱するステップと、
前記部品の少なくとも１つのゾーンを急速に冷却すると共に、前記部品の少なくとも１つのゾーンをゆっくり冷却する選択的な冷却ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記部品を加熱するステップが、前記部品の温度を鍛造温度に上げることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記急速な冷却が、前記部品の１つのゾーンをマルテンサイト転換温度以下に急冷することを含み、そして、前記部品の別のソーンにおけるゆっくりとした冷却が、前記別のゾーンを、マルテンサイト転換温度を上回る温度でマルテンサイトの形成を妨げるのに十分な時間維持させることを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
ゆっくり冷却された前記部品の前記ゾーンが、急速に冷却された前記部品の前記ゾーンよりも、より向上された機械加工性を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記部品を再加熱して、前記部品の前記２つのゾーンを異なる速度で冷却することで、よりゆっくり冷却された前記ゾーンでは、より高い機械加工性を得ると共に、急速に冷却された前記ゾーンでは、より高い強度を得ることを特徴とする請求項１５に記載の部品の製造方法。
【請求項２０】
前記部品が、２つの端ソーンと、前記２つの端ゾーン間に設けられたＩ−ビームゾーンと、を有する連接棒であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、米国仮特許出願第60/959,052号（発明の名称：傾斜機能性金属粉末部品；出願日：２００７年７月１１日）に基づく優先権の利益を享受する。この特許文献の記載内容は、参考までに本明細書に含まれる。
【０００２】
本発明は、焼結鍛造金属粉末（ＰＭ）部品（sintered and forged powder metal component）に関する。具体的に、本発明は、単一の合金で構成されるが、その部品の異なる部分において異なる特徴を有する部品に関する。
【背景技術】
【０００３】
大部分の金属粉末部品は、（その部品全体を通して）単一の鉄材料で構成されている。しかしながら、多くの金属粉末部品は、多数の部分からなり、これらの各部分は、それぞれ異なる、時には相反する材料条件（例えば、硬度、強度、機械加工性など）を有する。単一の鉄材料でこうした異なる条件を満たすためには、これらの部分の全部又は一部が妥協した材料特性（compromised material properties）を有して、その全ての部分においてそれらの特定の最小限の条件を満たす必要がある。
【０００４】
異なる条件を有する金属粉末部品の一例として、自動車用の連接棒（connecting rod）がある。内燃機関において最もストレスを受けやすい部品の一つである自動車用の連接棒は、複数の部分からなり、その部分のうち一部は、他の部分とは異なる条件（要求条件）を有する。図１に示すように、自動車用の連接望１０は、I-ビーム領域（ゾーンＡ）、ピストンピン端（piston pin end）（ゾーンＢ）、及び、クランクシャフト端（crank shaft end)（ゾーンＣ）を含んでいる。
【０００５】
I-ビーム領域において、最も高い材料強度（highest possible material strength）を有し得る最も低い塊（lowest possible mass）を有することが望ましい。これらの条件は、バックリング（buckling）及び伸ばし（stretching）の際に、直線運動及び回転運動を伝達する機能を遂行すると共に、経済性を改善するのに必要とされている。
【０００６】
他方で、ピストンピン端及びクランクシャフト端は、高い機械加工性を有しなければならない。このピストンピン端のボア及びクランクシャフト端のボアはそれぞれ機械加工されて、適切なフィット(fit)及び機能(function)を保証する厳密な（tight）公差（許容差）を獲得する。クランクシャフト端のボア側に（ゾーンＤ）、ボルト孔（bolt hole）は、連接棒の残りの部分から破砕された後、連接棒の端部を保持するボルトのためのボルトボス(bolt boss)ゾーンにおいて、開けられ(drilled)、広げられ(reamed)、かつ、タップ接続(tapped)されている。量産において、これらのゾーンが経済的に機械加工されるのであれば、非常に有利であろう。
【０００７】
しかしながら、例えば、加熱処理により強度が増加されれば、機械加工性は減少される。こうしたトレードオフ（trade-off）によって、強度及び機械加工性間のバランスは影響を受ける。強度の高いビーム部で構成された連接棒は、機械加工しにくい。逆に、機械加工しやすい連接棒は、Ｉ−ビーム部において失敗を引き起こす可能性が高い。従来の方法によっては、強度及び機械加工性間の適切なバランスを得にくく、そして、１以上のゾーンにおいて理想的でない材料特性を有するものが生じてしまう。
【０００８】
したがって、一体を構成するモノリシック構造（monolithic structure）において異なる特性を有する改善された部品に対するニーズが依然として存在していた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、モノリシック鉄部品の製造方法、及び、その製造方法で製造された部品を提供する。連接棒の場合、例えば、前記方法によって、連接棒全体を通じて同じ材料が用いられた場合であっても、連接棒の部分毎に異なる所望の特性をもたせた連接棒が得られる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の方法は、強度を高めたい（部品の）部分を選択的に急速に冷却すると共に、機械加工性を高めたい（部品の）部分を選択的に制御（即ち、ゆっくり）冷却するという概念を採用する。こうした制御冷却（controlled cooling）は、冷却、再加熱、及び、再冷却を含んでも良い。その結果、急速に冷却されたゾーンでは部分的に強度が高く、かつ、よりゆっくり冷却されたゾーンでは機械加工性が高い部品が得られる。
【００１１】
連接棒において、選択的な急速な冷却をＩ−ビームゾーンに適用し、かつ、選択的な制御冷却をピン及びクランク領域（これらの領域は、再加熱され、かつ、再冷却される。）に適用することができる。それにより、Ｉ−ビームゾーンでは部分的に強度が高く、かつ、ピン及びクランク端ではより機械加工性が高い連接棒が得られる。それは、Ｉ−ビームゾーンに比べて、これらの端における改質された治金特性（altered metallurgical properties）に起因する。
【００１２】
選択的な急速な冷却は、様々な方法によってなされ得る。例えば、熱伝達は、適切な位置にある適当なヒートシンクを用いた伝導（conduction）によって、或いは、指向性エアーナイフ（directional air knife）のような対流技術を用いることで、行うことができる。選択された部分に対する制御された再冷却を伴う選択的な再加熱は、例えば、所望の特性を持たせるために制御された局所冷却と共に選択された領域の急速な局所誘導加熱によって、行われ得る。その加熱は、加熱された微細構造が全的にオーステナイトであるか、又は、オーステナイト及びフェライトの混合物で構成されるように、行われ得る。加熱／制御冷却は、当該選択された領域が、Ｉ−ビームの治金特性よりも有意に改質された（変更された）治金特性を有するように（即ち、より低い強度、より低い硬度、及び、異なる微細構造）、行われ得る。特に、連接棒におけるＩ−ビーム及び移行域は、より高含量の微細な（fine）パールライトの形成によって増加されたコア硬度（core hardness）及び強度を有してもいても良い。通常の適用（用途）において、微細な（又は、上等の）パールライトは、ボルトボスで５〜７％であり、Ｉ−ビームゾーンでより高含量である。同時に、ボルトボスの耳部をゆっくり冷却することで、パーライトのラメラ間隔（lamellae spacing）を増加させることによって穴あけ（drilling）及びタッピング（tapping）により適した構造を得ることが望ましい。また、ボルトボスの耳部及び／又はＩ−ビームゾーンは冷却されて、オーステナイト（austenite）からバイナイト若しくはマルテンサイト、若しくは、両方、又は、両方と微細なパーライトとの混合物への相変態を生じさせ得る。これらは、より強い相であるが、機械加工しにくいものである。
【００１３】
部品材料は、いかなる鉄ＰＭ材料であっても良い。一つの例を挙げると、連接棒は、２％銅１１Ｃ６０ＰＭ材料から製造され得る。開始温度1700°F（鍛造温度）から、ビーム領域、クランク移行域（crank transition）、及び、ピン移行域（pin transition）は、３０秒以内に1240°F以下の温度となるように冷却される。その後、その冷却速度は、５０秒経過後に（前記３０秒と合わせて５０秒）1200°F以下に下がるように保たれる。ボルトボス耳部及びボア部において、冷却速度は、少なくとも１８０秒が経過した時点で温度が1250°F以上となるように制御される。各々のゾーンにおける熱処理プロセスに必要とされる温度及び時間は、異なる合金、及び、異なる特性を有する連接棒毎に異なってくる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の方法を用いることによって、連接棒全体を通じて同じ材料が用いられた場合であっても、連接棒の異なる部分毎に異なる所望の特性をもたせた連接棒を得ることができる。
【００１５】
前述した本発明の目的及び利点、並びにその他の目的及び利点は、以下に詳細に説明していく。詳細な説明において、符号は、本発明の好ましい具体例を示した図面に基づいて付したものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、連接棒における異なる部分を示した連接棒の斜視図である。
【図２】図２は、３つの異なるゾーン又は部分を示す連接棒の平面図である。
【図３】図３は、特定の連接棒材料の異なる部分における冷却を示す時間対温度のグラフである。
【図４】図４Ａは、ボアに挿入された予熱された部分（mass）を有する連接棒の断面を概略的に示す図面である。図４Ｂは、前記加熱された部分上の断熱（insulation）を示すための、図４Ａの部分及び連接棒の一端の上面図である。
【図５】図５Ａは、一連の連接棒を制御冷却するための運搬システムの上面図である。図５Ｂは、図５Ａの運搬システムの概略的な側面図である。
【図６】図６Ａは、連接棒の端部を再加熱するための別のステーションを示す点を除き、図５Ａと同様である。図６Ｂは、図６Ａに示す運搬システムの一部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び２は、部品、特に、連接棒１０を示す。この連接棒１０は、リストピン端ゾーン（wrist pin end zone）Ｂ、クランク端ゾーン（crank end zone）Ｃ、及び、前記２つのゾーンＢ、Ｃ間に設けられたＩ−ゾーン（I-beam zone）を有している。線１２は、リストピンゾーンＢからＩ−ビームゾーンＡを分離し、そして、線１４は、Ｉ−ビームゾーンＡからクランク端ゾーンＣを分離する。クランク端ゾーンＣは，２つのボルトボス耳部（bolt boss ear）Ｄを含んでいる。線１６及び１８は、連接棒１０のクランク端ゾーンＣの残りの部分から２つのボルトボス耳部を仕切る。クランク端ゾーンＣは、クランクボアＥを含み、そして、リストピン端ゾーンＢは、ボアＦを含んでいる。前述したように、ボアＥ及びＦ、並びに、ボルトボス耳部Ｄは、連接棒１０が鍛造された後機械加工される。次いで、連接棒１０は、次のとおり処理（加工）される。
【００１８】
金属粉末を用いて連接棒を造る典型的な方法は、先ず連接棒の形状に合わせて金属合金粉末を詰め（圧縮し）、それを鍛造し、その部分毎に異なる速度（rate）で選択的に急速に冷却するか、又は、制御冷却し（これに関しては、後述する）、部品をデバリングし（deburr）、選択的に再加熱すると共に、必要に応じて、その部品の一部を再び制御冷却し、その部品にショットピーニング処理（shot peen）を行い、前記部品の正面研削（face grind）を行い、その部品に印を付け、前記部品に大まかな孔をあけ、耳部Ｄにおいてボルト孔を機械加工し、端Ｃのベアリングキャップ部をバラバラにし、ボルトを組み込み、部品の正面研削を行い、その後、必要に応じて、クランク端ボア、及び、リストピンボアを設ける。必要に応じて、これらのステップの一部を排除したり、別の製造工程ステップを取り入れたり、合金を改質させたりすることも可能である。
【００１９】
図３には、２％銅を添加した１１Ｃ６０材料の単一の金属粉末合金で製造された連接棒における様々な部位の冷却に対する時間−温度グラフが示されている。図３に３つのグラフ線（下）で表したＩ−ビームゾーンＡは、４つの線（上）で表した端ゾーンＢ及びＣよりも迅速に冷却される。図３における軸は、ランキン温度（度）であり、これは、ランキン温度から約４６０度（degree）を差し引いて華氏（Fahrenheit）に転換され得る。
【００２０】
Ｉ−ビームゾーンＡにおける急速な冷却によって、硬度及び強度がより高まるが、機械加工性は低下する。端Ｂ及びＣをよりゆっくり冷却することで、硬度及び強度は減少されるが、機械加工性が高まる。移行域（transition zone）を含めてＩ−ビームゾーンＡは急速に冷却されて、微細なパーライト（pearlite）、ベイナイト（bainite）、マルテンサイト（martensite）、又は、これらの混合物を形成することが好ましい。マルテンサイトを形成する際に必要とされる選択的な急冷（selective quench）の時間及び温度パラメーターは、使用される合金に依存するものと考えられる。
【００２１】
２％銅を添加した１１Ｃ６０において、こうした急速な冷却は、約３０秒以内に１２４０°F（１７００Ｒ）以下まで温度を落とすことを意味する。この温度（マルテンサイト転換温度、又は、それをわずかに下回る温度）をさらに約２０秒間維持させる（時間０からすると、合計５０秒である。）。１１Ｃ６０は、鉄、銅１．８〜２．２重量％、硫化マンガン０．３〜０．５重量％、マンガン０．１０〜０．２５重量％、及び、炭素（黒鉛として約０．６０重量％）を含んでいる。
【００２２】
端において、冷却は、前記材料のマルテンサイト転換温度を上回る温度が、端におけるマルテンサイトの形成を妨げるのに十分な時間維持されるように、制御される。１１Ｃ６０材料の場合、端が1250°F(1710 R)を超える温度で少なくとも１８０秒間維持されることを意味する。この温度にて端を保持することによって、炭素が十分（即ち、十分な時間）拡散される（diffuse）ので、冷却の際にマルテンサイトの形成が妨げられる。
【００２３】
図４Ａ及び４Ｂには、連接棒１０のゾーン間の差別的な冷却を行うための一つの方法が示されている。この実施例において、予熱された部分（preheated mass）２０、２２は、連接棒の端にあるボア内に、そのボアに接触した状態で配置されて、その端を、マルテンサイト転換温度を超える温度にて必要な時間だけ保持するが、Ｉ−ビームゾーンＡは、急速に冷却される。１１Ｃ６０材料の場合、予熱された部分２０、２２は、端を1250°F(1710 R)以上の温度にて少なくとも１８０秒間（時間０から）保持するが、Ｉ−ビームは、例えば、冷却雰囲気に配されることによって、３０秒以内に1240°F(1700 R)、かつ、時間０から５０秒経った時点で1200°F(1660 R)以下に急速に冷却される。図４Ｂに示すように、部分２０と連接棒のボアとの間には必要に応じて断熱部（insulation）２４が設けられて、連接棒１０の該端への入熱（heat input）を制御する。
【００２４】
その代わりに、図５Ａ及び５Ｂに示した運搬システムを用いて、端及びＩ−ビーム間の冷却における明確な区別がなされるのであれば、端上に加熱した部分を用いる必要がなくなり得る。このシステムでは、連接棒１０は、コンベヤーベルト３０に沿って並んで、Ｉ−ビームゾーンＡでは、冷却空気又は別の冷却媒体を通すエアーナイフクーラー（air knife cooler）３２の下を通過する。一方で、端ゾーンＢ及びＣは、加速された冷却なしに周囲の雰囲気に露出される。或いは、図６Ａ及び６Ｂによれば、端Ｂ及びＣにのみ誘導加熱器３８及び４０が用いられる。クーラー３２は、この誘導加熱器３８及び４０と同時に用いることができる。また、連接棒が周囲の雰囲気まで十分に冷却された後、端Ｂ及びＣを開始温度1700°F(2160 R)以上にまで再加熱するために、誘導加熱器３８及び４０を用いることができる。その後、端は制御冷却されて、１８０秒以上経た時点で1250°F(1710 R)以上の温度に冷却される。
【００２５】
連接棒１０の材料は熱処理に反応するいかなるものであっても良い。例えば、金属粉末連接棒を製造するのに、１〜３％銅１１Ｃ６０金属粉末材料を用いることができる。
【００２６】
以上、本発明の好ましい具体例について詳細に説明した。記載した好ましい具体例に対する様々な変更及び変形は当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明は、前述した具体例に制限されるものではない。
【符号の説明】
【００２７】
１０  連接棒
Ａ  Ｉ−ビームゾーン
Ｂ  リストピン端ゾーン
Ｃ  クランク端ゾーン
Ｄ  ボルトボス耳部
１２、１４、１６、１８  線
【図１】
2010533243.tif 000003
【図２】
2010533243.tif 000004
【図３】
2010533243.tif 000005
【図４Ａ】
2010533243.tif 000006
【図４Ｂ】
2010533243.tif 000007
【図５Ａ】
2010533243.tif 000008
【図５Ｂ】
2010533243.tif 000009
【図６Ａ】
2010533243.tif 000010
【図６Ｂ】
2010533243.tif 000011
【国際調査報告】
2010533243.tif 000012
2010533243.tif 000013