(57)【要約】  本発明は、とくに予備合金化されたクロムを含む金属粉体から焼結硬化部品を製造する方法を記述し、その方法は、粉体を圧縮して未焼結の成形体を形成するステップと、その後、１１００℃を超える焼結温度の還元焼結雰囲気でその未焼結の成形体を焼結させるステップとを含む。炭素を含有するガスがその焼結雰囲気に加えられる。【選択図】図１
2010538156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
とくに予備合金化された、クロムを含有する金属粉体から焼結硬化部品を製造する方法であって、
前記粉体を圧縮して未焼結の成形体を形成するステップ、および
その後、還元焼結雰囲気の中で１１００℃を超える焼結温度で前記未焼結の成形体を焼結させるステップを含み、
炭素を含有するガスが前記焼結雰囲気に加えられることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記焼結雰囲気中の炭素を含有する前記ガスの割合が、５０Ｎｌ／ｈの下限と３００Ｎｌ／ｈの上限とを有する範囲から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
炭素を含有する前記ガスが、メタン、プロパン、アセチレンを含む群から選択された少なくとも１種のガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
使用される前記還元焼結雰囲気が、８０/２０の下限および９５/５の上限を有する範囲から選択されるＮ2／Ｈ2の比率の窒素と水素との混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
焼結の後、少なくとも２℃／sの冷却速度で前記部品を冷却することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記冷却速度が、３℃／sの下限と１０℃／sの上限とを有する範囲から選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
冷却することにより前記部品の構造が、その断面の少なくともほぼ全体にわたってマルテンサイト反応を受けることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
冷却することが保護ガス雰囲気下で起こることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
冷却の後、とくに、１５０℃と２５０℃との間の範囲の温度で、前記部品の焼きもどしを行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記部品の少なくとも表面に近い領域で、前記炭素の含有率についての勾配が作り出されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
金属焼結粉体から生産された、クロムおよび炭素を含有する焼結材料を少なくとも部分的に含み、前記クロムの含有率が０．５重量％の下限と７重量％の上限とを有する範囲から選択され、前記炭素の含有率が少なくとも０．１重量％である部品であって、
少なくとも前記部品の表面に近い領域に、前記炭素の含有率についての勾配が作り出されることを特徴とする部品。
【請求項１２】
前記炭素の含有率についての前記勾配が、層厚みで０．３重量％／ｍｍの下限と層厚みで１．５重量％／ｍｍの上限とを有する範囲から選択されることを特徴とする請求項１１に記載の部品。
【請求項１３】
前記炭素の含有率についての前記勾配が、前記部品の表面から０．８ｍｍの部品深さまで作り出されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の部品。
【請求項１４】
マルテンサイト構造を有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、とくに予備合金化されたクロムを含む金属粉体から焼結硬化部品を製造する方法に関し、その方法は、前記粉体を圧縮して未焼結（green）の成形体を形成するステップ、および、その後、還元雰囲気で、１１００℃を超える焼結温度で、該未焼結の成形体を焼結させるステップを含み、ならびに、金属焼結粉体からクロムおよび炭素を含む焼結した材料を少なくとも部分的に含む部品に関し、クロム含有率は、０．５重量％の下限と７重量％の上限を有する範囲から選択され、炭素の含有率は、少なくても０．１重量％である。
【背景技術】
【０００２】
高い強度の焼結合金の使用、および自動車産業における部品のためのそれらの製造方法が長く知られている。たとえば、欧州特許第０ ８３５ ３２９ B号の特許明細書には、以下のステップを含む、粉体冶金を利用した部品の製造方法が記載されている。０．８〜２．０重量％のグラファイトおよび潤滑剤を、０．５〜３．０重量％のモリブデンを含む鉄ベースの予備合金化粉体と混合するステップ。その混合物は、素鉄を少しも含まない。単一の圧縮ステージで成形するために、作製した混合物を圧縮するステップ。そして、その後、７．４ｇ／ｃｍ3を超える密度を有する焼結させた部品を得るために、高温で、還元雰囲気で、圧縮された部品を焼結させ、オーステナイト相から焼結させた部品を速やかに冷却し、その炭化物の球状化焼きなましを行い、粒界に沿ったそれらの分離を最小にするために、実質的に温度Ａ1までその部品を加熱するステップ。未焼結の成形体についての最初の粉体とグラファイトとを混合することは、この方法で作り出された部品は、その全断面を通して、少なくともほぼ一定の割合の炭素を有することをすでに意味する。高い炭素含有率を有するそのような鋼鉄は、高い硬度を有する。しかし、これらの材料の動特性値は、より最近の世代のエンジンで使用されているもののような高性能材料にかけられている要求を満足させることができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、実施することが容易である焼結硬化部品の製造方法、ならびにそれにより製造された部品を提案することである。
【０００４】
この目的は、上で概説された方法により達成され、それにより、炭素を含むガスが焼結雰囲気に加えられ、および、少なくとも部品表面の領域に炭素の含有率の勾配がある部品により達成される。有利な点は、金属粉体に炭素キャリアを組み込むための追加のステップの必要性が存在しないことである。なぜならば、その追加のプロセスが実施されるのと同様に、部品中もしくは未焼結の成形体中の炭素の濃度の増加が、実際の焼結プロセスの間に同時に起こるからである。また、このアプローチの結果として、要求に基づいて、その量を単に調整するだけ、もしくは炭素を含んでいるガスの流れを調整するだけで、炭素の含有率を調整することが可能であり、その結果、未焼結の成形体を生産するための予備のステップが、影響されないままであり、要求に適合させるために、異なる硬さの粉末冶金部品を原則として生産することができる。また、本発明により提案された方法は、また、部品の全体の基礎をなす主要部の場合の炭素の割合に比べて、表面もしくは表面に近い領域により高い割合の炭素を含む部品を生産することを可能とするという事実は有利である。これに関して、クロムを含有する特定の鋼鉄粉体の中にある一定の割合の炭素をすでに含んでいる予備合金化金属粉体を使用することはもちろん、さらに可能である。部品自体における炭素元素のこの濃縮の結果、部品の表面領域に高硬度を与えることが可能になる。一方、下にある層の硬度はより低い。これにより、とくに変動曲げ応力に関して改良された値を有する部品を生産するための高い動的特性値を有する粉末金属部品が可能になる。したがって、耐摩耗性の点で完全に良好であるのみならず、変動曲げ応力にさらによく耐えることができる部品を生産することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様では、焼結雰囲気中の炭素を含むガスの割合は、５０Ｎｌ／ｈの下限と３００Ｎｌ／ｈの上限とを有する範囲から選択される。これらの限度内では、表面に近い部品の領域で、十分に速い速度で炭素が増加し、その結果、そのようなプロセスでは時間が長くならないか、または結果としてほんの無視できるほどしか時間が長くならないことを発見した。この点について、それぞれの場合で選択される量は、一方では、他のものの中で、使用される浸炭ガス、すなわち炭素を含有するガスによって決まり、他方では、実際の焼結炉の断面積に合わせられるであろう。たとえば、還元焼結雰囲気に加えられる流量は、プロパンの場合、５Ｎｌ／ｈと約２５Ｎｌ／ｈとの間であってもよく、メタンの場合、５０Ｎｌ／ｈと３００Ｎｌ／ｈとの間であってもよい。とくに、加えられるべき量は、浸炭ガス自体における炭素の割合によって決まるであろう。５Ｎｌ／ｈよりも小さくなると、加炭が、普通、非常に遅くなり、不適切である。３００Ｎｌ／ｈを超えると、本方法の改善が見られなかった。
【０００６】
Ｎｌ／ｈ（Normal litre/hour）（標準リットル／時間）は、１バール（絶対）の圧力および２０℃の温度に基づく。
【０００７】
焼結粉体中のクロムの割合は部品の焼入性につながる。Ｃｒ−炭化物の形成は、高い表面硬度を部品に与え、その部品の摩耗に対する耐性がさらに増加する。
【０００８】
炭素を含有しているガス、すなわち、浸炭ガスの場合、メタン、プロパンまたはアセチレンを含む群からガスを選択することが好ましい。これらのガスのとくに有利な点は、それらが、高い炭素含有率を有し、処理することが容易であり、アセチレンを使用した場合、焼結中、還元焼結雰囲気が原因の問題が生じない点である。
【０００９】
しかし、本発明の範囲内であれば、この目的のために、炭素を含有する他のガス、好ましくは酸素もしくは酸化させる成分のいずれも含んでいないガスを使用してもよい点に注目すべきである。
【００１０】
還元焼結雰囲気について、先行技術から知られている方法で、窒素および水素の混合ガスを使用してもよいが、この場合、Ｎ2対Ｈ2の比は、８０：２０の下限と９５：５の上限とを有する範囲から選択される。このように、窒素の高い割合は、還元焼結雰囲気を作り出すことにつながる。
【００１１】
また、部品が、焼結後、少なくとも２℃／ｓの冷却速度で冷却された場合、この速い冷却（急冷）の結果として、パターン化された構造を凍結することができ、それにより、部品の表面で圧縮応力を有する内部応力分布をその構造の内部に作り出すことが可能になるという点が有利である。
【００１２】
とくに、クロムを含有する鉄鋼粉体を使用する場合、３℃／ｓの下限と１０℃／ｓの上限とを有する範囲から冷却速度を選択すると有利であることを発見した。この範囲内のこれらの急な冷却速度で、部品の上述の特性分布をさらに改善することができる。とくに、生産された部品は、変動曲げ応力に耐えるための非常に良好な能力を示す。
【００１３】
さらに特性分布を改善するために、４℃／ｓの下限と８℃／ｓの上限とを有する範囲から選択された、または、５℃／ｓの下限と７℃／ｓの上限とを有する範囲から選択された冷却速度を、本発明の範囲内で採用することがさらに可能である。
【００１４】
急冷作業に関する冷却速度は、部品の構造が断面全体にわたってマルテンサイト反応を受けるように、好ましくは選択される。マルテンサイト反応の有利な点は、より高い硬度を部品に与えることができる点である。
【００１５】
冷却段階の間、雰囲気中に浸炭ガスを加えず、その代わりに、冷却が保護ガス雰囲気下で起こり、それにより、確定状態および確定された炭素の割合を容易に作り出すことが可能になる。たとえば、保護ガスとして、Ｎ2、ＮＨ3、希ガスなどを使用してもよい。
【００１６】
さらに特性分布を改善するために、とくにマルテンサイト要素を増加させることを考慮して、もし、急冷作業の間に、マルテンサイト反応が十分には起こらない場合、冷却した後、とくに、１５０℃と２５０℃との間の範囲内の温度で、部品を焼きもどすことが好ましい。これにより、金属部品を焼きもどすときに発生する周知の応力などの望ましくない応力を減少させることが可能になる。これにより、硬度は減少するが、部品の靱性を改善することができ、その表面に近い領域の硬度の減少は、この領域における炭素の高い割合を採用することによって、少なくとも相殺され、または改善され得る。この方法で処理された場合、部品は、対応して、部品の主要部分にわたって、それらの対応する靱性、とくに変動曲げ応力に耐えるより良好な能力による高い動的特性値を有する。
【００１７】
とくに、これらの特性を改善するための焼きもどし作業は、１５０℃と２００℃との間の温度で行われてもよく、その場合、マルテンサイトの割合は、ε−炭化物（ＦｅxＣ）へ少なくとも部分的に転換され、そして、炭素含有率が０．２％を超える場合、いわゆる立方晶マルテンサイトに転換される。
【００１８】
これに関連して、クロムのその割合は有利である。なぜならば、クロム成分によって、より高い温度で、焼きもどしを操作することができるからであり、とくに、残りのオーステナイトの炭化物およびフェライトへの転換が、より高い温度で後回しになるからである。したがって、より速く、すなわち、短い時間で、フェライトの割合が部品の中に含まれるという危険を冒すことなく、焼きもどしプロセスを操作することができる。 
【００１９】
また、部品の中、少なくともその表面に近い領域で、炭素含有率に関する勾配が作り出されるような方法を実施することが可能である。焼結硬化の間の浸炭プロセスの後、急冷の結果として、炭素が拡散プロセスによる炭素含有率を補償するのに十分な時間がないので、これを達成することが可能である。また、特定の温度制御、たとえば、焼結硬化プロセスの間のより高い初期温度に基づいてこれを達成することができる。その結果として、浸炭が表面の近くの領域で非常に急速に起こり、炭素が拡散するので、この浸炭は表面に近いところのより深い領域で起こり、この拡散を防止し、それゆえ炭素濃度の補償を防止するために、その後、温度を正確に下げる。別の手段として、また、とくに選択された流れ組成物または還元焼結雰囲気中に浸炭ガスの異なる割合を有する選択されたガスの流れに基づいてこれを達成することができる。より高い硬度は、表面に近い領域に本質的に制限されるので、高い動的特性値、とくに変動曲げ応力に耐えるための高い能力を有する部品を得る目的で炭素の勾配を作り出すのに有利であり、部品は、その深いところでより高い靱性を有する。なぜならば、そこでは、炭素含有率が表面に近い領域に比べて低いからである。
【００２０】
一方では、焼きもどし温度に達するまで急冷プロセスを行ってもよく、他方では、部品を室温まで冷却し、その後、焼きもどし温度に再び加熱することが可能である。
【００２１】
炭素含有率の勾配は、層厚みで０．３重量％／ｍｍの下限と、部品の層厚みで１．５重量％／ｍｍの上限とを有する範囲から好ましくは選択される。部品の特性分布においてさらに改良するために、層厚みで０．５重量％／ｍｍの下限と層厚みで１重量％／ｍｍの上限とを有する範囲から、この炭素含有率の勾配を選択すること、とくに、層厚みで０．６重量％／ｍｍの下限と層厚みで０．７５重量％／ｍｍの上限とを有する範囲から、それを選択することが可能である。
【００２２】
この部品の内部に改善された靱性を与えるために、部品の表面から始まり、０．８ｍｍの部品深さまでの炭素含有率に関する勾配が作り出される。とくに、部品の表面から始まり、０．５ｍｍ、好ましくは０．３〜０．４ｍｍの部品深さまでの炭素含有率の勾配を作り出すことが可能である。
【００２３】
この点において、炭素勾配は、線形に減少してもよいし、または、二次曲線、対数曲線などの曲線関数にしたがってもよい。
【００２４】
より明確に理解できるように、実施例を参照して、以下、より詳細に本発明を説明しよう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
添付された図面は以下に示す概略図である。
【図１】図１は、内部応力について、先行技術からの部品と比較した、本発明により提案された部品で得られた測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書で値の範囲に関する全ての数字は、それらは、いずれかの、および全ての部分の範囲を含むという意味として解釈すべきであり、その場合、たとえば、１〜１０の範囲は、１の下限から始まり、１０の上限までの全ての部分の範囲、すなわち、１もしくはそれよりも大きな下限で始まり、１０もしくはそれよりも小さな上限で終わる全ての部分の範囲、たとえば、１〜１．７、もしくは３．２〜８．１、もしくは５．５〜１０を含むとして理解されるべきである。
【００２７】
粉末冶金の部品を生産するために、クロムを含有する予備合金化鋼鉄粉体を使用する。それは、製造プロセスが原因の成分の不純物は除いて以下の組成に基づくことができる。
【００２８】
Ｃｒ    １重量％〜４重量％
Ｃ      ０．２重量％〜０．７重量％
Ｃｕ    ０．５重量％〜２．５重量％
Ｆｅ    残りを補充
【００２９】
また、もし、割合が４．５重量％を超える成分がない場合、それは、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｖ、Ｗ、または、Ａｌなどの他の合金成分を、たとえば、せいぜい１０重量％の全体量で含んでいてもよい。 
【００３０】
一般の規則として、鉄鋼粉体を使用できるのみならず、クロム含有のフェロアロイまたは母合金の主成分を有する鉄鋼粉体もまた使用することができる。
【００３１】
実施形態のこの例では、使用された粉体は、約０．３重量％の含有率の不可欠な炭素がすでに含まれているものであり、それは、部品の断面全体にわたって、少なくとも多かれ少なかれ一定のままである。
【００３２】
この粉体は、標準的なプレス金型の中で圧縮され、先行技術から知られている方法で、未焼結の成形体として知られているものを形成する。たとえば、一方向加圧成形またはその代わりに静水圧加圧成形を選ぶことが可能である。また、２方向方法、すなわち、上部および下部からの未焼結の成形体の圧縮を採用することが可能である。
【００３３】
たとえば、より高い焼結密度を達成するために、より良好な成形性またはより良好な圧縮性を得る目的で、ステアリン酸スズまたは類似物などの潤滑剤などの他の処理剤を粉体に添加してもよいことは言うまでもない。
【００３４】
その後、この未焼結の成形体は、ベルトコンベアー焼結炉の中で、１１２０℃と１３００℃との間の温度に加熱された。
【００３５】
本発明内では、たとえば、ウォーキングビーム炉などの他の焼結装置または焼結炉を使用することももちろん可能である。
【００３６】
ベルトコンベアー焼結炉は、先行技術から広く知られており、焼結材料を連続で生産するために使用されている。
【００３７】
より高い焼結温度、すなわち、１３００℃の領域の焼結温度を採用すると、一方では、増加した拡散により、合金要素がより均一な分布になり、他方では、焼結の質がより良好になり、それにより、より高密度の部品を生産することができる。
【００３８】
焼結硬化プロセスが、８５：１５の比率の窒素および水素を含む還元雰囲気の下で行われた。焼結プロセスの間、表面に近い領域を浸炭するために、２２Ｎｌ／ｈの量のプロパンが、この還元雰囲気に浸炭ガスとして添加された。未焼結の成形体を３０分間焼結し、その後、ベルトコンベアー焼結炉のベルトコンベアーで急冷ゾーンの中に移動させ、そこでは、それらを、少なくとも３℃／ｓ〜５℃／ｓの冷却速度で、さらに好ましくは２２０℃の焼きもどし温度よりも低い温度に冷却する。この目的のために、ベルトコンベアー焼結炉が、急冷ゾーンに隣接して独立した焼きもどしゾーンを有することが好ましい。
【００３９】
焼きもどしゾーンでは、焼結部品は、部品の重さに応じて、２０〜３０分間、焼きもどし温度に維持された。
【００４０】
これらの部品は、その後、室温に冷却される。
【００４１】
その結果、生産した部品は、０．４ｍｍの部品深さまでの表面に近い領域で徐々に変化する炭素曲線を有するもっぱらマルテンサイトである構造を有した。表面に近い領域で得られた炭素含有率は、０．５〜０．６重量％であり、０．３〜０．４ｍｍの深さの後は、これは、予備合金化鋼鉄粉体によって決まる０．３重量％の初期含有率に減少する。
【００４２】
その後、この部品は、内部応力測定を受け、先行技術から知られている炭素勾配のない部品と比較した。ノッチのない変動曲げ試料におけるこの内部応力測定の結果を図１で見ることができる。
【００４３】
図１では、下部の曲線は、ＭＰａ単位の引張応力に対するｍｍ単位の部品深さの関数として内部応力をプロットする。明確に説明したように、本発明により提案されている部品をプロットした下部の曲線は、上部の曲線によってプロットされている先行技術の部品よりも良好な内部応力分布を示している。
【００４４】
０．４重量％のＣ（焼結温度１２８０℃）、０．６重量％のＣおよび２．０重量％のＣｕ（焼結温度１２８０℃）、または０．７重量％のＣおよび１．０重量％のＣｕ（焼結温度１１２０℃）を含む試料で同様な結果が達成された。クロムの割合は、１重量％と５重量％との間であってもよい。
【００４５】
本発明により提案された方法を使用して、異なる焼結部品の全ての範囲を生産してもよい。とくに、自動車産業で部品、たとえば、とくにシンクロナイザリング、シンクロナイザハブなどのトランスミッションに必要であるなどの焼結鋼鉄部品である。焼結材料に加えて、その部品がさらに他の材料を組み入れてもよい。たとえば、金属基板上に焼結材料を配置する。
【００４６】
実施例として説明された実施形態は、可能な設計の変形を示し、この段階では、本発明は、明確に説明されているその設計の変形に明らかに限定されず、その代わりに、相互に異なる組み合わせでそれぞれの設計の変形を使用してもよく、これらの可能な変形は、開示された技術の教示を与えられた当業者の理解する範囲内にあることに注目すべきである。したがって、記載され説明された設計の変形のそれぞれの細部を組み合わせることによって得ることができる全ての考えられる設計の変形が本発明の範囲内で可能であり、与えられる。
【００４７】
独立した発明の解決策の背後にある目的は明細書の中で見つけることができる。
【図１】
2010538156.tif 000003
【国際調査報告】
2010538156.tif 000004
2010538156.tif 000005
2010538156.tif 000006