(57)【要約】【課題】  複雑な形状の粉末金属部品を製造する方法を提供する。【解決手段】  粉末金属から部品を製造する方法においては、鉄、２．０重量％の銅、０．８重量％の炭素、１．４重量％のニッケル、１．２５重量％のモリブデン、０．４２重量％のマンガンを含む材料が、４５tsiの圧力で圧縮されて、１６５０°Ｆの温度で３０分間、前焼結される。前焼結された部品は、毎分２５°Ｆの温度で冷却される。次に、部品は、超硬製のホイールで研摩され、溝を介して二列の歯が生成される。外形/形状研摩後、部品は、２０７０°Ｆで３０分間焼結炉硬化される。その後、部品は、毎分１５０°Ｆの速度で冷却される。次に、二次処理として、バリ取りが実行される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属から部品を製造する方法であって、
ａ）鉄、０．３〜１．０重量％の炭素、０〜４．０重量％のクロム、０〜３．０重量％の銅、０．５〜１．５重量％のモリブデン、０．５〜４．５重量％のニッケル、０〜１．０重量％のマンガン、および０〜１．５重量％のシリコンからなる金属粉末（各重量％は金属粉末の総重量に基づいて計算）を提供する工程と、
ｂ）３０〜６５ｔｓｉの圧力で金属粉末を圧縮して圧粉体を得る工程と、
ｃ）１４００〜２０００°Ｆで２０〜６０分間、圧粉体を加熱する工程と、
ｄ）毎分１０〜１２０°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程と、
ｅ）複雑な幾何学的形状を得るように圧粉体を研摩する工程と、
ｆ）２０００〜２４００°Ｆで２０〜８０分間、圧粉体を加熱する工程と、
ｇ）毎分１２０〜４５０°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程と、
を備えた製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
部品がスプロケットである、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１において、
スプロケットが、６．７〜７．２ｇ/ｃｃの密度の歯を有している、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項１において、
工程ｂ）において、６．５〜７．２５ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を生成するように、金属粉末が圧縮されている、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項５】
請求項１において、
工程ｄ）において、主にパーライト、フェライト＋パーライト、またはベイナイトの微細構造を生成するように、圧粉体が冷却されている、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項６】
請求項１において、
工程ｅ）における研摩工程が、形状または外形研摩処理である、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項７】
請求項１において、
工程ｅ）において、圧粉体が、のこぎり歯、アンダーカットおよびテーパー形状からなるグループから選択された幾何学的形状を生成するように研摩されている、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項８】
請求項１において、
当該製造方法が、工程ｇ）の後に、３００〜１０００°Ｆで３０〜９０分間、圧粉体を加熱する工程をさらに備えている、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
生成された圧粉体が、９０％以上のマルテンサイト、０〜３％のパーライト、７％以下の残留オーステナイトの微細構造を有する、焼き戻し処理された圧粉体である、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項１０】
粉末金属から部品を製造する方法であって、
ａ）鉄、０．８重量％の炭素、２．０重量％の銅、１．２５重量％のモリブデン、１．４重量％のニッケル、および０．４２重量％のマンガンからなる金属粉末（各重量％は金属粉末の総重量に基づいて計算）を提供する工程と、
ｂ）４５ｔｓｉの圧力で金属粉末を圧縮して圧粉体を得る工程と、
ｃ）１６５０°Ｆで３０分間、圧粉体を加熱する工程と、
ｄ）毎分２５°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程と、
ｅ）溝を介して二列の歯を生成するように圧粉体を研摩する工程と、
ｆ）２０７０°Ｆで３０分間、圧粉体を加熱する工程と、
ｇ）毎分１５０°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程と、
を備えた製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
部品がスプロケットである、
ことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冶金の分野において、粉末金属から部品を製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、鉄、炭素、ニッケル、モリブデンと、クロム、銅、マンガンおよびシリコンの組合せとからなる冶金粉末から材料を製造する方法に関し、焼結硬化処理される複雑な形状の粉末金属部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結硬化処理は、バッチ処理や高周波焼入れのような一般的な熱処理工程を用いることなく、高マルテンサイト含有の材料を製造するのに用いられる処理である。焼結硬化処理は、昇温下で圧粉体を焼結し、これに続いて焼結炉硬化処理の終わりに圧粉体を急冷してマルテンサイト変態を生じさせる工程を有している。
【０００３】
焼結硬化処理された粉末金属部品を製造するための、前焼結工程を含む多くの方法に対して特許が与えられてきた。
冶金材料の前焼結処理は、１９８６年６月１７日に発行された、ウメハらによる「カムシャフトの製造方法」という名称の米国特許第 4,595,556号に報告されている。
【０００４】
ウメハらは、カムシャフトに取り付ける部材の製造方法について開示している。前焼結工程の後、部材は、焼結硬化処理の前にシャフトの上に適切に配置される。圧粉体は、前焼結の圧粉体よりも軸方向に５０％短い。
【０００５】
１９９１年９月１７日に発行された、サカらによる「焼結処理された機械部品および焼結方法」という名称の米国特許第 5,049,183号は、ウエハらによる方法と類似した方法について開示しているが、この前焼結工程は、生産品の精度を改良している。圧粉体は、前焼結後に再圧縮されている。このような方法は、自動車の同期ハブの生産にとくに適している。
【０００６】
１９９７年８月１９日に発行された、セイルカマーによる「連結カムシャフトのためのカムの製造方法」という名称の米国特許第 5,659,873号もまた、前焼結工程を含む方法について開示している。当該方法は、連結カムシャフトのためのカムを製造するのに用いられている。この前焼結工程は、焼入れ・焼き戻しの際に失われることになる所望の形状にカムを再加工するのを可能にしている。
【０００７】
１９９７年８月２６日に発行された、プランパーによる「粉末金属製ヘリカルギヤの製造方法」という名称の米国特許第 5,659,955号は、粉末金属のブランク材を製造するのに前焼結処理を用いており、このブランク材は、３５度以上の螺旋角を有するヘリカルギヤを製造するのに冷間圧延加工される。標準的な粉末金属の圧縮工程は、大きな螺旋角を有するヘリカルギヤの製作には用いられない。
【０００８】
１９９８年３月１７日に発行された、シバナースらによる「ギヤ」という名称の米国特許第 5,792,822号もまた、真空炉で最終加熱され浸炭処理される前に圧延加工されるギヤを前焼結する点について示している。この方法は、トランスミッションギヤの曲げ疲労を最大にするために、耐久性のある硬質の面を有しかつ靭性のある耐破壊特性の芯部を有するトランスミッションギヤを製造している。
【０００９】
１９９９年３月９日に発行された、シバナースらによる「焼結処理された高密度成形工程」という名称の米国特許第 5,881,354号は、高密度製品の成形工程について記述しており、ここでは、前焼結処理された圧粉体が第２の加熱処理の前に回転楕円化処理（spheroidization）を受けている。この回転楕円化処理は、圧粉体を温めて、サイジングすることを含んでいる。この処理は、表面の酸化を低減して、焼結部品の耐疲労性を向上させる。
【００１０】
２０００年１１月２１日に発行された、キャドルらによる「二重スプロケット/ギヤ構造およびその製造方法」という名称の米国特許第 6,148,685号は、スプロケットを製作するのに、その一つは本体用で他の一つは歯用という二種類の冶金粉末混合物を使用している。二つの粉末合金は、最終製品の局部的な機能要求に適合する特性を有している。焼結された本体は、機械加工される。
【００１１】
エンジンおよびトランスミッション用のアプリケーションにおいては、スプロケットが多数列の歯を有しているものがあり、これは単なる圧縮のみによっては製造することができない。第２の機械加工が必要になる。
【００１２】
機械加工の後に実行される熱処理は、通常、高周波処理かまたはバッチ処理である。従来技術は、粉末金属部品が前焼結工程を伴うことによって形成されるような限られた方法に取り組んでいるが、当該分野では、より複雑な形状の粉末金属部品を製造する効率的な方法に対する必要性がある。
【特許文献１】米国特許第4,595,556号明細書
【特許文献２】米国特許第5,049,183号明細書
【特許文献３】米国特許第5,659,873号明細書
【特許文献４】米国特許第5,659,955号明細書
【特許文献５】米国特許第5,792,822号明細書
【特許文献６】米国特許第5,881,354号明細書
【特許文献７】米国特許第6,148,685号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、複雑な形状の粉末金属部品を製造するための新規な製造方法を提供しようとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明は、粉末金属から部品を製造する方法であって、以下の工程から構成されている。
ａ）鉄、０．３〜１．０重量％の炭素、０〜４．０重量％のクロム、０〜３．０重量％の銅、０．５〜１．５重量％のモリブデン、０．５〜４．５重量％のニッケル、０〜１．０重量％のマンガン、および０〜１．５重量％のシリコンからなる金属粉末（各重量％は金属粉末の総重量に基づいて計算）を提供する工程。
ｂ）３０〜６５ｔｓｉ（トン/平方インチ）の圧力で金属粉末を圧縮して圧粉体を得る工程。
ｃ）１４００〜２０００°Ｆで２０〜６０分間、圧粉体を加熱する工程。
ｄ）毎分１０〜１２０°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程。
ｅ）複雑な幾何学的形状を得るように圧粉体を研摩する工程。
ｆ）２０００〜２４００°Ｆで２０〜８０分間、圧粉体を加熱する工程。
ｇ）毎分１２０〜４５０°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程。
【００１５】
請求項２の発明では、請求項１において、部品がスプロケットである。
【００１６】
請求項３の発明では、請求項１において、スプロケットが、６．７〜７．２ｇ/ｃｃの密度の歯を有している。
【００１７】
請求項４の発明では、請求項１において、工程ｂ）において、６．５〜７．２５ｇ/ｃｃの密度の圧粉体を生成するように、金属粉末が圧縮されている。
【００１８】
請求項５の発明では、請求項１において、工程ｄ）において、主にパーライト、フェライト＋パーライト、またはベイナイトの微細構造を生成するように、圧粉体が冷却されている。
【００１９】
請求項６の発明では、請求項１において、工程ｅ）における研摩工程が、形状または外形研摩処理である。
【００２０】
請求項７の発明では、請求項１において、工程ｅ）において、圧粉体が、のこぎり歯、アンダーカットおよびテーパー状からなるグループから選択された幾何学的形状を生成するように研摩されている。
【００２１】
請求項８の発明では、請求項１において、当該製造方法が、工程ｇ）の後に、３００〜１０００°Ｆで３０〜９０分間、圧粉体を加熱する工程をさらに備えている。
【００２２】
請求項９の発明では、請求項８において、生成された圧粉体が、９０％以上のマルテンサイト、０〜３％のパーライト、７％以下の残留オーステナイトの微細構造を有する、焼き戻し処理された圧粉体である。
【００２３】
請求項１０の発明は、粉末金属から部品を製造する方法であって、以下の工程から構成されている。
ａ）鉄、０．８重量％の炭素、２．０重量％の銅、１．２５重量％のモリブデン、１．４重量％のニッケル、および０．４２重量％のマンガンからなる金属粉末（各重量％は金属粉末の総重量に基づいて計算）を提供する工程。
ｂ）４５ｔｓｉの圧力で金属粉末を圧縮して圧粉体を得る工程。
ｃ）１６５０°Ｆで３０分間、圧粉体を加熱する工程。
ｄ）毎分２５°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程。
ｅ）溝を介して二列の歯を生成するように圧粉体を研摩する工程。
ｆ）２０７０°Ｆで３０分間、圧粉体を加熱する工程。
ｇ）毎分１５０°Ｆの速度で圧粉体を冷却する工程。
【００２４】
請求項１１の発明では、請求項１０において、部品がスプロケットである。
【００２５】
本願発明においては、粉末金属から部品を製造する方法が開示されており、この方法は以下の工程を備えている。すなわち、鉄、０．３〜１．０重量％の炭素、０〜４．０重量％のクロム、０〜３．０重量％の銅、０．５〜１．５重量％のモリブデン、０．５〜４．５重量％のニッケル、０〜１．０重量％のマンガン、および０〜１．５重量％のシリコンからなる金属粉末が提供されている。
【００２６】
金属粉末は、微粒子化および混合によって作製される。粉末金属部品は、圧縮、前焼結、外形/形状研摩、焼結炉硬化および二次処理によって、製造される。外形/形状研摩は、アンダーカットのような、圧縮処理のみで形成することができない複雑な形状を作り出す。
【００２７】
特定の前焼結サイクルは、外形研摩に耐え得るほど十分に強くしかも簡単に研摩でき摩耗工具の寿命を伸ばすほど十分に軟らかい部品を製作する。本発明により作製される粉末金属部品についても開示されている。
【００２８】
本発明およびその目的をさらに理解するためには、図面、図面の簡単な説明、本発明の好ましい実施態様の詳細な説明および特許請求の範囲に注意が向けられるべきである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、圧粉体の前焼結処理を行い、その後、圧粉体の外径/形状研摩を行うようにしたので、複雑な形状の粉末金属部品を製造できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
金属粉末が、微粒子化および混合によって作製される。粒子材料は、鉄、０．３〜１．０重量％の炭素、０〜４．０重量％のクロム、０〜３．０重量％の銅、０．５〜１．５重量％のモリブデン、０．５〜４．５重量％のニッケル、０〜１．０重量％のマンガン、および０〜１．５重量％のシリコンから構成されている。表１は、粒子材料の組成を示している。粉末は、良好な焼結硬化性を有している。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
本発明による工程のフローチャートが図１に示されている。
まず、ステップＳ１に示すように、金属粉は、３０〜６５ｔｓｉ（つまりton/inch2）の圧力で圧縮されて、密度６．５〜７．２５ｇ/ｃｍ３の未焼結の圧粉体になる。次に、ステップＳ２において、未焼結の部品は、１４００〜２０００°Ｆの温度で前焼結される。前焼結時間は、２０〜６０分間である。
【００３３】
パーライト、フェライト＋パーライト、およびベイナイトのような種々の微細構造を作製するために、冷却速度は、毎分１０°Ｆ〜１２０°Ｆまで変動する。冷却速度が毎分１２０°Ｆよりも大きい場合には、機械加工が難しいマルテンサイトが形成される。
【００３４】
毎分１０°Ｆのような緩やかな冷却は、主にパーライトの微細構造を生成する。回転楕円形状のパーライトは、機械加工に最適である。次に、圧粉体は、周囲温度またはその近傍温度まで冷却される。微細構造は、前焼結温度および冷却速度を制御することにより、精度よく達成できる。
【００３５】
前焼結の結果、粉末金属部品は、ステップＳ３に示す外形/形状研摩に十分な強度を得る。特定の前焼結サイクルはまた、部品の粒子硬度を低くして、外形/形状研摩工程で使用される研摩工具の寿命を延ばす。
【００３６】
外形/形状研摩は、外形形状および複雑な幾何学的形状を生成するのに、超研摩工具を使用している。この工程はまた、超研摩機械加工（ＳＡＭ：Super Abrasive Machining）と呼称されている。
【００３７】
外形/形状研摩は、従来の粉末金属圧縮法や単一の機械加工では製作が困難な多数列の歯やアンダーカットの歯のような複雑な形状を製作するために、前焼結後に行われている。形状の複雑さは、形状の大きさや精度、および研摩装置によってのみ限定される。
【００３８】
研摩処理後、ステップＳ４において、部品が焼結炉硬化される。焼結炉硬化の条件は、以下のとおりである。焼結温度が２０００〜２４００°Ｆで、２０〜８０分間加熱し、毎分１２０〜４５０°Ｆの冷却速度で冷却する。
【００３９】
最終熱処理は、最終の粉末金属部品の中に少量の残留オーステナイト、パーライトおよびベイナイトを伴いつつ９０％以上のマルテンサイトを生成することができる。次に、ステップＳ５において、焼き戻し、バリ取りおよびその他の二次処理が、最終性能要求に応じて任意的に行われる。
【００４０】
本発明は、外形/形状研摩（ステップＳ３）および焼結炉硬化（ステップＳ４）の前に、特殊な前焼結サイクル（ステップＳ２）を用いている。前焼結された部品は、破損や欠けを起こすことなく外形/形状研摩するのに十分な強度を有している。
【００４１】
外形/形状研摩（つまりＳＡＭ）は、単一の処理で複雑な幾何学的形状を生成する。この方法は、外形/形状研摩処理を低い圧力でしかも焼結部品を通常研摩する場合よりも大きな送り速度で実行するのを可能にする。本発明はまた、硬化された粉末金属部品を研摩する問題を回避している。
【００４２】
実験例１
ジェミニ（Gemini）スプロケットは、歯の列の間に位相角を有する２列の歯を備えている。このジェミニスプロケットの設計手法は、１９９５年６月２７日に発行された、レッドバイナらによる「フェーズドチェーン組立体」という名称の米国特許第 5,427,580号に開示されている。
【００４３】
このスプロケットは、自動車の四輪駆動トランスミッションに使用されるチェーン駆動システムの一部である。ジェミニスプロケットの利点は、運転中のノイズを低減することである。材料の発達を考慮することは、硬度/摩耗抵抗および良好な硬化性を含んでいる。
【００４４】
本発明の一実施例においては、鉄、２．０重量％の銅、０．８重量％の炭素、１．４重量％のニッケル、１．２５重量％のモリブデン、０．４２重量％のマンガンを含む材料が、４５tsiの圧力で圧縮されて、１６５０°Ｆの温度で３０分間、前焼結される。
【００４５】
前焼結された部品は、毎分２５°Ｆの温度で冷却される。次に、部品は、超硬製のホイールで研摩され、溝を介して二列の歯が生成される。外形/形状研摩後、部品は、２０７０°Ｆで３０分間焼結炉硬化される。その後、部品は、毎分１５０°Ｆの速度で冷却される。次に、二次処理として、バリ取りが実行される。
【００４６】
本明細書中で記述された本発明の実施例は、本発明の原理を適用する単なる例示にすぎないということが理解されるべきである。図示された実施例の詳細に本明細書中で言及したことは、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定する意図ではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】焼結硬化された、複雑な形状の金属部品を製造するための本発明による工程を示すフローチャートである。
【図１】
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