(57)【要約】  【課題】特にコモンレール噴射弁のための、必然的に高い負荷にさらされる構成部品の製造のために適した方法を提案する。  【解決手段】鋼成形体、特にコモンレール噴射弁のための構成部分を製造するための方法であって、ベイナイト組織を調整するために、炭素及びマイクロ合金成分を添加しながら、酸化物粒子から酸化鉄をベースとした粉末状の組成を形成するステップと、粉末状の組成を焼結温度に加熱するステップと、焼結によって得られた成形体を還元するステップと、焼結された成形体を室温に冷却するステップとを有する。  【選択図】  図１
2016526603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼成形体、特に、例えばコモンレール噴射弁のための構成部分を製造するための方法であって、
ベイナイト組織を調整するために、炭素および少なくとも１つのマイクロ合金成分を添加しながら、硬い酸化物粒子から、酸化鉄をベースとした粉末状の組成を形成する方法ステップと、
前記粉末状の組成を焼結温度に加熱する方法ステップと、
前記焼結によって得られた成形体を還元する方法ステップと、
前記焼結された成形体を室温に冷却する方法ステップと、
を有していることを特徴とする、鋼成形体を製造するための方法。
【請求項２】
前記粉末状の組成の酸化物粒子が、成分構成要素として、概ね０．８〜１．９％の含有量のマンガン、概ね０．３〜１．５％の含有量のシリコン、概ね０．１〜１．８％の含有量のクロム、概ね０．２〜１．５％の含有量のニッケル、および概ね０．１〜０．５％の含有量のモリブデンを有していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸化鉄を構成する粉末状の組成に、０．０１〜０．０４％の含有量のアルミニウム、および／または≦０．００２５％の含有量のホウ素、および／または０．０５〜０．２０％の含有量のバナジウムを有するマイクロ合金成分を添加す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】
前記炭素の添加を、プロセスガスによって、好適には一酸化炭素によって行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記炭素の添加を、グラファイトおよび／またはカーバイドを添加混合することによって行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記炭素の添加を、炭化水素を含有するバインダーによって行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
概ね０．１５〜０．３％の範囲内の最終含有量を有する炭素を添加することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
酸化鉄を形成する組成に、カーバイドを形成する成分を添加混合し、この際に、前記カーバイドを形成する成分が、概ね０．０１〜０．０３％の含有量のチタンおよび／または概ね０．０１〜０．０４％の含有量のニオブを有していることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記カーバイドを形成する成分と共に、炭素および／または窒素を供給することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
概ね０．０１〜０．０３％の範囲内の最終含有量を有する窒素を、好適にはＮ２またはＮＨ３によるプロセスガスとして、焼結時に供給することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
微細粒状の酸化物セラミックス粒子を粉末状の組成に添加混合し、この際に、酸化物セラミックス粒子が、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素のグループの単数または複数より形成されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記成形体を脱バインダーするためのプロセスステップを実施することを特徴とする、請求項６から１１までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼成形体、特に例えばコモンレール噴射弁のための構成部分を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼中間製品は、溶融冶金的な方法により製造可能である。この場合、原材料が製鋼所では銑鉄からいわゆるＬＤルート“ＬＤ−Ｒｏｕｔｅ”を介して、または屑鉄からいわゆる電気炉ルートを介して溶融され、所望の組成が溶融状態で調整される。次いで、このような形式の鋼中間製品が連続鋳造装置で連続的に一次材料に鋳造され、次いでこの一次材料が圧延機で熱機械的な圧延によって、意図的に行われる熱処理を伴って、または熱処理なしで棒鋼に圧延され、この棒鋼が、相応の構成部分を切削加工により製作するための原材料として用いられる。
【０００３】
金属構成部分を製造することができる、最終寸法に近い製造工程は、粉末冶金的な製造法として公知である。この製造工程は、金属粉末のプレスおよび次いで行われる焼結、またはいわゆる熱間均圧プレスである。特別な形状は、いわゆる金属粉末射出成形ＭＩＭ（“Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ”）により形成される。この場合、出発原料として金属粉末が用いられ、この金属粉末は、所望の目標組成に対応して予め合金化されている。
【０００４】
特許文献１によれば、金属体を製造するための方法が公知である。この場合、金属化合物粒子がバインダーと混合され、部品を形成するために圧縮される。次いで、バインダーが取り除かれ、高温で還元ガスに曝露されることによって、金属化合物が金属に還元され、この際に、還元された金属化合物の焼結温度を下回る温度で還元が実施され、取り除き可能な成分と安定的な成分とから成るバインダー混合物が使用され、次いで、取り除き可能な成分が取り除かれ、次いで成形体が、酸化された雰囲気内で５５０℃と９５０℃との間の温度で負荷され、それによって安定的なバインダー成分がガス状の分解生成物に移行し、母体から取り除かれ、次いで、成形体が炭素を含有する雰囲気内で予備還元され、次いで水素含有ガスにより後還元される。しかしながら、このような従来技術は、本質的な顕著な強度を有する、ベイナイト的に構成された鋼成形体の製造を、明確に目指したものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ヨーロッパ特許第１２６８１０５号明細書
【発明の概要】
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の特徴を有する方法は、酸化鉄例えば（Ｆｅ３Ｏ２）および酸化物粒子とマイクロ合金成分との添加混合を前提とする、鋼成形体のための予め規定された粉末状の初期組成によって、好適には、後続のプロセス段階中にベイナイト相が調整可能である、という利点を有している。これによって、粉末射出成形を用いて、従来技術に従って製作された硬質鋼の材料特性に相当する材料特性を有する粉末冶金的な鋼成形体を製造するための、最終寸法に近似する方法が得られる。さらに、本発明による方法に従って製造された鋼成形体は、その化学的な組成に基づいて、空気冷却の際に、好適な機械的特性を有するベイナイト組織が形成されるように、変態緩慢である、という点で優れている。これに対応して、概ね１１００〜１６００ＭＰａの範囲内の比較的高い機械的若しくは静的強度、およびこれに伴う、１０％〜１５％の間の均一伸長によって明らかである高い延性が得られる。このような材料特性に基づいて、本発明による方法は、特にコモンレール噴射弁のための、必然的に高い負荷にさらされる構成部品の製造のために適しているが、その他の周期的に高い負荷にさらされる構成部分の製造のためにも適している。さらに、好適には、例えば切削による後加工費用は、最終寸法に近似する方法のゆえに、従来技術に対して低減され、ひいては経費削減が得られる。
【０００７】
本発明のその他の好適な変化実施例および実施態様は、従属請求項に記載した手段によって得られる。
【０００８】
本発明による方法の好適な実施態様によれば、粉末状の組成の酸化物粒子が、成分構成要素として、概ね０．８〜１．９％の含有量のマンガン、概ね０．３〜１．５％の含有量のシリコン、概ね０．１〜１．８％の含有量のクロム、概ね０．２〜１．５％の含有量のニッケル、および概ね０．１〜０．５％の含有量のモリブデンを有していて、酸化鉄をベースとして原材料の基本組成を形成し、それによって、次いで行われるプロセス段階中にベイナイト組織を得ることができる。この場合、添加されたマイクロ合金成分は、０．０１〜０．０４％の含有量のアルミニウム、および／または≦０．００２５％の含有量のホウ素、および／または０．０５〜０．２０％の含有量のバナジウムを有している。本発明による方法の変化例は、炭素の添加を、プロセスガスによって、好適には一酸化炭素によって行う、という点にある。別の変化例によれば、炭素の添加は、グラファイトおよび／またはカーバイドを添加混合することによって行われてよい。本発明の方法の変化例によれば、炭素の添加は、炭化水素を含有するバインダーによって行われてよく、この場合、焼結に続いて、成形体を脱バインダーするためのプロセス段階が、本発明による方法に含まれる。
【０００９】
成形体の固有の強度を高める、本発明による方法の好適な実施態様は、酸化鉄を形成する組成に、カーバイドを形成する成分を添加混合し、この場合、カーバイドを形成する成分が、概ね０．０１〜０．０３％の含有量のチタンおよび／または概ね０．０１〜０．０４％の含有量のニオブを有している、という点にある。
【００１０】
本発明による方法の変化実施例によれば、微細粒状の酸化物セラミックス粒子を粉末状の組成に添加混合し、この場合、酸化物セラミックス粒子が、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素のグループの単数または複数より形成される。これによって、本発明による方法の最後に形成された成形体の静的強度は高められる。
【００１１】
本発明の実施例を、以下の説明および添付の図面を用いて詳しく説明する。以下のものは、概略図である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による方法の作用メカニズムを示すための線図であって、この場合、冷却特性の経時変化に対する様々な状態領域の温度変化が示されている。
【図２】本発明の方法に従って製造された、フェライトおよびパーライトより成る僅かな体積部分を有する微細粒状のベイナイトより成る組織の著しく概略化された図である。
【図３】本発明の方法に従って製造された、微細粒状のベイナイトおよび微細析出されたカーバイドより成る組織の著しく概略化された図である。
【図４】本発明の方法に従って製造された、微細粒状のベイナイトおよび非金属酸化物粒子並びに微細粒状のカーバイドより成る組織の著しく概略化された図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、概略的に示された状態線図１０を用いて、本発明による方法の作用原理を示す。状態線図１０の縦座標軸に、横座標軸に示された冷却時間に対する鋼の主な状態領域のための温度変化が示されている。状態線図１０の上の温度領域にフェライト／パーライト状態領域１１が示され、中央の温度領域にベイナイト状態領域１２が示され、下の温度領域にマルテンサイト状態領域１３が示されている。本発明による作用メカニズムは、酸化鉄をベースにした例えばＦｅ３Ｏ２から出発して、酸化ニッケルまたは酸化モリブデン等の金属酸化物、並びにクロム等の金属粉末を添加することによって、粉末状の組成を形成し、この場合、焼結時にオーステナイトからフェライト／パーライト状態領域１１への相転移が抑制されるか、または少なくとも、焼結温度から室温へのゆっくりとした冷却速度においても好適なベイナイトが形成される程度の長さの冷却時間にずらされる、という点にある。このために、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の合金成分、および追加的にチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）および／またはホウ素（Ｂ）等の微細合金成分を添加することによって、ベイナイト状態領域１２は、温度軸Ｔ上でも、また時間軸ｔ上でも広げられ、この際に、フェライト／パーライト状態領域１１は、このような合金成分の添加に基づいて、状態線図１０において右方へ、つまり、より長い冷却時間ｔに向かってずらされ、マルテンサイト状態領域１３は状態線図１０内で下方へ、つまりより低い温度に向かってずらされる。これにより、本発明によれば、もはやマルテンサイトではなくベイナイトに構成された、いわゆる変態緩慢な材料を生ぜしめることが可能である。追加的に、本発明によれば、微細合金成分およびアルミニウムが炭素および／または窒素と共に微細析出物を形成し、この微細析出物が、焼結中における粒の成長を妨げ、それによって微細粒状の構造が得られる。
【００１４】
このために必要な基本組成は、酸化鉄をベースとして、０．８〜１．９％のマンガン含有量、０．２〜１．５％のシリコン含有量、０．１〜１．２％のクロム含有量、０．２〜１．５％のニッケル含有量および０．１〜０．５％のモリブデン含有量を有している。
【００１５】
金属粉末は、例えばフェロマンガンまたはフェロチタン等のマスター合金として添加混合され得る。
【００１６】
図２は、本発明の第１実施例を示す。この第１実施例は、ベイナイト粒子１０１と僅かな含有量のフェライト／パーライト粒子１０２とから形成され、粒界に微細析出物１０３を有するベイナイト組織１００に関するものである。この組織１００は、非常に微細な粒状に構成されていて、ベイナイト粒子１０１は、２０μｍよりも明らかに小さいベイナイト針の長さを有している。さらに、ベイナイト組織１００は、概ね１０００〜１１５０ＭＰａの範囲内にある高い静的強度Ｒｍを有している。このために、基本組成に、追加的にさらに、微細合金成分として、０．０１〜０．０４％の含有量を有するアルミニウム、≦０．００２５％の含有量を有するホウ素、０．０５〜０．２０％の含有量を有するバナジウムが添加され、この場合、添加は、これらのグループから選択された１つの成分だけによって、または個別の成分を混合することによって行われてもよい。
【００１７】
さらに、高い静的強度を得るために、０．１５から０．３％の最終含有量を有する炭素の添加が必要である。炭素の添加は、プロセスガス例えば一酸化炭素（ＣＯ）を介して行われるか、または基本組成にグラファイトが添加混合されることによってグラファイトの添加を介して行われてもよい。別の可能性は、焼結過程中に溶解する、還元可能なカーバイド例えばＳｉＣを添加混合し、それによって遊離炭素が余って残り、次いでこの遊離炭素が酸化粉末と反応することができる、という点にある。さらに、炭素供給はバインダーを介して行われてよい、このバインダーは、射出成形材を製造するために必要であり、樹脂つまり炭化水素化合物から形成される。
【００１８】
図３は、本発明の第２実施例を示す。この場合、ナノカーバイド２０２、つまりナノメートル範囲のカーバイドおよび炭窒化物の微細析出物を含有するベイナイト粒子２０１より成る完全なベイナイト組織２００に関する。この組織２００は、概ね１１００から１６００ＭＰａまで変化する静的強度Ｒｍを有している。第１実施例とは異なり、第２実施例では、カーバイドを形成する成分を添加することによって追加的な強度の増加が得られる。このカーバイドを形成する成分は、大きさがほんの数ナノメートルの範囲内にある微細カーバイド析出を形成することによって、そうでなければ可能な金属格子内での移動運動を阻止し、それによって、粘性に不都合な影響を及ぼすことなしに強度を高める。カーバイドを形成する成分として、０．０１％の含有量を有するチタンおよび／または０．０１〜０．０４％の含有量を有するニオブが用いられ、これらのチタンおよび／またはニオブは、第１実施例に従って、同時に一緒にまたは所望の目標強度に依存して単独でも酸化物粉末混合物に添加混合される。さらに、カーバイドを形成するために、炭素および／または窒素の供給が必要である。第１実施例とは異なり、この実施例では、高濃度の炭素の供給が行われるので、金属格子内に炭素過剰が調整され、これによって格子歪みをもたらし、ひいては、第２相としてのカーバイドの形の相関析出物が得られる。炭素の供給は、プロセスガスとしてグラファイトの添加により行われるか、またはバインダーを用いて行われてもよい。０．０１から０．０３％の最終含有量を有する窒素の追加的な供給は、プロセスガス例えばＮ２またはＮＨ３として焼結時に行われてよい。何故ならば、窒素も金属格子内で第２相を形成し得るからである。
【００１９】
図４は、本発明の第３実施例を示す。この場合、微細粒状のベイナイト３０１、カーバイドまたは炭窒化物析出３０２並びに酸化物セラミックス粒子３０３より成る組織３００に関する。第２実施例とは異なり、この実施例においては追加的に、サブマイクロメートル範囲内の大きさを有する微細粒状の酸化物セラミックス粒子の添加が行われる。酸化物セラミックス粒子として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が設けられている。これらの粒子は、初期混合物に添加され、個別の方法ステップを介して引き続き保持される、つまりこの化合物は、還元焼結中に金属格子内で溶解するのではなく、格子内での大きさおよび分布に基づいて、中間製品材料内つまりベイナイト基礎組織内で外因性および熱的に安定した第２相を形成することによって、そうでなければ可能な金属格子内での移動運動を阻止する。これによって、本発明の方法の最後において得られる中間製品材料の静的強度Ｒｍは、その粘性に重大な影響を及ぼすことなしに高められる。
【００２０】
要約すれば、鋼成形体若しくは中間製品特に構成部分を製造するための、本発明による方法は、ベイナイト組織を調整するために、炭素およびマイクロ合金成分を添加しながら、酸化物粒子およびバインダーより成る、酸化鉄をベースとした粉末状の組成を形成する方法ステップと、中間製品をプレスする方法ステップと、脱バインダーのために中間製品を４５０℃〜６００℃の間の等温保持段階に加熱して、この際に炭化水素を含有するバインダーを取り除く加熱ステップと、プレスによって得られた成形体を還元するために焼結温度に加熱する加熱ステップと、焼結された成形体を室温に冷却する冷却ステップとを有しており、この場合、冷却のために、予め規定された冷却勾配若しくは温度勾配が調整される。これによって、フェライトパーライト状態領域１１がより長い冷却時間にずらされ、マルテンサイト状態領域１３がより低い温度にずらされることによって、１つの状態線図１０内の３つの主要な状態位相、つまりフェライトパーライト状態領域１１、ベイナイト状態領域１２およびマルテンサイト状態領域１３のうちの好適にはベイナイト状態位相が、平均的な温度領域内に形成される。
【符号の説明】
【００２１】
１０  状態線図
１１  フェライト／パーライト状態領域
１２  ベイナイト状態領域
１３  マルテンサイト状態領域
１００  ベイナイト組織
１０１  ベイナイト粒子
１０２  フェライト／パーライト粒子
１０３  微細析出物
２００  ベイナイト組織
２０１  ベイナイト粒子
２０２  ナノカーバイド
３００  組織
３０１  ベイナイト
３０２  カーバイドまたは炭窒化物析出
３０３  酸化物セラミックス粒子
ｔ  時間軸
Ｔ  温度軸
【図１】
2016526603.tif 000003
【図２】
2016526603.tif 000004
【図３】
2016526603.tif 000005
【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年12月22日(2015.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼成形体であるコモンレール噴射弁の構成部分を製造するための方法であって、
ベイナイト組織を調整するために、炭素及びマイクロ合金成分を添加しながら、硬い酸化物粒子から酸化鉄をベースとした粉末状の組成を形成する方法ステップと、
前記粉末状の組成を焼結温度に加熱する方法ステップと、
前記焼結によって得られた成形体を還元する方法ステップと、
前記焼結された成形体を室温に冷却する方法ステップと、
を有していることを特徴とする鋼成形体を製造するための方法。
【請求項２】
前記粉末状の組成の酸化物粒子が、成分構成要素として、
０．８〜１．９％の含有量のマンガンと、
０．３〜１．５％の含有量のシリコンと、
０．１〜１．８％の含有量のクロムと、
０．２〜１．５％の含有量のニッケルと、
０．１〜０．５％の含有量のモリブデンと
を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸化鉄を構成する粉末状の組成に、
０．０１〜０．０４％の含有量のアルミニウム、および／または≦０．００２５％の含有量のホウ素、および／または０．０５〜０．２０％の含有量のバナジウムを有するマイクロ合金成分を添加する
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】
前記炭素の添加をプロセスガスである一酸化炭素によって行う
ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記炭素の添加をグラファイトおよび／またはカーバイドを添加混合することによって行う
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記炭素の添加を炭化水素を含有するバインダーによって行う
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
０．１５〜０．３％の範囲内の最終含有量を有する炭素を添加する
ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
酸化鉄を形成する組成に、
カーバイドを形成する成分を添加混合し、この際に前記カーバイドを形成する成分が０．０１〜０．０３％の含有量のチタンおよび／または概ね０．０１〜０．０４％の含有量のニオブを有している
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記カーバイドを形成する成分と共に炭素および／または窒素を供給する
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
０．０１〜０．０３％の範囲内の最終含有量を有する窒素をＮ２またはＮＨ３によるプロセスガスとして、焼結時に供給する
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
微細粒状の酸化物セラミックス粒子を粉末状の組成に添加混合し、この際に酸化物セラミックス粒子が酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素のグループの単数または複数より形成されている
ことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記成形体を脱バインダーするためのプロセスステップを実施する
ことを特徴とする請求項６から１１までのいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
2016526603.tif 000007
2016526603.tif 000008
2016526603.tif 000009
2016526603.tif 000010