(57)【要約】  高摩耗および高温用途のための粉末金属組成物は、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含む溶融鉄ベースの合金を噴霧することによって作られる。高い炭素含有率は、溶融物における酸素の可溶性を減少させ、そのため、下回ると炭化物形成元素を噴霧中に酸化させるであろうレベルまで酸素含有率を低下させる。粉末金属組成物は、少なくとも１５体積％の量の金属炭化物を含む。炭素の量が増加するにつれて、粉末金属組成物の微小硬度は増大し、典型的には約８００〜１５００Ｈｖ５０である。
2016516135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属組成物であって、
前記粉末金属組成物の総重量に基づいて、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含む、粉末金属組成物。
【請求項２】
３．５〜４．０重量％の炭素と、１１．０〜１５．０重量％のクロムと、１．５〜３．５重量％のタングステンと、４．０〜６．５重量％のバナジウムと、１．０〜３．０重量％のモリブデンと、０．３重量％以下の酸素と、５０．０〜８１．５重量％の鉄とを含む、請求項１に記載の粉末金属組成物。
【請求項３】
３．８重量％の炭素、１３．０重量％のクロム、２．５重量％のタングステン、６．０重量％のバナジウム、１．５重量％のモリブデン、０．２重量％の酸素、７０．０〜８０．０重量％の鉄、および２．０重量％以下の量の不純物から成っている、請求項２に記載の粉末金属組成物。
【請求項４】
コバルト、ニオブ、チタン、マンガン、硫黄、シリコン、リン、ジルコニウムおよびタンタルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の粉末金属組成物。
【請求項５】
前記粉末金属材料の総体積に基づいて、少なくとも１５．０体積％の量の金属炭化物を含む、請求項１に記載の粉末金属材料。
【請求項６】
前記金属炭化物は、Ｍ８Ｃ７、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃからなる群から選択され、Ｍは、少なくとも１つの金属原子であり、Ｃは、炭素である、請求項５に記載の粉末金属材料。
【請求項７】
Ｍ８Ｃ７は、（Ｖ６３Ｆｅ３７）８Ｃ７であり、Ｍ７Ｃ３は、（Ｃｒ３４Ｆｅ６６）７Ｃ３、Ｃｒ３．５Ｆｅ３．５Ｃ３およびＣｒ４Ｆｅ３Ｃ３からなる群から選択され、Ｍ６Ｃは、Ｍｏ３Ｆｅ３Ｃ、Ｍｏ２Ｆｅ４Ｃ、Ｗ３Ｆｅ３ＣおよびＷ２Ｆｅ４Ｃからなる群から選択される、請求項６に記載の粉末金属材料。
【請求項８】
粉末金属組成物を含む焼結材料であって、前記粉末金属組成物は、前記粉末金属組成物の総重量に基づいて、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含む、焼結材料。
【請求項９】
前記粉末金属組成物は、３．５〜４．０重量％の炭素と、１１．０〜１５．０重量％のクロムと、１．５〜３．５重量％のタングステンと、４．０〜６．５重量％のバナジウムと、１．０〜３．０重量％のモリブデンと、０．３重量％以下の酸素と、５０．０〜８１．５重量％の鉄とを含む、請求項８に記載の焼結材料。
【請求項１０】
前記粉末金属組成物は、３．８重量％の炭素、１３．０重量％のクロム、２．５重量％のタングステン、６．０重量％のバナジウム、１．５重量％のモリブデン、０．２重量％の酸素、７０．０〜８０．０重量％の鉄、および２．０重量％以下の量の不純物から成っている、請求項９に記載の焼結材料。
【請求項１１】
前記粉末金属組成物の総体積に基づいて、少なくとも１５．０体積％の量の金属炭化物を含む、請求項８に記載の焼結材料。
【請求項１２】
前記金属炭化物は、Ｍ８Ｃ７、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃからなる群から選択され、Ｍは、少なくとも１つの金属原子であり、Ｃは、炭素である、請求項１１に記載の焼結材料。
【請求項１３】
Ｍ８Ｃ７は、（Ｖ６３Ｆｅ３７）８Ｃ７であり、Ｍ７Ｃ３は、（Ｃｒ３４Ｆｅ６６）７Ｃ３、Ｃｒ３．５Ｆｅ３．５Ｃ３およびＣｒ４Ｆｅ３Ｃ３からなる群から選択され、Ｍ６Ｃは、Ｍｏ３Ｆｅ３Ｃ、Ｍｏ２Ｆｅ４Ｃ、Ｗ３Ｆｅ３ＣおよびＷ２Ｆｅ４Ｃからなる群から選択される、請求項１２に記載の焼結材料。
【請求項１４】
前記金属炭化物は、前記粉末金属組成物の総体積に基づいて、約５．０〜１０．０体積％の量のバナジウムを多く含む炭化物、および約４０．０〜４５．０体積％の量のクロムを多く含む炭化物を含む、請求項１１に記載の焼結材料。
【請求項１５】
前記金属炭化物は、１〜２マイクロメートルの直径を有する、請求項１１に記載の焼結材料。
【請求項１６】
８００〜１５００Ｈｖ５０の微小硬度および約１２３５℃（２２５５°Ｆ）の融点を有する、請求項８に記載の焼結材料。
【請求項１７】
前記粉末金属組成物に加えて、別の粉末金属を少なくとも３０．０重量％さらに含む、請求項８に記載の焼結材料。
【請求項１８】
粉末金属組成物を形成する方法であって、
溶融鉄ベースの合金を設けるステップを備え、前記溶融鉄ベースの合金は、前記溶融鉄ベースの合金の総重量に基づいて、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含み、前記方法はさらに、
前記鉄ベースの合金の噴霧小滴を提供するために前記溶融鉄ベースの合金を噴霧するステップを備える、方法。
【請求項１９】
前記噴霧小滴から酸化物膜を除去するために前記噴霧小滴を粉砕するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
焼結品を形成する方法であって、
溶融鉄ベースの合金を設けるステップを備え、前記溶融鉄ベースの合金は、前記溶融鉄ベースの合金の総重量に基づいて、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含み、前記方法はさらに、
前記鉄ベースの合金の噴霧小滴を提供するために前記溶融鉄ベースの合金を噴霧するステップと、
前記噴霧小滴を任意に粉砕するステップと、
プリフォームを形成するために前記小滴を圧縮するステップと、
前記プリフォームを焼結するステップとを備える、方法。
【請求項２２】
前記焼結するステップの前に前記小滴をアニーリングするステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記噴霧するステップは、少なくとも１５体積％の量の金属炭化物を形成するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも３０．０重量％の別の粉末金属を前記噴霧小滴と混合するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
約１２３５℃（２２５５°Ｆ）の融点を有する、請求項３に記載の粉末金属組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国出願番号第１３／８３７，５４９号の優先権を主張し、米国出願番号第１３／８３７，５４９号の内容は、全文が引用によって本明細書に援用される。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般に、粉末金属組成物および鉄ベースの合金から当該粉末金属組成物を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
工具鋼グレードの粉末などの高硬度の予め合金化された鉄ベースの粉末は、さまざまな製品の粉末冶金製造において、単独で使用されるか、または他の粉末金属組成物と混合されるかのいずれかであり得る。工具鋼は、炭素と結合してＭ６Ｃ、ＭＣ、Ｍ３Ｃ、Ｍ７Ｃ３、Ｍ２３Ｃ６などのさまざまな炭化物を形成する、クロム、バナジウム、モリブデンおよびタングステンなどの元素を含む。これらの炭化物は、非常に硬く、工具鋼の耐摩耗性に寄与する。
【０００４】
粉末金属処理の使用により、完全に合金化された溶融金属から粒子を形成することが可能になり、その結果、各粒子は、金属の溶融バッチの完全に合金化された化学的組成を有する。また、粉末金属プロセスにより、溶融金属が小粒子に急速に凝固することも可能になり、通常はインゴット鋳造と関係があるマクロ偏析を排除する。工具鋼などの高合金鋼の場合、各粒子内で炭化物の均一な分布が発生し得て、非常に硬くかつ耐摩耗性の粉末材料をもたらす。
【０００５】
噴霧により粉末を生成することが一般的である。工具鋼および非常に酸化しやすい高レベルのクロムおよび／またはバナジウムを含む他の合金の場合、ガス噴霧がしばしば使用され、溶融合金のストリームがノズルを介して保護チャンバに注入され、溶融金属のストリームを小滴に分散させる窒素などの高圧不活性ガスの流れによって影響を受ける。不活性ガスは、合金元素が噴霧中に酸化することから保護し、ガス噴霧された粉末は、特徴的な平滑で丸みを帯びた形状を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粉末金属を製造するために水噴霧も一般に使用される。噴霧流体として窒素ガスの代わりに高圧水が使用されること以外は、水噴霧はガス噴霧と類似している。水は、より効果的な焼入れ媒体であり得て、そのため、従来のガス噴霧と比較して凝固速度が速いだろう。水噴霧された粒子は、典型的にはより不規則な形状を有し、これは、粉末金属成形体のより大きな生強度を達成するために、その後の粉末の圧縮中はより望ましいであろう。しかし、工具鋼および高レベルのクロムおよび／またはバナジウムを含む他の鋼の場合、噴霧流体として水を使用することにより、合金元素が噴霧中に酸化し、これらの合金元素を結合させて、炭化物を形成するための炭素との反応に利用できなくする。その結果、水噴霧が利用される場合には、水噴霧に続いて別の酸化還元および／またはアニーリングサイクルを行う必要があり得て、粉末は、加熱され、粉末グラファイトなどの還元剤または炭素もしくは他の還元剤の他の供給源の存在下で、または別の還元プロセスによって、非常に長い期間（約数時間または数日間）高温に保持される。グラファイトの炭素は、酸素と結合して、合金元素を自由にし、その結果、未加工の成形体への粉末の凝固後の後続の焼結および焼き戻し段階中に炭化物形成で利用できるようになるであろう。追加のアニーリング／還元ステップおよびグラファイト粉末の添加の必要性は、水噴霧プロセスによる高合金粉末の形成のコストおよび複雑さを増大させるということが理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明の一局面は、粉末金属組成物を製造する方法を提供し、上記方法は、溶融鉄ベースの合金を設けるステップを備え、上記溶融鉄ベースの合金は、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含み、上記方法はさらに、上記鉄ベースの合金の噴霧小滴を提供するために上記溶融鉄ベースの合金を噴霧するステップを備える。
【０００８】
本発明の別の局面は、焼結品を製造する方法を提供し、上記方法は、溶融鉄ベースの合金を設けるステップを備え、上記溶融鉄ベースの合金は、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含み、上記方法はさらに、粉末金属組成物と称される上記鉄ベースの合金の噴霧小滴を提供するために上記溶融鉄ベースの合金を噴霧するステップを備える。上記方法は、次に、上記粉末金属組成物を別の粉末金属と混合するステップと、プリフォームを形成するために上記混合物を圧縮するステップと、上記プリフォームを焼結するステップとを含む。
【０００９】
本発明の別の局面は、粉末金属組成物を提供し、上記粉末金属組成物は、上記粉末金属組成物の総重量に基づいて、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含む。
【００１０】
本発明の別の局面は、焼結された粉末金属組成物を提供し、上記焼結された粉末金属組成物は、上記焼結された粉末金属組成物の総重量に基づいて、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、０．５重量％以下の酸素と、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含む。
【００１１】
本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、粉末を製造するために使用されるプロセスを概略的に示す詳細な説明および添付の図面から当業者により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】粉末金属組成物を製造するためのプロセスの概略図である。
【図２】硬度対炭素含有率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
詳細な説明
予め焼結された粉末金属組成物とも称される鉄ベースの合金の高炭素粉末を製造するためのプロセスが、図１に概略的に示されている。当該粉末金属組成物は、安価に製造され、高い硬度を有し、当該硬度は、ガスまたは従来の水噴霧プロセスによって、より低い炭素レベルを有する同等の合金組成物で一般に達成される硬度を上回ると考えられる。
【００１４】
当該プロセスは、まず、鉄ベースの合金のバッチ１０を調製することを含む。当該鉄ベースの合金は、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびバナジウム（Ｖ）を含む炭化物形成元素と完全に合金化される。鉄ベースの合金は、溶融され、次いで噴霧器１２に送られる。図１の実施の形態では、噴霧器は水噴霧器１２であるが、代替的にはガス噴霧器であってもよい。ガス噴霧を使用すると、水噴霧よりもいくつかの特性を向上させることができ、例えば流れがよくなり、見かけ密度が向上し、酸素含有率が低くなる。また、ガス噴霧は、概して円形の形状を有する小滴を提供する。
【００１５】
図１の水噴霧ステップでは、溶融バッチ１０のストリームは、溶融ストリームを不規則な形状の完全に合金化された金属小滴または粒子に分散させて急速に凝固させる高圧水の流れによって影響を受ける。金属粒子の外面は、水および保護されていない雰囲気にさらされることにより酸化し得る。噴霧粒子は、乾燥器１４を介して粉砕機１６に送られ、そこで粒子は機械的に粉砕または破砕される。ボールミルまたは他の機械的縮小装置が利用されてもよい。噴霧小滴上に酸化物膜が形成される場合には、粒子の機械的粉砕は、外側酸化物膜を破砕して、粒子から分離させ、次いで、粉砕された粒子は、酸化物から分離され、噴霧粉末金属組成物１８および酸化物粒子２０が生成される。粉末金属粒子および／または酸化物粒子も破砕して、その結果、サイズが小さくなり得る。粉末金属組成物１８は、さらに、サイズ、形状、および粉末金属に通常関連付けられる他の特性によって分類され得る。
【００１６】
噴霧のために提供される鉄ベースの合金のバッチ１０は、高い炭素含有率を有している。一実施の形態では、鉄ベースの合金は、鉄ベースの合金の総重量に基づいて、少なくとも３．０重量％の炭素、または３．０〜７．０重量％の炭素、または３．５〜４．０重量％の炭素、好ましくは約３．８重量％の炭素を含んでいる。鉄ベースの合金に存在する炭素の量は、炭化物形成元素の量および組成に左右される。しかし、炭素は、好ましくは、粉末金属組成物１８の総体積に基づいて１５体積％よりも多い量の金属炭化物を噴霧プロセス中に形成するのに十分な量存在している。
【００１７】
過剰な炭素を鉄ベースの合金に添加する別の理由は、鉄ベースの合金が溶融および噴霧ステップ中に酸化することから保護するためである。炭素の量が増加すると、溶融鉄ベースの合金における酸素の可溶性が減少する。また、炭素の量は、特にＣｒおよび／またはＶのレベルが高い場合に、炭化物析出物が属しているマトリックスが本質的にオーステナイトおよび／またはマルテンサイトのうちの１つであることを確実にする。
【００１８】
「低い」酸素含有率とは、鉄ベースの合金の総重量に基づいて０．５重量％以下の量である。一実施の形態では、酸素含有率は、０．３重量％以下であり、例えば０．２重量％である。溶融物における酸素レベルを激減させることは、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびバナジウム（Ｖ）などの炭化物形成合金元素が、溶融または噴霧ステップ中に酸化し、その結果、自由に炭素と結合して炭化物を形成することから保護するというメリットを有する。
【００１９】
また、鉄ベースの合金のクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびバナジウム（Ｖ）は、粉末金属組成物１８の総体積に基づいて少なくとも１５．０体積％の量の金属炭化物を形成するのに十分な量存在している。コスト面での理由により、炭化物形成合金元素のうちのいくつかの元素の量を他の元素よりも多くするという要求もある。したがって、Ｍｏは、高炭化物密度を有する非常に硬い炭化物を形成するための優れた選択肢であるが、例えばＣｒと比較して現在のところ非常に高価である。より高価な従来のＭ２グレードの工具鋼と性能の点で少なくとも同等である低コストの工具グレード品質の鋼を開発するために、鉄ベースの合金は、比較的高いレベルのＣｒ、より低いレベルのＭｏ、および増量されたＣを含むことができる。ＷおよびＶの量は、形成されるべき炭化物の所望の量に応じてさまざまであり得る。鉄ベースの合金における炭化物形成合金元素の量を増加させることにより、噴霧ステップ中にマトリックスに形成される炭化物の量も増加し得る。また、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶは、好ましくは、他の粉末金属組成物と比較して、低コストで非常に優れた耐摩耗性を提供するのに十分な量存在している。
【００２０】
一実施の形態では、鉄ベースの合金は、１０．０〜２５．０重量％のクロム、好ましくは１１．０〜１５．０重量％のクロム、最も好ましくは１３．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステン、好ましくは１．５〜３．５重量％のタングステン、最も好ましくは２．５重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウム、好ましくは４．０〜６．５重量％のバナジウム、最も好ましくは６．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデン、好ましくは１．０〜３．０重量％のモリブデン、最も好ましくは１．５重量％のモリブデンとを含んでいる。
【００２１】
鉄ベースの合金は、他の元素を任意に含んでいてもよく、当該他の元素は、耐摩耗性の向上または別の材料特性の向上に寄与し得る。例えば、鉄ベースの合金は、コバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み得る。一実施の形態では、鉄ベースの合金は、４．０〜１５．０重量％のコバルト、７．０重量％までのニオブ、７．０重量％までのチタン、２．０重量％までのマンガン、１．１５重量％までの硫黄、２．０重量％までのシリコン、２．０重量％までのリン、２．０重量％までのジルコニウム、および２．０重量％までのタンタルのうちの少なくとも１つを含んでいる。一実施の形態では、鉄ベースの合金は、粉末内で硫化物または硫黄を含む化合物を形成するために、予め合金化された硫黄を含んでいる。硫化物、例えばＭｎＳおよびＣｒＳは、機械加工性を向上させることが知られており、耐摩耗性に有益であり得る。
【００２２】
噴霧のために提供される鉄ベースの合金の残部は、鉄である。一実施の形態では、鉄ベースの合金は、少なくとも４０．０重量％の鉄、または５０．０〜８１．５重量％の鉄、好ましくは７０．０〜８０．０重量％の鉄を含んでいる。
【００２３】
噴霧プロセスが水噴霧プロセスである場合、溶融鉄ベースの合金のストリームは、溶融鉄ベースの合金のストリームを不規則な形状の完全に合金化された金属小滴に分散させて急速に凝固させる高圧水の流れによって影響を受ける。好ましくは、各々の噴霧小滴は、３．０〜７．０重量％の炭素と、１０．０〜２５．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデンと、少なくとも４０．０重量％の鉄とを含む完全な鉄ベースの合金の組成を有している。小滴の外面は、水および保護されていない雰囲気にさらされることにより酸化し得る。しかし、高い炭素含有率および低い酸素含有率は、噴霧ステップ中の酸化を大幅に制限する。
【００２４】
噴霧されたままの状態では、噴霧中に起こる急速な凝固により、炭化物形成合金は、過飽和状態で存在し得る（例えばバナジウム）。合金元素の未酸化過飽和状態を高い炭素含有率と組み合わせることにより、事前のアニーリングサイクルを延長する（数時間または数日間）必要なく、炭化物（例えばＭ８Ｃ７  Ｖを多く含む炭化物）が、その後の焼結段階中に非常に素早く（数分以内に）析出して十分に成長することが可能になる。噴霧されたままの粉末に存在するナノメートル炭化物は、焼結後にマイクロメートルサイズに成長する。しかし、粉末金属組成物１８は、必要に応じて、例えば１〜４８時間、約９００〜１１００℃の温度で、または必要に応じて他のアニーリングサイクルに従って、アニーリングされ得る。アニーリングは、粉末金属組成物１８を粉砕する前にも後にも行われ得る。アニーリングは必須ではなく任意であるということが理解される。
【００２５】
次いで、噴霧小滴は、乾燥器を介して粉砕機に送られ、そこで噴霧小滴は、酸化物膜を除去するために機械的に粉砕または破砕され、次いでふるい分けられる。酸化物膜がほとんどまたは全く存在していなくても、機械的粉砕ステップは、粉末金属小滴を破砕してそのサイズを小さくするためにも使用され得る。小滴の硬く非常に微細なナノ構造は、粉砕のしやすさを向上させる。ボールミルまたは他の機械的サイズ縮小装置が利用されてもよい。典型的に水噴霧中に起こるような、噴霧ステップ中に噴霧小滴上に外側酸化物膜が形成される場合、機械的粉砕は、外側酸化物膜を破砕して、小滴のバルクから分離させる。粉砕された小滴が酸化物膜から分離されて、粉末金属組成物１８および酸化物粒子２０が生成される。しかし、小滴の炭化物形成元素は、溶融および噴霧ステップ中に高い炭素含有率によって酸化から保護される。予め焼結された粉末金属組成物１８は、さらに、サイズ、形状、および粉末金属に通常関連付けられる他の特性によって分類され得る。ガス噴霧が使用される場合などの特定の場合においては、外側酸化物膜は、最小限であり、粉末金属組成物の一部であり得て、除去しなくても許容可能であり、したがって、場合によっては、少なくとも外側酸化物層を壊す目的での粉砕は任意になる。しかし、粉砕は、粉末金属組成物のサイズを小さくするために依然として使用可能である。
【００２６】
予め焼結された粉末金属組成物１８の重量％単位の組成は、溶融および噴霧の前には、上記の鉄ベースの合金の組成と同じである。粉末金属組成物１８は、典型的には、１０．０〜２５．０重量％のクロム、好ましくは１１．０〜１５．０重量％のクロム、最も好ましくは１３．０重量％のクロムと、１．０〜５．０重量％のタングステン、好ましくは１．５〜３．５重量％のタングステン、最も好ましくは２．５重量％のタングステンと、３．５〜７．０重量％のバナジウム、好ましくは４．０〜６．５重量％のバナジウム、最も好ましくは６．０重量％のバナジウムと、１．０〜５．０重量％のモリブデン、好ましくは１．０〜３．０重量％のモリブデン、最も好ましくは１．５重量％のモリブデンとを含んでいる。
【００２７】
また、粉末金属組成物１８は、少なくとも３．０重量％の炭素、または３．０〜７．０重量％の炭素、または３．５〜４．０重量％の炭素、好ましくは約３．８重量％の炭素を含んでいる。炭素は、粉末金属組成物１８の総体積に基づいて少なくとも１５体積％の量の金属炭化物を提供するのに十分な量存在している。
【００２８】
粉末金属組成物１８における炭素の量が増加するにつれて、粉末金属組成物１８の硬度も上昇する。これは、より多くの量の炭素が噴霧ステップ中により多くの量の炭化物を形成し、その結果、硬度を上昇させるからである。粉末金属組成物１８における炭素の量は、総炭素（Ｃｔｏｔ）と称される。
【００２９】
また、粉末金属組成物１８は、化学量論的量の炭素（Ｃｓｔｏｉｃｈ）を含んでおり、化学量論的量の炭素とは、平衡状態で合金炭化物において結合される炭素総量を表わす。炭化物のタイプおよび組成は、炭素含有率および合金元素含有率に応じてさまざまである。
【００３０】
噴霧中に所望の量の金属炭化物を形成するために必要なＣｓｔｏｉｃｈは、粉末金属組成物１８に存在する炭化物形成元素の量に左右される。特定の組成についてのＣｓｔｏｉｃｈは、各々の炭化物形成元素の量に、各元素に特有の倍率を乗算することによって得られる。特定の炭化物形成元素では、倍率は、１重量％の当該特定の炭化物形成元素を析出させるために必要な炭素の量に等しい。倍率は、形成される析出物のタイプ、炭素の量、および各々の合金元素の量に基づいてさまざまである。また、特定の炭化物の倍率は、炭素の量および合金元素の量によってさまざまであろう。
【００３１】
例えば、Ｍ８Ｃ７とも称される（Ｃｒ２３．５Ｆｅ７．３Ｖ６３．１Ｍｏ３．２Ｗ２．９）８Ｃ７の析出物を粉末金属組成物１８に形成するために、炭化物形成元素の倍率は以下のように計算される。まず、Ｍ８Ｃ７炭化物の原子比が求められ、Ｃｒが１．８８原子、Ｆｅが０．５８原子、Ｖが５．０５原子、Ｍｏが０．２６原子、Ｗが０．２３原子、およびＣが７原子である。次に、Ｍ８Ｃ７炭化物の１モル当たりの各元素の質量が求められ、Ｖ＝２５７．１５グラム、Ｃｒ＝９７．７６グラム、Ｆｅ＝３２．６２グラム、Ｍｏ＝２４．５６グラム、Ｗ＝４２．６５グラム、およびＣ＝８４．０７グラムである。次いで、各々の炭化物形成元素の重量比が求められ、Ｖ＝４７．７３重量％、Ｃｒ＝１８．１４重量％、Ｆｅ＝６．０５重量％、Ｍｏ＝４．５６重量％、Ｗ＝７．９２重量％、およびＣ＝１５．６０重量％である。重量比は、４７．７３グラムのＶが１５．６０グラムのＣと反応することを示し、これは、１グラムのＶが０．３３グラムのＣと反応することを意味している。Ｍ８Ｃ７炭化物において１．０重量％のＶを析出するためには、０．３３重量％の炭素が必要であり、したがって、Ｖの倍率は０．３３である。同様の計算が倍率を求めるためになされ、Ｃｒ＝０．２９、Ｍｏ＝０．０６、およびＷ＝０．０３である。
【００３２】
次に、各々の炭化物形成元素の量に関連の倍率を乗算し、次いでそれらの値の各々を加算することによって、粉末金属組成物１８におけるＣｓｔｏｉｃｈが求められる。例えば、粉末金属組成物１８が４．０重量％のＶと、１３．０重量％のＣｒと、１．５重量％のＭｏと、２．５重量％のＷとを含んでいる場合、Ｃｓｔｏｉｃｈ＝（４．０×０．３３）＋（１３．０×０．２９）＋（１．５×０．０６）＋（２．５×０．０３）＝５．２６重量％である。
【００３３】
また、粉末金属組成物１８は、１．１未満のＣｔｏｔ／Ｃｓｔｏｉｃｈ量を含んでいる。したがって、粉末金属組成物１８が上限の７．０重量％の炭素を含んでいる場合、Ｃｓｔｏｉｃｈは、６．３６重量％の炭素に等しいか、または６．３６重量％の炭素未満になるであろう。Ｃｔｏｔ／Ｃｓｔｏｉｃｈ比率は、固定された炭素含有率での合金元素の量に応じてさまざまであるが、Ｃｔｏｔ／Ｃｓｔｏｉｃｈ比率は、１．１未満のままであろう。
【００３４】
以下の表１は、粉末金属組成物１８に見られる他の炭化物タイプ、ならびに一般的な炭化物化学量論についてのＣｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷの倍率の例を示す。しかし、当該表に記載されている各々の炭化物における金属原子は、倍率に影響を及ぼすであろう他の原子に部分的に置き換えられてもよい。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
金属炭化物は、噴霧プロセス中に形成され、少なくとも１５．０体積％の量であるが、好ましくは４０．０〜６０．０体積％、または４７．０〜５２．０体積％、典型的には約５０．０体積％の量で存在する。一実施の形態では、粉末金属組成物１８は、約５０．０体積％の総量で、クロムを多く含む炭化物、モリブデンを多く含む炭化物、タングステンを多く含む炭化物、およびバナジウムを多く含む炭化物を含んでいる。
【００３７】
金属炭化物は、ナノスケールの微細構造を有している。一実施の形態では、金属炭化物は、１〜４００ナノメートルの直径を有している。上記で示唆したように、炭化物は、Ｍ８Ｃ７、Ｍ７Ｃ３、ＭＣ、Ｍ６Ｃ、Ｍ２３Ｃ６およびＭ３Ｃを含むさまざまなタイプであり得て、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏおよび／またはＷなどの少なくとも１つの金属原子であり、Ｃは、炭素である。一実施の形態では、金属炭化物は、Ｍ８Ｃ７、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃからなる群から選択され、Ｍ８Ｃ７は、（Ｖ６３Ｆｅ３７）８Ｃ７であり、Ｍ７Ｃ３は、（Ｃｒ３４Ｆｅ６６）７Ｃ３、Ｃｒ３．５Ｆｅ３．５Ｃ３およびＣｒ４Ｆｅ３Ｃ３からなる群から選択され、Ｍ６Ｃは、Ｍｏ３Ｆｅ３Ｃ、Ｍｏ２Ｆｅ４Ｃ、Ｗ３Ｆｅ３ＣおよびＷ２Ｆｅ４Ｃからなる群から選択される。また、粉末金属組成物１８の微細構造は、ナノスケールのオーステナイトを含み、ナノスケールの炭化物とともにナノスケールのマルテンサイトを含んでいてもよい。
【００３８】
一実施の形態では、粉末金属組成物１８は、本質的には、３．０〜７．０重量％の炭素、１０．０〜２５．０重量％のクロム、１．０〜５．０重量％のタングステン、３．５〜７．０重量％のバナジウム、１．０〜５．０重量％のモリブデン、０．５重量％以下の酸素から成っており、残部は鉄から成っており、５．０重量％以下、好ましくは２．０重量％以下の量の付随的な不純物から成っている。しかし、粉末金属組成物１８は、材料特性を向上させることができる他の元素を任意に含んでいてもよい。一実施の形態では、粉末金属組成物は、コバルト、ニオブ、チタン、マンガン、硫黄、シリコン、リン、ジルコニウムおよびタンタルのうちの少なくとも１つを含んでいる。例えば、鉄ベースの合金は、４．０〜１５．０重量％のコバルト、７．０重量％までのニオブ、７．０重量％までのチタン、２．０重量％までのマンガン、１．１５重量％までの硫黄、２．０重量％までのシリコン、２．０重量％までのリン、２．０重量％までのジルコニウム、および２．０重量％までのタンタルのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。一実施の形態では、粉末金属組成物１８は、粉末内で硫化物または硫黄を含む化合物を形成するために、予め合金化された硫黄を含んでいる。硫化物、例えばＭｎＳおよびＣｒＳは、機械加工性を向上させることが知られており、耐摩耗性に有益であり得る。
【００３９】
粉末金属組成物１８の残部は、鉄である。一実施の形態では、粉末金属組成物は、少なくとも４０．０重量％の鉄、または５０．０〜８１．５重量％の鉄、好ましくは７０．０〜８０．０重量％の鉄を含んでいる。粉末金属組成物は、約１２３５℃（２２５５°Ｆ）の融点を有している。粉末金属組成物は、約１２３５℃（２２５５°Ｆ）で完全に溶融されるが、１１５０℃と同じぐらい低い温度ではわずかの液相を含み得る。粉末金属組成物１８の融点は、炭素含有率および合金元素含有率に応じてさまざまであろう。
【００４０】
粉末金属組成物１８は、典型的には、８００〜１５００Ｈｖ５０の微小硬度を有している。図２は、炭素含有率と比較した、アニーリングなしの粉末金属組成物の硬度を示し、炭素の量が増加するにつれて硬度が上昇することを示している。以下の表２も、粉末金属組成物が、１３．０重量％のクロムと、２．５重量％のタングステンと、６．０重量％のバナジウムと、１．５重量％のモリブデンと、０．２重量％の酸素と、７０．０〜８０．０重量％の鉄と、２．０重量％以下の量の不純物とを含む場合の、アニーリング前および後の、さまざまな量の炭素に対する硬度値を示している。データは、アニーリングなしであってもアニーリング後であっても、炭素含有量が増加するにつれて粉末金属組成物の硬度が上昇することを示している。なお、炭素含有量とは、アニーリング前の量である。炭素含有率は、アニーリング中にわずかに減少し得て、例えば０．１５重量％まで減少し得る。しかし、依然として、炭素の量が増加するにつれて硬度値は上昇する。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
硬度は、本質的には焼結および焼き戻しを経ても維持されることができるが、炭化物を成長させるのに必要な量を上回って粉末金属組成物に含まれる過剰な炭素のうちのいくらかは、炭素含有率がより低い別の鉄粉末組成物と混合されると、硬質の粉末金属組成物から拡散し得る。この過剰な炭素の拡散は、微細構造の制御および特性の向上のために圧縮および焼結中に時として添加される炭素を多く含む粉末（例えば粉末グラファイト）の添加物の必要性を無くすまたは少なくとも減少させるという追加的なメリットを有する。また、予め合金化された炭素は、別のグラファイト添加物により生じ得るグラファイト分離の傾向を減少させるであろう。
【００４３】
粉末金属組成物１８は、典型的には、さまざまな用途、特に自動車部品で使用可能な物品を形成するために圧縮および焼結される。焼結の前に、粉末金属組成物１８は、好ましくは別の粉末金属または他の粉末金属の混合物と混合される。他の粉末金属は、合金化されていない鋼粉末、低合金化された鋼粉末、または合金化された鋼粉末、および非鉄粉末を含み得る。また、少量の他の金属または成分が混合物に存在していてもよい。
【００４４】
一実施の形態では、混合物は、１０．０〜４０．０重量％の粉末金属組成物１８、好ましくは少なくとも２０．０重量％の粉末金属組成物１８を含んでいる。また、混合物は、３０．０〜９０．０重量％の他の粉末金属を含むが、典型的には約６０．０〜８０．０重量％の他の粉末金属を含んでいる。次に、混合物は圧縮され、次いで焼結される。
【００４５】
焼結の前に、高炭素粉末金属組成物は、アニーリングされ得る。アニーリングは、粉末金属組成物１８の圧縮率を上昇させ、それによって、より多くの粉末金属組成物１８を混合物において使用することが可能になり、またはより高い圧粉密度に加圧することが可能になる。粉末金属組成物１８がアニーリングされると、混合物における粉末金属組成物１８の量は、４０．０重量％を超える量、例えば６０．０重量％までの量に増加させることができる。しかし、酸素を減少させて適切な微細構造を生成するために低炭素レベルを有する他の粉末金属組成物で必要であるような、粉末金属材料の長時間アニーリングまたは酸化物還元などの熱処理は、焼結の前には不要である。
【００４６】
焼結された粉末金属組成物は、好ましくは、粉末金属組成物全体に微細にかつ均一に分散された金属炭化物を含んでいる。焼結された組成物のうちの１００％が粉末金属組成物１８で形成される場合、金属炭化物は、少なくとも１５体積％、好ましくは４０．０〜６０．０体積％、または４７．０〜５２．０体積％、典型的には約５０．０体積％の量で焼結された粉末金属組成物に存在している。一実施の形態では、焼結された粉末金属組成物は、約５０．０体積％の総量で、クロムを多く含む炭化物、モリブデンを多く含む炭化物、タングステンを多く含む炭化物、およびバナジウムを多く含む炭化物を含んでいる。別の実施の形態では、焼結された粉末金属組成物は、焼結された粉末金属組成物の総体積に基づいて、約５．０〜１０．０体積％の量のバナジウムを多く含む炭化物、および約４０．０〜４５．０体積％の量のクロムを多く含む炭化物を含んでいる。
【００４７】
焼結された粉末金属組成物の金属炭化物は、マイクロスケールの微細構造を有している。一実施の形態では、バナジウムを多く含むＭＣ炭化物は、約１μｍの直径を有し、クロムを多く含むＭ７Ｃ３炭化物は、約１〜２μｍの直径を有している。また、微細な炭化物構造は、より均一な微細構造を示し得る。炭化物は、Ｍ７Ｃ３、Ｍ８Ｃ７、ＭＣ、Ｍ４Ｃ３、Ｍ６Ｃ、Ｍ２３Ｃ６、Ｍ６Ｃ５およびＭ３Ｃを含むさまざまなタイプであり得て、Ｍは、金属原子であり、Ｃは、炭素である。例えば、炭化物は、Ｍ８Ｃ７、Ｍ４Ｃ３、Ｍ６Ｃ５などのＶを多く含む炭化物、ＭＣｘ（ｘは、０．７５から０．９７までさまざまである）などのＮｂを多く含む炭化物、またはＭＣなどのＴｉおよびＴａを多く含む炭化物を含み得る。また、焼結された粉末金属組成物の微細構造は、マイクロスケールのオーステナイトを含み、マイクロスケールの炭化物とともにマイクロスケールのマルテンサイトを含んでいてもよい。
【００４８】
表３は、本発明の方法に従って調製された粉末金属組成物の例および比較のための商用グレードのＭ２工具鋼を含む。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
粉末金属組成物１８を別の粉末金属と混合し、焼結した。混合物の総重量に基づいて、粉末金属組成物は、２０．０重量％の量で存在し、他の粉末金属は、８０．０重量％の量で存在していた。焼結された混合物の粉末金属組成物１８は、粉末金属組成物１８の総体積に基づいて、約４０〜４５体積％の量のクロムを多く含む炭化物、および約７体積％の量のバナジウムを多く含む炭化物を含んでいた。クロムを多く含む炭化物は、約１〜２μｍのサイズを有し、Ｖを多く含む炭化物は、約１μｍのサイズを有していた。炭化物が析出された粒子の周囲のマトリックスは、本質的にはオーステナイト系であり、マルテンサイトおよびフェライトのいくつかの領域を有していた。
【００５１】
焼結後の混合物の微小硬度は、約８００〜１５００Ｈｖ５０の範囲であった。本発明の粉末金属組成物を、１５および３０体積％で、一次低炭素低合金粉末組成物と混合した。高炭素粒子の硬度は、圧縮、焼結および焼き戻し後、１０００Ｈｖ５０を上回る値にとどまった。本発明の組成物からの炭素のうちのいくらかは、混合物の隣接する低炭素含有率一次粉末マトリックス材料に拡散した。
【００５２】
焼結および焼き戻しサイクルを制御することにより、さまざまな量のフェライト、パーライト、ベイナイトおよび／またはマルテンサイトを含む一次マトリックスの特性を制御することができる。混合物の特性を変化させるため、例えば機械加工性を向上させるために、ＭｎＳおよび／または他の化合物などの添加物が混合物に添加されてもよい。本発明の粉末金属組成物は、本質的には安定したままであり、特性は、本質的には、一次マトリックス材料の特性を向上させるために利用されるその後の熱処理によって制約されなかった。
【００５３】
現状の好ましい実施の形態と関連付けて本発明を説明してきたため、説明は、本質的に限定的なものではなく例示的なものである。開示されている実施の形態に対する変更例および変形例が、当業者に明らかになり、本発明の範囲の範囲内であり得る。したがって、本発明の範囲は、これらの特定の実施例に限定されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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