JP2015508455A

JP2015508455A - 新規金属粉末及びその使用

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Publication number: JP2015508455A
Application number: JP2014550703A
Authority: JP
Inventors: スザボ、クリストフ; ディズダール、セナド; ベルイマン、オーラ
Original assignee: ホガナスアクチボラグ（パブル）
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2013-01-03
Publication date: 2015-03-19
Also published as: US10702924B2; US20150093280A1; CN104039484B; CA2860363A1; CN104039484A; TWI626099B; RU2014132175A; BR112014016443A2; BR112014016443A8; BR112014016443B1; CA2860363C; RU2618976C2; WO2013102650A1; TW201345630A; EP2800642B1; EP2800642A1; KR20140121424A; KR102110113B1

Abstract

本発明は、高い強度及び高い耐摩耗性を示すと同時に妥当な延性を有する部材の製造に使用できる材料を提供する。この材料は、他の考えられる金属粉末による解決策と比較してコスト面で有利である。本発明は、所望の微細構造／特性及び付随する耐摺動摩耗性を実現し、混合元素Ｎｉ及び銅などの高価な合金化成分の含量を低下させた、鉄系粉末組成物を提供する。

Description

本発明は、粉末冶金の分野及び金属粉末によって製造できる部材の分野に関する。そのような部材はエンジン部材のようなものであってもよい。

産業界において、金属粉末組成物の圧縮及び焼結により製造される金属製品の使用はますます広がっている。様々な形状及び厚さの多くの様々な製品が製造されており、同時に、コストを削減することが望まれているために品質要求は上がり続けている。ネットシェイプ部材、又は最終的な形状を得るために最小限の機械加工を必要とするニアネットシェイプ部材は、鉄粉末組成物のプレス及び焼結によって得られ、材料利用度が高いので、この技術は、棒材又は鍛造物からの鋳造又は機械加工などの、金属部品を成形するための従来の技術を上回る大きな利点を有する。

ＵＳ２００９／０１６２２４１はギヤの製造に有用な金属粉末を記載している。

多くの用途において、最終製品の高い耐摩耗性及び硬度が望まれている。これらの特性は多くの場合、さらに別の望ましい特性、すなわち延性と組み合わせることが難しく、錬鉄又は鋳鉄からできた部材と同じ、又は同等の機械的特性を示すことになる、製造が容易な部材に近づくことが産業において必要とされている。

上記の有益な特性を保ちながらコストをできる限り低く維持することも望まれている。

本発明は、高い強度及び高い耐摩耗性を示すと同時に妥当な延性を有する部材の製造に使用できる材料を提供する。この材料は他の考えられる金属粉末による解決策と比較してコスト面で有利である。

本発明は、所望の微細構造／特性及び付随する耐摺動摩耗性を実現し、混合元素Ｎｉ及び銅などの高価な合金化成分の含量を低下させた、鉄系粉末組成物を提供する。

構成成分は、従来の炉で得ることができる冷却速度でマルテンサイト変態を実現するのに十分な焼入性を示し、それにより既存の設備用量が活用され特殊な炉への設備投資が見送られる。本発明による粉末を使用することにより、油浴による急速焼入れ及び／又はガス加圧焼入れ（ｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）に付随する負の寸法ひずみを回避することが可能な場合もある。この材料はネットシェイプ焼結物品に求められる高い寸法精度を実現するのに十分な成形性を示す。成形は追加的な部品の加熱、器具加熱、中間焼入れをせずに行ってもよく、それにより付随する操作上の複雑さ及び温間／熱間成形プロセスのコストが回避される。

降伏強度の図である。引張強度の図である。伸びの図である。粉末Ａ８０％及び粉末Ｂ２０％からなる材料について得られる微細構造の図である。摺動潤滑接触の一般的な摩耗特性を示す、主要なＩＲＧ摩耗遷移図である。交差二円筒型試験の配置の図である。交差円筒接触の場合の線形摩耗ｈの計算の図である。

本発明は、９０：１０〜５０：５０の比の鉄系粉末Ａ及び鉄系粉末Ｂからなる粉末混合物を提供し、粉末Ａは１．５〜２．３重量％又は好ましくは１．７〜１．９重量％の予合金化Ｃｒ、０〜０．３５重量％の予合金化Ｍｏ、及び不可避不純物を含有し、残りはＦｅであり；粉末Ｂは２．４〜３．６重量％又は好ましくは２．８〜３．２重量％の予合金化Ｃｒ、０．３０〜０．７０重量％又は好ましくは０．４５〜０．５５重量％の予合金化Ｍｏ、及び不可避不純物を含有し、残りはＦｅであり；粉末混合物は０．４〜０．９重量％の炭素、０．１〜１．２重量％の潤滑剤、例えば、スウェーデン、ＨｏｇａｎａｓのＨｏｇａｎａｓＡＢ社より入手可能なＬｕｂｅＥ（登録商標）、Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）、又はアミドワックスなどのＥＢＳのグループに由来するワックス、０．１〜１．５重量％の量の固体潤滑剤、例えばＣａＦ_２、ＭｇＳｉＯ_３、ＭｎＳ、ＭｏＳ_２、又はＷＳ_２など、及び不可避不純物をさらに含有する。固体潤滑剤は好ましくはＭｎＳである。

鉄系粉末Ａと鉄系粉末Ｂの前記比は好ましくは８０：２０〜６０：４０、又は７０：３０〜６０：４０である。好ましくは前記比は６５：３５である。

さらなる実施形態において、本発明は、
ａ）上記で定義されるような粉末混合物を準備するステップと、
ｂ）前記混合物を型内に配置するステップと、
ｃ）前記型中の前記粉末に２０℃〜１３０℃の温度で３００〜１２００又は４００〜８００又は６００〜８００ＭＰａの圧力を加えて未焼結体を形成するステップと、
ｄ）前記未焼結体を１１００〜１３００℃の温度で焼結させて焼結体を形成するステップと、
ｅ）０．５℃／秒を超える速度で前記焼結体を冷却して焼結部材を形成するステップと
を含む、焼結部材の製造方法を提供する。

ステップｃ）は好ましくは７５℃で行われる。

ステップｄ）及び／又はｅ）は好ましくは酸素分圧が１０^−１７ａｔｍである雰囲気下、例えば９０％Ｎ_２：１０％Ｈ_２の雰囲気中で行われる。

本発明は前記方法により製造される焼結部材をさらに提供する。そのような焼結部材は、微小硬度（ｍｈｖ０．１）が少なくとも２８０、又は好ましくは少なくとも３４０である微細パーライトを含有する。前記焼結部材は、高い耐摩耗性によって特徴づけられマルテンサイトが断面の総面積の２０〜６０％パーセントの範囲に分散している、微細パーライトマトリックスで構成されていてもよい。前記マルテンサイトは少なくとも６５０以上、例えば８５０〜９５０などのマイクロビッカース硬さ（ｍｈｖ）を示し、これは主に溶解している炭素含量に依存する。

一実施形態において、焼結部材はカムローブである。他の興味深い用途は、スプロケット、ローブ、ギヤ、例えばオイルポンプギヤ、又は耐摩耗性、ヘルツ圧力伸びと良好な機械的特性とを併せ持つことを必要とする任意の他の構造部品である。

（例１）
表１による様々な比の鉄系粉末Ａ及び鉄系粉末Ｂからなる粉末混合物を調製した。すべての混合物に、０．７５重量％のグラファイト、ＵＦ４、０．６重量％の潤滑剤ＬｕｂｅＥ（登録商標）、及び固体潤滑剤である０．５０重量％のＭｎＳを加えた。

各混合物を型中に入れ、７００ＭＰａでＷＤＣにより７５℃で圧縮して試験片を得た。試験片を１１２０℃で３０分、９０／１０Ｎ_２Ｈ_２中で焼結させ、０．８℃／秒又は２．５℃／秒で冷却した。試験片を、降伏強度（ＹＳ）、極限引張強度（ＵＴＳ）、及び伸び（Ａ％）について試験した。結果を図１〜３に示す。

結果から理解できるように、粉末Ａへの粉末Ｂの添加は、冷却速度の増加の有無にかかわらず、材料の降伏強度の増加及びいくらかの伸びの減少をもたらす。粉末Ｂの添加はまた、小さい冷却速度０．８Ｃ／ｓでの極限引張強度の増加も示した。しかし、大きい冷却速度２．５Ｃ／ｓでは、粉末Ｂの添加は添加される粉末Ｂ量にかかわらず、材料のＵＴＳに何ら影響を与えなかった。

粉末Ａ８０％及び粉末Ｂ２０％からなる材料３について得られる微細構造を図４に示す。微細構造は、マルテンサイトが約２５％で分散している微細パーライトのマトリックスからなる。

（例２）
機械における大多数の構造部材は摺動運動に依存する機能を有するため、摩耗挙動又は焼結鋼の第１の特性評価は、摺動潤滑接触における摩耗遷移に重点を置いてもよい。

図５はこの例で使用した試験速度による、主要なＩＲＧ摩耗遷移図を示す。

この図は非常に有用な手段であり、１９７０年代にＯＥＣＤにより支援を受けたＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＧｒｏｕｐｏｎＷｅａｒｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＩＲＧ−ＷＯＥＭ、工業材料の摩耗に関する国際研究グループ）内の科学協力の主な結果は、ＣＶＴ開発におけるＩＲＧ摩耗遷移図の利用のわかりやすい例を提供している。この調査における摩耗試験は、０．１（低速）、０．５（比較的高速）、及び２．５ｍ／ｓ（高速）の３種類の摺動速度で行われ、標準的なエンジンオイルを９０℃にて潤滑剤として使用する。２．５ｍ／ｓでは、十分に高い負荷と組み合わされた高速の摺動速度は、軽度の／安全な摩耗から重度の摩耗／スカッフィングへの突然の遷移を引き起こすことが予測される。ここで、試験はスカッフィングが生じるまでヘルツ圧力を段階的に増加させることによって行われる。０．１ｍ／ｓ及び０．５ｍ／ｓでは、摩耗プロセスは負荷の増加と共に徐々に強まり、試験の全回数を減らすと予測される。

５００及び８００ＭＰａの試験開始時の公称ヘルツ圧力、０．１及び０．５ｍ／ｓの摺動速度において、試験を行った。２．５ｍ／ｓでは、負荷を徐々に増加させることにより試験を行った。摩耗試験は、図６による交差二円筒型試験の配置を有する摩擦及び摩耗測定用の多目的の機械である、市販の摩擦計を使用して行った。

ＡＣサイリスター制御のモーターがカウンターリングを駆動させる間に、摩擦計は静荷重／負荷アームによって円筒試料ホルダーに常用負荷をかける。カウンターリングを、およそ２５ｍｌの油及び１５０℃まで加熱するためのオプションを有する油浴中に浸す。ＰＣは試験を制御し、接点における線形変位、摩耗、摩擦力、及び油の温度を記録する。変位トランスヂューサは試験円筒の上ではなく負荷アームレバーの上に置かれているので、得られる線形変位は摩耗痕上の線形摩耗の約３倍の大きさである。したがって記録される値は比例する値であり、光学顕微鏡により測定される試験終了時の円筒試料の線形摩耗ｈに基づいて、逆算する必要がある（図７）。

実施した試験の結果を表２に記載する。鋳鉄材料の参照試験片は１２００ＭＰａにおいて試験の初期段階で不合格となった。１１００ＭＰａでは、摺動は摩耗が安全であったと考えられた。

焼結試験片に９００〜１１００ＭＰａの安全な摩耗を与えた。１１００ＭＰａを超えると、ＣＯＦは０．１１から０．０６のレベルへ徐々に減少した。この理由はＭｎＳ顆粒が表面から潤滑油中へ移動し、そこで顆粒が潤滑懸濁液を形成するためと思われる。ＭｎＳはここではいわゆる摩擦調整剤として作用する。

Claims

９０：１０〜５０：５０の比の鉄系粉末Ａ及び鉄系粉末Ｂからなる粉末混合物であって、粉末Ａが１．５〜２．３重量％の予合金化Ｃｒ、０〜０．３重量％の予合金化Ｍｏ、及び不可避不純物を含有し、残りはＦｅであり；粉末Ｂが２．４〜３．６重量％の予合金化Ｃｒ、０．３０〜０．７０重量％の予合金化Ｍｏ、及び不可避不純物を含有し、残りはＦｅであり；該粉末混合物が０．４〜０．９重量％の炭素、０．１〜１．２重量％の潤滑剤、０．１〜１．５重量％の量の固体潤滑剤、及び不可避不純物をさらに含有する、上記粉末混合物。
前記比が８０：２０〜６０：４０、若しくは７０：３０〜６０：４０である、又は前記比が６５：３５である、請求項１に記載の粉末混合物。
粉末Ａ中の前記予合金化Ｃｒの含量が１．７〜１．９重量％である、請求項１に記載の粉末混合物。
粉末Ｂ中の前記予合金化Ｃｒの含量が２．８〜３．２重量％である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の粉末混合物。
前記固体潤滑剤が、ＣａＦ_２、ＭｇＳｉＯ_３、ＭｎＳ、ＭｏＳ_２、及びＷＳ_２からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の粉末混合物。
ａ）請求項１から２のいずれか一項に記載の粉末混合物を準備するステップと、
ｂ）該混合物を型内に配置するステップと、
ｃ）該型中の該粉末に２０℃〜１３０℃の温度で３００〜１２００、４００〜８００（６００〜８００）ＭＰａの圧力を加えて未焼結体を形成するステップと、
ｄ）該未焼結体を１１００〜１３００℃の温度で焼結させて焼結体を形成するステップと、
ｅ）０．５℃／秒を超える速度で該焼結体を冷却して焼結部材を形成するステップと
を含む、焼結部材の製造方法。
ステップｄ）及び／又はｅ）が、酸素分圧が１０^−１７ａｔｍである雰囲気下で行われる、請求項６に記載の方法。
請求項６又は７に記載の方法に従って製造される焼結部材。
ギヤ又はカムローブである、請求項８に記載の焼結部材。