鉄系粉末及びその組成物
Ｎｉ０．７５〜１．１重量％、Ｍｏ０．７５〜１．１重量％、及びＭｎ０．４５重量％以下とともに予備合金化され、さらに、０．５から３．０重量％、好ましくは０．５から２．５重量％、最も好ましくは０．５から２．０重量％のＣｕと、不可避の不純物とを含み、残分がＦｅである、水噴霧された鉄系粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系合金粉末、並びに鉄系合金粉末、グラファイト、潤滑剤、及び最終的には他の添加剤を含む鉄系合金粉末組成物に関する。この組成物は、良好な機械的特性を有する、プレス及び焼結された要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；構成要素、部品、材料）のコスト効率のよい製造のために設計されている。
【背景技術】
【０００２】
工業において、金属粉末組成物を圧縮及び焼結することにより製造される金属製品の使用は、ますます広まるようになっている。様々な異なる形状及び厚さを有する多くの製品が製造されており、コストの低減が求められると同時に、品質の要求が連続的に高まっている。これは、Ｐ／Ｍ工業のための重要な市場である自動車市場のためのＰ／Ｍ部品について特にあてはまる。Ｐ／Ｍ工業において、Ｍｏ、Ｎｉ及びＣｕ等の合金要素は、一般に、プレス及び焼結された要素の特性を改善するために用いられてきた。しかし、これらの合金要素は、コストがかかり、したがって、プレス及び焼結された要素の十分な特性を維持しつつ、これらの合金要素の含有率をできるだけ低く保つことができれば望ましい。
【０００３】
プレス及び焼結された要素の高い強度を達成するために、材料の焼入性（ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ；硬化性）が必須である。Ｐ／Ｍ要素を焼入するコスト効率のよい方法は、要素が、焼結の後、冷却ステップの間に直接に焼入される、いわゆる焼結焼入法である。合金要素、及び要素の含有率を注意深く選択することにより、焼結焼入を、従来の焼結炉内で通常適用される冷却速度で達成することができる。
【０００４】
プレス及び焼結された要素を製造する際の別の重要な要因は、いろいろな焼結部品の間の寸法の変化が、焼結後のコストがかかる機械加工を避けるためにできるだけ小さいことである。さらに、未焼入段階（ｇｒｅｅｎ ｓｔａｇｅ）、すなわちプレス後の要素と、それが焼結された後の要素との間の寸法変化が小さく、寸法変化による炭素含有率の変化の影響は、コストのかかる機械加工にもつながることがあるので、応力の導入と要素に起こりうる歪みとを避けるために、これができるだけ少ないことが望ましい。硬度及び強度が増加するにつれて機械加工のコストが増加するので、このことは、高い硬度及び強度を有する材料に特に重要である。
【０００５】
別の重要な要因は、環境面で大きな効果を有する、噴霧されるべき溶融物の調製における自動車工業からの屑の再生利用の可能性である。この点において、鉄系合金粉末中の０．３％以下のＭｎ含有率を受容する可能性は、こうしたＭｎ量が、再生利用される鉄屑中では一般的であるために重要である。
【０００６】
Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｕにより合金化された鉄系粉末は、合金要素として広く用いられ、様々な特許出願から知られている。例として、Ｓｅｍｅｌへの米国特許第６０６８８１３号は、銅含有粉末及びニッケル含有粉末に混合される、含有率０．１０〜２．０重量％のモリブデンを有する、予備合金化した（ｐｒｅａｌｌｏｙｅｄ）鉄及びモリブデンの粉末を含み、それにより、銅含有粉末及びニッケル含有粉末が、結合剤により鉄−モリブデン粉末に結合される粉末組成物を示している。この粉末組成物は、銅０．５〜４．０重量％、及びニッケル０．５〜８．０重量％を含有する。実施例において用いられる鉄系粉末は、０．５６重量％のＭｏ含有率、１．７５重量％又は４．００重量％のＮｉ含有率、及び１．５重量％のＣｕ含有率を有する。
【０００７】
Ｃｕ粉末に混合され得る、Ｎｉ、Ｍｏ及びＭｎを含有する予備合金化粉末に関する特許文献における別の例は、Ｍｏｃａｒｓｋｉへの米国特許第４０６９０４４号である。この特許は、粉末の製造方法を開示し、この粉末は、粉末鍛造物（ｐｏｗｄｅｒ−ｆｏｒｇｅｄ ａｒｔｉｃｌｅｓ）を製造するのに適している。Ｍｏ及びＮｉを０．４〜０．６５％含有する好ましい組成物に係る鍛造された要素の試験からの結果が報告されている。この特許は、グラファイト、及び圧縮されるべきＣｕ０．２〜２．１％を含有する組成物を与えるＣｕの又はＣｕ含有の粉末に混合される、Ｎｉ０．２〜１．０％、Ｍｏ０．２〜０．８％及びＭｎ０．２５〜０．６％を含み、２２５０〜２３５０°Ｆで焼結され熱間鍛造されるのに適した、予備合金化した鉄系粉末を含有する変形にも言及している。しかし、０．６０重量％を上回るＮｉ含有率についても、０．６５重量％を上回るＭｏ含有率についても、試験結果が示されていない。
【０００８】
焼結焼入の用途のために、米国ニュージャージー州のＨｏｅｇａｎａｅｓ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＡｎｃｏｒｓｔｅｅｌ７３７ＳＨ、及びカナダのＱｕｅｂｅｃ Ｍｅｔａｌ Ｐｏｗｄｅｒｓから入手可能なＡｔｏｍｅｔ４７０１等の、多くの市販の粉末が存在する。言及した鉄系粉末は、Ｍｏ、Ｎｉ及びＭｎと合金化され、ＡＴＯＭＥＴ４７０１は、さらにＣｒと合金化される。Ａｎｃｏｒｓｔｅｅｌ７３７ＳＨは、Ｍｎ０．４２％，Ｍｏ１．２５％，Ｎｉ１．４０％の化学組成を有する予備合金化した鋼粉末である。Ａｔｏｍｅｔ４７０１の化学組成は、Ｍｎ０．４５％、Ｍｏ１．００％、Ｎｉ０．９％及びＣｒ０．４５％である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、新規な鉄系粉末、及び／又は低含有率のＭｏ、Ｎｉ及びＣｕを有するその粉末組成物を提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、
− 圧縮及び焼結焼入された要素を製造するのに適した、新規な鉄系粉末（ｉｒｏｎ−ｂａｓｅｄ ｐｏｗｄｅｒ）並びに／又はその粉末組成物を提供すること、
− 未焼結段階と焼結された段階との間に有する寸法変化が小さい焼結製品を製造するのに適した、新規な鉄系粉末及び／又はその粉末組成物を提供すること、
− 炭素含有率の変化からの寸法変化への影響ができるだけ少ない、新規な鉄系粉末及び／又はその粉末組成物を提供すること、
− 鉄系合金粉末が、鉄系合金粉末を安価な屑から製造することを可能にする０．４５重量％以下のＭｎを含む、新規な鉄系粉末及び／又はその粉末組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的及び／又は課題の少なくとも１つは、Ｍｏ０．７５〜１．１重量％（重量での％）、好ましくはＭｏ０．８重量％超、Ｎｉ０．７５〜１．１重量％、Ｍｎ０．４５重量％以下、及び不可避の不純物とともに予備合金化した鉄系粉末を提供することにより満たされる。この鉄系粉末は、０．２５重量％以下の酸素、好ましくは０．２０重量％以下のＯ、最も好ましくは０．１５重量％以下のＯを有する。鉄系粉末は、１）予備合金化された鉄系粉末の表面に拡散結合され、及び／又は２）予備合金化した鉄系粉末の表面に結合剤により結合され、及び／又は３）鉄系粉末に混合されて存在する０．５〜２．５重量％のＣｕをさらに有する。さらに、その粉末組成物は、鉄系粉末、グラファイト、潤滑剤、及び任意に機械加工性増進剤（ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ａｇｅｎｔｓ）を含有する。
【００１２】
グラファイトの含有率は、好ましくは、粉末組成物の０．４〜０．９重量％の範囲内であり、より好ましくは、０．５〜０．９重量％の範囲内であり、潤滑剤の含有率は、好ましくは、粉末組成物の０．０５〜１．０重量％の範囲内である。
【００１３】
好ましい実施形態において、Ｃｕは、予備合金化された鉄系粉末の表面に拡散結合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｅｄ）される。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、グラファイト、潤滑剤及び機械加工性改善剤の少なくとも１種が、予備合金化された鉄系粉末の表面に結合される。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
鉄系合金粉末の調製
本発明の鉄系合金粉末を、上述の組成の合金要素Ｎｉ、Ｍｏ及びＭｎを有するように調製された鋼溶融物に任意の既知の水噴霧法（ｗａｔｅｒ ａｔｏｍｉｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）を受けさせることにより、容易に製造することができる。
【００１６】
Ｍｏの量
Ｍｏは、焼入性の改善により、並びに固溶硬化及び析出硬化にもより、鋼の強度を改善するように作用する。十分な量のマルテンサイトが通常の冷却速度で形成されるのを確実にするために、Ｍｏの量は、０．７５〜１．１重量％の範囲内であるべきことが見出されている。しかし、好ましくは、Ｍｏの含有率は、十分な量のマルテンサイトが通常の冷却速度で形成されるのを確実にするために、０．８重量％超、より好ましくは０．８５重量％超である。
【００１７】
Ｎｉの量
Ｎｉは、強度及び延性を増大させるために、Ｐ／Ｍ鋼に加えられる。Ｎｉの添加により、鋼の焼入性も増大する。０．７５重量％未満のＮｉの添加は、機械的特性に不十分な影響を有する一方で、１．１重量％を上回る添加によっては、鋼の所期の用途にいかなるさらなる改善をも加えられない。
【００１８】
Ｍｎの量
Ｍｎは、焼入性を改善することにより、及び固溶硬化により、鋼の強度を改善する。しかし、Ｍｎの量がフェライトを上回る場合、固溶硬化により硬度が増し、粉末の圧縮性を低下させる。圧縮性の減少はほとんど無視できるので、０．４５重量％以下のＭｎ量を受け入れることができ、Ｍｎの量が０．３５重量％未満であることが好ましい。Ｍｎの量が０．０８％未満であったとしても、鋼の製造の途中でＭｎを減少させるための特定の処理を行わない限り、通常０．０８％を上回るＭｎ含有率を有する安価な再生利用された材料を用いることは不可能である。したがって、本発明に係る好ましいＭｎ量は０．０９〜０．４５％である。
【００１９】
Ｃの量
鉄系合金粉末中のＣが、０．０２重量％以下、好ましくは０．０１重量％以下であるのは、Ｃが、侵入型の固溶硬化によりフェライトマトリックスを硬化させるように作用する要素であるからである。Ｃの含有率が、０．０２重量％を超える場合、粉末はかなり硬化され、低すぎる圧縮性につながる。
【００２０】
Ｏの量
Ｏの量は、０．２５重量％を超えるべきではなく、Ｏの含有率は、０．２重量％まで、最も好ましくは０．１５重量％までに制限されるのが好ましい。
【００２１】
不可避の不純物
鉄系合金粉末中の不可避の不純物の総量は、全体で０．５重量％を超えるべきではない。
【００２２】
Ｃｕの量
銅粒子は、焼結温度に達して拡散速度を増大させ湿潤により焼結ネックを作り出す前に溶融するので、微粒の銅は、Ｐ／Ｍ工業においてしばしば用いられる。Ｃｕの添加により、要素の強度も増大する。好ましくは、銅は、鉄系粉末に結合して、銅の不規則な分布と要素における特性の変化につながることがある、組成物中の偏析を回避するが、鉄系粉末にＣｕを混合することも可能である。Ｃｕ粒子又はＣｕ酸化物粒子を鉄系粉末に拡散焼きなまし（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）する任意の既知の方法を、有機バインダーによりＣｕ粒子を鉄系粉末に結合するのと同様に適用することができる。Ｃｕの量は、０．５〜３．０重量％の間、好ましくは０．５〜２．５重量％の間、より好ましくは０．５〜２．０重量％であるべきである。
【００２３】
グラファイト
グラファイトは、通常、機械的特性を改善するためにＰ／Ｍの組成物に添加される。グラファイトは、焼結体中の酸化物量を減少させ、さらに、機械的特性を向上させる還元剤としても作用する。焼結製品中のＣの量は、鉄系合金粉末組成物に加えられたグラファイト粉末の量により決定される。焼結された要素の十分な特性を達成するために、グラファイトの量は、組成物の０．４〜０．９重量％、好ましくは０．５〜０．９重量％であるべきである。
【００２４】
潤滑剤
潤滑剤を、圧縮されるべき鉄系合金粉末組成物に加えることもできる。周囲温度で用いられる潤滑剤の代表的な例は、Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）、エチレン−ビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、Ｚｎ−ステアレート等の金属ステアレート、オレイン酸アミド等の脂肪酸誘導体、ステアリン酸グリセリル、及びポリエチレンワックスである。高温で用いられる潤滑剤（高温潤滑剤）の代表的な例は、ポリアミド、アミドオリゴマー、ポリエステルである。添加される潤滑剤の量は、通常、組成物の１重量％以下である。
【００２５】
他の添加剤
本発明に従って、場合によって用いられ得る他の添加剤には、硬質相材料、機械加工性改善剤及び流動性向上剤が挙げられる。
【００２６】
圧縮及び焼結
圧縮は、周囲温度又は高温において２０００ＭＰａ以下の圧力での一軸で圧縮する操作で行われ得るが、通常、圧力は、４００から８００ＭＰａの間で変化する。
【００２７】
圧縮後に、得られた要素の焼結が、約１０００℃から約１４００℃の温度で行われる。１０５０℃から１２００℃の温度範囲内での焼結は、高性能な要素のコスト効率のよい製造につながる。
【００２８】
本発明は、以下の非限定的な実施例により、さらに説明される。
【実施例】
【００２９】
この実施例により、本発明に係るＰ／Ｍ組成物から製造される要素について、より高含有率の合金要素Ｃｕ、Ｎｉ及びＭｏを有する材料と同水準の高い引張り強さを得られることが説明される。
【００３０】
Ｍｏ０．９重量％、Ｎｉ０．９重量％及びＭｎ０．２５重量％の含有率を有する鉄系合金粉末を、鋼の溶融物に水噴霧を受けさせることにより製造した。原水噴霧された粉末の焼きなましを、湿潤水素の雰囲気中で９６０℃の温度にて、実験用の炉の中で行った。さらに、焼きなまされた粉末に、いろいろな量の酸化第一銅を加え、それぞれ、１重量％、２重量％及び３重量％の含有率の拡散結合された銅を有する粉末を得た。拡散結合又は焼きなましを、乾燥水素の雰囲気中で８３０℃にて、実験用の炉の中で行った。焼きなまされた粉末を、破砕し、磨砕し、篩い、生成した粉末は、約１８０μｍ未満の粒子を９５％有していた。
【００３１】
第１の参照の組成物、組成物番号１０は、２重量％の銅粉末及び０．７５％のグラファイトに混合された、米国ニュージャージー州のＨｏｅｇａｎａｅｓ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＡｎｃｏｒｓｔｅｅｌ７３７の鉄系粉末をベースとした。
【００３２】
３つのさらなる参照の組成物、組成物１１〜１３は、２％の銅粉末、並びにそれぞれ、０．６５％、０．７５％及び０．８５％のグラファイトに混合された、Ｍｏ０．６％、Ｎｉ０．４５％及びＭｎ０．３％の含有率を有する予備合金化された鉄系粉末をベースとした。
【００３３】
本発明に係る粉末組成物、及び参照の材料を、いろいろな量のグラファイト、及び０．８重量％のＥＢＳ潤滑剤を添加することにより調製した。表１に、そのいろいろな組成物を示す。
表１：試験した組成物
【表１】
【００３４】
組成物を圧縮圧力６００ＭＰａで圧縮することにより、ＳＳ−ＥＮ１０００２−１に従った引張試験用の棒を作製した。試料を、９０％Ｎ２／１０％Ｈ２の雰囲気中で３０分間、１１２０℃の焼結温度にて、実験用のベルト炉の中で焼結した。
【００３５】
冷却速度の影響を検討するために、試料数の半分に、２℃／秒の冷却速度で、焼結後の強制冷却を受けさせ、２００℃で６０分間の焼き戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）を続けた一方で、もう半分には、約０．８℃／秒にて、通常の冷却速度を受けさせた。表２に、通常の冷却速度に対応する結果を示し、表３に、強制冷却速度に対応する結果を示す。
【００３６】
結果
圧縮及び焼結された試料間の寸法変化を、ＳＳ−ＥＮ１０００２−１に従って、引張強さと同様に測定し、ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１に従って、１０グラムの荷重でのマイクロビッカース硬度を測定した。
表２：通常の冷却速度を受けさせた、寸法変化、引張試験及び硬度試験の試料の測定からの結果
【表２】
【００３７】
表３：強制冷却（焼結焼入される）速度を受けさせた、寸法変化、引張試験及び硬度試験の試料の測定からの結果
【表３】
【００３８】
表２及び３は、組成物１〜９から製造される試料について、焼結焼入された試料、及び通常の冷却速度で冷却された試料の両方についての引張強さ及び硬度の値が、Ｎｉ及びＭｏ等の、より高い含有率でコストのかかる合金要素を有する参照の組成物１０から製造される試料と同水準に達することを示している。
【００３９】
高い銅価格のために、できるだけ低く維持することも望まれるＣｕ−含有率に関して、寸法変化は、量及び分散（ｖａｒｉａｎｃｅ；変動）の両方とも、炭素含有率の変化のために、１重量％のＣｕ含有率を有する組成物１〜３、及び２重量％のＣｕ含有率を有する組成物４〜６についてより、３重量％のＣｕ含有率を有する組成物７〜９についての方がはるかに大きいことが分かる。したがって、本発明によれば、銅の含有率は、好ましくは３重量％以下、より好ましくは２．５重量％以下、より好ましくは２．０重量％以下であるべきである。
【００４０】
組成物１〜３に関して、通常の冷却速度の間の寸法変化の量は、参照の組成物１０より大きいが、これらの結果は比較的良好であるので、炭素含有物による分散は非常に小さい。しかし、強制冷却速度の間、寸法変化の量は、その分散と同様に小さい。
【００４１】
組成物４〜６に関して、通常の冷却の間の寸法変化の量は、ほとんどゼロであり、炭素含有物による分散も非常に小さい。強制冷却速度の間、寸法変化の量はややより大きいが、参照の組成物１０よりはなお小さい。分散も、ややより大きいが、その量は比較的小さいので、これは重要な問題ではない。
【００４２】
参照の組成物１１、１２及び１３に関して、特に、強制冷却を受けた試料について、より小さい引張強さが得られることを特記し得る。さらに、寸法変化は、本発明に係る組成物と比較して比較的大きい。
【００４３】
寸法変化
圧縮及び焼結された試料間の寸法変化は、＋−０．３５％未満、好ましくは＋−０．３％未満、より好ましくは０．２％未満であるべきである。
【００４４】
引張強さ
好ましくは、引張強さは、急速冷却及び焼き戻しを受けた場合、９００ＭＰａ超、より好ましくは９２０ＭＰａ超であるべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系合金粉末、並びに鉄系合金粉末、グラファイト、潤滑剤、及び最終的には他の添加剤を含む鉄系合金粉末組成物に関する。この組成物は、良好な機械的特性を有する、プレス及び焼結された要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；構成要素、部品、材料）のコスト効率のよい製造のために設計されている。
【背景技術】
【０００２】
工業において、金属粉末組成物を圧縮及び焼結することにより製造される金属製品の使用は、ますます広まるようになっている。様々な異なる形状及び厚さを有する多くの製品が製造されており、コストの低減が求められると同時に、品質の要求が連続的に高まっている。これは、Ｐ／Ｍ工業のための重要な市場である自動車市場のためのＰ／Ｍ部品について特にあてはまる。Ｐ／Ｍ工業において、Ｍｏ、Ｎｉ及びＣｕ等の合金要素は、一般に、プレス及び焼結された要素の特性を改善するために用いられてきた。しかし、これらの合金要素は、コストがかかり、したがって、プレス及び焼結された要素の十分な特性を維持しつつ、これらの合金要素の含有率をできるだけ低く保つことができれば望ましい。
【０００３】
プレス及び焼結された要素の高い強度を達成するために、材料の焼入性（ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ；硬化性）が必須である。Ｐ／Ｍ要素を焼入するコスト効率のよい方法は、要素が、焼結の後、冷却ステップの間に直接に焼入される、いわゆる焼結焼入法である。合金要素、及び要素の含有率を注意深く選択することにより、焼結焼入を、従来の焼結炉内で通常適用される冷却速度で達成することができる。
【０００４】
プレス及び焼結された要素を製造する際の別の重要な要因は、いろいろな焼結部品の間の寸法の変化が、焼結後のコストがかかる機械加工を避けるためにできるだけ小さいことである。さらに、未焼入段階（ｇｒｅｅｎ ｓｔａｇｅ）、すなわちプレス後の要素と、それが焼結された後の要素との間の寸法変化が小さく、寸法変化による炭素含有率の変化の影響は、コストのかかる機械加工にもつながることがあるので、応力の導入と要素に起こりうる歪みとを避けるために、これができるだけ少ないことが望ましい。硬度及び強度が増加するにつれて機械加工のコストが増加するので、このことは、高い硬度及び強度を有する材料に特に重要である。
【０００５】
別の重要な要因は、環境面で大きな効果を有する、噴霧されるべき溶融物の調製における自動車工業からの屑の再生利用の可能性である。この点において、鉄系合金粉末中の０．３％以下のＭｎ含有率を受容する可能性は、こうしたＭｎ量が、再生利用される鉄屑中では一般的であるために重要である。
【０００６】
Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｕにより合金化された鉄系粉末は、合金要素として広く用いられ、様々な特許出願から知られている。例として、Ｓｅｍｅｌへの米国特許第６０６８８１３号は、銅含有粉末及びニッケル含有粉末に混合される、含有率０．１０〜２．０重量％のモリブデンを有する、予備合金化した（ｐｒｅａｌｌｏｙｅｄ）鉄及びモリブデンの粉末を含み、それにより、銅含有粉末及びニッケル含有粉末が、結合剤により鉄−モリブデン粉末に結合される粉末組成物を示している。この粉末組成物は、銅０．５〜４．０重量％、及びニッケル０．５〜８．０重量％を含有する。実施例において用いられる鉄系粉末は、０．５６重量％のＭｏ含有率、１．７５重量％又は４．００重量％のＮｉ含有率、及び１．５重量％のＣｕ含有率を有する。
【０００７】
Ｃｕ粉末に混合され得る、Ｎｉ、Ｍｏ及びＭｎを含有する予備合金化粉末に関する特許文献における別の例は、Ｍｏｃａｒｓｋｉへの米国特許第４０６９０４４号である。この特許は、粉末の製造方法を開示し、この粉末は、粉末鍛造物（ｐｏｗｄｅｒ−ｆｏｒｇｅｄ ａｒｔｉｃｌｅｓ）を製造するのに適している。Ｍｏ及びＮｉを０．４〜０．６５％含有する好ましい組成物に係る鍛造された要素の試験からの結果が報告されている。この特許は、グラファイト、及び圧縮されるべきＣｕ０．２〜２．１％を含有する組成物を与えるＣｕの又はＣｕ含有の粉末に混合される、Ｎｉ０．２〜１．０％、Ｍｏ０．２〜０．８％及びＭｎ０．２５〜０．６％を含み、２２５０〜２３５０°Ｆで焼結され熱間鍛造されるのに適した、予備合金化した鉄系粉末を含有する変形にも言及している。しかし、０．６０重量％を上回るＮｉ含有率についても、０．６５重量％を上回るＭｏ含有率についても、試験結果が示されていない。
【０００８】
焼結焼入の用途のために、米国ニュージャージー州のＨｏｅｇａｎａｅｓ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＡｎｃｏｒｓｔｅｅｌ７３７ＳＨ、及びカナダのＱｕｅｂｅｃ Ｍｅｔａｌ Ｐｏｗｄｅｒｓから入手可能なＡｔｏｍｅｔ４７０１等の、多くの市販の粉末が存在する。言及した鉄系粉末は、Ｍｏ、Ｎｉ及びＭｎと合金化され、ＡＴＯＭＥＴ４７０１は、さらにＣｒと合金化される。Ａｎｃｏｒｓｔｅｅｌ７３７ＳＨは、Ｍｎ０．４２％，Ｍｏ１．２５％，Ｎｉ１．４０％の化学組成を有する予備合金化した鋼粉末である。Ａｔｏｍｅｔ４７０１の化学組成は、Ｍｎ０．４５％、Ｍｏ１．００％、Ｎｉ０．９％及びＣｒ０．４５％である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、新規な鉄系粉末、及び／又は低含有率のＭｏ、Ｎｉ及びＣｕを有するその粉末組成物を提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、
− 圧縮及び焼結焼入された要素を製造するのに適した、新規な鉄系粉末（ｉｒｏｎ−ｂａｓｅｄ ｐｏｗｄｅｒ）並びに／又はその粉末組成物を提供すること、
− 未焼結段階と焼結された段階との間に有する寸法変化が小さい焼結製品を製造するのに適した、新規な鉄系粉末及び／又はその粉末組成物を提供すること、
− 炭素含有率の変化からの寸法変化への影響ができるだけ少ない、新規な鉄系粉末及び／又はその粉末組成物を提供すること、
− 鉄系合金粉末が、鉄系合金粉末を安価な屑から製造することを可能にする０．４５重量％以下のＭｎを含む、新規な鉄系粉末及び／又はその粉末組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的及び／又は課題の少なくとも１つは、Ｍｏ０．７５〜１．１重量％（重量での％）、好ましくはＭｏ０．８重量％超、Ｎｉ０．７５〜１．１重量％、Ｍｎ０．４５重量％以下、及び不可避の不純物とともに予備合金化した鉄系粉末を提供することにより満たされる。この鉄系粉末は、０．２５重量％以下の酸素、好ましくは０．２０重量％以下のＯ、最も好ましくは０．１５重量％以下のＯを有する。鉄系粉末は、１）予備合金化された鉄系粉末の表面に拡散結合され、及び／又は２）予備合金化した鉄系粉末の表面に結合剤により結合され、及び／又は３）鉄系粉末に混合されて存在する０．５〜２．５重量％のＣｕをさらに有する。さらに、その粉末組成物は、鉄系粉末、グラファイト、潤滑剤、及び任意に機械加工性増進剤（ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ａｇｅｎｔｓ）を含有する。
【００１２】
グラファイトの含有率は、好ましくは、粉末組成物の０．４〜０．９重量％の範囲内であり、より好ましくは、０．５〜０．９重量％の範囲内であり、潤滑剤の含有率は、好ましくは、粉末組成物の０．０５〜１．０重量％の範囲内である。
【００１３】
好ましい実施形態において、Ｃｕは、予備合金化された鉄系粉末の表面に拡散結合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｅｄ）される。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、グラファイト、潤滑剤及び機械加工性改善剤の少なくとも１種が、予備合金化された鉄系粉末の表面に結合される。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
鉄系合金粉末の調製
本発明の鉄系合金粉末を、上述の組成の合金要素Ｎｉ、Ｍｏ及びＭｎを有するように調製された鋼溶融物に任意の既知の水噴霧法（ｗａｔｅｒ ａｔｏｍｉｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）を受けさせることにより、容易に製造することができる。
【００１６】
Ｍｏの量
Ｍｏは、焼入性の改善により、並びに固溶硬化及び析出硬化にもより、鋼の強度を改善するように作用する。十分な量のマルテンサイトが通常の冷却速度で形成されるのを確実にするために、Ｍｏの量は、０．７５〜１．１重量％の範囲内であるべきことが見出されている。しかし、好ましくは、Ｍｏの含有率は、十分な量のマルテンサイトが通常の冷却速度で形成されるのを確実にするために、０．８重量％超、より好ましくは０．８５重量％超である。
【００１７】
Ｎｉの量
Ｎｉは、強度及び延性を増大させるために、Ｐ／Ｍ鋼に加えられる。Ｎｉの添加により、鋼の焼入性も増大する。０．７５重量％未満のＮｉの添加は、機械的特性に不十分な影響を有する一方で、１．１重量％を上回る添加によっては、鋼の所期の用途にいかなるさらなる改善をも加えられない。
【００１８】
Ｍｎの量
Ｍｎは、焼入性を改善することにより、及び固溶硬化により、鋼の強度を改善する。しかし、Ｍｎの量がフェライトを上回る場合、固溶硬化により硬度が増し、粉末の圧縮性を低下させる。圧縮性の減少はほとんど無視できるので、０．４５重量％以下のＭｎ量を受け入れることができ、Ｍｎの量が０．３５重量％未満であることが好ましい。Ｍｎの量が０．０８％未満であったとしても、鋼の製造の途中でＭｎを減少させるための特定の処理を行わない限り、通常０．０８％を上回るＭｎ含有率を有する安価な再生利用された材料を用いることは不可能である。したがって、本発明に係る好ましいＭｎ量は０．０９〜０．４５％である。
【００１９】
Ｃの量
鉄系合金粉末中のＣが、０．０２重量％以下、好ましくは０．０１重量％以下であるのは、Ｃが、侵入型の固溶硬化によりフェライトマトリックスを硬化させるように作用する要素であるからである。Ｃの含有率が、０．０２重量％を超える場合、粉末はかなり硬化され、低すぎる圧縮性につながる。
【００２０】
Ｏの量
Ｏの量は、０．２５重量％を超えるべきではなく、Ｏの含有率は、０．２重量％まで、最も好ましくは０．１５重量％までに制限されるのが好ましい。
【００２１】
不可避の不純物
鉄系合金粉末中の不可避の不純物の総量は、全体で０．５重量％を超えるべきではない。
【００２２】
Ｃｕの量
銅粒子は、焼結温度に達して拡散速度を増大させ湿潤により焼結ネックを作り出す前に溶融するので、微粒の銅は、Ｐ／Ｍ工業においてしばしば用いられる。Ｃｕの添加により、要素の強度も増大する。好ましくは、銅は、鉄系粉末に結合して、銅の不規則な分布と要素における特性の変化につながることがある、組成物中の偏析を回避するが、鉄系粉末にＣｕを混合することも可能である。Ｃｕ粒子又はＣｕ酸化物粒子を鉄系粉末に拡散焼きなまし（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）する任意の既知の方法を、有機バインダーによりＣｕ粒子を鉄系粉末に結合するのと同様に適用することができる。Ｃｕの量は、０．５〜３．０重量％の間、好ましくは０．５〜２．５重量％の間、より好ましくは０．５〜２．０重量％であるべきである。
【００２３】
グラファイト
グラファイトは、通常、機械的特性を改善するためにＰ／Ｍの組成物に添加される。グラファイトは、焼結体中の酸化物量を減少させ、さらに、機械的特性を向上させる還元剤としても作用する。焼結製品中のＣの量は、鉄系合金粉末組成物に加えられたグラファイト粉末の量により決定される。焼結された要素の十分な特性を達成するために、グラファイトの量は、組成物の０．４〜０．９重量％、好ましくは０．５〜０．９重量％であるべきである。
【００２４】
潤滑剤
潤滑剤を、圧縮されるべき鉄系合金粉末組成物に加えることもできる。周囲温度で用いられる潤滑剤の代表的な例は、Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）、エチレン−ビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、Ｚｎ−ステアレート等の金属ステアレート、オレイン酸アミド等の脂肪酸誘導体、ステアリン酸グリセリル、及びポリエチレンワックスである。高温で用いられる潤滑剤（高温潤滑剤）の代表的な例は、ポリアミド、アミドオリゴマー、ポリエステルである。添加される潤滑剤の量は、通常、組成物の１重量％以下である。
【００２５】
他の添加剤
本発明に従って、場合によって用いられ得る他の添加剤には、硬質相材料、機械加工性改善剤及び流動性向上剤が挙げられる。
【００２６】
圧縮及び焼結
圧縮は、周囲温度又は高温において２０００ＭＰａ以下の圧力での一軸で圧縮する操作で行われ得るが、通常、圧力は、４００から８００ＭＰａの間で変化する。
【００２７】
圧縮後に、得られた要素の焼結が、約１０００℃から約１４００℃の温度で行われる。１０５０℃から１２００℃の温度範囲内での焼結は、高性能な要素のコスト効率のよい製造につながる。
【００２８】
本発明は、以下の非限定的な実施例により、さらに説明される。
【実施例】
【００２９】
この実施例により、本発明に係るＰ／Ｍ組成物から製造される要素について、より高含有率の合金要素Ｃｕ、Ｎｉ及びＭｏを有する材料と同水準の高い引張り強さを得られることが説明される。
【００３０】
Ｍｏ０．９重量％、Ｎｉ０．９重量％及びＭｎ０．２５重量％の含有率を有する鉄系合金粉末を、鋼の溶融物に水噴霧を受けさせることにより製造した。原水噴霧された粉末の焼きなましを、湿潤水素の雰囲気中で９６０℃の温度にて、実験用の炉の中で行った。さらに、焼きなまされた粉末に、いろいろな量の酸化第一銅を加え、それぞれ、１重量％、２重量％及び３重量％の含有率の拡散結合された銅を有する粉末を得た。拡散結合又は焼きなましを、乾燥水素の雰囲気中で８３０℃にて、実験用の炉の中で行った。焼きなまされた粉末を、破砕し、磨砕し、篩い、生成した粉末は、約１８０μｍ未満の粒子を９５％有していた。
【００３１】
第１の参照の組成物、組成物番号１０は、２重量％の銅粉末及び０．７５％のグラファイトに混合された、米国ニュージャージー州のＨｏｅｇａｎａｅｓ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＡｎｃｏｒｓｔｅｅｌ７３７の鉄系粉末をベースとした。
【００３２】
３つのさらなる参照の組成物、組成物１１〜１３は、２％の銅粉末、並びにそれぞれ、０．６５％、０．７５％及び０．８５％のグラファイトに混合された、Ｍｏ０．６％、Ｎｉ０．４５％及びＭｎ０．３％の含有率を有する予備合金化された鉄系粉末をベースとした。
【００３３】
本発明に係る粉末組成物、及び参照の材料を、いろいろな量のグラファイト、及び０．８重量％のＥＢＳ潤滑剤を添加することにより調製した。表１に、そのいろいろな組成物を示す。
表１：試験した組成物
【表１】
【００３４】
組成物を圧縮圧力６００ＭＰａで圧縮することにより、ＳＳ−ＥＮ１０００２−１に従った引張試験用の棒を作製した。試料を、９０％Ｎ２／１０％Ｈ２の雰囲気中で３０分間、１１２０℃の焼結温度にて、実験用のベルト炉の中で焼結した。
【００３５】
冷却速度の影響を検討するために、試料数の半分に、２℃／秒の冷却速度で、焼結後の強制冷却を受けさせ、２００℃で６０分間の焼き戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）を続けた一方で、もう半分には、約０．８℃／秒にて、通常の冷却速度を受けさせた。表２に、通常の冷却速度に対応する結果を示し、表３に、強制冷却速度に対応する結果を示す。
【００３６】
結果
圧縮及び焼結された試料間の寸法変化を、ＳＳ−ＥＮ１０００２−１に従って、引張強さと同様に測定し、ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１に従って、１０グラムの荷重でのマイクロビッカース硬度を測定した。
表２：通常の冷却速度を受けさせた、寸法変化、引張試験及び硬度試験の試料の測定からの結果
【表２】
【００３７】
表３：強制冷却（焼結焼入される）速度を受けさせた、寸法変化、引張試験及び硬度試験の試料の測定からの結果
【表３】
【００３８】
表２及び３は、組成物１〜９から製造される試料について、焼結焼入された試料、及び通常の冷却速度で冷却された試料の両方についての引張強さ及び硬度の値が、Ｎｉ及びＭｏ等の、より高い含有率でコストのかかる合金要素を有する参照の組成物１０から製造される試料と同水準に達することを示している。
【００３９】
高い銅価格のために、できるだけ低く維持することも望まれるＣｕ−含有率に関して、寸法変化は、量及び分散（ｖａｒｉａｎｃｅ；変動）の両方とも、炭素含有率の変化のために、１重量％のＣｕ含有率を有する組成物１〜３、及び２重量％のＣｕ含有率を有する組成物４〜６についてより、３重量％のＣｕ含有率を有する組成物７〜９についての方がはるかに大きいことが分かる。したがって、本発明によれば、銅の含有率は、好ましくは３重量％以下、より好ましくは２．５重量％以下、より好ましくは２．０重量％以下であるべきである。
【００４０】
組成物１〜３に関して、通常の冷却速度の間の寸法変化の量は、参照の組成物１０より大きいが、これらの結果は比較的良好であるので、炭素含有物による分散は非常に小さい。しかし、強制冷却速度の間、寸法変化の量は、その分散と同様に小さい。
【００４１】
組成物４〜６に関して、通常の冷却の間の寸法変化の量は、ほとんどゼロであり、炭素含有物による分散も非常に小さい。強制冷却速度の間、寸法変化の量はややより大きいが、参照の組成物１０よりはなお小さい。分散も、ややより大きいが、その量は比較的小さいので、これは重要な問題ではない。
【００４２】
参照の組成物１１、１２及び１３に関して、特に、強制冷却を受けた試料について、より小さい引張強さが得られることを特記し得る。さらに、寸法変化は、本発明に係る組成物と比較して比較的大きい。
【００４３】
寸法変化
圧縮及び焼結された試料間の寸法変化は、＋−０．３５％未満、好ましくは＋−０．３％未満、より好ましくは０．２％未満であるべきである。
【００４４】
引張強さ
好ましくは、引張強さは、急速冷却及び焼き戻しを受けた場合、９００ＭＰａ超、より好ましくは９２０ＭＰａ超であるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ０．７５から１．１重量％、
Ｍｏ０．７５から１．１重量％、及び
Ｍｎ＜０．４５重量％
の含有率で、Ｎｉ及びＭｏとともに予備合金化され、さらに、０．５から３．０重量％、好ましくは０．５から２．５重量％、最も好ましくは０．５から２．０重量％のＣｕと、不可避の不純物とを含み、残分がＦｅである、水噴霧された鉄系粉末。
【請求項２】
Ｍｏの含有率が、０．８重量％超、好ましくは０．８５重量％超である、請求項１に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項３】
Ｍｎの含有率が、０．３５重量％未満である、請求項１又は２に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項４】
Ｃｕの少なくとも一部又は総量が、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に拡散結合された、請求項１から３までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項５】
すべてのＣｕが、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に拡散結合された、請求項４に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項６】
Ｃｕの全量の少なくとも一部が、結合剤により、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に結合された、請求項１から４までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項７】
すべてのＣｕが、結合剤により、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に結合された、請求項６に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項８】
Ｃｕの少なくとも一部又は総量が、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末に混合された、請求項１から４及び６のいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項９】
すべてのＣｕが、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末に混合された、請求項８に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項１０】
Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末中のＣ含有率が０．０２重量％以下である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項１１】
Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末中のＯ含有率が０．２５重量％以下、好ましくは０．２重量％以下、より好ましくは０．１５重量％以下である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末と、０．４から０．９重量％、好ましくは０．５から０．９重量％の量のグラファイトと、潤滑剤と、任意に他の添加剤とを含む、合金化された鉄系粉末組成物。
【請求項１３】
請求項１に記載の水噴霧された鉄系粉末と、０．４から０．９重量％、好ましくは０．５から０．９重量％の量のグラファイトと、潤滑剤と、任意に他の添加剤とを含有し、グラファイト、潤滑剤、及び任意に含有される他の要素の少なくとも１種が、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に結合された、合金化された鉄系粉末組成物。
【請求項１４】
ａ．請求項１２又は１３に記載の粉末冶金組成物を提供すること、
ｂ．上記粉末冶金組成物を圧縮すること、及び
ｃ．還元又は中性の雰囲気中で、大気圧以下で、及び１０００℃を上回る温度で、上記の圧縮された粉末冶金組成物を焼結すること
を含む、要素の製造方法。
【請求項１５】
ｂ）において、圧縮圧力が、２０００ＭＰａ以下、好ましくは、４００から８００ＭＰａの範囲内の圧縮圧力である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ｃ）において、焼結温度が、１０００℃から１４００℃の温度範囲で、好ましくは、１０５０℃から１２００℃の温度範囲で行われる、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１１又は１２に記載の、合金化された鉄系粉末組成物から製造される、焼結された要素。
【請求項１】
Ｎｉ０．７５から１．１重量％、
Ｍｏ０．７５から１．１重量％、及び
Ｍｎ＜０．４５重量％
の含有率で、Ｎｉ及びＭｏとともに予備合金化され、さらに、０．５から３．０重量％、好ましくは０．５から２．５重量％、最も好ましくは０．５から２．０重量％のＣｕと、不可避の不純物とを含み、残分がＦｅである、水噴霧された鉄系粉末。
【請求項２】
Ｍｏの含有率が、０．８重量％超、好ましくは０．８５重量％超である、請求項１に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項３】
Ｍｎの含有率が、０．３５重量％未満である、請求項１又は２に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項４】
Ｃｕの少なくとも一部又は総量が、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に拡散結合された、請求項１から３までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項５】
すべてのＣｕが、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に拡散結合された、請求項４に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項６】
Ｃｕの全量の少なくとも一部が、結合剤により、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に結合された、請求項１から４までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項７】
すべてのＣｕが、結合剤により、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に結合された、請求項６に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項８】
Ｃｕの少なくとも一部又は総量が、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末に混合された、請求項１から４及び６のいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項９】
すべてのＣｕが、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末に混合された、請求項８に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項１０】
Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末中のＣ含有率が０．０２重量％以下である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項１１】
Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末中のＯ含有率が０．２５重量％以下、好ましくは０．２重量％以下、より好ましくは０．１５重量％以下である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか一項に記載の水噴霧された鉄系粉末と、０．４から０．９重量％、好ましくは０．５から０．９重量％の量のグラファイトと、潤滑剤と、任意に他の添加剤とを含む、合金化された鉄系粉末組成物。
【請求項１３】
請求項１に記載の水噴霧された鉄系粉末と、０．４から０．９重量％、好ましくは０．５から０．９重量％の量のグラファイトと、潤滑剤と、任意に他の添加剤とを含有し、グラファイト、潤滑剤、及び任意に含有される他の要素の少なくとも１種が、Ｎｉ及びＭｏと合金化されたＦｅ粉末の表面に結合された、合金化された鉄系粉末組成物。
【請求項１４】
ａ．請求項１２又は１３に記載の粉末冶金組成物を提供すること、
ｂ．上記粉末冶金組成物を圧縮すること、及び
ｃ．還元又は中性の雰囲気中で、大気圧以下で、及び１０００℃を上回る温度で、上記の圧縮された粉末冶金組成物を焼結すること
を含む、要素の製造方法。
【請求項１５】
ｂ）において、圧縮圧力が、２０００ＭＰａ以下、好ましくは、４００から８００ＭＰａの範囲内の圧縮圧力である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ｃ）において、焼結温度が、１０００℃から１４００℃の温度範囲で、好ましくは、１０５０℃から１２００℃の温度範囲で行われる、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１１又は１２に記載の、合金化された鉄系粉末組成物から製造される、焼結された要素。
【公表番号】特表２０１０−５２９３０２（Ｐ２０１０−５２９３０２Ａ）
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１２１２６（Ｐ２０１０−５１２１２６）
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００８／０５０７０９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１５３４９９
【国際公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（５０９０２０２９５）ホガナス アクチボラグ （パブル） (21)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００８／０５０７０９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１５３４９９
【国際公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（５０９０２０２９５）ホガナス アクチボラグ （パブル） (21)
【Ｆターム（参考）】
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