JP2002322503A - 焼結鋼部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱時間の短い部分的な焼入れ処理によって
も、マルテンサイト単独相から成る高強度の焼入れ部分
を安定的に形成し得る処理を伴う焼結鋼部品の製造方法
を提供すること。 【解決手段】 焼結された鋼から成り、少なくともその
一部に焼入れによる実質的なマルテンサイト単独相が形
成された焼結鋼部品を製造する方法であり、(a).鋼を形
成する組成の粉末材料から成る成形体をそれが焼結し得
る温度域まで加熱する工程と、(b).前記加熱によって形
成された焼結体を前記温度域からほぼ常温まで冷却する
過程において、その焼結体の少なくとも一部分について
その全域に、含有フェライト粒子の平均粒径が２０μｍ
以下である鋼組織を生成させる工程と、(c).その組織が
生成した部分に焼入れ処理を施す工程とを包含する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、焼結された鋼か
ら成る部品（以下「焼結鋼部品」という。）の製造技術
に関し、詳しくは、焼入れ処理を伴う焼結鋼部品の製造
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】 鋼その他の合金材から種々の形状の部
品を製造する一つの手法として粉末冶金法が利用されて
いる。この方法では、先ず、種々の組成の粉末材料を所
望する形状に成形する。次いで、当該成形体（圧粉体）
を焼結温度域まで加熱して焼結させる。この成形及び焼
結工程を経て目的の焼結部品が得られる。通常、上記工
程を経て得られた焼結部品に対して更に適当な浸炭処理
や焼入れ処理（焼戻し処理を伴う場合あり）等を施すこ
とによって、当該焼結部品の機械的強度や耐摩耗性等の
物理的特性の向上が図られている。例えば、特開昭５５
−３１１８３号公報には、焼結温度域から所定の冷却速
度で冷却することによって超硬合金から成る焼結体の強
度を向上する技術が開示されている。また、特開２００
０−２３４１３６号公報には、超硬合金から成る焼結体
を焼結温度域から一旦冷却し、当該温度域よりも若干低
い温度域まで再加熱した後急冷することによって、当該
焼結体の強度を向上する技術が開示されている。

【０００３】ところで、焼結鋼部品のなかには、その表
層部の一部に焼入れ処理を施すことによって当該焼入れ
部分の強度を他の部分よりも向上させたものがある。例
えば、自動車部品である駆動系歯車やクランクシャフト
を製造する場合、表面の硬さを増して耐摩耗性や耐フレ
ッチング性を向上させたり残留圧縮応力を生じさせて疲
労強度を向上させたりするため、焼結体の表層部分のみ
を部分的に焼入れする処理、即ち表層焼入れ、歯車輪郭
焼入れ等が行われている。かかる部分的な焼入れ処理を
行う場合、焼結体における焼入れしたい部分のみをその
組織がオーステナイト化する高温域まで短時間に素早く
加熱する必要がある。当該部位を越える領域までもが直
接的或いは熱伝導により間接的に加熱されたのでは、目
的部位のみの限定的な焼入れ（硬化）が実現されないか
らである。特に、焼結鋼部品の表層部に極薄い焼入れ層
（表面硬化層）を形成したい場合には、極めて短時間の
急速加熱が必要である。そこで、焼結鋼部品の部分的焼
入れを行う場合には、加熱する部位及び時間の制御が比
較的容易な高周波焼入れ法、レーザー焼入れ法、火炎焼
入れ法等が行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 上述した各種焼入れ
法によって焼結体の部分的焼入れ処理を行った場合、加
熱時間が比較的短いため、鋼組織がオーステナイト化す
る高温域で保持される時間も短くなりがちである。しか
し、かかる高温域での保持時間が短すぎると鋼内部にお
ける炭素の拡散が不十分となり、結果、焼入れ部分全体
がマルテンサイト単独で均一に形成されず、多大なフェ
ライト粒子の残存を招くことがある。焼入れした部位に
フェライト粒子が多大に残存していると、当該部分の機
械的強度が損なわれるため好ましくない。

【０００５】そこで本発明は、上述した部分的焼入れ処
理時のように、焼結鋼部品の被焼入れ処理部分の加熱が
短時間に制限される場合の不具合を解消すべく創出され
たものである。そして本発明の目的は、被焼入れ処理部
分に対する焼入れのための加熱時間が比較的短く制限さ
れる場合（即ち当該部分におけるオーステナイト域での
保持時間が少ない場合）であっても、焼入れ（急冷）後
の当該処理部分の全域が、実質的にマルテンサイト組織
のみ（マルテンサイト単独相）で均一に形成されること
を保障するための焼結鋼部品（焼結鋼材）の焼入れ前の
鋼組織調整方法を提供することである。さらに、そのよ
うな調整処理を伴って製造された少なくとも一部に焼入
れ処理が施された焼結鋼部品（特定形状に成形される前
の汎用的な焼結鋼材を包含する。以下同じ。）ならびに
そのような焼結鋼部品を製造する方法を提供することで
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】 本発明
者は、焼入れ処理する前の焼結鋼部品の組織（以下「焼
入れ処理前組織」という。）を後述する所定の状態に予
め調整しておくことで、その後の焼入れ処理時の加熱時
間（即ちオーステナイト域での保持時間）がごく短時間
であるにも拘わらず、焼入れ処理部分の焼入れ後の基本
組織を均一性のよいマルテンサイト単独相とし得ること
を見出した。さらに、本発明者は、焼結処理時の高温状
態から所定の冷却パターンで焼結体を冷却することによ
り、別途の処理操作を行うことなく上記所定の状態の焼
入れ処理前組織を容易に形成し得ることを見出した。本
発明はこれら知見に基づいて完成したものである。本発
明によって提供される焼結鋼部品の製造方法のいくつか
を以下に列挙する。

【０００７】すなわち、本発明によって提供される一つ
の方法は、焼結された鋼から成り、少なくともその一部
に焼入れによる実質的なマルテンサイト単独相が形成さ
れた焼結鋼部品を製造する方法であり、(a).鋼を形成す
る組成の粉末材料から成る成形体をそれが焼結し得る温
度域まで加熱する工程と、(b).前記加熱によって形成さ
れた焼結体を前記焼結温度域からほぼ常温まで冷却する
過程において、その焼結体の少なくとも一部分について
その全域に、含有するフェライト粒子の平均粒径が２０
μｍ以下である鋼組織を生成させる工程と、(c).その組
織が生成した部分に焼入れ処理を施す工程とを包含す
る。

【０００８】かかる構成の本発明の製造方法では、焼入
れ処理を施す前の被焼入れ処理部分において、含有フェ
ライト粒子の平均粒径が２０μｍ以下であることを特徴
とする（典型的には粒径２０μｍを上回るフェライト粒
子が実質的に含まれないパーライト及び／又はベイナイ
トを主体とする）焼入れ処理前組織が生成される。かか
る鋼組織の形成の結果、その部分に対して加熱時間が比
較的短い焼入れ処理（典型的には上記表層焼入れ等の部
分的焼入れ）を従来と同様に行った場合にも、焼入れ後
の鋼組織を実質的にマルテンサイトのみから成る均一な
組織（マルテンサイト単独相）とすることができる。こ
のため、本発明の製造方法によると、ごく短時間の急速
加熱を余儀なくされる表層焼入れのような焼入れ処理に
より、所望する実用上十分なレベルの硬さや機械的強度
を実現した焼結鋼部品を製造することができる。

【０００９】また、本発明によって提供される他の一つ
の方法は、焼結された鋼から成り、少なくともその一部
に焼入れによる実質的なマルテンサイト単独相が形成さ
れた焼結鋼部品を製造する方法であり、(A).鋼を形成す
る組成の粉末材料から成る成形体をそれが焼結し得る温
度域まで加熱する工程と、(B).前記加熱によって形成さ
れた焼結体を前記焼結温度域からほぼ常温まで冷却する
過程において、その焼結体の少なくとも一部分について
その全域に、実質的にベイナイトのみから成る組織を生
成させる工程と、(C).その組織が生成した部分に焼入れ
処理を施す工程とを包含する。

【００１０】かかる構成の製造方法では、焼入れ処理を
施す前の被焼入れ処理部分において、実質的にベイナイ
トのみから成る均一な組織（ベイナイト単独相）が生成
される。かかる組織形成の結果、その部分に対して加熱
時間が比較的短い焼入れ処理（表層焼入れ等）を従来と
同様に行った場合にも、焼入れ後の鋼組織を実質的にマ
ルテンサイトのみから成る均一な組織とすることができ
る。本構成の製造方法によると、特に高レベルの硬さや
機械的強度（疲労強度等）を実現した焼入れ部分の形成
された焼結鋼部品を製造することができる。

【００１１】以上に列挙した各構成の本発明の製造方法
として特に好ましいものは、上記成形体（即ち焼結体）
がクロム、モリブデン、タングステン、マンガン、ニッ
ケル、バナジウム、ニオブ及びタンタルから成る群から
選択される１種又は２種以上の金属元素を含み、上記焼
結温度域から少なくとも２００℃以下までの冷却は、５
℃／分〜３００℃／分の範囲から決定された所定の冷却
速度を維持しつつ行われる。かかる構成の製造方法で
は、焼結温度域におかれている焼結体（合金鋼）を所定
の冷却温度で冷却することにより、容易に被焼入れ処理
部分の焼入れ処理前組織を上述したような本発明に係る
好適な状態とすることができる。すなわち、本構成の製
造方法によると、別途特別な鋼組織調整工程を設けるこ
となく、焼結後の比較的単調な冷却操作に伴ってかかる
好適な組織化が実現される。従って、本構成の製造方法
によると、焼結鋼部品の製造プロセス全体の簡素化及び
／又は低コスト化を図ることができる。

【００１２】また、上記構成の本発明の製造方法として
好ましいものの一つは、上記成形体の合金組成が炭素
０．３〜０．８％、クロム、モリブデン、タングステ
ン、マンガン、ニッケル、バナジウム、ニオブ及びタン
タルから成る群から選択される１種又は２種以上の金属
元素０．１〜５．０％、および、残部が鉄及び不可避的
不純物である。そして、上記冷却速度は２０℃／分〜３
００℃／分の範囲から決定される。また、上記構成の本
発明の製造方法として好ましいものの他の一つは、上記
成形体の合金組成が炭素０．３〜０．８％、クロム２．
０〜５．０％、モリブデン０．１〜１．０％、タングス
テン、マンガン、ニッケル、バナジウム、ニオブ及びタ
ンタルから成る群から選択される１種又は２種以上の必
須でない金属元素０〜１．０％、および、残部が鉄及び
不可避的不純物である。そして、上記冷却速度は５℃／
分〜１００℃／分の範囲から決定される。これらの製造
方法によると、焼入れ処理前組織として、含有フェライ
ト粒子の平均粒径が２０μｍ以下である組織（典型的に
は２０μｍを上回る粒径のフェライトが実質的に含まれ
ないパーライト及び／又はベイナイトを主体とする組
織）或いは実質的にベイナイトのみから成る組織を上記
範囲内の所定の冷却速度で焼結体を冷却することによっ
て容易に生成することができる。このため、焼結鋼部品
の製造プロセス全体の簡素化及び／又は低コスト化を図
るとともに焼入れ部分（典型的には表面層）の硬さや機
械的強度に優れる焼結合金鋼製の部品を製造することが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】 以下、本発明に関する好適な実
施形態について説明する。なお、本明細書における百分
率表示（％）は、特に言及しない限りいずれもwt％であ
る。また、以下の説明において鋼を構成する成分（元
素）は、適宜元素記号のみで表示する。

【００１４】先ず、本発明の製造方法に使用される粉末
材料の組成、換言すれば本発明によって製造される焼結
鋼の組成に関して説明する。本発明の焼結鋼部品製造方
法では、焼結処理後の冷却過程において、当該焼結体の
少なくとも一部分（即ち被焼入れ処理部分を含む領域）
の全域に亘って、含有フェライト粒子の平均粒径が２０
μｍ以下であることを特徴とする組織、典型的には２０
μｍを上回る粒径のフェライトが実質的に含まれない
（即ち当該フェライトを含有する場合であってもそれが
全く無視し得るレベルにすぎない）パーライト及び／又
はベイナイトを主体とする組織、或いは当該部分全域が
実質的にベイナイトのみから成る（即ちベイナイト以外
の組織は存在しないか或いは全く無視し得るレベルにし
か分布していない）均一な組織で形成されればよく、か
かる焼結及び冷却処理の対象物たる焼結鋼部品の化学組
成については特に制限されない。以下、これら好適な鋼
組織を「本発明に係る鋼組織」と総称する。典型的に
は、かかる焼結及び冷却処理の対象物たる焼結鋼部品の
化学組成としては、Ｆｅ（微量の不可避的不純物を含む
場合あり。以下同じ。）とＣから成る炭素鋼、或いはそ
れらにいくつかの金属元素等を添加して成る合金鋼が挙
げられる。

【００１５】例えば、本発明によって製造される焼結炭
素鋼部品の組成としては、Ｃ０．３〜１．２％及び残部
Ｆｅの炭素鋼より成るものが挙げられる。Ｃの組成比
（重量比）が０．３％よりも低すぎると焼入れが不十分
となり好ましくない。他方、Ｃの組成比が１．２％より
も高すぎるとセメンタイトが析出し強度低下を招くため
好ましくない。また、焼結合金鋼部品として好適なもの
には、クロム鋼、モリブデン鋼、ニッケル鋼、タングス
テン鋼、マンガン鋼、クロム−モリブデン鋼、ニッケル
−クロム鋼、ニッケル−モリブデン鋼、またはニッケル
−クロム−モリブデン鋼が包含される。これら合金鋼又
は炭素鋼にさらに１種又は２種以上のバナジウム属元素
（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）を添加した合金鋼も好適である。な
お、焼結合金鋼部品を製造する場合には、添加金属元素
の含有率を１０％以下とするのが望ましい。１０％を超
える多量の金属元素を含むものは、マルテンサイト変態
が生じ難くなり、あるいは焼入れ処理後の硬度が高くな
りすぎる（即ち割れ易くなる）ためである。また、本発
明の目的を達成し得る限りにおいて、上述したいくつか
の元素以外の元素（Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎ、Ｏ等）を含み得る
ことは勿論である。

【００１６】本発明の実施に好ましい成形体（圧粉体）
若しくは焼結体の合金組成の一態様として、Ｃ：０．３
〜０．８％、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ及
びＴａから成る群から選択される１種又は２種以上の金
属元素：０．１〜５．０％、残部：Ｆｅが挙げられる。
かかる好適な範囲の組成比のうち、必須成分としてＭｏ
を０．１〜２．０％含み、その他の任意成分（Ｃｒ、
Ｗ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）を４．０％以下の比
率で含むものが特に好適である。また、本発明の実施に
好ましい成形体（圧粉体）若しくは焼結体の合金組成の
他の一態様として、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：２．
０〜５．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｗ、Ｍｎ、Ｎ
ｉ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａから成る群から選択される１種又
は２種以上の必須でない金属元素０〜１．０％、残部：
Ｆｅが挙げられる。かかる好適な範囲の組成比率のう
ち、必須成分としてのＣｒ及びＭｏをそれぞれ２．０〜
４．０％及び０．２〜０．８％含み、その他の任意成分
としてＷ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａを４．０％以下
の比率で含むものが好適である。特にバナジウム属元素
（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）を０．５％以下の比率で含むものが
好ましい。これらはＣと結合して高融点炭化物を形成
し、鋼の高温強度を向上させることができる。また、耐
熱疲労割れ性を向上させることができる。あるいは、本
発明の実施に好ましい成形体（圧粉体）若しくは焼結体
の合金組成の他の一態様として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ及び
Ｎｉから成る群から選択される１種又は２種以上の金属
元素を全体の０．５〜５．０％含むものが挙げられる。
かかる組成の成形体は、後述するような冷却速度の設定
によって、含有フェライト粒子の粒径が２０μｍ以下で
ある組織を容易に形成することができる。以上に説明し
た元素類を適宜含む合金組成とすることにより、焼入れ
処理を施した際には、加熱後の急冷によってオーステナ
イト相からマルテンサイト相への変態を容易に生じさせ
ることができる。

【００１７】次に、本発明の製造方法の実施に関して説
明する。なお、以下で詳述する具体的な内容以外の条件
設定や補助的処理工程の追加等は、従来の焼結鋼材及び
部品製造分野で一般的に用いられているものに準じれば
よく、特に制限されない。本発明の製造方法では、鋼を
形成する組成の粉末材料の調製方法に特に制限はない。
典型的には、所望する合金組成となるように、水アトマ
イズ法等によって得られた各種の金属粉末、合金粉末、
黒鉛等の炭素粉末を混合することによって粉末材料を調
製するとよい。なお、粉末材料には全体の０．２〜１％
程度の割合でワックス、ステアリン酸塩等の一般的な滑
剤を含ませることができる。次いで、得られた混合粉末
材料を所定の形状に加圧・成形する。なお、加圧・成形
手段に特に制限はなく、従来公知の種々の成形技法を目
的に応じて適宜採用することができる。例えば、加圧加
熱装置を備えた種々の圧縮成形機を使用することによっ
て所望する形状の成形体（圧粉体）が得られる。

【００１８】次に、得られた成形体を合金組成に応じて
適宜選択される適当な焼結温度域まで加熱し、当該成形
体を焼結させる。かかる処理自体は、従来の粉末冶金法
において普通に行われている方法に準じればよく、特に
異なるところはない。特に限定するものではないが、上
述したいずれかの組成の炭素鋼若しくは合金鋼を焼結す
る場合、焼結温度（最高温度）としては１１００〜１３
００℃程度が好ましい。１１００℃よりも低すぎると焼
結が不十分となり得るため好ましくない。他方、焼結最
高温度が１３００℃よりも高すぎると加熱に要するコス
ト増となるため適当でない。

【００１９】次に、本発明を特徴付ける焼結温度域から
の冷却について説明する。本発明の焼結鋼部品の製造方
法においては、焼結処理後の冷却過程は、かかる冷却後
（典型的には１００℃以下（例えば常温域）まで冷却さ
れた時点をいう）に当該焼結体の少なくとも被焼入れ処
理部分を含む領域の全域が上述の本発明に係る鋼組織に
よって形成されておればよく、特に冷却パターン（即ち
冷却時間や冷却速度及びそれらの変動具合）を限定する
ものではない。本発明を実施するにあたっては、かかる
冷却パターンは、使用する粉末材料の組成、即ち成形体
（焼結鋼）の合金組成に応じて適宜決定される。すなわ
ち、鋼の組織変化に関しての周知事項である等温変態線
図（ＴＴＴ曲線）や連続冷却変態線図（ＣＣＴ曲線）等
を参照しつつ過度な実験を行うことなく決定することが
できる。なお、冷却手段は、特に限定されるものではな
く、従来の焼結鋼製造プロセスにおいて使用される種々
の冷却手段（冷却媒体、冷却装置等）を採用することが
できる。

【００２０】例えば、上記列挙したいずれかの合金組成
から成る焼結体を作製した場合には、その焼結温度域か
ら概ね２００℃以下（好ましくは１００℃以下、より好
ましくは常温域）となるまで所定の冷却速度（短いスパ
ンでの些細な温度変動は許容される）を維持しつつ冷却
することにより、焼結体の少なくとも被焼入れ処理部分
を含む領域の全域を上述の本発明に係る鋼組織とするこ
とができる（後述の実施例参照）。この場合において、
かかる冷却速度は、５℃／分〜３００℃／分の範囲から
決定され得る。５℃／分よりも冷却速度が遅すぎると、
焼結体の組織がフェライト及びパーライト主体となり易
くなるため好ましくない。他方、３００℃／分よりも冷
却速度が早すぎると、焼きが入ってしまい、加工性（被
削性）が著しく低下するため好ましくない。Ｍｏ、Ｃｒ
等の金属元素を適当量含む合金鋼から成る焼結体では、
２０℃／分〜３００℃／分の範囲から適宜決定（選択）
された冷却速度を保持しつつ焼結温度域から２００℃以
下まで冷却することによって、本発明に係る鋼組織を形
成することができる。そのような焼結体の一例として、
Ｃ：０．３〜０．８％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、Ｍ
ｎ：０．１〜０．３％および残部：Ｆｅの合金鋼から成
る焼結体が挙げられる。また、Ｃｒの含有率が比較的高
い合金鋼から成る焼結体では、典型的には５℃／分〜１
００℃／分の範囲から適宜決定（選択）された冷却速度
を保持しつつ焼結温度域から２００℃以下まで冷却する
ことによって、本発明に係る鋼組織を容易に形成するこ
とができる。なお、冷却後の焼結体を適宜研削加工及び
／又は切削加工することにより、当該焼結体を所望する
部品形状に加工することができる。このことについては
当該分野における周知事項であるため、詳細な説明はし
ない。

【００２１】次に、本発明の製造方法で実施される焼入
れ処理について説明する。本発明の製造方法では、上記
焼結−冷却プロセスによって生成された本発明に係る鋼
組織から成る部分に焼入れ処理を施し得る焼入れ手段
（方法）を特に制限なく採用することができる。例え
ば、本発明に係る焼結鋼部品に表層焼入れ、歯車輪郭焼
入れ（この場合は歯車形状の焼結鋼部品が対象である）
等の部分的焼入れ処理を施す場合には、高周波焼入れ、
レーザー焼入れ、火炎焼入れ等を常法に基づいて行うこ
とができる。本発明の製造方法によると、これら加熱時
間が比較的短いことを特徴とする焼入れ法を採用した場
合にも、実質的に（即ち、焼入れ性能に影響しない微視
的な他組織の混在は許容される）マルテンサイト単独相
から成る良好な硬さの焼入れ硬化部が一部（典型的には
部品の表層部）に形成された焼結鋼部品を製造すること
ができる。なお、焼入れ処理後に適宜焼戻しを行い得る
ことは勿論である。本発明の製造方法によると、自動車
用駆動系歯車やクランクシャフトのような、耐摩耗性や
耐フレッチング性の向上及び疲労強度の向上を目的に部
分的焼入れ処理が施される焼結鋼部品を好適に製造する
ことができる。

【００２２】

【実施例】 本発明を以下の実施例によりさらに詳細に
説明する。本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。

【００２３】

【表１】

【００２４】水アトマイズ法等の常法に基づいて得られ
た金属粉末等を適宜混合し、表１に示す計１０種類（表
中のＡ〜Ｊ）の合金組成の粉末材料をそれぞれ調製し
た。次いで、これら粉末材料を使用して、以下の実施例
及び比較例を実施した。

【００２５】＜実施例１〜９＞表１中のＡ〜Ｉで示す計
９種類の粉末材料から所定形状の圧粉体を作製した。す
なわち、表２に示すように、実施例１、２、３、４、
５、６、７、８及び９として、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ及びＩの粉末材料を使用し、一般的
な圧縮成形機を使用して、密度７．０ｇ／ｃｍ³の圧粉
体を作製した。次いで、得られた各圧粉体を炉中に移
し、１０vol％水素を含む窒素ガス雰囲気で１１１５
℃、２０分間の加熱処理を行った。

【００２６】

【表２】

【００２７】次いで、実施例毎に異なる冷却速度（１０
〜３０℃／分：表２参照）を維持しつつ、上記焼結温度
から２００℃以下まで冷却した。その後、ほぼ常温域
（約２５℃）まで自然に冷却させ、得られた焼結体の合
金組織を顕微鏡写真解析によって調べた。その結果、実
施例１、２、４、５、７、８及び９に係る焼結体は全面
ベイナイト組織（即ち均一なベイナイト単独相）で構成
されていた（表中の記号Ｂ）。一方、実施例３及び６に
係る焼結体はベイナイトの他にフェライト及びパーライ
ト（表中の記号Ｂ＋Ｐ＋Ｆ）が混在する組織で構成され
ていた。しかし、表２に示すように、含有フェライト粒
子の平均粒径はこれら実施例でも２０μｍ以下であり、
粒径２０μｍを上回るフェライト粒子は実質的に含まれ
ていなかった。また、フェライト粒子の存在量は後述す
る比較例より少なかった。

【００２８】その後、上記得られた各焼結体を研削加工
して、歯数３８及びモジュール１．５の外歯車を作製し
た。次いで、得られた各歯車に部分的焼入れ処理を行っ
た。すなわち、高周波電流が通電される誘導コイルを備
えた炉を用いて、各歯車の表層部を８５０〜９５０℃に
加熱した。加熱条件は、実施例５及び８に係る外歯車に
ついては周波数１５０ｋＨｚ、出力１００ｋＷにて２秒
間加熱した（表中の加熱条件１）。実施例１、２及び３
に係る外歯車については周波数１５０ｋＨｚ、出力７０
ｋＷにて３秒間加熱した（表中の加熱条件２）。実施例
４、６及び９に係る外歯車については周波数１５０ｋＨ
ｚ、出力５３ｋＷにて４秒間加熱した（表中の加熱条件
３）。また、実施例７に係る外歯車については周波数４
０ｋＨｚ、出力２０ｋＷにて１０．５秒間加熱した（表
中の加熱条件４）。

【００２９】上記条件での高周波加熱処理後、冷水を加
熱部分に吹き付けることによって当該部分を急冷し、焼
入れを完了した。尚、焼入れ処理された各歯車に対し、
炉中で１５０℃の焼戻しを施した。上記のようにして得
られた焼入れ部分の合金組織を顕微鏡写真解析によって
調べた。その結果、いずれの実施例のものについても、
焼入れ部分（表層部）は全面マルテンサイト組織（即ち
均一なマルテンサイト単独相）であった（表中の記号
Ｍ）。

【００３０】＜比較例１〜６＞上記粉末材料のいくつか
から所定形状の圧粉体を上記実施例と同様に作製した。
なお、表３に示すように、比較例１、２、３、４、５及
び６として、それぞれ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｉ及びＪの粉
末材料を使用した。次いで、実施例と同様、得られた各
圧粉体を炉中に移し、１０vol％水素を含む窒素ガス雰
囲気で１１１５℃、２０分間の加熱処理を行った。

【００３１】

【表３】

【００３２】次いで、比較例毎に異なる冷却速度（１０
〜１００℃／分：表３参照）を維持しつつ、上記焼結温
度から２００℃以下まで冷却した。その後、ほぼ常温域
（約２５℃）まで自然に冷却させ、得られた焼結体の合
金組織を顕微鏡写真解析によって調べた。その結果、各
比較例ともベイナイト、パーライト及びフェライトが混
在した不均一な組織から構成されていた（表中の記号Ｂ
＋Ｐ＋Ｆ）。また、表３に示すように、含有フェライト
粒子の平均粒径はいずれの比較例でも２０μｍを上回っ
ており、その存在量は上述した実施例３及び６の場合よ
りも顕著に多かった。

【００３３】その後、各比較例の焼結体に対して実施例
と同様の研削加工を施し、歯数３８及びモジュール１．
５の外歯車を作製した。次いで、得られた各歯車に上記
と同様の高周波焼入れ処理及び焼戻し処理を行った。な
お、各比較例の加熱条件は表３に示したとおりである。
表３中の加熱条件の番号は、実施例で説明した加熱条件
の内容及び番号（表２）と一致する。かかる高周波加熱
処理後、実施例と同様に加熱部分を急冷して焼入れを完
了した。得られた焼入れ部分の合金組織を顕微鏡写真解
析によって調べた。その結果、いずれの比較例について
も、焼入れ部分（表層部）の組織中にフェライト組織が
残留していた（表中の記号Ｍ＋Ｆ）。

【００３４】＜試験例＞上記実施例１〜９及び比較例１
〜６に係る焼入れ処理の施された外歯車について、一般
的な動力循環式歯車疲労試験機を使用して回転数３００
０ｒｐｍで歯車疲労試験を行った（潤滑油：ギヤオイ
ル、油温：１００℃）。繰り返し数10⁷ 回で破損しなか
ったトルク値より歯車の歯元疲労強度（ＭＰａ）を算出
した。各実施例についての結果を表２に示し、各比較例
の結果を表３に示す。焼入れした部分がマルテンサイト
単独相から成る各実施例の歯車の疲労強度は、いずれも
１９０ＭＰａ以上であり、高い強度を有することが確か
められた。他方、焼入れした部分にフェライト粒子が残
留する各比較例の歯車の疲労強度は、１６５ＭＰａ以下
であり、各実施例の歯車よりも強度的に劣ることが確か
められた。

【００３５】以上の実施例の結果からも明らかなよう
に、本発明では、焼結した鋼部品を鋼組成に応じた所定
の冷却パターンで冷却し、被焼入れ処理部分の焼入れ処
理前組織を意図的に上述の本発明に係る鋼組織とする。
このことにより、加熱時間の短い焼入れ処理（例えば高
周波焼入れ）にも拘わらず、焼入れ部分を実質的にフェ
ライト粒子を含まない均一なマルテンサイト組織（マル
テンサイト単独相）とすることができる。このため、表
層焼入れ等の部分的な焼入れ処理によって、所望する高
い強度や硬さを実現した焼結鋼部品を安定的に製造する
ことができる。また、焼結後の冷却工程の実施とともに
本発明に係る鋼組織を形成することができるので、別
途、焼入れ前の鋼組織調整工程（例えば焼結および焼入
れ処理とは別個の加熱・冷却処理工程）を設ける必要が
無い。このため、焼結鋼部品の製造プロセス（焼入れ処
理工程を含む）全体の簡略化、低コスト化を同時に実現
することができる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｃ 38/48 Ｃ２２Ｃ 38/48 (72)発明者 岡島 博司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 谷野 仁 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4K018 AA28 CA08 CA11 DA11 DA29 FA08 KA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼を形成する組成の粉末材料から成る成
   形体をそれが焼結し得る温度域まで加熱する工程と、 前記加熱によって形成された焼結体を前記焼結温度域か
   らほぼ常温まで冷却する過程において、その焼結体の少
   なくとも一部分についてその全域に、含有するフェライ
   ト粒子の平均粒径が２０μｍ以下である鋼組織を生成さ
   せる工程と、 その組織が生成した部分に焼入れ処理を施す工程とを包
   含する、 焼結された鋼から成り、少なくともその一部に焼入れに
   よる実質的なマルテンサイト単独相が形成された焼結鋼
   部品を製造する方法。
2. 【請求項２】 鋼を形成する組成の粉末材料から成る成
   形体をそれが焼結し得る温度域まで加熱する工程と、 前記加熱によって形成された焼結体を前記焼結温度域か
   らほぼ常温まで冷却する過程において、その焼結体の少
   なくとも一部分についてその全域に、実質的にベイナイ
   トのみから成る組織を生成させる工程と、 その組織が生成した部分に焼入れ処理を施す工程とを包
   含する、 焼結された鋼から成り、少なくともその一部に焼入れに
   よる実質的なマルテンサイト単独相が形成された焼結鋼
   部品を製造する方法。
3. 【請求項３】 前記成形体は、クロム、モリブデン、タ
   ングステン、マンガン、ニッケル、バナジウム、ニオブ
   及びタンタルから成る群から選択される１種又は２種以
   上の金属元素を含み、 前記焼結温度域から少なくとも２００℃以下までの冷却
   は、５℃／分〜３００℃／分の範囲から決定された所定
   の冷却速度を維持しつつ行われる、請求項１又は２に記
   載の製造方法。
4. 【請求項４】 前記成形体の合金組成は、炭素０．３〜
   ０．８％、クロム、モリブデン、タングステン、マンガ
   ン、ニッケル、バナジウム、ニオブ及びタンタルから成
   る群から選択される１種又は２種以上の金属元素０．１
   〜５．０％、および、残部が鉄及び不可避的不純物であ
   り、 前記冷却速度は２０℃／分〜３００℃／分の範囲から決
   定される、請求項３に記載の製造方法。
5. 【請求項５】 前記成形体の合金組成は、炭素０．３〜
   ０．８％、クロム２．０〜５．０％、モリブデン０．１
   〜１．０％、タングステン、マンガン、ニッケル、バナ
   ジウム、ニオブ及びタンタルから成る群から選択される
   １種又は２種以上の金属元素０〜１．０％、および、残
   部が鉄及び不可避的不純物であり、 前記冷却速度は５℃／分〜１００℃／分の範囲から決定
   される、請求項３に記載の製造方法。