JP2003253406A - 高耐摩耗高強度焼結部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高耐摩耗化と高強度化との両立を図り得る焼
結部品およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 カムロブ１０は、鉄基粉末と黒鉛粉とを
含む鉄基粉末混合物を原料とし、圧縮成形、焼結および
浸炭により形成される焼結部品である。カムロブ１０
は、表層をなす外側材１１と、当該外側材１１よりも内
方に位置する内側材１２とを備えている。そして、内側
材を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を、外側材
を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率に比べて高く
し、内側材における炭素量を確保しつつ外側材を高密度
化した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高耐摩耗かつ高強
度の焼結部品およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄基粉末混合物を原料とする粉末
冶金法による焼結部品に対し、耐摩耗性と機械的強度と
について、一層の強化の要求が強まっている。例えば、
特開平１０−３１７０９０号公報には、鉄基粉末混合物
を圧縮成形して成形体とし、この成形体に焼結処理を施
して焼結体とし、その後に、浸炭処理を行って焼結部品
を得る技術が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】焼結部品の高耐摩耗化
および高強度化に対しては、成形体の成形密度ひいては
焼結体の焼結密度の高密度化が有効であることが知られ
ている。この高密度化のためには、鉄基粉末混合物中の
黒鉛含有率を低減すればよい。

【０００４】しかしながら、従来の高密度化された焼結
部品は全体が一種類の鉄基粉末混合物から成形されてい
るため、黒鉛含有率を低減するだけでは、焼結部品の高
耐摩耗化と高強度化との両立を図ることが難しいのが実
情である。すなわち、焼結密度が上昇すると、浸炭処理
時に炭素が中心部ないし芯部に拡散し難くなる。このた
め、表面部分は硬化されるが、中心部の炭素濃度は低い
ままであり、十分な機械的強度を得ることができないと
いう問題がある。

【０００５】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
ためになされたものであり、高耐摩耗化と高強度化との
両立を図り得る焼結部品およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、下
記する手段により達成される。

【０００７】（１）鉄基粉末と黒鉛粉とを含む鉄基粉末
混合物を原料とし、圧縮成形、焼結および浸炭により形
成される焼結部品であって、表層をなす第１の層と、当
該第１の層よりも内方に位置する第２の層とを少なくと
も備え、前記第２の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒
鉛含有率を、前記第１の層を形成する鉄基粉末混合物中
の黒鉛含有率に比べて高くし、前記第２の層における炭
素量を確保しつつ前記第１の層を高密度化してなる高耐
摩耗高強度焼結部品。

【０００８】（２）前記第１の層と前記第２の層との境
界面の位置は、前記焼結部品が使用される際の最大へル
ツ応力の発生位置と異なることを特徴とする上記（１）
に記載の高耐摩耗高強度焼結部品。

【０００９】（３）鉄基粉末と黒鉛粉とを含む鉄基粉末
混合物を原料とし、表層をなす第１の層と、当該第１の
層よりも内方に位置する第２の層とを少なくとも備える
焼結部品を製造する焼結部品の製造方法において、前記
第２の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を、
前記第１の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率
に比べて高くし、前記第１の層を形成する鉄基粉末混合
物および前記第２の層を形成する鉄基粉末混合物を圧縮
成形して、前記第１の層と前記第２の層とを備える成形
体とし、前記成形体に焼結処理を施した後に、前記第１
の層に浸炭処理を行うことを特徴とする高耐摩耗高強度
焼結部品の製造方法。

【００１０】（４）前記第１の層を形成する鉄基粉末混
合物中の黒鉛含有率は、０．２質量％以上、０．５質量
％未満であることを特徴とする上記（３）に記載の高耐
摩耗高強度焼結部品の製造方法。

【００１１】（５）前記第１と第２の層を形成する鉄基
粉末混合物は、銅粉をさらに含むことを特徴とする上記
（３）に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造方法。

【００１２】（６）前記鉄基粉末は、ニッケル、モリブ
デン、銅、クロム、マンガンから選ばれる一種以上の金
属と、鉄との鉄合金の粉末であることを特徴とする上記
（３）に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造方法。

【００１３】（７）前記第１の層と前記第２の層との境
界面の位置を、前記焼結部品が使用される際の最大へル
ツ応力の発生位置と異なる位置に形成することを特徴と
する上記（３）に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造
方法。

【００１４】（８）前記圧縮成形は、前記鉄基粉末混合
物および金型を１２０℃〜１４０℃に加熱して行う温間
成形および／または金型潤滑によるものであることを特
徴とする上記（３）に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の
製造方法。

【００１５】（９）前記浸炭処理により、前記第１の層
の表面に圧縮残留応力を存在させ、耐摩耗性を向上させ
たことを特徴とする上記（３）に記載の高耐摩耗高強度
焼結部品の製造方法。

【００１６】（１０）前記焼結部品は、カムロブ、スプ
ロケット、プーリ、オイルポンプ、シンクロハブのいず
れかであることを特徴とする上記（３）に記載の高耐摩
耗高強度焼結部品の製造方法。

【００１７】

【発明の効果】本発明は、請求項ごとに以下の効果を奏
する。

【００１８】請求項１に記載の発明によれば、第２の層
を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を、表層をな
す第１の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率に
比べて高くしてあるので、第１の層は、第２の層に比べ
て高密度化されて十分緻密化し、浸炭処理によって高耐
摩耗性を発揮する一方、第２の層は、第１の層ほどは高
密度化されないものの、十分な炭素量が確保されている
ため強い機械的強度を発揮する。したがって、高耐摩耗
化と高強度化との両立を図り得る焼結部品を得ることが
できる。

【００１９】請求項２に記載の発明によれば、第１の層
と第２の層との境界面位置と最大ヘルツ応力の発生位置
とが異なるため、境界面における第１の層と第２の層と
の剥離を回避した焼結部品を得ることができる。

【００２０】請求項３に記載の発明によれば、第１の層
は、第２の層に比べて高密度化されて十分緻密化し、浸
炭処理によって高耐摩耗性を発揮する一方、第２の層
は、第１の層ほどは高密度化されないものの、十分な炭
素量が確保されているため高い機械的強度を発揮する。
したがって、高耐摩耗化と高強度化との両立を図り得る
焼結部品を製造することができる。

【００２１】請求項４に記載の発明によれば、第１の層
を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を、０．２質
量％以上、０．５質量％未満とすることで、第１の層を
形成する鉄基粉末混合物の圧縮性を高めることができ、
高密度の第１の層を備える焼結部品を製造することがで
きる。

【００２２】請求項５に記載の発明によれば、鉄基粉末
混合物中に銅粉を添加することによって、耐摩耗性と機
械的強度とをさらに向上させた焼結部品を製造すること
ができる。

【００２３】請求項６に記載の発明によれば、鉄基粉末
を、ニッケル、モリブデン、銅、クロム、マンガンから
選ばれる一種以上の金属と、鉄との鉄合金の粉末とする
ことによって、耐摩耗性と機械的強度とをより一層向上
させた焼結部品を製造することができる。

【００２４】請求項７に記載の発明によれば、第１の層
と第２の層との境界面位置と最大ヘルツ応力の発生位置
とが異なるため、境界面における第１の層と第２の層と
の剥離を回避した焼結部品を製造することができる。

【００２５】請求項８に記載の発明によれば、温間成形
および／または金型潤滑を用いることによって、鉄基粉
末混合物をより高く圧縮することが可能であり、高耐摩
耗化と高強度化との両立を図った焼結部品を効率的に製
造することができる。

【００２６】請求項９に記載の発明によれば、耐摩耗性
に優れる第１の層を備える焼結部品を製造することがで
きる。

【００２７】請求項１０に記載の発明によれば、高耐摩
耗化と高強度化との両立を図ったカムロブ、スプロケッ
ト、プーリ、オイルポンプまたはシンクロハブを製造す
ることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００２９】図１（Ａ）は、本発明に係る焼結部品また
は本発明に係る製造方法により製造された焼結部品の一
例であるカムロブ１０を示す断面図、図１（Ｂ）は、同
図（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。

【００３０】カムロブ１０は、例えば車両用エンジンを
構成する部品の一つであり、図示しないパイプに固定さ
れてカムシャフトを構成している。カムロブ１０には、
部品全体としての機械的強度が高いこと、および、他の
部品と接触する表層の耐摩耗性すなわち硬度が高いこと
の２点が要求される。

【００３１】カムロブ１０は、鉄基粉末と黒鉛粉とを含
む鉄基粉末混合物を原料とし、圧縮成形、焼結および浸
炭により形成される焼結部品である。カムロブ１０は、
多層構造を有し、径方向外方に位置し表層をなす外側材
１１（第１の層に相当する）と、当該外側材１１よりも
径方向内方に位置する内側材１２（第２の層に相当す
る）とを備えている。そして、内側材１２を形成する鉄
基粉末混合物中の黒鉛含有率は、外側材１１を形成する
鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率に比べて高くしてある。
かかる構成により、内側材１２における炭素量を確保し
つつ外側材１１を高密度化し、カムロブ１０全体として
の機械的強度を高め、かつ、他の部品と接触する表層の
耐摩耗性を高めてある。

【００３２】さらに、外側材１１と内側材１２との境界
面１３の位置は、カムロブ１０が使用される際の最大へ
ルツ応力の発生位置１４と異なる位置に設定してある。
最大へルツ応力の発生位置１４は、図１に点線で示され
る。かかる構成により、境界面１３における外側材１１
と内側材１２との剥離を回避した多層構造のカムロブ１
０を得ることができる。

【００３３】カムロブ１０の製造方法を以下説明する。

【００３４】製造方法を概説すれば、まず、内側材１２
を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を、外側材１
１を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率に比べて高
くする。次いで、外側材１１を形成する鉄基粉末混合物
および内側材１２を形成する鉄基粉末混合物を圧縮成形
して、外側材１１と内側材１２とを備える成形体とす
る。そして、成形体に焼結処理を施した後に、外側材１
１に浸炭処理を行う。

【００３５】さらに詳述すれば、原料となる鉄基粉末混
合物として、外側材１１を形成する第１の鉄基粉末混合
物と、内側材１２を形成する第２の鉄基粉末混合物との
二種類を製作する。第１と第２の鉄基粉末混合物は、い
ずれも、鉄（Ｆｅ）系の金属粉末である鉄基粉末を主体
とし、黒鉛（Ｃ）粉を含んでいる。また、第１と第２の
鉄基粉末混合物は、温間成形を行うために、粉末成形用
潤滑剤も含んでいる。潤滑剤としては、ステアリン酸亜
鉛、ステアリン酸リチウムなどが用いられる。

【００３６】また、第１と第２の鉄基粉末混合物は、銅
（Ｃｕ）粉をさらに含んでもよい。第１と第２の鉄基粉
末混合物中に銅粉を添加することによって、耐摩耗性と
機械的強度とをさらに向上させたカムロブ１０を製造す
ることができる。

【００３７】さらなる耐摩耗性と機械的強度とが必要な
場合には、鉄基粉末を、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン
（Ｍｏ）、銅、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）から
選ばれる一種以上の金属と、鉄との鉄合金の粉末とする
ことが好ましい。鉄基粉末をこれらの鉄合金粉末とする
ことによって、耐摩耗性と機械的強度とをより一層向上
させたカムロブ１０を製造することができる。

【００３８】外側材１１に要求される耐摩耗性の向上に
は、第１の鉄基粉末混合物の高密度化による焼結部品の
高密度化が有効である。一般に黒鉛粉は焼結部品の機械
的強度を向上するために添加されるが、見掛け密度の低
い黒鉛粉の含有量が多いと、外側材１１の密度を十分に
高めることができない。そこで、外側材１１の高密度化
を図るために、第１の鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を
低下させるのがよい。

【００３９】本発明では、第１の鉄基粉末混合物中の黒
鉛含有率は、０．２質量％以上、０．５質量％未満とし
た。黒鉛含有率が０．５質量％以上になると、圧縮成形
しても緻密化し難く、密度の向上効果が小さい。一方、
黒鉛含有率が０．２質量％未満では、浸炭処理による強
度の向上効果が小さい。このため、第１の鉄基粉末混合
物に含まれる黒鉛は、当該鉄基粉末混合物全量に対し、
０．２質量％以上、０．５質量％未満に限定した。これ
により、第１の鉄基粉末混合物の圧縮性を高めることが
でき、高密度の外側材１１を備えるカムロブ１０を製造
することができる。

【００４０】第２の鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率は、
第１の鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率に比べて高い、
０．７質量％〜０．８質量％である。

【００４１】外側材１１と内側材１２とを備える成形体
に圧縮成形する際には、加圧成形時に第１の鉄基粉末混
合物および第２の鉄基粉末混合物が相互に混ざり合うこ
とを防止するため、仮圧縮方式により圧縮成形する。

【００４２】図２（Ａ）〜（Ｄ）は、仮圧縮方式による
圧縮成形を示す概念図である。まず、一方の鉄基粉末混
合物２１を金型２３内に充填する（図２（Ａ））。充填
後、パンチ２４ａ、２４ｂによって、鉄基粉末混合物２
１を崩れない密度まで金型２３内で仮圧縮する（図２
（Ｂ））。次に、他方の鉄基粉末混合物２２を、仮圧縮
された鉄基粉末混合物２１によって仕切られた金型２３
の空間に充填する（図２（Ｃ））。パンチ２４ａ、２４
ｂ、２５ａ、２５ｂによって、仮圧縮された鉄基粉末混
合物２１と一緒に鉄基粉末混合物２２を加圧成形し、鉄
基粉末成形体を得る（図２（Ｄ））。

【００４３】なお、二層間に仕切り板を配置し、仕切り
板をはさんで両側に鉄基粉末混合物を充填する仕切り板
方式などを適用して成形体を得ることもできる。

【００４４】圧縮成形は、温間成形および／または金型
潤滑によって行われる。ここで、温間成形とは、粉体を
高密度に成形するための製造方法の一つであり、鉄基粉
末混合物を加熱しつつ成形し、潤滑剤を溶融させて粉末
粒子間に潤滑剤を均一に分散させ、粒子間および成形体
と金型との間の摩擦抵抗を下げて成形性を向上させる粉
体の成形方法である。潤滑剤としては、前述したよう
に、ステアリン酸亜鉛などが用いられる。また、金型潤
滑とは、温間成形の一種であり、予熱され表面に固体潤
滑剤を帯電付着させた金型に、加熱された鉄基粉末混合
物を充填したのちに加圧成形する粉体の成形方法であ
る。温間金型潤滑用の固体潤滑剤としては、ステアリン
酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウ
ムなどの金属石鹸や、エチレンビスステアラマイドなど
の通常ワックスと指称される潤滑剤が単独あるいは混合
して用いられる。これらの方法によれば、一回の加圧成
形によって密度の高い成形体を得ることができる。

【００４５】温間成形および／または金型潤滑による圧
縮成形を行うために、第１と第２の鉄基粉末混合物のそ
れぞれは、前述したように、温間成形用の潤滑剤を含ん
でいる。金型内面には、カムロブ１０の形状に合致した
形状のキャビティが形成されている。温間成形および／
または金型潤滑による圧縮成形では、第１と第２の鉄基
粉末混合物および金型を、１２０℃〜１４０℃に加熱す
る。前述した仮圧縮方式を採用した場合には、加熱した
第２の鉄基粉末混合物を加熱した金型内に充填して仮圧
縮し、次いで、加熱した第１の鉄基粉末混合物を金型内
に充填する。そして、所定の温度（１２０℃〜１４０
℃）および圧力（６００ＭＰａ〜７００ＭＰａ）の下
で、第１と第２の鉄基粉末混合物を加圧し、鉄基粉末成
形体を形成する。

【００４６】成形体を作製した後、当該成形体を焼結し
て焼結体を作製する。焼結処理条件は特に限定されるも
のではなく、公知の焼結方法をいずれも好適に使用でき
る。例えば、焼結温度は、１１００℃〜１３００℃の範
囲であり、焼結雰囲気は、水素を５〜６質量％含む窒素
ガス雰囲気、あるいは、ブタン変性ガス雰囲気である。
なお、焼結温度が高いほど焼結体の強度は増加するが、
焼結温度の上昇は焼結コストの増加につながることか
ら、要求される強度およびコストを考慮して、焼結温度
を適宜選択するのが好ましい。

【００４７】次いで、このようにして得られた鉄基焼結
体に対して、浸炭焼入れ処理および焼戻し処理を行う。
この一連の処理により、外側材１１の炭素濃度が高くな
り、外側材１１の硬度が向上する。

【００４８】浸炭焼入れおよび焼戻しの条件は特に限定
されるものではなく、公知の浸炭焼入れ焼戻し方法をい
ずれも好適に使用できる。例えば、浸炭性雰囲気のカー
ボンポテンシャルは材料によって異なるが、０．６質量
％Ｃ〜０．８質量％Ｃとし、金属組織が共析組織になる
雰囲気に調整する。昇温は鉄基材料のオーステナイト領
域である８５０℃以上にする。焼結体のボリュームによ
って異なるが、２０〜６０分程度、昇温された状態を保
持する。その後、１５０℃の焼入れオイルで冷却し、熱
処理後のひずみを除去するために焼戻しを３００℃程度
で行う。

【００４９】浸炭焼入れ処理により、外側材１１の表面
に圧縮残留応力を存在させ、耐摩耗性を向上させること
ができる。つまり、浸炭焼入れ処理により、炭素が金属
相に拡散した後に焼入れされるので、外側材１１の表面
に圧縮残留応力が物理的に発生して、外側材１１の耐摩
耗性が向上する。

【００５０】カムロブ１０を使用する際には、カムロブ
１０外周面と接触する部品との摺動によってカムロブ１
０内部に大きなヘルツ応力が発生する場合がある。ま
た、外側材１１と内側材１２との境界面１３は、カムロ
ブ１０の他の部位と比較して剥離が生じ易い。そこで、
最大ヘルツ応力発生位置１４と境界面１３の位置とを異
ならせ、境界面１３における外側材１１と内側材１２と
の剥離の虞をなくすことが好ましい。

【００５１】上述したように、本実施形態によれば、内
側材１２を形成する第２の鉄基粉末混合物中の黒鉛含有
率を、表層をなす外側材１１を形成する第１の鉄基粉末
混合物中の黒鉛含有率に比べて高くしてあるので、外側
材１１は、内側材１２に比べて高密度化されて十分緻密
化し、浸炭処理によって高耐摩耗性を発揮する。内側材
１２は、外側材１１ほどは高密度化されないものの、外
側材１１が高密度化されているため、浸炭処理時に炭素
が拡散し難い。しかしながら、内側材１２を形成する第
２の鉄基粉末混合物には十分な炭素量が確保されている
ため、内側材１２は強い機械的強度を発揮する。したが
って、高耐摩耗化と高強度化との両立を図ったカムロブ
１０を製造することができる。

【００５２】また、外側材１１と内側材１２との境界面
１３の位置は、カムロブ１０が使用される際の最大へル
ツ応力の発生位置と異なるので、境界面１３における外
側材１１と内側材１２との剥離を回避した多層構造のカ
ムロブ１０を製造することができる。

【００５３】また、外側材１１を形成する第１の鉄基粉
末混合物中の黒鉛含有率を、０．２質量％以上、０．５
質量％未満とすることで、外側材１１を形成する第１の
鉄基粉末混合物の圧縮性を高めることができ、高密度の
外側材１１を備えるカムロブ１０を製造することができ
る。

【００５４】また、鉄基粉末混合物中に銅粉を添加する
ことによって、耐摩耗性と機械的強度とをさらに向上さ
せたカムロブ１０を製造することができる。

【００５５】また、鉄基粉末を、ニッケル、モリブデ
ン、銅、クロム、マンガンから選ばれる一種以上の金属
と、鉄との鉄合金の粉末とすることによって、耐摩耗性
と機械的強度とをより一層向上させたカムロブ１０を製
造することができる。

【００５６】また、温間成形および／または金型潤滑を
用いて圧縮成形を行うことによって、少ない回数で鉄基
粉末混合物を高く圧縮することが可能であり、圧縮工程
の回数を少なくすることができ、高耐摩耗化と高強度化
との両立を図ったカムロブ１０を効率的に製造すること
ができる。

【００５７】また、浸炭焼入れ処理により、外側材１１
の表面に圧縮残留応力を存在させたので、耐摩耗性に優
れる外側材１１を備えるカムロブ１０を製造することが
できる。

【００５８】なお、本発明における焼結部品およびその
製造方法は上述したカムロブ１０およびその製造方法に
限定されるものではなく、高耐摩耗化と高強度化との両
立が要請される部品に広く適用できるものである。例え
ば、スプロケット、プーリ、オイルポンプまたはシンク
ロハブなどの焼結部品を作製することができる。

【００５９】さらに、外側材１１および内側材１２から
なる２層構造のカムロブ１０を示したが、本発明は、三
層以上の複数層を有する焼結部品にも適用が可能であ
る。

【００６０】

【実施例】（実施例１）実施例１では、焼結部品として
図１に示すカムロブ１０を作製した。

【００６１】外側材１１に用いる第１の鉄基粉末混合物
は、純鉄粉と、銅粉と、黒鉛粉とを含み、その混合組成
を、Ｆｅ−２質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｃとした。さら
に、第１の鉄基粉末混合物全量に対して、０．５質量％
の温間成形用の潤滑剤を含有させた。一方、内側材１２
に用いる第２の鉄基粉末混合物は、純鉄粉と、銅粉と、
黒鉛粉とを含み、その混合組成を、Ｆｅ−２質量％Ｃｕ
−０．８質量％Ｃとした。さらに、第２の鉄基粉末混合
物全量に対して、０．５質量％の温間成形用の潤滑剤を
含有させた。

【００６２】金型は、カムロブ１０の形状に合致したキ
ャビティを有する成形用金型を用いた。第１と第２の鉄
基粉末混合物および金型を１４０℃に加熱し、７００Ｍ
Ｐａの圧力で圧縮成形し、外側材１１と内側材１２とを
備える成形体とした。

【００６３】次いで、水素が５〜６質量％含まれる窒素
雰囲気中において１１５０℃で３０分間焼結し、鉄基焼
結体とした。

【００６４】その後、浸炭焼入れ焼戻し処理を行い、カ
ムロブ１０の表面の炭素濃度を０．８質量％とした。

【００６５】実施例１のカムロブ１０では、最大ヘルツ
応力は外側材１１の表面から境界面１３へ向かう法線に
沿って２ｍｍの位置に発生した。このため、外側材１１
の厚さを３ｍｍとし、外側材１１の層内に最大ヘルツ応
力発生位置１４が存在するようにして、境界面１３の位
置と最大ヘルツ応力の発生位置１４とを異ならせ、境界
面１３における外側材１１と内側材１２との剥離を防止
した。

【００６６】（実施例２）図３は、実施例２および実施
例３にて作製されるスプロケット３０、４０を示す概略
断面図である。

【００６７】実施例２では、焼結部品として図３に示す
スプロケット３０を作製した。

【００６８】外側材３１に用いる第１の鉄基粉末混合物
は、鉄とモリブデンとの合金であって組成がＦｅ−１．
５質量％Ｍｏの合金粉末と、黒鉛粉とを含み、その混合
組成を、Ｆｅ−１．５質量％Ｍｏ−０．４質量％Ｃとし
た。さらに、第１の鉄基粉末混合物全量に対して、０．
４質量％の温間成形用の潤滑剤を含有させた。一方、内
側材３２に用いる第２の鉄基粉末混合物は、純鉄粉と、
銅粉と、黒鉛粉とを含み、その混合組成を、Ｆｅ−１質
量％Ｃｕ−０．７質量％Ｃとした。さらに、第２の鉄基
粉末混合物全量に対して、０．５質量％の温間成形用の
潤滑剤を含有させた。

【００６９】金型は、スプロケット３０の形状に合致し
たキャビティを有する成形用金型を用いた。金型にも固
体潤滑剤を塗布した。第１と第２の鉄基粉末混合物およ
び金型を１３０℃に加熱し、６００ＭＰａの圧力で圧縮
成形し、外側材３１と内側材３２とを備える成形体とし
た。

【００７０】次いで、ブタン変成ガス中において１１９
０℃で２０分間焼結し、鉄基焼結体とした。

【００７１】その後、浸炭焼入れ焼戻し処理を行い、ス
プロケット３０の表面の炭素濃度を０．７質量％とし
た。

【００７２】実施例２のスプロケット３０では、最大ヘ
ルツ応力は外側材３１の表面から境界面３３へ向かう法
線に沿って３ｍｍの位置に発生した。このため、外側材
３１の厚さを１．５ｍｍとし、内側材３２の層内に最大
ヘルツ応力発生位置３４が存在するようにして、境界面
３３の位置と最大ヘルツ応力の発生位置３４とを異なら
せ、境界面３３における外側材３１と内側材３２との剥
離を防止した。

【００７３】（実施例３）実施例３では、焼結部品とし
て図３に示すスプロケット４０を作製した。

【００７４】外側材４１に用いる第１の鉄基粉末混合物
は、鉄とニッケルと銅とモリブデンとの合金であって組
成がＦｅ−４質量％Ｎｉ−１．５質量％Ｃｕ−０．５質
量％Ｍｏの拡散合金鋼粉末と、黒鉛粉とを含み、その混
合組成を、Ｆｅ−４質量％Ｎｉ−１．５質量％Ｃｕ−
０．５質量％Ｍｏ−０．２質量％Ｃとした。さらに、第
１の鉄基粉末混合物全量に対して、０．３５質量％の温
間成形用の潤滑剤を含有させた。一方、内側材４２に用
いる第２の鉄基粉末混合物は、純鉄粉と、ニッケル粉
と、銅粉と、黒鉛粉とを含み、その混合組成を、Ｆｅ−
２質量％Ｎｉ−１質量％Ｃｕ−０．７質量％Ｃとした。
さらに、第２の鉄基粉末混合物全量に対して、０．７質
量％の温間成形用の潤滑剤を含有させた。

【００７５】金型は、スプロケット４０の形状に合致し
たキャビティを有する成形用金型を用いた。金型にも固
体潤滑剤を塗布した。第１と第２の鉄基粉末混合物およ
び金型を１２０℃に加熱し、６００ＭＰａの圧力で圧縮
成形し、外側材４１と内側材４２とを備える成形体とし
た。

【００７６】次いで、ブタン変成ガス中において１１９
０℃で２０分間焼結し、鉄基焼結体とした。

【００７７】その後、浸炭焼入れ焼戻し処理を行い、ス
プロケット４０の表面の炭素濃度を０．７質量％とし
た。

【００７８】実施例３のスプロケット４０も、最大ヘル
ツ応力は外側材４１の表面から境界面４３へ向かう法線
に沿って３ｍｍの位置に発生した。このため、外側材４
１の厚さを１．５ｍｍとし、内側材４２の層内に最大ヘ
ルツ応力発生位置４４が存在するようにして、境界面４
３の位置と最大ヘルツ応力の発生位置４４とを異なら
せ、境界面４３における外側材４１と内側材４２との剥
離を防止した。

【００７９】（対比例１）実施例１〜３における二層構
造による効果を明確にするために、一層からなる焼結部
品を対比のために作製した。

【００８０】対比例１では、実施例１のカムロブ１０と
同じ形状のカムロブを作製した。

【００８１】原料の鉄基粉末混合物は、実施例１の外側
材１１に用いる第１の鉄基粉末混合物と同じものであ
り、純鉄粉と、銅粉と、黒鉛粉とを含み、その混合組成
を、Ｆｅ−２質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｃとした。さら
に、鉄基粉末混合物全量に対して、０．５質量％の温間
成形用の潤滑剤を含有させた。

【００８２】金型は、実施例１と同じ成形用金型を用い
た。鉄基粉末混合物および金型を１４０℃に加熱し、７
００ＭＰａの圧力で圧縮成形し、単一層の成形体とし
た。

【００８３】次いで、水素が５〜６質量％含まれる窒素
雰囲気中において１１５０℃で３０分間焼結し、鉄基焼
結体とした。

【００８４】その後、浸炭焼入れ焼戻し処理を行い、カ
ムロブの表面の炭素濃度を０．８質量％とした。

【００８５】（対比例２）対比例２では、実施例２のス
プロケット３０と同じ形状のスプロケットを作製した。

【００８６】原料の鉄基粉末混合物は、実施例２の外側
材２１に用いる第１の鉄基粉末混合物と同じものであ
り、鉄とモリブデンとの合金であって組成がＦｅ−１．
５質量％Ｍｏの合金粉末と、黒鉛粉とを含み、その混合
組成を、Ｆｅ−１．５質量％Ｍｏ−０．４質量％Ｃとし
た。さらに、鉄基粉末混合物全量に対して、０．４質量
％の温間成形用の潤滑剤を含有させた。

【００８７】金型は、実施例２と同じ成形用金型を用い
た。金型にも固体潤滑剤を塗布した。鉄基粉末混合物お
よび金型を１３０℃に加熱し、６００ＭＰａの圧力で圧
縮成形し、単一層の成形体とした。

【００８８】次いで、ブタン変成ガス中において１１９
０℃で２０分間焼結し、鉄基焼結体とした。

【００８９】その後、浸炭焼入れ焼戻し処理を行い、ス
プロケットの表面の炭素濃度を０．７質量％とした。

【００９０】（対比例３）浸炭処理を実施せず、鉄基粉
末混合物中の黒鉛含有率を高めたものについて、比較の
ために対比例３として作製した。

【００９１】対比例３では、実施例２および対比例２と
同じ形状のスプロケットを作製した。

【００９２】原料の鉄基粉末混合物は、鉄とモリブデン
との合金であって組成がＦｅ−１．５質量％Ｍｏの合金
粉末と、黒鉛粉とを含み、その混合組成を、Ｆｅ−１．
５質量％Ｍｏ−０．８質量％Ｃとした。対比例３の原料
中の黒鉛含有率は、実施例２および対比例２の原料に比
べて、０．４質量％高めてある。さらに、鉄基粉末混合
物全量に対して、０．４質量％の温間成形用の潤滑剤を
含有させた。

【００９３】金型は、実施例２および対比例２と同じ成
形用金型を用いた。金型にも固体潤滑剤を塗布した。鉄
基粉末混合物および金型を１２０℃に加熱し、６００Ｍ
Ｐａの圧力で圧縮成形し、単一層の成形体とした。

【００９４】次いで、ブタン変成ガス中において１１９
０℃で２０分間焼結し、鉄基焼結体とした。対比例３で
は、浸炭処理を実施しない。

【００９５】（実施例と対比例とに基づく検討）下記の
表１は、実施例１から３と、対比例１から３とによって
作製される焼結部品の密度と、耐摩耗性を示す硬度と、
焼結部品の内部の引張り強さと、についての実験結果を
示している。硬度はロックウェル試験のＡスケールによ
って測定した。内部強度は、ＪＳＰＭ規格標準２−６４
引っ張り試験片にて測定した。

【００９６】表面の硬度についてはＨＲＡ８０をしきい
値とし、耐摩耗性の良否（ＯＫ／ＮＧ）を判定した。内
部の引張り強さについては６３７ＭＰａをしきい値と
し、機械的強度の良否（ＯＫ／ＮＧ）を判定した。

【００９７】

【表１】

【００９８】表１に示すように、実施例１では、外側材
１１の密度は７．４５ｇ／ｃｍ³に達し、硬さはＨＲＡ
で８０以上を示した。内側材１２の密度は７．１５ｇ／
ｃｍ ³であり、硬さはＨＲＡで６７であった。一方、対
比例１では、密度は実施例１の外側材１１と同じく７．
４５ｇ／ｃｍ³に達し、表面硬さはＨＲＡで８０以上を
示したが、表面から徐々に硬さが低下し、表面から３．
５ｍｍ以上の深さでは硬さがＨＲＡ６５未満となった。

【００９９】対比例１では、浸炭処理を行うことによっ
て表面の硬度はしきい値よりも高い値を示している（Ｏ
Ｋ）。しかし、焼結部品の内部では、原料である鉄基粉
末混合物中の黒鉛粉の含有量がもともと少なく、浸炭処
理によっても炭素濃度が上昇しない。このため、焼結部
品の内部では、引張り強さがしきい値未満となり、ＮＧ
と判定された。したがって、高耐摩耗化と高強度化との
両立を図ることができなかった。

【０１００】これに対して、実施例１では、外側材１１
は、内側材１２に比べて高密度化されて十分緻密化して
おり、硬度はしきい値以上であり（ＯＫ）、高耐摩耗性
を発揮している。一方、内側材１２は、外側材１１ほど
は高密度化されないものの、十分な炭素量が確保されて
いるため、引張り強さはしきい値以上であり（ＯＫ）、
高い機械的強度を発揮している。したがって、高耐摩耗
化と高強度化との両立が達成できたことを確認した。ま
た、外側材１１は対比例１と材質が同一であるが、厚さ
が３ｍｍであるため、対比例１で問題となる、表面から
３．５ｍｍ以上の深さにおける硬度の低さは発生しな
い。

【０１０１】実施例２では、外側材３１の密度は７．４
ｇ／ｃｍ³に達し、硬さはＨＲＡで８３以上を示した。
内側材３２の密度は７．２ｇ／ｃｍ³であり、硬さはＨ
ＲＡで７０であった。一方、対比例２では、密度は実施
例２の外側材３１と同じく７．４ｇ／ｃｍ³に達し、表
面硬さはＨＲＡで８３以上を示したが、表面から徐々に
硬さが低下し、表面から３ｍｍ以上の深さでは硬さがＨ
ＲＡ７０未満となった。

【０１０２】対比例２では、浸炭処理を行うことによっ
て表面の硬度はしきい値よりも高い値を示している（Ｏ
Ｋ）。しかし、焼結部品の内部では、原料である鉄基粉
末混合物中の黒鉛粉の含有量がもともと少なく、浸炭処
理によっても炭素濃度が上昇しない。このため、焼結部
品の内部では、引張り強さがしきい値未満となり、ＮＧ
と判定された。したがって、高耐摩耗化と高強度化との
両立を図ることができなかった。

【０１０３】これに対して、実施例２では、外側材３１
は、内側材３２に比べて高密度化されて十分緻密化して
おり、硬度はしきい値以上であり（ＯＫ）、高耐摩耗性
を発揮している。一方、内側材３２は、外側材３１ほど
は高密度化されないものの、十分な炭素量が確保されて
いるため、引張り強さはしきい値以上であり（ＯＫ）、
高い機械的強度を発揮している。したがって、高耐摩耗
化と高強度化との両立が達成できたことを確認した。ま
た、外側材３１は対比例２と材質が同一であるが、厚さ
が１．５ｍｍであるため、対比例２で問題となる、表面
から３ｍｍ以上の深さにおける硬度の低さは発生しな
い。

【０１０４】実施例３では、外側材４１の密度は７．３
５ｇ／ｃｍ³に達し、硬さはＨＲＡで８７以上を示し
た。内側材４２の密度は７．２ｇ／ｃｍ³であり、硬さ
はＨＲＡで７０であった。各値はしきい値を上回ってお
り、良好な結果が得られた。実施例３と実施例２とは、
各層の材料の混合組成が異なっており、実施例３では、
ニッケルの添加によって、外側材４１においては硬度す
なわち耐摩耗性がより一層向上し、内側材４２において
は内部引張り強さすなわち機械的強度がより一層向上し
た。

【０１０５】対比例３では、密度は７．１ｇ／ｃｍ³、
硬さはＨＲＡで７３以下であった。対比例３では、原料
である鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率を高くし、機械的
強度の向上を目標としたが、密度が７．１ｋｇ／ｃｍ³
と低いことにより、炭素濃度が高い利点を活かせず、硬
度がしきい値を下回る低い値となった。一方、内部にお
いては炭素濃度が高いことから、しきい値を上回る高い
引張り強さを示してはいる。したがって、高耐摩耗化と
高強度化との両立を図ることができなかった。

【０１０６】実施例１から３では、対比例で見られる不
良の原因を外側材１１、３１、４１と内側材１２、３
２、４２との二層構造によって解消した結果、いずれの
しきい値をも上回る結果が得られ、高耐摩耗化と高強度
化との両立を図ることができた。

【０１０７】このように対比例では密度が低い、もしく
は密度が高い場合には内部において炭素濃度が低く、内
部の機械的強度が低いといった問題があったのに対し
て、本発明は表面の密度は上がり、かつ浸炭で表面硬さ
も維持し、内側材１２、３２、４２の密度は外側材１
１、３１、４１の表面と比較して低いものの、要求され
る硬さと機械的強度とを示した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１（Ａ）は、本発明に係る焼結部品または
本発明に係る製造方法により製造された焼結部品の一例
であるカムロブを示す断面図、図１（Ｂ）は、同図
（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。

【図２】 図２（Ａ）〜（Ｄ）は、仮圧縮方式による圧
縮成形を示す概念図である。

【図３】 実施例２および実施例３にて作製されるスプ
ロケットを示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０…カムロブ（焼結部品） １１、３１、４１…外側材（第１の層） １２、３２、４２…内側材（第２の層） １３、３３、４３…境界面 １４、３４、４４…最大ヘルツ応力発生位置 ３０、４０…スプロケット（焼結部品）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前川 幸広 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 上ノ薗 聡 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 宇波 繁 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 4K018 AA29 AB07 AC01 BA14 CA02 CA14 CA16 FA11 HA05 JA04 KA01

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄基粉末と黒鉛粉とを含む鉄基粉末混合
   物を原料とし、圧縮成形、焼結および浸炭により形成さ
   れる焼結部品であって、 表層をなす第１の層と、当該第１の層よりも内方に位置
   する第２の層とを少なくとも備え、 前記第２の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率
   を、前記第１の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含
   有率に比べて高くし、前記第２の層における炭素量を確
   保しつつ前記第１の層を高密度化してなる高耐摩耗高強
   度焼結部品。
2. 【請求項２】 前記第１の層と前記第２の層との境界面
   の位置は、前記焼結部品が使用される際の最大へルツ応
   力の発生位置と異なることを特徴とする請求項１に記載
   の高耐摩耗高強度焼結部品。
3. 【請求項３】 鉄基粉末と黒鉛粉とを含む鉄基粉末混合
   物を原料とし、表層をなす第１の層と、当該第１の層よ
   りも内方に位置する第２の層とを少なくとも備える焼結
   部品を製造する焼結部品の製造方法において、 前記第２の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含有率
   を、前記第１の層を形成する鉄基粉末混合物中の黒鉛含
   有率に比べて高くし、 前記第１の層を形成する鉄基粉末混合物および前記第２
   の層を形成する鉄基粉末混合物を圧縮成形して、前記第
   １の層と前記第２の層とを備える成形体とし、 前記成形体に焼結処理を施した後に、前記第１の層に浸
   炭処理を行うことを特徴とする高耐摩耗高強度焼結部品
   の製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１の層を形成する鉄基粉末混合物
   中の黒鉛含有率は、０．２質量％以上、０．５質量％未
   満であることを特徴とする請求項３に記載の高耐摩耗高
   強度焼結部品の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第１と第２の層を形成する鉄基粉末
   混合物は、銅粉をさらに含むことを特徴とする請求項３
   に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造方法。
6. 【請求項６】 前記鉄基粉末は、ニッケル、モリブデ
   ン、銅、クロム、マンガンから選ばれる一種以上の金属
   と、鉄との鉄合金の粉末であることを特徴とする請求項
   ３に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造方法。
7. 【請求項７】 前記第１の層と前記第２の層との境界面
   の位置を、前記焼結部品が使用される際の最大へルツ応
   力の発生位置と異なる位置に形成することを特徴とする
   請求項３に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造方法。
8. 【請求項８】 前記圧縮成形は、前記鉄基粉末混合物お
   よび金型を１２０℃〜１４０℃に加熱して行う温間成形
   および／または金型潤滑によるものであることを特徴と
   する請求項３に記載の高耐摩耗高強度焼結部品の製造方
   法。
9. 【請求項９】 前記浸炭処理により、前記第１の層の表
   面に圧縮残留応力を存在させ、耐摩耗性を向上させたこ
   とを特徴とする請求項３に記載の高耐摩耗高強度焼結部
   品の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記焼結部品は、カムロブ、スプロケ
    ット、プーリ、オイルポンプ、シンクロハブのいずれか
    であることを特徴とする請求項３に記載の高耐摩耗高強
    度焼結部品の製造方法。