JP2004143526A

JP2004143526A - 焼結歯車部品およびその製造方法

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Publication number: JP2004143526A
Application number: JP2002309534A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsunuma; 松沼　健二; Manabu Hashikura; 橋倉　学
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】劣化油中で使用しても歯部の磨耗量が少なく、かつ歯部のピッチング損傷のない焼結歯車部品を提供する。
【解決手段】本発明の焼結歯車部品は、たとえばサイレントチェーン用のスプロケット１であり、その歯部１ａの硬度がロックウェル硬度のＣスケールで４０以上であることを特徴とするものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結歯車部品およびその製造方法に関し、より具体的にはサイレントチェーン用スプロケットに用いられる焼結歯車部品およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
焼結金属部品における強度改善技術としては、たとえば特開平７−１１２２３１号公報に開示されたものがある。
【０００３】
この公報に開示された技術は、焼結歯車の歯部付近の結晶粒の微細化およびこれに伴う緻密化を図ることにより、歯部の強度および歯元の疲労強度を向上させる技術である。具体的には、歯形成部をオーステナイト化領域に加熱した後、熱間転造によって歯形成部に歯部を形成し、さらに必要に応じて予備転造を施して歯形成部を予め緻密化したり、熱間転造後に高周波焼入れを施したりする技術が上記公報に記載されている。
【０００４】
しかし、この製造方法により形成されたスプロケットの摩耗部においては、焼結体内の気孔が連結し、これがやがて剥離摩耗となって歯部の摩耗が進むという問題点があった。この問題点を解決する技術としては、たとえば特開２００１−２９５９１５号公報に開示されたものがある。
【０００５】
この公報に開示された技術は、高温安定性を備えた潤滑剤と黒鉛粉と粉末冶金用鉄粉を混合した粉末を１００℃以上に加熱し、１２０℃以上に加熱した金型を用いて圧縮成形を行ない、その後１１８０℃以上の高温で焼結することでサイレントチェーン用焼結スプロケットを製造する方法である。
【０００６】
また粉末冶金用鉄粉はニッケル（Ｎｉ）を２．０〜５．０％、モリブデン（Ｍｏ）を０．２〜１．０％、銅（Ｃｕ）を０．５〜２．０％で含有し、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなり、鉄粉が鉄粒子のまわりにニッケル、モリブデン、銅の金属粒子が拡散接合されてなるものである。もしくは、粉末冶金用鉄粉がニッケルは０．５〜３．０％、モリブデンを０．５〜２．０％で含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、鉄粉が鉄とモリブデンからなる合金粒子のまわりにニッケルの金属粒子が拡散接合されてなるものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１１２２３１号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−２９５９１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような方法により得られた焼結体の硬さＨＲＢはたかだか１１０であり、これはロックウェル硬さのＣスケール（ＨＲＣ）に換算すると３８．８程度であった。このように硬さがＨＲＣ３８．８程度しかないため、普通の正常なオイルなら問題はないが、劣化油のように使用し続けられて潤滑能力の低下したオイルまたは、煤やゴミなどの不純物が混入したオイルの下では、その不純物の存在によって摩耗が生じやすいという問題点があった。
【００１０】
それゆえ本発明の目的は、劣化油の下で使用されても歯部の摩耗が生じにくく、かつ歯部のピッチング損傷もない焼結歯車部品およびその製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の焼結歯車部品は、歯部の硬度がロックウエル硬さのＣスケール（ＨＲＣ）で４０以上であることを特徴とするものである。
【００１２】
本願発明者らは鋭意検討した結果、歯部の硬度の高いものが摩耗に対して有利であり、すべりあるいは転がり、またはすべりと転がりとが混在している焼結歯車部品の摺動環境下にて、ＨＲＣ４０以上の硬度を有するものが耐摩耗性に優れていることを見出した。
【００１３】
このため、本発明の焼結歯車部品が劣化油の下で使用されたとしても、歯部の摩耗を従来例よりも低減することができ、かつ歯部のピッチング損傷も防止することができる。
【００１４】
上記の焼結歯車部品において好ましくは、歯部は残留オーステナイト相を２体積％以上５０体積％以下含み、残部がマルテンサイト相を含んでいる。
【００１５】
マルテンサイト組織は高硬度であり、耐摩耗性に有利であるが、残留オーステナイト相は硬度がマルテンサイト相より低いため耐摩耗性の劣化を招くが、一方で耐面圧疲労特性を向上させる作用を有する。したがって、熱処理後の歯部の焼結体組織に占める残留オーステナイト相の割合を制御することにより、硬度と耐摩耗性と耐面圧疲労特性とに優れた焼結歯車部品を得ることができる。なお、残留オーステナイト相の割合の制御は、たとえばニッケルの含有量を変化させたり、サブゼロ処理を施すことにより行なわれてもよい。
【００１６】
残留オーステナイト相が２％未満では面圧疲労強度が低くなり、また５０％を超えると耐摩耗性が著しく低下する。
【００１７】
上記の焼結歯車部品において好ましくは、モリブデン、銅および５質量％以下のニッケルよりなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、残部が鉄と不可避不純物とを含んでいる。
【００１８】
ニッケルは焼結体密度と靭性とを向上させる役割をなし、モリブデンは焼入れ性を向上させる役割をなし、銅は焼入れ性と密度とを向上させる役割をなす。またニッケルの含有量が０．５質量％未満では上記効果がなく、５質量％を超えるとＮｉリッチのオーステナイトが生成され、焼結体の耐摩耗性を劣化させる。またモリブデンの含有量も０．２質量％未満では上記の効果がなく、２質量％を超えると偏析を生じ焼結体に悪影響を与える。また銅の含有量も０．５質量％未満では上記効果がなく、３質量％を超えると焼結時の膨張により焼結体の寸法変化を生じ寸法精度を悪化させてしまう。
【００１９】
なお、不可避不純物にはマンガン（Ｍｎ）が含まれていてもよい。このマンガンは焼入れ性を向上させる役割をなすものであり、マンガンの含有量が０．２質量％未満では上記焼入れ性向上の効果がなく、２質量％を超えると偏析を生じ焼結体に悪影響を与える。
【００２０】
上記の焼結歯車部品において好ましくは、焼結歯車部品はスプロケットである。
【００２１】
このように歯部の硬度がＨＲＣ４０以上であるため、耐摩耗性に優れ、スプロケットとして好適である。
【００２２】
上記の焼結歯車部品において好ましくは、スプロケットはサイレントチェーン用スプロケットである。
【００２３】
特に、本発明の焼結歯車部品は、歯部にチェーンが線接触など局部接触したときの面圧が極めて高くなるサイレントチェーン用のスプロケットに好適である。
【００２４】
本発明の焼結歯車部品の製造方法は、歯部の硬度がＨＲＣ４０以上である焼結歯車部品の製造方法であって、２５０μｍ以下の粒径の粒子を８５質量％以上含む原料粉末を用いて成形して成形体を得る工程と、その成形体を焼結して焼結体を得る工程と、少なくとも歯部の表面層に炭素を拡散する熱処理、焼入れ処理および高周波熱処理よりなる群から選ばれる少なくとも１つの熱処理と焼戻し処理とを焼結体に施す工程とを備えている。
【００２５】
本発明の焼結歯車部品の製造方法によれば、圧粉体の密度を向上するため、圧粉体における混合粉末粒を最密（効率よく）充填するためには混合粉末の粒度分布に幅があることが望ましい。しかし、圧粉成形時に粗大粒が局所的に集中すると寸法の大きな空孔ができ、この空孔が全体的あるいは局所的な焼結体密度の低下や焼結体の機械的特性の低下の原因になる。このため、混合粉末は、２５０μｍを超える粒径の粒子を１５質量％未満に抑える必要がある。
【００２６】
焼結後に焼入れ処理、高周波処理または炭素を拡散させる熱処理と焼戻し処理とを行なうことにより、歯部の表面硬さを向上させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。上記の熱処理には、焼入れ焼戻し、浸炭焼入れ焼戻し、高周波焼入れ焼戻し、高濃度浸炭焼入れ焼戻しなどが含まれる。
【００２７】
なお、焼き入れたままでは脆いため、焼戻し処理により靭性を向上させることができる。
【００２８】
なお原料粉末は、黒鉛（カーボン）粉末を０．１質量％以上１．０質量％以下含んでいることが好ましい。黒鉛（Ｃ）は焼入れ性の改善と焼入れ後のマルテンサイト基地硬さの向上に著しい効果がある。黒鉛が０．１質量％未満では焼入れ性の改善に効果がなく、１．０質量％を超えるとセメンタイトの析出により焼結体の靭性が低下する。
【００２９】
また潤滑剤が、２．０質量％以下含まれていてもよい。
潤滑剤は混合粉末の圧縮成形時に金型の焼付きを防止し、また圧縮成形時の粉末粒子が移動する際の潤滑剤となり、圧粉体密度向上に作用する。ただし、潤滑剤は脱脂、焼結時に分解・消滅するため、圧粉体あるいは焼結体内部に気孔を残し、焼結体密度の低下を生じるため、その添加量は２．０質量％以下であることが望ましい。
【００３０】
また成形は、温間成形で行なわれることが好ましい。また焼結温度は１１５０℃以上であることが好ましく、焼結雰囲気は真空もしくは窒素ガスと還元ガスとの少なくともいずれかを含んでいる雰囲気であることが好ましい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施の形態におけるサイレントチェーン用のスプロケットの構成を示す正面図である。図１を参照して、サイレントチェーン用のスプロケット１は、円形の外周面にサイレントチェーンと噛み合うための歯部１ａが形成された構成を有している。この歯部１ａの硬度はロックウエル硬さのＣスケール（ＨＲＣ）で４０以上である。また歯部１ａ硬度はＨＲＣ７０以下であることが好ましい。またその歯部１ａは残留オーステナイト相を２体積％以上５０体積％以下含み、残部がマルテンサイト相を含んでいることが好ましい。
【００３３】
このサイレントチェーン用スプロケット１は、ニッケルを０．５質量％以上５．０質量％以下、モリブデンを０．２質量％以上２．０質量％以下、銅を０．５質量％以上２．０質量％以下含み、残部が鉄および不可避不純物を含んでいることが好ましい。また不可避不純物中には、マンガンが０．０２質量％以上２．０質量％以下含まれていることが好ましい。
【００３４】
上記のサイレントチェーン用スプロケット１の密度は、６．９ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。
【００３５】
次に、本実施の形態のサイレントチェーン用スプロケットの製造方法について説明する。
【００３６】
図２は、本発明の一実施の形態におけるサイレントチェーン用のスプロケットの製造方法を示すフロー図である。図２を参照して、ニッケルを０．５質量％以上５．０質量％以下、モリブデンを０．２質量％以上２．０質量％以下、銅を０．５質量％以上２．０質量％以下含み、残部が鉄および不可避不純物を含む原料粉末が準備される（ステップＳ１）。この原料粉末は、２５０μｍ以下の粒径の粒子を８５質量％以上含んでいる。
【００３７】
なお、この原料粉末には、焼入れ処理、高周波熱処理による場合には、黒鉛粉末が０．１質量％以上１．０質量％以下含まれており、浸炭焼き入れの場合には黒鉛粉末を含まなくともよく、また潤滑剤が２質量％以下含まれていてもよい。
【００３８】
このようにして準備された粉末が所定の条件で成形（温間成形または冷間成形）され、サイレントチェーン用スプロケット形状の成形体が得られる（ステップＳ２）。この成形体にたとえば１１５０℃以上の温度で、窒素ガスおよび／または還元性ガスを含む雰囲気下で焼結が施される（ステップＳ３）。この後、スプロケット１の歯部１ａの表面層に炭素を拡散する熱処理、焼入れ処理および高周波熱処理の少なくともいずれかの熱処理と焼戻し処理とが焼結体に施される（ステップＳ４）。この熱処理としては、たとえば焼入れ焼戻し処理、浸炭焼入れ焼戻し処理、高周波焼入れ焼戻し処理、高濃度浸炭焼入れ焼戻し処理が含まれる。
【００３９】
このようにして、図１に示すサイレントチェーン用のスプロケット１が製造される。
【００４０】
なお、上記においては、焼結歯車部品の一例としてサイレントチェーン用のスプロケットについて説明したが、本発明の焼結歯車部品はこれに限定されるものではなく、それ以外の機械部品、歯車部品、スプロケットに適用することができる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４２】
まず以下の表１の原料組成を有し、かつ残部が実質的に鉄からなる合金粉末に、表１の量の黒鉛と潤滑剤とを配合混合した後、温間成形法にてサイレントチェーン用スプロケット形状の成形体を作製した。この成形体を窒素／水素雰囲気中で１２５０℃〜１３００℃の温度で焼結した後、寸法矯正の目的でサイジングを行ない焼結体を作製した。この焼結体に表１に示す熱処理を行なった。
【００４３】
【表１】

【００４４】
表１に示す熱処理は以下の方法でそれぞれ実施した。
（１）　浸炭焼入れ・焼戻し
サイジング後の焼結体をＣｐ（カーボンポテンシャル）＝１．１％、温度９２０℃の条件で１．５時間浸炭した後、８５０℃の温度で４０分間保持した。その後、油中に焼入れし、１８０℃の温度で９０分間の焼戻しを行なった。
【００４５】
（２）　高濃度浸炭処理
サイジング後の焼結体をＣｐ（カーボンポテンシャル）＝１．３％、温度９２０℃の条件で１．５時間浸炭した後、炉の温度を４００℃まで下げ、再び温度を上げて８５０℃の温度で４０分間保持した。その後、油中に焼入れし、１８０℃の温度で９０分間の焼戻しを行なった。
【００４６】
（３）　焼入れ・焼戻し、
サイジング後の焼結体を８５０℃の温度で４０分間保持し、その後、油中に焼入れし１８０℃の温度で９０分間の焼戻しを行なった。
【００４７】
（４）　高周波焼入れ
周波数１００ｋＨｚの高周波誘導加熱にてスプロケットの歯部を３秒間加熱した後、油を噴射冷却して焼入れを行なった。その後、１８０℃、９０分間加熱して焼戻しを行った。
【００４８】
上記で作製したスプロケットの歯部表面をロックウエル硬度計にてロックウェル硬さのＣスケール（ＨＲＣ）を測定し、またＸ線回折にて残留オーステナイト量の測定を行なった。さらに同様に作製した焼結スプロケットを劣化したエンジンオイルを用いて７０００ｒｐｍ、張力１．７ｋＮの条件でサイレントチェーンをかけて運転するチェーン／スプロケット摩耗・疲労試験機を用いて３００時間の耐久試験を行ない、耐久試験後の歯部（チェーンとの接触部）の摩耗量を測定するとともにチェーンとの接触部に転がり疲労損傷（ピッチング）の発生の有無を顕微鏡観察した。また、各スプロケットの密度も測定した。
【００４９】
これらの硬度ＨＲＣ、残留オーステナイト量、歯部摩耗量、歯部ピッチング損傷の有無および密度を表１に併せて示す。
【００５０】
なお、表１において歯部ピッチング損傷が「無」、「有」とは、損傷の程度により判別した。試験後のスプロケット歯部のチェーンとの接触面を倍率１０倍の実体顕微鏡にてピッチング損傷の有無を観察した。チェーンとの接触面にピッチングによる表面の剥離損傷が認められたものをピッチング損傷「有」、表面の剥離損傷が認められなかったものを「無」とした。
【００５１】
表１の結果より、本発明例１〜９では、歯部の硬度ＨＲＣが４０以上となり、かつ歯部の残留オーステナイト量が２体積％以上５０体積％以下の範囲内となっており、それにより歯部摩耗量は１０μｍ未満となり、かつ歯部ピッチングの損傷は生じていないことがわかった。
【００５２】
一方、比較例１〜６では、歯部の硬度ＨＲＣが４０未満となった。この理由は以下のように考えられる。
【００５３】
比較例１および２では、ニッケル含有量が７．０質量％と多いために残留オーステナイト量の割合が５０体積％を超え、それによりマルテンサイト相の割合が少なくなったために歯部の硬度がＨＲＣ４０より小さくなったものと考えられる。
【００５４】
また比較例３および６では、焼結後に熱処理を施さなかったため歯部の硬度がＨＲＣ４０よりも小さくなったものと考えられる。
【００５５】
また比較例４では、２５０μｍ以下の粒子の割合が少なく、つまり粗大な粒子が多かったために粒子間の空孔が大きくなったことにより歯部の硬度がＨＲＣ４０より小さくなったものと考えられる。
【００５６】
また比較例５では、潤滑剤が３．０質量％も含まれるほど気孔が生じていたため、歯部の硬度がＨＲＣ４０より小さくなったものと考えられる。
【００５７】
以上より、原料粉末がニッケルを０．５質量％以上５．０質量％以下、モリブデンを０．２質量％以上２．０質量％以下、銅を０．５質量％以上２．０質量％以下含み、残部が鉄および不可避不純物とを含む組成よりなり、かつ原料粉末中の２５０μｍ以下の粒径の粒子が８５質量％以上含まれており、黒鉛の添加量が０．１質量％以上１．０質量％以下であり、潤滑剤の量が２質量％以下で、さらに適切な熱処理を焼結後に施すことにより、歯部の硬度がＨＲＣ４０以上の焼結歯車部品が得られることがわかった。
【００５８】
またこのような焼結歯車部品においては、歯部は残留オーステナイト相を２体積％以上５０体積％以下含み、残部がマルテンサイト相を含み、かつ歯部摩耗量が１０μｍより小さく、かつ歯部ピッチング損傷がないものが得られることも判明した。
【００５９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の焼結歯車部品によれば、歯部の硬度がロックウエル硬さのＣスケールで４０以上であるため、劣化油中で使用されても、歯部の摩耗量を従来例より低減することができるとともに歯部にピッチング損傷が生じないようにさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるサイレントチェーン用スプロケットの構成を概略的に示す正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態におけるサイレントチェーン用スプロケットの製造方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１　サイレントチェーン用スプロケット、１ａ　歯部。

Claims

歯部の硬度がロックウエル硬さのＣスケールで４０以上であることを特徴とする、焼結歯車部品。
前記歯部は残留オーステナイト相を２体積％以上５０体積％以下含み、残部がマルテンサイト相を含むことを特徴とする、請求項１に記載の焼結歯車部品。
モリブデン、銅および５質量％以下のニッケルよりなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、残部が鉄と不可避不純物とを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の焼結歯車部品。
前記焼結歯車部品はスプロケットであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の焼結歯車部品。
前記スプロケットはサイレントチェーン用スプロケットであることを特徴とする、請求項４に記載の焼結歯車部品。
歯部の硬度がロックウエル硬さのＣスケールで４０以上である焼結歯車部品の製造方法であって、
２５０μｍ以下の粒径の粒子を８５質量％以上含む原料粉末を用いて成形して成形体を得る工程と、
前記成形体を焼結して焼結体を得る工程と、
少なくとも前記歯部の表面層に炭素を拡散する熱処理、焼入れ処理および高周波熱処理よりなる群から選ばれる少なくとも１つの熱処理と焼戻し処理とを前記焼結体に施す工程を備えた、焼結歯車部品の製造方法。