JP2005042812A - サイレントチェーン用焼結スプロケットおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 添加元素が少ない材料を用いて簡便な緻密化手段により得られるサイレントチェーン用焼結スプロケットおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 全体組成が質量比でＣｕ：１〜２％、Ｃ：０．５〜０．８％、不可避的不純物のうちＭｎ：０．１０％以下で、残部がＦｅおよびその他の不可避的不純物からなり、密度が７．１Ｍｇ／ｍ³以上 、歯先部の表面硬さがＨＲＡ６５以上で、少なくとも歯部および歯部近傍の断面顕微鏡組織がマルテンサイト、ソルバイト、ベイナイトのいずれかまたはこれらの混合組織を呈するものとする。

Description

この発明は、自動車のカムシャフトタイミングチェーン用スプロケットなどに用いられる焼結スプロケットおよびその製造方法に関する。

このようなスプロケットには、鍛造でスプロケット素材に造形して機械加工により仕上げ、浸炭焼入れ焼戻ししたものがある。また、造形が容易な粉末冶金技術により製作される焼結スプロケットとしては、Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕおよびＣを含む鉄系材料からなり、混合粉末を温間成形して比較的高い密度とし、焼結体に浸炭焼入れまたは高周波焼入れを施して焼戻しする技術が提案されている（特許文献１参照）。また、同様な組成の鉄系材料からなる焼結体の歯部を転造によって緻密化し、浸炭焼入れ焼戻しする技術も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００１−２９５９１５号公報（第２頁） 特開２００２−１２９２９５号公報（第２頁）

サイレントチェーン用スプロケットは、歯車の噛み合いと同様に歯形同士の噛み合いで回転伝達する構造であるため、通常のローラーチェーン用スプロケットと比較すると噛み合い面圧が高い。このため、サイレントチェーン用スプロケットは、ローラーチェーン用スプロケットに比して歯部の密度が高く、硬さも焼き入れ等によって高いものであることが必要である。上述した特許文献１または２に記載されている焼結スプロケットは、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕを含有して、材料強度および焼入れ性を高め、温間成形や転造によって密度を高くして耐摩耗性および疲労強度を向上させる手段により得られるものである。このため、製造コストや工程簡素化の点で、添加元素が少ない材料を用いて簡便な緻密化手段により製造できる技術の開発が望まれていた。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、添加元素が少ない材料を用いて簡便な緻密化手段により得られるサイレントチェーン用焼結スプロケットおよびその製造方法を提供することを目的としている。

この発明のサイレントチェーン用焼結スプロケットは、圧縮性の良好なアトマイズ鉄粉を用いるとともに、組成はＣｕおよびＣを添加した単純なものとし、通常の粉末成形、焼結によって要部を高密度として要部に焼入れ焼戻しを施すことで、温間成形や転造を採用することなく、要求特性を実現するものである。すなわち、この発明のサイレントチェーン用焼結スプロケットは、請求項１に記載のように、全体組成が質量比でＣｕ：１〜２％、Ｃ：０．５〜０．８％、不可避的不純物のうちＭｎ：０．１０％以下で、残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物からなり、密度が７．１Ｍｇ／ｍ³以上であって、歯先部の硬さがＨＲＡ６５以上で、少なくとも歯部および歯部近傍の断面顕微鏡組織がマルテンサイト、ソルバイト、ベイナイトのいずれかまたはこれらの混合組織を呈していることを特徴としている。
このようなサイレントチェーン用焼結スプロケットにおいては、請求項２に記載のように、歯部および歯部近傍の密度が７．１Ｍｇ／ｍ³以上で、その他の部分の密度が歯部および歯部近傍の密度より低くかつ６．６Ｍｇ／ｍ³以上であることが望ましい。

また、この発明のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法は、請求項３に記載のように、アトマイズ鉄粉と、全体組成で１〜２質量％の銅粉と、０．６〜１．０質量％の黒鉛粉、および１質量％以下の成形潤滑剤粉との混合粉をスプロケット形状に圧縮成形して少なくとも歯部および歯部近傍の密度を７．１Ｍｇ／ｍ³以上とし、成形体を非酸化性ガス雰囲気中で焼結し、焼結体の少なくとも歯部に焼入れ、焼戻しを施すことを特徴としている。
このようなサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法においては、請求項４に記載のように、上記アトマイズ鉄粉が、ステアリン酸亜鉛粉を０．７５％混合して圧力４９０．３ＭＰａで圧縮成形した場合に圧粉体の密度が７．０５Ｍｇ／ｍ³以上となるものであることが望ましく、また請求項５に記載のように、上記アトマイズ鉄粉の組成において、不可避的不純物のうちＭｎが０．１０質量％以下であり、Ｏ（酸素）が０．１０質量％以下であることが望ましい。

この発明によれば、添加元素の少ない合金組成の混合粉の各成分の適正化を図り、密度、歯先部の表面硬さ、および歯部等の組織の適正化を図ることで、温間成形や転造などによる緻密化手段を用いることなく通常用いられる成形プレスにより、焼結スプロケットの密度を高めることができるだけでなく、従来と同等の耐摩耗性を製造工程を少なくして実現することができる。よって、この発明は、添加元素が少ない材料を用いて簡便な緻密化手段によりサイレントチェーン用焼結スプロケットを提供することができる点で有望である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。
（１）焼結合金の組成
焼結合金は、一般的なＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系を用いる。焼結体の強度および焼結寸法変化の変動を考慮すると、Ｃｕ：１〜２質量％、Ｃ：０．５〜０．８質量％とすることが好ましいが、Ｃｕ：１．５質量％およびＣ（結合炭素）：０．７質量％とするとさらに好ましい。

（２）使用する鉄粉
焼結スプロケットの製造に使用する鉄粉はアトマイズ鉄粉であり、市販の各種アトマイズ鉄粉のうち、ステアリン酸亜鉛粉を０．７５％混合し、圧力４９０．３ＭＰａで圧縮成形したときの密度が７．０５Ｍｇ／ｍ³以上を示すような高い圧縮性を有するものを使用する。一般的なアトマイズ鉄粉では、上記圧縮成形時の密度が７．０Ｍｇ／ｍ³以下であるため好ましくない。
このようなアトマイズ鉄粉では、鉄粉に含まれる不可避的不純物のうちＭｎの含有量は０．１０質量％以下であり、Ｏ（酸素）の含有量は０．１０質量％以下である。一般的なアトマイズ鉄粉の場合では、Ｍｎの含有量は０．１４〜０．２０質量％程度であり、Ｏの含有量は０．１２〜０．２５質量％である。
その他の不可避的不純物については、この発明を実施するにあたり使用されるアトマイズ鉄粉と一般的なアトマイズ鉄粉との間に顕著な差異は認められず、この差異は、質量比でＣ：０．００１〜０．００５％、Ｓｉ：０．０１〜０．０２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：０．０１％、Ｎｉ：０．０１〜０．０３％、およびＣｒ：０．０１％程度である。
鉄粉の断面硬さについては、平均値ではこの発明を実施するにあたり使用される鉄粉の方が低いが、その最大値はＭＨＶ１１０程度であるので、一般的なアトマイズ鉄粉の断面硬さとの間に大差があるとはいえない。また、アトマイズ鉄粉の断面顕微鏡組織からは、結晶粒子の大きさに関する差異は認められない。しかしながら、ナイタールで腐蝕した場合、通常のアトマイズ鉄粉は結晶粒子面の腐蝕が速いのに対し、この発明を実施するにあたり使用されるアトマイズ鉄粉には腐蝕され難いという性質がある。

（３）混合粉
成形される混合粉は、上記アトマイズ鉄粉に銅粉、黒鉛粉およびステアリン酸亜鉛粉などの通常の成形潤滑剤を所定量添加し、混合したものである。
銅粉および黒鉛粉は、従来から鉄系焼結合金の製造に用いられているものと同じ種類のものが用いられる。銅粉の粒度は、３５０メッシュ篩下量が６０〜９０質量％含有された程度のものである。
混合粉に含まれる成形潤滑剤の含有量は、１質量％以下である。鉄粉に銅粉１．５質量％、黒鉛粉０．８質量％を含む混合粉の理論密度は、ステアリン酸亜鉛を含まない場合は７．７２Ｍｇ／ｍ³であり、ステアリン酸亜鉛を１質量％含む場合は７．３０Ｍｇ／ｍ³である。このため、より高い密度を得たい場合には、成形潤滑剤の含有量を少なく設定すればよい。ただし、成形潤滑剤の含有量が過度に少ない場合には、圧粉体の抜出し圧力が高くなるので、０．４質量％以上とすることが望ましい。

（４）粉末成形
粉末成形は通常の金型により行われる。圧粉体の密度は、歯部および歯部近傍を７．１Ｍｇ／ｍ³以上とする。歯部の機械的強度および面圧疲労強度は高いことが望ましいから、７．３Ｍｇ／ｍ³程度とするとより好ましい。
これに対し、歯部および歯部近傍以外の部分は、歯部と同じ密度に成形してもよいが、通常の機械要素に求められる強度を有すればその機能を果たすことができる。このため、この部分の密度は６．６Ｍｇ／ｍ³以上であれば十分である。一般に、密度が低ければ原料の使用量が少なく、また製品の軽量化を図ることができ、しかも振動減衰能が高くなる。また必要な部位のみ高密度にした方が金型寿命も長くなり、経済的である上、省エネルギー化、省マテリアル化にもなって、環境面でも有利である。例えば、実際のスプロケット形状に近い内径２０ｍｍ、外径８０ｍｍ、厚さ８ｍｍの部材の成形において、外周から中心に向う外周部の７．５ｍｍの領域を密度７．１Ｍｇ／ｍ³とし、その他の部分を６．８Ｍｇ／ｍ³に成形すると、全体を密度７．１Ｍｇ／ｍ³にしたものに比して圧粉体重量が７．２ｇ少なくなる。
歯部を含む外周部の密度を高く、その他の部分の密度を低くする場合には、金型のパンチを操作することによって粉末充填量を変化させるなどの手段が有効である。

この発明による場合の混合粉は、従来の混合粉より圧縮性が良好である。これは、上記のように、アトマイズ鉄粉の品質が異なるためである。鉄粉と、１．５質量％の銅粉、０．８質量％の黒鉛粉、および０．５質量％のステアリン酸亜鉛粉との混合粉では、成形密度７．１Ｍｇ／ｍ³を得るための成形圧力は約５００ＭＰａである。これに対し、従来のアトマイズ鉄粉を使用した混合粉では、上記成形圧力は約６００ＭＰａであるから、１００ＭＰａ低い圧力で同等の密度が得られる。なお、この発明の混合粉を用いて従来と同じ６００ＭＰａで成形すれば、約７．２Ｍｇ／ｍ³の密度が得られる。

（５）焼結
焼結は通常の条件で行うことができる。焼結雰囲気は、窒素ガス、窒素水素混合ガス、ブタン変性ガスのような通常の非酸化性ガス雰囲気を採用する。焼結温度は１１００〜１１５０℃程度とすることができる。焼結体は、１〜２質量％Ｃｕの殆どが鉄基地に拡散したものとなり、その組織は結合炭素量が０．５〜０．８質量％のパーライト組織となる。焼結体の物性値は、密度が７．１Ｍｇ／ｍ³の場合には、表面硬さが約ＨＲＢ８２、引張り強さが約５５０ＭＰａ、伸びが約３．５％である。

（６）追加の前処理
さらに、焼結体にサイジングを施したり、切削加工を施すことができる。しかしながら、サイジングは製造コストを割高とするので、できるだけ採用しない方が望ましい。優れた軸孔精度や端面精度を得るためには、切削加工を施すことが望ましい。

（７）焼入れ焼戻し
焼入れは、全体を加熱して焼入れする方法、または外周の歯部およびその近傍を高周波加熱して焼入れするいずれかの方法により行うことができる。スプロケットの軸孔にキー溝がある場合には、前者の焼入れ方法では寸法変化によって好適な寸法精度が得られないおそれがあるため、後者の焼入れ方法を採用することが好ましい。前者の焼入れ方法については、通常の浸炭焼入れを適用することができる。この場合、焼結体の炭素量をやや少なめに設定しておき、焼入れ工程の浸炭によって材料表面の炭素量を増加させることができる。焼戻しは温度１８０℃程度で行うことができる。
また、歯部の表面硬さは、耐摩耗性を確保するためにＨＲＡ６５以上とする。そのためには、密度が７．１Ｍｇ／ｍ³程度の場合、歯部表面から少なくとも０．２ｍｍの鉄合金基地の断面微小硬さがＭＨＶ６５０以上となるような熱処理条件を採用する。熱処理品の物性値は、密度が７．１Ｍｇ／ｍ³において、引張り強さが約１１１０ＭＰａ、伸びが約０．８％程度である。

（８）追加工程
熱処理品は、追加工程を経ずに使用することができる。少なくとも歯部およびその近傍にショットピーニングを施すと、その面の疲労強度が向上し、より疲労特性の優れたものとすることができる。

以下、実施例によりこの発明をより具体的に説明する。
原料粉として、アトマイズ鉄粉３種類、電解銅粉、黒鉛粉、およびステアリン酸亜鉛粉を用意した。鉄粉は、従来から歯車等の鉄系焼結製品を製造する際に用いられている一般的な鉄粉として神戸製鋼所製のアトマイズ鉄粉Ａ（商品名：アトメル３００Ｍ）を、この発明に用いられる鉄粉としてヘガネス社製のアトマイズ鉄粉Ｂ（商品名：ＡＢＣ１００・３０）および神戸製鋼所製のアトマイズ鉄粉Ｃ（商品名：アトメル３００ＮＨ）を用い、銅粉は福田金属箔粉製の電解銅粉（商品名：ＣＥ１５）を用いた。
アトマイズ鉄粉の主な不純物、見掛密度、粒度分布、圧縮性は表１に示すとおりである。
粒度分布は、ふるい分析試験を採用して求めた。また、圧縮性は鉄粉にステアリン酸亜鉛を０．７５質量％混合した粉末を圧力４９０．３ＭＰａで圧縮成形した密度として評価した。
表1にから明らかなように、鉄粉Ｂ、鉄粉Ｃについては、化学成分はＭｎ、Ｏの含有量が少ない。また、粒度分布は１５０μｍより粗い粉末の量が比較的多く、圧縮性は７．０５Ｍｇ／ｍ³より高い。

次に、アトマイズ鉄粉３種類のそれぞれに、質量比で銅粉１．５％、黒鉛粉０．８％、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉０．４％または０．８％を添加した混合粉を作製した。これら混合粉の圧縮性（Ｍｇ／ｍ³）を表２に示す。圧縮性は試料の直径を１１．３ｍｍとした場合のものである。混合粉の種類は、表1のアトマイズ鉄粉の種類に対応させてＡ、Ｂ、Ｃと表示した。表２から明らかなように、鉄粉Ｂ、鉄粉Ｃは密度が高い。また、同じ鉄粉では、潤滑剤の含有量の少ない方が密度が高い。ただし、成形体を金型から抜出す圧力は成形圧力の約２．８％程度であり、潤滑剤の含有量の少ない方が離型の際の抜出し力は高くなる。

さらに、成形潤滑剤を０．４％混合した粉Ｂを用いてスプロケットを製作した。スプロケットは、歯数４４、歯先径８９ｍｍ、内径１９ｍｍ、および平均厚さ８．５ｍｍであって、歯部近傍と内径近傍とに段差がある形状をしており、キー溝が内径部から幅６ｍｍで外周に向かって１０ｍｍの深さに形成されているものとした。成形金型はダイ、コアロッド、および内外に２分割された一対の上下パンチで構成された通常の金型装置を用いた。
スプロケット成形体の部分密度は、歯部および直径約８０ｍｍよりも外周側を７．１５Ｍｇ／ｍ³とし、直径約８０ｍｍよりも内側部分を６．８Ｍｇ／ｍ³に設定した。

成形体は、水素窒素混合ガス中で最高加熱温度１１２０℃で焼結した。焼結体の歯部の密度は７．１１Ｍｇ／ｍ³であり、結合炭素量は断面の顕微鏡組織から約０．７％であった。

焼結体は、高周波加熱装置を用いて所定時間加熱した後油焼入れし、１８０℃で焼戻しした。歯部の表面硬さはＨＲＡ６８〜７０であった。断面の顕微鏡組織は、歯部がマルテンサイトを主とし、軸心方向に向かってトルースタイト、パーライトが微細に変形した領域から焼結体の状態のパーライト組織へと変化していた。
最後に、この熱処理品の内径部を軸と嵌合する所定寸法に切削加工して焼結スプロケットを完成した。なお、本実験においては、歯部がマルテンサイトを主とする組織であったが、焼戻し温度、焼戻し時間に関する条件が異なった場合には、ソルバイト、ベイナイトのいずれかまたはこれらのいずれかを含む混合組織となる場合もある。

比較用の焼結スプロケットは、特開２００１−２９５９１５号公報に記載されているものとした。具体的には、全体組成でＮｉが４質量％、Ｍｏが０．５質量％、Ｃｕが１．５質量％それぞれ拡散接合している合金鉄粉に黒鉛粉および成形潤滑剤を添加混合し、１３０℃に加熱した混合粉を１５０℃に加熱した金型内で圧縮成形（温間成形）して、成形密度７．１５Ｍｇ／ｍ³のスプロケット形状圧粉体を製作し、温度１１９５℃で焼結した。その後焼結体の内径部を切削加工して寸法を整えた後、浸炭焼入れ焼戻しを施した。

上記した実施例の焼結スプロケットと比較用の焼結スプロケットとをガソリンエンジンに搭載して摩耗摩耗状態を調査した。エンジンの運転条件は、サイレントチェーン張力（引張り）を１５００Ｎ、エンジン回転数を６０００ｒｐｍ、および運転時間を１００時間とした。この結果、両者の摩耗量に差は認められなかった。

本発明の焼結スプロケットは、例えば、自動車のカムシャフトタイミングチェーン用スプロケットなど適用することができる。

Claims (5)

1. 全体組成が質量比でＣｕ：１〜２％、Ｃ：０．５〜０．８％、不可避的不純物のうちＭｎ：０．１０％以下で、残部がＦｅおよびその他の不可避的不純物からなり、密度が７．１Ｍｇ／ｍ³以上 、歯先部の表面硬さがＨＲＡ６５以上で、少なくとも歯部および歯部近傍の断面顕微鏡組織がマルテンサイト、ソルバイト、ベイナイトのいずれかまたはこれらの混合組織を呈していることを特徴とするサイレントチェーン用焼結スプロケット。
2. 前記歯部および歯部近傍の密度が７．１Ｍｇ／ｍ³以上であって、その他の部分の密度が歯部および歯部近傍の密度より低くかつ６．６Ｍｇ／ｍ³以上であることを特徴とする請求項１に記載のサイレントチェーン用焼結スプロケット。
3. 全体組成が質量比で１〜２％の銅粉と、０．６〜１．０％の黒鉛粉と、１％以下の成形潤滑剤粉とからなり、残部がアトマイズ鉄粉である混合粉をスプロケット形状に圧縮成形して少なくとも歯部および歯部近傍の密度を７．１Ｍｇ／ｍ³以上とし、成形体を非酸化性ガス雰囲気中で焼結し、焼結体の少なくとも歯部に焼入れ焼戻しを施すことを特徴とするサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
4. 前記アトマイズ鉄粉が、ステアリン酸亜鉛粉を０．７５％混合して圧力４９０．３ＭＰａで圧縮成形した場合に圧粉体の密度が７．０５Ｍｇ／ｍ³以上となるものであることを特徴とする請求項３に記載のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
5. 前記アトマイズ鉄粉の組成において、不可避的不純物のうちＭｎが０．１０質量％以下であり、Ｏが０．１０質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。