JP2005054989A - 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】高い全体密度を確保でき、優れた耐面圧性のある焼結スプロケットを提供する。
【解決手段】 下記（１）〜（３）のいずれかの焼結合金から構成し、歯部の表層部を転造によって相対密度を９５％以上に緻密化し、表面硬さを７００ＨＶ以上とする。
（１）Ｍｏ：１．０〜２．０質量％を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系焼結合金
（２）Ｍｏ：１．０質量％を超え２．０質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％を超え２．５％以下を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃ系焼結合金
（３）Ｍｏ：０．３〜１．０質量％、Ｎｉ：１．５質量％以上３．０質量％未満、Ｃｕ：１．０〜２．５質量％を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系焼結合金

Description

この発明は、自動車エンジンのカムシャフトタイミングチェーン用スプロケット等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ついては、鋼材を鍛造によりスプロケット素材に造形し、機械加工により仕上げ浸炭焼入れ焼戻ししたものが知られている。
造形が容易な粉末冶金技術により製造される焼結スプロケットとしては、混合粉末を温間成形して７．３Ｍｇ／ｍ³ 程度の比較的高い密度とされたＮｉ、Ｍｏ、ＣｕおよびＣを含む鉄系材料からなり、温度１１８０℃以上で焼結された焼結体、または浸炭焼入れまたは高周波焼入れ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、同様な元素を含んで低炭素量の鉄系材料からなり、通常の粉末成形で密度を７．０５Ｍｇ／ｍ³ とされた焼結体の歯部を転造によって緻密化した後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より高く、焼入れにより硬いことが必要である。
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、それぞれ優れたものであるが、特許文献１に記載されたように、粉末成形を温間成形で行って全体密度を比較的高い７．３Ｍｇ／ｍ³ 程度とし、１１８０℃以上の高い温度で焼結する場合には、焼結温度が高いため製造コストが高くなる欠点があり、温間成形により全体密度が高くなる。しかしながら、歯面の密度と他の部分の密度とが同一であるから、歯面の耐面圧性を更に向上する余地がある。
また、特許文献２に記載されたように、比較的密度が低く、特許文献１に記載されたものと類似した合金組成でフェライト組織が４０面積％以上とされて塑性加工性の良好な合金組織をもつ焼結体の歯部を転造して緻密化する場合は、表面をより高密度にするため、転造代を大きくすることが必要であり、このため製作能率を改善できる余地がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、焼入れ性の良好な焼結合金で、より高い全体密度を確保でき、歯面を転造により高密度に形成して優れた耐面圧性を有す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、請求項１に記載のように、焼結合金組成が（１）Ｍｏ：１．０〜２．０質量％を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系焼結合金、（２）Ｍｏ：１．０質量％を超え２．０質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％を超え２．５％以下を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃ系焼結合金、（３）Ｍｏ：０．３〜１．０質量％、Ｎｉ：１．５質量％以上３．０質量％未満、Ｃｕ：１．０〜２．５質量％を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系焼結合金のいずれかからなり、歯部の表層部が転造によって相対密度を９５％以上に緻密化され、表面硬さが７００ＨＶ以上であることを特徴としている。

また、こ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２に記載のように、粉末の組成が質量比で（１）Ｍｏ：１．０〜２．０％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物、（２）１．０％＜Ｍｏ≦２％、１．０％＜Ｎｉ≦２．５％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物、または（３）Ｍｏ：０．３〜１．０％、１．５％≦Ｎｉ＜３．０％、Ｃｕ：１．０〜２．５％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物であるいずれかの合金鉄粉を用い、上記合金鉄粉と黒鉛粉末との混合粉末を成形および焼結した素材を転造して表面を緻密化した後、浸炭焼入れおよび焼戻しを行い、表面硬さを７００ＨＶ以上とすることを特徴としている。

このような焼結スプロケットの製造方法においては、成形が、請求項３に記載のように、温間成形であること、浸炭焼入れ処理が、請求項４に記載のように、焼結合金のオーステナイト化温度領域において、２段階の異なる温度で保持した後、急冷する態様であること、および転造が、請求項５に記載のように、歯部表面の相対密度を９５％以上とする態様であることが望ましい。
また、転造工程においては、請求項６に記載のように、転造されるスプロケット素材の歯部が、転造による余肉のはみ出しをあらかじめ考慮して面取りされている態様、および請求項７に記載のように、転造を行っている最中に、転造によりワークの歯部端面に突出する余肉を、転造機に付設した除去工具を用いて除去する態様を採用することが望ましい。

この発明によれば、温間粉末成形を行い、焼結体を転造して歯部を緻密化するとともに、浸炭焼入れ焼戻しによりマルテンサイト組織である硬質の焼結合金を製作してスプロケットを作製することから、優れた耐面圧特性を実現することができる。また、焼結温度を一般的な鉄系合金を製造する場合と同じように比較的低い温度とし、密度が低いものであっても、耐摩耗性を従来技術によるものと同等以上とすることがきる。よって、この発明は、一般的な焼結炉を使用して品質の良好な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、この発明を構成する各要件と実施の態様を説明する。
（１）焼結合金の成分
発明の対象となる焼結合金は、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃ系、およびＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系の３種類であり、これらは合金添加元素数が少ない構成で、各元素の含有量を調整することにより、それぞれ塑性加工性が良好でかつ強靱であり、しかも焼入れ性の良好な材料として選択されたものである。上記各組成の３者を比較すると、強度についてはＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系が最も低く、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系が最も高くなっており、塑性加工性および焼入れ性はそれぞれ優れている。
なお、焼結体の炭素量は、強度、靭性および塑性加工性を確保するため、０．５〜０．６質量％程度が最適である。また、浸炭焼入れによって表層部の炭素量は、さらに０．１〜０．２質量％程度多くなるが、焼入れによって表層部がマルテンサイト組織となることが好ましい。

含有する元素の効果は次のとおりである。
Ｍｏは、鉄合金マトリックスを強化して強度を向上させるとともに、焼入れ性も向上させる。但し、含有量が多すぎると脆化し、転造による緻密化が困難となる。
Ｎｉは、焼結密度および靭性を向上させる。但し、含有量が多すぎると脆化により転造で緻密化が困難となる。
Ｃｕは、鉄合金マトリックスを強化して高強度化を図り、しかも焼入れ性も向上させる。但し、含有量が多すぎると焼結時の寸法膨張が増大するため寸法変化の変動をもたらし、転造ばらつきを生じ易くなる。

（２）焼結合金の組成範囲と混合粉
第１の合金Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ系は、最も含有元素が少ないものである。Ｍｏ含有量は１．０〜２．０質量％である。含有量が１．０質量％未満であると上記効果が得られず、２．０質量％より多い場合では上述した欠点があり好ましくない。
製造に用いる粉末は、Ｍｏ粉末の形態で添加すると焼結したときの合金化が不完全になり、十分な強度を確保することが難しくなるので、Ｆｅ−Ｍｏ合金鉄粉の形態が望ましい。合金鉄粉であっても後述する温間粉末成形によれば、粉末の圧縮性は十分に得られる。後述する別の合金系の場合も同様に、炭素は黒鉛粉の形で添加され、焼結体の結合炭素量０．５〜０．６質量％程度を得るために、黒鉛粉は０．６〜１．０質量％混合される。また、混合粉を１００〜１５０℃に加熱して圧縮成形する、即ち温間成形のための成形潤滑剤が通常のように混合される。

第２の合金Ｆｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃ系は、上記第１の焼結合金組成に加え、靭性を高めるためにＮｉを含有したものである。この成分組合せにおいて、Ｍｏ含有量は１．０質量％より多く２．０質量％以下であり、Ｎｉ含有量は１．０質量％より多く２．５質量％以下である。
この場合、ＭｏおよびＮｉの含有量をそれぞれ多めに設定すると、塑性加工性がやや悪化するので、それぞれ上記した範囲の中間の含有量の組合せにするか、一方の含有量を少なめに、他方の含有量を多めに設定することがより好ましい。
製造に用いる粉末は、ＦｅとＭｏの合金粉末の周りにＮｉの金属粒子が拡散接合している鉄粉を使用することが好ましい。それぞれの金属粉を混合したものに比べて成分偏析が起こり難く、ＦｅとＮｉの合金粉末の周りにＭｏの金属粒子が拡散接合している鉄粉を使用するのに比べて、Ｎｉが焼結時にＦｅ−Ｍｏ合金粒子の表面に拡散するため、焼結による密度向上の利点と、これに伴い強度および靭性が向上する利点とがある。

第３の合金Ｆｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系は、上記第２の合金組成に対して、強度を高めるために、Ｍｏ含有量をやや少なくし、Ｃｕを含有させたものである。この成分組合せにおいて、Ｍｏ含有量が０．３〜１．０質量％であり、Ｎｉ含有量が１．５質量％以上で３．０質量％より少なく、Ｃｕ含有量は１．０〜２．５質量％である。それぞれの含有量が少ないと塑性加工性は良好であるが、強度や焼入れ性の向上が少なく、含有量が多すぎると転造し難くなる。
製造に用いる粉末は、鉄粉粒子の周りにＮｉ，Ｍｏ，Ｃｕの金属粒子が拡散接合している鉄粉を使用することが好ましい。それぞれの金属粉を混合したものに比べて成分偏析が起こり難く、合金鉄粉に比べ圧縮性が良好であるという利点がある。

（３）温間成形
合金鉄粉に温度安定性を備えた潤滑剤および黒鉛粉を混合した粉末を１００℃以上に加熱し、１２０℃以上に加熱された金型を用いて圧縮成形を行う。この温間粉末成形によれば、粉末の圧縮性が良好となる。例えば、成形圧力４９０ＭＰａ（５０００ｋｇｆ／ｃｍ² ）で得られる成形密度は、常温成形の場合より約０．１Ｍｇ／ｍ³ 程度高いので、従来の成形プレスを用いてより高い密度を得ることができる。換言すると、通常の密度の成形体を低い圧力で成形することができる。また、常温粉末成形で製造された焼結体に比べて粗大な気孔が少なく、粒子間の冶金的な結合が良好になるという特長もみられる。

（４）焼結
焼結は通常の方法で行なわれる。焼結温度は１１２０〜１１５０℃程度とする。この温度は、上記した従来技術の焼結温度より低い通常の鉄系焼結合金の焼結温度である。

（５）焼結体の歯車転造
焼結体の歯車転造は、スプロケット焼結体を回転自在の軸に固定し、二つの歯車を焼結体の歯部に押圧回転させる通常の転造機を用いて行うことができる。これにより、焼結スプロケットの歯部表面が塑性変形し緻密化される。緻密化された表層は、より高い密度であれば耐面圧疲労がより優れたものになるが、緻密化された表層部の相対密度が９５％以上であれば、熱処理品の耐摩耗性は十分なものとなる。
転造代を多くした場合には、転造されるスプロケット素材の歯部の端部に余肉のはみ出しを生じることがあり、この余肉のはみ出しを考慮して、予め圧粉成形体の歯部縁を面取りした形状にしておくことが望ましい。また、例えば特開平１１−３４７６７４号公報に記載されているように、転造装置に付設された切削バイトを転造されている焼結スプロケットに押し当てて歯部端面に突出する余肉を転造中に切削除去する方法を採用することも望ましい。

（６）熱処理
転造されたスプロケット素材は、必要に応じて端面等を切削加工し、焼入れおよび焼戻しされる。焼結および転造したままでは十分な耐摩耗性が得られないので、耐面圧、耐ピッチング性を確保するために、少なくとも歯部表面がマルテンサイト組織である硬質とすることが必要である。ここでいう硬質とは、表面硬さが７００ＨＶ以上である場合に相当する。
焼入れは、通常の浸炭焼入れによることができるが、焼結合金のオーステナイト化温度領域（Ａ₃変態点以上の領域）において、２段階の異なる温度で保持した後、急冷する方法が望ましい。即ち、浸炭焼入れ処理において、１段目の加熱を比較的高温にして緻密化された表面部に浸炭した後、２段目の加熱は通常の焼入れ温度である。前者より低温に保持してから焼入れると、効率よく均一に浸炭され、焼入れ硬さが高く、鉄の残留オーステナイトの発生がなく、熱処理歪が少ない寸法精度の良好なものが得られる。この場合、１段目の加熱の前半は、浸炭性ガス雰囲気として浸炭させ、後半は脱炭しない程度のガス雰囲気にして主に拡散を図ることができる。加熱時間は、結晶粒が粗大化しない範囲とされる。１段目の加熱は、９００〜９５０℃（Ａ₃変態＋約１００℃）、２段目の加熱は、８３０〜８７０℃（Ａ₃変態＋約５０℃）程度である。
焼戻しは、鉄鋼材料に施す焼戻しと同様に、温度を１８０℃前後とし、大気中で行うことができる。

以下、実施例を参照してこの発明をさらに詳細に説明する。実施例および比較例の焼結スプロケットは、歯数４４、歯先径８９ｍｍおよび内径２０ｍｍであり、平均厚さが８．５ｍｍで歯部近傍と内径近傍とに段差がある形状としたものである。また、焼結合金の物性値は、焼結スプロケットと同じ方法で製作された試験片により測定されたものである。
以下、合金組成は質量％であるが、簡略化のため、％で表す。

＜実施例１の試料＞
実施例１のスプロケットは、その製作に際し、まずＭｏを１．５％含有するＦｅ−Ｍｏ合金鉄粉に０．８％の黒鉛粉と潤滑剤とを含む混合粉を温度１３０℃に加熱し、１５０℃に加熱した金型を用いて圧縮成形した後、温度１１４０℃で焼結した。次いで、焼結されたスプロケット素材の歯部を転造した。そして、転造されたスプロケット素材に熱処理を施した。浸炭焼入れは、最初に９３０℃に加熱保持し、次いで温度を下げて８５０℃に保持した後、油中で急冷した。焼入れ品は１８０℃で６０分間焼戻しした。

＜実施例２の試料＞
実施例２のスプロケットも、実施例１のスプロケットと同様の手順で製作した。実施例２のスプロケットが実施例１のスプロケットと異なる点は、ＦｅおよびＭｏの合金粉末の周りにＮｉの金属粒子が拡散接合している合金鉄粉に０．８％の黒鉛粉および潤滑剤を含むものを使用混合粉末とした点である。上記合金鉄粉の組成はＮｉが２％、Ｍｏが１．５％とした。

＜実施例３の試料＞
実施例３のスプロケットも、実施例１のスプロケットと同様の手順で製作した。混合粉末は、鉄粉粒子の周りにＮｉ，Ｍｏ，Ｃｕの金属粒子が拡散接合している鉄粉に０．８％の黒鉛粉と潤滑剤を含むものである。上記合金鉄粉の組成はＮｉが２％、Ｍｏが０．５％、Ｃｕが２％である。

＜実施例４の試料＞
実施例４のスプロケットは、実施例２のスプロケットと同様の手順で製作したものである。実施例４のスプロケットが実施例２のスプロケットと異なる点は、焼結温度を１１９０℃とした点である。

比較例１〜３は、それぞれ特開２００１−２９５９１５号公報（上記特許文献１）に記載の実施例１、実施例４、実施例３に相当するものである。なお、硬さはＨＲＡに換算した。
＜比較例１の試料＞
上記した公開公報中の実施例１に相当するものであり、鉄粉粒子の周りにＮｉ，Ｍｏ，Ｃｕの金属粒子が拡散接合している鉄粉に１％の黒鉛粉と潤滑剤を含む混合粉を用いた。上記合金鉄粉の組成は、Ｎｉを４％、Ｍｏを０．５％、Ｃｕを２％とした。各実施例と同様に温間粉末成形し、温度１１９５℃で焼結して焼結体を得た。

＜比較例２の試料＞
上記した公開公報中の実施例４に相当するものである。比較例１と同様の方法によって得た圧粉体を１２００℃で焼結して製作した焼結体素材の歯部に高周波焼入れ焼戻しを施したものである。

＜比較例３の試料＞
上記した公開公報中の実施例３に相当するものである。Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末の周りにＮｉ粉末粒子が拡散接合し、Ｍｏが１．５％、Ｎｉが２％の鉄合金粉末に、１％の黒鉛粉と潤滑剤を含む混合粉を用い、温間成形した成形体を温度１２６０℃で焼結した後、通常の浸炭焼入れ、焼戻しを施したものである。

＜実施例試料の断面顕微鏡組織＞
各実施例のスプロケットの歯部の断面顕微鏡組織は、各焼結体の結合炭素量が０．６％程度のパーライト組織であり、転造された表層部の気孔量は１〜３面積％程度であった。また、焼入れされたスプロケットの歯部近傍は、マルテンサイト組織であった。

＜評価方法＞
各焼結スプロケットを市販の自動車用ガソリンエンジンに搭載し、下記の（１）〜（５）の条件の下で実際に運転した場合のスプロケットの歯部の摩耗量を形状測定機を用いて測定した。
（１）試験時のサイレントチェーン張力（片張り）：１５００Ｎ
（２）エンジン回転数：６０００ｒｐｍ
（３）試験時間：１００時間
（４）試験用オイル：５Ｗ−３０ＳＧ
（５）試験温度：１１０℃

＜評価結果＞
表１に、焼結合金中のＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏ含有量、焼結温度、転造の有無、焼入れ方法、スプロケットと同じ方法で製作された試験片の物性、およびスプロケットの摩耗量を示す。スプロケットの摩耗量は、比較例１の摩耗量を１００としたときの指数で示す。

表１から明らかなように、各実施例は各比較例に比して密度が低く、焼結体の引張り強さがやや低いことが判る。しかしながら、各実施例は、歯部が転造によって緻密化され、しかも浸炭焼入れされているので、摩耗量については、焼結温度が各比較例と同等の高温である実施例４で最も小さく優れた結果を示している。また、焼結温度が１１４０℃のもの（実施例１〜３）の摩耗量については、実施例１では比較例２，３の熱処理品よりは多いものの比較例１よりは少なく、実施例２および実施例３については概ね優れた結果を示している。
これらの結果から明らかなように、温間成形の特長を生かして密度を高くすれば、当然に摩耗量をより減少させることができる。

本発明の焼結スプロケットは、例えば、自動車エンジンのカムシャフトタイミングチェーン用スプロケット等に適用することができる。

Claims (7)

1. 下記（１）〜（３）のいずれかの焼結合金からなり、歯部の表層部が転造によって相対密度を９５％以上に緻密化され、表面硬さが７００ＨＶ以上であることを特徴とする内燃機関のクランク軸、カム軸、バランサー軸、またはウォーターポンプ軸のいずれかに用いられるサイレントチェーン用焼結スプロケット。
   （１）Ｍｏ：１．０〜２．０質量％を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系焼結合金
   （２）Ｍｏ：１．０質量％を超え２．０質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％を超え２．５％以下を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃ系焼結合金
   （３）Ｍｏ：０．３〜１．０質量％、Ｎｉ：１．５質量％以上３．０質量％未満、Ｃｕ：１．０〜２．５質量％を含有しているＦｅ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系焼結合金
2. 粉末の組成が質量比で下記の（１）〜（３）のいずれかの合金鉄粉を用い、前記合金鉄粉と黒鉛粉末との混合粉末を成形および焼結した素材を転造して表面を緻密化した後、浸炭焼入れおよび焼戻しを行い、表面硬さを７００ＨＶ以上とす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の製造方法。
   （１）Ｍｏ：１．０〜２．０％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
   （２）１．０％＜Ｍｏ≦２％、１．０％＜Ｎｉ≦２．５％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
   （３）Ｍｏ：０．３〜１．０％、１．５％≦Ｎｉ＜３．０％、Ｃｕ：１．０〜２．５％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
3. 混合粉末の圧粉成形が温間成形であることを特徴とする請求項２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。
4. 浸炭焼入れ処理が、焼結合金のオーステナイト化温度領域において、２段階の異なる温度で保持した後、急冷する態様であることを特徴とする請求項２または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. 転造によって歯部表面の相対密度を９５％以上とすることを特徴とする請求項２〜４のいずれか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。
6. 転造されるスプロケット素材の歯部が、転造による余肉のはみ出しをあらかじめ考慮して面取りされていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか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。
7. 転造を行っている最中に、転造によりワークの歯部端面に突出する余肉を、転造機に付設した除去工具を用いて除去することを特徴とする請求項２〜６のいずれか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。