JP2008024973A - 圧粉体の焼結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一端面に凹部が形成された圧粉体を、潤滑剤の減量、脱脂温度の上昇、脱脂時間の延長などの手法を用いずに凹部を上にしてしみを発生させずに焼結できるようにし、それによって、手直しの手間や手直し不可時の製造ロスを減少させることを課題としている。
【解決手段】潤滑剤添加原料粉末で作られた圧粉体１Ａの焼結を、その圧粉体の一端面に設けられた凹部１ｄを上にして、かつ、凹部形成部２の他端面を支持手段３の支持面３ａから浮かせた状態にして行い、こうすることで、しみの原因となる液状化した潤滑剤のたれ落ちをよくして圧粉体の表面に潤滑剤の燃えかすが残らないようにした。
【選択図】図1

Description

この発明は、一端面に凹部を有する圧粉体を、凹部の表面にしみ（汚れ）を発生させずに焼結する圧粉体の焼結方法に関する。

粉末冶金法による機械部品は、粉末の秤量・混合、加圧成形の各工程を経て圧粉体を作り、その圧粉体を焼結して製造される。秤量・混合された原料粉末には、金型による成形を円滑にするために、ステアリン酸やパラフィンワックスなどの潤滑剤が添加されている。

その潤滑剤は、通常は、焼結炉内での脱脂、燃焼によって除去されるが、一端面に凹部が形成された圧粉体、中でも、高密度或いは凹部形成部の厚みが厚い圧粉体を凹部が上になる姿勢にして焼結すると、しみとして残ることがある。

粉末冶金法で製造される焼結部品の一例を図５に示す。例示の焼結部品１は、外周に歯１ｂを設けた本体部１ａの一端面に歯付きボス部１ｃを取り巻く凹部１ｄを有している動力伝達用の焼結スプロケットである。この種の部品を、図６に示すように、他端面が下、凹部１ｄが上になる姿勢で支持して焼結すると、脱脂、燃焼による除去が不十分になって凹部１ｄのコーナ部（主に内径側コーナ部）にしみｓができることがある。

しみの成分はカーボンであり、潤滑剤の燃え残りである。しみができる理由は、脱脂工程や焼結工程で原料粉末に混合した潤滑剤が液状化して表面に滲み出し、凹部１ｄを上にして焼結すると凹部の外径側に堰ができた状態となるために液状化して表面に滲み出した潤滑剤が凹部内に溜まりやすくなるからであろうと考えられる。このしみは、軽量部品、肉薄部品、凹部なし部品、密度が６．４ｇ／ｃｍ^３未満の低密度部品を焼結する場合や、浸炭雰囲気にならない焼結炉を使用する場合には殆ど発生しない。言い換えれば、重量部品(特に質量が５００ｇ以上あるもの)、肉厚部品、一端面に凹部が有る部品、高密度部品を焼結する場合や焼結雰囲気が浸炭雰囲気となる場合に発生し易い。

そのしみを防止するために、以下に列挙するような方法が採られている。
（イ）凹部を下向きにして焼結を行う。
（ロ）しみになり難い潤滑剤を選択して使用する。
（ハ）潤滑剤の添加量を少なくする。
（ニ）焼結炉の脱脂温度を高める。
（ホ）焼結炉の脱脂時間を長くする。
（へ）焼結炉内での脱脂ガスの燃焼性をよくする。
（ト）焼結を網焼きにして圧粉体から滲み出した潤滑剤を溜まり難くする。

なお、上述したような方法で潤滑剤に起因したしみを防止することを述べた特許文献は見当たらない。例えば、下記特許文献１は、搬送用メディアとこの搬送用メディアに載せて焼結炉に導入する粉末成形部品(この発明で言う圧粉体)との間にスペーサを入れ、そのスペーサで粉末成形部品を支持することを開示しており、スペーサを使用するところが後述するこの発明の方法と共通するが、しみの防止については何も述べるところがない。
特公平７−５９２６号公報

上記の（イ）の方法は、凹部を下向きにしたときに支持安定性が悪くなる圧粉体の場合、バランスの崩れた姿勢で焼結がなされて得られる焼結体の形状精度、寸法精度が悪化するという問題があり、支持安定性を確保できる圧粉体でなければ適用し難い。

また、（ロ）、（へ）、（ト）の各方法は確実性に欠け、しみが発生することがある。
さらに、（ハ）の方法は粉末成形時の金型の焼きつきが増加し、（ニ）の方法は得られる焼結体が肌荒れし、（ホ）の方法は、圧粉体をコンベヤで搬送しながら連続的に焼結する連続焼結炉の場合、脱脂ゾーンの長さを長くする必要が生じてコストを上昇させるという問題がある。

これらの問題を生じさせずに圧粉体を焼結する方法が望まれているが、その要求に応えた方法は提供されていない。

特許文献１は、粉末成形部品をスペーサで支えて部品の一部を宙に浮かせるが、この方法でのスペーサは焼結時の部品の変形を抑えて部品の精度を高めるために用いられるものであって、しみの防止に有効な使い方がなされていない。従って、しみの防止効果は得られない。

焼結体の表面に生じるしみは、製品の外観を悪化させる。そのしみは、ワイヤーブラシで研磨するなどして除去することが可能であり、手直しが許容されるときには手直し加工を行って除去しているが、これは余分な手間を増加させる。また、手直し加工が不可とされる部品もあり、このときにはしみが発生したものは全て廃棄することになり、製造のロスが大きくなる。

この発明は、一端面に凹部が形成された圧粉体を、潤滑剤の減量、脱脂温度の上昇、脱脂時間の延長などの手法を用いずに凹部を上にしてしみを発生させずに焼結できるようにし、それによって、手直しの手間や手直し不可時の製造ロスを減少させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、潤滑剤添加原料粉末で作られた圧粉体を、その圧粉体の一端面に設けられた凹部を上にして、かつ、凹部形成部の他端面を支持手段の支持面から浮かせた状態にして焼結を行う。
ここで言う支持手段は、例えば、連続焼結炉の炉内に引き通されたベルトコンベヤのメッシュベルトであり、この場合、メッシュベルトの搬送面が支持面となる。この支持面から圧粉体の凹部形成部の他端面を浮き上がらせて焼結を行う。

凹部形成部の他端面の前記支持面からの浮き上がり量ｇは、１ｍｍ以上確保するとよい。凹部形成部の下側に１ｍｍ以上の空間があると、重力の影響で圧粉体の表面や内部を伝って他端面側に移動した液体が圧粉体からたれ落ち、圧粉体の表面に残留することがなくなる。

密度が６．４ｇ／ｃｍ^３以上、凹部形成部の厚みｔが２ｍｍ以上、もしくは質量が５００ｇ以上ある圧粉体は特にしみが発生し易く、この発明の方法は、そのような圧粉体を焼結するときに有効である。

なお、圧粉体の凹部形成部を支持手段の支持面から浮き上がらせることは、支持手段と圧粉体との間に耐熱性のあるスペーサを介在し、このスペーサで圧粉体の一部を支える方法で実現することができる。

この発明の方法は、凹部を上にして焼結を行うので、凹部を下にしたときに支持安定性を確保し難い圧粉体であっても精度悪化を招かずに焼結することができる。

また、凹部形成部の他端面を支持手段の支持面から浮き上がらせたことによって凹部内に流入した液状化した潤滑剤が圧粉体の内部を伝って凹部形成部の裏側（他端面側）に流れ易くなり、裏側に透過した液体が自然にたれ落ち、圧粉体に付着した状態で長時間残ることがなくなる。これにより、圧粉体の表面に液状化した潤滑剤の燃えかすが残ることがなくなり(その燃えかすがしみとなる)、潤滑剤の減量、脱脂温度上昇、脱脂時間の延長などの方法を採らなくてもしみのない外観のよい焼結体を得ることが可能になって上記（ロ）〜（ホ）の方法の欠点も解消される。

また、しみができなくなるため、しみ除去の手間が省かれ、手直し不可時の製造ロスの増加も回避される。

以下、この発明の焼結方法の実施の形態を添付図面の図１〜図４に基づいて説明する。図１は、図５に示した焼結部品（焼結スプロケット）用の圧粉体を示している。この図１の圧粉体１Ａは、鉄系合金の粉末に潤滑剤を添加した原料粉末をプレス機にセットした金型で加圧成形して作られている。この圧粉体１Ａは本体部１ａの外周に歯１ｂを有し、さらに、本体部１ａの一端側にボス部１ｃを有する。本体部１ａの一端面にはボス部１ｃを取り巻く環状の凹部１ｄを設けている。

例示の圧粉体１Ａは、ボス部１ｃが凹部１ｄを設置した側にあるので、凹部１ｄを下にした状態で焼結すると支持安定性を欠き、形状精度、寸法精度が悪化する。その不具合を回避するために凹部１ｄを上にして支持する。

図１の３は支持手段であり、連続焼結炉において炉内に引き通されるベルトコンベヤの搬送用メッシュベルトなどで構成される。この支持手段（メッシュベルト）３上に圧粉体１Ａを載せて炉内に導入する。このとき、支持手段３と圧粉体１Ａとの間にセラミックやカーボンなどで形成された耐熱性に優れるスペーサ４を介在し、そのスペーサ４で圧粉体１Ａの一部分を支持することで凹部形成部２の他端面（凹部形成部２に対応した位置の本体部１ａの他端面）を支持手段３の支持面３ａから浮き上がらせる。

これにより、凹部形成部２の下側に炉内雰囲気ガスが流動できる空間が形成されるので、液状化して凹部形成部２の粉末から流出する潤滑剤やボス部１ｃから滲み出して凹部１ｄに流入する潤滑剤が内部の空隙を伝って下側に移動し易くなり、また、凹部形成部２の他端面に滲み出した液体のたれ落ちも起こり易くなる。凹部形成部２の他端面が支持手段の支持面３ａに接触していると付着した液体が表面張力で保持されてしまうが、この不具合が解消され、多量のカーボンを含有した液体が長時間にわたって残留することがなくなる。従って、燃えかすのしみができない。

スペーサ４は圧粉体の焼結に悪影響を与えないものが必要である。圧粉体に形成された凹部１ｄの径方向内端の直径をφＤ２としたとき外径φＤ１が、φＤ１≦φＤ２に設定された図２に示すリング状スペーサを使用すると、凹部形成部２の他端面の全域を浮き上がらせて圧粉体１Ａを支持することができる。スペーサ４の厚みを１ｍｍ以上とすることで凹部形成部２の他端面の支持面３ａからの浮き上がり量ｇを１ｍｍ以上確保することができ、浮き上がり量ｇが１ｍｍ以上あると凹部形成部２の裏側に透過した潤滑剤が確実にたれ落ちる。

また、図３に示すように、中心のつなぎ部４ａの周囲に複数本の細長いアーム４ｂを放射状配置にして設けたスペーサ４を圧粉体１Ａの下に敷き込んでもよい。図３のスペーサは、アーム４ｂを４本にしており、十字形状をなすが、アーム４ｂは少なくとも３本あれば圧粉体の安定した支持が行える。アーム４ｂは４本以上設けてもよい。このタイプのスペーサは、アーム４ｂを細くしてそのアームの上面の面積を小さくすることができ、アーム４ｂのつなぎ部４ａ中心からの長さＬを圧粉体に形成される凹部の１ｄの径方向内端の直径φＤ２の１／２よりも大きくしてもしみ防止に有効な支持が行える。（φＤ／２）≦Ｌにしたスペーサは、凹部１ｄの径方向内端から本体部１ａの外周までの寸法が大きい圧粉体を安定して支持することができる。

図４は、圧粉体の他の例を示している。この圧粉体１Ｂは、本体部１ａの一端面の中央部に凹部１ｄを設けている。また、本体部１ａの外周近くに、一端面から突出する突起１ｅを設けている。この圧粉体１Ｂも、突起１ｅがあるので精度確保の面から凹部１ｄを下にしての焼結は行い難い。そこで、凹部１ｄを上にし、凹部形成部２の他端面をスペーサ４でメッシュベルトなどの支持手段３から浮き上がらせて焼結を行う。

この場合のスペーサ４は、凹部１ｄの直径φＤ３よりも内径の大きいリング状スペーサ４を用いることができる。そのリング状スペーサは、支持手段３が支持面の平坦な台板の場合には、雰囲気ガスの通路や圧粉体からたれ落ちた液体の流出通路となる溝４ｃを設けるとよい。
図３で述べたようなスペーサを用いても凹部形成部２の他端面の大部分を支持手段の支持面から浮き上がらせることができる。

圧粉体の支持は複数個のスペーサを組み合わせて行ってもよい。例えば、図1の圧粉体１Ａを図２のリング状スペーサ４で支持するときに本体部１ａの外周側を独立したスペーサ〈図示せず〉で別途支持すると、圧粉体の外径が大きくても安定した支持が行える。また、図４のような圧粉体の外周を、周方向に飛び飛びに配置した複数個のスペーサで支持すると、スペーサ間の空間が雰囲気ガスの通路や圧粉体からたれ落ちた液体の流出通路となり、支持手段３が台板である場合にも形状の複雑なスペーサを使用せずに済む。

−実施例−
この発明の効果の確認試験として、潤滑剤添加鉄系合金粉末で作られた密度６．８ｇ／ｃｍ^３、質量８５０ｇ、凹部形成部の厚みｔ＝８ｍｍの圧粉体の焼結を行った。ベルトコンベヤのメッシュベルト上に、図２に示す厚み５ｍｍのリング状スペーサを載置し、そのスペーサ上に凹部を上にして圧粉体を載せ、凹部形成部の他端面を図１のように宙に浮かせた状態にして連続焼結炉に導入して焼結した。焼結の条件は、脱脂時間１０分、脱脂温度７００℃、焼結時間２０分、焼結温度１１４０℃とした。
また、比較例として、同一圧粉体を、スペーサなしで凹部を上にしてメッシュベルト上に載せ、前者と同一条件で焼結を行った。

その結果、比較例の方法では、全サンプル３３個中、１５個のサンプルに図５（ａ）に示すしみｓができたが、この発明の方法で焼結したものは、しみができたものは１個もなかった。

この発明の焼結方法の一例を示す断面図 圧粉体の一部を浮き上がらせるスペーサの一例を示す斜視図 圧粉体の一部を浮き上がらせるスペーサの他の例を示す斜視図 この発明の焼結方法の他の例を示す断面図 一端面に凹部が存在する焼結部品の一例を示す斜視図 図５の焼結部品の従来法による焼結状態を示す断面図

符号の説明

１ 焼結部品
１Ａ、１Ｂ 圧粉体
１ａ 本体部
１ｂ 歯
１ｃ ボス部
１ｄ 凹部
１ｅ 突起
２ 凹部形成部
３ 支持手段
３ａ 支持面
４ スペーサ
４ａ つなぎ部
４ｂ アーム
４ｃ 溝
ｇ 浮き上がり量
ｓ しみ

Claims (4)

1. 潤滑剤添加原料粉末で作られた圧粉体（１Ａ、１Ｂ）を、その圧粉体の一端面に設けられた凹部（１ｄ）を上にして、かつ、凹部形成部（２）の他端面を支持手段（３）の支持面（３ａ）から浮かせた状態にして焼結を行う圧粉体の焼結方法。
2. 凹部形成部（２）の他端面の前記支持面（３ａ）からの浮き上がり量（ｇ）を１ｍｍ以上にして圧粉体（１Ａ、１Ｂ）の焼結を行う請求項1に記載の圧粉体の焼結方法。
3. 密度が６．４ｇ／ｃｍ^３以上、凹部形成部の厚み（ｔ）が２ｍｍ以上、もしくは質量が５００ｇ以上ある圧粉体の焼結を行う請求項1又は２に記載の圧粉体の焼結方法。
4. 前記支持手段（３）と圧粉体（１Ａ、１Ｂ)との間に耐熱性のあるスペーサ（４）を介在し、このスペーサで圧粉体の一部を支えて凹部形成部（２）の他端面を支持手段の支持面（３ａ）から浮き上がらせる請求項1〜３のいずれかに記載の圧粉体の焼結方法。

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