JP2010517784A - 金属粉末鍛造物、その製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、（Ａ）焼結金属粉末組成物を含むプリフォームを形成するステップと、（Ｂ）上部型及び下部型を有する一組の型に前記プリフォームを挿入するステップと、（Ｃ）上部パンチ及び下部パンチを用いて、前記プリフォームを鍛造物の形状に圧縮し、それにより、成形部品を得るステップと、を含む金属粉末鍛造物を製造する方法を提供する。ここで、ステップ（Ｃ）では、前記一組の型の内部によって、前記鍛造物の形状が定められ、そして、前記一組の型が、前記上部型が下部型に接触している閉じられた位置にある。

Description

本発明は、米国仮特許出願第60/900,893号（出願日：２００７年２月１２日）に基づく優先権を伴う出願である。この仮出願の記載内容は、参考までに本明細書に含まれる。

本発明は、金属粉末鍛造物（powder metal forging）に関し、特に最小限のバリ（flash）またはバリを有しない／精密バリ金属粉末鍛造物（precision flash powder metal forging）に関する。

等速ジョイント（constant velocity joint; CVJ）の内輪（inner race）のような金属粉末鍛造物を製造するに当たっては、鍛造プレス（forging press）から完全に硬化された部品（through-hardened part）を直接に提供することが好ましい場合がしばしばある。これは、その部品が前記鍛造工具（forging tooling）から放出された（即ち、押し出された）後直接焼入れされる(quench)ことを要求する。このような部品を鍛造する際に、上部型（upper die）は下部型（lower die）に方に下方向に動いて、ビレット（billet）を変形し、それにより、前記部品を形成する。その結果、前記部品の側面（side）上にバリ（flash）が形成される。前記部品の側面では、上部型と下部型とが合わせられるが、それは、ＣＶＪの内輪のための軸受レース（bearing race）の領域に該当する。その部品が直接に焼入れされれば、工具バリ（tool flash）は硬化状態である。その部品からバリを刈る方法であるハードトリミング（hard trimming）が可能ではあるものの、バリが現時点におけるトリム工具（current trim tolling）の硬さを超えていて、操作者にとって危ない状況を招き得ることと、製品の質に悪影響を与え得るということから、実用的ではない。即ち、その部品は、トリミングを行う際に破裂してしまい、工具の境界から外れてしまう可能性がある。また、軸受レースは、精密表面（precision surface）であり、かつ、これらが概してシアリング（shearing）にそれほど適していないほど複雑な構造となっている。

ＣＶＪの内輪を（inner race）を鍛造する方法として、従来の冷間鍛造（cold forging technique）に基づいて、セグメント化された型（６型セグメント）を用いて、ＣＶＪ内輪を形成することが知られている。しかしながら、この方法では、スプライン（spline）をブローチする機械と、比較的長い炭化工程とが必要となる。さらに、前記部品上には、６個の型セグメント（die segment）に相当する６個の垂直の当たり確認線（witness line）が存在する。この方法の更なる欠点として、比較的短い寿命の割には、比較的複雑でかつ高価な工具が必要とされることが挙げられる。

この技術分野において求められているのは、金属粉末鍛造物（powder metal forging）、特に精密表面（precision surface）上に最小限のバリを有するか、または、バリを有しない部品を作製することができ、且つ、その鍛造工具から前記部品を取り出した後直接焼き入れする方法に適合した製造方法及び製造装置であった。

本発明は、閉じられた一組の型を含む製造装置及び製造方法、金属粉末鍛造物、並びに、金属粉末プリフォーム（powder metal preform）に関する。ここで、前記プリフォームは、閉じられた一組の型内で鍛造されて、最小限のバリ又はバリを有しない／精密バリ金属粉末鍛造物を作製する。

本発明は、以下のステップを含む金属粉末鍛造物を製造する方法を提供する：
焼結金属粉末組成物を含むプリフォームを形成するステップ；
上部型及び下部型を有する一組の型に前記プリフォームを注入するステップ（ここで、前記一組の型は、その内部において鍛造物の形状を定め、かつ、前記上部型が下部型に接触している閉じられた位置にある。）；及び、
上部パンチ及び下部パンチを用いて、前記プリフォームを鍛造物の形状に圧縮し、それにより、成形部品を得るステップ。

また、本発明は、金属粉末鍛造物のためのプリフォームを提供する。それは、第１端部、第１端部に対向する第２端部、第１端部と第２端部とをつなぐ外形（outer contour）、及び、第１端部と第２端部とをつなぐ内形（inner contour）を含む。この外形は、複数の長手方向の突起（projection）、複数の長手方向の凹部（depression）を有し、かつ、複数の長手方向の各突起は、複数の長手方向の凹部のうち相当する１つによって、それ以外の別の（前記複数の長手方向の）突起から分離されている。この内形は、長手方向のキー溝と、複数の長手方向のスプラインと、を有している。このプリフォームは、焼結金属粉末組成物（composition of sintered powder metal）を含むが、ここにいう組成物は、第１端部と、第２端部と、外形と、内形とによって定まる形状を有することになる。

また、本発明は、鍛造方法に通じて焼結金属粉末製のプリフォーム（sintered powder metal preform）から作製されたバリのない金属粉末鍛造物を提供する。ここで、金属粉末鍛造物は、第１端部と、第１端部に対向する第２端部と、第１端部と第２端部とをつなぐ外形と、第１端部と第２端部とをつなぐ内形と、を含む。この内形は、複数の長手方向のスプラインを有する。この外形は、複数の曲線をなす（curvilinear）長手方向の突起と、複数の曲線をなす長手方向の凹部と、を有する。複数の曲線をなす（曲線で囲まれた）長手方向の各突起は、複数の曲線で囲まれた長手方向の凹部のうち（相当する）一つによって、それ以外の別の（複数の曲線で囲まれた長手方向の）突起から離れている（分離されている）。前記鍛造方法によれば、この外形にはバリが存在しない。

本発明の利点の一つは、最小限のバリを有するか、又は、バリを有しない／精密バリ金属粉末鍛造物（precision flash powder metal forging）を製造するに用いられるということである。

本発明に係る別の利点は、前記プリフォームが、前記鍛造工程において前記プリフォームに座屈（buckling）が起こらないように形成されることである。特に、前記プリフォームの内径（inside diameter）上に長手方向のスプラインが設けられている。

本発明の更なる利点は、最小限のバリを有するか、または、バリを有しない／精密バリ金属粉末鍛造物を提供することができるということである。

本発明の別の利点は、鍛造工程において、材料の折り重ね（folding）や重なり（overlapping）がなくなることである。

本発明の別の利点は、例えば、鍛造工程が終わった後に、オイル浸漬（oil submersion）によって、直接焼入れすることができることである。

本発明の別の利点は、等速ジョイントの内輪を製造する費用効率の良い方法を提供することができるということである。

本発明の別の利点は、比較的高密度のプリフォームを使用することができるということである。

本発明の別の利点は、材料浪費を最小化し、または、無くすことができる複雑なバリを有しない部品を製造する際に用いられるということである。

本発明の別の利点は、部品が工具と接触している時間を最小化して、製品の寿命（ライフサイクル）を通して工具にかかるコストを抑えることができるということである。

本発明の別の利点は、金属粉末鍛造物を製造する最も費用効率の高い方法を提供することができるということである。

本発明の前述した特徴及びその他の特徴並びに利点は、以下の発明の詳細な説明の項から明らかになるだろう。この発明の詳細な説明には、本発明に係る好ましい具体例を説明するために添付した図面に基づいて、符号が付されている。

図１は、本発明の金属粉末鍛造方法及びその製造装置を示す実施例の部品分解断面図である。 図２は、一組の型内のプリフォームを示す図１の方法及び装置の部分断面図である。ここで、上部パンチがプリフォームに接触している。 図３は、プリフォームが鍛造されることを示す図１の方法及び装置の部品断面図である。 図４は、鍛造工程が終った後、一組の型から離れた（withdrawn）上部ラム（upper ram）及びパンチを示す図１の方法及び装置の部品断面図である。 図５は、図１の方法及び装置の部品断面図である。ここには、下部型から離れる上部型と、下部型から鍛造物を放出する（eject）スナッグピン（snag pin）及び下部パンチと、が示されている。 図６は、本発明に係るプリフォームの具体例の斜視図である。 図７は、本発明に係る鍛造物の具体例の斜視図である。

図面（特に、図１，６、及び７）を参照すると、金属粉末鍛造物１０を形成するための装置及び方法が示されている。この装置には、ラム（ram）またはハンマー（hammer）１２、上部パンチ（upper punch）１４、プリフォーム（preform）１６、上部型（upper die）１８、及び、下部型（lower die）２０を設けることができる。また、一組の型２１、下部パンチ（lower punch）２２、及び、スナッグピン（snag pin）２４が設けられている。

図６を参照すると、プリフォーム１６は、金属粉末組成物を含むが、それは、圧縮され、その後焼結される。この金属粉末組成物は、略０．４０％〜２．００％のニッケルと、略０．５０％〜０．６５％のモリブデンと、略０．１０％〜０．３５％のマンガンと、略０．１２％〜０．８０％の炭素と、バランス鉄（balance iron）と、を含む。プリフォーム１６は、第１端部２６と、第１端部に対向する第２端部２８と、第１端部２６と第２端部２８とをつなぐ外形３０と、を含む。外形３０は、複数の長手方向の突起３２と、複数の長手方向の凹部３４と、を有する。前記長手方向の各突起３２は、相当する長手方向の凹部３４によって、それ以外の別の突起３２とは分離されている。内形（inner contour）３６は、第１端部２６と第２端部２８とをつなぐものであり、かつ、長手方向のキー溝（keyway）３８と、複数の長手方向のスプライン４０と、を有する。キー溝３８は、一組の型２１におけるプリフォーム１６の正しい配向を助ける。一方で、長手方向のスプライン４０は、特に鍛造工程において、プレフォーム１６に強度を与える。それにより、鍛造工程を通して、プリフォームには座屈が起こらない。一般に、材料の密度が高ければ高いほど流動性（flowability）が下がる傾向があるが、プリフォームは比較的高密度であることが好ましい。なぜならば、鍛造された部品により好ましい特性を持たせるためである。長手方向のスプライン４０によって加えられたこのさらなる強度によって、プリフォームが略6.85 g/cm³〜7.4 g/cm³の密度を有するのが有利である。より具体的に、密度の範囲は、略6.85 g/cm³〜7.0 g/cm³である。突起３２と凹部３４は、第１端部２６から第２端部２８まで延設されている。

図２に示したように、プリフォーム１６は、下部型２０と上部型１８とを有する一組の型２１内に挿入される。その一組の型２１が閉じられた位置にあるときに、その内部において鍛造物の形態（形状）４２が定められる。この閉じられた位置において、上部型１８は下部型２０に接触している。一組の型２１は、クランプのようなもの（図示しない）によって閉じられた状態が保持される。また、シリンダ４３によって、上部型１８と下部型２０との密接な接触が保持され得る。それにより、上部型１８と下部型２０との界面領域に存在する部品１０にバリの形成が防止される。プリフォーム１７は、上部パンチ１４と下部パンチ２２とを用いて、鍛造物の形状４２に圧縮され、それにより、鍛造物１０のような成形部品が得られる（図３参照）。図４を参照すると、本発明の方法は、下部型２０から上部型１８を引き上げて、上部型１８と下部型２０との間に間隔を生じさせるステップをさらに含む。その後、下部パンチ２２とスナッグピン２４を用いて、成形部品１０を、下部型２０から間隔４４のほうに取り除く（図５参照）。本発明の方法は、一組の型２１から成形部品１０を放出する放出ステップさらに含んでも良い。また、下部型２０及び上部型１８の一方又は両方は、略400°F〜600°F、特に、略500°Fの加熱用液体（図示しない）によって加熱され得る。

それにより得られたバリを有しない金属粉末鍛造物１０は、本発明に係る鍛造方法では、焼結金属粉末プリフォームから製造されるが、図７に示すように、等速ジョイントの内輪の形態であっても良い。鍛造物１０は、第１端部４６と、第１端部４６に対向する第２端部４８と、第１端部４６と第２端部４８とをつなぐ内形５０と、を有する。内形５０は、複数の長手方向のスプライン５２を有する。外形５４は、第１端部４６と第２端部４８とをつなぐ。外形は、複数の曲線をなす長手方向の突起５６を有するが、これらの各突起は、複数の曲線をなす長手方向の凹部５８のうち１つによってそれぞれ分離されている。外形５４には、鍛造工程を経ても、バリが形成されない。この具体例において、突起５６と凹部５８は、精密表面であるＣＶＪ内輪の軸受レースを構成する。外形５４にバリが形成されない本発明に係る製造方法により、軸受レースにもバリが存在しなく、よって、鍛造工程を経た部品１０を直接焼き入れすることが可能となる。

以上、本発明の好ましい具体例について説明した。この具体例に対する改質及び変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明は、前述した具体例に限られない。本発明の技術的範囲は、専ら後述する特許請求の範囲によって定まる。

１０ 金属粉末鍛造物
１２ ハンマー
１４ 上部パンチ
１６ プリフォーム
１８ 上部型
２０ 下部型
２１ 一組の型
２２ 下部パンチ
２４ スナッグピン
２６ 第１端部
２８ 第２端部
３０ 外形
３２ 突起
３４ 凹部
３６ 内形
３８ キー溝

Claims (20)

1. （Ａ）焼結金属粉末組成物を含むプリフォームを形成するステップと、
   （Ｂ）上部型及び下部型を有する一組の型に前記プリフォームを挿入するステップと、
   （Ｃ）上部パンチ及び下部パンチを用いて、前記プリフォームを金属粉末鍛造物の形状に圧縮し、それにより、成形部品を得るステップと、
   を含む金属粉末鍛造物を製造する方法であって、
   ステップ（Ｂ）では、前記一組の型の内部によって、前記鍛造物の形状が定められ、そして、前記一組の型が、前記上部型が前記下部型に接触している閉じられた位置にあることを特徴とする方法。
2. 前記下部型から前記上部型を引き上げて、前記上部型と前記下部型との間に間隔を生じさせるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記下部パンチを用いて、前記成形部品を前記下部型から前記間隔の方に取り除くステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記下部パンチが、前記成形部品の内部に挿入されるスナッグピンを有していることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記一組の型から前記成形部品を放出する放出ステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記ステップ（Ｃ）が、前記上部型及び前記下部型のうち１以上を加熱する加熱ステップを含み、そして、前記方法が、前記放出ステップの直後に成形部品を焼き入れするステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記プリフォームが、非円筒状のプリフォームであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記非円筒状のプリフォームが、第１端部と、前記第１端部に対向する第２端部と、前記第１端部と前記第２端部とをつなぐ外形と、前記第１端部と前記第２端部とをつなぐ内形と、を含み、
   前記外形には、複数の長手方向の突起と、複数の長手方向の凹部と、が設けられ、
   前記複数の長手方向の各突起が、前記複数の長手方向の凹部のうち１つによって、それ以外の前記複数の長手方向の突起から分離され、そして、
   前記内形には、長手方向のキー溝と、複数の長手方向のスプラインと、が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記加熱ステップにおいて、略400°F〜600°Fの加熱用液体を用いることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記プリフォームが、略6.85 g/cm³〜7.4 g/cm³の密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記プリフォームが、略6.85 g/cm³〜7.0 g/cm³の密度を有していることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記ステップ（Ｃ）が、シリンダを用いて前記一組の型に圧力を加え、それにより、前記上部型と前記下部型との密接な接触状態を保持することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 第１端部と、前記第１端部に対向する第２端部と、前記第１端部と前記第２端部とをつなぐ外形と、前記第１端部と前記第２端部とをつなぐ内形と、焼結金属粉末組成物と、を含む金属粉末鍛造物用のプリフォームであって、
    前記外形には、複数の長手方向の突起と、複数の長手方向の凹部と、が設けられ、
    前記複数の長手方向の各突起が、前記複数の長手方向の凹部のうち１つによって、それ以外の前記複数の長手方向の突起から分離され、
    前記内形には、長手方向のキー溝と、複数の長手方向のスプラインと、が設けられ、そして、
    前記組成物の形状が、前記第１端部、前記第２端部と、前記外形と、前記内形とによって定められる
    ことを特徴とするプリフォーム。
14. 前記組成物が、略０．４０％〜２．００％のニッケルと、略０．５０％〜０．６５％のモリブデンと、略０．１０％〜０．３５％のマンガンと、略０．１２％〜０．８０％の炭素と、鉄と、を含むことを特徴とする請求項１３に記載のプリフォーム。
15. 前記複数の長手方向の突起及び前記複数の長手方向の凹部が、前記第１端部から前記第２端部まで延設されていることを特徴とする請求項１３に記載のプリフォーム。
16. 前記プリフォームが、略6.85 g/cm³〜7.4 g/cm³の密度を有していることを特徴とする請求項１３に記載のプリフォーム。
17. 前記プリフォームが、略6.85 g/cm³〜7.0 g/cm³の密度を有していることを特徴とする請求項１６に記載のプリフォーム。
18. 第１端部と、前記第１端部に対向する第２端部と、前記第１端部と前記第２端部とをつなぐ外形と、前記第１端部と前記第２端部とをつなぐ内形と、を含む鍛造工程に基づいて焼結金属粉末プリフォームから製造されたバリのない金属粉末鍛造物であって、
    前記内形には、複数の長手方向のスプラインが設けられ、
    前記外形には、複数の曲面をなす長手方向の突起と、複数の曲面をなす長手方向の凹部と、が設けられ、
    前記複数の曲面をなす長手方向の各突起が、前記複数の曲面をなす長手方向の凹部のうち１つによって、それ以外の前記複数の曲面をなす長手方向の突起から分離され、そして、
    前記鍛造工程を経た前記外形には、バリが存在しない
    ことを特徴とする金属粉末鍛造物。
19. 前記焼結金属粉末プリフォームが、略０．４０％〜２．００％のニッケルと、略０．５０％〜０．６５％のモリブデンと、略０．１０％〜０．３５％のマンガンと、略０．１２％〜０．８０％の炭素と、鉄と、を含むことを特徴とする請求項１８に記載の粉末金属鍛造物。
20. 前記バリのない金属粉末鍛造物が、等速ジョイントの内輪であることを特徴とする請求項１８に記載の金属粉末鍛造物。

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