JP2011157612A - 焼結部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の部位に耐摩耗性と切削加工性とを付与することができるとともに、２つの部位の境界での接合強度を向上させることができる焼結部材の製造方法を提供する。
【解決手段】焼入れしても硬化しない材料からなる第１の粉末から仮成形圧粉体Ｃ１を仮成形し、仮成形圧粉体Ｃ１を金型にセットする。金型に、焼入れにより硬化する材料からなる第２の粉末Ｐ２を仮成形圧粉体Ｃ１と接触するように充填し、第２の粉末Ｐ２と仮成形圧粉体Ｃ２とを本成形する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばギアやスプロケットや軸継手のハブ、クラッチブレーキのステータなどの焼結部品に係り、特に、耐摩耗性と切削加工性を両立させる技術に関する。また、ギアには外周に歯を有するエクスターナルギアのみならず内周に歯を有するインターナルギアも含む。

ギアやスプロケットや軸継手のハブ、クラッチブレーキのステータなどのように複雑な形状の機械構造用部品は、金属材料から切削加工で削り出すよりも、製造コストが低廉で短時間で大量生産可能な粉末冶金法によって製造されることが多い。ギアやスプロケットのような焼結部材の場合には、歯部の耐摩耗性を高める必要や、軸継手のハブ、クラッチブレーキのステータの取り付け部には強度や剛性が必要であることから、粉末の圧粉成形後、焼結の後に急冷して焼入れを行うことが一般的である。

ところで、ギアやスプロケットにはシャフトに取り付けるためのボスが設けられ、ボスにはシャフトと係合するネジを螺合させるためのネジ孔が形成される。この場合、ネジ孔は、圧粉成形の際に下孔を形成しておき、焼入れ後にネジ切り加工を行って形成せざるを得ない。しかしながら、焼入れされた焼結部材にネジ切り加工を行うのは容易ではなく、加工に長時間を要するとともに工具が早期に摩耗するという問題がある。また、軸継手のハブもボスを有し、ボスの内径は、シャフトとの精密な嵌合のため切削加工で仕上げる必要がある。したがって、この場合も焼入れ後に切削加工をせざるを得ず、上記と同じ問題がある。クラッチブレーキのステータは、磁気特性を高めるために炭素含有量の少ない材料で製造する。しかしながら、ステータを炭素含有量の少ない材料で製造すると全体が軟らかくなり、その取り付け部に必要な強度が得られないという問題がある。

特許文献１には、焼結部材の一部を焼入れ性の良い高合金鋼粉末で仮成形するとともに、焼結部材の残部を普通の低合金鋼粉末で仮成形し、２つの圧粉体を組み合わせて本来の成形圧力で成形し焼結する技術が開示されている。このような技術では、高合金鋼からなる部分に高周波焼入れを施すことで耐摩耗性及び強度並びに剛性を高め、低合金鋼からなる部分に機械加工性を付与することができるという利点がある。

特開２００１−２７９３０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、高合金鋼からなる部分と低合金鋼からなる部分との接合強度が不充分であるという問題があった。

よって本発明は、所望の部位に耐摩耗性及び強度並びに剛性と、切削加工性とを付与することができるとともに、２つの部位の境界での接合強度を向上させることができる焼結部材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の焼結部材の製造方法は上記課題を解決するもので、以下の工程を具備することを特徴としている。
（１）第１の粉末と前記第１の粉末よりも焼入れ性に優れた第２の粉末を用意する工程
（２）前記第１、第２の粉末のいずれか一方を金型により仮成形して仮成形圧粉体を成形する仮成形工程
（３）金型に、前記仮成形圧粉体を収容した状態で該仮成形圧粉体と接触するように前記第１、第２の粉末のいずれか他方を充填し、該粉末と前記仮成形圧粉体を同時に本成形して本成形圧粉体を成形する本成形工程
（４）前記本成形圧粉体を焼結して焼結体とする焼結工程
（５）前記焼結体を熱処理する熱処理工程

上記製造方法にあっては、第１の粉末で成形された部位は切削加工性に優れ、第２の粉末で成形された部位は耐摩耗性及び強度並びに剛性に優れる。また、本成形工程では、仮成形圧粉体と第１または第２の粉末とを接触させた状態で同時に本成形するので、仮成形圧粉体の表面に第１または第２の粉末が入り込んで界面で両者が混ざり合う。このため、焼結工程では、仮成形圧粉体を構成する粉末と第１または第２の粉末との接触面積が大きく、粉末どうしの間でのネック成長の頻度が通常の圧粉体の焼結の場合に近くなる。これにより、第１の粉末で構成される部位と第２の粉末で構成される部位の接合強度が高められる。

ここで、第１の粉末と第２の粉末は次のように定義する。すなわち、圧粉体を焼結した後に熱処理をした際に、より硬くなる部位を構成する粉末が第２の粉末で、他の部位を構成する粉末が第１の粉末である。たとえば、第２の粉末としては、焼入れによってマルテンサイトやベイナイトを生成する鉄系材料が挙げられ、焼戻しによってソルバイトを生成する鉄系材料も含まれる。第１の粉末としては、炭素含有量が０．５重量％未満の低炭素鋼が挙げられるが、熱処理によって第２の粉末で構成される部位よりも硬さが低くなるのであれば、材質は問わない。ただし、切削加工性を向上させるためには、熱処理後の組織がパーライトと同等以下の硬さとなる材料が望ましい。すなわち、焼入れによってマルテンサイトやベイナイトを生成しないか、生成しても焼戻しによりパーライトまたはパーライトよりも硬さの低い組織となる材料が望ましい。なお、圧粉体を成形する際に、第２の粉末の部分の密度を第１の粉末の部分の密度よりも高くすることもできる。

熱処理では、焼結後に焼結体をそのまま急冷する焼結焼入れを行ってもよく、焼結後に冷却した後、熱処理温度まで加熱して焼入れしてもよい。焼入れ方法としては、油焼入れ、水焼入れ、空気焼入れ、あるいは材料を２５０〜３５０℃の熱浴で保持するベイナイト処理のいずれも採用することができる。また、焼入れのみを行って焼戻しを行わない場合も本発明にいう熱処理である。

本発明によれば、焼結部材の所望の部位に耐摩耗性及び強度並びに剛性と、切削加工性とを付与することができるとともに、２つの部位の境界での接合強度を向上させることができる等の効果が得られる。

本発明の第１実施形態を説明するための金型の断面図であって、仮成形工程を（Ａ）〜（Ｄ）の順に示す図である。 本発明の第１実施形態を説明するための金型の断面図であって、本成形工程の前半を（Ａ）〜（Ｄ）の順に示す図である。 本発明の第１実施形態を説明するための金型の断面図であって、本成形工程の後半を（Ａ）〜（Ｃ）の順に示す図である。 本発明の第２実施形態を説明するための金型の断面図であって、仮成形工程を（Ａ）〜（Ｄ）の順に示す図である。 本発明の第２実施形態を説明するための金型の断面図であって、本成形工程を（Ａ）〜（Ｅ）の順に示す図である。

１．第１実施形態
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
（１）粉末
第１の粉末としては、鉄粉と黒鉛粉に必要に応じて合金成分の粉末を混合したものを用いることができる。あるいは、合金成分を含有する合金鉄粉と黒鉛粉とを混合したものを用いることができる。第１の粉末の全体組成は、焼入れによってマルテンサイトやベイナイトが生成しないように調整する。

第２の粉末も同様に、鉄粉と黒鉛粉に必要に応じて合金成分の粉末を混合したものを用いることができる。あるいは、合金成分を含有する合金鉄粉と黒鉛粉とを混合したものを用いることができる。第２の粉末の全体組成は、焼入れによってマルテンサイトやベイナイトが生成するように調整する。

（２）仮成形工程
図１は仮成形工程を説明するための金型の断面図である。図において符号１０はダイである。ダイ１０は筒状をなし、プレスのベッドに設けられた図示しない駆動機構により上下方向へ移動可能とされている。ダイ１０の内周には、筒状をなす下アウターパンチ２０が上下方向へ移動可能に嵌合させられ、下アウターパンチ２０の内周には、筒状をなす下インナーパンチ２１が上下方向へ移動可能に嵌合させられている。また、下インナーパンチ２１の内周には、コア２２が上下方向へ移動可能に嵌合させられている。

図１において符号２３は上インナーパンチである。上インナーパンチ２３は、下インナーパンチ２１と同じ断面形状を有し、プレスのラムに取り付けられて上下方向へ移動可能とされている。

次に、上記構成の金型を用いて仮成形工程を行う手順を説明する。図１（Ａ）は、ダイ１０、下アウターパンチ２０、下インナーパンチ２１、およびコア２２の上端面が面一に配置されている状態を示す。この状態から下インナーパンチ２１を下降させ、下アウターパンチ２０の内周面、下インナーパンチ２１の上端面、およびコア２２の外周面により形成される空間に、第１の粉末Ｐ１を充填する（図１（Ｂ））。

次いで、上インナーパンチ２３を下降させて粉末Ｐ１を圧縮し、仮成形圧粉体Ｃ１を成形する。次に、下インナーパンチ２１を下アウターパンチ２０等と面一になるまで上昇させるとともに上インナーパンチ２３も上昇させ、金型から仮成形圧粉体Ｃ１を取り出す。

（３）本成形工程
次に、図２および図３を参照して本成形工程について説明する。図２および図３に示す金型は、図１に示すものと殆ど同形同大であるので、同一の構成要素には同符号を付してその説明を省略する。図２において符号２４は上アウターパンチである。上アウターパンチ２４は、上インナーパンチ２３の外周に上下方向に移動可能に嵌合させられ、ダイ１０の内周に嵌合可能とされている。

次に、上記構成の金型を用いて本成形工程を行う手順を説明する。図２（Ａ）に示すように、下インナーパンチ２１を下降させてダイ１０よりも下方に位置させ、下アウターパンチ２０をさらに下方に位置させる。次いで、コア２２に仮成形圧粉体Ｃ１を嵌合させ（図２（Ｂ））、下アウターパンチ２０の上部の空間に第２の粉末Ｐ２を充填する（図２（Ｃ））。

次に、図２（Ｄ）に示すように、上インナーパンチ２３および上アウターパンチ２４を同時に下降させ、同時に下インナーパンチ２１を上インナーパンチ２３に同期して下降させる。これにより、仮圧粉成形体Ｃ１を加圧中立位置に移動させる。次いで、図３（Ａ）に示すように、上アウターパンチ２４と下アウターパンチ２０を、それぞれ上インナーパンチ２３と下インナーパンチ２１と面一となるまで移動させ第２の粉末Ｐ２を圧縮する。これにより、第２の粉末Ｐ２は、仮成形圧粉体Ｃ１と同程度に圧縮された状態となる。そして、上インナーパンチ２３および上アウターパンチ２４を下降させて第２の粉末Ｐ２および仮成形圧粉体Ｃ１を圧縮し、本成形圧粉体Ｃ２を成形する（図３（Ｂ））。次に、下インナーパンチ２１および下アウターパンチ２０をダイ１０と面一になるまで上昇させるとともに上インナーパンチ２３および上アウターパンチ２４も上昇させ、金型から本成形圧粉体Ｃ２を取り出す。

（４）焼結工程
本成形圧粉体Ｃ２を焼結炉に装入し、たとえば１１００〜１１５０℃の温度まで昇温させて１５〜５０分間保持する。これにより、本成形圧粉体Ｃ２の粉末どうしが拡散接合し、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２も拡散接合する。

（５）熱処理工程
焼結が終了した本成形圧粉体Ｃ２に冷却ゾーンで風を当てて急冷する。これにより、本成形圧粉体Ｃ２の第２の粉末Ｐ２の部位が焼入れされ、マルテンサイトとなる。一方、本成形圧粉体Ｃ２の第１の粉末Ｐ１の部位には焼きが入らず、例えばパーライトのままである。

上記実施形態のような焼結部材の製造方法では、本成形工程で第２の粉末Ｐ２を圧縮する際に、仮成形圧粉体Ｃ１の表面に第２の粉末がＰ２入り込んで界面で両者が混ざり合う。このため、焼結工程では、仮成形圧粉体を構成する第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２との接触面積が大きく、粉末どうしの間でのネック成長の頻度が通常の圧粉体の焼結の場合に近くなる。これにより、第１の粉末Ｐ１で構成される部位と第２の粉末Ｐ２で構成される部位の接合強度が高められる。また、第１の粉末Ｐ１で構成される部位は焼きが入らないので切削加工性に優れ、第２の粉末Ｐ２で構成される部位はマルテンサイトであるため耐摩耗性に優れる。したがって、上記実施形態の製造方法によりギアやスプロケットなどを製造すれば、歯部に高い耐摩耗性を付与するとともにボスのネジ切り加工などを容易に行うことができ、しかも、高い応力が作用しても歯部側とボス側との間で破壊が生じるようなことがない。なお、インターナルギアを製造する場合には、内周部に歯がついていることから、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２との充填箇所を逆にすることにより、内周部の歯部に耐摩耗性を付与し、外周部ではネジ切り等の機械加工を容易に行うことができる。また、軸継手のハブを製造する場合であっても、耐摩耗性及び強度並びに剛性を付与するとともにボスの内径加工を容易に行うことができる。また、クラッチブレーキのステータにおいては、磁性特性を必要とする部分は炭素含有量の少ない材料で構成し、強度が求められる取り付け部は炭素含有量の多い材料で構成して熱処理による高強度化を図ることができる。

２．第２実施形態
上記第１実施形態では、仮成形工程と本成形工程とで必要に応じて別々の金型を用いる。その理由は、仮成形圧粉体Ｃ１を金型から取り出すと、仮成形圧粉体Ｃ１の内径がスプリングバックにより変形し、仮成形圧粉体Ｃ１をコア２２に嵌合させることができなくなることがあるからである。これに対して第２実施形態では、１つの金型で仮成形工程と本成形工程とを行う。以下、図４および図５を参照して本発明の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態では、上インナーパンチ２３と上アウターパンチ２４とを一体化した上パンチ２５を用いている点のみが上記第１実施形態と異なっている。

図４（Ａ）は、ダイ１０、下アウターパンチ２０、下インナーパンチ２１、およびコア２２の上端面が面一に配置されている状態を示す。この状態から下インナーパンチ２１を下降させ、下アウターパンチ２０の内周面、下インナーパンチ２１の上端面、およびコア２２の外周面により形成される空間に、第１の粉末Ｐ１を充填する（図４（Ｂ））。

次いで、上パンチ２５を下降させて第１の粉末Ｐ１を圧縮し、仮成形圧粉体Ｃ１を成形する（図４（Ｃ））。この場合、下アウターパンチ２０の上端面に上パンチ２５が接触したら、両者を同期させて下降させる。次に、下インナーパンチ２１および下アウターパンチ２０を上昇させるとともに上パンチ２５も上昇させ、仮成形圧粉体Ｃ１および下アウターパンチ２０をダイ１０と面一となるように位置させる（図４（Ｄ））。

図５（Ａ）に示すように、下アウターパンチ２０を下方に位置させ、下アウターパンチ２０の上部の空間に第２の粉末Ｐ２を充填する（図５（Ａ））。次に、図５（Ｂ）に示すように、上パンチ２５を下降させ、同時に下インナーパンチ２１を上パンチ２５に同期して下降させる。これにより、第２の粉末Ｐ２が圧縮される。次いで、下アウターパンチ２０を下インナーパンチ２１と面一となるまで上昇させ、第２の粉末Ｐ２をさらに圧縮する（図５（Ｃ））。これにより、第２の粉末Ｐ２は、仮成形圧粉体Ｃ１と同程度に圧縮された状態となる。そして、上パンチ２５を下降させて第２の粉末Ｐ２および仮成形圧粉体Ｃ１を圧縮し、本成形圧粉体Ｃ２を成形する（図５（Ｄ））。次に、下インナーパンチ２１および下アウターパンチ２０をダイ１０と面一になるまで上昇させるとともに上パンチ２５も上昇させ、金型から本成形圧粉体Ｃ２を取り出す。

上記第２実施形態においても第１実施形態と同等の作用効果を奏する。特に、第２実施形態では、１つの金型で仮成形工程と本成形工程とを行うので、工程と設備が簡素化されるとともに製造時間が短縮されるという利点がある。

なお、第１実施形態および第２実施形態では、内側の第１の粉末Ｐ１を金型に充填した後仮成形し、次いで、外側の第２の粉末Ｐ２を金型に充填して第１の粉末Ｐ１とともに本成形しているが、第１、第２の粉末Ｐ１，Ｐ２を成形する順番を逆にすることもできる。

たとえば、図４および図５に示す金型で説明すると、図４（Ａ）に示す状態から下アウターパンチ２０を下降させ、下アウターパンチ２０の上端面、下インナーパンチ２１の外周面、およびダイ１０の内周面により形成される空間に、第２の粉末Ｐ２を充填する。

次いで、上パンチ２５を下降させて第２の粉末Ｐ２を圧縮し、仮成形圧粉体を成形する。この場合、下インナーパンチ２１の上端面に上パンチ２５が接触したら、両者を同期させて下降させる。次に、下インナーパンチ２１および下アウターパンチ２０を上昇させるとともに上パンチ２５も上昇させ、仮成形圧粉体Ｃ２および下アウターパンチ２０をダイ１０と面一となるように位置させる。

次に、図５（Ａ）に示す状態とは逆に、下インナーパンチ２１を下方に位置させ、下インナーパンチ２１の上部の空間に第１の粉末Ｐ１を充填する。次に、上パンチ２５を下降させ、同時に下アウターパンチ２０を上パンチ２５に同期して下降させる。これにより、第１の粉末Ｐ１が圧縮される。次いで、下インナーパンチ２１を下アウターパンチ２０と面一となるまで上昇させ、第１の粉末Ｐ１をさらに圧縮する。これにより、第１の粉末Ｐ１は、仮成形圧粉体Ｃ２と同程度に圧縮された状態となる。そして、上パンチ２５を下降させて第１の粉末Ｐ１および仮成形圧粉体を圧縮し、本成形圧粉体Ｃ２を成形する。次に、下インナーパンチ２１および下アウターパンチ２０をダイ１０と面一になるまで上昇させるとともに上パンチ２５も上昇させ、金型から本成形圧粉体Ｃ２を取り出す。

以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
第１の粉末（Ｐ１）として、Ｃ：０．３ｗｔ％、残部：Ｆｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｕ系粉末を準備した。また、第２の粉末（Ｐ２）として、Ｃ：０．８５ｗｔ％、残部：Ｆｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｕ−Ｍｎ系合金（Ｃｕ：２ｗｔ％、Ｍｏ：０．９ｗｔ％）粉末を準備した。

図１〜図３に示す金型を用い、第１の粉末（Ｐ１）の部分については成形圧力が１５０ＭＰａで密度が５．０ｇ／ｃｍ^３であり、第２の粉末（Ｐ２）の部分については成形圧力が８４０ＭＰａで密度が７．１ｇ／ｃｍ^３となる条件で成形を行ってリング状の圧粉体を得た。

得られた圧粉体を焼結炉に収容し、１１２５℃で３０分間保持する焼結を行い、冷却ゾーンで２℃／秒の冷却速度で急冷した。冷却した焼結体の硬さを測定したところ、第１の粉末（Ｐ１）の部分では１５０〜２５０Ｈｖであり、第２の粉末（Ｐ２）の部分では３００〜７００Ｈｖであった。したがって、本発明をギアやスプロケットなどのような部品の製造に適用すると、歯部では硬く耐摩耗性に優れ、ボスでは軟質で切削加工性に優れるという利点がある。さらに、第１の粉末（Ｐ１）の部分と第２の粉末（Ｐ２）の部分との境界部を顕微鏡観察したところ、粉末粒子どうしに通常のネック成長が見られたことから、両者の接合強度は充分と推察された。

１０ ダイ
２０ 下アウターパンチ
２１ 下インナーパンチ
２２ コア
２３ 上インナーパンチ
２４ 上アウターパンチ
２５ 上パンチ
Ｃ１ 仮成形圧粉体
Ｃ２ 本成形圧粉体
Ｐ１ 第１の粉末
Ｐ２ 第２の粉末

Claims (1)

1. 以下の工程を具備することを特徴とする焼結部材の製造方法。
   （１）第１の粉末と前記第１の粉末よりも焼入れ性に優れた第２の粉末を用意する工程
   （２）前記第１、第２の粉末のいずれか一方を金型により仮成形して仮成形圧粉体を成形する仮成形工程
   （３）金型に、前記仮成形圧粉体を収容した状態で該仮成形圧粉体と接触するように前記第１、第２の粉末のいずれか他方を充填し、該粉末と前記仮成形圧粉体を同時に本成形して本成形圧粉体を成形する本成形工程
   （４）前記本成形圧粉体を焼結して焼結体とする焼結工程
   （５）前記焼結体を熱処理する熱処理工程

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