JP2011219827A

JP2011219827A - 焼結部品の製造方法および粉末成形用金型

Info

Publication number: JP2011219827A
Application number: JP2010091080A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Onuki; 勝弘大貫; Yutaka Ono; 裕小野; Tomihisa Iizuka; 富久飯塚; Hitomi Ikeda; 瞳池田
Original assignee: Miki Pulley Co Ltd
Current assignee: Miki Pulley Co Ltd
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-11-04

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】金型の粉末充填空間に下中間パンチ２１を設け、下中間パンチ２１で分割された粉末充填空間のそれぞれに焼入れしても硬化しない材料からなる第１の粉末Ｐ１と、焼入れにより硬化する材料からなる第２の粉末Ｐ２とをそれぞれ充填し、下中間パンチ２１を下降させて第１、第２の粉末Ｐ１，Ｐ２どうしを接触させて上パンチで成形する。
【選択図】図１

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を高め、低合金鋼からなる部分に切削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）金型の粉末充填空間に仕切を設け、仕切で分割された粉末充填空間のそれぞれに前記第１の粉末と前記第２の粉末を充填する粉末充填工程
（３）前記仕切を前記粉末充填空間から退避させ、前記第１の粉末と前記第２の粉末とを成形して圧粉体とする成形工程
（４）前記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、仕切を粉末充填空間から退避させたときや成形する際に、第１の粉末と第２の粉末とが互いに混ざり合い、１種類の粉末を成形したのと同じ圧粉体が形成される。したがって、焼結工程では、通常の圧粉体の場合と同じ焼結が進行し、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とが強固に接合される。しかも、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との境界で、構成粉末が徐々に変化する傾斜組織となるため、第１の粉末と第２の粉末が異種材料であっても強固に接合される。

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。

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。

次に、本発明の粉末成形金型は、上記のような焼結部材の製造方法に用いるもので、ダイと、上下方向へ移動可能とされて前記ダイに嵌合する下パンチおよび上パンチとを備え、前記下パンチは、下アウターパンチと、この下アウターパンチの内側に設けられた下インナーパンチと、これら下アウターパンチおよび下インナーパンチの間に設けられた仕切とを備え、前記仕切は、前記下アウターパンチおよび前記下インナーパンチの上方の粉末充填空間を仕切り、粉末充填空間に粉末を充填した後に下方へ退避することを特徴としている。

上記構成の粉末成形用金型においては、仕切で仕切られた粉末充填空間の一方へ第１の粉末を充填し、粉末充填空間の他方へ第２の粉末を充填することにより、成形工程において第１の粉末と第２の粉末とが一体化され、１種類の粉末を成形したのと同等の圧粉体が形成される。したがって、そのような圧粉体を焼結することにより、通常の圧粉体と同等の焼結が進行し、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とが強固に接合される。

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、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、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、成形工程の前半を（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、成形工程の後半を（Ａ）〜（Ｃ）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）成形工程
図１は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、筒状をなす下中間パンチ（仕切）２１が上下方向へ移動可能に嵌合させられている。下中間パンチ２１の内周には、下インナーパンチ２２が上下方向へ移動可能に嵌合させられている。さらに、下インナーパンチ２２の内周には、コア２３が上下方向へ移動可能に嵌合させられている。

図２において符号２４は上パンチである。上パンチ２４は、下アウターパンチ２０、下中間パンチ２１および下インナーパンチ２２を合わせた断面形状を有し、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、下中間パンチ２１、下インナーパンチ２２、およびコア２３の上端面が面一に配置されている状態を示す。この状態から下アウターパンチ２０を下降させ、ダイ１０の内周面、下アウターパンチ２０の上端面、および下中間パンチ２１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（図１（Ｂ））。

次いで、下インナーパンチ２２を下降させ、下中間パンチ２１の内周面、下インナーパンチ２２の上端面、およびコア２３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（Ｃ））。この状態で下中間パンチ２１を下インナーパンチ２２と面一となるまで下降させる。すると、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が支えを失って崩れ、それらの境界部に第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が混じり合った混合層Ｐ３ができる。（図１（Ｄ））。

図２（Ａ，Ｂ）に示すように、上パンチ２４を下降させ、さらに、下アウターパンチ２０、下中間パンチ２１、および下インナーパンチ２２を上昇させて粉末Ｐ１〜Ｐ３を圧縮し、圧粉体Ｃを成形する。次に、下アウターパンチ２０、下中間パンチ２１、および下インナーパンチ２２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２４も上昇させ、金型から圧粉体Ｃを取り出す。

（３）焼結工程
圧粉体Ｃ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、圧粉体Ｃの第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が拡散接合する。

（４）熱処理工程
焼結が終了した圧粉体Ｃに冷却ゾーンで風を当てて急冷する。これにより、圧粉体Ｃ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、圧粉体Ｃ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、下中間パンチ２１を下降させたときや上パンチ２４で成形する際に、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が混ざり合い、１種類の粉末を成形したのと同じ圧粉体が形成される。したがって、焼結工程では、通常の圧粉体の場合と同じ焼結が進行し、第１の粉末Ｐ１で構成される部位と第２の粉末Ｐ２で構成される部位とが強固に接合される。しかも、第１の粉末Ｐ１で構成される部位と第２の粉末Ｐ２で構成される部位との境界で、構成粉末が徐々に変化する傾斜組織となるため、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が異種材料であっても強固に接合される。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切削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
図３および図４を参照して本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、第１実施形態における上パンチ２４に代えて上インナーパンチ２５と上アウターパンチ２６とを用いる点が異なっている（図４参照）。上インナーパンチ２５は、下中間パンチ２１と下インナーパンチ２２とを合わせた断面形状をし、上アウターパンチ２６は、下アウターパンチ２０と同じ断面形状をしている。

図３（Ａ）は、ダイ１０、下アウターパンチ２０、下中間パンチ２１，下インナーパンチ２２、およびコア２３の上端面が面一に配置されている状態を示す。この状態から下アウターパンチ２０を下降させ、ダイ１０の内周面、下アウターパンチ２０の上端面、および下中間パンチの外周面により形成される空間に、第２の粉末Ｐ２を充填する（図３（Ｂ））。

次いで、下インナーパンチ２２を下降させ、下中間パンチ２１の内周面、下インナーパンチ２２の上端面、およびコア２３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３（Ｃ））。この状態で下中間パンチ２１を下インナーパンチ２２と面一となるまで下降させる。すると、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が支えを失って崩れ、それらの境界部に第１の粉末Ｐ１と第２の粉末Ｐ２が混じり合った混合層Ｐ３ができる。（図３（Ｄ））。

図４（Ａ，Ｂ）に示すように、上インナーパンチ２５と上アウターパンチ２６を下降させ、さらに、下アウターパンチ２０、下中間パンチ２１、および下インナーパンチ２２を上昇させて粉末Ｐ１〜Ｐ３を圧縮し、圧粉体Ｃを成形する。次に、下アウターパンチ２０、下中間パンチ２１、および下インナーパンチ２２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２５と上アウターパンチ２６も上昇させ、金型から圧粉体Ｃ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、上インナーパンチ２５と上アウターパンチ２６を用いているので、第１の粉末Ｐ１と第２の粉末とで密度を異ならせることができるという利点がある。

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３および図４に示す金型を用い、下中間パンチ２１の外側のキャビティに第２の粉末（Ｐ２）を充填し、下中間パンチ２１の内側のキャビティに第１の粉末（Ｐ１）を充填した。そして、下中間パンチ２１を下降させて上インナーパンチ２５と上アウターパンチ２６を下降させ、第１、第２の粉末（Ｐ１，Ｐ２）を成形圧力が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下中間パンチ（仕切）
２２下インナーパンチ
２３コア
２４上パンチ
２５上インナーパンチ
２６上アウターパンチ
Ｃ圧粉体
Ｐ１第１の粉末
Ｐ２第２の粉末

Claims

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）金型の粉末充填空間に仕切を設け、仕切で分割された粉末充填空間のそれぞれに前記第１の粉末と前記第２の粉末を充填する粉末充填工程
（３）前記仕切を前記粉末充填空間から退避させ、前記第１の粉末と前記第２の粉末とを成形して圧粉体とする成形工程
（４）前記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
ダイと、
上下方向へ移動可能とされて前記ダイに嵌合する下パンチおよび上パンチとを備え、
前記下パンチは、下アウターパンチと、この下アウターパンチの内側に設けられた下インナーパンチと、これら下アウターパンチおよび下インナーパンチの間に設けられた仕切とを備え、
前記仕切は、前記下アウターパンチおよび前記下インナーパンチの上方の粉末充填空間を仕切り、粉末充填空間に粉末を充填した後に下方へ退避することを特徴とする粉末成形用金型。