JP2017061717A

JP2017061717A - 焼結鍛造品及びその製造方法

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Publication number: JP2017061717A
Application number: JP2015187241A
Authority: JP
Inventors: 真人 ▲高▼垣; Masato Takagaki; 谷口　真也; Shinya Taniguchi; 真也谷口; 正志木本; Masashi Kimoto; 謙仁品川; Kenji Shinagawa
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: JP6299714B2

Abstract

【課題】シンプルな元素構成でありながら機械的強度及び被削性に優れるとともに、コスト性にも優れた焼結鍛造品、並びにその製造方法をもたらす。
【解決手段】所定割合の炭素、銅、残部の鉄及び不可避不純物からなる焼結鍛造品１において、その焼結鍛造品１の断面のパーライト相の面積率（％）が８０％以上となるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、焼結鍛造品及びその製造方法に関するものである。

自動車の製造工程では、プレス成形、鋳造、鍛造、焼結等、様々な方法で部品が製造される。これらの製法は、用いる材料種によって細かく製造条件を設定して所望の強度が得られるようコントロールされている。

例えば、エンジンのピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティングロッド（以下、コンロッドという。）では、スチール鍛造法と焼結鍛造法が知られているが、材料歩留まり性の観点から、焼結鍛造法の採用が増加している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、０．５〜０．８質量％の炭素と、２．５〜３．５質量％の銅と、０．１〜０．５質量％のマンガンと、０．０１〜０．２５質量％の硫黄と、残部の鉄及び不可避不純物とからなり、パーライト組織の面積率が６０％以上であり、フェライト組織の面積率が４０％以下である焼結鍛造部材が記されている（焼結温度１１５０℃〜１２００℃）。

ここで、上記マンガンと硫黄は硫化マンガンの粉末原料によるものである。硫黄は被削性を向上させるためのものであり、マンガンはフェライト組織に固溶させることで疲労強度を向上させるためのものである。

特開２０１４−１２２３９６号公報

しかしながら、上記特許文献１の焼結鍛造部材に含まれるようなマンガンや硫黄の含有量を低減し、もっとシンプルな元素構成であり且つ強度等の機械的特性に優れた焼結鍛造品の開発が望まれている。

従って、本発明は、シンプルな元素構成でありながら機械的強度及び被削性に優れるとともに、コスト性にも優れた焼結鍛造品、並びにその製造方法をもたらすことを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、所定割合の炭素、銅、残部の鉄及び不可避不純物からなる焼結鍛造品において、その焼結鍛造品の断面のパーライト相の面積率（％）が８０％以上となるようにした。

すなわち、本発明に係る焼結鍛造品は、総質量に対して、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、２．５質量％以上３．５質量％以下の銅と、残部の鉄及び不可避不純物とからなる焼結鍛造品であって、任意の断面における総面積に対するフェライト相の面積率が２０％以下であり、且つパーライト相の面積率が８０％以上であり、機械的強度特性としての引張強度は１０４０ＭＰａ以上、０．２％耐力は７４０ＭＰａ以上、及び回転曲げによる疲労強度は４１０ＭＰａ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、シンプルな元素構成であっても優れた機械的強度特性及び被削性を有し且つ低コストの焼結鍛造品を提供することができる。

また、本発明に係る焼結鍛造品の製造方法は、上記焼結鍛造品を製造する方法であって、総質量に対して、１．１５質量％以上１．３７質量％以下の炭素と、２．５質量％以上３．５質量％以下の銅と、残部の鉄の各粉末を略均一に混合して混合物を得る工程と、上記混合物を圧粉成形して圧粉成形体を得る工程と、上記圧粉成形体を非酸化性雰囲気中、１２２０℃以上１２５０℃以下の温度範囲で焼結して焼結体を得る工程と、上記焼結体を１２１５℃以上１２５０℃以下の温度範囲で熱間鍛造する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、炭素の固溶化を促進して、焼結鍛造品のパーライト組織の比率を向上させることができるとともに、銅のフェライト組織への置換固溶化を促進することができる。これにより、シンプルな元素構成であっても優れた機械的強度特性及び被削性を有し且つ低コストの焼結鍛造品を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る焼結鍛造品の製造方法の工程を示すフローチャートである。図２は、実施例６に係るコンロッドの任意の断面における光学顕微鏡像（２００倍）である。図３は、実施例及び比較例に係るコンロッドの正面図である。図４は、実施例及び比較例に係るコンロッドの側面図である。図５は、引張強度試験に用いた試験片の正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

［焼結鍛造品］
＜成分＞
本実施形態に係る焼結鍛造品１は、Ｃ（炭素）と、Ｃｕ（銅）と、残部のＦｅ（鉄）と、不可避不純物とからなる。

Ｃは、焼結鍛造品１の総質量に対して、好ましくは０．５質量％以上０．８質量％以下、より好ましくは０．５２質量％以上０．７８質量％以下、特に好ましくは０．５５質量％以上０．７５質量％以下である。これにより、高強度のパーライト組織の比率が増加するとともに、焼結鍛造品に形成されるセメンタイト組織が減少し、焼結鍛造品の機械的強度を向上させる。

Ｃｕは、焼結鍛造品１の総質量に対して、好ましくは２．５質量％以上３．５質量％以下、より好ましくは２．６質量％以上３．４質量％以下、特に好ましくは２．７質量％以上３．３質量％以下である。これにより、十分量のＣｕがフェライト相に固溶して焼結鍛造品の機械的強度を向上させることができるとともに、過剰のＣｕが粒界に析出して焼結鍛造品の強度低下がもたらされることを防ぐことができる。

本実施形態において、Ｃ及びＣｕの含有量の残部はＦｅ及び不可避不純物である。なお、不可避不純物として、０．１質量％未満のＭｎ、約０．０１質量％のＭｏ、０．１質量％未満のＣａ等が含有され得る。

＜フェライト相及びパーライト相＞
本実施形態に係る焼結鍛造品１は、その任意の断面における総面積に対するフェライト相及びパーライト相の面積率がそれぞれ、好ましくは２０％以下及び８０％以上、より好ましくは１５％以下及び８５％以上、特に好ましくは１０％以下及び９０％以上である。

なお、フェライト組織は、ビッカース硬さ７５ＨＶの軟質な組織である。Ｃｕ固溶により強化され得る。また、パーライト組織は、フェライト組織の層とセメンタイト組織の層の微細なラメラ構造よりなり、ビッカース硬さ３０５ＨＶの硬質な組織である。パーライト組織の比率の増加により、焼結鍛造品１の機械的強度を向上させることができる。

フェライト相及びパーライト相の面積率は、焼結鍛造品１の任意の断面の光学顕微鏡像から、画像処理によりフェライト相及びパーライト相を判定し、総面積に対する各々の面積比率を算出することにより求めることができる。

＜回転曲げによる疲労強度＞
焼結鍛造品１の機械的強度はまた、回転曲げによる疲労強度（ＭＰａ）を測定することにより評価することができる。

本実施形態に係る焼結鍛造品１の回転曲げによる疲労強度は、焼結鍛造品の機械的強度向上の観点から、ＪＩＳ２２７４−１９７８（金属材料の回転曲げ疲れ試験方法）に基づく測定値で、好ましくは４０５ＭＰａ以上、より好ましくは４１０ＭＰａ以上、特に好ましくは４２０ＭＰａ以上である。

＜引張強度及び０．２％耐力＞
本実施形態に係る焼結鍛造品１の機械的強度を示すパラメータとして、引張強度（ＭＰａ）がある。引張強度が高いほど強度は高くなる。一方、焼結鍛造品の多くは鍛造後に機械加工などを施して最終製品を得るため、被削性に優れていることも重要である。引張強度及び０．２％耐力の双方が高いことが、強度及び被削性の双方に優れていることを示す。

本実施形態に係る焼結鍛造品１の引張強度は、焼結鍛造品１の機械的強度向上の観点から、後述の高速引張試験に基づく測定値で、好ましくは１０００ＭＰａ以上、より好ましくは１０４０ＭＰａ以上、特に好ましくは１１００ＭＰａ以上である。

本実施形態に係る焼結鍛造品１の０．２％耐力は、焼結鍛造品１の強度及び被削性向上の観点から、後述の高速引張試験に基づく測定値で、好ましくは７２０ＭＰａ以上、好ましくは７４０ＭＰａ以上、好ましくは８００ＭＰａ以上である。

本構成によれば、シンプルな元素構成でありながら機械的強度及び被削性に優れるとともに、コスト性にも優れた焼結鍛造品１をもたらすことができる。

なお、本実施形態に係る焼結鍛造品１としては、例えばエンジンのコンロッド、シンクロハブ、ハブスリーブ、各種ギヤ、各種プーリー等が挙げられる。

［焼結鍛造品の製造方法］
本実施形態に係る焼結鍛造品１は、以下の手順で製造することができる。

＜混合工程＞
図１に示すように、まず原料のＣと、Ｃｕと、Ｆｅの各粉末を略均一に混合して混合物２を得る（Ｓ１）。

本工程において使用される原料としてのＣ、Ｃｕ及びＦｅの粉末は、市販されているものを使用することができる。

Ｃの添加量は、混合物２の総質量に対して、好ましくは１．１０質量％以上１．５０質量％以下、より好ましくは１．１２質量％以上１．４５質量％以下、特に好ましくは１．１５質量％以上１．３７質量％以下である。これにより、Ｃの固溶化が促進されて、焼結鍛造品１のパーライト組織の比率を増加させることができる。

Ｃｕの添加量は、混合物２の総質量に対して、好ましくは２．２質量％以上３．８質量％以下、より好ましくは２．４質量％以上３．６質量％以下、特に好ましくは２．５質量％以上３．５質量％以下である。これにより、Ｃｕの固溶化が促進されて焼結鍛造品１のフェライト組織の比率を増加させることができる。

前記混合物２には、被削性向上の観点から、Ｃａ系酸化物を含む潤滑剤などの追加の成分が添加され得る。このような潤滑剤の添加量は、上記混合物の総質量に対して、好ましくは０．０１質量％以上１．５質量％以下、好ましくは０．０３質量％以上１．０質量％、好ましくは０．０５質量％以上０．８質量％である。

原料粉末の混合は、一般的な混合手段を用いることができ、具体的には例えばＶ型混合機、Ｗ型混合機、リボン混合機、ボールミル混合機などを使用して行うことができる。なお、「略均一に混合」とは、これらの手段を用いて得られる程度に実質的に均一に混合されていることをいう。

＜圧粉成形工程＞
上記混合工程Ｓ１で得られた混合物２を、圧粉成形用金型のキャビティに充填し、圧粉成形機を用いて圧粉成形することで、焼結鍛造品１の圧粉成形体３を作製する（Ｓ２）。

本工程Ｓ２において、加圧圧力は、焼結鍛造品１の強度及び被削性向上の観点から、好ましくは３〜５ｔ／ｃｍ^２の範囲の平均面圧である。

＜焼結工程＞
次に、上記圧粉成形体を焼結炉に搬送し、非酸化性雰囲気中、所定の温度範囲で焼結して焼結体４を得る（Ｓ３）。

非酸化性雰囲気中とは、酸素を含まない雰囲気であることを意味し、例えば、Ｎ_２、Ｈ_２又はこれらの混合ガス中などである。

焼結温度は、ＣｕとＣを基材のＦｅに固溶させて、焼結鍛造品１の強度を向上させる観点から、好ましくは１２１０℃以上１２７０℃以下、より好ましくは１２２０℃以上１２５０℃以下、特に好ましくは１２３０℃以上１２５０℃以下である。

焼結時間は、ＣｕとＣを基材のＦｅに固溶させて、焼結鍛造品１の強度を向上させる観点から、好ましくは１０分〜２時間、より好ましくは２０分〜１．５時間、特に好ましくは３０分〜１時間である。

＜鍛造工程＞
そして、上記工程Ｓ３で得られた焼結体４を焼結炉から取り出して鍛造型にセットし、所定の温度範囲で熱間鍛造する（Ｓ４）。

鍛造温度は、焼結鍛造品１の機械的強度及び被削性向上の観点から、好ましくは１２０５℃以上１２７０℃以下、より好ましくは１２１５℃以上１２５０℃以下、特に好ましくは１２２５℃以上１２５０℃以下である。

鍛造加圧力は、焼結鍛造品１の機械的強度及び被削性向上の観点から、好ましくは２５００ｋＮ以上３５００ｋＮ以下、より好ましくは２７００ｋＮ以上３３００ｋＮ以下、好ましくは２９００ｋＮ以上３１００ｋＮ以下である。

なお、鍛造工程Ｓ４の後、冷却し、必要に応じてバリ取り作業、ショットピーニングによる表面硬化処理、及び機械加工等を行って最終製品として仕上げることができる。

本製造方法によれば、得られる焼結鍛造品１のパーライト組織の比率を向上させることができるとともに、銅のフェライト組織への置換固溶化を促進することができる。これにより、シンプルな元素構成でありながら機械的強度及び被削性に優れるとともに、コスト性にも優れた焼結鍛造品１をもたらすことができる。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。

焼結鍛造品１として、コンロッドを製造した。表１に、実施例１〜９、及び比較例１〜５の構成及び各種測定結果を示す。

［コンロッドの製造］
まず、実施例１〜９及び比較例１〜５のコンロッドの原料であるＣ、Ｃｕ及びＦｅの粉末を表１に示す割合となるように配合するとともに、Ｃａを含有する潤滑剤を混合物の総質量に対して０．１質量％加え、Ｖ型混合機を用いて混合した。

上記混合物をコンロッド用の金型のキャビティに充填し、圧粉成形機を用いて４ｔ／ｃｍ^２の平均面圧で圧粉成形した。

次に、得られた各成形体を焼結回転炉に入れ、窒素０．４ＭＰａ及び水素０．０４ＭＰａの非酸化性雰囲気中、表１に示す各焼結温度及び焼結時間２０分で焼結処理を行った。

そして、各焼結体を焼結回転炉から取り出した後、すぐに熱間鍛造成形装置の所定の金型にセットして鍛造加圧力３０００ｋＮで熱間鍛造した。

その後、鍛造体を冷却し、バリ取り作業、ショットピーニングによる表面硬化処理、及び機械加工を施して、実施例１〜９及び比較例１〜５のコンロッドを製造した。

［コンロッドの特性試験］
＜コンロッドの成分分析＞
実施例及び比較例のコンロッドから測定用試料を切り出し、元素分析を行った。

＜フェライト相及びパーライト相の面積率測定＞
実施例及び比較例のコンロッドの任意の断面について、光学顕微鏡観察（２００倍）を行った。各々のコンロッドについて２０視野程度で画像処理し、各視野におけるパーライト相を画像処理で判定し、それ以外をフェライト相として判断した。各々の相の面積から、総面積に対するフェライト相及びパーライト相の面積の割合を求め、平均値を算出してフェライト相及びパーライト相の面積率とした。

なお、実施例６に係るコンロッドの任意の断面の光学顕微鏡像を図２に示す。図２に示すように、白い部分Ａがフェライト相であり、黒い部分Ｂがパーライト相である。

＜コンロッドの引張強度及び０．２％耐力の測定＞
図３及び図４は、実施例及び比較例のコンロッド１１の正面図及び側面図である。図３及び図４に示すように、コンロッド１１のコラム部から引張強度試験用の試験片１２を切り出した。試験片１２は、長さ７０ｍｍ、幅１０ｍｍ及び厚さ２ｍｍで図５に示すような形状で作製した。

上記試験片１２を用いて油圧式高速引張試験機により０．０１ｍｍ／ｓで引張試験を行い、引張強度（ＭＰａ）及び０．２％耐力（ＭＰａ）を測定した。

＜回転曲げによる疲労強度試験＞
実施例１〜９及び比較例１〜５のコンロッドのコラム部から、ＪＩＳ２−６に準拠する試験片を切り出し、ＪＩＳ２２７４−１９７８に準拠する方法で回転曲げによる疲労強度（ＭＰａ）を測定した。

＜考察＞
まず、原料粉末の混合割合、すなわちコンロッドにおけるＣ及びＣｕの含有量について考察する。

表１に示すように、同じ焼結温度１２３５℃で焼結した実施例１，２，６について、混合時の成分量を比較すると、Ｃ量が１．１５質量％〜１．３７質量％、Ｃｕ量が２．５質量％〜３．５質量％である。また、鍛造後の成分量は、Ｃ量が０．６０質量％〜０．７０質量％、Ｃｕ量が２．５質量％〜３．５質量％である。このとき、フェライト相の面積率は２％〜８％であり、パーライト相の面積率は９８％〜９２％である。そして、引張強度、０．２％耐力、疲労強度のいずれも高い値となっており、機械的強度及び被削性に優れることが判る。

一方、比較例１〜３では、実施例のものに比べて、原料粉末の混合割合をそれぞれ増減させたものである。比較例１，２では、Ｃ量が少なくなっており、フェライト相の面積率が２０％を超えている。このとき、引張強度、０．２％耐力、疲労強度のいずれも低いものとなっている。また、比較例３では、Ｃ量は多く、Ｃｕ量は少なくなっており、フェライト相及びパーライト相の面積率は１％及び９９％であるが、疲労強度が低い値となっており、性能が劣っていることが判る。これは、Ｃの固溶限界０．７８％を超え、セメンタイトが析出し疲労強度が悪化したものと考えられる。

次に、焼結温度について考察する。

表１に示すように、実施例３〜５及び実施例７〜９は、実施例６と同じＣ量及びＣｕ量であるが、焼結温度を１２２０℃〜１２３０℃及び１２４０℃〜１２５０℃まで５℃ずつ変化させたものである。フェライト相及びパーライト相の面積率はいずれも２％及び９８％であり、引張強度、０．２％耐力、疲労強度のいずれも高い値となっており、機械的強度及び被削性に優れることが判る。

一方、比較例４，５では、原料粉末の混合割合は実施例２と同一であるが、比較例４は焼結温度が１２００℃、比較例５は焼結温度が１２８０℃となっている。比較例４では、フェライト相及びパーライト相の面積率は２０％以下及び８０％以上であるが、引張強度、０．２％耐力、疲労強度のいずれも低い値となっていることが判る。これは、焼結温度が低いために、Ｃｕが固溶せず、粒界に析出し強度が低下したものと考えられる。また、比較例５では、フェライト相及びパーライト相の面積率が４０％及び６０％となっており、引張強度、０．２％耐力、疲労強度のいずれも低い値となっている。これは、焼結温度が高すぎるために、Ｃが脱炭して強度が低下したものと考えられる。

本発明は、シンプルな元素構成であっても優れた機械的強度特性及び被削性を有し且つ低コストの焼結鍛造品を提供することができるので、極めて有用である。

１焼結鍛造品
２混合物
３圧粉成形体
４焼結体
１１コンロッド（焼結鍛造品）
１２試験片

Claims

総質量に対して、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、２．５質量％以上３．５質量％以下の銅と、残部の鉄及び不可避不純物とからなる焼結鍛造品であって、
任意の断面における総面積に対するフェライト相の面積率が２０％以下であり、且つパーライト相の面積率が８０％以上であり、
機械的強度特性としての引張強度は１０４０ＭＰａ以上、０．２％耐力は７４０ＭＰａ以上、及び回転曲げによる疲労強度は４１０ＭＰａ以上である
ことを特徴とする焼結鍛造品。
請求項１に記載された焼結鍛造品を製造する方法であって、
総質量に対して、１．１５質量％以上１．３７質量％以下の炭素と、２．５質量％以上３．５質量％以下の銅と、残部の鉄の各粉末を略均一に混合して混合物を得る工程と、
上記混合物を圧粉成形して圧粉成形体を得る工程と、
上記圧粉成形体を非酸化性雰囲気中、１２２０℃以上１２５０℃以下の温度範囲で焼結して焼結体を得る工程と、
上記焼結体を１２１５℃以上１２５０℃以下の温度範囲で熱間鍛造する工程とを備えた
ことを特徴とする焼結鍛造品の製造方法。