JP3780438B2 - 歯付き部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造用機械部品としての歯車等の歯付き部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、歯車等の歯付き部材は、炭素鋼材を機械加工して得られる他、炭素鋼材に冷間鍛造や熱間鍛造等の塑性加工を施すことによって形成される。
【０００３】
前記歯付き部材を塑性加工によって得るには、よく知られているように、加工用素材を成形ダイスの成形空間内に投入し、この素材を成形パンチで圧縮成形して、素材を成形空間内に充満させ、成形空間の形状を製品に転写することによって成形される。
【０００４】
ところで、前記歯付き部材を炭素鋼材から塑性加工によって形成する場合には、素材の圧縮成形時に、材料が歯元部分から歯先部分に順次充足されていくのであるが、材料の変形能が低い場合に、歯先部分に材料が到達しにくく、このため、欠肉が生じ、高精度の歯付き部材が得られなくなる虞がある。とりわけ、機械的強度の高い製品を得ようとする場合に、欠肉の発生が懸念される。
【０００５】
これを対策するために、例えば特開平５−３５０号公報には、成形素材の中央部に挿通孔を形成して、この挿通孔に挿通されるマンドレルの直径を変更しつつ、成形パンチによる圧縮成形工程を複数段階にして成形することにより、精度のよい歯車を得るようにした改良された技術が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例にあっては、製品としての歯車の中央部に挿通孔が残留することになり、歯車の形状が限定されることになる。また、炭素鋼材を成形素材として用いる場合には、高い変形能を得るために低炭素鋼に限定されるから、炭素鋼材を素材とする製品の機械的強度には限界がある。
【０００７】
そこで、発明者等は、焼結金属による機械的強度の高い構造用各種機械部品を得るための研究を重ねており、それによれば、予備成形体を仮焼結して成形素材を形成して、この成形素材を圧縮成形（再圧縮成形）し、本焼結することによって機械部品を得る場合に、成形素材は、圧縮成形の容易さと、得られる機械部品の機械的性質を決定する重要な因子を担っており、このためには、所定量の黒鉛を含有し、伸びが大きく、硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材を得ることが必要であることを認め、研究を進めた。
【０００８】
研究の結果、前記所定量の黒鉛を含有した成形素材の性質、とりわけ成形素材の再圧縮成形の容易さのために重要な性質である伸び及び硬さは、この成形素材を形成する前の予備成形体の密度と、この予備成形体を焼結して得られる成形素材の組織、とりわけ成形素材中に含まれる黒鉛の形態によって決定されることを知見した。
【０００９】
本発明は前記従来の実情に鑑みて案出されたもので、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ３以上の予備成形体を所定温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有する成形素材を形成し、この成形素材を冷間鍛造を用いて圧縮成形することにより成形されてなることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成のうち、前記成形素材は、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下である構成にしてある。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して、密度が７．３ｇ／ｃｍ３以上の予備成形体を得る予備成形工程と、この成形工程で得られた予備成形体を所定温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有する成形素材を得る仮焼結工程と、この仮焼結工程で得られた成形素材を冷間鍛造を用いて圧縮成形して、歯付き部材を成形する成形工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成のうち、前記予備成形工程は、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧してなり、
前記成形ダイスの成形空間が、上パンチが挿入される大径部と、下パンチが挿入される小径部と、これら大径部と小径部とを繋ぐテーパ部とを備え、
前記上パンチ及び下パンチの一方または両方が、成形ダイスの成形空間に臨む端面の外周端部に、成形空間の容積を増大させる切欠きを備えてなる構成にしてある。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明の構成のうち、前記仮焼結工程の仮焼結温度は、８００〜１０００℃である構成にしてある。
【００１５】
ここで、本発明において、前記歯付き部材は、表面に凹凸形状や角形状のある部材を総称している。また、前記歯付き部材に貫通孔等を形成するか否かは任意であり、また、その形状は自由である。即ち、前記歯付き部材は、この部材が中実状である場合に、半径方向外方に歯を有する部材、またはこの部材が中空状である場合に、半径方向外方及び／または内方に歯を有する部材であって、平歯車、はす歯歯車、傘歯歯車等の他、歯が円周方向の一部または軸方向の一部に形成される、スプラインやセレーション部材を含んでおり、また、この部材の軸方向の表面に歯が形成される部材をも含んでいる。
【００１６】
また、前記歯付き部材に形成される歯は、インボリュート曲線、トロコイド曲線等の曲線で形成される歯である他、矩形状歯、三角形状歯、台形状歯等、各種形状の歯が採用可能である。また、前記歯付き部材の１つに、異なる形状の複数種類の歯を形成することも可能である。
【００１７】
請求項１記載の発明において、本発明の歯付き部材は、金属質粉を圧粉成形した予備成形体を所定温度で仮焼結して得られる成形素材を、圧縮成形することによって成形される。
【００１８】
前記金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を圧縮成形した後、本焼結して得られる歯付き部材の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００１９】
前記予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3 以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、この予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができ、請求項２記載の発明においては、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さは６０ＨＲＢ以下とされる。
【００２０】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の組織は、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織とされる。これは、前記金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態を示している。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００２１】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００２２】
また、前記仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００２３】
これによって、前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下の、優れた変形能を有する成形素材が得られ、この優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００２４】
前記歯付き部材は、優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって得られる。前記圧縮成形は、冷間鍛造が採用可能である。このとき、前記成形素材は優れた変形能を有しているから、成形ダイスの形状が確実に転写され、高精度の歯付き部材が得られることになる。また、前記成形素材を圧縮成形することによって、成形素材の組織中の空隙が圧潰されて高密度となり、歯付き部材の機械的強度の向上に寄与する。
【００２５】
前記圧縮成形後の歯付き部材には、所定温度での本焼結が施され、また、必要に応じて高周波加熱等による熱処理が施される。これによって、前記歯付き部材の組織は、粒界に存在した黒鉛がフェライト地に拡散した組織となり、歯付き部材の高強度化が図られる。
【００２６】
その結果、優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって、精度及び機械的強度の高い歯付き部材が得られる。
【００２７】
したがって、請求項１記載の発明によれば、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材が得られる。
【００２８】
また、請求項２記載の発明によれば、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さは６０ＨＲＢ以下とされるから、従来よりも優れた変形能を有する成形素材から歯付き部材を形成することができる。
【００２９】
請求項３記載の発明において、前記予備成形体は予備成形工程によって得られ、成形素材は予備成形体を仮焼結工程で仮焼結して得られ、この成形素材を成形工程で圧縮成形することによって、歯付き部材が得られる。
【００３０】
前記予備成形工程で圧粉成形する金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を圧縮成形し、本焼結して得られる歯付き部材の機械的強度を鋳鍛造材と同程度に高めることができる。
【００３１】
前記予備成形工程で形成される予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3 以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、この予備成形体を仮焼結工程で仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができる。
【００３２】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体を仮焼結工程で仮焼結することによって、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織をもった成形素材が得られる。前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態では、金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態となる。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記仮焼結工程で仮焼結された成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００３３】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結工程での仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００３４】
また、前記仮焼結工程の仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００３５】
前記予備成形体を得る予備成形工程は、請求項４記載の発明にあっては、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧して行われる。この場合に、前記予備成形体は全体として７．３ｇ／ｃｍ3 以上の高密度となり、予備成形体と成形ダイスとの摩擦が大きくなるけれども、上パンチ及び下パンチの一方または両方に設けた切欠き部分で、予備成形体の密度が局部的に低密度となって摩擦が低下することになる。このため、前記予備成形体は成形ダイスの成形空間に形成されたテーパ部の作用と相俟って、成形ダイスから容易に離型され、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体が容易に得られる。
【００３６】
前記仮焼結工程の仮焼結温度は、請求項５記載の発明にあっては８００〜１０００℃が選択される。これによって、前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下の、優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００３７】
前記成形工程は、優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって行われ、圧縮成形には、冷間鍛造が採用される。このとき、前記成形素材は優れた変形能を有しているから、成形ダイスの形状が確実に転写され、高精度の歯付き部材が得られることになる。また、前記成形素材を圧縮成形することによって、成形素材の組織中の空隙が圧潰されて高密度となり、歯付き部材の機械的強度の向上に寄与する。
【００３８】
前記成形工程での圧縮成形後の歯付き部材には、所定温度での本焼結が施され、また、必要に応じて高周波加熱等による熱処理が施される。これによって、前記歯付き部材の組織は、粒界に存在した黒鉛がフェライト地に拡散した組織となり、歯付き部材の高強度化が図られる。
【００３９】
その結果、優れた変形能を有する成形素材が得られ、この優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって、精度が高く、かつ機械的強度の高い歯付き部材が得られる。
【００４０】
したがって、請求項３記載の発明によれば、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材の製造方法が得られる。
【００４１】
また、請求項４記載の発明によれば、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体が容易に得られる。
【００４２】
また、請求項５記載の発明によれば、前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下となり、従来よりも優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、歯車に適用した態様として、図面に基づいて詳述する。
【００４４】
図１は本発明の実施の形態を示す歯付き部材の斜視図と共に、歯付き部材の製造工程を説明する図面、図２は予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取出す状態（ｄ）で示す説明図、図３は黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図４は成形素材の組織を示す図面、図５は密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図６は密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図７は密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図８は密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図９は粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１０は粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１１は歯付き部材の成形工程を、成形ダイスの成形空間内に成形素材を配置した状態（ａ）、成形素材を圧縮成形した状態（ｂ）で示す図面である。
【００４５】
図において１は歯付き部材としての歯車で、この歯車１は、予備成形工程２、仮焼結工程３及び成形工程４を経て得られる。即ち、前記予備成形工程２で後述する金属質粉を圧粉成形して予備成形体５を得た後、この予備成形体５を仮焼結工程３で仮焼結して成形素材６を得て、その後、この成形素材６を成形工程４で圧縮成形することによって歯車１が得られる。なお、前記成形工程４で得られた歯車１には、所定温度での本焼結及び熱処理が施される。
【００４６】
先ず、前記予備成形工程１では、この実施の形態において図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、金属質粉１０を成形ダイス１１の成形空間１２内に充填し、上パンチ１３及び下パンチ１４で加圧して、予備成形体５を得る。この場合に、前記金属質粉１０及び成形ダイス１１は常温状態にある。
【００４７】
詳しくは、前記金属質粉１０は、鉄を主成分とする金属粉１０ａに０．３重量％以上の黒鉛１０ｂを混合して形成される。前記金属質粉１０に添加する黒鉛１０ｂの量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材６を圧縮成形、本焼結して得られる歯車１の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００４８】
前記金属質粉１０が充填される成形ダイス１１の成形空間１２は、上パンチ１３が挿入される大径部１５と、下パンチ１４が挿入される小径部１６と、これら大径部１５と小径部１６とを繋ぐテーパ部１７とを備えている。
【００４９】
前記成形ダイス１１の成形空間１２内に挿入される上パンチ１３及び下パンチ１４の一方または両方、この実施の形態においては上パンチ１３には、成形ダイス１１の成形空間１２に臨む端面１８の外周端部に、成形空間１２の容積を増大させる切欠き１９が形成してある。前記切欠き１９はこの実施の形態において断面が鉤形で環状に形成してある。
【００５０】
２０は前記下パンチ１４内に挿入されるコアである。なお、前記コア２０を成形ダイス１１の成形空間１２内及び上パンチ１３内に挿入する構成とすることにより、このコア２０によって、成形空間１２内で形成される予備成形体５を略円筒状（中空状）に形成することが可能となる。即ち貫通孔を備えた外歯歯車や、内歯歯車の形成が容易に可能となる。
【００５１】
前記予備成形工程２は、図２に示すように、先ず、成形ダイス１１の成形空間１２内に鉄を主成分とする金属粉１０ａに０．３重量％以上の黒鉛１０ｂを混合してなる金属質粉１０を充填する（図２（ａ）参照）。
【００５２】
次に、前記成形ダイス１１の成形空間１２内に上パンチ１３及び下パンチ１４を挿入して金属質粉１０を加圧する。詳しくは、前記上パンチ１３が成形空間１２の大径部１５内に挿入され、下パンチ１４が成形空間１２の小径部１６内に挿入されて加圧される。このとき、前記切欠き１９が形成された上パンチ１３は大径部１５内で停止するようになっている（図２（ｂ）参照）。
【００５３】
前記金属質粉１０が加圧され、圧粉成形された後、上パンチ１３を後退（上昇）させると共に、成形ダイス１１を下降させ（図２（ｃ）参照）、圧粉成形された予備成形体５を成形空間１２内から取出す（図２（ｄ）参照）。
【００５４】
なお、図２においては、前記成形ダイス１１のテーパ部１７及び上パンチ１３の切欠き１９の大きさが、やや誇張して描かれている。
【００５５】
ところで、一般に、金属質粉を圧粉成形する場合には、圧粉成形品の密度が高くなるにつれて、圧粉成形品と成形型との間の摩擦が増大することや、圧粉成形品のスプリングバック等によって、成形型内から圧粉成形品を取り出すことが困難となる。このため、高密度の圧粉成形品を得ることが困難であるとされているところ、前記予備成形工程２においてはこれが有利に解決される。
【００５６】
即ち、前記成形ダイス１１の成形空間１２はテーパ部１７を備えているから、このテーパ部１７が所謂抜き勾配となって、圧粉成形された予備成形体５の取り出しが容易に行える。また、前記上パンチ１３には、成形ダイス１１の成形空間１２に臨む端面１８の外周端部に、成形空間１２の容積を増大させる切欠き１９が形成してあるから、この切欠き１９の部分で局部的に予備成形体５の密度が低くなり、予備成形体５と成形ダイス１１との間の摩擦や、予備成形体５のスプリングバック等が低く抑えられ、予備成形体５の取り出しが容易になる。
【００５７】
これによって、中実状で、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体５を容易に得ることができる。
【００５８】
前記予備成形体５の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、この予備成形体５を仮焼結工程３で仮焼結して得られる成形素材６の伸びを大きくすることができる。即ち、図３に示すように、前記予備成形体５の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、成形素材６の伸びを１０％以上とすることができるのである。
【００５９】
次に、前記予備成形工程２で得られた予備成形体５を仮焼結工程３で仮焼結する。これによって、図４に示すように、金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂが残留している組織を持った成形素材６が得られる。前記金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂの全部が残留している場合には、金属粉１０ａの組織は全体がフェライト（Ｆ）組織であり、黒鉛１０ｂの一部が残留している場合には、金属粉１０ａの組織は、フェライト地に、黒鉛１０ｂの近傍にパーライト（Ｐ）が析出した組織を呈する。少なくとも、前記金属粉１０ａの全体がパーライト組織であったり、金属粉１０ａの結晶粒界に黒鉛１０ｂが析出した組織とはなっていない。このため、前記成形素材６は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００６０】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体５では金属粉１０ａ粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後に伸びが大きな成形素材６が得られる。即ち、前記金属粉１０ａの粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが空隙を介して予備成形体５の内部に深く侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって大きな伸びが得られる。このことは、前記成形素材６の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることにより、黒鉛１０ｂの量の影響を殆ど受けないことを示している。これは、前記予備成形体５を仮焼結するときに、炭素の拡散が殆ど生じないからである。また、前記予備成形体５を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材６の硬さも低く抑えられることになる。
【００６１】
また、前記仮焼結工程３によって、金属粉１０ａの粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸び、好ましくは１０％以上の伸びが得られることになるのである。
【００６２】
前記仮焼結工程３の仮焼結温度は、好ましくは８００〜１０００℃の温度が選択される。前記仮焼結工程３の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、この仮焼結工程３を経て得られる成形素材６を圧縮成形（例えば冷間鍛造）して所定形状の歯車１を得る場合に、この圧縮成形での変形抵抗を小さくして成形加工を容易にするために、成形素材６に優れた変形能が付与される。即ち、図５及び図６に示すように、前記予備成形体５を８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、伸びが１０％以上の成形素材６が得られる。また、図７及び図８に示すように、８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、硬さが６０ＨＲＢ以下の成形素材６が得られる。前記成形素材６の６０ＨＲＢ以下の硬さは、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼を焼鈍して得られる硬さよりも軟らかいものである。
【００６３】
また、前記成形素材６の降伏応力は、図９及び図１０に示すように、仮焼結温度が８００〜１０００℃の範囲において２０２〜２７２ＭＰａとなり、この値は、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼の降伏応力よりも小さな値となる。
【００６４】
これによって、前記金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂが残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下の、優れた変形能を有する成形素材６が得られる。
【００６５】
次に、前記成形素材６を成形工程４で圧縮成形する。前記成形工程４は、図１１に示すように、成形ダイス２１の成形空間２２内に成形素材６を挿入して（図１１（ａ）参照）、上パンチ２３及び下パンチ２４によって成形素材６を圧縮成形（例えば冷間鍛造）する（図１１（ｂ）参照）。
【００６６】
このとき、前記成形ダイス２１の成形空間２２内には歯形２５が形成されており、成形素材６は優れた変形能を有しているから、この成形素材６を圧縮成形することによって、成形素材６に成形空間２２の形状（歯形２５）が確実に転写され、高精度の歯車１が得られることになる。また、前記成形素材６を圧縮成形することによって、成形素材６の組織中の空隙が圧潰されて高密度となり、歯車１の機械的強度の向上に寄与する。
【００６７】
前記成形工程４で得られた歯車１には、所定温度（例えば１１００℃以上）で本焼結が施され、また、必要に応じて高周波加熱等による熱処理が施される。これによって、前記歯車１の組織は、粒界に存在した黒鉛１０ｂがフェライト地に完全に拡散した組織となり、歯車１の高強度化が図られる。
【００６８】
その結果、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材６を圧縮成形することによって、精度が高く、かつ機械的強度の高い歯車１が得られる。
【００６９】
したがって、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材（歯車１）及びその製造方法が得られる。
【００７０】
また、前記予備成形工程２の成形ダイス１１にテーパ部１７を形成すると共に、上パンチ１３に切欠き１９を形成したことにより、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体５を容易に得ることができる。
【００７１】
また、前記仮焼結工程３の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、前記金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂが残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下となり、従来よりも優れた変形能を有する成形素材６が得られる。
【００７２】
以上、実施の形態を図面に基づいて説明したが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、前記予備成形体５は、金属質粉１０及び成形型を所定温度に加熱して、金属質粉１０の降伏点を低下させた状態で行う、所謂温間成形によって形成するようにしてもよい。
【００７３】
また、前記予備成形工程２において、上パンチ１３に、成形空間１２の容積を拡大させる切欠き１９を形成した実施の形態について述べたが、この切欠き１９は下パンチ１４に設けてもよく、また、上パンチ１３及び下パンチ１４の両方に設けてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す歯付き部材の斜視図と共に、歯付き部材の製造工程を説明する図面である。
【図２】予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取出す状態（ｄ）で示す説明図である。
【図３】黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図４】成形素材の組織を示す図面である。
【図５】密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図６】密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図７】密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図８】密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図９】粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１０】粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１１】歯付き部材の成形工程を、成形ダイスの成形空間内に成形素材を配置した状態（ａ）、成形素材を圧縮成形した状態（ｂ）で示す図面である。
【符号の説明】
１ 歯車（歯付き部材）
２ 予備成形工程
３ 仮焼結工程
４ 成形工程
５ 予備成形体
６ 成形素材
１０ 金属質粉
１０ａ 金属粉
１０ｂ 黒鉛
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造用機械部品としての歯車等の歯付き部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、歯車等の歯付き部材は、炭素鋼材を機械加工して得られる他、炭素鋼材に冷間鍛造や熱間鍛造等の塑性加工を施すことによって形成される。
【０００３】
前記歯付き部材を塑性加工によって得るには、よく知られているように、加工用素材を成形ダイスの成形空間内に投入し、この素材を成形パンチで圧縮成形して、素材を成形空間内に充満させ、成形空間の形状を製品に転写することによって成形される。
【０００４】
ところで、前記歯付き部材を炭素鋼材から塑性加工によって形成する場合には、素材の圧縮成形時に、材料が歯元部分から歯先部分に順次充足されていくのであるが、材料の変形能が低い場合に、歯先部分に材料が到達しにくく、このため、欠肉が生じ、高精度の歯付き部材が得られなくなる虞がある。とりわけ、機械的強度の高い製品を得ようとする場合に、欠肉の発生が懸念される。
【０００５】
これを対策するために、例えば特開平５−３５０号公報には、成形素材の中央部に挿通孔を形成して、この挿通孔に挿通されるマンドレルの直径を変更しつつ、成形パンチによる圧縮成形工程を複数段階にして成形することにより、精度のよい歯車を得るようにした改良された技術が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例にあっては、製品としての歯車の中央部に挿通孔が残留することになり、歯車の形状が限定されることになる。また、炭素鋼材を成形素材として用いる場合には、高い変形能を得るために低炭素鋼に限定されるから、炭素鋼材を素材とする製品の機械的強度には限界がある。
【０００７】
そこで、発明者等は、焼結金属による機械的強度の高い構造用各種機械部品を得るための研究を重ねており、それによれば、予備成形体を仮焼結して成形素材を形成して、この成形素材を圧縮成形（再圧縮成形）し、本焼結することによって機械部品を得る場合に、成形素材は、圧縮成形の容易さと、得られる機械部品の機械的性質を決定する重要な因子を担っており、このためには、所定量の黒鉛を含有し、伸びが大きく、硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材を得ることが必要であることを認め、研究を進めた。
【０００８】
研究の結果、前記所定量の黒鉛を含有した成形素材の性質、とりわけ成形素材の再圧縮成形の容易さのために重要な性質である伸び及び硬さは、この成形素材を形成する前の予備成形体の密度と、この予備成形体を焼結して得られる成形素材の組織、とりわけ成形素材中に含まれる黒鉛の形態によって決定されることを知見した。
【０００９】
本発明は前記従来の実情に鑑みて案出されたもので、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ３以上の予備成形体を所定温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有する成形素材を形成し、この成形素材を冷間鍛造を用いて圧縮成形することにより成形されてなることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成のうち、前記成形素材は、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下である構成にしてある。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して、密度が７．３ｇ／ｃｍ３以上の予備成形体を得る予備成形工程と、この成形工程で得られた予備成形体を所定温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有する成形素材を得る仮焼結工程と、この仮焼結工程で得られた成形素材を冷間鍛造を用いて圧縮成形して、歯付き部材を成形する成形工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成のうち、前記予備成形工程は、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧してなり、
前記成形ダイスの成形空間が、上パンチが挿入される大径部と、下パンチが挿入される小径部と、これら大径部と小径部とを繋ぐテーパ部とを備え、
前記上パンチ及び下パンチの一方または両方が、成形ダイスの成形空間に臨む端面の外周端部に、成形空間の容積を増大させる切欠きを備えてなる構成にしてある。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明の構成のうち、前記仮焼結工程の仮焼結温度は、８００〜１０００℃である構成にしてある。
【００１５】
ここで、本発明において、前記歯付き部材は、表面に凹凸形状や角形状のある部材を総称している。また、前記歯付き部材に貫通孔等を形成するか否かは任意であり、また、その形状は自由である。即ち、前記歯付き部材は、この部材が中実状である場合に、半径方向外方に歯を有する部材、またはこの部材が中空状である場合に、半径方向外方及び／または内方に歯を有する部材であって、平歯車、はす歯歯車、傘歯歯車等の他、歯が円周方向の一部または軸方向の一部に形成される、スプラインやセレーション部材を含んでおり、また、この部材の軸方向の表面に歯が形成される部材をも含んでいる。
【００１６】
また、前記歯付き部材に形成される歯は、インボリュート曲線、トロコイド曲線等の曲線で形成される歯である他、矩形状歯、三角形状歯、台形状歯等、各種形状の歯が採用可能である。また、前記歯付き部材の１つに、異なる形状の複数種類の歯を形成することも可能である。
【００１７】
請求項１記載の発明において、本発明の歯付き部材は、金属質粉を圧粉成形した予備成形体を所定温度で仮焼結して得られる成形素材を、圧縮成形することによって成形される。
【００１８】
前記金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を圧縮成形した後、本焼結して得られる歯付き部材の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００１９】
前記予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3 以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、この予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができ、請求項２記載の発明においては、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さは６０ＨＲＢ以下とされる。
【００２０】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体を仮焼結して得られる成形素材の組織は、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織とされる。これは、前記金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態を示している。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００２１】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００２２】
また、前記仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００２３】
これによって、前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下の、優れた変形能を有する成形素材が得られ、この優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００２４】
前記歯付き部材は、優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって得られる。前記圧縮成形は、冷間鍛造が採用可能である。このとき、前記成形素材は優れた変形能を有しているから、成形ダイスの形状が確実に転写され、高精度の歯付き部材が得られることになる。また、前記成形素材を圧縮成形することによって、成形素材の組織中の空隙が圧潰されて高密度となり、歯付き部材の機械的強度の向上に寄与する。
【００２５】
前記圧縮成形後の歯付き部材には、所定温度での本焼結が施され、また、必要に応じて高周波加熱等による熱処理が施される。これによって、前記歯付き部材の組織は、粒界に存在した黒鉛がフェライト地に拡散した組織となり、歯付き部材の高強度化が図られる。
【００２６】
その結果、優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって、精度及び機械的強度の高い歯付き部材が得られる。
【００２７】
したがって、請求項１記載の発明によれば、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材が得られる。
【００２８】
また、請求項２記載の発明によれば、成形素材の伸びは１０％以上とされ、硬さは６０ＨＲＢ以下とされるから、従来よりも優れた変形能を有する成形素材から歯付き部材を形成することができる。
【００２９】
請求項３記載の発明において、前記予備成形体は予備成形工程によって得られ、成形素材は予備成形体を仮焼結工程で仮焼結して得られ、この成形素材を成形工程で圧縮成形することによって、歯付き部材が得られる。
【００３０】
前記予備成形工程で圧粉成形する金属質粉は、鉄を主成分とする金属粉体に０．３重量％以上の黒鉛を混合して形成される。前記金属粉に添加する黒鉛の量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材を圧縮成形し、本焼結して得られる歯付き部材の機械的強度を鋳鍛造材と同程度に高めることができる。
【００３１】
前記予備成形工程で形成される予備成形体の密度は７．３ｇ／ｃｍ3 以上とされる。前記予備成形体の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、この予備成形体を仮焼結工程で仮焼結して得られる成形素材の伸びを大きく、かつ硬さを低くすることができる。
【００３２】
前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体を仮焼結工程で仮焼結することによって、金属粉の粒界に黒鉛が残留している組織をもった成形素材が得られる。前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態では、金属粉の結晶内部に炭素が殆ど拡散しておらず、少なくとも結晶粒界に黒鉛が析出していない状態となる。具体的には、前記金属粉の組織は全体がフェライト組織か或いは黒鉛の近傍にパーライトが析出した組織を呈している。このため、前記仮焼結工程で仮焼結された成形素材は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００３３】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体では、金属粉の粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結工程での仮焼結後の伸びが大きい成形素材が得られる。即ち、前記金属粉の粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが予備成形体の内部に侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって、大きな伸びが得られることになる。このことは、前記成形素材の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることにより、予備成形体を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないことになるから、黒鉛の量の影響を殆ど受けないことを示していると共に、炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材の硬さも低く抑えられることを示している。
【００３４】
また、前記仮焼結工程の仮焼結によって金属粉の粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸びが得られることになるのである。
【００３５】
前記予備成形体を得る予備成形工程は、請求項４記載の発明にあっては、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧して行われる。この場合に、前記予備成形体は全体として７．３ｇ／ｃｍ3 以上の高密度となり、予備成形体と成形ダイスとの摩擦が大きくなるけれども、上パンチ及び下パンチの一方または両方に設けた切欠き部分で、予備成形体の密度が局部的に低密度となって摩擦が低下することになる。このため、前記予備成形体は成形ダイスの成形空間に形成されたテーパ部の作用と相俟って、成形ダイスから容易に離型され、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体が容易に得られる。
【００３６】
前記仮焼結工程の仮焼結温度は、請求項５記載の発明にあっては８００〜１０００℃が選択される。これによって、前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下の、優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００３７】
前記成形工程は、優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって行われ、圧縮成形には、冷間鍛造が採用される。このとき、前記成形素材は優れた変形能を有しているから、成形ダイスの形状が確実に転写され、高精度の歯付き部材が得られることになる。また、前記成形素材を圧縮成形することによって、成形素材の組織中の空隙が圧潰されて高密度となり、歯付き部材の機械的強度の向上に寄与する。
【００３８】
前記成形工程での圧縮成形後の歯付き部材には、所定温度での本焼結が施され、また、必要に応じて高周波加熱等による熱処理が施される。これによって、前記歯付き部材の組織は、粒界に存在した黒鉛がフェライト地に拡散した組織となり、歯付き部材の高強度化が図られる。
【００３９】
その結果、優れた変形能を有する成形素材が得られ、この優れた変形能を有する成形素材を圧縮成形することによって、精度が高く、かつ機械的強度の高い歯付き部材が得られる。
【００４０】
したがって、請求項３記載の発明によれば、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材の製造方法が得られる。
【００４１】
また、請求項４記載の発明によれば、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体が容易に得られる。
【００４２】
また、請求項５記載の発明によれば、前記金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下となり、従来よりも優れた変形能を有する成形素材が得られる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、歯車に適用した態様として、図面に基づいて詳述する。
【００４４】
図１は本発明の実施の形態を示す歯付き部材の斜視図と共に、歯付き部材の製造工程を説明する図面、図２は予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取出す状態（ｄ）で示す説明図、図３は黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図４は成形素材の組織を示す図面、図５は密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図６は密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図７は密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図８は密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図９は粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１０は粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面、図１１は歯付き部材の成形工程を、成形ダイスの成形空間内に成形素材を配置した状態（ａ）、成形素材を圧縮成形した状態（ｂ）で示す図面である。
【００４５】
図において１は歯付き部材としての歯車で、この歯車１は、予備成形工程２、仮焼結工程３及び成形工程４を経て得られる。即ち、前記予備成形工程２で後述する金属質粉を圧粉成形して予備成形体５を得た後、この予備成形体５を仮焼結工程３で仮焼結して成形素材６を得て、その後、この成形素材６を成形工程４で圧縮成形することによって歯車１が得られる。なお、前記成形工程４で得られた歯車１には、所定温度での本焼結及び熱処理が施される。
【００４６】
先ず、前記予備成形工程１では、この実施の形態において図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、金属質粉１０を成形ダイス１１の成形空間１２内に充填し、上パンチ１３及び下パンチ１４で加圧して、予備成形体５を得る。この場合に、前記金属質粉１０及び成形ダイス１１は常温状態にある。
【００４７】
詳しくは、前記金属質粉１０は、鉄を主成分とする金属粉１０ａに０．３重量％以上の黒鉛１０ｂを混合して形成される。前記金属質粉１０に添加する黒鉛１０ｂの量を０．３重量％以上とすることによって、成形素材６を圧縮成形、本焼結して得られる歯車１の機械的強度を、鋳鍛造材と同程度に高めることができるのである。
【００４８】
前記金属質粉１０が充填される成形ダイス１１の成形空間１２は、上パンチ１３が挿入される大径部１５と、下パンチ１４が挿入される小径部１６と、これら大径部１５と小径部１６とを繋ぐテーパ部１７とを備えている。
【００４９】
前記成形ダイス１１の成形空間１２内に挿入される上パンチ１３及び下パンチ１４の一方または両方、この実施の形態においては上パンチ１３には、成形ダイス１１の成形空間１２に臨む端面１８の外周端部に、成形空間１２の容積を増大させる切欠き１９が形成してある。前記切欠き１９はこの実施の形態において断面が鉤形で環状に形成してある。
【００５０】
２０は前記下パンチ１４内に挿入されるコアである。なお、前記コア２０を成形ダイス１１の成形空間１２内及び上パンチ１３内に挿入する構成とすることにより、このコア２０によって、成形空間１２内で形成される予備成形体５を略円筒状（中空状）に形成することが可能となる。即ち貫通孔を備えた外歯歯車や、内歯歯車の形成が容易に可能となる。
【００５１】
前記予備成形工程２は、図２に示すように、先ず、成形ダイス１１の成形空間１２内に鉄を主成分とする金属粉１０ａに０．３重量％以上の黒鉛１０ｂを混合してなる金属質粉１０を充填する（図２（ａ）参照）。
【００５２】
次に、前記成形ダイス１１の成形空間１２内に上パンチ１３及び下パンチ１４を挿入して金属質粉１０を加圧する。詳しくは、前記上パンチ１３が成形空間１２の大径部１５内に挿入され、下パンチ１４が成形空間１２の小径部１６内に挿入されて加圧される。このとき、前記切欠き１９が形成された上パンチ１３は大径部１５内で停止するようになっている（図２（ｂ）参照）。
【００５３】
前記金属質粉１０が加圧され、圧粉成形された後、上パンチ１３を後退（上昇）させると共に、成形ダイス１１を下降させ（図２（ｃ）参照）、圧粉成形された予備成形体５を成形空間１２内から取出す（図２（ｄ）参照）。
【００５４】
なお、図２においては、前記成形ダイス１１のテーパ部１７及び上パンチ１３の切欠き１９の大きさが、やや誇張して描かれている。
【００５５】
ところで、一般に、金属質粉を圧粉成形する場合には、圧粉成形品の密度が高くなるにつれて、圧粉成形品と成形型との間の摩擦が増大することや、圧粉成形品のスプリングバック等によって、成形型内から圧粉成形品を取り出すことが困難となる。このため、高密度の圧粉成形品を得ることが困難であるとされているところ、前記予備成形工程２においてはこれが有利に解決される。
【００５６】
即ち、前記成形ダイス１１の成形空間１２はテーパ部１７を備えているから、このテーパ部１７が所謂抜き勾配となって、圧粉成形された予備成形体５の取り出しが容易に行える。また、前記上パンチ１３には、成形ダイス１１の成形空間１２に臨む端面１８の外周端部に、成形空間１２の容積を増大させる切欠き１９が形成してあるから、この切欠き１９の部分で局部的に予備成形体５の密度が低くなり、予備成形体５と成形ダイス１１との間の摩擦や、予備成形体５のスプリングバック等が低く抑えられ、予備成形体５の取り出しが容易になる。
【００５７】
これによって、中実状で、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体５を容易に得ることができる。
【００５８】
前記予備成形体５の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、この予備成形体５を仮焼結工程３で仮焼結して得られる成形素材６の伸びを大きくすることができる。即ち、図３に示すように、前記予備成形体５の密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることによって、成形素材６の伸びを１０％以上とすることができるのである。
【００５９】
次に、前記予備成形工程２で得られた予備成形体５を仮焼結工程３で仮焼結する。これによって、図４に示すように、金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂが残留している組織を持った成形素材６が得られる。前記金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂの全部が残留している場合には、金属粉１０ａの組織は全体がフェライト（Ｆ）組織であり、黒鉛１０ｂの一部が残留している場合には、金属粉１０ａの組織は、フェライト地に、黒鉛１０ｂの近傍にパーライト（Ｐ）が析出した組織を呈する。少なくとも、前記金属粉１０ａの全体がパーライト組織であったり、金属粉１０ａの結晶粒界に黒鉛１０ｂが析出した組織とはなっていない。このため、前記成形素材６は伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有することになる。
【００６０】
加えて、前記密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体５では金属粉１０ａ粒子間の空隙が連続せず、孤立した状態となっており、これによって、仮焼結後に伸びが大きな成形素材６が得られる。即ち、前記金属粉１０ａの粒子間の空隙が連続している場合には、仮焼結時の炉内の雰囲気ガスが空隙を介して予備成形体５の内部に深く侵入して浸炭が促進されることになるけれども、空隙が孤立しているから、これが有利に防止されることによって大きな伸びが得られる。このことは、前記成形素材６の伸びは、密度を７．３ｇ／ｃｍ3 以上とすることにより、黒鉛１０ｂの量の影響を殆ど受けないことを示している。これは、前記予備成形体５を仮焼結するときに、炭素の拡散が殆ど生じないからである。また、前記予備成形体５を仮焼結するときに炭素の拡散が殆ど生じないのであるから、仮焼結して得られる成形素材６の硬さも低く抑えられることになる。
【００６１】
また、前記仮焼結工程３によって、金属粉１０ａの粒子同士の接触面における表面拡散または溶融による焼結が広範囲に亘って生じることにより、大きな伸び、好ましくは１０％以上の伸びが得られることになるのである。
【００６２】
前記仮焼結工程３の仮焼結温度は、好ましくは８００〜１０００℃の温度が選択される。前記仮焼結工程３の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、この仮焼結工程３を経て得られる成形素材６を圧縮成形（例えば冷間鍛造）して所定形状の歯車１を得る場合に、この圧縮成形での変形抵抗を小さくして成形加工を容易にするために、成形素材６に優れた変形能が付与される。即ち、図５及び図６に示すように、前記予備成形体５を８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、伸びが１０％以上の成形素材６が得られる。また、図７及び図８に示すように、８００〜１０００℃の温度で仮焼結することによって、硬さが６０ＨＲＢ以下の成形素材６が得られる。前記成形素材６の６０ＨＲＢ以下の硬さは、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼を焼鈍して得られる硬さよりも軟らかいものである。
【００６３】
また、前記成形素材６の降伏応力は、図９及び図１０に示すように、仮焼結温度が８００〜１０００℃の範囲において２０２〜２７２ＭＰａとなり、この値は、炭素量が０．２％程度の低炭素鋼の降伏応力よりも小さな値となる。
【００６４】
これによって、前記金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂが残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下の、優れた変形能を有する成形素材６が得られる。
【００６５】
次に、前記成形素材６を成形工程４で圧縮成形する。前記成形工程４は、図１１に示すように、成形ダイス２１の成形空間２２内に成形素材６を挿入して（図１１（ａ）参照）、上パンチ２３及び下パンチ２４によって成形素材６を圧縮成形（例えば冷間鍛造）する（図１１（ｂ）参照）。
【００６６】
このとき、前記成形ダイス２１の成形空間２２内には歯形２５が形成されており、成形素材６は優れた変形能を有しているから、この成形素材６を圧縮成形することによって、成形素材６に成形空間２２の形状（歯形２５）が確実に転写され、高精度の歯車１が得られることになる。また、前記成形素材６を圧縮成形することによって、成形素材６の組織中の空隙が圧潰されて高密度となり、歯車１の機械的強度の向上に寄与する。
【００６７】
前記成形工程４で得られた歯車１には、所定温度（例えば１１００℃以上）で本焼結が施され、また、必要に応じて高周波加熱等による熱処理が施される。これによって、前記歯車１の組織は、粒界に存在した黒鉛１０ｂがフェライト地に完全に拡散した組織となり、歯車１の高強度化が図られる。
【００６８】
その結果、伸びが大きく、かつ硬さが低い性質を有し、優れた変形能を有する成形素材６を圧縮成形することによって、精度が高く、かつ機械的強度の高い歯車１が得られる。
【００６９】
したがって、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材（歯車１）及びその製造方法が得られる。
【００７０】
また、前記予備成形工程２の成形ダイス１１にテーパ部１７を形成すると共に、上パンチ１３に切欠き１９を形成したことにより、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 以上の予備成形体５を容易に得ることができる。
【００７１】
また、前記仮焼結工程３の仮焼結温度を８００〜１０００℃とすることにより、前記金属粉１０ａの粒界に黒鉛１０ｂが残留している状態の組織を有し、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下となり、従来よりも優れた変形能を有する成形素材６が得られる。
【００７２】
以上、実施の形態を図面に基づいて説明したが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、前記予備成形体５は、金属質粉１０及び成形型を所定温度に加熱して、金属質粉１０の降伏点を低下させた状態で行う、所謂温間成形によって形成するようにしてもよい。
【００７３】
また、前記予備成形工程２において、上パンチ１３に、成形空間１２の容積を拡大させる切欠き１９を形成した実施の形態について述べたが、この切欠き１９は下パンチ１４に設けてもよく、また、上パンチ１３及び下パンチ１４の両方に設けてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、形状の自由度が高く、かつ精度及び機械的強度が高い、焼結金属による歯付き部材及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す歯付き部材の斜視図と共に、歯付き部材の製造工程を説明する図面である。
【図２】予備成形体の製造工程を、成形ダイスの成形空間内に金属質粉を充填した状態（ａ）、金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧した状態（ｂ）、加圧完了後予備成形体の取出しのために成形ダイスを下降させ始めた状態（ｃ）、予備成形体を取出す状態（ｄ）で示す説明図である。
【図３】黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した予備成形体を８００℃で仮焼結して得られた成形素材の密度と伸びとの関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図４】成形素材の組織を示す図面である。
【図５】密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図６】密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の伸びの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図７】密度が７．３ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図８】密度が７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、黒鉛量と仮焼結温度とを変化させた場合の硬さの変化を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図９】粒径が２０μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１０】粒径が５μｍの黒鉛を０．５重量％混合した金属質粉から形成した、密度が７．３ｇ／ｃｍ3 及び７．５ｇ／ｃｍ3 の成形素材について、仮焼結温度と降伏応力との関係を、データ（ａ）及びグラフ（ｂ）で示す図面である。
【図１１】歯付き部材の成形工程を、成形ダイスの成形空間内に成形素材を配置した状態（ａ）、成形素材を圧縮成形した状態（ｂ）で示す図面である。
【符号の説明】
１ 歯車（歯付き部材）
２ 予備成形工程
３ 仮焼結工程
４ 成形工程
５ 予備成形体
６ 成形素材
１０ 金属質粉
１０ａ 金属粉
１０ｂ 黒鉛
Claims (5)
- 鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して得られた、密度が７．３ｇ／ｃｍ３以上の予備成形体を所定温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有する成形素材を形成し、
この成形素材を冷間鍛造を用いて圧縮成形することにより成形されてなることを特徴とする歯付き部材。 - 前記成形素材は、伸びが１０％以上で、硬さが６０ＨＲＢ以下であることを特徴とする、請求項１記載の歯付き部材。
- 鉄を主成分とする金属粉に０．３重量％以上の黒鉛を混合してなる金属質粉を圧粉成形して、密度が７．３ｇ／ｃｍ３以上の予備成形体を得る予備成形工程と、
この成形工程で得られた予備成形体を所定温度で仮焼結して、金属粉の粒界に黒鉛が残留している状態の組織を有する成形素材を得る仮焼結工程と、
この仮焼結工程で得られた成形素材を冷間鍛造を用いて圧縮成形して、歯付き部材を成形する成形工程と、
を有することを特徴とする、歯付き部材の製造方法。 - 前記予備成形工程は、成形ダイスの成形空間内に充填した金属質粉を上パンチ及び下パンチで加圧してなり、
前記成形ダイスの成形空間が、上パンチが挿入される大径部と、下パンチが挿入される小径部と、これら大径部と小径部とを繋ぐテーパ部とを備え、
前記上パンチ及び下パンチの一方または両方が、成形ダイスの成形空間に臨む端面の外周端部に、成形空間の容積を増大させる切欠きを備えてなることを特徴とする、請求項３記載の歯付き部材の製造方法。 - 前記仮焼結工程の仮焼結温度は、８００〜１０００℃であることを特徴とする、請求項３記載の歯付き部材の製造方法。
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| JPH11222606A JPH11222606A (ja) | 1999-08-17 |
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| JP (1) | JP3780438B2 (ja) |
-
1998
- 1998-02-06 JP JP04136998A patent/JP3780438B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPH11222606A (ja) | 1999-08-17 |
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