JP3835103B2

JP3835103B2 - 焼結合金及びその硬化処理方法

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Publication number: JP3835103B2
Application number: JP2000019424A
Authority: JP
Inventors: 利夫山内
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: US20010012490A1; US6534191B2; JP2001214207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結合金及びその硬化処理方法に関する。更に詳しくは、鉄系の焼結部品を、その全体のみならず部分的に硬化させることができる処理方法であり、特に四輪ミッションのシンクロハブ等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄系の焼結合金の耐摩耗性を向上させるには、大別すると以下の２つの方法がある。
（１）まずは、焼結合金の全体を硬化する方法、又は焼結合金のうち摺動部分の全体に溶浸材を溶浸させる方法である。
具体的には、（ａ）鉄系の焼結粉末を圧縮して成形体を作成する際に、焼結粉末であるＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の添加量を増加させるという成形体全体の成分変更によって成形体を硬化処理する方法、（ｂ）焼入れや焼戻しの熱処理によって硬化させる方法、又は（ｃ）特開昭６１−４４１５２号公報に記載されているように、銅の溶浸材を溶浸させる方法がある。
【０００３】
（２）もう一つの方法は、焼結合金の一部を硬化する方法、又は焼結合金のうち摺動部分の一部に溶浸材を溶浸させる方法である。
具体的には、（ａ）高周波焼入れによる熱処理方法や、（ｂ）焼結粉末の成分を部分的に変えることによって、成形体の一部の成分を他の部分と変えて成形及び焼結を行う方法である。
【０００４】
しかしながら、上記従来の焼結合金の硬化処理方法には、以下のような問題があった。
１）熱処理による方法においては、成形体を焼結した後に再び熱を加えるため、焼結合金に歪みが発生しやすい。従って、再び、焼結合金を寸法検査したり寸法精度の調整を行う必要があり、工程数が増加するおそれがあった。
２）焼結粉末の成分を変える方法によれば、焼結粉末を焼結合金の種類ごとに変えるという粉末管理が工数増大につながり、また、各々の焼結合金に応じた個別の焼結条件に設定する必要があるため、他の焼結合金と並行して生産をすることができなかった。
３）更に、焼結炉の中で銅溶浸材を溶浸させる方法では、熱エネルギー的、製造管理上でも効率的であるが、部分的な処理が難しかった。また、硬度もあまり高くすることができずに耐摩耗性に限界があった。
なお、例えば四輪ミッションギヤーに使用されているシンクロハブは、一軸方向の成形形状と強度の観点から鉄系焼結部品が多く用いられている。しかし、焼結処理を施しても、このままだと、硬度が低く耐摩耗性が不十分である。一方、焼結後に高周波焼入れなどの熱処理を施すと熱エネルギーが必要となり、製造コストが高くなる。
従って、上記した問題を解決するために、焼結部品の全体ではなく、摺動部のみに硬化処理を施し、かつ、この硬化処理は焼結と同時に行うことが必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決し、製品の寸法精度が変化せず、摺動部分のみを硬くすることができる焼結合金及びその硬化処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、以下の３態様によって構成される。
（態様１）まず、本発明に係る焼結合金の硬化処理方法は、鉄系焼結材料を圧縮して成形体を形成するステップと、該成形体の焼結温度以下の温度で溶融するアルミニウム又はアルミニウム合金を含む塗布剤を上記成形体の表面に設けるステップと、この塗布剤を設けた成形体を焼結すると共に、該成形体の表層部に、鉄とアルミニウムとの金属間化合物を形成するステップとを含む。
【０００７】
上記処理方法によれば、焼結合金全体のみならず、焼結合金の一部等、摺動部位として必要な一部分のみにでも金属間化合物を形成する硬化処理を施すことが可能である。また、後処理としての焼入れなどが不要となり、手間を省くことができる。従って、焼結にかかる熱エネルギーの効率化、及び焼結合金の寸法精度の向上を図ることができる。さらに、部分的に硬化処理をする場合においても、通常の焼結処理と同じ条件で処理をすることができるため、硬化処理によって別途作業量が増大することがない。
【０００８】
（態様２）また、本発明の一態様に係る焼結合金の硬化処理方法は、上記態様１の処理方法において、上記塗布剤が、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を溶媒に溶解したもの、又はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材である。
上記処理方法によれば、焼結によって成形体が焼結合金となると共に、塗布剤中のアルミニウム成分の一部は、成形体の表面から、成形体中に形成された複数の気孔中に浸透する。一方、成形体中の鉄成分も塗布剤中に浸透する。これによって、塗布剤のアルミニウム成分と成形体の鉄成分との間で反応が起こり、焼結合金の表層部に金属間化合物が生成する。この金属間化合物は、非常に硬度及び耐摩耗性が高いため摺動部としては好適な特性があり、また、多数の気孔等を有する多孔質体であるため、この内部に油等が溜まり摺動抵抗を下げる役割もする。
【０００９】
（態様３）さらに、本発明に係る焼結合金は、上記態様１、２の方法によって硬化処理を施した焼結合金である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る焼結合金及びその硬化処理方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、鉄系の焼結合金を製造する際に、焼結粉末を圧縮して成形体を形成し、該成形体の一部、即ち硬化させたい部分に、適量のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる塗布剤を載置し、この状態で成形体に熱を加えて焼結し、鉄系の焼結部品を作製するものである。これによって、焼結合金の表層部にアルミニウムと鉄との金属間化合物を形成することができる。
【００１１】
［硬化処理の工程］
１）成形体の作製
まず、鉄系焼結粉を圧縮して成形体を作製する。この焼結粉は、Ｆｅ成分を９０ｗｔ％以上含むものであり、その粒径は２０〜２００μｍが好ましい。ＪＩＳ規定の鉄系焼結粉であれば特に限定されず種々の焼結粉を用いることができ、例えば、ＪＩＳのＳＭＦ３種、４種及び５種などに規定される鉄系焼結粉を好適に用いることができる。
２）塗布剤の塗布
次いで、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む塗布剤を成形体に塗布する。この塗布剤の塗布方法として、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を溶媒に分散させた塗布剤をハケ等で成形体に塗るか、図１に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金の小片部材１からなる塗布剤を成形体２の表面に載置し、該成形体２を加熱して小片部材１を溶解するなどの方法がある。
【００１２】
３）焼結処理
その表面上に塗布剤を塗布した成形体２を通常の焼結炉を用いて焼結させる。この焼結温度は、一般的に１０００〜１３００℃であり、塗布剤中のアルミニウム又はアルミニウム合金の融点は該焼結温度以下である。
【００１３】
３−１）塗布剤中におけるアルミニウム成分の成形体２中への浸透
図２に示すように、上記焼結温度において塗布剤である小片部材１が溶融し始めるが、この溶融した小片部材１中のアルミニウム成分５の一部は、図３に示すように、成形体２の表面から、成形体２中に形成された細かい気孔（空孔）中に浸透していく。これによって、小片部材１のアルミニウム成分５と成形体２の鉄成分との間で反応が起こり、図５に示すように、成形体２の表面から一定の深さを有する表層部７において金属間化合物１０が生成する。
３−２）成形体２中における鉄成分の塗布剤中への浸透
一方、図４に示すように、成形体２中の鉄成分１１も小片部材１中に浸透していく。これによっても、小片部材１中におけるアルミニウム成分５と成形体２から浸透してきた鉄成分１１との間で反応が起こり、図５に示すように、成形体２の表面６に載置された小片部材１中にも金属間化合物１３が生成する。従って、同図に示すように、成形体２が焼結によって焼結合金１５となり、該焼結合金１５の表面６に載置した小片部材１及び表層部７との双方に同時に金属間化合物１３，１０が析出し、これらの金属間化合物１３，１０は一体となる。
４）冷却処理
最後に、上記焼結合金１５に冷却処理を施す。図６に示すように、一体となった金属間化合物２０は、この冷却処理によって体積収縮を起こさせ、内部に亀裂２１や気孔２２が発生した多孔質体となる。
【００１４】
［塗布剤］
本発明で用いる塗布剤は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んでおり、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を溶媒に分散したものや、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる小片部材等を用いることができる。ここで、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を用いる場合は、その粒径は１０〜１００μｍが好ましい。また、その合金成分としては、例えば、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ系などがある。また、これらを組み合わせた３元系以上でも有効であり、純粋なアルミニウムでも、その他のアルミニウム合金でも良い。
さらに、塗布剤中のアルミニウム金属は、成形体２を焼結する焼結温度において確実に溶融することが必要であり、成形体２の焼結温度よりも１００℃程度低い温度にて溶融するものが好ましい。通常の鉄系焼結合金の焼結温度は、１０００〜１３００℃であり、上記塗布剤中のアルミニウム又はアルミニウム合金の溶融温度は、この焼結温度以下であり、好ましくは焼結温度よりも約２００℃低い温度である。
【００１５】
［成形体］
本発明に用いる成形体２は、内部に小さな気孔（空孔）が連続して複数形成されている多孔質体である。上述したように、この成形体２をつくるための焼結粉は、ＪＩＳ規定の鉄系焼結粉であれば特に限定されず、種々の焼結粉を用いることができる。
【００１６】
【実施例】
次いで、実施例によって本発明を更に説明する。
［実施例］
まず、鉄系焼結混合粉として、ＪＩＳＳＭＦ５０３０相当である、０．７％Ｃ、１％Ｃｕ、１％Ｎｉの粉末を、焼結後の密度が６．９ｇ／ｃｍ³ になるように圧縮成形した。
この成形体２の上に、Ａｌ−４０％Ｃｕであるアルミニウム合金の小片部材１（塗布剤）を載置し、１１５０℃の焼結炉に入れ、最高温度で１５分間保持した。
これによって得られた焼結合金１５の表面近傍における断面の組織写真を図７に示す。この写真に見られる菱形形状の黒い部分２３は、ビッカース硬度を測定した後の圧痕である。
この焼結合金１５のビッカース硬さを測定したところ、母材におけるビッカース硬度はＨＶ１８０であり、アルミニウムと鉄との金属間化合物２０におけるビッカース硬度はＨＶ７００であり、母材よりも非常に硬くなっている。また、上記金属間化合物２０は、気孔２２が多数形成された多孔質体となっており、これらの気孔２２に油が浸透して油溜まりとなるため、該金属間化合物２０の表面が摺動部材としての役割を果たす。
【００１７】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想に基づき種々の変形及び変更が可能である。
例えば、図８（ａ）に示すように、本発明に係る焼結合金１５を摺動部材として用いる場合、該焼結合金１５に当接する相手側の部材２４が平滑面２５を有するときは、表層部７に金属間化合物２０を形成したのち、同図（ｂ）に示すように、該金属間化合物２０の上部を研削して平滑な上面２７を形成する。また、図９に示すように、焼結合金１５の表層部７に小さな金属間化合物３０を複数形成しても良い。この場合は、金属間化合物３０の上面を、必ずしも研削して平滑面を形成する必要がない。さらに、図１０（ａ）に示すように、成形体２の表面６上に、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末３５を載置し、この成形体２にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）の水溶液を散布してペーストにしたのち、このペーストを成形体２の表面に塗布したものを焼結すると、同図（ｂ）に示すように、焼結合金１５の表層部７に均一な厚さの金属間化合物層４０を形成することができる。
なお、本発明に係る硬化処理は、クランクプーリーやタイミングベルトギヤー等の焼結部品、及びロッカーアームのチップ部やカムシャフトロブ部等の鋳鉄部品に好適に適用することができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、焼結合金全体のみならず、焼結合金の一部等、摺動部位として必要な一部分のみにでも硬化処理を施すことが可能である。また、後処理としての焼入れなどが不要となり、手間を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】成形体上にアルミニウム合金の小片部材を載置した断面図である。
【図２】成形体上に載置した小片部材が溶解し始める状態を示す断面図である。
【図３】成形体上の小片部材中のアルミニウム成分が溶解して成形体中に浸透する状態を示す断面図である。
【図４】成形体中の鉄成分が小片部材中に浸透する状態を示す断面図である。
【図５】成形体の表面部に形成された金属間化合物を示す断面図である。
【図６】冷却処理をすることによって体積収縮を起こした金属間化合物を示す断面図である。
【図７】実施例において形成された焼結合金の表層部の断面を示す、倍率が５０倍の組織写真である。
【図８】本図のうち、（ａ）は成形体の表層部に形成した一つの大きな金属間化合物を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の金属間化合物の上面を研削によって平滑にした状態を示す断面図である。
【図９】成形体の表層部に形成した複数の小さな金属間化合物を示す断面図である。
【図１０】本図のうち、（ａ）はその上面に粉末状のアルミニウム合金粉末を散布した成形体を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の表層部に金属間化合物層を形成した焼結合金を示す断面図である。
【符号の説明】
１小片部材
２成形体
５アルミニウム成分
６表面
７表層部
１０，１３，２０，３０金属間化合物
１１鉄成分
１５焼結合金
２１亀裂
２２気孔
２５平滑面
２７上面
３５アルミニウム合金粉末
４０金属間化合物層

Claims

鉄系焼結材料を圧縮して成形体を形成するステップと、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む塗布剤を上記成形体の表面に設けるステップと、上記塗布剤中のアルミニウム又はアルミニウム合金が溶融し、上記塗布剤中のアルミニウム成分と上記成形体の鉄成分との間で反応が起こり、金属間化合物が生成する温度で、この塗布剤を設けた成形体を焼結するステップとを含んでなる焼結合金の表層部の硬化処理方法。
上記塗布剤の塗布方法が、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を溶媒に分散したものを上記成形体に塗るか、又はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材を上記成形体の表面に載置し、該成形体を加熱して上記部材を溶解することを特徴とする請求項１に記載の焼結合金の表層部の硬化処理方法。
上記請求項１又は２に記載の方法によって、鉄系の焼結合金の表層部にアルミニウムと鉄との金属間化合物が形成され、該金属間化合物は内部に亀裂や気孔が形成された多孔質体であることを特徴とする焼結合金。