JP4301507B2 - サイレントチェーン用焼結スプロケットおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
造形が容易な粉末冶金技術により製造される焼結スプロケットとしては、混合粉末を温間成形して7.3Mg/m3 程度の比較的高い密度とされたNi、Mo、CuおよびCを含む鉄系材料からなり、温度1180℃以上で焼結された焼結体、または浸炭焼入れまたは高周波焼入れして焼戻しする技術が提案されている(特許文献1参照)。また、同様な元素を含んで低炭素量の鉄系材料からなり、通常の粉末成形で密度を7.05Mg/m3 とされた焼結体の歯部を転造によって緻密化した後浸炭焼入れ焼戻しする技術も提案されている(特許文献2参照)。
上述した特許文献1または2に記載されている焼結スプロケットは、それぞれ優れたものであるが、特許文献1に記載されたように、粉末成形を温間成形で行って全体密度を比較的高い7.3Mg/m3 程度とし、1180℃以上の高い温度で焼結する場合には、焼結温度が高いため製造コストが高くなる欠点があり、温間成形により全体密度が高くなる。しかしながら、歯面の密度と他の部分の密度とが同一であるから、歯面の耐面圧性を更に向上する余地がある。
また、特許文献2に記載されたように、比較的密度が低く、特許文献1に記載されたものと類似した合金組成でフェライト組織が40面積%以上とされて塑性加工性の良好な合金組織をもつ焼結体の歯部を転造して緻密化する場合は、表面をより高密度にするため、転造代を大きくすることが必要であり、このため製作能率を改善できる余地がある。
また、転造工程においては、請求項5に記載のように、転造されるスプロケット素材の歯部が、転造による余肉のはみ出しをあらかじめ考慮して面取りされている態様、および請求項6に記載のように、転造を行っている最中に、転造によりワークの歯部端面に突出する余肉を、転造機に付設した除去工具を用いて除去する態様を採用することが望ましい。
(1)焼結合金の成分
発明の対象となる焼結合金は、Fe−Mo−C系、Fe−Mo−Ni−C系、およびFe−Mo−Ni−Cu−C系の3種類であり、これらは合金添加元素数が少ない構成で、各元素の含有量を調整することにより、それぞれ塑性加工性が良好でかつ強靱であり、しかも焼入れ性の良好な材料として選択されたものである。上記各組成の3者を比較すると、強度についてはFe−Mo−C系が最も低く、Fe−Mo−Ni−Cu−C系が最も高くなっており、塑性加工性および焼入れ性はそれぞれ優れている。
なお、焼結体の炭素量は、強度、靭性および塑性加工性を確保するため、0.5〜0.6質量%程度が最適である。また、浸炭焼入れによって表層部の炭素量は、さらに0.1〜0.2質量%程度多くなるが、焼入れによって表層部がマルテンサイト組織となることが好ましい。
Moは、鉄合金マトリックスを強化して強度を向上させるとともに、焼入れ性も向上させる。但し、含有量が多すぎると脆化し、転造による緻密化が困難となる。
Niは、焼結密度および靭性を向上させる。但し、含有量が多すぎると脆化により転造で緻密化が困難となる。
Cuは、鉄合金マトリックスを強化して高強度化を図り、しかも焼入れ性も向上させる。但し、含有量が多すぎると焼結時の寸法膨張が増大するため寸法変化の変動をもたらし、転造ばらつきを生じ易くなる。
第1の合金Fe−Mo−C系は、最も含有元素が少ないものである。Mo含有量は1.0〜2.0質量%である。含有量が1.0質量%未満であると上記効果が得られず、2.0質量%より多い場合では上述した欠点があり好ましくない。
製造に用いる粉末は、Mo粉末の形態で添加すると焼結したときの合金化が不完全になり、十分な強度を確保することが難しくなるので、Fe−Mo合金鉄粉の形態が望ましい。合金鉄粉であっても後述する温間粉末成形によれば、粉末の圧縮性は十分に得られる。後述する別の合金系の場合も同様に、炭素は黒鉛粉の形で添加され、焼結体の結合炭素量0.5〜0.6質量%程度を得るために、黒鉛粉は0.6〜1.0質量%混合される。また、混合粉を100〜150℃に加熱して圧縮成形する、即ち温間成形のための成形潤滑剤が通常のように混合される。
この場合、MoおよびNiの含有量をそれぞれ多めに設定すると、塑性加工性がやや悪化するので、それぞれ上記した範囲の中間の含有量の組合せにするか、一方の含有量を少なめに、他方の含有量を多めに設定することがより好ましい。
製造に用いる粉末は、FeとMoの合金粉末の周りにNiの金属粒子が拡散接合している鉄粉を使用することが好ましい。それぞれの金属粉を混合したものに比べて成分偏析が起こり難く、FeとNiの合金粉末の周りにMoの金属粒子が拡散接合している鉄粉を使用するのに比べて、Niが焼結時にFe−Mo合金粒子の表面に拡散するため、焼結による密度向上の利点と、これに伴い強度および靭性が向上する利点とがある。
製造に用いる粉末は、鉄粉粒子の周りにNi,Mo,Cuの金属粒子が拡散接合している鉄粉を使用することが好ましい。それぞれの金属粉を混合したものに比べて成分偏析が起こり難く、合金鉄粉に比べ圧縮性が良好であるという利点がある。
合金鉄粉に温度安定性を備えた潤滑剤および黒鉛粉を混合した粉末を100℃以上に加熱し、120℃以上に加熱された金型を用いて圧縮成形を行う。この温間粉末成形によれば、粉末の圧縮性が良好となる。例えば、成形圧力490MPa(5000kgf/cm2 )で得られる成形密度は、常温成形の場合より約0.1Mg/m3 程度高いので、従来の成形プレスを用いてより高い密度を得ることができる。換言すると、通常の密度の成形体を低い圧力で成形することができる。また、常温粉末成形で製造された焼結体に比べて粗大な気孔が少なく、粒子間の冶金的な結合が良好になるという特長もみられる。
焼結は通常の方法で行なわれる。焼結温度は1120〜1150℃程度とする。この温度は、上記した従来技術の焼結温度より低い通常の鉄系焼結合金の焼結温度である。
焼結体の歯車転造は、スプロケット焼結体を回転自在の軸に固定し、二つの歯車を焼結体の歯部に押圧回転させる通常の転造機を用いて行うことができる。これにより、焼結スプロケットの歯部表面が塑性変形し緻密化される。緻密化された表層は、より高い密度であれば耐面圧疲労がより優れたものになるが、緻密化された表層部の相対密度が95%以上であれば、熱処理品の耐摩耗性は十分なものとなる。
転造代を多くした場合には、転造されるスプロケット素材の歯部の端部に余肉のはみ出しを生じることがあり、この余肉のはみ出しを考慮して、予め圧粉成形体の歯部縁を面取りした形状にしておくことが望ましい。また、例えば特開平11−347674号公報に記載されているように、転造装置に付設された切削バイトを転造されている焼結スプロケットに押し当てて歯部端面に突出する余肉を転造中に切削除去する方法を採用することも望ましい。
転造されたスプロケット素材は、必要に応じて端面等を切削加工し、焼入れおよび焼戻しされる。焼結および転造したままでは十分な耐摩耗性が得られないので、耐面圧、耐ピッチング性を確保するために、少なくとも歯部表面がマルテンサイト組織である硬質とすることが必要である。ここでいう硬質とは、表面硬さが700HV以上である場合に相当する。
焼入れは、通常の浸炭焼入れによることができるが、焼結合金のオーステナイト化温度領域(A3変態点以上の領域)において、2段階の異なる温度で保持した後、急冷する方法が望ましい。即ち、浸炭焼入れ処理において、1段目の加熱を比較的高温にして緻密化された表面部に浸炭した後、2段目の加熱は前者より低温に保持してから焼入れると、効率よく均一に浸炭され、焼入れ硬さが高く、鉄の残留オーステナイトの発生がなく、熱処理歪が少ない寸法精度の良好なものが得られる。この場合、1段目の加熱の前半は、浸炭性ガス雰囲気として浸炭させ、後半は脱炭しない程度のガス雰囲気にして主に拡散を図ることができる。加熱時間は、結晶粒が粗大化しない範囲とされる。1段目の加熱は、900〜950℃(A3変態+約100℃)、2段目の加熱は、830〜870℃(A3変態+約50℃)程度である。
焼戻しは、鉄鋼材料に施す焼戻しと同様に、温度を180℃前後とし、大気中で行うことができる。
以下、合金組成は質量%であるが、簡略化のため、%で表す。
実施例1のスプロケットは、その製作に際し、まずMoを1.5%含有するFe−Mo合金鉄粉に0.8%の黒鉛粉と潤滑剤とを含む混合粉を温度130℃に加熱し、150℃に加熱した金型を用いて圧縮成形した後、温度1140℃で焼結した。次いで、焼結されたスプロケット素材の歯部を転造した。そして、転造されたスプロケット素材に熱処理を施した。浸炭焼入れは、最初に930℃に加熱保持し、次いで温度を下げて850℃に保持した後、油中で急冷した。焼入れ品は180℃で60分間焼戻しした。
実施例2のスプロケットも、実施例1のスプロケットと同様の手順で製作した。実施例2のスプロケットが実施例1のスプロケットと異なる点は、FeおよびMoの合金粉末の周りにNiの金属粒子が拡散接合している合金鉄粉に0.8%の黒鉛粉および潤滑剤を含むものを使用混合粉末とした点である。上記合金鉄粉の組成はNiが2%、Moが1.5%とした。
実施例3のスプロケットも、実施例1のスプロケットと同様の手順で製作した。混合粉末は、鉄粉粒子の周りにNi,Mo,Cuの金属粒子が拡散接合している鉄粉に0.8%の黒鉛粉と潤滑剤を含むものである。上記合金鉄粉の組成はNiが2%、Moが0.5%、Cuが2%である。
実施例4のスプロケットは、実施例2のスプロケットと同様の手順で製作したものである。実施例4のスプロケットが実施例2のスプロケットと異なる点は、焼結温度を1190℃とした点である。
<比較例1の試料>
上記した公開公報中の実施例1に相当するものであり、鉄粉粒子の周りにNi,Mo,Cuの金属粒子が拡散接合している鉄粉に1%の黒鉛粉と潤滑剤を含む混合粉を用いた。上記合金鉄粉の組成は、Niを4%、Moを0.5%、Cuを2%とした。各実施例と同様に温間粉末成形し、温度1195℃で焼結して焼結体を得た。
上記した公開公報中の実施例4に相当するものである。比較例1と同様の方法によって得た圧粉体を1200℃で焼結して製作した焼結体素材の歯部に高周波焼入れ焼戻しを施したものである。
上記した公開公報中の実施例3に相当するものである。Fe−Mo合金粉末の周りにNi粉末粒子が拡散接合し、Moが1.5%、Niが2%の鉄合金粉末に、1%の黒鉛粉と潤滑剤を含む混合粉を用い、温間成形した成形体を温度1260℃で焼結した後、通常の浸炭焼入れ、焼戻しを施したものである。
各実施例のスプロケットの歯部の断面顕微鏡組織は、各焼結体の結合炭素量が0.6%程度のパーライト組織であり、転造された表層部の気孔量は1〜3面積%程度であった。また、焼入れされたスプロケットの歯部近傍は、マルテンサイト組織であった。
各焼結スプロケットを市販の自動車用ガソリンエンジンに搭載し、下記の(1)〜(5)の条件の下で実際に運転した場合のスプロケットの歯部の摩耗量を形状測定機を用いて測定した。
(1)試験時のサイレントチェーン張力(片張り):1500N
(2)エンジン回転数:6000rpm
(3)試験時間:100時間
(4)試験用オイル:5W−30SG
(5)試験温度:110℃
表1に、焼結合金中のCu,Ni,Mo含有量、焼結温度、転造の有無、焼入れ方法、スプロケットと同じ方法で製作された試験片の物性、およびスプロケットの摩耗量を示す。スプロケットの摩耗量は、比較例1の摩耗量を100としたときの指数で示す。
これらの結果から明らかなように、温間成形の特長を生かして密度を高くすれば、当然に摩耗量をより減少させることができる。
Claims (6)
- 下記(1)〜(3)のいずれかの焼結合金からなり、歯部の表層部が転造によって相対密度を95%以上に緻密化され、焼結合金のオーステナイト化温度領域において、900〜950℃で保持する1段目の加熱を行った後、830〜870℃で保持する2段目の加熱を行ってから、急冷する態様の浸炭焼入れ処理を施され、少なくとも歯部表面がマルテンサイト組織であり、表面硬さが700HV以上であることを特徴とする内燃機関のクランク軸、カム軸、バランサー軸、またはウォーターポンプ軸のいずれかに用いられるサイレントチェーン用焼結スプロケット。
(1)Mo:1.0〜2.0質量%を含有しているFe−Mo−C系焼結合金
(2)Mo:1.0質量%を超え2.0質量%以下、Ni:1.0質量%を超え2.5%以下を含有しているFe−Mo−Ni−C系焼結合金
(3)Mo:0.3〜1.0質量%、Ni:1.5質量%以上3.0質量%未満、Cu:1.0〜2.5質量%を含有しているFe−Mo−Ni−Cu−C系焼結合金。 - 粉末の組成が質量比で下記の(1)〜(3)のいずれかの合金鉄粉を用い、前記合金鉄粉と黒鉛粉末との混合粉末を成形および焼結した素材を転造して表面を緻密化した後、焼結合金のオーステナイト化温度領域において、900〜950℃で保持する1段目の加熱を行った後、830〜870℃で保持する2段目の加熱を行ってから、急冷する態様の浸炭焼入れおよび焼戻しを行って少なくとも歯部表面をマルテンサイト組織とし、表面硬さを700HV以上とすることを特徴とするサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
(1)Mo:1.0〜2.0%、残部:Feおよび不可避的不純物
(2)1.0%<Mo≦2%、1.0%<Ni≦2.5%、残部:Feおよび不可避的不純物
(3)Mo:0.3〜1.0%、1.5%≦Ni<3.0%、Cu:1.0〜2.5%、残部:Feおよび不可避的不純物 - 混合粉末の圧粉成形が温間成形であることを特徴とする請求項2に記載のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
- 転造によって歯部表面の相対密度を95%以上とすることを特徴とする請求項2または3に記載のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
- 転造されるスプロケット素材の歯部が、転造による余肉のはみ出しをあらかじめ考慮して面取りされていることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
- 転造を行っている最中に、転造によりワークの歯部端面に突出する余肉を、転造機に付設した除去工具を用いて除去することを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載のサイレントチェーン用焼結スプロケットの製造方法。
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