JP4993367B2 - 焼結機械部品のクラック検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結機械部品に発生するクラックの有無を検出する方法に関する。

焼結機械部品は、金属粉末などの原料粉末を金型に充填して圧縮成形して得られた圧粉体を焼結して原料粉末どうしを元素の拡散により結合させたものである。このような焼結機械部品は製法に起因して、その内部に多くの気孔を有している。

このような焼結機械部品においては、製品重量の軽減の目的で、肉抜き形状とし、外輪部と、内輪部と、これら内輪部と外輪部を連結する複数の腕部とにより構成したものがある。このような構成の焼結機械部品は、例えば、自動車などに用いられる歯付きベルトプーリなどに適用されている（特許文献１参照）。

実開平０２−２２４４８号公報

ところで、焼結機械部品は、原料粉末を金型に充填して圧縮成形して圧粉体を得、その圧粉体を焼結して得られるものである。圧粉体は原料粉末どうしが一部で絡み合っているのみで形状を保っている状態であり、脆いものである。そのため、焼結前の圧粉体の取扱い時（例えば焼結炉までの搬送時など）において、圧粉体に衝撃が与えられた場合、圧粉体にクラックが生じる場合がある。また、上記文献に記載されているような焼結機械部品は、成形工程において内輪部、外輪部および腕部をそれぞれ上下一対のパンチを３組用いて圧縮することから、各パンチの上下動のタイミング調整が比較的難しい形状である。すなわち、各パンチの上下動のタイミングがずれると、先に圧縮されて固まった原料粉末と、後から圧縮されて固まる原料粉末との界面で原料粉末どうしの絡みが生じ難くなり、圧粉体にクラックが発生し易くなる。圧粉体は焼結されることで、原料粉末どうしが互いに拡散接合して強固な焼結機械部品となるが、クラックが発生した部位では、焼結されても原料粉末の拡散が生じず、焼結機械部品にそのまま残留することとなり、強度低下の一因となる。特に、上記文献に記載されているような焼結機械部品においては、腕部が細いため、腕部にクラックが生じ易い。

上記のようにして発生したクラックを有する焼結機械部品は、強度が低下し、所定の仕様を満たさないため、廃棄することになる。従来、クラックの検出は、目視や、磁気探傷により行われている。しかしながら、焼結機械部品は、上記のように、その内部に多数の気孔を有するものであるため、大きなクラックについては探傷可能であるが、微細なクラックについては気孔とクラックとの判別を行いにくい。そのため、クラックの検出は、専ら、熟練者の目視による選別に頼っている。一方、溶製鋼材の場合には、クラックや巣の検出に各種検出方法が提案され、実施されている。しかしながら、焼結機械部品の場合、上記のように溶製鋼材の巣に該当する気孔を多数その内部に有するものであり、焼結機械部品に適したクラック検出方法は、未だ確立されていない。

よって本発明は、焼結機械部品のクラック検出方法において、容易かつ確実にクラックを検出することのできる方法を提供することを目的とする。

本発明の焼結機械部品のクラック検出方法は、 内輪部と、外輪部と、これら内輪部と外輪部とを連結する複数の腕部とを備えた焼結機械部品に対して、焼結機械部品の製造工程の一つである焼結工程を行う焼結炉から該焼結機械部品の温度が外気温よりも高くなるよう設定して出炉した直後に、前記内輪部および前記外輪部のいずれか一方を冷やし金を用いて冷却することにより、前記内輪部および前記外輪部の間に温度勾配を設け、該焼結機械部品の腕部の温度分布状態を温度分布可視化手段で観察することによってクラックを検出することを特徴としている。
また、本発明の焼結機械部品のクラック検出方法は、円環状のボス部と、前記ボス部と同心状の歯部と、前記ボス部と前記歯部とを連結するリム部とを備えた焼結機械部品に対して、焼結機械部品の製造工程の一つである焼結工程を行う焼結炉から該焼結機械部品の温度が外気温よりも高くなるよう設定して出炉した直後に、前記ボス部および前記歯部のいずれか一方を冷やし金を用いて冷却することにより、前記ボス部および前記歯部の間に温度勾配を設け、該焼結機械部品の温度分布状態を温度分布可視化手段で観察することによってクラックを検出することを特徴としている。

本発明のクラック検出方法では、焼結機械部品の一方の位置と他方の位置（前者発明では内輪部と外輪部、後者発明ではボス部と歯部）との間に温度勾配を設け、この温度勾配を設けた焼結機械部品の熱の移動を温度分布可視化手段により観察することで、焼結機械部品に発生したクラックを検出する。熱は、高温側から低温側へ移動する。このとき、２位置間にクラックが発生していると、このクラックで熱の移動が遮られる。そのため、熱の移動を観察すれば、クラックの有無を判断することができる。
上記の前者発明の場合、内輪部と外輪部との間に温度勾配を設け、熱の移動を温度分布可視化手段により観察することで、腕部に発生したクラックを検出する。このとき、腕部にクラックが発生していると、このクラックで熱の移動が遮られるため、クラックの有無を判断することができる。

また、焼結機械部品に発生するクラックには、熱が滞留する。このため、クラックが発生してない焼結機械部品では、時間が経つにつれて熱が高温側から低温側へ均一に広がり、全体的にほぼ同じ温度になる。ところが、クラックが発生している焼結機械部品では、クラックに熱がこもり、時間が経過してもクラックの部分だけが周囲に比べ高温の状態になる。そのため、温度分布状態を観察すれば、クラックの有無を判断することができる。このような熱移動の遮断や熱の滞留は、クラックの大きさに関係なく発生するため、微細なクラックでも容易かつ確実に検出することができる。

本発明では、上記の焼結機械部品の２位置間に温度勾配を設ける方法として、焼結工程を行う焼結炉から焼結機械部品の温度が外気温よりも高くなるよう設定して出炉した直後に、一方の位置および他方の位置のいずれか一方を冷やし金を用いて冷却する方法が採られ、このため、一様な温度に加熱された焼結機械部品が得られる。これにより、後から加熱する必要がなくなるため、焼結機械部品を加熱する際に使われるエネルギーや、加熱する時間を節約できる。そのため、より効率的にクラックの検出を行うことができる。

本発明の焼結機械部品のクラック検出方法によれば、焼結機械部品の内輪部と外輪部、またはボス部と歯部といった２位置間に温度勾配を設け、その際の焼結機械部品の温度分布状態を温度分布可視化手段により観察することで、２位置間に生じたクラックの有無が容易に判断できる。そのため、熟練者によらずとも、クラックを容易かつ確実に検出できるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［１］プーリ
図１の符号１は、自動車のエンジンなどに用いられるプーリである。このプーリ１には、内輪部２と、外輪部３と、複数の腕部４（図では６個）とが備わっている。プーリ１の中心には、軸穴５が形成されており、この軸穴５にシャフトなどが挿着される。腕部４は、周方向に等間隔をおいて配設されており、内輪部２と外輪部３とを連結している。外輪部３の外周には、歯部３ａが備わっており、この歯部３ａに歯付ベルトなどが噛合する。このプーリ１は、粉末冶金法で形成される焼結機械部品である。以下、このプーリ１の製造方法について説明する。

プーリ１の製造方法として、まず最初に、所定の組成に配合された金属粉末と成形潤滑剤とを、混合機に混入し、金属粉末と成形潤滑剤とが均一に分散するように混合して原料粉末を得る。

原料粉末が作製されたら、ダイと上下パンチの組み合わせからなる粉末プレス機を用いて圧粉体に成形する。原料粉末を、粉末プレス機にセットされる金型に入れ、この原料粉末に高圧をかけて押し固めた後、金型から抜き出すことで、圧粉体が得られる。このプーリ１の成形工程では、内輪部２、外輪部３および腕部４をそれぞれ上下一対のパンチを３組用いて原料粉末を圧縮させる。

原料粉末を圧縮成形して得られた圧粉体は、原料粉末の粉末粒子が互いに絡み合うだけで、機械部品としての強度はほとんど無い。そのため、圧粉体を融点以下の温度で加熱する焼結を行うことによって焼結体とし、焼結機械部品としての強度を与える。焼結体を得た後、高い精度の寸法および形状の焼結機械部品を得るためのサイジングを必要に応じて行う。このようにして、所望の強度を備えた焼結機械部品であるプーリ１を得る。

上記の成形工程で得られる圧粉体は、原料粉末どうしが一部で絡み合っているのみで形状を保っている状態であり、極めて脆いものである。そのため、焼結炉までの搬送などで圧粉体に衝撃が与えられた場合、圧粉体にクラックが生じる場合がある。また、プーリ１は、成形工程において内輪部２、外輪部３および腕部４をそれぞれ上下一対のパンチを３組用いて圧縮することから、各パンチの上下動のタイミング調整が比較的難しい形状である。この成形工程で各パンチの上下動のタイミングがずれると、先に圧縮されて固まった原料粉末と、後から圧縮されて固まる原料粉末との界面で原料粉末どうしの絡みが生じ難くなり、圧粉体にクラックが発生し易くなる。圧粉体は焼結されることで、原料粉末どうしが互いに拡散接合して強固な焼結機械部品となるが、クラックが発生した部位では、焼結されても原料粉末の拡散が生じず、焼結機械部品にそのまま残留することとなり、強度低下の一因となる。特に、プーリ１は、腕部４が細いため、腕部４にクラックが生じ易い。

［２］クラック検出方法の参考形態
以下、クラック検出方法について説明する。
まず最初に、プーリ１に温度勾配を設けるため、プーリ１を加熱する。プーリ１を加熱する方法として、高周波などを用いた加熱装置で、内輪部２または外輪部３のいずれか一方を加熱する。プーリ１を加熱するとき、必ず腕部４を間にして温度勾配が設けられるようにする。プーリ１の加熱側が一定の温度に達したらプーリ１への加熱を終了し、温度分布可視化手段を用いてプーリ１の温度分布を観察する。この温度分布可視化手段として、例えば「株式会社チノー製：ＣＰＡ８２００」を用いる。温度分布可視化手段は、温度分布を確実に観察することができるものであれば、上記以外のものを用いても構わない。このとき、腕部４にクラックが発生していない場合では、熱が、高温の加熱側から腕部４を通過して低温の非加熱側へ円滑に移動する。しかしながら、腕部４にクラックが発生していると、熱の移動がクラックで遮断され、熱が移動しにくい。そのため、加熱したプーリ１の熱の移動状態を温度分可視化手段で観察することで、クラックの有無が確認できる。

図２は、２つのプーリ１の腕部４の外観と、プーリ１の外輪部３（各図の左上部分）を加熱して腕部４を温度分布可視化手段を用いて観察したものである。この温度可視化手段の温度分布として、色の濃い順で低温から高温の領域となる。図２Ａの外観では、腕部４にクラックが発生しているか判断できない。図２Ａのプーリ１の外輪部３を加熱し、熱の移動状態を温度分布可視化手段で観察してみると、熱が腕部４を通じて内輪部２へ円滑に移動し、灰色の領域が腕部４から右下の内輪部２にかけてほぼ均一に広がる。図２Ｂの外観では、腕部４のほぼ中央にクラックを図示したが、仮に、このクラックが外観で判断できないとする。図２Ｂのプーリ１の外輪部３を加熱し、熱の移動状態を温度可視化手段で観察してみると、腕部４のほぼ中央部を境にして、薄い色と濃い色との領域が分かれる。すなわち、図示したクラックを境目にして、外輪部３から内輪部２への熱の移動が遮断され、高温の領域と低温の領域とが分かれている状態になる。このように、腕部４にクラックが発生していると、クラックを境目にして熱の移動が遮断されてしまうことが分かる。

上記参考形態では、プーリ１の内輪部２と外輪部３との間に温度勾配を設け、この温度勾配を設けたプーリ１の熱の移動状態を温度分布可視化手段により観察することで、腕部４に発生したクラックを検出する。熱は、高温の加熱側から腕部４を通過して低温の非加熱側へ移動する。このとき、腕部４にクラックが発生していると、このクラックで熱の移動が遮られる。そのため、内輪部２または外輪部３のいずれか一方を加熱し、熱の移動状態を観察すれば、クラックの有無を判断することができる。クラックの大きさに関係なく、クラックが発生していれば熱の移動が遮断されるため、外観で発見できない微細なクラックでも容易かつ確実に検出することができる。

［３］温度勾配の設け方の一実施形態
上記参考形態では、内輪部２または外輪部３のいずれか一方を加熱することでプーリ１に温度勾配を設けていたが、予めプーリ１の各部が一様な温度になるようにして、その後、内輪部２または外輪部３のいずれか一方を冷却しても上記参考形態と同様に温度勾配を設けることができる。この形態が本発明に基づく方法であり、図３を用いて説明する。

プーリ１の各部を一様な温度にするためには、プーリ１を焼結する際の熱を利用する。この焼結を行う焼結炉から出炉する際に、プーリ１の温度が外気温よりも高くなるように焼結炉を設定する。これにより、プーリ１が一定の温度を持って焼結炉から出炉される。その後、出炉したプーリ１を図３に示すような冷やし金１０、１１を用いて、内輪部２または外輪部３のいずれか一方を冷却する。この冷やし金１０、１１は、熱を吸収し易い材料で形成されている。図３（ａ）では、外輪部３だけに接触する枠状の冷やし金１０を用いて、外輪部３を冷却する。また、図３（ｂ）では、内輪部２だけに接触する台状の冷やし金１１を用いて、内輪部２を冷却する。プーリ１は冷やし金１０、１１と接触する面から冷却され、一定の時間が経過するとプーリ１の内輪部２と外輪部３とに温度の差が生じる。この結果、プーリ１に温度勾配が設けられる。その後、上記実施形態と同様に温度分布可視化手段を用いて、プーリ1の温度分布を観察し、クラックの有無を確認する。

この実施形態では、焼結炉で焼結されたプーリ１を出炉する際に、プーリ１の温度が外気温よりも高くなるよう設定して出炉することで、各部が一様な温度に加熱されたプーリ１が得られる。これにより、後から加熱する必要がなく、プーリ１を加熱する際に使われるエネルギーや、加熱する時間を節約できる。そのため、より効率的にクラックの検出を行うことができる。

［４］他の実施形態
上記実施形態では、焼結機械部品としてプーリ１を例示したが、本発明は、図４に示すシンクロナイザーハブ２０についても適用が可能である。クラックには熱が滞留するため、熱の滞留箇所を探すことでもクラックの有無を判断することができる。以下、この形態について図４〜６を用いて説明する。

図４に示したシンクロナイザーハブ２０は、自動車のトランスミッションなどに用いられるものである。このシンクロナイザーハブ２０には、円環状のボス部２１と、ボス部２１と同心状の歯部２２と、ボス部２１と歯部２２とを連結するリム部２３とが備わっている。シンクロナイザーハブ２０の中心には、軸穴２４が形成されており、この軸穴２４にシャフトなどが挿着される。歯部２２の外周には、ギヤなどが噛合する。このシンクロナイザーハブ２０は、上記実施形態のプーリ１と同様に粉末冶金法で形成される焼結機械部品である。

この実施形態のクラック検出方法では、まず最初に、上記実施形態と同様の方法でシンクロナイザーハブ２０を加熱する。次いで、図５に示すような冷やし金２５を用いて歯部２２を冷却し、ボス部２１と歯部２２との間に温度勾配を設ける。そして、温度分布可視化手段を用いてシンクロナイザーハブ２０の温度分布を観察する。

図６は、シンクロナイザーハブ２０の外観と、シンクロナイザーハブ２０を加熱して温度分布可視化手段を用いて観察したものである。図５の符号Ｃがクラックであり、図中VI方向から観察している。図６の外観では、横方向にクラックＣを図示したが、仮に、このクラックＣが外観で判断できないとする。この温度可視化手段の温度分布として、色の濃い順で低温から高温の領域となる。図６が示すように、歯部２２のほぼ全体が低温である濃い色になっているが、横方向に一本発生しているクラックの部分だけ、高温である白色を示している。これは、クラックの部分では、熱がこもり、熱が周囲に逃げないことを示している。上記実施形態では、高温側と低温側との間に生じる熱移動を観察することでクラックの有無を判断したが、この実施形態では、周囲と比較して時間が経過しても高温になっている部分を探すことで、クラックの有無を判断することができる。これにより、上記実施形態と同様に温度勾配を設け、温度分布可視化手段で観察するだけで、容易かつ確実にクラックを検出することができる。

本発明の一実施形態のクラック検出方法で腕部に発生するクラックを検出するプーリの（ａ）平面図、（ｂ）断面図である。 参考形態のクラック検出方法において、腕部に発生したクラックの有無を外観および温度分布可視化手段で観察した図である。 本発明の一実施形態に係る温度勾配の設け方を示した断面図である。 他の実施形態のクラック検出方法でクラックを検出するシンクロナイザーハブの（ａ）平面図、（ｂ）断面図である。 他の実施形態での温度勾配の設け方を示した断面図である。 他の実施形態のクラック検出方法において、シンクロナイザーハブの歯部に発生したクラックの有無を外観および温度分布可視化手段で観察した図である。

符号の説明

１…プーリ（焼結機械部品）
２…内輪部
３…外輪部
４…腕部
１０，１１，２５…冷やし金
２０…シンクロナイザーハブ（焼結機械部品）
２１…ボス部
２２…歯部
２３…リム部
Ｃ…クラック

Claims (2)

1. 内輪部と、外輪部と、これら内輪部と外輪部とを連結する複数の腕部とを備えた焼結機械部品に対して、
   焼結機械部品の製造工程の一つである焼結工程を行う焼結炉から該焼結機械部品の温度が外気温よりも高くなるよう設定して出炉した直後に、
   前記内輪部および前記外輪部のいずれか一方を冷やし金を用いて冷却することにより、前記内輪部および前記外輪部の間に温度勾配を設け、
   該焼結機械部品の腕部の温度分布状態を温度分布可視化手段で観察することによってクラックを検出することを特徴とする焼結機械部品のクラック検出方法。
2. 円環状のボス部と、前記ボス部と同心状の歯部と、前記ボス部と前記歯部とを連結するリム部とを備えた焼結機械部品に対して、
   焼結機械部品の製造工程の一つである焼結工程を行う焼結炉から該焼結機械部品の温度が外気温よりも高くなるよう設定して出炉した直後に、
   前記ボス部および前記歯部のいずれか一方を冷やし金を用いて冷却することにより、前記ボス部および前記歯部の間に温度勾配を設け、
   該焼結機械部品の温度分布状態を温度分布可視化手段で観察することによってクラックを検出することを特徴とする焼結機械部品のクラック検出方法。

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