JP5073510B2

JP5073510B2 - 寸法精度に優れた焼結部品の製造方法

Info

Publication number: JP5073510B2
Application number: JP2008008903A
Authority: JP
Inventors: 唯之筒井
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP2009167489A

Description

本発明は、歯車等の機械部品に使用される焼結部品の製造方法に係り、特に、寸法精度の良好な焼結部品を製造するための製造方法に関する。

粉末冶金法により得られる焼結部品は、ニアネットシェイプに造形できることや、大量生産に向くことから自動車部品を中心に各種産業機械部品に適用されている。このような焼結部品の内、機械的強さや硬さが必要な用途については、焼入れ・焼き戻し等の熱処理を施したものが適用されている。また、歯車については、近年のエンジンの高出力化の要求から、焼結部品の全体を高密度化したり（特許文献１）、特に機械的強さや硬さが要求される歯先のみを高密度化したり（特許文献２、３）した上で、焼入れ・焼き戻し等の熱処理を施したもので対応している。

特開２００５−０４２８１２号公報特開２００２−１２９２９５号公報特開２００５−０５４９８９号公報

ところで、近年では、機構の複雑化にともない、焼結部品の形状が複雑になるとともに、要求される寸法精度もより厳しくなってきている。図２は、このような焼結部品の一例の可変バルブタイミング機構に用いられるスプロケットである。スプロケット１は、歯車を有するカムスプロケット１ａと上部のボディ１ｂが一体となった形状であり、大径のカムスプロケット１ａの外周に歯部１１を有するとともに、小径のボディ１ｂの外周は円形となっている。またスプロケット１の内周は、カムスプロケット１ａとボディ１ｂに亘って一様な形状であり、そこには複数の凸部１２が形成されている。また、隣接する凸部１２の間には、薄肉部が形成されている。この凸部１２の一部は、他のものよりも間隔を大きくとって配置されているため、薄肉部は、一つの距離の長い薄肉部１３ａと、複数の距離の短い薄肉部１３ｂとから構成される変則的な形状となっている。

このような形状のスプロケット１においては、焼入れ時に各部でマルテンサイト変態が完了するタイミングがずれるとともに、各部でマルテンサイト変態による体積膨張量が異なる。すなわち、マスの小さい薄肉部は容易に冷却されるため急激にマルテンサイト変態が起こり、内径部の膨張量が大きいが、マスの大きい部分では表面から冷却されるため、外周部がマルテンサイト変態により膨張し、それ以上の膨張を拘束するため内周部の膨張量が比較的小さくなる。このためスプロケット１においては、マスが小さい薄肉部１３ａと薄肉部１３ｂは、マルテンサイト変態による体積膨張を起こそうとするが、その下部ではマスが大きいカムスプロケット１ａに拘束されているため、開口している薄肉部の上部のみが膨張する。また、このとき距離の短い薄肉部１３ｂは、凸部１２によって膨張が拘束される。この結果、スプロケット１のカムスプロケット１ａと、薄肉部１３ａと薄肉部１３ｂを含む上部とで膨張量が異なり、さらに、凸部１２による拘束を受けにくい薄肉部１３ａは、薄肉部１３ｂよりも大きく膨張する。このように、マルテンサイト変態による体積膨張量が各部で異なるためスプロケット１は変形し易く、寸法精度を良好に保つことが難しい。

このような変形を生じたスプロケットでは、運転時に振動が生じたり、摩耗が発生し易く、騒音が大きくなる等の問題が発生する。また、熱処理体はマルテンサイト組織となっているため、この変形をサイジング等により矯正することは不可能である。このため、変形を矯正するには切削加工等の方法が用いられる。しかしながら、熱処理体の加工は難しく、加工費の増加や、加工による材料ロスから原料費も増加する。

したがって、本発明は、近年のエンジンの高出力化に対応するとともに、製品形状が複雑であっても優れた寸法精度を有する焼結部品を製造する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の焼結部品の製造方法は、鉄を主成分とする原料粉末を金型のキャビティに充填し、上下パンチで圧粉成形する成形工程と、成形工程で得られた成形体を鉄の融点未満の温度に加熱して焼結する焼結工程と、焼結工程で得られた焼結体の少なくとも一部を機械的に圧縮して緻密化させる緻密化工程と、緻密化工程で得られた加工体を浸炭性雰囲気中、７００〜１３００℃の温度で再焼結する再焼結工程と、再焼結工程で得られた再焼結体に高周波焼入れを行う高周波熱処理工程とからなり、前記焼結体の炭素量は０．５質量％以下であることを特徴とする。上記緻密化工程は、転造もしくは冷間鍛造により行われることが好ましい。

本発明の焼結部品の製造方法によれば、少なくとも歯部を緻密化して高密度とするため近年のエンジンの高出力化に対応できるとともに、製品形状が複雑形状であっても優れた寸法精度を発揮できるので、製品の切削加工等による加工費や原料費の増加を抑制できるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態である焼結部品の製造方法と、従来例として特許文献２の製造方法を図１に示す。以下、図１に基づいて本発明の実施形態について説明する。ただし、鉄を主成分とする原料粉末を金型のキャビティに充填し、上下パンチで圧粉成形する成形工程と、成形工程で得られた成形体を鉄の融点未満の温度に加熱して焼結する焼結工程とについては、本発明例、従来例とも共通である。

［原料粉末］
原料粉末は、焼結部品に機械的強さを付与するため、鉄を主成分とする原料粉末を用いる。鉄以外の成分元素としては、特許文献１〜３等のように、銅、ニッケル、モリブデン等の成分元素を必要に応じて添加してもよい。また、鉄以外の成分元素は、単味粉末の形態で付与してもよく、一部または全部を合金粉末の形態で付与してもよい。さらに、鉄以外の成分元素の添加量は、多量に添加すると原料粉末の圧縮性を損ねるため、総量で１０質量％以下とすることが好ましい。

［成形工程］
成形工程は、焼結部品の外周面を形成する型孔を有する金型と、金型の型孔と摺動自在に嵌合する上下一対のパンチ、焼結部品が内孔を有する場合には焼結部品の内周面を形成するコアロッドとから構成される金型装置を用い、金型の型孔と下パンチ、場合によってさらにコアロッドとからなるキャビティに上記の原料粉末を充填し、上下一対のパンチにより原料粉末を圧粉成形することで行われる。成形圧力は５００〜８００ＭＰａ程度が適当である。この場合、得られる成形体は、密度が６．７〜７．２Ｍｇ／ｍ^３程度となる。

［焼結工程］
焼結工程は、成形体を加熱して、原料粉末どうしの成分元素を相互に拡散させて、原料粉末どうしを冶金的に結合する工程である。原料粉末の主成分である鉄の融点を超える温度に加熱すると成形体が溶融して型崩れが生じるため、鉄の融点未満の温度で行う。具体的には、１０００〜１３００℃程度が適当である。

［緻密化工程］
近年のエンジンの高出力化に対応するため、得られた焼結体は緻密化工程により少なくとも歯部の密度を高めて機械的強さを付与する必要がある。この緻密化工程として、本発明では転造法または冷間鍛造法を用いて歯部の密度を高める。また、冷間鍛造法によって焼結体全体の密度を高めてもよい。ただし、焼結体全体の密度を高めるのに比して歯部のみ密度を高める方が加工効率が高いため好ましい。歯部の密度は、具体的には密度比で９５％以上とすることが好ましい。

この緻密化工程において、焼結体の硬さが低いほど緻密化が容易である。このため、焼結体の炭素量は０．５質量％以下とする。焼結体の炭素量が０．５質量％を越えると軟質なフェライト相の割合が低下して緻密化工程における密度の向上が困難となる。

［再焼結工程］
上記の緻密化工程により少なくとも歯部の密度は向上するが、緻密化工程により閉塞した気孔は冶金的に結合しておらず、欠陥に近い状態で存在している。このため、本発明の焼結機械部品の製造方法においては、緻密化工程の後、再焼結を行う。この再焼結によって閉塞した気孔は冶金的に結合して消失し、欠陥の無い、機械的強さの高い基地が得られる。

また、焼結体は緻密化工程を行い易くするため、その炭素量を０．５質量％としたが、再焼結時には焼結雰囲気として浸炭性雰囲気を採用し、再焼結時に低炭素量の焼結体に雰囲気ガスにより浸炭処理を行い、焼結体の機械的強さおよび硬さを向上させる。焼結体への浸炭量は、要求される機械的強さおよび硬さにより適宜決定されるが、一般的には浸炭性雰囲気のカーボンポテンシャルは０．５〜１．３質量％程度が適当である。この再焼結工程により、再焼結体は、所要の機械的強さを得るために必要な炭素量を含有することが出来る。

再焼結温度は、７００℃に満たないと緻密化した部位の焼結が進行し難く、また浸炭性雰囲気における焼結体への浸炭が難しくなる。一方、１３００℃を越えると焼結体が軟化して寸法精度の低下が生じる。このため再焼結温度は７００〜１３００℃とする。

［高周波熱処理工程］
上記の再焼結工程により得られた再焼結体に焼入れ処理を施すことで、焼結部品に対して要求される機械的強さと硬さを付与する。本発明の焼結部品の製造方法においては、焼入れ方法として、高周波加熱による高周波焼入れを採用する。高周波加熱は、いわゆる誘導加熱とも云われ、誘導加熱コイルの中に被加熱体を配置し、誘導加熱コイルに高周波電流を流して被加熱体に誘導電流を発生させ、その抵抗熱によって被加熱体を加熱する方法である。そして、高周波加熱後油中もしくは防錆剤等を添加した水中等に浸漬を行う方法が高周波焼入れである。このような高周波加熱は短時間で加熱が可能であるため、再焼結体が高温に曝される時間が短く、再焼結体に蓄積する歪量を抑制できるため、良好な寸法精度のものが得られる。また、高周波加熱は、高周波電流の周波数が高いほど、誘導電流は被加熱体の表面に集中して流れて、表面のみが加熱されるという特徴を有している。このため高周波加熱においては、高周波電流の周波数を調整することで、部分的な加熱、例えば歯部のみの加熱が可能である。したがって、全体を焼入れする必要がなく歯部のみ機械的強さと硬さが要求されるような場合においては、歯部のみ焼入れすれば、歯部以外の箇所に不要な歪が発生しないため、より良好な寸法精度が得られる。さらに、高周波焼入れした場合、表面層にマクロ的な高い圧縮残留応力が生じて、焼入れにより向上する表面硬さがより一層向上するという効果（いわゆる高周波焼入れの超硬さ）も得ることができ、この圧縮残留応力により疲れ強さ向上の効果も得ることができる。

高周波焼入れを行った後は、通常の焼入れの場合と同様に、焼戻し処理を行うことが推奨される。この焼戻し処理により、焼入れ処理に付与された硬さを低下させることなく、引っ張り残留応力を除去して、引張り強さ、降伏強さ、弾性限度等の機械的強さを向上させることができる。焼戻し温度としては１５０〜２２０℃程度が適当である。

以上の工程からなる本発明の焼結部品の製造方法は、緻密化工程により少なくとも歯部の密度を高密度とするとともに、この緻密化工程を行い易くするため焼結体を低炭素量のものとし、緻密化工程の後に再焼結工程を行うことで、閉塞気孔の消失と焼結体への浸炭を行い、焼結体に必要な炭素量を付与する。また、再焼結後の熱処理として高周波加熱により焼入れすることで、焼結部品に発生する歪量を抑制しつつ焼入れを行い、良好な寸法精度とするとともに、焼結部品に必要な機械的強さと硬さを付与する。

一方、従来の焼結部品の製造方法においては、緻密化工程（転造）の後、浸炭焼入れを行うものであり、加熱時間が長くなるとともに、浸炭処理を行うことから、焼入れ時に発生する歪量が多い。したがって、平歯車等の単純な歯車形状の場合は、部位による歪量の差が発生しないため、ある程度問題のない寸法精度とすることができるが、図２に示すスプロケットのような、複雑形状の場合に、寸法精度の問題が顕著となる。

実施例１
Ｎｉ：０．５質量％、Ｍｏ：０．５質量％、および残部がＦｅと不可避不純物からなる合金粉末に、焼結体の炭素量が０．３質量％となる量の黒鉛粉末を添加、混合し、図２に示す形状（オーバーボール径が９４ｍｍ）のスプロケットを密度７．０Ｍｇ／ｍ^３で成形を行った。そして、得られた成形体を分解アンモニアガス雰囲気中において１１３０℃で焼結を行って焼結体を作製した。次いで、表層から０．１ｍｍまでの密度が７．５Ｍｇ／ｍ^３以上となるよう、焼結体の歯面を転造した。

得られた転造体試料について、表１に示す工程で再焼結、焼入れおよび焼戻しを行い試料番号０１〜０５の試料を作製した。再焼結は８５０℃で６０分間保持して行い、浸炭性雰囲気の場合はＣＰ値が０．８％の浸炭性ガスを用い、還元性雰囲気の場合は分解アンモニアガスを用いた。浸炭焼入れでは、ＣＰ値が０．８％の浸炭性ガスを用い、８５０℃で６０分間保持した後、油中に浸漬を行った。光輝焼入れでは、窒素ガス雰囲気中、８５０℃で６０分間保持した後、油中に浸漬を行った。焼戻しは大気中、１８０℃で６０分間保持して行った。

得られた試料番号０１〜０５の試料について、歯面の表面から１００μｍの深さの位置の硬さ（試験力０．９８Ｎのビッカース硬さ）を測定するとともに、外径（オーバーボール径）の寸法を測定して外径の最大値と最小値の差を寸法差として求めた。これらの結果を表１に併せて示す。

表１より、従来例である試料番号０５の試料は寸法差が１２４μｍと大きい値を示しており、変形が大きい。一方、本発明例である試料番号０１の試料は、硬さが従来例（試料番号０５）と同等であり、寸法差が７８μｍと小さい値となっており、焼入れによる変形の少ないことがわかる。

また、表１より、再焼結を還元性雰囲気で行った試料番号０２の試料は、寸法差が本発明例（試料番号０１）と同等の小さい値を示すが、表面の炭素量が乏しいため、硬さが低い値となっている。浸炭焼入れを行った試料番号０３の試料、および光輝焼入れを行った試料番号０４の試料は、寸法差が従来例（試料番号０５）と同等であり、いずれも焼入れ時の変形が大きいことがわかる。

以上より、浸炭性雰囲気中で再焼結を行うとともに高周波焼入れを行う本発明の製造方法によれば、硬さを低下させることなく、焼入れ時の変形を防止して良好な寸法精度を有する焼結部品を得られることが確認された。

実施例２
実施例１の試料番号０１の製造工程において、再焼結温度を６００〜１３５０℃まで変化させ、他の条件は同一として、試料番号０６〜１１の試料を作製した。これらの試料についても実施例１と同様にして硬さを測定するとともに、寸法差を求めた。この結果を表２に示す。なお、再焼結温度が８５０℃の例は、実施例１の試料番号０１の値である。

表２より、再焼結温度が７００℃に満たない試料番号０６の試料では、転造により緻密化した部位の焼結が進行せず、硬さが低い値となっている。また、再焼結温度が１３００℃を超える試料番号１１の試料では、再焼結温度が高く、転造体の変形が生じて寸法差が大きい値を示している。一方、再焼結温度が７００〜１３００℃の温度範囲では、充分な硬さを示すとともに、寸法差が小さく良好な寸法精度を示すことがわかる。

実施例３
実施例１の試料番号０１の製造工程において、黒鉛粉末の添加量を変えて焼結体の炭素量を変化させ、他の条件は同一として、試料番号１２〜１５の試料を作製した。これらの試料についても実施例１と同様にして硬さを測定するとともに、寸法差を求めた。この結果を表３に示す。なお、焼結体の炭素含有量が０．３質量％の例は実施例１の試料番号０１の値であり、試料番号１２の試料は黒鉛粉末を添加しない場合の例である。

表３より、焼結体の炭素量が０．５質量％を超える試料番号１５の試料では、焼結体が硬くなり、転造工程において歯面が充分に緻密化できず、歯面の密度が７．４Ｍｇ／ｍ３程度にしかならなかった。また、焼結体の硬さが高いことから、転造工程における焼結体の歯部に蓄積する歪み量が大きく、再焼結時に開放される歪み量が大きくなり、寸法差が大きい値となった。一方、焼結体の炭素量が０．５質量％以下の試料では、いずれの試料も転造工程において歯面が充分に緻密化され、歯面の密度が７．６Ｍｇ／ｍ３以上となっていた。また、焼結体の硬さが小さいことから、転造工程で焼結体の歯部に蓄積する歪み量が小さく、再焼結時に開放される歪み量が小さくなるため、寸法差が小さい値となった。このことから、焼結体の炭素量は０．５質量％以下とする。

従来および本発明の焼結部品の製造方法の一例を示す概略図である。焼結部品の一例であるスプロケットを示す模式図である。

符号の説明

１スプロケット
１ａカムスプロケット
１ｂボディ
１１歯部
１２凸部
１３ａ薄肉部
１３ｂ薄肉部

Claims

鉄を主成分とする原料粉末を金型のキャビティに充填し、上下パンチで圧粉成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた成形体を鉄の融点未満の温度に加熱して焼結する焼結工程と、
前記焼結工程で得られた焼結体の少なくとも一部を圧縮して緻密化させる緻密化工程と、
前記緻密化工程で得られた加工体を浸炭性雰囲気中７００〜１３００℃の温度で再焼結する再焼結工程と、
前記再焼結工程で得られた再焼結体を高周波加熱により加熱して、焼入れを行う高周波熱処理工程と、
からなり、
前記焼結体の炭素量は０．５質量％以下であることを特徴とする寸法精度に優れた焼結部品の製造方法。
前記緻密化工程は、転造もしくは冷間鍛造によることを特徴とする請求項１に記載の寸法精度に優れた焼結部品の製造方法。