JP5634900B2 - 焼結歯車 - Google Patents

Description

本発明は、Ｎｉ元素を含まない圧粉成形体を焼結して得られる焼結歯車に関する。

Ｎｉ元素を含まない圧粉成形体を焼結する製造技術が知られている（例えば、特許文献１（請求項１）参照。）。

特許文献１の請求項１に、「質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相とマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする鉄基焼結合金。」との記載がある。

特許文献１の技術は、高価で貴重な元素の一つであるニッケル（Ｎｉ）を必要としないため、安価な焼結合金を提供することができるという利点を有する。

歯車等の部位によって肉厚の異なる成形品の場合、ベイナイト相とマルテンサイト相の割合が部位によって異なることが明らかになった。

また、歯車においては歯先（歯部）の強度が重要であり、本発明は、歯車の歯先強度における最適なベイナイト相とマルテンサイト相の割合を達成して必要な歯先強度を得ることが求められる。

特開２００９−１８５３２８公報

本発明は、製品コストの上昇を抑えることができ、歯車等の部位によって肉厚が変化する歯車等において、最適な歯先強度を有する焼結歯車を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、焼結中に所定冷却速度で焼入れ処置が施された焼結歯車であって、
歯先から０．５〜２．０ｍｍ深さの箇所での金属組織が、断面面積率で２０〜３０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、所定冷却速度は、１１〜１２℃／分であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、焼結歯車は、スタータのリダクションギヤであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、焼結歯車は、歯先から０．５〜２．０ｍｍ深さの箇所での金属組織が２０〜３０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織である。
マルテンサイト相の比率が、７０〜８０％になり、従来の８０〜９８％よりも比率が小さい。その分だけ、靱性が増し、部位によって肉厚が変化する歯車等において、最適な歯先強度を有する焼結歯車が提供される。Ｎｉを必要としないので、製品コストの上昇を抑えることができる。

請求項２に係る発明では、所定冷却速度は、１１〜１２℃／分である。
既存の焼結設備で冷却速度は２０℃／分まで可能と言われているが、このような早い冷却速度を達成できる焼結設備は、既存とは言っても割高な設備となる。本発明では、１２℃／分上限としたので、安価な焼結設備で十分対応させることができる。

また、焼入れは５℃／分以上で可能と言われているが、その分だけ焼入れに要する時間が長くなり、生産性に影響がでる。本発明では、１１℃／分を下限としたので、焼入れに要する時間が半減し、生産性を高めることができる。

請求項３に係る発明では、歯車は、スタータのリダクションギヤとした。
リダクションギヤは、歯車の外径が４５〜８０ｍｍ、歯たけが２〜５ｍｍの小型の焼結歯車であり、製品コストの低減が強く求められる。本発明によれば、製品コストの上昇を抑えることができ、且つ圧壊荷重を大きくすることができるため、耐久性のあり、且つ安価なリダクションギヤを提供することができる。

本発明に係る焼結歯車の断面図である。 歯先からの深さ及び側面からの深さを説明する図である。 深さとベイナイト率との相関図である。 圧壊試験の要領を説明する図である。 実験から得られたベイナイト率と静圧壊荷重との相関図である。 実験から得られたベイナイト率と静圧壊荷重との相関図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、焼結歯車１０は、例えば、小径歯車部１１と大径歯車部１２とが一体形成されたスタータ用リダクションギヤである。
小径歯車部１１は、外径が約３７ｍｍ、歯数が１５、歯たけが約４ｍｍである。
大径歯車部１２は、外径が約５６ｍｍ、歯数が５３、歯たけが約１〜２ｍｍである。

焼結歯車１０の製造方法を次に説明する。
質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部がＦｅの組成となる原料粉末を十分に混合し、金型に充填し、５００〜７００ＭＰａで圧縮し、図１の形状の圧粉成形体を得る。
なお、Ｃについては、焼結後の炭素量が０．４〜０．６％になるような黒鉛粉末を混合する。

Ｃｒは２．５％を下回ると焼入れ不足が心配される。また、３．５％を超えても焼入れ性の改善は頭打ちになり、高価なＣｒの無駄な使用に繋がる。
Ｍｏも０．４％を下回ると焼入れ不足が心配される。また、０．６％を超えても焼入れ性の改善は頭打ちになり、高価なＭｏの無駄な使用に繋がる。

Ｃｕも０．５％を下回ると焼入れ不足が心配される。また、１．５％を超えても焼入れ性の改善は頭打ちになり、Ｃｕの無駄な使用に繋がる。
黒鉛粉末の形態で添加されるＣは、０．４％を下回ると焼入れ不足が心配される。また、０．６％を超えると他の元素と結合してなる炭化物の析出が見られ、強度が低下する。

得られた圧粉成形体を、焼結設備に投入する。焼結設備では、窒素ガス雰囲気中で、１１９０〜２０００℃に加熱し、焼結を促す。焼結後、１１〜１２℃／分の冷却速度で焼入れを行う。

以上に述べた焼結歯車１０の強度を、諸条件を変えながら確認し、好適条件を見出すために実験を行った。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

○実験０１：
質量比でＣｒ：２．８１％、Ｍｏ：０．４８％、Ｃｕ：０．５０％、Ｃ：０．４６％、残部がＦｅで、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１１℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。

図２（ａ）、（ｂ）に斜線を付して示すように、供試部品１０Ｂ（形状は図１と同じ。以下同様）を区分する。そして、（ａ）において、歯先１３から肉厚中心までの深さをｄ１（歯たけｈ２の１／２に相当）、歯先１４から肉厚中心までの深さをｄ２（歯たけｈ１の１／２に相当）とする。

また、（ｂ）に示すように、大径歯車部１２Ｂのみの肉厚はＴ３であり、一側面から肉厚中心までの深さをｄ３（肉厚Ｔ３の１／２に相当）とする。供試部品１０Ｂの肉厚はＴ４であり、一側面から肉厚中心までの深さをｄ４（肉厚Ｔ４の１／２に相当）とする。なお、深さｄ１〜ｄ４は図中、太線で囲った矩形領域の中心点で且つ表面から最小の深さであるとも言える。
深さｄ１〜ｄ４の箇所で、供試部品１０Ｂを切断し、切断面に現れたベイナイト相とマルテンサイト相を観察した。

そして、ベイナイト相の断面面積率＝ベイナイト相の面積／（ベイナイト相の面積＋マルテンサイト相の面積）の計算により、ベイナイト相の断面面積率（以下、ベイナイト率と言う。）を計算した。
結果を、表１に示す。

表１に示すように、ｄ１ではベイナイト率が４５％、ｄ２ではベイナイト率が４５％、ｄ３ではベイナイト率が７５％、ｄ４ではベイナイト率が８５％であった。

○実験０２：
質量比でＣｒ：２．８９％、Ｍｏ：０．４６％、Ｃｕ：１．００％、Ｃ：０．５８％、残部がＦｅで、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１２℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。実験０１と同手順でベイナイト率を計算した。
結果を、表２に示す。

表２に示すように、ｄ１ではベイナイト率が７．５％、ｄ２ではベイナイト率が１５％、ｄ３ではベイナイト率が５５％、ｄ４ではベイナイト率が５５％であった。
すなわち、冷却速度が実験０１より実験０２では速くしたため、マルテンサイトの発生率が増加し、その分だけ、ベイナイトの発生が抑えられ、ベイナイト率が小さくなった。

○実験０３：
質量比でＣｒ：２．７０％、Ｍｏ：０．４０％、Ｃｕ：０．８０％、Ｃ：０．５２％、残部がＦｅで、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１２℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。実験０１と同手順でベイナイト率を計算した。
結果を、表３に示す。

表３に示すように、ｄ１ではベイナイト率が２０％、ｄ２ではベイナイト率が３０％、ｄ３ではベイナイト率が５５％、ｄ４ではベイナイト率が６０％であった。

○実験０４：
質量比でＣｒ：３．２０％、Ｍｏ：０．５５％、Ｃｕ：１．２０％、Ｃ：０．６４％、残部がＦｅで、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１１℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。実験０１と同手順でベイナイト率を計算した。
結果を、表４に示す。

表４に示すように、ｄ１ではベイナイト率が２５％、ｄ２ではベイナイト率が３５％、ｄ３ではベイナイト率が６０％、ｄ４ではベイナイト率が７０％であった。

表１〜表４におけるｄ１〜ｄ４を横軸に取り、ベイナイト率を縦軸に取ることで深さとベイナイト率との相関図を作成する。
図３に示すように、実験０１〜実験０４ともに右上がりの特性が得られた。

歯の圧壊を防止するには、靱性が低いマルテンサイトを減らし、靱性が期待できるベイナイトの比率を増やすことが望まれる。
横軸で２．０ｍｍからベイナイト率が急増すること及び０．５〜２．０ｍｍの間はベイナイト率が低い値で維持されていることから、０．５〜２．０ｍｍの間に注目すればよい。そこで、以降、ｄ１及びｄ２のベイナイト率について実験を行うことにする。

○実験０５〜１４：
成分及び焼結後の冷却速度は実験０１と同じとして、図４に示す供試部品１０Ｃを作製した。
そして、図４（ａ）に示すように、大径歯車部１２Ｃの歯先１３Ｃ、１３Ｃにブロック１５、１６を当て、ブロック１５をブロック１６に向かって白抜き矢印のように移動し、歯が圧壊したときの荷重（ｋＮ）を計測した。

また、（ｂ）に示すように、小径歯車部１１Ｃの歯先１４Ｃ、１４Ｃにブロック１７、１８を当て、ブロック１７をブロック１８に向かって白抜き矢印のように移動し、歯が圧壊したときの荷重（ｋＮ）を計測した。
結果を表５に示す。

実験０５〜０９では、静圧壊荷重は、５．１〜６．６ｋＮであり、５個の平均値は５．８ｋＮであった。
実験１０〜１４では、静圧壊荷重は、１５．５〜１８．１ｋＮであり、５個の平均値は１７．０ｋＮであった。

○実験１５〜２４：
成分及び焼結後の冷却速度は実験０２と同じとして、図４に示す供試部品１０Ｃを作製し、実験０３〜１２と同様に、圧壊荷重を求めた。
結果を表６に示す。

実験１５〜１９では、静圧壊荷重は、６．０〜６．８ｋＮであり、５個の平均値は６．５ｋＮであった。
実験２０〜２４では、静圧壊荷重は、１８．８〜２０．３ｋＮであり、５個の平均値は１９．６ｋＮであった。

静圧壊荷重の情報を増やすために、条件を変更して、次に述べる実験を行った。
○実験２５〜３４：
質量比でＣｒ：２．９６％、Ｍｏ：０．４８％、Ｃｕ：１．５０％、Ｃ：０．７０％、残部がＦｅで、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１３℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。実験０１と同手順でベイナイト率を計算した。ベイナイト率は何れも０であった。

そして実験０５〜２４と同様に、圧壊荷重を求めた。
結果を表７に示す。

実験２５〜２９では、静圧壊荷重は、５．６〜６．４ｋＮであり、５個の平均値は６．０ｋＮであった。
実験３０〜３４では、静圧壊荷重は、１７．０〜１７．４ｋＮであり、５個の平均値は１７．１ｋＮであった。

○実験３５〜４４：
質量比でＣｒ：２．７０％、Ｍｏ：０．４０％、Ｃｕ：０．８０％、Ｃ：０．５２％、残部がＦｅ、すなわち実験０３と同一条件で、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１２℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。ベイナイト率は実験０３から与えられる。

そして実験０５〜２４と同様に、圧壊荷重を求めた。
結果を表８に示す。

○実験４５〜５４：
質量比でＣｒ：３．２０％、Ｍｏ：０．５５％、Ｃｕ：１．２０％、Ｃ：０．６４％、残部がＦｅ、すなわち実験０４と同一条件で、圧粉成形体を製造し、焼結を施し、１１℃／分の冷却速度で焼入れ処理を施し、供試部品を得た。ベイナイト率は実験０４から与えられる。

そして実験０５〜２４と同様に、圧壊荷重を求めた。
結果を表９に示す。

表５〜表９に示すベイナイト率を横軸に取り、静圧壊荷重を縦軸に取ることで、図５及び図６に示すグラフを作成した。
図５に示すように、上に凸の曲線Ａを描くことができる。この曲線Ａが最大であるときのベイナイト率は約２５％である。
また、図６に示すように、上に凸の曲線Ｂを描くことができる。この曲線Ｂが最大であるときのベイナイト率は約２５％である。

ベイナイト率が２５％のときに、静圧壊荷重が最大値になる。この％に±５％の幅を見込むと、ベイナイト率が２０〜３０％のときに、静圧壊荷重が良好な値になる。

したがって、歯先から０．５〜２．０ｍｍ深さの箇所での金属組織が、断面面積率で２０〜３０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織であれば、圧壊荷重が大きな焼結歯車が提供される。

図６から明らかなように、より大きな圧壊荷重を得ることが必要なときには、±５％の幅を狭めることが有効となる。２５±４％として断面面積率２１〜２９％を指標にすることが望まれる。更に大きな圧壊荷重を得ることが必要なときには、２５±３％として断面面積率２２〜２８％を目標にすることが推奨される。

尚、本発明は、スタータのリダクションギヤに好適であるが、その他の用途の小型ギヤに適用することは差し支えない。

本発明は、スタータのリダクションギヤに好適である。

１０…焼結歯車（スタータのリダクションギヤ）、１３、１４…歯先、ｄ１、ｄ２…歯先からの深さ。

Claims (3)

1. 質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、焼結中に所定冷却速度で焼入れ処置が施された焼結歯車（１０）であって、
   歯先（１３、１４）から０．５〜２．０ｍｍ深さ（ｄ１、ｄ２）の箇所での金属組織が、断面面積率で２０〜３０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織であることを特徴とする焼結歯車。
2. 前記所定冷却速度は、１１〜１２℃／分であることを特徴とする請求項１記載の焼結歯車。
3. 前記焼結歯車は、スタータのリダクションギヤであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の焼結歯車。

Images