JP6332798B2 - シンターハードニング方法およびシンターハードニング焼結部品 - Google Patents

Description

本発明は、シンターハードニング方法、およびそのシンターハードニング方法で製造されるシンターハードニング焼結部品に関する。

高強度の焼結部品を製造する技術として、シンターハードニングが知られている。シンターハードニングは、粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを加熱して焼結（sinter）し、その後の冷却過程でワークを急冷することでワークの組織を硬化（hardening）する方法である。

このシンターハードニングの一例として、従来、特許文献１に記載の方法が知られている。特許文献１のシンターハードニング方法は、鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを、一般的な焼結温度（１１３０℃程度）よりも高い１２００℃以上の温度に加熱して焼結する焼結工程と、その焼結工程の後、ワークをマルテンサイト変態点よりも低い温度に急冷することでワークの組織を硬化する急冷工程とからなる。

ここで、特許文献１では、急冷工程により硬化したワークに再圧縮（いわゆるサイジング）を施すために、急冷工程でのワークの冷却速度を１℃／秒以下となるように調整している。

すなわち、特許文献１では、ワークの組織を硬化するために、１２００℃以上の高温からマルテンサイト変態点よりも低い温度までワークを急冷しているが、ワークを急冷するときの冷却速度をあまり大きくすると、ワークがマルテンサイトの多い組織に変態して、ワークの硬度が高くなりすぎるので、その後のサイジング（ワークの再圧縮工程）を行なうことができなくなる。ここでサイジングとは、ワークを急冷するときの冷却ムラ等により生じたワークの歪みを矯正するための工程であり、例えば、特許文献２に示すように、金型にワークをセットし、そのワークを２００〜９００ＭＰａ程度の圧力で再圧縮することでワークの歪みを矯正する。このサイジングを行なうことが可能な程度の硬度とするために、特許文献１では、急冷工程でのワークの冷却速度を１℃／秒以下となるように調整している。このとき、急冷後のワークは、ベイナイトが主体で、一部マルテンサイトが混在した組織となる。

特開２０１４−８０６４２号公報 特開２００４−２９２８４０号公報

しかしながら、特許文献１の方法で得られる焼結部品は、マルテンサイトよりも硬度の低いベイナイトが主体なので、それよりも高い硬度を必要とするときは、更に、浸炭焼入れや高周波焼入を行なう必要があり、このような追加の熱処理を行なうと、加工コストが上昇するだけでなく、寸法精度が低下する問題もある。

そこで、高い寸法精度と高い硬度を併せもつ焼結部品を得ることができるシンターハードニングを可能とすることを目的とする。

本発明の一態様に係るシンターハードニング方法は、
鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを１２００℃以上の温度に加熱して焼結する焼結工程と、
その焼結工程の後、前記ワークを９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却保持する冷却保持工程と、
その冷却保持工程の後、前記ワークに冷却ガスを吹き付けることで、前記ワークをマルテンサイト変態点よりも低い温度に急冷してマルテンサイト化するガス急冷工程と、
を有するシンターハードニング方法である。

上記によれば、高い寸法精度と高い硬度を併せもつ焼結部品を得ることができる。

本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で焼結および硬化を行なうワークを示す平面図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で使用する連続焼結炉を示す断面図である。 ワークを載せたカーボントレイの搬送状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るシンターハードニング方法でワークの焼結と硬化を行なったときのワークの温度の時間変化を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係るシンターハードニング方法で得た焼結部品の組織写真である。 本発明の実施形態に係るシンターハードニング方法で得た焼結部品（測定例１）と、一般的な方法で製造した焼結部品に浸炭焼入れを施したもの（測定例２）とで、内歯の真円度および外歯の真円度をそれぞれ測定した結果を示すグラフである。

［本発明の実施形態の説明］
（１）本発明の一態様に係るシンターハードニング方法は、
鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを１２００℃以上の温度に加熱して焼結する焼結工程と、
その焼結工程の後、前記ワークを９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却保持する冷却保持工程と、
その冷却保持工程の後、前記ワークに冷却ガスを吹き付けることで、前記ワークをマルテンサイト変態点よりも低い温度に急冷してマルテンサイト化するガス急冷工程と、
を有するシンターハードニング方法である。
このようにすると、ワークを一般的な焼結温度よりも高い１２００℃以上の温度で焼結するので、粉末材料の粒子間の結合が強くなり、高強度の焼結部品を得ることができる。そして、この焼結工程の後、いったんワークを９００℃よりも低い温度に冷却保持し、その後ワークを急冷するので、ワークを１２００℃以上の温度から一気に急冷する場合と比べて、冷却ムラの発生を抑制して、ワークを均一に冷却することができる。そのため、冷却ムラによる歪みの発生を防止し、高い寸法精度の焼結部品を得ることが可能である。しかも、冷却ガスを吹き付けることで、ワークの組織をマルテンサイトに変態させるので、極めて高い硬度のワークを得ることができる。
（２）前記粉末材料として、２〜４質量％のクロムと、０．３〜０．７質量％のモリブデンと、０．３〜０．８質量％の炭素と、残部の鉄とを含有するものを用いると好ましい。
クロムを２質量％以上とすると、ワークの組織を効果的にマルテンサイト化することができ、クロムを４質量％以下とすると、ワークを焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。モリブデンを０．３質量％以上とすると、ワークを焼結して得られる焼結部品の靱性を効果的に高めることができ、モリブデンを０．７質量％以下とすると、焼結部品の材料コストを実用的な範囲に抑えることができる。炭素を０．３質量％以上とすると、ワークの組織を効果的にマルテンサイト化することができ、炭素を０．８質量％以下とすると、ワークを焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。
（３）前記ガス急冷工程での前記ワークの冷却速度は２〜５℃／秒とすると好ましい。
ワークの冷却速度を２℃／秒以上とすると、ワークの組織を効果的にマルテンサイト化することができ、ワークの冷却速度を５℃／秒以下とすると、冷却ムラの発生を抑制して、効果的にワークを均一に冷却することができる。
（４）また、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で製造される焼結部品として、以下の構成の焼結部品を提供する。
鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する焼結体であり、
焼結後の急冷により表面および内部がマルテンサイト化しており、
冷却後に再圧縮を施さないサイジングレスにより表面気孔率と内部気孔率が同じとされた、
シンターハードニング焼結部品。
すなわち、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で得られる焼結部品は、浸炭焼入れを行なうことでワークの表面のみがマルテンサイト化したものとは異なり、ワークの焼結工程の後にワークを急冷することでワークの表面および内部がマルテンサイト化したものとなる。
また、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法により得られる焼結部品は、高い寸法精度をもつので、サイジングが不要である。すなわち、従来のシンターハードニングで製造された焼結部品は、熱処理によるワークの歪みを矯正するために、通常、サイジングが行なわれ、このサイジングにより焼結部品の表面気孔率が内部気孔率よりも小さくなるが、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で製造された焼結部品は、冷却ムラの抑制効果により高い寸法精度をもつのでサイジングが不要であり、表面気孔率と内部気孔率が同じとなる。
（５）上記シンターハードニング焼結部品として、２〜４質量％のクロムと、０．３〜０．７質量％のモリブデンと、０．３〜０．８質量％の炭素と、残部の鉄とを含有するものを採用することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１、図２に、本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で焼結および硬化を行なうワーク１を示す。ワーク１は、粉末材料を金型で圧縮成形したものである。ワーク１を構成する粉末材料は、２〜４質量％のクロムと、０．３〜０．７質量％のモリブデンと、０．３〜０．８質量％の炭素と、残部の鉄とを含有するものが用いられている。

ここで、クロムを２質量％以上とすると、後述のガス急冷工程でワーク１の組織を効果的にマルテンサイト化することができ、クロムを４質量％以下とすると、ワーク１を焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。モリブデンを０．３質量％以上とすると、ワーク１を焼結して得られる焼結部品の靱性を効果的に高めることができ、モリブデンを０．７質量％以下とすると、焼結部品の材料コストを実用的な範囲に抑えることができる。炭素を０．３質量％以上とすると、後述のガス急冷工程でワーク１の組織を効果的にマルテンサイト化することができ、炭素を０．８質量％以下とすると、ワーク１を焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。

ワーク１を焼結して得られる焼結部品は、この実施形態ではシンクロハブである。シンクロハブは、トランスミッションでギア切換時の回転差を吸収するシンクロ機構に使用される部品であり、エンジンやモータからの伝達トルクに耐えうる高強度と、周辺部品との摺動に対する耐摩耗性とが要求される。

ワーク１は、中央に貫通孔２を有する円環状に形成されている。ワーク１は、貫通孔２を内周に有する円筒状のボス部３と、ボス部３の外径側に同軸に配置された円筒状の外歯部４と、ボス部３と外歯部４の間を連結するリム部５とからなる。リム部５は、ボス部３よりも薄く形成されている。外歯部４はボス部３と同じかそれよりも厚く形成されている。貫通孔２の内周には内歯７が形成されている。ワーク１の外周には外歯８が形成されている。さらにワーク１の外周には、外歯部４を周方向に分断してリム部５に至る複数の切欠き９が周方向に間隔をおいて設けられている。

図３に、本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で使用する連続焼結炉１０を示す。この連続焼結炉１０は、上流側から下流側に向かって順に、脱ガス室１１、予熱室１２、焼結室１３、徐冷室１４、急冷室１５、冷却室１６を有する。

これらの各室１１〜１６には、ワーク１（図４参照）を載せたカーボントレイ１７を上流側から下流側に移動させる複数のローラ１８が設けられている。各ローラ１８は、ワーク１の移動方向に沿って間隔をおいて配置され、図示しない駆動装置でそれぞれ独立して回転駆動される。脱ガス室１１、予熱室１２、焼結室１３、徐冷室１４には、それぞれの室内雰囲気を加熱するヒータ１９が設けられている。

脱ガス室１１の入口、脱ガス室１１と予熱室１２の間、予熱室１２と焼結室１３の間、焼結室１３と徐冷室１４の間、徐冷室１４と急冷室１５の間、急冷室１５と冷却室１６の間、冷却室１６の出口には、それぞれシャッター２０〜２６が設けられている。これらのシャッター２０〜２６は個々に開閉駆動される。これらのシャッター２０〜２６の設置により、各室１１〜１６の室内温度分布を均一化するとともに、各室１１〜１６の温度制御の精度を高めることができ、その結果、焼結部品の寸法のバラツキを低減することが可能となっている。

急冷室１５には、その室内に冷却ガスを送り込む急冷ファン２７が接続されている。急冷ファン２７の吐出口は、急冷室１５の上部に接続され、急冷ファン２７の吸込み口は、急冷室１５の下部に接続され、急冷室１５と急冷ファン２７の間で冷却ガスが循環するようになっている。冷却ガスは、不活性ガス（例えば窒素ガス）である。また、急冷ファン２７と急冷室１５の間の冷却ガスの経路の途中には、冷却ガスを冷却する熱交換器（図示せず）が設けられている。急冷ファン２７から吐出された冷却ガスは、急冷室１５を上から下に通過することで急冷室１５内のワーク１を急冷する。

冷却室１６には、室内雰囲気を冷却するクーラー２８と、室内雰囲気を循環させる循環ファン２９とが設けられている。

次に、上記ワーク１のシンターハードニング方法を説明する。

まず、図４に示すように、カーボントレイ１７の上に複数のセラミックス板３０を載せ、その各セラミックス板３０の上にワーク１を載せる。セラミックス板３０は、ワーク１の貫通孔２に対応する位置を上下に貫通するガス抜け穴３１を有する。カーボントレイ１７も、ワーク１の貫通孔２に対応する位置を上下に貫通するガス排出穴３２を有する。ガス抜け穴３１とガス排出穴３２は、後述の急冷工程でワーク１の貫通孔２に冷却ガスが吹き込んだときに、その冷却ガスを下方に逃がすことで、冷却ガスの風圧によるワーク１の浮き上がりを防止するためのものである。このようにワーク１をセラミックス板３０を介してカーボントレイ１７に載せた状態で、図３に示す連続焼結炉１０にワーク１を送り込む。

＜脱ガス工程＞
ワーク１を載せたカーボントレイ１７が脱ガス室１１に入ると、ワーク１は５００〜７００℃程度の温度になるまで加熱される（図５の時刻ｔ_１〜ｔ_２参照）。このとき、ワーク１に存在するワックス成分等がガスになって除去される。ワーク１から生じたガスは排ガス燃焼炉（図示せず）で処理される。

＜予熱工程＞
次に、ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、脱ガス室１１から予熱室１２に移動する。予熱室１２では、ワーク１が焼結温度よりも低い８００〜１０００℃程度の温度に加熱される（図５の時刻ｔ_２〜ｔ_３）。

＜焼結工程＞
その後、ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、予熱室１２から焼結室１３に移動する。焼結室１３は、室内の雰囲気温度が一般的な焼結温度（１１３０℃程度）よりも高い１２００〜１３５０℃（好ましくは１２２０〜１２８０℃）に保たれるように温度制御されている。ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、この焼結室１３内に１５分〜３０分程度滞在するようにローラ１８で搬送される。これにより、ワーク１は、１２００〜１３５０℃（好ましくは１２２０〜１２８０℃）の焼結温度になるまで加熱して保持され（図５の時刻ｔ_３〜ｔ_４）、その結果、ワーク１を構成する粉末材料が焼結して一体化する。

＜冷却保持工程＞
その後、ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、焼結室１３から徐冷室１４に移動する。徐冷室１４は、室内の雰囲気温度が９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点（いわゆるＡ_３変態点）よりも高い温度（例えば、８４０〜８７０℃の温度範囲）に保たれるように温度制御されている。ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、この徐冷室１４内に１０分〜２０分程度滞在するようにローラ１８で搬送される。これにより、ワーク１は、９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却して保持される（図５の時刻ｔ_４〜ｔ_５）。

＜ガス急冷工程＞
その後、ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、徐冷室１４から急冷室１５に移動する。カーボントレイ１７が急冷室１５に入ると、急冷室１５の入口のシャッター２４と出口のシャッター２５をいずれも閉じ、その状態で急冷ファン２７を作動させてワーク１に冷却ガスを吹き付け、ワーク１をマルテンサイト変態点（いわゆるＭｓ点）よりも低い温度（例えば、２５０〜３５０℃の温度範囲）に急冷する（図５の時刻ｔ_５〜ｔ_６）。急冷時のワーク１の冷却速度は、２〜５℃／秒（好ましくは３〜５℃／秒）である。この急冷によりワーク１は焼入れされ、ワーク１の組織がマルテンサイトに変態する（図６参照）。急冷時のワーク１の冷却速度を２℃／秒以上（好ましくは３℃／秒以上）とすることにより、ワーク１の組織を効果的にマルテンサイト化することができ、極めて高い硬度の焼結部品を得ることができる。急冷時のワーク１の冷却速度を５℃／秒以下とすることにより、冷却ムラ（ワーク１の急冷時にワーク１の温度分布が不均一となること）を抑制して、効果的にワーク１を均一に冷却することができる。ここで、ワーク１の冷却速度は、ワーク１が８００℃を下回ってから４００℃に至るまでの平均の冷却速度である。

＜冷却工程＞
その後、ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、急冷室１５から冷却室１６に移動する。冷却室１６では、ワーク１が１５０℃以下の低温（例えば１００℃程度）に冷却される（図５の時刻ｔ_６以降）。冷却室１６でのワーク１の冷却が完了すると、ワーク１を載せたカーボントレイ１７は、冷却室１６の下流側に隣接する図示しない置換室に排出される。

上述のシンターハードニング方法でワーク１の焼結および硬化を行なうと、ワーク１を一般的な焼結温度よりも高い１２００℃以上の温度で焼結するので、粉末材料の粒子間の結合が強くなり、高強度の焼結部品を得ることができる。そして、この焼結工程の後、いったんワーク１を９００℃よりも低い温度に冷却保持し、その後ワーク１を急冷するので、ワーク１を１２００℃以上の温度から一気に急冷する場合と比べて、冷却ムラの発生を抑制して、ワーク１を均一に冷却することができる。そのため、冷却ムラによる歪みの発生を防止し、高い寸法精度の焼結部品を得ることが可能である。しかも、冷却ガスを吹き付けることで、ワーク１の組織をマルテンサイトに変態させるので、極めて高い硬度のワーク１を得ることができる。

上述のシンターハードニング方法により得られる焼結部品は、浸炭焼入れを行なうことでワーク１の表面のみがマルテンサイト化したものとは異なり、ワーク１の焼結工程の後にワーク１を急冷することでワーク１の表面および内部のいずれもがマルテンサイト化し、表面組織と内部組織とがいずれも同程度に硬化された焼結部品となる。

また、上述のシンターハードニング方法により得られる焼結部品は、冷却ムラの抑制効果により高い寸法精度をもつので、サイジングが不要である。すなわち、従来のシンターハードニングで製造された焼結部品は、熱処理によるワーク１の歪みを矯正するために、通常、サイジングが行なわれ、このサイジングにより焼結部品の表面に緻密化層が形成されるので、焼結部品の表面気孔率が内部気孔率よりも小さくなるが、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で製造された焼結部品は、高い寸法精度をもつのでサイジングが不要であり、表面気孔率と内部気孔率が同じとなる。ここで、気孔率は、日本工業規格「焼結金属材料−密度、含油率及び開放気孔率試験方法」（ＪＩＳＺ２５０１）に規定された方法で測定することができる。また、表面気孔率は、例えば焼結部品の表層１ｍｍの部分を切り出した試験片の気孔率を測定することで求めることができ、内部気孔率は、例えば焼結部品の表層から５ｍｍの深さの部分を切り出した試験片の気孔率を測定することで求めることができ、この両気孔率の差が３％以内であるとき、表面気孔率と内部気孔率が同じであると判定することができる。

本発明の実施形態のシンターハードニング方法の効果を確認するため、図７に示すように、上述のシンターハードニング方法で製造した焼結部品（測定例１）と、一般的な方法で製造した焼結部品（測定例２）とで、寸法精度を比較する試験を行なった。測定例１および測定例２の焼結部品は、いずれも図１，２に示す形状のシンクロハブであり、内歯７の内径は２８ｍｍ、外歯８の外径は７０ｍｍである。また、この試験で用いた測定例２の焼結部品は、焼結後の冷却工程で急冷を行なわない通常の焼結方法で焼結および冷却を行ない、その後に浸炭焼入れを施すことにより、焼結部品の表面のみをマルテンサイト化したものであり、サイジングは行なっていない。測定例１の焼結部品および測定例２の焼結部品について、内歯７および外歯８の真円度をそれぞれ測定した結果を図７に示す。図７を見ると分かるように、測定例１の焼結部品の真円度は、測定例２の焼結部品の真円度に比べて大幅に真円度（平均値）が向上している。この試験結果から、上述のシンターハードニング方法で製造した焼結部品（測定例１）は、一般的な方法で製造した焼結部品に浸炭焼入れを施したもの（測定例２）よりも寸法精度が高く、シンターハードニング後のサイジングが不要であることを確認することができる。

１ ワーク
２ 貫通孔
３ ボス部
４ 外歯部
５ リム部
７ 内歯
８ 外歯
９ 切欠き
１０ 連続焼結炉
１１ 脱ガス室
１２ 予熱室
１３ 焼結室
１４ 徐冷室
１５ 急冷室
１６ 冷却室
１７ カーボントレイ
１８ ローラ
１９ ヒータ
２０〜２６ シャッター
２７ 急冷ファン
２８ クーラー
２９ 循環ファン
３０ セラミックス板
３１ ガス抜け穴
３２ ガス排出穴

Claims (3)

1. 連続焼結炉の焼結室で鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを１２００℃以上の温度に加熱して焼結する焼結工程と、
   その焼結工程の後、前記焼結室の下流側に位置する連続焼結炉の徐冷室に前記ワークを載せたトレイを移動することにより、前記ワークがオーステナイト変態点以下に温度低下しないよう前記焼結工程の後に連続して行なわれ、前記ワークを９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却保持する冷却保持工程と、
   その冷却保持工程の後、前記徐冷室の下流側に位置する連続焼結炉の急冷室に前記トレイを移動し、前記ワークに冷却ガスを吹き付けることで、前記ワークをマルテンサイト変態点よりも低い温度に急冷してマルテンサイト化するガス急冷工程と、
   を有するシンターハードニング方法。
2. 前記粉末材料として、２〜４質量％のクロムと、０．３〜０．７質量％のモリブデンと、０．３〜０．８質量％の炭素と、残部の鉄とを含有するものを用いた請求項１に記載のシンターハードニング方法。
3. 前記ガス急冷工程での前記ワークの冷却速度を２〜５℃／秒とした請求項１または２に記載のシンターハードニング方法。