JP6509771B2 - 焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉末を加圧成形した圧粉成形体を焼結する焼結体の製造方法、およびその製造方法によって製造された焼結体に関する。

自動車などの機械に利用される金属部材として、例えばスプロケット、ロータ、ギア、リング、フランジ、プーリー、ベーン、軸受けなどを挙げることができる。これら金属部材の作製方法として、例えば鋳造法、鍛造法、メタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ）法、粉末冶金法、金属固化体を切削する方法などが挙げられる。

鋳造法では、高額な鋳造型が必要である上、十分な寸法精度の金属部材を得ることが難しい。また鋳造体の寸法精度が悪いため、所望の寸法の金属部材を得るには膨大な量の後加工やバリ取りが必要となる。また、後加工時に発生した加工屑を再利用するには、加工屑を溶解しなければならない。鍛造法でも鋳造法と同様の問題が発生する。

ＭＩＭ法では、成形原料に約２０％もの有機バインダーを添加する必要があり、成形後の脱脂工程が複雑で時間がかかる。有機バインダーを取り除いたときの形状変化が大きく、所望の寸法精度の金属部材を得ることが難しい。また、ＭＩＭ法は、小物品の成形に限られるため、大型の金属部材を得ることができないという問題もある。

金属粉末を含有する原料粉末を金型で加圧成形して圧粉成形体を作製し、これを焼結する粉末冶金法では、上記３種の製造方法よりは寸法精度に優れる。しかし、金型を用いた加圧成形では複雑な形状の金属部材を得ることは難しく、複雑な形状の金属部材を得るには焼結体を後加工する必要がある。多段成形を行なえば複雑な形状の金属部材を得ることもできるが、作製する金属部材の形状によっては多段成形であっても後加工が必要になる。また、多段成形では複雑な形状のキャビティ内に均一に金属粉末を充填できず、粉末成形体の成形密度に局所的なばらつきが発生し易い。そのような粉末成形体を焼結した場合、低密度部の寸法精度が低下したり、低密度部の機械的な強度が低下したりする虞がある。この粉末冶金法でも、後加工で発生した加工屑を再利用するには加工屑を溶解しなければならない。

金属固化体を切削する方法では、生産性が低いという問題がある。金属固化体はその硬度が高いため、加工速度を速くできないからである。また、硬度が高い金属固化体の切削には高剛性の高価なマシニングセンタが必要で、しかもマシニングセンタに備わる加工工具の寿命が短くなるという問題もある。この方法でも、切削で発生した加工屑を再利用するには加工屑を溶解しなければならない。

上記問題に鑑み、近年では、焼結前の圧粉成形体に機械加工を行って、所定の形状に加工した圧粉成形体を焼結する金属部材の製造方法が提案されている。焼結前の圧粉成形体は、焼結体に比べて硬度が低いため、加工コストの低減が期待できる。しかし、単に加圧成形のみした圧粉成形体は脆く、機械的強度が低いため、機械加工の際に欠けや亀裂が発生し易いなど、切削加工性の点で課題がある。

上記課題に対して、特許文献１には、金属粉末を加圧成形した成形体を仮焼成し、仮焼成した仮焼成体を機械加工した後、本焼成する金属部材の製造方法（焼結体の製造方法）が開示されている。特許文献１の製造方法によれば、成形体を仮焼成した仮焼成体は、仮焼成前の成形体に比較して機械的強度が高く、機械加工した際に欠け難くなり、機械加工が容易になる。また、仮焼成体は、本焼成後の焼結体に比較して硬度が低く、機械加工が容易になる。つまり、特許文献１の製造方法では、圧粉成形体を仮焼成して機械的強度を高め、仮焼成体に対して機械加工を行うことにより、機械加工性の課題を解決することを提案している。

特開２００７−７７４６８号公報

特許文献１の金属部材の製造方法では、圧粉成形体を仮焼成することによって、金属粉末の粒子同士の焼結がある程度進んでいる。そのため、仮焼成体は、本焼成後の焼結体に比べて硬度が低いとはいうものの、ある程度の硬さを有している。そのため、特許文献１の技術には、機械加工性の点で改善の余地がある。しかも、仮焼結することによって金属粉末の粒子同士が焼結しているため、加工屑を再利用するには加工屑を溶解しなければならない。

また、特許文献１の金属部材の製造方法では、加圧成形→仮焼成→機械加工→本焼成を行なっており、金属部材を得るために必要な工程数が多い。そのため、特許文献１の技術には、金属部材の生産性の点で改善の余地がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、焼結前の圧粉成形体に対する機械加工が容易で、生産性に優れる焼結体の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る焼結体の製造方法は、
鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する準備工程と、
金型を用いて前記原料粉末を一軸加圧することで、全体の平均相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製する成形工程と、
前記圧粉成形体を機械加工して加工成形体を作製する加工工程と、
前記加工成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、
を備える焼結体の製造方法。

本発明の一態様に係る焼結体は、鉄系の焼結体であって、
前記焼結体の全体の平均相対密度が９３％以上である焼結体。

本発明の一態様に係る焼結体の製造方法によれば、焼結前の圧粉成形体に対する機械加工が容易であるため、本発明の一態様に係る焼結体を生産性良く製造することができる。

上段図は、圧粉成形体を切削工具で機械加工する様子を示す模式図、下段図は金属固化体を切削工具で機械加工する様子を示す模式図である。 作製例に記載のプラネタリキャリアとプラネタリギアとの組物の概略斜視図である。 作製例に記載のプラネタリギアの概略側面図である。 上段図は、作製例に記載のプラネタリキャリアの概略正面図、下段図は、上段図のＡ−Ａ断面図である。

・本発明の実施形態の説明
＜１＞実施形態に係る焼結体の製造方法は、下記準備工程と、成形工程と、加工工程と、焼結工程と、を備える。
準備工程では、鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する。
成形工程では、金型を用いて前記原料粉末を一軸加圧することで、全体の平均相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製する。
加工工程では、前記圧粉成形体を機械加工して加工成形体を作製する。
焼結工程では、前記加工成形体を焼結して焼結体を得る。

上記焼結体の製造方法では、金型を用いた一軸加圧によって圧粉成形体を作製している。一軸加圧では、原料粉末に非常に高い面圧を作用させて原料粉末を成形できるため、相対密度が高く、しかも密度が均一で局所的に脆い箇所のない圧粉成形体を得易い。そのため、一軸加圧で得られた圧粉成形体は、機械的強度に優れており、機械加工の際に欠けや亀裂が発生し難い。つまり、一軸加圧で得られた圧粉成形体は、仮焼結することなく加工工程に供することができるので、上記焼結体の製造方法によれば生産性良く焼結体を製造することができる。

上記焼結体の製造方法では、相対密度が９３％以上の均一な圧粉成形体を作製しているため、圧粉成形体を加工した加工成形体を焼結する際、加工成形体の寸法変化の仕方が安定する。つまり、加工成形体の収縮度合いが局所的にばらつかず、加工成形体全体がほぼ均等に収縮する。そのため、焼結体の実寸法が設計寸法から大きく外れることを抑制することができる。上記相対密度は９５％以上とすることが好ましい。

上記焼結体の製造方法では、圧粉成形体を焼結することなく加工工程に供しているため、加工工程における加工抵抗が低い。そのため、金属固化体を機械加工する場合に比べて、加工速度を５倍〜１０倍近い速度にできるし、機械加工に用いる工具寿命を１０倍〜１００倍近くまで延ばすことができる。また、圧粉成形体の加工抵抗が低いため、刃具やシャンクの剛性が小さくて済むため、機械加工時に長尺あるいは細径の刃具やシャンクを利用することができる。このように刃具やシャンクの選択の自由度が高いために、金属部材の形状の設計に制約が少ない、即ち当該設計の自由度が高い。例えば、中空加工などの細かい造形を施した金属部材を作製することも可能になる。

また、上記焼結体の製造方法では、機械加工によって生じた加工屑を溶解することなく再利用することができる。それは、冷間で加圧成形することで圧粉成形体を作製すると共に、機械加工の前に圧粉成形体を焼結していないため、加工屑に含まれる金属粉末が変質していないからである。

＜２＞実施形態に係る焼結体の製造方法の一形態として、前記圧粉成形体をヘリカルギア形状に加工する形態を挙げることができる。

実施形態に係る焼結体の製造方法では圧粉成形体を焼結する前に機械加工するため、複雑なヘリカルギア形状に形成することが容易にできる。

＜３＞実施形態に係る焼結体の製造方法の一形態として、前記一軸加圧の圧力は、６００ＭＰａ以上である形態を挙げることができる。

上記範囲の圧力で圧粉成形体を作製することで、高密度で機械加工性に優れる圧粉成形体を得ることができる。

＜４＞実施形態に係る焼結体の製造方法の一形態として、前記加工工程は、切削加工法を用いて行なう形態を挙げることができる。

切削加工は、例えばフライス、ホブ、ブローチ、およびピニオンカッタの少なくとも一つの加工工具を用いて行うことができる。圧粉成形体は、加工性に優れるため、上記いずれの加工工具であっても高精度の切削加工を容易に行なうことができる。

＜５＞実施形態に係る焼結体の製造方法の一形態として、前記加工工程は、加工工具によって前記圧粉成形体に作用する引張応力を打ち消す方向に、前記圧粉成形体に圧縮応力を付与しながら行なう形態を挙げることができる。

圧粉成形体に作用する引張応力を打ち消す方向に、圧粉成形体に圧縮応力を付与しながら機械加工を行なうことで、圧粉成形体に割れや欠けが生じることを効果的に抑制できる。圧縮応力を付与する手段については後述する実施形態に例示する。

＜６＞実施形態に係る焼結体は、鉄系の焼結体であって、前記焼結体の全体の平均相対密度が９３％以上である焼結体である。

平均相対密度が９３％以上である実施形態の焼結体は、今までにない新規な焼結体である。また、実施形態の焼結体は平均相対密度が９３％以上であるため、金属固化体の加工品と遜色ない機械的強度を備える。しかも実施形態の焼結体は、実施形態の焼結体の製造方法によって製造されているため、金属固化体の加工品よりも生産性に優れる。上記平均相対密度は、９５％以上であることが好ましい。

＜７＞実施形態に係る焼結体の一形態として、前記焼結体はヘリカルギアである形態を挙げることができる。

焼結体のヘリカルギアは、例えば自動車のトランスミッションなどの構成部品として利用することができる。既に述べたように、実施形態に係る焼結体は、金属固化体の加工品と遜色ない機械的強度を備えるため、高い負荷がかかる自動車の構成部品として十分に機能する。

＜８＞ヘリカルギア形状を備える実施形態に係る焼結体の一形態として、前記ヘリカルギアの歯は、前記ヘリカルギアの軸線に対して３０°以上傾いている形態を挙げることができる。

上記ヘリカルギアは優れた機械的強度を備えるため、ヘリカルギアの歯が軸線に対して３０°以上傾いていても、その使用時に歯に損傷が生じ難い。歯の軸線に対する角度が大きくなるほど、ヘリカルギアが他のギアと噛み合うときに発生するノイズを低減することができる。歯の軸線に対する角度は５０°以上とすることが好ましい。

・本発明の実施形態の詳細
本発明の実施形態に係る焼結体の製造方法の具体例を、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。

＜実施形態１＞
≪焼結体の製造方法の概要≫
実施形態に係る焼結体の製造方法は、下記工程を備える。
Ｓ１．準備工程：鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する。
Ｓ２．成形工程：金型を用いて原料粉末を一軸加圧することで、全体の平均相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製する。
Ｓ３．加工工程：圧粉成形体を機械加工して加工成形体を作製する。
Ｓ４．焼結工程：加工成形体を焼結して焼結体を得る。
Ｓ５．仕上げ工程：焼結体の実寸法を設計寸法に近づける仕上げ加工を行なう。
以下、各工程を詳細に説明する。

≪Ｓ１．準備工程≫
［金属粉末］
金属粉末は、焼結体を構成する主たる材料であり、金属粉末としては、例えば、鉄又は鉄を主成分とする鉄合金の粉末が挙げられる。金属粉末には、代表的には、純鉄粉や鉄合金粉を用いることが挙げられる。ここで、「鉄を主成分とする鉄合金」とは、構成成分として、鉄元素を５０質量％超、好ましくは８０質量％以上、更に９０質量％以上含有することを意味する。鉄合金としては、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｍｎ及びＣから選択される少なくとも１種の合金化元素を含有するものが挙げられる。上記合金化元素は、鉄系焼結体の機械的特性の向上に寄与する。上記合金化元素のうち、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｃｒ，Ｍｎ及びＭｏの含有量は、合計で０．５質量％以上５．０質量％以下、更に１．０質量％以上３．０質量％以下とすることが挙げられる。Ｃの含有量は、０．２質量％以上２．０質量％以下、更に０．４質量％以上１．０質量以下とすることが挙げられる。また、金属粉末に鉄粉を用い、これに上記合金化元素の粉末（合金化粉末）を添加してもよい。この場合、原料粉末の段階では金属粉末の構成成分が鉄であるが、後の焼結工程で焼結することによって鉄が合金化元素と反応して合金化される。原料粉末における金属粉末（合金化粉末を含む）の含有量は、例えば、９０質量％以上、更に９５質量％以上とすることが挙げられる。金属粉末には、例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、カルボニル法、還元法などにより作製したものを利用できる。

金属粉末の平均粒径は、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下、更に５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることが挙げられる。金属粉末の平均粒径を上記範囲内とすることで、取り扱い易く、後の成形工程（Ｓ２）において加圧成形し易い。更に、金属粉末の平均粒径を２０μｍ以上とすることで、原料粉末の流動性を確保し易い。金属粉末の平均粒径を２００μｍ以下とすることで、緻密な組織の焼結体を得易い。金属粉末の平均粒径は、金属粉末を構成する粒子の平均粒径のことであり、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した体積粒度分布における累積体積が５０％となる粒径（Ｄ５０）とする。微粒の金属粉末を利用することで、金属部材の表面粗さを小さくしたり、コーナーエッジをシャープにすることができる。

［その他］
金型を用いたプレス成形では、金型への金属粉末の焼き付きを防止するために、金属粉末と内部潤滑剤とを混合した原料粉末を用いることが一般的である。しかし、本例では、原料粉末に内部潤滑剤を含ませないか、含ませても原料粉末全体の０．２質量％以下とする。これは、原料粉末における金属粉末の割合が低下することを抑制し、後述する成形工程で相対密度が９３％以上の圧粉成形体を得るためである。但し、後の成形工程で相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製できる範囲で、微量の内部潤滑剤を原料粉末に含ませることは許容される。内部潤滑剤として、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛などの金属石鹸を利用することができる。

後述する加工工程において圧粉成形体に割れや欠けが生じることを抑制するために、原料粉末に有機バインダーを添加しても構わない。有機バインダーとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリビニルアルコール、酢酸ビニル、パラフィン、各種ワックスなどが挙げられる。有機バインダーは、必要に応じて添加すればよく、添加しなくてもよい。有機バインダーを添加する場合、後の成形工程で相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製できる程度の添加量とする必要がある。

≪Ｓ２．成形工程≫
成形工程では、金型を用いて原料粉末を一軸加圧することで、圧粉成形体を作製する。一軸加圧を行なう金型は、ダイと、その上下の開口部に嵌め込まれる一対のパンチと、を備え、ダイのキャビティに充填された原料粉末を上パンチと下パンチとで圧縮することで圧粉成形体を作製する金型である。この金型で成形できる圧粉成形体は単純な形状となる。単純な形状としては、例えば、円柱状、円筒状、角柱状、角筒状などを挙げることができる。ここで、パンチ面に凸部や凹部を備えるパンチを利用しても良く、その場合、上記単純形状の圧粉成形体に、上記凸部や凹部に対応した凹みや出っ張りが形成される。このような凹みや出っ張りを有する圧粉成形体も単純形状の圧粉成形体に含まれる。

一軸加圧の圧力（面圧）は、６００ＭＰａ以上とすることが挙げられる。面圧を大きくすることで、圧粉成形体の相対密度を高くすることができる。好ましい面圧は、１０００ＭＰａ以上、より好ましい面圧は１５００ＭＰａ以上である。面圧の上限は特にない。

［外部潤滑剤］
一軸成形において、金型への金属粉末の焼き付きを防止するために、金型の内周面（ダイの内周面やパンチの押圧面）に外部潤滑剤を塗布することが好ましい。外部潤滑剤としては、例えば、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛などの金属石鹸などを利用することができる。その他、ラウリン酸アミド、ステアリン酸アミド、パルミチン酸アミドなどの脂肪酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミドなどの高級脂肪酸アミドを外部潤滑剤として利用することもできる。

一軸加圧によって得られる圧粉成形体の全体の平均相対密度は９３％以上である。圧粉成形体の全体の平均相対密度は、好ましくは９５％以上、より好ましくは９６％以上、さらに好ましくは９７％以上である。圧粉成形体の全体の平均相対密度は、圧粉成形体における加圧軸方向の中央近傍、一端側近傍、および他端側近傍の位置で、加圧軸方向に交差する断面（好ましくは直交する断面）をとり、各断面を画像解析することで求めることができる。より具体的には、まず各断面において複数の観察視野の画像、例えば各断面において５００μｍ×６００μｍ＝３０００００μｍ^２の面積を有する観察視野の画像を１０個以上取得する。各観察視野の画像は、断面における極力均等に分散した位置から取得することが好ましい。次いで、取得した各観察視野の画像を二値化処理して、観察視野に占める金属粒子の面積割合を求め、その面積割合を観察視野の相対密度と見做す。そして、各観察視野から求めた相対密度を平均し、圧粉成形体の全体の平均相対密度を算出する。ここで、上記一端側近傍（他端側近傍）とは、例えば圧粉成形体の表面から３ｍｍ以内の位置とすることが挙げられる。

≪Ｓ３．加工工程≫
加工工程では、一軸加圧によって圧粉成形体を作製した後、焼結を行なうことなく、圧粉成形体に機械加工を行なう。機械加工は、代表的には切削加工であり、切削工具を用いて所定の形状に圧粉成形体を加工する。切削加工としては、例えば、転削加工、旋削加工などが挙げられ、転削加工には、穴あけ加工が含まれる。切削工具には、穴あけ加工の場合、ドリルやリーマ、転削加工の場合、フライスやエンドミル、旋削加工の場合、バイトや刃先交換型切削チップなどを用いることが挙げられる。その他、ホブ、ブローチ、ピニオンカッタなどを用いて切削加工を行なっても構わない。複数種の加工を自動で行なえるマシニングセンタを用いて機械加工を行っても構わない。

機械加工のイメージを図１のイメージ図に基づいて説明する。図１の上段図は、圧粉成形体２００を切削工具１００で機械加工する様子を模式的に示しており、下段図は金属固化体３００を切削工具１００で機械加工する様子を模式的に示している。図１の上段図に示すように、金属粒子２０２が押し固まって形成される圧粉成形体２００では、切削工具１００によって圧粉成形体２００の表面から金属粒子２０２が引き剥がされるように機械加工が施される。そのため、機械加工によって生じる加工屑２０１は、圧粉成形体２００を構成する個々の金属粒子２０２が分離してなる金属粉末で構成される。粉末状の加工屑２０１は、溶解することなく再利用することができる。金属粒子２０２が固まった粒塊がある場合、必要に応じて粒塊を解砕しても構わない。一方、図１の下段図に示すように、金属固化体３００では、切削工具１００によって金属固化体３００の表面を削り取るように機械加工が施される。機械加工によって生じる加工屑３０１は、一連の組織で構成されるため、加工屑３０１を溶解しなければ再利用することができない。

機械加工に供する前に、圧粉成形体の表面に有機バインダーを溶かした揮発性溶液や可塑性溶液を表面に塗布または浸漬させて、機械加工時の圧粉成形体の表層の割れや欠けを抑制しても構わない。

また、圧粉成形体に作用する引張応力を打ち消す方向に、圧粉成形体に圧縮応力を付与しながら機械加工を行い、圧粉成形体に割れや欠けが生じることを抑制しても良い。例えば、ブローチ加工で圧粉成形体に加工孔を形成する場合、ブローチが圧粉成形体を突き通すときに加工孔の出口近傍に強い引張応力が作用する。この引張応力を打ち消す圧縮応力を圧粉成形体に作用させる方法として、複数の圧粉成形体を多段に重ねることが挙げられる。最下段の圧粉成形体の下にはダミーの圧粉成形体や板材などを配置すると良い。複数の圧粉成形体を多段に重ねれば、上段側にある圧粉成形体の下面が、下段側の圧粉成形体の上面に押さえ付けられ、当該下面に圧縮応力が作用する。この多段に重ねられた圧粉成形体の上方からブローチ加工を行なえば、圧粉成形体の下面に形成される加工孔の出口付近の割れや欠けを効果的に防止できる。また、フライス加工で圧粉成形体に加工溝を形成する場合、加工溝の出口近傍に強い引張応力が作用する。その対策として、フライスの進行方向に複数の圧粉成形体を並べて、加工溝の出口となる部分に圧縮応力を作用させる構成が挙げることができる。

≪Ｓ４．焼結工程≫
焼結工程では、圧粉成形体を機械加工して得られた加工成形体を焼結する。圧粉成形体を焼結することによって、金属粉末の粒子同士が接触して結合された焼結体が得られる。圧粉成形体の焼結は、金属粉末の組成に応じた公知の条件を適用できる。例えば、金属粉末が鉄粉や鉄合金粉の場合、焼結温度は、例えば、１１００℃以上１４００℃以下、更に１２００℃以上１３００℃以下とすることが挙げられる。焼結時間は、例えば、１５分以上１５０分以下、更に２０分以上６０分以下とすることが挙げられる。

ここで、焼結体の実寸法と設計寸法との差に基づいて、加工工程における加工度合いを調整しても良い。相対密度が９３％以上の高密度の圧粉成形体を加工した加工成形体は、焼結時にほぼ均等に収縮する。そのため、焼結後の実寸法と設計寸法との差に基づいて、加工工程の加工度合いを調整することで、焼結体の実寸法を設計寸法にかなり近づけることができる。その結果、次の仕上げ加工の手間と時間を少なくすることができる。機械加工をマシニングセンタで行なう場合、加工度合いの調整は容易に行なえる。

≪Ｓ５．仕上げ工程≫
仕上げ工程では、焼結体の表面を研磨するなどして、焼結体の表面粗さを小さくすると共に、焼結体の寸法を設計寸法に合わせる。

≪焼結体の概要≫
以上説明した焼結体の製造方法によれば、全体の平均相対密度が９３％以上である焼結体を得ることができる。焼結体の全体の平均相対密度は、焼結前の圧粉成形体の全体の平均相対密度にほぼ等しい。焼結体の全体の平均相対密度は、好ましくは９５％以上、より好ましくは９６％以上、さらに好ましくは９７％以上であり、当該平均相対密度が高くなるほど焼結体の強度が高くなる。

焼結体の全体の平均相対密度は、焼結体における加圧軸方向の中央近傍、一端側近傍、および他端側近傍の位置で、加圧軸方向に交差する断面（好ましくは直交する断面）をとり、各断面を画像解析することで求めることができる。より具体的には、まず各断面において複数の観察視野の画像、例えば各断面において５００μｍ×６００μｍ＝３０００００μｍ^２の面積を有する観察視野の画像を１０個以上取得する。各観察視野の画像は、断面における極力均等に分散した位置から取得することが好ましい。次いで、取得した各観察視野の画像を二値化処理して、観察視野に占める金属粒子の面積割合を求め、その面積割合を観察視野の相対密度と見做す。そして、各観察視野から求めた相対密度を平均し、焼結体の全体の平均相対密度を算出する。ここで、焼結体の加圧軸方向は、焼結体の作製過程で一軸加圧しているため、焼結体の断面における金属粉末の変形状態を観察することで容易に把握することができる。また、上記一端側近傍（他端側近傍）とは、例えば焼結体の表面から３ｍｍ以内の位置とすることが挙げられる。

＜作製例＞
作製例では、実施形態の焼結体の製造方法、または従来の焼結体の製造方法によって図２に示すプラネタリギア２とプラネタリキャリア３の組物１を作製した。プラネタリギア２は、図３に示すように、歯２０を軸線（一点鎖線参照）に対して斜めに切ったヘリカルギアである。また、プラネタリキャリア３は、図２，４に示すように、円盤状の第一部品３１と、円板部３２ｓに三つのブリッジ部３２ｂが形成された第二部品３２と、で構成されている。

≪試料Ａ；実施形態の焼結体の製造方法≫
まず、Ｆｅ−２質量％Ｎｉ−０．５質量％Ｍｏの合金粉末に、０．３質量％Ｃ（グラファイト）粉末を混合した原料粉末を用意した。原料粉末の真密度は、約７．８ｇ／ｃｍ^３である。

次に、上記原料粉末を一軸加圧によって加圧成形して、次の三つの圧粉成形体を作製した。成形圧力はいずれも１２００ＭＰａとした。
・プラネタリギア２用の円柱状の圧粉成形体…直径５０ｍｍ×高さ２０ｍｍ
・第一部品３１用の円盤状の圧粉成形体…直径１３０ｍｍ×高さ３５ｍｍ
・第二部品３２用の円柱状の圧粉成形体…直径１３０ｍｍ×高さ３５ｍｍ

上記三つの圧粉成形体の全体の平均相対密度を求めたところ、いずれも９３％以上となっていた。圧粉成形体の平均相対密度は、上記≪Ｓ２．成形工程≫の項目で述べたように、加圧軸方向の中央近傍と両端部近傍で断面を取り、各断面の３０００００μｍ^２以上の面積を有する１０個以上の観察視野を画像解析することで求めた。具体的な圧粉成形体の平均相対密度は約９６．２％であり、それを平均嵩密度になおすと、圧粉成形体の平均嵩密度は７．５ｇ／ｃｍ^３であった。

次いで、市販のマシニングセンタを用いて、作製した各圧粉成形体に機械加工を施し、所望の形状の加工成形体を作製した。プラネタリギア２用の圧粉成形体の機械加工では、軸線に対して５０°傾いた歯２０を形成した。第一部品３１用の圧粉成形体の機械加工では、図１に示すように、削り出しによってボス部３１ｂを形成すると共に、ボス部３１ｂの中央に孔を形成し、その孔の内部にインターナルギアの歯を形成した。第二部品３２用の圧粉成形体の機械加工では、削り出しによってブリッジ部３２ｂを形成すると共に、図４の下段図に示すようにブリッジ部３２ｂの根元部分のうち、円板部３２ｓに繋がる内周面部分（黒矢印で示す部分を参照）をＲ形状に形成した。当該内周面部分をＲ形状とすることで、ブリッジ部３２ｂの強度を向上させることができる。上記いずれの圧粉成形体の機械加工においても、圧粉成形体に割れや欠けなどは生じなかった。機械加工によって生じた加工屑は、圧粉成形体を構成する個々の粒子が分離してなる金属粉末であった。

次に、加工成形体を焼結し、焼結体で構成されるプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３を作製した。その焼結時に、焼結体に割れや欠けは生じなかった。最後に、研磨加工などによってプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３の寸法を設計寸法に近づけると共に、表面粗さを小さくした。

試料Ａのプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３の平均相対密度を求めたところ、いずれも約９３％以上となっていた。プラネタリギア２、およびプラネタリキャリア３（焼結体）の平均相対密度は、上記≪焼結体≫の項目で述べたように、加圧軸方向の中央近傍と両端部近傍で断面を取り、各断面の３０００００μｍ^２以上の面積を有する１０個以上の観察視野を画像解析することで求めた。具体的なプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３の平均相対密度は約９６．２％であり、それを平均嵩密度になおすと、プラネタリギア２およびプラネタリキャリア３の平均嵩密度は７．５ｇ／ｃｍ^３であった。ここで、断面から取得した観察視野の中にはプラネタリギア２の歯２０の部分が含まれており、その部分単独で相対密度を求めても、当該部分の相対密度が９６．２％となっていることが確認できた。

この試料Ａのプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３は、溶製法で作製された金属固化体からなるプラネタリギアとプラネタリキャリアに匹敵する機械強度を備えていた。そのため、試料Ａのプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３は、自動車の構成部品として十分に利用可能であることが分かった。

≪試料Ｂ；従来の焼結体の製造方法≫
試料Ａと同様の原料粉末を用意し、ニアネットシェイプ成形によってプラネタリギア２に近い形状の圧粉成形体とプラネタリキャリア３に近い形状の圧粉成形体を作製した。プラネタリギア２はヘリカルギアであるので、プラネタリギア２のニアネットシェイプ成形には回転プレス機を用いた。回転プレス機では、軸線に対する歯２０の傾きを４５°以上にはできない。また、回転プレス機を用いた成形圧力は６００ＭＰａよりもかなり低い値にしかできなかった。

ニアネットシェイプの圧粉成形体を焼結し、仕上げ加工を行なうことで、試料Ｂに係るプラネタリギア２とプラネタリキャリア３を作製した。この試料Ｂのプラネタリギア２とプラネタリキャリア３について、試料Ａと同様の手法によって断面の観察視野の相対密度を求めたところ、観察視野ごとの相対密度にばらつきがあった。具体的には、プラネタリギア２の歯２０の部分の平均相対密度＝約８８．５％（平均嵩密度は６．９ｇ／ｃｍ^３）、歯２０以外の部分の平均相対密度＝約８９．７％（平均嵩密度は７．０ｇ／ｃｍ^３）であった。また、試料Ｂの全体の平均相対密度は８９％前後である。

この試料Ｂのプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３の機械的強度は、溶製法で作製された金属固化体からなるプラネタリギアとプラネタリキャリアに比べて大きく劣っていた。特に、使用時に高い応力が作用するプラネタリギア２の歯２０の相対密度が低いため、試料Ｂのプラネタリギア２およびプラネタリキャリア３は、自動車の構成部品としては不適当であると考えられる。

本発明の焼結体の製造方法は、金型を用いた加圧成形のみでは成形することが困難な複雑な形状を有する焼結部品の製造に好適に利用可能である。

１ 組物
２ プラネタリギア ２０ 歯
３ プラネタリキャリア
３１ 第一部品 ３１ｂ ボス部
３２ 第二部品 ３２ｓ 円板部 ３２ｂ ブリッジ部
１００ 切削工具
２００ 圧粉成形体 ２０１ 加工屑 ２０２ 金属粒子
３００ 金属固化体 ３０１ 加工屑

Claims (10)

1. 鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する準備工程と、
   金型を用いて前記原料粉末を一軸加圧することで、全体の平均相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製する成形工程と、
   前記圧粉成形体を機械加工して加工成形体を作製する加工工程と、
   前記加工成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、
   を備え、
   前記加工工程において、前記圧粉成形体をヘリカルギア形状に加工する焼結体の製造方法。
2. 鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する準備工程と、
   金型を用いて前記原料粉末を一軸加圧することで、全体の平均相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製する成形工程と、
   前記圧粉成形体を機械加工して加工成形体を作製する加工工程と、
   前記加工成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、
   を備え、
   前記加工工程は、加工工具によって前記圧粉成形体に作用する引張応力を打ち消すために、前記加工工具の進行方向の反対側から前記圧粉成形体に圧縮応力を付与しながら行なう焼結体の製造方法。
3. 複数の前記圧粉成形体を多段に重ねて前記加工工具による加工を行う請求項２に記載の焼結体の製造方法。
4. ダミーの圧粉成形体または板材を前記圧粉成形体に重ねて前記加工工具による加工を行う請求項２に記載の焼結体の製造方法。
5. 前記加工工程は、切削加工法を用いて行なう請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
6. 前記圧粉成形体の平均相対密度が９６．２％以上である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
7. 前記圧粉成形体の平均相対密度が９７％以上である請求項６に記載の焼結体の製造方法。
8. 前記一軸加圧の圧力は、６００ＭＰａ以上である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
9. 前記一軸加圧の圧力は、１２００ＭＰａ以上である請求項８に記載の焼結体の製造方法。
10. 前記一軸加圧の圧力は、１５００ＭＰａ以上である請求項８に記載の焼結体の製造方法。

Images