JP6673682B2 - 焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
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、前記原料粉末を冷間等方圧加圧によって圧粉成形体とする。
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。
<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、前記原料粉末を冷間等方圧加圧によって圧粉成形体とする。
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。
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。
≪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。
1.準備工程:鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する。
2.成形工程:原料粉末を冷間等方圧加圧(以下、CIP)によって圧粉成形体とする。
3.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。
4.焼結工程:加工成形体を焼結して焼結体を得る。
5.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。
[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。これに対して、実施形態に係る焼結体の製造方法で行なうCIPでは金型を利用しないため、内部潤滑剤は原則的に必要がない。しかし、原料粉末に内部潤滑剤を含有させておくことで、後述する加工工程における圧粉成形体の機械加工性を向上させることができる。そのため、敢えて原料粉末に内部潤滑剤を含有させておいても構わない。
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。
成形工程では、原料粉末をCIPで加圧成形する。CIPは、ゴムなどの弾性変形可能な袋状の成形型に原料粉末を充填し、水などの圧力媒体で成形型の外周から等方的に圧力をかけることで圧粉成形体を得る方法である。CIPの加圧の圧力は、例えば、100MPa以上1500MPa以下、更に500MPa以上2000Ma以下とすることが挙げられる。
加工工程では、CIPで圧粉成形体を作製した後、焼結などを行なうことなく、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。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ると、機械加工の時間を短縮できて好ましい。
ここで、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噴霧あるいは塗布して、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。
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。
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。
作製例1では、実施形態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。
・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
作製例2では、長尺の円筒形状の焼結体を作製した。まず、作製例1と同じ原料粉末を用いてCIPで円柱状の圧粉成形体を作製した。CIPの成形圧力は作製例1と同じであった。その圧粉成形体の外周面を旋削加工によって整えると共に、中空加工によって圧粉成形体の中心に孔を空け、円筒状の加工成形体を作製した。円筒の外径は30mm、内径は20mm、円筒の軸方向長さは100mmであった。このような薄肉で長尺の加工成形体であっても、加工成形体に割れや欠けは生じなかった。また、この加工成形体を焼結して焼結体としたときにも、焼結体に割れや欠けは生じなかった。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。
作製例3では、薄肉で平坦な円板状の焼結体を作製した。まず、作製例1と同じ原料粉末を用いてCIPで所定の厚さの円板状の圧粉成形体を作製した。CIPの成形圧力は作製例1と同じであった。その圧粉成形体の一面と他面とを旋削加工によって平坦になるように整えると共に、圧粉成形体の縁を旋削加工によって円形となるように整えて、円板状の加工成形体を作製した。加工成形体の直径は100mm、厚さは2mmであった。このような薄肉で大径の加工成形体であっても、加工成形体に割れや欠けは生じなかった。また、この加工成形体を焼結して焼結体としたときにも、焼結体に割れや欠けは生じなかった。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。
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 (5)
- 鉄系の金属粉末を含む原料粉末を用意する準備工程と、
前記原料粉末を冷間等方圧加圧によって圧粉成形体とする成形工程と、
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、
前記成形工程に供する前記原料粉末に内部潤滑剤を混合し、
前記原料粉末における前記内部潤滑剤の含有量は、0.05質量%以上2.0質量%以下である、
焼結体の製造方法。 - 前記冷間等方圧加圧の圧力は、100MPa以上2000MPa以下である請求項1に記載の焼結体の製造方法。
- 前記加工工程は、多軸のマシニングセンタで行なう請求項1または請求項2に記載の焼結体の製造方法。
- 前記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仕上げ工程を備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記焼結体の実寸法と設計寸法との差に基づいて、前記加工工程における加工度合いを再調整する請求項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。
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