JP6766212B2 - 焼結体の製造方法 - Google Patents
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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。
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。
<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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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/cm3である。
・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
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。
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 (15)
- 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、複数の前記圧粉成形体を多段に重ねることで、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焼結体の製造方法。 - 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、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ることで、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焼結体の製造方法。 - 前記加工工程は、切削加工法を用いて行なう請求項1又は請求項2に記載の焼結体の製造方法。
- 前記加工工具は、フライスである請求項3に記載の焼結体の製造方法。
- 前記加工工具は、ホブである請求項3に記載の焼結体の製造方法。
- 前記加工工程は、前記加工工具によって形成される加工孔又は加工溝の端部近傍において前記圧縮応力を加えるように加工する請求項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。
- 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6のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記圧粉成形体の平均相対密度が97%以上である請求項7に記載の焼結体の製造方法。
- 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8のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記一軸加圧の圧力は、1200MPa以上である請求項9に記載の焼結体の製造方法。
- 前記一軸加圧の圧力は、1500MPa以上である請求項9に記載の焼結体の製造方法。
- 前記成形工程において、前記金型の内周面に外部潤滑剤を塗布する請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記原料粉末に占める内部潤滑剤の割合が0.2質量%以下である請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記圧粉成形体は、円柱状、円筒状、角柱状、または角筒状である請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
- 前記金型は、ダイと、前記ダイの開口部に嵌め込まれる一対のパンチとを備え、
前記パンチは、凸部及び凹部の少なくとも一方を有するパンチ面を備える請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の焼結体の製造方法。
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