JP7011767B2 - 焼結部品の製造方法、及び焼結部品 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年8月4日出願の日本出願第2017-152049号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
金属粉末を含む原料粉末を金型で圧縮成形して、相対密度が88%以上の圧粉成形体を作製する工程と、
前記圧粉成形体に切削工具で溝加工することにより、前記圧粉成形体に溝幅が1.0mm以下の溝部を形成する工程と、
前記溝部を形成する工程の後、前記溝部が形成された圧粉成形体を焼結する焼結工程と、を備える。
相対密度が88%以上であり、
溝幅が1.0mm以下である溝部を有する。
溝部を有する焼結部品において、焼結部品を高密度化すると共に、溝部を狭小化することが求められている。焼結部品を高密度化することで、剛性が向上し、焼結部品の欠けや破損を抑制して耐久性を向上させることができる。また、例えばベーンポンプ用ロータの場合、ベーンが挿入される溝部の溝幅を狭くすることで、使用するベーンの厚さを薄くすることが可能である。ベーンの薄型化により、ベーンの先端部とカムリングの内周面並びにベーンの側面部とプレート材やポンプケースとの摺接時の接触面積が小さくなり、摺接抵抗を低減してポンプロスを低減できる。また、溝部を研磨加工するものについては、加工時の取代を低減できる。しかしながら、ダイにコアを設けた金型を用いて、金型成形によって圧粉成形体に溝部を成形する従来の製造方法では、焼結部品の高密度化と溝部の狭小化とを両立することが困難であった。
本開示の焼結部品の製造方法は、焼結部品を高密度化できながら、溝幅が狭い溝部を形成することができる。本開示の焼結部品は、高密度でありながら、溝幅が狭い溝部を有する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
金属粉末を含む原料粉末を金型で圧縮成形して、相対密度が88%以上の圧粉成形体を作製する工程と、
前記圧粉成形体に切削工具で溝加工することにより、前記圧粉成形体に溝幅が1.0mm以下の溝部を形成する工程と、
前記溝部を形成する工程の後、前記溝部が形成された圧粉成形体を焼結する焼結工程と、を備える。
前記加工工程において、前記溝加工は、前記圧粉成形体を治具に保持して行い、
前記治具は、前記圧粉成形体の前記切削工具が抜ける側の端面に押し当てられる拘束面を有し、
前記治具が、前記圧粉成形体の軸心を位置決めする位置決め機構を有することが挙げられる。
相対密度が88%以上であり、
溝幅が1.0mm以下である溝部を有する。
前記溝部は前記第2面から前記第3面まで連通しており
前記溝部は底面と2つの内側面を有し、
前記底面と前記内側面との交線を通り前記底面に垂直な平面に対する前記内側面の角度が0.15°以下であり、
前記溝部の溝幅が0.3mm以上、1.0mm以下であり、
前記内側面の表面粗さが算術平均粗さRaで5μm以下であり、
前記焼結部品の軸方向の長さが6mm以上であり、
前記溝部の深さが2mm以上であることが挙げられる。
本発明の実施形態に係る焼結部品の製造方法、及び焼結部品の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。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。
実施形態に係る焼結部品の製造方法は、溝部を有する焼結部品を製造する方法であり、下記の工程を備える。
1.成形工程:金属粉末を含む原料粉末を金型で圧縮成形して、相対密度が88%以上の圧粉成形体を作製する。
2.加工工程:圧粉成形体に切削工具で溝加工して、溝幅が1.0mm以下の溝部を形成する。
3.焼結工程:加工工程の後、前記圧粉成形体を焼結する。
以下、各工程を詳細に説明する。
〈金属粉末〉
原料粉末に用いる金属粉末は、焼結部品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(鉄系材料)、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金(アルミニウム系材料)、銅又は銅を主成分とする銅合金(銅系材料)などの各種金属の粉末が挙げられる。ベーンポンプ用ロータの場合、代表的には、純鉄粉や鉄合金粉が用いられる。ここで、「主成分とする」とは、構成成分として、当該元素を50質量%超、好ましくは80質量%以上、更に88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、鉄系材料の焼結部品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6.0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、後工程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用いることができる。
圧縮成形は、例えば、型孔が形成されたダイと、ダイの上下に対向配置されて型孔に挿入される上下のパンチとを備える金型を用いて、ダイの型孔に充填した原料粉をプレス機により上下からパンチで圧縮成形して圧粉成形体10(図2の上図参照)を作製する。本実施形態では、図2に示すように、後工程の加工工程で圧粉成形体10に溝部3を形成するため、成形工程では圧粉成形体10に溝部3を成形しない。そのため、圧粉成形体10の形状は、溝部を有しない形状である。
圧縮成形する際の面圧は、相対密度が88%以上の圧粉成形体10が得られるように設定し、例えば600MPa以上、好ましくは1000MPa以上、更に1500MPa以上とすることが挙げられる。面圧を高くすることで、圧粉成形体10を高密度化でき、圧粉成形体10の相対密度を高くできる。面圧の上限は、特に限定されないが、製造上の観点から、例えば1200MPa以下とすることが挙げられる。圧粉成形体10の相対密度は、例えば92%以上、更に93%以上が好ましい。
加工工程では、焼結前の圧粉成形体10に溝加工を行う(図2の下図参照)。溝加工は、図2に示すように、切削工具40を用いて、圧粉成形体10の外周面に溝部3を形成する。本実施形態では、図2の下図に示すように、回転する切削工具40を圧粉成形体10の軸方向に沿って移動させることによって切れ刃41で圧粉成形体10を切削して、圧粉成形体10の第2面12から第3面13(図2における上端面から下端面)に連通する溝部3を形成する。形成する溝部3の溝幅は1.0mm以下とし、好ましくは0.7mm以下とすることが挙げられる。溝幅の下限は、特に問わないが、例えば0.3mm以上とする。形成する溝部3の深さは2mm以上とし、好ましくは3mm以上とすることが挙げられる。ここにおいて溝部3の深さは、第1面11から底面32までの距離である。
溝部3を形成する切削工具40は、適宜な溝加工用工具を用いることができ、例えば、外周に切れ刃を有するフライス(図3参照)であることが挙げられる。切削工具40の材料には、例えば、超硬合金、高速度工具鋼、サーメットなどが使用される。
溝加工は、図2に示すように、加工精度や加工作業性の観点から、圧粉成形体10を治具50に保持して行うことが好ましい。図2に示す治具50は、円柱形状であり、圧粉成形体10の切削工具40が抜ける側の端面(下端面)に押し当てられる拘束面51と、圧粉成形体10の軸心を位置決めする位置決め機構52とを有する。この例では、位置決め機構52として、圧粉成形体10の軸孔2に挿通される軸部521と、圧粉成形体10を治具50に固定するナット522とを有する。軸部521は、治具50の一端側に拘束面51に対して直交するように突出して設けられており、軸孔2の径に対応するように形成されている。治具50の中心軸と軸部521の中心軸とは同軸である。圧粉成形体10を治具50に取り付けるときは、圧粉成形体10の下端面を治具50の拘束面51に向けた状態で、圧粉成形体10の軸孔2に治具50の軸部521を挿通した後、軸部521にナット522を締結して圧粉成形体10を治具50に固定する。これにより、圧粉成形体10を治具50(軸部521)に保持することができ、圧粉成形体10の上端面をナット522で押圧して下端面を拘束面51に押し当てる。また、圧粉成形体10の軸孔2に治具50の軸部521が挿通されることで、圧粉成形体10の軸心を治具50に対して芯出しして位置決めすることができる。
焼結工程では、溝部を形成した圧粉成形体を焼結する。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部品1(図1参照)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、金属粉末が鉄系材料の場合、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。
実施形態に係る焼結部品は、上述した焼結部品の製造方法により製造することができ、溝部3を有する焼結部品1(図1参照)である。焼結部品1は溝部3が形成された第1面11と第1面11に連なる第2面12と第2面12に対向する第3面13を有する。溝部は、第1面に連なる2つの内側面31と底面32を有する。溝部3は第2面12から第3面13に連通している。実施形態の焼結部品1は、相対密度が88%以上で、溝部3の溝幅が1.0mm以下である。
焼結部品1の相対密度が88%以上であることで、高密度であるため、剛性が高く耐久性に優れる。好ましくは、相対密度が90%以上、更に93%以上である。
溝部3の溝幅が1.0mm以下であることで、溝部3の溝幅が狭い。焼結部品1がベーンポンプ用ロータの場合、ベーンが挿入される溝部3の溝幅が狭いことで、使用するベーンの厚さを薄くすることができる。これにより、ベーンの先端部とカムリングの内周面並びにベーンの側面部とプレート材やポンプケースなどとの摺接抵抗を低減してポンプロスを低減できる。好ましくは、溝部3の溝幅が0.7mm以下である。溝幅の下限は、特に問わないが、例えば0.3mm以上である。ここにおいて溝幅は底面32に交差する位置での対抗する2つの内側面31の距離である。
溝部3の深さが2mm以上であることで、溝部3の深さが深い。焼結部品1がベーンポンプ用ロータの場合、ベーンが挿入される溝部3の深さが深いことで、ポンプの吐出量を増やすことができる。好ましくは、溝部3の深さが3mm以上である。ここにおいて溝部3の深さは、第1面11から底面32までの距離である。
底面32と内側面31との交線を通り底面32に垂直な平面に対する内側面31の角度は0.15°以下、更に0.12°以下である。ここにおいて角度は底面32から第1面11に向けて2つの内側面31の距離が大きくなる方向についている。
更に、溝部3の内側面の表面粗さが算術平均粗さRaで5μm以下、更に3μm以下であることが好ましい。溝部3の内側面の表面粗さRaが5μm以下であることで、内側面が平滑である。溝部3の内側面の表面粗さが小さいことで、ベーンポンプ用ロータの場合、溝部3に挿入されるベーンとの摺動抵抗を低減して、ベーンが摺動し易い。また、溝部3の内側面の表面粗さが最大高さRzで、例えば25μm以下、更に12.5μm以下であることが挙げられる。表面粗さの測定は、溝部3の内側面が露出するように焼結部品1を溝部3に平行に切断して行えばよい。
焼結部品1の軸方向の長さ(高さ)は、例えば6mm以上であることが挙げられる。ベーンポンプ用ロータの場合、軸方向の長さが6mm以上であることで、ポンプ容量を増やしたり、ロータ径を小さくしてポンプの小型化を図ることができる。軸方向の長さの上限は、特に限定されないが、例えば40mm以下である。
上述した実施形態に係る焼結部品の製造方法は、後工程の加工工程で焼結前の圧粉成形体に溝加工して溝部を形成するため、成形工程において、従来のように溝部を成形するコアの制約がなく、圧縮成形する際の面圧を高くすることができる。よって、面圧を高くして圧粉成形体を高密度化でき、相対密度が88%以上の高密度の圧粉成形体を容易に作製できる。また、加工工程において、焼結前の圧粉成形体に溝加工を行うため、切削が容易であり、溝幅が1.0mm以下の狭い溝部を容易に形成できる。したがって、実施形態の焼結部品の製造方法は、焼結部品を高密度化できながら、溝幅が狭い溝部を形成することができる。
焼結部品の相対密度が88%以上であり、高密度であるため、剛性が高く耐久性に優れる。また、溝部の溝幅が1.0mm以下であり、溝部の溝幅が狭い。実施形態の焼結部品は、例えば、ベーンポンプ用ロータに好適に利用できる。
10 圧粉成形体
11 第1面
12 第2面
13 第3面
2 軸孔
3 溝部
31 内側面
32 底面
40 切削工具
41 切れ刃
42 ボス孔
50 治具
51 拘束面
52 位置決め機構
521 軸部
522 ナット
Claims (13)
- 金属粉末を含む原料粉末を金型で圧縮成形して、相対密度が88%以上の圧粉成形体を作製する工程と、
前記圧粉成形体に切削工具で溝加工することにより、前記圧粉成形体に溝幅が1.0mm以下で、かつ深さが2mm以上の溝部を形成する工程と、
前記溝部を形成する工程の後、前記溝部が形成された前記圧粉成形体を焼結する焼結工程と、を備え、
前記金属粉末は、鉄を88質量%以上含有する鉄合金の粉末であり、
前記鉄合金は、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し、
Cu,Ni,Sn,Cr及びMoの含有量は、合計で0.5質量%以上6.0質量%以下であり、
Cの含有量は、0.2質量%以上2.0質量%である、
焼結部品の製造方法。 - 前記切削工具は、外周に切れ刃を有するフライスであり、前記切れ刃の側面の逃げ勾配が0°以上0.15°以下である、請求項1に記載の焼結部品の製造方法。
- 前記溝部を形成する工程において、前記溝加工は、前記圧粉成形体を治具に保持して行い、
前記治具は、前記圧粉成形体の前記切削工具が抜ける側の端面に押し当てられる拘束面を有する、請求項1又は請求項2に記載の焼結部品の製造方法。 - 前記治具が、前記圧粉成形体の軸心を位置決めする位置決め機構を有する、請求項3に記載の焼結部品の製造方法。
- 前記切削工具は、外周に切れ刃と側面を有するフライスであり、前記切れ刃の外周縁を通り径方向に平行な直線に対する前記側面の角度が0.15°以下である、請求項4に記載の焼結部品の製造方法。
- 前記溝部の溝幅に対する深さの比が8以上である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の焼結部品の製造方法。
- 前記焼結部品は、ベーンポンプ用ロータであり、前記溝部には、ベーンが挿入される、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の焼結部品の製造方法。
- 相対密度が88%以上であり、
溝幅が1.0mm以下で、かつ深さが2mm以上である溝部を有し、
鉄を88質量%以上含有する鉄合金で構成され、
前記鉄合金は、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し、
Cu,Ni,Sn,Cr及びMoの含有量は、合計で0.5質量%以上6.0質量%以下であり、
Cの含有量は、0.2質量%以上2.0質量%である、
焼結部品。 - 前記溝部の内側面の表面粗さが算術平均粗さRaで5μm以下である、請求項8に記載の焼結部品。
- 前記焼結部品の軸方向の長さが6mm以上である、請求項8又は請求項9に記載の焼結部品。
- 前記焼結部品がベーンポンプ用ロータであり、前記溝部にベーンが挿入される、請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の焼結部品。
- 前記溝部が形成された円筒状の第1面と前記第1面に連なる第2面と前記第2面に対向する第3面とを有し、
前記溝部は前記第2面から前記第3面まで連通しており、
前記溝部は底面と2つの内側面を有し、
前記底面と前記内側面との交線を通り前記底面に垂直な平面に対する前記内側面の角度が0.15°以下であり、
前記溝部の溝幅が0.3mm以上、1.0mm以下であり、
前記内側面の表面粗さが算術平均粗さRaで5μm以下であり、
前記焼結部品の軸方向の長さが6mm以上である、請求項8に記載の焼結部品。 - 前記溝部の溝幅に対する深さの比が8以上である、請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の焼結部品。
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