JP7124230B2 - 焼結歯車、及び焼結歯車の製造方法 - Google Patents
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Description
環状の焼結歯車であって、
金属からなる組成を備え、
表面に複数の気孔を有し、
相対密度が93%以上99.5%以下である。
焼結体からなる歯車の生産性を向上することが望まれている。
本開示の焼結歯車は、生産性に優れる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の一態様に係る焼結歯車は、
環状の焼結歯車であって、
金属からなる組成を備え、
表面に複数の気孔を有し、
相対密度が93%以上99.5%以下である。
本開示の焼結歯車では、上記切削加工が、焼結後の焼結材ではなく、焼結前の圧粉成形体に対して行われている。圧粉成形体は、溶製材等よりも切削加工性に優れるため、切削の加工時間が短くなり易い。特に、マシニングセンタではなく、ホブカッタを用いた歯切加工では、加工時間がより短くなり易い。
被削材が圧粉成形体であれば、圧粉成形体の形状を単純な形状にすることができる。そのため、例えば相対密度が93%以上といった緻密な圧粉成形体が得られ易い。圧粉成形体が緻密であれば、切削時に欠け難い。
圧粉成形体が緻密であれば、焼結温度が低くても、相対密度が93%以上である緻密な焼結歯車が得られる。
前記金属は、鉄基合金である形態が挙げられる。
歯底に周期的な凹凸形状を有する形態が挙げられる。
前記凹凸形状の周期の長さが1mm以上である形態が挙げられる。
歯元に、歯厚方向の厚さが局所的に小さい箇所を含む段差を有する形態が挙げられる。
歯先の外周面に旋盤痕を有する形態が挙げられる。
前記焼結歯車の軸方向の端部に位置する二つの端面のうち、少なくとも一方の前記端面に旋盤痕を有する形態が挙げられる。
前記鉄基合金は、C,Ni,Mo,及びBからなる群より選択される1種以上の元素を含有する形態が挙げられる。
以下、適宜図面を参照して、本開示の実施形態に係る焼結歯車を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。
図1~図5を適宜参照して、実施形態の焼結歯車1を説明する。
(概要)
実施形態の焼結歯車1は、金属を主体とする焼結材からなる歯車である。焼結歯車1は、貫通孔2hを有する環状体であり、外周側に複数の歯2を備える。各歯2は、歯面21、歯先22を備える。隣り合う歯2の間には、歯底20が設けられる。歯底20は、隣り合う歯2がつくる歯溝の底を構成する。歯先22は、歯2の先端側の領域を構成する。歯面21は、歯底20と歯先22との間をつなぐ面である。代表的には、歯底20及び歯先22は、焼結歯車1の軸と同軸に回転する。焼結歯車1の軸は、代表的には貫通孔2hの軸である。焼結歯車1の基本的な形状は、公知の歯車形状を適用できる。
以下、より詳細に説明する。
実施形態の焼結歯車1を構成する金属は、各種の純金属、又は合金が挙げられる。純金属は、例えば、鉄、ニッケル、チタン、銅、アルミニウム、マグネシウム等が挙げられる。合金は、例えば、鉄基合金、チタン基合金、銅基合金、アルミニウム基合金、マグネシウム基合金等が挙げられる。合金は、一般に、純金属よりも高強度である。そのため、合金からなる組成を備える焼結歯車1は、強度に優れる。特に、鉄基合金は、一般に、高強度である。そのため、鉄基合金からなる母相10を備える焼結歯車1は、強度により優れる。
Moの含有量は、例えば、0質量%以上2.0質量%以下、更に0.1質量%以上2.0質量%以下、更には1.5質量%以下が挙げられる。
Bの含有量は、例えば、0質量%以上0.1質量%以下、更に0.001質量%以上0.003質量%以下が挙げられる。
〈表面組織〉
実施形態の焼結歯車1の表面には複数の気孔11が存在する(図1B)。ここで、焼結歯車1の相対密度が93%以上99.5%以下であるため、気孔11の含有量は0.5%以上7%以下である。この含有範囲であれば、焼結歯車1は気孔11を含むものの、気孔11が少ないといえる。また、気孔11の一部が焼結歯車1の表面に存在し、気孔11の残部が焼結歯車1の内部に存在する。そのため、焼結歯車1の表面に存在する気孔11の合計面積は、ある程度少ないといえる。更に、後述するように実施形態の焼結歯車1では、各気孔11が小さい。気孔11が少なく、かつ各気孔11が小さいため、気孔11が割れの起点になり難い。このような焼結歯車1は強度に優れる。特に、表面に存在する気孔11は、潤滑剤を保持できる。この潤滑剤によって、実施形態の焼結歯車1は、相手歯車との焼き付きを低減できて、耐久性に優れる。また、上記潤滑剤によって、歯面21の摺動性が向上する。この点から、耐久性や伝達効率が向上する。
実施形態の焼結歯車1の一例として、任意の断面において、複数の気孔11を含み、各気孔11が小さい形態が挙げられる。
例えば、焼結歯車1の任意の断面において、気孔11の平均断面積が500μm2以下が挙げられる。ここでの気孔11の平均断面積は、焼結歯車1から任意の断面をとり、この断面において、複数の気孔11について各気孔11の断面積を求め、求めた複数の断面積を平均した値である。なお、気孔11の断面積、後述する気孔11の周囲長、最大径、相対密度等の測定方法の詳細は、後述する。
例えば、焼結歯車1の任意の断面において、気孔11の平均周囲長が100μm以下が挙げられる。ここでの気孔11の平均周囲長は、焼結歯車1から任意の断面をとり、この断面において、複数の気孔11について各気孔11の輪郭の長さを求め、求めた複数の輪郭の長さを平均した値である。
更に、焼結歯車1の任意の断面において、気孔11の最大径の平均値も小さいことが好ましい。ここでの気孔11の最大径の平均値は、焼結歯車1から任意の断面をとり、この断面において、複数の気孔11について各気孔11の最大径を求め、求めた複数の最大径を平均した値である。
焼結歯車1の断面において、気孔11の形状は、円形や楕円形等といった単純な曲線形状ではなく、代表的には異形状が挙げられる。
実施形態の焼結歯車1の相対密度は93%以上99.5%以下である。上記相対密度が高いほど、気孔11が少ない。そのため、気孔11が割れの起点になり難く、焼結歯車1は強度に優れる。例えば、焼結歯車1は、トランスミッションに用いられる歯車に要求される強度を十分に備える。気孔11に起因する割れの発生を低減する観点から、上記相対密度は94%以上、更に95%以上、96%以上が好ましく、96.5%以上が特に好ましい。上記相対密度は97%以上、98%以上、99%以上でもよい。
実施形態の焼結歯車1の一例として、図2に示すように、歯底20に周期的な凹凸形状を有することが挙げられる。ここでの周期的な凹凸形状とは、実質的に同じ形状及び同じ大きさの複数の湾曲面が連続する形状である。湾曲面同士の接続箇所が最も高い箇所、即ち凸部201を構成する。隣り合う凸部201間に凹部200が存在する。歯底20の各凸部201は、焼結歯車1の一方の端面29側から他方の端面29側に向って、所定の間隔で並ぶ。歯底20が平面ではなく、上記周期的な凹凸形状であれば、歯底20の凹部200は潤滑剤を保持できる。表面の気孔11に加えて、凹部200に保持される潤滑剤によっても、焼結歯車1は、相手歯車、特に歯先との焼き付きを低減できる。
焼結歯車1中の気孔11の大きさは、以下のように求める。
焼結歯車1において、任意の断面をとる。上記断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、上記断面から、少なくとも一つの視野をとる。気孔の大きさの測定は、合計50以上の気孔を抽出して行う。
倍率は、一つの視野に一つ以上の気孔が存在し、かつ気孔の大きさを精度よく測定できるように、気孔の大きさに応じて調整する。例えば、倍率を100倍として上記断面を観察し、気孔の最大径が70μm以下であれば、倍率を300倍に変更して、再度、上記断面を観察する、という操作を行う。合計50以上の気孔が得られるまで、視野数を増やす。
上述のSEM像から抽出した各気孔の断面積を求める。更に、気孔の断面積の平均値を求める。上記断面積の平均値は、抽出した50以上の気孔の断面積について総和をとり、総和を気孔数で除すことで求める。上記断面積の平均値が平均断面積(μm2)である。
上述のSEM像から抽出した各気孔の周囲長、つまり輪郭の長さを求める。更に、気孔の周囲長の平均値を求める。上記周囲長の平均値は、抽出した50以上の気孔の周囲長について総和をとり、総和を気孔数で除すことで求める。上記周囲長の平均値が平均周囲長(μm)である。
上述のSEM像から抽出した各気孔の最大径を求める。更に、最大径の平均値を求める。上記最大径の平均値(μm)は、抽出した50以上の気孔の最大径について総和をとり、総和を気孔数で除すことで求める。各気孔の最大径は、以下のように求める。上記SEM像において、各気孔の外形を2本の平行線によって挟み、これら2本の平行線の間隔を測定する。上記間隔は、上記平行線に直交する方向の距離である。各気孔において、任意の方向の平行線の組を複数とり、上記間隔をそれぞれ測定する。各気孔において、測定した複数の上記間隔のうち、最大値を各気孔の最大径とする。
上述の50以上の気孔の最大径のうち、最大値、最小値をそれぞれ、上記最大径の最大値(μm)、最小値(μm)とする。
焼結歯車1の相対密度(%)は、以下のように求める。
焼結歯車1から複数の断面をとる。各断面をSEMや光学顕微鏡等の顕微鏡で観察する。この観察像を画像解析して、金属成分の面積割合を相対密度とみなす。
焼結歯車1の歯元の段差23の大きさは、以下のように求める。
焼結歯車1の軸方向に直交する平面、即ち端面29に平行な平面を切断面として、歯2の断面をとる。断面をSEMや光学顕微鏡等の顕微鏡で観察する。この観察像を画像解析して、観察像から歯2の周縁を抽出する。
旋盤痕は、JIS B 0601(2001年)に準拠して、算術平均粗さRaを測定する。測定は、市販の表面粗さ形状測定機、例えば株式会社ミツトヨ製SURFCOM 1400D-3DFを利用できる。
実施形態の焼結歯車1は、動力伝達を行う部品に利用できる。特に、実施形態の焼結歯車1は、緻密で強度に優れる上に、小型にできる。そのため、実施形態の焼結歯車1は、高強度で、小型・軽量化が望まれる歯車、例えば自動車のトランスミッション等に好適に利用できる。
実施形態の焼結歯車1では、相対密度が高く緻密でありながら、表面に気孔11が存在する。このような焼結歯車1は、代表的には、後述する高密度成形法によって製造できるため、生産性に優れる。特に、実施形態の焼結歯車1は、表面の気孔11に保持される潤滑剤によって、相手歯車との焼き付きを低減でき、耐久性に優れる。更に、焼結歯車1は、緻密であるため、強度にも優れる。このような焼結歯車1は、長期にわたり良好に使用できる。
実施形態の焼結歯車1は、例えば、以下の工程を備える焼結歯車の製造方法、即ち高密度成形法によって製造することが挙げられる。
(第一の工程)原料粉末を加圧圧縮して、相対密度が93%以上99.5%以下である圧粉成形体を作製する。
(第二の工程)圧粉成形体に、歯切加工を含む切削加工を施す。
(第三の工程)圧粉成形体を焼結する。焼結温度は、液相温度未満とする。
焼結前の圧粉成形体は、溶製材や焼結材よりも切削加工性に優れる。そのため、圧粉成形体に歯切加工等の切削加工を行う場合、例えば溶製材や焼結材に歯切加工を行う場合に比較して、送り量を大きくすることができる。緻密な圧粉成形体は、送り量を大きく設定しても割れ難く、切削加工を良好に施すことができる。送り量が大きければ、歯切加工の加工時間が短くなる。特に、ホブカッタを用いる歯切加工は、マシニングセンタを用いる場合に比較して、送り量を大きくし易かったり、被削材のセッティングを行い易かったりする。そのため、マシニングセンタではなく、ホブカッタを用いる歯切加工では、加工時間がより短くなり易い。
被削材が圧粉成形体であれば、圧粉成形体は、例えば円筒体や円柱体等の単純形状の成形体でよい。単純形状であれば、緻密な圧粉成形体が高精度に成形され易い。圧粉成形体が緻密であれば、切削時に欠け難く、歩留りが高くなり易い。また、単純形状であれば、成形圧力を過大にしなくても圧粉成形体を成形できるため、金型の寿命が長くなり易い。更に、単純形状であれば、金型コストも削減される。
(1)溶製材に歯切加工を施す。
(2)加圧圧縮によって歯車形状に成形した圧粉成形体を焼結する。
(3)圧粉成形体を焼結した後、鍛造する。
上記(2),(3)の製造方法は歯切加工を行わない。
(第一の工程)
〈原料粉末の準備〉
原料粉末は、金属粉末を含む。金属粉末は、柔らか過ぎず、かつ硬過ぎない金属からなるものが好ましい。金属粉末が硬過ぎないことで、加圧圧縮によって塑性変形し易い。そのため、相対密度が93%以上である緻密な圧粉成形体が得られ易い。金属粉末が軟らか過ぎないことで、相対密度が99.5%以下である圧粉成形体、即ち気孔を含む圧粉成形体が得られ易い。
(1)原料粉末は、鉄基合金からなる第一合金粉末を含む。第一合金粉末を構成する鉄基合金は、焼結歯車の母相を構成する鉄基合金と同じ組成を有する。
(2)原料粉末は、鉄基合金からなる第二合金粉末と、所定の元素からなる第三粉末とを含む。第二合金粉末を構成する鉄基合金は、焼結歯車の母相を構成する鉄基合金に含まれる添加元素のうち、一部の添加元素を含む。第三粉末を構成する元素は、上記添加元素のうち、残部の添加元素のそれぞれからなる。即ち、第三粉末は元素単体からなる。
(3)原料粉末は、純鉄粉と、上述の第二合金粉末及び第三粉末とを含む。
(4)原料粉末は、純鉄粉と、第三粉末とを含む。この場合、第三粉末は、上記母相の鉄基合金における添加元素のそれぞれからなる。
圧粉成形体の相対密度が高いほど、最終的に得られる焼結材の相対密度が高く、気孔が少なくなり易い。また、焼結材中の気孔が小さくなり易い。気孔を低減する観点及び気孔を小さくする観点から、圧粉成形体の相対密度は94%以上、更に95%以上、96%以上、96.5%以上、97%以上、98%以上でもよい。
切削加工は、少なくとも歯切加工を含む。特に、歯切加工は、ホブカッタを用いて行うと、上述のように加工時間を短くできるため好ましい。切削加工は、旋削加工でも転削加工でもよい。
焼結温度及び焼結時間は、原料粉末の組成等に応じて調整するとよい。鉄系粉末を用いる場合、焼結温度は1000℃以上1300℃未満が挙げられる。焼結温度が低いほど、熱収縮量が小さくなり易い。そのため、形状精度や寸法精度に優れる焼結材が得られ易い。エネルギーの低減の観点、形状精度や寸法精度の向上の観点から、焼結温度は1250℃以下、更に1200℃未満が好ましい。焼結温度が1050℃以上、更に1100℃以上であれば、焼結時間が短くなり易い。エネルギーの低減及び良好な精度と焼結時間の短縮とのバランスの観点から、焼結温度は、例えば1100℃以上1200℃未満が挙げられる。焼結時間は、例えば10分以上150分以下が挙げられる。
上述の鉄系粉末を用いる場合、高密度成形法は、第三の工程で作製された焼結材に熱処理を行う工程を備えてもよい。例えば、上述の鉄系粉末を用いる場合では、上記熱処理は、浸炭処理及び焼入れ焼戻し、浸炭焼入れ及び焼戻し等が挙げられる。上記熱処理の条件は、焼結材の組成に応じて適宜調整するとよい。上記熱処理条件は、公知の条件を参照してもよい。
2 歯、2h 貫通孔、20 歯底、21 歯面、22 歯先、23 段差
28 内周面、29 端面、200 凹部、201 凸部
Claims (11)
- 環状の焼結歯車であって、
金属からなる組成を備え、
表面に複数の気孔を有し、
相対密度が93%以上99.5%以下であり、
歯底に周期的な凹凸形状を有し、
前記凹凸形状の周期の長さが1mm以上である、
焼結歯車。 - 歯元において歯面から歯厚方向の内側に向かって凹む箇所を有する、請求項1に記載の焼結歯車。
- 歯先の外周面に旋盤痕を有する、請求項1又は請求項2に記載の焼結歯車。
- 任意の断面における気孔の平均断面積が500μm 2 以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の焼結歯車。
- 任意の断面における気孔の平均周囲長が100μm以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の焼結歯車。
- 任意の断面における気孔の最大径の平均値が5μm以上30μm以下である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の焼結歯車。
- 任意の断面における気孔の最大径の最大値が30μm以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の焼結歯車。
- 前記焼結歯車の軸方向の端部に位置する二つの端面のうち、少なくとも一方の前記端面に旋盤痕を有する、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の焼結歯車。
- 前記金属は、鉄基合金である、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の焼結歯車。
- 前記鉄基合金は、C,Ni,Mo,Mn及びBからなる群より選択される1種以上の元素を含有する、請求項9に記載の焼結歯車。
- 原料粉末を加圧圧縮することで、相対密度が93%以上99.5%以下である圧粉成形体を作製する第一の工程と、
前記圧粉成形体に歯切加工を含む切削加工を施す第二の工程と、
前記切削加工が施された前記圧粉成形体を焼結する第三の工程とを備え、
前記歯切加工はホブカッタを用いて行い、
前記第三の工程では、焼結温度を液相温度未満の温度とする、
焼結歯車の製造方法。
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