JP7344914B2

JP7344914B2 - 焼結機械部品の製造方法

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Publication number: JP7344914B2
Application number: JP2021038442A
Authority: JP
Inventors: 克哉亀田; 綾西川; 雅樹小黒
Original assignee: Diamet Corp
Current assignee: Diamet Corp
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: JP2022138519A

Description

本発明は、焼結機械部品の製造方法に関し、特に焼結時における焼結機械部品の変形を抑えることのできる焼結機械部品の製造方法に関するものである。

従来、金属粉末の成形体を焼結することにより焼結機械部品を製造する方法において、金網の上に平面度の良好なセラミック板を載せ、その上に成形体を載せて焼結が実施されていた（特許文献１）。そうすることにより、焼結時に金網の反りに倣って焼結機械部品が変形することが抑制され、焼結機械部品の寸法のばらつきも抑えられていた。

しかし、成形体を載せるセラミック板は、使用の度に表面が少しずつ摩耗し、平面度が悪化してしまうという問題があった。そして、スプロケットのような径が大きく厚みが薄い焼結機械部品の場合は、セラミック板の平面度の影響を受けやすく、平面度の悪化したセラミック板を使用して焼結した場合に、要求精度の厳しいギア部の寸法規格を満足することが困難であった。

このような背景から、セラミック板の平面度の管理が重要となっていた。特に変形の影響が大きく要求精度の厳しい焼結機械部品の場合は、セラミック板の平面度管理の閾値も小さく設定する必要があり、所定の平面度を維持するために頻繁にセラミック板の表面を研磨するか、新しいセラミック板を準備する必要があった。また、セラミック板の平面度を管理するための平面度測定器を維持管理する必要もあり、管理工数も増えることから、莫大なコストアップが懸念されていた。

一方で、金属粉末を成形した後、焼結して焼結機械部品を得る際に、焼結むらをなくすために、焼結する成形品の下面に３つ以上の突部を一体に成形することが知られている（特許文献２）。これによれば、焼結時に成形品の下面に隙間ができ、この隙間を焼結雰囲気ガスが通ることにより、むらなく焼結され、焼結機械部品の形状に歪が生じない。また、成形品の下面に隙間ができるため、径が小さく厚みのある焼結機械部品の場合は、セラミック板の平面度が高くても焼結機械部品の形状にその影響が及びにくい。

しかしながら、スプロケットのような径が大きく厚みが薄い焼結機械部品の場合は、下面に形成する突部の位置によっては、成形品の自重によって大きな歪が生じてしまうという問題あった。したがって、成形品の下面において突部を形成する適切な位置を見つけるために試行錯誤が必要であった。

特開２０１９－１６７５８５号公報特開平４－３５８００２号公報

そこで、本発明は、スプロケットのような径が大きく厚みが薄い焼結機械部品の場合であっても、金属粉末の成形品の下面に突部を形成することにより焼結時における焼結機械部品の変形を抑えることのできる、焼結機械部品の製造方法を提供すること目的とする。

本発明の焼結機械部品の製造方法は、金属粉末を成形してなる水平面への投影面の形状が円形の径が大きく厚みが薄い円盤形状の成形品の下面に３つの突部を下向きに突出させて一体に形成する成形工程と、この成形工程で得られた成形品を焼結する焼結工程とを備え、３つの突部の中心点の位置をａ、ｂ、ｃ、成形品の水平面への投影面積を３Ｘとしたときに、成形工程において、
（１）ａとｂを通る直線ａｂと、ｃを通り直線ａｂと平行な直線ｃとで区切られる部分の面積がＡ、Ｂ、Ｃのとき、｜Ｘ－Ａ｜＋｜Ｘ－Ｂ｜＋｜Ｘ－Ｃ｜＝Ｄ
（２）ａとｃを通る直線ａｃと、ｂを通り直線ａｃと平行な直線ｂとで区切られる部分の面積がＡ’、Ｂ’、Ｃ’のとき、｜Ｘ－Ａ’｜＋｜Ｘ－Ｂ’｜＋｜Ｘ－Ｃ’｜＝Ｅ
（３）ｂとｃを通る直線ｂｃと、ａを通り直線ｂｃと平行な直線ａとで区切られる部分の面積がＡ”、Ｂ”、Ｃ”のとき、｜Ｘ－Ａ”｜＋｜Ｘ－Ｂ”｜＋｜Ｘ－Ｃ”｜＝Ｆ
（４）Ｄ＋Ｅ＋Ｆ≦３Ｘ
の条件を満たす位置に３つの突部を形成することを特徴とする。

本発明の焼結機械部品の製造方法によれば、スプロケットのような径が大きく厚みが薄い焼結機械部品の場合であっても、金属粉末の成形品の下面に突部を形成することにより焼結時における焼結機械部品の変形を抑えることができる。

本発明の焼結機械部品の製造方法における面積の求め方を示す説明図である。実施例において突部を設けた位置を示す説明図である。実施例の面積誤差計と平面度平均値との関係を示すグラフである。

本発明の焼結機械部品の製造方法は、スプロケットのような径が大きく厚みが薄い焼結機械部品を製造する際に、焼結時の変形を抑えるものである。そして、焼結時の変形を抑えるために、焼結時に成形品が載置されるセラミック板などの載置面に面する下面に３つの突部を設け、成形品の重量を３つの突部にバランスよく分散させ、３つの突部だけで成形品を支えるようにするものである。

本発明の方法は、はじめの成形工程において、金属粉末を成形してなる円盤形状の成形品の下面に３つの突部を下向きに突出させて一体に形成する。このとき、３つの突部の中心点の位置をａ、ｂ、ｃ、つぎの焼結工程における成形品の水平面への投影面積を３Ｘとしたときに、
（１）ａとｂを通る直線ａｂと、ｃを通り直線ａｂと平行な直線ｃとで区切られる部分の面積がＡ、Ｂ、Ｃのとき、｜Ｘ－Ａ｜＋｜Ｘ－Ｂ｜＋｜Ｘ－Ｃ｜＝Ｄ
（２）ａとｃを通る直線ａｃと、ｂを通り直線ａｃと平行な直線ｂとで区切られる部分の面積がＡ’、Ｂ’、Ｃ’のとき、｜Ｘ－Ａ’｜＋｜Ｘ－Ｂ’｜＋｜Ｘ－Ｃ’｜＝Ｅ
（３）ｂとｃを通る直線ｂｃと、ａを通り直線ｂｃと平行な直線ａとで区切られる部分の面積がＡ”、Ｂ”、Ｃ”のとき、｜Ｘ－Ａ”｜＋｜Ｘ－Ｂ”｜＋｜Ｘ－Ｃ”｜＝Ｆ
（４）Ｄ＋Ｅ＋Ｆ≦３Ｘ
の条件を満たす位置に３つの突部を形成する。

図１に示す例を参照しながら、それぞれの条件に付いて説明すると、１は、焼結工程における成形品の水平面への投影面であり、この投影面１の形状は円形である。そして、投影面１に３つの突部の中心点の位置がａ、ｂ、ｃで示されている。ここで、投影面１の全体面積を求め、その３分の１をＸとする。すなわち、投影面積は３Ｘとなる。

図１のパターン１において、ａとｂを通る直線を直線ａｂとし、ｃを通り直線ａｂと平行な直線を直線ｃとする。また、直線ａｂと直線ｃで区切られる部分の投影面１の面積を、それぞれＡ、Ｂ、Ｃとし、それぞれの値を求める。そして、｜Ｘ－Ａ｜＋｜Ｘ－Ｂ｜＋｜Ｘ－Ｃ｜＝Ｄの式により、Ｄの値を求める。

同様に、図１のパターン２において、ａとｃを通る直線を直線ａｃとし、ｂを通り直線ａｃと平行な直線を直線ｂとする。また、直線ａｃと直線ｂで区切られる部分の投影面１の面積を、それぞれＡ’、Ｂ’、Ｃ’とし、それぞれの値を求める。そして、｜Ｘ－Ａ’｜＋｜Ｘ－Ｂ’｜＋｜Ｘ－Ｃ’｜＝Ｅの式により、Ｅの値を求める。

さらに同様に、図１のパターン３において、ｂとｃを通る直線を直線ｂｃとし、ａを通り直線ｂｃと平行な直線を直線ａとする。また、直線ｂｃと直線ａで区切られる部分の投影面１の面積を、それぞれＡ”、Ｂ”、Ｃ”とし、それぞれの値を求める。そして、｜Ｘ－Ａ”｜＋｜Ｘ－Ｂ”｜＋｜Ｘ－Ｃ”｜＝Ｆの式により、Ｆの値を求める。

つぎに、Ｄ＋Ｅ＋Ｆの値を「面積誤差計」と定義する。この値と投影面積３Ｘの値を比較して、Ｄ＋Ｅ＋Ｆ≦３Ｘの条件を満たす位置に３つの突部ａ、ｂ、ｃを形成する。

そして、つぎの焼結工程において、上記の成形工程で得られた成形品を焼結する。Ｄ＋Ｅ＋Ｆの値が小さいほど、焼結後に得られる焼結品の変形が小さく抑えられる。なお、ＡとＢとＣが等しく、Ａ’とＢ’とＣ’が等しく、Ａ”とＢ”とＣ”が等しくなる条件のときに、Ｄ＋Ｅ＋Ｆの値が最小値の０となる。

成形品に設けられる突部については、焼結時に載置される載置面との接触が点当たりとなるように形成することが望ましい。そうすることで、成形品の重量バランスに対し、焼結中の支持点の位置を統一することが可能となり、焼結品の個体ごとの変形のばらつきを抑えることが可能となる。また、成形品に突部を設けるため、焼結時の載置面側の平面度の管理は不要となる。さらに、成形品の加工面となる面に突部を設けて、焼結後の加工時に突部を除去すれば、製品形状に影響を与えることもない。

突部の高さは、成形品を載せる載置台の平面度に応じて設定すればよい。すなわち、成形品を載置台に載置して焼結したときに、突部だけが載置台に接触し、その他の部分が接触しないような高さにすればよい。突部の幅は、成形時の形成しやすさや、焼結後の加工時の除去しやすさなどを考慮して、適切な幅に設定すればよい。例えば、突部の高さを０．０５～１．０ｍｍ、幅を０．５～１０ｍｍとすることができる。形状も任意であるが、水平面の断面形状を円、正方形などとすることができる。

なお、本発明の方法においては、円盤形状であって、焼結時の上面視で略円形の焼結機械部品が対象となる。特に対象の焼結機械部品が薄肉形状であればあるほど、焼結時に発生する変形は大きくなるため、本発明の方法による効果を享受できる。このほか、焼結時の変形が大きくなるような形状を有する焼結機械部品が、本発明の方法の好適な対象となる。

以下、実施例に基づき、本発明についてより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

［焼結機械部品の製造］
原料として、ＪＰＭＡでＳＭＦ４０４０相当、ＪＩＳ＿Ｚ２５５０でＰ２０５４相当の金属粉末（Ｆｅ：Ｂａｌ、Ｃ：０．６～１．０％、Ｃｕ：１～３％、平均粒径：７５μｍ）を用いて、寸法が直径１００ｍｍ、高さ８ｍｍの円盤状の成形品を複数作成した。成形品には、成形品ごとに異なる位置の３か所に厚み０．５ｍｍ、幅φ３ｍｍの突部を設けた。成形品を加圧成形するときのプレス圧は約４５０ｔ、加圧成形後に得られた成形品の密度は６．９ｇ／ｃｍ^３であった。

得られた成形品を、メッシュベルト炉を用いて焼結した。このときの焙焼温度は７５０℃、焼結温度は１１３０℃、送り速度は１５０ｍｍ／分、雰囲気はＲｘガスであった。

成形品の突部を設けた位置を以下の表に示す。半径と角度の測定位置については、図２に示す。

［平面度の測定］
得られた焼結品について、形状測定器（キーエンス社製ＶＲシリーズ）を用いて、円形の焼結品の中心から８０～９８％の範囲の外径側端面の平面度を測定した。平面度は各条件１０個ずつの平均値にて算出した。

［面積誤差計と平面度平均値との比較］
それぞれの成形品について、３つの突部の形成位置から面積誤差計の値（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）を求め、それらから得られた焼結品の平面度の平均値を求めた。そして、これらの関係を図３にまとめた。この結果より、面積誤差計の値と平面度平均値との間に相関があることが認められた。

また、この結果より、平面度平均値の許容範囲を完成状態の製品の平面度規格を考慮し０．０６ｍｍ以下としたい場合、面積誤差計の値（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）を焼結工程における成形品の水平面への投影面積（３Ｘ）よりも小さくする必要があることが分かった。本実施例では、直径１００ｍｍの成形品を用いたので、直径１００ｍｍの円の面積である７８５４ｍｍ^２よりも小さくなるように、３つの突部の位置を設定する必要があることが分かった。

Claims

金属粉末を成形してなる水平面への投影面の形状が円形の径が大きく厚みが薄い円盤形状の成形品の下面に３つの突部を下向きに突出させて一体に形成する成形工程と、この成形工程で得られた成形品を焼結する焼結工程とを備え、３つの突部の中心点の位置をａ、ｂ、ｃ、成形品の水平面への投影面積を３Ｘとしたときに、成形工程において、
（１）ａとｂを通る直線ａｂと、ｃを通り直線ａｂと平行な直線ｃとで区切られる部分の面積がＡ、Ｂ、Ｃのとき、｜Ｘ－Ａ｜＋｜Ｘ－Ｂ｜＋｜Ｘ－Ｃ｜＝Ｄ
（２）ａとｃを通る直線ａｃと、ｂを通り直線ａｃと平行な直線ｂとで区切られる部分の面積がＡ’、Ｂ’、Ｃ’のとき、｜Ｘ－Ａ’｜＋｜Ｘ－Ｂ’｜＋｜Ｘ－Ｃ’｜＝Ｅ
（３）ｂとｃを通る直線ｂｃと、ａを通り直線ｂｃと平行な直線ａとで区切られる部分の面積がＡ”、Ｂ”、Ｃ”のとき、｜Ｘ－Ａ”｜＋｜Ｘ－Ｂ”｜＋｜Ｘ－Ｃ”｜＝Ｆ
（４）Ｄ＋Ｅ＋Ｆ≦３Ｘ
の条件を満たす位置に３つの突部を形成することを特徴とする焼結機械部品の製造方法。