JPS596301A - 粉末金属製の部品の高密度化法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、粉末冶金の分野に関する。

粉末金属の部品を製造する際は、金属の粉末を型の腔部
に入れ、上下のパンチ間で押圧する。パンチの表面と型
の隅部は完成部品に所要の形状を与えるような形態とな
っている。この方法は、一般にできるだけ部品全体にわ
たり均一な密度を与えることを意図されている。もし比
較的高い部品密度が要求されるならば、部品の形造にお
いて比較的高い圧縮力が用いられる。別の方法において
は、圧縮して焼結された部品を類似の形状の型に入れて
再び圧縮する。しかし、入手可能なプレスの加圧能力、
過度の加工応力および形造された部品の品少の如き諸要
因九より、比較的高い圧縮および（または）再加圧用圧
力は制約される。

ある用途においては、部品の異なる部分に異なる機械的
特性を得るため、ある部分において他の部分より比較的
高い密度で粉末金属部品を作ることが望ましい。本発明
によれば、粉末金属部品のある部分に比較的高い密度を
得るため、圧縮パンチ修正を加えである部分に対して他
の部分に更に大きな粉末充填深さを可能にする。圧縮お
よび焼結の後、この部品を類似の形状の型内で再び圧縮
する。しかし、パンチは更に局庚的な高密度化を達成す
るため比較的厚い即ち過度の充填を行なった部分のみを
再加圧するよ５忙構成されている。

この再加圧された部分は熱処理を行なうことができ、あ
るいは熱処理の後再焼結することができる。

本発明によりば、焼結後の再加圧は更なる高密度化を必
要とする部品の部分のみに限定される点で有利である。

このため、市販のプレスの加圧能力は部品のこれらの部
分のみに対して付与されるのである。

本発明は特許、仙の多くの用途の可能性を有するが、粉
末金属ギアの製造に用途を有する。ギアの生産のための
従来の粉末冶金法は経済的に魅力があるため、粉末金属
ギアは広く用いられている。

ギアの場合には、更なる高密度化を必要とする部分は歯
部と歯元円の真下のギア胴部の領域である。

ギアの歯列は厳しい静的荷重および衝撃荷重を受け、な
らびに厳しい疲労を生じる。

本発明によれば、その全体に熱処理を必要としあるいは
肌焼き（表面硬化）処理を必要する炭素を含む鉄を基拐
とする部品の場合には、別の利点が得られる。従来の粉
末金属部品が形造および焼結により製造される場合、こ
れらは内部で連結した多孔質構造を特徴とするものであ
る。通常規定される炭素潜在量により管理された雰囲気
中において行なわれる熱処理工程においては、雰囲気が
部品の細孔に侵入し、その炭素成分を全体的に実責的に
増加させる。同様に、表面硬化のみを行なうための炭素
窒化作用または炭化作用を有する雰囲気もまた相互に連
結された細孔を経て部品内に侵入する。いづれの場合に
おいても、こねは部品の機械的特性に対して有害となる
。もし相互に連結された細孔をある部分（即ち部品の一
部）の密度を増加することにより最小限度に抑えるかあ
るいは排除するならば、活性ガスは部品の内部にそれ程
達し得ない。

従来の粉末冶金法に関する（・くっがの文献としては下
記の如くである。即ち、米国ニューシャーシー州プリン
ストンの金属粉末産業協会（１９８０年）刊、Ｆ、Ｖ、
　Ｌｅｎｅｌ著　「粉末冶金−原理と応用」、第１７章
、４６６〜４４４頁；米国ニューヨーク州のＩｎｔｅｒ
ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｉｎｃ、　　
（１９４９年）刊、Ｃ，Ｇ、Ｇｏｅｔｚｅｌ著「粉末冶
金学論文」、第１巻、６５６〜６６０負；スウェーデン
Ｂｏｋｔｒｙｃｋ　Ａ。

Ｂ、　（１９５８年）刊のＨｏｇａｎａｓ　Ｉｒｏｎ　
ＰｏｗｄｅｒＨａｎ、ｄｂｏｏｋのＨ，Ｇ、　Ｔａ、ｙ
ｌｏｒ著　「定寸および鋳造法」、第１巻、第り部、第
４０章、１〜２６頁がある。

本発明は粉末冶金技術に関する。本発明が関与する粉末
冶金法には２つの基本的な工程があり、即ち、成形型と
共に金属粉末を高圧力で押圧し、その後金属の融点付近
であるがこれより低い温度まで加熱する（即ち、焼結）
工程が続く。粉末金属は、例えば、噴霧化、破砕、ショ
ット・ブラスト、酸化物粉末の還元、電解処理または金
属蒸気からの凝縮等を含む公知の工程のどれかを用いる
ことにより得ることができる。一般に、粉末は冷たい金
属グイ内で圧縮される。圧力は一般に約０．７７５乃至
７．７５０　ｋｇΔ−（５乃至５０　ｔｏｎ／１ｎ２）
の範囲で変化する。焼結は、金属の酸化を避けるため還
元雰囲気中あるいは真空炉内で減圧された雰囲気圧力中
で実施される。焼結操作中、個々の粒子は固相拡散によ
り相互に冶金作用により結合さ幻る。

本発明によれば、粉末金属の形状は少な（とも１つの多
重深さを有するパンチにより型内で成形される。このた
め、この形状は比較的長い長さ即ち直線寸法を有する部
分、隣接する部分の長さよりも長い加圧方向寸法を有す
る部分を有する。最初の圧縮のため用いられる頂部と底
部の両方の・ξンチは多重深さパンチであることが望ま
しい。一般に、最初の圧縮の後の直線寸法における比較
的短い長さに対する直線寸法における比較的長い長さの
比率は１：１よりは大きく約１．５：１よりは小さい。

この比率は約１＝１より大きくかつ約１．２：１より小
さなことが最も望ましい。

粉末金属の成形品は焼結されるが、必ずしも完全な程度
にする必要はなく、即ち従来の方法による場合と同じ温
度と同じ期間で焼結される必要はない。特定の金属に対
する焼結時間および温度の特定の事例については下記の
事例において示される。焼結は当接する粉末粒子間に結
合状態を生じるに充分なものでなければならない。この
結合状態は、成形体が可塑的状態で変形できるように再
び加圧されるときに粒子の結合状態の一体性を維持する
程充分なものでなければならない。

本発明による次の工程は、最初比較的長い長さを有する
焼結成形体の各部分に圧縮力を付与するパンチを用いて
型内で再圧縮することである。このため、もし）ξンチ
が単に平坦ならば、ノξンチは最初にこわらの部分に圧
力を付与する焼結成形体の高くなった部分に当接するこ
とになる。一般に、比較的長い長さの部分は、圧縮に先
立って他の部分よりも低い密度を有するが、再圧縮と同
時にこの高くなった部分の密度は更九大きくなる。熱論
、再加圧用型は成形体の側壁面を囲繞し、このため粉末
の成形体を形成するため使用される型と略々同じ形態を
有するととＫなる。もし中心部の内孔が必要であるなら
ば、粉末の締固めおよび再圧縮型の両方においてマンド
レルを必要とすることになる。任意の別の工程は、再加
圧された成形体に更に焼結を加えるか、あるいは単に再
加熱した後急冷することを含めてもよい。

本発明は、ギアの歯列に余分な密度を提供する小型ギア
の製造に対して特別の用途を有するものである。

本発明の他の特徴および目、りおよび長所については、
図面忙関する以下の詳細な記述から明らかになるであろ
う。

先ず第１Ａ図においては、下部ノ々ンチ１１とこの下部
パンチの内孔内忙摺動するマンドレル１２とを有する成
形型１０が示されている。この成形型の壁面は前記マン
ドレル１２の軸心に対し略々平行な線および下部パンチ
における内孔により画成される。この型の壁面は、例え
ばギアの歯列の外縁部を画成する。第１Ａ図に示された
特定の実施態様においては、下部ノセンチの頂面には周
辺部がマンドレルと隣接する中心部よりも低くなるよう
に段部が設けられている。平ギアの成形の場合には、ギ
アーの歯列の下方の部分はこのためマンドレルに隣接す
るハブ部分よりも低くなっている。

もし型が粉末金属により均等に頂部まで充填されるなら
ば、型の局部における粉末金属の部分の長さは型の中心
部における粉末金属の長さよりも長いことに注目さＪま
たい。

次に第１Ｂ図においては、上部パンチ１４はマンドレル
１２を受取るための内孔を有し、また周囲の部分か中心
部分よりも高くなるように段部を詐りだ下部面を有する
。粉末金属が締固めらねる局、その結果書られる部分は
第２図に示さ引た断面を有する。ギアの場合には、胴部
の長さは歯部の長さよりも短い。興味のあることは、締
固め後の比較的長い周部の歯部の密度は比較的短い胴部
の密度よりも小さいという事実である。

ノξンチの面はその中心線に対して直角に研摩される必
要がないことを注目されたい。このため、再加圧された
成形体部における密度の愛化な生じるように中心線に関
する拡曲もしくは収縮のいずｉｌのテーパ形状も可能で
ある。

上部および底部のパンチは、型内部で異なる深さに独立
的に定置可能な入り子犬の多重パンチでよい。

選択された高屈痩化のＮ埋は粉末金属製の部品に対して
適応することができ、ギアは単なる事例に過ぎない。

第２図に示される粉末金属の部品が焼結された後、これ
は平坦な面のパンチを用いて再加圧される。このノセン
チの平坦面は、最初は少なくともギアの比較的長い周辺
部と接触するのみである。この歯列の余分な長さはこの
時第６図に示される如き部品を形成するギアの胸部と略
り同じ長さまで圧縮される。

事例Ｉ 鉄を基材とする粉末金属部品を特定の場所において、下
記の如く遥かに高い密度まで高密度化した。

低炭素鋼のアトマイズ粉末（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ　Ｇｒ
ａｄｅＡｌｏＯ（３）と黒鉛の粉末形態σ）０．９％の
炭素（Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｇｒａｄｅ　１６５１）の
混合物を使用した。

また、０．５％のワックス（Ａｃｒａｗａｘ）および０
．２５％のステアリン酸の粉末をダイスの油滑剤として
含ませた。上下のパンチを歯元円径まで研摩した。

ギアが公称６．８１７ｃｍ３　まで加圧さＪｌだ時、ギ
アの胴部は長さが約１．２７　ｃｍ　（０，５００イン
チ）となり、ギアの歯列の公称長きは約１．４１　ｃｍ
　（［１，５５３インチ）であった。

ギアはニュートラル雰囲気内で６０分間１１２１’Ｃ（
２０５０６Ｆ）で焼結された。焼結の後、ギアは平坦面
のノセンチを用いて表ＩＫ示された移々の長さに定寸し
た。とわらのギアは次に０．７％の炭素ポテンシャルに
おいて８３５℃（１５３５〒）：３゜分間熱処理され、
油で急冷された。その結果は下表に示されている。

事例■ 事例Ｉで用いたものと同じ粉末充填剤を研岸された上下
のパンチ間で６．４　ｇ／ａｍ３の公称密度まで形造し
、その結果ギアの胴部は長さ１．２７ＣＭ（０，５００
インチ）、歯列は長さが１．４７　ｃｍ　（０，５８０
インチ）であった。歯列は事例ＩＫおける如く焼結し、
次いで平坦面のノξンチにより表Ｈに示された長さに定
寸された。０７％の脚素ヂテンシャルの雰囲気内で８３
５℃（１５３５１”）　テ３０分間加熱した後油中で急
冷されて、下記のデータを得た。

即ち、 事例１ 本例は、本発明により選択的な高密度化によりもたらさ
れた相互に結合した細孔の減少が気相の炭化作用を有す
る雰囲気からの炭素の拡散を禁止することを示している
。

低炭素鋼のアトマイズ粉末である）ｌｏｅｇａｎａｅｓ
Ａｌｏｏｏ　　（炭素（黒鉛）粉末は添加しない）を公
称密度６４ｇ／ｃｒｎ３でギア内部に圧入した。胴部の
長さは公称約１．２７ｃｍ（０，５００インチ）であり
、歯列の長さは公称１．４７ｃＩｒＬ（０，５７８イン
チ）であった。

ギアは炭素を含まない雰囲気である解離したアンモニウ
ム中で１１２１℃（２０５０°Ｆ）で３０分間焼結され
た。

こわらのギアは次に表１に示される如き平坦面のノぞフ
チ間で異なる歯部長さに定寸された。ギアは０．７％の
炭素潜在量を有する自然状態の雰囲気中で８１６℃（１
５００°Ｆ）で３０分間加熱された。比較のため、約２
．５４ｃｍ（１インチ）の直径×約２．５４ｃＩｎ（イ
ンチ）の長さのＳ　Ａ　Ｅ　１０２０　冷ｎＪＪロール
・バーもまた熱処理された。

密度の測定は、種々のギア九ついて表ＩＫ示される如く
行なった。叉Ｋ、熱処理の雰囲気からの炭素ピックアッ
プ深さを示すように構成された金属組織学的断面が調製
された。この断面は最も大きな範囲の密度を呈したため
、底部の半分の長さ５、または形造および再加圧操作の
間底部ノンチに最も近い半分の長さを使用した。箆度お
よび炭素の測定深さは表１１ｃ示される。

約１．４７ｃｍ（０，５７８インチ）の長さの定寸措置
を行なわない歯部は全体的な炭化状態を呈した。密度が
７．０３ｇ％肩３　（約１．２９σ（０，５１０インチ
）の歯部長さ）においては、炭化深さは不規則的であり
、０．５６ｍと評価された。密度が増加するに伴ない、
炭化の探さは減少した。７．３７　ｇ／ｃＷＬ３Ｖｃお
いては、この深さは０．１７ｍ　と測定された。１００
％の密度の５ＡＥ１０２０のバー劇料に場合は、炭化深
さは約０゜１０ｍである。

本発明の望ましい実施態様九ついて本文に記述したが、
これらの実施態様は頭書の特許請求の範囲内で実施可能
であることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は多電深度のパンチを示す締固
め成形型組立体を示す図、第２図は再加圧前の粉末の成
形体を示す図、および第６図は再加圧後の第２図の成形
体を示ず図である。 １０・・・成形型、１１・・・下部パンチ、１２・・・
マンドレル、１４・・・上部パンチ。 ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異なる密度の部分を有する一体の粉末金属を作る方
   法において、 （ａ）　　仙、の部分の長さ九対して比較的長い長さの
   部分を有する成形体を形成するため少なくとも１つの多
   重深さのパンチを備えた成形型内に粉末金属を加圧し、 （ｂ）前記粉末金属の成形体を焼結し、（ｃ）　　比較
   的長い長さの前記焼結された成形体の前記部分に対して
   主として作用力を付与するパンチにより型内で前記の焼
   結された成形体を再び加圧し、 （６）　　比較的長い長さを最初に有する部分が比較的
   短い長さを最初に有する部分よりも大きな密度を有する
   粉末金属の物体を取出す工程からなることを特徴とする
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法に′お・いて、最
   初に粉末金属を加圧するため使用された頂部と底部の両
   方のノセンチが多重深さ、５ンチであることを特徴とす
   る方法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の方法において、最初に
   粉末金属を加圧するための成形型が加圧軸心に対して実
   質的に平行な線により画成される側壁面を有することを
   特徴とする方法。 ４、特許請求の範囲第１項記載の方法において、最初に
   粉末金属を加圧する成形型が前記胴部の開口を形成する
   ためのマンドレルを有することを特徴とする方法。 ５　特許請求の範囲第１項記載の方法において、最初に
   粉末金属を加圧するための頂部および（または）底部の
   ノ々ンチが成形型内の異なる深さまで独立的に定置可能
   な入４子状のパンチであることを特命とする方法。 ６、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記焼
   結成形体を再び加圧するための前記型が最初に粉末金属
   を加圧するための成形型と実質的に同じ側壁面の形状を
   有することを特徴とする特許７、　特許請求の範囲第１
   項記載の方法において、比較的大きな最終的な密度な有
   する部分が最初に粉末金属を加圧した後に比較的／Ｊ％
   さな密度を有することを特徴とする方法。 ８、特許請求の範囲第１項記載の方法において、冶金作
   用的に粉末の粒子を再加圧するとき九可塑的に変形可能
   な程に一体の成形体に結合できる温度および時間だけ焼
   結する工程を含むことを特徴とする方法。 ９、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記再
   加圧のｖｋに前記粉末金属を再び焼結する工程を含むこ
   とを特徴とする方法。 ＩＯ１特許請求の範囲第１項記載の方法において、最初
   に粉末金属を加圧して作られた前記成形体の前記の他の
   部分の長さに対する比較的長い長さを有する前記成形体
   の前記部分の長さの比率が１＝１より大きく約１．５：
   １よりはｌトさなことを特徴とする方法。 １１、　特許請求の範囲第１項記載の方法において、最
   初に粉末金属を加圧して作られた前記成形体の前記の他
   の部分の長さに対する比較的長い長さを有する前記成形
   体の前記部分の長さの比率が１．１：１より大きく約１
   ．２：１よりは小さなことを特徴とする方法。 １２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   粉末金属が低炭素鋼のアトマイズ粉末と黒鉛粉末の形態
   の少量の炭素との混合物であることを特徴とする方法。 １３　　特許請求の範囲第１項記載の方法において、前
   記の再加圧後前記粉末金属を再び加熱して急冷する工程
   を含むことを特徴とする方法。 １４、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   粉末金属の物体がギアであることを特徴とする方法。