JPS6156204A - 高強度焼結鍛造部材の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高強度焼結鍛造部材の製造方法に関し、詳し
くは、焼結鍛造部材の製造において、熱間鍛造された焼
結鍛造部材を金型キャビティ内に微細硬質粒子により囲
繞されるように装入・配置した状態で加圧して、焼結鍛
造部材の表面部を微細硬質粒子を介して加圧処理するこ
とによって、焼結鍛造部材の強度を著しく改善すること
のできる高強度焼結鍛造部材の製造方法にかかる。

〔従来の技術〕

焼結部材は、粉末冶金用金属粉末原料を型により圧粉成
形した後、加熱焼結炉にて焼き固めて製品部材とするも
ので、生産性が高（精度が優れていることから、省資源
・省エネルギ的な金属部材の成形方法として、自動車用
部品等に広く適用されている。

しかし、焼結部材は本来その内部における空孔の存在が
避けられないことから、高強度部品への適用は困難とさ
れていた。

とこ７）が、最近、粉末冶金用金属粉末原料を焼結処理
後に熱間鍛造することにより、焼結体に内在する空孔を
圧潰して焼結部材の強度を向上し、展伸された累月を熱
間鍛造した鋼部材に匹敵する強度を確保するものとして
、焼結鍛造法が広く適用されている。

とりわけ、近年においては、自動車部品、事務機械部品
、農業機械部品等の金属部材が焼結鍛造法により製造さ
れている。

さて、従来の焼結鍛造法においては、粉末冶金用金属粉
末座ネミ１を圧粉成形して圧粉成形体を形成する工程と
、圧粉成形体を加熱焼結する工程と、加熱焼結された焼
結体を高温にて熱間鍛造する工程とによって焼結鍛造部
材が製造されている。

このような従来の焼結鍛造部材の製造方法にお゛いては
、焼結体の表面部が熱間鍛造時において鍛造型に直接接
触するために、加熱焼結によって高温に加熱された焼結
体の表面部が鍛造型によって冷却されることとなる。

この冷却された焼結体の表面部は、冷却されない焼結体
の内部に比較して、その後工程である熱間鍛造による圧
密化効果が弱く、表面部に残留空孔を残存しやすくなる
という傾向があった。

このような理由から、従来の焼結鍛造法により製造され
た焼結鍛造部材は、引張強度、疲労強度等の機械的性質
を充分に確保することができないという問題点があった
。

そこで、従来、上述のような引張強度、疲労強度等の機
械的性質の低下をもたらす焼結鍛造部材の表面空孔を圧
潰させる手段として、焼結鍛造部材の表面にショツトブ
ラスト処理を実施する方法等が一般的に採用されており
、発明者らも、上述のような従来の焼結鍛造法における
問題点に対して、圧粉成形体の表面に固体微粒子を衝突
させることによって、圧粉成形体の表面部における欠陥
を少なくした後、熱間鍛造して焼結鍛造部材の表面部に
おける空孔の少ない焼結鍛造部材の製造方法を既に提案
している（特願昭５９−０１７５７７号、昭和５９年２
月１日出ｌ１ｌ）。

しかし、上述のような従来法においては焼結鍛　　　　
　　　［造部材が室温まで冷却された後に、シミツトプ
ラスト処理を実施することとしているため、焼結体の表
面空孔を確実に圧潰するためには、大きなショツトブラ
スト処理吹き付はエネルギと、長いショツトブラスト処
理時間を必要とするのが現状であった。

また、上記既提案の焼結鍛造部材の製造方法（特願昭５
４１０１７５７７号）においても、圧粉成形体の状態で
その表面に固体微粒子を衝突させて、圧粉成形体の表面
部を圧密化することとしていることから、ショツト粒子
等の固体微粒子を圧粉成形体の表面に衝突させる時にお
いて、圧粉成形体の表面部における「剥離」を発生した
り、角隅部における「欠け」を発生し易く、ショツトブ
ラスト処理条件（ショツト粒子の速度１粒径、材質等）
の選定や圧粉成形体の密度、形状設計のために、多大な
実験を必要とするのが現状であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明が解決し
ようとする問題点は、従来の焼結鍛造部材の製造方法に
おいては、焼結体の表面部が熱間鍛造時において鍛造型
に直接接触して加熱焼結によって高温に加熱された焼結
体の表面部が鍛造型によって冷却され、冷却されない焼
結体の内部に比較して、その後工程である熱間鍛造によ
る圧密化効果が弱く、表面部に残留空孔を残存しやすく
なることから、従来の焼結鍛造法により製造された焼結
鍛造部材は、引張強度、疲労強度等の機械的性質を充分
に確保することができないことにある。

従って、本発明の技術的課題とするところは、焼結鍛造
部材の製造において、焼結鍛造された焼結鍛造部材を金
型キャビティ内に微細硬質粒子により囲繞されるように
装入・配置した状態で加圧して、微細硬質粒子を介して
前記焼結鍛造部材の表面部の加圧処理を実施することに
より、焼結鍛造された焼結鍛造部材の表面部の圧密化を
はかるとともに、焼結鍛造部材の表面部に高い圧縮残留
応力を付与することによって、焼結鍛造部材の引張強度
、疲労強度等の機械的性質を優れたものとすることにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の従来の技術における問題点に鑑みて、本発明にお
いて、従来の技術の問題点を解決するための手段は、粉
末冶金用金属粉末原料を圧粉成形して圧粉成形体を形成
する工程と、 前記圧粉成形体を焼結反応が充分に進行する温度範囲に
て加熱焼結する工程と、 加熱焼結された焼結体を高温にて熱間鍛造して焼結鍛造
部材とする工程と、 焼結鍛造された焼結鍛造部材の表面部を圧密化する工程
とからなる高強度焼結鍛造部材の製造方法であって、 前記焼結鍛造部材の表面部を圧密化する工程において、
熱闘鍛造された前記焼結鍛造部材を金型キャビティ内に
、微細硬質粒子により囲繞されるように装入・配置した
状態で加圧して、微細硬質粒子を介して前記焼結鍛造部
材の表面部を加圧処理することを特徴とする高強度焼結
鍛造部材の製造方法からなっている。

？ 〔作用〕 以下、本発明の作用について説明する。

本発明において、粉末冶金用金属粉末原料としては特に
限定されるものでなく、通常の焼結鍛造部材を製造する
ために使用される従来の粉末冶金用金属粉末原料を適用
することができる。

特に、鉄系の粉末冶金用金属粉末原料が本発明の焼結鍛
造部材の製造方法には適している。

さらに、具体的には、鉄粉、銅粉、黒鉛粉末からなる混
合粉末が粉末冶金用金属粉末原料として多く使用されて
いる。

そして、銅粉の配合割合は重量％（以下、重量％を単に
％という。）で１．０〜４．０％、黒鉛粉末の配合量は
同様に０．２〜１．０％、残部実質的に鉄粉とするのが
一般的である。

なお、銅粉、黒鉛粉末は加熱焼結工程において鉄粉中に
固溶し、形成された焼結鍛造部材の強度等を向上させる
効果を有している。

また、本発明において圧粉成形工程は、混粉された粉末
冶金用金属粉末原料に潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉
末を０．５〜１．０％添加した後圧粉成形して、密度が
５．０〜’１．５ｇ／ｃｍ’の圧粉成形体を形成する工
程である。

また、加熱焼結する工程は、圧粉成形体を非酸化性雰囲
気中にて加熱し、粉末冶金用金属粉末原料同士を焼結反
応を進行させて一体化する工程である。

そして、焼結温度、焼結雰囲気等の焼結条件は、使用さ
れる粉末冶金用金属粉末原料の種類によって任意に選択
することができる。

また、粉末冶金用金属粉末原料が鉄粉原料である場合に
は、雰囲気ガスとしては、いわゆる、ＲＸガスとして知
られている吸熱型ガスが望ましい。

また、焼結温度は１１５０℃程度、焼結時間は２０分程
度がよい。

なお、粉末冶金用金属粉末原料が、鉄、′銅、黒鉛粉末
からなる場合には、この加熱焼結工程により鉄粉同士が
焼結され、銅及び黒鉛が焼結された鉄金属中に拡散して
固溶化する。

次に、高温にて熱間鍛造して焼結鍛造部材を製造する工
程は、加熱焼結工程で形成された高温状態の焼結体を鍛
造型に挿入し、鍛造型により熱間鍛造を実施する工程で
ある。

この工程は、基本的には従来の焼結鍛造工程と同一のも
ので、粉末冶金用金属粉末原料として鉄系のものを使用
した場合には、鍛造型としては合金工具鋼製の鍛造型と
し、熱間鍛造時の加圧力としては、８ｔｏｎ／ｃｍ’程
度の加圧力とするのが通常である。

次に、焼結鍛造された焼結鍛造部材の表面部を圧密化す
る工程は、熱間鍛造工程にて熱間鍛造された焼結鍛造部
材を、金型キャビティ内に微細硬質粒子により囲繞され
るように装入・配置した状態で加圧して、微細硬質粒子
を介して前記焼結鍛造部材の表面部を加圧処理する工程
である。

ここで、加圧処理は金型キャビティ内において、焼結鍛
造された焼結鍛造部材を微細硬質粒子により囲繞される
ように装入・配置した状態で実施することにより、加圧
力を微細硬質粒子を介して擬似静水圧的に作用させ、焼
結鍛造部材の表面部に対して、３次元的に加圧処理する
ことができるのである。

なお、上述のように擬伯静水圧的に焼結鍛造部材の表面
部を加圧処理するためには、焼結鍛造部材を囲繞するよ
うに配置された微細硬質粒子が、出来るだけ流動性に優
れた材質、形状とすることが望ましい。

このように本発明法による焼結鍛造部材の加圧処理方法
によれば、焼結鍛造部材の表面部の空孔を蒲実に圧潰す
ることができるばかりでなく、焼結鍛造部材の表面部に
圧縮残留応力を付与することができることから、焼結鍛
造部材の引張強度。

疲労強度等の機械的性質を著しく向上することができる
のである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１） まず、０．５％（＞２％Ｃｕ−０，２％Ｍｎ−Ｂａ１Ｆ
ｅからなる組成を有する粉末冶金用金属混合粉末原料に
、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末を０．６％添加し
た混合粉末を用いて、通常の圧粉成形工程、加熱焼結工
程、熱間鍛造工程を経て、焼結鍛造コネクティングロッ
ドを製造した。

なお、圧粉成形工程における圧粉成形圧力は、５　ｔｏ
ｎ　／　ｃｍ　２であり、また、形成された圧粉成形体
の密度は約６．８ｇ／ｃｍ’であった。

その後、圧粉成形体を吸熱型ガス雰囲気中にて１１５０
℃×２０分間加熱焼結し、その後、焼結炉から取り出し
大気中に配置された鍛造型に移し、直に、８ｔｏｎ／ｃ
ｍ２の加圧力により熱間鍛造した後、大気中にて放冷し
た。

なお、加熱焼結炉から焼結体を取り出し、鍛造型で鍛造
加圧するまでの時間は約１０秒であった。

ついで、第１図に示すような金型構造をした装置に、こ
の焼結鍛造コネクティングロッド１を微細硬質粒子２に
より囲繞されるように装入・配置した状態でプレスによ
り加圧して、微細硬質粒子２を介して前記焼結鍛造コネ
クティングロッド１の表面部を加圧処理した。

なお、第１図の金型装置において、３はダイス１．：、
Ｎ；ト＋−金型、５は下金型からなり、上金型４と下金
型５の間隙に焼結鍛造されたコネクティングロッド川を
囲繞するように微細硬質粒子２を装入・配置し７て、プ
レス等の加圧手段により荷重Ｐ、を負荷して、焼結鍛造
されたコネクティングロッド１の表面部を圧密化した。

なお、比較のために従来品として、上記した実施例の製
造方法で、加圧処理による焼結鍛造コネクティングロッ
ドの表面部の圧密化工程を除き、その他の工程は実施例
の工程と全く同一として焼結鍛造コネクティングロッド
を製造した。

その後、上述により加圧処理された焼結鍛造コネクティ
ングロッドの本発明品と従来品の「最表面層空孔率Ｊ、
ｒｌｏ　　目疲労強度」を測定した。

その測定結果を第２図に示す。

第２図から明らかなように、本発明法により加圧処理を
実施した本発明品（焼結鍛造コネクティングロッド）は
、加圧処理しない従来品に比較して、「最表面層空孔率
」は１７３以下に低減されており、また、ｒｉｏ７回疲
労強度」は従来品の約１．５倍に向上していることが理
解される。

（実施例２） まず、０．５％Ｃ−２％Ｎｉ−０．５％Ｍｏ　−ｒｉａ
ｌＦｅからなる組成を有する粉末冶金用金属混合粉末原
料に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末を０．６％添
加した混合粉末を用いて、通常の圧粉成形工程、加熱焼
結工程、熱間鍛造工程を経て、焼結鍛造歯車を製造した
。

なお、圧粉成形工程、加熱焼結工程、熱間鍛造工程は、
いずれも実施例１と同様な条件にて実施した。

ついで、第３図に示すような金型構造をした装置に、こ
の焼結鍛造歯車６を微細硬質粒子２により囲繞されるよ
うに装入・配置した状態でプレスにより加圧することに
より、微細硬質粒子２を介して前記焼結鍛造歯車６を加
圧処理した。

なお、第３図の金型装置は３ａ、３ｂ、３ｃ。

３ｄの４つのダイスからなり、ダイス３ａ、３ｂ。

３ｃ、３ｄによって郭定される間隙に焼結鍛造された歯
車６を囲繞するように微細硬質粒子２を装入・配置して
、プレス等の加圧手段により荷重Ｐ、を負荷して、焼結
鍛造された歯車６の表面部を圧密化した。

また、実施例１と同様、比較のための従来品として、−
に記した実施例の製造方法で、加圧処理による焼結鍛造
歯車６の表面部の圧密化工程を除き、その他の工程は実
施例の工程と全く同一として焼結鍛造歯車６を製造した
。

その後、上述により加圧処理された焼１１８鍛造歯車６
の本発明品と従来品の「最表面層空孔率」。

「１０７回疲労強度」を測定した。

その測定結果を第４図に示す。

第４図から明らかなように、本発明法により加圧処理を
実施した本発明品（焼結鍛造歯車）は、加圧処理しない
従来品に比較して、［最表面層空孔率］は１／４以下に
低減されており、また、歯元の曲げに対する「１０２回
疲労強度」は従来品の約１．５倍に向上していることが
理解される。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる高強度焼結
鍛造部材の製造方法によれば、焼結鍛造部材の製造にお
いて、焼結鍛造された焼結鍛造部材を金型キャビティ内
に微細硬質粒子により囲繞されるように装入・配置した
状態で加圧して、微細硬質粒子を介して前記焼結鍛造部
材の表面部を加圧処理を実施することにより、焼結鍛造
された焼結鍛造部材の表面部の圧密化をはかるとともに
、焼結鍛造部材の表面部に高い圧縮残留応力を付与する
ことによって、焼結鍛造部材の引張強度、疲労強度等の
機械的性質を優れたものとすることができる利点がある
。

加えて、本発明にかかる高強度焼結鍛造部材の製造方法
によれば、焼結鍛造部材となった後にその表面部を圧密
化することから、圧粉成形体状態において圧密化する必
要がなく、従って、圧わ）成形体の表面部における「剥
離」、角隅部における「欠け」を発生することのないと
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、焼結鍛造されたコネクティングロッドを加圧
処理している状況を示す説明図。 第２図は、焼結鍛造コネクティングロッドの、本発明品
と従来品における「最表面層空孔率」及び「１０７回疲
労強度」を比較したグラフ。 第３図は、焼結鍛造された歯車を加圧処理している状況
を示す説明図。 第４図は、焼結鍛造歯車の本発明品と従来品における「
最表面層空孔率」及び「１０　目疲労強度」を比較した
グラフである。 １−・−焼結鍛造コネクティングロッド。 ２−−−−・微細硬質粒子。 ３−−−−−−ダイス。 ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ−−−−−ダイス。 ４−−−−−１金型。 ５−−−−一下金型。 ６−−−−一焼結鍛造歯車。 Ｐ　ｌ＋　　Ｐ　ｌ＋　　Ｐ　５−−−−’−加圧力。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粉末冶金用金属粉末原料を圧粉成形して圧粉成形体
   を形成する工程と、 前記圧粉成形体を焼結反応が充分に進行する温度範囲に
   て加熱焼結する工程と、 加熱焼結された焼結体を高温にて熱間鍛造して焼結鍛造
   部材とする工程と、 焼結鍛造された焼結鍛造部材の表面部を圧密化する工程
   とからなる高強度焼結鍛造部材の製造方法であって、 前記焼結鍛造部材の表面部を圧密化する工程において、
   熱間鍛造された前記焼結鍛造部材を金型キャビティ内に
   、微細硬質粒子により囲繞されるように装入・配置した
   状態で加圧して、微細硬質粒子を介して前記焼結鍛造部
   材の表面部を加圧処理することを特徴とする高強度焼結
   鍛造部材の製造方法。