WO2015001894A1 - 焼結機械部品及びその製造方法 - Google Patents

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孝洋 奥野
尚樹 八代
大平　晃也
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Definitions

  • the present invention relates to a sintered machine part and a manufacturing method thereof.
  • the sintered body is obtained by compression-molding mixed metal powder and then sintering at a predetermined temperature.
  • Sintered bodies are used for machine parts and the like because they can produce net shape products or near net shape products, and can reduce costs by reducing yield and processing man-hours.
  • iron-based sintered bodies are widely used in automobile parts and electrical products because of their excellent mechanical properties.
  • Patent Document 1 a technique for increasing the density of a sintered body by alternately performing a compression molding process and a sintering process twice on a mixed powder is known (for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 a technique for increasing the density of a sintered body by alternately performing a compression molding process and a sintering process twice on a mixed powder.
  • Patent Document 2 uses a metal powder having a coarse particle size distribution to increase the density of a sintered body without using costly treatments such as two-stage molding and two-stage sintering.
  • Patent Document 2 it may be impossible to increase the iron-based sintered body to an ultra-high density of 7.5 g / cm 3 or more simply by using a metal powder having a coarse particle size.
  • An object of the present invention is to increase the density of mechanical parts made of iron-based sintered metal to 7.5 g / cm 3 or more by a low-cost method.
  • the graphite powder blended in the mixed powder is dissolved in the alloy steel powder, so that the place where the graphite powder is present becomes a void.
  • the graphite powder is finer than the alloy steel powder, and therefore the pores associated with the solid solution of the graphite powder as described above are fine. Therefore, in an iron-based sintered body having a low density (that is, a sintered body in which a certain amount of vacancies are formed), the influence of vacancies associated with the solid solution of the graphite powder as described above is small. The impact was not considered.
  • the size and the mixing ratio of the graphite powder greatly affect the density of the sintered body in an ultra-high density sintered body of 7.5 g / cm 3 or more. It became clear. Therefore, in the present invention, an extremely fine graphite powder having an average particle size of 8 ⁇ m or less is used, and the blending ratio of the graphite powder in the mixed powder is kept low (in the case of diffusion alloy powder, alloy steel powder is 100 wt%). 0.05 to 0.35 wt% relative to 100 wt% of alloy steel powder in the case of complete alloy powder). Accordingly, the density of the sintered body can be increased to an ultra-high density of 7.5 g / cm 3 or more without using an expensive method such as two-stage molding or two-stage sintering.
  • the present invention is a sintered machine part formed using a mixed powder containing an alloy steel powder and a graphite powder, wherein the alloy steel powder is a diffusion alloy steel powder, and the alloy steel powder is 100 wt%.
  • the graphite powder is 0.05 to 0.35 wt%, the average particle size of the graphite powder is 8 ⁇ m or less, and the density is characterized as a sintered machine part of 7.5 g / cm 3 or more.
  • the present invention is a sintered machine part formed using a mixed powder containing an alloy steel powder and a graphite powder, wherein the alloy steel powder is a complete alloy steel powder, with respect to 100 wt% of the alloy steel powder.
  • the graphite powder is characterized by 0.15 to 0.35 wt%, the graphite powder has an average particle size of 8 ⁇ m or less, and a density of 7.5 g / cm 3 or more.
  • the present invention also includes a mixing step of obtaining a mixed powder by mixing 0.05 to 0.35 wt% of graphite powder having an average particle diameter of 8 ⁇ m or less with respect to 100 wt% of diffusion alloy steel powder, and compressing the mixed powder
  • the present invention provides a mixing step of mixing 0.15 to 0.35 wt% of graphite powder having an average particle size of 8 ⁇ m or less with 100 wt% of the complete alloy steel powder, and compressing the mixed powder
  • the diffusion alloy steel powder for example, a diffusion alloy steel powder in which Ni is diffused and adhered around the Fe—Mo alloy can be used.
  • the diffusion alloy steel powder preferably has a composition containing 1.5 to 2.3 wt% of Ni and 0.5 to 1.5 wt% of Mo, with the balance being Fe and inevitable impurities.
  • Fe—Mo—Ni complete alloy steel powder can be used as the above alloy steel powder.
  • the complete alloy steel powder preferably has a composition containing 0.5 to 0.7 wt% of Ni and 0.6 to 1.1 wt% of Mo with the balance being Fe and inevitable impurities.
  • the above sintered machine parts can be suitably used as gears or cams.
  • the density of mechanical parts made of iron-based sintered metal can be increased to 7.5 g / cm 3 or more by a low-cost method.
  • test piece used for a ring compression fatigue strength test. It is a cross-sectional enlarged view of the test piece (implemented product) using the classified powder. It is a cross-sectional enlarged view of the test piece (comparative product) using the powder which was not classified.
  • a sintered machine part is manufactured through a mixing process, a compression molding process, a sintering process, and a heat treatment process.
  • alloy steel powder, graphite powder, and lubricant are mixed at a predetermined ratio.
  • the alloy steel powder for example, those containing Ni and Mo as alloy components and the remainder being Fe and inevitable impurities can be used.
  • Ni has the effect of strengthening the mechanical properties of the sintered body and improving the toughness of the sintered body after heat treatment.
  • Mo has the effect of enhancing the mechanical properties of the sintered body and improving the hardenability during heat treatment. It is desirable to classify the alloyed steel powder by passing through a sieve having an opening of 180 ⁇ m in advance.
  • the alloy steel powder for example, a diffusion alloy steel powder obtained by diffusing and adhering other metals around the Fe alloy can be used.
  • the alloy steel powder includes Ni, Mo, Mn, Cr around the Fe alloy. At least one kind diffused and adhered can be used.
  • a diffusion alloy steel powder in which Ni is diffused and adhered around the Fe—Mo alloy is used.
  • the mixing ratio of Ni in the diffusion alloy steel powder of the present embodiment is 1.5 to 2.3 wt%, preferably 1.7 to 2.2 wt%.
  • Mo has an effect of improving hardenability, but even if added in a large amount, the effect is saturated and causes moldability to deteriorate.
  • the mixing ratio of Mo in the diffusion alloy steel powder is 0.5 to 1.5 wt%, preferably 0.8 to 1.2 wt%, more preferably 0.9 to 1.1 wt%.
  • a completely alloyed steel powder can be used as the alloyed steel powder.
  • a completely alloyed powder composed of Fe and at least one of Ni, Mo, Mn, and Cr can be used.
  • Fe—Mo—Ni complete alloy steel powder is used.
  • the mixing ratio of Ni in the complete alloy steel powder is 0.45 to 0.9 wt%, preferably 0.5 to 0.7 wt%, more preferably 0.5 to 0.6 wt%.
  • the mixing ratio of Mo in the completely alloyed steel powder is 0.6 to 1.1 wt%, preferably 0.8 to 1.1 wt%, more preferably 0.9 to 1.1 wt%.
  • artificial graphite is used as the graphite powder.
  • the graphite powder having an average particle size of 8 ⁇ m or less is used, preferably 2 to 6 ⁇ m, more preferably 3 to 4 ⁇ m.
  • the mixing ratio of the graphite powder is 0.05 to 0.35 wt%, preferably 0.1 to 0.3 wt%, based on 100 wt% of the alloy steel powder.
  • the content is 0.15 to 0.25 wt%.
  • the blending ratio of the graphite powder is 0.15 to 0.35 wt%, preferably 0.15 to 0.25 wt% with respect to 100 wt% of the alloy steel powder. It is said.
  • Lubricant is added for the purpose of reducing the friction between the mold and the powder or when the mixed powder is compression-molded.
  • metal soap, amide wax or the like is used, for example, ethylene bisstearylamide (EBS).
  • the above-mentioned mixed powder is put into a mold cavity and compression molded to form a green compact having a predetermined shape.
  • the molding temperature is not less than room temperature and not more than the melting point of the lubricant.
  • the yield strength of the powder is lowered and the compressibility is increased, so that the molding density can be increased.
  • the surface of the mold may be coated with a film for reducing friction (such as a DLC film).
  • the compression molding process is performed at a molding pressure of about 1000 to 1400 MPa, and the density of the green compact is set to 7.4 g / cm 3 or more.
  • the green compact is sintered at a predetermined sintering temperature.
  • the sintering temperature is set within a range of 1100 to 1350 ° C., for example.
  • the sintering process is performed in an inert atmosphere such as a mixed gas of nitrogen and hydrogen or argon gas.
  • Density of the sintered body 7.5 g / cm 3 or higher, preferably 7.55 g / cm 3 or more, and more preferably, 7.6 g / cm 3 or more.
  • the sintered body is subjected to heat treatment.
  • the sintered body is subjected to a carburizing quenching and tempering process. As a result, the hardness of the surface is increased and the internal toughness is secured, so that the propagation of cracks is suppressed.
  • the sintered machine part according to the embodiment of the present invention is completed.
  • This sintered machine part can be used, for example, as a gear or a cam.
  • the sintered machine part has an internal hardness of 300 to 500 HV (preferably 400 to 500 HV), a crushing strength of 1750 MPa or more (preferably 1900 MPa or more, more preferably 2000 MPa or more), a ring
  • the compression fatigue strength is 290 MPa or more (preferably 315 MPa or more, more preferably 340 MPa or more).
  • sintered machine parts using completely alloyed steel powder have an internal hardness of 300 to 500 HV (preferably 350 to 450 HV), a crushing strength of 1500 MPa or more (preferably 1600 MPa or more), and a ring compression fatigue strength. 290 MPa or more (preferably 315 MPa or more).
  • the following evaluation test was performed.
  • As the partial diffusion alloy powder Sigmaloy 2010 manufactured by JFE Steel Corporation was used.
  • As the complete alloy powder 46F4H manufactured by Kobe Steel, Ltd. was used.
  • As a lubricant 0.5 wt% of ACRAWAX C manufactured by Lonza Japan Co., Ltd. was added.
  • Artificial graphite was used as the graphite powder.
  • a test piece was prepared through a compression molding process, a sintering process, and a heat treatment process using the mixed powder obtained by mixing these. The test piece had a cylindrical shape with an outer diameter of 23.2 mm, an inner diameter of 16.4 mm, and an axial dimension of 7 mm.
  • the sintering process was performed at 1250 ° C. for 150 minutes in a tray pusher furnace in a nitrogen and hydrogen atmosphere.
  • carburizing treatment was performed under the condition of 880 ° C. ⁇ 60 min, followed by quenching at 840 ° C. and tempering under the condition of 180 ° C. ⁇ 60 min.
  • the composition of the test pieces was varied, and the sintered density, hardness, crushing strength, and ring compression fatigue strength of each test piece were measured.
  • the measurement method of sintered density is JIS Z2501
  • the measurement method of surface hardness is JIS Z2245
  • the measurement method of internal hardness is JIS Z2244
  • the measurement method of crushing strength is JIS Z2507. Respectively.
  • the crushing strength test conditions were 0.5 mm / min stroke control. *
  • the value measured by the following method was used for the ring compression fatigue strength.
  • the radius (radius to the center of thickness) of the cylindrical test piece is R
  • the thickness is h
  • the axial dimension is d
  • the test piece is tested for a diametrical repeated load W. Add until the piece breaks.
  • the ratio between the maximum value and the minimum value of the repeated load W is set to 0.1.
  • the maximum tensile stress ⁇ max when no damage occurs even when the repeated load W is continuously applied 1 ⁇ 10 7 times is the ring compression fatigue strength of the test piece.
  • the maximum tensile stress ⁇ max is defined by the following formula 1.
  • the section coefficient ⁇ is expressed by the following formula 2.
  • the evaluation standard of the crushing strength was ⁇ when it was less than 1600 MPa, ⁇ when it was 1600 to 1750 MPa, ⁇ when it was 1750 to 1900 MPa, and ⁇ when it was 1900 MPa or more.
  • the evaluation standard of the ring compression fatigue strength was ⁇ when it was less than 290 MPa, ⁇ when it was 290 to 315 MPa, ⁇ when it was 315 to 340 MPa, and ⁇ when it was 340 MPa or more. The results are shown in Tables 1 and 2 below.
  • the amount of graphite powder added is 0.05 to 0.35 wt%, preferably 0.1 to 0.3 wt%, more preferably 0.15 to 0 It can be said that it is desirable to set it as .25 wt%. From the results in Table 2, it can be said that when the completely alloy steel powder is used, it is desirable that the addition amount of the graphite powder is 0.15 to 0.35 wt%, preferably 0.15 to 0.25 wt%. .
  • the average particle diameter of the graphite powder is 8 ⁇ m or less, preferably 6 ⁇ m or less, more preferably 4 ⁇ m or less. From the results, it can be said that the average particle size of the graphite powder is desirably 1 ⁇ m or more, preferably 2 ⁇ m or more, more preferably 3 ⁇ m or more.
  • the amount of Ni added is desirably 1.5 to 2.3 wt%, preferably about 1.7 to 2.2 wt%.
  • the addition amount of Ni is desirably 0.45 to 0.9 wt%, preferably about 0.5 to 0.7 wt%.
  • the amount of Mo added is desirably 0.5 to 1.5 wt%, preferably about 0.8 to 1.2 wt%.
  • the addition amount of Mo is desirably 0.6 to 1.1 wt%, preferably 0.8 to 1.1 wt%.

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Abstract

　拡散合金鋼粉１００ｗｔ％に対して平均粒子径が８μｍ以下の黒鉛粉末を０．０５～０．３５ｗｔ％混合した混合粉末、あるいは、完全合金鋼粉１００ｗｔ％に対して平均粒子径が８μｍ以下の黒鉛粉末を０．１５～０．３５ｗｔ％混合した混合粉末を用いて、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上の焼結体を形成する。

Description

焼結機械部品及びその製造方法
　本発明は、焼結機械部品及びその製造方法に関する。
　焼結体は、混合金属粉末を圧縮成形した後、所定の温度で焼結することにより得られるものである。焼結体は、ネットシェイプ製品もしくはニアネットシェイプ製品を作成することができ、歩留まりや加工工数の削減による低コスト化が可能になることから、機械部品などに採用されている。中でも、鉄系焼結体は機械的性質が優れていることから、自動車部品や電気製品などに幅広く採用されている。
　しかし、焼結体は内部に多くの空孔が残存しており、これらの空孔が応力集中源となって溶製材におけるき裂のような振る舞いをするため、引張・圧縮・曲げ強さや衝撃強さ等の静的強さや、疲労強さ等の動的強さが低下する原因となる。
　例えば、混合粉末に対して、圧縮成形工程と焼結工程とを交互に二回ずつ施すことで、焼結体の高密度化を図る技術が知られている（例えば特許文献１）。しかし、この場合、製造コストが高騰するという問題がある。
　例えば特許文献２では、粗い粒度分布を有する金属粉末を用いることで、二段成形・二段焼結などのコストのかかる処理を用いないで、焼結体の高密度化を図っている。
特開平４－３３７００１号公報 特表２００７－５３７３５９号公報
　しかし、上記特許文献２のように、粒度の粗い金属粉末を用いるだけでは、鉄系焼結体を７．５ｇ／ｃｍ3以上の超高密度まで高めることができない場合がある。
　本発明は、鉄系焼結金属からなる機械部品の密度を、低コストな方法で、７．５ｇ／ｃｍ3以上まで高めることを目的とする。
　混合粉末の圧縮成形体（圧粉体）を焼結すると、混合粉末に配合される黒鉛粉末は合金鋼粉内に固溶するため、黒鉛粉末があった場所が空孔となる。通常、黒鉛粉末は、合金鋼粉と比べて微細なものが使用されるため、上記のような黒鉛粉末の固溶に伴う空孔は微細なものである。従って、密度がそれほど高くない鉄系焼結体（すなわち、内部にある程度の空孔が生じている焼結体）では、上記のような黒鉛粉末の固溶に伴う空孔の影響は小さく、その影響は考慮されていなかった。これに対し、本発明者らの検証によると、７．５ｇ／ｃｍ3以上の超高密度の焼結体では、黒鉛粉末の大きさ及び配合割合が焼結体の密度に大きく影響することが明らかとなった。そこで、本発明では、平均粒子径が８μｍ以下の極めて微細な黒鉛粉末を使用し、且つ、混合粉末中の黒鉛粉末の配合割合を低めに抑えた（拡散合金粉の場合、合金鋼粉１００ｗｔ％に対して０．０５～０．３５ｗｔ％、完全合金粉の場合、合金鋼粉１００ｗｔ％に対して０．１５～０．３５ｗｔ％）。これにより、二段成形・二段焼結などの高コストな方法を用いることなく、焼結体の密度を７．５ｇ／ｃｍ3以上の超高密度まで高めることができる。
　すなわち、本発明は、合金鋼粉及び黒鉛粉末を含む混合粉末を用いて形成された焼結機械部品であって、前記合金鋼粉が拡散合金鋼粉であり、前記合金鋼粉１００ｗｔ％に対して前記黒鉛粉末が０．０５～０．３５ｗｔ％であり、前記黒鉛粉末の平均粒子径が８μｍ以下であり、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上である焼結機械部品として特徴づけられる。また、本発明は、合金鋼粉及び黒鉛粉末を含む混合粉末を用いて形成された焼結機械部品であって、前記合金鋼粉が完全合金鋼粉であり、前記合金鋼粉１００ｗｔ％に対して前記黒鉛粉末が０．１５～０．３５ｗｔ％であり、前記黒鉛粉末の平均粒子径が８μｍ以下であり、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上である焼結機械部品として特徴づけられる。
　また、本発明は、拡散合金鋼粉１００ｗｔ％に対して、平均粒子径が８μｍ以下の黒鉛粉末を０．０５～０．３５ｗｔ％混合して混合粉末を得る混合工程と、前記混合粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、前記圧粉体を所定の焼結温度で焼結して、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上の焼結体を得る焼結工程とを含む焼結機械部品の製造方法として特徴づけられる。また、本発明は、完全合金鋼粉１００ｗｔ％に対して、平均粒子径が８μｍ以下の黒鉛粉末を０．１５～０．３５ｗｔ％混合して混合粉末を得る混合工程と、前記混合粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、前記圧粉体を所定の焼結温度で焼結して、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上の焼結体を得る焼結工程とを含む焼結機械部品の製造方法として特徴づけられる。
　上記の混合粉末に含まれる合金鋼粉として、目開き１８０μｍの篩を通過させて粗大な粒子を除去したものを使用すれば、焼結体に粗大な気孔が形成されることを確実に防止できる。
　上記の合金鋼粉として、例えば、Ｆｅ-Ｍｏ合金の周囲にＮｉが拡散付着した拡散合金鋼粉を使用することができる。この場合、拡散合金鋼粉は、Ｎｉを１．５～２．３ｗｔ％、Ｍｏを０．５～１．５ｗｔ％含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成とすることが好ましい。
　あるいは、上記の合金鋼粉として、Ｆｅ－Ｍｏ－Ｎｉ完全合金鋼粉を使用することができる。この場合、完全合金鋼粉は、Ｎｉを０．５～０．７ｗｔ％、Ｍｏを０．６～１．１ｗｔ％含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成とすることが好ましい。
　上記の焼結機械部品は、ギヤもしくはカムとして好適に使用できる。
　以上のように、本発明によれば、鉄系焼結金属からなる機械部品の密度を、低コストな方法で、７．５ｇ／ｃｍ3以上まで高めることができる。
リング圧縮疲労強さ試験に用いる円筒状試験片の側面図及び断面図である。 分級を行った粉末を用いた試験片（実施品）の断面拡大図である。 分級を行わなかった粉末を用いた試験片（比較品）の断面拡大図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る焼結機械部品の製造方法を説明する。本実施形態では、混合工程、圧縮成形工程、焼結工程、及び熱処理工程を経て焼結機械部品が製造される。
　混合工程では、合金鋼粉、黒鉛粉末、及び潤滑剤を所定の割合で混合する。
　合金鋼粉としては、例えば、合金成分としてＮｉ及びＭｏを含み、残部をＦｅ及び不可避不純物としたものが使用できる。Ｎｉは焼結体の機械的性質を強化し、熱処理後の焼結体の靭性を向上させる効果がある。また、Ｍｏは焼結体の機械的性質を強化し、熱処理時の焼入れ性を向上させる効果がある。合金鋼粉は、予め目開き１８０μｍの篩通しを行い、分級しておくことが望ましい。
　合金鋼粉としては、例えば、Ｆｅ合金の周囲に他の金属を拡散付着させた拡散合金鋼粉を使用でき、具体的には、Ｆｅ合金の周囲に、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒの中の少なくとも一種を拡散付着させたものを使用できる。本実施形態では、Ｆｅ-Ｍｏ合金の周囲にＮｉを拡散付着させた拡散合金鋼粉が使用される。このように、Ｆｅ合金にＮｉ等の金属を拡散付着させることで焼結前の合金鋼粉の硬さが抑えられるため、圧縮成形時の成形性が確保される。その結果、比較的多量のＮｉを配合することが可能となる。具体的に、本実施形態の拡散合金鋼粉におけるＮｉの配合割合は、１．５～２．３ｗｔ％、好ましくは１．７～２．２ｗｔ％とされる。また、Ｍｏは、焼入れ性を向上させる効果があるが、多量に添加してもその効果は飽和して、成形性を悪化させる原因となる。このため、拡散合金鋼粉におけるＭｏの配合割合は、０．５～１．５ｗｔ％、好ましくは０．８～１．２ｗｔ％、より好ましくは０．９～１．１ｗｔ％とされる。
　また、合金鋼粉として完全合金鋼粉を使用することもでき、具体的には、Ｆｅと、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒの中の少なくとも一種とからなる完全合金粉を使用できる。本実施形態では、Ｆｅ－Ｍｏ－Ｎｉ完全合金鋼粉が使用される。この場合、完全合金鋼粉におけるＮｉの配合割合は０．４５～０．９ｗｔ％とされ、好ましくは０．５～０．７ｗｔ％、より好ましくは０．５～０．６ｗｔ％とされる。完全合金鋼粉におけるＭｏの配合割合は、０．６～１．１ｗｔ％、好ましくは０．８～１．１ｗｔ％、より好ましくは０．９～１．１ｗｔ％とされる。
　黒鉛粉末は、例えば人造黒鉛が使用される。黒鉛粉末は、平均粒径が８μｍ以下のものが使用され、好ましくは２～６μｍ、より好ましくは３～４μｍのものが使用される。合金鋼粉として拡散合金鋼粉を用いた場合、黒鉛粉末の配合割合は、合金鋼粉を１００ｗｔ％に対して０．０５～０．３５ｗｔ％、好ましくは０．１～０．３ｗｔ％、より好ましくは０．１５～０．２５ｗｔ％とされる。一方、合金鋼粉として完全合金鋼粉を用いた場合、黒鉛粉末の配合割合は、合金鋼粉を１００ｗｔ％に対して０．１５～０．３５ｗｔ％、好ましくは０．１５～０．２５ｗｔ％とされる。
　潤滑剤は、混合粉末を圧縮成形する際の金型と粉末間または粉末同士の摩擦を低減させる目的で添加される。潤滑剤としては、金属せっけんやアミドワックス等が使用され、例えばエチレンビスステアリルアミド（ＥＢＳ）が使用される。
　圧縮成形工程では、上記の混合粉末を金型のキャビティに投入して圧縮成形することにより、所定形状の圧粉体が形成される。このとき、成形時の温度は室温以上、潤滑剤の融点以下であることが好ましい。特に、潤滑剤の融点よりも１０～２０℃低い温度で成形すると、粉末の降伏強度を低下させ、圧縮性が高められるため、成形密度を高めることができる。また、必要であれば、金型表面に、摩擦低減のための被膜（ＤＬＣ被膜など）をコーティングしてもよい。
　成形圧力を高くすると、圧粉体の密度を高くすることができる。一方、成形圧力が高すぎると、圧粉体の内部に密度ムラによるラミネーション（層状剥離）や金型の破損などが生じる。本実施形態では、１０００～１４００ＭＰａ程度の成形圧力で圧縮成形工程が行われ、圧粉体の密度が７．４ｇ／ｃｍ3以上とされる。
　次に、焼結工程では、圧粉体を所定の焼結温度で焼結する。焼結温度は、例えば１１００～１３５０℃の範囲内で設定される。焼結工程は、窒素と水素の混合ガスやアルゴンガスなどの不活性雰囲気下で行われる。圧粉体を焼結することにより、圧粉体中の黒鉛粉末が合金鋼粉内に固溶し、黒鉛粉末があった部分が空孔となる。これと共に、合金鋼粉が焼結結合することにより圧粉体全体が収縮する。その結果、黒鉛粉末の固溶による密度低下より、圧粉体の収縮による密度上昇の効果が上回り、焼結体の密度が圧粉体の密度よりも高くなる。焼結体の密度は、７．５ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは７．５５ｇ／ｃｍ3以上、より好ましくは７．６ｇ／ｃｍ3以上とされる。
　その後、焼結体に熱処理が施される。本実施形態では、焼結体に、浸炭焼入れ焼き戻し処理が施される。これにより、表面の硬度が高められると共に、内部の靭性が確保されるため、き裂の進展が抑制される。
　以上により、本発明の実施形態に係る焼結機械部品が完成する。この焼結機械部品は、例えば、ギヤやカムとして使用できる。拡散合金鋼粉を用いた場合の焼結機械部品は、内部硬さが３００～５００ＨＶ（好ましくは４００～５００ＨＶ）、圧環強さが１７５０ＭＰａ以上（好ましくは１９００ＭＰａ以上、より好ましくは２０００ＭＰａ以上）、リング圧縮疲労強さ２９０ＭＰａ以上（好ましくは３１５ＭＰａ以上、より好ましくは３４０ＭＰａ以上）とされる。一方、完全合金鋼粉を用いた場合の焼結機械部品は、内部硬さが３００～５００ＨＶ（好ましくは３５０～４５０ＨＶ）、圧環強さが１５００ＭＰａ以上（好ましくは１６００ＭＰａ以上）、リング圧縮疲労強さ２９０ＭＰａ以上（好ましくは３１５ＭＰａ以上）とされる。
　本発明の効果を確認するために、以下に示す評価試験を行った。部分拡散合金粉としては、ＪＦＥスチール株式会社製のシグマロイ２０１０を用いた。完全合金粉としては、株式会社神戸製鋼所製の４６Ｆ４Ｈを用いた。潤滑剤としては、ロンザジャパン株式会社製のＡＣＲＡＷＡＸ　Ｃを０．５ｗｔ％添加した。黒鉛粉末としては、人造黒鉛を用いた。これらを混合した混合粉末を用いて、圧縮成形工程、焼結工程、および熱処理工程を経て、試験片を作成した。試験片は、外径φ２３．２ｍｍ、内径φ１６．４ｍｍ、軸方向寸法７ｍｍの円筒形状とした。焼結工程は、窒素及び水素雰囲気のトレイプッシャ炉で、１２５０℃×１５０ｍｉｎ行った。熱処理工程は、８８０℃×６０ｍｉｎの条件で浸炭処理を施した後、８４０℃で焼き入れし、１８０℃×６０ｍｉｎの条件で焼き戻しを行った。
　以下に示すように、試験片の組成を異ならせて、各試験片の焼結密度、硬さ、圧環強さ、リング圧縮疲労強さを測定した。焼結密度の測定方法はＪＩＳ　Ｚ２５０１、表面硬さ（ロックウェルＨＲＡ）の測定方法はＪＩＳ　Ｚ２２４５、内部固さ（ビッカースＨＶ０．１）の測定方法はＪＩＳ　Ｚ２２４４、圧環強さの測定方法はＪＩＳ　Ｚ２５０７にそれぞれ則った。圧環強さの試験条件は、０．５ｍｍ／ｍｉｎのストローク制御で行った。　
　リング圧縮疲労強さは、以下の方法で測定した値を用いた。図１に示すように、円筒状試験片の半径（厚さ中心までの半径）をＲ、厚さをｈ、軸方向寸法をｄとし、試験片に対して、直径方向の繰り返し荷重Ｗを試験片が破損するまで加える。繰り返し荷重Ｗの極大値と極小値との比は０．１とされる。繰り返し荷重Ｗを１×１０7回加え続けても破損が生じなかったときの最大引張応力σmaxが、当該試験片のリング圧縮疲労強さとなる。尚、最大引張応力σmaxは、以下の数１で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 上式のうち、Ａは試験片の断面積で、Ａ＝ｄ・ｈで表される。最大曲げモーメントＭは、Ｍ＝０．３１８ＷＲで表される。断面係数κは、以下の数２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
（１）黒鉛粉末の添加量について
　まず、混合粉末中の黒鉛粉末の添加量を異ならせた場合の焼結体の特性を比較した。具体的には、平均粒径３．４μｍの人造黒鉛の添加量を、０～０．８ｗｔ％の範囲で異ならせた試験片を作成し、各試験片の焼結密度、表面硬さ、内部硬さ、圧環強さ、及びリング圧縮疲労強さを測定した。尚、焼結密度及び表面硬さは熱処理前の焼結体の値であり、内部固さ、圧環強さ、及びリング圧縮疲労強さは熱処理後の焼結体の値である。圧環強さの評価基準は、１６００ＭＰａ未満のときは×、１６００～１７５０ＭＰａのときは△、１７５０～１９００ＭＰａのときは○、１９００ＭＰａ以上の時は◎とした。リング圧縮疲労強さの評価基準は、２９０ＭＰａ未満の時は×、２９０～３１５ＭＰａの時は△、３１５～３４０ＭＰａの時は○、３４０ＭＰａ以上の時は◎とした。その結果を以下の表１及び表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表１の結果から、拡散合金鋼粉を用いた場合は、黒鉛粉末の添加量は０．０５～０．３５ｗｔ％、好ましくは０．１～０．３ｗｔ％、より好ましくは０．１５～０．２５ｗｔ％とすることが望ましいと言える。また、表２の結果から、完全合金鋼粉を用いた場合は、黒鉛粉末の添加量は０．１５～０．３５ｗｔ％、好ましくは０．１５～０．２５ｗｔ％とすることが望ましいと言える。
（２）黒鉛粉末の粒径について
　次に、黒鉛粉末の粒径を異ならせた場合の焼結体の特性を比較した。具体的には、平均粒径を１．０～１０．０μｍの範囲で異ならせた人造黒鉛を用いて試験片を作成し、これらの試験片の焼結密度を測定した。その結果を以下の表３に示す。焼結密度の評価基準は、７．４７ｇ／ｃｍ3未満のときは×、７．４７～７．５０ｇ／ｃｍ3のときは△、７．５０ｇ／ｃｍ3以上のときは○とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表３の結果から、黒鉛粉末の平均粒径は、８μｍ以下、好ましくは６μｍ以下、より好ましくは４μｍ以下とすることが望ましいと言える。また、同結果から、黒鉛粉末の平均粒径は、１μｍ以上、好ましくは２μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上とすることが望ましいと言える。
（３）合金鋼粉末の粒度について
　次に、合金粉末の粒度を異ならせた場合の焼結体の特性を比較した。具体的には、分級を行った合金鋼粉を用いた試験片（実施品）と、分級を行わなかった合金鋼粉を用いた試験片（比較品）とを比較した。分級は、合金鋼粉を、目開き１８０μｍの篩を通過させ、粗大な粒子を取り除くことで行われる。その結果を以下の表４に示す。また、実施品及び比較品の断面観察を行った結果、比較品の断面は最大約１５０μｍの粗大空孔（黒い部分が空孔）が観察された｛図２（Ａ）参照｝。これに対し、実施品の断面には粗大空孔はほとんど観察されなかった｛図２（Ｂ）参照｝。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表４の結果及び図２から、目開き１８０μｍの篩を通過させて粗大な粒子を除外した合金鋼粉を用いれば、粗大空孔の形成が抑えられることが確認された。
（４）Ｎｉの添加量について
　合金鋼粉中のＮｉの添加量を異ならせた試験片の焼結密度及び圧環強さを測定した。その結果を以下の表５及び表６に示す。焼結密度の評価基準は、７．５０ｇ／ｃｍ3未満のときは×、７．５０～７．５５ｇ／ｃｍ3のときは△、７．５５～７．６０ｇ／ｃｍ3以上のときは○、７．６０ｇ／ｃｍ3のときは◎とした。圧環強さの評価基準は、上記（１）と同様とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表５の結果から、拡散合金鋼粉を用いた場合は、Ｎｉの添加量は１．５～２．３ｗｔ％、好ましくは１．７～２．２ｗｔ％程度とすることが望ましいと言える。また、完全合金鋼粉を用いた場合は、Ｎｉの添加量は０．４５～０．９ｗｔ％、好ましくは０．５～０．７ｗｔ％程度とすることが望ましいと言える。
（５）Ｍｏの添加量について
　合金鋼粉中のＭｏの添加量を異ならせた試験片の焼結密度及び圧環強さを測定した。その結果を以下の表７及び表８に示す。焼結密度の評価基準は、上記（４）と同様とした。圧環強さの評価基準は、上記（１）と同様とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　表７の結果から、拡散合金粉を用いた場合、Ｍｏの添加量は０．５～１．５ｗｔ％、好ましくは０．８～１．２ｗｔ％程度とすることが望ましいと言える。また、完全合金粉を用いた場合、Ｍｏの添加量は０．６～１．１ｗｔ％、好ましくは０．８～１．１ｗｔ％とすることが望ましいと言える。

Claims (10)

  1. 　合金鋼粉及び黒鉛粉末を含む混合粉末を用いて形成された焼結機械部品であって、
    　前記合金鋼粉が拡散合金鋼粉であり、前記合金鋼粉１００ｗｔ％に対して前記黒鉛粉末が０．０５～０．３５ｗｔ％であり、前記黒鉛粉末の平均粒子径が８μｍ以下であり、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上である焼結機械部品。
  2. 　合金鋼粉及び黒鉛粉末を含む混合粉末を用いて形成された焼結機械部品であって、
    　前記合金鋼粉が完全合金鋼粉であり、前記合金鋼粉１００ｗｔ％に対して前記黒鉛粉末が０．１５～０．３５ｗｔ％であり、前記黒鉛粉末の平均粒子径が８μｍ以下であり、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上である焼結機械部品。
  3. 　前記合金鋼粉が、目開き１８０μｍの篩を通過した粉末である請求項１又は２記載の焼結機械部品。
  4. 　前記合金鋼粉が、Ｆｅ-Ｍｏ合金の周囲にＮｉが拡散付着した拡散合金鋼粉である請求項１記載の焼結機械部品。
  5. 　前記拡散合金鋼粉が、Ｎｉを１．５～２．３ｗｔ％、Ｍｏを０．５～１．５ｗｔ％含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる請求項４記載の焼結機械部品。
  6. 　前記合金鋼粉が、Ｆｅ－Ｍｏ－Ｎｉ完全合金鋼粉である請求項２記載の焼結機械部品。
  7. 　前記完全合金鋼粉が、Ｎｉを０．４５～０．９ｗｔ％、Ｍｏを０．６～１．１ｗｔ％含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる請求項６記載の焼結機械部品。
  8. 　ギヤもしくはカムとして使用される請求項１～７の何れかに記載の焼結機械部品。
  9. 　拡散合金鋼粉１００ｗｔ％に対して、平均粒子径が８μｍ以下の黒鉛粉末を０．０５～０．３５ｗｔ％混合して混合粉末を得る混合工程と、前記混合粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、前記圧粉体を所定の焼結温度で焼結して、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上の焼結体を得る焼結工程とを含む焼結機械部品の製造方法。
  10. 　完全合金鋼粉１００ｗｔ％に対して、平均粒子径が８μｍ以下の黒鉛粉末を０．１５～０．３５ｗｔ％混合して混合粉末を得る混合工程と、前記混合粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、前記圧粉体を所定の焼結温度で焼結して、密度が７．５ｇ／ｃｍ3以上の焼結体を得る焼結工程とを含む焼結機械部品の製造方法。
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