(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記粉末材料として、2〜4質量%のクロムと、0.3〜0.7質量%のモリブデンと、0.3〜0.8質量%の炭素と、残部の鉄とを含有するものを用いた請求項1に記載のシンターハードニング方法。
【背景技術】
【0002】
高強度の焼結部品を製造する技術として、シンターハードニングが知られている。シンターハードニングは、粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを加熱して焼結(sinter)し、その後の冷却過程でワークを急冷することでワークの組織を硬化(hardening)する方法である。
【0003】
このシンターハードニングの一例として、従来、特許文献1に記載の方法が知られている。特許文献1のシンターハードニング方法は、鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを、一般的な焼結温度(1130℃程度)よりも高い1200℃以上の温度に加熱して焼結する焼結工程と、その焼結工程の後、ワークをマルテンサイト変態点よりも低い温度に急冷することでワークの組織を硬化する急冷工程とからなる。
【0004】
ここで、特許文献1では、急冷工程により硬化したワークに再圧縮(いわゆるサイジング)を施すために、急冷工程でのワークの冷却速度を1℃/秒以下となるように調整している。
【0005】
すなわち、特許文献1では、ワークの組織を硬化するために、1200℃以上の高温からマルテンサイト変態点よりも低い温度までワークを急冷しているが、ワークを急冷するときの冷却速度をあまり大きくすると、ワークがマルテンサイトの多い組織に変態して、ワークの硬度が高くなりすぎるので、その後のサイジング(ワークの再圧縮工程)を行なうことができなくなる。ここでサイジングとは、ワークを急冷するときの冷却ムラ等により生じたワークの歪みを矯正するための工程であり、例えば、特許文献2に示すように、金型にワークをセットし、そのワークを200〜900MPa程度の圧力で再圧縮することでワークの歪みを矯正する。このサイジングを行なうことが可能な程度の硬度とするために、特許文献1では、急冷工程でのワークの冷却速度を1℃/秒以下となるように調整している。このとき、急冷後のワークは、ベイナイトが主体で、一部マルテンサイトが混在した組織となる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
[本発明の実施形態の説明]
(1)本発明の一態様に係るシンターハードニング方法は、
鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを1200℃以上の温度に加熱して焼結する焼結工程と、
その焼結工程の後、前記ワークを900℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却保持する冷却保持工程と、
その冷却保持工程の後、前記ワークに冷却ガスを吹き付けることで、前記ワークをマルテンサイト変態点よりも低い温度に急冷してマルテンサイト化するガス急冷工程と、
を有するシンターハードニング方法である。
このようにすると、ワークを一般的な焼結温度よりも高い1200℃以上の温度で焼結するので、粉末材料の粒子間の結合が強くなり、高強度の焼結部品を得ることができる。そして、この焼結工程の後、いったんワークを900℃よりも低い温度に冷却保持し、その後ワークを急冷するので、ワークを1200℃以上の温度から一気に急冷する場合と比べて、冷却ムラの発生を抑制して、ワークを均一に冷却することができる。そのため、冷却ムラによる歪みの発生を防止し、高い寸法精度の焼結部品を得ることが可能である。しかも、冷却ガスを吹き付けることで、ワークの組織をマルテンサイトに変態させるので、極めて高い硬度のワークを得ることができる。
(2)前記粉末材料として、2〜4質量%のクロムと、0.3〜0.7質量%のモリブデンと、0.3〜0.8質量%の炭素と、残部の鉄とを含有するものを用いると好ましい。
クロムを2質量%以上とすると、ワークの組織を効果的にマルテンサイト化することができ、クロムを4質量%以下とすると、ワークを焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。モリブデンを0.3質量%以上とすると、ワークを焼結して得られる焼結部品の靱性を効果的に高めることができ、モリブデンを0.7質量%以下とすると、焼結部品の材料コストを実用的な範囲に抑えることができる。炭素を0.3質量%以上とすると、ワークの組織を効果的にマルテンサイト化することができ、炭素を0.8質量%以下とすると、ワークを焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。
(3)前記ガス急冷工程での前記ワークの冷却速度は2〜5℃/秒とすると好ましい。
ワークの冷却速度を2℃/秒以上とすると、ワークの組織を効果的にマルテンサイト化することができ、ワークの冷却速度を5℃/秒以下とすると、冷却ムラの発生を抑制して、効果的にワークを均一に冷却することができる。
(4)また、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で製造される焼結部品として、以下の構成の焼結部品を提供する。
鉄とクロムとモリブデンと炭素を含有する焼結体であり、
焼結後の急冷により表面および内部がマルテンサイト化しており、
冷却後に再圧縮を施さないサイジングレスにより表面気孔率と内部気孔率が同じとされた、
シンターハードニング焼結部品。
すなわち、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で得られる焼結部品は、浸炭焼入れを行なうことでワークの表面のみがマルテンサイト化したものとは異なり、ワークの焼結工程の後にワークを急冷することでワークの表面および内部がマルテンサイト化したものとなる。
また、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法により得られる焼結部品は、高い寸法精度をもつので、サイジングが不要である。すなわち、従来のシンターハードニングで製造された焼結部品は、熱処理によるワークの歪みを矯正するために、通常、サイジングが行なわれ、このサイジングにより焼結部品の表面気孔率が内部気孔率よりも小さくなるが、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で製造された焼結部品は、冷却ムラの抑制効果により高い寸法精度をもつのでサイジングが不要であり、表面気孔率と内部気孔率が同じとなる。
(5)上記シンターハードニング焼結部品として、2〜4質量%のクロムと、0.3〜0.7質量%のモリブデンと、0.3〜0.8質量%の炭素と、残部の鉄とを含有するものを採用することができる。
【0013】
[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0014】
図1、
図2に、本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で焼結および硬化を行なうワーク1を示す。ワーク1は、粉末材料を金型で圧縮成形したものである。ワーク1を構成する粉末材料は、2〜4質量%のクロムと、0.3〜0.7質量%のモリブデンと、0.3〜0.8質量%の炭素と、残部の鉄とを含有するものが用いられている。
【0015】
ここで、クロムを2質量%以上とすると、後述のガス急冷工程でワーク1の組織を効果的にマルテンサイト化することができ、クロムを4質量%以下とすると、ワーク1を焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。モリブデンを0.3質量%以上とすると、ワーク1を焼結して得られる焼結部品の靱性を効果的に高めることができ、モリブデンを0.7質量%以下とすると、焼結部品の材料コストを実用的な範囲に抑えることができる。炭素を0.3質量%以上とすると、後述のガス急冷工程でワーク1の組織を効果的にマルテンサイト化することができ、炭素を0.8質量%以下とすると、ワーク1を焼結して得られる焼結部品の密度を確保することができる。
【0016】
ワーク1を焼結して得られる焼結部品は、この実施形態ではシンクロハブである。シンクロハブは、トランスミッションでギア切換時の回転差を吸収するシンクロ機構に使用される部品であり、エンジンやモータからの伝達トルクに耐えうる高強度と、周辺部品との摺動に対する耐摩耗性とが要求される。
【0017】
ワーク1は、中央に貫通孔2を有する円環状に形成されている。ワーク1は、貫通孔2を内周に有する円筒状のボス部3と、ボス部3の外径側に同軸に配置された円筒状の外歯部4と、ボス部3と外歯部4の間を連結するリム部5とからなる。リム部5は、ボス部3よりも薄く形成されている。外歯部4はボス部3と同じかそれよりも厚く形成されている。貫通孔2の内周には内歯7が形成されている。ワーク1の外周には外歯8が形成されている。さらにワーク1の外周には、外歯部4を周方向に分断してリム部5に至る複数の切欠き9が周方向に間隔をおいて設けられている。
【0018】
図3に、本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で使用する連続焼結炉10を示す。この連続焼結炉10は、上流側から下流側に向かって順に、脱ガス室11、予熱室12、焼結室13、徐冷室14、急冷室15、冷却室16を有する。
【0019】
これらの各室11〜16には、ワーク1(
図4参照)を載せたカーボントレイ17を上流側から下流側に移動させる複数のローラ18が設けられている。各ローラ18は、ワーク1の移動方向に沿って間隔をおいて配置され、図示しない駆動装置でそれぞれ独立して回転駆動される。脱ガス室11、予熱室12、焼結室13、徐冷室14には、それぞれの室内雰囲気を加熱するヒータ19が設けられている。
【0020】
脱ガス室11の入口、脱ガス室11と予熱室12の間、予熱室12と焼結室13の間、焼結室13と徐冷室14の間、徐冷室14と急冷室15の間、急冷室15と冷却室16の間、冷却室16の出口には、それぞれシャッター20〜26が設けられている。これらのシャッター20〜26は個々に開閉駆動される。これらのシャッター20〜26の設置により、各室11〜16の室内温度分布を均一化するとともに、各室11〜16の温度制御の精度を高めることができ、その結果、焼結部品の寸法のバラツキを低減することが可能となっている。
【0021】
急冷室15には、その室内に冷却ガスを送り込む急冷ファン27が接続されている。急冷ファン27の吐出口は、急冷室15の上部に接続され、急冷ファン27の吸込み口は、急冷室15の下部に接続され、急冷室15と急冷ファン27の間で冷却ガスが循環するようになっている。冷却ガスは、不活性ガス(例えば窒素ガス)である。また、急冷ファン27と急冷室15の間の冷却ガスの経路の途中には、冷却ガスを冷却する熱交換器(図示せず)が設けられている。急冷ファン27から吐出された冷却ガスは、急冷室15を上から下に通過することで急冷室15内のワーク1を急冷する。
【0022】
冷却室16には、室内雰囲気を冷却するクーラー28と、室内雰囲気を循環させる循環ファン29とが設けられている。
【0023】
次に、上記ワーク1のシンターハードニング方法を説明する。
【0024】
まず、
図4に示すように、カーボントレイ17の上に複数のセラミックス板30を載せ、その各セラミックス板30の上にワーク1を載せる。セラミックス板30は、ワーク1の貫通孔2に対応する位置を上下に貫通するガス抜け穴31を有する。カーボントレイ17も、ワーク1の貫通孔2に対応する位置を上下に貫通するガス排出穴32を有する。ガス抜け穴31とガス排出穴32は、後述の急冷工程でワーク1の貫通孔2に冷却ガスが吹き込んだときに、その冷却ガスを下方に逃がすことで、冷却ガスの風圧によるワーク1の浮き上がりを防止するためのものである。このようにワーク1をセラミックス板30を介してカーボントレイ17に載せた状態で、
図3に示す連続焼結炉10にワーク1を送り込む。
【0025】
<脱ガス工程>
ワーク1を載せたカーボントレイ17が脱ガス室11に入ると、ワーク1は500〜700℃程度の温度になるまで加熱される(
図5の時刻t
1〜t
2参照)。このとき、ワーク1に存在するワックス成分等がガスになって除去される。ワーク1から生じたガスは排ガス燃焼炉(図示せず)で処理される。
【0026】
<予熱工程>
次に、ワーク1を載せたカーボントレイ17は、脱ガス室11から予熱室12に移動する。予熱室12では、ワーク1が焼結温度よりも低い800〜1000℃程度の温度に加熱される(
図5の時刻t
2〜t
3)。
【0027】
<焼結工程>
その後、ワーク1を載せたカーボントレイ17は、予熱室12から焼結室13に移動する。焼結室13は、室内の雰囲気温度が一般的な焼結温度(1130℃程度)よりも高い1200〜1350℃(好ましくは1220〜1280℃)に保たれるように温度制御されている。ワーク1を載せたカーボントレイ17は、この焼結室13内に15分〜30分程度滞在するようにローラ18で搬送される。これにより、ワーク1は、1200〜1350℃(好ましくは1220〜1280℃)の焼結温度になるまで加熱して保持され(
図5の時刻t
3〜t
4)、その結果、ワーク1を構成する粉末材料が焼結して一体化する。
【0028】
<冷却保持工程>
その後、ワーク1を載せたカーボントレイ17は、焼結室13から徐冷室14に移動する。徐冷室14は、室内の雰囲気温度が900℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点(いわゆるA
3変態点)よりも高い温度(例えば、840〜870℃の温度範囲)に保たれるように温度制御されている。ワーク1を載せたカーボントレイ17は、この徐冷室14内に10分〜20分程度滞在するようにローラ18で搬送される。これにより、ワーク1は、900℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却して保持される(
図5の時刻t
4〜t
5)。
【0029】
<ガス急冷工程>
その後、ワーク1を載せたカーボントレイ17は、徐冷室14から急冷室15に移動する。カーボントレイ17が急冷室15に入ると、急冷室15の入口のシャッター24と出口のシャッター25をいずれも閉じ、その状態で急冷ファン27を作動させてワーク1に冷却ガスを吹き付け、ワーク1をマルテンサイト変態点(いわゆるMs点)よりも低い温度(例えば、250〜350℃の温度範囲)に急冷する(
図5の時刻t
5〜t
6)。急冷時のワーク1の冷却速度は、2〜5℃/秒(好ましくは3〜5℃/秒)である。この急冷によりワーク1は焼入れされ、ワーク1の組織がマルテンサイトに変態する(
図6参照)。急冷時のワーク1の冷却速度を2℃/秒以上(好ましくは3℃/秒以上)とすることにより、ワーク1の組織を効果的にマルテンサイト化することができ、極めて高い硬度の焼結部品を得ることができる。急冷時のワーク1の冷却速度を5℃/秒以下とすることにより、冷却ムラ(ワーク1の急冷時にワーク1の温度分布が不均一となること)を抑制して、効果的にワーク1を均一に冷却することができる。ここで、ワーク1の冷却速度は、ワーク1が800℃を下回ってから400℃に至るまでの平均の冷却速度である。
【0030】
<冷却工程>
その後、ワーク1を載せたカーボントレイ17は、急冷室15から冷却室16に移動する。冷却室16では、ワーク1が150℃以下の低温(例えば100℃程度)に冷却される(
図5の時刻t
6以降)。冷却室16でのワーク1の冷却が完了すると、ワーク1を載せたカーボントレイ17は、冷却室16の下流側に隣接する図示しない置換室に排出される。
【0031】
上述のシンターハードニング方法でワーク1の焼結および硬化を行なうと、ワーク1を一般的な焼結温度よりも高い1200℃以上の温度で焼結するので、粉末材料の粒子間の結合が強くなり、高強度の焼結部品を得ることができる。そして、この焼結工程の後、いったんワーク1を900℃よりも低い温度に冷却保持し、その後ワーク1を急冷するので、ワーク1を1200℃以上の温度から一気に急冷する場合と比べて、冷却ムラの発生を抑制して、ワーク1を均一に冷却することができる。そのため、冷却ムラによる歪みの発生を防止し、高い寸法精度の焼結部品を得ることが可能である。しかも、冷却ガスを吹き付けることで、ワーク1の組織をマルテンサイトに変態させるので、極めて高い硬度のワーク1を得ることができる。
【0032】
上述のシンターハードニング方法により得られる焼結部品は、浸炭焼入れを行なうことでワーク1の表面のみがマルテンサイト化したものとは異なり、ワーク1の焼結工程の後にワーク1を急冷することでワーク1の表面および内部のいずれもがマルテンサイト化し、表面組織と内部組織とがいずれも同程度に硬化された焼結部品となる。
【0033】
また、上述のシンターハードニング方法により得られる焼結部品は、冷却ムラの抑制効果により高い寸法精度をもつので、サイジングが不要である。すなわち、従来のシンターハードニングで製造された焼結部品は、熱処理によるワーク1の歪みを矯正するために、通常、サイジングが行なわれ、このサイジングにより焼結部品の表面に緻密化層が形成されるので、焼結部品の表面気孔率が内部気孔率よりも小さくなるが、本発明の一態様に係るシンターハードニング方法で製造された焼結部品は、高い寸法精度をもつのでサイジングが不要であり、表面気孔率と内部気孔率が同じとなる。ここで、気孔率は、日本工業規格「焼結金属材料−密度、含油率及び開放気孔率試験方法」(JISZ2501)に規定された方法で測定することができる。また、表面気孔率は、例えば焼結部品の表層1mmの部分を切り出した試験片の気孔率を測定することで求めることができ、内部気孔率は、例えば焼結部品の表層から5mmの深さの部分を切り出した試験片の気孔率を測定することで求めることができ、この両気孔率の差が3%以内であるとき、表面気孔率と内部気孔率が同じであると判定することができる。
【0034】
本発明の実施形態のシンターハードニング方法の効果を確認するため、
図7に示すように、上述のシンターハードニング方法で製造した焼結部品(測定例1)と、一般的な方法で製造した焼結部品(測定例2)とで、寸法精度を比較する試験を行なった。測定例1および測定例2の焼結部品は、いずれも
図1,2に示す形状のシンクロハブであり、内歯7の内径は28mm、外歯8の外径は70mmである。また、この試験で用いた測定例2の焼結部品は、焼結後の冷却工程で急冷を行なわない通常の焼結方法で焼結および冷却を行ない、その後に浸炭焼入れを施すことにより、焼結部品の表面のみをマルテンサイト化したものであり、サイジングは行なっていない。測定例1の焼結部品および測定例2の焼結部品について、内歯7および外歯8の真円度をそれぞれ測定した結果を
図7に示す。
図7を見ると分かるように、測定例1の焼結部品の真円度は、測定例2の焼結部品の真円度に比べて大幅に真円度(平均値)が向上している。この試験結果から、上述のシンターハードニング方法で製造した焼結部品(測定例1)は、一般的な方法で製造した焼結部品に浸炭焼入れを施したもの(測定例2)よりも寸法精度が高く、シンターハードニング後のサイジングが不要であることを確認することができる。