JP2019167585A - 焼結機械部品および焼結機械部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧粉体を成形する際に使用する成形金型がシンプル形状でよく、外形寸法が大きく厚みが薄い製品であって、反りを有効の防止された焼結機械部品を提供する。【解決手段】両端面に凹窪部が形成された圧粉体が、一方の端面がその載置面が平坦面とされたトレイ上に載置されて焼結されてなる焼結機械部品である。一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比が５〜５０％である。凹窪部の深さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであること【選択図】図１

Description

本発明は、焼結機械部品および焼結機械部品の製造方法に関する。

焼結機械部品とは、複数の金属を微細な粉末の状態で圧縮成形し、この粉末成形体(圧粉体)を溶融点以下の高温に保持することにより焼結（金属粒子の拡散結合ならびに合金化）して焼き固める粉末冶金法で製造される。

鉄系焼結機械部品は、強度の確保のため１１００℃を超える高温で焼結される。圧粉体を焼結する際、例えばトレイや金網の上に圧粉体を置いて焼結する方法が一般的である。

しかしながら、圧粉体の密度分布や精度が異なっていたり、圧粉体の受ける熱や冷却速度が炉内位置で異なっていたり、トレイ等の変形があったりして、焼結体の変形や寸法ばらつきを生じる。特に径が大きく厚みが薄い製品（例えば、平歯車等）を成形する場合、反りが発生し易い。このため、単純にトレイ等の上に圧粉体を乗せて焼結する方法では、必要な精度を得られないことが多い。

そこで、従来には、耐火板（トレイ）上に成形体（圧粉体）を載置し、この成形体上に重石板を載せるようにしたものがある（特許文献１）。このように構成することによって、その重石板の重みを利用して成形体を押さえ付けるようにして、成形体の各位置において密度不均一がある場合でも、焼結処理の際にその密度不均一に起因して生じる反りを強制的に修正することができるようにしている。

また、従来には、圧粉体（超硬合金圧粉体）に複数個の凸部を設け、その圧粉体を焼結板上に載置して、焼結するものがある（特許文献２）。この場合、圧粉体の複数個の凸部を焼結板に接触させることによって、圧粉体と焼結板との接触面積を少なくする。これによって、圧粉体の反りを抑制するようにしている。

特開２０１０−２０９４００号公報 特開２００４−８３９２５号公報

特許文献１に記載のものでは、重石板を必要として、部品点数の増加を招くとともに、重石板の載置作業を必要として、作業工程の増加を招く。しかも、使用する重石板としても、圧粉体（成形体）の肉厚等に応じて相違させる必要があり、在庫管理の工数が多くなるという問題があった。

ところで、この特許文献１においては、トレイと重石板との間に複数の圧粉体（成形体）を重ねる方法が記載されている。このように複数の圧粉体（成形体）を重ねることによって、処理効率を高め、しかも、積み重ねた圧粉体（成形体）の表面同士が互いに当接して変形を抑制し合うため、反りの抑制効果を一層高めるというものである。

しかしながら、複数の圧粉体（成形体）を重ねれば、上下に置かれる圧粉体（成形体）で、圧粉体にかかる重量が異なり、焼結体の寸法差が生じるおそれがあった。

また、特許文献２に記載のものは、圧粉体（超硬合金圧粉体）に複数個の凸部を設ける必要があり、製品として、限られる。しかも、このような形状のものを成形する場合、凸部に対応する凹部を金型に設ける必要がある。しかしながら、このような形状の金型の製作は、例えば、旋盤での旋削ができない等により難しく、金型精度の悪化やコストアップを招くおそれがあった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、圧粉体を成形する際に使用する成形金型がシンプル形状でよく、外形寸法が大きく厚みが薄い製品であって、反りが生じるのを有効に防止される焼結機械部品を提供するものである。

本発明の焼結機械部品は、両端面に凹窪部が形成された圧粉体における一方の端面が、その載置面が平坦面とされたトレイ上に載置されて焼結されてなる焼結機械部品であって、前記一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比が５〜５０％であり、凹窪部の深さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであるものである。ここで、圧粉体とは、複数の金属を微細な粉末の状態で圧縮成形してなるものである。また、端面全体とは、凹窪部を有さない場合の端面の全体である。

本発明の焼結機械部品によれば、一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比が５〜５０％としたことにより、圧粉体のトレイとの接触面積を減少させることができ、トレイからの熱履歴、圧粉体の膨張・収縮時のトレイとの摩擦等の影響を低減又は排除できる。また、凹窪部の深さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとしたことにより、製品密度分布を悪化させることを防止できる。

凹窪部の表面積比が１０％〜４０％が好ましく、凹窪部の深さとして、０．３ｍｍ〜０．６ｍｍが好ましい。

両端面に凹窪部が形成された圧粉体が円盤形状体であって、凹窪部が、内周部と外周部との間に形成され、凹窪部が軸心孔の同心のリング形状であるのが好ましい。このように、凹窪部が軸心孔の同心のリング形状であることによって、圧粉体を成形する粉末成形用金型をシンプル形状とすることができ、金型の製作・修正が容易である。

本発明の焼結機械部品の焼結方法は、圧粉体の両端面に凹窪部を設け、一方の端面を載置面が平坦面であるトレイ上に載置した状態で焼結を行う焼結機械部品の焼結方法であって、一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比を５〜５０％とし、かつ、凹窪部の深さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとするものである。

本発明の焼結機械部品の焼結方法によれば、圧粉体は、一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比を５〜５０％としているので、圧粉体のトレイとの接触面積を減少させることができ、トレイからの熱履歴、圧粉体の膨張・収縮時のトレイとの摩擦等の影響を低減又は排除できる。また、凹窪部の深さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとしたことにより、製品密度分布を悪化させることを防止できる。

本発明では、トレイからの熱履歴、圧粉体の膨張・収縮時のトレイとの摩擦等の影響を低減又は排除でき、しかも、製品密度分布を悪化させることを防止できる。このため、焼結時の反りを有効に防止でき、高精度の焼結機械部品を提供できる。しかも、トレイとして、既存のものをそのまま使用でき、さらには、重石板等の部品を必要とせず、焼結作業性にすぐれ、低コスト化を図ることができる。また、圧粉体にトレイに接触する凸部等の製品にして不要な形状を必要とせず、圧粉体を成形する金型はシンプルな形状のものでよく、金型の製作・修正が容易であり、コスト低減を図ることができる。

本発明の焼結機械部品の焼結時の断面図である。 本発明の焼結機械部品の断面図である。 凹窪部を有さない圧粉体を焼結している状態の断面図である。 凹窪部の面積が大である圧粉体を焼結している状態の断面図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、圧粉体１０を焼結している状態の断面図であり、図２は、本発明に係る焼結機械部品である焼結歯車の断面図である。焼結機械部品は外周面に凹凸歯１が形成されるとともに、軸心孔２が形成された平歯車である。

この場合、軸心部と外周部位（凹凸歯１を省く）とが肉厚部３，４とされている。このため、両端面５，６には、リング形状の凹窪部７，８が形成される。なお、凹窪部７，８の内径端部及び外径端部にはそれぞれ、凹窪部７，８の底面７ａ，８ａから端面５，６に向かって拡径するテーパ面７ｂ、７ｃ、８ｂ、８ｃが設けられている。

このため、このような形状の焼結機械部品を成形する場合、まず、この焼結機械部品と同一形状の圧粉体１０（図１参照）を成形する必要がある。すなわち、この圧粉体１０は、外周面の凹凸歯１´が形成されるとともに、軸心孔２´が形成された円盤体であり、軸心部と外周部位（凹凸歯１´を省く）とが肉厚部３´，４´とされている。このため、両端面５´，６´には、リング形状の凹窪部７´，８´が形成される。なお、凹窪部７´，８´にテーパ面７ｂ´、７ｃ´、８ｂ´、８ｃ´が設けられている。

この圧粉体１０は、この粉末成形用金型（図示省略）にて成形される。粉末成形用金型は、ダイと、このダイ内に挿入されるコアと、上パンチと、下パンチとを備える。ダイの内径面には凹凸歯形成部が形成されている。このように構成された金型において、まず、コアの外径面、ダイの内径面、及び下パンチの上端面で画成された粉末充填部（キャビティ）内に原料粉末を充填する。原料粉末としては、金属粉末を主原料とし、これに成形助剤や固体潤滑剤等の各種充填剤を添加・混合したもの等を使用する。すなわち、焼結歯車に従来から一般的に使用されている原料粉末を用いることができる。

粉末充填部（キャビティ）内に原料粉末を充填した後は、上パンチを下パンチに対して相対的に接近させて（上パンチを下降させて）、原料粉末を圧縮する。これによって、内径面に外径面の凹凸歯１´が形成され、かつ、端面５´，６´にリング形状の凹窪部７´，８´が形成された圧粉体１０（図１参照）が形成される。

前記のように構成された圧粉体１０は、図１に示すように、トレイ１１上に載置されて焼結される。原料粉末は、焼結合金鋼の粉末であり、この場合、例えば、鉄（Ｆｅ）のほかに銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）などの合金元素が添加されているものを用いた。なお、製品（焼結機械部品）寸法として、直径（基準円直径）が９５ｍｍ、肉厚６ｍｍの歯車（モジュール０．８）とする。

このトレイ１１の上面である平坦面の載置面１１ａに圧粉体１０の一方の端面５´を載置する。このように載置面１１ａに載置すれば、凹窪部７´，８´及び凹凸歯１´がトレイ１１に接触せず、その凹窪部７´，８´及び凹凸歯１´の残部端面１２´、１３´がトレイ１１に接触する。ここで、残部端面１３´とは、軸心孔２の外周側に設けられるリング形状の端面であり、残部端面１２´とは、凹凸歯１´の内周側に設けられるリング形状の端面である。この場合、凹窪部７´の面積は、端面５´（凹窪部７´を有さないときの全端面）の面積の５％〜５０％、好ましくは、１０％〜４０％とし、凹窪部７´の深さを、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとし、好ましくは、０．３ｍｍ〜０．６ｍｍとした。なお、圧粉体１０の他方の端面６´も、一方の端面５´と同一形状とした。

そして、圧粉体１０が載置されたトレイ１１が、焼結炉内に搬送され、融点以下の温度（例えば、１２５０℃）で圧粉体１０が焼結される。この場合、圧粉体１０は、一方の端面５´における端面全体（凹窪部７´を有さないときの端面）に対する凹窪部７´の表面積比を５〜５０％としているので、圧粉体１０のトレイ１１との接触面積を減少させることができ、トレイ１１からの熱履歴、圧粉体の膨張・収縮時のトレイ１１との摩擦等の影響を低減又は排除できる。また、凹窪部７´の深さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとしたことにより、製品密度分布を悪化させることを防止できる。

これに対して、図３に示すように、凹窪部７´を有さない場合、すなわち、端面５´全体がトレイ１１に接触する場合、トレイ１１からの熱履歴、圧粉体の膨張・収縮時のトレイとの摩擦等の影響が大きく、焼結時に圧粉体１０に反りが発生する。端面５´全体がトレイ１１に接触するものではないが、凹窪部７´の面積が、端面５´の面積の５％未満であれば、（端面５´全体がトレイ１１に接触する場合ほどではないが、）焼結時に圧粉体１０に反りが発生する。なお、図３において、矢印Ａはトレイからの熱伝達を示し、矢印Ｂは圧粉体１０の膨張・伸縮方向を示している。

また、図４に示すように、凹窪部７´の面積が大きい場合（凹窪部７´の面積が、端面５´の面積の５０％を越えている場合）、トレイ１１と接触する部分が極一部であるため、トレイ１１からの熱履歴、圧粉体の膨張・収縮時のトレイ１１との摩擦等が局部的に働き、凹窪部との差が大きくなって、圧粉体１０に反りが発生する。なお、図４において、矢印Ａはトレイからの熱伝達を示し、矢印Ｂは圧粉体１０の膨張・伸縮方向を示し、矢印Ｃは凹窪部の作用する押圧力を示している。

このため、前記したように、凹窪部７´の合計面積の大きさを、端面全体の面積の５〜５０％とし、好ましく１０％〜４０％とする。

しかしながら、凹窪部７´の面積の大きさを、端面全体の面積の５〜５０％としても、凹窪部７´の深さが１ｍｍを越えれば、深すぎて製品の密度分布が悪化し、反りが生じやすくなる。また、逆に、凹窪部７´の深さが０．２ｍｍ未満であれば、凹窪部の底面がトレイ１１に近すぎて、凹窪部７´の役目を果たさず、図３に示すように全端面が接触している場合と同様となる。

本発明では、トレイ１１からの熱履歴、圧粉体１０の膨張・収縮時のトレイ１１との摩擦等の影響を低減又は排除でき、しかも、製品密度分布を悪化させることを防止できるので、焼結時の反りを有効に防止でき、高精度の焼結機械部品を提供できる。しかも、トレイ１１として、既存のものをそのまま使用でき、さらには、重石板等の部品を必要とせず、焼結作業性にすぐれ、低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、成形される焼結機械部品としては、歯車に限るものではなく、プーリーやカップリング等であってもよい。また、歯車である場合、平歯車に限るものではなく、他の歯車であってもよい。

焼結機械部品を成形するための圧粉体１０は、端面が同一形状であるので、前記実施形態では、一方に端面５´をトレイ１１に載置していたが、他方の端面６´をトレイ１１に載置するようにしてもよい。

５´、６´ 端面
７´、８´ 凹窪部
１０ 圧粉体
１１ トレイ
１１ａ 載置面

Claims (6)

1. 両端面に凹窪部が形成された圧粉体の一方の端面が、その載置面が平坦面とされたトレイ上に載置されて焼結されてなる焼結機械部品であって、
   前記一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比が５〜５０％であり、凹窪部の深さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする焼結機械部品。
2. 前記表面積比が１０〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載の焼結機械部品。
3. 凹窪部の深さが０．３ｍｍ〜０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の焼結機械部品。
4. 両端面に凹窪部が形成された圧粉体が円盤形状体であって、凹窪部が、内周部と外周部との間に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の焼結機械部品。
5. 両端面に凹窪部が形成された圧粉体が円盤形状体であって、凹窪部が軸心孔の同心のリング形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の焼結機械部品。
6. 圧粉体の両端面に凹窪部を設け、一方の端面を載置面が平坦面であるトレイ上に載置した状態で焼結を行う焼結機械部品の焼結方法であって、
   一方の端面における端面全体に対する凹窪部の表面積比を５〜５０％とし、かつ、凹窪部の深さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとすることを特徴とする焼結機械部品の焼結方法。
   
   
   
   

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