(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比でＣ：０．２〜０．５％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる鉄基焼結合金からなり、内部の母相がフェライトとベイナイトおよび空孔が混在する金属組織であって、転造されることで表面部のフェライトが塑性加工を受けて該フェライトに隣接する空孔が圧壊された金属組織を呈することを特徴とする焼結スプロケット。
【請求項２】
前記母相のフェライトは、面積比で４０％以上存在することを特徴とする請求項１に記載の焼結スプロケット。
【請求項３】
前記母相よりも外側の最表面部に炭化物層を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結スプロケット。
【請求項４】
重量比でＣ：０．２〜０．５％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、内部の母相がフェライトとベイナイトおよび空孔が混在する金属組織を呈する鉄基焼結合金を転造することによって表面部のフェライトを塑性加工して該フェライトに隣接する空孔を圧壊し、その後浸炭焼入れを行なうことを特徴とする焼結スプロケットの製造方法。
【請求項５】
前記母相のフェライトは、面積比で４０％以上存在することを特徴とする請求項４に記載の焼結スプロケットの製造方法。
【請求項６】
前記転造の転造代が０．０９〜０．１５ｍｍであることを特徴とする請求項４または５に記載の焼結スプロケットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、たとえば自動車のカムシャフトタイミングチェーン用スプロケットなどに用いて好適な焼結スプロケットおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなスプロケットとしては、たとえば鍛造によってスプロケットの粗成形をした後に機械加工で形状を仕上げ、その後、浸炭焼入れを施したものが知られている。このようなスプロケットでは、歯面の精度および耐面圧特性に優れているが、鍛造工程を行うために製造コストが割高であるという欠点がある。また、板材からプレスで打ち抜いて浸炭焼入れを施した廉価なスプロケットも知られている。このようなスプロケットでは、耐面圧特性については充分と言えるものの、プレス破面の機械加工を要するため製造コストはさほど低減されないばかりでなく、プレス加工による歪のために歯面の精度が低下するという問題がある。さらに、焼結材をサイジングした後に浸炭焼入れを行なったスプロケットも知られている。このようなスプロケットでは、歯面の精度および製造コストの面で優れているが、耐面圧特性が劣るという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のスプロケットではそれぞれに一長一短があり、耐面圧特性、歯面の精度および製造コストの全てにおいて優れたスプロケットが強く要望されていた。
焼結材によってスプロケットを製造する場合に問題となるのは、前述のように耐面圧特性であり、これは材料の内部に不可避的に存在する空孔によって低下する。したがって、耐面圧特性を向上させるために先ず考え付くのが密度の増加であり、それには以下の方法が考えられる。まず、圧粉体を仮焼結した後にサイジングする。次いで、この仮焼結材をプレス成形し、本焼結した後にサイジングする。そして、その際のプレス成形とサイジングを２回づつ行うことにより、スプロケットの密度を増加させることができる。しかしながら、このような工数の多い製造方法をもってしても密度の増加には限界があり、歯面の耐面圧特性は充分とは言えなかった。また、焼結材を鍛造することにより密度が増加して耐面圧特性は向上するが、製造コストが割高になるという上記と同じ問題がある。
したがって、本発明は、コストの高い鍛造工程を用いることなく耐面圧特性を向上させることができる焼結スプロケットおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の焼結スプロケットは、重量比でＣ：０．２〜０．５％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる鉄基焼結合金からなり、内部の母相がフェライトとベイナイトおよび空孔が混在する金属組織であって、転造されることで表面部のフェライトが塑性加工を受けて該フェライトに隣接する空孔が圧壊された金属組織を呈することを特徴としている。
【０００５】
上記構成の焼結スプロケットにあっては、転造されることで表面部のフェライトが塑性加工を受けて該フェライトに隣接する空孔が圧壊された金属組織を呈するから、空孔の体積が減少して歯面付近の密度が増加するので、粉末冶金法による高精度な歯面と低廉な製造コストを維持しながら耐面圧特性を向上させることができる。また、内部の母相にベイナイトを含むから基地の強度及び硬さが増加する。
【０００６】
上記成分組成は、上記のような金属組成を得るために必須である。以下、上記成分の限定理由について説明する。なお、以下の説明において「％」は「重量％」をいう。
Ｃ：０．２〜０．５％
Ｃの含有量が０．２％未満ではベイナイトの生成が少ないため基地の強度及び硬さが不充分となる。また、Ｃの含有量が０．５％を超えると、フェライト量が不充分なために、歯面を組成加工した際の密度増加が不充分となる。この観点から、母相のフェライトは面積比で４０％以上存在することが望ましい。
【０００７】
Ｍｏ，Ｎｉ：０．２〜１．０％
ＮｉおよびＭｏは、母相の基地を強化するとともに焼入れ性を向上させてベイナイトの生成に寄与する。ＮｉおよびＭｏの含有量がそれぞれ０．２％未満であると、そのような効果が不充分となる。一方、ＮｉおよびＭｏの含有量がそれぞれ１．０％を超えると、マルテンサイトが析出し易くなって強度を低下させる。なお、本発明では、ベイナイトとともにマルテンサイトが共存する場合を排除するものではない。
【０００８】
母相のフェライトは、面積比で４０％以上存在することが望ましく、これにより転造後の密度をさらに増加させて耐面圧特性を向上させることができる。また、母相よりも外側の最表面部に炭化物層を備えることが望ましく、これにより耐摩耗性を向上させることができる。この炭化物層は、浸炭処理によって形成することができる。
【０００９】
次に、本発明の焼結スプロケットの製造方法は、重量比でＣ：０．２〜０．５％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、内部の母相がフェライトとベイナイトおよび空孔が混在する金属組織を呈する鉄基焼結合金を転造することによって表面部のフェライトを塑性加工して該フェライトに隣接する空孔を圧壊し、その後浸炭焼入れを行なうことを特徴としている。
【００１０】
図１（Ａ）〜（Ｃ）はスプロケットの焼結後における母相の金属組織を示すものである。図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、Ｃの含有量が０．３重量％と０．４重量％の場合には、フェライト（図中白い部分）が空孔（図中黒い部分）に隣接している。また、母相にはベイナイト（図中細線の入り交じった部分）が存在している。図１（Ｃ）に示すように、Ｃの含有量が０．６重量％になるとベイナイトが増加しフェライトが減少している。図１（Ａ）および（Ｂ）の金属組織が形成される理由は以下のように推定される。
【００１１】
すなわち、圧粉体を焼結すると、黒鉛粉近傍の鉄粉の炭素濃度が局所的に増加することにより鉄粉の融点が低下して最初に溶融し、これが黒鉛粉と共に粒子の隙間に浸入して黒鉛粒子が存在していた箇所が空孔となる。そして、黒鉛が浸入した所で鉄粉（フェライト）に炭素が拡散し、そこの炭素含有量が増加することで冷却後にベイナイトが析出する。一方、元々黒鉛粉と隣接していた鉄粉またはその一部は、炭素の拡散を受けずにそのままフェライトとして残存するものと推測される。ただし、これはあくまでも推測であって、このような作用の有無によって本発明が制限されないことは言うまでもない。
【００１２】
上記した焼結スプロケットの製造方法では、転造によってフェライトが塑性変形し、これによって空孔が圧壊されて密度が増加する。また、浸炭焼入れによって鉄原子の拡散がおこり、空孔がさらに収縮させられる。したがって、焼結スプロケットの表面部の密度が増加し、耐面圧特性をさらに向上させることができる。なお、浸炭熱処理は、ＣＯ濃度を１％以上にして行う高濃度浸炭を行うのが望ましく、これにより耐面圧特性をより一層向上させることができる。
【００１３】
図２（Ａ）は転造した後のスプロケットの表面部の金属組織を示す図であり、空孔が圧壊されている状態が良く判る。図２（Ｂ）は、転造の後に９００℃で浸炭焼入れを行ったスプロケットの表面部の金属組織を示す図であり、同図（Ａ）の金属組織と比較すると、浸炭焼入れによって細長い空孔の中央部がほぼ完全に塞がっていることが判る。同図（Ｃ）は浸炭焼入れの代わりに１１３０℃で再焼結したスプロケットの金属組織を示す図であるが、浸炭焼入れと大差なく、やはり空孔の中央部はほぼ完全に塞がっている。このことから、組織の緻密化は再焼結より温度が低い浸炭焼入れで十分であることが判る。
【００１４】
なお、本発明の焼結スプロケットの製造方法においても母相のフェライトを面積比で４０％以上存在させることが望ましい。また、転造代は０．０９〜０．１５ｍｍであることが望ましく、これにより表面部の密度を最大限まで高めることが可能となる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
Ｎｉ粉：０．５重量％、Ｍｏ粉：０．５重量％、黒鉛粉：０．３〜０．６重量％、鉄粉：残部からなる粉末をスプロケットに成形し、１１５０±２０℃の大気中で６０分間焼結した。次いで、スプロケットを図３に示す転造装置を用いて０．０９ｍｍの転造代で転造した。図中符号１はスプロケット、２はダイスであり、ダイス２の外周には、スプロケットと同等の歯が形成されている。そして、２つのダイス２間でスプロケット１を挟み込み、ダイス２を回転させることでスプロケットの歯面を圧縮して所定の歯形に形成する。なお、転造代とは、スプロケットの歯面と直交する方向への圧縮量を言う。各スプロケットの添加黒鉛量（重量％）、炭素含有量（重量％）、成形密度、表面部硬さ、基地硬さ、およびフェライトの面積率を表１に示す。また、各スプロケットの転造後の密度を表面からの距離を種々設定して測定した。その結果を表２および図４に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
図４から判るように、転造によって密度が増加し、フェライトの面積率（フェライト率）が大きければ大きい程転造後の密度が大きくなる。これは、空孔に隣接するフェライトが塑性変形して空孔が圧壊されたためである。図５は、フェライト率と表面から０．２ｍｍの部分における密度との関係を示したものである。この図から、フェライト率が４０％以上であれば、表層部で７．５ｇ／ｃｍ３以上の密度が得られることが判る。
【００１９】
次に、上記スプロケットに浸炭焼入れを行った。浸炭焼入れは、ＣＯ濃度が０．８％、温度９００℃の雰囲気にスプロケットを６０分間保持する通常浸炭と、ＣＯ濃度を１．２％に上げて行う高濃度浸炭との２種類の条件で行った。次いで、各スプロケットの密度と限界面圧との関係を調べ、その結果を図６に示した。ここで、限界面圧とは、スプロケットの歯面に圧力をかけて所定の変形が生じたときの圧力をヘルツの式に代入して得た値であって、ピッチングや座屈といった疲労破壊が生じる面圧を示すものである。つまり、限界面圧で使用すると、ピッチングや座屈が生じることを意味し、限界面圧が高い程耐面圧特性が良い。なお、ピッチングとは、スプロケットの歯面が剥離する疲労破壊であり、座屈とは歯面が窪む疲労破壊である。図６に示すように、スプロケットの密度が増加するに従って限界面圧が増加している。また、図６に示すように、密度が７．５ｇ／ｃｍ３以上になると限界面圧が急激に増加する。特に、この実施例のスプロケットでは密度が最大で７．８ｇ／ｃｍ３であるため、通常の浸炭焼入れを行ったスプロケットで限界面圧が１８０ｋｇｆ／ｍｍ２に達し、高濃度浸炭焼入れを行ったスプロケットでは２２０ｋｇｆ／ｍｍ２にも達する。
【００２０】
前述のように、フェライト率が４０％以上であれば密度が７．５ｇ／ｃｍ３以上となって限界面圧が大幅に増加する。図７に添加黒鉛量とフェライト率との関係を示す。図７に示すように、添加黒鉛粉の量（重量％）が０．３８％以下であると、フェライト率が４０％以上となる。したがって、添加黒鉛粉末の量は０．３８重量％以下であることが望ましい。黒鉛粉末の添加量はより望ましくは０．３重量％以下が良く、これによりフェライト率を５０％以上とすることができる。
【００２１】
次に、図８はスプロケットの転造代と密度との関係を示すものである。図８に示すように、スプロケットの表面部の密度は、転造代が０．０９〜０．１５ｍｍの範囲のときに最大となる。なお、転造代が０．１５ｍｍを超えても密度の増加はそれ以上に望めず、また、ダイスの負荷が大きいために寿命が低下することが確認されている。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、内部の母相がフェライトとベイナイトおよび空孔が混在する金属組織であって、転造されることで表面部のフェライトが塑性加工を受けて該フェライトに隣接する空孔が圧壊された金属組織を呈しているから、コストの高い鍛造工程を用いることなく耐面圧特性を向上させることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る焼結スプロケットの金属組織を示す図、（Ｃ）は従来の焼結スプロケットの金属組織を示す図である。
【図２】  （Ａ）は転造後のスプロケットの金属組織を示す図、（Ｂ）は浸炭焼入れ後の金属組織を示す図である。
【図３】  転造装置を示す図である。
【図４】  本発明のスプロケットの表面からの距離と密度との関係を示す線図である。
【図５】  本発明のスプロケットのフェライト率と密度との関係を示す線図である。
【図６】  本発明のスプロケットのフェライト率と限界面圧との関係を示す線図である。
【図７】  本発明のスプロケットの添加黒鉛量とフェライト率との関係を示す線図である。
【図８】  本発明のスプロケットの転造代と密度との関係を示す線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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