(57)【要約】【課題】内部割れの発生が抑制される歯車の製造方法を提供する。【解決手段】金属粉末３１を加圧することにより、縁部に複数の歯部３２が設けられた成形体３を成形する工程（ステップＳ１）と、成形された成形体３を焼結する工程（ステップＳ２）と、焼結された成形体３を転造する工程（ステップＳ３）と、を備える歯車の製造方法であって、成形体３を成形する工程（ステップＳ１）において、複数の歯部３２に、インサート材４を埋め込み、インサート材４が、焼結された成形体３よりも、高強度又は高延性である、歯車の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を加圧することにより、縁部に複数の歯部が設けられた成形体を成形する工程と、
成形された前記成形体を焼結する工程と、
焼結された前記成形体を転造する工程と、を備える歯車の製造方法であって、
前記成形体を成形する工程において、前記複数の歯部に、インサート材を埋め込み、
前記インサート材が、焼結された前記成形体よりも、高強度又は高延性である、
歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、粉末冶金法を用いて金属製の歯車が造形されている。粉末冶金法では、金属粉末を加圧することによって成形体を成形する。そして、成形された成形体を焼結することによって金属製の歯車を造形する。粉末冶金法により造形された歯車は、例えば鍛造により造形された歯車よりも、歩留まりが良い。
【０００３】
しかしながら、粉末冶金法により造形された歯車は、例えば鍛造により造形された歯車よりも、機械的強度が低い。そこで、粉末冶金法により造形された歯車をさらに加工することによって、機械的強度を高めることがある。
引用文献１には、粉末冶金法により造形された歯車を転造することによって、歯車の表面に緻密化層を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２０３１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、粉末冶金法により造形された歯車を転造すると、以下のような問題が発生する。以下、図２１及び図２２を参照して、本発明の課題について説明する。
【０００６】
図２１は、従来の歯車１００の密度分布図である。図２１において、色が濃い部分は、密度が高いことを示す。色が薄い部分は、密度が低いことを示す。また、図２１において、実線矢印は、転造する際に歯車１００が受ける応力の方向を示す。点線矢印は、歯車１００の組織が流動する方向を示す。図２２は、従来の歯車１００の拡大断面写真である。図２２において、丸で囲われた部分は、歯車１００の内部割れを示す。
【０００７】
粉末冶金法により造形された歯車１００を転造する際には、例えば、図２１の実線矢印に示すように、歯車１００の歯部に応力を加える。応力が加えられた歯車１００は、図２１の点線矢印に示すように、組織が流動する。したがって、図２１に示すように、歯部の中心領域の組織密度が低くなる。図２２は、歯車１００の歯部の拡大断面写真である。歯車１００を転造すると、図２２に示すように、図２１に示した組織密度が低い領域において、組織の破断、すなわち内部割れが発生する虞がある。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、内部割れの発生が抑制される歯車の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための一態様は、金属粉末を加圧することにより、縁部に複数の歯部が設けられた成形体を成形する工程と、成形された前記成形体を焼結する工程と、焼結された前記成形体を転造する工程と、を備える歯車の製造方法であって、前記成形体を成形する工程において、前記複数の歯部に、インサート材を埋め込み、前記インサート材が、焼結された前記成形体よりも、高強度又は高延性である。
【００１０】
本発明に係る歯車の製造方法では、成形体に設けられた複数の歯部に、インサート材を埋め込む。インサート材は、焼結された成形体よりも、高強度又は高延性である。インサート材が高強度材である場合、インサート材を埋め込まない場合よりも、転造する工程において組織の流動が発生しにくい。したがって、歯車の破断が発生しにくい。また、インサート材が高延性材である場合、転造する工程において歯車の組織の流動が発生しても、インサート材を埋め込まない場合よりも、歯車が破断しにくい。したがって、インサート材が埋め込まれた歯車では、転造する工程における内部割れの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内部割れの発生を抑制することができる歯車の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る歯車の斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る歯車の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う歯車の断面図である。
【図４】本実施の形態に係る歯車の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】成形する工程の詳細な方法を示すフローチャートである。
【図６】本実施の形態に係る成形装置の平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う歯車の成形装置の断面図である。
【図８】本実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図９】本実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図１０】本実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図１１】本実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図１２】本実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図１３】本実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図１４】本実施の形態に係る歯車の変形例の平面図である。
【図１５】本実施の形態に係る歯車の変形例の平面図である。
【図１６】本実施の形態に係る歯車の変形例の平面図である。
【図１７】本実施の形態に係る歯車の変形例の斜視図である。
【図１８】本実施の形態に係る歯車の変形例の断面図である。
【図１９】本実施の形態に係る歯車の変形例の斜視図である。
【図２０】本実施の形態に係る歯車の変形例の断面図である。
【図２１】従来の歯車の密度分布図である。
【図２２】従来の歯車の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１４】
まず、図１〜３を参照して本発明の実施の形態に係る歯車の製造方法を用いて製造される歯車（本実施の形態に係る歯車）の構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る歯車の斜視図である。図１に示すように、歯車１は、成形体３及びインサート材４を備える。図２は、本実施の形態に係る歯車の平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う歯車の断面図である。
【００１５】
なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１６】
図１に示すように、歯車１は、縁部に複数の歯部が設けられた金属製部材である。歯車１は、成形体３及びインサート材４を用いて構成される。成形体３の縁部には、図２に示すように、複数の歯部３２が設けられている。また、成形体３の中心には、例えば、図３に示すように、貫通孔が設けられている。歯車１の貫通孔には、例えば回転軸（不図示）が固定される。歯車１は、接続された回転軸の回転に伴って回転する。
【００１７】
成形体３に設けられた複数の歯部３２には、インサート材４が埋め込まれている。具体的には、例えば、図３に示すように、図２に示した複数の歯部３２の内部に、インサート材４がそれぞれ埋め込まれている。インサート材４は、図２に示すように、例えば、断面略台形上の金属製部材である。
【００１８】
詳細は後述するが、成形体３は、金属粉末３１を用いて成形される。金属粉末３１は、例えば、鉄を主成分とする。金属粉末３１は、主成分である鉄に加えて、銅、ニッケル、及び錫等を含有していてもよい。
【００１９】
インサート材４は、成形体３よりも機械的強度が高い高強度材、又は、成形体３よりも延性に優れている高延性材である。高強度材は、一般構造用圧延鋼材（例えばＪＩＳ規格のＳＳ４００）、機械構造用炭素鋼鋼材（例えばＪＩＳ規格のＳ４５Ｃ）、及び機械構造用合金鋼鋼材（例えばＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０）等の鉄鋼材料を用いて構成される。
【００２０】
高延性材は、例えば、オーステナイト系（例えばＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４）、フェライト系（例えばＪＩＳ規格のＳＵＳ４３０）、及びマルテンサイト系（例えばＪＩＳ規格のＳＵＳ４１０）等のステンレス鋼や、１０００系（例えばＪＩＳ規格のＡ１０８５）、４０００系（例えばＪＩＳ規格のＡ４０３２）、及び６０００系（例えばＪＩＳ規格のＡ６０６１）等のアルミニウム、等の熱可塑性樹脂（例えばポリエチレン樹脂）、及び等の熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）のプラスチックを用いて構成される。
【００２１】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る歯車の製造方法について説明する。図４は、本実施の形態に係る歯車の製造方法を示すフローチャートである。
【００２２】
まず、成形体３を成形する工程（ステップＳ１）を行う。詳細は後述するが、金属粉末３１を加圧することによって、縁部に複数の歯部３２が設けられた成形体３を成形する（図０を参照）。インサート材４は、成形する工程（ステップＳ１）において、成形体３に設けられた複数の歯部３２のそれぞれに埋め込まれる。
【００２３】
次に、成形された成形体３を焼結する焼結する工程（ステップＳ２）を行う。具体的には、成形する工程（ステップＳ１）において成形された成形体３を、例えば、加熱炉を用いて焼結する。焼結された成形体３の機械的強度は、焼結される前よりも、高くなる。しかしながら、焼結された成形体３は、粉末状の金属材料である金属粉末３１を用いて成形されているため、組織内に空孔を有する。したがって、焼結された成形体３は、例えば、鍛造により造形された歯車よりも機械的強度が低い。
【００２４】
そこで、焼結された成形体３の表面を転造する工程（ステップＳ３）を行うことによって、成形体３の機械的強度を高める。具体的には、成形体３に設けられた複数の歯部３２のそれぞれに、転造ダイス（不図示）を押圧することによって応力を加える。応力が加えられると、複数の歯部３２の表面は、転造する工程（ステップＳ３）を行う前よりも、緻密になる。したがって、転造する工程（ステップＳ３）を行うことによって、歯車１の機械的強度を高めることができる。
【００２５】
成形体３に設けられた複数の歯部３２のそれぞれには、高強度材又は高延性材であるインサート材４が埋め込まれている。高強度材は、応力が加えられた際に、成形体３よりも、組織の流動が発生しにくい。したがって、インサート材４が高強度材である場合、転造する工程（ステップＳ３）において、内部割れの発生を抑制することができる。
【００２６】
高延性材は、応力が加えられると、組織の流動が発生する。しかしながら、高延性材は、組織が流動した際に、成形体３よりも、組織の破断が発生しにくい。したがって、インサート材４が高延性材である場合、転造する工程（ステップＳ３）において、内部割れの発生を抑制することができる。つまり、高強度材又は高延性材であるインサート材４を、成形体３が有する複数の歯部に埋め込むことによって、転造する工程（ステップＳ３）における歯車の内部割れの発生を抑制することができる。
【００２７】
次に、図５〜１３を参照して、成形する工程（ステップＳ１）についてより詳細に説明する。図５は、成形する工程の詳細な方法を示すフローチャートである。図６は、本実施の形態に係る歯車を成形する成形装置（本実施の形態に係る成形装置）の平面図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う成形装置の断面図である。図７に示すように、成形装置２は、上型５、ダイス６、下型７、及びマンドレル８を備える。なお、図６においては、簡略のため、上型５の図示を省略している。図８〜１３は、本実施の形態に係る形成装置の断面図である。なお、図８〜１３においては、成形体３、金属粉末３１、及びインサート材４を適宜図示している。
【００２８】
図７に示すように、上型５及び下型７は、対向配置された一対の成形型である。上型５及び下型７の間には、ダイス６が配置されている。図６に示すように、ダイス６には、貫通孔が設けられている。ダイス６の貫通孔は、断面の形状が図１に示した成形体３の断面の形状に対応している。図６に示すように、下型７は、断面の形状が図１に示した成形体３の断面の形状に対応している。したがって、図６に示すように、下型７は、ダイス６と嵌合することができる。また、下型７は、ダイス６の貫通孔内を上下に（ｚ軸方向に）摺動することができる。
【００２９】
さらに、図６及び図７に示すように、下型７の中心には、マンドレル８が貫通している。マンドレル８は、断面の形状が、図１に示した成形体３に設けられた貫通孔の断面の形状に対応している。下型７は、マンドレル８に沿って上下に摺動することができる。また、ダイス６の内壁、下型７の上面、及びマンドレル８の側壁によって、成形空間が成形される。成形空間において、成形体３は成形される。
【００３０】
成形する工程（ステップＳ１）は、図５に示すように、ステップＳ１１〜ステップＳ１６を含む。成形する工程（ステップＳ１）を行う際には、まず、インサート材４を配置する工程（ステップＳ１１）を行う。具体的には、図８に示すように、成形空間内の所定の位置にインサート材４を配置する。
【００３１】
インサート材４を配置する工程（ステップＳ１１）を行う際には、インサート材４を所定の位置に配置するために、位置決めを行うことが好ましい。例えば、下型７の上面には、インサート材４と嵌合することができる溝が設けられても良い。下型７に設けられた溝とインサート材４とを嵌合することによって、インサート材４の位置決めを行うことができる。
【００３２】
次に、金属粉末３１を充填する工程（ステップＳ１２）を行う。具体的には、図９に示すように、所定の位置にインサート材４が配置された成形空間内に、金属粉末３１を充填する。したがって、金属粉末３１を充填する工程（ステップＳ１２）を行うことによって、インサート材４の周囲に金属粉末３１を充填することができる。
【００３３】
次に、上型５を降下させる工程（ステップＳ１３）を行う。上型５の下面には、マンドレル８と嵌合することができる凹部が設けられている。そのため、マンドレル８の位置を動かすことなく、上型５を降下させることができる。また、ダイス６は、下型７に沿って、上下に摺動することが可能である。したがって、上型５を降下させると、ダイス６は、図１０に示すように、上型５と共に降下される。
【００３４】
次に、金属粉末３１を加圧する工程（ステップＳ１４）を行う。具体的には、図１１に示すように、上型５を降下させる工程（ステップＳ１３）において降下させられた上型５を用いて金属粉末３１を加圧する。そして、成形空間に充填された金属粉末３１を加圧する。加圧された金属粉末３１は、成形空間に対応した形状を有する成形体３を構成する。
【００３５】
次に、上型５を上昇させる工程（ステップＳ１５）を行う。上型５を上昇させる工程（ステップＳ１５）を行うと、図１２に示すように、マンドレル８と嵌合していた上型５を取り外すことができる。
【００３６】
次に、成形体３を取り出す工程（ステップＳ１６）を行う。具体的には、図１３に示すように、下型７の上面が、ダイス６及びマンドレル８の上面と同じ位置、又は、ダイス６及びマンドレル８の上面と同じ位置より高い位置となるまで、下型７を上昇させる。成形体３は、下型７の上面に載置されているため、下型７と共に上昇させられる。したがって、下型７を上昇させることによって、インサート材４が埋め込まれた成形体３をダイス６の貫通孔内から取り出すことができる。
【００３７】
上記のようにステップＳ１１〜ステップＳ１６を含む成形する工程（ステップＳ１）を行うことにより、複数の歯部３２にインサート材４が埋め込まれた成形体３を成形することができる。成形する工程（ステップＳ１）において成形された成形体３は、焼成する工程（ステップＳ２）において焼成される。そして、転造する工程（ステップＳ３）において、転造される。歯車１は、複数の歯部３２のそれぞれにインサート材４が埋め込まれているため、転造する工程（ステップＳ３）において、内部割れの発生を抑制することができる。
【００３８】
次に、図２及び図１４〜１６を参照して、インサート材４の変形例について説明する。図１４〜１６は、本実施の形態に係る歯車の変形例の平面図である。なお、図２及び図１４〜１６は、インサート材４の形状の一例を示す。つまり、図２及び図１４〜１６は、インサート材４の形状を限定するものではない。
【００３９】
インサート材４は、成形体３に設けられた複数の歯部３２のそれぞれに埋め込まれている。インサート材４の形状は、例えば図２に示したように、断面略台形上である。断面略台形上のインサート材４を用いる場合、図２に示すように、複数のインサート材４が、複数の歯部３２のそれぞれに埋め込まれている。また、図１４に示すように、インサート材の形状を、断面円形としてもよい。断面円形のインサート材４を用いる場合も、図１４に示すように、複数のインサート材４が、複数の歯部３２のそれぞれに埋め込まれている。
【００４０】
インサート材４の形状を、複数の凹凸を有する環状にしてもよい。具体的には、図１５に示すように、複数の歯部３２のそれぞれに向かって、インサート材４の凸部が突出している。複数の凹凸を有する環状のインサート材４を用いる場合、１つの成形体３に埋め込むインサート材４の数が１つである。したがって、インサート材４を配置する工程（ステップＳ１１）において、インサート材４の位置決めを行う手間が、図２及び図１４に示したように複数のインサート材４を用いる場合よりも、少ない。
【００４１】
また、インサート材４の形状を、複数の突起部が設けられた円筒としてもよい。具体的には、図１６に示すように、複数の歯部３２のそれぞれに向かって、インサート材４の複数の突出部がそれぞれ突出している。複数の突起部が設けられた円筒であるインサート材４を用いる場合も、１つの成形体３に埋め込むインサート材４の数が１つである。したがって、インサート材４を配置する工程（ステップＳ１１）において、インサート材４の位置決めを行う手間が、図２及び図１４に示したように複数のインサート材４を用いる場合よりも、少ない。
【００４２】
次に、図１、３、及び１７〜２０を参照して、インサート材４を成形体３に埋め込む位置について説明する。図１７及び図１９は、本実施の形態に係る歯車の斜視図である。図１８及び図２０は、本実施の形態に係る歯車の断面図である。なお、図１、３、及び１７〜２０は、インサート材４を成形体３に埋め込む位置の一例を示す。つまり、図１、３、及び図１７〜２０は、インサート材４を成形体３に埋め込む位置を限定するものではない。
【００４３】
図３は、図１に示した歯車１の断面図である。図１８は、図１７に示した歯車１の断面図である。図２０は、図１９に示した歯車１の断面図である。インサート材４は、成形体３に設けられた複数の歯部３２のそれぞれに埋め込まれている。
【００４４】
インサート材４が成形体３に埋め込まれる位置は、複数の歯部３２のそれぞれの中央部分にインサート材４が配置される位置であれば、どのような位置であってもよい。例えば、図３に示すように、図１に示された歯車１では、インサート材４の上端及び下端が、成形体３の上面及び下面と、それぞれ同じ高さに配置されるようにインサート材４が埋め込まれている。
【００４５】
図１８に示すように、図１７に示された歯車１では、インサート材４の上面及び下面が、成形体３によって覆われている。一方、図２０に示すように、図１９に示された歯車１では、インサート材４が、成形体３の上面及び下面から突出している。
【００４６】
以上で説明した本実施の形態に係る発明により、内部割れの発生を抑制することができる歯車の製造方法を提供することができる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１、１００  歯車
２  成形装置
３  成形体
３１  金属粉末
３２  複数の歯部
４  インサート材
５  上型
６  ダイス
７  下型
８  マンドレル
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2019127969.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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