(57)【要約】【課題】簡単で優れた封孔処理が可能であり、焼結鍛造部材の品質を格段に向上できる焼結鍛造部材の製造方法を提供する。【解決手段】焼結鍛造部材を製造する製造方法において、炭素を含む鉄系金属粉末を圧粉成形した圧粉成形体を予備焼結処理する第１工程と、次に予備焼結体をＨＶ１００〜３５０の硬度の鋼製ショット材でショットブラスト処理して予備焼結体の表面部を封孔処理する第２工程と、次に予備焼結体を本焼結処理する第３工程と、次に本焼結処理された焼結体を熱間鍛造する第４工程とを備えている。前記第１工程の予備焼結処理は、非酸化性雰囲気で８００〜１０００℃の温度で行うことが望ましい。前記第２工程のショットブラスト処理は、粒径０．３〜０．７ｍｍの鋼製ショット材を用い、３０〜８０ｍ／ｓの投射速度で、１００Ｋｇ／分以下の投射量で行うことが望ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結鍛造部材を製造する製造方法において、
炭素を含む鉄系金属粉末を圧粉成形した圧粉成形体を予備焼結処理する第１工程と、    次に予備焼結体をＨＶ１００〜３５０の硬度の鋼製ショット材でショットブラスト処理して予備焼結体の表面部を封孔処理する第２工程と、
次に予備焼結体を本焼結処理する第３工程と、
次に本焼結処理された焼結体を熱間鍛造する第４工程と、
を備えたことを特徴とする焼結鍛造部材の製造方法。
【請求項２】
第２工程のショットブラスト処理は、粒径０．３〜０．７ｍｍの鋼製ショット材を用い、３０〜８０ｍ／ｓの投射速度で行うことを特徴とする請求項１に記載の焼結鍛造部材の製造方法。
【請求項３】
第１工程の予備焼結処理は、非酸化性雰囲気で８００〜１０００℃の温度で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の焼結鍛造部材の製造方法。
【請求項４】
前記焼結鍛造部材は、エンジンのコンロッドであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の焼結鍛造部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結鍛造部材の製造方法に関し、特に予備焼結後に低硬度の鋼製ショット材を用いたショットブラスト処理（封孔処理）を行うようにした焼結鍛造部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのコンロッド等の鍛造部材を製造する技術として、潤滑剤を添加した鉄系金属粉末を圧粉成形して圧粉成形体を製作し、その圧粉成形体を予備焼結処理して潤滑剤を除去し、その後本焼結処理を施してから熱間鍛造し、その後成形品の表面にショットピーニング処理を施す方法が採用されている（これを、「通常製造方法」とする）。
【０００３】
この通常製造方法で製造される焼結鍛造部材においては、仮焼結体の表面に多数の微小孔を残したまま本焼結処理と熱間鍛造成形が施されるため、焼結鍛造部材の表層部の金属組織から炭素成分が抜ける脱炭現象が生じて軟質で強度の低いフェライト組織が生成されやすいという問題があるうえ、本焼結処理と熱間鍛造中に内部に酸素が侵入して酸化物が生成されて鍛造品の強度が低下する原因になる。図１４は上記の通常製造方法で製造した焼結鍛造部材（完成品）の表層部の金属組織の顕微鏡写真であり、表面から約１９０μｍの表層部が脱炭により白色化した脱炭フェライト組織となっている。
【０００４】
その脱炭と酸化物生成の問題を解決するための製造技術も提案されている。
例えば特許文献１には、圧粉成形体を約６５０〜９８０℃の温度で予備焼結処理後、その予備焼結体に硬さＨＲＣ４７〜５１（ＨＶ４７１〜５２８）のショット材を１００ｍ／ｓ未満の投射速度にて投射するショットピーニング処理を施し、その後約１３４０℃未満の温度で６０分以内の本焼結処理を施してから熱間鍛造処理し、その後成形品の表面にショットピーニング処理を施す方法が開示されている。
【０００５】
上記の特許文献１の焼結鍛造部材の製造方法では、予備焼結体に焼結するためハンドリング等に対処し得るだけの強度が得られる上、鉄粉に対して炭素や銅成分の拡散が進んでいないため延性が確保され、予備焼結体の表面部を良好に封孔（コーキング）することができる。
【特許文献１】米国出願公開２００４／０００５２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、予備焼結体は硬さＨＶ１００未満でさほど硬くないにもかかわらず、この予備焼結体に硬さＨＲＣ４７〜５１（ＨＶ４７１〜５２８）の高硬度のショット材を１００ｍ／ｓｇもの高速で投射するショットピーニング処理を施す。それ故、予備焼結体の角部や稜線部等が破損して欠肉状態になり、形状ダメージが著しくなり、鍛造品に重量不足や欠肉欠陥が生じ、歩留りが著しく低下し、ひいては焼結鍛造部材の製造コストが高くなる。  
【０００７】
図１６は、上記特許文献１の製造方法によりエンジンのコンロッドの予備焼結体１００を製作し、この予備焼結体１００にショットピーニング処理を施したものの外観を示す図である。図１６−１、図１６−２に示すように、予備焼結体１００の角部や稜線部に破損した欠肉欠陥１０１〜１０３が生じていることが判る。しかも、予備焼結体１００にショットピーニング処理を施す際に、硬く脆いショット材が割れて発生した鋭利なショット玉破片が予備焼結体１００の表面に多数突き刺さり、コーキング作用を低下させたり、鍛造後に介在物として残留し、疲労破壊の起点となりやすい。
【０００８】
図１７は、上記特許文献１の製造方法によりエンジンのコンロッドの予備焼結体を製作し、この予備焼結体にショットピーニング処理を施したものの角部の断面のエッチング処理していない顕微鏡写真（倍率：１００倍）であり、下部の黒色の島状部は 1．5 ｍｍ幅の目視可能な空孔であり、右上の角部には欠肉欠陥も発生している。
本発明の目的は、簡単で優れた封孔処理（コーキング）を可能とし、焼結鍛造部材の品質を格段に向上できる焼結鍛造部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の焼結鍛造部材の製造方法は、焼結鍛造部材を製造する製造方法において、炭素を含む鉄系金属粉末を圧粉成形した圧粉成形体を予備焼結処理する第１工程と、次に予備焼結体をＨＶ１００〜３５０の硬度の鋼製ショット材でショットブラスト処理して予備焼結体の表面部を封孔処理する第２工程と、次に予備焼結体を本焼結処理する第３工程と、次に本焼結処理された焼結体を熱間鍛造する第４工程とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の焼結鍛造部材の製造方法は、請求項１の発明において、第２工程のショットブラスト処理は、粒径０．３〜０．７ｍｍの鋼製ショット材を用い、３０〜８０ｍ／ｓの投射速度で行うことを特徴としている。
【００１１】
請求項３の焼結鍛造部材の製造方法は、請求項１又は２の発明において、第１工程の予備焼結処理は、非酸化性雰囲気で８００〜１０００℃の温度で行うことを特徴としている。
【００１２】
請求項４の焼結鍛造部材の製造方法は、請求項１〜３の何れかの発明において、前記焼結鍛造部材は、エンジンのコンロッドであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、第２工程において、ＨＶ１００〜３５０の低硬度の鋼製ショット材でショットブラスト処理して予備焼結体の表面部の微細孔を塞ぐ封孔処理を行うため、予備焼結体の表面部を破損することなく安定的に封孔処理することができるから、本焼結処理や熱間鍛造時に、脱炭現象が生じるのを確実に防止できるうえ、内部に金属酸化物が生成されにくくなり、疲労強度、品質に優れた焼結鍛造部材を製造できる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、第２工程のショットブラスト処理は、粒径０．３〜０．７ｍｍの鋼製ショット材を用い、３０〜８０ｍ／ｓの投射速度で行う。このように、軽度なショットブラスト処理となるようにショットブラスト処理条件を適正にすることで、予備焼結体の表面にダメージを与えることなく、封孔処理を確実に効率よく行うことができる。  
【００１５】
請求項３の発明によれば、第１工程の予備焼結処理は、非酸化性雰囲気で８００〜１０００℃の温度で行うため、脱炭現象が生じさせることがなく予備焼結体の強度を確保し、封孔処理を安定的に行うことができる。
請求項４の発明によれば、前記焼結鍛造部材からなる高品質のエンジンのコンロッドを製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る焼結鍛造部材を製造する製造方法を、エンジンのコンロッドの製造に適用した場合の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１７】
本実施例は、本発明の焼結鍛造部材の製造方法を、エンジンのコンロッドを製造する製造方法に適用した場合の一例である。図１は、この焼結鍛造部材の製造方法の複数の工程を示すフローチャートであり、符号Ｐｉ（ｉ＝１，２，・・）は各工程を示す。
【００１８】
図１に示すように、まずＰ１の圧粉成形処理工程において、鉄を基材とする焼結粉末であって、1.5 〜4.0 ｗｔ％のＣｕ（銅）と、0.35〜0.80ｗｔ％のＣ（炭素）を含む焼結粉末を原料として圧粉成形機と所定の金型を用いて圧粉成形することで、コンロッドの圧粉成形体を成形する。尚、上記の焼結粉末には圧粉成形用の潤滑剤としてステアリン酸亜鉛が添加されるうえ、切削性向上のために硫化マンガン及び酸化カルシウムを添加する場合もある。
【００１９】
次に、Ｐ２の予備焼結処理工程において、上記のように圧粉成形して得た圧粉成形体を予備焼結処理する。このとき、焼結炉内に複数の圧粉成形体を収容し、その内部を非酸化性雰囲気である窒素ガスベースの水素ガス還元雰囲気とし、８００〜１０００℃の雰囲気温度で、１〜1.5 時間の予備焼結処理を行なって、ステアリン酸亜鉛の潤滑剤を焼失させ、その後窒素ガスにて冷却してから大気に解放して徐冷する。この予備焼結により圧粉成形体の強度を高める。
【００２０】
次に、Ｐ３のショットブラスト処理工程において、上記の予備焼結された圧粉成形体をショットブラスト処理して、その表面部を封孔処理する。このショットブラスト処理は、低硬度（例えば、ＨＶ１００〜３５０）で且つ粒径０．３〜０．７ｍｍの鋼製ショット材（例えば、スチールラウンドカットワイヤ）を用い、３０〜８０ｍ／ｓの投射速度で且つ１００Ｋｇ／分以下の投射量にてショットブラスト処理して予備焼結体の表面部を封孔処理する。
【００２１】
ここで、鋼製ショット材の硬度がＨＶ１００未満の場合には、十分な封孔作用が得られないので好ましくない。また、鋼製ショット材の硬度がＨＶ３５０超の場合には、予備焼結体の表面にダメージを与えるので好ましくない。鋼製ショット材の粒径についても同様であり、粒径０．３ｍｍ未満では十分な封孔作用が得られないので好ましくない。また、粒径０．７ｍｍ超では予備焼結体の表面にダメージを与えるので好ましくない。投射速度についても同様であり、３０ｍ／ｓ未満の投射速度では十分な封孔作用が得られないので好ましくない。また、８０ｍ／ｓ超の投射速度では予備焼結体の表面にダメージを与えるので好ましくない。また、投射量が１００Ｋｇ／分超の場合にも、予備焼結体の表面にダメージを与えるので好ましくない。
【００２２】
図２に示すように、ショットブラスト処理装置ＳＡ内へ延設されたゴム製のベルトコンベア１０により、複数の予備焼結済みの圧粉成形体Ｗを搬送しながら転動させ、上方に設置された又は上方と下方に設置された２組のインペラ１１から鋼製ショット材１２を投射することで、圧粉成形体Ｗの全表面部をショットブラスト処理して封孔処理する。
【００２３】
尚、ベルトコンベア１０以外に、チェーンコンベヤを採用してもよく、ベルトコンベヤの代わりに回転ドラムを採用してもよい。尚、図２に示すインライン方式のショットブラスト処理装置ＳＡの代わりに、図３に示すバッチ方式のショットブラスト処理装置ＳＢを採用してもよい。また、前記インペラ１１により鋼製ショット材を投射する代わりに、エアブローにより鋼製ショット材を投射するように構成してもよい。
【００２４】
次に、Ｐ４の本焼結処理工程において、上記ショットブラスト処理済みの圧粉成形体Ｗに本焼結処理を施す。この場合、複数の圧粉成形体Ｗを焼結炉内に収容し、窒素ガスベースの水素ガス還元雰囲気で、雰囲気温度1000〜1300℃で、処理時間１５分〜２時間の間行う。この本焼結処理により、ＣｕとＣを基材の鉄に固溶させる。
【００２５】
次に、Ｐ５の熱間鍛造処理工程において、上記のように本焼結処理された焼結体を、熱間鍛造成形装置の所定の金型にセットして熱間鍛造し、コンロッド形状に成形する。
次に、Ｐ６のバリ取り処理工程において、熱間鍛造後の複数の焼結鍛造体を回転ドラム式のバリ取り装置に投入してバリ取り処理を施す。
【００２６】
次に、Ｐ７のショットピーニング処理工程において、バリ取り後の焼結鍛造体の全表面部にショットピーニング処理を施す。このショットピーニング処理は、高硬度（例えば、ＨＲＣ４０〜５０）で且つ粒径０．５〜０．７ｍｍの鋼製ショット材（例えば、スチールラウンドカットワイヤ）を用い、５０〜８５ｍ／ｓの投射速度で且つ９０〜２１５Ｋｇ／分の投射量にて行う。このショットピーニング処理により、焼結鍛造部材であるコンロッド成形体の全表面部に高い残留圧縮応力が付与されるため、コンロッドの疲労強度特性を高めることができる。
【００２７】
尚、前記Ｐ２の工程が第１工程に相当し、Ｐ３の工程が第２工程に相当し、Ｐ４の工程が第３工程に相当し、Ｐ５の工程が第４工程に相当する。
次に、以上説明した焼結鍛造部材の製造方法の作用、効果について説明する。
Ｐ３の工程において、ＨＶ１００〜３５０の低硬度の鋼製ショット材でショットブラスト処理して予備焼結体の表面部を封孔処理するため、予備焼結体の表面部を破損することなく安定的に封孔処理することができるから、本焼結処理や熱間鍛造時に、脱炭現象が生じるのを確実に防止できるうえ、内部に金属酸化物が生成されにくくなり、さらに、残留空孔も生成されにくいため、疲労強度特性と、品質に優れた焼結鍛造部材を製造することができる。
【００２８】
上記のショットブラスト処理は、粒径０．３〜０．７ｍｍの鋼製ショット材を用い、３０〜８０ｍ／ｓの投射速度で、１００ｋｇ／分以下の投射量で行う。このように、軽度なショットブラスト処理となるようにショットブラスト処理条件を適正にすることで、予備焼結体の表面にダメージを与えることなく封孔処理を確実に効果的に行うことができる。  しかも、低硬度の鋼製ショット材を採用するため、ショット材が割れにくく、ショット材の破片が予備焼結体の表面に残留することもない。
【００２９】
Ｐ２の工程の予備焼結処理は、非酸化性雰囲気である窒素ベースの水素還元性雰囲気で、８００〜１０００℃の温度で行うため、脱炭現象が生じることがなく予備焼結体の強度を確保し、Ｐ３の工程において封孔処理を安定的に行うことができる。こうして、焼結鍛造部材からなる高品質のエンジンのコンロッドを製作することができる。
【００３０】
次に、以上説明した焼結鍛造部材の製造方法により製作途中の予備焼結体、完成後の焼結鍛造部材（コンロッド成形体）の組織の顕微鏡写真、品質や性能についての測定結果について説明する。
【表１】
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【００３１】
表１は前記Ｐ３の工程に採用する適正なショットブラスト処理の処理条件を得るために行った５例の処理条件と評価を示すものである。○印の評価は良好を示す。鋼製ショット材の硬さはＨＶ３５０でも予備焼結体の表面にダメージは殆ど発生しなかった。条件２のものは、投射速度が速く、投射量が多かったため、予備焼結体の角部に多少丸みが発生した程度で剥離には至っていないため、評価は三角印であるが採用可能である。
【００３２】
図４は、予備焼結体に下記の条件のショットブラスト処理を施した予備焼結体２０の外観を示すもので、角部や稜線部の形状に破損や崩れがなく、表面にダメージが発生していない。尚、ショットブラスト処理条件：鋼製ショット材（スチールラウンドカットワイヤ、粒径０．６ｍｍ、硬さＨＶ１００〜１５０、投射速度７０ｍ／ｓ、投射量５０Ｋｇ／分（インペラー式）、投射時間９０秒／２０本。
【００３３】
図５は、比較例に係る前記通常製造方法で製造した予備焼結体のエッチング処理していない金属組織断面の顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。この予備焼結体の表層部に黒色の空隙（微細孔）が多数発生していることが判る。そのため、本焼結や熱間鍛造中に脱炭が進行し、酸化物が発生しやすくなり、内部に残留空孔が発生しやすくなる。図６は図４に示す実施例に係る予備焼結体２０のエッチング処理していない金属組織の顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。予備焼結体２０の表面がほぼ完全に封孔されていることが判る。しかも、内部に残留する残留空孔も図５のものと比較して格段に少なくなっている。  
【００３４】
図７は、従来技術の予備焼結体の角部のエッチング処理していない金属組織の顕微鏡写真（倍率：１００倍）であり、図８は、図４に示す実施例に係る予備焼結体２０の角部のエッチング処理していない金属組織の顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。封孔については、図６と同様である。予備焼結体２０の角部の形状が維持され、予備焼結体２０の表面にダメージが発生していないことが判る。
【００３５】
図９〜図１５は、前記Ｐ１〜Ｐ７の工程により製造した焼結鍛造部材（コンロッド成形体）の完成品の品質等に関する図であり、図９は焼結鍛造部材３０（コンロッド成形体）の平面図であり、図１０は図９のＸ−Ｘ線断面図で、各部＃１〜＃４を指示する図である。図１１は、前記通常製造方法で製造した比較例としてのコンロッド成形体（通常品）と、前記実施例の方法で製造したコンロッド成形体（発明品）について、図１０に示す各部の圧縮残留応力の測定結果を示すグラフである。
【００３６】
この図１１から判るように、発明品は通常品に比較して約１１０〜１６０％もの高い圧縮残留応力が付与されている。発明品では、ショットブラスト処理による封孔が良好になされた結果、脱炭が殆ど生じず、酸化物の生成も生じなかったため、焼結鍛造部材３０の金属組織が硬く強度に優れるため、ショットピーニング処理が効果的に行われ、高い圧縮残留応力が付与され、疲労強度特性に優れる。
【００３７】
図１２は、前記通常品における表面硬さの測定結果であり、図１３は前記発明品における表面硬さの測定結果である。表面の最も浅い部位における硬さに関して、通常品では硬さＨＶ２６０〜３００であるのに対し、発明品では硬さＨＶ３１０〜３８０であり、ショットピーニング処理が効果的になされたことが判る。
【００３８】
図１４は、前記通常品における図１０の＃１〜＃４の何れかの部位のエッチング処理した金属組織の１００倍の顕微鏡写真（比較例）であり、図１５は発明品における前記同様のエッチング処理した金属組織の１００倍の顕微鏡写真である。図１４の表層部の約１９０μｍの範囲は、脱炭して白色化した軟質のフェライト組織であり、約１９０μｍの範囲よりも深部は硬いパーライト組織である。図１５に示す発明品では、その表層部に白色化した脱炭組織は存在せず、表面から深部まで硬いパーライト組織となっている。
【００３９】
前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
前記実施例は、焼結鍛造部材であるエンジンのコンロッドを製造する製造方法を例にして説明したが、本発明の焼結鍛造部材の製造方法は、エンジンのコンロッド以外の種々の焼結鍛造部材の製造方法にも適用可能である。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施例の焼結鍛造部材の製造方法を部材武器に変更して採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例に係る焼結鍛造部材の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】ショットブラスト処理装置の概略断面図である。
【図３】別のショットブラスト処理装置の概略断面図である。
【図４】ショットブラスト処理後の予備焼結体の平面図である。
【図５】比較例の予備焼結体（通常品）の金属組織の顕微鏡写真である。
【図６】図４の予備焼結体（発明品）の金属組織の顕微鏡写真である。
【図７】比較例の予備焼結体（通常品）の金属組織の顕微鏡写真である。
【図８】図４の予備焼結体（発明品）の金属組織の顕微鏡写真である。
【図９】コンロッド成形体の平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】比較例に係る完成した焼結鍛造部材（通常品）と実施例に係る完成した焼結鍛造部材（発明品）における表面部の残留応力測定結果のグラフである。
【図１２】図１１の通常品における表面硬さの測定結果のグラフである。
【図１３】図１１の発明品における表面硬さの測定結果のグラフである。
【図１４】図１１の通常品における金属組織の顕微鏡写真である。
【図１５】図１１の発明における金属組織の顕微鏡写真である。
【図１６】特許文献１に記載の従来技術に係る焼結鍛造部材の製造方法におけるショットピーニング処理後の予備焼結体の概略平面図である。
【図１６−１】図１６のＡ部の拡大図である。
【図１６−２】図１６のＢ部の拡大図である。
【図１７】図１６の予備焼結体の金属組織の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４１】
ＳＡ，ＳＢ      ショットブラスト処理装置
１１            インペラー
１２            鋼製ショット材
Ｗ              予備焼結体
【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１６−１】
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【図１６−２】
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【図１７】
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