(57)【要約】【課題】安価で、しかも高強度で耐摩耗性にも優れた焼結スプロケット及びその製造方法を提供すること。【解決手段】少なくとも歯面表層が、炭素を０．６〜１．２ｍａｓｓ％、窒素を０．０５〜０．５ｍａｓｓ％含有し、歯面表層の組織が焼き戻しマルテンサイト組織と１０〜５０体積％の残留オーステナイト組織からなり、歯面表層の密度が７．４ｇ／ｃｍ３以上であり、基材に含まれる金属元素が、合計で０．５〜５ｍａｓｓ％のＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種と、残部がＦｅ及び不可避不純物である焼結スプロケットにより、強度、耐摩耗性を向上させたものである。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプロケットの少なくとも歯面表層が、炭素を０．６〜１．２ｍａｓｓ％、窒素を０．０５〜０．５ｍａｓｓ％含有していることを特徴とする焼結スプロケット。
【請求項２】
前記歯面表層の組織が焼き戻しマルテンサイト組織と残留オーステナイト組織からなり、前記残留オーステナイト組織が１０〜５０体積％であ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】
前記歯面表層の密度が７．４ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の焼結スプロケット。
【請求項４】
基材に含まれる金属元素は、合計で０．５〜５ｍａｓｓ％のＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種と、残部がＦｅ及び不可避不純物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焼結スプロケット。
【請求項５】
８００〜９５０℃の温度で加熱しながら歯面表層を浸炭及び窒化を行って焼き入れする浸炭窒化焼き入れ工程と、それに引き続き１４０〜２２０℃の温度で焼き戻しを行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６】
前記浸炭窒化焼き入れ工程において、焼き入れ炉内の雰囲気のカーボンポテンシャルを１．０〜１．５ｍａｓｓ％として浸炭だけを行う浸炭工程に引き続き、カーボンポテンシャルを０．６〜１．２ｍａｓｓ％として浸炭すると同時に窒化も行う浸炭窒化工程を同一炉内で連続的に行うことを特徴とする請求項５に記載の焼結スプロケットの製造方法。
【請求項７】
歯面表層の密度が７．４ｇ／ｃｍ３以上になるようにサイジングあるいは転造により歯面表層を緻密化する表層緻密化工程と、浸炭窒化焼き入れ工程と焼き戻し工程とを備える請求項５又は請求項６に記載の焼結スプロケット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末を成形および焼結して製造される焼結部品及びその製造方法に関わり、さらに詳しくは、内燃機関などのチェーン伝動機構に用いられる、チェーン用の歯形形状を備えた焼結スプロケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などに搭載したエンジンのタイミング伝動機構には、伝動媒体としてローラーチェーンなどのチェーンが用いられており、これらのチェーンとともに使用されるクランク軸側の駆動スプロケット、カム軸側の従動スプロケットには、主として焼結合金からなるスプロケットが用いられている。
【０００３】
そして、このようなスプロケットには、歯面の強度、耐摩耗性を向上するために、高周波加熱などによる焼入れ焼戻し処理や浸炭焼入れ焼戻し処理等の表面硬化処理を施すことが広く行われている（特開２０００−２３９７１０号公報参照）。また、高い耐摩耗性が要求される厳しい条件下で使用されるスプロケットには、焼結合金に代えて、より強度の高い合金鋼（例えば、ＳＣｒ４２０等のクロム鋼や、ＳＣＭ４２０等のクロムモリブデン鋼）が用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、静粛性やコンパクト性などの観点から伝動機構の伝動媒体としてローラーチェーンに変わって、サイレントチェーンが多用されているが、このサイレントチェーンは、ローラーチェーンと比較してスプロケット歯面に加わる面圧が高く、しかもエンジンが高出力高負荷化の傾向があるため、従来の焼結合金スプロケットでは、強度、耐摩耗性の点で十分ではなかった。
【０００５】
特に、燃料をエンジンのシリンダ内へ直接噴射する方式の直噴型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンでは、燃焼途中で火炎伝搬が途絶える半燃え現象が生じたり、混合時に燃料の拡散が進まないことが原因となり、燃えカスであるスス（ｃａｒｂｏｎ　ｓｏｏｔ）が生じ易く、このようなススがチェーンとスプロケットとの間隙に夾雑物となって入り込み、歯面が削られる、いわゆるアブレシブ摩耗が発生するため、スプロケットの耐摩耗性向上は一層深刻な課題であった。
【０００６】
また、スプロケットが摩耗すると、その摩耗粉が潤滑油の中に入り込み、その摩耗粉が研磨材として作用するため、スプロケットやチェーンばかりでなく、これらのタイミング伝動部品に付属するテンショナレバー、チェーンガイドなどのエンジン付属部品の摩耗を促進していくという悪循環を惹起することになる。さらに、スプロケットの摩耗が進行すると、チェーンの噛み合い異常から、チェーンの歯飛びが発生したり、最悪なケースではスプロケットの歯が破損して、エンジンの損傷に至ることが懸念されていた。
【０００７】
一方、クロム鋼やクロムモリブデン鋼などの合金鋼を用いた場合には、焼結合金を用いた場合に比べて、コストが高いという問題もあり、近年の消費者の低価格志向の潮流の中で、低コストで高強度、高い耐摩耗性というトレードオフの課題を解決することが焦眉の急となっていた。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前述したような従来のスプロケットの課題を解決するものであって、安価で、しかも高強度で耐摩耗性にも優れた焼結スプロケット及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る焼結スプロケットは、スプロケットの少なくとも歯面表層が、炭素を０．６〜１．２ｍａｓｓ％、窒素を０．０５〜０．５ｍａｓｓ％含有している構成としたものである。ここで、炭素含有量が０．６ｍａｓｓ％未満では、鉄基地の硬さを上げる効果が少なく、１．２ｍａｓｓ％を越えると結晶粒界に高硬度のＦｅ３Ｃの炭化物、すなわちセメンタイトが析出して、熱処理時の焼割れの要因になったり、スプロケット使用時にセメンタイトが鉄基地から脱落してアブレシブ摩耗を引き起こす要因になるため、好ましくない。一方、窒素含有量については、０．０５ｍａｓｓ％未満では、鉄基地の硬さと焼戻し軟化抵抗を改善する効果が小さく、０．５ｍａｓｓ％を越えると脆い鉄窒化物を生成しやすくなり、スプロケット使用時に鉄窒化物が鉄基地から脱落したり、脱落した鉄窒化物により、アブレシブ摩耗を引き起こす要因になるため、好ましくない。
【００１０】
本発明の請求項２に係る焼結スプロケットは、請求項１に係る焼結スプロケットの構成に加えて、歯面表層の組織が焼き戻しマルテンサイト組織と残留オーステナイト組織からなり、前記残留オーステナイト組織が１０〜５０体積％である構成としたものである。ここで、残留オーステナイト組織が１０体積％未満では耐摩耗性の改善効果が小さく、５０体積％を越えると硬さが低下し、耐摩耗性が低下し、好ましくない。
【００１１】
本発明の請求項３に係る焼結スプロケットは、請求項１又は請求項２に係る焼結スプロケットの構成に加えて、歯面表層の密度が７．４ｇ／ｃｍ３以上である構成としたものである。ここで、歯面表層の密度が７．４ｇ／ｃｍ３未満では、チェーンから受ける接触面圧により、表層を破って局部的に凹陥没を生成するいわゆるピッティングによる摩耗が生じる可能性が高くなり、好ましくない。
【００１２】
本発明の請求項４に係る焼結スプロケットは、請求項１乃至３のいずれかに記載の焼結スプロケットの構成に加えて、基材に含まれる金属元素は、合計で０．５〜５ｍａｓｓ％のＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種と、残部がＦｅ及び不可避不純物である構成としたものである。ここで、Ｎｉは、鉄基地の強度と靭性を向上させる。Ｃｕは、焼結時に液相を生じ、合金元素の拡散を促進し、鉄基地の強度を向上させる。Ｍｏは、鉄基地の硬度、強度、焼戻し軟化抵抗を向上させる。これらのＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏの少なくとも１種の作用によりスプロケット歯面のアブレシブ摩耗を抑制する効果が得られるが、添加量が合計で０．５ｍａｓｓ％未満ではその効果が十分でなく、５ｍａｓｓ％を越えても効果が飽和するだけでなく、原料粉末のプレス成形時の圧縮性が低下し、密度の向上が望めなくなる。
【００１３】
本発明の請求項５に係る焼結スプロケットの製造方法は、８００〜９５０℃の温度で加熱しながら歯面表層を浸炭及び窒化を行って焼き入れする浸炭窒化焼き入れ工程と、それに引き続き１４０〜２２０℃の温度で焼き戻しを行う焼き戻し工程により行われる。ここで、浸炭及び窒化の温度が８００℃未満の加熱温度では、炭素及び窒素の拡散が不十分となり硬さを向上させる効果が小さく、９５０℃を越えると表層だけでなく芯部まで炭素と窒素が拡散し、耐衝撃特性が低下する。また、焼き戻し温度が１４０℃未満では、耐衝撃特性が十分でなく、２２０℃を越えると硬さが低下し、耐摩耗性が低下してしまう。
【００１４】
本発明の請求項６に係る焼結スプロケットの製造方法は、請求項５に係る製造方法の浸炭窒化焼き入れ工程において、焼き入れ炉内の雰囲気のカーボンポテンシャルを１．０〜１．５ｍａｓｓ％として浸炭だけを行う浸炭工程に引き続き、カーボンポテンシャルを０．６〜１．２ｍａｓｓ％として浸炭すると同時に窒化も行う浸炭窒化工程を同一炉内で連続的に行われる。浸炭工程でカーボンポテンシャルが１．０ｍａｓｓ％未満では、炭素の拡散が不十分となり硬化深さを確保することができず、１．５ｍａｓｓ％を越えると炭素の拡散が芯部まで過剰となり、耐衝撃性が低下する。また、浸炭窒化工程において、カーボンポテンシャルが０．６ｍａｓｓ％未満では歯面表層の炭素量が十分でなく硬さを確保することができず、１．２ｍａｓｓ％を越えると過剰の炭素の拡散により旧粉末粒界あるいは結晶粒界に高硬度のセメンタイトが析出するため好ましくない。上述したように浸炭工程と浸炭窒化工程をカーボンポテンシャル量によって分けることが望ましいのは、高いカーボンポテンシャル量で窒化を同時に行うと残留オーステナイトが過剰に生成し硬度が低下するからである。また、浸炭工程と浸炭窒化工程とを同一炉内で連続的に行うことで製造設備を簡素化でき、コストを抑制することが可能である。浸炭窒化工程における窒化は、通常は、ＮＨ３ガスを炉内の雰囲気ガス中に添加することにより行うことができる。
【００１５】
本発明の請求項７に係る焼結スプロケットの製造方法は、請求項５又は請求項６に係る製造方法の工程に加えて、歯面表層の密度が７．４ｇ／ｃｍ３以上になるようにサイジングあるいは転造により歯面表層を緻密化する表層緻密化工程と、浸炭窒化焼き入れ工程と焼き戻し工程とにより行われる。サイジングや転造による緻密化は、歯面表層だけを容易に緻密化することが可能であり、しかも、７．６ｇ／ｃｍ３以上にすることも可能である。また、この表層緻密化工程と浸炭窒化焼き入れ工程と焼き戻し工程を備えることにより、良好な耐摩耗性を有する焼結スプロケットを効果的に製造することが可能になる。
【００１６】
【作用】
本発明の焼結スプロケットによれば、スプロケットの強度及び耐摩耗性が高められ、ディーゼルエンジンや直噴エンジンなどの夾雑物が多い劣悪な雰囲気で使用される場合にあっても、アブレシブ摩耗が発生することなく、長期に亘り円滑な回動をする。
【００１７】
また、本発明の焼結スプロケットの製造方法によれば、高い強度と優れた耐摩耗性を有する焼結スプロケットを安価に再現性良く製造することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明である焼結スプロケットとその製造方法の好ましい実施の形態について、以下の実施例に基づいて説明する。
【００１９】
本発明の焼結スプロケットは、次のような方法により製造される。
Ａ：２ｍａｓｓ％Ｎｉ、１．５ｍａｓｓ％Ｍｏ、残Ｆｅ及び不可避不純物
Ｂ：０．５ｍａｓｓ％Ｎｉ、１．０ｍａｓｓ％Ｍｏ、残Ｆｅ及び不可避不純物
Ｃ：０．８ｍａｓｓ％Ｍｏ、残Ｆｅ及び不可避不純物
Ｄ：１．８ｍａｓｓ％Ｎｉ、１．５ｍａｓｓ％Ｃｕ、０．５ｍａｓｓ％Ｍｏ、残Ｆｅ及び不可避不純物
の４種類の鉄系粉末のそれぞれに潤滑剤と表１に示した量の黒鉛粉を混合し、表１に示す方法の圧縮成形により、スプロケット形状に成形した。その際、圧縮成形はいずれも６８６ＭＰａの圧力で行った。
【表１】
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【００２０】
ここで、表１に示した成形方法で、「温間」又は「冷間」とは金型及び混合粉末を１３０℃に加熱又は室温にて圧縮成形を行う方法を示している。また、「金型潤滑」は、混合粉末には、潤滑剤を添加せず、その代わりに金型に潤滑剤を塗布し、金型及び混合粉末は室温の状態で圧縮成形を行う方法を示している。さらに、「温間＋金型潤滑」は、前述の金型潤滑の方法において、金型及び混合粉末を１３０℃に加熱して、圧縮成形を行う方法を示している。
【００２１】
次に、上記の方法により圧縮成形された成形体を窒素雰囲気ガス中で１１５０℃で焼結した後、表１に示した方法により緻密化を行い、スプロケット歯面表層の密度を７．４ｇ／ｃｍ３以上に上昇させた。ここで、表１に示した緻密化方法で、「強サイジング」とは、歯面のしごき代を０．１ｍｍ以上に上げて歯面表層の空孔をつぶす方法を意味しており、「転造」とは、焼結体をダイスの間ではさみ、相対的に回転させて歯面表層を緻密化する方法を意味している。強サイジング又は転造により密度が７．４ｇ／ｃｍ３以上となる緻密化層の深さはいずれも０．２〜０．８ｍｍの範囲であった。
【００２２】
さらに、上記緻密化を行った焼結品を必要な形状、寸法精度に機械加工で仕上げた後、表１に示す方法により熱処理を行った。ここで、表１に示した熱処理方法で、「浸炭窒化」については、カーボンポテンシャル１．２ｍａｓｓ％、温度９００℃で、加熱、浸炭させた後、同一炉内でカーボンポテンシャル０．８ｍａｓｓ％、温度８５０℃に下げた状態で浸炭させながら、ＮＨ３ガスを炉内に投入して窒化を行った。その後、油中に入れて焼き入れをし、温度１８０℃で気中焼き戻しを行った。
【００２３】
一方、表１に示した熱処理方法で、「浸炭１」については、カーボンポテンシャル１．２ｍａｓｓ％、温度９００℃で、加熱、浸炭させた後、同一炉内でカーボンポテンシャル０．８ｍａｓｓ％、温度８５０℃に下げた状態で浸炭させた。その後、油中に入れて焼き入れをし、温度１８０℃で気中焼き戻しを行った。
【００２４】
また、表１に示した熱処理方法で、「浸炭２」については、カーボンポテンシャル１．２ｍａｓｓ％、温度９００℃で、加熱、浸炭させた後、油中に入れて焼き入れをし、温度１８０℃で気中焼き戻しを行った。
【００２５】
表１に示した熱処理方法で、「高周波」については、周波数１２０ｋＨｚの高周波誘導加熱により、大気中でスプロケット歯部を９００℃に加熱した後、油を歯部に噴射して焼き入れを行った。その後、温度１８０℃で気中焼き戻しを行った。
【００２６】
表１に示した熱処理方法で、「ガス軟窒化」については、窒素、アンモニア、プロパンガスの混合ガス中で温度５７０℃で加熱した後、炉内で冷却した。これにより、歯面表層に、層厚１０μｍの鉄窒化物層が生成された。
【００２７】
上述したような方法で製造されたサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１２について、歯面表層の密度（ｇ／ｃｍ３）、炭素含有量（ｍａｓｓ％）、窒素含有量（ｍａｓｓ％）及び残留オーステナイト組織の割合（体積％）及び組織を測定した結果を表２に示した。ここで、表２で「残留γ」、「Ｍ」、「Ｂ」の記号は、それぞれ、「残留オーステナイト組織」、「マルテンサイト組織」、「ベイナイト組織」を示している。
【表２】
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【００２８】
このようにして得られた本発明の焼結スプロケットが奏する効果を確認するために、各々のスプロケットを下記の条件でモータリング試験機で摩耗試験を行い、歯面の摩耗量を測定した。その結果を図１に示す。
＜試験条件＞
イ）チェーン　　　　　　　　　：ピッチ６．３５ｍｍのサイレントチェーン
ロ）スプロケット歯数　：２３枚×４６枚
ハ）チェーン負荷　　　　　：１．５ｋＮ
ニ）回転速度　　　　　　　　　：６５００回転／分
ホ）試験時間　　　　　　　　　：２００時間
【００２９】
図１及び表２に示した値から分かるように、炭素含有量が０．６〜１．２ｍａｓｓ％且つ窒素含有量が０．０５〜０．５ｍａｓｓ％である、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８（本発明例）は、いずれも摩耗量が略２０μｍ以下であるのに対して、前記条件から逸脱するサンプルＮｏ．９〜Ｎｏ．１２（比較例）は、摩耗量が４０μｍを越えている。すなわち、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８のものは、サンプルＮｏ．９〜Ｎｏ．１２のものに比較して、３倍以上耐摩耗性が良いことが示されている。
【００３０】
また、表２から分かるように、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８（本発明例）のものは、いずれもマルテンサイト組織＋残留オーステナイト組織からなり、しかも残留オーステナイト組織の含有割合が１０〜５０体積％であり、一方、サンプルＮｏ．９〜Ｎｏ．１２（比較例）のものは、この条件を逸脱している。
【００３１】
さらに、上述したように、本発明の焼結スプロケットは、いずれも、歯面表層の密度が上記より分かるように、７．４ｇ／ｃｍ３以上であり、基材に含まれる金属元素が、合計で０．５〜５ｍａｓｓ％のＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種と、残部がＦｅ及び不可避不純物である。
【００３２】
本発明の焼結スプロケットとともに使用されるチェーンとしては、ローラーチェーン、サイレントチェーンのいずれであっても何ら差し支えないが、スプロケット歯面に加わる面圧が高く、スプロケットにより高い耐摩耗性が要求されるサイレントチェーンとともに使用する場合に、より本発明の優位性が発揮される。また、その用途としては、伝動機構、搬送装置、昇降装置等さまざまな用途に適用可能であるが、アブレシブ摩耗に対する特別の対応策が要求される、直噴型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに特に好適に適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の焼結スプロケットによれば、スプロケットの強度及び耐摩耗性が高められ、ディーゼルエンジンや直噴エンジンなどの夾雑物が多い劣悪な雰囲気で使用される場合にあっても、アブレシブ摩耗が発生することなく、長期に亘り円滑な回動が維持される。また、歯面摩耗が低減されるため、チェーンとスプロケットの設計時における最適噛合形状を長期に亘って持続することが可能になり、噛合衝突音の発生を長期に亘り抑制することが可能となり、静粛性に優れたチェーン伝動機構を実現できるとともに、スプロケットの摩耗粉が潤滑油中に入り込むことによる、他のエンジン部品の摩耗促進が抑制される。さらに、スプロケット摩耗によるチェーンの歯飛びの発生や、歯の破損等によるエンジンの損傷を抑えられ、エンジンの耐久性、信頼性が向上する。
【００３４】
また、本発明の焼結スプロケットの製造方法によれば、高い強度と優れた耐摩耗性を有する焼結スプロケットを再現性良く製造することが可能となる。さらに、本発明の製造方法に用いる強サイジングや浸炭窒化処理等の工程は、従来の設備で対応できるため、特別な設備投資の必要はなく、合金鋼による鍛造、機械加工等と比較して製造コストの点でもきわめて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼結スプロケットの摩耗試験の結果を示す図。
【符号の説明】
１〜８　　・・・　実施例の焼結スプロケットのサンプル
９〜１２　・・・　比較例の焼結スプロケットのサンプル
【図１】
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