(57)【要約】  本発明は、選択的に浸炭されていない金属粉末部品の製造方法を提供する。この製造方法は、金属粉末を、硬化層深さ硬度表面を形成する１以上の第１表面と、鍛造前に除去されるべき浸炭部を形成する１以上の第２表面と、を備えたプリフォームに圧縮する圧縮ステップと、前記プリフォームを順次に又は同時に焼結・浸炭する浸炭ステップと、前記プリフォームにおける前記１以上の第２表面から前記浸炭部を除去する除去ステップと、前記プリフォームを鍛造して、鍛造部品を得る鍛造ステップと、前記鍛造部品を冷却する冷却ステップと、を順次行って、改良された鍛造後の特性を有する１以上の第２表面と、表面硬度特性を有する１以上の第１表面を有する鍛造部品を得ることを特徴とする。
2010537048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択的に浸炭されていない金属粉末部品の製造方法であって、
金属粉末を、硬化層深さ硬度表面を形成する１以上の第１表面と、鍛造前に除去されるべき浸炭部を形成する１以上の第２表面と、を備えたプリフォームに圧縮する圧縮ステップと、
前記プリフォームを順次に又は同時に焼結・浸炭するステップと、
前記プリフォームにおける前記１以上の第２表面から前記浸炭部を除去するステップと、
前記プリフォームを鍛造して、鍛造部品を得る鍛造ステップと、
前記鍛造部品を冷却して、改良された鍛造後特性を有する１以上の第２表面と、表面硬度特性を有する１以上の第１表面と、を有する鍛造部品を得る冷却ステップと、
を順次行うことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記鍛造部品を、鍛造及び温度安定化後に、オイル・バスにて急冷することにより、冷却する、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記焼結を、華氏約２０００〜約２１００°の温度で行う、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記金属粉末から得た前記プリフォームが、全体を通して実質的に均一な初期炭素含量を有している、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
濃厚吸熱性ガスの制御された炭素雰囲気を提供して、前記制御された炭素雰囲気下で所定時間前記プリフォームを維持させて、前記初期炭素含量よいも高い炭素含量を有する前記１以上の第１表面の所定の硬化層深さを得ることによって、前記プリフォームを浸炭して、前記プリフォーム中炭素の含量を実質的に増加させる、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記プリフォームの前記初期炭素含量が、０．２２重量％より低く、そして、前記浸炭部を有する前記第１表面の最終炭素含量が、０．２２重量％〜０．３７重量％である、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記鍛造ステップを、理論密度９９．６％以上の密度に達するまでに、華氏約１６００°〜約１８００°の温度にて行って、前記鍛造部品を得る、請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
前記プリフォームにおける前記１以上の第２表面から前記浸炭部を除去するステップを、ソフト・ターニング又はブローチングによって行う、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記除去ステップにおいて取り除かれる前記材料を補うために前記プリフォームを大きめにして、鍛造後にほぼネットシェイプの部品を得る、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記最終鍛造部品が、ほぼネットシェイプである、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記冷却後に洗浄を行う、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記冷却後にハード・ターニングを行う、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記金属粉末が、低合金鉄金属粉末である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記プリフォームを鍛造して、前記１以上の第１表面に可変硬化層深さプロファイルを有する前記鍛造部品を形成し、そして、
前記鍛造部品を鍛造する間に、前記鍛造用の型セットを用いて、金属の前記浸炭部の臨界流れを可変的に改良することによって、前記可変硬化層深さプロファイルを得る、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
回転軸と、複数の半径方向の歯と、を有する請求項１に記載の製造方法によって製造されたかさ歯車であって、
前記半径方向の歯が、前記かさ歯車の前記回転軸と概して同じ方向に延び、かつ、前記かさ歯車の前記回転軸に対して傾いていることを特徴とする歯車。
【請求項１６】
前記かさ歯車が、スプライン型の差動サイド歯車である、請求項１５に記載のかさ歯車。
【請求項１７】
硬化層深さ硬度表面を形成する１以上の第１表面、及び、鍛造前に除去されるべき浸炭部を形成する１以上の第２表面を有するプリフォームに金属粉末を圧縮する圧縮ステップと、
前記プリフォームを同時に又は順次に焼結・浸炭するステップと、
前記プリフォームの前記１以上の第２表面から浸炭部を除去するステップと、
前記プリフォームを鍛造して、鍛造部品を得るステップと、
前記鍛造部品を冷却して、改良された公差特性を有する１以上の第２表面、及び、表面衝撃特性を有する１以上の第１表面を備えた鍛造部品を得るステップと、
を順次行うことを特徴とする選択的に浸炭されていない金属粉末部品の製造方法によって製造された部品。
【請求項１８】
前記プリフォームを鍛造して、前記１以上の第１表面の可変硬化層深さプロファイルを有する前記鍛造部品を得る、請求項１７に記載の部品。
【請求項１９】
硬化層深さ硬度表面を形成する１以上の歯車表面、及び、鍛造前に除去されるべき浸炭部を有する１以上のスプライン表面を備えたプリフォームに金属粉末を圧縮する圧縮ステップと、
前記プリフォームを同時に又は順次に焼結・浸炭するステップと、
ターニング又はブローチングを行って、前記プリフォームの前記１以上のスプライン表面から前記浸炭部を除去するステップと、
前記プリフォームを鍛造して、鍛造部品を形成するステップと、
前記鍛造部品を冷却して、せん断抵抗を有する１以上のスプライン表面、及び、表面硬度特性を有する１以上の歯車表面を備えた鍛造部品を得るステップと、
を順次行うことを特徴とする、選択的に浸炭されていない金属粉末部分を有する歯車の製造方法。
【請求項２０】
前記プリフォームを鍛造して、前記１以上の歯車表面の可変硬化層深さプロファイルを有する鍛造部品を得る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
硬化層深さに浸炭される第１表面と、浸炭されない第２表面と、を含む焼結鍛造金属粉末部品であって、前記第１及び第２表面が、鍛造前に前記第１及び第２表面において浸炭されていた焼結金属粉末プリフォームを鍛造することによって形成され、そして、前記第２表面における浸炭部が鍛造前に機械加工されたことを特徴とする焼結鍛造金属粉末部品。
【請求項２２】
前記第１表面を通して比較的一定であった前記浸炭硬化層深さが、鍛造を経て、可変性に変わる、請求項２１に記載の焼結鍛造金属粉末部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造金属粉末部品（forged powder metal part）、特に、選択的に浸炭されていない（selectively non-carburized）金属粉末部品、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
部品を生産するに当たり、費用、時間、及び、段階を減らすことができる製造工程についての要求が存在していた。その製造工程の改善によってもたらされる利益は、先ず製品を改善してより優れた寸法、機械的な、及び／又は、性能特性を有するものとする顧客側の要求によって求められる。例えば、従来の差動サイド歯車（differential side gear）は、以下の性能要求事項のうちいずれか又はその全てを有し得る：寸法精度（dimensional precision）、高せん断強度、及び、ブリネル抵抗性（brinnelling resistance）を要求するスプライン領域（spline area）；寸法精度、表面仕上げ、及び、ケース適合性（case compatibility）を要求するハブ（hub）及びスロスト面（thrust face）；寸法精度、表面仕上げ、及び、最適化プロファイルを要求する歯車ジオメトリ；及び、耐衝撃性、耐磨耗性、耐剥離性（spalling resistance）、並びに、異なる表面及び芯部冶金（core metallurgies）を要求し得る歯及び芯部の強度。異なる非コンパチブル製造方法、即ち、キャスティング、スチール鍛造、又は、金属粉末鍛造によって、同じ部品、又はそれ以外のものの異なる性能要求を達成する。
【０００３】
図１によれば、こうした性能要件を満たすために、歯車１０は、金属粉末１４を鍛造した後、その歯車をケース浸炭してほぼ一定の有効硬化層深さ（effective case depth）１６を得ることにより、製造される。各々の（歯車の）歯１２に対する一定の有効硬化層深さ１６については、図１の部分断面図を参照されたい。特定の硬度（specific hardness）、硬化層深さ、及び、炭素勾配（carbon gradient）を有する十分に緻密な部分（部品）をほぼ一定に浸炭するために制御されるべきパラメーターは一般的に知られている。しかしながら、ほぼ一定の硬化層深さは、鍛造後の製品（post forged product）においては、必ずしも所定の機械的な特性及び所定の機械加工特性を有するものではない。製造工程によって悪影響を受けない点から時間、処理、又は、コストを節約できる、最終製品におけるこれらの性能要件のより良いバランスを取ることが有利であろう。
【０００４】
「焼結‐浸炭（ｓｉｎｔ−ｃａｒｂ）」として知られた工程において金属粉末部品の性能要件（performance requirement）を改良するための製造工程が米国特許第３，９９２，７６３号（発明の名称：金属粉末部品の製造法）に記載されている。この製造工程によれば、焼結後、鍛造前に浸炭工程を行うことで、最終鍛造製品の臨界壁（critical wall）における硬化層深さを改良し、それにより、ケース硬度を得るために行われる次の熱処理工程をなくす（省く）ことができる。米国特許第４，００２，４７１号（発明の名称：鍛造後熱処理なしに硬化したスケールフリー鍛造金属粉末製品の製造法）には、更なる機械加工、表面処理、又は、急冷後の熱処理を行うことなく、高いＲｃ硬度を有する鍛造鉄粉末系金属製品の製造法が記載されている。
【０００５】
米国特許第４，１６５，２４３号（発明の名称：選択的に浸炭された鍛造金属粉末部品の製造法）には、焼結の前に部品をマスクするステップ、及び、浸炭と鍛造の間にそのマスキングを除去して、その部品上に選択された浸炭表面を設けるステップを更に含む製造工程が記載されている。
【０００６】
しかしながら、前述した特許文献には、部品の浸炭表面及び非浸炭表面の改善された製造方法、改善された寸法精度（dimensional precision）、又は、性能特性を提供するものの、鍛造前に浸炭表面を除去することで最終鍛造製品における特定の材料要件を得ることができる工程については、何ら記載されてなく、又、示唆もされていない。また、前述した特許文献には、除去工程により得られる有利でかつ簡単な制御については、何ら記載されてなく、又、示唆もされていない。
【０００７】
したがって、鍛造前に部品の浸炭表面を除去して、最終鍛造製品に浸炭表面及び非浸炭表面を選択的に残す製造法についてのニーズが存在していた。また、鍛造及び急冷前に部品の浸炭部を戦略的に取り除いて、その部品の有利な鍛造浸炭部を保持しつつも、その部品の非浸炭部に対するより優れた鍛造後加工（post-forging operation）を可能にし、それにより、部品の非浸炭部により強化された公差（tighter tolerance）、改良されたスプライン分類（spline classification）、又は、改良されたせん断抵抗（shear resistance properties）をもたらす製造法についてのニーズが存在していた。また、優れた寸法精度（dimensional precision）又は性能特性（performance feature）を有する部品に対するニーズも存在していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第３，９９２，７６３号
【特許文献２】米国特許第４，００２，４７１号
【特許文献３】米国特許第４，１６５，２４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したニーズに対して、本発明は、鍛造前に部品の浸炭表面を取り除いて、改良された性能特性を有する選択的に浸炭された部分と、改良された公差（improved tolerance）及び等級（classification）について改良された鍛造後特性（post forging properties）を有する選択的に浸炭されていない表面と、を残すことを特徴とする歯車及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
具体的に、本発明は、選択的に浸炭されていない金属粉末部品を得るための方法を提供する。この方法は、圧縮ステップ、焼結ステップ、除去ステップ、鍛造ステップ、及び、冷却ステップを含む。金属粉末を圧縮して、１以上の第１表面部（ここで、鍛造部は、ケース硬度深さを有する必要がある。）、及び、１以上の第２表面部（ここで、浸炭部は鍛造前に取り除かれる必要がある。）を有するプリフォーム（preform）を形成する。このプリフォームに焼結及び浸炭工程を施す。浸炭後、プリフォームの１以上の第２表面部を除去して、鍛造及び冷却を行う。鍛造部は、改良されたせん断抵抗（shear resistance properties）を有する１以上の第２表面部と、表面硬度特性（surface hardness properties）を有する１以上の第１表面部を有する。
【００１１】
本発明は、本発明の方法に基づいて製造された部品を提供する。この部品は、よりやわらかい非浸炭材部分（softer noncarburized material portion）に基づいて、より改良された公差（tolerancing）及び寸法制御（dimensional control）を提供しつつも、より少ない費用及び時間での鍛造後加工（鍛造後処理）を可能にする非浸炭部（noncarburized portion）を含む。また、この部品は、ほぼネットシェイプに仕上げた焼結−浸炭鍛造（sint-carb forging）製造工程によって得ることができる、改良された耐摩耗性、耐荷重性（load bearing）、耐衝撃性、又は、曲げ疲労のような有利な特性を有する、浸炭部を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改良された性能特性（例えば、耐摩耗性、耐荷重性、耐衝撃性、曲げ疲労等）を有する浸炭部（選択的に浸炭された部分）と、改良された公差特性及び等級特性を有するを非浸炭部（選択的に浸炭されていない部分）と、を備えた金属粉末部品（歯車など）を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、ケース浸炭歯車の部分断面図である。
【図２】図２は、本発明の具体例に基づいて有利に用いられる可変硬化層深さプロファイルを有する差動サイド歯車の部分断面図である。
【図３】図３は、図２の歯車の有効硬化層深さを下回る（below）微細構造を示している。
【図４】図４は、図２の歯車の有効硬化層深さ以内の微細構造を示している。
【図５】図５は、鍛造後に本発明の製品を得るために必要とされる本発明に係る焼結後のプリフォームの等角図（isometric view）である。
【図６】図６Ａは、浸炭後の図５のプリフォームの部分断面図であり、そして、図６Ｂは、鍛造前に除去工程によって図６Ａのプリフォームから取り除かれるべき浸炭部の部分断面図である。
【図７】図７は、本発明の具体例に基づいて図６Ｂのプリフォームから造られた差動サイド歯車の等角図である。
【図８】図８は、本発明の具体例に係る可変硬化層深さ金属粉末歯車の製造工程を概略的に示したものである。
【図９】鍛造浸炭金属粉末部品を製造するための本発明の具体例（製造工程）を概略的に示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明をよりよく理解してもらうために、これから添付した図面等に基づいて本発明の具体例を説明していく。
【００１５】
図面において、同じ符号は、同様の部品を表す。したがって、異なる図面において同様の符号が付される場合がある。一部の例においては、明確さなどの点から、異なる図面における同様の部品について異なる符号を付する場合もあり得る。
【００１６】
図２は、本発明の利点に基づく可変硬化層深さプロファイル（variable case depth profile）５８を有する差動サイド歯車５０の部分断面図である。図７は、本発明に基づいて図６Ｂのプリフォームから造られた差動サイド歯車５０の等角図である。選択的に浸炭されていない（selectively non-carburized）金属粉末部品を得るという本発明の特徴を論ずる前に、本発明の特徴の一つである可変硬化層深さプロファイル５８を有する歯車５０について説明する。
【００１７】
差動サイド歯車５０は、その歯車５０の浸炭部に形成された可変硬化層深さプロファイル５８、及び、複数の歯５２を含む。複数の歯５２の各歯は、第１表面５４、及び、歯の芯部（core）又は根（root）５６を有する。差動サイド歯車５０は、回転軸６０を有する。ここで、歯５２は、歯車の回転軸と概して同じ方向に半径方向に延設されているが、前記回転軸に対して傾いている。この差動サイド歯車５０は、回転軸６０と軸方向に合わせられた、軸方向のスプライン内部領域（axially splined internal section）６２を備えている。この内部領域６２は、歯車５０の非浸炭部に形成されている。その非浸炭部は、ここに述べたように、鍛造前にプリフォームの浸炭部を取り除くことによって選択的に得られる。
【００１８】
可変硬化層深さプロファイル５８は、複数の歯５２に形成されている。可変硬化層深さプロファイル５８は、第１表面５４により良い耐歯磨耗性（tooth wear resistance）を、そして、歯根５６により良い耐衝撃性（impact resistance）を有する歯車を提供することができる。この可変硬化層深さプロファイル５８は、（歯車の）鍛造前の炭素拡散（carbon diffusion）によって、鍛造後に得られる有効硬化層深さプロファイルであり得る。したがって、可変硬化層深さプロファイル５８は、この明細書に記載した鍛造工程によって得ることができる。
【００１９】
差動サイド歯車５０に関してプロセスを説明するが、可変硬化層深さプロファイル５８は、かさ歯車（bevel gear）、差動歯車（differential gear）、又は、ピニオン歯車（小歯車）を含めて様々な歯車又は部品に対しても得ることができる。
【００２０】
この差動サイド歯車５０は、低合金の（low alloy）、十分に圧縮された（fully compacted）鉄金属粉末材料で構成され得る。しかしながら、その歯車は、様々な種の鍛造金属粉末スチールで構成され得る。
【００２１】
図２によれば、差動サイド歯車５０における各々の歯の第１表面５４は、先端面（tip surface）６４、ピッチ線表面（pitch line surface）６６、根フィレット表面（root fillet surface）６８、及び、根直径（rootdiameter）又はランド表面（land surface）７０を含んでいる。可変硬化層深さプロファイル５８は、先端面６４において２．４ｍｍ、ピッチ線表面６６において１．９ｍｍ、根フィレット表面６８において０．４ｍｍ、及び、根ランド表面７０において０．８ｍｍの有効硬化層深さ（effective case depth）を有していても良い。それは、炭素拡散、及び、その後行われるプリフォームの鍛造に起因する。この具体例では特定の数値を示したが、可変硬化層深さは特定の表面の断面上に一定でない有効硬化層深さプロファイルを有してもよく、ここに示した特定のプロファイルに限られない。
【００２２】
可変硬化層深さプロファイル５８は、硬化層深さ比（case depth ratio）で表すことができる。有効硬化層深さ比は、先端面６４で測定した硬化層深さを根フィレット表面（root fillet surface）６８で測定した硬化層深さに比較するか、ピッチ線表面（pitch line surface）６６で測定した硬化層深さを根フィレット表面６６で測定した硬化層深さに比較するか、又は、根ランド表面（root land surface）７０で測定した硬化層深さを根フィレット表面６８で測定した硬化層深さに比較することにより得ることができる。例えば、先端面６４対根フィレット表面６８の可変硬化層深さ比は６：１であり、ピッチ線表面６６対根フィレット表面６８の可変硬化層深さ比は、１９：４であり、そして、根ランド表面７０対根フィレット表面６８の硬化層深さ比は２：１である。ほぼ１：１の硬化層深さ比は、図１に示した歯車１０の一定の硬化層深さ１６の有効範囲内にあると考えられる。
【００２３】
最大の深さからより浅い深さまでの可変硬化層深さプロファイル５８における硬化層深さ比が、６：１であることが有利である。なぜならば、耐歯磨耗性及び耐衝撃性などのより良い機械的な特性を得ることができるからである。
【００２４】
歯車５０の歯根５６は、約４３ＨＲＣの硬度を有する歯中間部（mid-tooth section）７４と、約３１ＨＲＣの硬度を有する根部（root section）７６と、約３２ＨＲＣの硬度を有する芯部（中心部）（core section）７８と、を含んでも良い。これらの数値（硬度）は改良された機械的な特性を有する歯車の例として挙げたものに過ぎず、コア硬度比（core hardness ratio）は、歯中間部74と根又は芯部７６、７８との間で得られ、ほぼ４：３である。より高いコア硬度比は、歯車が耐歯衝撃性（tooth impact resistance）、即ち、柔軟性（ductility）により優れたことを意味する。一方で、図１に示したような歯車は、１：１のコア硬度比を有するので、柔軟性（延性）に劣る。
【００２５】
図３は、図２の歯車の有効硬化層深さを下回る（below）微細構造（microstructure）を示しており、図４は、図２の歯車の有効硬化層深さ内の微細構造を示している。深さの境界（depth boundary）は、材料の有効炭素含量がほぼ一定になって、可変硬化層深さプロファイル５８によって有効とされ得る点（point）である。
【００２６】
可変硬化層深さを有する金属粉末歯車の製造法に戻ると、そのプロセスが図８に示されている。このプロセスは、混合（ステップ）２０から始まり、その後に続く充填（ステップ）２２、圧縮（ステップ）２４、焼結（ステップ）２６、浸炭（ステップ）２８、予熱（ステップ）３０、可変鍛造（variable forging）３２、及び、冷却（ステップ）３４を含み得る。鍛造後工程（post forging operation）３６は、歯車を更に改良するための工程であり得る。これらのプロセス段階については当業者（金属粉末の鍛造に関する技術分野）に良く知られているために、本発明の一部の特徴についてのみ後述する。この観点から、材料の選択、温度処理（temperature processing）、及び、圧縮時の圧力については簡単に言及する。
【００２７】
混合ステップ２０では、必要とされるバインダー又は滑剤を含んだ金属粉末（混合によって得られた、充填ステップ２２において圧縮型（compacting form）へ充填するに適したほぼ均一な混合物）を用意する。圧縮ステップ２４は、金属粉末を、プリフォームを通してほぼ均一な初期炭素含量（initial carbon content）を有するプリフォームに圧縮することを含む。この初期炭素含量は、金属粉末を、必要なバインダー又は滑剤と共に構成量（constituent amount）の黒鉛と混合して、プリフォームを形成することによって得られる。プリフォームは１以上の断面表面（cross-section surface）を有する。この断面表面において、最終鍛造部品は、結果として本明細書で説明したような可変硬化層深さプロファイルを有する。
【００２８】
焼結ステップ２６及び浸炭ステップ２８は同時に行われるか、又は、プリフォームを焼結した後浸炭ステップを完了する。プリフォームを焼結することで、金属粉末を結合させる。プリフォームの浸炭により、プリフォームの表面からコア内へ炭素勾配（carbon gradient）が進むにつれて、初期炭素含量が実質的に増加される。炭素勾配は、制御された炭素雰囲気を提供して、制御された雰囲気下で所定時間プリフォームを維持させることによって得られる。鍛造時に金属の臨界流れ（critical flow）を改良して、鍛造後の部品において所望の可変硬化層深さプロファイルを得るためには、実質的に一定の炭素硬化層深さを得る必要がある。勿論、密度勾配、部品ジオメトリ（part geometry）、及び、浸炭条件は、浸炭ステップの均一性（uniformity）に直結する。プリフォームに必要とされる炭素の硬化層深さは、鍛造時の臨界金属流れの所望の領域（area）及びプリフォームのジオメトリによって決められる。前述した歯車５０に前述した比率の可変深さプロファイルを得るために、そのプリフォームは歯の高さの１／４に相当する硬化層深さに浸炭されるが、歯の高さの１／２０又は７／８までの硬化層深さに浸炭することでも満たされ得る。プリフォームにあまりにも小さい硬化層深さを設けると、その結果として、非浸炭部が形成されるであろう。また、プリフォームにあまりにも大きい硬化層深さを設けると、その結果として、ほぼ一定の硬化層深さプロファイルが形成されるであろう。図６Ａは、浸炭プロセス後の、図５に示したプリフォーム８４の浸炭プリフォーム８５の部分断面図を示したものである。プリフォーム８５は、プリフォームの焼結及び浸炭後に得られた実質的に一定の炭素深硬化層深さ８６を有する。
【００２９】
可変鍛造ステップ３２は、実質的に緻密な（substantially dense）、ネットシェイプ（net shape）の部品を得るために、鍛造温度及び鍛造圧力にて前記浸炭プリフォームを鍛造することを含む。歯車の可変硬化層深さプロファイルは、各歯にほぼ対称的なプロファイルを生じさせる。それは、浸炭プリフォーム及び鍛造型（forging die）の対称的な特徴に起因する。しかしながら、多種多様な可変硬化層深さプロファイルを得るために異なる浸炭方法、及び、鍛造ステップを用いることも可能である。
【００３０】
可変硬化層深さプロファイルは、鍛造プロセスにおいて、一組の鍛造型を用いて、浸炭金属部の臨界流れ（critical flow）を良くすることによって得ることができる。このとき、浸炭金属粉末プリフォームの一定の硬化層深さは、型部に戦略的に圧縮される必要がある。。ここで、鍛造時に、プリフォームのある部分は引伸ばされ（stretched）、かつ薄くされ、そして、プリフォームの他の部分は、浸炭金属粉末で厚くされ、かつ、深くされる。鍛造前の浸炭金属粉末プリフォームにおけるあまりにも浅い硬化層深さ、又は、あまりにも深い硬化層深さは、最終製品に可変硬化層深さプロファイルをもたらすことができないだろう。
【００３１】
冷却ステップ３４によって、鍛造部に、所望の可変硬化層深さプロファイルを有する歯車を生じさせる特定冶金（metallurgy）を設けることができる。鍛造部の冷却は、オイル、水、空気中での急冷、又は、金属粉末鍛造法に適したその他の方法によって行うことができる。
【００３２】
冷却の前に、鍛造部品を所定時間ドエルすること（dwell）によって、部品の材料の温度安定化を図ることで、特性を改良することも考えられる。
【００３３】
鍛造前に前記プリフォームを鍛造前温度（pre-forge temperature）に予熱することで、鍛造時に所望の金属流れを良くすることも考えられる。
【００３４】
鍛造後処理ステップ３６（任意工程）は、最終の詳細要求条件に基づく製品のターニング（turning）、フェーシング（facing）、平面研磨（surface grinding）、スプライニング（splining）、及び、ブローチング（broaching）を含んでも良い。それにより、洗浄、包装（packing）、又は、出荷可能な状態となる。
【００３５】
金属粉末、圧縮型（compaction die）、処理時間、処理温度、処理圧力、鍛造型（forging die）、及び、冷却方法の適切な選択及び組み合わせによって、可変硬化層深さプロファイルを有するほぼネットシェイプの十分緻密な製品を得ることができ、それにより、機械加工処理を必要とするとしてもその程度は最小限にとどまり、コスト節減及び性能向上（性能改善）を促すことができる。
【００３６】
本発明の鍛造浸炭金属粉末部品の製造方法に戻ると、そのプロセスの具体例が図９に示されている。このプロセスは、混合ステップ１２０、充填ステップ１２２、圧縮ステップ１２４、焼結ステップ１２６、浸炭ステップ１２８、除去ステップ１３０、及び、冷却ステップ１３４を含む。鍛造後工程１３６は、歯車をさらに改良するために用いられる。図９の方法と両立できる（compatible）図８に示したプロセスに関して前述した両立できる処理ステップは、金属粉末部品をさらに改良するために用いることができる。これらのプロセスの一部については金属粉末鍛造分野の当業者に良く知られているために、主に本発明の特徴について後述する。
【００３７】
図９のプロセスの理解を助けるために、図６Ｂのプリフォーム１８４について簡単に説明する。図６Ｂは、鍛造前の除去プロセスによって図６Ａのプリフォーム８５から取り除かれる浸炭部１８８の部分断面図である。図６Ａは、浸炭後の図５のプリフォーム８４の部分断面図である。プリフォーム１８４は、１以上の第１表面１８５、硬化層深さ１８６、１以上の第２表面１８７、及び、浸炭部１８８を有する。浸炭部１８８は、選択的に選ばれて、鍛造前にプリフォームから除去される。鍛造前に浸炭部を選択的に除去することによって、二次的な処理（secondary operation）のための優れた機械加工性をもたらして、例えば、比較的やわらかい非浸炭材料により高いスプライン等級（spline classification）又はより強化された耐ブローチ削り性（broaching tolerance）を備えた最終部品を得ることができる。その他の利点は、焼結−浸炭プロセス及び鍛造プロセスから得た戦略的に改良された浸炭部から導き出される。
【００３８】
図９のプロセスに戻ると、選択的に浸炭されていない金属粉末部品は、金属粉末をプリフォームに圧縮するステップを必要とする。
【００３９】
プリフォームの焼結及び浸炭を同時に行うか、又は、焼結した後浸炭してプリフォーム１８４を得ることは、前述した焼結及び浸炭プロセスによって行われ得る。
【００４０】
周知のとおり、スチール金属粉末に対する典型的な焼結温度は、華氏約２０００〜約２１００°である。ここで、プリフォームの初期炭素含量は０．２２重量％未満であっても良い。浸炭により、１以上の第１表面における最終炭素含量は、０．２２重量％〜０．３７重量％であり得る。
【００４１】
プリフォームの１以上の第２表面から浸炭部を除去するステップは、鍛造ステップの前に行われる。１以上の浸炭部を除去することによって、材料がケース硬化されていない１以上の第２表面を提供しつつも、有利なケース硬度（case hardness）を有する１以上の第１表面上に浸炭部を備えた鍛造部品を生じる。こうした除去ステップによって、鍛造前に、焼結されたプリフォームから第２表面１８７の浸炭部１８８を戦略的に除去することが可能となる。この除去プロセスは、例えば、穴あけ、機械加工、又は、研磨（grinding）のような周知の方法によって行うことができる。浸炭部を除去するによって得られる利点の一つに、焼結−浸炭プロセス中に炭素の拡散を制御する複雑なマスキング又は非マスキング（unmasking）を行う必要性がなくなることである。焼結されたプリフォーム（比較的やわらかい状態にあるとき）から浸炭部を除去することに伴う利点のもう一つに、工具寿命をのばして、スプライン等級（spline classification）のような製品のより高い性能を得ることができることが挙げられる。また、スプライニング（splining）は、通常その部品が鍛造後硬質の状態（hard state）にあるときに完了するので、不要な工具摩擦（tool wear）、並びに、スプライン抵抗又は性能の減少をもたらす。
【００４２】
その後、鍛造及び冷却ステップが終了すると、表面硬度特性（surface hardness properties）を有する１以上の第１表面と、せん断抵抗性（shear resistance properties）を有する１以上の第２表面と、を備えた部品が得られる。鍛造及び冷却ステップは、金属粉末鍛造に属する分野における通常の知識を有する者に知られた方法に基づいて行うことができ、スチール粉末の場合、通常華氏約１６００〜約１８００°の温度にて行う。インチあたり５０〜７０トンの鍛造圧力を加えることにより、理論密度９９．６％以上の実質的に緻密な部品を得ることが望ましい。
【００４３】
最終部品が鍛造後ほぼネットシェイプである場合に、除去ステップにおいて取り除かれるべき材料は、圧縮ステップにおいて適切なプリフォーム又は大きいサイズのプリフォーム（oversize preform）を製造することで説明される。
【００４４】
図９に示したプロセスが、図８のプロセスに示したような可変鍛造ステップ（variable forging step）を用いることが有利な場合もある。特に、可変硬化層深さプロファイルは、除去ステップ後、プリフォームの１以上の第１表面における浸炭部を鍛造する間に最終部品に得られる。この場合に、その部品が本発明に基づいて製造された歯車であれば、それは、より良いスプライン等級及びせん断力（shear strength）に必要な軟性内径（soft internal diameter）を有しながらも、図２に示したような可変硬化層深さプロファイルを有するものであり得る。
【００４５】
図９に示した本発明のプロセスに基づいて造られた部品は、要求される硬質、及び、軟質の表面を有するいかなる部品をも含み得る。特に、図９に示した本発明の方法は、歯付き歯車（toothed gear）に特に有利である。  
【００４６】
明細書には様々なプロセスステップを記載したが、それらは、特許請求の範囲により定まる本発明の範囲を制限するものではない。また、本発明は、幾つかの具体例に基づいて説明されているが、本発明はこれらの具体例に制限されないものと解すべきである。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲に記載された技術的思想に含まれる変更例、変形例、及び、均等例を含む。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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