(57)【要約】【課題】焼結高速度鋼の硬化処理のための熱処理が不要で、材料費の削減、製造の容易化、焼結時の歪みの低減、仕上げ加工時の取り代削減などが図れ、機械加工後の表面により高硬度の硬化層を残すことも可能となす複合焼結部品の製造方法を提供する。【解決手段】高速度鋼を構成する粉末で形成される部材Ａと、炭素含有量がゼロまたは高速度鋼よりも少ない金属粉末もしくは溶製金属で形成される部材Ｂを組み合わせて焼結一体化し、焼結後の組み合わせ部材をガス冷却して部材Ａの焼き入れを行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度鋼を構成する粉末で形成される部材Ａと、焼き入れ効果が得られない金属材料または焼き入れの度合いが高速度鋼よりも小さくなる金属材料で形成される部材Ｂを組み合わせて焼結一体化し、焼結後の組み合わせ部材をガス冷却して部材Ａの焼き入れを行う複合焼結部品の製造方法。
【請求項２】
前記ガス冷却を、０．３℃／ｓｅｃ以上、３．５℃／ｓｅｃ以下の速度で行う請求項１に記載の複合焼結部品の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法で製造され、部材Ａで形成された部位よりも部材Ｂで形成された部位が低硬度になっている複合焼結部品。
【請求項４】
請求項１または２に記載の方法で製造され、部材Ａの焼結肌が残された表面の歪み量が、幅または直径の０．１％以下になっている複合焼結部品。
【請求項５】
請求項１または２に記載の方法で製造され、部材Ａの機械加工された表面にビッカース硬さＨｖ６００以上の硬化層が残存している複合焼結部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐摩耗性に優れた部位をもつ複合焼結部品の製造方法と、その方法で得られる複合焼結部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性が要求される部位をもつ部品、例えば、軸受、ブッシュ、カムなどの部品を焼結高速度鋼で形成することが増えてきている。
【０００３】
この焼結高速度鋼で形成される部品の多くは、耐摩耗性が要求される部位と要求されない部位を併せもっている。このような部品の全体を高速度鋼で形成すると、以下に列挙するような問題が発生する。
（１）材料が高価であるので、部品価格が高くなる。
（２）耐摩耗性を向上させるために、焼結後の部品に別工程で焼き入れの熱処理を施す必要がある。
（３）焼結高速度鋼は、通常の焼結合金に比べて粉末を高圧で成形する必要があり、形状の複雑な部品は、各部の密度にばらつきが生じ、それが原因で寸法精度、形状精度が悪くなり、強度の弱い部分もできて満足な製品にならないことがある。
（４）形状が複雑で大きな密度差が生じる部品は特に、焼結やその後の熱処理による歪みが大きくなり、その歪を除去するために、焼結後の機械加工が不可欠となる。機械加工は、粗加工後に基準面を捨て加工し、その後、仕上げ加工を施すので、加工費が高くつく。また、歪が大きいと機械加工での取り代が増えるため、表面の硬化層が除去されることがある。
（５）硬度が要求されない部位の機械加工性が悪くなる。
【０００４】
ここで、下記特許文献１は、軸部材とそれに外嵌する外部材を組み合わせて焼結一体化することや、軸部材と外部材の相互嵌合面の一方に軸方向の凹状を設け、その凹状により嵌合面間に隙間を生じさせて熱処理時などに発生する歪みの影響を受け難くすることを開示している。
【０００５】
また、下記特許文献２は、基材と焼結高速度鋼からなる周面とを組み合わせ焼結して複合積層体の胴部を構成した圧延用ロールを開示している。
【０００６】
しかしながら、この特許文献１、２などが開示している従来の組み合わせ焼結法では、上記（１）〜（５）の問題を全て解決することはできない。
【０００７】
従来は焼結後の焼き入れを、油冷によって行っているため（２）の問題を解決できず、また、油冷では製品に生じる歪みが大きくなるため、（４）の問題も顕著に現れる。
【０００８】
なお、特許文献１は、歪みの影響を受け難くすることを述べているが、この特許文献１の方法は、組み合わせた部材間に凹状による隙間ができるため、その隙間の存在が許容されない部品や凹状の形成が困難な形状の複雑な部品には適用できない。
【特許文献１】特開平０５−１０５９１１号公報
【特許文献２】特開平０５−２４５５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は、上記（１）〜（５）の問題を全て解決できる複合焼結部品の製造方法とその方法によって製造された安価で性能の良い複合焼結部品を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、この発明においては、高速度鋼を構成する粉末で形成される部材Ａと、焼き入れ効果が得られない金属材料または焼き入れの度合いが高速度鋼よりも小さくなる金属材料で形成される部材Ｂを組み合わせて焼結一体化し、焼結後の組み合わせ部材をガス冷却して部材Ａの焼き入れを行う複合焼結部品の製造方法を提供する。
【００１１】
この方法は、焼結後の組み合わせ部材のガス冷却を、０．３℃／ｓｅｃ以上、３．５℃／ｓｅｃ以下、より好ましくは、０．３℃／ｓｅｃ以上、２．０℃／ｓｅｃ以下の速度で行うのがよい。
【００１２】
この発明は、上記の方法で製造され、部材Ａで形成された部位よりも部材Ｂで形成された部位が低硬度かつ複雑形状になっている複合焼結部品と、
上記の方法で製造され、部材Ａの焼結肌が残された表面の歪み量が、幅または直径の０．１％以下になっている複合焼結部品と、
上記の方法で製造され、部材Ａの機械加工された表面にビッカース硬さＨｖ６００以上の硬化層が残存している複合焼結部品も併せて提供する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の複合焼結部品は、高速度鋼を構成する部材Ａと、これとは種類の異なる部材Ｂを組み合わせているので、
・部材Ｂに安価な材料を使用して材料費を削減する。
・部品の形状の複雑な部分を加工し易い材質の部材Ｂで形成して製造を容易化する。
・部材Ａ、Ｂを密度差の小さい粉末成形体とするか、または、熱膨張差の小さい材質の組み合わせにして部材Ａ、Ｂの密度差や熱膨張差に起因した焼結時の歪みを小さくする。
・機械加工が必要とされる部位を部材Ａよりも加工し易い部材Ｂで形成して部品の加工性を向上させる。
と言ったことが可能になる。
【００１４】
また、この発明では、組み合わせ部材を焼結後にガスで冷却し、このガス冷却によって高速度鋼を構成する部材Ａを焼き入れするので、従来実施していた焼結後の硬化熱処理を省略することができ、生産性向上、コスト低減、硬化熱処理による歪みの発生の防止が図れる。
【００１５】
油冷では熱処理時の冷却速度が速すぎて部品の熱分布が不均一になり、各部の膨張、収縮量に差が生じて歪みが発生するが、ガス冷却ならばこの不具合を回避できる。
【００１６】
歪みが小さくなることにより焼結後の加工代が少なくなるため、部材Ａの表面の硬化層を機械加工後も確実に残存させることもできる。また、油を使う必要がなくなるため、扱い性も良くなる。
【００１７】
このほか、この発明の方法で得られる、部材Ａで形成された部位よりも部材Ｂで形成された部位が低硬度になっている複合焼結部品は、加工性を向上させることができる。良好な加工性により、複雑形状に成形したり、切削加工したりすることが容易になる。
【００１８】
また、部材Ａの焼結肌が残された表面の歪み量が幅または直径の０．１％以下になっている複合焼結部品は、部材Ａの機械加工による取り代を少なく、機械加工後も部材Ａの表面にビッカース硬さＨｖ６００以上の硬化層を残存させて部品の耐摩耗性を安定して確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１〜図４に示す複合焼結部品１は、いずれも高速度鋼を構成する粉末を圧縮成形した成形体を部材Ａ、部材Ａとは材質の異なる金属（焼結後のガス冷却で焼き入れされない金属や焼きが入りにくい金属）を使用したものを部材Ｂとしてこれらを組み合わせ、真空雰囲気の焼結炉で焼結一体化した後、冷却ゾーンに移してガス冷却を行い、そのときの冷却速度をコントロールして部材Ａの焼き入れを行う方法で製造される。
【００２１】
部材Ｂは、焼結材、溶製材のどちらであってもよい。焼結材としては、純鉄、低炭素鋼、鉄−ニッケル系合金などが、また、溶製材としては、板金、鋼管、機械加工した鋼材などがそれぞれ考えられる。
【００２２】
部材Ｂの部材Ａとの組み合わせは、部材Ｂが焼結材である場合には、部材Ａ用の粉末と部材Ｂ用の粉末を２層になるように組み合わせ、それらの層を同時圧縮成形する方法や、事前に圧縮成形した部材Ａの成形体（圧粉体）と部材Ｂの成形体を加熱中に組み合わせる方法などで行う。
【００２３】
また、部材Ｂが溶製材である場合には、部材Ａ用の粉末を部材Ｂの表面にまぶして重ね、この粉末を圧縮する方法や、部材Ａの成形体と部材Ｂを加熱中に組み合わせる方法などで行う。
【００２４】
このようにして組み合わせた部材を焼結炉に入れて焼結する。そして、焼結後の部材を冷却ゾーンに移し、ここでガス冷却を行って部材Ａを焼き入れする。このときの冷却速度を３．５℃／ｓｅｃ以下、より好ましくは、２．０℃／ｓｅｃ以下にすると、製品の熱分布のばらつきが抑制され、寸法精度の良い製品が得られる。なお、焼き入れの効果を十分に引き出すために冷却速度の下限は０．３℃／ｓｅｃとするのがよい。
【００２５】
また、そのガス冷却は、製品の酸化防止のために不活性ガスで行うのがよく、その不活性ガスには、若干の水素（好ましくは５％以下）を含ませてもよい。
【００２６】
この方法によれば、焼結後の熱処理を省略して、生産性向上や部品のコスト低減を図ることができる。
【００２７】
また、形状が複雑になる部位や機械加工箇所が多くなる部位を部材Ｂで形成して部品の製造を容易化すること、安価な材料からなる部材Ｂを部材Ａと組み合わせて高価な材料の使用料を減らすこと、焼結材の部材Ａと部材Ｂを別々に圧縮成形して組み合わせて部品の各部の密度差を小さくし、それによって焼結による歪みをさらに小さくすることが可能になる。
【００２８】
以下に実施例を挙げる。
高速度鋼用の粉末（重量比でＣ：０．７〜１．５％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：０〜１０％、Ｗ：１〜２０％、Ｖ：０．５〜６．０％、Ｃｏ：０〜１５％、残部Ｆｅと不可避不純物）を圧縮成形して外周にカム面を有する板状の部材Ａを得た。また、鉄基焼結合金（重量比でＣ：０．２〜０．４％、残部Ｆｅと不可避不純物）の粉末を圧縮成形してカムのボス部となす鍔付き円筒状の部材Ｂを得た。成形は、部材Ａ、Ｂとも、密度が９０％となるように行った。
【００２９】
この部材Ａ、Ｂを組み合わせて図５に示す複合部材（ボス付きカム２）となし、これを脱ガス処理後に真空焼結炉に入れて１１８０〜１２５０℃で１時間焼結した。
【００３０】
次いで、焼結後のガス冷却を行った。このガス冷却は、不活性ガスを用いて０．３０℃／ｓｅｃの速度で行った。
【００３１】
また、比較のために、焼結後に一旦冷却された部品（実施例と同一カム）を再加熱して油冷による焼き入れ（従来方法）を行った。
【００３２】
実施例の方法と従来方法で図５の複合構造のカムをそれぞれ焼き入れし、得られたボス付きカム２の焼結肌を残したカム面の歪み量（基準面からのうねり量を）をそれぞれ１５個ずつ測定した。歪み量は、図８のカム面の軸平行方向の最大寸法差とした。
【００３３】
その結果を図６に示す。図６の（ａ）は焼結後にガス冷却で部材Ａを焼き入れしたもの、図６の（ｂ）は再加熱品を油冷して焼き入れしたもののカム面の歪みのデータである。
【００３４】
図６からわかるように、この発明の方法で製造されたボス付きカムは、カム面の歪みが平均で０．０１８２ｍｍと小さく、歪みのばらつき範囲も小さい。カム面の歪みとその歪みのばらつき範囲は、従来法に比べて半分以下になっており、その分、カム面の仕上げ加工時の取り代が少なくなる。
【００３５】
図７は、表面硬化層のビッカース硬さと深さの関係を示している。従来法では、歪みの最大値が０．０８ｍｍ程度であるので、仕上げ加工時の取り代を少なくとも０．０８ｍｍに設定する必要がある。このために、機械加工後のカム面の硬度はＨｖ７００程度に低下する。これに対し、この発明の方法で製造されたカムは、仕上げ加工時の取り代を０．０４ｍｍ程度に減少させてＨｖ９００程度の硬度を確保することができる。その差はＨｖ２００ある。従って、より高硬度の表面硬化層を残して部品の耐摩耗性を高めることが可能になる。
【００３６】
また、ボス部のビッカース硬さはＨｖ４００程度で、容易に芯出し加工を実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の製造方法で製造する複合焼結部品の一例を示す断面図
【図２】複合焼結部品の他の例を示す断面図
【図３】複合焼結部品のさらに他の例を示す断面図
【図４】複合焼結部品のさらに他の例を示す斜視図
【図５】比較試験に用いた複合焼結部品であるボス付きカムの斜視図
【図６】歪みの比較データを示す図
【図７】表面硬化層のビッカース硬さと深さの関係を示す図
【図８】歪み量の測定法を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１    複合焼結部品
２    ボス付きカム
Ａ    高速度鋼の部位を形成する部材
Ｂ    他の部位を形成する部材
【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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