(57)【要約】【課題】鉄系焼結合金で形成される安価、高強度、高面圧疲労強度の焼結クラッチハブを、金型寿命の低下や製品の亀裂発生を招かないようにして、また、焼結後の寸法変化も抑えて製造できるようにすることを課題としている。【解決手段】原料粉末の組成が質量比でＣｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．３〜０．８％、Ｃ：０．４〜０．８％、残Ｆｅであり、密度が６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満であり、かつ各部の密度差が０．１５ｇ／ｃｍ３以下である成形体を焼結して焼結クラッチハブ１を構成するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結クラッチハブ用の成形体であって、原料粉末の組成が質量比でＣｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．３〜０．８％、Ｃ：０．４〜０．８％、残Ｆｅであり、密度が６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満であり、かつ各部の密度差が０．１５ｇ／ｃｍ３以下である焼結クラッチハブ用成形体。
【請求項２】
請求項１に記載の成形体を焼結して作られた焼結クラッチハブであって、ベイナイトまたはベイナイト中にマルテンサイトが分布した組織を有する焼結クラッチハブ。
【請求項３】
表面硬さ８５ＨＲＢ以上、引っ張り強度８００ＭＰａ以上、曲げ疲労強度２００ＭＰａ以上、面圧疲労強度０．８ＧＰａ以上の性能を有している請求項２に記載の焼結クラッチハブ。
【請求項４】
質量比でＣｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．３〜０．８％、Ｃ：０．４〜０．８％、残Ｆｅの組成の原料粉末で密度６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満の成形体を形成し、次いで、その成形体を非酸化性雰囲気中１２００〜１３００℃の温度で焼結してクラッチハブを得る焼結クラッチハブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主として自動車のマニュアルトランスミッションに使用されるクラッチハブ、特に、鉄系焼結合金によって形成される安価、高強度、高面圧疲労強度の焼結クラッチハブと、同クラッチハブ用の成形体（圧粉体）と、そのクラッチハブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度、高疲労強度の焼結部品の従来技術に、例えば、下記特許文献１、２に開示されたものがある。
【０００３】
特許文献１は、高い疲労強度を有する焼結体を得るための窒化処理方法を示したものであって、焼結体の材料として、重量比でＣ：０．２〜１．５％、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉより選ばれる少なくとも１種：０．５〜５％、残部Ｆｅの組成の鉄系合金を挙げている。その組成の合金粉末で成形体を作り（この成形体は、密度７．１ｇ／ｃｍ３のものが実施例に示されている）、この成形体を焼結し、次いで、得られた焼結体に、その焼結体を陰極としたグロー放電による窒化処理を施し、そのときの条件として窒素を含んだガス雰囲気のガス分圧を１５０Ｐａ以下にして表面に硬質の化合物層を生成する。
【０００４】
一方、特許文献２が開示している方法は、鉄系焼結合金で形成される高強度の焼結体を、焼結のままで製造するものであり、重量比でＣｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．０８％以下、残部Ｆｅの組成の鋼粉を成形した後に１１００〜１３００℃の温度で焼結し、焼結後に直ちに１０〜２００℃／ｍｉｎの速度で冷却する。この方法での成形体は、密度６．８ｇ／ｃｍ３と７．０ｇ／ｃｍ３が例示されている。
【特許文献１】特開２００３−３１３６４９公報
【特許文献２】特開平６−３４０９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法で製造される焼結体は、密度７．１ｇ／ｃｍ３の成形体を焼結するので粉末成形での成形圧が高くなり、成形の困難さが増すのに加えて成形用金型の寿命低下やそれに伴う成形コスト上昇の問題も起こる。
【０００６】
また、成形圧が高くなるため、製造する焼結体が、ボス部、リム部、外径歯部を有するクラッチハブの場合、形状が複雑なため、成形体の各部の密度を均一化するのが難しく、密度差が焼結時の亀裂発生の原因となる。
【０００７】
さらに、各部に大きな密度差が生じると焼結後の寸法変化量の差も大きくなり、サイジングでの寸法矯正が難しくなってクラッチハブの要求寸法精度が得られなくなる。
【０００８】
一方、特許文献２の方法で製造される焼結体は、例示された成形体の密度は６．８ｇ／ｃｍ３と７．０ｇ／ｃｍ３であるので、特許文献１の方法で製造される焼結体に比べると粉末の成形や成形体の密度の均一化が容易である。しかしながら、この焼結体は、Ｍｎ添加量の制御を必要とする。Ｍｎの量を０．０８％以下にすることで酸化物の生成量を抑えて強度低下を防止するとしているが、Ｍｎの量を０．１％以下にするためには、鉄粉を製造する過程で純度の高い原料を選択する必要があり、鉄粉の価格が高くなってコストアップにつながる。
【０００９】
また、特許文献２の方法では、焼結後に直ちに所定の速度で冷却（焼入れ）を行なって焼結体の強度を高めており、その焼入れを行なうために、冷却の速度が規定される。
【００１０】
この発明は、鉄系焼結合金で形成される安価、高強度、高面圧疲労強度の焼結クラッチハブを、金型寿命の低下や製品の亀裂発生を招かないようにして、また、焼結後の寸法変化も抑えて製造できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、この発明においては、焼結クラッチハブを、原料粉末の組成が質量比でＣｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．３〜０．８％、Ｃ：０．４〜０．８％、残Ｆｅであり、密度が６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満であり、かつ各部の密度差が０．１５ｇ／ｃｍ３以下である成形体で構成する。この発明は、そのクラッチハブ用成形体を提供する。
【００１２】
この成形体を焼結してこの発明の焼結クラッチハブを製造する。その製造は、上記組成の原料粉末で密度６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満の成形体を形成し、次いで、その成形体を非酸化性雰囲気中１２００〜１３００℃の温度で焼結する方法で行う。この発明は、かかる製造方法も提供する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のクラッチハブ用成形体は、その密度を６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満としたので、成形が困難になることがなく、各部の密度差も０．１５ｇ／ｃｍ３以下としたので、寸法精度を良くすることができる。
【００１４】
この成形体を、Ｃｒ：２〜４ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．３〜０．８ｍａｓｓ％、Ｃ：０．４〜０．８ｍａｓｓ％、残Ｆｅの組成の原料粉末で形成することと併せて密度を６．６ｇ／ｃｍ３以上とすることで、最終製品の焼結クラッチハブについて、焼入れなしでも高強度、高面圧疲労強度を得ることができる。また、その密度を７．０ｇ／ｃｍ３未満とすることで成形圧の増加を抑えて成形金型の寿命低下を防止することができ、クラッチハブ用成形体の各部の密度差を小さくして焼結工程での亀裂の発生を抑制することも可能になる。さらに、各部の密度差を０．１５ｇ／ｃｍ３以下にすることで焼結後の寸法変化量のばらつきを小さくしてサイジングによる寸法矯正を確実に行なうことも可能になる。
【００１５】
また、上記組成の原料粉末で形成された成形体の焼結を非酸化性雰囲気中１２００〜１３００℃の温度で行なうことでベイナイトまたはベイナイト中にマルテンサイトが分布した組織が得られ、焼入れ無しでも高強度、高面圧疲労強度が確保される。具体的には、焼入れ無しで、表面硬さ８５ＨＲＢ以上、引っ張り強度８００ＭＰａ以上、曲げ疲労強度２００ＭＰａ以上、面圧疲労強度０．８ＧＰａ以上の性能が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。図１〜図３に、焼結クラッチハブの一例を示す。例示の焼結クラッチハブ１は、自動車のマニュアルトランスミッション用であって、ボス部２と、リム部３と、外径歯部４を有している。ボス部２には軸穴５が設けられ、また、外径歯部４には周方向に定ピッチでキー溝６が設けられる。
【００１７】
この焼結クラッチハブ１は、質量比でＣｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．３〜０．８％、Ｃ：０．４〜０．８％、残Ｆｅの組成の原料粉末を金型で圧縮成形して成形体を作り、その成形体を焼結した後、サイジングによる焼結体の寸法矯正を行なって製造される。
【００１８】
材料の鉄系合金は、窒化物形成元素のＣｒ、固溶強化、析出強化に有効なＭｏ、鉄系材料の強化に最も有効なＣの含有量がそれぞれ２ｍａｓｓ％未満、０．３ｍａｓｓ％未満、０．４ｍａｓｓ％未満であると、高強度、高面圧疲労強度確保の目的が達成されず、一方、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃの含有量がそれぞれ４ｍａｓｓ％、０．８ｍａｓｓ％、０．８ｍａｓｓ％を上回ると粉末の圧縮性低下や硬質物の析出量過剰による強度低下などの問題が起こる。従って、これらの成分は、含有量を上記の範囲に制限する。
【００１９】
成形体は、最終製品と同一形状に成形される。その成形は、成形体の密度が６．６ｇ／ｃｍ３以上、７．０ｇ／ｃｍ３未満となるように成形圧を制御してなされる。また、ボス部２、リム部３、外径歯部４は分割パンチで個別に成形され、各分割パンチによる圧縮代を調整することで各部、すなわち、ボス部２、リム部３、外径歯部４の密度差が０．１５ｇ／ｃｍ３以下に制御される。
【００２０】
成形体の密度が６．６ｇ／ｃｍ３未満では、上記組成の材料を用いても強度確保が難しくなる。また、成形体の密度が７．０ｇ／ｃｍ３を超えると高い成形圧が必要になって成形が困難になり、金型の寿命の低下の抑制、焼結時の亀裂発生の抑制、焼結後の寸法変化の抑制の目的が十分に達成されない。
【００２１】
このようにして得た成形体を焼結炉に導入して焼結する。その焼結は、非酸化性雰囲気中１２００〜１３００℃の温度条件下で実施し、焼結後の組織をベイナイトまたはベイナイト中にマルテンサイトが分布したものになす。フェライトやパーライトを含まない上記の組織にすることで高強度を得る。なお、必要があれば、１５０〜３００℃の温度で戻し処理を行なう。
【００２２】
焼結を行なう非酸化性雰囲気は、例えば、Ｎ２ガス雰囲気があるが、真空雰囲気も非酸化性雰囲気として利用することができる。焼結温度は、不必要な加熱によるコスト増を抑えながら焼結を十分に進行させるために１２００〜１３００℃とする。焼結時間は、１０〜６０分もあれば十分である。
【００２３】
上記の条件で製造した焼結クラッチハブは、焼入れ無しで、表面硬さ８５ＨＲＢ以上、引っ張り強度８００ＭＰａ以上、曲げ疲労強度２００ＭＰａ以上、面圧疲労強度０．８ＧＰａ以上の性能が得られる。ここでの面圧疲労強度は２円筒試験機で測定される値である。
【００２４】
高負荷で使用されるクラッチハブは、表面硬さが８５ＨＲＢ未満であると相手部品との摺動による摩耗が進行して耐久性の要求基準を満たせない。また、クラッチハブについては、使用に伴って外径歯部の歯面と歯底コーナ部及び外径歯部に形成されるキー溝部に引っ張り応力が繰り返し作用する。クラッチハブが高負荷で使用される場合、その応力に耐えるために引っ張り強度は８００ＭＰａ以上、曲げ疲労強度は２００ＭＰａ以上であることが望まれ、また、相手部品と摺動する面にも０．８ＧＰａを超える高い面圧疲労強度が望まれ、それらの要求が共に満たされる。
【００２５】
−実施例１−
以下に、実施例を挙げる。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末と黒鉛粉末を表１の実施例１〜６に示す割合で混合した原料粉末を準備した。
また、比較のために、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末と黒鉛粉末を表１の比較例１〜６に示す割合で混合した原料粉末と、Ｆｅ−０．５ｍａｓｓ％Ｍｏ−４ｍａｓｓ％Ｎｉ−１．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．５ｍａｓｓ％Ｃ部分拡散合金粉末に０．５ｍａｓｓ％の黒鉛粉末を混合した原料粉末も準備した。
【００２６】
そして、上記の各原料粉末を用いて所定の圧力で性能評価用テストピースの成形体を作製した。その成形体の密度を表１に併せて示す。成形体の密度は、実施例については、焼結後のテストピースの密度（焼結体密度）がいずれも６．７ｇ／ｃｍ３を上回るように調整した。
【００２７】
次に、試作した各成形体（比較例４を除く）を、温度１２５０℃の窒素雰囲気中で４５分間保持して焼結した。比較例４については焼結温度を１１５０℃とし、雰囲気と焼結時間は他の試料と同じにした。
【００２８】
以上の条件で作製したテストピース（表１に示す焼結体密度を有する）を使用して、焼結体の硬さと強度特性（ロックウェル硬さ、引っ張り強度、曲げ疲労強度、面圧疲労強度）を評価した。ロックウェル硬さはＪＩＳ  Ｚ  ２２４５に準拠した方法で測定し、また、引っ張り強度はＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠した方法で、曲げ疲労強度はＪＩＳ  Ｚ２２７４に準拠した方法で、面圧疲労強度は、島津製作所社製２円筒試験機でそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１のデータからわかるように、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃのいずれかの成分が規定値に満たない比較例２，３，５及び焼結温度が１２００℃未満の比較例４は、硬さや強度特性に関して、ユーザが要望する数値（表面硬さ８５ＨＲＢ以上、引っ張り強度８００ＭＰａ以上、曲げ疲労強度２００ＭＰａ以上、面圧疲労強度０．８ＧＰａ以上）のすべてを満足する性能が得られていない。なお、比較例６は、その要求性能を満たしているが、これはＮｉとＣｕを含有しており、コストが高くつく。
【００３１】
−実施例２−
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末と黒鉛粉末を表２に示す割合で混合した原料粉末を準備し、その原料粉末を金型で成形して図１〜図３に示した形状の焼結クラッチハブ用成形体を作成し、さらに、その成形体を温度１２５０℃の窒素雰囲気中で４５分間保持して焼結した。その後、得られた焼結クラッチハブを同一条件でサイジングし、その後に、各クラッチハブの外径真円度を測定して外径精度を評価した。その結果と、焼結前の成形体について調べたボス部、リム部、外径歯部の密度差（分割密度差）も表２に示す。表２における外径真円度は、外径歯部（基準外径φ９０ｍｍ）の外径の最大値と最小値の差の測定値で表している。また、焼結体密度は外径歯部の密度を測定した。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
この表２の結果から、成形体の分割密度差が本願の規定値を満たしていないものは、製品の外径真円度（外径精度）が悪くなる。この外径真円度がサイジングによる寸法矯正代をオーバーすると、サイジング自体が不可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明のクラッチハブの一例を示す斜視図
【図２】図１のクラッチハブの平面図
【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿った断面図
【符号の説明】
【００３５】
１          焼結クラッチハブ
２          ボス部
３          リム部
４          外径歯部
５          軸穴
６          キー溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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