| 【発明の名称】 |
焼結品およびその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】清水 輝夫
【住所又は居所】新潟県新潟市小金町３丁目１番１号 三菱マテリアル株式会社新潟製作所内
【氏名】丸山 恒夫
【住所又は居所】新潟県新潟市小金町３丁目１番１号 三菱マテリアル株式会社新潟製作所内
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| 【要約】 |
【課題】空孔を少なくでき、しかも細部まで原料粉末を行き渡らせることができる焼結品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】原料粉末の圧粉体を焼結した焼結品10において、焼結された前記原料粉末は直径が径大な粗粉21と直径が径小な微粉22を備える。微粉21の直径ｄに対する粗粉20の直径Ｄの比を２．４以上６．５以下に形成する。微粉22に対する粗粉21の容積比を２．５以上１５以下にする。４方向或いは３方向に配置された粗粉21の中心に微粉21を配置することができる。粗粉21に対して微粉22を密に配置して空孔を少なくすることができ、なだらかなラインに形成することができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 原料粉末の成形体を焼結した焼結品において、焼結される前記粉末は直径が径大な粗粉と直径が径小な微粉を備え、前記微粉の直径に対する前記粗粉の直径の比を２．４以上６．５以下に形成したことを特徴とする焼結品。
【請求項２】 前記微粉に対して前記粗粉の容積比を２．５以上１５以下にしたことを特徴とする請求項１記載の焼結品。
【請求項３】 原料粉末を粉末成形用金型で圧縮して圧粉体を成形する粉末成形工程と、前記圧粉体を加熱して焼結する焼結工程とを備え、前記粉末成形工程において、前記原料粉末は直径が径大な粗粉と直径が径小な微粉を備え、前記微粉の直径に対する前記粗粉の直径の比を２．５以上１５以下に形成したことを特徴とする焼結の製造方法。
【請求項４】 前記微粉に対して前記粗粉の容積比を６．２以上７２以下にしたことを特徴とする請求項３記載の焼結品の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、焼結品およびその製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】粉末冶金においては、例えば、金属を主成分とする原料粉末を粉末成形プレスで圧縮して圧粉体である成形体を成形し（粉末成形工程）た後、この成形体を焼結炉で加熱して焼結する（焼結工程）ことが行われる。このような工程で凹凸のある焼結品、例えば歯車を製作する際において、図６（Ａ）に示すように原料粉末１が焼結されて結合する。しかしながら、このような歯車の製作においては、その歯車が小さいときには、結合した原料粉末間の空孔２が相対的に大きくなり、成形時の圧縮性の低下に伴う強度の低下、或いは粉末成形プレスの金型に原料粉末を充填するとき、細部、すなわち歯先まで原料粉末が充分行き渡らず成形不良の虞がある。
【０００３】そこで、本発明は、前記問題を解決して空孔を少なくでき、しかも細部まで原料粉末を行き渡らせることができる焼結品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、原料粉末の成形体を焼結した焼結品において、焼結される前記原料粉末は直径が径大な粗粉と直径が径小な微粉を備え、前記微粉の直径に対する前記粗粉の直径の比を２．４以上６．５以下に形成したことを特徴とする焼結品である。
【０００５】この請求項１の構成によれば、粗粉間の中心に微粉を配置することができる。
【０００６】請求項２の発明は、前記微粉に対して前記粗粉の容積比を２．５以上１５以下にしたことを特徴とする請求項１記載の焼結品である。
【０００７】この請求項２の構成によれば、焼結品において粗粉間の中心に微粉を効率よく配置することができる。
【０００８】請求項３の発明は、原料粉末を粉末成形用金型で圧縮して圧粉体を成形する粉末成形工程と、前記圧粉体を加熱して焼結する焼結工程とを備え、前記粉末成形工程において、前記粉末は直径が径大な粗粉と直径が径小な微粉を備え、前記微粉の直径に対する前記粗粉の直径の比を２．４以上６．５以下に形成したことを特徴とする焼結品の製造方法である。
【０００９】この請求項３の構成によれば、圧粉体において粗粉間の中心に微粉を配置することができる。
【００１０】請求項４の発明は、前記微粉に対して前記粗粉の容積比を２．５以上１５以下にしたことを特徴とする請求項３記載の焼結品の製造方法である。
【００１１】この請求項４の構成によれば、粗粉間の中心に微粉を効率よく配置することができる。
【００１２】
【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態を添付図を参照して説明する。凹凸を有する微小な焼結体10は例えばモジュールが０．１５以下となる図１に示すような歯車であり、その軸心には通孔10Ａを有しており、この焼結体10の材料は鉄系である。
【００１３】つぎに、図２に基づいて前記焼結体10となる圧粉体10´を成形するための粉末成形用金型の構成を説明する。図中11は粉末成形用金型たるダイ、12はコアロッド、13は下パンチ、14は上パンチであり、前記ダイ11は上下に貫通する通孔15を有しており、この通孔15の周面により圧粉体10´の外周面を形成する。また、前記コアロッド12は円柱状になっていて前記ダイ11の通孔15内に同軸的に位置しており、圧粉体10´の内周面を形成するものである。また、前記下パンチ13は円筒状になっていて前記ダイ11とコアロッド12との間に下側から上下摺動自在に嵌合されている。前記下パンチ13はその上端面により圧粉体10´の下端面を形成するものである。また、前記上パンチ14は円筒状になっていて前記ダイ11とコアロッド12との間に上側から上下摺動自在かつ挿脱自在に嵌合される。前記上パンチ14はその下端面により圧粉体10´の上端面を形成するものである。
【００１４】次に前記金型を用いた粉末成形について説明する。原料粉末は、図３,４に示すように放射状に配置された４個または３個の粗粉20，20´の中心に微粉21，21´が配置されるように組み合わせたものである。尚、粗粉と微粉は粗粒と微粒とも表すことがある。図３に示す原料粉末の配置では、四方に配置された直径が径大な粗粉20の中心に、直径が径小な微粉21を配置するように圧粉体10´を成形したものである。この図３に示した粗粉20と微粉21の配置では、粗粉20の直径をＤとしたとき、微粉21の直径ｄは、ｄ＝Ｄ（√２−１）＝０.４１４Ｄとして表される。これは、図３において４方の粗粉20による大きな同じ円が隙間なく接し、その中心に微粉21による小さな円が接している状態で、△ＡＢＣは、辺ＡＢ＝辺ＢＣとなる直角２等辺三角形となり、その場合辺ＡＣ＝√２ＡＢとなり、よってＤ／２＋ｄ／２＝√２×Ｄ／２となる。これによりｄ＝Ｄ（√２−１）＝０.４１４Ｄとなる。すなわち、粗粉20の直径Ｄを微粉21の直径ｄの２．４１倍とすることで、４個の粗粉１の中心に微粉21が配置されることとなる。さらに図４に示すように３方向に配置された直径が径大な粗粉20´の中心に、直径が径小な微粉21´を配置する場合には、粗粉20´の直径をＤ´としたとき、微粉21´の直径ｄ´は、ｄ´＝Ｄ´（２／√３−１）＝０.１５５Ｄ´として表される。これは、図４において３方の粗粉20´による大きな同じ円が隙間なく接し、その中心に微粉21´による小さな円が接している状態で、△ＡＢＣは、正三角形となり、角ＡＣＤは６０度となる。また∠ＡＣＤ＝２∠ＥＣＤであるから、∠ＥＣＤ＝３０度となり、よってＣＤ：ＣＥ＝√３：２、√３ＣＥ＝２ＣＤとなり、√３（Ｄ´／２＋ｄ´／２）＝２×Ｄ´／２となる。よってｄ´＝（２／３×√３−１）Ｄ´＝０.１５５Ｄ´となる。すなわち、粗粉20´の直径Ｄ´を微粉21´の直径ｄ´の６．４５倍とすることで、３個の粗粉20´の中心に微粉21´が配置されることとなる。これにより、複数の粗粉20の中心に微粉21を配置するには、前記微粉21の直径ｄに対する前記粗粉20の直径Ｄの比を２．４以上に形成すればよく、かつ複数の粗粉20´の中心に微粉21´を配置するには、前記微粉21´の直径ｄ´に対する前記粗粉20´の直径Ｄ´の比を６．５以下に形成すればよい。
【００１５】また、粗粉20と微粉21（或いは粗粉20´と微粉21´）の容積比は平均粒度（平均直径ｄ）の微粉21の容積ｖに対して、平均粒度（平均直径Ｄ）の粗粉20の容積Ｖは、２．５以上１５以下とする（Ｖ＝２．５〜１５×ｖ）。これは、３次元における最稠密な空隙比は０．２６となることから、Ｖ／ｖ＝（１−０．２６）／０．２６＝２．８５となり、図５のような粒度のばらつきを考慮して現実的に２．５以上がよい。また製造上図３の場合、粗粉20の中心の空間に微粉21が収容され得るものであるが、さらに微粉21を中心により小さい微粉21が収容され得るものであるので、Ｖ／ｖ＝（１−（０．２６）2／（０．２６）2）＝１３．７となる。そして、図５のような粒度の多少のばらつきを考慮して現実的には１５以上がよい。
【００１６】前記３次元における最稠密な空隙比が０．２６となる根拠を、横軸を積み重ね方法とし縦軸を空隙率とした図９を参照して以下に説明する。■．図３に示すように水平面上に４個の球を、中心を結ぶと正方形になるように互いに相接触させ、各球の真上にまた４個の球を接して積み重ね、これを３次元に広げるような積み重ね方をすると全空隙は４７％となる。■．■の積み重ねにおいて２球の接触点の真上に１つの球をこれに接して積み重ね、これを３次元に広げるような場合は、全空隙は４１％となる。■３球を互いに接触させ、次にこれら３球のいずれにも接するように１つの球を積み重ね、これを３次元に広げるようにすると全空隙は２６％なる。■．■の積み重ねにおいて４球に接するように積み重ね、これを３次元に広げると全空隙はまた２６％なる。そして、これら４通り以外に系統だった積み重ね方がないから空隙２６％は同一大の球をもっとも最稠密な充填で得られる最小値となる。
【００１７】尚、粗粉20は１種類の原料粉末に限定する必要はなく、粒度が略同じ数種類のものによって形成してもよく、また微粉21も１種類の原料粉末に限定する必要はなく、粒度が略同じ数種類のものによって形成してもよい。また、粗粉20と微粉21も同じ元素のものでもよく、また異なる元素同士でもよい。
【００１８】次に圧粉体20´の成形時には、まず上パンチ14がダイ11およびコアロッド12間から上方へ抜けた状態で、ダイ11上にフィーダ16が前進し、このフィーダ16からダイ11内に所定の直径Ｄ,ｄを形成するとともに、所定の容積の比を有する粗粉20と微粉21からなる原料粉末が充填される。つぎに、フィーダ16が後退した後、下降する上パンチ14がダイ11およびコアロッド12間に嵌合し、上パンチ14がダイ11内の原料粉末を加圧し始める。加圧完了後に圧粉体20´がダイ11から抜き出される。そして、成形された圧粉体20´は、その後焼結炉で加熱されて焼結され、焼結体20となる。
【００１９】このように、前記実施形態では、粗粉20の間に微粉21が配置されて結合しているので、図６（Ｂ）に示すように空孔２´も減少し、組織が高密度となって従来の焼結品と本発明に係る焼結品を比較すると、■密度（ｇ／ｃｍ3）が、６．８から７．２５に６．７％向上し、■引張強度（ＭＰａ）が、７００から１２９０に８４％向上し、■伸び（％）が０．７から０．９に２９％向上し、■衝撃値（Ｊ／ｃｍ3）が６から２１に３．５倍となり、■硬さ（ＨＲＡ）が６５から７２に１１％向上した。
【００２０】以上のように、前記実施形態においては原料粉末の圧粉体20´を焼結した焼結品20において、焼結された前記原料粉末は直径が径大な粗粉21と直径が径小な微粉22を備え、前記微粉21の直径ｄに対する前記粗粉20の直径Ｄの比を２．４以上６．５以下に形成したことにより、４方向或いは３方向に配置された粗粉21の中心に微粉21を配置することができ、粗粉21に対して微粉22を密に配置して空孔２´を少なくすることができるとともに、歯車の歯部の形状もながらかなラインに形成することができる。
【００２１】また、前記微粉22に対する前記粗粉21の容積比を２．５以上１５以下にしたことにより、微粉22が不足したり或いは余ったりするようなことはなく、精密な形状を形成することができる。
【００２２】さらに、原料粉末をダイ11、コアロッド12、下パンチ13、上パンチ14などの粉末成形用金型で圧縮して圧粉体20´を成形する粉末成形工程と、前記圧粉体20´を焼結炉で加熱して焼結する焼結工程とを備え、前記粉末成形工程において、前記微粉21の直径ｄに対する前記粗粉20の直径Ｄの比を２．４以上６．５以下に形成したことにより、４方向或いは３方向に配置された粗粉21の中心に微粉21を配置することができ、圧粉体20´における圧縮性を向上して、粒度分布を密に形成することができる。
【００２３】しかも、前記微粉22に対する前記粗粉21の容積比を２．５以上１５以下にしたことにより、圧粉体20´において微粉22が不足したり或いは余ったりするようなことはなく、精密な形状を形成することができる。
【００２４】尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、図７に示すように直径がＤ,ｄの粗粉と微粉との組合せの他に、微粉より小さい直径δ（ｄ＝（２．４〜６．５×δ）を有する超微粉をさらに組み合わせるようにした３分布の他に、４以上の分布を行なってもよい。また、焼結体としては、歯車の他に図８に示すような微細なスリットや切り欠きを備えた焼結体32やセレーションなどに利用してもよい。
【００２５】
【発明の効果】請求項１の発明は、原料粉末の成形体を焼結した焼結品において、焼結される前記粉末は直径が径大な粗粉と直径が径小な微粉を備え、前記微粉の直径に対する前記粗粉の直径の比を２．４以上６．５以下に形成したことを特徴とする焼結品であり、焼結品において空孔を少なくでき、しかも細部まで原料粉末を行き渡らせることができる焼結品を提供することができる。
【００２６】請求項２の発明は、前記微粉に対して前記粗粉の容積比を２．５以上１５以下にしたことを特徴とする請求項１記載の焼結品であり、細部まで微粉を効率よく行き渡らせることができる。
【００２７】請求項３の発明は、原料粉末を粉末成形用金型で圧縮して圧粉体を成形する粉末成形工程と、前記圧粉体を加熱して焼結する焼結工程とを備え、前記粉末成形工程において、前記粉末は直径が径大な粗粉と直径が径小な微粉を備え、前記微粉の直径に対する前記粗粉の直径の比を２．４以上６．５以下に形成したことを特徴とする焼結品の製造方法であり、圧粉体、ひいては焼結品の空孔を少なくでき、しかも細部まで原料粉末を行き渡らせることができる焼結品を提供することができる。
【００２８】請求項４の発明は、前記微粉に対して前記粗粉の容積比を２．５以上１５以下にしたことを特徴とする請求項３記載の焼結品の製造方法であり、細部まで微粉を効率よく行き渡らせることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２６４
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
【住所又は居所】東京都千代田区大手町１丁目５番１号
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| 【出願日】 |
平成１４年４月１７日（２００２．４．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８００８９
【弁理士】
【氏名又は名称】牛木 護
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| 【公開番号】 |
特開２００３−３０６７０５（Ｐ２００３−３０６７０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年１０月３１日（２００３．１０．３１） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−１１５４１６（Ｐ２００２−１１５４１６） |
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