JP6065105B2 - 焼結機械部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、本体の一面より突出するピンを有する焼結機械部品及びその製造方法に関し、特に、ピンに作用する負荷による折損が抑制された焼結機械部品及びその製造方法に関する。

粉末冶金法は、金属粉末等からなる原料粉末を所定の形状及び寸法に固め、これを溶融しない温度で加熱することによって粉末粒子を強固に結合させて金属製品を製造する技術であり、少ない工程でニアネットシェイプに造形することができ、且つ、大量生産に向く等の特徴から、自動車用機械部品や各種産業用機械部品への適用が進んでいる。

粉末冶金法による焼結部品は、一般に、原料粉末を圧縮成形した際の粉末粒子間の空隙が、焼結後に気孔として残留するので、溶製材に比べて強度が低くなるという欠点がある。このため、本体から突出するピンを有するような機械部品を粉末冶金法によって製造すると、ピンに高い荷重が作用してピンの根本に応力が集中した場合に、その強度の低さによってピンが根元から折損する。例えば、自動二輪車の変速機構を構成するギヤチェンジ用カム部品は、図１に示すような機械部品１であり、６本のピン２が略六芒星形状の本体３の一面に突出する形状を有しており、ギヤチェンジの際に６本のピン２に高い荷重を受ける。

このようなピンに高い荷重が作用する機械部品の製造に粉末冶金法を適用しつつピンの折損を防止するには、溶製鋼で製造されたピン２を焼結体からなる本体３に圧入して機械部品１を構成する。つまり、図１のような機械部品１は、各ピン２を溶製鋼で構成する工程と、焼結体からなる本体３を形成する工程と、本体３の孔部４にピン２を圧入する工程とによって製造される。
上記のような機械部品の製造においては、溶製鋼で製造されるピンを別途用意する必要があり、しかも、焼結体からなる本体へピンを圧入する工程が追加されるので、手間がかかり、コストが高くなる。つまり、少ない工程でニアネットシェイプに造形可能で大量生産に向くという粉末冶金法の利点が損なわれる。

一方、溶製鋼を用いずに焼結体で図１のような機械部品を製造する事例として、原料粉末を通常の方法で成形及び焼結した焼結体を高温に加熱して、熱間で鍛造（いわゆる焼結鍛造）することによって塑性流動によりピンを形成することが知られている（下記非特許文献１参照）。

日本粉末冶金工業会編著「焼結機械部品−その設計と製造−」１９８８年１０月２０日発行、２４３頁

このような焼結鍛造によるメタルフロー（塑性流動）によってピンを形成する成形方法においては、ピン全体の密度比を溶製鋼と同等まで高められるので、ピン部の根元からの折損は防止される。
しかし、このような方法では、鍛造素材となる焼結体を加熱する設備及び金型を加熱する設備が必要となり、焼結体及び金型の加熱経費がかかる。しかも、熱間鍛造に供する金型は高価で寿命も短いので、その分製造コストを上げる要因となる。

以上のように、本体から突出するピンに高い荷重が作用するような機械部品において、ピンを含めた機械部品全体が焼結体で構成されて、ピンの折損が抑制された焼結機械部品が望まれている。又、そのような焼結機械部品を、焼結体及び金型を加熱することなく低コストで得ることができる製造方法が望まれている。
本発明の目的は、上記課題を解決し、本体から突出するピンを有し、全体が焼結体で構成されながらピンの折損が抑制された焼結機械部品、及び、そのような焼結機械部品を高価な設備を使用せずに安価に提供可能な製造方法を実現することである。

上記課題を解決するために、本発明者らが検討を行ったところ、ピンが本体から突出して高い荷重がピンに作用するような機械部品において、ピン全体を高密度に形成しなくても、ピンの特定の部位のみに局所的に高密化を施して高い密度にすればピンの折損が抑制できることを見出した。

本発明の一形態によれば、焼結機械部品は、焼結合金で構成され、平らな作用面を有する実質的に平板状の本体と、前記本体と一体に形成されて前記作用面から突出するピンとを有する焼結機械部品であって、前記ピンは、前記ピンの側面が根元付近で滑らかに湾曲して前記本体の作用面と連続するように、根元において拡大する軸性形状を有し、前記焼結機械部品を構成する焼結合金は、密度比が８０〜９６％の焼結材マトリクスと、密度比が９６％以上で前記焼結材マトリクスより高密度比である高密化層とを有する金属組織構造を有し、前記高密化層は、前記ピンに加えられる曲げ荷重から生じる応力が最大になる応力最大位置において深さが０．５ｍｍ以上になるように前記ピンの側面の前記応力最大位置を含む領域に局所的に設けられることを要旨とする。

前記ピンは、前記作用面から垂直に突出し、柱状のピン主部と、前記ピン主部と前記本体との間に位置して前記ピン主部の側面と前記作用面とを連続にするように凹状に湾曲した側面を有するフレア基部とを有するように構成するとよく、前記応力最大位置は前記フレア基部の側面にあり、前記高密化層が形成される領域は、前記フレア基部の側面の少なくとも一部を含む。前記高密化層を除く全部分が前記焼結材マトリクスで構成され、前記高密化層の最表面の密度比は９７％以上であると好ましく、前記フレア基部は、前記ピンの軸方向断面において前記側面が曲線を示す曲線回転体の形状を有する。
前記フレア基部は、前記ピンの軸方向断面において側面が円弧又は楕円弧を示す円弧回転体又は楕円弧回転体の形状を有するように構成したり、或いは、前記フレア基部は、前記ピンの軸方向断面において側面が直線を示す円錐台部を部分的に含み、前記フレア基部の側面は、前記ピンの軸方向断面において部分的に直線部を含む曲線を示すように構成することができる。前記ピンの軸方向断面において前記円錐台部の側面が示す直線とピンの軸方向との角度が４５°以下であると好ましい。
前記本体は、前記作用面の反対側に、前記ピンに対応する位置に凹部が形成された背面を有すると均一な焼結体の形成に有効であり、前記凹部の深さは、前記本体の厚さの１０〜７０％であるとよい。

又、本発明の一形態によれば、焼結機械部品の製造方法は、作用面を有する本体と、前記本体と根元で一体に形成されて前記作用面から突出するピンとを有し、前記ピンは、根元において拡大する軸性形状を有して、前記ピンの側面が根元付近で滑らかに湾曲して前記本体の作用面と連続になるような形状として、焼結機械部品のネットシェイプを規定し、前記ネットシェイプにおいて前記ピンに加えられる曲げ荷重から生じる応力が最も高くなる応力最大位置を含む領域に余肉が加えられて前記ピンの側面が局所的に前記ネットシェイプより膨出する形状を有し、密度比が８０〜９６％の焼結合金で構成される焼結体を用意し、前記焼結体の余肉を冷間で再圧縮して前記ネットシェイプに成形して、前記焼結体より高密度比で密度比が９６％以上の高密化層を、前記応力最大位置において深さが０．５ｍｍ以上になるように前記ピンの側面の前記応力最大位置を含む領域に局所的に形成することを有することを要旨とする。

前記余肉の再圧縮は、５０〜１２００ＭＰａの圧力で行うとよい。前記本体は、前記作用面が平らである実質的な平板状であり、前記焼結体は、前記作用面の反対側において、前記ピンに対応する位置に凹部が形成された背面を有すると、均一成形に有利である。前記凹部の深さは、前記本体の厚さの１０〜７０％であるとよい。

本発明の構成によれば、本体から突出するピンに高い荷重が作用するような機械部品において、ピンを含めた機械部品全体を焼結材で構成しつつ、応力の集中する部位のみに高密化を施してピンの折損を抑制することができ、しかも、安価に機械部品を供給できる。又、本発明の製造方法においては、余肉を冷間で再圧縮する塑性加工によって高密化するので、焼結体や金型を加熱する設備が不要であり、製造コストの大幅な削減を実現できる。

自動二輪車の変速機構におけるギヤチェンジ用部品として用いられる従来の焼結機械部品の一例を示す模式図であり、（ａ）は、ピンが突出する平面を上側に配置した焼結機械部品の上面図、（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は、斜視図である。 自動二輪車の変速機構におけるギヤチェンジ用部品として用いられる本発明の焼結機械部品の一例を示す模式図であり、（ａ）は、ピンが突出する平面を上側に配置した焼結機械部品の上面図、（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は、斜視図である。 図２の焼結機械部品においてピンのフレア基部の側面が、軸方向断面において円弧を示す一例を示し、（ａ），（ｂ）は、図２（ｂ）の部分Ｃを拡大した模式図であり、（ｃ）は、ピン側面における本体からの距離ｘと応力σxとの関係を図３（ｂ）に対応させて示す応力分布のグラフである。 図２の焼結機械部品においてピンのフレア基部の側面が、軸方向断面において円弧を示す他の例を示し、（ａ），（ｂ）は、図２（ｂ）の部分Ｃを拡大した模式図であり、（ｃ）は、ピン側面における本体からの距離ｘと応力σxとの関係を図４（ｂ）に対応させて示す応力分布のグラフである。 図２の焼結機械部品においてピンのフレア基部の側面が、軸方向断面において楕円弧を示す一例を示し、（ａ），（ｂ）は、図２（ｂ）の部分Ｃを拡大した模式図であり、（ｃ）は、ピン側面における本体からの距離ｘと応力σxとの関係を図５（ｂ）に対応させて示す応力分布のグラフである。 図２の焼結機械部品においてピンのフレア基部の側面が、軸方向断面において楕円弧を示す他の例を示し、（ａ），（ｂ）は、図２（ｂ）の部分Ｃを拡大した模式図であり、（ｃ）は、ピン側面における本体からの距離ｘと応力σxとの関係を図６（ｂ）に対応させて示す応力分布のグラフである。 図２の焼結機械部品においてピンのフレア基部の側面が、軸方向断面において楕円弧を示す更に他の例を示し、（ａ），（ｂ）は、図２（ｂ）の部分Ｃを拡大した模式図であり、（ｃ）は、ピン側面における本体からの距離ｘと応力σxとの関係を図７（ｂ）に対応させて示す応力分布のグラフである。 図２の焼結機械部品においてピンのフレア基部の側面が、軸方向断面において一部に直線を含む曲線を示す一例を示し、（ａ），（ｂ）は、図２（ｂ）の部分Ｃを拡大した模式図であり、（ｃ）は、ピン側面における本体からの距離ｘと応力σxとの関係を図８（ｂ）に対応させて示す応力分布のグラフである。 （ａ）は、焼結体素材の形状例を示す模式図、（ｂ）は、図９（ａ）における部分Ｄの拡大図である。 （ａ）は、焼結体素材の再圧縮を行う金型装置の構成の一例を示す模式図、（ｂ）は、図１０（ａ）における部分Ｅの拡大図である。 （ａ），（ｂ）は、焼結体素材の再圧縮状態を説明する模式図である。

（発明の工夫点）
柱状のピンが平らな作用面から垂直に突出する機械部品において、ピンに荷重が加わると、ピンにかかる荷重による曲げモーメントは、ピンの根元で最大となると共に、曲げモーメントは、曲げ方向と反対側のピン側面において引っ張り応力として作用する。その結果、引っ張り応力は、ピン側面と作用面とが不連続なピン根元の角部に集中的に作用して、根元の表面から破壊が進行する。
そこで、本発明では、第１に、根元で拡大する軸性の形状にピンを形成して、径が一定である柱状のピン主部と、ピン主部側から本体側へ向かって径が拡大するフレア基部とを有するようにピンを構成する。このように基部を拡大させることによって、ピンの根元の体積が増加して、その分ピンの根元の強度が増加する。更に、このフレア基部は、ピンの側面と本体の作用面とが滑らかに連続するように、朝顔様に拡張する形状に形成する。これにより、フレア基部及びその周辺の領域（つまり、フレア基部に隣接する本体の境界域、及び、フレア基部に隣接するピン主部の境界域を含む）内において応力が分散して作用するので、ピンの根元での応力集中を防止する上で有効に作用する。

引っ張り応力は、フレア基部及びその周辺の領域の表面において高くなる。そこで、本発明では、第２に、上述のようにフレア基部を設けた上で、曲げ荷重による応力が高くなる領域について表面を高密化して、密度の高い高密化層を設けることで、材料組成及び形状により定まる焼結体の強度に比べて高い強度を付与する。これにより、引っ張り応力による破壊の進行に抗し得る。このように高密化層を有するようにフレア基部を構成すると、フレア基部での破壊を回避できる。

上記知見に基づき、本発明の焼結機械部品は、具体的には、密度比８０〜９６％の本体と、本体の平らな作用面に突出する少なくとも１つのピンとを有し、ピンは、本体に向かって拡大するフレア基部を有し、ピンの側面は、根元近くで凹曲面状に滑らかに湾曲して本体の作用面と連続するように形成される。更に、ピンに加えられる曲げ荷重による応力が高くなる領域、即ち、フレア基部の側面の少なくとも一部を含む領域に、本体の密度比より高く且つ密度比が９６％以上の高密化層が形成される。高密化層は、表面からの深さが、少なくとも曲げ荷重による応力が最も高い位置において０．３ｍｍ以上になるように形成される。

また、本発明の焼結機械部品の製造方法は、本体と本体の作用面に突出するピンとを有し、ピンは根元が拡大した軸状形状を有してピンの側面と本体の作用面とが滑らかに連続するように湾曲するような形状として、焼結機械部品のネットシェイプを設定し、密度比が８０〜９６％の焼結材で構成され、高密化用の余肉（再圧縮代）をフレア基部に有するようにネットシェイプよりも膨張した形状を有する焼結体を用意し、焼結体の余肉を冷間で再圧縮してネットシェイプに成形することにより、焼結体より高密度比で密度比が９６％以上の高密化層を形成する。この再圧縮により、ピンの側面と本体の作用面とを滑らかに連続させる曲面に根元が成形され、それと共に、余肉の位置に高密化層が形成される。余肉の厚みによって高密化層の深さを調整可能であり、少なくとも曲げ荷重による応力が最も高い位置において高密化層の深さが０．３ｍｍ以上になるように、焼結体の余肉の厚みは調節される。

一般に、焼結機械部品は、密度比８０〜９６％のものが使用され、本発明の焼結機械部品の本体及びピンの大部分も、このような一般的な密度比８０〜９６％の焼結合金で構成される。その上で、フレア基部において、表面の再圧縮によって高密化層を設けると共に、上記のようにピンの側面と本体の作用面とがフレア基部を通じて連続するように滑らかな凹曲面に成形する。従って、焼結材に局所的な再圧縮を施すと、その金属組織構造は、初めの焼結材で構成されるマトリクスと、圧縮された高密化層とを有する複相構造になる。
高密化層の形成によって、マトリクスと高密化層との明確な境界は生じず、これらは、同じ焼結組成で連続しており、不連続ではない。高密化層は、焼結機械部品の金属組織断面における気孔率に基づいて、気孔率から算出される密度比がマトリクスより高く９６％以上である部分として決定される。つまり、マトリクスにおける密度比が９６％未満の場合は、高密化層は、密度比が９６％以上の部分であり、マトリクスの密度比が９６％の場合は、９６％より高い密度比の範囲が高密化層である。高密化層は、表面からの深さが、少なくとも曲げ荷重による応力が最も高くなる位置において０．３ｍｍ以上となるように形成する。深さが０．３ｍｍ以上の高密化層は、応力に抗する耐久性の向上が顕著であり、高密化層の深さが表面から０．３ｍｍに満たない場合、或いは、密度比が９６％より小さい場合、曲げ荷重により生じるフレア基部表面の引っ張り応力に抗する耐久性が低下する。従って、曲げ荷重による応力が最大になる位置を包含する、ある程度の幅の帯域において深さが０．３ｍｍ以上になるように形成すると極めて好適である。

高密化層の深さは、大きい方がフレア基部の強度が向上し、特に上限はない。つまり、フレア基部をピンの中心まで高密化した場合も本発明の範疇である。但し、高密化層を深く形成しようとすると、その分、加工代が大きくなり、加工費が増加する。又、ピンにかかる荷重により発生する曲げモーメントに抗し得る最小強度を超えて強化する必要はない。高密化層の深さは、ピンの半径の７５％程度までであればよい。

高密化層は、フレア基部及びその周辺の全域にわたって形成しても良いが、フレア基部及びその周辺のうち、少なくとも、曲げ荷重による引っ張り応力が最も高くなる位置を含む領域（例えば、図３〜８の（ｂ）において領域Ｓとして示すような領域）に形成すればよい。曲げ荷重による応力は、材料力学において一般的に用いられる計算手法によって求めることができ（詳細は後述する）、ピン側面における応力分布を求めることで、応力が最も高くなる位置（以下、応力最大位置と称し、図中、符号Ｐで示す）を決めることができる。ピン側面における応力分布及び応力最大位置は、フレア基部の形状によって変化する。図３（ｃ）〜図８（ｃ）から理解されるように、応力最大位置は、軸方向の高さが一定でピン側面を周回する円状になり、高密化層は、応力最大位置を含む帯状にピン側面に形成される。例えば図６のように拡大底部の高さに比べて径方向の広がりが大きい場合には、応力最大位置は、フレア基部の上端付近に位置し、ピン主部に非常に近くなるが、応力最大位置は、常にフレア基部の側面にある。従って、高密化層を形成する領域には、フレア基部の側面の少なくとも一部が含まれる。

曲げ荷重による応力は、フレア基部全域に分散して作用するので、フレア基部の高さ（軸方向の長さ）が増加するに従って、応力は広く分散されて、応力の最大値（応力最大位置における応力値）は低下する。逆に、フレア基部の高さが小さい場合、応力はさほど分散されないので、応力の最大値が高くなり、応力最大位置の周辺においても高い応力が作用する（図３及び図４参照）。つまり、フレア基部が低くなると、一定レベル以上の応力が作用する範囲は却って広くなる。この場合、フレア基部の側面全域にわたって高密化層を形成しても、フレア基部からピン主部に連なる首部（フレア基部との境界を含むピン主部下端部）における強度より曲げモーメントが大きいと、ピンの首部での引っ張り応力の作用が大きくなって折損する。
故に、フレア基部は、ある程度以上の高さ、好ましくは０．１ｍｍ以上になるように設けることが推奨される。或いは、もう一つの対処法として、首部についても高密化層を形成することでピンの折損を抑制することができる。首部に高密化層を形成する場合、フレア基部の高密化層と首部の高密化層とが分離して形成されると、フレア基部の高密化層と首部の高密化層の間に応力の作用が集中し易くなるので、フレア基部の高密化層と首部の高密化層が連続するように形成する。尚、ピン主部側において、フレア基部との境界からの距離が０．５ｍｍを超える位置では、曲げモーメントが小さくなって焼結材マトリクスの強度で抗し得るようになる。従って、首部に高密化層を形成する範囲は、フレア基部との境界からの高さが０．５ｍｍまでの範囲でよい。

図５に示すようにフレア基部を軸方向に長くなるように形成する場合、応力は広く分散されるので、応力の最大値は低下する。一方、曲げモーメントは、本体からの距離（高さ）が減少するに従って増加するので、フレア基部の広がりが小さいと、根元の強度増加が小さいために、曲げモーメントが大きい本体側において高い応力が生じる。従って、応力最大位置は、ピン主部側から本体側へ移行し、図５においてはフレア基部の中間に近づく。図７のように、更に軸方向に長く径方向の広がりが小さいと、応力分布は更に幅広くなると共に全体としては本体側に偏向し、応力最大位置は、フレア基部の中間より本体側になる。従って、高密化層は、フレア基部のうちの本体側に偏向した領域に形成するとよい。

図６に示すようにフレア基部を本体に向けて大きく広がるように形成する場合、フレア基部の半径及び径方向断面積が本体に向かって急激に大きくなるので、本体に近接する部分の強度が増加し、ピンにかかる応力は本体側において小さくなる。このような場合、応力最大位置は、ピン主部に近くなるので、高密化層は、ピン主部側に偏向させて形成すれば、太さが激増した本体側の領域に高密化層が形成されなくてもピンの折損は抑制できる。
このように、高密化層は、フレア基部及びその周辺の領域内において、応力最大位置を中心として、所定レベル以上の高い応力が作用する領域に帯状に形成する。高密化層を形成する帯状領域の幅は、ピンに求められる耐久性に応じて適宜変更することができ、ピンの形状から材料力学的に得られる応力分布に基づいて決定される。曲げ荷重がピンに負荷される方向に沿った耐久性を特に高めるために、高密化層を形成する帯状領域の負荷方向における幅を部分的に広げても良い。

引っ張り応力は、フレア基部及びその周辺の領域内の最表面において最大となるので、高密化層は、最表面での密度比が最も高いことが好ましい。余肉の再圧縮によって高密化層を設ける手法では、このような最表面での密度比が最も高い状態の高密化層が形成されるので、好適な手法である。高密化層の形成においては、フレア基部及びその周辺の領域のうち、少なくとも応力最大位置の最表面における密度比が好ましくは９７％以上、より好ましくは９８％以上となるように緻密化するとよい。勿論、ピンのうち高密化層以外の部分（つまりマトリクス）は密度比が８０〜９６％である。

フレア基部の形状は、ピン側面と本体の作用面とが滑らかに連続する形状であれば特に限定されない。つまり、ピンの軸方向断面においてフレア基部の側面が曲線を示す形状（つまり、曲線回転体）であり、その曲線の両端において、ピン主部側面及び本体の作用面が示す直線が接線となるとよい。例えば、ピンの軸方向断面においてフレア基部の側面が、円弧、楕円弧等の凹状曲線を示す円弧回転体、楕円弧回転体などの形状が挙げられ、これらにおいては、フレア基部の側面は、円弧回転面、楕円弧回転面などの朝顔様の凹状曲面となる。フレア基部の形状が円弧回転体の場合、半径が小さい円弧であると、応力の集中が生じ易くなるので、半径が０．１ｍｍ以上の円弧となるような曲率であると好ましい。一方、フレア基部を過大に形成すると、ピンとしての機能が困難になるので、半径（フレア基部の高さ）がピンの高さの３０％以下の円弧となるような曲率であることが好ましい。

又、他のフレア基部の形状として、図８のように、ピン主部と本体との間に一つ又は複数の円錐台部を含むように形成しても良い。円錐台は、軸方向断面において側面が直線を示す形状である。つまり、軸方向断面においてフレア基部の側面が１以上の直線部分を部分的に含む曲線を示すような形状のフレア基部であってもよい。但し、フレア基部の側面がピン主部の側面及び本体の作用面と連続するため、フレア基部の側面の上下両端部分は、軸方向断面において、ピン主部側面及び作用面と接する曲線として構成する。つまり、ピン主部と円錐台部との間、及び、円錐台部と本体との間は、ピンの軸方向断面において側面が円弧等の曲線になる凹状曲面部で滑らかに連続するようにフレア基部を構成して、ピン主部と円錐台部との間、及び、円錐台部と本体との間で応力の集中が生じないようにする必要がある。又、複数の円錐台部を含むように設ける場合、各円錐台部の間も応力集中が生じないように、軸方向断面において円弧等の曲線になる凹状曲面部で滑らかに接続する必要がある。従って、この場合のフレア基部は、１つ以上の円錐台の各々の上下を曲線回転体で挟んだ形状となる。尚、円錐台部を形成する場合、ピンに対する斜面の角度が過大になると、余肉の再圧縮によってピン主部側に高密化層を形成し難くなる。従って、斜面の角度は軸方向に対して４５°以下とすることが好ましい。上記のような形状のフレア基部においては、曲げ荷重による応力は、フレア基部の上端部及びピン主部の首部付近において高く、応力最大位置は、ピン主部に隣接する曲線回転体上にある。
上述のように、様々な形状のフレア基部を有するピンの何れにおいても、応力最大位置は、フレア基部上に位置するので、高密化層の形成領域は必ずフレア基部の側面を含む。

上述の構成において、フレア基部及びその周辺の表面のみが緻密化されるので、それ以外（本体及びピンの殆ど）の部分は、原料焼結体の焼結合金マトリクスで構成され、その密度は、原料焼結体の密度が保持される。

上記のようなピンの側面と本体の作用面とが滑らかに連続するフレア基部を有すると共に、応力が高くなる領域に高密化層が形成された焼結機械部品は、次のようにして製造することができる。

先ず、焼結機械部品のネットシェイプを規定する。つまり、作用面を有する本体と、根元で本体と一体に形成されて作用面から突出するピンとを有し、ピンの側面が根元付近で滑らかに湾曲して本体の作用面と連続になるように根元において拡大する軸状形状を有するピンとなるような形状として、ネットシェイプを規定する。そして、焼結機械部品の大部分を構成する焼結合金マトリクスで形成されて、ネットシェイプに高密化用の余肉を加えた形状を実質的に有する焼結体を用意する。つまり、この焼結体は、密度比８０〜９６％に調製され、予め、焼結機械部品のネットシェイプに高密化層形成用の余肉を加えた形状が付与されている。具体的には、焼結体は、本体と、本体の作用面に突出するピンとを有し、ピンは、ピン主部と、本体に向かって拡大するフレア基部とによって構成され、更に、フレア基部及びその周辺の側面は、ピン主部の側面と本体の作用面とが滑らかに連続する曲面に比べて、高密化層を形成する範囲において、形成する高密化層の深さに対応した余肉が設けられるように膨張する形状に成形されている（例えば、図９（ｂ）参照）。余肉は、応力最大位置を含む、曲げ荷重による応力が高くなる領域に設けられ、余肉の厚さは、後続の再圧縮で形成される高密化層の深さが、少なくとも応力最大位置において０．３ｍｍ以上となるような厚さに設定される。形成される高密化層の深さ及び密度比は余肉の厚さによって変化するので、余肉の厚さは、密度比が９６％以上に圧縮される部分が好適な深さになるように適宜設定され、概して、設ける高密化層の深さの３０〜１５０％程度がよい。

次に、この焼結体の余肉を再圧縮して、ピンの側面と本体の作用面とが滑らかに連続する形状（つまりネットシェイプ）にフレア基部及びその周辺の側面を成形すると、余肉が焼結体の内部に向かって押し込まれるように塑性変形し、これにより、押圧された表面が圧縮され、マトリクスより緻密化して高密化層が形成される。再圧縮に用いる手段は、焼結体の余肉を押圧可能なものであればよい。金型装置の使用は、加工精度及び作業容易性において有利であるので、この場合、ネットシェイプを規定した際に、予め、ネットシェイプをキャビティ形状に反映させた金型（図１０参照）を用意する。サイジング用金型は、ネットシェイプのキャビティを構成する金型であるので、余肉の再圧縮に適している。
このように、余肉を設けた焼結体を用意して、余肉の再圧縮を行うことによって、前述のような高密化層を有する焼結機械部品が得られる。焼結機械部品は、高密化層を除く全部分が焼結合金マトリクスで形成される金属組織構造となる。尚、焼結体の密度比が９６％の場合、上記余肉の再圧縮によって緻密化した部分の密度比は焼結体の密度比９６％より常に高くなるが、焼結体の密度比が９６％未満の場合、余肉が薄いと、緻密化しても密度比は９６％に満たない場合があり得る。つまり、出発焼結体の密度比が低いほど、設ける余肉の厚さは厚くなる。

余肉の再圧縮によって、余肉表面は、高密化層の表面、つまり、フレア基部及びその周辺を含む領域の表面の少なくとも一部となる。この表面は、最も加工度が高く、最も緻密化した状態であるので、再圧縮により形成される高密化層は、曲げ荷重に抗する引っ張り強さの付加において極めて有効である。

上述の余肉を設けた焼結体を再圧縮加工する際、パンチを先ず余肉に当接させ、余肉を押圧して塑性変形により圧縮すると、パンチは焼結体の本体と当接する（図１１参照）。つまり、再圧縮の初期と末期とでは、パンチが圧力を加える押圧面積が異なる。パンチによる単位面積当たりの圧力が小さくても、パンチの押圧面積が小さい時にはパンチ全体としてのプレス加重が小さい押圧面積に集中して加えられる。従って、面積の小さい余肉に集中的にプレス加重が加わる再圧縮の初期においては、単位面積当たりの圧力が５０ＭＰａ程度の小さい圧力であっても、常温で余肉の塑性変形を十分に行うことができる。但し、パンチの最大押圧面積に比べて余肉の面積がさほど小さくなければ、余肉の塑性変形を行うために１２００ＭＰａ程度の高い圧力が必要となる場合はある。

一般に、加工変形が大きい冷間鍛造に要する圧力は、１５００〜２５００ＭＰａであり、これより低い圧力で部品全体を加工するのは、寸法矯正のような極めて小さい変形の加工に限られる。これに比べて、本発明におけるフレア基部付近の緻密化は、部分的な再圧縮加工であって、焼結体の一部に形成される余肉のみを局所的に塑性加工して緻密化層を形成するので、余肉付近の変形が大きくても、５０〜１２００ＭＰａ程度の低い圧力で実施することができる。焼結機械部品の製造においては、一般に、焼結工程後に、寸法矯正等のためのサイジング（０．１ｍｍ程度以下の変形）を含む冷間再圧縮が行われるので、本発明は、サイジング用の金型を用いて常温で簡便に実施可能であり、従来のような焼結体を加熱する設備や金型を加熱する設備は一切不要である。しかも、サイジング等の冷間圧縮を行う際に並行して実行可能である。

上述の自動二輪車の変速機構用のギヤチェンジ用カム部品の場合、焼結部品のサイジング工程において一般に用いられる２００〜８００ＭＰａ程度の低い圧力で余肉の再圧縮を実施することが可能であり、製造コストを極めて安価にすることができる。

上述の再圧縮工程は、余肉を設けた箇所のみ緻密化するので、高密化層を形成した箇所以外は、本体の焼結体密度と同じであり、ピン全体を加工する場合に比べて、手間及びコストが格段に少なくて済む。

上述の余肉を常温で再圧縮する工程は、サイジング用金型を用いなくても実施でき、例えば、回転あるいは振動するローラー等を余肉に押圧して焼結体内部に向かって余肉を押し込むように加工しても良い。

焼結体を構成する材料組成としては、サイジング等の再圧縮加工が可能な各種機械構造部品用鉄系焼結材料の組成が好適である。例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）のＺ２５５０に規定されるＳＭＦ１種（純鉄系）、ＳＭＦ２種（鉄−銅系）、ＳＭＦ３種（鉄−炭素系）、ＳＭＦ４種（鉄−銅−炭素系）、ＳＭＦ５種（鉄−ニッケル−銅−炭素系）、ＳＭＦ６種（鉄−炭素（銅溶浸）系）、ＳＭＦ７種（鉄−ニッケル系）、ＳＭＦ８種（鉄−ニッケル−炭素系）、ＳＭＳ１種（オーステナイト系ステンレス鋼）、ＳＭＳ２種（フェライト系ステンレス鋼）等の他、アメリカ鉄鋼協会規格（ＡＩＳＩ）の４１００種（鉄−クロム−マンガン系）や４６００種（鉄−ニッケル−モリブデン系）等の鉄系合金組成が挙げられる。

焼結体の調製においては、先ず、上記材料組成を有する原料粉末を用意する。原料粉末は、単味金属粉末の混合物、単味金属粉末と合金粉末との混合物、及び、合金粉末の何れの形態でも良く、例えば、上記鉄系焼結材料が得られるように鉄粉末、各合金化元素の単味粉末、黒鉛粉末等を配合した混合粉末や、各合金化元素によって合金化した鉄合金の粉末、及び、鉄合金粉末に合金化元素の単味粉末及び黒鉛粉末を配合した混合粉末等を原料粉末として用いられる。

上述の様な原料粉末を用いて、上述の焼結体の外観形状（ネットシェイプに余肉を加えた形状）に対応する形状の圧粉体を圧縮成形する。つまり、本体の作用面からピンが突出し、ピンの側面と本体の作用面とを滑らかに連続させるようにピン根元で拡大するフレア基部付近に余肉が加えられた形状の圧粉体を成形する。例えば、本体の外周形状を形成する型孔を有するダイスと、ピンの外周（側面）を成形する孔を有しダイスの型孔に嵌合されて本体の作用面を成形する下外パンチと、下外パンチの孔に摺動自在に嵌合されてピンの頂部を成形する下内パンチとによって形成される空間に原料粉末を充填し、作用面とは反対側の平らな背面を形成する上パンチと、内下パンチ及び外下パンチとによって原料粉末を圧縮することによって圧粉体の成形が行われる。この際の成形条件については、一般的な焼結機械部品の製造における成形条件と同様に、４００〜８００ＭＰａ程度の成形圧力で成形することができる。
圧粉体の焼結前後における寸法変化が実質的にないならば、圧粉体成形用の金型と焼結体再圧縮用の金型（サイジング用金型）とのキャビティにおける相違は、余肉に関連する部分のみとなる。この場合、圧粉体成形時の成形圧力は、焼結体を再圧縮する圧力とさほど大差はないので、余肉部分に関するパンチのみの交換による金型の併用が可能になる。

一般に、原料粉末に加わる成形圧力が伝播する間に、原料粉末の再配列及び塑性変形を生じながら加圧エネルギーが消費されるので、成形体中央部で密度が低くなって、いわゆるニュートラルゾーンが生じ易くなる。本体の作用面から突出するピンを有する形状は、本体とピンを有する部分との高さが異なり、ピンの高さが高いことから、ピンの密度が本体に比べて小さくなり易い形状である。このため、ピンが突出する作用面とは反対側の背面において、ピンに対応する位置に凹部が形成されるように、突部を有する形状の上パンチを用いて圧粉体を成形すると、ピンの突出位置における本体の厚さが小さくなって、ピンの成形密度を上げることが可能になるので好ましい。尚、この背面の凹部の深さは、本体の厚さの１０〜７０％程度とすることが好ましい。

圧粉体の焼結は、一般的な焼結機械部品の製造における焼結条件と同様の条件で行うことができるが、焼結工程において酸化が起こると焼結体が硬くなって塑性変形し難くなるので、焼結機械部品の加工素材としては、非酸化性ガス雰囲気あるいは真空雰囲気を焼結雰囲気とすることが好ましい。非酸化性ガスとしては、例えば、窒素ガス、窒素水素混合ガス、アンモニア分解ガス、ブタン変性ガス、アルゴン等の不活性ガス等が挙げられる。焼結温度は、１０００〜１２５０℃程度に設定できる。

本発明の焼結機械部品の製造においては、冷間での再圧縮加工後に、通常の焼結機械部品において行われるように、必要に応じて、浸炭焼き入れや光輝焼き入れ等の焼き入れ処理、及び、それに続く焼き戻し等の熱処理を施すことができる。尚、焼き入れ処理を行う場合、焼結機械部品は、焼結材料のオーステナイト化温度領域以上に加熱されるので、塑性変形した高密化層において、閉塞した気孔周囲の密接粒子が冶金的に結合して更に強度を向上させることが可能である。

（１）焼結機械部品の具体例
本発明の焼結機械部品の形状の一例を図２に示す。図２は、本体から突出するピンに高い荷重が作用する機械部品の一例として、自動二輪車の変速機構に用いられるギヤチェンジ部品への適用を示す。図２（ａ）及び（ｃ）はピンが突出する本体の作用面を上側に配置した状態での上面図及び斜視図であり、図２（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ｂ）に示すように、焼結機械部品１０は、頂角を丸めた略六芒星の形状を有すると共に、６つの頂角の内の１つの頂角が円弧状に欠損した形状の本体１１と、６本のピン１２とを有する部品であり、ピン１２は、平板状の本体１１の一側の平らな作用面１３（上面）から垂直に突出する。本発明は、このような突出するピンを１つ以上有する機械部品に適用できる。本発明の焼結機械部品１０は、ピン１２の各々が、ピン１２の側面１４（外周面）と本体１１の作用面１３とが滑らかに連続するように根元において拡大する形状を有し、円柱状のピン主部１２ａと、根元において拡大するフレア基部１２ｂとによって構成される。尚、本体１１の作用面１３と反対側の背面に有する凹部１６は、圧粉成形時にニュートラルゾーンが生成するのを防止するためのものである。

図３〜図７は、各々、図２（ｂ）のＢ部の拡大断面図であり、高密化層の形成の様々な例を示す。これらの図において、（ａ）は気孔分布の模式図であり、（ｂ）は密度比９６％以上の高密化層（ハッチングで示す領域）の形成を示す模式図、（ｃ）は、ピン１２に曲げ加重を負荷した時のピン１２の軸方向の距離ｘと断面の応力σxとの関係を示すグラフである。

図３は、本体１１の作用面１３とピン１２の側面１４とを連続させるフレア基部１２ｂの一例として、フレア基部１２ｂの側面１４ｂがピン１２の軸方向断面において半径Ｒ1の円弧を示す曲面である形態を示す。図３（ａ）に示すように、本体１１及びピン１２の大部分を構成する焼結体のマトリックスには気孔が分散するが、フレア基部１２ｂに形成された高密化層１５は、塑性変形によって気孔が縮小又は消滅して緻密化されている。但し、焼結体マトリックスと高密化層１５とは連続しているので、高密化層１５は、密度比９６％を境目として図３（ｂ）のように表わされる。

ピン１２のフレア基部１２ｂの側面１４ｂが軸方向断面において楕円（ピンの軸方向の径をＲa、ピンの径方向（作用面１３方向）の径をＲbとする）を示す曲面である場合、本体１１からの軸方向距離Ｌの位置に曲げ加重Ｗが負荷された時の、本体１１からの軸方向の距離ｘにおけるピン１２の断面の応力σxは、下記式のように求めることができる（式中、ｘ：本体１１からの軸方向距離、ｒ：ピンの半径）。
Ａ） ０≦ｘ＜Ｒaにおいて
応力σx＝４Ｗ（Ｌ−ｘ）／
π［ｒ＋Ｒb−Ｒb〔１−（ｘ−Ｒa）²／Ｒa²〕^1/2］³
Ｂ） Ｒa≦ｘ≦Ｌにおいて
応力σx＝４Ｗ（Ｌ−ｘ）／πｒ³

図３のように、側面が軸方向断面において半径Ｒ1の円弧を示す曲面となるようにフレア基部１２ｂを形成した場合（上記式において、Ｒa＝Ｒb＝Ｒ1）、曲げ荷重による引っ張り応力（以下、単に応力という）が一定レベル以上に高くなる領域Ｓは、図３（ｂ）のように、フレア基部１２ｂの上半部及びピン主部１２ａの首部に分布し、フレア基部１２ｂの本体１１側の下端部分は領域Ｓから外れる。応力σxが最も高い応力最大位置Ｐ（図３（ｃ）において距離ｘ＝Ｘpの位置）は、フレア基部１２ｂ上にあり、その位置は、フレア基部１２ｂ上端に近く、ピン主部１２ａとの境界より少し下側に位置する（０．５Ｒ1＜Ｘp＜Ｒ1）。
従って、少なくとも応力最大位置Ｐにおける高密化層１５の表面からの深さがｄ（０．３ｍｍ）以上となるように、応力が高くなる領域Ｓの側面に密度比９６％以上の高密化層１５を形成すると、ピン１２の根元の強度が向上し、ピン１２の折損が抑制される。高密化層１５の形成範囲は、図３（ｂ）のように、フレア基部１２ｂ及びその周辺のうち、フレア基部１２ｂの上側大部分と、ピン主部１２ａの下端部とを含む範囲の側面となる。図３（ｂ）のように、応力が高い領域Ｓの全てにおいて高密化層１５の深さがｄ以上となるように高密化層１５を形成すると非常に良好であり、耐久性が更に向上する。

図４は、本体１１の作用面１３とピン１２の側面１４とを連続させるフレア基部１２ｂの側面が、軸方向断面において図３の半径Ｒ1より小さい半径Ｒ2の円弧を示すように成形した一例であり、図４（ｂ）における領域Ｓは、応力σxが図３の領域Ｓと同じレベルに達する領域である。
図４のようにフレア基部１２ｂを形成した場合においても、応力最大位置Ｐは、フレア基部１２ｂ上にあり、その位置は、フレア基部１２ｂ上端に近く、ピン主部１２ａとの境界より少し下側に位置する（０．５Ｒ2＜Ｘp＜Ｒ2）。しかし、円弧の半径Ｒ2（つまり、フレア基部１２ｂの高さ）が小さいので、応力最大位置Ｐ及びＸpは、図３の場合より低く、応力分布はピン１２の根元近くの狭い範囲に集中する。このため、最大応力σxは、大きくなり、応力が高くなる領域Ｓは、図３の場合より却って広くなって、図４（ｂ）のように、フレア基部１２ｂの全域及び首部に及ぶ。この場合においても、応力が高くなる領域Ｓの分布に対応して、少なくとも応力最大位置Ｐにおける高密化層１５の表面からの深さがｄ（０．３ｍｍ）以上となるように高密化層１５を形成することで、ピン１２の根元の強度が向上し、ピン１２の折損が抑制される。図４のフレア基部１２ｂの形状に基づいて、高密化層１５の形成によって図３（ｂ）のピン１２と同等の耐久性を付与するには、図４（ｂ）のように、応力が高い領域Ｓの全てにおいて高密化層１５の深さがｄ以上となるように高密化層１５を形成し、高密化層１５の範囲は、図３の場合より広く深くなる。

図５及び図６は、フレア基部１２ｂの側面１４ｂが軸方向断面において楕円弧（長径Ｒ3／短径Ｒ4＝３／２）を示すようにフレア基部１２ｂを形成した例であり、ピン１２の軸方向の楕円の径Ｒa（フレア基部１２ｂの高さ）は、図５では長径Ｒ3であり、図６では短径Ｒ4である。図７は、フレア基部１２ｂの側面１４ｂが軸方向断面において図５より縦長の楕円弧（長径Ｒ3／短径Ｒ4＝４／１）を示すようにフレア基部１２ｂを形成した例である。図５〜図７における領域Ｓも、応力σxが図３の領域Ｓと同じレベルに達する領域である。
図５の場合、応力が高くなる領域Ｓは、図５（ｂ）のように、下側（本体１１側）の一部を除く上側部分のフレア基部１２ｂに分布し、即ち、フレア基部１２ｂの上側（ピン主部１２ａ側）に偏って位置する。応力最大位置Ｐは、フレア基部１２ｂ上にあるが、その位置は、図３の場合に比べて本体１１側へ下方に移行し、フレア基部１２ｂの中間からピン主部１２ａとの境界（フレア基部１２ｂ上端）迄の範囲に位置する（つまり、０．５Ｒa≦Ｘp＜Ｒa）。
図６の場合、応力が高くなる領域Ｓは、図６（ｂ）のように、フレア基部１２ｂの上側部分及びピン主部１２ａの首部に分布し、フレア基部１２ｂの下側部分（本体１１側部分）は領域Ｓから外れる。応力最大位置Ｐは、フレア基部１２ｂの上端に近く、ピン主部１２ａとの境界の僅か下方に位置する（０．５Ｒa＜Ｘp＜Ｒa）。

図７の場合、応力最大位置Ｐは、図５の場合に比べて更に下方に移行して、フレア基部１２ｂの中間より下方に位置する（つまり、０＜Ｘp＜０．５Ｒa）。応力が高くなる領域Ｓは、フレア基部１２ｂの中央付近に分布し、フレア基部１２ｂの上側部分（ピン主部１２ａ側）及び下側部分（本体１１側）は領域Ｓから外れる。

図５〜７から理解されるように、径Ｒa（フレア基部１２ｂの軸方向高さ）が大きくなるに従って、応力最大位置Ｐは、フレア基部１２ｂ上端付近から本体１１側へ移行し、ピン主部１２ａの下端部（首部）に高密化層を形成する必要性が減少する。又、径Ｒb（フレア基部１２ｂの半径の増加分）が大きくなるに従って、応力最大位置Ｐはピン主部１２ａ側へ移行し、本体１１近くに高密化層を形成する必要性が減少する。つまり、応力最大位置Ｐは、フレア基部１２ｂの範囲内において、径Ｒa，Ｒbのバランスによって定まる。図５〜図７のような場合においても、少なくとも応力最大位置Ｐにおいて、好ましくは応力が高くなる領域Ｓ全域において、高密化層１５の表面からの深さがｄ（０．３ｍｍ）以上となるように、応力が高くなる領域Ｓに高密化層１５を形成することによって、ピン１２の根元の強度が向上し、ピン１２の折損が抑制される。応力が高くなる領域Ｓは、ピン１２に求められる耐久性に応じて、応力分布において応力が所望のレベル以上になる領域として、応力分布に基づいて定められる。

図８は、本体１１とピン１２とを連続させるフレア基部１２ｂの側面１４ｂが、軸方向断面において部分的に直線を含み全体として曲線を示す一例を示す。この例において、フレア基部１２ｂは、円錐台部１２ｃを部分的に含む形状であり、図８（ａ）のように、軸方向断面において側面１４ｄが半径Ｒ5の円弧を示す上部１２ｄと、円錐台部１２ｃと、軸方向断面において側面１４ｅが半径Ｒ6の円弧を示す下部１２ｅとによって構成される。軸方向断面において、円錐台部１２ｃの側面１４ｃは直線を示し、円錐台部１２ｃの側面１４ｃとピン主部１２ａの側面１４ａとが半径Ｒ5の円弧状の側面１４ｄを介して滑らかに連続し、円錐台部１２ｃの側面１４ｃと本体１１の作用面１３とが半径Ｒ6の円弧状の側面１４ｅを介して滑らかに連続するように形成される。円錐台部１２ｃの側面１４ｃは、ピン１２の軸方向に対して角度θで傾斜している。

この形態において、本体１１からの軸方向距離Ｌの位置に曲げ加重Ｗが負荷された時の、本体１１からの軸方向の距離ｘにおけるピン１２の断面の応力σxは、下記式のように求めることができる（式中、ｘ：本体１１からの軸方向の距離、ｒ：ピン主部１２ａの半径、ｂ：側面１４ｃの伸長によって形成される円錐の底面（作用面１３上）の半径とピン主部１２ａの半径ｒとの差、ｘ1：下部１２ｅ上端の軸方向高さ、ｘ2：円錐台部１２ｃ上端の軸方向高さ、ｘ3：フレア基部１２ｂ上端の軸方向高さ）。応力分布は図８（ｃ）のようになり、図８における領域Ｓも、応力σxが図３の領域Ｓと同じレベルに達する領域である。

ａ） ０≦ｘ＜ｘ1において
σx＝４Ｗ（Ｌ−ｘ）｛Ｒ6（１−sinθ）／cosθ＋
ｒ＋ｂ−［Ｒ6²−（ｘ−Ｒ6）²］^0.5｝^-3／π
ｂ） ｘ1≦ｘ＜ｘ2において
σx＝４Ｗ（Ｌ−ｘ）［（−tanθ）ｘ＋ｒ＋ｂ］^-3／π
ｃ） ｘ2≦ｘ＜ｘ3において
σx＝４Ｗ（Ｌ−ｘ）｛ｒ＋Ｒ5−〔Ｒ5²−｛ｘ−
［Ｒ5（１−cosθ）＋ｂcosθ］／sinθ｝²〕^-0.5｝^-3／π
ｄ） ｘ3≦ｘ≦Ｌにおいて
σx＝４Ｗ（Ｌ−ｘ）／（πｒ³）

図８の形態は、上記の円錐台部１２ｃの側面１４ｃが傾斜する角度θを３０°として設計したものであり、この場合、図８（ｂ），（ｃ）のように、応力最大位置Ｐは、フレア基部１２ｂの上端近くに位置し、応力が高くなる領域Ｓは、フレア基部１２ｂ（円錐台部１２ｃ、上部１２ｄ）及びピン主部１２ａの首部（フレア基部１２ｂとの境界を含む下端部）に分布して、フレア基部１２ｂの下側部分（下部１２ｅ、円錐台部１２ｃの下側部分）は領域Ｓから外れる。このような形態においても、応力が高くなる領域Ｓについて、少なくとも応力最大位置Ｐにおける高密化層１５の表面からの深さがｄ（０．３ｍｍ）以上となるように高密化層１５を形成することによって、ピン１２の根元の強度が向上し、ピン１２の折損が抑制される。

上述のように、高密化層１５は、少なくとも応力最大位置Ｐにおける深さがｄ（０．３ｍｍ）以上となるように、フレア基部１２ｂ及びその周辺の領域の全部又は一部、つまり、曲げ加重による応力が一定レベル以上に高くなる領域Ｓに形成される。本発明の焼結機械部品は、上述の実施形態に限定されないが、多くの場合、ピン主部１２ａとフレア基部１２ｂとの境界を含むような範囲に高密化層１５を形成することが有効であり、高密化層１５をフレア基部１２ｂの本体１１付近に形成する必要があるのは、図４のようにフレア基部１２ｂの高さが小さい場合である。従って、フレア基部１２ｂの高さを１ｍｍ程度以上に設定すると、ピン主部１２ａの首部（境界から０．５ｍｍ迄の範囲）及びフレア基部１２ｂの大部分に高密化層１５を形成することによって概して対応でき、好適にピンの折損を抑制できる。尚、上述の実施形態は、ピン主部１２ａの形状が円筒形である場合について説明するが、楕円柱形や多角柱形のピンについても本発明を適用可能であり、根元付近を拡げてフレア基部を設けることによって、曲げ加重に対する耐久性を付与することができる。

（２）焼結機械部品の製造方法の具体例
先ず、焼結機械部品のネットシェイプを、前述したように、作用面を有する本体と、根元で本体と一体に形成されて作用面から突出するピンとを有し、ピンが、ピンの側面が根元付近で滑らかに曲がって本体の作用面と連続になるように根元において拡大する軸性形状を有するような形状として規定する。そして、ネットシェイプに高密化用の余肉２０を加えた形状を実質的に有する焼結体１０’を用意する。

図９は、本発明の焼結機械部品の製造方法に素材として用いられる焼結体の形状の一例を示す。焼結体１０’は、焼結機械部品１０のマトリックスを形成する焼結合金によって全体に渡って形成され、焼結機械部品１０のネットシェイプに高密化用の余肉２０を加えた形状を実質的に有する。詳細には、焼結体１０’は、焼結機械部品１０の本体１１と同様の本体１１’の一側の平らな下面１３’（作用面１３に相当）にピン１２’が突出する形状を有し、ピン１２’は、ピン主部１２ａ’及びフレア基部１２ｂ’と、ピン主部１２ａ’の首部及びフレア基部１２ｂ’の側部に加えられた余肉２０とを有する。ピン主部１２ａ’及びフレア基部１２ｂ’は、高密化層を有しない単一構造である点を除いては焼結機械部品１０のピン主部１２ａ及びフレア基部１２ｂと同じであり、図９（ｂ）のように、ピン主部１２ａ’及びフレア基部１２ｂ’の側面が余肉２０の分だけ膨出する状態に成形されている。図９（ｂ）において、点線は、余肉２０を再圧縮した後の焼結機械部品のフレア基部１２ｂの形状、つまり、ネットシェイプを示す。余肉２０は、高密化層１５を形成する位置に対応して、高密化層１５の深さに応じた厚さに設けられる。尚、焼結体１０’に関して、ネットシェイプは、サイジングによって修正可能な程度の微小な誤差を含み得るものと見なす。焼結体１０’の上面は、焼結機械部品１０の凹部１６に対応する凹部１６’を有する。

図９のような形状の焼結体１０’を再圧縮する金型装置の一例を図１０（ａ）に示す。再圧縮用の金型装置は、サイジングに用いられる金型と同様の部品で構成することができる。具体的には、図１０（ａ）のように、金型装置は、焼結体１０’の外周形状を規定する型孔３１を有するダイ３０と、焼結体１０’の本体１１’の下面１３’（作用面１３に相当する）を規定するパンチ面４１を有する下外パンチ４０と、焼結体１０’のピン１２’の下端面（頂面）を規定するパンチ面４６を有する下内パンチ４５と、焼結体１０’の中心孔の形状を規定する外周５１を有するコアロッド５０と、焼結体１０’の本体１１’の上面を規定するパンチ面６１を有する上パンチ６０とを有する。上パンチ６０は、ダイ３０の型孔３１に摺動可能に嵌合される側面６２を有し、パンチ面６１には焼結機械部品１０の凹部１６を規定する凸部を有する。下外パンチ４０は、ダイ３０の型孔３１と摺動可能に嵌合される外周面４４を有し、更に、下内パンチ４５が外周４７において摺動可能に嵌合される孔４２を有する。

図１０（ａ）の金型装置のキャビティは、焼結機械部品１０のネットシェイプを形成し、下外パンチ４０の孔４２の上端部には、フレア基部１２ｂの側面を規定するフレア基部成形面４３を有する。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）においてフレア基部成形面４３を有する部分Ｅの拡大図である。フレア基部成形面４３は、冷間圧縮によって焼結体１０’に焼結機械部品１０のフレア基部１２ｂの形状を付与するために、フレア基部１２ｂに対応する形状に成形されている。つまり、焼結体１０’のピン主部１２ａ’の側面に接する円筒状の孔４２が上端部において拡大して、孔４２の内径面が、焼結体１０’の下面に当接するパンチ面４１と連続になるように上端付近で滑らかに湾曲してフレア基部成形面４３を構成するように形成される。

図１０のような金型装置を用いて焼結体１０’を冷間再圧縮する際の余肉２０の変形を図１１に示す。焼結体１０’を金型装置のダイ３０のキャビティに挿入すると、図１１（ａ）に示すように、焼結体１０’の余肉２０が下外パンチ４０のフレア基部成形面４３に当接する。この状態の焼結体１０’を上パンチ６０及び下内パンチ４５によって上下方向に加圧すると、下外パンチ４０のフレア基部成形面４３によって余肉２０が押圧されて焼結体１０’内部へ押し込まれるように塑性変形し、図１１（ｂ）のように、余肉２０の側面がフレア基部１２ｂの側面１４ｂに成形されると共に、押圧された表面の密度が増加して、高密化層１５を側部に有するフレア基部１２ｂ及び首部が形成される。これにより、焼結体１０’から焼結機械部品１０が得られ、高密化層１５では、最表面において最も密度が高くなる。焼結機械部品１０のフレア基部１２ｂの側面形状は、下外パンチ４０のフレア基部成形面４３によって決定され、高密化層１５が形成される範囲及び深さは、焼結体１０’の余肉２０が設けられる範囲及び大きさ（厚さ）に対応するので、焼結機械部品１０のフレア基部１２ｂ及びその付近の状態は、フレア基部成形面４３及び焼結体１０’の余肉２０によって任意に制御できる。

上述の製造方法は、サイジング工程を利用して余肉２０の再圧縮を行う形態の一例であり、この形態は、追加の再圧縮工程が不要である点においてコストパフォーマンスの向上に寄与する。但し、本発明の製造方法は、上記形態に限定する必要はなく、例えば、回転又は振動するローラー等を余肉２０に押しつけて余肉の塑性変形を生じさせる手法（いわゆる転造等）を用いて実施することができる。

以下に、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。
質量比で、Ｎｉ：２％、Ｍｏ：１．５％、残部：Ｆｅ及び不可避量の不純物からなる組成の鉄系合金粉末に、黒鉛粉末が全量の０．３％、ステアリン酸亜鉛粉末が全量の０．６％となるように黒鉛粉末及びステアリン酸亜鉛粉末を混合して原料粉末を調製した。

ピン（長さ：６ｍｍ、ピン主部１２ａの半径ｒ：２ｍｍ）のフレア基部１２ｂが、図３のように、軸方向断面において側面が円弧（半径Ｒ1＝２ｍｍ）を示す円弧回転体であるような形状を焼結機械部品のネットシェイプとして規定し、このネットシェイプに図９のように余肉２０を加えた形状の圧粉体を調製するための圧粉用金型を、余肉２０の厚さ（応力最大位置Ｐにおける）を０〜０．６ｍｍの範囲で変えて５種類用意した。
各金型毎に、成形体密度が７．１５Ｍｇ／ｍ^３になる量の上記原料粉末を秤量して充填し、圧粉して圧粉体を作製し、これを繰り返して試料番号１〜５の圧粉体を複数個ずつ用意した。得られた圧粉体を、Ｈ_２：５体積％、Ｎ_２：９５体積％の雰囲気の焼結炉に投入し、１１９５℃で１２０分間加熱して焼結した後に、焼結炉を冷却して焼結体を取り出した。

更に、ネットシェイプのキャビティを構成する再圧縮用金型装置として、図１０に示すような構成の金型装置を用意し、これを用いて、上記で得られた試料番号１〜５の焼結体の余肉の冷間再圧縮を２５０ＭＰａの圧力で行って、ピンの側面を成形すると共に高密化層を形成することにより、試料番号１〜５の焼結機械部品を各々複数個ずつ作製した。各試料について、１個の焼結機械部品を用いて、ピンの軸方向断面における気孔分布に基づいてフレア基部付近の密度比を求め、応力最大位置Ｐ（本体からの軸方向距離ｘ＝約１．６ｍｍ）における高密化層の深さを測定した。この結果、図１１（ｂ）に類似する高密化層が形成され、焼結機械部品の高密化層の深さは、表１に示すように、焼結体の余肉の大きさに応じて０〜１．０ｍｍとなった。
又、各試料について別の焼結機械部品を用意し、オートグラフを用いてピン先端に荷重を加えて、ピンの破壊荷重を測定したところ、表１のような結果が得られた。

（表１）
試料番号 高密化層の深さ（ｍｍ） ピンの破壊荷重（ｋＮ）
１ ０．０ ３．８
２ ０．１ ４．１
３ ０．３ ６．０
４ ０．５ ６．１
５ １．０ ６．３

表１から、フレア基部の側面に高密化層を形成しない試料番号１の焼結機械部品は、ピンの破壊荷重が３．８ｋＮであるが、試料番号２〜４のように高密化層の深さが増加するに従って破壊荷重が増加し、特に、高密化層の深さが０．１ｍｍから０．３ｍｍに増加すると破壊荷重が著しく増加することが判る。又、高密化層の深さが０．３ｍｍ以上の領域においては破壊荷重の増加は穏やかである。このことから、高密化層の深さが０．３ｍｍ以上の高密化層は、ピンの折損を抑制する上で非常に効果的であることが理解される。

本発明の焼結機械部品は、自動二輪車の変速機構を構成するギヤチェンジ部品等のような、本体から突出するピンに高い荷重が作用する機械部品として利用した時に、ピンの折損が抑制されるので、耐久性に優れた機械部品の供給に寄与する。又、応力の高い部分のみに高密化層を形成して組織を緻密化するので、簡易に製造することができ、耐久性に優れた機械部品の安価な提供を可能とする。

Claims (12)

1. 焼結合金で構成され、平らな作用面を有する実質的に平板状の本体と、前記本体と一体に形成されて前記作用面から突出するピンとを有する焼結機械部品であって、
   前記ピンは、前記ピンの側面が根元付近で滑らかに湾曲して前記本体の作用面と連続するように、根元において拡大する軸性形状を有し、
   前記焼結機械部品を構成する焼結合金は、密度比が８０〜９６％の焼結材マトリクスと、密度比が９６％以上で前記焼結材マトリクスより高密度比である高密化層とを有する金属組織構造を有し、前記高密化層は、前記ピンに加えられる曲げ荷重から生じる応力が最大になる応力最大位置において深さが０．５ｍｍ以上になるように前記ピンの側面の前記応力最大位置を含む領域に局所的に設けられる焼結機械部品。
2. 前記ピンは、前記作用面から垂直に突出し、柱状のピン主部と、前記ピン主部と前記本体との間に位置して前記ピン主部の側面と前記作用面とを連続にするように凹状に湾曲した側面を有するフレア基部とを有し、
   前記応力最大位置は前記フレア基部の側面にあり、前記高密化層が形成される領域は、前記フレア基部の側面の少なくとも一部を含む請求項１に記載の焼結機械部品。
3. 前記高密化層を除く全部分が前記焼結材マトリクスで構成され、前記高密化層の最表面の密度比は９７％以上であり、
   前記フレア基部は、前記ピンの軸方向断面において前記側面が曲線を示す曲線回転体の形状を有する請求項２に記載の焼結機械部品。
4. 前記フレア基部は、前記ピンの軸方向断面において側面が円弧又は楕円弧を示す円弧回転体又は楕円弧回転体の形状を有する請求項２に記載の焼結機械部品。
5. 前記フレア基部は、前記ピンの軸方向断面において側面が直線を示す円錐台部を部分的に含み、前記フレア基部の側面は、前記ピンの軸方向断面において部分的に直線部を含む曲線を示す請求項２に記載の焼結機械部品。
6. 前記ピンの軸方向断面において前記円錐台部の側面が示す直線とピンの軸方向との角度が４５°以下である請求項５に記載の焼結機械部品。
7. 前記本体は、前記作用面の反対側に、前記ピンに対応する位置に凹部が形成された背面を有する請求項１〜６の何れか１項に記載の焼結機械部品。
8. 前記凹部の深さは、前記本体の厚さの１０〜７０％である請求項７に記載の焼結機械部品。
9. 作用面を有する本体と、前記本体と根元で一体に形成されて前記作用面から突出するピンとを有し、前記ピンは、根元において拡大する軸性形状を有して、前記ピンの側面が根元付近で滑らかに湾曲して前記本体の作用面と連続になるような形状として、焼結機械部品のネットシェイプを規定し、
   前記ネットシェイプにおいて前記ピンに加えられる曲げ荷重から生じる応力が最も高くなる応力最大位置を含む領域に余肉が加えられて前記ピンの側面が局所的に前記ネットシェイプより膨出する形状を有し、密度比が８０〜９６％の焼結合金で構成される焼結体を用意し、
   前記焼結体の余肉を冷間で再圧縮して前記ネットシェイプに成形して、前記焼結体より高密度比で密度比が９６％以上の高密化層を、前記応力最大位置において深さが０．５ｍｍ以上になるように前記ピンの側面の前記応力最大位置を含む領域に局所的に形成することを有する焼結機械部品の製造方法。
10. 前記余肉の再圧縮は、５０〜１２００ＭＰａの圧力で行う請求項９に記載の焼結機械部品の製造方法。
11. 前記本体は、前記作用面が平らである実質的な平板状であり、前記焼結体は、前記作用面の反対側において、前記ピンに対応する位置に凹部が形成された背面を有する請求項９又は１０に記載の焼結機械部品の製造方法。
12. 前記凹部の深さは、前記本体の厚さの１０〜７０％である請求項１１に記載の焼結機械部品の製造方法。

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