JPH10317015A - 複合特性部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高合金粉末あるいは高合金圧粉体の緻密化を行うにあた
り、基体となる溶製材の高温における塑性変形を利用す
ることで、高価な高合金粉末の使用量を最低限に抑える
ことが可能となり、高合金粉末の特性を最大限に発揮で
きるような圧密度の高い焼結部を有し、かつ基体と焼結
部との接合強度の高い部品を廉価に製造することができ
る。 【課題】 耐摩耗性に優れた複合部品を効率的に廉価に
製造することは、従来の工法では困難であった。 【解決手段】 粉末あるいは圧粉体と基体となる溶製材
を、高合金粉末の融点×０．５倍以上の温度に、製造効
率を落とすことのない短時間で加熱して、最終部品に近
い形状まで同時に加工（鍛造、プレス、圧延、押出し）
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶製材と高合金圧
粉からなる複合製品の製法に関し、基体となる溶製材の
塑性変形を利用して、耐摩耗性に優れた高合金粉末や高
合金圧粉体を圧密化するとともに、基体と高合金粉末や
高合金粉末を接合し、焼結体部の緻密化により焼結体部
の特性の向上が図れるとともに、高合金粉末使用量の削
減および工程削減により製造コストを低減することので
きる、耐摩耗性に優れた複合特性部品の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】耐摩耗性部品コストの削減を目的に、耐
摩耗性を必要とする部位にのみ耐摩耗性に優れた高合金
粉末を使用し、基体を低廉な溶製材とする複合部品の製
造が行われている。ここで、高合金圧粉体の焼結には、
熱間静水圧加圧処理が適用されている。たとえば、この
方法で円筒部品の外側に高合金粉末焼結体を配した複合
特性部品を製造する方法には次のようなものがある。

【０００３】まず、金属容器内に基体となる溶製材を装
着し、溶製材と金属容器間に高合金粉末を充填しキャニ
ングする。これを熱間静水圧加圧処理により焼結と拡散
接合する。しかし、ここで予め基体を最終部品形状に近
づけるておくと、キャニングに用いた金属容器を除去す
るための工程が煩雑になってしまう。また、基体が単純
形状のものでは、最終部品形状とするための、圧延、鍛
造、押出しなどの工程が増えることになる。したがっ
て、熱間静水圧加圧処理を用いて複合特性部品を製造す
るためには多大な費用を要すことから、同処理の適用部
品は限定されている。

【０００４】一方、従来技術の一つであるホットプレス
もまた、特殊用途に限定される部品にのみ適用されてい
る。これはホットプレスでは不活性ガスの装置内で高温
長時間で焼結を行うため、装置費用が高価な上に単位時
間当たりの製品生産量が低ことから、汎用部品の大量生
産に不向きなことが適用範囲の狭い理由に挙げられる。

【０００５】また、基体となる溶製材を塑性変形させる
方法として、溶製材と粉末を室温で加圧成形して、高温
で焼結を行う方法も考案されている。しかし、加工後の
圧密度は十分に高いとはいえず、また粉末と溶製材との
接合強度も低いことも知られている。

【０００６】これに対し、基体となる溶製材の金属管中
に高合金粉末を充填して、金属管の口を溶接で密閉し、
１０００℃以上の高温に１時間程度加熱後、押出し加工
し、さらに１０００℃以上で圧延し、その後、軟化熱処
理を施して最終部品形状に加工して調質する方法が特告
平４−４７０２２に開示されている。この方法によれ
ば、複合特性部品の製造が可能となるが、押出し前の加
熱時間が長い上に、最終部品形状に加工するまでさらに
複数の工程を追加するために、生産性が低いという問題
がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で説明したと
おり、耐摩耗性に優れた複合部品を効率的に製造するこ
とは、従来の工法では困難であった。本発明の目的は、
緻密化された粉末焼結部による優れた耐摩耗性と、粉末
焼結部と溶製材との高い接合強度を有する複合部品を効
率よく廉価に製造する方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、高合金粉末あ
るいは高合金圧粉体の緻密化を行うにあたり、基体とな
る溶製材の高温における塑性変形を利用した。すなわ
ち、粉末あるいは圧粉体と基体となる溶製材を、高合金
粉末の融点×０．５倍以上の温度に、製造効率を落とす
ことのない短時間で加熱して、さらに最終部品に近い形
状まで同時に加工（鍛造、プレス、圧延、押出し）する
ことで、粉末あるいは圧粉体が均一に緻密化され、かつ
粉末焼結部と基体との接合強度が高い複合特性部品を製
造できることを見いだして本発明を為した。

【０００９】本発明によれば、このようにして加工した
部品を焼結炉で加熱することで、焼結密度９８％以上の
焼結部を有する複合特性部品の製造が可能になる。また
は、加工部品に静水圧加圧処理を施すことで、焼結密度
が真密度の焼結部を有する複合特性部品の製造が可能に
なる。そして、これらの複合特性部品の粉末焼結部と基
体溶製材との接合強度は、溶製材の塑性変形と粉末が溶
製材に食い込むことによる機械的なかしめ作用と粉末と
溶製材の拡散接合により、溶製材を塑性変形させないで
粉末と接合させた場合に比して著しく高いため、種々の
部品の製造に適用できる。

【００１０】また、高合金粉末の融点×０．５以上の温
度域で、基体に塑性変形を生じさせながら高合金粉末あ
るいは高合金圧粉体を圧密化させ、さらに高合金粉末の
融点×０．７以上の温度域で基体に塑性変形を生じさせ
ながら焼結と拡散接合することにより、焼結工程や熱間
静水圧加圧処理を経ることなく、真密度に近い焼結部を
有する複合部品が製造可能となる。

【００１１】ここで、耐摩耗性に優れた高合金粉末は、
炭窒化物を含む冷間工具鋼、ハイスなどが望ましいが、
基体の溶製材よりも耐摩耗性に優れており、所望の耐摩
耗性を有するものであれば、粉末の種類を問わないこと
はいうまでもない。なお、粉末の大きさは平均粒径が１
００μｍ以下であることが望ましいが、それ以上であっ
ても、加熱温度の適正化により使用できる。基体と接す
る粉末の状態は、粉体、圧粉体のいずれでもかまわな
い。基体の溶製材は、Ｆｅ基材料が好ましいが、製造部
品の耐熱性や耐食性、軽量化を考慮してＮｉ基、Ｔｉ基
の材料にも適用が可能である。

【００１２】加熱温度は、高合金粉末の融点の０．５倍
以上の温度とする必要がある。これより低温では、高合
金粉末自身の変形抵抗が高いために塑性変形量が小さく
なることにより、加工後の粉末同士の接触面積が広くな
らないため焼結が十分に進行しないことと、基体となる
溶製材の変形抵抗も下がらないことにより最終部品形状
まで基体の加工量（加工ひずみ）を増大できないこと、
さらに金型の寿命が低下することにより効率的な生産が
困難になる。

【００１３】加熱温度までの加熱時間が６００秒を越え
る場合には、部品の生産効率が著しく落ちることから１
００秒以内で加熱することが望ましい。加熱方法は低・
高周波誘導加熱方法が適しているが、このとき、加熱雰
囲気としては真空や不活性ガス雰囲気中が望ましいが、
大気中であっても粉末や圧粉体が大気に暴露されていな
いか、一部が暴露されていても粉末や圧粉体と溶製材と
の接触面が暴露されていなければ差し支えない。なお、
大気中で加熱する場合、高合金粉末中に酸素ゲッター用
としてＴｉ系の粉末を混合することもある。

【００１４】加工方法は鍛造加工により最終部品形状
か、それに準じた形状とすることが望ましいが、圧延や
押出し、伸線加工してもかまわない。この際、少なくと
も粉体や圧粉体が真密度となるような加工ひずみを付与
する。

【００１５】これらの加工を施した後、再度、高合金粉
末の融点×０．７以上の温度域で基体に塑性変形を生じ
させると、粉末焼結部および接合部の強化をそれぞれ図
ることができる。しかし、高合金粉末の融点×０．７よ
りも低い温度に加熱して加工した場合、繰返し加工の効
果は認められない。

【００１６】以上のようにして成形した最終部品形状の
加工品には、適宜必要な熱処理を施したり、最終部品形
状に準じた加工品には、切削や研削により最終部品形状
に加工した後に熱処理を施したり、必要な熱処理を施し
た後に切削や研削により最終部品形状に加工したりする
ことができる。なお、ここでの熱処理とは、焼入れ、焼
もどし、焼なまし、焼結、ＨＩＰなどであり、それらを
組み合わせてもかまわない。

【００１７】

【実施例１】熱間工具鋼（０．４％Ｃ−１．１％Ｓｉ−
５．２％Ｃｒ−１．２％Ｍｏ−０．５５％Ｖ）からなる
基体とハイス圧粉体（１．７％Ｃ−４．１％Ｃｒ−２．
０％Ｍｏ る）に示すように設置した後、１２００℃に加熱した炭
素鋼を基体の穴部に差し込み、基体の温度が１０００℃
に到達した時点（炭素鋼を差し込み後、９０秒経過）で
密閉型内でプレス加工して基体を塑性変形せしめ、ハイ
ス圧粉体を圧密化した。この複合体を１１８０℃、１０
ｋｇ／ｃｍ２で１時間保持してハイスを焼結させた。さ
らに、１１５０℃から焼入れて５５０℃の焼もどし後、
研削加工により切削用チップを作製した。

【００１８】

【比較例１】熱間工具鋼（０．４％Ｃ−１．１％Ｓｉ−
５．２％Ｃｒ−１．２％Ｍｏ−０．５５％Ｖ）からなる
基体とハイス圧粉体（１．７％Ｃ−４．１％Ｃｒ−２．
０％Ｍｏ−１４．８％Ｗ−５．１％Ｖ−７．９％Ｃｏ）
を図１に示すように設置した後、１２００℃に加熱した
炭素鋼を基体の穴部に差し込み、基体の温度が５００℃
に到達した時点（炭素鋼を差し込み後、３０秒経過）で
密閉型内でプレス加工して基体を塑性変形せしめ、ハイ
ス圧粉体を圧密化した。この複合体を１１８０℃、１０
ｋｇ／ｃｍ２で１時間保持してハイスを焼結させた。さ
らに、１１５０℃から焼入れて５５０℃の焼もどし後、
研削加工により切削用チップを作製した。

【００１９】

【比較例２】実施例１と比較例１に示したチップと、汎
用のハイス製チップ（比較例）を使用して、断続切削を
行った結果を表−１に示す。

【００２０】

【表−１】 被削材：ＳＣＭ４４０（硬さ：２８０ＨＶ）、被削材形
状：φ９０ｍｍ、幅１０ｍｍ溝７本 切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み：１．５ｍｍ、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ 寿命判定基準：逃げ面摩耗量が０．２ｍｍとなるまでの
切削時間（ｍｉｎ）

【００２１】

【実施例２】Ｔｉ合金（６．２％Ａｌ−４．１％Ｖ−残
部Ｔｉ）からなる基体と冷間工具鋼粉末（２．８％Ｃ−
１７％Ｃｒ−２．９％Ｍｏ−０．３％Ｖ）を図２（冷間
工具鋼粉 ０秒で１２００℃に加熱した後、プレス加工して基体を
塑性変形せしめ、冷間工具鋼粉体を圧密化した。その
後、１２００℃から焼入れ、５８０℃で焼もどしして、
焼結部を研削加工してタペットを作製した。

【００２２】

【比較例３】Ｔｉ合金（６．２％Ａｌ−４．１％Ｖ−残
部Ｔｉ）からなる基体と冷間工具鋼粉末（２．８％Ｃ−
１７％Ｃｒ−２．９％Ｍｏ−０．３％Ｖ）を図２に示す
ように設置した後、粉末充填近傍を高周波誘導加熱で２
０秒で５５０℃に加熱した後、プレス加工して基体を塑
性変形せしめ、冷間工具鋼粉体を圧密化した。その後、
１２００℃から焼入れ、５８０℃で焼もどしして、焼結
部を研削加工してタペットを作製した。

【００２３】

【比較例４】実施例２と比較例３に示したタペットと、
汎用の焼結ハイス（２．１％Ｃ−４．０％Ｃｒ−５．９
％Ｍｏ−１４．０％Ｗ−５．５％Ｖ−１１．９％Ｃｏ）
を浸炭肌焼鋼（０．２％Ｃ−１．１％Ｃｒ−０．１５％
Ｍｏ）にろう付けしたタペット（比較例４）を使用し
て、摩耗試験を行った結果を表−２に示す。なお、タペ
ット冠面における粗さは０．３ａ以内とした。

【００２４】

【表−２】 カム接触回数：５０００ｒｐｍ、負荷面圧：１．５ＧＰ
ａ、 耐久時間：１５０時間

【００２５】

【実施例３】Ｎｉ合金（１８．２％Ｃｒ−２．９％Ｍｏ
−５２％Ｎｉ−残部Ｆｅ）からなる基体とハイス圧粉体
（１．７％Ｃ−４．１％Ｃｒ−２．０％Ｍｏ−１４．８
％Ｗ− 設置した後、高周波誘導加熱で１０秒で１２００℃に加
熱した後、プレス加工して基体を塑性変形せしめ、ハイ
ス粉体を圧密化した。その後、直ちに高周波誘導加熱で
５秒で１２００℃に再加熱した後、プレス加工して基体
を塑性変形せしめ、ハイス粉体の圧密度を増した。引き
続き１２００℃から焼入れ、５４０℃で焼もどしして、
焼結部を研削加工して円筒状のラジアル軸受形状とし
た。

【００２６】

【比較例５】Ｎｉ合金（１８．２％Ｃｒ−２．９％Ｍｏ
−５２％Ｎｉ−残部Ｆｅ）からなる基体とハイス圧粉体
（１．７％Ｃ−４．１％Ｃｒ−２．０％Ｍｏ−１４．８
％Ｗ−５．１％Ｖ−７．９％Ｃｏ）を図３に示すように
設置した後、高周波誘導加熱で１０秒で５００℃に加熱
した後、プレス加工して基体を塑性変形せしめ、ハイス
粉体を圧密化した。その後、直ちに高周波誘導加熱で２
０秒で１２００℃に再加熱した後、プレス加工して基体
を塑性変形せしめ、ハイス粉体の圧密度を増した。引き
続き１２００℃から焼入れ、５４０℃で焼もどしして、
焼結部を研削加工して円柱状のラジアル軸受形状とし
た。

【００２７】

【比較例６】実施例３と比較例５に示したラジアル軸受
試験体と、Ｍ５０（０．７８％Ｃ−０．３％Ｓｉ−４．
１％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ１．０％Ｖ）製ラジアル軸受
（比較６）を使用して、転動疲労試験を行った結果を表
−３に示す。

【００２８】

【表−３】 面圧：５．２ＧＰａ、回転数：１８００ｒｐｍ、 潤滑油：オートマチックフルード、油温：１８０℃ 寿命判定：１０％累積破損確立に至る繰返し数

【００２９】

【実施例４】炭素鋼（０．２％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−
０．５％Ｍｎ−残部Ｆｅ）からなる基体とハイス圧粉体
（１．５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−４．１％Ｃｒ−５．０％
Ｍｏ−３． 填近傍を高周波誘導加熱で２０秒で１２００℃に加熱し
た後、プレス加工して基体を塑性変形せしめ、ハイス粉
体を圧密化した。その後、直ちに高周波誘導加熱で５秒
で１２００℃に再加熱した後、プレス加工して基体を塑
性変形せしめ、ハイス粉体の圧密度を増した。引き続き
１１８０℃から焼入れ、５４０℃で焼もどしして、焼結
部を研削加工して歯車の歯形を成形した。

【００３０】

【比較例７】炭素鋼（０．２％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−
０．５％Ｍｎ−残部Ｆｅ）からなる基体とハイス圧粉体
（１．５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−４．１％Ｃｒ−５．０％
Ｍｏ−３．１％Ｖ）を図４に示すように設置した後、粉
末充填近傍を高周波誘導加熱で１０秒で６００℃に加熱
した後、プレス加工して基体を塑性変形せしめ、ハイス
粉体を圧密化した。その後、１１８０℃から焼入れ、５
４０℃で焼もどしして、焼結部を研削加工して歯車の歯
形を成形した。

【００３１】

【比較例８】実施例４と比較例４に示した歯車と、肌焼
鋼を浸炭した歯車（比較例８）を使用して、歯車疲労試
験を行った結果を表−４に示す。

【００３２】

【表−４】 歯形：並歯、モジュール：２．５、歯数：２８ 潤滑油：オートマチックフルード、油温：９０℃ 疲れ限度：１０^７回繰返しで未破損歯車の歯元曲げ応力

【００３３】

【発明の効果】本発明によって、高価な高合金粉末の使
用量を最低限に抑えることが可能となり、高合金粉末の
特性を最大限に発揮できるような圧密度の高い焼結部を
有し、基体と焼結部との接合強度の高い部品を廉価に製
造することができる。また、このような複合特性部品の
適用は、高合金粉末焼結部の優れた特性により、たとえ
ば部品自体の小型化、軽量化を達成せしめ、これにより
同部品が適用される機械構造体の小型化、軽量化も可能
となる。さらに工具などに適用すれば、経済性、省資源
の見地からも効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗性に優れた高合金粉末あるいは高
   合金圧粉体と、基体となる溶製材とからなり、高合金粉
   末あるいは高合金圧粉体と基体とを接した状態で、高合
   金粉末の融点×０．５以上の温度域に６００秒以内に加
   熱した後、基体に塑性変形を生じさせながら高合金粉末
   あるいは高合金圧粉体を圧密化することを特徴とする複
   合特性部品の製造方法。
2. 【請求項２】 耐摩耗性に優れた高合金粉末あるいは高
   合金圧粉体と、基体となる溶製材とからなり、高合金粉
   末あるいは高合金圧粉体と基体とを接した状態で、高合
   金粉末の融点×０．５以上の温度域に６００秒以内に加
   熱した後、基体に塑性変形を生じさせながら高合金粉末
   あるいは高合金圧粉体を圧密化させ、さらに高合金粉末
   の融点×０．７以上の温度域で基体に塑性変形を生じさ
   せながら焼結と拡散接合することを特徴とする複合特性
   部品の製造方法。