JP2006219706A - Heat-treated iron based sintered component and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱処理鉄系焼結部品およびその製造方法に関し、特に、粉末冶金法により得られた鉄系焼結体を熱処理して得られた熱処理鉄系焼結部品およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heat-treated iron-based sintered part and a method for producing the same, and more particularly to a heat-treated iron-based sintered part obtained by heat-treating an iron-based sintered body obtained by powder metallurgy and a method for producing the same. is there.
粉末冶金法により得られる鉄系焼結合金は、溶解鋳造では製造し難い組成を得られ、また切削などをせずにニアネットシェイプの機械部品を製造できるなどの利点があるため、最近では従来の鉄系鋳造合金に代わって種々の分野で機械部品として利用されつつある。 The iron-based sintered alloy obtained by the powder metallurgy method has an advantage that a composition that is difficult to manufacture by melt casting can be obtained, and that it is possible to manufacture near net shape mechanical parts without cutting, etc. Instead of these iron-based cast alloys, they are being used as machine parts in various fields.
また、さらに高い強度と硬度を必要とする場合には、鉄系焼結体に焼入れや焼戻しなどの熱処理を行なうことができ、熱処理することによって高強度化および高硬度化した熱処理鉄系焼結体はオイルポンプのような部品に使用されている。ところが、熱処理鉄系焼結体はマルテンサイト変態していることから変形抵抗が大きく、変形能も低いため、サイジングやコイニングによる寸法矯正が極めて難しく、寸法精度の更なる向上が極めて困難である。 In addition, when higher strength and hardness are required, heat treatment such as quenching and tempering can be performed on the iron-based sintered body, and heat-treated iron-based sintering that has been increased in strength and hardness by heat treatment. The body is used for parts like oil pumps. However, since the heat-treated iron-based sintered body has undergone martensite transformation and has a large deformation resistance and a low deformability, dimensional correction by sizing and coining is extremely difficult, and further improvement in dimensional accuracy is extremely difficult.
そこで従来は、高強度や高硬度を必要とする熱処理鉄系焼結部品を製造する場合には、鉄系焼結体にサイジングやコイニングを施した後、熱処理を行ない、その後さらに高い寸法精度を必要とする箇所に切削などの機械加工を加えて所望の寸法精度が達成されている。 Therefore, conventionally, when manufacturing heat-treated iron-based sintered parts that require high strength and hardness, heat treatment is performed after sizing and coining the iron-based sintered body, and then higher dimensional accuracy is achieved. Desired dimensional accuracy is achieved by applying machining such as cutting to a required portion.
しかし、この方法においては、サイジングまたはコイニングの際の残留応力が後工程の熱処理中に開放されるため寸法精度が大きく劣化するという問題や、高い寸法精度を得るために切削などの機械加工が必要となるため加工費などが増加するという問題があった。 However, in this method, the residual stress during sizing or coining is released during the heat treatment in the subsequent process, so that dimensional accuracy is greatly deteriorated, and machining such as cutting is required to obtain high dimensional accuracy. Therefore, there has been a problem that processing costs increase.
上記問題を解決する方法が、たとえば特開平７−１３８６１３号公報（特許文献１参照）に開示されている。この公報に記載された方法は、鉄系焼結体をオーステナイト化した後に冷却して焼入れし、その冷却過程で所定の温度域に達したときに焼入れ体を取り出し、金型を用いてサイジングまたはコイニングを行なうと共にマルテンサイト変態を終了させる方法である。またこの公報には、１７０℃の温度に加熱したサイジング金型を用いて寸法矯正することが記載されている。
上記の公報に記載された方法では、サイジング金型を加熱するため、型内圧縮時に十分な急冷が得られず、焼入れ体の焼入れが甘くなるという問題がある。 In the method described in the above publication, since the sizing mold is heated, there is a problem that sufficient quenching cannot be obtained during in-mold compression, and quenching of the quenched body becomes sweet.
また金型温度がワークの持ってくる熱によって変動し易く、そのために寸法精度が劣化するという問題もある。 There is also a problem that the mold temperature is likely to fluctuate due to the heat brought by the workpiece, and therefore the dimensional accuracy deteriorates.
それゆえ本発明の目的は、十分な焼入れを施すことができることにより製品の硬度と強度とを向上させることができるとともに、寸法ばらつきを低減することができる熱処理鉄系焼結部品およびその製造方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a heat-treated iron-based sintered part capable of improving the hardness and strength of a product by being sufficiently quenched and reducing dimensional variations, and a method for manufacturing the same. Is to provide.
本発明の熱処理鉄系焼結部品の製造方法は、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）が５０℃以上３５０℃以下の温度域にある鉄系焼結体を、オーステナイト化温度（Ａｅ１点）以上の温度でオーステナイト化した後、マルテンサイト変態が出現する冷却速度で冷却して、その冷却過程で、金型を用いて前記鉄系焼結体のサイジングまたはコイニングを行なうと共にマルテンサイト変態を終了させ、そのサイジングまたはコイニングの際に金型を温度制御して冷却することを特徴とするものである。 The method for producing a heat-treated iron-based sintered part according to the present invention is such that an iron-based sintered body having a martensite transformation start point (Ms point) in a temperature range of 50 ° C. to 350 ° C. After austenitizing at the temperature of the steel, the steel is cooled at a cooling rate at which martensitic transformation appears. During the cooling process, the iron-based sintered body is sized or coined using a mold and the martensitic transformation is terminated. In the sizing or coining, the mold is cooled by controlling the temperature.
本発明の熱処理鉄系焼結部品の製造方法によれば、サイジングまたはコイニングの際に金型が温度制御されて冷却されるため、十分な急冷を得ることが可能となる。このため、焼結体に十分な焼入れを施すことが可能となり、製品の強度と硬度とを向上させることができる。また焼結体の持ってくる熱を冷却によって相殺するように金型温度を制御できるため、寸法ばらつきを抑制することができる。 According to the method for manufacturing a heat-treated iron-based sintered part of the present invention, the die is cooled by controlling the temperature at the time of sizing or coining, so that sufficient rapid cooling can be obtained. For this reason, it becomes possible to perform sufficient hardening to a sintered compact, and the intensity | strength and hardness of a product can be improved. In addition, since the mold temperature can be controlled so as to cancel the heat generated by the sintered body by cooling, dimensional variations can be suppressed.
また、高い寸法精度を得るために、最終工程である熱処理工程において、同時にサイジングまたはコイニングによる寸法矯正が行なわれる。すなわち、鉄系焼結体を冷却したときの温度がマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）に達するまでの冷却過程中は、結晶組織が炭素固溶度の高いｆｃｃ構造のオーステナイト領域にある。このため、鉄系焼結体の変形抵抗が低く、変形能が高いため、サイジングまたはコイニングにより塑性変形を与えることで気孔を潰し、密度を上げると同時に、寸法精度の高い熱処理鉄系焼結部品を得ることができる。 In addition, in order to obtain high dimensional accuracy, dimensional correction by sizing or coining is simultaneously performed in the heat treatment process which is the final process. That is, during the cooling process until the temperature when the iron-based sintered body is cooled reaches the martensite transformation start point (Ms point), the crystal structure is in the austenite region of the fcc structure having a high carbon solid solubility. For this reason, because the iron-based sintered body has low deformation resistance and high deformability, plastic deformation is applied by sizing or coining to crush pores, increase density, and heat-treated iron-based sintered parts with high dimensional accuracy. Can be obtained.
すなわち、Ａｅ１点以下でかつＭｓ点以上の温度で鉄系焼結体のサイジングまたはコイニングを行なうと、鉄系焼結体が金型の温度近くまで冷却され、かつサイジングやコイニングの加圧力によりＭｓ点が上昇して、マルテンサイト変態が誘起される。この結果、マルテンサイト変態により高強度化および高硬度化が達成されると同時に、サイジングまたはコイニングにより寸法矯正され、しかもマルテンサイト変態が終了した後に金型から取り出されるため、金型寸法のままの熱処理鉄系焼結部品を得ることができる。 That is, when the iron-based sintered body is sized or coined at a temperature not higher than the Ae point and not lower than the Ms point, the iron-based sintered body is cooled to a temperature close to the mold temperature, and Ms is applied by the sizing or coining pressure. The point rises and a martensitic transformation is induced. As a result, high strength and high hardness are achieved by the martensitic transformation, and at the same time, the dimensions are corrected by sizing or coining, and after the martensitic transformation is completed, they are taken out from the mold. A heat-treated iron-based sintered part can be obtained.
サイジングまたはコイニングを開始する際に鉄系焼結体の温度がマルテンサイト変態開始点より低くなると、マルテンサイト変態が開始されるため変形抵抗が増大し、鉄系焼結体の気孔を潰すことによる寸法の矯正が困難となる。また、サイジングまたはコイニングの際に鉄系焼結体の温度がオーステナイト化温度（Ａｅ１点）以下にならないと、サイジングやコイニングの終了時までにマルテンサイト変態が完了しないことが多いので、寸法矯正と同時に高強度化および高硬度化を図ることが難しい。 When the temperature of the iron-based sintered body becomes lower than the martensite transformation start point when sizing or coining is started, the martensite transformation is started, so the deformation resistance increases, and the pores of the iron-based sintered body are crushed. It becomes difficult to correct the dimensions. In addition, if the temperature of the iron-based sintered body is not lower than the austenitizing temperature (Ae1 point) during sizing or coining, the martensitic transformation is often not completed by the end of sizing or coining. At the same time, it is difficult to achieve high strength and high hardness.
本発明方法により、Ｍｓ点以上Ａｅ１点以下の温度域にある鉄系焼結体をサイジングまたはコイニングを行ない、マルテンサイト化により高強度化するためには、鉄系焼結体のマルテンサイト変態が５０℃以上３５０℃以下の温度域で出現する必要がある。その理由は、鉄系焼結体のマルテンサイト変態開始点が５０℃より低い場合には、サイジングまたはコイニング中にマルテンサイト変態が完了せず、金型からノックアウトした後にマルテンサイト変態することがあるからである。また、マルテンサイト変態開始点が３５０℃を越える場合には、サイジングまたはコイニングによる寸法矯正が終わらないうちに、金型への放熱によりマルテンサイト変態が進行するため、十分な寸法矯正を行なうことができないからである。 In order to increase the strength of martensite by sizing or coining an iron-based sintered body in the temperature range of Ms point or more and Ae1 point or less by the method of the present invention, the martensitic transformation of the iron-based sintered body is It needs to appear in a temperature range of 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. The reason for this is that when the martensitic transformation start point of the iron-based sintered body is lower than 50 ° C., the martensitic transformation is not completed during sizing or coining, and the martensitic transformation may occur after knocking out from the mold. Because. In addition, when the martensitic transformation start point exceeds 350 ° C., the dimensional correction by sizing or coining is not completed and the martensitic transformation proceeds by heat dissipation to the mold, so that sufficient dimensional correction can be performed. It is not possible.
さらに、粉末冶金法で製造した鉄系焼結体は一般的に気孔を含むので、サイジングまたはコイニングが可能であるが、その気孔率が５％未満では寸法矯正のために要する変形が部品内部にまでおよび、残留歪が大きくなるうえ変形抵抗が大きくなる。また、気孔率が２０％を越えると機械的特性が低下して、サイジングやコイニングおよび熱処理を行なっても強度等の特性が満足すべきものとならない。従って、鉄系焼結体の気孔率は５％以上２０％以下の範囲であることが好ましい。 Furthermore, since iron-based sintered bodies manufactured by powder metallurgy generally contain pores, sizing or coining is possible. However, if the porosity is less than 5%, deformation required for dimensional correction may occur inside the part. And the residual strain increases and the deformation resistance increases. On the other hand, when the porosity exceeds 20%, the mechanical properties are deteriorated, and the properties such as strength are not satisfactory even when sizing, coining and heat treatment are performed. Therefore, the porosity of the iron-based sintered body is preferably in the range of 5% to 20%.
上記の熱処理鉄系焼結部品の製造方法において好ましくは、金型は内環と外環とを有し、内環と外環との間に冷却媒体を通すための溝が形成されており、溝に冷却媒体を通すことにより金型が冷却される。 Preferably, in the manufacturing method of the heat-treated iron-based sintered part, the mold has an inner ring and an outer ring, and a groove for passing a cooling medium is formed between the inner ring and the outer ring, The mold is cooled by passing a cooling medium through the groove.
これにより、サイジングまたはコイニングの際に金型を温度制御して冷却することが可能となる。 This makes it possible to cool the mold by controlling the temperature during sizing or coining.
上記の熱処理鉄系焼結部品の製造方法において好ましくは、鉄系焼結体は、１質量％以上６質量％以下のＮｉを有し、Ｎｉが不均一に分布していることによりマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）が鉄系焼結体中の場所により分布している。 Preferably, in the manufacturing method of the heat-treated iron-based sintered part, the iron-based sintered body has 1% by mass or more and 6% by mass or less of Ni, and the non-uniform distribution of Ni causes martensitic transformation. The starting point (Ms point) is distributed depending on the location in the iron-based sintered body.
このようにＮｉの濃度分布によりマルテンサイト変態開始点が鉄系焼結体中の各場所により異なるため、冷却と共に部分的にマルテンサイト変態が生じていくことになる。このため、金型に入れる直前の温度が多少ばらついて、組成上のマルテンサイト変態開始点より下の温度でサイジングまたはコイニングを行なっても、十分に変形能力があり寸法精度に影響がでない。 As described above, since the martensitic transformation start point varies depending on each location in the iron-based sintered body due to the Ni concentration distribution, the martensitic transformation partially occurs with cooling. For this reason, even if sizing or coining is performed at a temperature lower than the martensitic transformation start point on the composition, the temperature immediately before being put in the mold is somewhat varied, and there is a sufficient deformation capacity and the dimensional accuracy is not affected.
またＮｉは熱処理鉄系焼結部品の主に硬度を向上させるために加えられている。このため、Ｎｉ含有量が１質量％未満では熱処理鉄系焼結部品の硬度が不十分となり、６質量％を越えると硬度向上の効果が飽和してしまう。よってＮｉ含有量は１質量％以上６質量％以下であることが好ましい。 Ni is added mainly to improve the hardness of heat-treated iron-based sintered parts. For this reason, if the Ni content is less than 1% by mass, the hardness of the heat treated iron-based sintered part becomes insufficient, and if it exceeds 6% by mass, the effect of improving the hardness is saturated. Therefore, the Ni content is preferably 1% by mass or more and 6% by mass or less.
なお鉄系焼結体の組成は特に上記に制限されるものではなく、炭素鋼の組成であっても合金鋼の組成であってもよいが、当然のこととして、熱処理によりマルテンサイト変態を起こして強度および硬度を高めるために炭素は必須の元素である。 The composition of the iron-based sintered body is not particularly limited to the above, and may be a carbon steel composition or an alloy steel composition. Naturally, the martensitic transformation is caused by heat treatment. Carbon is an essential element for increasing strength and hardness.
本発明の熱処理鉄系焼結部品は、表面がサイジング肌またはコイニング肌であって、かつ表面硬度がＨＲＡ６０以上で、かつ機械加工を行なわない状態で単体の寸法ばらつきが呼び寸法の０．０５％以内であり、かつ材料中のＮｉの濃化部が点在することを特徴とするものである。 The heat-treated iron-based sintered part of the present invention has a sizing skin or coining skin, a surface hardness of HRA60 or higher, and a single dimensional variation of 0.05% of the nominal dimension when not machined. And concentrated portions of Ni in the material are scattered.
本発明の熱処理鉄系焼結部品によれば、硬度と強度とが高く、かつ寸法ばらつきが少ない熱処理鉄系焼結部品を得ることができる。 According to the heat-treated iron-based sintered part of the present invention, it is possible to obtain a heat-treated iron-based sintered part having high hardness and strength and little dimensional variation.
また従来の熱処理によりマルテンサイト化した後にサイジングまたはコイニングを行なう方法では、マルテンサイト化後の引張強度が８０ｋｇ／ｍｍ2以上、表面硬度がＨＲＡで６０以上となる鉄系焼結体はサイジングまたはコイニングが困難である。これに対して、上記の本発明方法では鉄系焼結体のサイジングまたはコイニングをオーステナイト領域で行なうので、サイジングまたはコイニングに支障はない。よって、本発明方法は従来困難であった上記引張強度および表面硬度以上のものについて特に有効であると言える。 In the conventional method of sizing or coining after martensite is formed by heat treatment, an iron-based sintered body having a tensile strength after martensite of 80 kg / mm 2 or more and a surface hardness of 60 or more by HRA is sized or coined. Is difficult. In contrast, in the above-described method of the present invention, since sizing or coining of the iron-based sintered body is performed in the austenite region, there is no problem in sizing or coining. Therefore, it can be said that the method of the present invention is particularly effective for the above-described tensile strength and surface hardness that have been difficult.
以上説明したように本発明の熱処理鉄系焼結部品およびその製造方法によれば、十分な焼入れを施すことができることにより製品の硬度と強度とを向上させることができるとともに、寸法ばらつきを低減することができる。 As described above, according to the heat-treated iron-based sintered part and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to improve the hardness and strength of the product by being sufficiently quenched, and to reduce the dimensional variation. be able to.
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は本発明の一実施の形態における熱処理鉄系焼結部品の製造方法を示すブロック図であり、図２は本発明の一実施の形態における熱処理鉄系焼結部品の製造方法を説明するための焼結体温度と時間との関係を示す図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a method for manufacturing a heat-treated iron-based sintered part in one embodiment of the present invention, and FIG. 2 explains a method for manufacturing a heat-treated iron-based sintered part in one embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship between the sintered compact temperature for this, and time.
図１を参照して、まず鉄系焼結体が準備される（ステップＳ１）。この鉄系焼結体の準備にあたっては、粉末冶金法に従って、通常のごとく原料粉末を混合し、その成形体を焼結することにより鉄系焼結体が製造される。この鉄系焼結体は、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）が５０℃以上３５０℃以下の温度域となるように準備される。 Referring to FIG. 1, first, an iron-based sintered body is prepared (step S1). In preparing the iron-based sintered body, according to the powder metallurgy method, the raw material powders are mixed as usual, and the formed body is sintered to produce the iron-based sintered body. This iron-based sintered body is prepared so that the martensite transformation start point (Ms point) is in a temperature range of 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower.
原料粉末の少なくとも一部は、たとえば図３に示すように鉄系粉末１の表面にＮｉ２を拡散接合させた部分拡散合金粉末であることが好ましい。この鉄系粉末１はＮｉ２との接合部にＮｉの拡散部分１ａを有している。なお、図３では、説明の便宜上、１つの鉄系粉末１に１つのＮｉ２が拡散接合した状態を示しているが、複数のＮｉ２が１つの鉄系粉末１に拡散接合していてもよい。この鉄系合金粉末より得られた鉄系焼結体は、たとえば１質量％以上６質量％以下のＮｉを有し、Ｎｉが不均一に分布していることによりマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）が鉄系焼結体中の場所により分布している。
At least a part of the raw material powder is preferably a partial diffusion alloy powder in which Ni2 is diffusion bonded to the surface of the iron-based
図１および図２を参照して、上記のように準備された鉄系焼結体が、サイジングやコイニングを施すことなくオーステナイト化温度（Ａｅ１点）以上の温度に加熱され（ステップＳ２）、オーステナイト化処理される。すなわち、サイジングやコイニングに先立って鉄系焼結体がオーステナイト化される。これにより、焼結体を一旦常温まで降温する必要はなく、しかも一般に焼結温度はオーステナイト化温度（Ａｅ１点）よりも高温度域であるから、焼結工程後に焼結体をマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）以下に冷却させず、そのままＡｅ１点以上の温度でオーステナイト化することが可能であり、これによりエネルギーの効率化を図ることができる。
Referring to FIGS. 1 and 2, the iron-based sintered body prepared as described above is heated to a temperature equal to or higher than the austenitizing temperature (Ae1 point) without sizing or coining (step S2), and austenite. Is processed. That is, the iron-based sintered body is austenitized prior to sizing and coining. As a result, it is not necessary to lower the temperature of the sintered body to room temperature, and since the sintering temperature is generally higher than the austenitizing temperature (
鉄系焼結体のオーステナイト化処理は、焼結体組成によって定まるＡｅ１点以上に焼結体を加熱保持することにより行なわれる。加熱方法は一般的なバッチ式やベルト式の加熱炉などを用いることが可能である。しかし、サイジングまたはコイニング工程での鉄系焼結体の実体温度の管理精度が重要であるため、加熱条件の正確な設定が可能でかつエネルギー効率の高い誘導加熱が適している。 The austenitizing treatment of the iron-based sintered body is performed by heating and holding the sintered body at an Ae1 point or higher determined by the sintered body composition. As a heating method, a general batch type or belt type heating furnace can be used. However, since the management accuracy of the actual temperature of the iron-based sintered body in the sizing or coining process is important, the heating conditions can be set accurately and induction heating with high energy efficiency is suitable.
オーステナイト化処理された鉄系焼結体は、マルテンサイト変態が出現する冷却速度で、たとえば１０℃／秒を越えるような冷却速度となるようにたとえば油によって冷却される（ステップＳ３）。なお、冷却によって鉄系焼結体の温度がＭｓ点より低下してはならないし、ベイナイト変態が生じるような温度に保持することは避けねばならない。冷却によって鉄系焼結体の温度がＭｓ点以上Ａｅ１点以下の温度域となったとき、冷却途中で鉄系焼結体は取り出され、サイジングまたはコイニングのための金型へ搬送される（ステップＳ４）。 The austenitized iron-based sintered body is cooled by, for example, oil so that a martensite transformation appears at a cooling rate exceeding 10 ° C./second, for example (step S3). It should be noted that the temperature of the iron-based sintered body must not drop below the Ms point by cooling, and must be kept at a temperature at which bainite transformation occurs. When the temperature of the iron-based sintered body becomes a temperature range of Ms point or more and Ae1 point or less by cooling, the iron-based sintered body is taken out in the middle of cooling and transported to a die for sizing or coining (step) S4).
この後、鉄系焼結体は金型を用いてサイジングまたはコイニングされて寸法矯正され（ステップＳ５）、マルテンサイト変態を終了させる。その際、サイジングまたはコイニングの圧力はたとえば２ｔ／ｃｍ2以上１０ｔ／ｃｍ2以下の範囲とすることが好ましい。この圧力が２ｔ／ｃｍ2未満では十分な寸法矯正が行なえず、１０ｔ／ｃｍ2を越えると金型寿命が短くなるほか、金型のひずみにより得られる部品の寸法精度が劣化するからである。 Thereafter, the iron-based sintered body is sized or coined using a mold to correct the dimensions (step S5), and the martensitic transformation is completed. At that time, the sizing or coining pressure is preferably in the range of 2 t / cm 2 to 10 t / cm 2, for example. If the pressure is less than 2 t / cm 2 , sufficient dimensional correction cannot be performed, and if it exceeds 10 t / cm 2 , the mold life is shortened and the dimensional accuracy of the parts obtained due to the distortion of the mold is deteriorated.
また、サイジングまたはコイニングの際に金型は温度制御されて冷却される。冷却された金型の温度は１０℃以上１００℃未満であることが好ましい。金型の温度が１０℃未満では大掛かりな設備が必要となりコストの面で好ましくなく、１００℃以上では十分な焼入れを施すことができず、かつ寸法ばらつきを低減することが難しいからである。 In addition, the mold is cooled by temperature control during sizing or coining. The temperature of the cooled mold is preferably 10 ° C. or higher and lower than 100 ° C. This is because if the mold temperature is less than 10 ° C., large-scale equipment is required, which is not preferable in terms of cost, and if it is 100 ° C. or more, sufficient quenching cannot be performed and it is difficult to reduce dimensional variations.
また金型は温度制御を可能とするために、たとえば図４および図５に示す構成を有している。図４は温度制御可能な金型の構成を示す概略平面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う概略断面図である。図４および図５を参照して、金型２０は、たとえば外環２１と内環２２とを有している。外環２１と内環２２との間には冷却媒体を通すための溝２１ａが形成されている。この溝２１ａは、たとえば外環２１の内周面に形成されており、かつ螺旋状に形成されている。外環２１と内環２２とはたとえば焼き嵌めにより接合されており、この接合によって溝２１ａの内周側は内環２２によって閉じられている。溝２１ａには冷却媒体を供給・排出するための供給・排出口２１ｂ、２１ｃの各々が接続されている。
The mold has a structure shown in FIGS. 4 and 5, for example, in order to enable temperature control. FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of a mold whose temperature can be controlled, and FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 4 and 5, the
なお上記においては溝２１ａおよび供給・排出口２１ｂ、２１ｃの各々が外環２１に設けられた構成について説明したが、内環２２に設けられていてもよい。また外環２１と内環２２とは異なる材料からなっていることが好ましく、この場合、外環２１はたとえば鋼よりなり、内環２２はたとえば超硬合金よりなってい。
In the above description, the configuration in which each of the
また上記の金型２０の溝２１ａに冷却媒体を通すことにより、サイジングまたはコイニングの際に金型２０は温度制御されて冷却されるが、溝２１ａ内に通す冷却媒体には冷却された水、ガスなどを用いることができる。
Further, by passing the cooling medium through the
上記の方法により製造された熱処理鉄系焼結部品の組織は、原料粉末として図３に示す部分拡散合金粉末を用いた場合には図６に示すような組織となる。図６を参照して、焼結前において、Ｎｉ粉末２は鉄系粉末１の表面に存在し、鉄系粉末１同士の間には空隙３が存在する。焼結によって、Ｎｉ粉末２は図中矢印で示すように鉄系粉末１内へ拡散し、これによって鉄系粉末１の結晶粒界同士が繋がる。その結果、熱処理鉄系焼結部品の組織において、鉄系粉末１におけるＮｉ粉末２のあった部分との接合部にはＮｉの拡散部分１ａが存在している。Ｎｉ粉末２であった部分からＮｉの拡散部分１ａ側へＮｉ濃度は徐々に低くなっており、Ｎｉの濃度分布が生じている。そして、Ｎｉ粉末２であった部分はＮｉ濃度の高いＮｉ濃化部として熱処理鉄系焼結部品中に点在している。
The structure of the heat-treated iron-based sintered part manufactured by the above method becomes a structure as shown in FIG. 6 when the partial diffusion alloy powder shown in FIG. 3 is used as the raw material powder. Referring to FIG. 6, before sintering,
このようなＮｉの濃化組織を有する熱処理鉄系焼結部品は、機械加工を行なわない状態で表面硬度がＨＲＡ６０以上であり、かつ単体の寸法ばらつきが呼び寸法の０．０５％以内である。 The heat-treated iron-based sintered part having such a Ni-enriched structure has a surface hardness of HRA60 or more in a state in which machining is not performed, and the dimensional variation of a single unit is within 0.05% of the nominal dimension.
この後、機械加工が施されてもよい。 This may be followed by machining.
本実施の形態によれば、鉄系焼結体のサイジングまたはコイニングの際に金型２０が温度制御されて冷却されるため、十分な急冷を得ることが可能となる。このため、鉄系焼結体に十分な焼入れを施すことが可能となり、製品の強度と硬度とを向上させることができる。また鉄系焼結体の持ってくる熱を冷却によって相殺するように金型２０の温度を制御できるため、寸法ばらつきを抑制することができる。
According to the present embodiment, since the
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
まず、以下の３種類の合金粉末を準備した。 First, the following three types of alloy powders were prepared.
（１）Ｆｅ−４質量％Ｎｉ−１．５質量％Ｃｕ−０．５質量％Ｍｏ−０．６質量％Ｃ （Ｎｉ部分拡散合金粉）
（２）Ｆｅ−２質量％Ｎｉ−１質量％Ｍｏ （Ｎｉ部分拡散合金粉）
（３）Ｆｅ−１質量％Ｎｉ−０．３質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｏ−０．６質量％Ｃ （完全合金粉）
上記の合金粉末（１）〜（３）の各々を、潤滑材、ステアリン酸亜鉛を０．８質量％添加して成形した。成形密度を７．０ｇ／ｃｍ3とし、成形後の形状を外径φ５０ｍｍ×内径φ３５ｍｍ×厚さ１０ｍｍのリング状とした。この成形体をブタン変成ガス雰囲気中において１１３０℃の温度で２０分間焼結して鉄系焼結体を得た。
(1) Fe-4 mass% Ni-1.5 mass% Cu-0.5 mass% Mo-0.6 mass% C (Ni partial diffusion alloy powder)
(2) Fe-2 mass% Ni-1 mass% Mo (Ni partial diffusion alloy powder)
(3) Fe-1 mass% Ni-0.3 mass% Cu-0.3 mass% Mo-0.6 mass% C (complete alloy powder)
Each of the alloy powders (1) to (3) was molded by adding 0.8% by mass of a lubricant and zinc stearate. The molding density was 7.0 g / cm 3, and the shape after molding was a ring shape having an outer diameter of φ50 mm × an inner diameter of φ35 mm × a thickness of 10 mm. This molded body was sintered in a butane modified gas atmosphere at a temperature of 1130 ° C. for 20 minutes to obtain an iron-based sintered body.
次に、この鉄系焼結体を８８０℃でオーステナイト化した後、８０℃に温度制御された油中に投入して冷却し、鉄系焼結体の温度が３００℃になった時点で油中から取り出して金型へ搬送した。金型は図４および図５に示すものを用い、循環水を溝２１ａ内に通すことで金型２０の温度を２０℃に温度制御し冷却した。この金型２０内に３００℃の鉄系焼結体をすぐに挿入し、サイジングを行なった。このサイジングにおいては、金型２０内で鉄系焼結体が冷却され、マルテンサイト変態が生じ、金型２０から抜き出した時の鉄系焼結体の温度は６０℃程度であった。
Next, the iron-based sintered body is austenitized at 880 ° C., and then cooled in oil whose temperature is controlled at 80 ° C. When the temperature of the iron-based sintered body reaches 300 ° C., the oil is sintered. It was taken out from the inside and conveyed to the mold. The mold shown in FIGS. 4 and 5 was used, and the temperature of the
比較例２、３、５および６では、逆に金型を加熱し、それぞれ１００℃、１５０℃、１００℃、１５０℃に温度制御した状態でサイジングを行なった。比較例２、３、５および６のそれぞれを金型から抜き出した直後の温度はそれぞれ１００℃、１５０℃、１００℃、１５０℃であった。なお比較例２および３は上記（１）の合金粉末を原料とし、比較例５および６は上記（３）の合金粉末を原料とした。 In Comparative Examples 2, 3, 5 and 6, on the contrary, the mold was heated, and sizing was performed in a state where the temperatures were controlled at 100 ° C., 150 ° C., 100 ° C. and 150 ° C., respectively. The temperatures immediately after each of Comparative Examples 2, 3, 5 and 6 were extracted from the mold were 100 ° C, 150 ° C, 100 ° C and 150 ° C, respectively. In Comparative Examples 2 and 3, the alloy powder of (1) was used as a raw material, and in Comparative Examples 5 and 6, the alloy powder of (3) was used as a raw material.
また比較例１および４には、サイジングを行なわず、通常の油焼入れを行なった。この油焼入れは、８８０℃に加熱した後、８０℃の油中で８５℃まで冷却することにより行なった。なお比較例１は上記（１）の合金粉末を原料とし、比較例４は上記（３）の合金粉末を原料とした。 In Comparative Examples 1 and 4, normal oil quenching was performed without sizing. This oil quenching was performed by heating to 880 ° C. and then cooling to 85 ° C. in 80 ° C. oil. In Comparative Example 1, the alloy powder of (1) was used as a raw material, and in Comparative Example 4, the alloy powder of (3) was used as a raw material.
以下の表１に各試料の原料粉末、熱処理条件および金型温度を示す。 Table 1 below shows the raw material powder, heat treatment conditions, and mold temperature of each sample.
各試料について、上記の熱処理後に２００℃の温度で１時間の焼戻しを行なった後に、寸法精度および硬度の測定と、組織観察とを行なった。その結果を以下の表２に示す。なお表２における各数値は、最大値と最小値との差の呼び寸法（外径φ５０ｍｍ、内径φ３５ｍｍ）を測定した値であり、その単位はｍｍである。つまり、表２における単体外径ばらつきの項目および個体間外径ばらつきの項目における各数値は、単体外径ばらつきまたは個体間外径ばらつきを測定し、その最大値と最小値との差を求めた値であり、また表２における単体内径ばらつきの項目および個体間内径ばらつきの項目における各数値は、単体内径ばらつきまたは個体間内径ばらつきを測定し、その最大値と最小値との差を求めた値である。 Each sample was tempered at a temperature of 200 ° C. for 1 hour after the heat treatment, and then subjected to measurement of dimensional accuracy and hardness, and observation of the structure. The results are shown in Table 2 below. Each numerical value in Table 2 is a value obtained by measuring a nominal dimension (outer diameter φ50 mm, inner diameter φ35 mm) of the difference between the maximum value and the minimum value, and its unit is mm. In other words, the numerical values in the items of single unit outer diameter variation and individual outer diameter variation in Table 2 were measured for single unit outer diameter variation or individual outer diameter variation, and the difference between the maximum value and the minimum value was obtained. The values in the items of single-body inner diameter variation and individual inner-diameter variation in Table 2 are values obtained by measuring the individual inner-diameter variation or individual inner-diameter variation, and calculating the difference between the maximum value and the minimum value. It is.
また単体外径および内径のばらつきの各々は、リング状試料の外径および内径のそれぞれを３０°おきに径方向で６方向測定した際の最大値と最小値との差である。また個体間外径または内径のばらつきは、３０個のリング状試料の外径および内径を、それぞれ直角に交差する方向で各２箇所測定し、６０個の測定データの最大値と最小値との差である。 Further, each of the variation in the single body outer diameter and inner diameter is the difference between the maximum value and the minimum value when the outer diameter and the inner diameter of the ring-shaped sample are measured in six directions in the radial direction every 30 °. In addition, the variation in the outer diameter or inner diameter between individuals was measured by measuring the outer diameter and inner diameter of 30 ring-shaped samples at two points each in a direction intersecting at right angles, and the maximum and minimum values of 60 measurement data. It is a difference.
また表２における表面硬度ＨＲＡは５つの試料の平均値である。 The surface hardness HRA in Table 2 is an average value of five samples.
表１および表２より、本発明例はいずれも単体外径ばらつきが０．０２０以下であるのに対して、比較例はいずれも単体外径ばらつきが０．０２５を越えており、単体外径ばらつきを呼び寸法で除した値が０．０５％を越えていることが分かる。また本発明例はいずれも単体内径ばらつきが０．０１６以下であるのに対して、比較例はいずれも単体内径ばらつきが０．０２０を越えており、単体内径ばらつきを呼び寸法で除した値が０．０５％を超えていることが分かる。特に本発明例１および２はいずれも単体外径ばらつきが０．０１３以下であり、単体内径ばらつきが０．０１０以下であることが分かる。 From Tables 1 and 2, the inventive examples all have a single-body outer diameter variation of 0.020 or less, while the comparative examples both have a single-body outer diameter variation of more than 0.025. It can be seen that the value obtained by dividing the variation by the nominal size exceeds 0.05%. In addition, all of the examples of the present invention have a single-body inner diameter variation of 0.016 or less, while all of the comparative examples have a single-body inner-diameter variation of more than 0.020. It turns out that it exceeds 0.05%. In particular, it can be seen that, in both inventive examples 1 and 2, the single-body outer diameter variation is 0.013 or less, and the single-body inner diameter variation is 0.010 or less.
本発明例１および２はいずれも個体間外径ばらつきが０．０３９以下であるのに対して、比較例はいずれも個体間外径ばらつきが０．０４７以上であり、個体間外径ばらつきを呼び寸法で除した値が０．０８％を越えていることが分かる。また本発明例１および２はいずれも個体間内径ばらつきが０．０３８以下であるのに対して、比較例はいずれも個体間内径ばらつきが０．０４５以上であり、個体間内径ばらつきを呼び寸法で除した値が０．０８％を越えていることが分かる。 Inventive Examples 1 and 2 both have an inter-individual outer diameter variation of 0.039 or less, while the Comparative Examples both have an inter-individual outer-diameter variation of 0.047 or more. It can be seen that the value divided by the nominal dimension exceeds 0.08%. Inventive Examples 1 and 2 both have an inner diameter variation between individuals of 0.038 or less, while all of the comparative examples have an inner diameter variation between individuals of 0.045 or more. It can be seen that the value divided by is over 0.08%.
また本発明例はいずれも、表面硬度がＨＲＣ６０以上であることが分かる。 Moreover, it turns out that all the examples of this invention have surface hardness of HRC60 or more.
本発明例１および２は、部分拡散合金粉末を原料としており、Ｎｉの濃化部が組織上存在する。Ｎｉ濃度の分布があるため、マルテンサイトの変態開始点が各場所毎に異なり、冷却と共に部分的マルテンサイト変態が生じていく。そのため、多少、金型に入れる直前の焼結体の温度がばらついて組成上のマルテンサイト変態開始点より下の温度でサイジングを行なっても、十分に変形能力があり、寸法精度に影響が出ない。 Inventive Examples 1 and 2 use partially diffused alloy powder as a raw material, and Ni enriched portions exist in the structure. Due to the distribution of Ni concentration, the martensite transformation start point varies from place to place, and partial martensite transformation occurs with cooling. For this reason, even if sizing is performed at a temperature lower than the martensitic transformation start point in the composition because the temperature of the sintered body just before being put into the mold varies, there is sufficient deformation capacity, which affects the dimensional accuracy. Absent.
本発明例３は完全合金粉末を原料としておりマルテンサイト変態開始点が各場所によって変わらない。そのため、必ずマルテンサイト変態開始点よりも上の温度でサイジングを行なわなければならない。温度が高く熱容量が大きいため、金型の冷却能力に限界がある場合には製造が困難である。また金型内で冷却中にマルテンサイト変態開始点以下になると、途端にマルテンサイト変態を起こし、硬度が上昇するため、サイジングの途中で硬さが上昇しすぎ、変形能力が不足する場合がある。そのマルテンサイト変態開始点を通過するポイントが、サイジングの加圧中のどの時点かで寸法精度がばらつくこともある（圧力の最終到達点か、上昇過程のどこかで寸法が変わる）。冷却途中で油中から取り出してくる温度がある程度ばらつくため、寸法精度はばらつきやすい。 In Invention Example 3, the complete alloy powder is used as a raw material, and the martensitic transformation start point does not change depending on each place. Therefore, sizing must be performed at a temperature above the martensitic transformation start point. Since the temperature is high and the heat capacity is large, it is difficult to manufacture if the cooling capacity of the mold is limited. Also, if the temperature falls below the martensite transformation start point during cooling in the mold, the martensite transformation occurs immediately and the hardness increases, so the hardness increases too much during sizing, and the deformation capacity may be insufficient. is there. The dimensional accuracy may vary at any point during the sizing pressurization at the point passing the martensitic transformation start point (the dimension changes at the final point of pressure or somewhere in the rising process). Since the temperature taken out from the oil during cooling varies to some extent, the dimensional accuracy tends to vary.
比較例１および４は通常の焼き入れ（金型で拘束しない）で熱処理されるため、寸法歪みが生じる。焼き入れ後にサイジングを行なおうとしても、硬度が高く変形しないため、寸法矯正ができず、かつ金型との焼き付きが生じる。 Since Comparative Examples 1 and 4 are heat-treated by normal quenching (not constrained by a mold), dimensional distortion occurs. Even if sizing is performed after quenching, since the hardness is high and deformation does not occur, dimensional correction cannot be performed and seizure with the mold occurs.
比較例２および３では、金型を加熱して金型の温度を高くしているため、金型内での焼結体の冷却速度が低下し、若干の硬度低下が生じる。また金型から抜き出した後の温度が１００℃以上であるため、そこから大気中での冷却過程でマルテンサイト変態による変形が生じて寸法精度が劣化する。 In Comparative Examples 2 and 3, since the mold is heated to raise the mold temperature, the cooling rate of the sintered body in the mold decreases, and a slight decrease in hardness occurs. Moreover, since the temperature after extracting from a metal mold | die is 100 degreeC or more, in the process of cooling in air | atmosphere, the deformation | transformation by a martensitic transformation will arise and dimensional accuracy will deteriorate.
比較例５および６においても比較例２および３と同様であるが、比較例５および６では原料に完全合金粉末を用いているため比較例２および３よりも若干、寸法精度が悪くなる。 The comparative examples 5 and 6 are the same as the comparative examples 2 and 3. However, since the complete alloy powder is used as the raw material in the comparative examples 5 and 6, the dimensional accuracy is slightly worse than the comparative examples 2 and 3.
また本発明例１および２の組織の顕微鏡写真を図７に示す。図７を参照して、矢印で示す白色の小さい部分がＮｉの濃化部である。 Moreover, the microscope picture of the structure | tissue of this invention example 1 and 2 is shown in FIG. Referring to FIG. 7, a small white portion indicated by an arrow is a Ni concentration portion.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明の熱処理鉄系焼結部品およびその製造方法は、高い硬度および強度と少ない寸法ばらつきとを要求される熱処理鉄系焼結部品およびその製造方法に特に有利に適用され得る。 The heat-treated iron-based sintered part and the manufacturing method thereof according to the present invention can be particularly advantageously applied to a heat-treated iron-based sintered part and a method for manufacturing the heat-treated iron-based sintered part that require high hardness and strength and small dimensional variations.
１ 鉄系粉末（鉄系粉末であった部分）、１ａ Ｎｉ拡散部分、２ Ｎｉ（Ｎｉ粉末であった部分：Ｎｉ濃化部）、３ 空隙、２０ 金型、２１ 外環、２１ａ 溝、２１ｂ，２１ｃ 供給・排出口、２２ 内環。 1 Iron-based powder (part that was iron-based powder), 1a Ni diffusion part, 2 Ni (part that was Ni powder: Ni concentrated part), 3 void, 20 mold, 21 outer ring, 21a groove, 21b , 21c Supply / discharge port, 22 Inner ring.
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