焼結鍛造体
【課題】疲労強度が低下することを防止することが可能な焼結鍛造体を提供する。
【解決手段】混合粉４０を圧縮することで粉末成形体９０を成形し、粉末成形体９０を焼結した後で鍛造することにより成形されるコンロッド１（焼結鍛造体）であって、粉末成形体９０は、粉末成形体９０は、ウェブ部９１（基部）と上下方向（混合粉４０が圧縮される方向）に沿ってウェブ部９１から突出するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒ（凸部）と、を具備し、粉末成形体９０におけるリブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定した。
【解決手段】混合粉４０を圧縮することで粉末成形体９０を成形し、粉末成形体９０を焼結した後で鍛造することにより成形されるコンロッド１（焼結鍛造体）であって、粉末成形体９０は、粉末成形体９０は、ウェブ部９１（基部）と上下方向（混合粉４０が圧縮される方向）に沿ってウェブ部９１から突出するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒ（凸部）と、を具備し、粉末成形体９０におけるリブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合粉を圧縮することで成形される粉末成形体を、焼結した後で鍛造する焼結鍛造体の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、所定の金属の粉末等を混合することで構成される混合粉を加工することで成形される焼結鍛造体の技術は公知となっている。このような焼結鍛造体の技術は、例えば、コンロッドを成形するときに用いられる。
【０００３】
特許文献１に記載された技術は、コンロッドを成形するための技術である。特許文献１に記載された技術では、混合粉からコンロッドの圧粉体を成形するときに、コンロッドの棒部に対応する部分に凸部を形成する。当該凸部の高さは、コンロッドの高さが一番高い部分である大端部側面と同一の高さに形成される。
このように構成されるコンロッドの圧粉体は、鍛造時に凸部が押し潰される。これにより、コンロッドの凸部に対応する部分およびその近傍の密度は上昇するため、凸部に対応する部分およびその近傍の強度を向上できる。
【０００４】
特許文献１に記載された技術では、圧粉体を成形する工程についての記載がないが、金型を用いて圧粉体を成形する等、所定の工程を経て圧粉体を成形していると考えられる。
金型を用いて圧粉体を成形する場合、例えば、図１２に示すようなダイ型１６０・１６０、金型１７０、および金型１８０が用いられる。
ダイ型１６０・１６０は、それぞれコンロッドの側面の形状に沿って形成される。また、金型１７０は、コンロッドの下面の形状に沿って形成される。そして、金型１８０は、コンロッドの上面の形状に沿って形成される。金型１７０および金型１８０は、上下方向に往復移動可能に構成される。
【０００５】
圧粉体を成形する際には、金型１８０を上方向に移動させ、ダイ型１６０・１６０および金型１７０に囲まれる空間を形成する。そして、その空間に混合粉１４０を投入した状態で、金型１８０を下方向に移動させるとともに金型１７０を上方向に移動させる。これにより、混合粉１４０に対して所定の圧力を加えて、混合粉１４０を圧縮し圧粉体１９０を成形する。
【０００６】
このように成形される圧粉体１９０は、コンロッドの形状に対応する。また、圧粉体１９０には、ウェブ部１９１およびリブ部１９２・１９２・１９２・１９２が形成される。リブ部１９２・１９２・１９２・１９２は、それぞれウェブ部１９１よりやや大きく突出する。このような圧粉体１９０のリブ部１９２・１９２・１９２・１９２の密度は、それぞれウェブ部１９１の密度よりも低くなる。
このように構成される圧粉体１９０を焼結加熱後鍛造すると、鍛造時に用いられる水溶性型潤滑剤の水分が水蒸気として密度の低い部分であるリブ部１９２・１９２・１９２・１９２に多く侵入する。つまり、リブ部１９２・１９２・１９２・１９２の内部において、その表面近傍が酸化してしまう（以下、「内部酸化」とする）。
【０００７】
つまり、特許文献１に開示されるようなコンロッドの圧粉体では、鍛造したときに密度の低い部分であるリブ部においてその多くの部分が内部酸化してしまう。この場合、内部酸化の影響を受けて、コンロッドの疲労強度が低下する場合があるという点で不利であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１９９２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、疲労強度が低下することを防止することが可能な焼結鍛造体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１においては、混合粉を圧縮することで粉末成形体を成形し、該粉末成形体を焼結した後で鍛造することにより成形される焼結鍛造体であって、前記粉末成形体は、基部と前記混合粉が圧縮される方向に沿って前記基部から突出する凸部と、を具備し、前記粉末成形体における前記凸部の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定するものである。
【００１１】
請求項２においては、前記粉末成形体の有する強度が、前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度未満のとき、前記基部より突出する前記凸部の突出寸法を、前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度以上に設定するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、鍛造時における焼結鍛造体の表面近傍の内部酸化による影響を低減できるため、焼結鍛造体の疲労強度が低下することを防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コンロッドの全体的な構成を示す平面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図。
【図３】コンロッドを成形する工程を示すフロー図。
【図４】粉末成形工程で混合粉を圧縮する前の状態を示す説明図。
【図５】粉末成形工程で混合粉を圧縮した状態を示す説明図。
【図６】鍛造工程で粉末成形体を鍛造する状態を示す説明図。
【図７】粉末成形体の密度と未焼結部の面積率の相関を示すグラフ図。
【図８】空孔を示す説明図。（ａ）密度が６．５ｇ／ｃｍ３のワークの空孔を示す図。（ｂ）密度が７．２ｇ／ｃｍ３のワークの空孔を示す図。
【図９】リブ部およびウェブ部の高さを示す説明図。（ａ）従来のリブ部の高さを示す図。（ｂ）本実施形態のリブ部の高さを示す図。
【図１０】リブ部の高さとリブ部の密度の相関を示すグラフ図。
【図１１】リブ部の密度が６．５ｇ／ｃｍ３となるようにリブ部の高さを変更した粉末成形体を成形する前の状態を示す説明図。
【図１２】従来の混合粉を圧縮した状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る焼結鍛造体の実施の一形態であるコンロッド１について、図面を参照して説明する。
【００１５】
なお、以下では、説明の便宜上、図２における紙面の上方向を「上方」として上下方向を規定する。また、図２における紙面の左方向を「左方」として左右方向を規定する。
【００１６】
コンロッド１は、エンジンのピストンの往復運動をクランクシャフトの回転に変換するためのものである。図１に示すように、コンロッド１は、コラム部１０と大端部２０と小端部３０とを備える。
【００１７】
図１および図２に示すように、コラム部１０は、大端部２０と小端部３０との間に形成される略棒状の部分であり、断面視において、略Ｈ状に形成される。コラム部１０には、ウェブ部１１およびリブ部１２Ｌ・１２Ｌ・１２Ｒ・１２Ｒが形成される。
【００１８】
ウェブ部１１は、コラム部１０の上下中央部に形成され、断面視略長方形状を有する。
【００１９】
リブ部１２Ｌ・１２Ｌは、それぞれコラム部１０の左端部に形成され、ウェブ部１１の上面および下面より外側に向かって突出するように形成される。リブ部１２Ｒ・１２Ｒは、それぞれコラム部１０の右端部に形成され、ウェブ部１１の上面および下面より外側に向かって突出するように形成される。
つまり、ウェブ部１１の上面に形成されるリブ部１２Ｌ・１２Ｒは、ウェブ部１１より上方向に向かって突出する。また、ウェブ部１１の下面に形成されるリブ部１２Ｌ・１２Ｒは、ウェブ部１１より下方向に向かって突出する。
また、リブ部１２Ｌ・１２Ｌおよびリブ部１２Ｒ・１２Ｒは、互いに同一の形状を有する。
【００２０】
大端部２０は、コンロッド１の一端部に形成され、クランクシャフトに嵌装可能な大端孔２１が形成される。
【００２１】
小端部３０は、コンロッド１の他端部に形成され、ピストンに連結可能な小端孔３１が形成される。
【００２２】
次に、コンロッド１を成形する工程について説明する。
【００２３】
まず、図３、図４、および図５に示すように、粉末成形工程が行われる。粉末成形工程では混合粉４０を圧縮して粉末成形体９０を成形する（Ｓ１１０）。混合粉４０は、所定の金属の粉末等を混合することで構成される。また、粉末成形体９０は、粉末成形装置５０によって成形される。
混合粉４０は、例えば鉄粉末、黒鉛粉末、銅粉末、およびステアリン酸亜鉛粉末を混合したものである。
【００２４】
粉末成形装置５０は、ダイ型６０・６０、金型７０、および金型８０を具備する。
【００２５】
ダイ型６０・６０の成形面は、それぞれコンロッド１の側面に沿った形状を有する。ダイ型６０・６０は、所定の駆動源に接続されて、上下方向に沿って往復移動可能に構成される。
【００２６】
金型７０の成形面は、コンロッド１の下面側の形状に沿った形状を有する。
金型７０においては、コンロッド１の断面視にて上下方向にやや大きな凹凸が形成される部分、すなわち、本実施形態におけるコンロッド１のコラム部１０に対応する部分に、凸部７１および凹部７２Ｌ・７２Ｒが形成される。
【００２７】
金型７０の凸部７１は、金型７０の左右中央部から上方向に突出する。また、金型７０の凸部７１は、その突出寸法がコンロッド１のリブ部１２Ｌ・１２Ｒのウェブ部１１からの突出寸法よりもやや小さくなるように突出する。
【００２８】
金型７０の凹部７２Ｌは、凸部７１に対して下方へ凹んでおり、金型７０の左端部に形成される。金型７０の凹部７２Ｌの左端部は、平面状に形成される。また、金型７０の凹部７２Ｒは、金型７０の右端部に形成される点を除いて、金型７０の凹部７２Ｌと同様に構成される。
【００２９】
このような金型７０は、所定の駆動源に接続されて、上下方向に沿って往復移動可能に構成される。
【００３０】
金型８０の成形面は、コンロッド１の上面側の形状に沿った形状を有する。
金型８０においては、コンロッド１の断面視にて上下方向にやや大きな凹凸が形成される部分、すなわち、本実施形態におけるコンロッド１のコラム部１０に対応する部分に、凸部８１および凹部８２Ｌ・８２Ｒが形成される。
【００３１】
金型８０の凸部８１は、金型８０の左右中央部から下方向に突出する。金型８０の凸部８１は、金型７０の凸部７１と突出方向が逆ではあるが同一の形状を有する。
【００３２】
金型８０の凹部８２Ｌは、凸部８１に対して上方へ凹んでおり、金型８０の左端部に形成される。金型８０の凹部８２Ｌの左端部は、平面状に形成される。また、金型８０の凹部８２Ｒは、金型８０の右端部に形成される点を除いて、凹部８２Ｌと同様に構成される。金型８０の凹部８２Ｌ・８２Ｒは、それぞれ金型７０の凹部７２Ｌ・７２Ｒと同一の形状を有する。
【００３３】
このような金型８０は、所定の駆動源に接続されて、上下方向に沿って往復移動可能に構成される。
【００３４】
粉末成形工程において、粉末成形装置５０は、金型８０を上方に移動させて、金型８０を金型７０より離間させる。また、金型７０は、混合粉４０を投入する前に、粉末成形体９０に必要な混合粉量となるように、一旦上昇させる。そして、ダイ型６０・６０および金型７０に囲まれる空間に混合粉４０を投入する。このとき、混合粉４０は、粉箱で投入され、粉箱の下面ですり切ることによってダイ型６０・６０の上面に沿って水平に投入される。
そして、図５に示すように、金型８０を下方に移動させることにより、所定の圧力で混合粉４０を圧縮する。このとき、金型７０は、所定の距離だけ下方に移動した後で停止して、位置固定となる。また、ダイ型６０・６０は、金型８０の移動距離の約半分程度下方に移動する。これにより、混合粉４０が圧縮されて、コンロッド１の粉末成形体９０が形成される。
【００３５】
粉末成形体９０には、コンロッド１のウェブ部１１に対応するウェブ部９１およびコンロッド１のリブ部１２Ｌ・１２Ｌ・１２Ｒ・１２Ｒに対応するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒが形成される。
【００３６】
図２および図５に示すように、粉末成形体９０のウェブ部９１の上下寸法（厚み寸法）は、コンロッド１のウェブ部１１の上下寸法（厚み寸法）よりもやや大きくなるように形成されている。
【００３７】
粉末成形体９０の上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、それぞれその高さが上側のコンロッド１のリブ部１２Ｌ・１２Ｒの高さよりもやや低くなるようにウェブ部９１より上方向（外側）に向かって突出する。つまり、上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒのウェブ部９１からの突出寸法が、上側のリブ部１２Ｌ・１２Ｒのウェブ部１１からの突出寸法よりもやや小さくなるように形成されている。
また、本実施形態では、粉末成形体９０の上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒが圧縮される方向は下方向となる。つまり、粉末成形体９０の上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、圧縮される方向に沿ってウェブ部９１から突出する。
【００３８】
一方、粉末成形体９０の下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、それぞれその高さがコンロッド１の下側のリブ部１２Ｌ・１２Ｒの高さよりもやや低くなるようにウェブ部９１より下方向（外側）に向かって突出する。つまり、下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒのウェブ部９１からの突出寸法が、下側のリブ部１２Ｌ・１２Ｒのウェブ部１１からの突出寸法よりもやや小くなるように形成されている。
また、本実施形態では、粉末成形体９０の下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒが圧縮される方向は下方向となる。つまり、粉末成形体９０の下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、圧縮される方向に沿ってウェブ部９１から突出する。
このように、粉末成形体９０では、ウェブ部９１を基部として、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒがウェブ部９１の上下外側へ突出する。
【００３９】
このような粉末成形体９０の上下寸法（厚み寸法）は、従来技術にあるような圧粉体１９０の上下寸法（厚み寸法）と比較して、全体的にやや小さくなるように形成されている。より詳細には、圧粉体１９０のウェブ部１９１に対する粉末成形体９０のウェブ部９１の厚み寸法の差よりも、圧粉体１９０のリブ部１９２・１９２・１９２・１９２に対する粉末成形体９０のリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの厚み寸法の差の方が大きくなる。
【００４０】
ここで、図４および図５に示すように、金型７０の凹部７２Ｌ・７２Ｒの形状および金型８０の凹部８２Ｌ・８２Ｒの形状は、互いに同一である。このため、粉末成形体９０の各リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの形状は同一となる。つまり、金型７０の凹部７２Ｌおよび金型８０の凹部８２Ｌによって圧縮される混合粉４０Ｌの量および金型７０の凹部７２Ｒおよび金型８０の凹部８２Ｒによって圧縮される混合粉４０Ｒの量は、同じ量である。
【００４１】
このため、粉末成形体９０を成形したときのリブ部９２Ｌ・９２Ｌの圧縮率およびリブ部９２Ｒ・９２Ｒにおける混合粉４０の圧縮率は同一となる。従って、リブ部９２Ｌ・９２Ｌの密度Ｄ２・Ｄ２およびリブ部９２Ｒ・９２Ｒの密度Ｄ２・Ｄ２は同一となる。
なお、以下において、各リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの密度Ｄ２・Ｄ２・Ｄ２・Ｄ２は、単に「リブ部の密度Ｄ２」とする。
また、本実施形態のリブ部の密度Ｄ２は、７．２ｇ／ｃｍ３となる。
【００４２】
一方、金型７０の凸部７１は、金型７０の凹部７２Ｌよりも上方向に突出している。また、ダイ型６０・６０および金型７０に囲まれる空間に混合粉４０を投入したとき、混合粉４０は、その下端部においては金型７０の形状に沿っているが、その上端部においてはダイ型６０の上面の高さ位置と同じ高さ位置に沿っており、混合粉４０の上面は略平面状となっている。
従って、金型７０の凸部７１および金型８０の凸部８１に圧縮される混合粉４０Ｃと、金型７０の凹部７２Ｌおよび金型８０の凹部８２Ｌに圧縮される混合粉４０Ｌとを比較した場合、混合粉４０Ｌは、金型８０の凸部８１の高さだけ少ない割合で圧縮されることとなる。つまり、成形された粉末成形体９０においては、ウェブ部９１のみが形成される部分とリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒが形成される部分とでは、混合粉４０の圧縮度合いが異なる。
【００４３】
このため、粉末成形体９０を成形したとき、混合粉４０Ｌに対応する部分において、混合粉４０Ｃに対応する部分よりも混合粉４０の圧縮率が低くなる。粉末成形体９０の密度を測定した結果、ウェブ部の密度Ｄ１が、リブ部の密度Ｄ２よりも高くなった。つまり、本実施形態のウェブ部の密度Ｄ１は、７．２ｇ／ｃｍ３よりも高くなる。つまり、凹凸を粉末成形体９０に成形すると、当該凸部においてその密度が低くなる。
【００４４】
粉末成形工程で粉末成形体９０が成形された後で、図３に示すように、粉末成形体９０は、焼結加熱工程において焼結される（Ｓ１２０）。より詳細には、粉末成形体９０の成形後に、金型７０および金型８０を互いに離間させ、粉末成形体９０を粉末成形装置５０から取り出す。粉末成形装置５０から取り出した粉末成形体９０をロボット等で焼結炉に搬送し、当該焼結炉内で所定の温度まで加熱した状態で所定の間保持する。これにより、混合粉４０は結合する。つまり、粉末成形体９０は焼結される。
【００４５】
粉末成形体９０は、焼結工程で焼結された後に、鍛造工程において鍛造される（Ｓ１３０）。より詳細には、焼結された粉末成形体９０は、ロボット等で鍛造装置８５に搬送される。そして、図６に示すように、粉末成形体９０は、所定の温度まで加熱された状態で、水溶性型潤滑剤が吹き付けられた鍛造金型８５ａ・８５ａによって圧縮されることにより、コンロッド１の形状となるように塑性変形される。より詳細には、鍛造後の粉末成形体９０は、ウェブ部９１の厚み寸法が小さくなるとともに、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法が大きくなって、コンロッド１の外形寸法に沿った形状となる。
【００４６】
粉末成形体９０は、鍛造した後で、後処理工程が行われる（Ｓ１４０）。より詳細には、コラム部１０の面取り（バリ取り）、ショットピーニング、および検査が行われる。これにより、コンロッド１が成形される。
【００４７】
以上のような工程を経て成形されるコンロッド１の内部において、その表面近傍が酸化する。以下では、このようなコンロッド１の酸化を「内部酸化」とする。
コンロッド１の引張破面に対して、内部酸化している面積の割合が大きい場合、（例えば３０％）コンロッド１は、その影響を受けて疲労強度が低下してしまう。
以下において、鍛造工程で内部酸化した部分と粒界空孔を「未焼結部」とし、コンロッド１の引張破面に対する未焼結部の面積の割合を「未焼結部面積率」とする。
【００４８】
次に、混合粉４０を圧縮して成形した粉末成形体９０の密度を変更したときの未焼結部面積率を測定した結果について説明する。測定では、混合粉４０を圧縮して所望の密度の略長方形状のワーク（粉末成形体）を成形し、当該ワークに対して前述した焼結工程および鍛造工程を行った。そして、当該ワークの引張破面を測定した。
【００４９】
なお、以下において、図８（ａ）に示す密度が６．５ｇ／ｃｍ３の粉末成形体であるワークを「ワークＷ１」とし、図８（ｂ）に示す密度が７．２ｇ／ｃｍ３の粉末成形体であるワークを「ワークＷ２」とする。
【００５０】
図７に示すように、ワークの密度が低いとき、未焼結部面積率が高くなった。例えば、ワークの密度が６．５ｇ／ｃｍ３のとき、未焼結部面積率が約３０％となった（図７に示す点Ｐ１参照）。
【００５１】
これは、ワークに形成される複数の空孔９３・９３・・・の影響によるものである。図８に示すように、複数の空孔９３・９３・・・は、粉末成形工程で混合粉４０を圧縮したときに、ワークの内側に形成される。
【００５２】
複数の空孔９３・９３・・・は、ワークの密度と相関がある。より詳細には、図８（ａ）に示すように、ワークＷ１のような密度が低いワークでは、ワークの断面に対して複数の空孔９３・９３・・・が占める割合が大きくなる。一方、図８（ｂ）に示すように、ワークＷ２のような密度が高いワークでは、ワークＷ１のような密度が低いワークに比べて、空孔９３・９３・・・の大きさが小さいとともに数が少ないため、ワークの断面に対して複数の空孔９３・９３・・・が占める割合が小さくなる。
つまり、複数の空孔９３・９３・・・は、ワークの密度が高くなるにつれて、ワークの断面に対して占める割合が小さくなる。
【００５３】
鍛造工程では、前述のように鍛造金型８５ａ・８５ａに水溶性型潤滑剤が吹き付けられる（図６参照）。このとき、鍛造装置８５内は、所定の温度まで加熱されているため、水溶性型潤滑剤に含まれる水分は蒸発する。当該蒸発した水分は、焼結された粉末成形体９０の複数の空孔９３・９３・・・に浸入し、ワークの表面近傍が内部酸化する。
【００５４】
つまり、粉末成形体９０の密度が６．５ｇ／ｃｍ３である場合には、鍛造工程時に焼結された粉末成形体９０の表面近傍の複数の空孔９３・９３・・・内に多くの蒸発した水分が浸入し、空孔９３・９３・・・内に浸入した水分により、粉末成形体９０の表面近傍の多くの部分で内部酸化してしまう。
実験結果によれば、粉末成形体９０の密度が６．５ｇ／ｃｍ３となるコンロッド１では、その表面近傍が約３０％内部酸化してしまう。この場合、当該内部酸化の影響でコンロッド１の疲労強度が低下する場合がある。
【００５５】
一方、ワークの密度が高いとき、未焼結部面積率が低くなった。例えば、ワークＷ２の密度が７．２ｇ／ｃｍ３のとき、未焼結部面積率が約１％となった（図７に示す点Ｐ２参照）。
【００５６】
図８（ｂ）に示すように、密度が高いワークＷ２では、ワークの断面に対して複数の空孔９３・９３・・・が占める面積の割合が小さくなる。
【００５７】
つまり、粉末成形体９０の密度が７．２ｇ／ｃｍ３である場合には、鍛造工程時に複数の空孔９３・９３・・・に蒸発した水分が侵入しにくくなる。このため、鍛造工程時に焼結された粉末成形体９０の表面近傍でほとんど内部酸化しない。
実験結果によれば、粉末成形体９０の密度が７．２ｇ／ｃｍ３となるコンロッド１では、その表面近傍が約１％だけ内部酸化する。この場合、内部酸化の影響が非常に小さくなるため、コンロッド１の疲労強度が低下しない。
【００５８】
このように、粉末成形体９０の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上にすることで、内部酸化の影響をほとんど受けなくなる。つまり、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００５９】
ここで、前述のように、リブ部の密度Ｄ２は、ウェブ部の密度Ｄ１よりも低くなる。つまり、リブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上にすることで、ウェブ部の密度Ｄ１も７．２ｇ／ｃｍ３以上となる。従って、粉末成形体９０全体の密度が７．２ｇ／ｃｍ３よりも高くなるため、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００６０】
次に、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を変更したときの、リブ部の密度Ｄ２の変化を測定した結果について説明する。
【００６１】
なお、以下において、図９（ａ）に示すような、コラム部１０の上面および下面の形状に対応する粉末成形体９０のウェブ部９１の厚み寸法を「ウェブ部の高さＨ１０」とし、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を「リブ部の高さＨ２０」とする。また、図９（ｂ）に示すように、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を、高さＨ２０を基準として変更した場合の変更幅を「幅α」とする。
【００６２】
図１０に示すように、幅αを大きくするにつれて、換言すれば、リブ部の高さＨ２０を小さくするにつれて、リブ部の密度Ｄ２は高くなった。
【００６３】
これは、粉末成形工程において、ダイ型６０・６０および金型７０に囲まれる空間に投入される混合粉４０の上端部の形状が、金型８０の形状に沿っていないことに起因する。
【００６４】
例えば、図１１に示すように、リブ部の高さＨ２０の粉末成形体９０を成形する場合、粉末成形装置５０では、金型７０の凸部７１の突出寸法が高さＨ２０となる金型７０を用いる。また、金型８０の凸部８１の突出寸法が高さＨ２０となる金型８０を用いる。
【００６５】
この場合、金型８０の凸部８１は、金型８０の凹部８２Ｌよりも高さＨ２０だけ下方向に突出している。このため、混合粉４０を圧縮したときに、ウェブ部９１に対して金型８０の凸部８１の突出寸法（高さＨ２０）だけリブ部の密度Ｄ２が低くなる。
【００６６】
一方、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法が高さＨ２０より幅αだけ小さい（つまりリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法は（Ｈ２０−α））粉末成形体９０を成形する場合、粉末成形装置５０では、金型７０の凸部７１の突出寸法が高さＨ２０より幅αだけ低い金型７０を用いる。また、金型８０の凸部８１の突出寸法が高さＨ２０より幅αだけ低い金型８０を用いる。
【００６７】
この場合も、金型８０の凸部８１は、金型８０の凹部８２Ｌよりも高さＨ２０から幅αを減じた寸法だけ下方向に突出している。このため、混合粉４０を圧縮したときに、ウェブ部に対して金型８０の凸部８１の突出寸法（Ｈ２０−α）だけリブ部の密度Ｄ２が低くなる。
このとき、金型８０の凸部８１の突出寸法を高さＨ２０から幅αだけ低くしたことにより、リブ部９２Ｌ・９２Ｌにおける混合粉４０Ｌの圧縮率が、ウェブ部９１における混合粉４０Ｃの圧縮率に近くなる（図４および図１１参照）。
つまり、粉末成形体９０を成形したときのリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの圧縮率は、例えばウェブ部９１の厚み寸法が一定であれば、幅αが大きくなるにつれて高くなる。つまり、リブ部の密度Ｄ２は、幅αを大きくすることで高くなる。
【００６８】
例えば、従来技術にあるようなコンロッド１の形状に対応した形状に粉末成形体９０を成形した場合、幅αが小さい（０ｍｍとなる）ため、当該粉末成形体９０のリブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３よりも低くなる（図１２参照）。
一方、本実施形態の粉末成形体９０では、リブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３となるように、粉末成形体９０のリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を幅αだけ低く設定する。
【００６９】
このような幅αを図１０に示す点Ｐ３まで大きくすることで、リブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３となる場合、幅αが当該点Ｐ３から幅αの最大値である点Ｐ４までの間の大きさとなるように調整することで、コンロッド１の内部酸化を防止できる。
【００７０】
また、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を同じ条件（混合粉４０の量および混合粉４０にかける圧力等が同一等）で幅αだけ小さくするときに、ウェブ部９１の厚み寸法を大きくする場合、粉末成形体９０の厚み寸法が変わらないようにすると（つまり図９（ｂ）においてウェブ部９１の厚み寸法を幅α×２だけ大きくすると）混合粉４０Ｌにおいて、混合粉４０の圧縮率が変化しない。このため、リブ部の密度Ｄ２は変化しない。
つまり、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を幅αだけ小さくするときにウェブ部９１の厚み寸法を大きくする場合、粉末成形体９０の厚み寸法を従来技術にあるような圧粉体１９０の厚み寸法よりも小さくなるようにする（変更幅を幅α×２よりも小さくなるようにする）必要がある。
【００７１】
このような幅αに対応するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法Ｈ１１は次式となる。
Ｈ１１＝Ｈ２０−α
また、幅αに対応するウェブ部９１の突出寸法Ｈ１２を算出する式として、次式が導かれた。
Ｈ１２＝Ｈ１０＋β×α（β＝０．８〜１．２）
【００７２】
以上より、粉末成形体９０のリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を所定の幅（幅α）だけ低くなるように設定するとともに、上記式を用いて粉末成形体９０のウェブ部９１の厚み寸法を設定する粉末成形体９０を成形することで、リブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定する。これにより、コンロッド１の内部酸化を防止できるため、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００７３】
つまり、粉末成形体９０のうち密度が７．２ｇ／ｃｍ３未満となるような幅がやや大きな凹凸に対して、当該凹凸の幅を適宜設定することで、粉末成形体９０全体の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定できる。これにより、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００７４】
このように、粉末成形体９０は、ウェブ部９１（基部）と上下方向（混合粉４０が圧縮される方向の反対方向）に向かってウェブ部９１から突出するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒ（凸部）と、を具備し、粉末成形体９０におけるリブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定する粉末成形体として機能する。
【００７５】
このように構成することにより、鍛造時にコンロッド１（焼結鍛造体）の内部酸化を防止できるため、焼結鍛造体の疲労強度の低下を防止できる。
【００７６】
なお、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を０ｍｍに近くなるまで低くした場合、リブ部の密度Ｄ２は、７．２ｇ／ｃｍ３以上となるが、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を低くした分だけ抗折強度が低下する。
【００７７】
つまり、粉末成形体９０が壊れやすくなる（粉末成形体９０を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度未満となる）ため、焼結工程において粉末成形体９０を焼結炉へ投入するとき等に粉末成形体９０が壊れる可能性がある。また、コンロッド１を鍛造する場合、コンロッド１の形状に成形しにくくなる。
【００７８】
つまり、コンロッド１のロバスト性を向上させるという観点より、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度未満となるようなリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法である場合、その突出寸法をより大きくすることが好ましい。このとき、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度以上となるようにリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を設定することで、コンロッド１のロバスト性を向上できる。
【００７９】
このように、粉末成形体９０は、粉末成形体９０の有する強度が、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度未満のとき、ウェブ部９１より突出するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度以上に設定するものである。
【００８０】
このように構成することにより、粉末成形体９０の強度を向上できるとともに、鍛造工程において粉末成形体９０を容易に成形できる。つまり、焼結鍛造体のロバスト性を向上できる。
【００８１】
なお、本実施形態では、焼結鍛造体としてコンロッド１を成形したが、これに限定されるものでない。すなわち、焼結鍛造体は、混合粉４０を圧縮して粉末成形体９０を成形し、当該粉末成形体９０を焼結した後で鍛造する部材に対して広く適用可能である。特に、コンロッド１のような剛性が必要であるとともに、形状の小さい部材に対して用いることが好ましい。
【００８２】
また、混合粉４０の分量および材料等を変更した場合においても、当該変更した混合粉４０の粉末成形体９０のリブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３以上となるように、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を設定するとともに、上記式に基づいてウェブ部９１の厚み寸法を設定すればよい。この場合、粉末成形装置５０の金型７０および金型８０で混合粉４０を圧縮する圧力を変更することで、リブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３以上の粉末成形体９０を成形できる。
【符号の説明】
【００８３】
１ コンロッド（焼結鍛造体）
１０ コラム部
１１ ウェブ部
１２Ｌ・１２Ｒ リブ部
４０ 混合粉
９０ 粉末成形体
９１ ウェブ部（基部）
９２Ｌ・９２Ｒ リブ部（凸部）
Ｄ１ ウェブ部の密度
Ｄ２ リブ部の密度（凸部の密度）
Ｈ１０ ウェブ部の厚み寸法
Ｈ２０ リブ部の上下寸法（凸部の突出寸法）
α 幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合粉を圧縮することで成形される粉末成形体を、焼結した後で鍛造する焼結鍛造体の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、所定の金属の粉末等を混合することで構成される混合粉を加工することで成形される焼結鍛造体の技術は公知となっている。このような焼結鍛造体の技術は、例えば、コンロッドを成形するときに用いられる。
【０００３】
特許文献１に記載された技術は、コンロッドを成形するための技術である。特許文献１に記載された技術では、混合粉からコンロッドの圧粉体を成形するときに、コンロッドの棒部に対応する部分に凸部を形成する。当該凸部の高さは、コンロッドの高さが一番高い部分である大端部側面と同一の高さに形成される。
このように構成されるコンロッドの圧粉体は、鍛造時に凸部が押し潰される。これにより、コンロッドの凸部に対応する部分およびその近傍の密度は上昇するため、凸部に対応する部分およびその近傍の強度を向上できる。
【０００４】
特許文献１に記載された技術では、圧粉体を成形する工程についての記載がないが、金型を用いて圧粉体を成形する等、所定の工程を経て圧粉体を成形していると考えられる。
金型を用いて圧粉体を成形する場合、例えば、図１２に示すようなダイ型１６０・１６０、金型１７０、および金型１８０が用いられる。
ダイ型１６０・１６０は、それぞれコンロッドの側面の形状に沿って形成される。また、金型１７０は、コンロッドの下面の形状に沿って形成される。そして、金型１８０は、コンロッドの上面の形状に沿って形成される。金型１７０および金型１８０は、上下方向に往復移動可能に構成される。
【０００５】
圧粉体を成形する際には、金型１８０を上方向に移動させ、ダイ型１６０・１６０および金型１７０に囲まれる空間を形成する。そして、その空間に混合粉１４０を投入した状態で、金型１８０を下方向に移動させるとともに金型１７０を上方向に移動させる。これにより、混合粉１４０に対して所定の圧力を加えて、混合粉１４０を圧縮し圧粉体１９０を成形する。
【０００６】
このように成形される圧粉体１９０は、コンロッドの形状に対応する。また、圧粉体１９０には、ウェブ部１９１およびリブ部１９２・１９２・１９２・１９２が形成される。リブ部１９２・１９２・１９２・１９２は、それぞれウェブ部１９１よりやや大きく突出する。このような圧粉体１９０のリブ部１９２・１９２・１９２・１９２の密度は、それぞれウェブ部１９１の密度よりも低くなる。
このように構成される圧粉体１９０を焼結加熱後鍛造すると、鍛造時に用いられる水溶性型潤滑剤の水分が水蒸気として密度の低い部分であるリブ部１９２・１９２・１９２・１９２に多く侵入する。つまり、リブ部１９２・１９２・１９２・１９２の内部において、その表面近傍が酸化してしまう（以下、「内部酸化」とする）。
【０００７】
つまり、特許文献１に開示されるようなコンロッドの圧粉体では、鍛造したときに密度の低い部分であるリブ部においてその多くの部分が内部酸化してしまう。この場合、内部酸化の影響を受けて、コンロッドの疲労強度が低下する場合があるという点で不利であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１９９２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、疲労強度が低下することを防止することが可能な焼結鍛造体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１においては、混合粉を圧縮することで粉末成形体を成形し、該粉末成形体を焼結した後で鍛造することにより成形される焼結鍛造体であって、前記粉末成形体は、基部と前記混合粉が圧縮される方向に沿って前記基部から突出する凸部と、を具備し、前記粉末成形体における前記凸部の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定するものである。
【００１１】
請求項２においては、前記粉末成形体の有する強度が、前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度未満のとき、前記基部より突出する前記凸部の突出寸法を、前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度以上に設定するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、鍛造時における焼結鍛造体の表面近傍の内部酸化による影響を低減できるため、焼結鍛造体の疲労強度が低下することを防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コンロッドの全体的な構成を示す平面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図。
【図３】コンロッドを成形する工程を示すフロー図。
【図４】粉末成形工程で混合粉を圧縮する前の状態を示す説明図。
【図５】粉末成形工程で混合粉を圧縮した状態を示す説明図。
【図６】鍛造工程で粉末成形体を鍛造する状態を示す説明図。
【図７】粉末成形体の密度と未焼結部の面積率の相関を示すグラフ図。
【図８】空孔を示す説明図。（ａ）密度が６．５ｇ／ｃｍ３のワークの空孔を示す図。（ｂ）密度が７．２ｇ／ｃｍ３のワークの空孔を示す図。
【図９】リブ部およびウェブ部の高さを示す説明図。（ａ）従来のリブ部の高さを示す図。（ｂ）本実施形態のリブ部の高さを示す図。
【図１０】リブ部の高さとリブ部の密度の相関を示すグラフ図。
【図１１】リブ部の密度が６．５ｇ／ｃｍ３となるようにリブ部の高さを変更した粉末成形体を成形する前の状態を示す説明図。
【図１２】従来の混合粉を圧縮した状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る焼結鍛造体の実施の一形態であるコンロッド１について、図面を参照して説明する。
【００１５】
なお、以下では、説明の便宜上、図２における紙面の上方向を「上方」として上下方向を規定する。また、図２における紙面の左方向を「左方」として左右方向を規定する。
【００１６】
コンロッド１は、エンジンのピストンの往復運動をクランクシャフトの回転に変換するためのものである。図１に示すように、コンロッド１は、コラム部１０と大端部２０と小端部３０とを備える。
【００１７】
図１および図２に示すように、コラム部１０は、大端部２０と小端部３０との間に形成される略棒状の部分であり、断面視において、略Ｈ状に形成される。コラム部１０には、ウェブ部１１およびリブ部１２Ｌ・１２Ｌ・１２Ｒ・１２Ｒが形成される。
【００１８】
ウェブ部１１は、コラム部１０の上下中央部に形成され、断面視略長方形状を有する。
【００１９】
リブ部１２Ｌ・１２Ｌは、それぞれコラム部１０の左端部に形成され、ウェブ部１１の上面および下面より外側に向かって突出するように形成される。リブ部１２Ｒ・１２Ｒは、それぞれコラム部１０の右端部に形成され、ウェブ部１１の上面および下面より外側に向かって突出するように形成される。
つまり、ウェブ部１１の上面に形成されるリブ部１２Ｌ・１２Ｒは、ウェブ部１１より上方向に向かって突出する。また、ウェブ部１１の下面に形成されるリブ部１２Ｌ・１２Ｒは、ウェブ部１１より下方向に向かって突出する。
また、リブ部１２Ｌ・１２Ｌおよびリブ部１２Ｒ・１２Ｒは、互いに同一の形状を有する。
【００２０】
大端部２０は、コンロッド１の一端部に形成され、クランクシャフトに嵌装可能な大端孔２１が形成される。
【００２１】
小端部３０は、コンロッド１の他端部に形成され、ピストンに連結可能な小端孔３１が形成される。
【００２２】
次に、コンロッド１を成形する工程について説明する。
【００２３】
まず、図３、図４、および図５に示すように、粉末成形工程が行われる。粉末成形工程では混合粉４０を圧縮して粉末成形体９０を成形する（Ｓ１１０）。混合粉４０は、所定の金属の粉末等を混合することで構成される。また、粉末成形体９０は、粉末成形装置５０によって成形される。
混合粉４０は、例えば鉄粉末、黒鉛粉末、銅粉末、およびステアリン酸亜鉛粉末を混合したものである。
【００２４】
粉末成形装置５０は、ダイ型６０・６０、金型７０、および金型８０を具備する。
【００２５】
ダイ型６０・６０の成形面は、それぞれコンロッド１の側面に沿った形状を有する。ダイ型６０・６０は、所定の駆動源に接続されて、上下方向に沿って往復移動可能に構成される。
【００２６】
金型７０の成形面は、コンロッド１の下面側の形状に沿った形状を有する。
金型７０においては、コンロッド１の断面視にて上下方向にやや大きな凹凸が形成される部分、すなわち、本実施形態におけるコンロッド１のコラム部１０に対応する部分に、凸部７１および凹部７２Ｌ・７２Ｒが形成される。
【００２７】
金型７０の凸部７１は、金型７０の左右中央部から上方向に突出する。また、金型７０の凸部７１は、その突出寸法がコンロッド１のリブ部１２Ｌ・１２Ｒのウェブ部１１からの突出寸法よりもやや小さくなるように突出する。
【００２８】
金型７０の凹部７２Ｌは、凸部７１に対して下方へ凹んでおり、金型７０の左端部に形成される。金型７０の凹部７２Ｌの左端部は、平面状に形成される。また、金型７０の凹部７２Ｒは、金型７０の右端部に形成される点を除いて、金型７０の凹部７２Ｌと同様に構成される。
【００２９】
このような金型７０は、所定の駆動源に接続されて、上下方向に沿って往復移動可能に構成される。
【００３０】
金型８０の成形面は、コンロッド１の上面側の形状に沿った形状を有する。
金型８０においては、コンロッド１の断面視にて上下方向にやや大きな凹凸が形成される部分、すなわち、本実施形態におけるコンロッド１のコラム部１０に対応する部分に、凸部８１および凹部８２Ｌ・８２Ｒが形成される。
【００３１】
金型８０の凸部８１は、金型８０の左右中央部から下方向に突出する。金型８０の凸部８１は、金型７０の凸部７１と突出方向が逆ではあるが同一の形状を有する。
【００３２】
金型８０の凹部８２Ｌは、凸部８１に対して上方へ凹んでおり、金型８０の左端部に形成される。金型８０の凹部８２Ｌの左端部は、平面状に形成される。また、金型８０の凹部８２Ｒは、金型８０の右端部に形成される点を除いて、凹部８２Ｌと同様に構成される。金型８０の凹部８２Ｌ・８２Ｒは、それぞれ金型７０の凹部７２Ｌ・７２Ｒと同一の形状を有する。
【００３３】
このような金型８０は、所定の駆動源に接続されて、上下方向に沿って往復移動可能に構成される。
【００３４】
粉末成形工程において、粉末成形装置５０は、金型８０を上方に移動させて、金型８０を金型７０より離間させる。また、金型７０は、混合粉４０を投入する前に、粉末成形体９０に必要な混合粉量となるように、一旦上昇させる。そして、ダイ型６０・６０および金型７０に囲まれる空間に混合粉４０を投入する。このとき、混合粉４０は、粉箱で投入され、粉箱の下面ですり切ることによってダイ型６０・６０の上面に沿って水平に投入される。
そして、図５に示すように、金型８０を下方に移動させることにより、所定の圧力で混合粉４０を圧縮する。このとき、金型７０は、所定の距離だけ下方に移動した後で停止して、位置固定となる。また、ダイ型６０・６０は、金型８０の移動距離の約半分程度下方に移動する。これにより、混合粉４０が圧縮されて、コンロッド１の粉末成形体９０が形成される。
【００３５】
粉末成形体９０には、コンロッド１のウェブ部１１に対応するウェブ部９１およびコンロッド１のリブ部１２Ｌ・１２Ｌ・１２Ｒ・１２Ｒに対応するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒが形成される。
【００３６】
図２および図５に示すように、粉末成形体９０のウェブ部９１の上下寸法（厚み寸法）は、コンロッド１のウェブ部１１の上下寸法（厚み寸法）よりもやや大きくなるように形成されている。
【００３７】
粉末成形体９０の上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、それぞれその高さが上側のコンロッド１のリブ部１２Ｌ・１２Ｒの高さよりもやや低くなるようにウェブ部９１より上方向（外側）に向かって突出する。つまり、上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒのウェブ部９１からの突出寸法が、上側のリブ部１２Ｌ・１２Ｒのウェブ部１１からの突出寸法よりもやや小さくなるように形成されている。
また、本実施形態では、粉末成形体９０の上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒが圧縮される方向は下方向となる。つまり、粉末成形体９０の上側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、圧縮される方向に沿ってウェブ部９１から突出する。
【００３８】
一方、粉末成形体９０の下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、それぞれその高さがコンロッド１の下側のリブ部１２Ｌ・１２Ｒの高さよりもやや低くなるようにウェブ部９１より下方向（外側）に向かって突出する。つまり、下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒのウェブ部９１からの突出寸法が、下側のリブ部１２Ｌ・１２Ｒのウェブ部１１からの突出寸法よりもやや小くなるように形成されている。
また、本実施形態では、粉末成形体９０の下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒが圧縮される方向は下方向となる。つまり、粉末成形体９０の下側のリブ部９２Ｌ・９２Ｒは、圧縮される方向に沿ってウェブ部９１から突出する。
このように、粉末成形体９０では、ウェブ部９１を基部として、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒがウェブ部９１の上下外側へ突出する。
【００３９】
このような粉末成形体９０の上下寸法（厚み寸法）は、従来技術にあるような圧粉体１９０の上下寸法（厚み寸法）と比較して、全体的にやや小さくなるように形成されている。より詳細には、圧粉体１９０のウェブ部１９１に対する粉末成形体９０のウェブ部９１の厚み寸法の差よりも、圧粉体１９０のリブ部１９２・１９２・１９２・１９２に対する粉末成形体９０のリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの厚み寸法の差の方が大きくなる。
【００４０】
ここで、図４および図５に示すように、金型７０の凹部７２Ｌ・７２Ｒの形状および金型８０の凹部８２Ｌ・８２Ｒの形状は、互いに同一である。このため、粉末成形体９０の各リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの形状は同一となる。つまり、金型７０の凹部７２Ｌおよび金型８０の凹部８２Ｌによって圧縮される混合粉４０Ｌの量および金型７０の凹部７２Ｒおよび金型８０の凹部８２Ｒによって圧縮される混合粉４０Ｒの量は、同じ量である。
【００４１】
このため、粉末成形体９０を成形したときのリブ部９２Ｌ・９２Ｌの圧縮率およびリブ部９２Ｒ・９２Ｒにおける混合粉４０の圧縮率は同一となる。従って、リブ部９２Ｌ・９２Ｌの密度Ｄ２・Ｄ２およびリブ部９２Ｒ・９２Ｒの密度Ｄ２・Ｄ２は同一となる。
なお、以下において、各リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの密度Ｄ２・Ｄ２・Ｄ２・Ｄ２は、単に「リブ部の密度Ｄ２」とする。
また、本実施形態のリブ部の密度Ｄ２は、７．２ｇ／ｃｍ３となる。
【００４２】
一方、金型７０の凸部７１は、金型７０の凹部７２Ｌよりも上方向に突出している。また、ダイ型６０・６０および金型７０に囲まれる空間に混合粉４０を投入したとき、混合粉４０は、その下端部においては金型７０の形状に沿っているが、その上端部においてはダイ型６０の上面の高さ位置と同じ高さ位置に沿っており、混合粉４０の上面は略平面状となっている。
従って、金型７０の凸部７１および金型８０の凸部８１に圧縮される混合粉４０Ｃと、金型７０の凹部７２Ｌおよび金型８０の凹部８２Ｌに圧縮される混合粉４０Ｌとを比較した場合、混合粉４０Ｌは、金型８０の凸部８１の高さだけ少ない割合で圧縮されることとなる。つまり、成形された粉末成形体９０においては、ウェブ部９１のみが形成される部分とリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒが形成される部分とでは、混合粉４０の圧縮度合いが異なる。
【００４３】
このため、粉末成形体９０を成形したとき、混合粉４０Ｌに対応する部分において、混合粉４０Ｃに対応する部分よりも混合粉４０の圧縮率が低くなる。粉末成形体９０の密度を測定した結果、ウェブ部の密度Ｄ１が、リブ部の密度Ｄ２よりも高くなった。つまり、本実施形態のウェブ部の密度Ｄ１は、７．２ｇ／ｃｍ３よりも高くなる。つまり、凹凸を粉末成形体９０に成形すると、当該凸部においてその密度が低くなる。
【００４４】
粉末成形工程で粉末成形体９０が成形された後で、図３に示すように、粉末成形体９０は、焼結加熱工程において焼結される（Ｓ１２０）。より詳細には、粉末成形体９０の成形後に、金型７０および金型８０を互いに離間させ、粉末成形体９０を粉末成形装置５０から取り出す。粉末成形装置５０から取り出した粉末成形体９０をロボット等で焼結炉に搬送し、当該焼結炉内で所定の温度まで加熱した状態で所定の間保持する。これにより、混合粉４０は結合する。つまり、粉末成形体９０は焼結される。
【００４５】
粉末成形体９０は、焼結工程で焼結された後に、鍛造工程において鍛造される（Ｓ１３０）。より詳細には、焼結された粉末成形体９０は、ロボット等で鍛造装置８５に搬送される。そして、図６に示すように、粉末成形体９０は、所定の温度まで加熱された状態で、水溶性型潤滑剤が吹き付けられた鍛造金型８５ａ・８５ａによって圧縮されることにより、コンロッド１の形状となるように塑性変形される。より詳細には、鍛造後の粉末成形体９０は、ウェブ部９１の厚み寸法が小さくなるとともに、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法が大きくなって、コンロッド１の外形寸法に沿った形状となる。
【００４６】
粉末成形体９０は、鍛造した後で、後処理工程が行われる（Ｓ１４０）。より詳細には、コラム部１０の面取り（バリ取り）、ショットピーニング、および検査が行われる。これにより、コンロッド１が成形される。
【００４７】
以上のような工程を経て成形されるコンロッド１の内部において、その表面近傍が酸化する。以下では、このようなコンロッド１の酸化を「内部酸化」とする。
コンロッド１の引張破面に対して、内部酸化している面積の割合が大きい場合、（例えば３０％）コンロッド１は、その影響を受けて疲労強度が低下してしまう。
以下において、鍛造工程で内部酸化した部分と粒界空孔を「未焼結部」とし、コンロッド１の引張破面に対する未焼結部の面積の割合を「未焼結部面積率」とする。
【００４８】
次に、混合粉４０を圧縮して成形した粉末成形体９０の密度を変更したときの未焼結部面積率を測定した結果について説明する。測定では、混合粉４０を圧縮して所望の密度の略長方形状のワーク（粉末成形体）を成形し、当該ワークに対して前述した焼結工程および鍛造工程を行った。そして、当該ワークの引張破面を測定した。
【００４９】
なお、以下において、図８（ａ）に示す密度が６．５ｇ／ｃｍ３の粉末成形体であるワークを「ワークＷ１」とし、図８（ｂ）に示す密度が７．２ｇ／ｃｍ３の粉末成形体であるワークを「ワークＷ２」とする。
【００５０】
図７に示すように、ワークの密度が低いとき、未焼結部面積率が高くなった。例えば、ワークの密度が６．５ｇ／ｃｍ３のとき、未焼結部面積率が約３０％となった（図７に示す点Ｐ１参照）。
【００５１】
これは、ワークに形成される複数の空孔９３・９３・・・の影響によるものである。図８に示すように、複数の空孔９３・９３・・・は、粉末成形工程で混合粉４０を圧縮したときに、ワークの内側に形成される。
【００５２】
複数の空孔９３・９３・・・は、ワークの密度と相関がある。より詳細には、図８（ａ）に示すように、ワークＷ１のような密度が低いワークでは、ワークの断面に対して複数の空孔９３・９３・・・が占める割合が大きくなる。一方、図８（ｂ）に示すように、ワークＷ２のような密度が高いワークでは、ワークＷ１のような密度が低いワークに比べて、空孔９３・９３・・・の大きさが小さいとともに数が少ないため、ワークの断面に対して複数の空孔９３・９３・・・が占める割合が小さくなる。
つまり、複数の空孔９３・９３・・・は、ワークの密度が高くなるにつれて、ワークの断面に対して占める割合が小さくなる。
【００５３】
鍛造工程では、前述のように鍛造金型８５ａ・８５ａに水溶性型潤滑剤が吹き付けられる（図６参照）。このとき、鍛造装置８５内は、所定の温度まで加熱されているため、水溶性型潤滑剤に含まれる水分は蒸発する。当該蒸発した水分は、焼結された粉末成形体９０の複数の空孔９３・９３・・・に浸入し、ワークの表面近傍が内部酸化する。
【００５４】
つまり、粉末成形体９０の密度が６．５ｇ／ｃｍ３である場合には、鍛造工程時に焼結された粉末成形体９０の表面近傍の複数の空孔９３・９３・・・内に多くの蒸発した水分が浸入し、空孔９３・９３・・・内に浸入した水分により、粉末成形体９０の表面近傍の多くの部分で内部酸化してしまう。
実験結果によれば、粉末成形体９０の密度が６．５ｇ／ｃｍ３となるコンロッド１では、その表面近傍が約３０％内部酸化してしまう。この場合、当該内部酸化の影響でコンロッド１の疲労強度が低下する場合がある。
【００５５】
一方、ワークの密度が高いとき、未焼結部面積率が低くなった。例えば、ワークＷ２の密度が７．２ｇ／ｃｍ３のとき、未焼結部面積率が約１％となった（図７に示す点Ｐ２参照）。
【００５６】
図８（ｂ）に示すように、密度が高いワークＷ２では、ワークの断面に対して複数の空孔９３・９３・・・が占める面積の割合が小さくなる。
【００５７】
つまり、粉末成形体９０の密度が７．２ｇ／ｃｍ３である場合には、鍛造工程時に複数の空孔９３・９３・・・に蒸発した水分が侵入しにくくなる。このため、鍛造工程時に焼結された粉末成形体９０の表面近傍でほとんど内部酸化しない。
実験結果によれば、粉末成形体９０の密度が７．２ｇ／ｃｍ３となるコンロッド１では、その表面近傍が約１％だけ内部酸化する。この場合、内部酸化の影響が非常に小さくなるため、コンロッド１の疲労強度が低下しない。
【００５８】
このように、粉末成形体９０の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上にすることで、内部酸化の影響をほとんど受けなくなる。つまり、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００５９】
ここで、前述のように、リブ部の密度Ｄ２は、ウェブ部の密度Ｄ１よりも低くなる。つまり、リブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上にすることで、ウェブ部の密度Ｄ１も７．２ｇ／ｃｍ３以上となる。従って、粉末成形体９０全体の密度が７．２ｇ／ｃｍ３よりも高くなるため、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００６０】
次に、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を変更したときの、リブ部の密度Ｄ２の変化を測定した結果について説明する。
【００６１】
なお、以下において、図９（ａ）に示すような、コラム部１０の上面および下面の形状に対応する粉末成形体９０のウェブ部９１の厚み寸法を「ウェブ部の高さＨ１０」とし、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を「リブ部の高さＨ２０」とする。また、図９（ｂ）に示すように、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を、高さＨ２０を基準として変更した場合の変更幅を「幅α」とする。
【００６２】
図１０に示すように、幅αを大きくするにつれて、換言すれば、リブ部の高さＨ２０を小さくするにつれて、リブ部の密度Ｄ２は高くなった。
【００６３】
これは、粉末成形工程において、ダイ型６０・６０および金型７０に囲まれる空間に投入される混合粉４０の上端部の形状が、金型８０の形状に沿っていないことに起因する。
【００６４】
例えば、図１１に示すように、リブ部の高さＨ２０の粉末成形体９０を成形する場合、粉末成形装置５０では、金型７０の凸部７１の突出寸法が高さＨ２０となる金型７０を用いる。また、金型８０の凸部８１の突出寸法が高さＨ２０となる金型８０を用いる。
【００６５】
この場合、金型８０の凸部８１は、金型８０の凹部８２Ｌよりも高さＨ２０だけ下方向に突出している。このため、混合粉４０を圧縮したときに、ウェブ部９１に対して金型８０の凸部８１の突出寸法（高さＨ２０）だけリブ部の密度Ｄ２が低くなる。
【００６６】
一方、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法が高さＨ２０より幅αだけ小さい（つまりリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法は（Ｈ２０−α））粉末成形体９０を成形する場合、粉末成形装置５０では、金型７０の凸部７１の突出寸法が高さＨ２０より幅αだけ低い金型７０を用いる。また、金型８０の凸部８１の突出寸法が高さＨ２０より幅αだけ低い金型８０を用いる。
【００６７】
この場合も、金型８０の凸部８１は、金型８０の凹部８２Ｌよりも高さＨ２０から幅αを減じた寸法だけ下方向に突出している。このため、混合粉４０を圧縮したときに、ウェブ部に対して金型８０の凸部８１の突出寸法（Ｈ２０−α）だけリブ部の密度Ｄ２が低くなる。
このとき、金型８０の凸部８１の突出寸法を高さＨ２０から幅αだけ低くしたことにより、リブ部９２Ｌ・９２Ｌにおける混合粉４０Ｌの圧縮率が、ウェブ部９１における混合粉４０Ｃの圧縮率に近くなる（図４および図１１参照）。
つまり、粉末成形体９０を成形したときのリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの圧縮率は、例えばウェブ部９１の厚み寸法が一定であれば、幅αが大きくなるにつれて高くなる。つまり、リブ部の密度Ｄ２は、幅αを大きくすることで高くなる。
【００６８】
例えば、従来技術にあるようなコンロッド１の形状に対応した形状に粉末成形体９０を成形した場合、幅αが小さい（０ｍｍとなる）ため、当該粉末成形体９０のリブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３よりも低くなる（図１２参照）。
一方、本実施形態の粉末成形体９０では、リブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３となるように、粉末成形体９０のリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を幅αだけ低く設定する。
【００６９】
このような幅αを図１０に示す点Ｐ３まで大きくすることで、リブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３となる場合、幅αが当該点Ｐ３から幅αの最大値である点Ｐ４までの間の大きさとなるように調整することで、コンロッド１の内部酸化を防止できる。
【００７０】
また、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を同じ条件（混合粉４０の量および混合粉４０にかける圧力等が同一等）で幅αだけ小さくするときに、ウェブ部９１の厚み寸法を大きくする場合、粉末成形体９０の厚み寸法が変わらないようにすると（つまり図９（ｂ）においてウェブ部９１の厚み寸法を幅α×２だけ大きくすると）混合粉４０Ｌにおいて、混合粉４０の圧縮率が変化しない。このため、リブ部の密度Ｄ２は変化しない。
つまり、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を幅αだけ小さくするときにウェブ部９１の厚み寸法を大きくする場合、粉末成形体９０の厚み寸法を従来技術にあるような圧粉体１９０の厚み寸法よりも小さくなるようにする（変更幅を幅α×２よりも小さくなるようにする）必要がある。
【００７１】
このような幅αに対応するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法Ｈ１１は次式となる。
Ｈ１１＝Ｈ２０−α
また、幅αに対応するウェブ部９１の突出寸法Ｈ１２を算出する式として、次式が導かれた。
Ｈ１２＝Ｈ１０＋β×α（β＝０．８〜１．２）
【００７２】
以上より、粉末成形体９０のリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を所定の幅（幅α）だけ低くなるように設定するとともに、上記式を用いて粉末成形体９０のウェブ部９１の厚み寸法を設定する粉末成形体９０を成形することで、リブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定する。これにより、コンロッド１の内部酸化を防止できるため、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００７３】
つまり、粉末成形体９０のうち密度が７．２ｇ／ｃｍ３未満となるような幅がやや大きな凹凸に対して、当該凹凸の幅を適宜設定することで、粉末成形体９０全体の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定できる。これにより、コンロッド１の疲労強度が低下することを防止できる。
【００７４】
このように、粉末成形体９０は、ウェブ部９１（基部）と上下方向（混合粉４０が圧縮される方向の反対方向）に向かってウェブ部９１から突出するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒ（凸部）と、を具備し、粉末成形体９０におけるリブ部の密度Ｄ２を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定する粉末成形体として機能する。
【００７５】
このように構成することにより、鍛造時にコンロッド１（焼結鍛造体）の内部酸化を防止できるため、焼結鍛造体の疲労強度の低下を防止できる。
【００７６】
なお、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を０ｍｍに近くなるまで低くした場合、リブ部の密度Ｄ２は、７．２ｇ／ｃｍ３以上となるが、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を低くした分だけ抗折強度が低下する。
【００７７】
つまり、粉末成形体９０が壊れやすくなる（粉末成形体９０を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度未満となる）ため、焼結工程において粉末成形体９０を焼結炉へ投入するとき等に粉末成形体９０が壊れる可能性がある。また、コンロッド１を鍛造する場合、コンロッド１の形状に成形しにくくなる。
【００７８】
つまり、コンロッド１のロバスト性を向上させるという観点より、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度未満となるようなリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法である場合、その突出寸法をより大きくすることが好ましい。このとき、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度以上となるようにリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を設定することで、コンロッド１のロバスト性を向上できる。
【００７９】
このように、粉末成形体９０は、粉末成形体９０の有する強度が、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度未満のとき、ウェブ部９１より突出するリブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を、粉末成形体９０を焼結するときに必要な抗折強度以上に設定するものである。
【００８０】
このように構成することにより、粉末成形体９０の強度を向上できるとともに、鍛造工程において粉末成形体９０を容易に成形できる。つまり、焼結鍛造体のロバスト性を向上できる。
【００８１】
なお、本実施形態では、焼結鍛造体としてコンロッド１を成形したが、これに限定されるものでない。すなわち、焼結鍛造体は、混合粉４０を圧縮して粉末成形体９０を成形し、当該粉末成形体９０を焼結した後で鍛造する部材に対して広く適用可能である。特に、コンロッド１のような剛性が必要であるとともに、形状の小さい部材に対して用いることが好ましい。
【００８２】
また、混合粉４０の分量および材料等を変更した場合においても、当該変更した混合粉４０の粉末成形体９０のリブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３以上となるように、リブ部９２Ｌ・９２Ｌ・９２Ｒ・９２Ｒの突出寸法を設定するとともに、上記式に基づいてウェブ部９１の厚み寸法を設定すればよい。この場合、粉末成形装置５０の金型７０および金型８０で混合粉４０を圧縮する圧力を変更することで、リブ部の密度Ｄ２が７．２ｇ／ｃｍ３以上の粉末成形体９０を成形できる。
【符号の説明】
【００８３】
１ コンロッド（焼結鍛造体）
１０ コラム部
１１ ウェブ部
１２Ｌ・１２Ｒ リブ部
４０ 混合粉
９０ 粉末成形体
９１ ウェブ部（基部）
９２Ｌ・９２Ｒ リブ部（凸部）
Ｄ１ ウェブ部の密度
Ｄ２ リブ部の密度（凸部の密度）
Ｈ１０ ウェブ部の厚み寸法
Ｈ２０ リブ部の上下寸法（凸部の突出寸法）
α 幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合粉を圧縮することで粉末成形体を成形し、該粉末成形体を焼結した後で鍛造することにより成形される焼結鍛造体であって、
前記粉末成形体は、
基部と
前記混合粉が圧縮される方向に沿って前記基部から突出する凸部と、
を具備し、
前記粉末成形体における前記凸部の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定する、
焼結鍛造体。
【請求項２】
前記粉末成形体の有する強度が、
前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度未満のとき、前記基部より突出する前記凸部の突出寸法を、前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度以上に設定する、
請求項１に記載の焼結鍛造体。
【請求項１】
混合粉を圧縮することで粉末成形体を成形し、該粉末成形体を焼結した後で鍛造することにより成形される焼結鍛造体であって、
前記粉末成形体は、
基部と
前記混合粉が圧縮される方向に沿って前記基部から突出する凸部と、
を具備し、
前記粉末成形体における前記凸部の密度を７．２ｇ／ｃｍ３以上に設定する、
焼結鍛造体。
【請求項２】
前記粉末成形体の有する強度が、
前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度未満のとき、前記基部より突出する前記凸部の突出寸法を、前記粉末成形体を焼結炉へ投入するときに必要な抗折強度以上に設定する、
請求項１に記載の焼結鍛造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１５３３４４（Ｐ２０１１−１５３３４４Ａ）
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４８６６（Ｐ２０１０−１４８６６）
【出願日】平成２２年１月２６日（２０１０．１．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２６日（２０１０．１．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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