JP2001355005A - 複合部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】焼結時の挙動が大きく異なる２種の材料を接合
して成る複合部材を製造するに際し、最終的に所望の密
度が得られ、また接合強度も強い複合部材の製造方法を
提供する。 【解決手段】互いに異なった材質の金属粉末材料から成
る円筒形状部１０と円盤形状部１２とを射出成形且つ２
色成形により一体成形品として得、これを所定温度条件
の下で１次焼結処理し、その後に１次焼結の際の焼結温
度よりも低い温度条件でＨＩＰ処理を施して円筒形状部
１０及び円盤形状部１２を２次焼結し、最終の密度まで
高めるとともに互いに接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は互いに異種の材料
から成る２部材を複合化して成る複合部材の製造方法に
関し、詳しくは金属粉末の焼結体から成る複合部材の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、金属粉末を成形及び焼結して所定形状の金属製品を
得るといったことが広く行われている。このように金属
粉末を焼結して製品を製造する場合、様々な複雑形状の
製品を比較的容易に製造することができる。

【０００３】ところで互いに性質の異なる異種の材料を
複合化した製品の場合、従来これを金属粉末の焼結にて
製造することが困難であった。例えば円筒形状の部分と
その片端の開口を閉鎖する円盤形状の部分とから成って
おり、且つその円筒形状の部分が強磁性材であるＰＢパ
ーマロイで、また片端の円盤形状の部分が硬質材である
ＳＫＨ５１で構成されているような複合部材を製造する
際、それぞれの適正焼結温度が異なっているため、両材
料を良好に焼結させ且つ焼結と同時に両者を接合すると
いったことが困難であった。

【０００４】詳しくは、強磁性材であるＰＢパーマロイ
の固相線温度、即ち液相の生ずる温度は１４８５℃程度
の高温であって、通常は１３５０℃近傍で固相焼結され
る。一方硬質材であるＳＫＨ５１の場合、液相の生ずる
固相線温度は１２４０℃程度であって、通常は１２４０
℃近傍で液相焼結される。

【０００５】またＰＢパーマロイは焼結温度を上げて行
ったとき、適正な焼結温度である１３５０℃までは比較
的単調に焼結の際の収縮挙動が変化する。即ち収縮率が
比較的単調に増大する。これに対しＳＫＨ５１の場合、
液相が生ずる１２４０℃付近の温度域で急激な収縮を起
こす。

【０００６】従ってこの複合部材をＳＫＨ５１の焼結に
適した１２４０℃で焼結すれば、円盤形状部材を成すＳ
ＫＨ５１は十分に密度が上がるものの、円筒形状部分を
成すＰＢパーマロイは必要密度に達しない。逆にＰＢパ
ーマロイの焼結に適した１３５０℃で焼結を行うと、円
筒形状部分を形成するＰＢパーマロイは十分に焼結し密
度が上がるものの、円盤形状部分を形成するＳＫＨ５１
は溶融してしまい、コーナ部等が十分に形成されない
（角が丸くなる）。即ち何れの場合にもまともな焼結体
が得られない。

【０００７】そこで円筒形状部分と円盤形状部分とをそ
れぞれ別々に製造しておいて、その円筒形状部分の第１
部材と円盤形状部分の第２部材とを溶接接合することが
考えられるが、この場合溶接のための接合工程が面倒な
工程となるとともに、溶接によって材料の特性が劣化す
る恐れがある。従って第１部材，第２部材ともに焼結に
よって構成でき且つそれらを焼結の工程で同時に接合で
きれば好都合である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の複合部材の製造
方法はこのような課題を解決するために案出されたもの
である。而して請求項１のものは、互いに異なった材質
の金属粉末材料から成る第１部材と第２部材との成形体
を仮付けした上で、所定温度条件の下で１次焼結処理
し、その後に該１次焼結の際の焼結温度よりも低い温度
条件でＨＩＰ処理を施して両部材を２次焼結し、最終の
密度まで高めるとともに互いに接合することを特徴とす
る。

【０００９】請求項２のものは、請求項１において、前
記１次焼結を第１部材と第２部材との密度が９２％以上
となるように行うことを特徴とする。

【００１０】請求項３のものは、請求項１，２の何れか
において、前記第１部材と第２部材とを射出成形にて成
形することを特徴とする。

【００１１】請求項４のものは、請求項３において、前
記第１部材と第２部材とを２色成形により同時的に且つ
一体的に成形し、該成形時に前記仮付けを併せて行うこ
とを特徴とする。

【００１２】請求項５のものは、請求項１〜４の何れか
において、前記第１部材と第２部材との一方が磁性材か
ら成り、他方が硬質材から成っていることを特徴とす
る。

【００１３】請求項６のものは、請求項１〜５の何れか
において、前記第１部材と第２部材との固相線温度が１
００℃以上異なっていることを特徴とする。

【００１４】

【作用及び発明の効果】以上のように本発明は、異種材
質の金属粉末から成る第１部材と第２部材とを先ず１次
焼結処理し、その後にこれよりも低い温度条件でＨＩＰ
処理を施して両部材を２次焼結し、最終の密度まで高め
るとともに互いに接合するものである。かかる本発明に
よれば、焼結体における最終の所要密度はＨＩＰ処理に
よって得られることから、その前段階の１次焼結処理で
は、第１部材と第２部材とをそれぞれ従来行われている
最適焼結温度よりも低い温度で１次焼結させることがで
きる。

【００１５】従って本発明によれば、１次部材と２次部
材との何れか一方が溶けてしまわないような条件下で１
次焼結を行うことができ、また併せて第1部材と第２部
材との収縮量がほぼ均等となる条件下で１次焼結を行う
ことができる。これによって、１次部材と２次部材との
収縮量が大きく異なることによって接合面に歪が残った
り、或いは部分的に剥離を生じてしまうといったことを
防止することができる。

【００１６】而して本発明では、その後にＨＩＰ処理を
施すことで第１部材と第２部材とをともに２次焼結さ
せ、最終の密度まで高めることができるとともに、その
際にそれら両部材を接合し複合一体化することができ
る。

【００１７】かかる本発明によれば、粉末冶金の特長を
生かして複雑形状の複合部材を容易に製造でき、且つ第
１部材と第２部材とを溶接接合する場合と異なって、接
触面全面に亘って第１部材と第２部材とを互いに融合状
態に強固に接合でき且つ接合処理によって材料を劣化さ
せてしまうといった恐れもない。

【００１８】本発明では、上記１次焼結を第１部材と第
２部材との密度が９２％以上となるように行うことが望
ましい（請求項２）。これよりも密度が低いと１次焼結
体に気孔が多く生じた状態となり、このような状態で後
にＨＩＰ処理を行ってもＨＩＰが良好に行われず、最終
的に求める密度の焼結体が得られにくくなる。しかるに
密度を９２％以上まで高めておくことで１次焼結体中の
気孔を少なくし、後のＨＩＰ処理によって第１部材，第
２部材とも良好にその後の焼結を進行させ得、密度を高
めることができるとともに、第１部材と第２部材との接
合を強固に行うことができる。

【００１９】尚この１次焼結に際して、第１部材と第２
部材との密度差を一定以下に小さくしておくことが望ま
しい。具体的にはそれら第１部材と第２部材との密度差
が２％以下となるように１次焼結を行うことが望まし
い。また併せてこの１次焼結は、１次部材と２次部材と
の収縮率の差が１％以下となるような条件下で行うこと
が望ましい。

【００２０】本発明では、上記第１部材と第２部材との
成形手法として射出成形を好適に用いることができる
（請求項３）。この射出成形によれば、第１部材と第２
部材とを複雑形状に且つ簡単に成形することができる。
ここで第１部材と第２部材とは、その射出成形若しくは
他の成形手法によりそれぞれ個別に成形した上で仮付け
することができる。

【００２１】但し請求項４に従って第１部材と第２部材
とを２色成形により同時的に且つ一体的に成形する方法
を用いることができる。このようにすれば、第１部材と
第２部材とを個別に成形して仮付けを行う場合に比べ
て、１工程で簡単に第１部材と第２部材との成形及びそ
れらの仮付けを行うことができる。

【００２２】本発明は、第１部材と第２部材との一方が
磁性材から成り、他方が硬質材から成るものに適用して
好適なものであり（請求項５）、またそれら第１部材と
第２部材との固相線温度が１００℃以上異なっている場
合に適用して特に好適である（請求項６）。

【００２３】固相線温度が１００℃以上異なっている第
１部材と第２部材とは、その最適焼結温度が著しく離れ
たものであり、通常の焼結により２つの部材を共通の条
件の下で同時に最終密度まで焼結させるといったことは
実際上不可能である。しかるにＨＩＰ処理を用いる本発
明によれば、そのような最適焼結温度が著しく異なった
２つの部材を良好に焼結及び接合することができるので
ある。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例を以下に詳しく説明す
る。 ＜実施例１＞固相線温度が１４８０℃のＳＵＳ３１６Ｌ
の微粉末にポリプロピレン−ワックス系のバインダを
９．３重量％添加して１６０℃で混練し、ペレットとし
た。他方固相線温度が１２５０℃のＳＵＳ４４０Ｃの微
粉末にポリプロポレン−ワックス系のバインダを９．３
重量％添加して１６０℃で混練し、ペレットとした。

【００２５】これらを３ｍｍｔ（厚み）×１０ｍｍＷ
（幅）×２０ｍｍＬ（長さ）の試験片形状に射出成形
し、脱脂後１２５０℃×２ｈの条件で焼結した。成形体
寸法に対して焼結体寸法は両材料ともに１７．７％収縮
しており、焼結密度はＳＵＳ３１６Ｌが９３．３％、Ｓ
ＵＳ４４０Ｃが９３．８％であった。

【００２６】次にＳＵＳ３１６Ｌ粉末を射出成形により
外径１０ｍｍ，内径６ｍｍ，長さ１２ｍｍの図１に示す
円筒形状部（第１部材）１０に成形し、同時にＳＵＳ４
４０Ｃ粉末を２色成形（射出成形）により図１の直径１
０ｍｍ，厚さ２ｍｍの円盤形状部（第２部材）１２に成
形した。これを溶剤脱脂によりワックス成分を除去し、
更にＮ_２中で加熱脱脂を行い、脱脂率９２〜９５％の脱
脂体を得た。

【００２７】その後円盤形状部１２側を下にしてセッタ
に載せ、真空中１２５０℃×２ｈの条件で１次焼結を行
った。成形体寸法に対して焼結体寸法は両材料とも１
７．７％収縮しており、また焼結密度についてはＳＵＳ
３１６Ｌから成る円筒形状部１０が９３．３％，ＳＵＳ
４４０Ｃから成る円盤形状部１２が９３．８％であっ
た。この１次焼結体の接合部には欠陥は認められず、円
筒形状部１０の外径と円盤形状部１２の直径はともに
８．２３±０．０５ｍｍであった。

【００２８】次にこのようにして得られた１次焼結体を
１１００℃×１２０ＭＰａ×１ｈの条件でＨＩＰ（熱間
静水圧プレス）処理を行った。このＨＩＰ処理により密
度９９．１％の複合焼結品が得られ、その接合部には欠
陥は認められなかった。

【００２９】このＨＩＰ処理後の複合焼結品を１０５０
℃で溶体化処理したところ、ＳＵＳ３１６Ｌから成る円
筒形状部１０の硬さはＨｖ１４０であり、またＳＵＳ４
４０Ｃから成る円盤形状部１２の硬さはＨＲＣ６１．０
であった。

【００３０】また接合部を内径７．２ｍｍ，外径８．０
ｍｍに切削加工し、円筒形状部１０と円盤形状部１２と
に穴を開けてそこに治具を取り付けて引張り試験を行
い、円筒形状部１０と円盤形状部１２との接合強度を測
定したところ、その接合強度は４．５２ＭＰａであり、
十分な接合強度を有していた。

【００３１】これらの結果が表１にまとめて示してあ
る。尚、表１には１２５０℃以外の近傍温度で１次焼結
を行ったときのそれぞれの焼結密度及び焼結収縮率が併
せて示してある。

【００３２】

【表１】

【００３３】＜実施例２＞実施例１と同様にステライト
１２番の粉末に実施例１と同様のバインダを８．５重量
％の量で添加して混練し、ペレットを作製した。またＳ
ＵＳ４３０Ｌ粉末についても９．２重量％の量でバイン
ダを添加して混練し、ペレットを作製した。そして実施
例１と同様にＳＵＳ４３０Ｌ粉末にて円筒形状部１０
を、またステライト１２番で円盤形状部１２を２色成形
により射出成形した。

【００３４】これを実施例１と同様に真空中１２５０℃
×２ｈの条件で１次焼結したところ、焼結密度について
は円筒形状部１０のＳＵＳ４３０Ｌが９４．２％、円盤
形状部１２のステライト１２番が９４．３％であり、ま
た収縮率については円筒形状部１０のＳＵＳ４３０Ｌ，
円盤形状部１２のステライト１２番ともに１７．８％で
あった。またこの１次焼結体の接合部にも欠陥は認めら
れず、円筒形状部１０の外径及び円盤形状部１２の直径
がそれぞれ８．２２±０．０５ｍｍであった。

【００３５】次にこの１次焼結体を１１００℃×１２０
ＭＰａ×１ｈの条件でＨＩＰ処理を行った。この結果両
材料ともに密度は９９．４％となっており、接合部にも
欠陥は認められなかった。また硬さはＳＵＳ４３０Ｌか
ら成る円筒形状部１０がＨｖ１３４、ステライト１２番
から成る円盤形状部１２がＨＲＣ４６であった。続いて
実施例１と同様にして引張り試験を行い、接合強度を求
めたところ、３．９７ＭＰａであり、十分な接合強度が
得られた。

【００３６】これらの結果が表２にまとめて示してあ
る。尚、この表２においても表１と同様１２５０℃以外
の近傍温度で１次焼結を行ったときのそれぞれの焼結密
度と焼結収縮率が併せて示してある。

【００３７】

【表２】

【００３８】＜実施例３＞次に、同じく異種材料である
ＰＢパーマロイとＳＫＨ５１の各粉末とを用いて実施例
１及び実施例２と同様に、図１の円筒形状部１０と円盤
形状部１２との複合部材の作製を行い、焼結密度，焼結
収縮率及び１次焼結後にＨＩＰ処理を行ったときの接合
強度を求めた。

【００３９】結果が表３にまとめて示してある。尚この
実施例３においては、ＨＩＰ処理を１１５０℃×１２０
ＭＰａ×１ｈの条件で行った。このＨＩＰ処理後の密度
は何れも９９．５％となっており、その接合部に欠陥は
認められなかった。

【００４０】またこの実施例３においてＨＩＰ処理後に
１１５０℃で焼入れし、また５２０℃×１ｈ×２回の条
件で焼戻しする熱処理を行った。この結果、円盤形状部
１２のＳＫＨ５１の硬さはＨＲＣ６３であった。

【００４１】

【表３】

【００４２】以上本発明の実施例を詳述したがこれはあ
くまで一例示である。例えば本発明は第１部材と第２部
材とに加えて更に異種材質から成る第３部材を有する複
合部材における第１部材と第２部材との焼結及び複合一
体化に際して適用可能であり、またその際に第３部材を
も同様の手法で第１部材及び第２部材に複合化すること
が可能であるなど、本発明はその主旨を逸脱しない範囲
において種々変更を加えた態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合部材の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０ 円筒形状部（第１部材） １２ 円盤形状部（第２部材）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なった材質の金属粉末材料から
   成る第１部材と第２部材との成形体を仮付けした上で、
   所定温度条件の下で１次焼結処理し、その後に該１次焼
   結の際の焼結温度よりも低い温度条件でＨＩＰ処理を施
   して両部材を２次焼結し、最終の密度まで高めるととも
   に互いに接合することを特徴とする複合部材の製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記１次焼結を第１
   部材と第２部材との密度が９２％以上となるように行う
   ことを特徴とする複合部材の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１，２の何れかにおいて、前記第
   １部材と第２部材とを射出成形にて成形することを特徴
   とする複合部材の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記第１部材と第２
   部材とを２色成形により同時的に且つ一体的に成形し、
   該成形時に前記仮付けを併せて行うことを特徴とする複
   合部材の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れかにおいて、前記第
   １部材と第２部材との一方が磁性材から成り、他方が硬
   質材から成っていることを特徴とする複合部材の製造方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れかにおいて、前記第
   １部材と第２部材との固相線温度が１００℃以上異なっ
   ていることを特徴とする複合部材の製造方法。