JP2003293009A

JP2003293009A - 同軸度精度に優れた内孔付き焼結部材の製造方法

Info

Publication number: JP2003293009A
Application number: JP2002095921A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takamura; 浩行高村
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】同軸度精度に優れた内孔付き焼結部材の製造
方法を提案する。【解決手段】内孔付き焼結部材を製造するに当り、ダ
イと、上パンチと、コア部を上面に突設した下パンチと
からなる金型を用いて、圧縮成形を行い、その後焼結を
行い、焼結部材とする。このような金型を使用して圧縮
成形を行うことにより、特に内外周の同軸度精度が顕著
に向上し、焼結後のサイジング処理を行うことなく所望
の寸法精度が確保でき、また、切削加工、研削加工等の
仕上げ加工の省略が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１回以上の圧縮成
形を含む工程からなる、内孔を有する焼結部材の製造方
法に係り、とくに内外周の同軸度精度の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金製品は部品形状に近い形状に加
工でき、切削加工費の削減が可能であることから、近
年、内燃機関の製造コスト低減という観点から、内燃機
関用部品として、数多く使用されている。内燃機関用部
品には、かなりの負荷がかかるため、高強度でかつ摺動
性に優れた材料が要求されている。高強度、すなわち高
密度な材料を得る方法として、温間成形、２回圧縮２回
焼結法（２Ｐ２Ｓ法）、あるいは焼結鍛造法等が一般的
に知られている。しかし、例えば、２Ｐ２Ｓ法を用いて
製造された粉末冶金製品では、切削加工を完全に省略す
るには寸法精度が不十分であり、サイジング処理等を付
加して寸法精度を向上させている。しかし、サイジング
処理による変形量には自ずと限界があり、サイジング処
理前の寸法精度によっては製品の寸法精度が不十分とな
る場合があった。

【０００３】例えば、内孔を有する焼結体は、成形型の
型孔（ダイ孔）にコアロッドを挿入した型を用い、コア
ロッドの周囲のダイ孔に原料粉末を充填し、この原料粉
末をパンチを用いてコアロッドの長さ方向に圧縮して、
仮内孔を有する成形体としたのち、さらにサイジング処
理を施して形を矯正し、焼結して製造されてきた。しか
し、このような技術で製造された焼結体は、内孔径にく
らべ高さが大きい場合には、開口部近傍の内孔径が中央
部の内孔径よりも小さくなるという問題があった。

【０００４】このような問題に対し、例えば、特開昭61
-210102 号公報には、外周壁に中空孔（内孔）の開口部
側に向かって広がるテーパを付けたコアロッドを使用す
る内孔（中空孔）を有する焼結体の高精度製造方法が提
案が提案されている。特開昭61-210102 号公報に記載さ
れた技術では、真円度の高い内孔（中空孔）を有する焼
結体が製造できるとされている。

【０００５】また、特開昭61-210106 号公報には、原料
粉末を圧粉して得られた成形体に、高周波焼入れ処理を
施して成形体の表層部に焼入れ層を形成したのち、サイ
ジング処理を施す、高精度の焼結体を得る方法が提案さ
れている。特開昭61-210106号公報に記載された技術で
は、サイジング処理により生じる変形を焼入れ層の内側
の多孔質部分で吸収でき、寸法精度が向上するとしてい
る。しかしながら、多孔質部分の気孔率の増加には限界
があり、特開昭61-210106 号公報に記載された技術によ
る中空孔 (内孔）の高精度化には自ずから限界があっ
た。

【０００６】このような技術により、内孔を有する焼結
体の内径、外径の寸法精度はかなり向上するが、内径基
準の軸心と外径基準の軸心との差（内外周の同軸度精
度）は成形時の精度で決まってしまう。複数の内孔付き
焼結体 (カム）を軸に組み付けるカムシャフトの製造に
おいては、焼結体 (カム）の内径の寸法精度に加えてさ
らに、焼結体 (カム）の外周部の外径を基準とした軸心
と、焼結体 (カム）の内周部の内径を基準とした軸心と
の同軸度精度を向上させることが要求されている。とく
に、最近では同一軸に異種材料の焼結体 (カム）を組み
付ける場合があり、同軸度精度の更なる向上が要望され
ている。

【０００７】このような要望に対し、例えば、特開2001
-293531 号公報には、孔を区画する内周部と外周部とを
備えるワーク (焼結体）について、ダイス孔およびダイ
ス孔内に配置されたコアロッドをもつダイスを用い、ダ
イス孔内にワークを装入し、、ワークの外周部をダイス
孔の内周部で拘束するとともに、ワークの内周部をコア
ロッドの外周部でしごく、ワーク内周部の内径を基準と
した軸心と外周部の外径を基準とした軸心との同軸性を
高めるためのしごき工程を含むワークの内径精度向上方
法が提案されている。

【０００８】また、特開2001-198645 号公報には、製造
されるべきカムロブの厚さより大きい厚さと、小さい外
形と、軸方向孔の形状よりわずかに大きい軸方向孔を有
する素材を、製造されるべきカムロブの輪郭形状と相補
形状の壁面を有する外型と、カムロブの軸方向孔の形状
と相補形状の壁面を有する中型と、底面と中型が係合す
る受け孔を有する下型とからなる金型内に置き、カムロ
ブと同じ断面形状を有する押型にて、厚さ方向に冷間で
押圧する組立て式カムシャフト用カムロブの製造方法が
提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開20
01-198645 号公報に記載された技術では、製造されたカ
ムロブ（焼結体）の同軸度精度が不足して、仕上げ加工
を必要とする場合が多々あり、工程が複雑化し製造コス
トの高騰を招くという問題があった。また、特開2001-2
93531 号公報に記載された技術では、焼結体の内周面し
ごき加工を必要とするうえ、必ずしも所望の同軸度精度
が得られない場合があり、仕上げ加工を必要とする場合
が多く、製造工程が複雑化し製造コストの高騰を招くと
いう問題があった。

【００１０】本発明は、上記した従来技術の問題を有利
に解決し、内外周の同軸度精度に優れた内孔付き焼結部
材の製造方法を提案することを目的とする。なお、本発
明でいう「同軸度精度に優れた」とは、外周部の外径を
基準とした軸心と、焼結体 (カム）の内周部の内径を基
準とした軸心とのずれ（差）が、0.04mm以内である状態
をいうものとする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した課
題を達成するために、同軸度精度に影響する要因につい
てさらに鋭意研究した。従来から、原料粉末や、一次成
形体あるいは仮焼結体を圧縮成形する際には、例えば、
図５に示すような成形用金型を使用している。図５に示
す成形用金型では、ダイ21と、コアロッド24と、上パン
チ22と、下パンチ23とから構成されている。なお、25は
コアロッド受け治具である。このような成形用金型を使
用し、原料粉末等を圧縮成形する従来の手順について説
明する。

【００１２】まず、ダイ21の内孔（ダイ孔）に下パンチ
23が挿入され、下パンチの内孔にコアロッドが挿入され
る。ダイとコアロッドを固定した状態としたのち、下パ
ンチを下降させる。ついでダイの内周面、コアロッドの
外周面、下パンチの上面で囲まれたダイ孔内に原料粉末
を充填する。上パンチを下降させて原料粉末を圧縮成形
し、成形体26とする。通常、このような成形用金型で
は、上パンチ、下パンチの上昇下降が容易となるよう
に、ダイと上パンチ、下パンチ間、コアロッドと上パン
チ、下パンチの間には隙間が設定されている。

【００１３】本発明者は、圧縮成形を含む焼結体の製造
方法では、圧縮成形時にこのような成形用金型における
隙間の存在により、その隙間の範囲内で、外径を基準と
した軸心と内径を基準とした軸心とにずれ（差）が生
じ、同軸度精度が低下することを見出した。そこで、本
発明者は、圧縮成形時に上記したような隙間を減少させ
た成形用金型を使用することを想到した。このような成
形金型の隙間は、コアロッドと下パンチとを一体化させ
ることにより激減し、内孔付き焼結部材の同軸度精度が
顕著に向上することを知見し、本発明を完成した。

【００１４】すなわち、本発明は、成形用金型を用い、
少なくとも圧縮成形を１回以上含む工程からなる内孔付
き焼結部材の製造方法において、前記成形用金型を、ダ
イと、上パンチと、所定高さの内孔付き成形体が製造可
能なようにコア部を上面に突設した下パンチとから構成
される金型とすることを特徴とする同軸度精度に優れた
内孔付き焼結部材の製造方法である。

【００１５】また、本発明は、一次成形用金型のダイ孔
内に原料粉末を充填し、上パンチと下パンチとにより前
記原料粉末を一次圧縮成形したのち、仮焼結を施して内
孔を有する仮焼結体とする一次成形工程と、該仮焼結体
を、二次成形用金型のダイ孔内に装入し、上パンチと下
パンチとにより前記仮焼結体を二次圧縮成形したのち本
焼結を施して、中央部に内孔を有する焼結体とする二次
成形工程とからなる内孔付き焼結部材の製造方法におい
て、前記一次成形用金型および前記二次成形用金型を、
ダイと、上パンチと、所定高さの内孔付き成形体が製造
可能なように上面にコア部を突設した下パンチとから構
成された金型とすることを特徴とする同軸度精度に優れ
た内孔付き焼結部材の製造方法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、ダイと、上パンチと、
上面にコア部を突設した下パンチとから構成された成形
用金型を用い、原料粉末に、圧縮成形を１回以上含む工
程からなる内孔付き焼結部材の製造方法である。なお、
本発明は、一次圧縮成形を施し一次成形体とした後に仮
焼結を施し仮焼結体とする一次成形工程と、さらに、一
次成形工程で得られた仮焼結体に再圧縮成形（二次圧縮
成形）を施し、さらに本焼結を施し焼結体とする二次成
形工程からなる、いわゆる２Ｐ２Ｓ法に適用することが
好ましい。以下、２Ｐ２Ｓ法を用いた場合をもとに説明
するが、本発明はこれに限定されるものではないことは
言うまでもなく、一回の圧縮成形と一回の焼結で焼結体
とする工程からなる方法でも有効である。

【００１７】まず、本発明では、内孔付き焼結部材を製
造するために、ダイ11と、上パンチ12と、上面にコア部
13a を突設した下パンチ13とからなる成形用金型を用い
る。なお、コア部13a はダイ11のダイ孔内の中心部で所
定高さの内孔付き成形体が製造可能な高さと外径とを有
し、下パンチ13の上面に突設されている。本発明で使用
する成形用金型の一例を図１に示す。なお、図１では一
次圧縮成形が完了した状態を示している。

【００１８】まず、ダイ11の内孔（ダイ孔）に、上面に
コア部13a を突設された下パンチ13を挿入し、下パンチ
13を固定したのち、ダイの内周面、コア部の外周面、下
パンチの上面で囲まれたダイ孔内に原料粉末を充填す
る。ついで上パンチを下降させて原料粉末を、上パンチ
12と下パンチ13とにより圧縮成形し、成形体（一次成形
体15）とする。このような上面にコア部13a を突設した
下パンチ13を用いた成形用金型を用いることにより、成
形用金型内の隙間が激減し、成形体（一次成形体）の寸
法精度が顕著に向上することになる。

【００１９】なお、本発明では、下パンチの上面にコア
部を突設する方法は、特に限定されない。下パンチの内
孔にコアロッドを圧入する方法、あるいは下パンチを一
体物として製作する方法、あるいは下パンチとコアロッ
ドを機械的に結合させる方法等が考えられる。なお、本
発明で使用する原料粉末は、とくに限定する必要はな
く、製品である焼結部材の用途に応じ適宜選定すること
ができる。例えば、鉄基焼結部材であれば、鉄粉等の鉄
基粉末に、黒鉛粉末、合金粉末、潤滑剤等を混合した混
合粉を原料粉末とすることが好ましい。

【００２０】本発明では、原料粉末を図１に示す成形用
金型を使用して、圧縮成形（一次圧縮成形）し成形体
（一次成形体）としたのち仮焼結を施し、焼結体（仮焼
結体）とする。この焼結体をこのままの状態 (１回圧縮
成形１回焼結）で製品としてもよいことはいうまでもな
い。なお、本発明では仮焼結条件は特に限定されない。
使用する原料粉末に応じて決まる条件で行うことが好ま
しい。

【００２１】一次成形工程を経た仮焼結体は、ついで、
図１に示した一次成形用金型と同等または大きいコア部
外径の二次成形金型内に装入され、二次圧縮成形を施さ
れ、ついで本焼結を施されて焼結体とされる二次成形工
程を施される。二次圧縮成形においては、ダイ11のダイ
孔（内孔）に、上面にコア部13a を突設された下パンチ
13を挿入し、下パンチ13を固定したのち、ダイの内周
面、コア部の外周面、下パンチの上面で囲まれたダイ孔
内に仮焼結体（ワーク）を装入する。

【００２２】ダイ孔内に装入された仮焼結体（ワーク）
は、下降した上パンチ12により圧縮され、二次成形体
（再圧縮成形体）15とされる。その後、上パンチ12およ
び下パンチ13が上昇して、二次成形体15をダイ11から取
り出す。ダイから取り出された二次成形体は、さらに本
焼結を施されて内孔付き焼結部材 (焼結体）とされる。
なお、本発明では本焼結条件は特に限定されない。使用
する原料粉末に応じて決まる条件で行うことが好まし
い。

【００２３】二次成形用金型を、下パンチとコアロッド
を一体化し、上面にコア部を突設した下パンチを用いた
金型とすることにより、二次成形用金型内の隙間が激減
し、再圧縮成形時に内孔付き焼結部材の同軸度精度が顕
著に向上することになる。

【００２４】

【実施例】鉄粉に、黒鉛粉、銅粉を焼結後にＣ：0.8 質
量％、Cu：1.5 質量％となるように配合し、さらに潤滑
剤としてステアリン酸亜鉛を鉄粉と黒鉛粉と銅粉の合計
量100 重量部に対し１重量部配合し、混合して混合粉と
した。この混合粉を原料粉末として、図１に示す成形用
金型のダイ孔に充填して、面圧：5 〜8ton／cm²で圧縮
成形し、成形体とした。なお、成形用金型は、下パンチ
とコアロッドを一体化し、上面にコア部13a を突設した
下パンチを用いた金型で、焼結後に外径40mm×内径30mm
×厚さ15mmの部材となるように設計された金型とした。

【００２５】この成形体を、真空焼結炉中で、1100〜12
00℃の温度範囲で焼結し、焼結部材(焼結体）（本発明
例１）とした。なお、焼結部材は、繰り返しとして60個
作製した。また、本発明例１と同じ配合の原料粉末を、
図５に示す従来の成形用金型のダイ孔に充填して、本発
明例１と同様の条件で、圧縮成形したのち焼結して内孔
付き焼結部材（比較例１）とした。なお、比較例１の焼
結部材は、繰り返しとして60個作製した。

【００２６】次に、鉄粉に、黒鉛粉、銅粉を焼結後に
Ｃ：0.8 質量％、Cu：1.5 質量％となるように配合し、
さらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を鉄粉と黒鉛粉と
銅粉の合計量100 重量部に対し１重量部配合し、混合し
て混合粉とした。この混合粉を原料粉末として、図１に
示す構成の成形用金型（一次成形用）のダイ孔に充填し
て、面圧：5 〜7ton／cm²で一次圧縮成形し、一次成形
体とした。なお、図１に示す成形用金型（一次）は、下
パンチとコアロッドを一体化し、上面にコア部13a を突
設した下パンチを用いた金型である。この一次成形体
を、真空焼結炉中で、600 〜900 ℃の温度範囲で仮焼結
する一次成形工程により仮焼結体とした。ついでこの仮
焼結体に、図１に示す構成の成形用金型を用いて、面
圧：7 〜10 ton／cm²で二次圧縮成形を施し、二次成形
体としたのち、1100〜1200℃の温度で本焼結を施す二次
成形工程により、内孔付き焼結部材（本発明例２）とし
た。この焼結部材は繰り返しとして60個作製した。な
お、二次成形用金型は、本焼結後に外径40mm×内径30mm
×厚さ15mmの部材となるように設計された金型であり、
下パンチとコアロッドを一体化し、上面にコア部13a を
突設した下パンチを用いた金型である。また、本発明例
２においては、二次成形用金型と仮焼結体とのクリアラ
ンスは0.1mm （片側）に設定した。

【００２７】また、本発明例２と同じ配合の原料粉末
を、図５に示す従来の成形用金型のダイ孔に充填して、
本発明例１と同様の条件で一次成形工程および二次成形
工程を施して内孔付き焼結部材（比較例２）とした。な
お、比較例２は繰り返しとして60個作製した。次に、鉄
粉に、黒鉛粉、銅粉を焼結後にＣ：0.8 質量％、Cu：1.
5 質量％となるように配合し、さらに潤滑剤としてステ
アリン酸亜鉛を鉄粉と黒鉛粉と銅粉の合計量100 重量部
に対し１重量部配合し、混合して混合粉とした。この混
合粉を原料粉末として、図１に示す構成の成形用金型
（一次）のダイ孔に充填して、面圧：5 〜7ton／cm²で
一次圧縮成形し、一次成形体とした。なお、図１に示す
成形用金型（一次）は、下パンチとコアロッドを一体化
し、上面にコア部13a を突設した下パンチを用いた金型
である。金型形状は、仮焼結後に図２に示すカムピース
短径：40mm、内径：30mm、厚さ：15mm、長径：52mm）と
なるように設計されたものである。

【００２８】これら一次成形体を、真空焼結炉中で、60
0 〜900 ℃の温度範囲で仮焼結する一次成形工程により
仮焼結体とした。ついでこの仮焼結体に、図１に示す構
成の成形用金型を用いて、面圧：7 〜10 ton／cm²で二
次圧縮成形を施し、二次成形体としたのち、1100〜1200
℃の温度で本焼結を施す二次成形工程により、カムピー
ス（焼結部材）（本発明例３）とした。なお、本発明例
３は、繰り返しとして60個作製した。二次成形用金型の
金型形状は、本焼結後に、図２に示すカムピース（短
径：40mm、内径：30mm、厚さ：15mm、長径：52mm）とな
るように設計されたものであり、下パンチとコアロッド
を一体化し、上面にコア部13a を突設した下パンチを用
いている。また、本発明例３においては、二次成形用金
型と仮焼結体とのクリアランスは0.1mm （片側）に設定
した。

【００２９】また、本発明例３と同じ配合の原料粉末
を、図５に示す従来の成形用金型のダイ孔に充填して、
本発明例３と同様の条件で一次成形工程および二次成形
工程を施してカムピース（焼結部材）（比較例３）とし
た。なお、比較例３は、繰り返しとして60個作製した。
これら焼結部材（カムピース）について、内周（内孔）
を基準として外周全周のフレ量を測定し、外周の外径基
準による軸心と内周の内径基準による軸心との差（mm）
を求め、同軸度精度を評価した。同軸度精度は軸心の差
が小さいほど向上していることになる。得られた結果を
図３、図４に示す。

【００３０】図３から、本発明例１および本発明例２の
同軸度はいずれも、0.02mm以下となっており比較例１の
0.03mm、比較例２の0.05mmにくらべ同軸度精度が顕著に
向上していることがわかる。また、図４から、本発明例
３のカムピースのベース円と内周との同軸度精度は、0.
03mm以下であり、比較例３の0.05mmにくらべ同軸度精度
が顕著に向上していることがわかる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、内径、および外径等の
寸法精度に優れ、かつ同軸度精度に顕著に優れた内孔付
き焼結部材が、サイジングの処理を施すことなく、簡便
な方法で安価にしかも安定して製造できるという産業上
格段の効果を奏する。本発明によれば、切削、研削加工
を省略することが可能となり、組み立て後の研削加工を
省略したカムシャフトの製作が可能となるという効果も
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に好適な成形用金型の構成の一例を模式
的に示す断面図である。

【図２】カムピースの形状寸法を示す説明図である。

【図３】本発明における実施例の同軸度精度を比較して
示すグラフである。

【図４】本発明における実施例の同軸度精度を比較して
示すグラフである。

【図５】従来の成形用金型の構成の一例を模式的に示す
断面図である。

【符号の説明】

１原料粉末 11 ダイ 12 上パンチ 13 下パンチ 13a コア部 15 成形体 (一次成形体、仮焼結体、二次成形体） 21 ダイ（従来の成形用金型） 22 上パンチ（従来の成形用金型） 23 下パンチ（従来の成形用金型） 24 コアロッド（従来の成形用金型） 25 コアロッド受け治具（従来の成形用金型） 26 成形体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成形用金型を用い、少なくとも圧縮成形
を１回以上含む工程からなる内孔付き焼結部材の製造方
法において、前記成形用金型を、ダイと、上パンチと、
所定高さの内孔付き成形体が製造可能なようにコア部を
上面に突設した下パンチとから構成される金型とするこ
とを特徴とする同軸度精度に優れた内孔付き焼結部材の
製造方法。
【請求項２】一次成形用金型のダイ孔内に原料粉末を
充填し、上パンチと下パンチとにより前記原料粉末を一
次圧縮成形したのち、仮焼結を施して内孔を有する仮焼
結体とする一次成形工程と、該仮焼結体を、二次成形用
金型のダイ孔内に装入し、上パンチと下パンチとにより
前記仮焼結体を二次圧縮成形したのち本焼結を施して、
中央部に内孔を有する焼結体とする二次成形工程とから
なる内孔付き焼結部材の製造方法において、前記一次成
形用金型および前記二次成形用金型を、ダイと、上パン
チと、前記ダイのダイ孔内の中心部で所定高さの内孔付
き成形体が製造可能なように上面にコア部を突設した下
パンチとから構成された金型とすることを特徴とする同
軸度精度に優れた内孔付き焼結部材の製造方法。