JP2006009091A - 異種部材どうしの焼結拡散接合を利用したステータコアの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒状の非磁性材とその両端部に備えられる環状の磁性材とからなるステータコアの製造方法であって、両部材を強固に接合でき、且つ、寸法制御が容易な製造方法を提供する。
【解決手段】１．（１）非磁性体Ａは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、その両端部に径方向内方を向く第１係合面を有しており、（２）磁性体Ｂは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有しているステータコアの製造方法、並びに２．（１）非磁性体Ａは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、その両端部に径方向外方を向く第１係合面を有しており、（２）磁性体Ｂは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有しているステータコアの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼結時の収縮・膨張特性が異なる異種部材どうしの焼結拡散接合を利用したステータコアの製造方法に関する。

オートマチック・トランスミッション等の機器の小型化・高性能化の要求に合わせて、内部に備えられるステータコアの小型化・高性能化が要求されている。小型化・高性能化を図ったステータコアとしては、例えば、円筒状の非磁性体とその両端部に備えられる環状の磁性体との３層から構成したものが知られている。

従来、非磁性材と磁性材とを接合するために、両者の液相焼結接合が利用されている。しかしながら、液相焼結接合する場合には、接合過程での材料の寸法制御が困難であり、製造されるステータコアに寸法のバラツキが生じるという問題がある。そのため、液相焼結接合を利用した製造方法は、工業的量産に適していないと指摘されている。

液相焼結接合以外の接合方法としては、例えば、非磁性材及び磁性材として共に溶製材を用いて、両者をスポット溶接する方法が知られている。しかしながら、この接合方法では、接合界面に隙間ができ易いため、製造されたステータコアを稼動した際、内径面摺動時（プランジャが内径面を摺動時）に磨耗片が隙間に入り込み、ステータコアの動作不良を起こすおそれがある。そのため、動作不良を回避するために、ステータコア内径部分にメッキ等のコーティングを行う必要がある。

このような複数の部材を互いに接合して複合焼結機械部品を製造する方法が、例えば、特許文献１に開示されている。具体的には、特許文献１には、鉄系の焼結合金から形成された孔部を有する部材（外側部材）と、鉄系の合金粉末または混合粉を圧縮成形して得た軸部を有する圧粉体（内側部材）とを、それぞれの孔部と軸部を嵌め合わせた状態で一体に焼結接合するに際し、内側部材として焼結過程の７５０℃以上の高温域における熱膨張量が外側部材の熱膨張量よりも大きくなる組成の圧粉体を用いることを特徴とする、複合焼結機械部品の製造方法が開示されている。

特許文献１では、上記特徴を有する製造方法により、同系列材（鉄系）の焼結体と圧粉体とが高い接合強度により組み合わさった複合焼結機械部品を得ている。しかしながら、この接合技術を３層構造のステータコアの製造に応用しても、円筒形のステータコアでは、各部材が磁性、非磁性と異種材のため熱膨張差がありすぎて、焼結中の熱膨張だけでは強固な接合強度が得られず、また、冷却過程における寸法収縮と寸法膨張との作用によって、接合界面が剥離する場合がある。
特開平１２−２９０７０７号公報

本発明は、円筒状の非磁性材とその両端部に備えられる環状の磁性材とからなるステータコアの製造方法であって、両部材を強固に接合でき、且つ、寸法制御が容易な製造方法を提供することを主な目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の材料からなる非磁性材及び磁性材を組み合わせて使用し、両部材を焼結拡散接合するステータコアの製造方法が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記のステータコアの製造方法に係るものである。
１．（第１態様）円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、
（１）非磁性体Ａは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、その両端部に径方向内方を向く第１係合面を有しており、
（２）磁性体Ｂは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有している
ことを特徴とするステータコアの製造方法。
２．（第２態様）円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、
（１）非磁性体Ａは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、その両端部に径方向外方を向く第１係合面を有しており、
（２）磁性体Ｂは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有している
ことを特徴とするステータコアの製造方法。
３．非磁性体Ａが仮焼材又は圧粉材からなり、磁性体Ｂが溶製材からなる上記項１記載の製造方法。
４．非磁性体Ａがステンレス鋼からなり、磁性体Ｂが電磁軟鉄からなる上記項３記載の製造方法。
５．非磁性体Ａがリン鉄を含む上記項３又は４記載の製造方法。
６．１１００〜１２００℃の温度で焼結拡散接合を行う上記項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
７．上記項１〜６のいずれかに記載の製造方法により製造されたステータコア。
８．オートマチック・トランスミッション内に備えられる上記項７記載のステータコア。

以下、本発明のステータコアの製造方法について詳細に説明する。

本発明のステータコアの製造方法は、円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、非磁性体／磁性体の組み合わせとして、（１）収縮性材料／膨張性材料、又は（２）膨張性材料／収縮性材料の組み合わせを利用し、収縮性材料が径方向内方を向く係合面を有し、膨張性材料が径方向外方を向く係合面を有することを特徴とする。なお、収縮性材料は焼結により収縮する材料を示し、膨張性材料は焼結により膨張する材料（寸法変化のない場合も含む）を示す。

本発明の製造方法には、具体的に、下記の第１態様及び第２態様がある。

第１態様の製造方法
第１態様の製造方法は、円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、
（１）非磁性体Ａは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、その両端部に径方向内方を向く第１係合面を有しており、
（２）磁性体Ｂは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有している
ことを特徴とする。

第１態様では、非磁性材Ａは、収縮性材料からなる。収縮性材料としては、ステータコアの寸法制御に悪影響を及ぼさない範囲内で焼結により収縮するものであれば特に限定されない。例えば、非磁性体のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６等）からなる仮焼材、圧粉材等が挙げられる。収縮の程度は個々の材料により異なるが、通常０．５〜２％（径方向）、好ましくは０．８〜１．２％（径方向）程度の収縮である。

収縮性材料の焼結時の収縮性を高めるため、必要に応じて、リン鉄等の収縮助剤を収縮性材料中に添加してもよい。これらは単独又は２種以上で使用できる。これらの焼結助剤は、仮焼材、圧粉体等の原料中に添加しておけばよい。収縮助剤の含有量は特に限定されないが、収縮性材料中に０．５〜５重量％、好ましくは１．０〜３重量％程度である。収縮性材料がステンレス鋼の場合は特に前記した範囲内が好ましい。

磁性材Ｂは、膨張性材料からなる。膨張性材料としては、ステータコアの寸法制御に悪影響を及ぼさない範囲内で焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料であれば特に限定されない。例えば、磁性を有する溶製材等が挙げられる。溶製材としては、具体的に電磁軟鉄（ＳＵＹ材）等が挙げられる。膨張の程度は個々の材料により異なるが、通常０〜２．０％（径方向）、好ましくは０〜０．５％（径方向）程度の膨張（又は変化なし）である。

以下、第１態様における各部材の係合面について、ステータコアの断面図の一例である図１及び図２を用いて説明する。

図中では、非磁性体Ａがその両端部に有する径方向内方を向く第１係合面は、図中１及び２で示される。径方向内方を向く第１係合面には、図中１で示されるような、中心軸に対して並行ではない面も含まれる。磁性体Ｂが有する前記第１係合面と係合する第２係合面は、図中３及び４で示される。

第１態様の製造方法では、非磁性材Ａと磁性材Ｂとを組み合わせて（即ち、対応する係合面を対向させて）焼結時に、非磁性体Ａが収縮し、且つ、磁性体Ｂが膨張（寸法変化のない場合を含む）し、係合面で互いに密着し合う応力が生じるため、両材料Ａ及びＢが強固に接合される。

焼結温度としては、焼結拡散ができる温度範囲であれば特に限定されないが、１１００〜１２００℃程度であればよい。焼結雰囲気は特に限定されないが、還元性雰囲気、不活性雰囲気、真空等が利用できる。焼結時間は焼結温度等に応じて適宜調整できるが、通常０．５〜２時間、好ましくは４０分〜１時間程度である。

なお、焼結後、ステータコア内径部分にメッキ等のコーティングを行ってもよい。この場合には、ステータコア実用時に、内径部を摺動するプランジャの摩耗片の接合部への侵入をより確実に防止できる上、摺動性、耐磨耗性等が向上する。

第２態様の製造方法
第２態様の製造方法は、円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、
（１）非磁性体Ａは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、その両端部に径方向外方を向く第１係合面を有しており、
（２）磁性体Ｂは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有している
ことを特徴とする。

第２態様では、非磁性材Ａは、膨張性材料からなる。膨張性材料としては、ステータコアの寸法制御に悪影響を及ぼさない範囲内で焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料であれば特に限定されない。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼等であって非磁性体であるものの溶製材等が挙げられる。膨張性材料の膨張の程度は第１態様の場合と同様である。

磁性材Ｂは、収縮性材料からなる。収縮性材料としては、ステータコアの寸法制御に悪影響を及ぼさない範囲内で焼結により収縮するものであれば特に限定されない。例えば、磁性を有する鉄、鉄−銅合金、鉄−リン合金、鉄−シリコン合金等の鉄系材の仮焼材、圧粉体等が挙げられる。収縮性材料の収縮の程度は第１態様の場合と同様である。

収縮性材料の焼結時の収縮性を高めるため、必要に応じて、リン鉄、ニッケル等の収縮助剤を収縮性材料中に添加してもよい。これらは単独又は２種以上で使用できる。これらの焼結助剤は、仮焼体、圧粉体の原料中に添加しておけばよい。収縮助剤の収縮助剤の含有量は特に限定されないが、収縮性材料中に０．５〜５重量％、好ましくは１〜３重量％程度である。

以下、第２態様における各部材の係合面について、ステータコアの断面図の一例である図３及び図４を用いて説明する。

図中では、非磁性体Ａがその両端部に有する径方向外方を向く第１係合面は、図中５及び６で示される。径方向外方を向く第１係合面には、図中５で示されるような、中心軸に対して並行ではない面も含まれる。磁性体Ｂが有する前記第１係合面と係合する第２係合面は、図中７及び８で示される。

第２態様における焼結条件は、前記した第１態様における焼結条件と同様である。

このような本発明の製造方法では、寸法制御が容易であるため、製品の寸法バラツキを低く抑えることができる。特に、従来用いられている液相焼結接合と比較して寸法制御が容易である。本発明の製造方法における寸法バラツキは、通常１０〜２０μｍ程度であり、好適な態様によれば５〜１０μｍとさらに低く抑えることができる。

本発明の製造方法によれば、非磁性材と磁性材とが強固に接合したステータコアが製造できる。また、本発明の製造方法は、材料の寸法制御が容易であるため、ステータコアの工業的量産に適している。

以下に実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。

実施例１
非磁性体Ａとしてステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）、磁性体Ｂとして電磁軟鉄（ＳＵＹＢ）を用いて図３に示すステータコアを作製した。ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）は焼結により収縮する材料であり、電磁軟鉄（ＳＵＹＢ）は焼結により殆ど寸法変化のない材料である。

上記非磁性材Ａと磁性材Ｂとを組み合わせた後、還元性雰囲気（アンモニア分解ガス）において、１２００℃で３５分間焼結拡散接合を行った。

その結果、図３に示す第１係合面及び第２係合面は、強固に接合した。その他の対応する係合面においても、互いに強固に接合していた。尚、対応する係合面におけるステンレス鋼成分のＣｒの拡散状態を、ＷＤＸによる線及び面分析により調べたところ、第１係合面及び第２係合面さらには他の対応する係合面において、全てＣｒの拡散が確認できた。

第１態様の製造方法で製造されるステータコアの断面図である。 第１態様の製造方法で製造されるステータコアの断面図である。 第２態様の製造方法で製造されるステータコアの断面図である。 第２態様の製造方法で製造されるステータコアの断面図である。 実施例１で作製したステータコアの断面図である。

Claims (8)

1. 円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、
   （１）非磁性体Ａは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、その両端部に径方向内方を向く第１係合面を有しており、
   （２）磁性体Ｂは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有している
   ことを特徴とするステータコアの製造方法。
2. 円筒状の非磁性体Ａとその両端部に備えられる環状の磁性体Ｂとを焼結拡散接合により接合するステータコアの製造方法であって、
   （１）非磁性体Ａは、焼結により膨張するか又は寸法変化しない材料からなり、且つ、その両端部に径方向外方を向く第１係合面を有しており、
   （２）磁性体Ｂは、焼結により収縮する材料からなり、且つ、前記第１係合面と係合する第２係合面を有している
   ことを特徴とするステータコアの製造方法。
3. 非磁性体Ａが仮焼材又は圧粉材からなり、磁性体Ｂが溶製材からなる請求項１記載の製造方法。
4. 非磁性体Ａがステンレス鋼からなり、磁性体Ｂが電磁軟鉄からなる請求項３記載の製造方法。
5. 非磁性体Ａがリン鉄を含む請求項３又は４記載の製造方法。
6. １１００〜１２００℃の温度で焼結拡散接合を行う請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法により製造されたステータコア。
8. オートマチック・トランスミッション内に備えられる請求項７記載のステータコア。
   

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