JP2007262452A

JP2007262452A - 焼結金属部材の製造方法

Info

Publication number: JP2007262452A
Application number: JP2006086066A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Shogetsu; 健浩松月
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】高い寸法精度を有し、かつ欠陥の少ない焼結金属部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】上下方向に相対的に肉厚の異なる薄肉部２および厚肉部３を有する圧粉成形体２９を焼結してなる焼結金属部材１の製造方法であって、圧粉成形体２９を成形するに際し、成形面２３ａに高低差を有する下型内に金属粉末２８を充填した後、下型に対して上型を相対的に近接して金属粉末２８をプレスすることにより、成形面２３ａの高部面２３ａ１で圧粉成形体２９の薄肉部２９ｂを、低部面２３ａ２で圧粉成形体２９の厚肉部２９ａをそれぞれ成形する。
【選択図】図５

Description

本発明は、焼結金属部材の製造方法に関する。

周知のように、焼結金属部材は、高い成形自由度を有し、かつ安価に製造可能であることから、例えば、エンジンの可変バルブ機構用のオイルシール部材として実用化されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

この場合、オイルシール部材として使用される焼結金属部材は、例えば下記の特許文献２に開示されている様に、中央部に比べて両端が厚肉の細長い板状部材であって、両端の厚肉部間に形成される凹部に板バネ等の附勢手段を配設している。そして、この板バネの附勢力によりオイルシール部材としての焼結金属部材を対向する面に当接附勢することで、焼結金属部材と円周方向で隣り合う油室間をシールする。
特許第３２８４９３９号公報特開平０９‐３２９００５号公報

このように、焼結金属部材は、その使用形態により、上下方向に相対的に厚みの異なる薄肉部と厚肉部を有する形状に成形される。図９および図１０は、かかる焼結金属部材の圧粉成形工程の一例を示すもので、ダイ５１および上下パンチ５２、５３とからな成形金型内に画成された粉末充填部５４に原料粉となる金属粉末５５を充填した後、成形すべき部材の上下方向一端面に対応した形状（凹凸面）をなす成形面５２ａを下端に設けた上パンチ５２を、成形すべき部材の上下方向他端面に対応した形状（平面）をなす成形面５３ａを上端に設けた下パンチ５３に対して相対的に下降させることで、金属粉末５５を圧縮し、所定形状の圧粉成形体５６を成形するものである。

この際、金属粉末５５は、図９に示すように、粉末充填部５４の、ダイ５１の上面５１ａとほぼ同一の高さまで充填され、圧縮される。そのため、図９および図１０に示すように充填、圧縮を行うと、圧粉成形体５６の厚肉部５６ａに比べて、薄肉部５６ｂの方が高圧縮されるという事態を招く。その結果、厚肉部５６ａの密度が薄肉部５６ｂの密度よりも小さくなるため、圧縮成形後に行う焼結時の寸法変化量（寸法変化率）が厚肉部５６ａと薄肉部５６ｂとで異なり、所要の寸法精度を得ることが難しい。また、薄肉部に比べて相対的に密度の小さい厚肉部では、必然的に強度の低下を招き、圧粉成形時に欠損を生じ、あるいは焼結体の欠陥部となる可能性がある。

本発明の課題は、高い寸法精度を有し、かつ欠陥の少ない焼結金属部材の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために創案された本発明は、上下方向に相対的に肉厚の異なる薄肉部および厚肉部を有する圧粉成形体を焼結してなる焼結金属部材の製造方法において、前記圧粉成形体を成形するに際し、ダイと、高低差を有する成形面を上端に設けた下パンチとで画成される粉末充填部に金属粉末を充填した後、該下パンチに対して上パンチを相対的に近接して前記金属粉末をプレスすることにより、前記成形面の高部面で前記圧粉成形体の薄肉部を成形すると共に、前記成形面の低部面で前記圧粉成形体の厚肉部を成形することに特徴付けられる。

上記の方法によれば、下パンチの成形面は、高低差を有する高部面および低部面で構成されているため、かかる下パンチの成形面を底面部として、ダイと、下パンチとで画成される粉末充填部に金属粉末を充填すれば、成形面の低部面に対応する領域の充填高さが、その高部面に対応する領域に比べて高くなる。すなわち、予め成形すべき圧粉成形体の厚肉部に対応する領域の充填高さを、その薄肉部に対応する領域に比べて高くすることができる。従って、この状態で金属粉末をプレスすれば、得られる圧粉成形体の厚肉部と薄肉部との密度差を極力小さく、あるいは零にすることができる。また、圧粉成形体の厚肉部における密度が薄肉部の密度に等しければ、かかる圧粉成形体を焼結して得られる焼結金属部材の厚肉部密度と薄肉部密度が等しくなる。従って、圧粉成形後に行う焼結時の寸法変化量（寸法変化率）が厚肉部と薄肉部とで異なる事態を極力避けて、高い寸法精度を有する焼結金属部材を得ることができる。また、圧粉成形時における厚肉部の欠損を抑えて、薄肉部と同等の高い成形体強度あるいは焼結体強度を得ることができる。

また、圧粉成形体の成形後、粉末充填部から圧粉成形体を排出するに際しては、圧粉成形体がダイの上端面上方に完全に露出する位置まで、下パンチをダイに対して相対的に上昇させ、ダイの上端面上を摺動する押出部材によって圧粉成形体を水平方向に押し出すことによって排出するのが通例とされている。しかしながら、上述のように、下パンチの成形面に高低差がある場合には、圧粉成形体がダイの上端面上方に完全に露出する位置まで下パンチを上昇させると、下パンチの成形面のうち、高部面がダイの上端面上に露出してしまい、下パンチと押出部材が接触してしまうという問題がある。一方、下パンチの高部面をダイの上端面以下となる位置まで上昇させた状態で、押出部材により水平方向に圧粉成形体を押し出そうとすると、圧粉成形体の厚肉部が粉末充填部から抜けず、粉末成形体に破損を来たすという問題がある。

そこで、この問題を解決するために、上記の方法において、前記圧粉成形体の成形後、前記下パンチを前記ダイに対して相対的に上昇させ、前記粉末充填部から前記圧粉成形体を排出するに際し、長手方向の一端で前記粉末充填部に開口し且つその他端で前記ダイの上端面と連続するガイド溝を前記ダイに設けた状態で、前記高部面が前記ダイの上端面以下となる位置まで前記下パンチを上昇させ、前記ダイの上端面に沿う方向に前記圧粉成形体を押し出すことにより、前記厚肉部を前記ガイド溝上に案内するようにすることが好ましい。

このようにすれば、ダイの上端面に沿う方向に圧粉成形体を押し出す際に、圧粉成形体の厚肉部はガイド溝上に案内されるため、下パンチをダイの上端面上方に露出させない状態であっても、圧粉成形体を容易且つ的確に排出することができる。従って、圧粉成形体の排出時に下パンチが圧粉成形体の押し出しを阻害するという事態の発生が防止されると共に、排出時に起因した圧粉成形体の破損を的確に低減することができる。

以上のように、本発明によれば、高い寸法精度を有し、かつ欠陥の少ない焼結金属部材を製造することができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る焼結金属部材の全体構成を例示している。同図に示すように、焼結金属部材１は、細板形状をなすもので、上下方向に相対的に肉厚の異なる薄肉部２および厚肉部３を一体に備え、薄肉部２の長手方向両端に厚肉部３、３が設けられている。詳述すると、焼結金属部材１の下面４は、略平面をなすと共に、その上面５は、薄肉部２の上端面２ａおよび厚肉部３の上端面３ａにより凹凸面をなし、厚肉部３、３間に凹部６を形成している。ここで、薄肉部２の密度と、厚肉部３の密度差は非常に小さく（例えば０．１ｇ／ｃｍ^３以下）、焼結金属部材１の例えば幅寸法Ｗは所定寸法から１０μｍの誤差範囲内に収まっている。

かかる焼結金属部材１は、例えば、図２に示すオイルシール機構に組み込まれて使用される。同図において、１１は第１の回転体を、１２は第１の回転体１１と同期して回転可能でかつ相対回転可能な第２の回転体を示している。第１の回転体１１の外周には、外径側に突出した複数の凸部１３が設けられ、第２の回転体１２の内周に設けられた複数の凹部１４に収容されている。第１の回転体１１外周と第２の回転体１２内周との間には例えば潤滑油等のオイルが充満しており、凸部１３によって二つに区画された凹部１４は、それぞれ第１の油室１５、第２の油室１６を形成している。各々の凸部１３の先端部には溝部１７が形成され、この溝部１７内にオイルシールとして上記の焼結金属部材１が配設されている。

焼結金属部材１は、図２および図３に示すように、厚肉部３、３間に形成された凹部６に、附勢手段としての板バネ１８を収容した状態で、溝部１７内に配設される。この状態において、板バネ１８は、図３に示すように、頂部１８ａを第１の回転体１１の側に、基端部１８ｂを焼結金属部材１の側にそれぞれ向けた状態で配設されており、常時、焼結金属部材１を外方側（第２の回転体１２の側）に向けて附勢している。

板バネ１８の附勢力によりオイルシールとしての焼結金属部材１の下面４は、対向する凹部１４の内周面１４ａに当接附勢され、両面４、１４ａ間がシールされる。また、焼結金属部材１の幅寸法Ｗは、これが収容される溝部１７の幅寸法に略等しく、溝部１７の内側面とこれらに対向する薄肉部２の側面２ｂおよび厚肉部３の側面３ｂとの間がシールされる。これにより、焼結金属部材１（凸部１３）を介して円周方向で隣り合う油室１５、１６間がシールされる。従って、第１の油室１５と第２の油室１６との間で油圧バランスが保たれ、例えば第１の回転体１１に対する第２の回転体１２の円周方向相対位置が維持される。

このように、厚肉部３の密度と薄肉部２の密度とがほぼ等しく、高い寸法精度を有する焼結金属部材１、特に幅寸法Ｗの寸法精度を高めた焼結金属部材１をオイルシールとして使用することにより、油室１５、１６間のシール性能を高めて、確実にシールすることが可能となる。

次に、焼結金属部材１の製造工程の一例を説明する。なお、以下では、焼結金属部材１の製造工程のうち、本発明の要点となる焼結金属部材１の焼結前の素材となる圧粉成形体２９（後述する図７を参照）を成形する圧粉成形工程を中心に説明する。

図４は、焼結金属部材１の製造工程のうち、圧粉成形工程に供される成形金型の全体構成を模式的に例示したものである。同図に示すように、この成形金型２１は、上型としての上パンチ２２と、下型としての下パンチ２３およびダイ２４とを主たる構成として備えている。

詳述すると、ダイ２４には、上端が開口したスリット状の溝部２５が設けられ、この溝部２５の内周面２５ａに下パンチ２３が嵌合した状態で収容されており、下パンチ２３の上端に設けられた成形面２３ａおよび溝部２５の側壁面２５ａによって、粉末充填部２６が区画形成されている。上パンチ２２は、下端に成形面２２ａを有すると共に、下パンチ２３に対して相対的に近接又は離反することで、ダイ２４に対して挿脱可能になっている。そして、焼結金属部材１の下面４に対応した面を上パンチ２２の成形面２２ａで、焼結金属部材１の上面５に対応した面を下パンチ２３の成形面２３ａでそれぞれ成形するようになっている。具体的には、下パンチ２３の成形面２３ａは、高部面２３ａ１および低部面２３ａ２で構成され、これら両面２３ａ１、２３ａ２の高低差が焼結金属部材１の薄肉部２と厚肉部３の高低差と略等しくなっている。

また、ダイ２４には、下パンチ２３の低部面２３ａ２、２３ａ２上方に対応した位置に、長手方向の一端がダイ２４の上端面２４ａに連続し且つその他端が粉末充填部２６に開口したガイド溝２７が設けられている。このガイド溝２７の底面２７ａは、図５（ａ）に示すように、粉末充填部２６に連続する水平面２７ａ１と、この水平面２７ａ１から上方に傾斜してダイ２４の上端面２４ａに至る傾斜面２７ａ２とから構成されている。

そして、圧粉成形工程に際して、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、粉末充填部２６に、例えばダイ２４の上端面２４ａと略同一の高さまで、金属粉末２８が充填される。その結果、下パンチ２３の成形面２３ａのうち、低部面２３ａ２に対応する領域の金属粉末２８の充填高さが、高部面２３ａ１に対応する領域に比して高くなる。すなわち、焼結金属部材１の厚肉部３に対応する領域の金属粉末２８の充填高さが、その薄肉部２に対応する領域に比べて高くなる。なお、充填される金属粉末２８は、例えば、Ｆｅ、Ｃｕ等の金属粉であり、これらを２種以上混合したもの、あるいは２種以上の合金粉末を使用することもできる。

この状態で、例えば図５に示す下パンチ２３をダイ２４に対して相対的に下降させて、図６に示すように、充填された金属粉末２８の露出面を、ガイド溝２７の底面２７ａ（水平面２７ａ１）よりも下方に位置させてもよい。これは、後述するように、上下パンチ２２、２３で金属粉末２８をプレスする際に、金属粉末２８がガイド溝２７内に逃げ、金属粉末２８の充填量が変動するのを防止するためである。また、ガイド溝２７の底面２７ａは、水平面２７ａ１と、傾斜面２７ａ２とから構成されており、この傾斜面２７ａ２と粉末充填部２６の間に水平面２７ａ１が介在しているので、上記のように下パンチ２３をダイ２４に対して相対的に下降させる際に、ガイド溝２７内の金属粉末２８が粉末充填部２６へ流れ込む量を低減することができる。

次いで、図７に示すように、上パンチ２２をダイ２４及び下パンチ２３に対して相対的に下降（近接）させることで、充填された金属粉末２８が上下パンチ２２、２３によってプレスされる。これにより、上下パンチ２２、２３の成形面２２ａ、２３ａおよびダイ２４の溝部２５の側壁面２５ａに対応した形状の圧粉成形体２９が成形される。

一方、成形された圧粉成形体２９を粉末充填部２６から排出する際には、図８（ａ）に示すように、下パンチ２３の高部面２３ａ１およびダイ２４の上端面２４ａが、略同一高さになるように、下パンチ２３をダイ２４に対して相対的に上昇させる。この際、下パンチ２３の低部面２３ａ２およびガイド溝２７の底面２７ａ（水平面２７ａ１）が、図８（ｂ）に示すように、略同一高さになるようにガイド溝２７の溝深さが予め設定されている。そして、図８（ｂ）に示すように、ダイ２４の上端面２４ａに沿って水平方向に進退移動する押出部材３０によって、圧粉成形体２９をガイド溝２７側に押し出し、圧粉成形体２９の厚肉部２９ａがガイド溝２７の水平面２７ａ１上に乗り移る。その後、押出部材３０の更なる進行に連れて、厚肉部２９ａがガイド溝２７の水平面２７ａ１から傾斜面２７ａ２に乗り移り、圧粉成形体２９の厚肉部２９ａがガイド溝２７上を案内された状態で斜め上方に移動し、ダイ２４の上端面２４ａ上に排出される。排出された圧粉成形体２９は、焼結工程等の次工程へと搬出される。

以上の製造工程によれば、粉末充填部２６に充填された金属粉末２８のうち、厚肉部３に対応する領域の充填高さは、薄肉部２に対応する領域の充填高さに比して、下パンチ２３の高部面２３ａ１と低部面２３ａ２の高低差に対応した寸法分だけ高くなる（図５（ａ）を参照）。そのため、これを図７に示す状態にまで圧縮した状態では、例えば図９に示すように、一定の高さに充填した金属粉末を成形した場合と比べて、厚肉部２９ａと薄肉部２９ｂとの密度差を極力小さくした圧粉成形体２９を得ることができる。よって、これを焼結して得られる焼結金属部材１の焼結時における寸法変化量（変化率）、例えば幅寸法Ｗの変化量（膨張量）も厚肉部３と薄肉部２とで等しくなり、その寸法精度を上述の如く高めることができる。

さらに、圧粉成形体２９を粉末充填部２６から排出する際に、下パンチ２３の上端面２３ａを、ダイ２４の上端面２４ａ上方に露出させない状態で、圧粉成形体２９の厚肉部２９ａをガイド溝２７によって案内することで、圧粉成形体２９を粉末充填部２６から下パンチ２３の上端面２３ａに簡単且つ的確に排出することができる。従って、圧粉成形体の排出時に、下パンチが圧粉成形体の押し出しを阻害するという事態の発生が防止されると共に、排出時に起因した圧粉成形体の破損を的確に防止することができる。

なお、以上の実施形態では、オイルシールとしての焼結金属部材１を成形する場合を説明したが、本発明は、薄肉部２および厚肉部３とを有する焼結金属部材１である限り、他用途の焼結金属部材の成形工程に適用することも可能である。

また、以上の実施形態では、ガイド溝２７の底面２７ａを、水平面２７ａ１および傾斜面２７ａ２で形成したものを説明したが、例えば、底面２７ａを、傾斜角が一定の単一の傾斜面や、傾斜角が互いに異なる複数の傾斜面を連接させた面などで構成してもよい。

さらに、下パンチ２３の高部面２３ａ１とダイ２４の上端面２４ａを略同一の高さにした状態で圧粉成形体２９を排出する方法を説明したが、圧粉成形体２９の薄肉部２９ｂに対応する領域をダイ２４の上端面２４ａより下方に窪ませれば、下パンチ２３の高部面２３ａ１がダイ２４の上端面２４ａよりも下方に位置する状態であっても、同様に圧粉成形体２９を排出することができる。この場合、圧粉成形体２９の薄肉部２９ａの移動も案内するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る焼結金属部材の斜視図である。焼結金属部材を備えたオイルシール機構の一例を示す断面図である。焼結金属部材を備えたオイルシール機構の一例を示す断面図である。焼結金属部材の成形工程に供される成形金型の一例を模式的に示す斜視図である。（ａ）は、金属粉末の充填態様を示す断面図であって、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。金属粉末を圧縮成形する直前の状態の成形金型を示す断面図である。金属粉末を圧縮成形した状態の成形金型を示す断面図である。（ａ）は、圧粉成形体を排出する状態の成形金型を示す断面図であって、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。従来の金属粉末の充填態様を示す成形金型の断面図である。金属粉末を圧縮成形した状態の成形金型を示す断面図である。

符号の説明

１焼結金属部材
２薄肉部
３厚肉部
１０金属粉末
１１第１の回転体
１２第２の回転体
１３凸部
１４凹部
１５、１６油室
１７溝部
１８板バネ
２１成形金型
２２上パンチ
２２ａ下端面
２３下パンチ
２３上端面
２３ａ１高部面
２３ａ２低部面
２４ダイ
２４ａ上端面
２５ガイド溝
２５ａ内周面
２６粉末充填部
２７ガイド溝
２７ａ底面
２７ａ１水平面
２７ａ２傾斜面
２８金属粉末
２９圧粉成形体
２９ａ厚肉部
２９ｂ薄肉部

Claims

上下方向に相対的に肉厚の異なる薄肉部および厚肉部を有する圧粉成形体を焼結してなる焼結金属部材の製造方法において、
前記圧粉成形体を成形するに際し、
ダイと、高低差を有する成形面を上端に設けた下パンチとで画成される粉末充填部に金属粉末を充填した後、該下パンチに対して上パンチを相対的に近接して前記金属粉末をプレスすることにより、
前記成形面の高部面で前記圧粉成形体の薄肉部を成形すると共に、前記成形面の低部面で前記圧粉成形体の厚肉部を成形することを特徴とする焼結金属部材の製造方法。
前記圧粉成形体の成形後、前記下パンチを前記ダイに対して相対的に上昇させ、前記粉末充填部から前記圧粉成形体を排出するに際し、
長手方向の一端で前記粉末充填部に開口し且つその他端で前記ダイの上端面と連続するガイド溝を前記ダイに設けた状態で、前記高部面が前記ダイの上端面以下となる位置まで前記下パンチを上昇させ、前記ダイの上端面に沿う方向に前記圧粉成形体を押し出すことにより、前記厚肉部を前記ガイド溝上に案内することを特徴とする請求項１に記載の焼結金属部材の製造方法。