JP2011063825A

JP2011063825A - 焼結成形体及びその製造方法

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Publication number: JP2011063825A
Application number: JP2009213196A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Suzuki; 隆博鈴木; Katsumasa Koeda; 克正小枝
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: JP5099093B2; DE102010045347A1

Abstract

【課題】焼結成形体の製造コストを低減すること。
【解決手段】焼結用金属粉末から成形されて焼結された焼結成形体は、形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、焼結後に切除される切除予定部（３４）にして穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備えており、切除予定部（３４）は、成形から焼結までの間に形状急変部（３６）に発生する応力を、該切除予定部（３４）が無いと仮定した場合に比べて低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は焼結成形体に関するものである。

焼結成形体を製造する際の成形工程及び焼結工程において、成形体の薄肉部あるいは大きな応力集中係数を有する形状急変部にクラックが発生することがある。成形工程において発生するクラックは、金型中で加圧された粉末に生じた塑性変形と弾性変形のうちの弾性変形が、成形体の金型取り出し後に解放されることが原因と考えられている。また焼結工程において発生するクラックは、成形体の内部に含まれていた空気が加熱により放出されることに起因して成形体が収縮することが原因と考えられている。

ところで、焼結部品は、製造コスト低減のためにネットシェイプ成形が指向される一方で、また同時に部品の小型軽量化または形状複雑化にともない薄肉部または形状急変部が増加する傾向にある。これらの薄肉部または形状急変部が、焼結部品の使用時に想定される負荷に耐える形状であるとしても、成形工程から焼結工程までの間にクラックが発生する形状であるなら、ネットシェイプ成形を諦めて、例えば切削加工を適用せざるを得ない。

特許文献１には、焼結部品として製作可能な、燃料噴射弁の電磁弁の可動子に関する発明が記載されている。図７は、特許文献１に記載された可動子と同様の可動子１１０の模式的な平面図である。この可動子１１０は、弁体として働くシャフト部１２０と電磁ソレノイド（不図示）に吸着される平板部１３０とを有しており、平板部１３０はシャフト部１２０から放射状に延出している３枚の羽根状部１３２を有し、羽根状部１３２の間にはＶ字状切欠き１３５のような形状急変部が形成される。特許文献１には前記平板部１３０を焼結金属製とすることも記載されているが、このようなＶ字状切欠き１３５を有する可動子１１０をネットシェイプ成形で得ようとすると、成形工程から焼結工程において発生する応力がＶ字状切欠き１３５に集中して図７のＡ部にクラックが発生した。そのためＶ字状切欠き１３５の形状はフライス加工により得られていた。

特開２００５−１８０４０７号公報

本発明は前述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、焼結成形体の製造コストを低減することである。

本発明により、焼結用金属粉末から成形されて焼結された焼結成形体であって、形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、焼結後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）と、を備えており、前記切除予定部（３４）は、成形から焼結までの間に前記形状急変部（３６）に発生する応力を、該切除予定部（３４）が無いと仮定した場合に比べて低下させる焼結成形体が提供される。

これによれば、成形から焼結までの間は、切除予定部（３４）によって穴（３５）の形状急変部（３６）は補強されているので大きな応力集中係数を有する形状急変部（３６）であってもそこに発生する応力は低く抑えられてクラックの発生が防止される。その結果、大きな応力集中係数を有する形状急変部（３６）を含む穴（３５）であってもそれを焼結により得ることができるので焼結成形体の製造コストの低減が可能になる。

本発明による焼結成形体は、平板部（３０）を備えることが可能であり、前記平板部（３０）は、放射状に設けられた複数の羽根状部（３２）と、互いに隣接する前記羽根状部（３２）の内周側を接続する内周側接続部（３３）と、を有しており、前記切除予定部（３４）が、互いに隣接する前記羽根状部（３２）の外周側を接続する外周側接続部（３４）からなるものであり、前記穴（３５）は、互いに隣接する前記羽根状部（３２）の間に形成されていて、前記穴（３５）の前記形状急変部（３６）は、前記互いに隣接する前記羽根状部（３２）の輪郭と前記内周側接続部（３３）の輪郭に起因して形成されていてもよい。

これによれば、やはり成形から焼結までの間は、穴（３５）の形状急変部（３６）に発生する応力が外周側接続部（３４）により低く抑えられるので前述したのと同様の効果を得ることができる。本発明は、このように焼結成形体が放射状に設けられた複数の羽根状部（３２）を有する場合に特に好適である。

本発明による焼結成形体の前記複数の羽根状部（３２）は、１２０度の等角度間隔で配置された３枚の羽根状部（３２）であってよい。また、前記穴（３５）は、互いに隣接する羽根状部（３２）の間に形成された扇形の穴（３５）であり、形状急変部（３６）が扇形の穴（３５）の扇形の中心側の端部に形成されてよい。

本発明による焼結成形体は、溶製材製のシャフト部（２０）を更に備えることが可能であり、その場合焼結成形体は、平板部（３０）の焼結時に前記シャフト部（２０）と前記平板部（３０）とが一体に接合されることにより形成される。これによれば、例えば鍛造に適した形状を有するシャフト部を備える焼結成形体を得ることができる。また、本発明による焼結成形体は、シャフト部（２０）が、溶製材から形成されたものではなく、焼結用金属粉末から平板部（３０）と一体に成形されて焼結されることにより形成された焼結成形体であってもよい。

本発明による焼結成形体は、外周側接続部（３４）が焼結後に切除されて存在しないものであってもよい。このような焼結成形体を電磁弁の可動子として用いることができる。

また本発明により、形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、焼結後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備える成形体を焼結用金属粉末から成形する段階と、前記成形体を焼結する段階と、前記切除予定部（３４）を切除する段階と、を含む焼結成形体の製造方法が提供される。

これによれば、成形する段階から焼結する段階においては、切除予定部（３４）によって穴（３５）の形状急変部（３６）は補強されているので大きな応力集中係数を有する形状急変部（３６）であってもそこに発生する応力は低く抑えられてクラックの発生が防止される。その結果、大きな応力集中係数を有する形状急変部（３６）を含む穴（３５）であってもそれを焼結により得ることができるので焼結成形体の製造コストの低減が可能になる。

本発明の焼結成形体の製造方法では、切除予定部（３４）を切除する段階において、切除予定部（３４）は例えば旋削加工により切除されてよい。これにより切除予定部（３４）の切除に要する費用を低く抑えることが可能になる。

また本発明により、形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、成形後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備える成形体を焼結用金属粉末から成形する段階と、切除予定部（３４）を切除する段階と、切除予定部（３４）が切除された成形体を焼結する段階と、を含む焼結成形体の製造方法が提供される。これによれば、成形する段階においては、切除予定部（３４）によって穴（３５）の形状急変部（３６）は補強されているので大きな応力集中係数を有する形状急変部（３６）であってもそこに発生する応力は低く抑えられてクラックの発生が防止される。

また本発明により、形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、成形後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備える成形体を金属粉末から成形する段階と、切除予定部（３４）を切除する段階と、を含む粉末成形体の製造方法が提供される。これによれば、成形する段階においては、切除予定部（３４）によって穴（３５）の形状急変部（３６）は補強されているので大きな応力集中係数を有する形状急変部（３６）であってもそこに発生する応力は低く抑えられてクラックの発生が防止される。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の実施形態による焼結成形体をその平面図と側面図により表す図である。前記焼結成形体の平板部の平面図である。図１の焼結成形体の外周側接続部を焼結後に切除した焼結成形体をその平面図と側面図により表す図である。前記焼結成形体のための工程フロー図である。本発明の第２の実施形態の場合の工程フロー図である。本発明の第３の実施形態の場合の工程フロー図である。従来技術による焼結成形体の模式的な平面図である。

本発明の実施形態による焼結成形体について、図１〜図６を参照して以下に説明する。図１は本発明の実施形態による焼結成形体をその平面図と側面図により示した図である。図１に例示される焼結成形体１０に対して、後述する旋削加工を施すことにより、図３に例示される焼結成形体１０ａが得られる。図３に例示される焼結成形体１０ａは、例えば特許文献１に記載されているような、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に適用される電磁弁装置（以上いずれも図示せず）の可動子として利用できる。

図１に示される焼結成形体１０は、溶製材製のシャフト部２０と、焼結用金属粉末から成形されて焼結された平板部３０とを有しており、シャフト部２０と平板部３０とが平板部３０の焼結時に拡散接合により一体に接合されてなるものである。平板部３０及びシャフト部２０は共に強磁性体材料から作られている。平板部３０の平坦な側面（シャフト部２０の突出のない側面）が電磁弁装置の固定コア（不図示）に吸着される側である。

シャフト部２０は、平板部３０の後述する中央穴３１に挿入されて接合される部分である大径部２１と、大径部２１より小径で長い小径部２２とからなる段付き形状に形成されており、本実施形態のものは溶製材を原料として鍛造により段付き形状に形成されたものである。また、小径部２２の先端側が流体の流通または遮断のための弁部材として機能する。

平板部３０は、焼結用金属粉末を金型（不図示）に充填して成形される。図２は、成形後の平板部３０の単独の状態を示す図であり、シャフト部２０が接合される前の状態を示している。平板部３０は、シャフト部２０が挿入される中心穴３１と、この中心穴３１の周りに放射状に１２０度の等角度間隔に配置された３枚の羽根状部３２と、これら羽根状部３２の内周側を接続する３つの内周側接続部３３と、外周側を接続するリング状の外周側接続部３４とを一体連続的に有していて、隣接する羽根状部３２と内周側接続部３３と外周側接続部３４とによって輪郭が形成された扇形の穴３５が各羽根状部３２の間に形成されている。外周側接続部３４は、図２の斜線部で示される領域に対応する部分であり、内周側接続部３３は、扇形の穴３５の内周端と中心穴３１とに挟まれた領域に対応する部分である。外周側接続部３４は焼結後に旋削加工により切除されることが予定されており、そのため本明細書においては切除予定部３４とも呼ばれる。

前記扇形の穴３５の中心角αは、本実施形態では６０度であり、また扇形の穴３５の内周側端部３６には丸みが付けられている。扇形の穴の内周側端部３６はこのように丸みが付けられているとはいえ、その形状はＶ字状に急変しており、その結果互いに隣接する羽根状部３２を円周方向に引き離す方向の力が作用したときに応力集中を引き起こすと考えられる。本明細書では、このように形状が急変することにより１を超える応力集中係数を有する部分を形状急変部３６という。

図２で示される成形された平板部３０は、その中心穴３１にシャフト部２０の大径部２１が挿入された後に焼結され、その結果図１で示される焼結成形体１０が得られる。焼結後の平板部３０の切除予定部である外周側接続部３４を旋削加工によって切除することにより、扇形の穴３５はその外周側が開放されてＶ字状切欠き３５ａになり、図３で示される焼結成形体１０ａが得られる。図４は、この実施形態の工程フローを示す図であり、この図にも示されるように、焼結成形体１０ａは、成形、焼結、及び切除の各工程を経て得られる。なお、外周側接続部３４を切除するためには旋削加工を利用することが非常に効率的であるが、例えばフライス加工のような他の切削加工法も適用可能である。

図３に示される焼結成形体１０ａが電磁弁装置の可動子として作動している場合には、図３の矢印で示されるような羽根状部３２ａを互いに離間させる方向の力Ｆはほとんど作用しないが、このような力Ｆが作用したと仮定すると、内周側接続部３３ａに発生する応力は、内周側接続部３３ａの半径方向の厚さが薄いこと及び形状急変部３６を含むＶ字状切欠き３５ａの応力集中効果もあって相当に高くなる。一方、成形工程から焼結工程においては、前述したように成形体の収縮または膨張に起因した応力が成形体の内部に発生するので、このような応力が羽根状部３２を互いに離間させる方向の前記力Ｆによる応力と同様の方向を有する場合もある。但し、成形工程から焼結工程においては、羽根状部３２は外周側接続部３４によって接続されているので内周側接続部３３に発生する応力は、外周側接続部３４が切除された図３の場合に比較すると著しく低い値であることが理解されるであろう。

本発明によれば、このように切除予定部である外周側接続部３４が存在するので、Ｖ字状の形状急変部３６が形成されていて且つ半径方向の厚さが薄い図１のような内周側接続部３３であっても、そこに成形から焼結工程で生じる応力は低く抑えられ、従ってクラックの発生も抑えられる。また、外周側接続部３４は焼結後に切除されるので、図３に示される焼結成形体は完全なネットシェイプ成形により得られたものではない。しかしながら、Ｖ字状切欠き形状をフライス加工により形成していた従来技術による焼結成形体に比較すると、外周側接続部３４の切除は旋削加工によって容易に実施可能であるので、図３に示される焼結成形体の製造コストははるかに低廉である。

ところで、形状急変部３６におけるクラックの発生を防ぐために、平板部３０に外周側接続部３４を設けるのではなく、内周側接続部３３の半径方向の厚さを大にすること、あるいはＶ字状切欠き３５ａ先端の丸みの半径を大にして応力集中係数を小さくすることにより内周側接続部３３に発生する応力を低下させることも考えられる。但し、このやり方は少なくとも電磁弁装置の可動子においては、その作動特性を低下させる方向の変更であるので現実的ではない。通常この種の可動子においては、Ｖ字状切欠き３５ａの円周方向の幅を拡大することなくＶ字状切欠き３５ａの面積をできるだけ大きく確保することにより良好な作動特性が得られる。その主な理由は、Ｖ字状切欠き３５ａの円周方向の幅を拡大すると固定子コア（不図示）との関係で吸着力が低下するため、及びＶ字状切欠き３５ａの面積を縮小すると固定子コア（不図示）との間に介在する燃料油の通過抵抗が増大して可動子の運動特性が低下するためである。

前述の実施形態の焼結成形体１０では、シャフト部２０が溶製材製のものであったが、シャフト部が、焼結用金属粉末から平板部と一体に成形されて焼結された焼結成形体も本発明の実施形態の変更例として可能である。また、図１及び図３がそのような実施形態による焼結成形体も示し得ることは理解されるであろう。

（その他の実施形態）
また前述の実施形態では、切除予定部３４は焼結後に切除されたが、焼結前に切除することも可能である。このように、本発明は所謂グリーン成形体をグリーン加工する場合にも適用可能である。その場合には、本発明により、成形時におけるクラックの発生が防止される。図５は、この第２の実施形態の場合の工程フローを示す図であり、この図にも示されるように、焼結成形体は、成形、切除、及び焼結の各工程を経て得られる。

さらに、前述の各実施形態では、成形体は成形後に焼結されたが、本発明は成形体が焼結されない例えば圧粉磁心のような粉末成形体にも適用可能である。その場合には、本発明により、成形時におけるクラックの発生が防止される。図６は、この第３の実施形態の場合の工程フローを示す図であり、この図にも示されるように、粉末成形体は、成形、及び切除の工程を経て得られる。

また前述の実施形態では、切除予定部は旋削加工により切除されたが、例えばフライス加工又はプレス加工等の他の加工方法が適用されてもよい。

１０焼結成形体
２０シャフト部
３０平板部
３２羽根状部
３３内周側接続部
３４外周側接続部
３５扇形の穴
３６形状急変部

Claims

焼結用金属粉末から成形されて焼結された焼結成形体であって、
形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、
焼結後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）と、を備えており、
前記切除予定部（３４）は、成形から焼結までの間に前記形状急変部（３６）に発生する応力を、該切除予定部（３４）が無いと仮定した場合に比べて低下させることを特徴とする焼結成形体。
平板部（３０）を備える、請求項１に記載の焼結成形体であって、
前記平板部（３０）は、
放射状に設けられた複数の羽根状部（３２）と、
互いに隣接する前記羽根状部（３２）の内周側を接続する内周側接続部（３３）と、を有しており、
前記切除予定部（３４）が、互いに隣接する前記羽根状部（３２）の外周側を接続する外周側接続部（３４）からなるものであり、
前記穴（３５）は、互いに隣接する前記羽根状部（３２）の間に形成されていて、前記穴（３５）の前記形状急変部（３６）は、前記互いに隣接する前記羽根状部（３２）の輪郭と前記内周側接続部（３３）の輪郭に起因して形成されている、請求項１に記載の焼結成形体。
前記複数の羽根状部（３２）が、１２０度の等角度間隔で配置された３枚の羽根状部（３２）からなる、請求項２に記載の焼結成形体であって、
前記穴（３５）は、前記互いに隣接する前記羽根状部（３２）の間に形成された扇形の穴（３５）であり、前記形状急変部（３６）が前記扇形の穴（３５）の扇形の中心側の端部に形成されている、請求項２に記載の焼結成形体。
溶製材製のシャフト部（２０）を更に備える請求項２または３に記載の焼結成形体であって、
前記平板部（３０）の焼結時に前記シャフト部（２０）と前記平板部（３０）とが一体に接合されることにより形成された、請求項２または３に記載の焼結成形体。
前記シャフト部（２０）が、溶製材から形成されたものではなく、焼結用金属粉末から平板部（３０）と一体に成形されて焼結されることにより形成された、請求項４に記載の焼結成形体。
前記外周側接続部（３４）が焼結後に切除されて存在しない、請求項２〜５のいずれか一項に記載の焼結成形体。
電磁弁の可動子として用いられる、請求項６に記載の焼結成形体。
形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、焼結後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備える成形体を焼結用金属粉末から成形する段階と、
前記成形体を焼結する段階と、
前記切除予定部（３４）を切除する段階と、を含むことを特徴とする焼結成形体の製造方法。
前記切除予定部（３４）を切除する前記段階において前記切除予定部（３４）が加工により切除される、請求項８に記載の焼結成形体の製造方法。
形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、成形後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備える成形体を焼結用金属粉末から成形する段階と、
前記切除予定部（３４）を切除する段階と、
前記前記切除予定部（３４）が切除された前記成形体を焼結する段階と、を含むことを特徴とする焼結成形体の製造方法。
形状が急変する形状急変部（３６）を含む穴（３５）と、成形後に切除される切除予定部（３４）にして前記穴（３５）の輪郭の一部を形成する切除予定部（３４）とを備える成形体を金属粉末から成形する段階と、
前記切除予定部（３４）を切除する段階と、を含むことを特徴とする粉末成形体の製造方法。