JP2016037616A - 複合焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧粉体と他部材とを圧入する際に、金型の損傷や圧粉体の設計自由度の低下を招くことなく、圧粉体の圧入時の損傷を防止する。【解決手段】本発明に係る複合焼結材の製造方法は、ダイ２１及び上下パンチ２２，２３を備えた金型を用いて金属粉末を圧縮することによりインナー圧粉体１２を成形する工程と、ダイ２１及びその上方に隣接して配置した他部材（アウター圧粉体１３）を、インナー圧粉体１２に対して下方に一体的に移動させることにより、インナー圧粉体１２をダイ２１の内周から取り出してアウター圧粉体１３の内周に圧入する工程と、インナー圧粉体１２とアウター圧粉体１３との一体品１１を焼結する工程とを経て行う。【選択図】図３

Description

本発明は、複合焼結体の製造方法に関する。

近年、自動車部品を始めとする機械部品において、低コスト化、加工工程の省略、及びニアネットシェイプによる省エネ・省資源化等の要望が益々高まっている。このような要請に応えるために、焼結金属製の機械部品が採用されることがある。

焼結金属製の機械部品は、金属粉末を圧縮成形した圧粉体を、所定の温度で焼結することにより形成される。しかし、複雑形状の機械部品の場合、圧粉体を所望の精度で成形できない恐れがある。そこで、予め複数の圧粉体や焼結体を作成し、これらを接合してなる複合焼結体により、複雑形状の機械部品を構成することがある。

複合焼結体の製造方法として、例えば、予め複数の焼結体を形成した後、これらを圧入や加締め等の方法で接合する方法が挙げられる。しかし、このような方法では、焼結体同士を十分な強度で接合できるとは言えない。

この他、複合焼結体の製造方法として、複数の圧粉体を形成し、これらを一体化した状態で焼成することにより、各圧粉体を焼結して焼結体を形成すると同時にこれらを接合する方法が知られている。このような方法として、低融点金属を用いた方法（例えば、銅溶浸接合法やろう付け法）がある。具体的には、低融点金属粉末を配合した複数の圧粉体を作成し、これらを一体化した状態で焼成することで、各圧粉体が焼結されると共に、低融点金属が溶融することで液相焼結が促進されて複数の焼結体が接合される。しかし、この場合、複数の焼結体が強度の低い低融点金属で接合されるため、接合強度が不足する恐れがある。

そこで、複数の焼結体を強固に接合する方法として、複数の圧粉体の接合面に十分な圧力をかけた状態で焼結することにより、接合面を拡散接合する焼結拡散接合技術が知られている。例えば下記の特許文献１には、インナー圧粉体とアウター圧粉体とを締まり嵌めで嵌合させ、この状態で焼結することにより、両者を焼結すると共に拡散接合している。

上記のような焼結拡散接合を用いて複合焼結体を形成する場合、焼結工程の前にインナー圧粉体をアウター圧粉体の内周に圧入する必要があるが、圧粉体は脆いため、圧入時に損傷しやすい。例えば下記の特許文献２には、圧入を容易化するために、図６に示すように、インナー圧粉体Ｉの外周面の先端部に、アウター圧粉体Ｏの内径よりも僅かに小さい小径部Ｉ１を設けると共に、小径部Ｉ１の上方にテーパ面Ｉ２を設けている（図６中の符号Ｉ１，Ｉ２は本書にて追加）。

特許第３２４６５７４号公報 特公昭６２−５７６８２号公報

しかし、図６のような構成を採用する場合、インナー圧粉体Ｉの端面を成形する金型（パンチ）の外径部に、小径部Ｉ１及びテーパ面Ｉ２を成形するための微小突起を設ける必要があるため、この微小突起が成形時に損傷しやすい。また、インナー圧粉体Ｉの先端部の形状が制限されるため、設計の自由度が失われてしまう。

このような問題は、圧粉体同士を圧入する場合に限らず、圧粉体と他の材料（例えば溶製材）からなる部材とを圧入する場合にも同様に生じる。

以上より、本発明が解決すべき技術的課題は、複合焼結体の製造工程において、圧粉体と他部材とを圧入する際に、金型の損傷や圧粉体の設計自由度の低下を招くことなく、圧粉体の圧入時の損傷を防止することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、ダイ及び上下パンチを備えた金型を用いて金属粉末を圧縮することによりインナー圧粉体を成形する工程と、前記ダイ及びその軸方向一方側に隣接して配置した他部材を、前記インナー圧粉体に対して軸方向他方側に一体的に移動させることにより、前記インナー圧粉体を前記ダイの内周から取り出して前記他部材の内周に圧入する工程と、前記インナー圧粉体と前記他部材との一体品を焼結する工程とを経て行う複合焼結体の製造方法を提供する。

インナー圧粉体をダイの内周から取り出すと、インナー圧粉体の外周面が応力解放（スプリングバック）によって拡径しようとする。本発明では、上記のように、ダイの軸方向一方側に他部材を隣接配置し、これらを他部材に対して軸方向他方側に一体的に移動させることにより、インナー圧粉体をダイの内周から他部材の内周に移動させる。これにより、インナー圧粉体が完全に拡径する前に、インナー圧粉体を他部材の内周に圧入することができるため、インナー圧粉体を完全に拡径させてから他部材の内周に圧入する場合と比べて、圧入抵抗を軽減することができる。これにより、圧粉体や金型の形状を変更することなく、インナー圧粉体の損傷を防止することができる。

また、本発明は、上記のようにインナー圧粉体を他部材の内周に圧入するときだけでなく、アウター圧粉体の内周に他部材を圧入する場合にも適用することができる。すなわち、本発明は、ダイ、上下パンチ、及びコアロッドを備えた金型を用いて金属粉末を圧縮することによりアウター圧粉体を成形する工程と、前記コアロッド及びその軸方向一方側に隣接して配置した他部材を、前記アウター圧粉体に対して軸方向他方側に一体的に移動させることにより、前記アウター圧粉体の内周から前記コアロッドを取り出すと共に、前記アウター圧粉体の内周に前記他部材を圧入する工程と、前記アウター圧粉体と前記他部材との一体品を焼結する工程とを経て行う複合焼結体の製造方法として特徴づけることもできる。

本発明は、上記の他部材が、金属粉末を圧縮成形してなる圧粉体である場合でも、溶製材あるいは焼結金属からなる部材である場合でも、適用することができる。

以上のように、本発明の製造方法によれば、圧粉体と他部材とを圧入する際に、金型の損傷や圧粉体の設計自由度の低下を招くことなく、圧粉体の圧入時の損傷を防止することができる。

複合焼結体からなる機械部品の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る上記機械部品の製造方法の手順を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、インナー圧粉体を成形し、予め成形したアウター圧粉体と一体化する手順を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、他の実施形態に係る上記機械部品の製造方法の手順を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、アウター圧粉体を成形し、予め成形したインナー圧粉体と一体化する手順を示す断面図である。 インナー圧粉体をアウター圧粉体の内周に圧入する従来の方法を示す断面図である。

図１に、複合焼結材からなる機械部品１を示す。機械部品１は、インナー部材２と、アウター部材３とを備える。インナー部材２の外周面２ａ及びアウター部材３の内周面３ａは、断面形状が軸方向全域で同一であり、本実施形態では円筒面とされる。図示例では、インナー部材２は円筒状の軸であり、アウター部材３は外周に歯３ｂを有するギヤである。インナー部材２の外周面２ａとアウター部材３の内周面３ａとは、締まり嵌めで嵌合し、且つ拡散接合されている。尚、インナー部材２の外周面２ａ及びアウター部材３の内周面３ａは円筒面に限らず、例えばこれらの面にスプラインを形成し、これらを嵌合させてもよい。

本実施形態では、インナー部材２及びアウター部材３が焼結金属で形成され、例えば鉄を主成分とした（すなわち鉄を５０ｗｔ％以上含む）鉄系焼結金属で形成される。この他、銅を主成分とした（すなわち銅を５０ｗｔ％以上含む）銅系焼結金属や、鉄及び銅を主成分とした（すなわち鉄及び銅をそれぞれ２５ｗｔ％以上含む）銅鉄系焼結金属で、インナー部材２及びアウター部材３を形成してもよい。また、本実施形態では、インナー部材２及びアウター部材３が同じ組成の焼結金属で形成されるが、インナー部材２とアウター部材３を異なる組成の焼結金属で形成してもよい。

機械部品１は、本発明の一実施形態に係る方法で製造される。具体的には、図２に示すように、他部材としてのアウター圧粉体１３を成形する工程｛図２（ａ）参照｝、インナー圧粉体１２を成形すると共に、両圧粉体１２，１３を一体化する工程｛図２（ｂ）参照｝、両圧粉体１２，１３の一体品１１を焼結する工程｛図２（ｃ）参照｝、機械部品１が製造される。

アウター圧粉体１３は、金属粉末含む原料粉末を圧縮成形することで形成される。アウター圧粉体１３の原料粉末は、例えば、鉄粉、黒鉛粉末、及び潤滑剤を混合したものである。本実施形態では、鉄粉として純度９８％以上の純鉄粉、黒鉛粉末として人造黒鉛、潤滑剤として金属セッケンあるいはアミドワックスが使用される。原料粉末の組成は、例えば、黒鉛粉末が０．２ｗｔ％、潤滑剤が０．３ｗｔ％、残部が鉄粉とされる。この混合粉末を金型で圧縮成形することで、図１に示すアウター部材３と略同形状のアウター圧粉体１３が形成される。本実施形態では、アウター圧粉体１３の圧縮成形が室温で行われる。

インナー圧粉体１２は、金属粉末を含む原料粉末を圧縮成形することで形成される。本実施形態では、インナー圧粉体１２の原料粉末は、上記のアウター圧粉体１３の原料粉末と同じものが使用される。インナー圧粉体１２を成形する金型は、図３に示すように、ダイ２１と、下パンチ２２と、上パンチ２３と、押圧部材２４とを備える。本実施形態では、下パンチ２２が基台２５上に固定され、ダイ２１、上パンチ２３、及び押圧部材２４がそれぞれ下パンチ２２に対して昇降可能とされる。本実施形態では、インナー圧粉体１２の圧縮成形が室温で行われる。尚、インナー圧粉体１２の圧縮成形を、金型を加熱した状態で行ってもよい。

インナー圧粉体１２の成形工程では、まず、図３（ａ）に示すように、ダイ２１及び下パンチ２２で形成されるキャビティに原料粉末Ｍを充填する。この状態で、図３（ｂ）に示すように、上パンチ２３を降下させて原料粉末Ｍを圧縮成形することにより、インナー圧粉体１２が形成される。このとき、上パンチ２３を降下させると同時に、ダイ２１を所定距離（例えば上パンチ２３の圧縮ストロークの半分）だけ降下させることにより、インナー圧粉体１２が相対的に上下両側から圧迫され、インナー圧粉体１２の密度を均一化することができる（フローティングダイ法）。

その後、図３（ｃ）に示すように、アウター圧粉体１３を、ダイ２１の上方に隣接して配置する。具体的には、アウター圧粉体１３の内周面１３ａを上パンチ２３の外周面２３ａに嵌合させながら、アウター圧粉体１３をダイ２１の上に載置する。このとき、アウター圧粉体１３の内径とダイ２１の内径とが同一であり、アウター圧粉体１３の内周面１３ａがダイ２１の内周面２１ａの上方に連続して設けられる。尚、アウター圧粉体１３の内径は、ダイ２１の内径と完全に同一である場合に限らず、これよりも僅かに大径あるいは小径であってもよい。また、アウター圧粉体１３の内周面１３ａの下端、及び、ダイ２１の内周面２１ａの上端の一方又は双方に、面取り部を設けてもよい。

この状態で、図３（ｄ）に示すように、押圧部材２４によりアウター圧粉体１３を下方に押し込んで、アウター圧粉体１３及びダイ２１を一体的に降下させる。これにより、インナー圧粉体１２が、ダイ２１の内周から取り出されると共に、アウター圧粉体１３の内周に挿入される。このとき、ダイ２１の内周から取り出されたインナー圧粉体１２は、スプリングバックにより外径が拡径しようとするが、ダイ２１とアウター圧粉体１３とを隣接配置していることで、インナー圧粉体１２が完全に拡径する前に、インナー圧粉体１２をアウター圧粉体１３の内周に圧入することができる。詳しくは、インナー圧粉体１２の上端部がダイ２１の内周から上方に突出した時、インナー圧粉体１２の外周面１２ａの大部分はダイ２１で拘束されているため、インナー圧粉体１２の上端部の拡径量はごく僅かである。この状態で、インナー圧粉体１２の上端をアウター圧粉体１３の内周面１３ａに下方から挿入することで、インナー圧粉体１２を完全に拡径させた状態でアウター圧粉体１３に圧入する場合と比べて、圧入抵抗を大幅に低減することができる。これにより、インナー圧粉体１２をアウター圧粉体１３の内周にスムーズに圧入することができるため、両圧粉体１２，１３の損傷を防止できる。

このとき、インナー圧粉体１２を成形する際の成形圧力（すなわち、上パンチ２３の降下量）を調整することで、インナー圧粉体１２のスプリングバック量を調整し、インナー圧粉体１２とアウター圧粉体１３との締め代を制御することができる。本発明者らの検証によれば、締め代を１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上とすることで、両圧粉体１２，１３の接合強度、ひいてはインナー部材２及びアウター部材３の接合強度が十分に高められることが分かった。

その後、インナー圧粉体１２とアウター圧粉体１３の一体品１１を金型から取り出して加熱装置に搬入し、一体品１１を所定温度で所定時間焼成する。本実施形態では、アルゴン雰囲気下の真空加圧焼結炉で、一体品１１を焼成した。詳しくは、一体品１１を、８００℃で２．５時間加熱し、さらに１３００℃で３．３時間加熱した後、２５℃で炉冷した。こうして一体品１１を焼成することにより、インナー圧粉体１２及びアウター圧粉体１３がそれぞれ焼結されてインナー部材２及びアウター部材３が形成されると共に、インナー部材２の外周面２ａとアウター部材３の内周面３ａとが拡散接合される。以上により、機械部品１が完成する。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、インナー圧粉体１２を成形する金型を用いて、両圧粉体１２，１３を一体化する場合を示したが、これに限られず、アウター圧粉体１３を成形する金型を用いて、両圧粉体１２，１３を一体化することもできる。例えば、図４に示す実施形態では、アウター圧粉体１３を成形する金型に、予め成形したインナー圧粉体１２を配し、アウター圧粉体１３を金型から分離すると同時に、アウター圧粉体１３の内周にインナー圧粉体１２を圧入している。具体的には、他部材としてのインナー圧粉体１２を成形する工程｛図４（ａ）参照｝、アウター圧粉体１３を成形すると共に、両圧粉体１２，１３を一体化する工程｛図４（ｂ）参照｝、両圧粉体１２，１３の一体品１１を焼結する工程｛図４（ｃ）参照｝、機械部品１が製造される。以下、この製造方法の手順を詳しく説明する。

まず、上記実施形態と同様の原料粉末を用いて、インナー圧粉体１２を圧縮成形する（図示省略）。その後、上記実施形態と同様の原料粉末を用いて、アウター圧粉体１３を圧縮成形する。アウター圧粉体１３を成形する金型は、図５に示すように、ダイ３１と、下パンチ３２と、上パンチ３３と、押圧部材３４と、コアロッド３５とを備える。本実施形態では、下パンチ３２が基台３６上に固定され、ダイ３１、上パンチ３３、押圧部材３４、及びコアロッド３５がそれぞれ下パンチ３２に対して昇降可能とされる。

まず、図５（ａ）に示すように、ダイ３１、下パンチ３２、及びコアロッド３５で形成されるキャビティに原料粉末Ｍを充填する。この状態で、図５（ｂ）に示すように、上パンチ３３を降下させて、アウター圧粉体１３を形成する。このとき、上記の実施形態と同様に、上パンチ３３による圧縮と同時にダイ３１を降下させるフローティングダイ法により、アウター圧粉体１３が圧縮成形される。尚、ダイ３１の内周面には、アウター圧粉体１３の外周面に歯１３ｂ（図１参照）を成形するための成形型が設けられるが、図５では歯１３ｂ及び成形型の図示は省略している。

その後、図５（ｃ）に示すように、インナー圧粉体１２を、コアロッド３５の上方に隣接して配置する。具体的には、インナー圧粉体１２の外周面１２ａを上パンチ３３の内周面３３ａに嵌合させながら、インナー圧粉体１２をコアロッド３５の上に載置する。このとき、インナー圧粉体１２の外径とコアロッド３５の外径とが同一であり、インナー圧粉体１２の外周面１２ａがコアロッド３５の外周面３５ａの上方に連続して設けられる。尚、インナー圧粉体１２の外径は、コアロッド３５の内径と完全に同一である場合に限らず、これよりも僅かに大径あるいは小径であってもよい。また、インナー圧粉体１２の外周面１２ａの下端及びコアロッド３５の外周面３５ａの上端の一方又は双方に、面取り部を設けてもよい。

この状態で、図５（ｄ）に示すように、押圧部材３４によりインナー圧粉体１２を下方に押し込んで、インナー圧粉体１２及びコアロッド３５を一体的に降下させる。これにより、アウター圧粉体１３の内周からコアロッド３５が取り出されると共に、アウター圧粉体１３の内周にインナー圧粉体１２が圧入される。そして、インナー圧粉体１２とアウター圧粉体１３の一体品１１を金型から取り出し、これを加熱装置に搬入して焼結することにより、機械部品１が完成する。

以上の実施形態では、圧粉体同士を圧入する場合を示したが、これに限らず、圧粉体と溶製材あるいは焼結金属からなる他部材とを圧入する場合でも、上記の製造方法を適用することができる。具体的に、例えば図３に示す実施形態において、アウター圧粉体１３の代わりに、溶製材あるいは焼結金属からなるアウター部材３を、ダイ２１に隣接配置してもよい。また、図５に示す実施形態において、インナー圧粉体１２の代わりに、溶製材あるいは焼結金属からなるインナー部材２をコアロッド３５に隣接配置してもよい。

また、図３に示す実施形態では、ダイ２１の上方にアウター圧粉体１３を隣接配置した後｛図３（ｃ）参照｝、アウター圧粉体１３を降下させているが、これに限らず、図３（ｃ）の状態からインナー圧粉体１２を上昇させてもよい。また、図５に示す実施形態では、コアロッド３５の上方にインナー圧粉体１２を隣接配置した後｛図５（ｃ）参照｝、インナー圧粉体１２を降下させているが、これに限らず、図５（ｃ）の状態からアウター圧粉体１３を上昇させてもよい。

また、図３に示す実施形態では、ダイ２１の上方にアウター圧粉体１３を隣接配置した後、ダイ２１及びアウター圧粉体１３を一体的に降下させているが、これに限らず、例えば、ダイ２１の下方にアウター圧粉体１３を隣接配置した後、ダイ２１及びアウター圧粉体１３を一体的に上昇させてもよい。また、図５に示す実施形態では、コアロッド３５の上方にインナー圧粉体１２を隣接配置した後、コアロッド３５及びインナー圧粉体１２を一体的に降下させているが、これに限らず、例えば、コアロッド３５の下方にインナー圧粉体１２を隣接配置した後、コアロッド３５及びインナー圧粉体１２を一体的に上昇させてもよい。

また、本発明の製造方法は、複合焼結体からなる機械部品だけでなく、複合焼結体からなる他の用途の部品に適用することもできる。

本発明は、以上の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適用可能であることは言うまでもない。

１ 機械部品
２ インナー部材
３ アウター部材
１１ 一体品
１２ インナー圧粉体
１３ アウター圧粉体
２１ ダイ
２２ 下パンチ
２３ 上パンチ
２４ 押圧部材
３１ ダイ
３２ 下パンチ
３３ 上パンチ
３４ 押圧部材
３５ コアロッド
Ｍ 原料粉末

Claims (4)

1. ダイ及び上下パンチを備えた金型を用いて金属粉末を圧縮することによりインナー圧粉体を成形する工程と、
   前記ダイ及びその軸方向一方側に隣接して配置した他部材を、前記インナー圧粉体に対して軸方向他方側に一体的に移動させることにより、前記インナー圧粉体を前記ダイの内周から取り出して前記他部材の内周に圧入する工程と、
   前記インナー圧粉体と前記他部材との一体品を焼結する工程とを経て行う複合焼結体の製造方法。
2. ダイ、上下パンチ、及びコアロッドを備えた金型を用いて金属粉末を圧縮することによりアウター圧粉体を成形する工程と、
   前記コアロッド及びその軸方向一方側に隣接して配置した他部材を、前記アウター圧粉体に対して軸方向他方側に一体的に移動させることにより、前記アウター圧粉体の内周から前記コアロッドを取り出すと共に、前記アウター圧粉体の内周に前記他部材を圧入する工程と、
   前記アウター圧粉体と前記他部材との一体品を焼結する工程とを経て行う複合焼結体の製造方法。
3. 前記他部材が、金属粉末を圧縮成形してなる圧粉体である請求項１又は２記載の複合焼結体の製造方法。
4. 前記他部材が、溶製材あるいは焼結金属からなる部材である請求項１又は２記載の複合焼結体の製造方法。
   

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