JP2023170198A - 焼結体及び焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部の底に貫通孔が形成される焼結体であって、製造工程を簡略化可能な焼結体を提供する。【解決手段】焼結体は、金属粉末によって形成された焼結体であって、厚み方向の一方の面に凹部が形成されており、前記凹部の底面には前記厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、孔面積が前記厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように孔壁面が前記厚み方向に対して傾斜している。【選択図】図３

Description

本開示は、焼結体及び焼結体の製造方法に関する。

焼結体を製造する方法として、原料の金属粉末を金型に充填して作製した成形体を熱処理し、金属粉末を焼結させる方法（粉末冶金）が知られている。粉末冶金は同じ形状の製品を大量に製造するのに適しており、種々な形状及び材質の焼結体を製造する方法として採用されている。例えば、特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼からなる合金粉末を含む合金粉末組成物を成形した成形体を熱処理して焼結部品を製造することが記載されている。

また、特許文献２にはケイ素元素及び鉄元素を含むＦｅ合金粉末を、所望の形状に圧粉成形し、得られた成形体を焼結することで焼結軟磁性部材を製造することが記載されている。

特開２０２０－３７７３５号公報 特開２００５－０６０８３０号公報

ところで、凹部の底に貫通孔が形成された成形体を多段プレス機で成形する場合、貫通孔からパンチを引き抜く際にパンチと貫通孔との間に生じる摩擦によってパンチに過剰な負荷が掛かる。さらに、摩擦によって成形体の貫通孔の周辺部分に破損が生じやすい、という課題がある。このため、多段プレス機で凹部の底に貫通孔がない成形体を成形し、焼結した後で、焼結体の凹部の底に貫通孔を加工している。このように凹部の底に貫通孔が形成された焼結体を製造するためには、凹部を形成した成形体を焼結した後で、凹部の底に貫通孔を後加工する必要があり、焼結体の製造工程が煩雑化している。

本開示は上記事情に鑑み、凹部の底に貫通孔が形成される焼結体であって、製造工程を簡略化可能な焼結体及びこの焼結体の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段には、以下の実施態様が含まれる。
＜１＞
金属粉末によって形成された焼結体であって、
厚み方向の一方の面に凹部が形成されており、
前記凹部の底面には前記厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、孔面積が前記厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように孔壁面が前記厚み方向に対して傾斜している、焼結体。
＜２＞
前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、前記孔壁面が前記厚み方向に対して５度～２０度の範囲内で傾斜している、＜１＞に記載の焼結体。
＜３＞
前記貫通孔の周方向の一部の孔壁面と、前記凹部の周方向の一部の凹壁面とが前記厚み方向で連続している、＜１＞又は＜２＞に記載の焼結体。
＜４＞
＜１＞～＜３＞のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法であって、
金属粉末を金型に充填し、加圧して成形体を形成する工程と、
前記成形体を焼結する工程と、
を有し、
前記焼結体の貫通孔となる前記成形体の貫通孔を成形する前記金型の突起部は、該突起部の周方向の少なくとも一部分において、前記突起部の断面積が根元側から先端側へ向けて漸減するように前記突起部の側壁面が前記金型の開閉方向に対して傾斜している、焼結体の製造方法。

本開示によれば、凹部の底に貫通孔が形成される焼結体であって、製造工程を簡略化可能な焼結体及びこの焼結体の製造方法を提供することができる。

本開示の一実施形態の焼結体の正面図である。 本開示の一実施形態の焼結体の背面図である。 図１の３Ｘ－３Ｘ線断面図である。 本開示の一実施形態の焼結体の製造方法において、金型に金属粉末を充填した状態を示す、金型の断面図（図３に対応する断面図）である。 図４で示す金型内の金属粉末を上パンチ及び下パンチで加圧している状態を示す、金型の断面図（図４に対応する断面図）である。 図５で示す金型で加圧成形された成形体を脱型する動作を示す、金型の断面図（図５に対応する断面図）である。

以下、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本開示を制限するものではない。

本開示において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。

本開示において「～」を用いて示された数値範囲には、「～」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。

まず、本実施形態の焼結体について説明する。次に、本実施形態の焼結体を製造するための製造装置及び製造方法について説明する。

＜焼結体＞
本実施形態の焼結体は、金属粉末によって形成された焼結体であって、厚み方向の一方の面に凹部が形成されており、前記凹部の底面には前記厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、孔面積が前記厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように孔壁面が前記厚み方向に対して傾斜している。以下、焼結体の具体例を、図面を参照しながら説明するが、本開示はこれに限定されるものではない。

本実施形態の焼結体２０は、自動車部品として用いられる。具体的には、図１～図３に示さるように、電磁クラッチのヨークとして用いられる。なお、本開示の焼結体の用途は自動車部品に限定されるものではない。

焼結体２０は、金属粉末によって形成されている。この金属粉末としては、例えば、ケイ素元素及び鉄元素を含む粉末が挙げられる。さらに、ケイ素元素及び鉄元素を含む粉末としては、特に限定されず、例えば、ケイ素元素及び鉄元素を含むＦｅ合金粉末を含んでいてもよく、ケイ素元素を含むＳｉ粉末と、鉄元素を少なくとも含むＦｅ粉末との混合粉末を含んでいてもよい。

焼結体２０は、図１～図３に示されるように、本体部２２と、凹部２４と、貫通孔２６と、を備えている。

図１に示されるように、本体部２２は、円盤状に形成されている。この本体部２２の径方向の中央部には、本体部２２の厚み方向に貫通する貫通孔２３が形成されている。なお、以下では、本体部２２の径方向を矢印Ｒで示し、本体部２２の厚み方向を矢印Ｔで示す。また、本体部２２の厚み方向の一方の面２２Ａには、凹部２４が形成されている。

図１及び図２に示されるように、凹部２４は、本体部２２の一方の面２２Ａに形成されている。この凹部２４は、本体部２２の厚み方向の他方側へ向けて凹む凹み部分であり、本体部２２の貫通孔２３の孔中心Ｃを中心にして、一方の面２２Ａに円環状に形成されている。この凹部２４には、例えば、電磁クラッチのコイルが格納される。また、本実施形態の凹部２４は、図３に示されるように、対向する凹壁面２４Ａ、２４Ｂが本体部２２の厚み方向に沿ってそれぞれ延びている。なお、本実施形態の凹壁面２４Ａは、凹部２４の径方向内側に位置する壁面を指し、凹壁面２４Ｂは、凹部２４の径方向外側に位置する壁面を指している。また、凹部２４の底面２４Ｃは、本体部２２の厚み方向に対して直交する方向（径方向と同じ方向）に沿って延びている。この凹部２４の底面２４Ｃには、凹部２４の底部を本体部２２の厚み方向に貫通する貫通孔２６が形成されている。

図３に示されるように、貫通孔２６は、凹部２４の底面２４Ｃから本体部２２の厚み方向の他方の面２２Ｂに向けて延びて、凹部２４の底部を貫通している。なお、ここでいう凹部２４の底部とは、本体部２２において、凹部２４の底面２４Ｃから本体部２２の他方の面２２Ｂまでの部分を指している。

貫通孔２６は、図１及び図２に示されるように、本体部２２の厚み方向から見て、長円形状とされている。この貫通孔２６は、図１に示されるように、貫通孔２６の周方向の少なくとも一部分において、孔面積が厚み方向の一方側（面２２Ａ側）から他方側（面２２Ｂ側）へ向けて漸減するように孔壁面２６Ａが本体部２２の厚み方向に対して傾斜している（図３参照）。具体的には、貫通孔２６の周方向の一部分における孔壁面２６Ａには、孔面積が厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように傾斜する傾斜部２７が形成されている。なお、本実施形態では、貫通孔２６の本体部２２の径方向外側に位置する部分の孔壁面２６Ａに傾斜部２７が形成されており、貫通孔２６の他の部分（傾斜部２７が形成されない部分）の孔壁面２６Ａは、本体部２２の厚み方向に沿って延びている。

孔壁面２６Ａの傾斜部２７は、図３に示されるように、本体部２２の厚み方向に対して角度θで傾斜している。この角度θは、５度～２０度、より好ましくは８度～１５度の範囲内で設定することが好ましい。

また、孔壁面２６Ａの傾斜部２７の本体部２２の厚み方向に沿った長さは、図３に示されるように、貫通孔２６の本体部２２の厚み方向に沿った長さＬの８０％～１００％、より好ましくは９０％～１００％の範囲内に設定することが好ましい。

本実施形態では、貫通孔２６の周方向の一部分の孔壁面２６Ａと、凹部２４の周方向の一部分の凹壁面２４Ｂとが本体部２２の厚み方向で連続している。具体的には、図１及び図３に示されるように、貫通孔２６の孔壁面２６Ａのうち、傾斜部２７が形成される部分と反対側の部分が凹部２４の一部の凹壁面２４Ｂと連続している。

また、図２に示されるように、本実施形態の焼結体２０には、本体部２２の他方の面２２Ｂに貫通孔２６から本体部２２の外周縁まで延びる溝部３０が形成されている。この溝部３０は、例えば、凹部２４に格納されたコイルから延びる配線を通すための溝である。なお、コイルの配線は、貫通孔２６及び溝部３０を通して焼結体２０の外部へ延出するようになっている。

＜焼結体２０の製造装置＞
次に、本実施形態の焼結体２０を製造するための製造装置のうち、金属粉末から成形体４０を成形する多段プレス機５０について図４～図６を用いて説明する。

図４～図６に示されるように、多段プレス機５０は、金属粉末を成形するための金型５２を備えている。この金型５２は、コア５４と、ダイ５６と、上パンチ５８と、下パンチ６０と、下パンチ６２と、下パンチ６４と、を備えている。

コア５４は、焼結体２０の貫通孔２３に対応する成形体４０の貫通孔２３を形成する型部材である。また、ダイ５６は、焼結体２０の本体部２２の外周面に対応する成形体４０の本体部４２の外周面を形成する型部材である。

また、上パンチ５８は、焼結体２０の本体部２２の他方の面２２Ｂに対応する成形体４０の本体部４２の他方の面４２Ｂを形成する型部材である。

そして、下パンチ６０と下パンチ６４は、焼結体２０の本体部２２の一方の面２２Ａに対応する成形体４０の本体部４２の一方の面４２Ａを形成する型部材である。

また、下パンチ６２は、焼結体２０の凹部２４に対応する成形体４０の凹部４４を形成する型部材である。また、この下パンチ６２には、焼結体２０の貫通孔２６に対応する成形体４０の貫通孔４６を形成するための突起部６３が形成されている。この突起部６３の少なくとも周方向の一部分は、突起部６３の断面積が根元側から先端側へ向けて漸減するように突起部６３の側壁面６３Ａが金型５２の加圧方向（成形体４０の厚み方向と平行な方向）に対して傾斜している。具体的には、突起部６３の側壁面６３Ａには、成形体４０の貫通孔４６の孔壁面４６Ａの傾斜部４７に対応する部分に、傾斜部６３Ｂが形成されている。

また、多段プレス機５０は、金属粉末を上パンチ５８と下パンチ６０～６４とを用いて加圧（プレス）するための図示しない駆動源を備えている。

＜焼結体の製造方法＞
次に、本実施形態の焼結体を製造するための焼結体の製造方法について説明する。
本実施形態の焼結体の製造方法は、厚み方向の一方の面に凹部が形成されており、前記凹部の底面には前記厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、孔面積が前記厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように孔壁面が前記厚み方向に対して傾斜している焼結体の製造方法であって、金属粉末を金型に充填し、加圧して成形体を形成する工程と、前記成形体を焼結する工程と、を有し、前記焼結体の貫通孔となる前記成形体の貫通孔を成形する前記金型の突起部は、該突起部の周方向の少なくとも一部分において、前記突起部の断面積が根元側から先端側へ向けて漸減するように前記突起部の側壁面が前記金型の開閉方向に対して傾斜している。以下、焼結体の製造方法の具体例を、図面を参照しながら説明するが、本開示はこれに限定されるものではない。

まず、各種粉末を混合して金属粉末を作製する。

次に、図４に示される多段プレス機５０の金型５２に金属粉末を充填する。そして、図５に示されるように、充填された金属粉末を上下のパンチで加圧して、成形体４０を成形する。

そして、図５に示されるように、成形体４０を金型５２から脱型する。ここで、本実施形態では、成形体４０の貫通孔４６の孔壁面４６Ａの一部に傾斜部４７が形成されていることから、例えば、貫通孔４６が一定径の構成と比べて、下パンチ６２の突起部６３を貫通孔４６から引き抜く際に、突起部６３と孔壁面４６Ａとの間の摩擦が低減される。このように突起部６３と孔壁面４６Ａとの間の摩擦が低減されることで、下パンチ６２の引き抜き時に突起部６３に掛かる負担が軽減される。そして、成形体４０の貫通孔４６の周辺部分（孔壁面４６Ａや孔縁部等）が破損するのも抑制される。

次に、成形体４０を焼結して、焼結体２０を形成する。その後、焼結体２０の角張っている部分（例えば、外周縁部や孔縁）をＣ面取りやＲ面取りすることで、焼結体２０が製品形状となる。

次に本実施形態の作用並びに効果について説明する。
本実施形態の焼結体２０では、凹部２４の底面２４Ｃに形成された貫通孔２６の周方向の一部分において、孔面積が本体部２２の厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように孔壁面２６Ａを本体部２２の厚み方向に対して傾斜させている。すなわち、貫通孔２６に傾斜部２７を形成している。このような焼結体２０となる成形体４０では、貫通孔２６の傾斜する孔壁面２６Ａ（傾斜部２７）に対応する部分（貫通孔４６の傾斜部４７）が傾斜するため、図６に示されるように、成形体４０の脱型時に、金型５２に掛かる負担を低減でき、さらに、成形体４０の貫通孔４６の周辺部分の破損を抑制できる。このように、本実施形態の焼結体２０では、貫通孔２６に傾斜部２７を形成することで、成形体４０の成形時に凹部４４の底面４４Ｃに貫通孔４６を形成しても、金型５２及び成形体４０に不具合が生じにくいため、焼結後に凹部の底面に貫通孔を後加工する必要がない。このため、焼結体２０では、例えば、成形体の焼結後に焼結体の凹部の底面に貫通孔を後加工する場合と比べて、焼結体２０の製造工程を簡略化することができる。

また、焼結体２０では、傾斜部２７の角度θを５度～２０度の範囲内に設定している。ここで、角度θが５度未満の場合、傾斜部２７に対応する成形体４０の傾斜部４７と下パンチ６２の突起部６３との間の摩擦を低減する効果が少ない。また、角度θが２０度を超える場合、成形体４０の貫通孔４６の径が細くなるのに合わせて、この貫通孔４６を形成する突起部６３も細くなり、突起部６３の強度が低下し、不具合が生じやすくなる。このため、焼結体２０の傾斜部２７の角度θは、５度～２０度、より好ましくは８度～１５度の範囲内に設定することが好ましい。

また、焼結体２０では、孔壁面２６Ａの傾斜部２７の本体部２２の厚み方向に沿った長さを貫通孔２６の長さＬの８０％～１００％の範囲内に設定している。ここで、傾斜部２７の上記長さが８０％未満の場合、傾斜部２７に対応する成形体４０の傾斜部４７と下パンチ６２の突起部６３との間の摩擦を低減する効果が少ない。このため、焼結体２０の傾斜部２７の上記長さは、貫通孔２６の長さＬの８０％～１００％、より好ましくは９０％～１００％の範囲内に設定することが好ましい。

また、焼結体２０では、貫通孔２６の周方向の一部の孔壁面２６Ａと、凹部２４の周方向の一部の凹壁面２４Ｂとが本体部２２の厚み方向で連続しているため、例えば、孔壁面２６Ａと凹壁面２４Ｂとの間に変曲点があるものと比べて、対応する成形体４０の貫通孔４６を形成する突起部６３の太さを確保することができる。これにより、金型５２（下パンチ６２の突起部６３）の強度を確保することができる。

［その他の実施形態］
前述の実施形態では、焼結体２０の貫通孔２６の周方向の一部分の孔壁面２６Ａを本体部２２の厚み方向に対して傾斜させているが、本開示はこの構成に限定されず、焼結体２０の貫通孔２６の周方向の全ての部分の孔壁面２６Ａを本体部２２の厚み方向に対して傾斜させてもよい。

また、前述の実施形態では、図１に示されるように、焼結体２０の貫通孔２６が凹部２４の幅方向で凹壁面２４Ａ寄りに形成されているが、本開示はこの構成に限定されない。例えば、焼結体２０の貫通孔２６が凹部２４の幅方向で凹壁面２４Ｂ寄りに形成されてもよいし、焼結体２０の貫通孔２６の中心が凹部２４の幅方向中心と一致するように貫通孔２６が形成されてもよい。

以上、本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を行ってもよい。

２０ 焼結体
２２Ａ 一方の面
２２Ｂ 他方の面
２４ 凹部
２４Ｂ 凹壁面
２４Ｃ 底面
２６ 貫通孔
２６Ａ 孔壁面
４０ 成形体
４４ 凹部
４４Ｃ 底面
４６ 貫通孔
５２ 金型
６３ 突起部
６３Ａ 側壁面
θ 角度
Ｔ 厚み方向

Claims (4)

1. 金属粉末によって形成された焼結体であって、
   厚み方向の一方の面に凹部が形成されており、
   前記凹部の底面には前記厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、
   前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、孔面積が前記厚み方向の一方側から他方側へ向けて漸減するように孔壁面が前記厚み方向に対して傾斜している、焼結体。
2. 前記貫通孔の周方向の少なくとも一部分において、前記孔壁面が前記厚み方向に対して５度～２０度の範囲内で傾斜している、請求項１に記載の焼結体。
3. 前記貫通孔の周方向の一部の孔壁面と、前記凹部の周方向の一部の凹壁面とが前記厚み方向で連続している、請求項１に記載の焼結体。
4. 請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法であって、
   金属粉末を金型に充填し、加圧して成形体を形成する工程と、
   前記成形体を焼結する工程と、
   を有し、
   前記焼結体の貫通孔となる前記成形体の貫通孔を成形する前記金型の突起部は、該突起部の周方向の少なくとも一部分において、前記突起部の断面積が根元側から先端側へ向けて漸減するように前記突起部の側壁面が前記金型の開閉方向に対して傾斜している、焼結体の製造方法。