JP2536200B2 - 金属焼結材の接合方法と、金属焼結材製プ―リおよびその製造方法 - Google Patents

金属焼結材の接合方法と、金属焼結材製プ―リおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、金属焼結材の接合方法と、金属焼結材製プ
ーリおよびその製造方法に関する。
「従来の技術」 従来より、金属材同士の簡便な接合方法としてプロジ
ェクション溶接法が周知である。
このプロジェクション溶接法は、一方の部材の接合面
に突起(プロジェクション)を形成し、他の部材の接合
面と加圧当接させたうえ、両部材を電極間にはさんで交
流または直流電流を通電し、その抵抗加熱により前記突
起を溶融させ、両部材を接合する方法である。
「発明が解決しようとする課題」 ところで、従来のプロジェクション溶接法を金属焼結
材の接合に適用しようとすると、以下のような問題が生
じる。
接合部の溶融により空孔中のガスが膨張して接合部内
にブローホールが生じ、接合強度が低下する。また、溶
融した金属が電極間の加圧あるいは空孔から噴出するガ
スにより吹き飛ばされ、スパッタを生じて製品の美観を
損ねる。
溶融後は接合部が急冷されるため、接合部の靱性が著
しく低下するうえ、接合部に生じる応力によりクラック
が生じるおそれもある。
したがって従来では、プロジェクション溶接法により
焼結材を接合した例は殆どなく、一般には手間とコスト
のかかる電子ビーム溶接法が用いられている。
そこで、前記問題を解決して焼結材のプロジェクショ
ン溶接を可能とするため、特開昭58−13480号公報で
は、接合する一対の金属焼結材のうち熱容量が大きい側
の接合面に突起を形成し、各部材の接合面での昇温速度
の差を小さくし、各接合面での溶融程度を均一にして前
記各問題を改善する提案がなされている。
また、特開昭58−13482号公報では、真空中でプロジ
ェクション溶接を行なうことにより、予め金属焼結材の
気孔中のガスを抜き、前記問題を改善する方法が開示さ
れている。
しかしこれらの方法も、接合部を溶融する点では従来
法と変わりがなく、若干の改善効果はあるものの依然と
してスパッタやブローホールの発生が確認され、根本的
な解決には至らないことが判明した。
そこで本発明者らは、従来あまり顧みられていないプ
ロジェクション溶接時の接合面の温度条件について詳細
な検討を試み、その結果、接合部すなわち突起の加熱温
度を従来法よりも低く設定し、突起を溶融しない条件で
一種の拡散接合を行なうことにより、ブローホール等の
発生なしに金属焼結材を強固に接合することが可能であ
るとの新規な知見を得た。
「課題を解決するための手段」 本発明は上記知見に基づいてなされたもので、以下、
その具体的な構成を説明する。
この方法では、接合すべき金属焼結材の接合面に突起
を一体形成するとともに、この突起を他方の金属焼結材
または金属材の接合面に加圧当接させつつ両部材の間に
通電し、前記突起を溶融することなく突起を潰して、両
部材の接合面を拡散接合することを特徴としている。
接合時の突起の状態を直接観測することは実際には困
難であるが、通電量を増減して実験を行ない、接合後の
接合部に溶融跡が見られない接合条件を選択すれば、最
適通電量が容易に設定できる。なお、ここでいう溶融と
は、焼結材の不均質性等に起因する局部的かつ微視的な
溶融を含まないものとする。
本発明者らは、Fe−2wt%Cu−0.7wt%C、Fe−3wt%N
i−0.4wt%C、Fe−0.1wt%C等の鉄系合金について実
験を行ない、この種の鉄系合金においては、通電量を溶
接前の突起の先端面積で除した公称電流密度が1.5〜2.6
KA/mm2である場合に突起(接合部)が溶融せず、ブロー
ホールやスパッタ等の問題も生じず、十分な接合強度が
得られることを見出だした。1.5KA/mm2未満では突起が
完全に潰れず、十分な接合強度が得られない。また、2.
6KA/mm2より大であると接合部が溶融してスパッタやブ
ローホールを生ずる。
電流は交流または直流のいずれでもよいが、交流の方
が電流量等の接合条件を厳密に制御しやすい利点があ
る。また通電時間は従来のプロジェクション法と同様で
よい。
なお、本発明で公称電流密度を用いるのは、プロジェ
クション溶接時には接合の進行につれ接合面積が増加
し、接触部の電気抵抗が変化して電流密度を厳密に規定
することができないからである。そこで本発明では、溶
接前の突起の先端面積により通電量を除した値を公称電
流密度と定義し、その値により電流密度を限定してい
る。
接合時の加圧力は従来のプロジェクション溶接法と同
程度でよい。加圧力を変えても接合状態への影響は殆ど
ないことが本発明者らの実験で確かめられた。ただし加
圧力が極端に不足した場合には、突起と接合面との間で
放電が生じて好ましくない。この下限値は焼結材の材質
や寸法等により決定される。
突起の先端面の大きさは、接合に使用する接合機の通
電容量を前記公称電流密度で除して決定される。また突
起の形成位置は、突起が各接合面の間で鼓状に潰れて四
方にバランス良く平坦に広がり、良好な接合強度が得ら
れるように考慮して決定される。
突起の縦断面形状は、先端面に向けて窄まる断面テー
パ状であることが望ましく、テーパ角度は接合面の垂線
に対して15〜40°であることが望ましい。15°未満では
プレス時や取り扱い時に突起に欠けが生じやすく、40°
を越えると鼓状に突起が潰れにくく、接合時の後半で電
流密度が不足し、良好な拡散接合が行なえない。
なお、この金属焼結材と接合すべき金属焼結材または
金属材の接合面は、完全な平坦面であってもよいし、前
記突起と対向する位置に凹部を形成し、この凹部と突起
と嵌合することにより位置決めが行なえるようにしても
よい。
「実施例」 次に、実施例を挙げて本発明の効果を実証する。
(実施例1) 第1図および第2図に示す形状および寸法のテストピ
ースを、Fe−2wt%Cu−0.7wt%Cの金属焼結材で成形し
た。焼結密度は6.75g/cm3、気孔率14vol%だった。突起
1の寸法は、幅1mm×高さ1mm×長さ4mmである。
次いで、このテストピースを、同一の材質からなる外
径30mm×厚さ13mmの焼結板と同心に合わせて接合機にセ
ットし、公称直流電流密度を7通りに変え(A1〜A7)、
それぞれ3回づつプロジェクション接合した。
その結果、公称電流密度が1.5KA/mm2未満のA1,A2では
突起1が完全に潰れず、第5図に示すように接合部1Aの
面積が小さかった。公称電流密度が1.5〜2.6KA/mm2のA3
〜A5では、第6図に示すように突起1が完全に潰れて十
分な接合面積が得られ、しかも溶融部が見られなかっ
た。さらに公称電流密度が高めたA6およびA7では、第7
図に示すように接合部の外周側に溶融部(斜線部)が生
じ、その内部にブローホールが生じた。この結果は以後
の実施例についても同様である。
次に、接合したテストピースと焼結板とを引張強度試
験機にセットし、引張破断荷重を測定した。以上の結果
を平均した数値を第1表に示す。
(実施例2) 焼結剤をFe−3wt%Ni−0.4wt%Cに変更した点以外は
実施例1と全く同じ条件で、公称直流電流密度を7通り
に変え、それぞれ3回づつプロジェクション接合した。
実施例1と同じ試験をした結果を第2表に示す。
(実施例3) 焼結材の材質をFe−0.1wt%Cに変更した点以外は実
施例1と全く同じ条件で、公称直流電流密度を7通りに
変え、それぞれ3回づつプロジェクション接合した。結
果を第3表に示す。
(実施例4) 焼結材をFe−2wt%Cu−0.7wt%Cにするとともに、テ
ストピースの形状を第3図および第4図のように変更
し、プロジェクション接合した。実施例1と同様の実験
を行なった結果を第4表に示す。
(実施例5) 実施例1と同じテストピースと、溶製材(SS41)との
プロジェクション接合を行なった。溶製材の寸法は外径
40×厚さ3mmである。他の条件は実施例1と同様とし
た。結果を第5表に示す。
(実施例6) 第8図に示す焼結材製のプーリ本体2と、第9図に示
すフランジ3との接合を試みた。
プーリ本体2はFe−2wt%Cu−0.7wt%C製で、一端に
同軸なフランジ部2Aが一体形成された円柱状をなし、そ
の中心には中心孔4が形成されている。フランジ部2Aの
外径は140mm、ベルト巻回部の外径は128mmで、中心孔4
の周囲には軽量化用の空孔5が形成されている。さら
に、プーリ本体2の他端面には、外周縁と平行に6つの
円弧状の突起6が等間隔で形成されており、これら突起
6の寸法は幅0.5mm×高さ1mm×長さ8mmである。一方、
フランジ3は溶製材(SS41)製のもので、厚さ2.5mm、
外径140mm、内径120mmである。
そして、実施例1と同様に7種の通電量でこれらを接
合し、第11図に示す引張強度試験機の治具7,8間にセッ
トして引張破断荷重を測定した。その結果を第6表に示
す。この例でも、公称電流密度が1.5〜2.6KA/mm2の場合
にブローホールやスパッタが生じず、良好な接合強度が
得られた。
(実施例7) 第12図ないし第14図に示す焼結材製のプーリ本体2
と、第15図および第16図に示す円環状フランジ3との接
合を試みた。
プーリ本体2はFe−2wt%Cu−0.7wt%C製のカップ形
をなし、その中心には中心孔4が形成され、その外径は
60mm、周壁部には先端に向けて薄肉化するテーパが付け
られ、先端肉厚は3mmである。プーリ本体2の端面に
は、外周縁と平行に6つの円弧状の突起6が等間隔で形
成され、これら突起6の寸法は幅0.5mm×高さ1mm×長さ
8mmである。一方、フランジ3は溶製材(SS41)製で、
厚さ2mm、外径65mm、内径54mmである。
そして、実施例1と同様に7種の通電量でこれらを接
合し、第17図および第18図に示すプーリを得た後、第19
図に示す引張強度試験機の治具7,8間にセットして引張
破断荷重を測定した。その結果を第7表に示す。この例
でも、公称電流密度が1.5〜2.6KA/mm2の場合にブローホ
ールやスパッタが生じず、良好な接合強度が得られた。
なお、本発明は上記実施例に限られることはなく、例
えば第20図および第21図に示すように他の形式のプロジ
ェクション接合にも適用できる。第20図はエッジリング
プロジェクション接合と称される方法で、金属焼結材10
に開口部11を形成し、金属焼結材(または金属材)12の
テーパ部12Aをこの開口部11に当てはめ、通電して開口
部11のエッジ11Aを溶融することなく加熱して接合す
る。この場合、エッジ11Aが突起に相当する。
また、第21図はインタフェレンス接合と称され、20は
ガイド部、21は逃げ溝、22は接合用突起である。そして
焼結材12を焼結材(金属材)10に向けて加圧し通電する
ことにより、突起22を潰して両部材10,12を拡散接合す
る。これら他形式の接合方法においても、本発明は前記
実施例と同様の優れた効果が得られる。
「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係わる焼結合金材の接
合方法によれば、焼結材に形成した突起を溶融すること
なく両部材の接合面に拡散させて接合するため、空孔中
のガスによりブローホールが生じて接合面積が減少し、
接合強度が低下したり、溶融した金属が電極間の加圧ま
たは空孔から噴出するガスで吹き飛ばされ、スパッタを
生じて製品の美観を損ねる等の問題が生じない。
また、突起を溶融温度まで加熱しないため、接合部の
靱性低下が防止できるとともに、冷却後の接合部に生じ
る応力が小さく、クラックが生じるおそれがない。
一方、本発明に係わる金属焼結材製プーリおよびその
製造方法によれば、従来は例えばビス止め等の機械的手
法で固定していたプーリ本体とフランジとを、簡便なプ
ロジェクション接合により十分な強度で接合できるか
ら、生産性の大幅な向上および製造コスト低下が図れ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の実施例1ないし実施例3
および実施例5に使用したテストピースの平面図および
II−II線断面図、第3図および第4図は実施例4に使用
したテストピースの平面図およびIV−IV線断面図、第5
図ないし第7図は第1図のテストピースにおける接合状
態の良否を示す平面図、第8図および第9図は実施例6
で使用したプーリ本体およびフランジの平面図、第10図
はこれらの接合方法を示す正面図、第11図は得られたプ
ーリに対する接合強度測定方法を示す正面図、第12図な
いし第14図は実施例7で使用したプーリ本体の平面図、
縦断面図および底面図、第15図および第16図は実施例7
のフランジを示す平面図および縦断面図、第17図および
第18図は実施例7で得られたプーリの平面図および縦断
面図、第19図は同プーリに対する接合強度測定方法を示
す縦断面図、第20図および第21図はそれぞれ本発明の他
の適用例を示す縦断面図である。 1…突起、1A…接合部、2…プーリ本体、3…フラン
ジ、4…中心孔、5…軽量化用空孔、6…突起、10…金
属焼結材、11…開口部、11A…エッジ(突起)、12…金
属焼結材、20…ガイド部、21…逃げ溝、22…突起。
フロントページの続き (72)発明者 佐藤 録郎 埼玉県大宮市北袋町1丁目297番地 三 菱金属株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−161454(JP,A) 特開 昭56−83653(JP,A) 特開 昭48−44106(JP,A) 特開 昭61−238902(JP,A) 特開 昭62−167910(JP,A) 特開 昭59−64185(JP,A) 特開 昭64−87706(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属焼結材と、他の金属焼結材または金属
    材とを接合する方法であって、 少なくとも一方の金属焼結材の接合面に突起を形成し、
    この突起を他方の金属焼結材または金属材の接合面に加
    圧当接するとともに両部材間に通電し、前記突起を溶融
    することなく加熱して両部材を接合することを特徴とす
    る金属焼結材の接合方法。
  2. 【請求項2】前記金属焼結材が鉄系合金焼結材である場
    合において、両部材間の通電量を溶接前の突起の先端面
    積で除した公称電流密度を1.5〜2.6KA/mm2とすることを
    特徴とする請求項1記載の金属焼結材の接合方法。
  3. 【請求項3】金属焼結材製のプーリ本体と、金属製また
    は金属焼結材製のフランジとからなり、前記プーリ本体
    の他端面に、前記フランジを金属拡散層を介して同軸に
    接合したことを特徴とする金属焼結材製プーリ。
  4. 【請求項4】金属焼結材製のプーリ本体の端面に突起を
    形成し、この突起に金属製または金属焼結材製のフラン
    ジを加圧当接するとともに両部材間に通電し、前記突起
    を溶融することなく加熱して両部材を接合することを特
    徴とする金属焼結材製プーリの製造方法。
  5. 【請求項5】前記プーリ本体が鉄系合金焼結材製である
    場合において、両部材間の通電量を溶接前の突起の先端
    面積で除した公称電流密度を1.5〜2.6KA/mm2とすること
    を特徴とする請求項4記載の金属焼結材製プーリの製造
    方法。
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