JP3495264B2 - 複合焼結機械部品の製造方法 - Google Patents

複合焼結機械部品の製造方法

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JP3495264B2 JP26186298A JP26186298A JP3495264B2 JP 3495264 B2 JP3495264 B2 JP 3495264B2 JP 26186298 A JP26186298 A JP 26186298A JP 26186298 A JP26186298 A JP 26186298A JP 3495264 B2 JP3495264 B2 JP 3495264B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、粉末冶金法によ
る形状の複雑な機械部品の製造に際して、複数の部分に
分割成形した圧粉体を組み合わせて焼結することにより
1箇の焼結部品を得る方法の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】複数の圧粉体を組み合わせて1箇の焼結
部品とするためには、一方の圧粉体は軸部を有する形状
に,他方の圧粉体は孔部を有する形状に成形しておき、
軸部と孔部を嵌め合わせた状態で焼結して一体化させる
のが通例であるが、接合強度を高める手段として軸部を
有する圧粉体(以下インナーと呼ぶ)にはFe−Cu系
など焼結により膨脹する材質を,孔部を有する圧粉体
(以下アウターと呼ぶ)にはFe−Ni系など焼結によ
り収縮する材質を選択して、アウターがインナーを締め
付けた状態で焼結すればよいことが古くから知られてい
る。しかしこの方法には、1箇の機械部品でありながら
部分により成分組成が、従って性質の異なる合金で構成
される点に不満があった。
【0003】この不満の解決策として発明者は先に特公
昭62− 35442号において、インナーとアウター双方に成
分組成の共通する材質を用いても、インナーの炭素含有
量をアウターより0.2%以上多くしておけば、相対的
にインナーの方がより大きく膨脹して双方を密着させる
結果合金成分の固相拡散による接合が促進され、接合強
度向上の目的が達せられることを開示した。以下、この
先発明で炭素含有量に差を設けることの作用効果につい
て、従来例として簡単に説明しておく。
【0004】(従来例) 先ず重量比で銅粉1.5%,
黒鉛0.7%および残り鉄粉に粉末潤滑剤としてステア
リン酸亜鉛1.0%を添加した混合粉Aと、この組成で
黒鉛の配合量のみ1.0%に変更した混合粉Bとを用意
し、それぞれを圧縮成形して圧粉密度6.7g/cm3
の圧粉体A,圧粉体Bを作成した。次に両者の熱膨張曲
線を求めた。測定は圧粉体Aと圧粉体Bをそれぞれ別箇
に熱膨張計にかけ、窒素ガス中で毎分10℃の速度で1
130℃まで昇温させ、20分間保持後、同じ速度で降
温させる間の寸法変化率を圧粉体基準で示したものであ
る。
【0005】常温に戻った状態における膨張量、即ち焼
結による寸法変化率は黒鉛量の少ない圧粉体Aの方が大
きいにも拘らず、昇温開始から焼結温度に達する間では
逆に黒鉛量の多い圧粉体Bの方が圧粉体Aよりも膨張率
が大きくなり、焼結後の冷却に移るあたりで、両者の熱
膨張曲線が交差している。従ってこの混合粉Aと混合粉
Bの場合、焼結による寸法変化率と焼結中の寸法変化率
が逆転している。
【0006】この様な逆転現象の理由は次のように考え
られる。熱膨張曲線の初めの部分は試料の単なる熱膨張
であるが、試料が圧粉体の場合、鉄の焼結が始まると焼
結に伴う収縮分だけ熱膨張量は相殺される。ところが炭
素は鉄の焼結の進行を遅らせるので、黒鉛の添加量が多
い圧粉体の熱膨張曲線が上に出る。約700℃までの挙
動はこれで説明できる。更に温度が上昇するとα→γ変
態を起こして一旦収縮するが、この変態点は、炭素が多
いほど低温側に移行する。そして熱膨張係数はα相より
もγ相の方が大きいため、炭素量の多い圧粉体の方が先
にα→γ変態を遂げ、熱膨張の増大を示す訳である。こ
の様にして、炭素含有量の差で焼結中の寸法変化を制御
するのが先発明(特公昭62− 35442号)の内容である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この先発明によってア
ウター,インナー双方に同種組成の合金を用いることが
可能になったものの、炭素は鉄系合金の性質に大きく影
響する元素なので、その含有量がアウターとインナーで
異なることは望ましいことではない。そこでこの発明の
目的は、基本的な成分組成や黒鉛の配合量は変えずに焼
結中の寸法変化を制御する方法を開発することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】発明者は、亜鉛が含まれ
る鉄系の圧粉体を浸炭性雰囲気中で焼結すると、鉄と雰
囲気中の炭素との反応に対して亜鉛が微量で触媒作用を
示し、亜鉛を含まない場合に比較して焼結中の寸法変化
が大きくなる現象に注目し、この現象と、原料粉に添加
される粉末潤滑剤としてはステアリン酸亜鉛(Zn−s
t)が一般的であるが、亜鉛以外の金属石鹸,例えばス
テアリン酸リチウム(Li−st)とかアクラワックス
(商品名)など亜鉛を含まない潤滑剤も多いことを利用
してこの発明に到達した。
【0009】即ちこの発明の骨子は、インナーの原料粉
には粉末潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を、アウターに
は亜鉛を含まない粉末潤滑剤を使い分けて浸炭性雰囲気
中で焼結することにより、両部材の黒鉛配合量が同じ場
合でもアウターがインナーを締め付けた状態での焼結進
行を可能にしたことにある。この場合、亜鉛の添加は単
味でも可能ではあるが、いずれ必要な粉末潤滑剤を兼ね
てステアリン酸亜鉛の形で添加するのが手間も掛から
ず、且つ均一に分散させる上でも好ましい。なお雰囲気
としては天然ガスやメタン系炭化水素などを変成して作
られる精製エキソサーミックガス(例えば浸炭性のブタ
ン変成ガス)が適している。
【0010】
【発明の実施の形態】先ず重量比で銅粉1.5%,黒鉛
0.7%および残り鉄粉に粉末潤滑剤としてステアリン
酸亜鉛1.0%を添加した混合粉Aと、組成は混合粉A
と同じで粉末潤滑剤の種類のみステアリン酸リチウムに
代えた混合粉Cを用意し、それぞれを圧縮成形して圧粉
密度6.7g/cm3 の圧粉体A,圧粉体Cを作成し
た。この圧粉体Aは、前記の従来例における圧粉体Aと
同一仕様のものである。次に両者の熱膨張曲線を求め
た。測定は圧粉体Aと圧粉体Cをそれぞれ別箇に熱膨張
計にかけ、浸炭性のブタン変成ガス雰囲気中毎分10℃
の速度で1130℃まで昇温させ、20分間の保持後、
同じ速度で降温させる間の寸法変化率を圧粉体基準で示
したものである。なおこの明細書において組成等に関す
る%は、特に断らない限り重量%である。
【0011】熱膨張曲線の初めの部分は試料の単なる熱
膨張であるため圧粉体A,圧粉体Cとも同じように膨張
し、焼結が始まると、焼結に伴う収縮分だけ熱膨張量が
相殺されながら膨張を続ける。その際、亜鉛を含む圧粉
体Aでは雰囲気からの浸炭を生じて収縮が抑制されるの
で前述の圧粉体Bの場合と同様に推移して熱膨張量が圧
粉体Cよりも大きくなり、図示のように圧粉体Aの熱膨
張曲線が上に出る。
【0012】そして鉄系の圧粉体同士の焼結による接合
は、両部材が焼結過程の略800℃以上の高温域の少な
くとも一部の域で(所要時間は温度により異なるが合金
成分の拡散深さが5μm前後になるまでの間)密着して
いれば、十分な接合が行なわれる。なお焼結は固相焼結
によるのが通常であるが、一部に液相を生じる状態で焼
結すると拡散接合がさらに促進される。その場合、液相
の生成量が5%以内であれば浸蝕や形崩れなどの懸念は
ないが、焼結体の寸法精度も良好な状態に保つためには
3%以内に止めることが好ましい。
【0013】従って圧粉体Cをアウターとし、圧粉体A
をインナーとして嵌め合わせ浸炭性雰囲気中で焼結すれ
ば、相対的にアウターがインナーを締め付けた状態での
焼結により拡散接合が行なわれ、強固に一体化すること
ができる。なお雰囲気が浸炭性でない場合には、圧粉体
が亜鉛を含む場合でも膨張量の増大という作用効果は生
じない。ちなみに雰囲気が浸炭性の場合は、亜鉛が無く
ても圧粉体の膨張量は幾分増加するが、複合部品ではこ
の現象がアウター,インナー双方に同じように生じるた
め相対的な差は現われず、接合効果にも影響は生じな
い。雰囲気が浸炭性で両部材ともに亜鉛を含む場合も、
膨張量は増大するが相殺されるため結果は同様である。
【0014】また接合強度の向上には両部材を嵌め合わ
せる際の嵌め合い寸法差(アウターの孔の内径寸法とイ
ンナーの軸の外径寸法との差)も重要であって、インナ
ーの方を太め(締まり嵌め)に設定してアウターに圧入
するのが好ましく、締め代は大きいほど両者の密着度が
高くなる。但し未焼結で強度の低いアウターが過大な引
っ張り応力によって破損するのを避けるため締め代を1
00μm以内に止めることが好ましい。通り嵌めを選ぶ
場合でも隙間は小さいほどよく、5μm以下に止めるべ
きである。
【0015】(実施例) 配合組成が重量比で銅1.5
%,黒鉛0.7%および鉄粉残部に粉末潤滑剤としてス
テアリン酸亜鉛を0.7%添加した混合粉を外径30m
m,内径10mm,長さ20mm,圧粉密度6.7g/
cm3 の円筒に圧縮成形してインナーとし、一方、イン
ナーと同じ組成で粉末潤滑剤をステアリン酸リチウム
0.7%に変更した混合粉を内径30mm,外径40m
m,長さ10mm,圧粉密度6.7g/cm3 の円板に
成形してアウターとした。次に、このインナーとアウタ
ーを、締め代20μmの圧入により嵌め合わせ、浸炭性
のブタン変成ガス雰囲気中1130℃で40分間焼結し
た。得られた焼結体を材料試験機に掛け、アウターを架
台上に支えてインナーに負荷する破壊試験を行なった結
果、両部材の接合強度は150MPaであった。この値
は先発明の場合と同様に、機械部品として必要な強度を
満足している。
【0016】(比較例1) インナー,アウターともそ
れぞれの合金組成および形状寸法が実施例のものと同一
で、粉末潤滑剤の種類はインナーにステアリン酸リチウ
ム,アウターにステアリン酸亜鉛と逆にした試料を作成
し、以下実施例の場合と同じ条件で処理した。しかし、
得られた焼結体には両部材の接触面に接合しなかった部
分が認められ、強度的にも不良品であった。
【0017】(比較例2) インナー,アウターともそ
れぞれの合金組成および形状寸法が実施例のものと同一
で、且つ粉末潤滑剤の種類をインナー,アウターともス
テアリン酸亜鉛と同一にした試料を作成し、以下実施例
の場合と同じ条件で処理した結果、得られた焼結体の接
合強度は20MPaであった。
【0018】(比較例3) インナー,アウターともそ
れぞれの合金組成および形状寸法が実施例のものと同一
で、且つ粉末潤滑剤の種類をインナー,アウターともア
クラワックス(商品名)と同一にした試料を作成し、以
下実施例の場合と同じ条件で処理した結果、得られた焼
結体の接合強度は20MPaであった。
【0019】(比較例4) インナー,アウターともそ
れぞれの合金組成および形状寸法が実施例のものと同一
で、且つ、インナーにステアリン酸亜鉛,アウターにス
テアリン酸リチウムと粉末潤滑剤の使い分けも実施例の
場合と同一にした試料を作成し、以下、焼結雰囲気を窒
素ガスに代えたこと以外は実施例の場合と同じ条件で処
理した結果、得られた焼結体の接合強度は20MPaで
あった。これらの実験を総合すると、この発明において
インナーを膨脹させるのはステアリン酸亜鉛に含まれる
亜鉛であることが帰納される。
【0020】
【発明の効果】以上に詳述した通り、この発明によれば
インナー,アウターとも原料粉の配合組成を同一にする
ことができ、その結果従来の方法と異なり、得られる複
合機械部品が全体として均質になる。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鉄系金属粉末を圧縮して軸部を有する圧
    粉体(以下インナーと呼ぶ)と孔部を有する圧粉体(以
    下アウターと呼ぶ)をそれぞれ成形し、軸部と孔部とを
    圧入により嵌め合わせた状態で一体に焼結することによ
    り複雑な形状の機械部品を得るにあたり、インナーにの
    み亜鉛を含有させ、且つ浸炭性雰囲気中で焼結すること
    を特徴とする複合焼結機械部品の製造方法。
  2. 【請求項2】 インナーに亜鉛を含有させる手段として
    ステアリン酸亜鉛を粉末潤滑剤に用いる、請求項1に記
    載の複合焼結機械部品の製造方法。
  3. 【請求項3】 インナーの軸部とアウターの孔部との嵌
    め合い寸法差が隙間μm以下の通り嵌めもしくは締め
    代100μm以内の締まり嵌めである、請求項1または
    請求項2に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
  4. 【請求項4】 焼結雰囲気が精製エキソサーミックガス
    である、請求項1,請求項2または請求項3に記載の複
    合焼結機械部品の製造方法。
  5. 【請求項5】 焼結雰囲気が浸炭性のブタン変成ガスで
    ある、請求項4に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
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