JP3932159B2 - バイメタル状軸受合金の高周波焼結方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、バイメタル状軸受合金の高周波焼結方法に関するものであり、さらに詳しく述べるならばすべり軸受用軸受合金バイメタルの焼結による製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状焼結軸受合金の最も一般的な製造方法は焼結の全体を電気抵抗加熱炉で行う方法である。この方法では焼結ライン全体の長さは、焼結温度などの条件により異なるが数十ｍ以上に達する。
ところで、銅合金焼結層の組成を有する粉末を裏金に積層し、銅合金粉末及び裏金をソレノイドコイルにより高周波誘導加熱して裏金の鋼のキュリー点近傍まで還元性雰囲気中で予備加熱し、続いて焼結温度までの昇温を電気抵抗炉の還元性雰囲気中で行い銅合金焼結層としかつこの層を前記裏金に接合することによる焼結方法は特公平７−２６１２５号公報にて公知である。この方法では高周波誘導加熱による急速昇温によって焼結ライン全体の長さが短くなり、生産能率が上昇することが期待されると述べられている。なお、この方法では電気炉における焼結時間は３〜１２分を必要としている。
同様の方法は特表平１−５０３１５０号でも提案されており、銅合金の二次相である鉛相が微細になる効果が謳われている。また、板厚が０．０７５インチの裏金を使用した焼結例では電気炉における焼結時間は５．１分である。
なお、焼結中の軸受合金の温度は従来は一般的には熱電対を焼結炉内に装入して測定していたが、高周波焼結中の適当な測温方法については未検討である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の銅合金高周波焼結方法は、鋼のキュリー点近傍までは高周波誘導加熱による急速予熱を行うが、１０２３Ｋ（７５０℃）〜１２７３Ｋ（１０００℃）での銅合金の焼結は電気抵抗加熱などの高周波誘導加熱以外の方法で行う方法であるために、前掲公開公報の第１図に示されているように電気抵抗加熱炉が高周波加熱炉より炉長が長く、設備面からは焼結ラインの短縮が不十分であった。
また、すべり軸受用銅合金の焼結は一般に１０２３Ｋ（７５０℃）〜１２２３Ｋ（９５０℃）の温度範囲で、水素、窒素などの還元性雰囲気中で行われる。この結果銅合金粒子相互が結合するとともに銅合金は裏金とも接着される。このような焼結雰囲気内で通板されている裏金及び銅合金粉末（以下「ワーク」と総称する）に高周波電流を誘導することが銅合金焼結のためには重要であるが、焼結方法の面からは、従来法は生産能率が不十分である。このことに加えて、焼結をできるだけ短時間で完了させることにより、銅合金の鉛粒子の粗大化等を阻止することが望ましいが、この面でも従来法の成果は十分ではなかった。
焼結法において通常測温に使用されている熱電対はワーク付近の雰囲気温度を測定することになるが、高周波加熱では雰囲気温度を測定してもワークの温度を正確に把握できない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の背景からなされたものであり、バイメタル状すべり軸受合金の高周波誘導加熱の方式として、大別して、（１）ソレノイドコイル式誘導加熱による前段（鋼のキュリー点近傍までの温度、以下同じ）加熱、トランスバースコイル式誘導加熱による後段（前段より高い温度、以下同じ）加熱、（２）ソレノイドコイル式誘導加熱による前段加熱、トランスバースコイルとソレノイドコイル併用後段加熱、（３）トランスバースコイル式誘導加熱による前段・後段の一貫加熱、（４）トランスバースコイルとソレノイドコイルを併用した前段・後段の一貫加熱の四方式を提供する。また、（２）の方式の実施態様としてトランスバースコイルによる加熱は裏金の両側縁に限定する方式も提供する。
【０００５】
即ち、第1の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造する方法において、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、裏金の鋼のキュリー点近傍までは、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたソレノイドコイル式高周波誘導加熱により１０〜４００ kHz の周波数で加熱し、続いて、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバースコイル式高周波誘導加熱により１〜１０ kHz の周波数で加熱を行い、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持すること特徴とする（以下「第 1 発明方法」と言う）。なお、以下の説明において、「第 1 発明装置」とは第 1 発明方法を実施するに適した装置を意味する。
第2の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたソレノイドコイルを用いて高周波誘導加熱により１０〜４００ kHz の周波数で該裏金の鋼のキュリー点近傍まで加熱し、続いて、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数のソレノイドコイル式高周波誘導加熱と１〜１０ kHz の周波数のトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して焼結温度まで加熱し、焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とする（以下「第 2 発明方法」という）。なお、以下の説明において、「第 2 発明装置」とは、第 2 発明方法を実施するに適した装置を意味する。
第3の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記裏金の鋼のキュリー点近傍までを、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバースコイル式高周波誘導加熱により、１〜１０ kHz の周波数で加熱し、続いて断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１〜１０ k Ｈｚの周波数のトランスバ−スコイル式高周波誘導加熱による加熱を行い、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とする（以下「第 3 発明方法」という）。なお、以下の説明において、第 3 発明装置とは第 3 発明方法を実施するに適した装置を意味する。
第4の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記裏金の鋼のキュリー点近傍までを、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数でソレノイドコイル式高周波誘導加熱と１〜１０ kHz の周波数でトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して加熱を行い、続いて断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数ソレノイドコイル式高周波誘導加熱と、１〜１０ kHz の周波数トランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して加熱を行い、焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とする（以下「第4発明方法」という）。なお、以下の説明において「第 4 発明装置」とは第 4 発明を実施するに適した装置を意味する。以下本発明を詳しく説明する。
【０００６】
先ず，本第１〜第４発明方法に共通する事項を説明する。
本発明により焼結される軸受合金は、銅合金として、青銅、鉛青銅、りん青銅などの各種銅合金、その他鉄、ステンレス等である。銅合金には本出願人が特開平９−１２５１７６号公報で提案したようなすべり軸受用Ｃｕ−Ａｇ系合金なども包含される。特に、すべり軸受用として一般的に使用されている７〜３３質量％のＰｂを含有する銅合金に本発明法を好ましく適用することができる。
なお、本発明の銅合金に、耐摩耗性を向上させるために炭化物、窒化物、酸化物、りん化物、ほう化物、金属間化合物、硬質合金などの硬質物や、潤滑性を高めるための黒鉛、ＭｏＳ2などを分散させることもあるが、この場合はこれらの粉末も銅合金粉末に混合する。以下主として銅合金に例を取って本発明を説明する。
【０００７】
次に、本発明において裏金は焼結合金の支持体である他に高周波誘導加熱されて銅合金への熱伝達媒体になるものである。この裏金の厚さは０．３〜６ｍｍの範囲のものを使用することが好ましい。ここで、厚さが０．３ｍｍ未満では構造部品としての強度が低くなり、一方６ｍｍを超えると高周波誘導加熱による裏金の昇温が不十分になり、その結果焼結も不十分になるのでこの上限以下が好ましい。また裏金の幅は銅合金の用途により決められる。裏金鋼板は通常低炭素鋼の冷間圧延鋼板であるが、必要により粗面化処理、酸洗、アルカリ脱脂、スキンパス圧下、Ｎｉめっき、異種材料とのクラッドによる複合化などの処理を施こしたり、微量元素添加による高強度化などを行ってもよい。裏金の長さは特に制限がないが、すべり軸受の分野で一般に使用される長尺材を使用して、焼結後必要長さに切断することが好ましい。
【０００８】
本発明においては、裏金上に銅合金の組成を有する粉末の層を作ることによりワークを調製する。この方法としては、従来から行われているように粉末をホッパーから落下させる散布法によることができる。銅合金の組成を有する粉末とは、粉末粒子自体が銅合金の組成をもつもの、Ｃｕ−Ｐｂ合金においてＰｂリッチ粉末とＰｂプア粉末の混合粉末、その他種々の粉末である。
【０００９】
次に,トランスバース式高周波誘導加熱(transverse flux heating)について説明する。従来技術で採用されていたソレノイドコイル式高周波誘導加熱では、板状ワークを囲むソレノイドコイルの軸と板面は平行になる。これとは異なるトランスバースコイル式高周波誘導加熱では、図１に示すように、高周波誘導コイルは板状ワークを取り囲まず、何れかの板面に面するように配置される。トランスバース式高周波誘導加熱コイルに関する従来技術としては,米国特許第４７５１３６０号、このコイル形状の改良を提案する米国特許第５４０３９９４号、板の縁も均一に加熱する方法を提案する米国特許第５７３９５０６号、連続走行するストリップの縁に遮蔽手段を設けてストリップの均一加熱を意図する米国特許第２４４８０１２号などがあるが、鋼スラブのような厚い材料を均一に加熱することを意図しており,バイメタル状銅合金の加熱焼結には言及していない。このように、従来トランスバースコイル式高周波誘導加熱法は鉄鋼のスラブ、ストリップなどの比較的厚い材料を厚さ及び幅に関し均一加熱するために主として用いられていたが、本発明者らはトランスバース式高周波誘導加熱は、１０ｍｍ以下の板厚の薄板に対してはキュリー点以上での昇温速度が低くならないことに着目して本発明を完成した。
【００１０】
続いて、裏金の鋼のキュリー点近傍まではソレノイドコイル式高周波誘導加熱により加熱し、続いてトランスバース式高周波誘導加熱により焼結温度まで加熱を行う第１発明方法を説明する。ワークを搬送しながら裏金の鋼のキュリー点近傍までの高周波誘導予備加熱を行うことによって、銅合金粉末には裏金からの熱伝導及び輻射による熱を与えて焼結温度近傍まで急速昇温する。この予備加熱法を順次説明すると、まずキュリー点近傍の温度とは裏金の表面温度であり、銅合金粉末の平均温度より若干高くなる。次に、加熱温度はキュリー点と実質的一致することが最も好ましいが、多少の高低があっても支障はない。尤も、裏金の温度がキュリー点を超えると昇温速度が激減するので、キュリー温度を著しく超えることは稀である。次に,加熱温度がキュリー点と一致したことは、後述の温度測定法により検出できる。ソレノイドコイルが発生する高周波の周波数は１０〜４００ｋＨｚである。高周波誘導コイルの巻数はワークの移動速度、裏金の板厚などを考慮して決めるものとする。予備加熱は室温から行うことが好ましいが、裏金が前段の処理により常温以上に加熱されている場合は、その温度から予備加熱を行っても全く差し支えない。最後に、加熱中の雰囲気は銅合金の酸化が起こる４２３Ｋ（１５０℃）以上、もしくはそれより低温で還元性もしくは不活性雰囲気とする。なお、室温からキュリー点までの昇温時間は、中型乗用者用一般的なすべり軸受で１分以内、最も一般的には約２０秒である。
【００１１】
続いて、トランスバースコイルによる後段の加熱を典型的には、裏金の温度で１０２３Ｋ（７５０℃）〜１２７３Ｋ（１０００℃）までの温度範囲で行う。この後段加熱では裏金が焼結温度まで急速にかつ均一に加熱され、好ましくは２０Ｋ以下、より好ましくは５Ｋ以下の裏金の幅方向温度分布が達成される。これに対して、ソレノイドコイルによる後段加熱を行うと、最適条件でも、昇温速度は本発明法の１/５以下であり、温度分布は最大２００Ｋ℃である。トランスバース式高周波誘導加熱の周波数は３〜１０ｋHzであることが好ましい。
なお、キュリー点から焼結温度までの昇温時間は、中型乗用者用一般的なすべり軸受で１分以内、最も一般的には約４０秒である。昇温後の焼結温度での保持時間は一般にゼロ以上３分の範囲である。ここで、保持時間ゼロとは焼結温度に裏金が達した瞬間に冷却を開始することである。本発明において焼結温度とは焼結に適する温度範囲内の温度であり、焼結温度への保持とは一定温度への保持を意味していない。したがって、焼結温度範囲が１１６３Ｋ（８９０℃）〜１２５３Ｋ（９８０℃）であると、１２２３Ｋ（９５０℃）まで昇温を続け, １２２３Ｋ（９５０℃）より直ちに冷却する方法の採用が可能である。
【００１２】
本発明においては、次の（イ）、（ロ）及び/又は（ハ）の現象が起こる。（イ）キュリー点までを高周波誘導加熱し、キュリー点以上の温度域で電気抵抗加熱などを行う方法と本発明方法を対比すると、本発明は裏金を直接加熱することにより、焼結合金層には裏金から熱伝導され、裏金と合金層の接触面から焼結が進行するために、良好な接着強度が得られる。（ロ）同様な比較において、銅合金粉末の未焼結上部は下部より低温であるためポーラスな状態を保っているから、還元ガスと十分に接触でき、この結果焼結組織が良好になりかつ焼結強度も高くなる。（ハ）同様な比較において、ワークの焼結温度における滞留時間が短いために、銅合金組織が微細かつ均一である。
【００１３】
前段及び後段の加熱において、銅合金の酸化が起こる温度以上では銅合金粉末を還元性もしくは不活性ガスと接触させて行うことが一般には必要である。この温度は一般には４２３Ｋ（１５０℃）以上である。これらガスと接触させる方法としては、石英などの非磁性・非導電性保護雰囲気管を使用し、この外側に高周波誘導コイルを配置する方法を採用する。
【００１４】
さらに、続いてソレノイドコイル式高周波誘導加熱により裏金の鋼のキュリー点近傍まで加熱し、続いて焼結温度までソレノイドコイル式高周波誘導加熱と、例えば前記裏金両側縁のためのトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用する第２発明方法につき説明する。段落００１１で記述したようにソレノイドコイル方式には問題があるが、トランスバースコイルと併用することにより弊害を目立たなくすることができる。特にソレノイドコイル方式による裏金の両側縁での急峻な温度降下は両側縁を加熱するトランスバースコイル方式を使用することにより補償することができる。併用の方式としては、時系列の面からは（イ）ソレノイドコイル方式とトランスバースコイル方式による誘導加熱を同時に行う；（ロ）ソレノイドコイル方式とトランスバースコイル方式による誘導加熱を逐次行う方式があり,またトランスバースコイル方式による加熱領域としては裏金の（ａ）板幅全体を加熱する、（ｂ）板幅の両側縁を加熱する方式があり、これら（イ）、（ロ）、（ａ）及び（ｂ）適宜を組み合わせることができる。また、同一ラインにおいて例えば（イ）＋（ｂ）の装置１基以上と（ロ）＋（ｂ）の装置１基以上とを交互に配列してもよい。第２発明方法では昇温速度は第１発明方法より若干低くなるが、温度分布は遜色ない結果を実現できる。なお、なお、キュリー点から焼結温度までの昇温時間は、中型乗用者用一般的なすべり軸受で２分以内、最も一般的には約６０秒である。
本段落００１４での説明事項と矛盾しない第１発明方法の説明事項は本段落に引用したこととして、繰り返しを避けることにしたい。特に,段落００１２で説明した焼結合金の組織及び材料性能は第１発明方法のものと同じである。
【００１５】
引き続いて、裏金の鋼のキュリー点近傍まで及びさらに焼結温度までを、トランスバースコイルにより一貫して高周波誘導加熱する第３の発明方法を説明する。裏金の鋼のキュリー点未満では、最適条件で作動されるトランスバースコイル式高周波誘導加熱の昇温速度は同様に最適条件で作動されるソレノイドコイル式高周波誘導加熱より低く、温度分布はほぼ同じにできる。
本段落００１５での説明事項と矛盾しない第１発明の説明事項は本段落に引用したこととして、繰り返しを避けることにしたい。特に、段落００１２で説明した焼結合金の組織及び材料性能は第１発明のものと同じである。
【００１６】
最後に、裏金の鋼のキュリー点近傍まで及びさらに焼結温度までを、ソレノイドコイルとトランスバースコイルを併用して高周波誘導加熱する第４の発明につき説明する。この発明において、後段の加熱は第２発明と同じであり,前段の加熱がソレノイドコイルとトランスバースコイルを併用して高周波誘導加熱するところが上述した各発明と異なっている。併用の方式は第２発明方法の説明を引用することとする。前段の加熱では、昇温速度は第１発明より低く、第２発明方法より高い。
本段落００１６での説明事項と矛盾しない第１発明、第２発明の説明事項は本段落に引用したこととして、繰り返しを避けることにしたい。特に,段落００１２で説明した焼結合金の組織及び材料性能は第１発明方法のものと同じである。
【００１７】
ワークをすべり軸受として使用するためには、冷間圧縮を行って焼結層を緻密化した後に再焼結を行う。再焼結法は、本発明の第１〜第４のいずれかの方法、通常は１回目の焼結と同じ方法を採用することが好ましい。
【００１９】
以下、本発明に係る焼結装置を図面を引用して説明する。
図２の概念図に示すように、本発明に係る焼結装置は、銅合金粉末３を裏金１に積層するためのホッパー２など、焼結炉５、即ち高周波誘導加熱炉、及び裏金１を長さ方向に搬送するために裏金コイルを巻き戻すアンコイラ４ａ及び巻き取るリコイラ４ｂを含んでなる。なお、リコイラ４ｂを駆動するモーター、減速機などは図示を省略しており、また、コイル状ではなく切り板状裏金を搬送する場合は、（アン）コイラに代えて通板ローラーやメッシュベルトなどを使用することができる。図示されない駆動手段で回転されるリコイラ４ｂは裏金１を、１〜１０ｍ／分、より具体的には板厚が１ｍｍでは約６ｍ／分、板厚が６ｍｍでは１．５ｍ／分の速度で焼結炉５内を通板する。勿論、この値は好ましい一例であり、裏金板厚が厚く、高周波電力が低く、高周波周波数が高いほど、通板速度を遅くすればよい。さらに、図示のように、焼結炉５の直後に、ガス冷却及び／又はロール冷却等を行う冷却室６を設けて、ワークを速やかに次工程の温度まで冷却することが好ましい。なお、後述する焼結雰囲気設定手段により焼結炉内部の銅合金粉末は水素ガスなどと接触せしめられている。
このような本発明によると、すべり軸受用銅合金の焼結炉５の長さ従来の１/２以下である。
【００２０】
本発明の第１装置を具体化した焼結炉を概念的に示す図３において、耐火断熱材からなる炉体の内側に設けられた１基以上のソレノイドコイル式高周波誘導加熱部８ａ，８ｂ，８ｃ（以下「ソレノイドコイル」と略す）は裏金をその鋼のキュリー点近傍に加熱する。ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃは裏金の板面方向に高周波磁界を発生させる公知の加熱手段であって、ワーク７を取り囲む任意の形状をもつ。ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃは図示のように１段以上設けて、高周波発振機に接続してもよく、あるいは１段のみ設けてもよい。ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃとワーク７の間隔は、４０ｍｍ以下、特に１０〜３０ｍｍ以下であって、後述する保護管とコイル８ａ，８ｂ，８ｃが接触しない範囲で小さいほど好ましい。
【００２１】
ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃに続いてトランスバースコイル式高周波誘導加熱部９ａ，９ｂ，９ｃ（以下「トランスバースコイル」と言う）が設けられる。トランスバースコイル９ａ，９ｂ，９ｃはワーク７を挟んで対向させている。このようなトランスバースコイル自体は、特公平７−７７０４号公報、特許第２８７５４８９号公報、米国特許第４７５１３６０号公報、第５４０３９９４号、第５７３９５０６号公報等で公知である。トランスバースコイル９ａ，９ｂ，９ｃは図示のように２段以上に設けて、高周波発振機に接続してもよく、あるいは１段のみ設けてもよい。トランスバースコイル９ａ，９ｂ，９ｃとワーク７の間隔は、４０ｍｍ以下、特に１０〜３０ｍｍ以下であって、後述する保護管とコイル９ａ，９ｂ，９ｃが接触しない範囲で小さいほど好ましい。
【００２２】
図３においては、各段のコイル８ａ，８ｂ，８ｃ，９ａ，９ｂ、９ｃの中間及びコイル９ｃの後に放射温度計１２ａ，ｂ，ｃ，ｄ、ｅ、ｆを配置して、極めて急速に昇温されるワーク７の温度が所定目標範囲内にあることを検知するようにしている。即ち，例えば放射温度計１２ｂで検出される温度がキュリー温度より著しく低いと、トランスバースコイル９ａ，９ｂでの昇温が不充分になるおそれがある。また本方法の特長である急速昇温では放射温度計１２ｄで検出される温度が所定焼結温度より遥かに高くなるか、あるいは通板速度が速い場合は十分に昇温しないおそれがあるので、図示のように多段の測温を行うことが好ましい。
【００２３】
焼結雰囲気の設定は、炉内全体が所定雰囲気、例えば水素・窒素混合雰囲気とされた炉内に高周波誘導コイルを配置する方法では、炉の内容積が大きくなる問題がある一方で高周波誘導コイルとワークの間隔を狭くできるから電流効率が高いと言う利点もあるが、本発明においては採用しない。本発明者らは、段落００１２の（ロ）特長を十分に発揮させるためには、焼結雰囲気は炉内全体でなくワークの極近傍の空間領域に限定して作り出し、高周波誘導コイルはこの空間領域外に配置することが有益であるとの着想の下に実験を行ったところ、意外にも、高周波誘導コイルとワークの間隔増大に伴う問題は実際上無視できる程度であることが分かった。
そこで、図４，５を参照して本発明に係る焼結雰囲気の設定方法を説明すると、ソレノイドコイル８の内側に、石英ガラス、セラミックスなどの断熱性、非電導性、非磁性、気密性などの性質を兼備した雰囲気密封用保護管２２を配置し、その内部にてワーク７を搬送可能にし、保護管２２内には水素・窒素混合ガス、アルゴン・窒素混合ガスなどを、図示されないガス源から、弁、流量計などを介して炉の出口側から流すと、銅合金粉末３はこれらガスと接触しつつ高周波誘導加熱される。保護管２２の内径は、高周波電流到達距離に依存する加熱効率や、通板中に波打ち挙動を示すワーク７との接触危険回避などの両面から、２０〜５０ｍｍであることが好ましい。図４，５ではソレノイドコイル８を示すが、トランスバースコイルにも同様に保護管を設けることができる。なお、図示のような焼結雰囲気設定方法では、加熱炉内全体を雰囲気ガスとする従来法と比較して、保護管２２の密封性が優れているために空気などの混入がなく雰囲気の還元性・非酸化性が良好に維持されることが、段落００１２の（ロ）特長を十分に発揮させることに寄与していると推定される。
【００２４】
本発明の第２装置を具体化した実施例を図６に示す。図６において，ソレノイドコイル８ａ，８ｂは裏金をキュリー点近傍まで加熱し、それ以上の高温はソレノイドコイル８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆと側縁加熱用トランスバースコイル１４ａ，１４ｂの併用方式で加熱を行う。ワーク７の両側縁は中央部に比べ温度降下が起こり易いので、側縁部加熱用トランスバースコイル１４ａ，１４ｂを図６に示すように配置している。
【００２５】
本発明者は、測温方法を種々試行し、（あ）ワークからの放射光は物理的には見かけの温度を示すが、これを実際の温度に補正するためには放射率もしくは放射率比を使用することができる；（い）放射光の測定は時間ずれがなく、通板中のワークの波長を直ちに検知できる；（う）放射光センサは、ワークと非接触方式であり、高周波誘導の影響を受けないなどの事実に着目し、図７に示す測温方法を考案した。即ち、焼結炉体、コイルの図示を省略した図７において、１２が放射温度計であり、例えばＣＨＩＮＯ社製の放射温度計（商品名ＩＲＣ）を使用することができる。放射温度計はワーク７の表面部を測定するもの１２ａ、裏面の端部を測定するもの１２ｂ，１２ｄ、及び裏面の中央部を測定するもの１２ｃの合計４基を設けている。ワーク裏面測定放射温度計１２ｂ，１２ｄは裏金の温度を直接測定することができ、ワーク表面測定放射温度計１２ａは粉末の温度を耐熱ガラス１５ａを介して測定することができる。放射温度計１２ｂ，ｃ，ｄは耐熱ガラス１５ｄを介してワーク７からの放射光を受光する。
なお、本発明に係る測温方法は従来の高周波焼結法にも適用でき、また図１１の態様ではなく放射温度計をワークの幅方向に走査するようにしてもよい。
【００２６】
以上、主に第１，２発明装置の実施態様を図面を参照して説明したが、これらを修正し、また組み合わせて第３，４発明装置の実施態様を構成することは容易であろう。
【００２７】
【実験例】
上記した条件範囲（但し、ソレノイドコイルによる最終加熱温度＝１０１３Ｋ（７４０℃），トランスバースコイルによる最終焼結温度＝１２２３Ｋ（９５０℃），焼結炉長さ＝約３ｍ、裏金板厚＝０．７ｍｍ、通板速度＝６m／分、焼結雰囲気−Ｎ2−Ｈ2混合ガス、焼結層厚さ＝０．３μmにてリン青銅を第１の発明方法で焼結したところ、０．７５分で全焼結工程が終了した。なお、焼結層の裏金との密着強度は良好であった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る高周波誘導加熱によるバイメタル状銅合金の焼結法及び装置は工業的に優れた利点を有するので、特に内燃機関用すべり軸受製造設備を新設する際には本発明を採用することが極めて望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 トランスバース式高周波誘導加熱の原理説明図である。
【図２】 本発明に係る焼結装置の概念図である。
【図３】 本発明の第１方法及び第１装置を具体化した焼結炉を示す概念図である。
【図４】 本発明において還元性もしくは不活性焼結雰囲気を設定する方法を説明する焼結炉のソレノイドコイル加熱部の横断面図である。
【図５】 図２のソレノイドコイル式高周波誘導加熱部分におけるコイルの配列例を示す平面図である。
【図６】 本発明の第２方法及び第２装置を具体化した高周波誘導コイルの配列例を示すである。
【図７】 ワークの温度を測定する方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 裏金
２ ホッパ−
３ 銅合金粉末
４ａ アンコイラ
４ｂ リコイラー
５ 焼結炉（高周波誘導加熱炉）
６ 冷却室
７ ワーク
８ ソレノイドコイル式高周波誘導加熱部
９ トランスバースコイル式高周波誘導加熱部
１０ トランスバースコイル
１２ 放射温度計
１４ 周縁部加熱用トランスバースコイル式高周波誘導加熱部
本発明は、バイメタル状軸受合金の高周波焼結方法に関するものであり、さらに詳しく述べるならばすべり軸受用軸受合金バイメタルの焼結による製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状焼結軸受合金の最も一般的な製造方法は焼結の全体を電気抵抗加熱炉で行う方法である。この方法では焼結ライン全体の長さは、焼結温度などの条件により異なるが数十ｍ以上に達する。
ところで、銅合金焼結層の組成を有する粉末を裏金に積層し、銅合金粉末及び裏金をソレノイドコイルにより高周波誘導加熱して裏金の鋼のキュリー点近傍まで還元性雰囲気中で予備加熱し、続いて焼結温度までの昇温を電気抵抗炉の還元性雰囲気中で行い銅合金焼結層としかつこの層を前記裏金に接合することによる焼結方法は特公平７−２６１２５号公報にて公知である。この方法では高周波誘導加熱による急速昇温によって焼結ライン全体の長さが短くなり、生産能率が上昇することが期待されると述べられている。なお、この方法では電気炉における焼結時間は３〜１２分を必要としている。
同様の方法は特表平１−５０３１５０号でも提案されており、銅合金の二次相である鉛相が微細になる効果が謳われている。また、板厚が０．０７５インチの裏金を使用した焼結例では電気炉における焼結時間は５．１分である。
なお、焼結中の軸受合金の温度は従来は一般的には熱電対を焼結炉内に装入して測定していたが、高周波焼結中の適当な測温方法については未検討である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の銅合金高周波焼結方法は、鋼のキュリー点近傍までは高周波誘導加熱による急速予熱を行うが、１０２３Ｋ（７５０℃）〜１２７３Ｋ（１０００℃）での銅合金の焼結は電気抵抗加熱などの高周波誘導加熱以外の方法で行う方法であるために、前掲公開公報の第１図に示されているように電気抵抗加熱炉が高周波加熱炉より炉長が長く、設備面からは焼結ラインの短縮が不十分であった。
また、すべり軸受用銅合金の焼結は一般に１０２３Ｋ（７５０℃）〜１２２３Ｋ（９５０℃）の温度範囲で、水素、窒素などの還元性雰囲気中で行われる。この結果銅合金粒子相互が結合するとともに銅合金は裏金とも接着される。このような焼結雰囲気内で通板されている裏金及び銅合金粉末（以下「ワーク」と総称する）に高周波電流を誘導することが銅合金焼結のためには重要であるが、焼結方法の面からは、従来法は生産能率が不十分である。このことに加えて、焼結をできるだけ短時間で完了させることにより、銅合金の鉛粒子の粗大化等を阻止することが望ましいが、この面でも従来法の成果は十分ではなかった。
焼結法において通常測温に使用されている熱電対はワーク付近の雰囲気温度を測定することになるが、高周波加熱では雰囲気温度を測定してもワークの温度を正確に把握できない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の背景からなされたものであり、バイメタル状すべり軸受合金の高周波誘導加熱の方式として、大別して、（１）ソレノイドコイル式誘導加熱による前段（鋼のキュリー点近傍までの温度、以下同じ）加熱、トランスバースコイル式誘導加熱による後段（前段より高い温度、以下同じ）加熱、（２）ソレノイドコイル式誘導加熱による前段加熱、トランスバースコイルとソレノイドコイル併用後段加熱、（３）トランスバースコイル式誘導加熱による前段・後段の一貫加熱、（４）トランスバースコイルとソレノイドコイルを併用した前段・後段の一貫加熱の四方式を提供する。また、（２）の方式の実施態様としてトランスバースコイルによる加熱は裏金の両側縁に限定する方式も提供する。
【０００５】
即ち、第1の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造する方法において、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、裏金の鋼のキュリー点近傍までは、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたソレノイドコイル式高周波誘導加熱により１０〜４００ kHz の周波数で加熱し、続いて、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバースコイル式高周波誘導加熱により１〜１０ kHz の周波数で加熱を行い、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持すること特徴とする（以下「第 1 発明方法」と言う）。なお、以下の説明において、「第 1 発明装置」とは第 1 発明方法を実施するに適した装置を意味する。
第2の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたソレノイドコイルを用いて高周波誘導加熱により１０〜４００ kHz の周波数で該裏金の鋼のキュリー点近傍まで加熱し、続いて、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数のソレノイドコイル式高周波誘導加熱と１〜１０ kHz の周波数のトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して焼結温度まで加熱し、焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とする（以下「第 2 発明方法」という）。なお、以下の説明において、「第 2 発明装置」とは、第 2 発明方法を実施するに適した装置を意味する。
第3の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記裏金の鋼のキュリー点近傍までを、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバースコイル式高周波誘導加熱により、１〜１０ kHz の周波数で加熱し、続いて断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１〜１０ k Ｈｚの周波数のトランスバ−スコイル式高周波誘導加熱による加熱を行い、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とする（以下「第 3 発明方法」という）。なお、以下の説明において、第 3 発明装置とは第 3 発明方法を実施するに適した装置を意味する。
第4の方式によるバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法は、少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記裏金の鋼のキュリー点近傍までを、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数でソレノイドコイル式高周波誘導加熱と１〜１０ kHz の周波数でトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して加熱を行い、続いて断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数ソレノイドコイル式高周波誘導加熱と、１〜１０ kHz の周波数トランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して加熱を行い、焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とする（以下「第4発明方法」という）。なお、以下の説明において「第 4 発明装置」とは第 4 発明を実施するに適した装置を意味する。以下本発明を詳しく説明する。
【０００６】
先ず，本第１〜第４発明方法に共通する事項を説明する。
本発明により焼結される軸受合金は、銅合金として、青銅、鉛青銅、りん青銅などの各種銅合金、その他鉄、ステンレス等である。銅合金には本出願人が特開平９−１２５１７６号公報で提案したようなすべり軸受用Ｃｕ−Ａｇ系合金なども包含される。特に、すべり軸受用として一般的に使用されている７〜３３質量％のＰｂを含有する銅合金に本発明法を好ましく適用することができる。
なお、本発明の銅合金に、耐摩耗性を向上させるために炭化物、窒化物、酸化物、りん化物、ほう化物、金属間化合物、硬質合金などの硬質物や、潤滑性を高めるための黒鉛、ＭｏＳ2などを分散させることもあるが、この場合はこれらの粉末も銅合金粉末に混合する。以下主として銅合金に例を取って本発明を説明する。
【０００７】
次に、本発明において裏金は焼結合金の支持体である他に高周波誘導加熱されて銅合金への熱伝達媒体になるものである。この裏金の厚さは０．３〜６ｍｍの範囲のものを使用することが好ましい。ここで、厚さが０．３ｍｍ未満では構造部品としての強度が低くなり、一方６ｍｍを超えると高周波誘導加熱による裏金の昇温が不十分になり、その結果焼結も不十分になるのでこの上限以下が好ましい。また裏金の幅は銅合金の用途により決められる。裏金鋼板は通常低炭素鋼の冷間圧延鋼板であるが、必要により粗面化処理、酸洗、アルカリ脱脂、スキンパス圧下、Ｎｉめっき、異種材料とのクラッドによる複合化などの処理を施こしたり、微量元素添加による高強度化などを行ってもよい。裏金の長さは特に制限がないが、すべり軸受の分野で一般に使用される長尺材を使用して、焼結後必要長さに切断することが好ましい。
【０００８】
本発明においては、裏金上に銅合金の組成を有する粉末の層を作ることによりワークを調製する。この方法としては、従来から行われているように粉末をホッパーから落下させる散布法によることができる。銅合金の組成を有する粉末とは、粉末粒子自体が銅合金の組成をもつもの、Ｃｕ−Ｐｂ合金においてＰｂリッチ粉末とＰｂプア粉末の混合粉末、その他種々の粉末である。
【０００９】
次に,トランスバース式高周波誘導加熱(transverse flux heating)について説明する。従来技術で採用されていたソレノイドコイル式高周波誘導加熱では、板状ワークを囲むソレノイドコイルの軸と板面は平行になる。これとは異なるトランスバースコイル式高周波誘導加熱では、図１に示すように、高周波誘導コイルは板状ワークを取り囲まず、何れかの板面に面するように配置される。トランスバース式高周波誘導加熱コイルに関する従来技術としては,米国特許第４７５１３６０号、このコイル形状の改良を提案する米国特許第５４０３９９４号、板の縁も均一に加熱する方法を提案する米国特許第５７３９５０６号、連続走行するストリップの縁に遮蔽手段を設けてストリップの均一加熱を意図する米国特許第２４４８０１２号などがあるが、鋼スラブのような厚い材料を均一に加熱することを意図しており,バイメタル状銅合金の加熱焼結には言及していない。このように、従来トランスバースコイル式高周波誘導加熱法は鉄鋼のスラブ、ストリップなどの比較的厚い材料を厚さ及び幅に関し均一加熱するために主として用いられていたが、本発明者らはトランスバース式高周波誘導加熱は、１０ｍｍ以下の板厚の薄板に対してはキュリー点以上での昇温速度が低くならないことに着目して本発明を完成した。
【００１０】
続いて、裏金の鋼のキュリー点近傍まではソレノイドコイル式高周波誘導加熱により加熱し、続いてトランスバース式高周波誘導加熱により焼結温度まで加熱を行う第１発明方法を説明する。ワークを搬送しながら裏金の鋼のキュリー点近傍までの高周波誘導予備加熱を行うことによって、銅合金粉末には裏金からの熱伝導及び輻射による熱を与えて焼結温度近傍まで急速昇温する。この予備加熱法を順次説明すると、まずキュリー点近傍の温度とは裏金の表面温度であり、銅合金粉末の平均温度より若干高くなる。次に、加熱温度はキュリー点と実質的一致することが最も好ましいが、多少の高低があっても支障はない。尤も、裏金の温度がキュリー点を超えると昇温速度が激減するので、キュリー温度を著しく超えることは稀である。次に,加熱温度がキュリー点と一致したことは、後述の温度測定法により検出できる。ソレノイドコイルが発生する高周波の周波数は１０〜４００ｋＨｚである。高周波誘導コイルの巻数はワークの移動速度、裏金の板厚などを考慮して決めるものとする。予備加熱は室温から行うことが好ましいが、裏金が前段の処理により常温以上に加熱されている場合は、その温度から予備加熱を行っても全く差し支えない。最後に、加熱中の雰囲気は銅合金の酸化が起こる４２３Ｋ（１５０℃）以上、もしくはそれより低温で還元性もしくは不活性雰囲気とする。なお、室温からキュリー点までの昇温時間は、中型乗用者用一般的なすべり軸受で１分以内、最も一般的には約２０秒である。
【００１１】
続いて、トランスバースコイルによる後段の加熱を典型的には、裏金の温度で１０２３Ｋ（７５０℃）〜１２７３Ｋ（１０００℃）までの温度範囲で行う。この後段加熱では裏金が焼結温度まで急速にかつ均一に加熱され、好ましくは２０Ｋ以下、より好ましくは５Ｋ以下の裏金の幅方向温度分布が達成される。これに対して、ソレノイドコイルによる後段加熱を行うと、最適条件でも、昇温速度は本発明法の１/５以下であり、温度分布は最大２００Ｋ℃である。トランスバース式高周波誘導加熱の周波数は３〜１０ｋHzであることが好ましい。
なお、キュリー点から焼結温度までの昇温時間は、中型乗用者用一般的なすべり軸受で１分以内、最も一般的には約４０秒である。昇温後の焼結温度での保持時間は一般にゼロ以上３分の範囲である。ここで、保持時間ゼロとは焼結温度に裏金が達した瞬間に冷却を開始することである。本発明において焼結温度とは焼結に適する温度範囲内の温度であり、焼結温度への保持とは一定温度への保持を意味していない。したがって、焼結温度範囲が１１６３Ｋ（８９０℃）〜１２５３Ｋ（９８０℃）であると、１２２３Ｋ（９５０℃）まで昇温を続け, １２２３Ｋ（９５０℃）より直ちに冷却する方法の採用が可能である。
【００１２】
本発明においては、次の（イ）、（ロ）及び/又は（ハ）の現象が起こる。（イ）キュリー点までを高周波誘導加熱し、キュリー点以上の温度域で電気抵抗加熱などを行う方法と本発明方法を対比すると、本発明は裏金を直接加熱することにより、焼結合金層には裏金から熱伝導され、裏金と合金層の接触面から焼結が進行するために、良好な接着強度が得られる。（ロ）同様な比較において、銅合金粉末の未焼結上部は下部より低温であるためポーラスな状態を保っているから、還元ガスと十分に接触でき、この結果焼結組織が良好になりかつ焼結強度も高くなる。（ハ）同様な比較において、ワークの焼結温度における滞留時間が短いために、銅合金組織が微細かつ均一である。
【００１３】
前段及び後段の加熱において、銅合金の酸化が起こる温度以上では銅合金粉末を還元性もしくは不活性ガスと接触させて行うことが一般には必要である。この温度は一般には４２３Ｋ（１５０℃）以上である。これらガスと接触させる方法としては、石英などの非磁性・非導電性保護雰囲気管を使用し、この外側に高周波誘導コイルを配置する方法を採用する。
【００１４】
さらに、続いてソレノイドコイル式高周波誘導加熱により裏金の鋼のキュリー点近傍まで加熱し、続いて焼結温度までソレノイドコイル式高周波誘導加熱と、例えば前記裏金両側縁のためのトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用する第２発明方法につき説明する。段落００１１で記述したようにソレノイドコイル方式には問題があるが、トランスバースコイルと併用することにより弊害を目立たなくすることができる。特にソレノイドコイル方式による裏金の両側縁での急峻な温度降下は両側縁を加熱するトランスバースコイル方式を使用することにより補償することができる。併用の方式としては、時系列の面からは（イ）ソレノイドコイル方式とトランスバースコイル方式による誘導加熱を同時に行う；（ロ）ソレノイドコイル方式とトランスバースコイル方式による誘導加熱を逐次行う方式があり,またトランスバースコイル方式による加熱領域としては裏金の（ａ）板幅全体を加熱する、（ｂ）板幅の両側縁を加熱する方式があり、これら（イ）、（ロ）、（ａ）及び（ｂ）適宜を組み合わせることができる。また、同一ラインにおいて例えば（イ）＋（ｂ）の装置１基以上と（ロ）＋（ｂ）の装置１基以上とを交互に配列してもよい。第２発明方法では昇温速度は第１発明方法より若干低くなるが、温度分布は遜色ない結果を実現できる。なお、なお、キュリー点から焼結温度までの昇温時間は、中型乗用者用一般的なすべり軸受で２分以内、最も一般的には約６０秒である。
本段落００１４での説明事項と矛盾しない第１発明方法の説明事項は本段落に引用したこととして、繰り返しを避けることにしたい。特に,段落００１２で説明した焼結合金の組織及び材料性能は第１発明方法のものと同じである。
【００１５】
引き続いて、裏金の鋼のキュリー点近傍まで及びさらに焼結温度までを、トランスバースコイルにより一貫して高周波誘導加熱する第３の発明方法を説明する。裏金の鋼のキュリー点未満では、最適条件で作動されるトランスバースコイル式高周波誘導加熱の昇温速度は同様に最適条件で作動されるソレノイドコイル式高周波誘導加熱より低く、温度分布はほぼ同じにできる。
本段落００１５での説明事項と矛盾しない第１発明の説明事項は本段落に引用したこととして、繰り返しを避けることにしたい。特に、段落００１２で説明した焼結合金の組織及び材料性能は第１発明のものと同じである。
【００１６】
最後に、裏金の鋼のキュリー点近傍まで及びさらに焼結温度までを、ソレノイドコイルとトランスバースコイルを併用して高周波誘導加熱する第４の発明につき説明する。この発明において、後段の加熱は第２発明と同じであり,前段の加熱がソレノイドコイルとトランスバースコイルを併用して高周波誘導加熱するところが上述した各発明と異なっている。併用の方式は第２発明方法の説明を引用することとする。前段の加熱では、昇温速度は第１発明より低く、第２発明方法より高い。
本段落００１６での説明事項と矛盾しない第１発明、第２発明の説明事項は本段落に引用したこととして、繰り返しを避けることにしたい。特に,段落００１２で説明した焼結合金の組織及び材料性能は第１発明方法のものと同じである。
【００１７】
ワークをすべり軸受として使用するためには、冷間圧縮を行って焼結層を緻密化した後に再焼結を行う。再焼結法は、本発明の第１〜第４のいずれかの方法、通常は１回目の焼結と同じ方法を採用することが好ましい。
【００１９】
以下、本発明に係る焼結装置を図面を引用して説明する。
図２の概念図に示すように、本発明に係る焼結装置は、銅合金粉末３を裏金１に積層するためのホッパー２など、焼結炉５、即ち高周波誘導加熱炉、及び裏金１を長さ方向に搬送するために裏金コイルを巻き戻すアンコイラ４ａ及び巻き取るリコイラ４ｂを含んでなる。なお、リコイラ４ｂを駆動するモーター、減速機などは図示を省略しており、また、コイル状ではなく切り板状裏金を搬送する場合は、（アン）コイラに代えて通板ローラーやメッシュベルトなどを使用することができる。図示されない駆動手段で回転されるリコイラ４ｂは裏金１を、１〜１０ｍ／分、より具体的には板厚が１ｍｍでは約６ｍ／分、板厚が６ｍｍでは１．５ｍ／分の速度で焼結炉５内を通板する。勿論、この値は好ましい一例であり、裏金板厚が厚く、高周波電力が低く、高周波周波数が高いほど、通板速度を遅くすればよい。さらに、図示のように、焼結炉５の直後に、ガス冷却及び／又はロール冷却等を行う冷却室６を設けて、ワークを速やかに次工程の温度まで冷却することが好ましい。なお、後述する焼結雰囲気設定手段により焼結炉内部の銅合金粉末は水素ガスなどと接触せしめられている。
このような本発明によると、すべり軸受用銅合金の焼結炉５の長さ従来の１/２以下である。
【００２０】
本発明の第１装置を具体化した焼結炉を概念的に示す図３において、耐火断熱材からなる炉体の内側に設けられた１基以上のソレノイドコイル式高周波誘導加熱部８ａ，８ｂ，８ｃ（以下「ソレノイドコイル」と略す）は裏金をその鋼のキュリー点近傍に加熱する。ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃは裏金の板面方向に高周波磁界を発生させる公知の加熱手段であって、ワーク７を取り囲む任意の形状をもつ。ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃは図示のように１段以上設けて、高周波発振機に接続してもよく、あるいは１段のみ設けてもよい。ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃとワーク７の間隔は、４０ｍｍ以下、特に１０〜３０ｍｍ以下であって、後述する保護管とコイル８ａ，８ｂ，８ｃが接触しない範囲で小さいほど好ましい。
【００２１】
ソレノイドコイル８ａ，８ｂ，８ｃに続いてトランスバースコイル式高周波誘導加熱部９ａ，９ｂ，９ｃ（以下「トランスバースコイル」と言う）が設けられる。トランスバースコイル９ａ，９ｂ，９ｃはワーク７を挟んで対向させている。このようなトランスバースコイル自体は、特公平７−７７０４号公報、特許第２８７５４８９号公報、米国特許第４７５１３６０号公報、第５４０３９９４号、第５７３９５０６号公報等で公知である。トランスバースコイル９ａ，９ｂ，９ｃは図示のように２段以上に設けて、高周波発振機に接続してもよく、あるいは１段のみ設けてもよい。トランスバースコイル９ａ，９ｂ，９ｃとワーク７の間隔は、４０ｍｍ以下、特に１０〜３０ｍｍ以下であって、後述する保護管とコイル９ａ，９ｂ，９ｃが接触しない範囲で小さいほど好ましい。
【００２２】
図３においては、各段のコイル８ａ，８ｂ，８ｃ，９ａ，９ｂ、９ｃの中間及びコイル９ｃの後に放射温度計１２ａ，ｂ，ｃ，ｄ、ｅ、ｆを配置して、極めて急速に昇温されるワーク７の温度が所定目標範囲内にあることを検知するようにしている。即ち，例えば放射温度計１２ｂで検出される温度がキュリー温度より著しく低いと、トランスバースコイル９ａ，９ｂでの昇温が不充分になるおそれがある。また本方法の特長である急速昇温では放射温度計１２ｄで検出される温度が所定焼結温度より遥かに高くなるか、あるいは通板速度が速い場合は十分に昇温しないおそれがあるので、図示のように多段の測温を行うことが好ましい。
【００２３】
焼結雰囲気の設定は、炉内全体が所定雰囲気、例えば水素・窒素混合雰囲気とされた炉内に高周波誘導コイルを配置する方法では、炉の内容積が大きくなる問題がある一方で高周波誘導コイルとワークの間隔を狭くできるから電流効率が高いと言う利点もあるが、本発明においては採用しない。本発明者らは、段落００１２の（ロ）特長を十分に発揮させるためには、焼結雰囲気は炉内全体でなくワークの極近傍の空間領域に限定して作り出し、高周波誘導コイルはこの空間領域外に配置することが有益であるとの着想の下に実験を行ったところ、意外にも、高周波誘導コイルとワークの間隔増大に伴う問題は実際上無視できる程度であることが分かった。
そこで、図４，５を参照して本発明に係る焼結雰囲気の設定方法を説明すると、ソレノイドコイル８の内側に、石英ガラス、セラミックスなどの断熱性、非電導性、非磁性、気密性などの性質を兼備した雰囲気密封用保護管２２を配置し、その内部にてワーク７を搬送可能にし、保護管２２内には水素・窒素混合ガス、アルゴン・窒素混合ガスなどを、図示されないガス源から、弁、流量計などを介して炉の出口側から流すと、銅合金粉末３はこれらガスと接触しつつ高周波誘導加熱される。保護管２２の内径は、高周波電流到達距離に依存する加熱効率や、通板中に波打ち挙動を示すワーク７との接触危険回避などの両面から、２０〜５０ｍｍであることが好ましい。図４，５ではソレノイドコイル８を示すが、トランスバースコイルにも同様に保護管を設けることができる。なお、図示のような焼結雰囲気設定方法では、加熱炉内全体を雰囲気ガスとする従来法と比較して、保護管２２の密封性が優れているために空気などの混入がなく雰囲気の還元性・非酸化性が良好に維持されることが、段落００１２の（ロ）特長を十分に発揮させることに寄与していると推定される。
【００２４】
本発明の第２装置を具体化した実施例を図６に示す。図６において，ソレノイドコイル８ａ，８ｂは裏金をキュリー点近傍まで加熱し、それ以上の高温はソレノイドコイル８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆと側縁加熱用トランスバースコイル１４ａ，１４ｂの併用方式で加熱を行う。ワーク７の両側縁は中央部に比べ温度降下が起こり易いので、側縁部加熱用トランスバースコイル１４ａ，１４ｂを図６に示すように配置している。
【００２５】
本発明者は、測温方法を種々試行し、（あ）ワークからの放射光は物理的には見かけの温度を示すが、これを実際の温度に補正するためには放射率もしくは放射率比を使用することができる；（い）放射光の測定は時間ずれがなく、通板中のワークの波長を直ちに検知できる；（う）放射光センサは、ワークと非接触方式であり、高周波誘導の影響を受けないなどの事実に着目し、図７に示す測温方法を考案した。即ち、焼結炉体、コイルの図示を省略した図７において、１２が放射温度計であり、例えばＣＨＩＮＯ社製の放射温度計（商品名ＩＲＣ）を使用することができる。放射温度計はワーク７の表面部を測定するもの１２ａ、裏面の端部を測定するもの１２ｂ，１２ｄ、及び裏面の中央部を測定するもの１２ｃの合計４基を設けている。ワーク裏面測定放射温度計１２ｂ，１２ｄは裏金の温度を直接測定することができ、ワーク表面測定放射温度計１２ａは粉末の温度を耐熱ガラス１５ａを介して測定することができる。放射温度計１２ｂ，ｃ，ｄは耐熱ガラス１５ｄを介してワーク７からの放射光を受光する。
なお、本発明に係る測温方法は従来の高周波焼結法にも適用でき、また図１１の態様ではなく放射温度計をワークの幅方向に走査するようにしてもよい。
【００２６】
以上、主に第１，２発明装置の実施態様を図面を参照して説明したが、これらを修正し、また組み合わせて第３，４発明装置の実施態様を構成することは容易であろう。
【００２７】
【実験例】
上記した条件範囲（但し、ソレノイドコイルによる最終加熱温度＝１０１３Ｋ（７４０℃），トランスバースコイルによる最終焼結温度＝１２２３Ｋ（９５０℃），焼結炉長さ＝約３ｍ、裏金板厚＝０．７ｍｍ、通板速度＝６m／分、焼結雰囲気−Ｎ2−Ｈ2混合ガス、焼結層厚さ＝０．３μmにてリン青銅を第１の発明方法で焼結したところ、０．７５分で全焼結工程が終了した。なお、焼結層の裏金との密着強度は良好であった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る高周波誘導加熱によるバイメタル状銅合金の焼結法及び装置は工業的に優れた利点を有するので、特に内燃機関用すべり軸受製造設備を新設する際には本発明を採用することが極めて望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 トランスバース式高周波誘導加熱の原理説明図である。
【図２】 本発明に係る焼結装置の概念図である。
【図３】 本発明の第１方法及び第１装置を具体化した焼結炉を示す概念図である。
【図４】 本発明において還元性もしくは不活性焼結雰囲気を設定する方法を説明する焼結炉のソレノイドコイル加熱部の横断面図である。
【図５】 図２のソレノイドコイル式高周波誘導加熱部分におけるコイルの配列例を示す平面図である。
【図６】 本発明の第２方法及び第２装置を具体化した高周波誘導コイルの配列例を示すである。
【図７】 ワークの温度を測定する方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 裏金
２ ホッパ−
３ 銅合金粉末
４ａ アンコイラ
４ｂ リコイラー
５ 焼結炉（高周波誘導加熱炉）
６ 冷却室
７ ワーク
８ ソレノイドコイル式高周波誘導加熱部
９ トランスバースコイル式高周波誘導加熱部
１０ トランスバースコイル
１２ 放射温度計
１４ 周縁部加熱用トランスバースコイル式高周波誘導加熱部
Claims (6)
- 少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造する方法において、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、裏金の鋼のキュリー点近傍までは、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたソレノイドコイル式高周波誘導加熱により１０〜４００ kHz の周波数で加熱し、続いて、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバースコイル式高周波誘導加熱により１〜１０ kHz の周波数で加熱し、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とするバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法。
- 少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたソレノイドコイルを用いて高周波誘導加熱により１０〜４００ kHz の周波数で該裏金の鋼のキュリー点近傍まで加熱し、続いて、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数のソレノイドコイル式高周波誘導加熱と１〜１０ kHz の周波数のトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して焼結温度まで加熱し、焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とするバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法。
- 前記併用加熱におけるトランスバースコイルは裏金の両側縁を加熱することを特徴とする請求項２記載のバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法。
- 前記併用加熱におけるトランスバースコイルとソレノイドコイルが裏金の長さ方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項３記載のバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法。
- 少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記裏金の鋼のキュリー点近傍までを、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバースコイル式高周波誘導加熱により、１〜１０ kHz の周波数で加熱し、続いて断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置されたトランスバ−スコイル式高周波誘導加熱により、１〜１０ kHz の周波数で加熱し、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲内で保持することを特徴とするバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法。
- 少なくとも実質的に鋼からなる裏金と該裏金に接合された軸受合金焼結層とを含んでなるバイメタル状軸受合金を製造するに際して、前記軸受合金焼結層の組成を有する粉末を前記裏金に積層し、前記軸受合金粉末及び前記裏金を、断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で、前記裏金の鋼のキュリー点近傍までを、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ kHz の周波数でソレノイドコイル式高周波誘導加熱と１〜１０ kHz の周波数でトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して加熱を行い、続いて断熱性、電気非伝導性、非磁性及び気密性を有する雰囲気密封用保護管内に形成された還元性もしくは不活性雰囲気中で焼結温度まで、前記雰囲気密封用保護管外に配置された１０〜４００ｋ Hz の周波数のソレノイドコイル式高周波誘導加熱と、１〜１０ｋ Hz のトランスバースコイル式高周波誘導加熱を併用して加熱を行い、前記焼結温度でゼロ以上 3 分の範囲 内で保持することを特徴とするバイメタル状軸受合金の高周波焼結方法。
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