JP4849462B2 - 複合焼結機械部品の製造方法およびシリンダブロック - Google Patents

Description

この発明は、特に、気密性および部分的な摺動特性を必要とする場合に好適な複合焼結機械部品の製造方法およびそれを適用したシリンダブロックに関する。

例えば、斜板式ピストンポンプでは、特開平６−１０８２５号等に示されるように、シリンダブロックが中心に設けられて軸部材を装着する軸孔と、該軸孔と同心円上に設けられてブロック状の一端から他端の手前まで延びている複数の有底円筒状シリンダと、各シリンダの内底面とブロック状の他端との間を貫通した通路用貫通孔と、各シリンダに嵌合された状態で外部の駆動部（シューおよび斜板）を介して進退されるピストンとを有しており、ブロック状の他端が弁板（分配弁）に向き合わされるよう配置されている。そして、ポンプ作動は、シリンダブロックが軸部材を介して回転されると、各ピストンが駆動部を介して往復し、弁板の吸込部から貫通孔を介して流体を吸い込み、貫通孔から弁板の吐出部を介して吐出する。なお、斜板式ピストンモータでは流体および軸部材の動きが逆となる。

図５は以上のようなシリンダブロックの従来例を示している。なお、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った断面図、（ｃ）は下面図である。このシリンダブロック１０は、上記した軸孔１１と、複数の有底円筒形シリンダ１２と、シリンダ１２に通じている貫通孔１３とを有した形状である。ところで、この種のシリンダブロックでは、まず、気密性が要求されるため、粉末冶金法によって製造する場合は圧力や流体の漏れの原因となる気孔を封孔する必要があり、従来より鉄系焼結体に加熱水蒸気を作用させて、焼結体の表面及び開放気孔の表面に四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）層を形成するとともに、鉄の酸化にともなう体積膨張により気孔を封孔する水蒸気処理を施すことが行われている（特許文献１〜３等）。

特公昭５７−０２６３２２号公報 特開昭５６−１６９７０５号公報 特開平０５−０７８８７５号公報

上記した粉末冶金法により製造したシリンダブロックは、水蒸気処理されて用いられるためその表面に硬い酸化鉄被膜を有している。このため、シリンダブロックを軸部材を介して回転させると、シリンダブロックは表面に形成された硬い酸化鉄被膜により保護されて充分な耐摩耗性を示すものの、シリンダブロックの他端に当接される弁板等の相手部材を摩耗させ易くなる。そこで、本発明の目的は、相手部材に対する摺動部を銅系焼結材料で構成して摺動特性を確保し、かつ本体部を鉄系焼結材料で構成するとともに水蒸気処理して気密性を確保することにより、上記したような課題を一掃して、気密性とともに部分的な摺動特性を要求されるシリンダブロック等の機械部品を粉末冶金法にて精度よく製造可能にし、それにより粉末冶金法の適用製品を拡大することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の本発明は、複合焼結機械部品の製造方法として、鉄系原料粉末を圧粉成形し、得られた圧粉体を１０００〜１３００℃で焼結してなる貫通孔を有した本体部の製造工程と、銅系原料粉末を前記本体部の貫通孔と一致する貫通孔を有するとともに外周に切り込みを有した形状に圧粉成形する摺動部の成形工程と、前記本体部の製造工程により得られた本体部と、前記摺動部の成形工程により得られた摺動部（これは焼結前の摺動部圧粉体である）とを、前記本体部の貫通孔と前記摺動部の貫通孔とを一致するよう重ねた状態で、両者を６００〜１０００℃に加熱して前記摺動部を焼結するとともに両者の接触部において固相で拡散接合する一体化焼結工程と、前記一体化焼結工程により得られた複合焼結機械部品に水蒸気処理を施して前記本体部の気孔を封孔する水蒸気処理工程とを経ることを特徴としている。

これに対し、請求項４の本発明は、上記した発明方法における複合焼結機械部品の好適例を挙げたものであり、ブロック状の一端から他端の手前まで延びているピストン用有底円筒状シリンダおよび該シリンダの内底面からブロック状の他端に通じている通路用貫通孔並びにブロック状の他端で相手部材に対し摺動する摺動面を備えているシリンダブロックにおいて、前記シリンダおよび前記貫通孔を形成しているとともに、水蒸気処理により気孔が封孔された鉄系焼結材料製の本体部と、前記本体部の貫通孔と一致する貫通孔および前記摺動面を形成しているとともに、前記本体部の他端に固相拡散接合により一体化している外周に切り込みを有する銅系焼結材料製の摺動部とからなることを特徴としている。

以上の各発明において、拡散接合は、加熱し原子の拡散を利用して部材同士を接合する方法であり、大別すると、溶かさずに接合する固相拡散接合と、母材を接合間で溶融する液相拡散接合があり、後者の液相拡散接合に比して、前者の固相拡散接合の方が寸法精度に優れている。請求項１および４の発明では前者の固相拡散接合が適用される。そして、この接合操作（請求項１の一体化焼結工程）では、本体部の製造工程により得られた本体部と、摺動部の成形工程により得られた摺動部とを重ねたり嵌合した後、前記摺動部を下に配置した状態で焼結すること、または／および、本体部の製造工程により得られた本体部と、摺動部の成形工程により得られた摺動部とを重ねたり嵌合した後、錘を載置して荷重を付加した状態で焼結することがより好ましい。

請求項１の発明では、製造される複合焼結機械部品が、鉄系焼結材料製の本体部に銅系焼結材料製の摺動部を拡散接合により効率よく一体化しているとともに、本体部の気孔が水蒸気処理により封孔されているため、摺動特性に優れるとともに気密性が確保されている。したがって、本発明の製造方法は、気密性とともに摺動特性が部分的に要求されるシリンダブロック等の複合焼結機械部品の製法として好適なものとなり、粉末冶金法の適用分野を拡大できる。

請求項２の発明では、水蒸気処理により封孔さない銅系焼結材料製摺動部の気孔などを樹脂で封孔処理することにより、複合焼結機械部品の気密性をより確実化できる。これに対し、請求項３の発明では、本体部と摺動部とが凹凸などにより確実かつ簡単に位置決めされるため作業性および接合精度を向上できる。

請求項４の発明では、粉末冶金法によって製造された従来のシリンダブロックに比べて、摺動部が銅系焼結材料製で鉄系焼結材料製の本体部に拡散接合により一体化されているため、摺動特性が大幅に改良されており、ピストンポンプ等の適用製品の精度および寿命を向上できる。

次に、図面を参照して本発明の形態を説明する。図１は本発明の製造方法により製造されたシリンダブロックを示し、図２と図３はその製造過程での本体部と摺動部を示している。なお、図１と図２において、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った断面図、（ｃ）は下面図である。図３において、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。以下の説明では、形態例の複合焼結機械部品であるシリンダブロックの構造、その製造方法、実施例の順に詳述する。

（構造）図１のシリンダブロック１は、複合焼結機械部品の一例であり、斜板式ピストンポンプやピストンモータ等に用いられるもので、後述する本発明の製造方法により製造されたものである。このシリンダブロック１は、水蒸気処理により気孔が封孔された鉄系焼結材料製の本体部２０と、本体部２０の対応端面（図１の符号４１の界面）に拡散接合により一体化されている銅系焼結材料製の摺動部３０とからなる。

本体部２０は、中心の軸孔２１と、該軸孔２１と同心円上に設けられてブロック状の一端から他端の手前まで延びている複数の有底円筒状シリンダ２２と、各シリンダ２２の内底面からブロック状の他端に貫通されている流体通路用の貫通孔２３と、片側の端面に設けられたボス部２４などを有した形状をなしている。一方、摺動部３０は、貫通孔２３と一致する貫通孔３３と、ボス部２４に嵌合している中心孔３４などを有した形状である。なお、本体部２０としては、軸孔２１および該軸孔２１と同心円上に配置された貫通孔２３並びにシリンダ２２を有していればよい。

また、このシリンダブロック１は、本体部２０の開放気孔が酸化被膜により封孔されているとともに、摺動部３０の気孔および本体部２０と摺動部３０との接合界面４１の隙間に樹脂が含浸されて、必要な気密性が確保されている。そして、以上のシリンダブロック１は、斜板式シリンダポンプやシリンダモータ等の主部品として用いられる。そして、例えば、シリンダポンプでは、複数のピストンがシリンダブロック１の各シリンダ２２に一端側を嵌合し、他端側を外部の駆動部（シューおよび斜板）に連結された状態で進退ないしは往復されるとともに、摺動部３０が吸込部や吐出部を形成している弁板（分配弁）に向き合わされるよう配置されることになる。細部は、以下の製造方法の説明のなかで明らかにする。

（製造方法）以上のシリンダブロック１は、鉄系原料粉末を圧粉成形し、得られた圧粉体を焼結する本体部２０の製造工程と、銅系原料粉末を圧粉成形する摺動部（これは焼結前の圧粉体である）３０Ａの成形工程と、本体部２０と摺動部３０Ａとを重ねた状態で摺動部３０Ａを焼結するとともに両者の接触部で拡散接合する一体化焼結工程と、水蒸気処理を施して本体部２０の気孔を封孔する水蒸気処理工程と、樹脂含浸工程とを順に経て製造されたものである。

本体部２０の製造工程では、鉄系原料粉末を圧粉成形した後、得られた圧粉体を１０００〜１３００℃で焼結する。ここで、鉄系原料粉末としては、Ｆｅ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃ系等の焼結材料が適しており、具体的には鉄粉に黒鉛粉と、銅粉やニッケル粉等の各種合金成分の粉末、あるいは合金粉末を添加して混合した混合粉末が用いられる。この場合、各種合金成分を合金化した鉄基合金粉末に黒鉛粉末を添加してもよい。

この圧粉成形では、以上の鉄系原料粉末を金型に充填して、上下パンチで押圧することにより図２のものと相似形の本体部（これは焼結前の圧粉体である）を成形する。ここで、本体部（本体部圧粉体）の密度は６．２〜７．２Ｍｇ／ｍ^３程度とするとよい。これは、密度が６．２Ｍｇ／ｍ^３を下回ると気孔量が多くなって後述する水蒸気処理によっても充分な封孔が行えなくなる。一方、密度が７．２Ｍｇ／ｍ^３を超えると過大な成形圧力を要する割に圧粉体密度が上昇しないため上限は７．２Ｍｇ／ｍ^３程度でよい。

次に、圧粉成形で得られた本体部（本体部圧粉体）を１０００〜１３００℃の温度範囲で焼結する。ここでは、焼結温度が１０００℃を下回ると、粉末間のネック成長が不充分となり、またＣやＣｕ等の合金成分が充分に基地に拡散しないため基地強度が低下することとなる。一方、１３００℃を超えて焼結すると、寸法変化のばらつきが大きくなったり、添加する成分によっては液相が発生して型くずれが生じ易くなる等の問題があるため上限は１３００℃程度とする。焼結雰囲気は、アンモニア分解ガス雰囲気、ブタン変性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の従来より用いられているもので差し支えない。

以上のようにして焼結された本体部２０は、上記したようにブロック状をなし、中心の軸孔２１と、ブロック状の一端から他端の手前に延びているとともに、軸孔２１と同心円上で等間隔に配置されている複数の有底円筒状シリンダ２２と、軸孔２１と同心円上において各シリンダ２２の内底面からブロック状の他端に貫通されている貫通孔２３と、他端側の端面に設けられたボス部２４とを有している。また、貫通孔２３は、略小判状であり、両側が軸孔２１と同心円上に位置して円弧形状である。ボス部２４は、軸孔２１と同心の小円筒状をなし、外周の複数箇所（この例では２箇所）に位相合わせのための切り欠き２５を形成している。なお、本体部２０の寸法精度が厳しい場合は、焼結後にサイジング等の寸法矯正や若干の機械加工により所望の寸法精度に仕上げる工程を追加してもよい。

摺動部３０Ａの成形工程では銅系原料粉末を圧粉成形する。ここで、銅系原料粉末としては、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｚｎ系等の焼結材料が適しており、具体的には銅粉に錫粉、ニッケル粉、亜鉛粉等の各種合金成分の粉末、あるいはこれらの合金成分とＣｕの合金粉末を添加して混合した混合粉末が用いられる。この場合、各種合金成分を合金化した銅合金粉末を用いてもよい。

この成形工程では、以上の銅系原料粉末を金型に充填し、上下パンチで押圧することにより図３に示した圧粉体である摺動部３０Ａを成形する。ここで、摺動体３０Ａは、上記した焼結後の摺動体３０と相似形で、各貫通孔２３に一致する貫通孔３３ａと、ボス部２４に嵌合する中心孔３４ａと、切り欠き２５に対応して中心孔３４ａの内周に設けられた位置合わせ部３５ａと、外周に設けられた複数の切り込み３６ａとを有した形状である。また、摺動部３０Ａの密度は６．６〜７．４Ｍｇ／ｍ^３程度とするとよい。

なお、摺動部３０Ａの外径形状は円形でもよいが、この例のように外周に切り込み３６ａを形成しておくと、焼結時の収縮による引っ張り応力を緩和して、焼結および拡散接合後の摺動部３０の貫通孔３３と、本体部２０の貫通孔２３との位置ずれを防止できる。これは摺動部が大きくなる場合に特に好ましい構成である。

一体化焼結工程では、本体部の製造工程により得られた本体部２０と、摺動部の成形工程により得られた摺動部３０Ａとを、本体部側ボス部２４と摺動部側中心孔３５ａとの嵌合、ボス部側切り欠き２５と摺動部側位置合わせ部３５ａとの嵌合により、本体部２０の貫通孔２３と摺動部３０Ａの貫通孔３３ａとを一致するよう位置決めされた状態で、両者を６００〜１０００℃に加熱して、圧粉体である摺動部３０Ａを焼結するとともに両者の接触部で拡散接合する。

この場合、焼結温度が６００℃を下回ると、摺動部３０Ａにおける粉末間のネック成長の不足や本体部２０と摺動部３０Ａの拡散接合が不充分となり、逆に、１０００℃を超えると、摺動部３０の液相の発生等により型くずれが生じ易くなる。焼結雰囲気は、アンモニア分解ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気やブタン変性ガス雰囲気等の従来より用いられているもので差し支えない。

以上の加熱により、摺動部３０Ａが焼結されて銅系焼結体としての摺動部３０に形成されるとともに、本体部２０と摺動部３０とが接触部の界面で拡散接合されて一体化される。この加熱時には、両部材の界面（図１の符号４１）を押圧しながら焼結すると、圧力により界面が密着して拡散接合が進行しやすくなる。このため、好ましくは、加熱時の態様として、摺動部３０Ａを下に配置して、本体部２０の荷重を押圧力として利用したり、前記嵌合した状態で錘を上に載置して錘の荷重を押圧力として利用したりすると、接合強度をより強固かつ安定に得られるようにする。以上の一体化焼結工程により得られたシリンダブロック１は、本体部２０および摺動部３０が気孔を有し気密性が低いため次の水蒸気処理工程により気孔を封孔して気密性を付与する。

水蒸気処理工程では、以上のシリンダブロック１について水蒸気処理を施する。この水蒸気処理は従来より行われている方法が採用される。すなわち、以上のシリンダブロック１を連続炉あるいは密閉式の水蒸気処理炉により水蒸気中で５００〜６００℃に加熱する方法である。この水蒸気処理により、シリンダブロック１の本体部２０、すなわち鉄系焼結合金により構成された本体部表面および開放気孔の表面に四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の酸化被膜が形成されて気孔の封孔が行われる。この場合は、特許文献１のように密閉式の水蒸気処理炉を用いて炉内の水蒸気圧力を２気圧（約２００ｋＰａ）以上とすると、酸化被膜層が厚くなり、かつ水蒸気が内部の気孔まで作用するため気密性が向上するので好ましい。

以上の水蒸気処理工程で封孔処理されたシリンダブロック１は、図１に示されるように、本体部２０と摺動部３０が、両者の接触部である界面４１（図中の破線で示した箇所）で拡散接合して強固に一体化されている。また、本体部２０の表面および開放気孔表面が酸化被膜により封孔されており、必要な気密性が確保されている。また、本体部２０と摺動部３０は、上述した一体化焼結工程において、本体部側のボス部２４と摺動部側中心孔３５ａとの嵌合、ボス部側の切り欠き２５と摺動部側の位置合わせ部３５ａとの嵌合により、本体部２０の貫通孔２３と摺動部３０の貫通孔３３とが位相を合わせて設計通り精度良く接合されている。なお、以上の形態では、本体部２０と摺動部３０との位相を、本体部側の切り欠きを有したボス部（凸部）と、摺動部側の位置合わせ部を有した中心孔（凹部または孔部）との嵌合にて一致させたが、これに限定されず、例えば、本体部側に凹部や穴を設け、摺動部側に凸部やボス部を設け、それらの凹凸を嵌合するようにしてもよい。

樹脂含浸工程は、封孔処理後のシリンダブロック１により高い気密性を付与する場合に必要に応じ追加される。これは、封孔処理後のシリンダブロック１において、本体部２０は鉄系焼結合金で構成されているため水蒸気処理工程により気孔が封孔されるが、銅系焼結合金で構成された摺動部３０は水蒸気処理により封孔されないため、樹脂含浸工程を追加することで摺動部３０の気孔および本体部２０と摺動部３０との界面４１の隙間に樹脂を充填し封孔することで気密性をより向上する。この樹脂含浸工程では、例えば、メタクリレートを主成分とする嫌気性樹脂のモノマーを含浸する含浸工程、表面に付着した余剰の液状の樹脂を洗浄する洗浄工程、樹脂の硬化温度以上に保持して気孔内に含浸した前記嫌気性樹脂のモノマーを硬化させる樹脂硬化工程からなる。

この実施例は、以上のシリンダブロックを製造したときに本体部と摺動部との拡散接合の状態を調べたときの例である。本体部用原料粉末としては、鉄粉に、銅粉１．５質量％、黒鉛粉１．０質量％、成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末０．８質量％を添加し、混合してものを用意した。摺動部用原料粉末としては、組成がＳｎ：１０質量％、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる銅合金粉末に成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末０．８質量％を添加し、混合したものを用意した。

本体部の製造工程では、上記した本体部用原料粉末を圧粉成形して本体部用圧粉体を成形した後、該圧粉体をアンモニアガス分解雰囲気中１１３０℃で焼結して、図２の焼結体である本体部２０を作製した。本体部用圧粉体は、上記原料粉末を６．６Ｍｇ／ｍ^３の圧力で圧粉成形したもので、図２に対応させて寸法を明示すると、外径が６０ｍｍ、高さが３２ｍｍ、軸孔２１に対応する軸孔径が１６ｍｍ、シリンダ２２に対応する有底円筒状の内径が１３．２ｍｍ、貫通孔３３に対応する貫通孔の径方向の孔幅が４．８ｍｍ、ボス部２４に対応する筒部の外径が２５．６ｍｍで高さが２．３ｍｍ、切り欠き２５に対応する切り欠きの幅が２４ｍｍからなる形状である。得られた本体部用圧粉体は、アンモニアガス分解雰囲気中１１３０℃で焼結して、図２と同様な焼結体である本体部２０を作製した。

摺動体の成形工程では、上記した摺動部用原料粉末を７．２５Ｍｇ／ｍ^３の圧力で圧粉成形して圧粉体である摺動部を成形した。この圧粉体である摺動部は、図３に対応させて寸法を明示すると、外径が６０ｍｍ、厚さが２．４ｍｍ、貫通孔３３ａの径方向の孔幅が４．８ｍｍ、中心孔３４ａの径が２５．６ｍｍ、位置合わせ部３５ａの幅が２４ｍｍからなる形状である。

一体化焼結工程では、焼結後の本体部と圧粉体である摺動部とを、前記したボス部および中心孔、前記した切り欠きおよび位置合わせ部を介して嵌合させ、その嵌合状態で、圧粉体である摺動部を下に配置して焼結トレー上に載置し、分解アンモニアガス雰囲気中、８７０℃に加熱して摺動部の焼結と、両部材の拡散接合を行った。

以上の工程から製造された複数のシリンダブロックについて、各シリンダブロックを切断して、摺動部と本体部との接合面つまり拡散接合を顕微鏡で観察し、その結果を図４に示した。なお、図４（１）〜（５）は同図の左下に示した（１）〜（５）に対応した箇所の観察であり、また、接合面の上側が摺動部であり、下側が本体部である。図４より（１）〜（５）のいずれの箇所においても摺動部と本体部との接合面に大きな隙間が確認されず、両部材の接合が良好に行われていることが分かる。すなわち、この実施例では、本発明の製造方法により鉄系焼結材料製の本体部２０と銅系焼結材料製の摺動部３０とが良好に一体化されることが確認された。

本発明方法で製造されたシリンダブロックの一例を示す模式図である。 上記シリンダブロックに用いられる焼結後の本体部を示す模式図である。 上記シリンダブロックに用いられる焼結前の摺動部を示す模式図である。 実施例で得られたシリンダブロックの本体部と摺動部との接合状態を観察した金属顕微鏡写真である。 従来のシリンダブロック例を図１に対応して示す模式図である。

符号の説明

１…シリンダブロック（複合焼結機械部品）
２０…焼結後の本体部（２１は軸孔、２２はシリンダ、２３は貫通孔）
２４…ボス部（凸部）
２５…切り欠き（凹凸）
３０Ａ…焼結前の摺動部（３３ａは貫通孔、３４ａは中心孔）
３０…焼結後の摺動部（３３は貫通孔）
３４…中心孔（凹部または孔部）
３５…位置合わせ部（凹凸）

Claims (4)

1. 鉄系原料粉末を圧粉成形し、得られた圧粉体を１０００〜１３００℃で焼結してなる貫通孔を有した本体部の製造工程と、
   銅系原料粉末を前記本体部の貫通孔と一致する貫通孔を有するとともに外周に切り込みを有した形状に圧粉成形する摺動部の成形工程と、
   前記本体部の製造工程により得られた本体部と、前記摺動部の成形工程により得られた摺動部とを、前記本体部の貫通孔と前記摺動部の貫通孔とを一致するよう重ねた状態で、両者を６００〜１０００℃に加熱して前記摺動部を焼結するとともに両者の接触部において固相で拡散接合する一体化焼結工程と、
   前記一体化焼結工程により得られた複合焼結機械部品に水蒸気処理を施して前記本体部の気孔を封孔する水蒸気処理工程
   とを経ることを特徴とする複合焼結機械部品の製造方法。
2. 前記水蒸気処理工程の後に、前記摺動部の気孔および前記本体部と摺動部との接合界面の隙間に樹脂を含浸する樹脂含浸工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
3. 前記本体部が凸部あるいは凹部を有しているとともに、前記摺動部が前記本体部の凸部と嵌合する凹部あるいは孔部、または前記本体部の凹部と嵌合する凸部を有した形状とされ、前記一体化工程において、これらの凹凸などを嵌合させることにより、前記本体部および摺動部の各貫通孔が一致されることを特徴とする請求項１または２に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
4. ブロック状の一端から他端の手前まで延びているピストン用有底円筒状シリンダおよび該シリンダの内底面からブロック状の他端に通じている通路用貫通孔並びにブロック状の他端で相手部材に対し摺動する摺動面を備えているシリンダブロックにおいて、
   前記シリンダおよび前記貫通孔を形成しているとともに、水蒸気処理により気孔が封孔された鉄系焼結材料製の本体部と、
   前記本体部の貫通孔と一致する貫通孔および前記摺動面を形成しているとともに、前記本体部の他端に固相拡散接合により一体化している外周に切り込みを有する銅系焼結材料製の摺動部とからなることを特徴とするシリンダブロック。

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