JP2002263859A - 拡散接合機械部品製造用押さえ治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部に複雑かつ精密な流体搬送用、重量軽減
用の管路を有する機械部品の組み立て時の液相拡散接合
による金属製精密機械部品の製造方法を提供する。 【解決手段】 少なくとも２つ以上に分割された面を有
する機械部品を液相拡散接合により接合して組み立てる
に際し、該部品を酸化物、窒化物またはそれらの複合材
料からなり、被接合材料の接合面全体の３０％以上の相
当面積に、少なくとも一方の外面から１０００〜１３０
０℃で１０MPa 以上の圧縮耐力を有する非金属材料から
なる治具で押さえる拡散接合機械部品製造用押さえ治
具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、拡散接合技術を用
いて製造した各種機械部品に関し、特に、従来、素材か
ら切削、削りだし、穿孔、型抜き等の機械加工、或いは
直接溶融金属から鋳造、または鍛造等で環状ないし中空
形状を有する機械部品の加工に代わる液相拡散接合によ
り製造した機械部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、環状或いは中空形状を有し、
特に耐磨耗性、耐食性、耐疲労性の諸特性を個々に、或
いは同時に、かつ長時間にわたって要求される機械部
品、例えば、回転部品の軸受け、ベアリング、シリンダ
ーの摺動管などは、要求品質を満足するために、比較的
合金比率が高い、例えば、ＪＩＳ−ＳＵＪに代表される
軸受け鋼ではＣ：１％，Ｃｒ：１％に加え、更にＭｎ，
Ｍｏを含有した鋼材を使用しているが、部品同士を溶接
等により組み立てることは困難である場合が多い。その
ために、複雑な形状を有する機械部品については塊状の
鋼塊から削りだし、或いは熱間鍛造や穿孔によって概略
成形し、更に仕上げ加工を施した後、要求仕様に応じて
球状化処理、浸炭処理を行なって製造している。従っ
て、原材料の鋼塊価格よりも寧ろ製造工程における各種
加工工程コストが製品価格の大半を占めている。一方
で、自動車をはじめとする信頼性の要求される精密機械
部品では、同時に長時間の耐久性が要求され、長期間で
の仕様コスト低減を指向している。従って、例え高価で
あっても塊状金属から従来の製造方法で製造したこれら
精密機械部品が多用され、多くの部品価格、牽いては最
終製品価格の上昇を引き起こしている。

【０００３】また、通常金属材料を加工して任意の形状
とする方法のうち、最も量産性が高く、低コストの方法
として熱間圧延、プレス成型が採用されているが、これ
らの技術は単一の形状、多くの場合は板などの簡単な形
状を有しており大量生産に好適であるも、中空形状の機
械部品、環状部品を上述の圧延やプレス成型で歩留まり
よく直接製造することはその形状の制約から難しく、現
在では全く工業化されていない実情にある。従って、環
状或いは中空形状を有する複雑な精密機械部品を効率よ
く大量生産する技術は工業的に確率されている状況にな
く、一方コスト低減の観点からも従来とは全く異なる製
造プロセスの開発が切望されている。

【０００４】一方、最近においては液相拡散接合の技術
が脚光を浴びている。この液相拡散接合技術は、接合し
ようとする材料の接合面、すなわち開先間に、被接合材
料に比較して低い融点を有する合金、例えば、結晶構造
の５０％以上が実質的に非晶質であり、かつ拡散律速の
等温凝固過程を経て継ぎ手を形成能を有する元素、例え
ばＢ，Ｐ，Ｎｉ，Ｆｅなどの多元合金を介在させ、継ぎ
手を挿入した低融点合金の融点以上の温度に加熱保持
し、等温凝固過程で継ぎ手を形成する技術である。

【０００５】この液相拡散接合技術は、通常の溶接技術
と異なり、溶接残留応力が殆どないこと、或いは溶接の
ような余盛りを発生しない平滑かつ精密な継ぎ手を形成
できるなどの特徴を有している。しかもこの技術は面接
合であるため接合面の面積によらず接合時間が一定で、
かつ比較的短時間で接合が完了する利点を有し、従来の
溶接とは全く異なる接合技術である。従って、開先さえ
挿入して低融点金属以上の温度に所定時間保持できれ
ば、開先形状を選ばず面同士の接合を実現できる。ま
た、一方では、従来の非酸化性雰囲気でのみ実現可能な
液相拡散接合について、酸化性雰囲気下でも適用可能な
液相拡散接合用合金箔が知られている。（特許第１８９
１６１８号、同第１８９１６１９号、同第１８３７５７
２号公報）。しかしながら、現状では、この液相拡散接
合技術は、接合面の面積が比較的大きい部材の接合にの
み適用され精密機械部品等の接合には用いられていな
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、環状或いは
中空形状を有する耐磨耗性、耐食性、耐疲労性の諸特性
を同時に満足する複雑な精密機械部品を高効率で、かつ
低コストで大量生産可能な拡散接合機械部品を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであって、その要旨は、少な
くとも２つ以上に分割された面を有する機械部品を液相
拡散接合により接合して組み立てるに際し、該部品を酸
化物、窒化物またはそれらの複合材料からなり、１００
０〜１３００℃で１０MPa 以上の圧縮耐力を有する非金
属材料からなる治具で押さえることを特徴とする拡散接
合機械部品製造用押さえ治具、であり、また本発明は、
上記接合において、被接合材料の接合面全体の３０％以
上の相当面積に、少なくとも一方の外面から１０００〜
１３００℃で１０MPa 以上の圧縮耐力を有する非金属材
料からなる治具で押さえることを特徴とする拡散接合機
械部品製造用押さえ治具、である。また、本発明におけ
る上記液相拡散接合は酸化性雰囲気中で行われる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明を実施するに当たり、対象
とする機械部品の材質は特に限定しない。液相拡散接合
ができると考えられる金属材料は全て本発明の技術を適
用することができる。例えば、通常の炭素鋼、高炭素
鋼、低炭素鋼など通常の溶接が適用困難な材質であって
も液相拡散接合は接合継ぎ手を実現可能である。また、
Ｃｒ或いはＮｉを種々の割合で含有するステンレス鋼、
高耐食合金鋼、Ｎｉを基材とするＮｉ基合金やその他の
合金および非鉄材料であるＡｌ，Ｔｉ，Ｚｎおよびその
他の実用金属などもそれらに適した接合用合金を用いれ
ば全て液相拡散接合が可能となる。また、液相拡散接合
を実現する非晶質合金組成としてもとくだんの制限がな
く、米国特許第４，１４４，０５８号公報に記載の合金
を始め、特開昭４９−９１０１４号公報に記載のＰ，
Ｂ，Ｃ等を拡散原子として含有する液相拡散接合用合金
を使用することができる。

【０００９】本発明では、上述したような被接合材料と
液相拡散接合用合金を用いて、内部に流体搬送用、重量
軽減用、或いは摺動部品通過のため等の目的を有する管
路を備えた、元来一体成型で製造していた精密機械部品
を、最初に管路を含む面で複数に分割した部品毎に、例
えば、プレス成形或いは圧延、研削、研磨など従来の一
体成型と機械加工の組み合わせに対して安価な製造工程
を経て製造し、それらを液相拡散接合用合金を介して組
み立て、液相拡散接合によって一体化する工程を経るこ
とが必要である。

【００１０】このときの分割すべき部品は、最終形状と
の対比で、内部に存在する管路を通過する面で分割して
あることが必要で、これによって各部品をプレス成形な
どの安価でかつ簡便な方法で製造可能ならしめる。ま
た、この分割は２以上であれば幾つでも可能であって、
製造が簡易化し、かつ製造工程な煩雑或いは多数となる
結果、従来製造工程に対して高価とならない範囲で適宜
選択すればよい。また、分割面は平面でも曲面でも、連
続或いは不連続の多面ないしは曲面であってもよく、そ
の形状は分割することで各部品の製造が容易になるよう
に適宜選択すればよい。なお、最終形状の部品が内部に
有する管路は連続した一つの経路でも、複数の独立した
経路でもよく、管路自体の形状は自由で、単に組み立て
時に接合する面が対応すればよく、特に制限はない。管
路は外表面に対して開口していても、いなくても組み立
ては可能である。なお、被接合材料と液相拡散接合用合
金の組み合わせで接合部の特性は種々に変化する。

【００１１】本発明においては、上述したような内部に
管路を有する複数に分割された精密機械部品、例えば、
図１に示すようなＣｒ：１．０％，Ｍｏ：０．５％を含
有する高炭素鋼からなる自動車燃料噴射弁の管路に平行
な面で２分割した分割面にＮｉ基の液相拡散接合用合金
を介して組み立て、液相拡散接合するに際し、分割され
た被接合材料（被接合部材）を拡散接合効率および必要
接合強度を得るために、被接合材料を外面から押さえ治
具で所望の応力を負荷して押さえる必要がある。この押
さえ治具は液相拡散処理温度に十分耐え得る材料でなけ
ればならない。即ち、液相拡散処理温度は１０００〜１
３００℃の高温に達し、しかも被接合材料に１０MPa 以
上という大きな応力負荷を与えながら処理するために、
耐熱性および高温強度に優れた材料である必要がある。
本発明者らは、この要請に応えることが可能な材料を探
索し、通常のＣｒ−Ｍｏ系耐熱性合金鋼を試験的に使用
してみたが上記液相拡散処理温度で１０MPa の応力負荷
で座屈現象が見られたため、酸化物、窒化物またはそれ
らの複合材料からなるセラミックスである窒化珪素を使
用したところ何ら座屈現象が見られず、このセラミック
ス材が最適であることを知見した。

【００１２】更に、本発明者らは、上記非金属材料から
なる治具で押さえるに際し、被接合材料の接合面全体の
３０％以上の相当面積に、少なくとも一方の外面を上記
非金属材料の治具で押さえることで強固な接合強度を有
する拡散接合機械部品が製造できることを見い出したも
のである。なお、この押さえ治具での押さえ面積は１０
０％であることが理想的であるが、非金属材料の外部表
面は複雑な形状をしている場合が多く、そのため一部分
での押さえでは非金属材料の接合面同士の接合面積が少
なくなり過ぎて拡散接合が不均一になるためできるだけ
接合面積を多くとる必要があり、非金属材料の外部形状
にも依存するがほぼ３０％が確保できれば必要な接合強
度が得られると言える。

【００１３】上述した液相拡散接合処理により得られた
被接合材料の組織は低温変態生成組織に分類される、マ
ルテンサイトあるいはベイナイトであり、かつ接合金属
内に前記接合金属と被接合材料金属との融合によって生
成された合金化により、被接合材料と同一の低温変態生
成組織を一部または全部に有する組織が得られれば同様
に強固な接合面が得られることになる。なお、本発明に
おいて、液相拡散接合は、酸素０．０１質量％以上を含
む酸化性雰囲気、好ましくは大気中で、Ｎ₂ 或いはＡｒ
を被接合材料の内外面表面に吹きつけて接合作業を行う
ことが好ましい。

【００１４】また、本発明においては、適用する機械部
品の仕様によって接合面の特性を自由に変えることがで
き、接合継ぎ手としての特性は特に制限がない。継ぎ手
効率は１である必要はなく、かつ組織的にも完全に均質
化している必要もない。勿論、継ぎ手効率が１で完全均
質体であることは機械部品の特性上好ましいが、部品の
製造コストに応じて決定することができる。また、組み
立て終了後に機械部品に対して種々の熱処理、化成処
理、加工を施すことが可能であり、例えば、鋼材であれ
ば焼き入れ、焼き戻し、焼準、焼鈍などの熱処理工程を
単独で、或いは複合で、場合によっては繰り返し施すこ
とも、部品としての特性を向上させるのに有効であっ
て、本発明の効果を何ら妨げない。また、浸炭処理、窒
化処理、メッキ、或いは塗装、粉末などの吹きつけ処
理、ショットブラストなどの表面加工も有効である。

【００１５】

【実施例】＜実施例１＞本発明においては、内部に燃料
供給用管路を有す自動車燃料噴射弁の製造について述べ
る。この自動車燃料噴射弁は、図１に示すようなＣｒ：
１．０％，Ｍｏ：０．５％を含有する高炭素鋼からなる
鍛造にて管路に平行な面で２分割した半割り部品の分割
面１，２の間に厚さ３０μｍのＢ，Ｐを少量含むＮｉ基
の非晶質合金からなる液相拡散接合用合金を挟み、前記
部品を突合せ、前記部品を外部上下面から窒化珪素から
なる押さえ治具で押さえ、次いで、部品全体を高周波誘
導加熱コイルを有する雰囲気制御可能な高周波誘導加熱
炉中で液相拡散接合温度：１１００℃から加熱を開始
し、１１５０℃に到達した時点で９０〜１２０秒の間、
接合面に押さえ治具で２MPa 以上の負荷応力を負荷し続
け、その後負荷応力を減じて低応力ないし無負荷として
５分保持し、その後、被接合材料の組織がマルテンサイ
ト変態或いはベイナイト変態などの無拡散変態温度以上
の温度まで焼き割れを防止するために５℃／sec 以上の
冷却速度で急冷し、続いて放冷して変態が終了するまで
この放冷を維持した後、室温まで１℃／sec 以上の冷却
速度で急冷した。このような処理を行うことによって、
被接合材料の組織が低温変態生成組織に分類される、ベ
イナイトであり、かつ接合金属内に前記接合金属と被接
合材料金属との融合によって拡散接合された部位におい
ては、被接合材料と同一の低温変態生成組織を一部また
は全部に有していた。その後、最終の外形に仕上げて自
動車用燃料噴射弁の製品とした。これを実際の自動車部
品として組み込んで使用したところ、従来の機械加工し
た自動車用燃料噴射弁と同一の使用性能が得られ、高温
耐酸化特性、耐磨耗性、流体圧力に対する接合面強度に
おいて何ら遜色のない値が得られた。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、元来一体
成型によって製造する、内部に複雑かつ精密な管路を有
する自動車用燃料噴射弁のような精密機械部品の製造
を、簡易に製造可能な分割部品から、それらを液相拡散
接合技術によって貼り合わせる工程を採用することで、
金属製精密機械部品を安価かつ効率的に製造することを
可能にしうるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】一体成型によって製造する機械部品を、その内
部に有する管路を通過する面で分割した場合の分割部品
形状を示す図で、特に流体噴射弁の例を示す図。

フロントページの続き (72)発明者 長谷川 泰士 愛知県東海市東海町５−３ 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内 (72)発明者 高木 豊 岐阜県羽島市小熊町西小熊4005番地 福寿 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 BA05 DA13 DA17 DB05 DC03 DC06 EB00

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つ以上に分割された面を有
   する機械部品を液相拡散接合により接合して組み立てる
   に際し、該部品を酸化物、窒化物またはそれらの複合材
   料からなり、１０００〜１３００℃で１０MPa 以上の圧
   縮耐力を有する非金属材料からなる治具で押さえること
   を特徴とする拡散接合機械部品製造用押さえ治具。
2. 【請求項２】 前記接合において、被接合材料の接合面
   全体の３０％以上の相当面積に、少なくとも一方の外面
   から１０００〜１３００℃で１０MPa 以上の圧縮耐力を
   有する非金属材料からなる治具で押さえることを特徴と
   する請求項１記載の拡散接合機械部品製造用押さえ治
   具。
3. 【請求項３】 前記液相拡散接合が酸化性雰囲気中で行
   われることを特徴とする請求項１または２記載の拡散接
   合機械部品製造用押さえ治具。