JP4721449B2 - 複合焼結機械部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の自動変速機に組み込まれるプラネタリギア機構のキャリア（以下、プラネタリキャリアと称する）等の機械部品を粉末冶金法によって製造する方法に係り、特に複数の柱部を有する圧粉体（内側部材）と、この柱部に対応する孔部を有する圧粉体（外側部材）を嵌め合わせて焼結し一体化する複合焼結機械部品の製造方法に関するものである。

上記プラネタリキャリアは、変速機の機種ごとに設計上の違いはあるものの、概略的には、円筒状の胴部の両端または中間にフランジ部を有し、中心の軸孔に変速機のシャフトが挿入された構成が一般的である。そして通常は、円筒状の胴部の両端にフランジ部を有し、胴部には、図示せぬ遊星歯車を収納するための複数の窓部が形成されている。図１は、そのようなプラネタリキャリアの一例を示しており、胴部１０に形成された複数（この場合３つ）の窓部１１にはそれぞれ図示せぬ遊星歯車（プラネタリギア）が回転自在に装着される。これら遊星歯車は、胴部１０の内側においては胴部１０の軸孔１２に挿入される図示せぬシャフトの太陽歯車と噛み合い、胴部１０の外側においては図示せぬリングギアと噛み合うようになされる。胴部１０の上下両端のフランジ部２０、２５のうち、図中上側のフランジ部２０には回転力を伝達するための角歯２１が形成されている。また、上側フランジ部２０の上面には同心状のボス部２３が形成されており、このボス部２３には、図示せぬクラッチ機構と係合するためのスプライン２４が形成されている。

このようにプラネタリキャリアは極めて複雑な形状であるため、切削などの機械加工で量産するには多大の加工工数を要し、経済性や形状・寸法精度などに問題がある。そこで均一な製品の量産に好適な粉末冶金法によって製造されることが多いが、プラネタリキャリアの場合には、胴部に設けられている窓部などがいわゆるアンダーカットに該当し、この形状のままでは一体に型出し成形することが困難であるという課題がある。

この課題を克服する技術としてまず考えられたのは、得るべき形状のものを型出し成形可能な幾つかのパーツに分割して個々に成形・焼結後、これらを接合して所要の形状に仕上げる方法である。以下、プラネタリキャリアに関しては、説明の便宜上、図２に示す抽象化した形状に基づいて説明する。図２では、図１に示したプラネタリキャリアからフランジ部２０の角歯２１とボス部２３を省き、円筒状の胴部１０の上下両端に単純なフランジ部２０，２５を有し、胴部１０には周方向に等間隔をおいて３つの窓部１１が形成されている。この形状で型出し成形可能とするには、一方のフランジ部２０（２５）と胴部１０とを切り離して２つのパーツとすることが有効とされる。

具体的には、図３に示す軸孔３１を有する円板状部材３０（図２でのフランジ部２０に相当する）と、これ以外の部分である本体部材４０に分割して個別に成形・焼結後、得られた焼結体からなる円板状部材３０と本体部材４０とを分割面で突き合わせてろう接（Brazing）により接合する。図３（ａ）は円板状部材３０の平面図、（ｂ）はその縦断面図、（ｃ）は本体部材４０の平面図，（ｄ）はその縦断面図、（ｅ）は円板状部材３０と本体部材４０を接合した状態、すなわち図２に示した状態の平面図、（ｆ）はその縦断面図である。ここで、本体部材４０側の胴部については、窓部が比較的大きいため視覚的には断面扇状の３つの柱部と呼ぶのが相応しい。したがって以後は胴部を複数（３つ）の柱部４２と呼ぶこととする。すなわち本体部材４０は、複数の柱部４２の一端に、軸孔４１を有する円板部４７が一体に固定された形状をなしている。

しかしながら、円板状部材３０と本体部材４０とをろう接する際、接合部位で生成する液相のために両部材３０，４０の心ずれ（同軸にならない）や位相ずれ（周方向のずれ）が起こり、その結果として製品の精度低下を招きやすいという問題がある。また、両部材３０，４０の接合強度は使用するろう材の材料強度によってほとんど依存されるため、必要レベルの強度を得にくいという問題もある。

これらの問題に対しては、一方の圧粉体に設けた孔部に他方の圧粉体に設けた軸部に嵌め合わせた状態で焼結することにより両者を一体に接合する技術（例えば特許文献１〜３参照）を応用することが、改善策として考えられた。すなわち図４に示すように、圧粉体の段階で、本体部材４０は断面扇状の柱部４２を一体に形成した圧粉体（内側部材）とし、円板状部材３０は、本体部材４０の柱部４２に対応する形状の孔部３２を軸孔３１と連続して形成した圧粉体（外側部材）とする。そして、円板状部材３０の孔部３２に本体部材４０の柱部４２を嵌め合わせた状態として焼結するわけであるが、その際には、焼結時の高温域（添加成分の拡散温度域）において本体部材４０の熱膨張量が円板状部材３０の熱膨張量よりも大きくなるようにして焼結することにより、所望の形状の焼結部品を得ることができる。なお、図４（ａ）は円板状部材３０の平面図、（ｂ）はその縦断面図、（ｃ）は本体部材４０の平面図，（ｄ）はその縦断面図、図４（ｅ）は円板状部材３０の孔部３２に本体部材４０の柱部４２を嵌め合わせた状態の平面図、図４（ｆ）はその縦断面図である。

上記のように、焼結時の高温域において内側部材（本体部材４０）の熱膨張量が外側部材（円板状部材３０）の熱膨張量よりも大きくなる状態を得るためとして、特許文献１には、内側部材に必須成分として炭素を含有させてその量を外側部材よりも０．２質量％以上多くすることが記載されている。また、特許文献２には、外側部材を形成する鉄粉の５〜１０％をカーボニル鉄粉とすることが記載されている。さらに特許文献３には、内側部材にのみステアリン酸亜鉛を粉末潤滑剤として用い、浸炭雰囲気中で焼結することによって内側部材の熱膨張量が大きくなる状態を生じさせることが記載されている。

この方法によれば、上記した心ずれや位相ずれといった問題は解消するものの、両部材の嵌め合わせ箇所における接合・一体化が不十分になりやすく、所要の接合強度が得られない場合があった。その理由は、以下の通りである。すなわち、圧粉体の孔部（嵌め合わせで外側にくる）に軸部（嵌め合わせで内側にくる）を嵌め合わせて焼結する上記方法の場合、両者の接触面が閉じた円筒面であって軸部側（内側）の熱膨脹量が孔部側（外側）よりも大きい場合には、両部材の嵌合部分の全面が密着し、その結果、焼結中における軸部側の熱膨脹量が孔部側よりも大きいことによって両部材が強固に密着する。これに対し、図４に示したプラネタリキャリアの場合には、両部材３０，４０の接触面、すなわち柱部４２と柱部４２が嵌め込まれる孔部３２の内面との互いの接触面が完全に閉じておらず軸孔３１に開放しているため、特許文献１〜３の上記記載事項のように本体部材４０の熱膨張量が円板状部材３０よりも相対的に大きくなるように設定しても、柱部４２の膨張による圧力が軸孔３１側に逃げるなどのため、両部材３０，４０の接触面が必ずしも密着せず、接合強度が低下するからと考えられた。

そこで図５に示すように、本体部材（内側部材）４０に設ける柱部４２の両側面４５，４５を断面稲妻状の屈折面に変更するとともに、円板状部材（外側部材）３０に設ける孔部３２の輪郭を柱部４２の側面に対応する形状に変更して、接合強度を確保することが提案されている（特許文献４参照）。これによると、焼結中において発生する柱部４２と孔部３２の内面との接合面の熱膨張量差に基づく歪みの影響が減少するとともに、屈折部分において柱部４２が細くなり、柱部の膨張圧力が軸孔３１側に逃げることが防止され、これによって接合強度が確保されるものとなっている。

特公昭６２−３５４４２号公報 特公平４−７１９６１号公報 特許第３４９５２６４号公報 特許第３８３３５０２号公報

上記特許文献４に記載の技術は上記特許文献１〜３に記載の技術の延長線上にあるものであって、焼結時の高温域（添加成分の拡散温度域）において本体部材４０の熱膨張量が円板状部材３０の熱膨張量よりも大きくなるよう構成した場合の技術である。ところが、本体部材４０は柱部４２のみではなく全体が膨張するものであり、柱部４２が円板状部材３０の孔部３２によって膨張が拘束されても他の部分が膨張するため撓みが生じ、これによって円板状部材３０と本体部材４０との平行度が損なわれることとなる。

プラネタリキャリアは、柱部の両端にフランジ部が形成された形状であるため、このように平行度が損なわれると再圧による形状の矯正が困難であることから、焼結接合時の撓みは製造する上で大きな問題となる。また、円板状部材３０においては、図４および図５に示す外周縁３７と孔部３２との間の厚さが薄くなる薄肉部３８において、本体部材４０の特に柱部４２の膨張を受けて薄肉部３８に変形が生じ、焼結後の円板状部材３０の円形度（図１のプラネタリキャリアにおいては歯形の寸法精度）が悪化したり、薄肉部３８での破断が生じやすくなるという問題も有している。

以上より、本発明は複数の柱部を有する外側部材の圧粉体と、この外側部材の圧粉体の柱部に対応する孔部を有する内側部材の圧粉体を嵌め合わせて焼結し一体化するにあたって、外側部材と内側部材の焼結時の高温域における熱膨張量の差によらずとも、十分な接合強度をもって両部材を一体化させることができるとともに、外側部材と内側部材の撓み、さらには外側部材の薄肉部の変形や破断を防止することができるプラネタリキャリア等の複合焼結機械部品の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、鉄系の合金粉末または鉄系の混合粉を用いて、周方向に間隔をおいて配列された柱部、およびこれら柱部に囲繞された軸孔を有する円筒状の内側部材と、この内側部材の柱部に対応する孔部を有するとともに、内側部材の軸孔に対応し、かつ孔部に連続する軸孔を有する円板状の外側部材とを、それぞれ圧縮成形して、内側部材および外側部材をそれぞれ圧粉体として得、次いで、外側部材の孔部に内側部材の柱部を嵌め合わせ、その状態を保持して両部材を焼結し一体に接合して複合焼結機械部品を得る方法であって、外側部材の圧粉体の孔部に内側部材の圧粉体の柱部を嵌め合わせるにあたり、内側部材における周方向と交差する周方向側面と、外側部材の孔部における周方向と交差する周方向側面とを、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めの状態とするとともに、内側部材の柱部における径方向と交差する径方向側面と、外側部材の孔部における径方向と交差する径方向側面とを、締め代０．０１ｍｍ以下の締まり嵌めもしくは隙間嵌めの状態とすることを特徴としている。

本発明においては、特に、以下の事項を好ましい形態とする。
内側部材の柱部の径方向側面と、外側部材の孔部の径方向側面とが、締め代０もしくは隙間嵌めの状態とする。また、内側部材の柱部の周方向側面が、径方向に延びる半径線に対して−３０〜３０°の範囲で形成されている。また、内側部材の柱部の径方向側面に少なくとも１つの凹部が形成され、外側部材の孔部に、凹部に対応する凸部が形成され、これら凹部および凸部の互いに対面する各周方向側面を、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めの状態とする。さらに、内側圧粉体と外側圧粉体とを同一の組成とする。

本発明によれば、内側部材の柱部の周方向側面と外側部材の孔部の周方向側面とを、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めとして嵌め合わせるため、十分な接合強度を得ることができ、また、柱部の径方向側面と孔部の径方向側面とを、締め代０．０１ｍｍ以下の締まり嵌めもしくは隙間嵌めとして嵌め合わせるため、外側部材の薄肉部の変形や破断を防止することができる。また、内側部材と外側部材を同一の原料粉末組成とすることができるから、部材ごとの原料粉末を異ならせて調整する手間を省くことができるとともに、配合間違いといったミスを防ぐことができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態は、図４に示した構成、すなわち圧粉体である円板状部材３０の各孔部３２に、同じく圧粉体である本体部材４０の各柱部４２を嵌め合わせて接合する方法である。そして、これら部材３０，４０が嵌め合わせられた状態において、柱部４２の各周方向側面（周方向と交差する面）４５と、孔部３２の各周方向側面３５とを、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めとして嵌め合わせる。これにより、焼結過程において柱部４２の側面３５と孔部４２の側面４５とが密着し、両部材３０，４０の表面より拡散が進行し接合される。

円板状部材３０と本体部材４０の組成は、上記特許文献１〜３等に記載されるような、焼結時の高温域（添加成分の拡散温度域）における熱膨張量の差を有するものを選択してもよいが、本発明では、両部材３０，４０の熱膨張量が等しくなる組成のものが好適に用いられる。すなわち、粉末潤滑剤としてステアリン酸亜鉛と他の粉末潤滑剤を用意し、円板状部材３０用の原料粉末と本体部材４０用の原料粉末とを別個に配合せず、配合組成が同一の原料粉末を用いる。

両部材３０，４０を同一組成の原料粉末で焼結すると、焼結時の熱膨張が両部材３０，４０に同様に生じるが、本実施形態においては、孔部３２に柱部４２を圧入するため、焼結時の高温域においても両部材３０，４０の圧入代は変わらず、両部材３０，４０の界面が密着した状態が維持されながら拡散接合がなされる。隙間嵌めになる（締め代が０より小さい）と、両部材３０，４０の密着状態が不十分となり、十分な接合強度が得られなくなる。一方、締め代が０．０３ｍｍを超えると圧入時に圧粉体が破損するおそれがある。このため、締め代は０〜０．０３ｍｍとすることが適当である。

また、柱部４２の周方向側面４５と、これに対応する孔部３２の周方向側面３５とが、径方向に延びる半径線と一致する状態、すなわちこれらの側面３５の延長線上に放射状に並ぶ柱部４２の中心点が存在する状態に形成されていると、円板状部材３０の剛性が最大の方向で圧入されることとなるため、最小の圧入代で両部材３０，４０を十分に密着させることができる。

一方、柱部４２の周方向側面４５とこれに対応する孔部３２の周方向側面３５が半径線に対して大きく傾いていると、圧入に対する円板状部材３０の剛性が低下するため両部材３０，４０を十分に密着させることが困難となり、また、圧入時の円板状部材３０の変形が大きくなって破壊されやすくなるため、柱部４２の周方向側面４５とこれに対応する孔部３２の周方向側面３５は、半径線（０°）に対して−３０〜３０°の範囲に納める必要がある。さらに、このように半径線に対して上記範囲で接合することにより、プラネタリキャリアの回転方向でのねじりに対し強度面でより高い信頼性を得ることができる。

上記のように、柱部４２の周方向側面４５と孔部３２の周方向側面３５とが十分な接合強度で接合するので、柱部４２の外周側の径方向側面（径方向と交差する面）４４と孔部３２の径方向側面３４においては、周方向側面ほど強固に接合せずとも十分な強度が得られる。このため、柱部４２の径方向側面４４と孔部３２の径方向側面３４においては、円板状部材３０の外周縁３７と孔部３２との間の薄肉部３８の変形を防止することを主眼として寸法を決定すればよい。具体的には、締め代０．０１ｍｍ以下の締まり嵌めもしくは隙間嵌めとなるように嵌め合わせる。ここで、締め代が０．０１ｍｍより大きいと、圧入時において薄肉部３８に割れが生じやすくなる。円板状部材３０と本体部材４０の組成は、上記特許文献１〜３等に記載されるような、焼結時の高温域における熱膨張量の差を有するものを用いる場合には、締め代０もしくは隙間嵌めの状態となるようにすることが好ましい。

なお、柱部４２の径方向側面４４と孔部３２の径方向側面３４は、周方向側面ほど強固に接合せずともよいが、この部分でも接合が行われると接合強度がより向上することは勿論である。この観点から、円板状部材３０と本体部材４０に配合組成が全く同一の原料粉末を用いると、上記のように両部材３０，４０が同様に熱膨張するため、締め代０．０１ｍｍ以下の締まり嵌めで嵌め合わせても、薄肉部３８の変形を防止しつつ両部材３０，４０の接合が果たすことができる。

本実施形態の製造方法においては、円板状部材３０と本体部材４０を同一の原料粉末組成としても、柱部４２の周方向側面４５とこれに対応する孔部３２の周方向側面３５において十分な接合強度が得られること、および円板状部材３０の外周縁３７と孔部３２との間の薄肉部３８の変形を防止しつつ柱部４２の径方向側面４４とこれに対応する孔部３２の径方向側面３４を接合することが可能である。また、円板状部材３０と本体部材４０に同一組成の原料粉末を用いることにより、これら部材３０，４０ごとに原料粉末を異ならせて調整する手間が省かれるとともに、配合ミスが起こらないといった利点がある。

なお、接合強度をさらに向上させるには、接合部すなわち孔部３２および柱部４２の周方向側面の長さをより長くすることにって可能である。それには、例えば図６（ａ）および（ｂ）に示すように、柱部４２の径方向側面４４に、１つまたは複数の凹部４６を形成するとともに、孔部３２側に、該凹部４６に対応する凸部３６を形成し、凹部４６の周方向側面４９と凸部３６の周方向側面３９とを、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めとして嵌め合わせ、焼結することで接合部の長さをより長くすることにより、接合強度を一層向上させることができる。

図４に示した本体部材４０および円板状部材３０と同様構成の本体部材および円板状部材の圧粉体を、次のように作製した。本体部材４０は、円板部４７の外径４０ｍｍ、軸孔４１の径１１ｍｍ、厚さ６ｍｍ、軸孔４１の周縁から柱部４２が等間隔に放射状に配置されて立設されている。柱部４２は高さ１８ｍｍ、外周面すなわち径方向側面４４の半径１４ｍｍ、内周面の半径５．５ｍｍ，両側の周方向側面４５の開き角度３６°の断面扇状である。また、円板状部材３０は、外径３４ｍｍ、軸孔３１の径１１ｍｍ、厚さ６ｍｍで、軸孔３１に連続し、柱部４２に対応する３つの孔部３２が形成されている。

これら部材３０，４０を圧粉体として成形するに際しては、配合組成が重量比で銅粉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、圧粉密度６．７ｇ／ｃｍ^３に圧縮成形した。その際に、柱部４２の周方向側面４５と孔部３２の周方向側面３５との締め代を、表１に示すように変えて複数（試料番号０１〜０９）の圧粉体を作製した。なお、柱部４２の径方向側面４４と孔部３２の径方向側面３４は隙間０となる寸法とした。次いで、これらの圧粉体を、円板状部材３０の孔部３２に本体部材４０の柱部４２を圧入して嵌め合わせ、浸炭性のブタン変成ガス雰囲気中において１１３０℃で４０分間焼結し、一体化させた。得られた焼結部品の平行度を調べた後、材料試験機によって本体部材４０を架台上に固定し円板状部材３０に負荷する破壊試験を行った。その結果である接合強度と、接合後の平行度を表１に併せて示す。なお、平行度は、焼結後の部品を、円盤状部材３０を下に配して平坦面に載置し、上面となっている本体部材４０の底面の高さ分布を測定し、高さの最高値から最低値を減じた値（ｍｍ）であり、数値が低ければ低いほど平行度に優れている。

表１の試験結果によれば、周方向の締め代が０ｍｍに満たない（隙間が０．０５ｍｍの隙間嵌め）試料番号０１の場合、締め代が少なく接合が不完全となって接合強度が低い値を示しているが、締め代が０ｍｍの試料番号０２では接合が十分に行われ接合強度が向上している。また、締め代が大きくなるにしたがって接合強度が向上する傾向を示しているが、締め代が０．０２ｍｍ以上で接合強度がほぼ一定となっている。一方、締め代が０．０３ｍｍを超える試料番号０９の試料では圧入時に割れが発生している。平行度は原料粉末として円板状部材と本体部材とで同一の粉末を用い、かつ隙間０で嵌め合わせていることから、いずれの試料においても良好な精度を示している。

本発明に係るプラネタリキャリアの形状の一例を示す斜視図である。 プラネタリキャリアの機能を抽象化した形状を示す斜視図である。 図２の部品を２つのパーツに分け、これらパーツの焼結体をろう接で接合して部品を製造する従来法を示す図であり、（ａ）は円板状部材の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は本体部材の平面図、（ｄ）は（ｃ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｅ）は本体部材の平面図、（ｆ）は（ｅ）のＦ−Ｆ線断面図である。 図２の部品を２つのパーツに分け、これらパーツの圧粉体嵌め合わせおよび焼結によって部品を製造する方法を示す図であり、（ａ）は円板状部材の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は本体部材の平面図、（ｄ）は（ｃ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｅ）は本体部材の平面図、（ｆ）は（ｅ）のＦ−Ｆ線断面図である。 図２の部品を、特許文献４による２つのパーツの圧粉体の嵌め合わせおよび焼結によって製造する従来法を示す図であり、（ａ）は円板状部材の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は本体部材の平面図、（ｄ）は（ｃ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｅ）は本体部材の平面図、（ｆ）は（ｅ）のＦ−Ｆ線断面図である。 本発明で製造する部品の変形例を示す平面図である。

符号の説明

３０…円板状部材（外側部材）、３１…軸孔、３２…孔部、３４…孔部の径方向側面、
３５…孔部の周方向側面、３６…凸部、３９…凸部の周方向側面、
４０…本体部材（内側部材）、４１…軸孔、４２…柱部、４４…柱部の周方向側面、
４５…柱部の周方向側面、４６…凹部、４９…凹部の周方向側面。

Claims (5)

1. 鉄系の合金粉末または鉄系の混合粉を用いて、
   周方向に間隔をおいて配列された柱部、およびこれら柱部に囲繞された軸孔を有する円筒状の内側部材と、
   この内側部材の前記柱部に対応する孔部を有するとともに、前記内側部材の前記軸孔に対応し、かつ孔部に連続する軸孔を有する円板状の外側部材とを、
   それぞれ圧縮成形して、内側部材および外側部材をそれぞれ圧粉体として得、
   次いで、前記外側部材の前記孔部に前記内側部材の前記柱部を嵌め合わせ、その状態を保持して両部材を焼結し一体に接合して複合焼結機械部品を得る方法であって、
   前記外側部材の圧粉体の前記孔部に前記内側部材の圧粉体の柱部を嵌め合わせるにあたり、
   前記内側部材における周方向と交差する周方向側面と、前記外側部材の前記孔部における周方向と交差する周方向側面とを、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めの状態とするとともに、
   前記内側部材の前記柱部における径方向と交差する径方向側面と、前記外側部材の前記孔部における径方向と交差する径方向側面とを、締め代０．０１ｍｍ以下の締まり嵌めもしくは隙間嵌めの状態とすることを特徴とする複合焼結機械部品の製造方法。
2. 前記内側部材の前記柱部の前記径方向側面と、前記外側部材の前記孔部の前記径方向側面とが、締め代０もしくは隙間嵌めの状態とする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. 前記内側部材の前記柱部の前記周方向側面が、径方向に延びる半径線に対して−３０〜３０°の範囲で形成されてい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. 前記内側部材の前記柱部の前記径方向側面に、少なくとも１つの凹部が形成され、
   前記外側部材の前記孔部に、前記凹部に対応する凸部が形成され、
   これら凹部および凸部の互いに対面する各周方向側面が、締め代０〜０．０３ｍｍの締まり嵌めの状態とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合焼結機械部品の製造方法。
5. 前記内側圧粉体と前記外側圧粉体とが、同一の組成であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複合焼結機械部品の製造方法。

Images