JP5087449B2

JP5087449B2 - 複合焼結機械部品の製造方法

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Publication number: JP5087449B2
Application number: JP2008087737A
Authority: JP
Inventors: 淳一市川; 智之小比田
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009242821A

Description

本発明は、２部材を接合する機械部品の製造方法に関し、さらに詳しくは、鉄系圧粉体からなる第１部材と、鉄系圧粉体、鉄系焼結体、又は鉄系溶製材からなる第２部材とをろう付けにより接合すると共に圧粉体の焼結を行う複合焼結機械部品の製造方法に係るものである。

ダイスに設けられた型孔に原料粉末を充填し、上下パンチにより圧粉成形して機械部品の形状を付与し、得られた成形体を焼結する粉末冶金法（押型成形法）は、ニアネットシェイプに造形できることや、大量生産に向くことから自動車部品を中心に各種産業機械部品に適用されている。

しかし、この押型成形法は上下パンチにより圧粉成形するので加圧方向が１軸であり、内部に空洞を有する機械部品や、アンダーカットを有する機械部品を直接成形することが難しい。

このため、内部に空洞を有したり、アンダーカットを有する機械部品を製造する場合は、成形可能な形状に分割して複数の成形体又は焼結体を製造し、これらを組み合わせて一体化させることによって、製造を行っている。

この一体化に際しては、拡散接合によるものや、ろう付けによるものが知られている。

拡散接合のよる技術としては、複数の圧粉体を嵌め合い圧入して１個の焼結部品を製造する圧粉体接合法がある（例えば、特許文献１参照。）。

この場合に、内側部材に亜鉛を含有させて浸炭性雰囲気中で焼結させる複合焼結機械部品の製造方法がある（例えば、特許文献２参照。）。

また、溶製の内側部材と圧粉体の外側部材とを嵌め合わせた状態で一体焼結する技術もある（例えば、参考文献３，４参照。）。

また、内側部材が焼結合金で外側部材が圧粉体である複合焼結機械部品の製造方法がある（例えば、参考文献５，６参照。）。

さらに、圧粉体同士と嵌め合わせた状態で焼結して一体に接合する方法において、圧粉体の嵌合側面に対応する段差部を設ける技術もある（例えば、参考文献７参照。）。

一方、鉄系焼結部品同士又は鉄系焼結部品と鋼材をロー付接合する技術がある（例えば、参考文献８，９参照。）。
特公昭６２−０５７６８２号公報特許第３４９５２６４号公報特許第３９５４２１４号公報特許第３９５４２１５号公報特許第３９５４２３５号公報特許第３９５４２３６号公報特許第３８３３５０２号公報特開平０２−０１５８７５号公報特開２００６−３４１２９２号公報

上述のように、複数の成形体又は焼結体を拡散接合により一体化する場合、２部材を端面で突き合わせて接合しても強固な接合が果たせないので、接合する一方の部材に孔部を設けて外側部材とするとともに、他方の部材に外側部材の孔部と嵌合する軸部を設けて内側部材とし、この軸部を孔部に圧入嵌合して焼結する方法、すなわち圧入嵌合部における軸部の周面で接合を行う方法が一般的である。

このとき、接合強度の信頼性を担保するためには圧入嵌合部の面積をある程度確保しなければならないので、接合部の厚さ（圧入嵌合部の深さ）がある程度必要となる。このため、外側部材の軸方向の厚さが薄い場合には接合部の厚さ（圧入嵌合部の深さ）を十分に確保することができず、この手段を適用できない。従って、２部材の形状がある程度限定され、設計に制約があるものである。

一方、ろう付け接合は、ろう材により２部材を接合するもので、端面で突き合わせて接合することが可能であり、この点で拡散接合に比して設計の自由度が大きい。しかしながら、ろう付け接合では接合強度はろう材が担うこととなるため、端面で接合するとともにその接合部に剪断力が働く場合には、ろう材の強度不足により破壊することが起り易い。

ところで、近年、各種産業機械において、コスト削減のための複数部品の一体化の要求や、新機構への対応の要求等により、一つの機械部品に要求される形状がより複雑化してきているとともに、より高い強度が求められてきている。

本発明は、これらの要求に対応するため、鉄系圧粉体からなる第１部材と、鉄系圧粉体、鉄系焼結体、又は鉄系溶製材から成る第２部材との接合における設計の自由度を向上させること、および接合強度を向上させる方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の複合焼結機械部品の製造方法は、鉄系圧粉体からなる第１部材と、鉄系圧粉体、鉄系焼結体、又は鉄系溶製材からなる第２部材とをろう付けにより接合すると共に圧粉体の焼結を行う複合焼結機械部品の製造方法において、融点が９００℃〜１１００℃の範囲のろう材を用い、前記第１部材と前記第２部材の何れか一方に凹部を備え、他方に前記凹部に嵌入する凸部を備えるとともに、前記凹部と前記凸部は、嵌め合わせた際に締まり嵌めとなる寸法に形成し、前記凹部に前記凸部を圧入して、前記第１部材と前記第２部材とを一体化した後、焼結保持温度を１１００〜１３００℃として焼結を行うことを特徴とする。

なお、本発明でいう凹部は、凸部の端面と当接するろう付けのための平坦部分を有するものを指す。このような凹部は、底部が完全に閉塞して他端面に連通していない有底穴でもよく、又は底部の一部が他端面に連通しているが、凸部に設けた段に当接する段を備えた段付き孔を包含する。

また、凹部は凸部と締まり嵌めによって圧入嵌合できる形状であればよく、外周の一部が開放された形状を呈していてもよい。

本発明では、拡散接合を行うため、鉄系圧粉体からなる第１部材と、鉄系圧粉体、鉄系焼結体、又は鉄系溶製材からなる第２部材の何れか一方が凹部を有し、他方が前記凹部に嵌入する凸部を有する形状とする。また、両部材を嵌め合わせる際の嵌め合い寸法差（凹部の内径寸法と凸部の外径寸法との差）は、凸部を太め（締まり嵌め）に設定して凹部に圧入嵌合を行うように、締め代を有するものとする。締め代は大きいほど両者の密着度が高くなる。但し締め代が大き過ぎると未焼結の強度の低い圧粉体に設けた凹部では過大な引っ張り応力によって破損する。これを避けるため、一般の構造部材用の密度６．６〜７．２Ｍｇ／ｍ^３の圧粉体においては、締め代を１００μｍ以内に止めることが好ましい。

凹部は有底穴又は段付き孔であり、凹部の底部又は段部と凸部の端面又は段部とがろう付け接合されるようにすると共に、凹部内に凸部を圧入嵌合して第１部材と第２部材を一体に組み合わせる。

ろう材は、凹部の底部又は段部と凸部の端面又は段部の当接部に近い場所に配置する。凸部の端面又は段部にろう材収納のための凹所を設けてろう材をこの凹所内に収納して一体に組み立てることとすれば好適である。また、形状によっては凹部の底部又は段部に達する貫通孔を第１部材又は第２部材に設け、両者を一体に組み立てた後、この貫通孔よりろう材を挿入することとしてもよい。

ろう材は、従来よりあるろう材の内、融点が９００℃〜１１００℃の範囲となるものを選択して用いる。融点をこの範囲に限定する理由は後述する。

本発明に用いるろう材は、具体的には、質量比で、Ｎｉ：３８〜４８％、Ｍｎ：１２〜２０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、および残部がＣｕと不可避不純物からなる組成のものを用いることが好ましく、場合によって、Ｆｅ：１５％以下をさらに含んでいてもよい。

第１部材と第２部材とを一体に組み立てた後、組立体を鉄系圧粉体の焼結保持温度である１１００〜１３００℃まで加熱して焼結を行う。この焼結保持温度までの昇温過程において、温度が８００℃程度に到達すると圧粉体を構成する粉末からの成分元素の拡散が始まるとともに、圧入されて密着している凹部の壁面と凸部の壁面において成分元素の拡散が始まり、温度の上昇とともに圧粉体の焼結および第１部材と第２部材の拡散接合が進行する。

拡散接合を実現するためには、例えば、上記特許文献１〜６等に記載されているような、
（ａ）内側部材と外側部材とを鉄系金属粉末の圧粉体とし、締り嵌め寸法を孔の径と孔の外側の肉厚に応じて定める技術や内側部材に亜鉛を含有させて浸炭性雰囲気中で焼結する技術
（ｂ）内側部材を溶製鋼材とし、外側部材を鉄系圧粉体とし、両者の焼結温度域における熱膨張率が異なるような組成とする技術
（ｃ）内側部材を鉄系圧粉体とし、外側部材を鉄系焼結合金とし、焼結温度域における熱膨張率が異なるような組成とする技術
などの公知の技術を適用することができる。
なお、上記（ａ）〜（ｃ）の技術は、焼結時の８００℃以上の高温領域における膨張量を制御するため内側部材と外側部材の組成を異ならせるものである。本発明では、放射状に並ぶ柱を有する圧粉体（内側圧粉体）と、この柱に対応する凹部を有する圧粉体（外側圧粉体）とを各々圧縮成形し、各々の圧粉体の凹部と柱とを締まり嵌めとして嵌め合わせた状態で焼結して一体に接合する場合、内側部材の圧粉体と外側部材の圧粉体の組成を全く等しいものを適用することができる。これは、内側部材の圧粉体と外側部材の圧粉体の組成が全く等しい場合、焼結時の内側圧粉体の膨張と外側圧粉体の膨張が等しく、圧入嵌合により密着した圧入面が焼結過程の間を通して等しい圧力で押しつけられて密着状態が維持され、両者の拡散が進行することによる。

本発明では、内側部材を鉄系圧粉体（第１部材）とし、外側部材を鉄系圧粉体、鉄系焼結材又は鉄系溶製材（第２部材）とする組み合わせ、又は逆に、外側部材を鉄系圧粉体（第１部材）として内側部材を鉄系圧粉体、鉄系焼結材又は鉄系溶製材（第２部材）とする組み合わせによって、拡散接合を良好に行うことができる。すなわち、内側部材と外側部材の少なくとも一方に鉄系圧粉体（第１部材）を用いて、焼結時の８００℃以上の高温領域における膨張量を制御することによって拡散接合を行うことができる。

本発明において、内側部材と外側部材の少なくとも一方に鉄系粉末圧粉体を用いる理由は、圧粉体を構成する粉末は表面積が大きいので拡散駆動力が大きいことによる。焼結材同士、溶製材同士又は焼結材と溶製材との組み合わせでは、拡散駆動力が小さいため拡散接合が進行しない。

焼結保持温度までの昇温過程において、上記の拡散接合が進行し始めた後、さらに温度が上昇して温度がろう材の融点を超えると、ろう材が溶融して凹部の底部と凸部の端面とが当接している隙間へ浸入し、ろう付け接合が行われる。そして、温度が焼結保持温度である１１００〜１３００℃に到達した後、この温度で一定時間保持して圧粉体の焼結を行う。

上記の昇温過程において拡散接合を充分に行った後ろう付け接合を行うため、ろう材は融点が９００℃以上のものを用いる必要がある。一方、鉄系圧粉体の焼結保持温度である１１００〜１３００℃の範囲では、ろう材は完全に溶解していなければ良好なろう付け接合が果たせないため、ろう材の融点は１１００℃以下とする必要がある。

なお、焼結時の８００℃以上の温度範囲での昇温速度を５℃／分以下にしてゆっくり昇温したり、８００℃以上かつろう材の融点未満の温度で一旦温度保持して拡散接合を進行させた後、焼結保持温度まで昇温すれば、拡散接合をより良好に行うことができる。

上記のように拡散接合により複数部材を接合する場合には、接合強度接合強度の信頼性を担保するため接合部の面積（圧入嵌合部の深さ）を大きくとらなければならず、このことが設計の自由度を減じていたが、本発明の複合焼結機械部品の製造方法においては、拡散接合に加えてろう付け接合を行うことから、圧入嵌合部の深さを小さくして接合部の面積を小さくすることが可能となり、外側部材として軸方向の厚さの薄いものも適用可能となる。また、ろう付け接合に加えて拡散接合を行うため接合強度も向上する。

複雑形状機械部品として、自動車の自動変速機に組み込まれるプラネタリギヤ機構のキャリア部品（以下、プラネタリキャリアという）に、上記の本発明の複合焼結機械部品の製造方法を適用する場合について、以下に説明を行う。

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、胴部には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形状の一例を示したものである。胴部１０に形成された複数（この場合３つ）の窓部１１が形成され、窓部１１を除いた部分は柱部１２として構成されている。窓部１１にはそれぞれ図示省略した遊星歯車（プラネタリギア）が回転自在に装着される。

これらの遊星歯車は胴部１０の内側においては胴部１０の軸孔１３に挿入される図示省略した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省略したリングギアと噛み合う。胴部１０の上下両端面のフランジ部２０、３０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が設けられている。

上記のプラネタリキャリアを粉末冶金法（押型成形法）で製造する場合には、例えば、上端面フランジ部２０と柱部１２を一体に成形して上側部材とするとともに、下端面フランジ部３０を別に成形して下側部材とし、柱部１２を下端面フランジ部３０に当接させて接合を行って上側部材と下側部材の接合を行う。

図２は図１のプラネタリキャリアに本発明の複合焼結機械部品の製造方法を適用した場合の部材の分割の様子を示す斜視図、図３は第１部材の形状を示す模式図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線における縦方向断面図、図３（ｃ）は下面図、図４は第２部材の形状を示す模式図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における縦方向断面図である。

本発明の複合焼結機械部品の製造方法においては、図２および図４に示すように、下端面フランジ部３０（第２部材）に柱部１２に対応する凹部３１を形成する。また、図３に示すように、上側部材の柱部１２にはろう材を収容する凹所１４を設ける。

図５は本発明の実施工程の例を示す模式図で、図５（ａ）は上部部材の柱部１２（凸部）を下部部材３０の凹部３１に圧入嵌合する前の状態を示す断面図、図５（ｂ）は圧入嵌合した状態を示す断面図、図５（ｃ）は柱部１２（凸部）と凹部３１との嵌合面の壁面Ｃにおいて成分元素の拡散が起っている状態を示す断面図、図５（ｄ）はろう材が溶融して隙間Ｄへ浸入した状態を示す断面図である。

上側部材と下側部材は、図５（ａ）に示すように、凹部３１の周方向側面の幅が、柱部１２（凸部）の周方向側面の幅より圧入代ｄだけ小さく形成されている。この上側部材の柱部１２（凸部）と下側部材の凹部を、図５（ｂ）に示すように、圧入嵌合させる。このときろう材４０は柱部１２に形成されたろう材収容凹所１４に収容されるように配置しておく。

上側部材と下側部材を圧入嵌合して一体に組み合わせた後、焼結を行うため加熱する。この焼結の昇温過程において、温度が８００℃程度に到達すると圧粉体を構成する粉末どうしの成分元素の拡散が始まる。また同時に、図５（ｃ）に示すように、圧入されて密着している凹部３１の壁面と柱部１２（凸部）の壁面（Ｃ部）において成分元素の拡散が始まり、温度の上昇とともに上側部材と下側部材はそれぞれの焼結、およ上側部材と下側部材の拡散接合が進行する。

さらに昇温して温度がろう材４０の融点を超えると、図５（ｄ）に示すように、ろう材４０が溶融して凹部の底部と凸部の端面とが当接している隙間（Ｄ部）への浸入が始まりろう付け接合が行われる。

本発明の複合焼結機械部品の製造方法においては、上記のように拡散接合に加えてろう付け接合を行うことから、拡散接合のみで接合する場合と同等の接合強度を得ればよい場合に、圧入嵌合部の深さを小さくして接合部の面積を小さくすることが可能となる。したがって、拡散接合のみで接合を行う場合に比して、外側部材の厚さ（圧入嵌合部の深さ）を小さくすることが可能となり、その分設計の自由度が向上する。また、ろう付け接合に加えて拡散接合を行うため、ろう付け接合のみで接合する場合に比して接合強度も向上する。上記の効果を得るため、凹部の深さは、具体的には０．５ｍｍ以上あれば充分な拡散接合の効果を得ることができる。

本発明の実施例として、鉄粉に銅粉末１．５質量％と黒鉛粉末１．０質量％を添加した混合粉末を用いて試験を行った。

図６（ａ）に示すように、第１部材５０として、外径９０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板状の圧粉体であって、凹部内径が８０ｍｍ±１０μｍ、凹部深さが２ｍｍの凹部を有し、凹部中心に径６ｍｍの貫通孔を有する形状の鉄系圧粉体（圧粉体密度：７．０Ｍｇ／ｍ^３）を製造し、第２部材６０として、外径８０ｍｍ＋１００μｍ、高さ１００ｍｍの円柱形状の鉄系圧粉体（圧粉体密度：７．０Ｍｇ／ｍ^３）を製造した。

次いで、図６（ｂ）に示すように、第１部材５０の凹部に第２部材６０を圧入嵌合し、第１部材圧粉体５０の貫通孔にろう材４０（融点：９５０℃）を配置して、１１８０℃まで加熱し、第１部材５０および第２部材６０の圧粉体の焼結を行うとともに、第１部材５０と第２部材６０を一体に接合した。

得られた接合試料について、図６（ｇ）に示すように、第１部材５０を治具８０に固定し、第１部材５０の貫通孔を通して第２部材６０の端面を棒材８１で力Ｐを加えて押圧し、第１部材５０と第２部材６０を破断させた。実施例は第１部材５０と第２部材６０の接合部で破断せず、第１部材５０が治具８０の内周端面で破断した。この時の破断荷重は４３０ＭＰａであった。

比較例１として、図６（ｃ）に示すように、第１部材５１に凹部を設けず、図６（ｄ）に示すように、第１部材５１と第２部材６１を端面で当接させ、それ以外は上記の実施例とと同様にろう材４０を配置して加熱し、圧粉体の焼結を行った。実施例と同様に図６（ｇ）に示すように、第１部材５１と第２部材６１の破断荷重を求めたところ、接合部近傍で破断し、このときの破断荷重は３００ＭＰａであった。

比較例２として、図６（ｅ）に示すように、第１部材５２の凹部の径を８１ｍｍと大きくして第２部材６２と隙間嵌めとして、第１部材５２と第２部材６２を図６（ｆ）に示すように端面で当接させた。それ以外は上記の実施例と同様に処理した後、図６（ｇ）に示すように、第１部材５２と第２部材６２の破断荷重を求めたところ、接合部近傍で破断し、破断荷重は３１０ＭＰａであった。

上記より、実施例は、ろう付け接合に加えて拡散接合により接合するため、ろう付け接合のみの場合に比して良好な接合状態が得られることが明らかである。

プラネタリキャリアの一例の斜視図である。図１のプラネタリキャリアに本発明の複合焼結機械部品の製造方法を適用した場合の部材の分割の様子を示す斜視図である。第１部材の形状を示す模式図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線における縦方向断面図、図３（ｃ）は下面図である。第２部材の形状を示す模式図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における縦方向断面図である。本発明の複合焼結機械部品の製造方法における、接合工程を示す模式図である。実施例及び比較例の接合試験で用いた試験片形状及びその試験方法を示す模式図である。

符号の説明

１０胴部
１１窓部
１２柱部
１４凹所
２０上フランジ部
２１角歯
２３ボス部
２４スプライン
３０下端面フランジ
３１凹部
４０ろう材
５０、５１、５２第１部材
６０，６１，６２第２部材
８０治具
８１棒材

Claims

鉄系圧粉体からなる第１部材と、鉄系圧粉体、鉄系焼結体、又は鉄系溶製材からなる第２部材とをろう付けにより接合すると共に圧粉体の焼結を行う複合焼結機械部品の製造方法において、
融点が９００℃〜１１００℃の範囲のろう材を用い、
前記第１部材と前記第２部材の何れか一方に凹部を備え、他方に前記凹部に嵌入する凸部を備えるとともに、前記凹部と前記凸部は、嵌め合わせた際に締まり嵌めとなる寸法に形成し、
前記凹部に前記凸部を圧入して、前記第１部材と前記第２部材とを一体化した後、焼結保持温度１１００〜１３００℃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。