(57)【要約】【課題】高い接合強度を発揮する接合鉄基部材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の接合鉄基部材の製造方法は、第１鉄基体の外周側に、第２鉄基粉末を含む第２原料粉末を加圧成形してなる閉環状の第２成形体を嵌入した組立体を得る嵌入工程と、組立体を加熱して、第１鉄基体からなる第１鉄基部材と第２成形体を焼結させた第２焼結体からなる第２鉄基部材とが閉環状の接合界面部で接合された接合鉄基部材を得る焼結接合工程とを備える。そして第２鉄基粉末は、この粉末全体を１００質量％として、Ｃ：０．５〜１．８％と、Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素：６〜１６％とを含む。第２鉄基粉末は、さらに、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜０．７％またはＣｏ：０．１〜１２％の一種以上を含むと好ましい。原料粉末は、Ｃ：０．０１〜０．８質量％となる炭素源粉末（黒鉛粉末等）を含んでもよい。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１鉄基体の外周側に、第２鉄基粉末を含む第２原料粉末を加圧成形してなる閉環状の第２成形体を嵌入した組立体を得る嵌入工程と、
該組立体を加熱して、該第１鉄基体からなる第１鉄基部材と該第２成形体を焼結させた第２焼結体からなる第２鉄基部材とが閉環状の接合界面部で接合された接合鉄基部材を得る焼結接合工程とを備え、
前記第２鉄基粉末は、該第２鉄基粉末全体を１００質量％（以下単に「％」という。）として、
Ｃ：０．５〜１．８％、
Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素（合計）：６〜１６％、
含む接合鉄基部材の製造方法。
【請求項２】
前記第２原料粉末は、該第２原料粉末全体に対して前記第２鉄基粉末を９５質量％以上含む請求項１に記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項３】
前記第２原料粉末は、該第２原料粉末全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｐ：０．１％未満である請求項２に記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項４】
前記第２鉄基粉末は、さらに、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜０．７％またはＣｏ：０．１〜１２％の一種以上を含む請求項１〜３のいずれかに記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項５】
前記第２原料粉末は、前記第２鉄基粉末とは別な炭素源粉末を含む請求項１〜４のいずれかに記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項６】
前記炭素源粉末は、黒鉛粉末であり、
該黒鉛粉末は、前記第２原料粉末全体に対して０．１〜１質量％含まれる請求項５に記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項７】
前記嵌入工程は、前記第１鉄基体に前記第２成形体を隙間嵌めする工程である請求項１〜６のいずれかに記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項８】
前記嵌入工程は、前記第２成形体の内側寸法に対する前記第１鉄基体の外側寸法の割合を８８〜９３％とする請求項７に記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項９】
前記第２成形体は、前記第２原料粉末を３５０〜１０００ＭＰａで加圧されてなる１〜８のいずれかに記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項１０】
前記焼結接合工程は、前記組立体を１１４０〜１３５０℃で加熱する工程である請求項１〜９のいずれかに記載の接合鉄基部材の製造方法。
【請求項１１】
前記焼結接合工程は、前記組立体を窒素雰囲気中で加熱する工程である請求項１〜１０のいずれかの接合鉄基部材の製造方法。
【請求項１２】
第１鉄基部材と、
該第１鉄基部材の外周面に接合された閉環状の第２鉄基部材と、
を備える接合鉄基部材であって、
該第２鉄基部材は、該第２鉄基部材全体を１００質量％（以下単に「％」という。）として、Ｃ：０．５〜２．５％と、Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素：６〜１６％とを含む第２焼結体からなる接合鉄基部材。
【請求項１３】
前記第２焼結体は、さらに、Ｐ：０．１％未満である請求項１２に記載の接合鉄基部材。
【請求項１４】
前記第２焼結体は、さらに、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜０．７％またはＣｏ：０．１〜１２％の一種以上を含む請求項１２または１３に記載の接合鉄基部材。
【請求項１５】
前記第２焼結体は、真密度（ρ０）に対する嵩密度（ρ）の割合である相対密度（１００×ρ／ρ０）が９７％以上である請求項１２〜１４のいずれかに記載の接合鉄基部材。
【請求項１６】
前記第１鉄基部材は、焼結材または溶製材からなる請求項１２〜１５のいずれかに記載の接合鉄基部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも二つの鉄基部材を接合させた接合鉄基部材と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車分野等で用いられる複雑な形状の部材は、鉄系粉末からなる成形体を焼結させた鉄基焼結体（単に「焼結体」という。）からなることが多い。これにより、いわゆる部材のニアネットシェイプ化を図れ、機械加工の削減や歩留りの向上等による大幅な製造コストの低減が可能となる。
【０００３】
もっとも、一度の成形と焼結により得られる焼結体の形状は、成形金型から型抜き可能な形状に制限される。また焼結体は、通常、全体的に均質的であり、部位により材質や特性（ヤング率、強度等）を変化させることは難しい。
【０００４】
しかし、焼結体を他部材と強固に接合できれば、より複雑な形状の部材や、部位により材質や特性が異なる部材でも、低コストで製造することが可能となる。これに関連する記載が、例えば、下記の特許文献にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５６−１０８５９号公報
【特許文献２】特公昭５８−１３６０３号公報
【特許文献３】特公昭２００９−９１６０９号公報
【特許文献４】特開２０１０−２１５９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、Ｐ添加された鉄系材料（特願昭５２−１２８１２０号）からなるカム等を液相焼結させて、ステムに一体化させたカムシャフトを提案している。
【０００７】
特許文献２は、Ｃ：１％（黒鉛粉）とＰ：１．２％（フェロアロイ）を含む鉄系材料からなる予備焼結したカムピースを、カムシャフトに圧入固定後に液相焼結させて一体化させるカムシャフトの製造方法を提案している。
【０００８】
特許文献３は、Ｃを含まないＦｅ−２５％Ｃｒ−２０％Ｎｉ粉末とＣｏ−２８％Ｍｏ−８％Ｃｒ−２．５％Ｓｉ粉末との混合粉末からなる予備焼結した外側部材圧粉体を、溶製ステンレス鋼に嵌入後に固相拡散接合させた焼結複合摺動部材の製造方法を提案している。
【０００９】
特許文献４は、黒鉛粉末（１％）、鉄−リン合金粉末および高Ｃｒ鉄合金粉（残部）からなる混合粉末からなる予備焼結した外側部材圧粉体を、溶製ステンレス鋼に嵌入後に固相拡散接合させた焼結複合摺動部材の製造方法を提案している。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる組成系の原料粉末からなる焼結体（外側部材）を他部材（内側部材）に接合させた接合鉄基部材の製造方法等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、Ｃと炭化物形成元素を所定量含む鉄基粉末を用いることにより、高特性な接合鉄基部材を得ることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１２】
《接合鉄基部材の製造方法》
本発明の接合鉄基部材製造方法は、第１鉄基体の外周側に、第２鉄基粉末を含む第２原料粉末を加圧成形してなる閉環状の第２成形体を嵌入した組立体を得る嵌入工程と、該組立体を加熱して、該第１鉄基体からなる第１鉄基部材と該第２成形体を焼結させた第２焼結体からなる第２鉄基部材とが閉環状の接合界面部で接合された接合鉄基部材を得る焼結接合工程とを備え、前記第２鉄基粉末は、該第２鉄基粉末全体を１００質量％（以下単に「％」という。）として、Ｃ：０．５〜１．８％、Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素（合計）：６〜１６％含む。
【００１３】
本発明の製造方法によれば、焼結接合工程時に、第２成形体がほぼ形状を維持したまま緻密な第２焼結体となって、その内側に配設された第１鉄基体と接合する。こうして第１鉄基部材（内側部材）と第２鉄基部材（外側部材）が強固に接合された接合鉄基部材により、単なる焼結体では得られない複雑な形状や異なる特性等を有する複合部材の提供が可能となる。
【００１４】
本発明の製造方法により、第２成形体が第２焼結体となる際に第１鉄基体と強固に接合されるメカニズムの詳細は現状定かではないが、接合界面で生じる炭素の拡散に加えて、第２焼結体内の少なくとも接合界面近傍で出現し得るＦｅ−Ｃ系（共晶）液相も関与していると推察される。具体的には、次のように考えられる。
【００１５】
従来、Ｆｅ−Ｃ系液相（単に「液相」ともいう。）は、黒鉛粉末、Ｆｅ−Ｃ系粉末さらにはＦｅ−Ｃ−Ｐ系粉末等を用いて出現させることが多かった。しかし、このような粉末を用いると、共晶点付近（Ｆｅ−Ｃなら１１４０℃付近）でピンポイント的に液相が出現し易くなる。その結果、接合界面近傍における液相量の制御ができず、安定した接合強度の確保が困難となったり、液相の出現が急激なため、焼結体が形状崩れ等を起こし易くなり、ニアネットシェイプな接合鉄基部材を得ることが困難であった。
【００１６】
一方、本発明では、第２鉄基部材のベースとなる鉄基粉末（単に「ベース鉄粉」ともいう。）が、Ｃと、特定の炭化物形成元素（Ｃｒ、Ｗ、ＭｏまたはＶ）とを同時に適量含んでいる。炭化物形成元素は、安定な炭化物を形成するため、少なくとも焼結接合工程時にＣをピンポイントで急激に放出することがない。このため第２成形体中または第２焼結体中において液相は緩やかに出現し、第２焼結体と第１鉄基体の接合界面近傍における液相を適量に保持し得る。こうして第１鉄基部材と第２鉄基部材が接合界面で均質的に接合されて、高い接合強度が発揮され得る。また、第２成形体中または第２焼結体中における液相の出現が緩やかであるため、少なくとも第２鉄基部材のニアネットシェイプ化も確保される。
【００１７】
《接合鉄基部材》
本発明は接合鉄基部材としても把握できる。すなわち本発明は、第１鉄基部材と、該第１鉄基部材の外周面に接合された閉環状の第２鉄基部材と、を備える接合鉄基部材であって、該第２鉄基部材は、該第２鉄基部材全体を１００質量％（以下単に「％」という。）として、Ｃ：０．５〜２．５％と、Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素：６〜１６％とを含む第２焼結体からなる接合鉄基部材でもよい。
【００１８】
《その他》
（１）本明細書では、説明の便宜上、内側（中心側）から外側に向かって順に配置される各部材（成形体、焼結体等）に「第１」または「第２」を付与したが、それら序数自体に特別な意味はない。また本明細書でいう「鉄基」とは、対象物全体に対してＦｅが５０質量％以上であることを示す。
【００１９】
第２成形体と嵌合させる第１鉄基体は、成形体、焼結体、溶製鋼等のいずれでもよく、本明細書では、焼結接合工程後の第１鉄基体を第１鉄基部材という。なお、第１鉄基体（鉄基部材）は、中実状に限らず、中空状、環状でもよい。また、第１鉄基部材（第１焼結体）と第２鉄基部材（第２焼結体）は、合金組成や特性（密度、ヤング率、強度等）が同じものでもよい。
【００２０】
本明細書でいう真密度（ρ０）は、原料粉末の配合組成と配合した各粉末の比重から算出されるポアフリー密度（ＰＦＤ）である。なお、既にある焼結体のＰＦＤは、その焼結体を鍛造・据え込み等して得られた圧縮体の体積と重量を実測して求まる。
【００２１】
本明細書でいう溶製鋼には、純鉄またはそれに近い鋼材（Ｃ：０．２％未満）、炭素鋼、合金鋼（特にＣを含む合金鋼）さらにステンレス鋼等が含まれる。
【００２２】
（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】焼結前の組立体を示す模式図である。
【図１Ｂ】接合強度を測定する抜出試験の説明図である。
【図２】焼結したアウター単体の外観写真である。
【図３Ａ】抜出試験後の試料１に係る外観写真と、その接合界面近傍の金属組織写真である。
【図３Ｂ】抜出試験後の試料Ｃ２に係る外観写真である。
【図４】抜出試験後の試料２３に係る接合界面近傍の金属組織写真である。
【図５】インナー（溶製鋼）とアウターの寸法差（内外径差）が異なる各試料の外観写真である。
【図６】それら各試料におけるアウターの寸法変化（外径変化）を示す散布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書で説明する内容は、本発明の接合鉄基部材のみならず、その製造方法にも該当し得る。製造方法に関する構成要素は物に関する構成要素ともなり得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。
【００２５】
（１）原料粉末
原料粉末は一種以上の鉄基粉末を含み、その内の一つの鉄基粉末は少なくとも所定量のＣと炭化物形成元素とを共に含む。鉄基粉末中のＣは、鉄基粉末全体を１００質量％（単に「％」という。）として、０．５〜１．８％さらには０．８〜１．６％含まれると好ましい。その鉄基粉末全体に対して、Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素は合計で６〜１６％、７〜１５％さらには７．５〜１４．５％含まれると好ましい。特にＷは６〜１３％さらには７〜１１％、Ｖは１〜５％さらには１．５〜４％含まれると好ましい。このような炭化物形成元素は、焼結接合時に出現する液相量の制御、焼結体の緻密化や高剛性化等に寄与する。
【００２６】
鉄基粉末は、Ｃや炭化物形成元素に加えて、Ｓｉ：０．１〜１％さらには０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜０．７％さらには０．２〜０．５％、Ｃｏ：０．１〜１２％さらには８〜１１％の一種以上を含んでもよい。これらの元素は高温域での強度や耐摩耗性の確保に寄与する。
【００２７】
鉄基粉末の全体組成の一例は、Ｃ：０．５〜１．８％、炭化物形成元素：６〜１６％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜０．７％、残部：Ｆｅおよび不純物である。さらに、Ｃｏ：０．１〜１２％含んでもよい。
【００２８】
原料粉末は、上述した組成を有する一種の鉄基粉末だけでもよいし、異なる組成の鉄基粉末、炭素源粉末、合金元素粉末等を含んでもよい。但し、原料粉末全体に対して、上述した組成からなる鉄基粉末（第２鉄基粉末）を９５質量％以上さらには９８質量％以上含むと好ましい。
【００２９】
鉄基粉末とは別に炭素源粉末を原料粉末へ配合してもよい。炭素源粉末の添加により、焼結接合時に出現する液相量を調整し得る。炭素源粉末として、Ｃを含有する合金（例えば鉄系合金）や化合物（例えばＦｅ３Ｃ）、黒鉛（Ｇｒ）粉末等を用いることができる。一例として、原料粉末全体（１００質量％）に対して、黒鉛粉末を０．１〜１％さらには０．２〜０．８％添加するとよい。但し、黒鉛粉末等の添加量が過多になると、液相の制御が困難となり、接合強度や保形性が低下し得る。
【００３０】
本発明では、Ｃと炭化物形成元素の協調により液相を制御して、接合鉄基部材の接合強度や保形性を確保している。このため、原料粉末は、その全体を１００質量％として、Ｐ：０．１％未満、０．０５％未満さらには０．０１％以下でもよい。また、第２鉄基部材の高剛性化を図る観点から、Ｖをそれぞれ６％以下さらには５％以下とし、Ｗ量を相対的に多くしてもよい。
【００３１】
鉄基粉末は、粒度が２１２μｍ以下（−２１２μｍ）の一般的なものでもよいが、平均粒径（メジアン径：Ｄ５０）が１〜２０μｍさらには５〜１５μｍであるか、篩い分けで定まる粒度が４５μｍ以下（−４５μｍ）に分級されたものであると、焼結体の緻密化を図れて好ましい。なお、粒度（または平均粒径）の大きい粗粉とその小さい微粉を混在させて用いてもよい。
【００３２】
（２）成形工程
第２成形体は、鉄基粉末を含む原料粉末を加圧して得られる。成形圧力は、例えば、３５０〜１０００ＭＰａさらには４５０〜８５０ＭＰａとするとよい。成形体同士を接合する場合、各成形体の成形圧力は同じでも異なっていてもよい。内側に配設される第１成形体の成形圧力を高めるほど、より高い接合強度が得られ易い。
【００３３】
成形工程は、冷間成形（室温成形）でも温間成形でも良い。また、粉末と金型との潤滑は、内部潤滑剤を粉末に配合して行ってもよいし、金型潤滑により行ってもよい。金型潤滑を行う場合、金型潤滑温間加圧成形法（詳細は特許３３０９９７０号公報等を参照）を用いると好ましい。
【００３４】
（３）嵌入工程
焼結接合前に、第１鉄基体（成形体、焼結体または溶製鋼）の外周側に第２成形体を嵌入した組立体を用意する。第１鉄基体と第２成形体の嵌め合いは、第２成形体を崩壊させない程度の締り嵌めでも良いし、隙間嵌めでもよい。もっとも、第２成形体は焼結接合時に緻密化すると共に内側寸法が僅かに収縮するため、嵌入工程は、第１鉄基体に第２成形体を隙間嵌めする工程でもよい。隙間嵌めにより、圧入作業等を省略でき、第２成形体の崩壊も防止できる。
【００３５】
第２成形体の内側寸法（例えば内径）に対する第１鉄基体の外側寸法（例えば外径）の割合（単に「寸法比」ともいう。）が大きくなるほど、嵌合面間の隙間（クリアランス）は小さくなり、接合強度も向上し易い。逆に、寸法比が小さくなるほど、クリアランスは大きくなり、保形性が確保され易い。寸法比が８８〜９３％さらには８９〜９２％であると、接合強度と保形性の両立が図れて好ましい（特に第１鉄基体が溶製鋼からなる場合）。
【００３６】
上述したクリアランスは、嵌合面間の基準寸法、第１鉄基体の材質、第２成形体の組成や密度、焼結（接合）条件等に応じて適宜調整され得る。例えば、成形体同士の焼結接合なら、クリアランスは１〜１００μｍさらには５〜５０μｍ程度とするとよい。基準寸法に対するクリアランスは、０．０５〜１％さらには０．１〜０．５％程度とするとよい。
【００３７】
（４）焼結接合工程
組立体を加熱することにより、第２成形体は第２焼結体となり、第１鉄基部材と第２鉄基部材が（拡散）接合された接合鉄基部材が得られる。
【００３８】
加熱温度（焼結温度）は、Ｆｅ−Ｃ系液相を生じる１１４０℃以上が好ましく、例えば、１１４０℃〜１３５０℃、１１８０〜１３００℃さらには１２００〜１２８０℃とするとよい。
【００３９】
加熱時間（上記温度を保持する時間）は、例えば、０．１〜３時間さらには０．１〜１時間であると好ましい。加熱雰囲気は、真空雰囲気、不活性ガス（Ａｒガス等）雰囲気の他、窒素雰囲気が好ましい。雰囲気中のＮは、鉄基粉末中の炭化物（またはその形成元素：ＷまたはＶ）等に作用して、液相の出現に寄与し、接合強度を高め得る。
【００４０】
（５）その他
上述した組立体は、第１鉄基体の内側または第２成形体の外側に、さらに別な第３成形体等を嵌入した多重組立体でもよい。焼結接合工程後の冷却速度を大きくすると、焼結体の金属組織の粗大化等を抑制できて好ましい。接合鉄基部材は、焼結接合工程後、さらに、焼鈍、焼準、時効、調質（焼き入れ、焼き戻し）、浸炭、窒化等の熱処理工程が施されてもよい。
【００４１】
《接合鉄基部材》
（１）第２鉄基部材（第２焼結体）
第２鉄基部材は、上述した原料粉末の成形体が焼結されてなる。原料粉末中に炭素源粉末（黒鉛粉末等）が含まれ得る場合も考慮すると、第２鉄基部材は、その全体を１００質量％として、Ｃ：０．５〜２．５％と、Ｗおよび／またはＶからなる炭化物形成元素：６〜１６％とを含む第２焼結体からなると好ましい。また、第２焼結体は、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜０．７％またはＣｏ：０．１〜１２％の一種以上を含んでもよい。さらに、第２焼結体は、Ｐ：０．１％未満またはＶ：６％以下であってもよい。
【００４２】
第２焼結体は、真密度（ρ０）に対する嵩密度（ρ）の割合である相対密度（１００×ρ／ρ０）が９７％以上、９８％以上さらには９９％以上ともなり得る。第２焼結体が緻密になるほど、第２焼結体の機械的特性（強度、剛性等）の向上を図れる。例えば、上述した組成からなる高密度な第２焼結体であれば、ヤング率が２００〜２４０ＧＰａさらには２１０〜２３０ＧＰａ程度にもなり得る。
【００４３】
（２）本発明によれば、複雑な形状の部材や部位毎に特性が異なる部材等の提供が容易となる。第１鉄基部材は焼結材でも溶製材でも良いため、接合鉄基部材として、例えば、溶製鋼からなる軸部に、焼結材からなる付属体（歯車、カムロブ、カウンターウエイト等）を設けた伝動軸、カムシャフト、クランクシャフト等がある。
【実施例】
【００４４】
原料粉末の配合組成、成形条件、焼結条件等を変更した多数の試料を製作し、それらの測定、観察および評価を行った。これらを通じて、本発明の内容をさらに具体的に説明する。
【００４５】
［実施例１／成形体同士の接合］
《試料の製造》
（１）原料粉末
表１に示すように、成分組成が異なる複数のベース鉄粉（鉄基粉末）を用意した。表１に示した各ベース鉄粉は、いずれもアトマイズ粉であり、ＳＫＨ粉末およびＳＫＨ２粉末は株式会社神戸製鋼製であり、ＦＣＭ１粉末、ＦＭ１粉末、ＦＮＣＭ１粉末およびＦＣ１粉末はヘガネスＡＢ社製であり、ＦＣＭ２粉末およびＦＭ２粉末はエプソンアトミックス株式会社製である。表１に示した成分組成は、各ベース鉄粉全体に対する質量割合である。
【００４６】
表１に示した「粒度」は、篩い分けまたは平均粒径により求めた。篩いを用いた分級に関してはＪＩＳ Ｚ ８８０１に準拠して特定され、「−ａμｍ（ａμｍ以下）」は、公称目開き：ａμｍの篩いを通過した粉末であることを意味する。「平均粒度」はレーザー回折式粒度分布測定器による粒度分布測定に基づくメジアン径（Ｄ５０）とした。
【００４７】
ベース鉄粉の他、黒鉛（Ｇｒ）粉末（日本黒鉛社製ＪＣＰＢ、平均粒径：５μｍ）も用意した。黒鉛粉末をベース鉄粉に加える場合、各粉末を表２および表３Ａ・Ｂに示す割合で秤量配合した後、乳鉢で３分間予備混合し、さらにボールミルで３０分間回転混合した。こうして得られた混合粉末を原料粉末として用いた。なお、各表に示した黒鉛粉末の配合量は、原料粉末（混合粉末）全体に対する質量割合である。
【００４８】
（２）成形工程
キャビティ形状の異なる２種の金型を用意した。一つは、円柱軸状のインナー（第１鉄基体、第１鉄基部材）となる成形体（第１成形体）を得るための円筒型（φ１４ｍｍ×Ｈ１０ｍｍ）である。もう一つは、円環状のアウター（第２鉄基部材）となる成形体（第２成形体）を得るためのリング型（φ１４ｍｍ×φ２３ｍｍ×Ｈ６ｍｍ）である。
【００４９】
特に断らない限り、本実施例に係るインナー用成形体の外周面とアウター用成形体の内周面とが、基準寸法φ１４ｍｍに対して隙間嵌めとなるように、円筒型の内径とリング型の内径（中心に配置される円柱状のコアの外径）とを設定した。
【００５０】
成形は、内部潤滑剤を用いずに、金型潤滑温間加圧成形法（特許３３０９９７０号公報参照）により、各金型のキャビティに充填した原料粉末を温間中（金型温度：１５０℃）中で加圧して行った。成形圧力は３９２〜９８０ＭＰａの範囲で調整した。特に断らない限り、インナー用成形体は３９２ＭＰａで成形し、アウター用成形体は４９０ＭＰａで成形した。こうして種々のインナー用成形体とアウター用成形体を得た。
【００５１】
（３）焼結工程
インナー用成形体とアウター用成形体の接合に先だって、表２に示すように、各成形体を単独で焼結させた焼結体も用意し、それらを密度測定に供した。
【００５２】
焼結（後述の焼結接合を含む）は、バッチ式焼結炉（島津メクテム株式会社製ＰＶＳＧｇｒ２０／２０）を用いて行った。焼結雰囲気は真空雰囲気または窒素雰囲気として、１２５０℃×３０分間（均熱保持時間）の加熱を行った。加熱終了後、１０００℃まで炉冷した後、４００ｋＰａの窒素ガスを導入して急冷した。
【００５３】
（４）焼結接合工程
図１Ａに示すように、インナー用成形体とアウター用成形体を嵌合させて組立体とした。この組立体を、上述した焼結工程と同様な条件で加熱した。こうして表３Ａおよび表３Ｂ（両者を併せて単に「表３」という。）に示すように、軸状のインナー（第１焼結体、第１鉄基部材）と環状のアウター（第２焼結体、第２鉄基部材）とが閉環状の接合界面部で接合された種々の接合体（接合鉄基部材）を得た。
【００５４】
《測定》
（１）相対密度
表２に示す各試料（成形体単体と焼結体単体）について相対密度（密度比）を求めた。相対密度は、真密度（ρ０）に対する嵩密度（ρ）の割合（１００×ρ／ρ０）として算出した。嵩密度（ρ）は、成形体と焼結体を実測して得た寸法と重量から算出した。真密度（ρ０）は、各原料粉末の組成と比重に基づいて算出したＰＦＤを用いた。こうして得られた各試料に係る相対密度を表２に併せて示した。
【００５５】
（２）寸法差
表３に示す各試料について、各アウター用成形体の内径（Ｒ２）と、各インナー用成形体の外径（Ｒ１）を実測した。それらの実測値と、両成形体を嵌合させたときのクリアランスとなる寸法差（ΔＲ＝Ｒ２−Ｒ１）を表３に併せて示した。
【００５６】
（３）接合強度（抜出試験）
図１Ｂに示すような抜出治具を用いた抜出試験により、インナーとアウターの接合強度を測定した。具体的にいうと、先ず、円環状の保持治具にインナー側の凸部を嵌合して接合体を保持する。次に、インナー側の凹部に嵌めた円柱状の押圧治具へ、上方から荷重を印加する。
【００５７】
アウターとインナーが分離したとき、またはいずれか一方が破壊したときの負荷荷重（Ｆ）を測定する。この負荷荷重を、予め求めておいたアウターとインナーの接合界面部の円筒状面積（ｄ：φ１４ｍｍ×Ｈ：４ｍｍ）で除することにより接合強度を求めた。この結果も表３に併せて示した。
【００５８】
《観察》
表２に示す試料の一部について、アウター用成形体を単独で焼結させた焼結体の外観を図２に示した。
【００５９】
表３に示す試料の一部について、抜出試験後の外観と、接合界面近傍の金属組織写真とを図３Ａおよび図３Ｂ（両者を併せて単に「図３」という。）に示した。なお、金属組織写真は、試料を切断、樹脂埋め、鏡面研磨した後、光学顕微鏡で観察したものである。
【００６０】
《評価》
（１）緻密化
表２に示す各試料について、成形体の相対密度と焼結体の相対密度との比較により次のことがわかる。ベース鉄粉がＳＫＨである場合、黒鉛粉末の添加の有無、成形圧力、焼結雰囲気にかかわらず、焼結体はほぼ真密度に近いレベルまで大幅に緻密化することがわかった。またそれらの焼結体は、図２に示す外観写真（試料Ｒ１、Ｒ５）から明らかなように、表面荒れや形状崩れ等がなく、成形時の形状が維持されていた。
【００６１】
一方、ＳＫＨ以外のベース鉄粉を用いた場合、黒鉛粉末：０．４〜０．６％では緻密な焼結体が得られず、その緻密化には黒鉛粉末：１．５％以上の添加が必要であった。また、図２に示す外観写真（試料Ｒ９、Ｒ１０）から明らかなように、黒鉛粉末：１．５％以上の焼結体は、表面荒れや形状崩れを生じることもわかった。
【００６２】
（２）接合強度
表３から明らかなように、アウターにＳＫＨまたはＳＫＨ２を用いた試料はいずれも、インナーに用いたベース鉄粉の種類、成形圧力、組立体の焼結雰囲気等に拘わらず、接合界面で破壊（分離）することがなく、十分な接合強度が得られることがわかった。このように接合強度が十分であり、抜出試験により母材破断する一例（試料１）を図３Ａに示した。
【００６３】
逆に、アウターにＳＫＨまたはＳＫＨ２以外の粉末を用いた試料はいずれも、接合強度が不十分であり、図３Ｂに一例（試料Ｃ２）を示すように、抜出試験後、インナーとアウターは界面で分離して破壊した。
【００６４】
（３）黒鉛粉末と焼結雰囲気
表３に示す試料１〜１２からわかるように、アウター側の黒鉛粉末量が少ない場合、窒素雰囲気中で焼結させた試料の方が真空雰囲気中で焼結させた試料よりも接合強度が高くなり易いことがわかった。これはＳＫＨ中に含まれる炭化物形成元素またはその炭化物が、雰囲気中の窒素と作用して、Ｆｅ−Ｃ液相化やＣ拡散に寄与したためと推察される。
【００６５】
一方、表３に示す試料１３〜１８または試料３１〜３８からわかるように、アウター側の黒鉛粉末量が比較的多くなると、焼結雰囲気は接合強度に殆ど影響を及ぼさないこともわかった。
【００６６】
（４）インナー
表３に示す試料２２、２３からわかるように、アウターとインナーの両方にＳＫＨを用いた場合、黒鉛粉末の添加量、インナー側の成形圧力、焼結雰囲気等にかかわらず、十分な接合強度が確保されることもわかった。
【００６７】
［実施例２／溶製鋼と成形体の接合］
《試料の製造および測定》
実施例１で用いた焼結体からなるインナーを、溶製鋼（ＪＩＳ  ＳＣＭ４３５）を機械加工したインナーに変更した試料を製造した。インナーの外径（Ｒ１）は、表４に示すように変化させた。その他は、実施例１の場合と同様な方法で試料を製造、測定および観察した。各試料の製造条件、接合強度等を表４に併せて示した。なお、表４には、アウター（Ｒ２）とインナー（Ｒ１）の寸法差（ΔＲ）に加えて寸法比（Ｒ１／Ｒ２）も示した。
【００６８】
ちなみに、インナーに用いた溶製鋼（ＳＣＭ４３５）は、機械構造用合金鋼であり、その主な成分組成（質量％）は、ＳＣＭ４３５：Ｆｅ−（0.33〜0.38）％Ｃ−（0.15〜0.35）％Ｓｉ−（0.6〜0.9）％Ｍｎ−（0.9〜1.2）％Ｃｒ−（0.15〜0.3）％Ｍｏである。
【００６９】
《評価》
（１）接合強度
表４から明らかなように、寸法差または寸法比を適切に設定すれば、ＳＫＨの焼結材からなるアウターは、溶製材からインナーとも強固に接合することが確認できた。具体的にいうと、高い接合強度を確保するために、例えば、寸法比を８８％以上さらには８９％以上とするとよい。基準寸法（φ１４ｍｍ）に対していえば、例えば、寸法差を１．６ｍｍ以下とすればよい
【００７０】
抜出試験後の試料２３について、その接合界面近傍を光学顕微鏡で観察した金属組織を図４に示した。図４から明らかなように、接合界面の近傍には亀裂等が見られず、アウターとインナーの接合状態が均質的であることが確認された。
【００７１】
（２）アウターの変形
表４に示した各試料について、焼結接合後の外観を図５に示した。また、アウターの中央部から端部にわたる外径変化を図６に示した。図５および図６から明らかなように、寸法差が小さくなる程（寸法比が大きくなる程）、アウターは鼓状に変形し易くなることがわかった。この観点から、少なくともインナーを溶製鋼とする場合、寸法比を９３％以下さらには９１％以下とすると好ましい。基準寸法（φ１４ｍｍ）に対していえば、例えば、寸法差を１．１ｍｍ以上さらには１．３ｍｍ以上とすると好ましい。
【００７２】
ちなみに、寸法差が小さくなる程（寸法比が大きくなる程）、アウターが鼓状に変形し易くなる理由は、次のように推察される。先ず、焼結（接合）工程中に、アウター内周面とインナー外周面が接触し、アウター内周面側からインナー外周面側へ炭素が拡散（移動）する。これにより、炭素量が増加したインナー外周面近傍で、液相化が生じ易くなり、収縮し易くなる。そしてアウターは、成形時に圧縮軸方向の中央側が両端側よりも密度が低い傾向にあり、この分、焼結時に中央側でより収縮し易くなる。こうしてアウターは、軸方向の中央側で両端側よりも収縮量が大きくなり、鼓状に変形すると考えられる。
【００７３】
【表１】
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【００７４】
【表２】
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【００７５】
【表３Ａ】
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【００７６】
【表３Ｂ】
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【００７７】
【表４】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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