(57)【要約】【課題】焼結による外部材の収縮を利用した焼結接合方法を対象とし、接合面が単純な平板状、接合面の途中に凹溝を有する態様、何れにも適用容易にして汎用性に優れ、接合強度を向上できるようにする。【解決手段】内部材１０及び外部材１５を嵌め合わせて焼結により接合する焼結複合体１の焼結接合方法において、前記外部材１５が圧縮成形された略筒形の圧粉体１５Ａを焼結したものである場合、前記圧粉体１５Ａの両端接合面と対応した前記内部材１０の箇所に逃げ用段差１０ａを設定し、前記圧粉体１５Ａの筒内に前記内部材１０を嵌め合わせて、前記圧粉体１５Ａの焼結による寸法収縮により、前記外部材１５の両端１５ａ側が前記内部材１０の段差１０ａ縁部をそれぞれ包み込むよう変形する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部材及び外部材を嵌め合わせて焼結により接合する焼結複合体の焼結接合方法において、
前記外部材が圧縮成形された略筒形の圧粉体を焼結したものである場合、前記圧粉体の両端接合面と対応した前記内部材の箇所に逃げ用段差を設定し、前記圧粉体の筒内に前記内部材を嵌め合わせて、前記圧粉体の焼結による寸法収縮により、前記外部材の両端側が前記内部材の段差縁部をそれぞれ包み込むよう変形することを特徴とする焼結複合体の焼結接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、内外部材を嵌め合わせて焼結により接合する焼結接合方法に関し、特に内外部材が外部材の焼結収縮を利用して接合する場合に好適な焼結複合体の焼結接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の焼結接合方法は、焼結工程で内外部材を接合するため機械的接合より簡易で製造費的に有利となる。この接合方法では、内外部材が外部材の焼結収縮を利用することがあり、図５（ａ）のごとく内部材２０と外部材２５とが面接合である場合において、接合力を高めようとして、焼結による収縮（シリンケージ）が大きい外部材用圧粉体を採用すると、外部材２５が長さ方向にも収縮するため、外部材２５は長さ方向の中間部が内部材２０と密着接合され、両端２５ａ，２５ａが内部材２０の対応部に密着せずに拡径し易くなり、接合強度が不充分となる。これは、焼結素材構成として焼結（焼結温度から室温まで冷却した）後の寸法が圧粉体寸法に対して約０．３％以上に収縮する態様に発生し易い。下記特許文献１は、図６の構成により前述のような問題を解消したものである。同（ａ）は焼結前を示し、（ｂ）は焼結後の焼結複合体を示している。この接合特徴は、内部材２１が外部材２６の両端内周に対応した大径部２１ａ，２１ｂと、間の径小部２１ｃと、径小部２１ｃと各大径部２１ａ，２１ｂとの間のなだらかな連結部２１ｄとを形成している。そして、内部材２１を外部材用圧粉体２６Ａに嵌め合わせて焼結する過程で、圧粉体２６Ａの内周面が内部材２１の造形された外周面形状に対応した形状に変形しながら、内部材外周面に焼結接合されることにより、未接合部分が極力生じないようにし接合強度を充足させる。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３３１８２１３号公報（第２〜３頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献１の焼結接合方法では、図５（ａ）における外部材端部の拡径を抑えて内外部材の接合強度をそれなり強くできるが、内部材への加工が複雑となり、接合強度が径小部と大径部との間の段差寸法、連結部の傾斜角等の設定等により変動し易い。また、図５（ｂ）に挙げたように、内部材２２が外周に筒内と連通する凹溝２３を有し、外部材２７が凹溝２３を覆うような形態だと適用困難になり、通常は外部材２７が圧粉体焼結過程で凹溝２３に逃げるよう収縮し、外部材両端が同（ａ）と同様に内部材２２と密着しなくなり、接合不完全で、凹溝２３が流体通路になる場合には隙間ができて流体漏れ要因となる。従って、焼結複合体の普及や量産性からは、接合用に施される内部材の加工をより簡略化したり、内部材が外部材で閉じられた通路用凹溝を有する態様にも有効となり、しかも強固な接合強度を確保可能にしなければならない。
【０００５】
本発明は以上のような背景から工夫されたものである。その目的は、焼結による外部材の収縮を利用した焼結接合方法を対象とし、接合面が単純な平板状、接合面の途中に凹溝（環状又は周回溝）を有する態様、何れにも適用容易にして汎用性に優れ、かつ、接合強度を向上できるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、図１の例で特定すると、内部材１０及び外部材１５を嵌め合わせて焼結により接合する焼結複合体１の焼結接合方法において、前記外部材１５が圧縮成形された略筒形の圧粉体１５Ａを焼結したものである場合、前記圧粉体１５Ａの両端接合面と対応した前記内部材１０の箇所に逃げ用段差１０ａを設定し、前記圧粉体１５Ａの筒内に前記内部材１０を嵌め合わせて、前記圧粉体１５Ａの焼結による寸法収縮により、前記外部材１５の両端１５ａ側が前記内部材１０の段差１０ａ縁部をそれぞれ包み込むよう変形することを特徴としている。
【０００７】
以上の焼結接合方法では、外部材用圧粉体の両端接合面が内部材の対応段差に位置し非拘束状態となっているので、焼結により収縮するときに前記段差つまり内側へ自由に変形し、該内側変形により段差縁部を外から包み込むよう内部材へ食い込む。この結果、接合強度は、外部材の両端における段差縁部への食い込みに比例して増大し、内部材軸方向の引き離し（抜去）に要する力を高くできる。また、この方法では、内部材が前記段差を外周の両端又は外周の途中に形成している構成（図１，図２）、外周の途中に通路用の凹溝を形成している構成（図４）でも適用できる。加えて、内部材が外部材より短い態様において、前記段差を内部材の両端面で構成（図３）するよう各部の寸法を設定して段差加工を省略できることもある。このため、本発明方法は、内部材への加工が簡単であり、適用可能な焼結複合体が広く形状的に規制され難い利点がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明方法を図面を参照しながら詳述する。図１〜図４は本発明方法を適用した４つの焼結複合体構成を示している。各図において、（ａ）は外部材用圧粉体の筒内に内部材を嵌め合わせた焼結前の状態を模式的に示し、（ｂ）は焼結後の焼結複合体を模式的に示している。以下の説明では、焼結複合体例を図１〜図４により明らかにした後、具体的な焼結接合方法の要領に言及する。
【０００９】
（焼結複合体）本発明の焼結接合方法は、外部材用圧粉体が筒内に内部材を嵌め合わせた状態で焼結されて、各図の（ｂ）に例示されるごとく内外部材を専ら外部材の焼結収縮により接合一体化して形成される焼結複合体に適用される。ここで、外部材は、粉末冶金分野で使用されている各種の混合粉を圧縮形成した圧粉体、または低温で予備焼結したものである。圧粉体や予備焼結体としての焼結寸法収縮率が少なくとも０．３％以上であることが好ましい。該寸法収縮をさせる場合は、例えば、低密度圧粉体、微粉が多い圧粉体、焼結により液相がでる圧粉体を参考にし、目標収縮率に近づけるようにする。内部材は、鋼材ないしは溶製材、焼結材、圧粉体を問わない。要は、焼結により外部材との間で相対的に寸法膨張する（例えば、内部材用圧粉体であれば、外部材用圧粉体の焼結寸法収縮率より小さくなる）関係にあればよい。
【００１０】
（基本例）図１の焼結複合体１は、内部材１０と外部材１５とが略同じ長さで、内外部材が外観上も一体化されるような形態である。この場合、内部材１０は筒形でもよく、更に一方又は両方の端面に径小の延長部を有していてもよい。このような形態では、内部材１０と外部材用圧粉体１５Ａとが長さ寸法が略同じため、内部材１０の両端外周が圧粉体１５Ａの両端接合面と対応する。従って、内部材１０の両端外周には、圧粉体１５Ａの両端接合面と非接触となる一段径小にした段差１０ａが形成される。この段差１０ａは、前記径小の延長部を有する態様だと、内部材１０と該延長部との間の段差により、つまり内部材１０の大径部を同図の長さ寸法に設定するようにしても差し支えない。以上の両部材は、圧粉体１５Ａの筒内に内部材１０を嵌め合わせて焼結される。すると、圧粉体１５Ａが寸法収縮して、外部材１５の両端１５ａ側が内部材１０の段差１０ａ縁部をそれぞれ包み込むよう変形する。冷却後に得られる焼結複合体１は、内外部材の接合強度がその両端１５ａの変形による食い込み量に比例して強固となる。
【００１１】
図２の焼結複合体２は、内部材１１が外部材１６よりも長く、外部材１６が内部材１１の外周長手方向の任意の位置に装着されるような形態である。この場合、内部材１１は、筒形であったり、一方又は両方の端面に径小の延長部を有していてもよい。このような形態では、外部材用圧粉体１６Ａの両端が内部材１１の外周面に面対向するため、内部材１１の外周のうち、前記面対向する周囲に環状段差１１ａが設けられている。この段差１１ａは、圧粉体１６Ａの両端がそれぞれ溝幅内に余裕を持って収まる、つまり圧粉体１６Ａの両端接合面が非拘束状態となるよう形成される。以上の両部材は、上記と同様に、圧粉体１６Ａの筒内に内部材１１が嵌め合わせて焼結されると、圧粉体１６Ａが寸法収縮して、外部材１６の両端１６ａ側が内部材１１の段差１１ａ縁部をそれぞれ包み込むよう変形する。焼結複合体２としては、内外部材の接合強度がその変形による食い込み量に応じ増大される。
【００１２】
（変形例）図３の焼結複合体３は、図１に対して内部材１２が外部材１７の筒内に収まるような形態である。この場合、内部材１２は筒形でもよく、更に一方又は両方の端面に径小の延長部を有していてもよい。このような形態では、内部材１２の両端が圧粉体１７Ａの両端接合面より内側に位置して上記した各段差に相当する仮想段差の存在により発明の段差用加工を必要としない。そして、両部材は、圧粉体１７Ａの筒内に内部材１２を嵌め合わせて焼結されると、圧粉体１７Ａが寸法収縮して、外部材１７の両端１７ａ側が内部材１２の端面縁部をそれぞれ包み込むよう変形する。冷却後に得られる焼結複合体３は、内外部材の接合強度がその両端１７ａの変形による食い込み量に比例して増大されることになる。
【００１３】
これに対し、図４の焼結複合体４は、図２に対し内部材１３が筒形で、かつ、外周に環状の通路用凹溝１４及び凹溝１４と筒内とを連通している貫通孔１５を有しているような形態である。この場合、内部材１３は、一方又は両方の端面に延長部を有していてもよい。このような形態では、外部材用圧粉体１８Ａの両端が内部材１１の外周面に面対向するため、内部材１３の外周のうち、前記面対向する周囲に環状段差１３ａがそれぞれ設けられる。この段差１３ａは、圧粉体１８Ａの両端がそれぞれ溝幅内に余裕を持って収まる、つまり圧粉体１８Ａが焼結時に凹溝１４側へ若干変形する変形量を考慮した寸法で形成される。そして、両部材は、上記と同様に、圧粉体１８Ａの筒内に内部材１３が嵌め合わせて焼結されると、圧粉体１８Ａが寸法収縮して、外部材１６の中間部が凹溝１４側へ変形し、かつ、両端１８ａ側が内部材１３の対応段差１３ａ縁部をそれぞれ包み込むよう変形する。このため、焼結複合体４としては、内外部材の接合強度がその変形による食い込み量に応じ増大される。
【００１４】
（実施例）以上の発明焼結接合方法の実施例を図１と図４の形態により説明する。
（１）、図１において、重量比で（１．５％Ｍｏ合金粉末に２％Ｎｉ粉末を付着拡散した合金鉄粉）＋０．６％黒鉛の混合粉を用意し、その混合粉を圧粉体密度６．８ｇ／ｃｍ３  になるよう圧縮成形した。内部材１３は、内部材用圧粉体として、重量比で鉄粉＋１．５％銅末＋０．６％黒鉛粉末からなる混合粉を用意し、その混合粉を圧粉体密度６．５ｇ／ｃｍ３  になるよう圧縮成形した。そして、内部材１０を圧粉体１５Ａの筒内に嵌め合わせて、１１３０℃還元性ガス雰囲気中で焼結した。この外部材１５の寸法収縮率（焼結による収縮）は約０．３％であった。なお、比較例としては、内部材１０に段差１０ａを設けないものを使用し、それ以外は同じものを使用すると共に同じ条件で焼結した。実施例及び比較例は各３０個作製した。そして、外部材を固定した状態で内部材に負荷を加えて、両部材の接合が破壊されるときの荷重により評価した。この結果、接合強度は、実施例の方が比較例よりも２．５倍以上強くなり発明の有効性が確認された。
【００１５】
（２）、図４において、外部材用圧粉体１８Ａは、重量比で銅粉＋１０％錫粉に設定し、所定粒径に混合粉砕したものを用意し、その混合粉を圧粉体密度６．０ｇ／ｃｍ３  になるよう圧縮成形した。内部材１３は、Ｓ４５Ｃ鋼材の筒部材を用いて図４（ａ）のごとく外周に環状の通路用凹溝１４及び貫通孔１５を形成し、又、溝幅が３〜４ｍｍの環状段差１３ａを形成した。そして、内部材１３を圧粉体１８Ａの筒内に嵌め合わせて、７８０℃還元性ガス雰囲気中で焼結した。この外部材１８の寸法収縮率（焼結による収縮）は約０．８％であった。なお、比較例としては、内部材１３に段差１３ａを設けないものを使用し、それ以外は同じものを使用すると共に同じ条件で焼結した。実施例及び比較例は各３０個作製した。そして、外部材を固定した状態で内部材に負荷を加えて、両部材の接合が破壊されるときの荷重により評価した。この結果、接合強度は、実施例の方が比較例よりも２倍以上強くなり発明の有効性が確認された。なお、内部材１３の筒一端側を閉じて他端側より水圧を加えて液漏れを調べた結果、水圧１００ｋｇｆ／ｃｍ２以上になると、比較例のものは外部材１８と凹溝１４との間から水漏れが認められたが、実施例のものは水漏れが一切認められなかった。
【００１６】
以上のように、本発明は請求項で特定する要件を充足している範囲で種々変形ないしは展開可能なものである。その一例として、外部材は筒形であればよく、外周囲にフランジ部や突片等を有していてもよいものである。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の焼結接合方法は、内外部材が外部材の焼結収縮を利用して接合する形態において、内外部材の接合面が単純な平面状、内部材外周に凹溝を有している場合にも、外部材用圧粉体の両端接合面が焼結により収縮するときに内部材の段差縁部を外から包み込むよう内部材へ食い込んで、両部材の密着接合を確実化して接合力を増大できる。また、文献１の方法に比べて、内部材の加工が極めて簡単で量産性に好適となること、内部材外周に凹溝を有している態様でも適用可能なため汎用性があること、外部材両端の接合力を特に増大するため確実性に優れていること等の利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を適用した第１形態を焼結前後の状態で示す模式図である。
【図２】本発明方法を適用した第２形態を焼結前後の状態で示す模式図である。
【図３】上記第１形態の変形例を焼結前後の状態で示す模式図である。
【図４】上記第２形態の変形例を焼結前後の状態で示す模式図である。
【図５】従来の問題を説明するための模式図である。
【図６】焼結接合方法の従来例を焼結前後の状態で示す模式図である。
【符号の説明】
１〜４…焼結複合体
１０〜１３…内部材
１４…凹溝
１５…貫通孔
１０ａ，１１ａ，１３ａ…逃げ用段差
１５〜１８…外部材
１５Ａ〜１８Ａ…外部材用圧粉体
１５ａ〜１８ａ…両端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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