(57)【要約】【課題】焼結体と異材質の構成要素とが組み合わされる焼結機械部品（アーマチュア）を焼結鍛造を基本として製造する。【解決手段】鉄基混合粉１４を圧縮成形して得られた筒状の圧粉体２ａを焼結して焼結体２ｂとする。焼結体２ｂを相手側の構成要素となるプッシュロッド（溶製材）３ととともにダイス１６内に入れてその相対位置決めを行う。焼結体２ｂをボトムダイ１７とパンチ１８とで加圧拘束することにより閉塞鍛造もしくは密閉鍛造を施す。冷間鍛造による塑性変形をもって焼結体２ｂを所定形状に仕上げるとともに、プッシュロッド３と一体的に結合する。これによりプッシュロッド３と結合された焼結体２ｂをアーマチュア本体２とするアーマチュア１を得る。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の構成要素同士を結合することにより構成されるともにそれら複数の構成要素のうち少なくとも一つが焼結体をもって形成された焼結機械部品の製造方法であって、
鉄基混合粉を圧粉密度で７．０ｇ／ｃｍ３以上に圧縮成形して圧粉体とする工程と、
この圧粉体を焼結して焼結体とする工程と、
焼結体と他の構成要素との相対位置決めを行った状態で焼結体を予備成形体として冷間鍛造を施すことにより、これら焼結体と他の構成要素とを一体に結合して焼結機械部品とする工程と、
を含むことを特徴とする焼結機械部品の製造方法。
【請求項２】
焼結機械部品は直動型電磁アクチュエータの可動子として機能するアーマチュアであって、
アーマチュア本体を焼結体とするとともに、そのアーマチュア本体の中心部に挿入されるロッドを他の構成要素として、両者を一体に結合することを特徴とする請求項１に記載の焼結機械部品の製造方法。
【請求項３】
冷間鍛造を閉塞鍛造もしくは密閉鍛造としたことを特徴とする請求項１または２に記載の焼結機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の構成要素同士を機械的に結合することにより構成された焼結機械部品の製造方法に関し、特に複数の構成要素のうちの少なくとも一つが焼結体をもって形成されている場合にその焼結体を予備成形体（プリフォーム）として冷間鍛造を施すことにより他の構成要素と一体に結合した複合型の焼結機械部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すような電磁バルブ３０の構造においては、周知のように弁体としてのスプール３１が内挿されたバルブ本体３２と直動型電磁アクチュエータであるソレノイド３３とを隣接配置し、ソレノイド３３のコイル３４の中央部に配置された可動子としてのアーマチュア（プランジャとも称される）３５をソレノイド３３の励消磁作用に応じて進退移動させる一方、アーマチュア３５側のプッシュロッド３６ｂをスプール３１との当接部として、そのアーマチュア３５の動きにスプール３１を追従動作させることでバルブ本体３２側の各ポートの開閉を行うようになっている。なお、図５の下半部はアーマチュア３５がソレノイド３３の励磁作用によりスライド位置Ｐ１までスライド移動した状態を、同図の上半部はアーマチュア３５がリターンスプリング３７の力によって復帰位置Ｐ２まで復帰した状態をそれぞれ示している。
【０００３】
アーマチュア３５は、円筒状のアーマチュア本体３６ａの中央部に棒状のプッシュロッド３６ｂを挿入，固定したものであり、多くの場合には溶製材に機械加工を施してアーマチュア本体３６ａとプッシュロッド３６ｂとを別々に製作した上で、アーマチュア本体３６ａにプッシュロッド３６ｂを圧入するか、もしくはプッシュロッド３６ｂの挿入後にかしめ加工を施すことにより両者を一体に結合することが行われるが、より一層のコストダウンを目的として、最近ではアーマチュア３５の主要素であるアーマチュア本体３６ａそのものを焼結体にて製作することが提案されるに至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の一般的な鉄系の焼結部品は、鉄基金属粉に黒鉛粉、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム等の潤滑剤などを混合したものを７．０ｇ／ｃｍ３未満の比較的低い圧粉密度で圧縮成形することで形成されるため、多くの微小空隙（空孔もしくは気孔）を内部に有することになる。したがって、粉体間結合が弱く、結果として脆くなるため、塑性変形を基本とする圧入やかしめ加工等の手段を用いて先に例示したようなアーマチュア本体とプッシュロッドとを一体的に結合することができず、また仮に結合することができたとしてもその結合強度の信頼性が乏しく、なおも改善の余地を残している。
【０００５】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ上記アーマチュアに代表されるように複数の構成要素同士を結合することにより構成される部品であって且つそれらの複数の構成要素のうち少なくとも一つが焼結体をもって形成された焼結機械部品である場合に、焼結体を含む複数の構成要素同士を堅固に且つ安定的に結合して所期の機能を有する焼結機械部品を製造することができる方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、鉄基混合粉を圧粉密度で７．０ｇ／ｃｍ３以上に圧縮成形して圧粉体とする工程と、この圧粉体を焼結して焼結体とする工程と、焼結体と他の構成要素との相対位置決めを行った状態で焼結体を予備成形体として冷間鍛造を施すことにより、これら焼結体と他の構成要素とを一体に結合して焼結機械部品とする工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法で製造される焼結機械部品をより具体化するべく、その焼結機械部品を直動型電磁アクチュエータの可動子として機能するアーマチュアとして特定したものであって、アーマチュア本体を焼結体とし、そのアーマチュア本体の中心部に挿入されることになるロッド（プッシュロッド）を他の構成要素として、その両者を一体に結合することを特徴とする。
【０００８】
この請求項１，２に記載の発明によれば、鉄基混合粉を圧粉密度で７．０ｇ／ｃｍ３以上の高密度に圧縮成形した上で焼結体とし、この焼結体と相手側となる他の構成要素との相対位置決めを行って冷間鍛造を施すと、この冷間鍛造は再圧縮の範疇に含まれるところのサイジングもしくはコイニングとしての効果が発揮され、焼結体としての形状精度と密度とが高められるとともに、その焼結体の塑性変形をもって相手側となる他の構成要素と一体的に結合されて、最終的には複合型の焼結機械部品として完成することになる。
【０００９】
特に、焼結体は圧粉密度で７．０ｇ／ｃｍ３以上の高密度に圧縮成形した圧粉体を焼結したものであるから、圧粉密度の高密度化に伴い相対的に内部の空隙が大幅に減少せしめられて実質的に溶製材に近い状態までその靱性や延性等の機械的強度が高められており、なお且つ熱間鍛造や温間鍛造によらずに冷間鍛造をもって割れ等を招くことなくその鍛造処理を施すことが可能である。したがって、相手側となる他の構成要素との結合強度も高く両者は堅固に結合されるとともに、その結合強度の信頼性もきわめて高いものとなる。加えて、請求項２に記載の発明では、アーマチュアを複合型の焼結機械部品に置き換えることが可能となって、所期の目的であるアーマチュアのコストダウンにも貢献できるようになる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、上記冷間鍛造を閉塞鍛造もしくは密閉鍛造としたものであるから、過剰な変形による焼結体の割れや破損等の発生を未然に防止できることはもちろんのこと、焼結体の塑性流動による内部空隙の圧縮破壊が一段と促進されて、特に焼結体のさらなる高密度化と機械的強度の向上の上で一段と有利となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜４は本発明に係る焼結機械部品の製造方法の好ましい実施の形態を示す図であり、加工対象となる焼結機械部品を先に例示した電磁バルブのアーマチュアとした場合の例を示している。
【００１２】
図１の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、アーマチュア１は、略円筒状のアーマチュア本体２とその中心部に挿入，固定される棒状のプッシュロッド３とから構成されていて、プッシュロッド３がステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３）等の溶製材からなる棒材に機械加工を施すことにより形成されているのに対して、アーマチュア本体２は鉄系の焼結体をもって形成されている。そして、アーマチュア本体２となる焼結体は、後述するように焼結前の圧粉密度が従来の一般的なものより高密度化されているところに特徴があり、焼結後に冷間鍛造を施すことにより最終製品形状に仕上げられ、同時にその冷間鍛造時の塑性変形をもってプッシュロッド３と結合されて一体化される。
【００１３】
なお、アーマチュア本体２の外周円筒面には軸心方向に沿って断面半円状の溝部４が形成されるとともに、プッシュロッド３には、アーマチュア本体２の冷間鍛造による塑性変形の際に両者を凹凸嵌合させてその抜け止めを施すべく予め周溝５が形成されている。
【００１４】
図２には上記アーマチュア１の製造手順を示す。
【００１５】
同図（ａ）の粉末充填工程では、互いに相対移動可能に配置されたダイス１０とコアロッド１３およびロアパンチ１１の三者で隔離形成された空間（給粉ゾーン）１０ａに原料粉末として鉄基混合粉１４を供給して充填する。
【００１６】
ここで使用する鉄基混合粉１４は、鉄基金属粉としての高純度鉄粉（Ｆｅ）を主成分としてこれに潤滑剤であるステアリン酸亜鉛を予め混合したものである。潤滑剤であるステアリン酸亜鉛は、圧縮成形後の圧粉体２ａをダイス１０から取り出す際にかじり現象や焼き付きによって圧粉体２ａに傷が生じるのを防止する役目をする。これにより、高純度鉄粉のまわりに潤滑剤が付着した鉄基混合粉ができる。主成分である鉄基金属粉としては、例えば川崎製鉄株式会社製の粉末冶金用純鉄粉であるＫＩＰ３０４ＡＳが用いられる。一方、潤滑剤であるステアリン酸亜鉛は、例えば高純度鉄粉１００重量％に対して０．３重量％程度とする。
【００１７】
所定量の鉄基混合粉１４がダイス１０内に充填されたならば、同図（ｂ）に示すようにロアパンチ１１を所定量だけ上昇させながらそのロアパンチ１１と対向配置されたアッパーパンチ１２を下降させて、そのロアパンチ１１とアッパーパンチ１２とによるいわゆる両押し方式にてダイス１０内にて鉄基混合粉１４全体を均等に加圧，圧縮して図１のアーマチュア本体２となるべき圧粉体２ａを成形する。そして、先に例示した粉末冶金用純鉄粉を主成分とする鉄基混合粉１４を使用したことによる特殊性のため、圧粉体２ａの圧粉密度は一般的には７．０ｇ／ｃｍ３未満とされているにもかかわらず本実施の形態では７．０ｇ／ｃｍ３以上に高密度化される。
【００１８】
次いで、アッパーパンチ１２を先行して上昇させた後にロアパンチ１１を上昇させるか、もしくはロアパンチ１１とアッパーパンチ１２を同期して上昇させて、ダイス１０およびコアロッド１３から抜き取るようにして成形後の圧粉体２ａを上方に取り出す。
【００１９】
圧縮成形後の圧粉体２ａには同図（ｃ）の焼結工程において焼結処理を施し、アーマチュア本体２として機能することになる焼結体２ｂとする。この焼結処理は、焼結炉内にて真空中のほか、アルゴン、窒素、水素あるいは窒素／水素混合ガス等の非酸化性雰囲気下の条件で行うものとする。
【００２０】
焼結処理のより具体的な条件としては、例えば図３に示すように１００％窒素雰囲気下での６００℃×１ｈおよぼ９００℃×１ｈのいわゆる二段加熱を中心とした昇降温パターンとし、必要に応じて例えば６５０℃×１ｈの焼鈍処理（アニーリング処理）を併用するものとする。この焼鈍処理は焼結体２ｂの軟化促進および高密度化の上で有効に作用する。なお、上記の二段加熱の条件は、従来の一般的な焼結条件とされる１１００〜１１３０℃と比べてかなり低い温度である。
【００２１】
次に、焼結体２ｂには図１の（ｄ）の冷間鍛造工程において冷間鍛造を施す。この冷間鍛造用の型構造は、ダイス１６とボトムダイ１７およびパンチ１８とを主要素として構成されているもので、その詳細を図４に示す。
【００２２】
同図に示すように、パンチ１８は図示しない駆動手段にて昇降駆動されることになるスライド１９にパンチホルダー２１とボルト２２とを介して装着されている一方、ベース２３の上にはダイスホルダ２４とインナサポート２５とを介してダイス１６が支持されている。ダイス１６には焼結体２ｂを受容するためにその焼結体２ｂの外径寸法よりもわずかに大きい内径寸法を有する収容空間１６ａが形成されていて、この収容空間１６ａに内挿可能な中空円筒状のボトムダイ１７とパンチ１８とが対向配置されている。ボトムダイ１７は、後述するように焼結体２ｂと結合されることになる他の構成要素としての図１に示すプッシュロッド３を直立姿勢にて位置決め支持した上でその一部を収容空間１６ａに臨ませるためのもので、その下方のスペーサ２６に着座，支持されている。また、ボトムダイ１７の下端部に形成されためねじ部１７ｂにはアジャストスクリュー２０が螺合しており、このアジャストスクリュー２０の回転操作に応じて、ボトムダイ１７に位置決め支持されることになるプッシュロッド３の高さ位置が調整される。スペーサ２６はインナサポート２５に対し昇降可能に案内支持されており、その下方にはノックアウトパンチ２７が配置されている。
【００２３】
焼結体２ｂについて冷間鍛造を行なう際には、図２の（ｄ）および図４に示したパンチ１８を上昇させた状態で、焼結体２ｂと結合されることになる相手側の構成要素としてのプッシュロッド３をボトムダイ１７の内筒部１７ａに差し込むようにして予め位置決めする。その状態で焼結体２ｂをダイス１６の収容空間１６ａに挿入して、焼結体２ｂの内部にプッシュロッド３の先端が挿入された状態をもってプッシュロッド３との相対位置決めを行う。
【００２４】
この状態で、パンチ１８を下降させてその先端部を収容空間１６ａ内に挿入し、焼結体２ｂを上方から据え込むようにして加圧する。なお、必要に応じて上方だけでなく下方からも加圧するようにしてもよい。焼結体２ｂはダイス１６とボトムダイ１７およびパンチ１８とで囲まれた密閉空間内で加圧拘束される閉塞鍛造もしくは密閉鍛造のかたちとなることから、実質的に再圧縮の形態で焼結鍛造としてのサイジングもしくはコイニングが施される。
【００２５】
これにより、焼結体２ｂは塑性変形して最終製品形状であるアーマチュア本体２として仕上げられるとともに、焼結体２ｂの材料の一部がプッシュロッド３の周溝５側に膨出して凹凸係合するとともに、その焼結体２ｂとプッシュロッド３との関係では焼結体２ｂがプッシュロッド３の周囲から圧締するかたちとなり、アーマチュア本体２である焼結体と２ｂとプッシュロッド３とが一体化されて複合型の焼結機械部品としてのアーマチュア１となる。そして、焼結体２ｂは冷間鍛造により粒子間の空隙が押し潰されるために、その圧粉密度が７．７ｇ／ｃｍ３以上にまで高密度化されて、溶製材の密度に近いものとなる。
【００２６】
なお、上記のように閉塞鍛造もしくは密閉鍛造の形態で冷間鍛造を施すことにより、アーマチュア本体２たる焼結体２ｂの形状精度が高く、後工程での機械加工等による仕上げ加工は基本的には不要である。また、図１に示したアーマチュア本体１の外周面に形成されることになる溝部５は上記冷間鍛造時に同時成形される。
【００２７】
冷間鍛造を終えたならば、パンチ１８を上昇させてそれまでの加圧拘束力を解除した上で、図４のノックアウトパンチ２７を上昇させて製品たるアーマチュア１のノックアウトを行う。すなわち、ノックアウトパンチ２７を上昇させると、プッシュロッド３と焼結体２ｂとを結合一体化することにより形成されたアーマチュア１がボトムダイ１７およびスペーサ２６とともに上昇して、少なくとも焼結体２ｂたるアーマチュア本体２がダイス１６の上方へ突き出される。そして、プッシュロッド３をボトムダイ１７から抜き取るようにしてアーマチュア１を取り出す。この場合、プッシュロッド３は焼結体２ｂの冷間鍛造時においてその径は何ら変化していないので、ボトムダイ１７からきわめて容易に抜き取ることができる。これにより、図１および図２の（ｅ）に示すアーマチュア１を得る。
【００２８】
ここで、焼結体２ｂたるアーマチュア本体２とプッシュロッド３が結合一体化されたアーマチュア１について、必要に応じて再度焼結処理を施すとともに、その後処理として焼鈍処理（アニーリング）を施すようにしてもよい。冷間鍛造の後に再度焼結処理を施す場合には、図１の（ｃ）に示す焼結工程が予備焼結工程として機能する一方で、冷間鍛造後の焼結処理が本焼結工程として機能することになる。また、上記焼鈍処理は、図１の（ｃ）の焼結工程の後に必要に応じて併用されることになる焼鈍処理時と同じ処理条件でよく、焼結体２ｂたるアーマチュア本体２の歪み取り効果と磁気特性の改善が期待できるようになる。
【００２９】
このように本実施の形態によれば、圧粉密度で７．０ｇ／ｃｍ３以上の高密度に圧縮成形した圧粉体２ａを焼結した上でさらに冷間鍛造を施すことから、鉄の純度が高いことに加えて密度も飛躍的に高いものとなり、いわゆる溶製材と略同等の機械特性が得られるようになるほか、磁性体であるアーマチュア１としての磁性特性も一段と良好なものとなる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、アーマチュア本体２とプッシュロッド３とを構成要素とするアーマチュア１の製造方法を例にとって説明したが、本発明はアーマチュア１以外のあらゆる複合型の焼結機械部品の製造にも適用可能であり、特に三つ以上の構成要素をもって構成される焼結機械部品であってもそのうちの少なくとも一つの構成要素が焼結体であれば本発明を適用することが可能である。このほか、鉄基混合粉としては高純度鉄粉（Ｆｅ）に限らず、Ｆｅ−Ｐ系，Ｆｅ−Ｓｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ系，Ｆｅ−Ｃｏ系，Ｆｅ−Ｃｒ系，Ｆｅ−Ｃ系等の種々のものを用いることができる。
【００３１】
さらに、上記の実施の形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、その効果とともに記載すれば下記の通りである。
（イ）請求項１に記載の焼結機械部品の製造方法において、焼結体が磁性部品であることを特徴とする複合部品の製造方法。
【００３２】
この製造方法によれば、少なくとも焼結体相当部分を高純度，高密度の磁性体とした焼結機械部品を機械加工によらずに容易に製造することができる。
（ロ）上記（イ）に記載の焼結機械部品の製造方法において、鉄基混合粉は、高純度鉄粉としたことを特徴とする焼結機械部品の製造方法。
【００３３】
磁性部品は鉄の純度が高いほど磁束が集中しやすいという性質があるので、この製造方法によれば、磁気特性に優れた焼結機械部品が容易に得られるほか、高純度鉄粉を用いるので冷間鍛造も容易となる。
（ハ）上記（イ）に記載の焼結機械部品の製造方法において、冷間鍛造の際に焼結体側の材料の一部が膨出して凹凸係合する凹部を他の構成体に予め形成したことを特徴とする焼結機械部品の製造方法。
【００３４】
この製造方法によれば、焼結体と他の構成体との結合がより確実に行われて、複合型の焼結機械部品の結合信頼性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合型の焼結機械部品の一例としてソレノイドのアーマチュアの構造を示す図で、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）の垂直断面図、（Ｃ）は同図（Ｂ）の下面図。
【図２】本発明に係る焼結機械部品の製造方法の実施の形態として図１のアーマチュアの製造手順を示す工程説明図。
【図３】図２の（ｃ）の焼結工程における加熱処理パターンを示す特性図。
【図４】図２の（ｄ）の冷間鍛造工程で使用される鍛造型構造を示す要部断面図。
【図５】電磁バルブの一例を示す断面図。
【符号の説明】
１…アーマチュア（焼結機械部品）
２…アーマチュア本体
２ａ…圧粉体
２ｂ…焼結体
３…プッシュロッド（他の構成要素）
１４…鉄基混合粉
【図１】
2004018937.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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