(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系の焼結合金から形成された軸部を有する部材（以下内側部材という）と、鉄系の合金粉末または混合粉を圧縮成形して得た孔部を有する圧粉体（以下外側部材という）とを、それぞれの軸部と孔部を嵌め合わせた状態で一体に焼結するに際し、外側部材（圧粉体）には焼結過程の７５０℃以上の高温域における熱膨張量が内側部材の焼結体の熱膨張量よりも小さくなる組成の原料粉を用い、原料粉に添加する粉末潤滑剤には亜鉛を含有しないものを用いて非浸炭性雰囲気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。
【請求項２】
外側部材の孔部と内側部材の軸部との嵌め合い寸法差が締め代６０μｍ以内の締まり嵌め，もしくは隙間５μｍ以下の通り嵌めである、請求項１に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
【請求項３】
外側部材の圧粉体を構成する原料粉末が純鉄，もしくは内側部材の焼結材と同等組成のものである、請求項１または請求項２に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
【請求項４】
焼結雰囲気が窒素ガス，または窒素ガスを主成分とするものである請求項１，請求項２または請求項３に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
【請求項５】
焼結が固相焼結である請求項１，請求項２，請求項３または請求項４に記載の複合焼結機械部品の製造方法。
【請求項６】
一部に液相が生じるとともにその液相生成量が３％（質量％）以内である、請求項５に記載の複合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】
この発明は、形状の複雑な焼結機械部品の製造に用いられる複数の部分に分割成形した圧粉体を組み合わせて焼結することにより１箇の焼結部品を得る方法を応用したところの、圧粉体の部分と焼結体の部分とを焼結により接合する方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の圧粉体を組み合わせて１箇の焼結部品とするためには、一方の圧粉体は軸部を有する形状に，他方の圧粉体は孔部を有する形状に成形しておき、軸部を有する部材（嵌め合わせで内側になることから、以下内側部材という）と孔部を有する部材（以下外側部材という）の軸部と孔部を嵌め合わせた状態で焼結して拡散接合により一体化させるのが通例である。この合金成分の固相拡散は、鉄系金属の場合は略７５０℃以上の高温域で生じる。また焼結合金はその成分組成によって焼結中の熱膨張量がそれぞれ異なるので、内側部材，外側部材ともに圧粉体の場合は、外側部材の熱膨張量が内側部材より小さくなるように両部材を選択して、両部材が密着した状態での焼結を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この様にして作られる複合焼結機械部品の多くは圧粉体同士を接合したものであるが、中には部品の用途，機能面その他の必要から内側部材には予め焼結した焼結体を用い、これと圧粉体の外側部材とを嵌め合わせて一体に焼結接合したい場合がある。ところで、焼結体が示す同素変態および熱による寸法変化はむしろ溶製材の場合と同様で、圧粉体からの焼結過程で見られる粉末粒子の隙間の気孔化〜気孔の消失による緻密化（収縮）を生じない。この結果、圧粉体の外側部材は焼結体の内側部材に比べて、普通に焼結した場合の熱膨張量が原則的に小さくなる。
【０００４】
従って外側部材（圧粉体）の方が相対的に収縮して内側部材（焼結体）と密着し両部材が十分に接合される筈であるにも拘らず、内側部材が焼結体の場合には量産を前提とした通常の焼結条件では所要の接合強度は得られない。この場合も焼結条件を変更し、高温で長時間の焼結を行なえば接合強度は向上するが、生産効率とコストの面で実用にはなり難かった。
【０００５】
この発明は圧粉体と焼結体との焼結による接合方法の開発を目的とするものであって、とくに内側部材が焼結体，外側部材が圧粉体という組み合わせを対象としている。ちなみにこの明細書における焼結体は純鉄，炭素鋼，合金鋼など鉄系金属の焼結材を総称している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
圧粉体の外側部材に焼結体の内側部材を嵌め込んで焼結接合する場合、得られる複合部品が高い接合強度を持つためには単なる機械的な焼き嵌めだけでなく、両部材の接合面が十分に密着した状態での焼結によって、合金成分の固相拡散による接合を図る必要がある。それには先ず、両部材の嵌め合い寸法差（圧粉体の孔部の内径寸法と焼結体の軸部の外径寸法の差）が重要であって、圧粉体の方を細め（締まり嵌め）に設定して焼結体に圧入するのが好ましく、締め代は大きいほど両者の密着度が高くなる。ただし焼結前で強度が低い圧粉体の破損を避けるため締め代を緩衝作用のある圧粉体同士の場合より小さく、好ましくは３０μｍ以内，多くとも６０μｍ以内に止める必要がある。通り嵌めを選ぶ場合も隙間は小さいほどよく、５μｍ以下に止めるべきである。
【０００７】
次の要因として焼結する際の雰囲気の種類、および雰囲気と圧粉体に配合する粉末潤滑剤の種類との関連がある。即ち、鉄系合金の焼結雰囲気としては高炭素のＦｅ−Ｃ系に向き、しかもとくに忌避すべき材質もないことから、天然ガスやメタン系炭化水素などを変成して作られる精製エキソサーミックガスが広く用いられ、また、粉末潤滑剤にはステアリン酸亜鉛が一般的に使用されている。
【０００８】
然るに圧粉体を外側部材，焼結体を内側部材とする複合焼結の場合にこの様な雰囲気（例えばブタン変成ガス）を使用すると、雰囲気中の炭素が気孔表面から鉄中に侵入して反応し、非浸炭性雰囲気中より膨脹させるが，その際圧粉体中に亜鉛が存在すると、この反応に対して微量で触媒作用を示して圧粉体の膨脹量を増大させることが判明した。この膨脹のために圧粉体と焼結体との密着が不十分になり、接合強度の低下を招く訳である。
【０００９】
従ってこの対策としては粉末潤滑剤を亜鉛を含まないもの、例えばステアリン酸リチウムその他亜鉛以外の金属ステアレイトまたはアクラワックス（商品名）などに変えて膨脹を軽減することと、根本的には雰囲気ガスを非浸炭性のものに変えることが必要である。その場合、経済性も考慮すると非浸炭性ガスの中でも殆ど不活性に近い窒素ガス雰囲気，または窒素ガスを主成分とする雰囲気が特に好ましい。また焼結は固相焼結によるのが通常であるが、一部に液相を生成する状態で焼結すると拡散接合がさらに促進される。その場合、液相の生成量が５％以内であれば浸蝕や形崩れなどの懸念はないが、焼結体の寸法精度も良好な状態に保つためには３％以内に止めることが好ましい。なおこの明細書中の組成等に関する％は、特に断わらない限り重量％である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）  組成がＣｕ…１．５％，Ｃ…０．７％およびＦｅ残部で、焼結密度７．０ｇ／ｃｍ3 の焼結体で外径３０ｍｍ，内径１０ｍｍ，長さ２０ｍｍの円筒を作製して内側部材とした。次に銅粉１．５％および黒鉛粉０．７％を鉄粉に配合しこれに粉末潤滑剤としてアクラワックス（商品名）を０．７％添加した混合粉を用意し、これを圧縮して内径３０ｍｍ，外径４０ｍｍ，長さ１０ｍｍで圧粉密度７．０ｇ／ｃｍ3 の円板状の圧粉体を形成して外側部材とした。次いで両部材を締め代３０μｍの圧入により嵌め合わせて、窒素雰囲気中１１３０℃で４０分間焼結し、一体に接合した。得られた焼結体を材料試験機に掛け、外側部材を架台上に支えて内側部材に負荷する破壊試験を行なった結果、両部材の接合強度は１２０ＭＰａであった。この例では焼結雰囲気が非浸炭性なので外側部材（圧粉体）の相対的膨張が抑制され、充分な接合強度が得られている。
【００１１】
（実施例２）  実施例１の場合と同じく組成がＣｕ…１．５％，Ｃ…０．７％およびＦｅ残部で焼結密度７．０ｇ／ｃｍ3 の焼結体で内側部材を、銅粉１．５％および黒鉛粉０．７％を鉄粉に配合しこれに粉末潤滑剤としてアクラワックス（商品名）を０．７％添加した混合粉を圧粉密度７．０ｇ／ｃｍ3 に成形した圧粉体で外側部材を形成し、両部材を嵌め合わせた。両部材の形状寸法や嵌め合い条件は実施例１の場合と同じである。次いで焼結雰囲気のみ浸炭性のブタン変成ガスに変更して、１１３０℃で４０分間焼結した。得られた焼結体を実施例１と同様に破壊試験を行った結果、両部材の接合強度は１１０ＭＰａであった。
【００１２】
この例では、浸炭性の焼結雰囲気が外側部材（圧粉体）に浸透して膨張させる傾向にあるものの、内側部材（焼結材）も連続気孔を介して同様の作用を受けるため両部材間の膨張量差が減殺される結果、実施例１にほぼ匹敵する接合強度が得られている。ちなみに、この点が焼結材と溶製材の違いであって、内側部材が溶製材の場合は浸炭性雰囲気の気孔を介しての浸透は有り得ないので、この様な膨張量の減殺は生じない。
【００１３】
（実施例３）  先ず実施例１における内側部材を銅…１．５％，Ｎｉ…４％，Ｍｏ…０．５％および残部Ｆｅの組成で焼結密度７．０ｇ／ｃｍ3 の焼結合金に変更し、外側部材は、ヘガネス社の銅…１．５％，Ｎｉ…４％，Ｍｏ…０．５％および残部Ｆｅの部分拡散合金粉（商品名デスタロイＡＥ）に粉末潤滑剤としてアクラワックス（商品名）を０．７％添加して圧粉密度７．０ｇ／ｃｍ3 に成形した圧粉体に変更した。次に両部材を締め代２０μｍの圧入により嵌め合わせ、分解アンモニアガス雰囲気中１１９５℃で１１５分間焼結して一体に接合した。得られた焼結体について実施例１と同様に破壊試験を行なった結果、両部材の接合強度は２００ＭＰａであった。この例は外側部材（圧粉体）が亜鉛を含まないこと，焼結雰囲気が非浸炭性であることが実施例１と基本的に共通しているが、各部材の合金組成，焼結温度，焼結時間などの違いから、一段と高い接合強度を示している。
【００１４】
（実施例４）  内側部材の材質は実施例１のままとし、外側部材は圧粉体を形成する原料粉をＮｉ…２％，Ｍｏ…１．５％および残部Ｆｅの組成の合金粉に黒鉛を０．６％配合し、粉末潤滑剤のステアリン酸亜鉛を０．７％添加した混合粉に変更した。外側部材の圧粉密度は７．０ｇ／ｃｍ3 である。次いで両部材を締め代２０μｍの圧入により嵌め合わせ、分解アンモニアガス雰囲気中１１９５℃で１１５分間焼結して一体に接合した。得られた焼結体について実施例１と同様に破壊試験を行なった結果、両部材の接合強度は２００ＭＰａであった。この例も焼結雰囲気が炭素を含まないので、外側部材（圧粉体）に亜鉛があっても浸炭は起こらず、実施例３と同様に高い接合強度を示している。
【００１５】
ちなみに、外側部材（圧粉体）の機械的性質としては焼結中の熱膨張量が内側部材より小さければよいので、その材質は実施例の組成に限らず、純鉄でもよく内側部材の焼結体と同じ材質でもよい。また、熱膨張量を内側部材の焼結体より増大させない限り、用途に応じた適宜の合金成分を含有させることができる。
【００１６】
（比較例）  実施例２のものと同一の内側部材（焼結体）と、粉末潤滑剤のみステアリン酸亜鉛０．７％に変更しその他の仕様は実施例１のものと同一の外側部材（圧粉体）とを締め代３０μｍの圧入により嵌め合わせ、焼結雰囲気を浸炭性のブタン変成ガスに変えて１１３０℃で４０分間焼結した。しかし、得られた焼結体を調べたところ両部材の接触面の大部分は接合していないことが判明し、強度的にも不良品であった。この原因は亜鉛の触媒作用で焼結雰囲気から外側部材への浸炭が顕著に進み、焼結中の外側部材の膨張量が内側部材よりも相対的に大きくなったことにある。そしてこの例と実施例２の対比から、浸炭性雰囲気と圧粉体中の亜鉛との相乗的作用効果が明らかになっている。
【００１７】
【発明の効果】
鉄系焼結合金の内側部材に鉄系圧粉体の外側部材を嵌め合わせて焼結して複合部品を製造する場合、従来の製造条件では両部材の接合強度に不満があったが、この発明によって各部材の合金組成の選択基準や粉末潤滑剤と焼結雰囲気の適正組み合わせが明確になり、その両複合部材の接合強度が著しく高められた。