(57)【要約】【課題】層間結合強度が高く、信頼性に富む多層構造の焼結金属部品を提供する。【解決手段】一体成形後の焼結に伴って隣接する層と結合された内側層２、中間層３および外側層４を径方向に積層してなり、内径面１ａに他部材としての軸Ｓとの摺動面Ａが設けられた焼結金属部品としての焼結軸受１であって、内側層２がＮｉ、Ｍｏ、ＭｎおよびＣｒの群から選択される少なくとも一種の高硬度化元素を含み、内側層２と中間層３が上記高硬度化元素の濃度勾配が生じた濃度勾配層５を介して結合されると共に、外側層４が上記高硬度化元素を含み、外側層４と中間層３が上記高硬度化元素の濃度勾配が生じた濃度勾配層５を介して結合されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体成形後の焼結に伴って隣接する金属層と結合した三層以上の金属層からなり、内径面又は外径面の何れか一方に他部材との摺動面を有する焼結金属部品であって、
隣り合う二つの金属層の何れか一方が、Ｎｉ、Ｍｏ、ＭｎおよびＣｒの群から選択される少なくとも一種の高硬度化元素を含み、隣り合う二つの金属層が、前記高硬度化元素の濃度勾配が生じた濃度勾配層を介して結合されていることを特徴とする焼結金属部品。
【請求項２】
前記濃度勾配層の厚さを０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とした請求項１に記載の焼結金属部品。
【請求項３】
前記摺動面の構成面を有する金属層が、Ｆｅおよび前記高硬度化元素を含む焼結金属で形成された請求項１又は２に記載の焼結金属部品。
【請求項４】
前記摺動面の構成面を有する金属層が、Ｃｕを含む焼結金属で形成された請求項１〜３の何れか一項に記載の焼結金属部品。
【請求項５】
前記摺動面の構成面を有する金属層に隣接する金属層が、前記摺動面の構成面を有する金属層よりも低密度に形成された請求項１〜４の何れか一項に記載の焼結金属部品。
【請求項６】
三層以上の金属層を径方向に積層してなる請求項１〜５の何れか一項に記載の焼結金属部品。
【請求項７】
三層以上の金属層を軸方向に積層してなる請求項１〜５の何れか一項に記載の焼結金属部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内径面又は外径面の何れか一方に他部材との摺動面を有する焼結金属製の機械部品（焼結金属部品）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コスト低減を主な目的として、軸受、歯車、バルブシート、プーリ等の機械部品が、いわゆる溶製品から、焼結金属で形成されたものへと置き換わりつつある。上記の各種機械部品において、要求特性が単一であることはむしろ稀であり、一般には種々の要求特性を高いレベルで同時に満足することが求められる。
【０００３】
例えば、建設機械のアーム同士を回転可能に連結する関節部に用いられる軸受（焼結軸受）は、アームに設けられた孔部に嵌合固定された状態で使用され、かつ使用時にはその内径面と軸（連結ピン）とが高面圧の作用下で繰り返し摺動する。そのため、この種の用途に用いられる焼結軸受は、少なくとも外径側の強度を十分に高め、かつ内径面（摺動面）の耐摩耗性や摺動性を十分に高める必要がある。このような焼結軸受は、例えば、高強度の第１粉末を圧粉・焼結してなる焼結金属製の外側層の内周に、低摩擦の第２粉末を圧粉・焼結してなる焼結金属製の内側層を適宜の手段で結合することで得られる。
【０００４】
上記の焼結軸受において、例えば、外側層と内側層との間に内側層よりも低密度の中間層を設けておけば、この軸受をいわゆる含油焼結軸受として使用する場合に中間層で多くの潤滑油を保持することができる。この場合、毛細管力により中間層から内側層に潤滑油を供給することができるので、摺動面と支持すべき軸の外周面との間に潤沢な潤滑油を介在させ、摺動面の摩耗を効果的に抑制することができる。このような三層構造の焼結軸受は、例えば、外側層、内側層および中間層を個別に作製した後、これら各層を適宜の手段で結合することで得られるが、このような手順を踏んだのでは製造コストが著しく増大する。製造コストを抑えるには、例えば特許文献１に記載されているように、それぞれが焼結金属製の外側層、内側層および中間層に対応した三種類の原料粉末を一の金型に供給して同時に圧縮することにより、三層構造の圧粉体を一体成形し、その後、この圧粉体を焼結する、という手順を踏むのが有効である。
【０００５】
各種機械部品においては、上記のように、径方向における領域毎（三つ以上の領域毎）で要求特性を異なせるのが望ましい場合がある他、軸方向における三つ以上の領域毎で要求特性を異なるのが望ましい場合もある。軸方向における三つ以上の領域毎で要求特性が異なる焼結金属部品を得るには、例えば、三種類以上の原料粉末を一の金型に順次供給して同時に圧縮することにより、三層以上の圧粉層が軸方向に積層されてなる多層構造の圧粉体を成形し、その後、この圧粉体を焼結することで得られる（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９５９７９号公報
【特許文献２】特開２００５−３４４８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一体成形後の焼結に伴って隣接する金属層と結合した三層以上の金属層からなる焼結金属部品の取り扱い性や信頼性を高めるには、隣り合う二層間の結合強度を高める必要がある。しかしながら、特許文献１，２の何れにおいても、隣り合う二層間の結合強度を高めるための技術手段については検討されておらず、改善の余地が残されている。
【０００８】
このような実情に鑑み、本発明の課題は、一体成形後の焼結に伴って隣接する金属層と結合した三層以上の金属層からなり、種々の要求特性を同時に満足し得る焼結金属部品において、隣り合う二つの金属層の結合強度を高め、この種の焼結金属部品の取り扱い性や信頼性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために創案された本発明は、一体成形後の焼結に伴って隣接する金属層と結合した三層以上の金属層からなり、内径面又は外径面の何れか一方に他部材との摺動面を有する焼結金属部品であって、隣り合う二つの金属層の何れか一方が、Ｎｉ、Ｍｏ、ＭｎおよびＣｒの群から選択される少なくとも一種の高硬度化元素を含み、隣り合う二つの金属層が、上記高硬度化元素の濃度勾配が生じた濃度勾配層を介して結合されていることを特徴とする。
【００１０】
上記のように、本発明に係る焼結金属部品では、隣り合う二つの金属層の間に、Ｎｉ，Ｍｏ，ＭｎおよびＣｒの群から選択される高硬度化元素の濃度勾配が生じた濃度勾配層、すなわち高硬度化元素の存在により硬度が高められた層が設けられ、この濃度勾配層を介して隣り合う二つの金属層が結合されている。そのため、隣り合う二つの金属層の結合強度、ひいては部品全体としての強度が高められた焼結金属部品を得ることができる。
【００１１】
濃度勾配層の厚さが小さ過ぎると、隣り合う二層の結合強度を十分に高めることができないが、濃度勾配層の厚さが大き過ぎると、隣り合う二つの金属層自体の厚さが小さくなるため、各層に求められる要求特性を満足できなくなるおそれがある。そのため、焼結金属部品全体の大きさによっても左右されるが、濃度勾配層の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００１２】
摺動面の構成面を有する金属層を、Ｆｅおよび高硬度化元素を含む焼結金属で形成すれば、高硬度で耐摩耗性に優れた摺動面を得ることが可能となる。また、摺動面の構成面を有する金属層を、Ｃｕを含む焼結金属で形成すれば、摺動面の摺動性を高めることが可能となる。
【００１３】
摺動面の構成面を有する金属層に隣接する金属層を、摺動面の構成面を有する金属層よりも低密度に形成すれば、例えば当該焼結金属部品をその内部気孔に潤滑油等の潤滑剤を含浸させた状態で使用する場合に、毛細管力を利用して摺動面の構成面を有する金属層に潤滑剤を供給することが可能となる。これにより、摺動面の摩耗を抑制する上で有利となる。
【００１４】
本発明は、三層以上の金属層を径方向に積層してなる焼結金属部品、あるいは、三層以上の金属層を軸方向に積層してなる焼結金属部品の何れにも適用することができる。また、本発明を適応可能な機械部品としては、軸受、歯車（例えばアイドラギヤ）、スプロケット、プーリ、カム等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上から、本発明によれば、種々の要求特性を同時に満足することのできる多層構造の焼結金属部品において、隣り合う二つの金属層の結合強度を高め、取り扱い性や信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る焼結金属部品としての焼結軸受の概略横断面図である。
【図２】図１に示す焼結軸受の縦断面図である。
【図３】（ａ）図は、内側層と中間層の間に設けられる濃度勾配層における高硬度化元素の濃度勾配を示す図、（ｂ）図は、中間層と外側層の間に設けられる濃度勾配層における高硬度化元素の濃度勾配を示す図である。
【図４】図１に示す焼結軸受の圧粉体を成形するための成形金型装置に第１及び第２粉末を充填した状態を示す概略断面図である。
【図５】上記の成形金型装置に第３粉末を充填した状態を示す概略断面図である。
【図６】上記の成形金型装置において仕切部材を下降させた状態を示す図である。
【図７】上記の成形金型装置で粉末を圧縮した状態を示す図である。
【図８】圧縮成形工程以降の製造手順を模式的に示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る焼結金属部品としての焼結軸受の概略縦断面図である。
【図１０】図９に示す焼結軸受の圧粉体を成形するための成形金型装置に粉末を充填した状態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１および図２のそれぞれに、本発明の一実施形態に係る焼結金属部品としての焼結軸受１の横断面図（軸直交断面図）および縦断面図（軸平行断面図）を概念的に示す。この焼結軸受１は、全体として円筒状をなした金属焼結体からなり、例えば建設機械のアーム同士を回転可能に連結する関節部において、何れか一方のアームに設けた孔部に嵌合固定された状態で使用される。焼結軸受１の内径面１ａは平滑な円筒面に形成されており、該円筒状の内径面１ａで、内周に挿入された他部材としての軸（アーム同士を連結する連結ピン）Ｓを相対回転自在に摺動支持する。すなわち、この実施形態では、円筒状の内径面１ａが他部材と摺動する摺動面Ａとして機能する。
【００１９】
焼結軸受１は、それぞれが円筒状の金属焼結体からなる内側層２、中間層３および外側層４を径方向に積層して同心上に配置したものであり、内側層２と中間層３、および中間層３と外側層４は、圧粉体Ｍ（図８参照）を焼結するのに伴って結合されている。より具体的に述べると、焼結軸受１は、各層２〜４に対応する原料粉末を同一の金型に供給して同時に圧縮することにより、３つの圧縮成形層が一体成形された三層構造の圧粉体Ｍを得た後、この圧粉体Ｍを焼結することで得られる。なお、製造方法の詳細は後述する。
【００２０】
焼結軸受１の内部気孔には、例えば、鉱物油や合成油等の潤滑油、あるいはこの種の潤滑油を基油とした液状グリースが含浸される。このため、軸Ｓが焼結軸受１に対して相対回転すると、焼結軸受１の内部気孔に保持された潤滑油が焼結軸受１の内径面１ａ（摺動面Ａ）の表面開孔から滲み出し、摺動面Ａと軸Ｓの外周面との間に油膜が形成される。これにより、摺動面Ａの摩耗が抑制あるいは防止される。
【００２１】
内側層２は、例えば、Ｆｅを主成分とし、これにＣｕ、高硬度化元素およびＣを含む円筒状の焼結金属で形成され、ここではその内径面全面で焼結軸受１の摺動面Ａを構成している。上記の高硬度化元素としては、Ｎｉ，Ｍｏ，ＭｎおよびＣｒの群から選択される少なくとも一種が使用され、ここではＮｉおよびＭｏが使用されている。また、外側層４は、例えば、内側層２と同様に、Ｆｅを主成分とし、これにＣｕ、高硬度化元素（ここではＮｉ，Ｍｏ）およびＣを含む円筒状の焼結金属で形成される。外側層４を構成する各元素の濃度（配合割合）は、内側層２を構成する各元素の濃度と同じであっても良いし、異ならせても良い。但し、内側層２は、軸Ｓとの摺動面Ａを有する関係上、外側層４よりも摺動性に優れた焼結金属で形成されていることが好ましい。従って、内側層２のＣｕ濃度は、外側層４のＣｕ濃度よりも高くする（逆に言えば、内側層２のＦｅ濃度を外側層４のＦｅ濃度よりも低くする）のが好ましい。
【００２２】
上記のように、内側層２および外側層４が高硬度化元素を含むことにより、これらの層が高硬度化される結果、高硬度で耐摩耗性に富む摺動面Ａを得ることができる。また、内側層２および外側層４がＦｅを主成分とし、かつＣを含むことにより、機械的強度に優れた内側層２および外側層４を得ることができる。特に、上記の高硬度化元素の群から選択したＮｉおよびＭｏは焼入れ性を向上する機能も具備するので、浸炭焼き入れ等の熱処理を別途施すことなく、後述する焼結工程において、内側層２および外側層４のＦｅ組織にマルテンサイト変態およびベイナイト変態を生じさせることができる。これにより、内側層２および外側層４の一層の高硬度化・高強度化を実現することができる（シンターハードニング）。その一方、内側層２がＣｕを含み、かつ内側層２のＣｕ濃度が外側層４のＣｕ濃度よりも高いことにより、摺動性に優れた摺動層Ａが得られ、軸Ｓとの摺動が繰り返されることによる摺動面Ａの摩耗を抑制することができる。なお、Ｃｕは、Ｆｅ粒子同士を結合するバインダーとしても機能することから、内側層２および外側層４におけるＦｅ粒子同士の結合力が高められる。従って、この点からも内側層２および外側層４の高強度化が実現される。
【００２３】
中間層３は、例えば、Ｆｅを主成分とし、これにＣｕおよびＣを含む円筒状の焼結金属で形成される。中間層３は、高硬度化元素を含んでおらず、また、少なくとも、軸Ｓとの摺動面Ａを有する内側層２よりも低密度とされる。このようにすれば、建設機械の作動時には、中間層３で保持した潤滑剤を毛細管力によって内側層２に供給することができるので、摺動面Ａと軸Ｓの外周面との間に潤沢な潤滑剤を介在させることができる。これにより、摺動面Ａの摩耗を効果的に抑制あるいは防止することができる。内側層２よりも低密度の中間層３を得るには、例えば、中間層３の成形用粉末として、その平均粒径（特に主成分粉末であるＦｅ粉末の平均粒径）が、内側層２および外側層４の成形用粉末のそれよりも大きいものを使用すれば良い。なお、中間層３は、主に、内側層２に潤滑剤を供給するための補油層としての機能を有していれば足りるので、内側層２に必要とされるような機械的強度・耐摩耗性・摺動性等は不要である。そのため、中間層３に含めるＣｕの量は、Ｆｅ粒子同士を必要最低限の結合強度でもって結合させ得る程度で足りる。
【００２４】
図示例では、内側層２、中間層３および外側層４の厚さ（半径方向寸法）を略等しく形成しているが、各層２〜４の厚さは相互に異ならせても良い。例えば、中間層３の厚さを、内側層２および外側層４の厚さよりも十分に大きくすれば、焼結軸受１全体としての高価な高硬度化元素の使用量を減じて、焼結軸受１を低コスト化することができる。但し、内側層２および外側層４の厚さを中間層３の厚さよりも十分に小さくする場合でも、内側層２および外側層４のそれぞれには、焼結軸受１の厚さの５〜２０％程度の厚さを確保するのが好ましい。内側層２および外側層４の厚さがあまりに小さいと、成形金型（キャビティ）に対する内側層２および外側層４の成形用粉末の充填性が悪化すると共に、必要最低限の機械的強度等を確保することが難しくなるからである。
【００２５】
後述する圧粉体Ｍの成形手順との関係で、内側層２と中間層３の間、および中間層３と外側層４の間には、それぞれ、高硬度化元素（ＮｉおよびＭｏ）の濃度勾配が生じた濃度勾配層５，５が設けられ、隣り合う二層は、実質的に濃度勾配層５を介して結合されている。濃度勾配層５は、隣り合う二層間の軸方向全域および周方向全域に設けられている。内側層２と中間層３の間に設けられた濃度勾配層５は、内側層２を形成するための第３粉末Ｍ３（図５等を参照）が高硬度化元素を含む一方で中間層３を形成するための第２粉末Ｍ２（図４等を参照）が高硬度化元素を含まない関係上、図３（ａ）に示すように、内側層２と中間層３の界面（点線参照）を跨ぐ半径方向領域において、内側層２から中間層３に向けてＮｉおよびＭｏの濃度が徐々に低くなるように設けられている。また、中間層３と外側層４の間に設けられた濃度勾配層５は、外側層４を形成するための第１粉末Ｍ１（図４等を参照）が高硬度化元素を含む一方で中間層３を形成するための第２粉末Ｍ２が高硬度化元素を含まない関係上、図３（ｂ）に示すように、中間層３と外側層４の界面（点線参照）を跨ぐ半径方向領域において、外側層４から中間層３に向けてＮｉおよびＭｏの濃度が徐々に低くなるように設けられている。
【００２６】
このように、内側層２と中間層３の間、および中間層３と外側層４の間のそれぞれに、高硬度化元素（ＮｉおよびＭｏ）の濃度勾配が生じた濃度勾配層５，５が設けられ、隣り合う二層が実質的に濃度勾配層５を介して結合されていることにより、隣り合う二層間の結合強度を高めることができる。なお、中間層３には、高硬度化元素が含まれていないので、高価な該元素の使用量を減じて焼結軸受１のコスト増を抑制することができる。また、圧粉体Ｍの焼結時、中間層３となる部分では、内側層２および外側層４となる部分で生じるようなシンターハードニングが行われず、マルテンサイト変態やベイナイト変態も生じないので、中間層３は内側層２および外側層４に比べて軟質となる。この場合、中間層３を焼結軸受１の変形吸収部として活用することができるので、焼結軸受１をアームの孔部に対して圧入固定しても摺動面Ａの形状・寸法精度に悪影響が及び難くなり、軸Ｓの支持精度が向上する。
【００２７】
各濃度勾配層５，５の厚さ（半径方向寸法）Ｒは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とし、好ましくは０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とする。これは、濃度勾配層５の厚さＲが小さ過ぎると、隣り合う二層の結合強度を十分に高めることができないが、濃度勾配層５の厚さＲが大きくなるほど、隣り合う二層自体の厚さが小さくなるため、各層に求められる要求特性を満足できなくなるおそれがあるからである。本実施形態の焼結軸受１における各濃度勾配層５の厚さＲは、圧粉体Ｍの成形金型１０を構成する仕切部材１４ａ，１４ｂ（図４等を参照）の厚さにより調整することができる。
【００２８】
以上の構成により、内側層２、中間層３および外側層４のそれぞれにおける要求特性を同時に満足しつつ、取扱い性や信頼性に富む焼結軸受１を実現することができる。
【００２９】
以上の構成を有する焼結軸受１は、例えば、圧縮成形工程、焼結工程、整形工程および含油工程を順に経ることで製造される。以下、各工程の実施態様について詳細に述べる。
【００３０】
圧縮成形工程は、焼結軸受１の形状に概ね等しい形状の圧粉体Ｍ（図８参照）を得る工程であり、圧粉体Ｍは、いわゆる多色成形法を採用することで得られる。ここでいう多色成形とは、径方向に相互に隔絶した状態で一の金型内に形成される複数（ここでは３つ）のキャビティのそれぞれに、外側層４の形成用粉末である第１粉末Ｍ１、中間層３の形成用粉末である第２粉末Ｍ２、および内側層２の形成用粉末である第３粉末Ｍ３を充填（要するに、粉末Ｍ１〜Ｍ３を径方向に相互に分離させた状態で金型内に充填）してから、粉末Ｍ１〜Ｍ３の相互分離状態を解除し、その後、粉末Ｍ１〜Ｍ３を同時に軸方向に圧縮するものであり、例えば図４〜図７に示す成形金型装置１０を用いて実行される。
【００３１】
図４〜図７に基づき、成形金型装置１０の具体的な構成を説明する。成形金型装置１０は、圧粉体Ｍの外径面を成形するダイ１１と、ダイ１１の内周に配され、圧粉体Ｍの内径面を成形するコアピン１２と、ダイ１１とコアピン１２との間に配されて圧粉体Ｍの一端面を成形する第１〜第３の下パンチ１３ａ〜１３ｃおよび第１，第２の仕切部材１４ａ，１４ｂと、圧粉体Ｍの他端面を成形する上パンチ１５とを備える。下パンチ１３ａ〜１３ｃおよび仕切部材１４ａ，１４ｂは、それぞれ独立して昇降可能とされる。
【００３２】
以上の構成を有する成形金型装置１０において、まず、第２，第３の下パンチ１３ｂ，１３ｃおよび両仕切部材１４ａ，１４ｂを上死点に位置させた状態で第１の下パンチ１３ａを下死点まで下降させることにより、ダイ１１の内周面、第１の仕切部材１４ａの外周面および第１の下パンチ１３ａの上端面で第１キャビティ１６を形成して、この第１キャビティ１６に第１粉末Ｍ１を充填する（図示省略）。次いで、図４に示すように、第２の下パンチ１３ｂを下死点まで下降させることにより、第１の仕切部材１４ａの内周面、第２の仕切部材１４ｂの外周面および第２の下パンチ１３ｂの上端面で第２キャビティ１７を形成し、この第２キャビティ１７に第２粉末Ｍ２を充填する。第２粉末Ｍ２は、第２キャビティ１７から溢れさせ、少なくとも第１の仕切部材１４ａの上方を覆うようにする。図示例では、第２の仕切部材１４ｂの上方の一部領域も第２粉末Ｍ２で覆っている。
【００３３】
第１粉末Ｍ１は、外側層４の金属組成に対応して、Ｆｅ粉末を主成分とし、これにＣｕ粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ粉末およびＭｏ粉末を適当な割合で混合した混合粉末であり、第２粉末Ｍ２は、中間層３の金属組成に対応して、Ｆｅ粉末を主成分とし、これにＣｕ粉末およびＣ粉末を適当な割合で混合した混合粉末である。なお、上述したように、内側層２および外側層４よりも低密度の中間層３を得るため、第２粉末Ｍ２の主成分粉末であるＦｅ粉末としては、第１粉末Ｍ１の主成分粉末であるＦｅ粉末、さらには後述する第３粉末Ｍ３の主成分粉末であるＦｅ粉末よりも大粒径のものを使用する。
【００３４】
次に、図５に示すように、第３の下パンチ１３ｃを下死点まで下降させることにより、第２の仕切部材１４ｂの内周面、コアピン１２の外周面および第３の下パンチ１４ｃの上端面で第３キャビティ１８を形成し、この第３キャビティ１８に第３粉末Ｍ３を充填する。このとき、第３粉末Ｍ３を第３キャビティ１８から溢れさせ、第２の仕切部材１４ｂの上方の少なくとも一部領域を覆うようにする。第３粉末Ｍ３は、内側層２の金属組成に対応して、Ｆｅ粉末を主成分とし、これにＣｕ粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ粉末およびＭｏ粉末を適当な割合で混合した混合粉末である。
【００３５】
次に、図６に示すように両仕切部材１４ａ，１４ｂを下降させると、第１の仕切部材１４ａが取り除かれることで形成されたスペースに第１の仕切部材１４ａの上方を覆っていた第２粉末Ｍ２が充填され、第１粉末Ｍ１と第２粉末Ｍ２とが接触する。両粉末Ｍ１，Ｍ２が接触した部分では、第１粉末Ｍ１中に第２粉末Ｍ２が分散・拡散した層（分散層）Ｎが生成される。またこれと同時に、第２の仕切部材１４ｂが取り除かれることで形成されたスペースに第２の仕切部材１４ｂの上方を覆っていた第２粉末Ｍ２および第３粉末Ｍ３が充填され、第２粉末Ｍ２と第３粉末Ｍ３とが接触する。両粉末Ｍ２，Ｍ３が接触した部分では、第２粉末Ｍ２中に第３粉末Ｍ３が分散・拡散した層（分散層）Ｎが生成される。以上のようにして、ダイ１１の内周面、下パンチ１３ａ〜１３ｃの上端面、仕切部材１４ａ〜１４ｂの上端面およびコアピン１２の外周面で形成されるキャビティ１９が、第１粉末Ｍ１、第２粉末Ｍ２および第３粉末Ｍ３で満たされた状態となる。
【００３６】
そして、キャビティ１９から溢れ出た余分な粉末Ｍ２，Ｍ２を除去した後、図７に示すように、上パンチ１６を下降させてキャビティ１９に充填された粉末Ｍ１〜Ｍ３を軸方向に圧縮し、圧粉体Ｍを成形する。圧粉体Ｍの成形後、下パンチ１３ａ〜１３ｃおよび仕切部材１４ａ〜１４ｂを一体的に上昇移動させ、圧粉体Ｍを成形金型装置１０から取り出す。
【００３７】
なお、上述した各粉末Ｍ１〜Ｍ３の充填手順はあくまでも一例である。例えば、第２の下パンチ１３ｂおよび両仕切部材１４ａ，１４ｂを上死点に位置させた状態で第１および第３の下パンチ１３ａ，１３ｃを下死点にまで下降させることにより第１および第３キャビティ１６，１８を形成し、これらのキャビティ１６，１８に第１および第３粉末Ｍ１，Ｍ３を充填した後、第２の下パンチ１３ｂを下降させることにより第２キャビティ１７を形成し、この第２キャビティ１７に第２粉末Ｍ２を充填するようにしても良い（図示省略）。
【００３８】
以上に述べた圧縮成形工程で得られた圧粉体Ｍは、焼結工程において所定の条件で加熱・焼結され、これにより、焼結体Ｍ’（図８参照）が得られる。圧粉体Ｍの焼結時、第２粉末Ｍ２の圧粉体は、第１粉末Ｍ１の圧粉体および第３粉末Ｍ３の圧粉体に接した状態で第１，第３粉末Ｍ１，Ｍ２の圧粉体と共に焼結される（分散層Ｎを介して第１，第３粉末Ｍ１，Ｍ２の圧粉体と共に焼結される）ため、圧粉体Ｍを焼結すると、中間層４となる部分Ｍ２’が、濃度勾配層５，５となる部分を介して外側層４となる部分Ｍ１’および内側層２となる部分Ｍ３’と一体化された焼結体Ｍ’を得ることができる。
【００３９】
詳細な図示は省略するが、焼結工程は、ヒータが設置された焼結ゾーンと、自然放熱を行う冷却ゾーンとを連続的に有する連続焼結炉を用いて実施することができる。圧粉体Ｍの焼結は、例えばＣＯを含むガス雰囲気下で実施される。焼結温度は任意に設定でき、例えば銅の融点（１０８３℃）よりも高い１１２０℃に設定する。これにより、圧粉体Ｍを構成する各層中に含まれるＣｕが溶融し、溶融したＣｕを介してＦｅ粒子同士が強固に結合した焼結体Ｍ’を得ることができる。また、圧粉体Ｍが含むＮｉおよびＭｏは焼入れ性を向上する機能も具備するので、連続焼却炉の冷却ゾーンにおいて、内側層２となる部分、外側層４となる部分、さらには濃度勾配層５となる部分のＦｅ組織にマルテンサイト変態およびベイナイト変態を生じさせることができる。これにより、内側層２および外側層４となる部分の一層の高硬度化・高強度化、さらには層間結合強度が高められた焼結体Ｍ’を得ることができる。
【００４０】
焼結工程で得られた焼結体Ｍ’は、整形工程で所定形状・寸法に仕上げられる。焼結体Ｍ‘の整形は、例えば、同軸配置されたダイ、コアロッドおよび上下のパンチを有するサイジング金型を用いて焼結体Ｍ’の外径面、内径面および両端面を圧迫する、いわゆるサイジングにより実行される。サイジングであれば、加工硬化による焼結体Ｍ’の表面硬度向上も同時に実現できるので、一層高強度の焼結軸受１を実現できる。その後、含油工程で焼結体Ｍ’の内部気孔に潤滑油、あるいは液状グリースを含浸させると、図１，２に示す焼結軸受１が完成する。なお、整形工程の実行後であって含油工程の実行前に、焼結体Ｍ’に蓄積された内部応力を除去するための熱処理（焼き戻し）工程を実施しても良い。
【００４１】
以上、本発明の第１実施形態に係る焼結金属部品としての焼結軸受１およびその具体的な製造方法について説明を行ったが、焼結軸受１には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更を施すことができる。例えば、内側層２の外径面の横断面形状や、中間層３の外径面の横断面形状は、凹部と凸部が周方向で交互に設けられた波形状としても良い（図示省略）。このようにすれば、内側層２と中間層３の接触面積、さらには中間層３と外側層４の接触面積が拡大するので、隣接する二層間の結合強度を一層高めることができる。上述した製造方法を採用した場合、内側層２および中間層３の外径面の横断面形状は、それぞれ、圧縮成形工程で使用する第２および第１の仕切部材１４ｂ，１４ａ（図４等参照）の外径面の横断面形状に倣うため、使用する仕切部材１４ｂ，１４ａの形状を変更するだけで内側層２および中間層３の外径面の横断面形状を変更することができる。同様の観点から、外側層４の内径面の横断面形状や、中間層３の内径面の横断面形状等も変更することができる。
【００４２】
以上では、焼結により結合された三層の金属層（内側層２、中間層３および外側層４）を径方向に積層してなる焼結軸受１に本発明を適用したが、本発明は、三層以上の金属層を軸方向に積層してなる焼結金属部品にも好ましく適用することができる。図９はその一例を示すものであり、円筒状をなした三つの金属層（第１〜第３の円筒部）２２〜２４が軸方向に積層された（積み重ねられた）焼結金属部品としての焼結軸受であって、内周に挿入した他部材としての軸Ｓを回転自在に支持する焼結軸受２１を示している。この焼結軸受２１は、モータの回転軸のように高速回転する軸Ｓを回転自在に支持する用途に適合したものであり、その内部気孔には、第１実施形態の焼結軸受１と同様に潤滑油が含浸されている。
【００４３】
この焼結軸受２１では、第１の円筒部２２の内径面２２ａ、および第３の円筒部２４の内径面２４ａが相対的に小径に形成されて軸Ｓとの摺動面Ａを構成し、第２の円筒部２３の内径面２３ａが相対的に大径に形成されていわゆる中逃げ部２６を構成している。このようにすれば、焼結軸受２１の内径面２１ａ全体を摺動面（軸受面）Ａとする場合、すなわち第１〜第３の円筒部２１〜２３の内径面２１ａ〜２３ａを全て同径に形成する場合に比べ、軸Ｓの回転トルクを低減しつつ、軸Ｓの支持精度を向上することができる。
【００４４】
第１および第３の円筒部２２，２４は、それぞれ、例えば、Ｆｅを主成分とし、これにＣｕ、Ｃ、並びに高硬度化元素としてのＮｉおよびＭｏを含む円筒状の焼結金属で形成される。一方、第２の円筒部２３は、例えば、Ｆｅを主成分とし、これにＣｕおよびＣを含む円筒状の焼結金属で形成され、第１および第３の円筒部２２，２４に含まれるような高硬度化元素は含んでいない。第２の円筒部２３は、いわゆる補油層として機能するものであるから、そのＣｕ濃度が第１および第３の円筒部２２，２４のＣｕ濃度よりも低く、また、第１および第３の円筒部２２，２４よりも低密度とされる。
【００４５】
図示例では、各円筒部２２〜２４の厚さ（軸方向寸法）を略等しく形成しているが、各円筒部２２〜２４の厚さは相互に異ならせても良い。例えば、第２の円筒部２３の厚さを、第１および第３の円筒部２２,２４の厚さよりも十分に大きくすれば、焼結軸受１全体としての高価な高硬度化元素の使用量を減じて、焼結軸受１を低コスト化することができる。但し、第１および第３の円筒部２２，２４の内径面２２ａ，２４ａは、軸Ｓとの摺動面Ａ（軸受面）として機能することから、両円筒部２２，２４の厚さがあまりに小さいと軸Ｓの回転支持精度に悪影響が生じる。従って、両円筒部２２，２４の厚さは、軸Ｓの回転支持精度に悪影響を及ぼさない範囲で最小限とするのが好ましい。
【００４６】
第１の円筒部２２と第２の円筒部２３の間、および第２の円筒部２３と第３の円筒部２４の間には、それぞれ、高硬度化元素（ＮｉおよびＭｏ）の濃度勾配が生じた円筒状の濃度勾配層２５，２５が設けられており、各円筒部２２〜２４は、実質的に濃度勾配層２５を介して結合されている。第１の円筒部２２と第２の円筒部２３の間に設けられた濃度勾配層２５は、第１の円筒部２２がＮｉ，Ｍｏを含む一方で第２の円筒部２３が高硬度化元素を含まない関係上、両円筒部２２，２３の界面を跨ぐ軸方向領域において、第１の円筒部２２から第２の円筒部２３に向けてＮｉおよびＭｏの濃度が徐々に低くなるように設けられている（図示省略）。また、第２の円筒部２３と第３の円筒部２４の間に設けられた濃度勾配層２５は、第３の円筒部２４がＮｉ，Ｍｏを含む一方で第２の円筒部２３が高硬度化元素を含まない関係上、両円筒部２３，２４の界面を跨ぐ軸方向領域において、第３の円筒部２４から第２の円筒部２３に向けてＮｉおよびＭｏの濃度が徐々に低くなるように設けられている（図示省略）。
【００４７】
以上で説明した焼結軸受２１は、第１実施形態に係る焼結軸受１と同様に、圧縮成形工程、焼結工程、整形工程および含油工程を順に経ることで製造される。但し、これらの各工程のうち、圧縮成形工程以外の工程は、第１実施形態に係る焼結軸受１の製造工程に含まれる焼結工程、整形工程および含油工程に準ずるので、これらの工程説明は基本的に省略する。
【００４８】
図１０は、焼結軸受２１の圧粉体を得る圧縮成形工程の概要を示しており、図示例の成形金型装置３０は、圧粉体の外径面を成形する円筒状のダイ３１、圧粉体の内径面を成形するコアピン３２、および圧粉体の一端面および他端面を成形する下パンチ３３および上パンチ３４を備えている。この成形金型装置３０においては、例えば、下パンチ３３を下降させることによりダイ３１の内径面、コアピン３２の内径面および下パンチ３３の上端面でキャビティ３５を形成し、その後、このキャビティ３５に対して第３の円筒体２４に対応した第１粉末Ｍ１１、第２の円筒体２３に対応した第２粉末Ｍ１２、および第１の円筒体２２に対応した第３粉末Ｍ１３を順に充填する。このとき、第１粉末Ｍ１１と第２粉末Ｍ１２が接触した部分では、第１粉末Ｍ１１中に第２粉末Ｍ１２が分散した層（分散層）Ｎが生成される。また、第２粉末Ｍ１２と第３粉末Ｍ１３が接触した部分では、第２粉末Ｍ２中に第３粉末Ｍ３が分散した層（分散層）Ｎが生成される。
【００４９】
なお、成形金型装置３０に対する粉末Ｍ１１〜１３の充填は、下パンチ３３を三段階に分けて下降させることにより順次キャビティを形成し、各キャビティに第１〜第３粉末Ｍ１１〜Ｍ１３を順次充填するようにしても良い。
【００５０】
ここで、第１粉末Ｍ１１および第３粉末Ｍ１３は、円筒体２４，２２の金属組成に対応して、Ｆｅ粉末を主成分とし、これにＣｕ粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ粉末およびＭｏ粉末を適当な割合で混合した混合粉末であり、第２粉末Ｍ１２は、円筒体２３の金属組成に対応して、Ｆｅ粉末を主成分とし、これにＣｕ粉末およびＣ粉末を適当な割合で混合した混合粉末である。なお、円筒体２２，２４よりも低密度の円筒体２３を得るため、第２粉末Ｍ１２の主成分粉末であるＦｅ粉末としては、例えば、第１，第３粉末Ｍ１１，１３の主成分粉末であるＦｅ粉末よりも大粒径のものを使用する。また、第２粉末Ｍ１２におけるＣｕ粉末の配合割合は、第１，第３粉末Ｍ１１，Ｍ１３におけるＣｕ粉末の配合割合よりも低くする。さらに、第２粉末Ｍ１２は、焼結後の収縮に伴って、第１および第３円筒体２２，２４の内径面２２ａ，２４ａよりも大径の内径面２３ａを有する第２円筒体２３（中逃げ部２６を有する第２円筒体２３）が得られるように、各粉末の粒径や配合割合が調整される。
【００５１】
以上のようにして、キャビティ３５に粉末Ｍ１１〜Ｍ１３を充填した後、上パンチ３４を下降させて粉末Ｍ１１〜Ｍ１３を軸方向に圧縮し、圧粉体を成形する。圧粉体の成形後、下パンチ３３を上昇移動させて圧粉体を成形金型装置３０から取り出し、取り出した圧粉体を焼結工程に投入する。第２粉末Ｍ１２として上述のようなものを使用した関係上、圧粉体を焼結すると、焼結後の収縮に伴って内径面の軸方向中央部に中逃げ部２６が形成された焼結体が得られる。そして、この焼結体を、整形工程および含油工程に順次投入することにより、焼結軸受２１が得られる。
【００５２】
以上のようにして得られた焼結軸受２１においては、両円筒部２２，２４が高硬度化元素を含むことにより、高硬度で耐摩耗性に富む摺動面Ａを得ることができる。また、両円筒部２２，２４がＦｅを主成分とし、かつＣを含むことにより、機械的強度に優れた円筒部２２，２４を得ることができる。特に、上記の高硬度化元素の群から選択したＮｉおよびＭｏは焼入れ性を向上する機能も具備するので、浸炭焼き入れ等の熱処理を別途施すことなく、焼結工程において、両円筒部２２，２４のＦｅ組織にマルテンサイト変態およびベイナイト変態を生じさせることができる。これにより、両円筒部２２，２４の一層の高硬度化・高強度化を実現することができる（シンターハードニング）。その一方、両円筒部２２，２４がＣｕを含み、かつそのＣｕ濃度が円筒部２３のＣｕ濃度よりも高いことにより、摺動性に優れた摺動層Ａが得られ、軸Ｓとの摺動が繰り返されることによる摺動面Ａの摩耗を抑制することができる。なお、Ｃｕは、Ｆｅ粒子同士を結合するバインダーとしても機能することから、円筒部２２，２４におけるＦｅ粒子同士の結合力が高められる。従って、この点からも両円筒部２２，２４の高強度化が実現される。
【００５３】
また、円筒部２３については、円筒部２２，２４よりも低密度に形成されていることにより、第２の円筒部２３で保持した潤滑剤を毛細管力によって第１および第３の円筒部２２，２４に供給することができるので、摺動面Ａと軸Ｓの外周面との間に潤沢な潤滑剤を介在させることができる。これにより、摺動面Ａの摩耗を効果的に抑制あるいは防止することができる。
【００５４】
また、円筒部２２，２３の間、および円筒部２３，２４の間のそれぞれに、高硬度化元素（ＮｉおよびＭｏ）の濃度勾配が生じた濃度勾配層５，５が設けられていることにより、軸方向で隣り合う二層間の結合強度を高めることができる。なお、円筒部２３には、高硬度化元素が含まれていないので、高価な該元素の使用量を減じて焼結軸受２１のコスト増を抑制することができる。以上の構成により、円筒部２２〜２４のそれぞれにおける要求特性を同時に満足しつつ、取扱い性や信頼性に富む焼結軸受２１を実現することができる。
【００５５】
以上では、それぞれが円筒状の金属焼結体で形成された三つの金属層（内側層２、中間層３および外側層４）を径方向に積層してなる焼結軸受１、あるいはそれぞれが円筒状の金属焼結体で形成された三つの金属層（円筒部２２〜２４）を軸方向に積層してなる焼結軸受２１に本発明を適用したが、本発明は、それぞれが円筒状の金属焼結体からなる四層以上の金属層を径方向又は軸方向に積層してなる焼結軸受にも好ましく適用することができる（図示省略）。また、以上で説明した各金属層の金属組成はあくまでも例示に過ぎず、要求特性に応じて適宜変更可能であるのは言うまでもない。
【００５６】
また、以上では、本発明を、内径面に他部材（軸Ｓ）との摺動面Ａが設けられた焼結軸受１，２１に適用する場合について説明を行ったが、本発明は、外径面に他部材（軸Ｓ）との摺動面Ａが設けられた焼結軸受にも好ましく適用することができる（図示省略）。また、図示は省略するが、本発明は、軸受以外の他の機械部品、例えば、歯車（特にアイドラギヤ）、プーリ、スプロケット、カム等を、それぞれが金属焼結体からなる三層以上の金属層の積層体で形成する場合にも好ましく適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１      焼結軸受（焼結金属部品）
１ａ    内径面
２      内側層
３      中間層
４      外側層
５      濃度勾配層
１０    成形金型装置
２１    焼結軸受（焼結金属部品）
２５    濃度勾配層
Ａ      摺動面
Ｍ      圧粉体
Ｍ’    焼結体
Ｍ１    第１粉末
Ｍ２    第２粉末
Ｍ３    第３粉末
Ｎ      分散層
Ｒ      濃度勾配層の厚さ
Ｓ      軸（他部材）
【図１】
2016030848.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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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