(57)【要約】【課題】他部材から荷重が入力される外径側の機械的強度、および軸との摺動面の摺動性が同時に高められた焼結機械部品を提供する。【解決手段】焼結体Ｍ’で形成され、外径面に他部材から荷重が入力されるのに伴って、内周に挿入した軸Ｓに対して摺動しながら回転する焼結機械部品としての焼結歯車１であって、焼結体Ｍ’が、Ｃｕを含む内側層２と、内側層２に接した状態で内側層２と共に焼結された外側層３とからなり、外側層３は、ＦｅおよびＣｕ、並びに低融点金属としてのＳｎを主成分とし、かつその金属組織が、Ｆｅ組織と、Ｆｅ組織の粒界に存在してＦｅ組織同士を結合したＣｕ―Ｓｎ合金組織とを主体としている【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結体で形成され、外径面に他部材から荷重が入力されるのに伴って、内周に挿入した軸に対して摺動しながら回転する焼結機械部品であって、
前記焼結体が、Ｃｕを含む内側層と、前記内側層に接した状態で前記内側層と共に焼結された外側層とからなり、
前記外側層は、Ｆｅ、ＣｕおよびＣｕよりも低融点の金属を主成分とし、かつその金属組織が、Ｆｅ組織と、Ｆｅ組織の粒界に存在してＦｅ組織同士を結合したＣｕおよび前記低融点金属の合金組織とを主体としていることを特徴とする焼結機械部品。
【請求項２】
前記低融点金属が、Ｓｎ、Ｚｎ又はＰの群から選択される少なくとも一種である請求項１に記載の焼結機械部品。
【請求項３】
前記外側層における前記低融点金属の濃度を０．５〜２．０質量％とした請求項１又は２に記載の焼結機械部品。
【請求項４】
前記内側層が、さらにＦｅを含み、
前記内側層のＣｕ濃度を１０〜３０質量％にすると共に、前記内側層のＦｅ濃度を前記Ｃｕ濃度よりも大きくした請求項１〜３の何れか一項に記載の焼結機械部品。
【請求項５】
前記外側層のＣｕ濃度を前記内側層のＣｕ濃度よりも小さくした請求項１〜４の何れか一項に記載の焼結機械部品。
【請求項６】
前記外側層が、炭素を含む雰囲気下で前記内側層と共に焼結された請求項１〜５の何れか一項に記載の焼結機械部品。
【請求項７】
前記外側層が、炭素を含まない雰囲気下で前記内側層と共に焼結された請求項１〜５の何れか一項に記載の焼結機械部品。
【請求項８】
前記内側層の内径面が、塑性加工により整形された整形面である請求項１〜７の何れか一項に記載の焼結機械部品。
【請求項９】
外径面が、歯面に形成された請求項１〜８の何れか一項に記載の焼結機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結金属製の機械部品（焼結機械部品）に関し、特に、外径面に他部材から荷重が入力されるのに伴って、内周に挿入した軸に対して摺動しながら回転する焼結機械部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コスト低減や摺動特性の向上を目的として、例えば減速機構等に組み込まれる機械部品を、金属の機械加工品から焼結機械部品に置換する試みがなされている。各種機械部品のうち、例えば、遊星歯車減速機で使用される遊星歯車（アイドラギヤ）は、内径側と外径側とで求められる要求特性が異なる。すなわち、アイドラギヤは、その外径面に他部材（他の歯車）から荷重が入力されると、これに伴って内周に挿入された軸に対して摺動しながら回転することから、アイドラギヤの内径面には、高い摺動性が求められる一方で、アイドラギヤの外径側には、他部材からの荷重が繰り返し入力された場合でも変形・破損等が生じないように、比較的高い機械的強度が求められる。以上のような要求特性は、例えば、外側層としての歯車部、および内側層としての軸受部を個別に製作し、歯車部の内周に軸受部を圧入することで同時に満足することができる（特許文献１を参照）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１のように、歯車部の内周に軸受部を圧入することで二層構造の焼結体からなるアイドラギヤを得るようにした場合、軸受部又は歯車部の少なくとも一方に圧入に伴う変形等が生じ、完成品としてのアイドラギヤに求められる各部精度を満足できない可能性がある。また、完成品を得るために多数の工程（金型や設備）が必要であることからコスト面でも難がある。
【０００４】
このような問題は、下記の特許文献２に開示されているように、内径側と外径側とで材質（金属組成）を異ならせた二層構造の圧粉体を成形する手法を採用することで解決できるものと考えられる。すなわち、特許文献２に記載された方法であれば、例えば、外径側の外側層を高強度の第１粉末で形成すると共に、内径側の内側層を摺動性に優れた第２粉末で形成した圧粉体を一工程で（一の成形装置を用いて）得ることができる。従って、この圧粉体を焼結すれば、外径側が高強度で、かつ内径面の摺動性に優れた二層構造の焼結体、ひいては焼結機械部品を低コストに得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２３８８８０号公報
【特許文献２】特開２００５−９５９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献２に記載の二層構造焼結体において、軸に対する摺動性を高めるには、内径面（軸との摺動面）を、銅が豊富に存在する銅リッチ層に形成する必要がある。その一方で二層構造焼結体の外径側に高い機械的強度を確保するには、焼結体を構成する外側層の金属組織を、例えば鉄−炭素を主体としたパーライト組織とする必要がある。この場合、圧粉体は、パーライト組織を得るために１１３０℃以上の高温で焼結することになる。
【０００７】
しかしながら、上記のような高温で圧粉体を焼結した場合、銅リッチ層に含まれる銅が完全に溶融するため、摺動面に十分量の銅組織を存在させることができない。その一方で、単に焼結温度を下げるだけでは焼結体の外径側で必要とされる強度を確保することができない。
【０００８】
このような実情に鑑み、本発明は、外径側の機械的強度および内径面（軸との摺動面）の摺動性が同時に高められた焼結機械部品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】
【０００９】
上記の目的を達成するために創案された本発明は、焼結体で形成され、外径面に他部材から荷重が入力されるのに伴って、内周に挿入した軸に対して摺動しながら回転する焼結機械部品であって、焼結体が、Ｃｕを含む内側層と、内側層に接した状態で内側層と共に焼結された外側層とからなり、外側層は、Ｆｅ、ＣｕおよびＣｕよりも低融点の金属を主成分とし、かつその金属組織が、Ｆｅ組織と、Ｆｅ組織の粒界に存在してＦｅ組織同士を結合したＣｕおよび前記低融点金属の合金組織とを主体としていることを特徴とする。
【００１０】
上記のように、焼結体を構成する外側層がＣｕとＣｕよりも低融点の金属（低融点金属）とを含んでいる場合、焼結時には、まず、外側層（厳密には、圧粉体のうち焼結に伴って外側層となる部分）に含まれる低融点金属が溶融し、その溶融液が毛細管現象によりＦｅ粒子の内部深くにまで拡散する。また、低融点金属の溶融液がＣｕ粒子の表面を濡らすことにより、Ｃｕ粒子が溶融して低融点金属との間に液相状態の合金（Ｃｕと低融点金属の合金）を形成し、この液相状態の合金は、Ｆｅ組織間に入り込んでＦｅ組織同士を結合する組織となる。これにより、Ｆｅ組織同士が強固に結合された高強度の外側層を得ることができるので、焼結温度をＣｕの融点よりも低い温度に設定しても、外側層に比較的高い機械的強度を確保することができる。その一方、焼結温度をＣｕの融点よりも低くすれば、内側層（厳密には、圧粉体のうち焼結に伴って内側層となる部分）に含まれるＣｕ粒子が焼結により溶融せずに固体の状態を保持する。そのため、内側層に含まれるＣｕが外側層に引き込まれず、内側層の内径面（軸との摺動面）に多くのＣｕ組織が分布した銅リッチ層を形成することができる。従って、焼結体の高強度化と、軸との摺動面の摺動性確保とを同時に実現することができる。
【００１１】
外側層に含める低融点金属としては、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）又はリン（Ｐ）の群から選択される少なくとも一種を用いることができる。また、外側層における低融点金属の濃度は０．５〜２．０質量％の範囲内とすることができる。
【００１２】
内側層は、さらにＦｅを含むものとすることができる。この場合において、内側層のＣｕ濃度を１０〜３０質量％の範囲内にすると共に、内側層のＦｅ濃度をＣｕ濃度よりも大きくすれば、内径面（軸との摺動面）における摺動特性を確保しつつ銅の過剰使用による高コスト化および強度低下を可及的に防止することができる。なお、本発明の適用対象である焼結機械部品の内側層には、それほど高い強度は必要とされない。そのため、特にコスト面で問題がなければ、内側層は、Ｆｅに替えて、例えばＣｕを主体としても良い。
【００１３】
外側層は、Ｆｅ粒子（Ｆｅ組織）同士を結合させるためにＣｕを含んでいるが、外側層のＣｕ濃度を内側層のＣｕ濃度よりも小さくすれば、高価な銅の使用量を抑えて焼結機械部品の低コスト化を図ることができる。
【００１４】
外側層は、炭素を含む雰囲気下で内側層と共に焼結されたものとすることができる。このようにすれば、炭素を含まない雰囲気（例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気）下で焼結を実行する場合に比べて焼結に要するコストを低減できる他、外側層を構成するＦｅ組織（さらに、場合によっては内側層を構成するＦｅ組織）にパーライト相を形成することができるので、焼結機械部品を高強度化することができる。
【００１５】
また、外側層は、炭素を含まない雰囲気下で内側層と共に焼結されたものとしても良い。このようにすれば、炭素を含む雰囲気（例えば、ブタンガスやプロパンガス等の液化石油ガスと空気を混合してＮｉ触媒で熱分解させた吸熱型ガス（ＲＸガス）雰囲気）下で焼結を実行する場合に比べて、外側層および内側層の双方を高精度化することができる。
【００１６】
内側層の内径面（軸との摺動面）は、塑性加工により整形された整形面とすることができる。このようにすれば、摺動面を容易に高精度化することができる。また、塑性加工の加工量に応じて摺動面の表面開孔率を調整することができるので、内側層の内部気孔に潤滑油等の潤滑剤を含浸させる場合、摺動面に対する潤滑油の滲み出し量（油膜の形成能力）を調整することができる。なお、塑性加工としては、例えばサイジング加工を採用することができる。
【００１７】
内側層と外側層との界面には、上記低融点金属の濃度勾配を生じさせることができる。この場合、内側層と外側層の界面付近にもＣｕと低融点金属の合金組織が形成されるため、内側層と外側層の界面の強度、ひいては内側層と外側層の結合強度が高められる。なお、上記のような濃度勾配は、例えば、内側層の形成用粉末と外側層の形成用粉末とを同一の金型に供給して同時に圧縮成形するいわゆる二色成形法を採用して圧粉体を作製し、その後、この圧粉体を焼結することで得ることができる。
【００１８】
以上で述べた本発明は、外径面が、例えば歯面等の駆動力伝達面に形成された焼結機械部品に好ましく適用することができる。本発明は、例えば、二層構造焼結体からなるアイドラギヤ等に好ましく適用することができる。もちろん、本発明は、外径面に他部材から荷重が入力されるのに伴って、内周に挿入した軸に対して摺動しながら回転する他の焼結機械部品（例えば、プーリ）にも好ましく適用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上から、本発明によれば、外径側の機械的強度および内径面の摺動性が高められた焼結機械部品を低コストに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る焼結機械部品の概略正面図である。
【図２】（ａ）図は内側層の組織を模式的に示す拡大図、（ｂ）図は外側層の組織を模式的に示す拡大図である。
【図３】図１に示す焼結歯車に加工される圧粉体の成形金型装置に第１粉末を充填した状態を示す断面図である。
【図４】成形金型装置に第２粉末を充填した状態を示す断面図である。
【図５】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断面図である。
【図６】成形金型装置において、余剰粉末を除去した状態を示す断面図である。
【図７】成形金型装置で粉末を圧縮した状態を示す断面図である。
【図８】成形金型装置から圧粉体を取り出した状態を示す断面図である。
【図９】焼結工程で使用する焼結炉の概略図である。
【図１０】焼結体の寸法矯正工程を模式的に示す断面図である。
【図１１】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１２】低融点金属の濃度勾配を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１に、本発明の実施形態に係る焼結機械部品としての焼結歯車１の一例を示す。この焼結歯車１は、例えば遊星歯車減速機を構成する遊星歯車（アイドラギヤ）として使用されるものであり、より具体的には、軸Ｓの外周に、例えば隙間嵌めされた状態で使用される。そして、例えば、焼結歯車１の内径側に配置された図示しない太陽歯車が回転すると、太陽歯車の回転を受けて焼結歯車１が軸Ｓに対して摺動しながら回転すると共に、焼結歯車１の外径側に配置された図示しない内歯車が回転する。これにより、太陽歯車の回転トルクが焼結歯車１を介して内歯車に伝達される。
【００２３】
図１に示す焼結歯車１は、内径面２ａを軸Ｓとの摺動面Ａとした内側層２と、外周に、他部材（ここでは太陽歯車および内歯車）から荷重が入力される荷重作用面（太陽歯車と内歯車の間で駆動力を伝達する駆動力伝達面）Ｂとして機能する歯面を有する外側層３とを互いに接触させた状態で一体に有する。本実施形態において、焼結歯車１のうち、内側層２の内径面２ａ（摺動面Ａ）は塑性加工により整形された整形面とされる一方、外側層３の外径面（荷重作用面Ｂ）は、摺動面Ａのような整形面とはされていない。従って、摺動面Ａの表面開孔率は、荷重作用面Ｂ（歯面）の表面開孔率よりも小さくなっている。
【００２４】
この焼結歯車１の内部気孔には、潤滑剤として、例えば鉱物油や合成油等の潤滑油が含浸される。そのため、焼結歯車１が軸Ｓに対して回転すると、内側層２の内部気孔に保持された潤滑油が内側層２の内径面２ａの表面開孔から滲み出し、内径面２ａ（摺動面Ａ）と軸Ｓの外周面との間に潤滑油の油膜が形成される。これにより、摺動面Ａの摩耗が抑制あるいは防止される。焼結歯車１全体の含油率は、例えば１０〜２５ｖｏｌ％とし、好ましくは１５〜２５ｖｏｌ％とする。含油率が１０ｖｏｌ％を下回ると、所望の潤滑特性を長期間に亘って安定的に維持・発揮することができず、含油率が２５ｖｏｌ％を上回ると、内部気孔率が高まる関係上、焼結歯車１に全体として必要とされる機械的強度を確保することができない可能性があるからである。
【００２５】
また、焼結歯車１の内部気孔に含浸させる潤滑油があまりに低粘度であると、潤滑油が外部に流出し易くなる他、油膜剛性が低くなって摺動面Ａの摩耗抑制効果が不十分になる可能性がある。一方、潤滑油があまりに高粘度であると、摺動面Ａの表面開孔からの潤滑油の滲み出し量が不足し、所定厚さ・剛性の油膜を形成できない可能性がある。かかる観点から、潤滑油としては、４０℃における動粘度が、略５ｍｍ2／ｓ以上略６００ｍｍ2／ｓ以下のものが好ましく、略３０ｍｍ2／ｓ以上略５５０ｍｍ2／ｓ以下のものが一層好ましく、略５０ｍｍ2／ｓ以上略５００ｍｍ2／ｓ以下のものがより一層好ましい。
【００２６】
なお、焼結歯車１の内部気孔には、上記の潤滑油に替えて液状グリースを含浸させても構わない。液状グリースとしては、例えば、４０℃における動粘度が上記範囲内にある潤滑油を基油とし、これにリチウム石けん等の石けん系増ちょう剤、あるいはウレア等の非石けん系増ちょう剤を添加したものを使用することができる。
【００２７】
以上で説明した焼結歯車１は、内側層２と外側層３とで金属組成が異なっている。本実施形態の内側層２は、図２（ａ）に示すように、Ｆｅを母体とするＦｅ組織と、ＣｕからなるＣｕ組織とを主体とし、隣接する金属組織同士が固相接合したＣｕ−Ｆｅ系の焼結金属で形成される。内側層２の金属組織中には黒鉛（遊離黒鉛）が点在している。詳細な図示は省略しているが、各Ｆｅ組織は、少なくとも表層部にパーライト相を有する。この内側層２は、Ｆｅ組織がＣｕ組織よりも多く、黒鉛が最も少ない。具体的に述べると、内側層２は、例えば、Ｃｕを１０〜３０（好ましくは１５〜２０）質量％、Ｃ（遊離黒鉛）を０．５〜３質量％含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。なお、内側層２を構成する金属（元素）の割合は、後述する第２粉末Ｍ２における各種粉末の配合割合に概ね倣っている。
【００２８】
一方、外側層３は、図２（ｂ）に示すように、Ｆｅを母体とするＦｅ組織と、Ｆｅ組織間に存在してＦｅ組織同士を結合したＣｕ−低融点金属の合金組織（ここでは、Ｃｕ−Ｓｎの合金組織）とを主体とした、いわゆるＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系の焼結金属で形成される。詳細な図示は省略しているが、外側層３を構成する各Ｆｅ組織は、内側層２を構成するＦｅ組織と同様に、少なくとも表層部にパーライト相を有する。この外側層３は、Ｆｅ組織がＣｕ−Ｓｎ合金組織よりも多い。すなわち、外側層３におけるＦｅ濃度とＣｕ濃度とを比較すると、Ｆｅ濃度の方がＣｕ濃度よりも大きい。また、外側層３のＣｕ濃度は、内側層２のＣｕ濃度よりも小さい。具体的に述べると、外側層３は、例えば、Ｃｕを１〜１０（好ましくは２〜５）質量％、Ｓｎを０．５〜２．０質量％含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。なお、外側層３を構成する金属（元素）の割合は、後述する第１粉末Ｍ１における各種粉末の配合割合に概ね倣っている。
【００２９】
以上の構成を有する焼結歯車１は、主に、圧縮成形工程、焼結工程、寸法矯正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、焼結歯車１の形状に概ね対応した圧粉体Ｍ（図８参照）を得る工程であり、ここでは、外側層３の形成用粉末である第１粉末Ｍ１と、内側層２の形成用粉末である第２粉末Ｍ２とを同一の金型に供給して同時に圧縮するいわゆる二色成形法を採用して圧粉体Ｍを得る。この二色成形は、金型内に形成した２つのキャビティのそれぞれに粉末を充填してから両粉末を圧縮成形するものであり、例えば図３〜図８に示す成形金型装置１０を用いて行われる。
【００３１】
図３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１２と、ダイ１１とコア１２との間に配されて圧粉体Ｍの一端面を成形する第１の下パンチ１３、仕切部材１４および第２の下パンチ１５と、圧粉体Ｍの他端面を成形する上パンチ１６（図８参照）とを備える。第１の下パンチ１３、仕切部材１４および第２の下パンチ１５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、図３に示すように、仕切部材１４および第２の下パンチ１５を上死点まで上昇させると共に、第１の下パンチ１３を下死点まで下降させることにより、ダイ１１の内周面１１ａ、コア１２の外周面１２ａ、仕切部材１４の外壁面１４ａおよび第１の下パンチ１３の上端面１３ａで、横断面形状が外側層３の横断面形状に対応した第１キャビティ１７を形成する。第１キャビティ１７を形成した後、この第１キャビティ１７に第１粉末Ｍ１を充填する。第１粉末Ｍ１の組成は後述する。
【００３３】
次に、図４に示すように、第２の下パンチ１５を下死点まで下降させ、仕切部材１４の内壁面１４ｂ、コア１２の外周面１２ａおよび第２の下パンチ１５の上端面１５ａで、横断面形状が内側層２の横断面形状に対応した第２キャビティ１８を形成する。この第２キャビティ１８は、仕切部材１４の存在により、第１キャビティ１７から隔絶された状態で形成される。以上のようにして第２キャビティ１８を形成した後、この第２キャビティ１８に第２粉末Ｍ２を充填する。このとき、第２粉末Ｍ２を第２キャビティ１８から溢れさせ、仕切部材１４の上方を覆うようにする。第２粉末Ｍ２の組成は後述する。
【００３４】
次に、図５に示すように仕切部材１４を下降させると、仕切部材１４が取り除かれることで形成されたスペースに、仕切部材１４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。これにより、ダイ１１の内周面１１ａ、両下パンチ１３，１５の上端面１３ａ，１５ａ、仕切部材１４の上端面１４ｃおよびコア１２の外周面１２ａで形成されるキャビティ１９が、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２で満たされた状態となる。そして、図６に示すように、キャビティ１９から溢れ出た余分な第２粉末Ｍ２を除去する。
【００３５】
その後、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に充填された第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮し、第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２の圧粉体Ｍを成形する。圧粉体Ｍの成形後、図８に示すように、両下パンチ１３，１５および仕切部材１４を上昇移動させ、圧粉体Ｍを成形金型１０から取り出す。
【００３６】
ここで、第１粉末Ｍ１は、鉄粉、銅粉および低融点金属粉を主成分粉末として混合した混合粉末であるが、この混合粉末には、圧粉体の成形性向上を目的として微量のワックス系充填剤を添加している。第１粉末Ｍ１に含める鉄粉としては、焼結金属の形成用粉末として一般に使用されているものであれば問題なく使用することができ、例えば、還元鉄粉、アトマイズ鉄粉、あるいはこれらを混合したものを使用できる。本実施形態では、多孔質状をなし、含油性に優れた還元鉄粉を使用する。使用する鉄粉（還元鉄粉）は、粒度が４０〜１５０μｍで、見かけ密度が２．０〜２．８ｇ／ｃｍ3程度のものが好ましい。なお、ここでいう見かけ密度とは、ＪＩＳ  Ｚ８９０１の規定に準ずる（以下同様）。また、銅粉としては、焼結金属の形成用粉末として一般に使用されているものであれば問題なく使用することができ、例えば、電解銅粉、アトマイズ銅粉、あるいはこれらを混合したものを使用できる。使用する銅粉は、粒度が２０〜１００μｍで、見かけ密度が２．０〜３．３ｇ／ｃｍ3程度のものが好ましい。低融点金属粉としては、銅よりも低融点の金属、具体的には略７００℃以下の融点を有する金属の粉末を使用でき、例えば、錫（Ｓｎ）粉、亜鉛（Ｚｎ）粉、リン（Ｐ）粉等の群から選択される少なくとも一種が使用される。本実施形態では、粒度が１０〜５０μｍで、見かけ密度が１．８〜２．６ｇ／ｃｍ3程度とされたＳｎ粉を使用する。
【００３７】
なお、第１粉末Ｍ１として、鉄と低融点金属（リン、亜鉛、錫等の群から選択される少なくとも一種）との合金鋼粉に銅粉を混合したものを使用しても良い。
【００３８】
本実施形態の第１粉末Ｍ１における各粉末の具体的な配合割合は、例えば、Ｃｕ粉：１〜１０（好ましくは２〜５）質量％、Ｓｎ粉：０．５〜２．０質量％とし、残りをＦｅ粉とする。但し、Ｓｎ粉のＣｕ粉に対する配合割合は、重量比で１／５以上１以下とする。各粉末の配合割合を上記のように設定した理由は以下のとおりである。まず、銅粉は、圧粉体Ｍの焼結時にＦｅ粉同士を結合する（焼結体からなる外側層３を構成するＦｅ組織同士を結合する）ために配合されることから、その配合量が少なすぎると外側層３の強度低下を招く。しかしながら、Ｃｕ粉の配合量が増大すると、Ｆｅ粉に比べて相当に高価なＣｕ粉の配合割合が増大する分、焼結歯車１の高コスト化を招来することに加え、Ｆｅ粉の配合割合が低下する分、外側層３の強度低下を招く。次に、Ｓｎ粉は、圧粉体Ｍの焼結時にＣｕ粉を溶融させることにより、外側層３のＦｅ組織同士を結合するためのＣｕ−Ｓｎ合金組織を形成するために配合されている。そのため、Ｓｎ粉の配合量が少なすぎると焼結体Ｍ’（外側層３）の強度を十分に高めることができないが、Ｓｎ粉の配合量が多すぎると、焼結体Ｍ’の高コスト化を招来する可能性がある。以上から、Ｃｕ粉およびＳｎ粉の配合割合は上記の範囲とする。
【００３９】
一方、第２粉末Ｍ２は、Ｆｅ粉とＣｕ粉の混合粉末であり、本実施形態ではさらに黒鉛粉が混合される。第２粉末Ｍ２における各粉末の配合割合は、例えば、Ｃｕ粉：１０〜３０質量％（好ましくは１５〜２０質量％）、黒鉛粉：０．５〜３質量％とし、残りをＦｅ粉とする。Ｃｕ粉の配合割合は、これが少なすぎると摺動面Ａの摺動性が低下し、多すぎると摺動面Ａの耐摩耗性に問題が生じるので上記の範囲とする。また、黒鉛粉は、焼結体Ｍ’（内側層２）に遊離黒鉛として残存させて内側層２にて固体潤滑剤として機能させるために配合される。そのため、黒鉛粉の配合割合は、これが少なすぎると固体潤滑剤としての効果が低くなるが、多すぎると、黒鉛は、Ｆｅ、Ｃｕと比較して比重が小さいため、粉末の偏析、流動性の悪化、粉末充填性の悪化を引き起こすので上記の範囲とする。
【００４０】
ところで、第１粉末Ｍ１と第２粉末Ｍ２の組成の違いから両粉末Ｍ１，Ｍ２の見かけ密度にはどうしても差が生じ、両粉末Ｍ１，Ｍ２間の見かけ密度差は、両粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮して圧粉体Ｍを成形する際に、圧粉体Ｍの一部が崩れるなどといった問題を生じさせる可能性がある。しかしながら、本実施形態のように形成すべき内側層２が外側層３よりも薄肉で、かつ外側層３に対応する第１粉末Ｍ１の見かけ密度が内側層２に対応する第２粉末Ｍ２の見かけ密度よりも低い状態（具体的には両粉末の密度差が０．５ｇ／ｃｍ3以下）であれば、両粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮しても圧粉体Ｍを精度良く成形することができる。従って、第１粉末Ｍ１の見かけ密度は第２粉末Ｍ２の見かけ密度よりも低くし、かつその密度差を０．５ｇ／ｃｍ3以下に抑えるのが好ましい。
【００４１】
以上のようにして得られた圧粉体Ｍは焼結工程に移送される。焼結工程は、図９に示すように、ヒータ２１が設置された焼結ゾーン２０ａと、自然放熱を行う冷却ゾーン２０ｂとを連続的に有する連続焼結炉２０を用いて実施することができる。圧粉体Ｍの焼結は、炭素を含むガス雰囲気下で実施される。炭素を含むガスとしては、例えば、ブタンガスやプロパンガス等の液化石油ガスと空気を混合してＮｉ触媒で熱分解させた吸熱型ガス（ＣＯ、ＣＯ2含有ガス／ＲＸガス）が使用される。焼結温度は、第１粉末Ｍ１の圧粉体に含まれる低融点金属粉（ここではＳｎ粉）の融点よりも高く、かつＣｕの融点よりも低い温度に設定されるが、本実施形態では、第２粉末Ｍ２の圧粉体に含まれる黒鉛粉中の炭素が鉄と反応を開始する温度（略７２７℃）以上に設定する。具体的には、焼結温度を略７２７℃以上略９００℃以下、より好ましくは略７５０℃以上略８８０℃以下に設定する。この温度は、鉄系焼結体を得る際の一般的な焼結温度よりも低い。
【００４２】
上記の焼結条件で圧粉体Ｍを焼結すると、焼結体Ｍ’（図９〜図１１参照）が得られる。圧粉体Ｍの焼結時、第１粉末Ｍ１の圧粉体は、第２粉末Ｍ２の圧粉体に接した状態で第２粉末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、外側層３となる部分Ｍ１’と内側層２となる部分Ｍ２’とが一体化された焼結体Ｍ’を得ることができる。なお、焼結に伴い、第１粉末Ｍ１の圧粉体に潤滑剤として含まれていたワックス系充填剤は揮散する。
【００４３】
焼結工程で得られた焼結体Ｍ’は寸法矯正工程に移送され、焼結体Ｍ’の所定部位に寸法矯正加工が施される。これにより、焼結体Ｍ’が完成品形状に仕上げられる。本実施形態では、図１０に示すように、同軸配置されたダイ２３、コア２４および上下のパンチ２５，２６を有する金型装置を用い、焼結体Ｍ’の内径面に塑性加工としてのサイジングを施すことにより、焼結体Ｍ’の内径面が完成品形状に仕上げられる。なお、焼結体Ｍ’の外径面は焼結歯車１の外径面に対応した複雑な歯面形状を呈すること、また、歯面には摺動面Ａに求められるほどの精度が必要ないことなどから、本実施形態では焼結体Ｍ’外径面への寸法矯正加工を省略する。以上より、内側層２の内径面２ａ（摺動面Ａ）は塑性加工により整形された整形面とされる一方、外側層３の外径面（荷重作用面Ｂ）は、摺動面Ａのような整形面とはされない。寸法矯正工程の実施後、含油工程で焼結体Ｍ’の内部気孔に潤滑剤（上述した潤滑油あるいは液状グリース）を含浸させると、図１等に示す焼結歯車１が完成する。
【００４４】
図９に示す焼結工程における焼結時には、圧粉体Ｍのうち、まず、第１粉末Ｍ１の圧粉体に含まれる低融点金属（Ｓｎ）粉が溶融する。Ｓｎの溶融液は毛細管現象によりＦｅ粒子の内部深くにまで拡散する。また、Ｓｎの溶融液が第１粉末Ｍ１に含まれるＣｕ粒子の表面を濡らすと、Ｃｕ粒子がＣｕの融点を下回る温度で溶融するため、溶融したＣｕとＳｎとで液相状態のＣｕ−Ｓｎ合金が形成される。この液相状態のＣｕ−Ｓｎ合金はＦｅ組織間に入り込んでＦｅ組織同士を結合するＣｕ−Ｓｎ合金組織となる。これにより、Ｆｅ組織同士が強固に結合された外側層３を得ることができるので、圧粉体Ｍの焼結温度をＣｕの融点よりも低い温度に設定しても、外側層３に高い機械的強度を確保することができる。特に、本実施形態では、圧粉体Ｍの焼結を、炭素を含むガス雰囲気下で実施したので、外側層３を構成する各Ｆｅ組織のうち、少なくとも表層部には高硬度のパーライト相が形成される。従って、圧粉体Ｍの焼結温度を、鉄系焼結体を得る際の一般的な焼結温度よりも十分に低く設定した場合でも、外側層３に必要とされる強度を確保することができる。
【００４５】
また、圧粉体Ｍの焼結温度をＣｕの融点よりも低い温度に設定したことにより、第２粉末Ｍ２の圧粉体に含まれるＣｕ粉は焼結に伴って溶融せず、固体の状態を保持する。そのため、内側層２に含まれるＣｕは外側層３に引き込まれず、軸Ｓとの摺動面Ａに、Ｃｕ組織が多量に分布した銅リッチ層を形成することができる。また、圧粉体Ｍの焼結温度を上記の範囲に設定したことにより、第２粉末Ｍ２の圧粉体に含まれる黒鉛粉は、圧粉体Ｍの焼結に伴って拡散し、図２（ａ）に示すように、過剰な黒鉛は遊離黒鉛として内側層２の金属組織中に残存する。内側層２の金属組織中に残存した黒鉛粉の少なくとも一部は、軸Ｓとの摺動面Ａに露出して固体潤滑剤として機能する。
【００４６】
また、内側層２は、Ｆｅを含み、かつＦｅ濃度がＣｕ濃度よりも大きいので、軸Ｓとの摺動面Ａにおける摺動性を確保しつつＣｕの過剰使用による高コスト化および強度低下を可及的に防止することができる。また、外側層３は、Ｆｅ組織同士を結合させるためにＣｕを含んでいるが、外側層３のＣｕ濃度は内側層２のＣｕ濃度よりも小さいので、高価なＣｕの使用量を抑えて焼結歯車１のコスト増を抑制することができる。
【００４７】
以上より、内側層２に設けられる軸Ｓとの摺動面Ａに良好な摺動性や耐摩耗性を確保しつつ、他の歯車から荷重が入力される荷重作用面Ｂ（歯面）を有する外側層３に必要とされる機械的強度を確保した焼結歯車１を低コストに得ることができる。
【００４８】
また、内側層２の内径面２ａに設けられた軸Ｓとの摺動面Ａが、塑性加工（サイジング）により整形された整形面とされているので、耐摩耗性の向上が実現される。また、サイジングに伴って摺動面Ａには実質的に目潰し処理が施された状態となっているので、焼結歯車１の内部気孔に含浸させた潤滑油の摺動面Ａに対する滲み出し量を最適化することができる。これにより、焼結歯車１が軸Ｓと繰り返し摺動した場合でも、焼結歯車１の摺動面Ａの摩耗を効果的に抑制することができる。
【００４９】
なお、内側層２形成用の第２粉末Ｍ２にはＳｎ粉が含まれていないので、理論上は内側層２にＳｎが含まれないことになるが、図３〜図８に示す圧縮成形工程の手順との関係で、実際には図１２に示すように、内側層２と外側層３との界面にＳｎの濃度勾配が生じる。これにより、内側層２と外側層３の界面付近には、Ｆｅ組織同士を結合させるＣｕ−Ｓｎ合金組織が存在することになるため、内側層２と外側層３の結合強度が高められる。なお、上記の理由から、内側層２のうち、外側層３から十分に離間した領域（例えば、摺動面Ａ）ではＣｕ−Ｓｎ合金組織が存在しない。Ｓｎの濃度勾配が生じている層の半径方向寸法Ｒは、成形金型装置１０に設けた仕切部材１４（図３等を参照）の厚さにより調整することができる。
【００５０】
以上、本発明の第１実施形態に係る焼結機械部品としての焼結歯車１およびその製造方法について説明を行ったが、本発明の実施の形態は上述のものに限られない。
【００５１】
例えば、以上で説明を行った第１実施形態では、圧粉体Ｍを、炭素を含むガス（ＲＸガス）雰囲気下で焼結したが、圧粉体Ｍは、炭素を含まないガス雰囲気下（例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下）、または真空下で焼結しても良い。この場合、内側層２および外側層３を構成するＦｅ組織は、相対的に硬質のパーライト相ではなく相対的に軟質のフェライト相を主体としたものとなる。このように外側層３のＦｅ組織がフェライト相を主体としたものになっても、例えば入力される荷重がそれほど大きくない焼結歯車１であれば、焼結歯車１の耐久寿命に悪影響が及ぶような事態は基本的に生じない。強度面やコスト面を重視する場合、圧粉体Ｍの焼結は、ＲＸガス等の炭素を含むガス雰囲気下で実行するのが好ましいが、炭素を含む雰囲気下で焼結を実行すれば、炭素を含む雰囲気（例えば、ＲＸガス雰囲気）下で焼結を実行する場合に比べて、焼結歯車１を構成する外側層３および内側層２の双方を高精度化することができるという利点がある。これは、主に、焼結に伴うＦｅ組織の寸法変化が、パーライト相よりもフェライト相の方が小さいことに由来する。
【００５２】
上記のように、炭素を含まないガス雰囲気下で圧粉体Ｍを焼結する場合においても、焼結温度は、炭素を含むガス雰囲気下で圧粉体Ｍを焼結する場合と同様に、第１粉末Ｍ１の圧粉体に含まれる低融点金属粉（ここではＳｎ粉）の融点よりも高く、かつＣｕの融点よりも低い温度に設定する。
【００５３】
以上で説明した実施形態では、外側層３を形成するための第１粉末Ｍ１に黒鉛粉を含めていないが、第１粉末Ｍ１に黒鉛粉を適量配合しても構わない。
【００５４】
また、以上で説明した実施形態では、焼結体Ｍ’（焼結歯車１）のうち、軸Ｓとの摺動面Ａに塑性加工としてのサイジング加工を施すことにより、摺動面Ａの寸法矯正（精度向上）、並びに強度および耐摩耗性向上を実現するようにしたが、サイジング加工は必要に応じて実施すれば足り、必ずしも実施する必要はない。
【００５５】
また、例えば、内側層２の外径面（又は外側層３の内径面）の横断面形状は任意の形態とすることができる。すなわち、内側層２の外径面の横断面形状は、例えば、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と外側層３の接触面積が拡大するので、両層２，３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の外径面の横断面形状は圧縮成形工程で使用する仕切部材１４（図３等参照）の内径面の横断面形状に倣うため、使用する仕切部材１４の形状を変更するだけで内側層２の外径面の横断面形状を変更することができる。
【００５６】
また、以上で説明した焼結歯車１は、遊星歯車減速機構を構成する遊星歯車以外にも、例えば、複写機、レーザビームプリンタ等の画像形成装置における現像部、感光部、定着部等、ならびにそれらの周辺部に装着されるアイドラギヤとして使用することが可能である。
【００５７】
また、以上では、本発明を焼結機械部品としての焼結歯車１に適用する場合について説明したが、本発明は、他の焼結機械部品、特に、外径面に他部材から荷重が入力されるのに伴って内周に挿入した軸に対して摺動しながら回転する焼結機械部品（例えば、プーリ等）にも好ましく適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１      焼結歯車（焼結機械部品）
２      内側層
２ａ    内径面
３      外側層
１０    成形金型装置
１４    仕切部材
２０    焼結炉
Ａ      摺動面
Ｂ      荷重作用面
Ｍ      圧粉体
Ｍ’    焼結体
Ｍ１    第１粉末
Ｍ２    第２粉末
Ｓ      軸
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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