(57)【要約】【課題】複合焼結体を構成する複数の部材の接合強度を高める。【解決手段】本発明に係る複合焼結材１の製造方法は、鉄を主成分として銅を含む焼結金属からなる第１部材（アウター部材３）と、焼結金属あるいは他の金属材料からなる第２部材（インナー部材２）とを、拡散接合により接合したものであり、第１部材と第２部材との接合面における銅の割合が、第１部材の内部における銅の割合よりも高い。【選択図】図２
2016069715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分として銅を含む焼結金属からなる第１部材と、焼結金属あるいは他の金属材料からなる第２部材とを、拡散接合により接合した複合焼結体において、
前記第１部材と前記第２部材との接合面における銅の割合が、前記第１部材の内部における銅の割合よりも高いことを特徴とする複合焼結体。
【請求項２】
前記第１部材が、銅を０．８〜１２．０ｗｔ％含む請求項１記載の複合焼結体。
【請求項３】
鉄系粉末を主成分として銅系粉末を含む原料粉末を圧縮成形して第１圧粉体を形成すると共に、前記原料粉末と同一又は異なる組成の原料粉末を圧縮成形して第２圧粉体を形成する工程と、前記第１圧粉体と前記第２圧粉体とを圧接した状態で加熱することにより、前記第１圧粉体および前記第２圧粉体を焼結して焼結金属からなる第１部材および第２部材を得ると共に、前記第１部材と前記第２部材とを拡散接合により接合する工程とを有する複合焼結体の製造方法において、
前記第１圧粉体のうち、前記第２圧粉体との接合面における銅の割合が、前記第１圧粉体の内部における銅の割合よりも高いことを特徴とする複合焼結体の製造方法。
【請求項４】
鉄系粉末を主成分として銅系粉末を含む原料粉末を圧縮成形して第１圧粉体を形成すると共に、金属材料で第２部材を形成する工程と、前記第１圧粉体と前記第２部材とを圧接した状態で加熱することにより、前記第１圧粉体を焼結して焼結金属からなる第１部材を得ると共に、前記第１部材と前記第２部材とを拡散接合により接合する工程とを有する複合焼結体の製造方法において、
前記第１圧粉体のうち、前記第２部材との接合面における銅の割合が、前記第１圧粉体の内部における銅の割合よりも高いことを特徴とする複合焼結体の製造方法。
【請求項５】
前記第１圧粉体の原料粉末中の銅の割合が０．８〜１２．０ｗｔ％である請求項３又は４記載の複合焼結体の製造方法。
【請求項６】
前記銅系粉末が、扁平銅粉を含む請求項３〜５の何れかに記載の複合焼結体の製造方法。
【請求項７】
前記第１圧粉体の原料粉末中の前記扁平銅粉の割合が、０．４〜４．０ｗｔ％である請求項６記載の複合焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金製品の一種である焼結体は、金属粉末を含む混合粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する圧粉工程と、圧粉体を所定の温度で焼結する焼結工程とを経て製造される。圧粉工程は、一軸プレス機を用いて行われることが多いため、圧粉体がアンダーカット形状を有する場合は、圧粉体を金型から取り出すことができない。このため、製品の形状には制限があった。
【０００３】
例えば、複数の焼結体を接合してなる複合焼結体であれば、アンダーカット形状を有するような複雑形状の製品を製造することが可能となる。このような複合焼結体を製造するにあたり、複数の焼結体を接合する方法として、複数の圧粉体の接合面に十分な圧力をかけた状態で焼結することにより、接合面を拡散接合する焼結拡散接合技術が知られている。焼結拡散接合による接合力を高めるためには、例えば、圧粉体同士の締め代を大きくすればよい。しかし、圧粉体は非常にもろいため、単純に締め代を大きくすると破損する恐れが高い。
【０００４】
例えば下記の特許文献１には、軸部を有する圧粉体（インナー）の炭素量を、孔部を有する圧粉体（アウター）の炭素量よりも重量比で０．２％以上多くすることで、焼結によるインナーの膨張量をアウターの膨張量よりも大きくし、両部材の接合力を高める方法が示されている。
【０００５】
また、下記の特許文献２には、鉄系材料の穴部に銅系材料を焼結接合するにあたり、銅系材料の組成を特定すると共に、所定の条件で焼結することで、銅系材料を膨張させて鉄系材料に接合する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−１９３３０４号公報
【特許文献２】特許第３０４５４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び２の何れの方法も、インナーとアウターとの膨張量差を異ならせることで締め代を増大させるものであるが、このような方法による接合強度の向上には限界がある。また、特許文献２の方法において、銅の割合を増やして膨張量を大きくすると、焼結体の密度が低下し、強度が低下する。
【０００８】
このような問題は、焼結体同士を接合してなる複合焼結体に限らず、焼結体と他の金属材料（例えば溶製材）からなる部材とを接合してなる複合焼結体にも同様に生じる。
【０００９】
以上より、本発明が解決すべき技術的課題は、複合焼結体を構成する複数の部材の接合強度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するためになされた本発明は、鉄を主成分として銅を含む焼結金属からなる第１部材と、焼結金属あるいは他の金属材料からなる第２部材とを、拡散接合により接合した複合焼結体において、前記第１部材と前記第２部材との接合面における銅の割合が、前記第１部材の内部における銅の割合よりも高いことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、鉄系粉末を主成分として銅系粉末を含む原料粉末を圧縮成形して第１圧粉体を形成すると共に、前記原料粉末と同一又は異なる組成の原料粉末を圧縮成形して第２圧粉体を形成する工程と、前記第１圧粉体と第２圧粉体とを圧接した状態で加熱することにより、前記第１圧粉体および前記第２圧粉体を焼結して焼結金属からなる第１部材および第２部材を得ると共に、前記第１部材と前記第２部材とを拡散接合により接合する工程とを有する複合焼結体の製造方法において、前記第１圧粉体のうち、前記第２圧粉体との接合面における銅の割合が、前記第１圧粉体の内部における銅の割合よりも高いことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、鉄系粉末を主成分として銅系粉末を含む原料粉末を圧縮成形して第１圧粉体を形成すると共に、金属材料で第２部材を形成する工程と、前記第１圧粉体と前記第２部材とを圧接した状態で加熱することにより、前記第１圧粉体を焼結して焼結金属からなる第１部材を得ると共に、前記第１部材と前記第２部材とを拡散接合により接合する工程とを有する複合焼結体の製造方法において、前記第１圧粉体のうち、前記第２部材との接合面における銅の割合が、前記第１圧粉体の内部における銅の割合よりも高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように、第１部材と第２部材との接合面における銅の割合を高めることで、焼結時に、両部材の接合面に介在する液相（溶融銅）の割合が増えるため、この溶融銅が固化することで両部材の接合強度が高められる。また、溶融銅と接した鉄は焼結性が向上するため、接合面における溶融銅の割合が増えることで、第１部材の表面に露出した鉄系粉末の焼結性が向上し、第２部材との接合強度が高められる。このとき、第１部材の内部における銅の割合を、接合面における銅の割合よりも低くすることで、焼結時の第１部材（焼結体）の膨張を抑えて強度低下を防止することができる。以上により、本発明によれば、複合焼結体を構成する第１部材および第２部材の接合強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合焼結体の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、上記複合焼結体の製造方法の手順を示す断面図である。
【図３】上段は扁平銅粉の側面図、下段は同平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に、本発明の一実施形態に係る複合焼結体１を示す。この複合焼結体１は、第１部材としてのアウター部材３と、第２部材としてのインナー部材２とを備えたギヤである。インナー部材２は円柱状の中実軸である。アウター部材３は円筒状を成し、外周に歯３ｂを有する。尚、インナー部材２の外周面２ａ及びアウター部材３の内周面３ａは円筒面に限らず、例えばこれらの面にスプラインを形成し、これらを嵌合させてもよい。
【００１６】
複合焼結体１は、図２に示すように、第１圧粉体としてのアウター圧粉体１３および第２圧粉体としてのインナー圧粉体１２をそれぞれ成形する工程｛図２（ａ）参照｝、両圧粉体１２，１３を一体化する工程｛図２（ｂ）参照｝、両圧粉体１２，１３の一体品１１を焼結する工程｛図２（ｃ）参照｝を経て製造される。
【００１７】
アウター圧粉体１３は、鉄系粉末を主成分として銅系粉末を含む原料粉末を混合した後、この原料粉末を圧縮成形することで形成される。本実施形態では、アウター圧粉体１３の原料粉末として、鉄粉（純鉄粉）、銅粉（純銅粉）、黒鉛粉末、及び固体潤滑剤を混合したものが使用される。尚、鉄系粉末は純鉄粉に限らず、合金添加元素を含んだ鉄基合金粉末としてもよい。同様に、銅系粉末は純銅粉に限らず、合金添加元素を含んだ銅基合金粉末としてもよい。
【００１８】
鉄粉としては、還元鉄粉やアトマイズ鉄粉等が使用可能である。本実施形態では、鉄系粉末として還元鉄粉が使用される。
【００１９】
銅粉は、扁平銅粉および通常銅粉の二種類が用いられる。尚、銅粉は、必ずしも二種類を混合して用いる必要は無く、例えば銅粉の全てを扁平銅粉のみで構成してもよい。
【００２０】
扁平銅粉は、電解銅粉やアトマイズ銅粉をスタンピングすることで扁平化させたものである。扁平銅粉は、長さＬと厚さｔとのアスペクト比Ｌ／ｔが１０以上である。本実施形態では、扁平銅粉として、長さＬが２０μｍ〜８０μｍ、厚さｔが０．５μｍ〜１．５μｍ（アスペクト比Ｌ／ｔ＝１３．３〜１６０）のものが主に用いられる。ここでいう「長さ」および「厚さ」は、図３に示すように個々の扁平銅粉２０の幾何学的な最大寸法を言う。扁平銅粉の見かけ密度は１．０ｇ／ｃｍ３以下とされる。
【００２１】
通常銅粉は、スタンピングが施されていない銅粉（電解銅粉やアトマイズ銅粉）である。本実施形態では、通常銅粉として、電解銅粉が用いられる。
【００２２】
黒鉛粉末としては、人造黒鉛や天然黒鉛、グラファイト等を使用でき、本実施形態では人造黒鉛が使用される。固体潤滑剤としては、例えばワックスや金属セッケンを使用でき、本実施形態ではエチレンビスステアラマイドが使用される。
【００２３】
原料粉末の組成は、銅粉が０．８〜１２．０ｗｔ％、黒鉛粉末および潤滑剤をそれぞれ１．０ｗｔ％以下、残部を鉄粉とされる。また、原料粉末中における扁平銅粉の割合は、０．４〜４．０ｗｔ％とされる。尚、黒鉛粉末および潤滑剤は、特に必要なければ、何れか一方あるいは双方を省略してもよい。
【００２４】
上記の混合粉末を、圧粉金型のキャビティに充填する。このとき、原料粉末が扁平銅粉を含んでいるため、金型表面に扁平銅粉が付着する。尚、扁平銅粉に予め流体潤滑剤を付着させておけば、金型表面に扁平銅粉を付着させやすくなる。扁平銅粉への流体潤滑剤の付着は、原料粉末への混合前に行うことが好ましい。流体潤滑剤としては、脂肪酸、特に直鎖飽和脂肪酸を使用でき、例えばステアリン酸を使用することができる。
【００２５】
この状態で混合粉末を圧縮することで、表面に扁平銅粉２０が偏析した状態で、アウター圧粉体１３が成形される（図２（ａ）参照）。こうして成形されたアウター圧粉体１３は、表面（特に、内周面１３ａ）における銅の割合が内部における銅の割合よりも高くなっている。
【００２６】
インナー圧粉体１２は、金属粉末を含む原料粉末を圧縮成形することで形成される。インナー圧粉体１２の原料粉末は、例えば鉄系粉末を主成分としたものが用いられ、本実施形態では、上記のアウター圧粉体１３の原料粉末と同じ組成の原料粉末が使用される。このため、インナー圧粉体１２も、アウター圧粉体１３と同様に、表面に扁平銅粉２０が偏析した状態で成形され、表面（特に、外周面１２ａ）における銅の割合が内部における銅の割合よりも高くなっている（図２（ａ）参照）。
【００２７】
尚、本実施形態では、上記のアウター圧粉体１３およびインナー圧粉体１２の圧縮成形は、何れも室温（２５℃程度）で行われるが、これらの一方あるいは双方を、金型を加熱した状態で行ってもよい。
【００２８】
次に、アウター圧粉体１３の内周にインナー圧粉体１２を圧入する（図２（ｂ）参照）。アウター圧粉体１３の内周面１３ａとインナー圧粉体１２の外周面１２ａとの締め代は、５〜１０μｍとされる。このとき、インナー圧粉体１２の外周面１２ａ及びアウター圧粉体１３の内周面１３ａに扁平銅が偏析していることで、両圧粉体１２，１３の接合面における銅の割合は、アウター圧粉体１３およびインナー圧粉体１２の内部における銅の割合よりも高くなっている。
【００２９】
その後、インナー圧粉体１２とアウター圧粉体１３の一体品１１を加熱装置に搬入し、銅の融点以上の温度で所定時間焼成する（図２（ｃ）参照）。この工程は、例えば、アルゴン雰囲気下の真空加圧焼結炉により行われる。こうして一体品１１を焼成することにより、インナー圧粉体１２及びアウター圧粉体１３がそれぞれ焼結されてインナー部材２及びアウター部材３が形成されると共に、インナー部材２の外周面２ａとアウター部材３の内周面３ａとが拡散接合される。具体的には、両圧粉体１２，１３の内部で鉄粉同士が接合されて焼結体（インナー部材２およびアウター部材３）が形成されると共に、インナー部材２の外周面２ａに露出した鉄粉とアウター部材３の内周面３ａに露出した鉄粉とが拡散接合される。
【００３０】
このとき、一体品１１を焼成することで、圧粉体１２、１３に含まれる銅が溶融する。これにより、溶融銅が両圧粉体１２，１３の表面の鉄粉間に入り込む（濡れる）と、溶融銅を介在して粉末間に作用する力が働き、ネッキングが生じやすくなることで焼結性が向上する。また、溶融銅の作用で鉄原子の拡散が生じやすくなり、銅−鉄合金層が生成される。このように、インナー部材２およびアウター部材３の表面に、焼結性の高い銅−鉄合金が生成されることで、銅−鉄合金同士が強固に拡散接合され、インナー部材２とアウター部材との接合力が高められる。本実施形態では、上述のように、インナー圧粉体１２およびアウター圧粉体１３の表面に銅３０が偏在し、両圧粉体１２，１３の接合面に比較的多くの銅が存在しているため、溶融銅３０（図２（ｃ）参照）によるインナー部材２とアウター部材３との接合力の向上効果が大きく、両部材２，３が強固に接合される。以上により、複合焼結体１が完成する。
【００３１】
上記のような方法で製造された複合焼結体１は、以下の構成を有する。
【００３２】
アウター部材３は焼結金属、特に、鉄を主成分とし（すなわち、鉄を５０ｗｔ％以上含み）、銅を含む鉄系焼結金属で形成される。本実施形態のアウター部材３は、銅を０．８〜１２．０ｗｔ％、黒鉛を０〜１．０ｗｔ％含み、残部が鉄及び不可避不純物とされる。
【００３３】
インナー部材２は、焼結金属、例えば鉄系焼結金属、特に、銅を含む鉄系焼結金属で形成される。本実施形態では、インナー部材２が、アウター部材３と同じ組成の鉄系焼結金属で形成される。
【００３４】
インナー部材２の外周面２ａとアウター部材３の内周面３ａは、締まり嵌めで嵌合し、且つ、拡散接合されている。詳しくは、インナー部材２の鉄組織とアウター部材３の鉄組織とが拡散接合されている。より詳しくは、インナー部材２の外周面２ａの鉄組織に形成された銅−鉄合金層と、アウター部材３の内周面３ａの鉄組織に形成された銅−鉄合金層とが拡散接合されている。
【００３５】
アウター部材３とインナー部材２との接合面における銅の割合は、アウター部材３およびインナー部材２の内部における銅の割合よりも高くなっている。具体的に、アウター部材３とインナー部材２との接合面における銅の割合は５〜１５％であり、アウター部材３およびインナー部材２の内部における銅の割合は０．８〜１２％である。尚、アウター部材３とインナー部材２との接合面における銅の割合や、アウター部材３およびインナー部材２の内部における銅の割合は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）やＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）などの定量分析器による線分析で測定することができる。
【００３６】
本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して、重複説明を省略する。
【００３７】
上記の実施形態では、第２部材としてのインナー部材２を、アウター部材３と同じ組成の鉄系焼結金属で形成した場合を示したが、これに限られない。例えば、インナー部材２を、アウター部材３と異なる組成の鉄系焼結金属や、他の焼結金属（銅系や銅鉄系焼結金属）、あるいは、焼結金属以外の金属材料（例えば鋼材等の溶製材）で形成してもよい。
【００３８】
例えば、第２部材としてのインナー部材２を鋼材で形成する場合、複合焼結体は、以下の工程を経て製造される。まず、鉄系粉末を主成分として銅系粉末を含む原料粉末を圧縮成形してアウター圧粉体１３を形成すると共に、鋼材に機械加工を施してインナー部材２を形成する。次に、このアウター圧粉体１３の内周に、鋼材からなるインナー部材２を圧入して、これらを一体化する。そして、アウター圧粉体１３とインナー部材２との一体品を加熱することにより、アウター圧粉体１３を焼結して焼結金属からなるアウター部材３を形成すると共に、インナー部材２とアウター部材３とを拡散接合により接合する。
【００３９】
この場合も、アウター圧粉体１３の表面に銅が偏在しているため、加熱によりアウター圧粉体１３とインナー部材２との間に比較的多くの溶融銅が生じる。この溶融銅が、インナー部材２とアウター部材３との接合面で固化することで、両部材２，３の接合力が高められる。また、溶融銅が、アウター圧粉体１３の表面の鉄粉や、鋼材からなるインナー部材２の表面に触れることで、これらの表面に露出した鉄の焼結性が高められ、アウター部材３とインナー部材２との接合力がさらに高められる。
【００４０】
この他、インナー部材２を、銅を含む鉄系焼結金属で形成し、アウター部材３を、他の金属材料（鉄系以外の焼結金属や溶製材等）で形成してもよい。
【００４１】
また、上記の実施形態では、第１部材（インナー部材２）を第２部材（アウター部材３）の内周に圧入する場合を示したが、これに限らず、例えば、第１部材と第２部材の端面同士を圧接した状態で焼結することで、複合焼結体を製造してもよい。
【００４２】
また、本発明の複合焼結体は、ギヤに限らず、他の機械部品に適用することもでき、例えば、軸受やカム等を本発明の複合焼結体で構成してもよい。また、本発明の複合焼結体は、機械部品だけでなく、他の用途の部品に適用することもできる。
【００４３】
本発明は、以上の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適用可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００４４】
本発明の効果を確認するために、以下の試験を行った。まず、組成の異なる複数種の原料粉末を用意し、各原料粉末を用いて１１７６ＭＰａの成形圧力で室温下で圧縮成形し、外径φ２３ｍｍ、内径φ１６ｍｍ、軸方向幅７ｍｍの円筒状のアウター圧粉体、および、外径φ１６ｍｍの円柱状のインナー圧粉体を形成した。そして、アウター圧粉体の内周にインナー圧粉体を圧入した。両圧粉体の締め代は８μｍとした。この一体品を１１３０℃で６０分間焼結し、複合焼結体を形成した。こうして形成された複数種の複合焼結体において、インナー部材とアウター部材との接合強さを調査した。接合強さは、アウター部材の軸方向一方の端面を治具で支持した状態で、インナー部材のみを軸方向他方側から押し込んで荷重をかけて、複合焼結体を接合面で破断させた。接合強さは、破断に至ったときの最大荷重を、インナー部材とアウター部材との接合面の側面積で除した値とした。接合強さの評価基準は、２００ＭＰａ以上で◎、１５０〜２００ＭＰａで○、１００〜１５０ＭＰａで△、１００ＭＰａ未満で×とした。
【００４５】
まず、原料粉末中の銅粉の割合を変えたときの接合強さを調査した。このとき、原料粉末中の扁平銅粉の割合は０．５ｗｔ％で一定とした。各試験片の組成および接合強さの評価結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
2016069715.tif 000003
【００４７】
表１の結果から、圧粉体の原料粉末中の銅粉の割合（すなわち、焼結体中の銅の割合）は、０．８ｗｔ％以上、望ましくは１．０ｗｔ％以上、さらに望ましくは２．０ｗｔ％以上であることが好ましいと言える。これは、焼結体中の銅の割合が過少であると、接合面の溶融銅が不足し、インナー部材とアウター部材との接合強度の向上効果が減るためと考えられる。また、表１の結果から、焼結体中の銅の割合は、１２．０ｗｔ％以下、望ましくは１０．０ｗｔ％以下、さらに望ましくは５．０ｗｔ％以下であることが好ましいと言える。これは、焼結体中の銅の割合が過剰であると、銅による焼結体の焼結時の膨張が大きくなりすぎ、密度低下を招いて焼結体の強度低下を招くためと考えられる。
【００４８】
次に、扁平銅粉の添加の効果を確認するために、原料粉末中の銅粉の添加量を２．０ｗｔ％（表２）又は５．０ｗｔ％（表３）で一定とし、扁平銅粉の割合を変化させて接合強さを測定した。
【００４９】
【表２】
2016069715.tif 000004
【表３】
2016069715.tif 000005
【００５０】
表２および表３の結果から、圧粉体の原料粉末中の扁平銅粉の割合は、０．４ｗｔ％以上、望ましくは０．５ｗｔ％以上、さらに望ましくは１．０ｗｔ％以上とすることが好ましいと言える。これは、扁平銅粉の割合が過少であると、接合面の溶融銅が不足し、インナー部材とアウター部材との接合強度の向上効果が減るためと考えられる。また、表２および表３の結果から、圧粉体の原料粉末中の扁平銅粉の割合は、４．０ｗｔ％以下、望ましくは３．０ｗｔ％以下、より望ましくは２．０ｗｔ％以下とすることが好ましいと言える。これは、扁平銅粉の割合が過剰であると、銅による焼結体の焼結時の膨張が大きくなりすぎ、密度低下を招いて焼結体の強度低下を招くためと考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１     複合焼結体
２     インナー部材（第２部材）
３     アウター部材（第１部材）
１１   一体品
１２   インナー圧粉体（第２圧粉体）
１３   アウター圧粉体（第１圧粉体）
【図１】
2016069715.tif 000006
【図２】
2016069715.tif 000007
【図３】
2016069715.tif 000008