JPH02213402A - 中空焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明は、中空焼結体の製造方法に関し、特に、粉末冶
金法によって高密度の中空焼結体を製造するのに好適な
、中空焼結体の製造方法に関する。

口、従来技術 例えば、内燃機関のカムシャフトは、タペット及びロッ
カアームを介して、又はロッカアームを介して吸気弁及
び排気弁を開閉する機構に使用され、内燃機関の運転中
、カムシャフトは、高速で上記相手部品と摺動するので
、耐摩耗性が要求される。

これらの部品の材料には従来から鋳鉄が多用されており
、カムシャフトを例に挙げて述べると、鋳造時にカム駒
の部分に冷し金を使用して急速凝固させ、カム駒の表面
に硬い白鋳鉄組織の表面層を形成して耐摩耗性を付与し
た所謂チルカムシャフトが多用されている。

然し、上記チルカムシャフトは、カーボンスラッジで潤
滑油が汚染されるディーゼルエンジンや有鉛ガソリンを
燃料とし、潤滑油が鉛化合物で汚染されるガソリンエン
ジンに使用するときは、これら汚染物質によるカム駒の
摩耗が多くなる傾向が見られる。

粉末冶金法によって製造される焼結合金は、熔製法によ
る合金と異なり、凝固偏析がないために均一な組織とす
ることができ、また、通例の熔製法では得られない特異
な組織が比較的容易に得られること、更に、焼結体の寸
法精度が高いことから、近年、その適用分野が拡大しつ
つある。

カムシャフトに耐摩耗性を付与する方法として、耐摩耗
性に優れる焼結合金製のカム駒やジャーナル部を使用し
、所謂インサートモールド法によってカムシャフトとす
ることが考えられる。このようなカム駒やジャーナル部
は、鋳造時に内部に溶湯を供給して一体になるよう、中
空の筒状体とする必要があり、また、カム駒やジャーナ
ル部を焼結合金製とするときは、耐摩耗性や機械的強度
の観点から高密度とする必要がある。焼結合金は、原料
粉粒子の境界に必然的に気孔が形成されるのであるが、
気孔率を出来るだけ小さくして高密度とする。高密度焼
結合金は、焼結温度を高くして、原料粉粒子の組織を構
成する相のうち、比較的低融点の相を液相にして焼結す
る、所謂液相焼結によって容易に得られる。

ところが、カム駒やジャーナル部は、軸線方向に所定の
長さを必要とし、軸線方向に往復動するパンチによる成
形では、軸線方向に圧粉体の密度が一様ではなくなる。

特に液相焼結にあっては、圧粉体の密度が軸線方向に一
様でないことから、焼結による変形が大きくなる。圧粉
体の低密度部分では、液相焼結による寸法収縮は１０％
にも達する。圧粉体内の密度差を小さくできる両押し成
形（アッパ・パンチとロア・パンチとによる上下方向か
らの圧縮成形）による場合でも、第１２図（ａ）に示す
筒状圧粉体５日を液相焼結すると、密度の低い中央部に
ュートラル・ゾーンと呼ばれる。）の収縮が他の部分の
収縮よりも大きくなって、同図（ｂ）に示すように中央
が括れた鼓形の筒状焼結体５０となってしまう。このよ
うな変形は、１個の焼結体内の寸法差のみならず、製造
ロット内での寸法のばらつきを大きくする。このような
変形のない高密度焼結体を得るには、液圧による圧縮成
形や成形と焼結とを同時に行うホット・プレス法による
ことができるが、これらの方法では設備費が嵩むので経
済的ではない。そのため、高密度焼結体は、高さ寸法が
比較的小さいものに限られ、カム駒やジャーナル部には
適用困難であった。

ハ１発明の目的 本発明は、密度に関係な（、寸法精度の高い中空焼結体
の製造方法を提供することを目的としている。

二１発明の構成 本発明は、中空焼結体を製造するに際し、（１）製造し
ようとする中空焼結体の内法（うちのり）寸法と実質的
に同じ外形寸法を有する成形体を用意する工程と、 （２）原料粉を成形し、液相焼結による収縮を見込んだ
寸法の中空圧粉体とする工程と、（３）前記圧粉体の中
空部に前記成形体を挿入し、液相焼結して前記圧粉体を
焼結体とする工程と、（４）前記焼結体から前記成形体
を除去する工程と を有する、中空焼結体の製造方法に係る。

上記「成形体」には、焼結時に焼結体に融着しない、例
えばアルミナ、ジルコニア、窒化珪素等のセラミックス
粉末（粒径０．０１〜１．０ｍａ＋）に例えば熱硬化性
樹脂をバインダとして添加した粉末、或いは鋳物砂を成
形してなるものが便利に使用できる。また、所定の形状
、寸法に加工した金属（焼結温度よりも高い融点を有す
る）、又はセラミックスの成形体表面に薄いセラミック
ス粉末の被覆を施したものも使用できる。前者は焼結後
に崩すことによって焼結体から容易に除去でき、後者は
焼結後に引抜くことによって焼結体から容易に除去でき
る。

ホ、実施例 以下、本発明の詳細な説明する。

重量比で２．００％全炭素、１１．５％クロム、０．９
９％モリブデン、１．９２％バナジウム、０．８％燐、
残部が実質的に鉄からなる組成を有し、１００メツシユ
篩下の粒度の合金鋼粉末に、潤滑剤としてステアリン酸
亜鉛粉末を０．７重量％添加、混合して原料粉とした。

この原料粉を第２図に示すプレスによって筒状のカム駒
圧粉体とした。

先ず、第２図（ａ）に示すように、ダイ１、コア・ロッ
ド２及びロア・パンチ３によって形成されるキャビティ
中に原料粉５Ａを充填する。次に、同図（ｂ）に示すよ
うに、アッパ・パンチ４をダイ１内に下降させると共に
、ロア・パンチ３を上昇させ、両パンチ４．３によって
上記原料粉を６ｔ／ｃｆｆｌの圧縮圧で圧縮、成形して
圧粉体５日とする。次に、同図（Ｃ）に示すように、ア
ッパ・パンチ４をダイ１の上方に上昇させてからロア・
パンチ３をダイ１の上面から少し突出するように上昇さ
せ、圧粉体５日をダイ１及びコア・ロッド２から抜型す
る。

圧粉体５日は、後の液相焼結時の収縮を見込んで、カム
駒焼結体の寸法に対して１．１１倍の寸法としである。

上記筒状圧粉体５日を、予め用意しておいたコアを囲む
ようにしてトレイ上に載置し、焼結して筒状カム駒焼結
体とする。第１図は上記コアを示し、同図（ａ）は平面
図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＩｂ−１ｂ線断面図であ
る。コア６は、レジンで固化した珪砂（シェルモールド
法のシェル鋳型と同じ）からなっていて、カム駒焼結体
の内法寸法と同一寸法（圧粉体５日の内法寸法に対して
９０％の寸法）としである。第３図は圧粉体５日とコア
６とをセットした状態を示し、同図（ａ）は平面図、同
図Φ）は同図（ａ）のｍｂ−ｍｂ線断面図である。アル
ミナ製トレイ１８上に、コア６を囲んで圧粉体５日が載
置される。

次に、圧粉体５日を焼結して筒状カム駒焼結体とする。

焼結は、真空中で１１３０”Ｃに６０分間加熱の通例の
真空焼結によった。第４図はトレイ１８上で圧粉体が焼
結されて出炉した状態を示し、同図（ａ）は平面図、同
図［有］）は同図（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図であ
る。圧粉体は液相焼結されて９０％収縮して焼結体５Ｃ
となる。コア６は前述した寸法としであるので、焼結体
５Ｃは略隙間なくコア６を抱くようになる。コア６の存
在により、第１２図に示したようなニュートラルゾーン
の大きな収縮が起こることが防止され、寸法精度の良好
な焼結体が得られる。

コア６は、シェル鋳型と同じ材料からなっているので機
械的強度が高く、圧粉体が液相焼結されてニュートラル
ゾーンが大きく収縮しようとする力に充分耐えられる上
に、焼結時に圧粉体と共に１０００°Ｃを越える高温に
加熱されて脆くなり、崩して焼結体６から除去するのは
容易である。

第５図はコアを除去した焼結体を示し、同図（ａ）は平
面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のｖｂ−ｖｂ線断面図で
ある。

焼結体５Ｃの寸法は次の通りである。略半円形部分の内
径り、は２５範であって、第１図（ａ）に示したコアの
外径Ｄ４と同じである。この部分の外径ＤＩ、０２は３
０ｍｍであり、外側半径Ｒ３は１５ｍｍ、肉厚Ｔは２．
５ａｎである。また、カムノーズ部５Ｃａ先端の外径Ｒ
２は９ｎｍ、カムノーズ部５Ｃａ先端を通る最大外径り
は３７ｍｍである。高さＨは１８ｍ＋＋ａである。

端面外径り、と中央部外径Ｄ２との差は０．０５〜０、
１５ｍａ＋であった。コア６を使用せず、その他は上記
の例と同様にして製造された筒状カム駒焼結体５Ｄにあ
っては、第１２図（ｂ）に示した端面外径ｄ＋と中央部
外径ｄ２との差は０．３〜０．５Ｉ＋ａであった。

測定個数はいずれも５個である。本例にあっては、従来
法による場合に対して上記外径の差が著しく小さくなっ
ていて、寸法精度が格段に改善されている。

第６図は、第５図の筒状カム駒焼結体５Ｃを使用して製
造されたカムシャフト素材の正面図である。カムシャフ
ト９はインサートモールド法によって製造されたもので
ある。即ち、鋳型キャビティ内の所定位置に筒状カム駒
焼結体５Ｃと筒状ジャーナル部焼結体７とをセットし、
この鋳型に溶湯を注入して一体のカムシャフトとした。

ジャーナル部７はカム駒５Ｃと同様の方法で製造された
ものである。図中、８は注湯された軸部で、その材料は
球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ６０である。

第１図のシェル鋳型材料のコアに替えて、金属製又はセ
ラミックス製のコアを使用することができる。第７図の
コア２０は、焼結温度よりも高い融点を有する金属（例
えば鋼）製又はセラミックス製母材２１の周面に、セラ
ミックス粉末（例えばアルミナ粉末）２２をバインダを
使用して薄くコーティングしてなっている。鋳鉄は、加
熱と冷却を繰返すことにより成長するので母材２１の材
料としては不適当である。セラミックス粉末２２のコー
ティングにより、焼結後にコア２０を焼結体から容易に
抜取ることができる。

カムシャフトは、前記のように鋳造によって製造するほ
か、筒状カム駒焼結体及び筒状ジャーナル部焼結体に鋼
管を嵌入し、この鋼管の径を拡大して鋼管にカム駒焼結
体及びジャーナル部焼結体を固定させて製造することが
できる。鋼管の径拡大は、先端にテーパが設けられ、鋼
管の内径よりも僅か（０，５〜１　、０＋ｎ）大きい径
を有する管拡径部を先端に備えた管拡径具を鋼管内に圧
入、挿通させることによってなされる。このようにして
カムシャフトを中空にすることにより、軽量化を図るこ
とができる。この場合、第８図に示すように、カム駒焼
結体（ジャーナル部焼結体も同様）２５の内周面に凹凸
の噛合部２５ａを形成させるのが良い。鋼管の拡管によ
ってカム駒焼結体５０を鋼管に固定する際、噛合部５０
ａが鋼管外周面に食い込んで両者が互いに噛合し、両者
の固定が確実になる。

第９図は、第６図のカムシャフトを組付けてなる内燃機
関の主要部の関係の一例を示す要部斜視図である。カム
シャフト９の回転によってカム駒５Ｃと摺接するロッカ
アーム１３が揺動し、この揺動によってロッカアーム１
３に連結されたバルブ１１が往復動して吸排気がなされ
る。コイルばね１２によってバルブ１１が閉状態に向け
て付勢されると共にロッカアーム１３の先端部がカム駒
５Ｃに押圧されるようになっている。バルブ１１の先端
部は図示しないシリンダヘッド内に位置している。バル
ブ１１が往復動（開閉）して吸気爆発、排気がなされ、
図示しないシリンダ中でピストン１４が往復動じ、この
往復動によってコネクティングロッド１５を介してピス
トン１４に連結するクランクシャフト１６が回転し、動
力を発生する。バルブ１１の開閉とピストン１４の往復
動とのタイミングは、カムシャフト９とクランクシャフ
ト１６とに掛は渡されたタイミングベルト（又はチェー
ン）１７によってとられる。このような機構から、カム
シャフト９の回転数が高くなると、或いはロッカアーム
１３のカム駒５Ｃへの押圧力が高くなると、カム駒５Ｃ
とロッカアーム１３との摺動は極めて苛酷な状態の下で
なされることが理解できよう。

そこで、カム駒５Ｃは、前述した高合金の鉄基合金を材
料とし、液相焼結によって高密度としたものとしている
。カム駒の材料は、前述した合金粉末を原料粉とするほ
か、耐摩耗性改善作用を有する金属又は合金の粉末を鉄
粉に配合、混合してなる混合粉を原料粉として使用する
ことができる。

また、焼結時の雰囲気も、真空のほか、非酸化性のＡＸ
ガス（アンモニア分解ガス）、アルゴン等の雰囲気であ
って良い。コアの材料も、前記のほか、焼結の温度に耐
えられ、焼結体を融着せず、かつ焼結体から除去できる
ような適宜の材料を使用することができる。

次に、ロータリコンプレッサのシリンダライナ製造に本
発明を適用した例について説明する。

ロークリコンプレッサは小型化、軽量化が容易であるこ
とから、冷蔵庫、空調機、カーターラ等のコンプレッサ
として多用されており、その形式はボッシュ式とローリ
ングピストン式の２種類に大別される。

ボッシュ式ロータリコンプレッサは第１０図に示すよう
に、ハウジング３７に収容され、断面楕円形の内周面を
有する鋳鉄のシリンダ３４中で複数個（多くの場合４個
）のベーン３３がロータ３２のベーン溝に嵌入され、シ
ャフト３１の回転によってシャフト３１に嵌着されたロ
ータ３２が回転し、ベーン３３は遠心力によってシリン
ダ３４のライナ３５の内周面に圧接し、これと摺動する
構造となっている。

冷媒ガスは、サイドハウジング３８に設けられた吸気口
、吐出口（いずれも図示せず）を経由してライナ３５と
ロータ３２との間の空間３９に供給、空間４０から吐出
させられる。

ローリングピストン式ロータリコンプレッサは第１１図
に示すように、シャフト４１の回転によってシャフト４
１に偏心して嵌着された回転ピストン（ローリングピス
トン）４２が偏心回転し、これらを収容する鋳鉄のシリ
ンダ４４に設けられたベーン溝に嵌入され、背後からベ
ーンスプリング４６によって押圧力を与えられたベーン
４３が回転ピストン４２の外周面に圧接し、これらが互
いに摺動する構造となっている。また、偏心回転する回
転ピストン４２は、シリンダ４４に嵌め込められたライ
ナ４５の内周面と摺動し、ベーン４３は、シリンダ４４
のベーン溝及びライナ４５のベーン溝でこれらと摺動す
る。

ベーン４３の左側空間４９、右側空間５０とシリンダ４
４に設けられた吸気口、４４ａ１吐出口４４ｂとを夫々
連通ずる通気路（サイドハウジング４８に設けられてい
るが、図示省略す。）を設けてあり、冷媒ガスはこの通
気路を経由してコンプレッサ内に供給、吐出される。

上記のような構造から、ライナ３５．４５には耐摩耗性
が要求される。

前述の例におけると同様にして、焼結合金製のライナを
製造した。ライナ３５の寸法は、短径が４０園、長径が
４５ｍｍ　（いずれも内径）、幅が３０鵬であり、ライ
ナ４５の寸法は、内径５０ｍ＋＋、幅３０ｍｍであって
、いずれも内周面を研摩仕上げして厚さを１　ｍｍとし
である。研摩仕上げ前のライナの端面の最大径とニュー
トラルゾーンでの最小径との差（前述の例におけるＤＩ
　Ｄｚ）は、ライナ３５にあっては０．０５〜０．１５
ｍ＋＋＋、ライナ４５にあっては０．０７〜０．２５ｍ
ｍであった。その他は前述の例におけると異なるところ
はない。

コア（第３図、第４図のコア６に相当する。）を使用せ
ず、その他は上記と同様にして製造したライナにあって
は、研摩仕上げ前の上記最大径と最小径との差は、第１
０図のライナでは０．３〜０．５鵬であり、第１１図の
ライナでは０．５〜０．８鵬であった。

以上のように、この例にあっても、従来法による場合に
較べて素材の寸法精度が格段に改善され、仕上げ代が減
少でき、従って材料費、仕上げの加工コストが共に大幅
に低減される。

上記の例は、カムシャフトのカム駒及びジャーナル部並
びにロークリコンプレッサのシリンダについての例であ
るが、これらのほかに、ブツシュや軸受の内輪、外輪そ
の他の中空焼結体の製造にも本発明が適用可能である。

へ１発明の効果 本発明は、製造しようとする中空焼結体の内法寸法と実
質的に同じ外形寸法を有する成形体を用意し、この成形
体を中空圧粉体内に挿入して液相焼結するので、液相焼
結に特有の焼結体内の位置による収縮率の差に基づ（焼
結体の歪発生が、前記成形体によって防止される。即ち
、この成形体に焼結体が密着して焼結体の形状が成形体
の形状に倣うようになる。その結果、得られる焼結体は
、設計通りの寸法となって寸法精度の高いものとなる上
に、液相焼結によって生成される液相が気孔を充填して
高耐震となり、機械的性質の優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１１図は本発明の実施例を示すものであって
、 第１図はコアを示し、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）
は同図（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図、 第２図は圧粉体成形の手順を示し、同図（ａ）は原料粉
を充填した状態でのプレスの要部断面図、同図（ｂ）は
原料粉を圧縮して圧粉体とした状態でのプレスの要部断
面図、同図（Ｃ）は圧粉体をグイから抜型した状態での
プレスの要部断面図、第３図は圧粉体にコアを挿入した
状態を示し、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（
ａ）のｍｂ−ｍｂ線断面図、 第４図は焼結直後の焼結体を示し、同図（ａ）は平面図
、同図（ｂ）は同図（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図、
第５図は成形体を除去した後の焼結体を示し、同図（ａ
）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のｖ　ｂ　−ｖ　
ｂ線断面図、 第６図はカムシャフトの正面図、 第７図は他の例による成形体の斜視図、第８図は他の例
による焼結体の平面図、第９図は内燃機関の主要部の関
係を示す要部斜視図、 第１０図及び第１１図は、夫々ロークリコンプレッサの
断面図 である。 第１２図は従来例を示すものであって、同図（ａ）は圧
粉体の断面図、同図［有］）は焼結体の断面図である。 なお、図面に示された符号において、 １・・・・・・・・・グイ ２・・・・・・・・・コア・ロンド ３・・・・・・・・・ロア・パンチ ４・・・・・・・・・アッパ・パンチ ５Ａ・・・・・・・・・原料粉 ５Ｂ・・・・・・・・・カム駒圧粉体 ５Ｃ１２５，５Ｄ・・・・・・・・・カム駒焼結体６．
２０・・・・・・・・・コア（成形体）７・・・・・・
・・・ジャーナル部焼結体９・・・・・・・・・カムシ
ャフト １３・・・・・・・・・ロッカアーム ３１．４１・・・・・・・・・回転軸 ３２・・・・・・・・・ロータ ３３．４３・・・・・・・・・ベーン ３５．４５・・・・・・・・・ライナ ４２・・・・・・・・・回転ピストン である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中空焼結体を製造するに際し、 （１）製造しようとする中空焼結体の内法（うちのり）
   寸法と実質的に同じ外形寸法を有する成形体を用意する
   工程と、 （２）原料粉を成形し、液相焼結による収縮を見込んだ
   寸法の中空圧粉体とする工程と、（３）前記圧粉体の中
   空部に前記成形体を挿入し、液相焼結して前記圧粉体を
   焼結体とする工程と、 （４）前記焼結体から前記成形体を除去する工程と を有する、中空焼結体の製造方法。