JPS63277580A - 焼結金属とセラミクスの接合体から構成される機械部品およびその製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は焼結金属とセラミクスとの接合体から構成され
る機械部品およびその製造方法に関する。

さらに詳細には、焼結金属とセラミクスとが十分な接合
強度を持って接合された焼結金属−セラミクス接合体を
部材とする、耐摩耗性および機械的強度に優れた機械部
品およびその製造方法に関する。

従来の技術 近年、耐摩耗性および強度に優れたセラミクスを自動車
用エンジンの摺動部品であるタペット、カム、ロッカア
ームさらにガスタービン用高速ベアリング材、軸受材と
して利用する研究が盛んに行われている。

セラミクスを摺動部等に使用することにより、耐摩耗性
のみならず運動部の軽量化ひいては効率の向上をも期待
することができるからである。

このように従来の機械部品に使用する耐摩耗材としての
金属部分をセラミクスに置き代える傾向が高まるに連れ
、いくつかの問題点が明らかになった。

すなわち、セラミクス部品は成形後焼結されさらに切削
等の加工を行い製品化されるが、一般にセラミクスは強
度的、特に靭性において信頼性が低いため設計および加
工が難しくなるという欠点があること。また、セラミク
ス部品を一体成型物とすると加工の際、切削量が多くな
り製品のコストが非常に高くつくという問題等である。

このため、摩耗面を有する部品において摩耗面以外の部
分に従来と同様にコストのかからない焼結金属部材を使
用し、摺動部などの摩耗面にセラミクスのチップを接合
させた部品が開発されつつある。

発明が解決しようとする問題点 焼結金属−セラミクス接合体は、セラミクスの優れた特
性を低コストで実現でき、また従来製造できなかった形
状のものまで作製できると期待されている。

セラミクス部材と焼結金属部材を接合して一体化するた
めにはろう材等により接合する必要があるが、この際、
焼結金属の空孔にろう材が流れ込むために十分な接合が
できないという問題があった。

また、セラミクスと金属とは一般に熱膨張率が著しく異
なり、しかも互いに馴染み難いため、両者の組み合わせ
が不適当な場合には、接合時に発生する熱応力等でセラ
ミクスが割れることがあった。

従って、実際の機械部品に適用できる性能を持った焼結
金属−セラミクス接合体は、実用化されてないのが現状
である。

そこで本発明の目的は、十分な接合強度で接合されてい
る焼結金属とセラミクスからなる機械部品を提供するこ
とにある。

さらに、本発明のもう一つの目的は、上記のような優れ
た性能を持つ焼結金属とセラミクスとの接合体から構成
される機械部品を製造するための方法を提供することに
ある。

問題点を解決するための手段 本発明者らは上記問題点を解決するために鋭意検討・研
究した結果、焼結金属の接合部に存在する空孔を該接合
面を適当な被覆材で被覆することで予め充填し、その後
にろう材を用いて接合することにより、十分な性能を持
つ焼結金属−セラミクス接合体から構成される機械部品
を開発することに成功した。

すなわち、本発明は、焼結金属とセラミクスの接合体か
ら構成される機械部品であって、焼結金属の接合面が被
覆材により被覆されて該接合面にある空孔が充填されて
いる焼結金属と、接合面をメタライズしたセラミクスと
がろう材により接合されていることを特徴とする焼結金
属とセラミクスの接合体から構成される機械部品機械部
品を提供することにある。

本発明において、予め焼結金属の空孔に充填し被覆層を
形成する被覆材としては、一般にろう材として用いられ
るＭｎ−Ｎ　１−Ｃｕ系合金が好ましく、Ｍｎを５〜７
０重量％、Ｎｉを５〜７０重量％、Ｃｕを５〜７０重量
％を含みＭｎ５Ｎｉ、　Ｃｕの合計が合金の総量の５０
重量％以上であることが好ましい。

Ｍｎ−Ｎ　１−Ｃｕ系合金の組成および合金総量中のＭ
ｎ。

Ｎｉ５Ｃｕの合計量が上記の範囲をはずれると、合金が
焼結金属の空孔に十分に侵入しないため空孔を完全に充
填せず、接合用ろう材との接着性も悪化するため好まし
くない。

本発明で用いる焼結金属としては、被覆材にＭｎ−Ｎｉ
−Ｃｕ系合金を使用することからすれば、Ｆｅを５０重
量％以上含むＦｅ系合金または、Ｃｕを５０重量％以上
含むＣｕ系合金が好ましい。

本発明に用いられるセラミクスとしては、例えば、Ｓ’
Ｃ５Ａ１２０３　、Ｚｒ０ｚ、ＳＩ３Ｎ４　、ＳＩＣ等
が挙げられる。

また本発明に用いられる焼結金属とセラミクスとの接合
用ろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材などが挙げられ
るが、特にこれらに限定されない。

本発明の機械部品は、従来、焼結金属により形成されて
いた部品の全てに適用することができ、特に摺動部など
他の部品との接触部を有する部品には有用である。

そのような機械部品としては、例えば、エンジン部品で
あるカムシャフト、タペット、ロッカーアーム、プレス
機用部品であるパンチ部品、トロコイド型ポンプのトロ
コイド部品が挙げられるが、とくにこれらに限定される
ものではない。

さらに、本発明は、上記焼結金属とセラミクスとの接合
体から構成される機械部品の製造方法を提供する。

すなわち本発明の製造方法は、焼結金属とセラミクスの
接合体から構成される機械部品の製造方法において、焼
結金属とセラミクスとを接合する前に、Ｍｎ−Ｎ　１−
Ｃｕ系合金で・あってその組成が、Ｍｎを５〜７０重量
％、Ｎｉを５〜７０重量％、Ｃｕを５〜７０重量％を含
みＭｎ、　Ｎｉ、Ｃｕの合計が合金の総量の５０重量％
以上である合金を用いて、８００〜１３００℃の温度に
加熱して該焼結金属の接合面の空孔に前記合金を充填す
ることを特徴とする焼結金属とセラミクスの接合体から
構成される機械部品の製造方法である。

本発明の方法に従えば、まず、用途に応じた形状あるい
は構造を有する焼結金属部材を用意し、該部材において
耐摩耗性が要求される箇所の表面面上に表面の空孔を８
００〜１３００℃の温度にて上記組成のＭｎ−Ｎｉ−Ｃ
ｕ系合金により充填するように被覆層を形成する。

また、焼結金属部材において該耐摩耗性が要求される箇
所に接合すべくセラミックチップを用意し、チップの接
合面に予めメタライズ処理を洛しておく。

次いで、焼結金属からなる部材とセラミクスとの接合部
を、真空雰囲気中にてＡｇ−Ｃｕ系などのろう材を使用
して接合することで、本発明の機械部品を得ることがで
きる。

作用 本発明は、焼結金属とセラミクスとをろう材で接合した
機械部品を製造する際、予め焼結金属の接合部表面を被
覆材で被覆することにより該接合部表面の空孔を充填し
ておくことに主な特徴がある。

このため、セラミクスと焼結金属部材を接合用ろう材に
より接合する際に、ろう材が焼結金属の空孔内に侵入す
ることがなく、しかも被覆材により形成された被覆層と
接合用ろう材とが強固に接合するため焼結金属とセラミ
クスとは十分な接合強度をもって固着する。

本発明による強固に接合された焼結金属−セラミクス接
合体を耐摩耗性が要求される部品、例えば、エンジン部
品であるカム、タペット、ロッカーアーム等に使用する
ことで、従来の焼結金属のみの部品に比べ耐摩耗性の向
上および軽量化が実現でき、さらにそのような部品を使
用する機械の耐久性も向上する。

実施例 次に、実施例にて本発明の詳細な説明するが、本発明は
これらに何等限定されない。

実施例１ 本発明による機械部品としてプレス機用パンチ部品を本
発明の方法に従い、以下のように作製した。

まず、Ｆｅ：　９５重量％、Ｃｕ：５重量％であるＦｅ
系の焼結金属の部材および予め該焼結金属部材との接合
部表面をメタライズ処理したＳｉＣチップを用意した。

次いで、該焼結金属部材の接合部表面にＭｎ−Ｎｉ−Ｃ
ｕ系合金（Ｍｎ：　２０重量％、Ｎｉ：　２０重量％、
Ｃｕ：　２０重量％）を用いて被覆層を形成し、該接合
部表面の空孔を完全に充填した。

このような焼結金属部材の接合部に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう
材を用いて、８５０℃、真空雰囲気下でＳｉＣチップの
メタライズ面を接合したところ、両者は容易に接合した
。

第１図にＳｉＣのセラミックチップを接合したパンチ部
品の接合部断面の拡大図を示す。

第１図に示した断面は、被覆材２で被覆されたパンチ部
品部材である焼結金属１とメタライズ層４を持つチップ
であるセラミクス５とが接合用ろう材３を介して接合さ
れた状態を示している。

Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金の被覆材２は、焼結金属１の接
合部表面の空孔を充填するとともにさらにその外側に堆
積して被覆層を形成している。

一方、予めメタライズ処理されたセラミクス５の接合部
には接合ろう材３との接合界面４が形成されている。

このような接合部を有するパンチ部品をプレス機に組み
込み１００万回プレス作業を繰り返した。

その後、パンチ部品を取り外して観察したが、チップ面
は全く変化なく、チップと焼結金属部材の接合部にも何
ら異常は観察されなかった。

実施例２ 焼結金属の被覆材にＭｎ−Ｎ　１−Ｃｕ系合金の代わり
にＣｕを用いた以外は、実施例１と同様にしてＳｉＣチ
ップを接合させたパンチ部品を作製した。

この際、チップと焼結金属部材とは容易に接合したが、
接合に要したＡｇ−Ｃｕ系ろう材の使用量は実施例１の
場合より多かった。

このようにして得られたパンチ部品をプレス機に組み込
み１００万回プレス作業を繰り返した。

その後、パンチ部品を取り外して観察したが、チップ面
は全く変化なく、チップと焼結金属部材との接合部にも
何ら異常は観察されなかった。

比較例１ 焼結金属に被覆材を使用しなかった以外は、実施例１と
同様にして焼結金属部材にＳｉＣチップを接合する操作
を行った。

しかし、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材が焼結金属内に侵入して、
両者を接合させることが不可能であった。

実施例３ 本発明の機械部品として、摺動面にセラミックチップを
接合させたロッカーアームを作製した。

Ｆｅ：　９８．５重量％、Ｓｎ：　１．５重量％のＦｅ
系焼結金属の部材および予め接合面をメタライズ処理し
たＳｉ、Ｎ、チップを用意した。次いで、焼結金属部材
の接合部表面を！Ｊｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金で被覆するこ
とにより該接合部表面の空孔を完全に充填した。

このような焼結金属部材の接合部に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう
材を用いて、８５０℃、真空雰囲気下でＳｉ３Ｎ。

チップのメタライズ面を接合したところ、両者は容易に
接合した。

こうして得られたロッカーアームを第２図に示す。

第２図に示すように本発明によるロッカーアーム６は、
カムとの接触面にセラミックチップ７が接合されている
。

このようなロッカーアーム６を自動車用エンジンのヘッ
ドに組み込み、アイドル回転および５０００ｒｐｍにて
、交互に４００時間連続運転した。

その後、エンジンのヘッド部分を分解してロッカーアー
ムを観察したが、チップ面は全く変化なく、チップと焼
結金属部材との接合部にも何ら異常は観察されなかった
。

実施例４ 本発明の機械部品として、トロコイド外周部にセラミッ
クチップを接合させたトロコイド型ポンプを作製した。

Ｆｅ：　７０重量％、Ｃｕ：　１８重量％、Ｎｉ：１２
重量％のＦｅ系焼結金属の部材および予め接合面をメタ
ライズ処理したＺｒＯ□チップを用意した。

次いで、該焼結金属部材の接合部表面を！４ｎ−Ｎ＋−
Ｃｕ系合金で被覆することにより、該接合部表面にある
空孔を完全に充填した。

このような焼結金属部材の接合面に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう
材を用いて、８５０℃、真空雰囲気下で２ｒＯ，チップ
のメタライズ面を接合したところ、両者は容易に接合し
た。

このようにしてＺｒＯ□チップを接合したトロコイド部
品をトロコイド型ポンプに組み込み、軽油を送油させて
１０００時間運転を繰り返した。

その後、トロコイド部品を取り外して、トロコイド外周
部を観察したが、チップ面は全く変化なく、チップと焼
結金属部材との接合部にも何ら異常は観察されなかった
。

発明の詳細 な説明したように、本発明によると従来製造し得なかっ
た強固に接合された焼結金属−セラミクス接合体の機械
部品を提供することができる。

この機械部品はセラミクスの優れた特性を備えている上
、セラミクスのみでは作製できない形状のものを低コス
トで製造できる。

このため、本発明の機械部品は、従来の自動車部品、機
械加工部品、家庭用電化製品等において、耐摩耗性、耐
久性および省エネルギー性に優れた部品として極めて有
用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の機械部品におけるセラミクスと焼結金
属の接合面の拡大図を示す。 第２図は本発明の機械部品の一具体例である自動車用エ
ンジン部品であるロッカーアームを示す。 〔主な参照番号〕 １・・焼結金属、　　２・・Ｍｎ−Ｎ　１−Ｃｕ系ろう
材、３・・接合用ろう材、４・・接合界面、５・・セラ
ミクス、　　６・・ロッカーアーム、７・・セラミック
チップ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結金属とセラミクスの接合体から構成される機
   械部品であって、焼結金属の接合面が被覆材により被覆
   されて該接合面にある空孔が充填されている焼結金属と
   、接合面をメタライズしたセラミクスとがろう材により
   接合されていることを特徴とする焼結金属とセラミクス
   の接合体から構成される機械部品。
2. （２）上記焼結金属の接合面を被覆する被覆材が、Ｍｎ
   −Ｎｉ−Ｃｕ系合金であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の焼結金属とセラミクスの接合体から構
   成される機械部品。
3. （３）上記Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金の組成が、Ｍｎを５
   〜７０重量％、Ｎｉを５〜７０重量％、Ｃｕを５〜７０
   重量％を含みＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕの合計が合金の総量の５
   ０重量％以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の焼結金属とセラミクスの接合体から構成さ
   れる機械部品。
4. （４）上記焼結金属が、Ｆｅを５０重量％以上含むＦｅ
   系合金またはＣｕを５０重量％以上含むＣｕ系合金であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の
   いずれか１項に記載の焼結金属とセラミクスの接合体か
   ら構成される機械部品。
5. （５）上記セラミクスが、ＳｉＣ、Ａｌ＿２Ｏ＿３、Ｚ
   ｒＯ＿２、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、ＳｉＣからなる群から選ば
   れる一種であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第４項のいずれか１項に記載の焼結金属とセラミク
   スの接合体から構成される機械部品。
6. （６）上記焼結金属とセラミクスとの接合用ろう材が、
   Ａｇ−Ｃｕ系ろう材であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の焼結金属
   とセラミクスの接合体から構成される機械部品。
7. （７）上記機械部品が、エンジン部品であるカムシャフ
   ト、タペット、ロッカーアーム、プレス機用部品である
   パンチ部品、トロコイド型ポンプのトロコイド部品から
   なる群から選ばれる一種であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第６項のうちいずれか１項に記載の
   焼結金属とセラミクスの接合体から構成される機械部品
   。
8. （８）焼結金属とセラミクスとが接合用ろう材により接
   合されている接合体から構成される機械部品の製造方法
   において、 焼結金属とセラミクスとを接合する前に、 Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金であってその組成が、Ｍｎを５
   〜７０重量％、Ｎｉを５〜７０重量％、Ｃｕを５〜７０
   重量％を含みＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕの合計が合金の総量の５
   ０重量％以上である合金の被覆層を焼結金属の接合面に
   形成し、８００〜１３００℃の温度に加熱して該焼結金
   属の接合面の空孔に前記合金を充填することを特徴とす
   る焼結金属とセラミクスの接合体から構成される機械部
   品の製造方法。
9. （９）上記焼結金属が、Ｆｅを５０重量％以上含むＦｅ
   系合金またはＣｕを５０重量％以上含むＣｕ系合金であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の焼結金
   属とセラミクスの接合体から構成される機械部品の製造
   方法。
10. （１０）上記セラミクスが、ＳｉＣ、Ａｌ＿２Ｏ＿３、
    ＺｒＯ＿２、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、ＳｉＣからなる群から選
    ばれる一種であることを特徴とする特許請求の範囲第８
    項または第９項に記載の焼結金属とセラミクスの接合体
    から構成される機械部品の製造方法。