JPH01152247A - 高温耐摩耗性焼結合金 - 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］ 本発明は自動車用内燃機関の弁座材に好適な鉄系焼結合
金に関するものである。

［従来の技術］ 自動車エンジン用の弁座は、無鉛カッリンに対応して多
くの焼結合金が開発されている。

例えば、本件出願人がさきに開発し実用に供した無鉛ガ
ソリン用弁座（特公昭５５−３６２４２号）もその−例
でおり、これはＮｒ−ＭＯ−Ｃ０系の焼結鋼に重量比で
１０％以上の鉛を含浸したもので、従来材Ｃｒ−ＭＯ−
Ｖ系の焼結鋼に鉛を含浸したちのく特公昭４９−１７９
６８号）に比べると耐摩耗性が一段改良されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、自動車エンジンの高動力性能化により作動条件
が一段と厳しくなっている昨今、上記の焼結合金でも不
十分で、耐摩耗性がもっと良く、高温でも材料強度が高
い材料に改善することが望まれていた。

［発明の目的］ 本発明は、上記した従来の焼結合金（特公昭５５−３６
２４２号）を更に改良したもので、材料強度が高く、優
れた高温耐摩耗性をもつ焼結材料を安価に提供すること
にある。

〈発明の構成〉 ［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、マトリックスを従
来の焼結合金組成からなる基地中にニッケルを分散させ
た組織とし、空孔内に鉛を含浸するとともに、最適な基
材密度と鉛含浸量を限定したものであり、更に詳しくは
、 全体の組成が重量比で、 Ｃ：０．３５〜１．１％。

Ｎｉ：４．６〜２５．８％。

ＭＯ：０．３〜２．７％。

ＣＯ；ａ４〜ａ７％。

Ｐｂ：５〜１６％。

及び残部実質的にＦｅよりなり、 基地組成が、同じく重量比で、 Ｃ：０．４５〜１．１５％。

Ｎ　ｉ　：　５．５〜２７．２％。

Ｍｏ：Ｑ４〜２．８％。

ＣＯ：４．１〜７．１％。

及び残部実質的にＦｅよりなり、且つソルバイト組織と
ベーナイト組織の混合組織中にオーステナイト組織が分
散していて、空孔内には鉛を含み、全体密度が７．６Ｃ
Ｉ／ｃｊ以上、及びＰｂｆｆ１を除く焼結合金の密度が
６．９〜７．２ｑ／ｃＴｌ？であることを特徴としてい
る。

まず、本発明焼結合金の製造方法を簡単に説明すると、
原料として用いる粉末は、特公昭５５−３６２４２号と
同じＮｉ０．５〜３％、ＭＯｏ、５〜３％、ＣＯ５，５
〜７．５％、Ｆｅ残からなる合金鉄粉にＮ１粉を配合す
るか、上記合金鉄粉にＮｉ粉と黒鉛粉とおよびステアリ
ン酸亜鉛等の潤滑剤を混合したものである。

成形及び焼結は通常の方法であり、焼結体密度をａ９〜
７．２０／ｃｉになるよう設定する。

この焼結体を溶融鉛浴に浸漬し、空孔内に鉛を含浸する
。

このようにして得られる本発明焼結合金を構成する数値
範囲について次に説明する。

基本となる合金鉄粉の組成は従来材の基地組成と同じで
あり、各組成範囲は特公昭５５−３６２４２号公報に記
載されている通りである。

即ち、Ｎｉ及びＭＯは主に強度の向上に寄与する成分で
、０５％未満では不十分でおり、一方３％以上添加して
も費用の割に効果が少ない。またＭＯを過剰に入れると
耐酸化性が低下する。

ＣＯは５．５％未満では高温硬さが不足し摩耗しやすく
、一方７．５％以上になると原料粉が硬くなり圧縮成形
が困難になる。

Ｃは黒鉛粉で添加され、焼結体基地中に占める炭素量は
０６〜１．２％の範囲であり、これよりも少なすぎると
充分な硬さが得られず、多すぎるとセメンタイト組織が
析出し易くなり基地材料が脆化する。

また、マトリックスの組織は一般にソルバイト組織とベ
ーナイト組織の混合組織を呈するが、０口が上限寄りの
場合ベーナイト組織がほとんどを占めるようになる。

次に、上記の合金にＮｉを添加し、オーステナイト組織
の形で分散させるアイデアは、静的な機械強度がかなり
向上し、高温での強度低下が少なくなること、及び分散
したオーステナイト組織は繰返しの疲労強度の向上に効
果があるという知見に基づいている。

Ｎｉはカーボニルニッケル粉の形で添加され、焼結後は
マトリックスに斑点状のオーステナイト組織とする。Ｎ
ｉ粉の添加量は重量比で５〜２５％の範囲でおり、５％
未満では耐摩耗性及び強度の向上が少なく、また２５％
を越えて添加しても費用はど効果が少なく、むしろ耐摩
耗性及び強度ともに悪くなる傾向を示すようになる。

上記のＮ１−Ｍｏ−ＣＯ−Ｃ系焼結鋼の密度は６．９〜
７．２　ｇ／　Ｃｍ？が最適でおる。６．９ｇ／ｃｉ？
より低いと摩耗しやすく、７．２０　／　ｃｊより高い
密度は成形圧力が高くなり、作業性や押型摩耗の点で不
利であり、また、空孔量の減少にともなって後述する鉛
溶浸性が悪くなる。

鉛の溶浸匿は、前述焼結密度範囲において溶浸後の密度
が７．６ｇ／＋ａ？以上になるよう含浸すると良好な耐
摩耗性を示す。換言すると、Ｐｂ量は焼結密度６．９ｇ
、／Ｃｍ’の基材では重量比で９％以上、焼結密度７．
２０　／　ｃｔｎ’の基材では重量比で５％以上である
。溶浸密度の上限値は焼結密度範囲が限定されているた
め、ａ２ｑ／ｃｊを越えることは無い。

また、Ｐｂ量も同様であって焼結密度６９ｇ／ｃｍ’の
基材において重量比で最大１６％となる。

以上の構成を組成範囲で表わすと、全体の組成が重量比
で Ｃ：０．３５〜１．１％。

Ｎｉ：４．６〜２５．８％。

ＭＯ：Ｑ３〜２．７％。

ＣＯ：ａ４〜ａ７％。

Ｐｂ：５〜１６％。

Ｆｅ：残部、 また基地組成は、同じく重量比で、 Ｃ：０４５〜１．１５％。

Ｎｉ：５．５〜２７．２％。

Ｍｏ：Ｑ４〜２．８％。

ＣＯ：４．１〜７．１％。

Ｆｅ：残部、になる。

なお、上記の基地組成と同様な組成範囲をもつ焼結合金
（特公昭６２−４２９９１号）がある。

しかし、この焼結合金はＮｉ８〜１６％が基地に固溶し
ているのに対し、本発明材は一部が基地に固溶し大部分
がオーステナイト相の形で基地に分散していること、及
び本発明材はＰｂを所定量含む点が異なる。

［実施例］ （試験−１） 先ず、重量比でＮｉ：１．５％、　ＭＯ：　１．５％。

Ｇｏ：６５％を含む粒度１００メツシユ以下のアトマイ
ズ合金鉄粉と、オーステナイト組織形成用にカーボニル
ニッケル粉を用意した。

次に、試料の作製は、上記アトマイズ合金鉄粉に、黒鉛
粉１重量％と潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．８％を
添加した混合粉と、ざらに上記カーボニルニッケル粉を
５．１０，１５，２０．２５及び３０重量％添加した各
混合粉を準備し、焼結密度が７．０ｇ／ａｎ？になるよ
う成形密度を調整して所定形状に成形した後、アンモニ
ア分解ガス雰囲気炉中で温度１１６０℃、３０分間の焼
結を行なって各焼結体を得た。

次いで、各焼結体を５５０℃の溶融鉛浴中に浸漬して、
８気圧の加圧力を加えることにより、当該焼結体中の空
孔内に鉛を溶浸させた。

これら試料の顕微鏡組織は、基地がベーナイト組織と少
量のソルバイト組織の混合組織であり、カーボニルニッ
ケルを添加したものは白色のオーステナイト組織が分散
している。また、空孔内には鉛が認められる。

次に、各試料の常温での圧環強さと、これら材料からな
る弁座を供試材として模擬エンジン試験機を用いて各弁
座の摩耗量を比較した。

この摩耗試験機は、ＬＰＧ燃焼ガスで弁及び弁座を所定
の温度に加熱しながらカム軸をモーターで駆動する機構
をもつものであって、温度、回転数、弁のスプリング圧
力などを任意に設定でき、短期間のうちに苛酷な試験を
行なうことができるものである。

なお、相手材となる弁の材質は、２ｌ−４Ｎ（２１％Ｃ
ｒ−４％Ｎｉ系耐熱ｗ４）を用い、弁座の温度を３００
℃に設定して、３０時間連続運転した後の弁座の摩耗量
を測定した。

第１図は、圧環強ざと弁座摩耗量の測定結果を　。

示す。圧環強さは、Ｎｉ粉の添加が５％以上で効果が認
められ、１０〜２０％で最高値を示したのち、再び緩か
に低下している。

弁座の摩耗量も同様な傾向を示し、１５〜２５％で最も
摩耗が少なく、２５％を越えると僅かに摩耗増加傾向を
示している。

従って、Ｎｉ粉の添加量は下限を５％とし、上限を２５
％とした。この結果、焼結体の組成は、重量比で００．
４５〜１．１５％、Ｎｒ５．５〜２７．２％、ＭＯＱ４
〜２．８％、ＣＯ４，１〜７．１％、及び残部Ｆｅの範
囲になる。

（試験−２） 次に、焼結密度及び鉛溶浸量と摩耗量の関係を調べた。

用いた試料は、試験−１のＮｉ粉添加量が１０％の混合
粉を準備し、焼結密度が６７、ａ９及び７．０ｇ／ｃｎ
？どなるように成形密度を調整して所定形状に成形した
後、試験−１と同様に焼結したのち、鉛溶浸は溶融鉛浴
中の浸漬時間及び気圧を変えて、各焼結体密度ごとに鉛
溶浸量の異なる試料を作った。

これら材料からなる弁座を供試材として試験−１と同様
に模擬エンジン試験機を用いて各弁座の摩耗量を比較し
た。その結果と各試料の密度及びｐｂ分析値を第１表に
示す。また、第１表より、焼結密度と試料密度とＰｂ量
との関係を第２図に示す。

第２図において、○印は摩耗量が比較的少ないＱ４ｍｍ
以下、Ｘ印はＱ４ｍｍを越えた試料を表わしている。ま
た、摩耗量０４ｍｍ以下の領域を斜線で示しており、こ
の領域は焼結体密度が６．９〜７，２Ω／ｃｎ＋であっ
て、鉛溶浸された試料密度は７．６ｇ／ｄ以上、及びＰ
ｂ４は全体組成で５％以上１６％以下の範囲にある。

第１表 試料　焼結密度　試料密度　Ｐｂ量　摩耗量番号　（ｇ
／ｃｍ３）　　（（１／ｃｍ３）　　　（％）　　（ｍ
ｍ）１　　６．７　　８．２６　　　１９　　０．４５
２　　６．７　　８．０１　　　１６　　０．４５３　
　６．７　　７．４４　　　１０　　０．７０４　　　
Ｂ、９　　８．２０　　　１６　　０．３０５　　６．
９　　７．９２　　　１３　　０．３５６　　　Ｂ、９
　　７．６２　　　　９　　０．．１０７　　７．２　
　８．０３　　　１０　　０．２５８　　７．２　　７
゜７５　　　　７　　０．３０９　　７．２　　７．６
０　　　　５　　０．３５１０　　７．２　　７．４０
　　　　３　　０．５０く試験−３） Ｎｉ粉の添加量を１５％とし、それ以外は試験−１と同
様に弁座を作製して供試材とした。

また、比較材として、Ｎｉ粉を添加しないで製作した試
料も準備し、模擬エンジン試験機を用いて弁座の温度が
及ぼす摩耗量を比較した。また、温度と圧環強ざの関係
も測定した。その結果を第３図に示す。

発明材は、高温においても耐摩耗性及び圧環強ざの低下
量が少ない。

（実施例） 次に、４気筒２０００ｃｃのガソリンエンジンによる台
上耐久試験の結果を第４図に示す。

回転数は６０００ｒ　ｐｍであり、１００時間と２００
時間運転後の弁座摩耗量を表わしている。

用いた試料は、試験−３の場合と同様に製作した本発明
材と従来材である。

図から明らかなように本発明試料は摩耗量が少なく、−
段と優れている。

［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明に係わる焼結合金はその実験
結果からも明らかなように従来材に比較して材料強度が
かなり高く、低温から高温まで優れた耐摩耗性を示し、
内燃機関の稼動条件が厳しい場合に有用なものである。

また、金属間化合物や高価な原れを用いないので、比較
的安価に、通常の製造方法で製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮｉ粉添加量の効果を示すグラフ、第２図は焼
結体の密度範囲及び最適な鉛溶浸量を示すグラフ、第３
図は従来材と本発明材の高温における圧環強ざ及び耐摩
耗性を示すグラフ、第４図はエンジン耐久試験による従
来材と本発明材の弁座摩耗量を比較したグラフである。 特許出願人　日産自動車株式会社 日立粉末冶金株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　１　全体の組成が重量比で、 Ｃ：０．３５〜１．１％， Ｎｉ：４．６〜２５．８％， Ｍｏ：０．３〜２．７％， Ｃｏ：３．４〜６．７％， Ｐｂ：５〜１６％， 及び残部実質的にＦｅよりなり、 基地組成が、同じく重量比で、 Ｃ：０．４５〜１．１５％， Ｎｉ：５．５〜２７．２％， Ｍｏ：０．４〜２．８％， Ｃｏ：４．１〜７．１％， 及び残部実質的にＦｅよりなり、且つソルバイト組織と
   ベーナイト組織の混合組織またはベーナイト組織中にオ
   ーステナイト組織が分散していて、空孔内には鉛を含み
   、全体密度が７．６ｇ／ｃｍ＾３以上、及びＰｂ量を除
   く焼結合金の密度が６．９〜７．２ｇ／ｃｍ＾３である
   ことを特徴とする高温耐摩耗性焼結合金。