JPH01271051A

JPH01271051A - 焼結材の鋳ぐるみ方法

Info

Publication number: JPH01271051A
Application number: JP63100975A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Sakai; 紀幸坂井; Tsuyoshi Morishita; 強森下; Norio Youhin; 用品　典雄; Yasushi Asai; 裕史浅井
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1988-04-23
Filing date: 1988-04-23
Publication date: 1989-10-30

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〕本発明は焼結材の鋳ぐるみ方法に関し、特に耐摩耗性焼
結材を鉄系金属溶湯に鋳ぐるむ方法を改善したものに関
する。

〔従来技術〕

従来、自動車用エンジンの鋳鉄製カムシャフトなどのカ
ム部やジャーナル部の耐摩耗性向上の為、鋳造時鋳型の
一部として冷し金を組込み、この冷し金に接触する溶湯
の急冷凝固により微細なチル組織化し耐摩耗性を向上さ
せる方法が広く実用化されている。しかし、この方法で
は耐摩耗性を向上させるのに限界があり、鋳型の構造も
複雑化し且つ高価な冷し金も多数必要となる。

そこで、耐摩耗性合金粉末を成形・焼結してなる焼結部
材を鋳型内に取付けた状態で鋳鉄の溶湯を鋳込み、上記
焼結部材を鋳鉄に拡散接合させて焼結部材を鋳ぐるんだ
鋳ぐるみカムシャフトとする技術が採用されつつある。

例えば、特開昭６０〜７６２６８号公報には、耐摩耗性
焼結カムピースやジャーナルピースを鋳型内にセットし
、その鋳型内に鋳鉄溶湯を鋳込んでシャフト部を形成す
るとともに、シャフト部とカムピース及びジャーナルピ
ースとを一体的に結合するカムシャフトの製造方法が記
載されている。

この場合、上記カムピースの焼結体の為の材料としては
、重量％にてＣｒ　：２〜１５％、Ｍｏｎ０゜５〜５％
、ｖ：０．５〜５％、Ｃ：０．５〜３％及び残部実質的
にＦｅとからなる合金粉末材料、或いはＣｒ：２〜１０
％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｖ：０．１〜０．５％、
Ｃ：０．５〜３．０％、Ｐ　：　０．３〜０゜７％及び
残部Ｆｅとからなる合金粉末材料が有効であるとされて
いる。

上記焼結カムピースは、上記何れかの組成の材料を用い
てカムピースの形状に成形したものを非酸化性雰囲気中
で焼結して製造される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記公報に記載された技術においては、カムピースの質
量が大きいこと及びカムピースの材料中に含まれるＭｏ
やＰの量が少ないため鋳鉄材料の鋳込時焼結カムピース
からの液相の晶出が組成的に少ないこと、などの理由に
より鋳込時にカムピースに接触する溶湯が急冷凝固し、
鋳鉄材料とカムピースとの接合不良が起るという問題が
ある。

そこで、カムシャフトのカム部のカム形成部など耐摩耗
性の要求される部分のみに比較的薄肉の耐摩耗性焼結部
材を鋳ぐるむことも考えられるが、焼結部材が薄い場合
には溶湯が接触したときの熱衝撃でクランクが発生した
り或いは更に薄肉とする場合には溶湯から伝えられる熱
で焼結部材が溶融してしまい所期の耐醸耗性焼結層を形
成できないという問題がある。

加えて、産業用の比較的大型のエンジンのタペットなど
ではカムとの摺接面に機械加工でクラウニングを形成す
ることも有るので、ある程度の厚さの焼結部材を鋳ぐる
むことが必要となることも少なくない。

本発明の目的は、厚さの大きな耐摩耗性焼結部材を、接
合不良を招くことなく確実に鋳ぐるむことか出来るよう
にすることである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る焼結材の鋳ぐるみ方法は、重量％でＰ：１
〜５％、Ｍｏ：５〜２０％、及びＣ：３゜１〜５．０％
を含んだ低融点の鉄系共晶合金粉末からなる成形体を形
成し、重量％でＰ　：　０．５〜１．５％、Ｍｏ　　：
　３．５〜７．０％、Ｃ：１〜３％、及びＣｒ　：５〜
１０％を含んだ鉄系共晶合金粉末からなる耐摩耗性成形
体を形成し、上記成形体と耐摩耗性成形体とを焼結接合
して焼結材を形成し、上記低融点の成形体が鉄系金属溶
湯に鋳ぐるまれるように焼結材を鋳型に取付け、次に鋳
型に鉄系金属の溶湯を鋳込むものである。

上記低融点の鉄系共晶合金粉末について説明すると、こ
の粉末はＦｅ−Ｍ−Ｃ（但し、ＭはＰ、Ｍｏ又はＢ）の
低融点鉄系共晶合金粉末であり、Ｐ及びＭｏの含有％を
大きくして低融点且つ多量の液相を生成させるようにし
ている。

Ｃについて説明すると、Ｃは低融点のＦｅ−Ｐ−Ｃ系共
品合金（融点９３０〜９５０℃）又は低融点のＦｅ−Ｍ
ｏ−Ｃ系共品合金（融点１０８０℃）を形成するのに必
要な元素であって、液晶を生成し鉄系金属との拡散接合
に必要なものである。

Ｃが３．１％未満では液相量が不足し鉄系金属と拡散接
合しない。また、Ｃが５％を越えると上記の作用が飽和
するためＣは３．１％〜５．０％の範囲が望ましい。

Ｐ及びＭｏについて説明すると、これらはＦｅ及びＣと
結合して低融点共晶を形成して液相を形成し、拡散接合
に役立つものである。Ｐが１％未満あるいはＭｏが５％
未満では液相量が少な（なり鉄系金属と拡散接合しない
。また、Ｐが５％を越えたり或いはＭｏが２０％を越え
ると上記作用が飽和するためＰは１〜５％、Ｍｏは５〜
２０％の範囲が望ましい。

但し、必要に応じて１〜６％のＢを含んでいてもよく、
また副次的なものとして１〜５％のＣｒを含んでいても
よい。Ｃｒは原料粉製造時に黒鉛化を防ぐのに役立つが
添加■が５％より多くなると融点を上げるので好ましく
ない。

次に、耐摩耗性成形体の為の鉄系共晶合金粉末について
説明する。

Ｃについて説明すると、ＣはＦｅ及びＰと結合してＦｅ
−Ｐ−Ｃ系共品合金を形成して合金化に役立つとともに
融点を下げて液相を晶出し、またＦｅ及びＭｏと結合し
てＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系共晶合金を形成して合金化に役立つ
とともに融点を下げて液相を晶出し、基地＆１Ｉｒａを
強化するとともにＦｅｓ　Ｐ、、ＭＯ％　Ｃｒ等の炭化
物からなる耐摩耗性の硬化相を形成する。Ｃカ月、０％
未満では上記の作用が十分でなくなり、また、Ｃが３．
０％を越えると炭化物がネット状に析出して靭性を低下
させる。

Ｐについて説明すると、ＰはＦｅ及びＣと結合してＦｅ
−Ｐ−Ｃ系共晶合金を形成して耐摩耗性を向上させると
ともに合金の融点を低下させる。

Ｐが０．５％未満では液相量が少なくなり焼結材の密度
が大きくならず、また、１．５％を越えると燐共晶がネ
ット状に生成して靭性を低下させるので好ましくない。

ＭＯについて説明すると、ＭＯは基地の強化及びその炭
化物の析出により耐摩耗性の硬化相の形成に寄与し、Ｆ
ｅ及びＣと結合しＦｅ−Ｍｏ−ｃ系共品合金を形成して
融点を下げ液相を晶出する役割りをする。Ｍｏが３．５
％未満では炭化物の生成が少なくなりまた焼結材の密度
も大きくならない。また、７．０％を越えると上記の作
用が飽和するため経済的に不利である。

Ｃｒについて説明すると、Ｃｒはその炭化物の析出によ
り耐摩耗性を向上させる副次的な元素として有効であり
、基地の強化特に靭性・耐熱衝撃性の向上に役立つ。Ｃ
ｒが５．０％未満では十分な耐摩耗性が得られず、また
１０．０％を越えると融点が上昇しまた上記作用が飽和
するため経済的に不利である。

以上の元素の他に、液相晶出を促進する元素としてＢが
有効であり、ＢはＦ　ｅ　ＳＣと結合しＦｅ−Ｂ−Ｃ系
共晶合金を形成して硬質相を形成すると共に融点を下げ
る効果がある。また、耐摩耗性向上元素として、ＶＳＷ
、Ｎｂ５Ｔａ、Ｔｉ等の含有も有効であり、これらの元
素は基地の強化、特に靭性の向上に役立ち、さらにＣと
結合して硬質相を形成するのに好ましい元素である。

〔作用〕

本発明に係る焼結材の鋳ぐるみ方法においては、成形体
の材料である鉄系共晶合金粉末には比較的多くのＰとＭ
ｏとが含まれているので、この共晶合金は低融点であり
多くの液相を晶出することから、鉄系金属の鋳造金属と
拡散接合しやすく形成されている。

耐摩耗性成形体の材料である鉄系共晶合金粉末には、上
記成形体の為の合金粉末よりも大幅に少ない量のＰとＭ
ｏとが含まれているので、この耐摩耗性共晶合金の融点
は上記成形体の共晶合金の融点よりも高く設定されてい
る。

上記成形体と耐摩耗性成形体とを焼結処理すると、焼結
温度に応じて成形体若しくは成形体と耐摩耗性成形体と
から液相が晶出して両者は一体的に強力に接合された焼
結材となる。

上記焼結材のうち低融点の焼結成形体が鉄系金属溶湯に
鋳ぐるまれるように（つまり、溶湯が直接接触するよう
に）焼結材を鋳型内の鋳造キャビティの所定の部位にセ
ットし、鋳造キャビティに鉄系金属溶湯を鋳込むと、焼
結材の質量が大きくそのため溶湯が焼結材で若干冷却さ
れたとしても、溶湯に鋳ぐるまれる焼結成形体は融点が
低く比較的多くの液相を晶出するので、この成形体は鋳
込まれた鉄系金属と確実に拡散接合することになる。

一方、耐摩耗性の焼結材の部分は、上記溶湯に鋳ぐるま
れる方の焼結材の部分よりも融点が高いので、鋳込み時
に溶融してしまうこともなく、耐摩耗性の焼結材部分で
耐摩耗層を形成することが出来る。

上記のように、溶湯に鋳ぐるまれる側に低融点の焼結材
の部分を配置することにより、鉄系鋳造金属と焼結材と
の接合性を格段に向上し得るので、厚肉の耐摩耗性焼結
材を鋳ぐるむことが可能となる。

〔発明の効果〕

本発明に係る焼結材の鋳ぐるみ方法によれば、以上説明
したように、溶湯に鋳ぐるまれる方の焼結材の部分を低
融点の鉄系共晶合金とし液晶を生成し易くなっているの
で、耐摩耗性焼結合金の肉厚を厚くしても接合不良が起
らず、確実に拡散接合させることが出来る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１溶湯に鋳ぐるまれる方の低融点鉄系共晶合金粉末からな
る成形体として、重量％にてＣ：４．３％、Ｃｒ　：３
．０％、Ｐ：２．２％、Ｍｏ　：１０．２％及び残部実
質的にＦｅからなり、粉末粒径２００メツシュ以下の低
融点鉄系共晶合金粉末９７重量％と、トルエンで希釈し
たアクリル系粘着性結合剤３重量％とを混練機で混練後
、ロール圧延にて厚さ０゜８１１のシート状に成形しく
第１図（ａ）参照）、このシート１を４０１■φに打抜
いて第１粉末シート片１ａを製作した（第１図（ｂ）参
照）。

一方、鉄系共晶合金粉末からなる耐摩耗性成形体として
、重量％にてＣ：２．１％、Ｃｒ　　：８．１％、Ｐ：
１．０％、Ｍｏ：４．６％及び残部実質的にＦｅからな
り、粉末粒径２００メツシユ以下の低融点鉄系共晶合金
粉末９７重量％と、トルエンで希釈したアクリル系粘着
性結合剤３重量％とを混練機で混練後、厚さ３．０鰭の
シート状に成形しく第１図（ｄ）参照）、このシート２
を４０ｍｍφに打抜いて第２粉末シート片２ａを製作し
た（第１図（６）参照）。

次に、上記第１粉末シート片１ａと第２粉末シート片２
ａとをＨ２ガス雰囲気中で３００℃まで加熱してその温
度に６０分間保持後冷却し、脱ロウ処理（予備焼結）を
行なった（第１図（Ｃ）、第１　（ｆ）参照）。

次に、焼結処理として、上記第２粉末シート片２ａを真
空炉内に収容し、１０℃／分の昇温速度で１０８０℃ま
で加熱して２０分間保持後冷却して第２粉末シート片焼
結体２Ａを製作した（第１図（ｇ）参照）。

次に、第１粉末シート片１ａの上に第２粉末シート片焼
結体２Ａを載置したものを真空炉内に収容して、１０℃
／分の昇温速度で９７０℃まで加熱しその温度に２０分
間保持後、９００℃まで降温させてその温度に３０分間
保持してからＮ２ガスにて急冷して複合焼結部材３を製
作した（第１図（ｉ）参照）。

この焼結処理により第１粉末シート片１ａは焼結されて
第１粉末シート片焼結体ＩＡとなり、第１粉末シート片
焼結体ＩＡと第２粉末シート片焼結体２Ａとは焼結接合
により一体的に接合された。

上記複合焼結部材３の厚さは３．２鶴で外径は３６１ｓ
φであり、第１粉末シート片焼結体ＩＡは厚さ０．６Ｎ
Ｍ、第２粉末シート片焼結体２Ａは厚さ２．６鶴であっ
た。

次に、自動車用エンジンのタペットを鋳造する分割式の
シェル鋳型４を準備し、その鋳型４の鋳造キャビティ４
ａのうちカムに摺接するタペットの摺接部に対応する部
位に、第１粉末シート片焼結体ＩＡが溶湯に鋳ぐまれる
ように複合焼結部材３をセットしく第１図（ｊ）参照）
、次に鋳造キャビティ４ａ内に鋳鉄ＦＣ２５の１３６０
℃の？容湯を鋳込み、複合焼結部材３を鋳ぐるんだ（第
１図（ｋ）参照）。

上記第１粉末シート片焼結体ＩＡと鋳鉄５との接合状況
を調べるため、その接合部の金属組織を光学顕微鏡で５
０倍に拡大して調べたところ、第３図（ａ）に示すよう
に良好に接合していた。

第３図（ａ）において、符号Ａは第１粉末シート片焼結
体ＩＡの金属組織、Ｂは接合層の金属組織、Ｃは鋳鉄５
の金属組織であり、上記焼結体ＩＡの金属組織において
白色部は析出した炭化物、灰色部は基地（マトリックス
）である。

本実施例の場合、耐摩耗性の第２粉末シート片焼結体２
Ａの厚さが相当厚くなっていて、鋳込み時に溶湯が冷却
されるけれども第１粉末シート片焼結体ＩＡの融点が低
く液相が多く晶出するので良好に接合している。

実施例２溶湯に鋳ぐるまれる方の低融点鉄系共晶合金粉末からな
る成形体として、重量％にてＣ：３．２％、Ｃｒ　　：
４．８％、Ｐ：１．７％、Ｍｏ：８．１％及び残部実質
的にＦｅからなり、粉末粒径２００メ、ッシュ以下の鉄
系共晶合金粉末９６重量％と、トルエンで希釈したアク
リル系粘着性結合剤４重量％とを混練機で混練後、厚さ
１．ｉｎｎのシート状に成形しく第２図（ａ）参照）、
このシート６を４０１１φに打抜いて第１粉末シート片
６ａを製作した（第２図（ｂ）参照）。

一方、鉄系共晶合金粉末からなる耐摩耗性成形体として
、重量％にてＣ：　１．７％、Ｃｒ　　：８．５％、ｐ
：ｏ、ｓ％、Ｍｏ：３．９％及び残部実質的にＦｅから
なり、粉末粒径２００メツシユ以下の耐摩耗性鉄系共晶
合金粉末９６重量％と、トルエンで希釈したアクリル系
粘着性結合剤４重量％とを混練機で混練後、厚さ３．７
ｗのシート状に成形しく第２図（ｄ）参照）、このシー
ト７を４０１璽φに打抜いて第２粉末シート片７ａを製
作した（第２図（ｅ）参照）。

次に、上記第１粉末シート片６ａと第２粉末シート片７
ａとを実施例１と同様に脱ロウ処理（予備焼結）を行な
った（第２図（Ｃ）、第２（ｆ）参照）。

次に、焼結処理として、上記第２粉末シート片７ａを真
空炉内に収容し、１０℃／分の昇温速度で１０９０℃ま
で加熱して２０分間保持後冷却して第２粉末シート片焼
結体７Ａを製作した（第２図（ｇ）参照）。

次に、第１粉末シート片６ａの上に第２粉末シート片焼
結体７Ａを載置したものを真空炉内に収容して、ｌＯ℃
／分の昇温速度で９９０℃まで加熱しその温度に２０分
間保持後、９００℃まで降温させてその温度に３０分間
保持してからＮ！ガスにて急冷して複合焼結部材８を製
作した（第２図（ｉ）参照）。

この焼結処理により第１粉末シート片６ａは焼結されて
第１粉末シート片焼結体６Ａとなり、第１粉末シート片
焼結体６Ａと第２粉末シート片焼結体７Ａとは焼結接合
により一体的に接合された。

上記複合焼結部材８の厚さは４　、Ｏｔｍで外径は３６
鶴φであり、第１粉末シート片焼結体６Ａは厚さ０．９
ｍ、第２粉末シート片焼結体７Ａは厚さ３，１鶴であっ
た。

次に、実施例１と同様の鋳型４の鋳造キャビティ４ａの
うちカムに摺接するタペットの摺接部に対応する部位に
、第１粉末シート片焼結体６Ａが溶湯に鋳ぐまれるよう
に複合焼結部材８をセットしく第２図（ｊ）参照）、次
に鋳造キャビティ４ａ内に球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４５の１
４５０℃の溶湯を鋳込み、複合焼結部材８を鋳ぐるんだ
（第２図（ｋ）参照）。

上記第１粉末シート片焼結体６Ａと球状黒鉛鋳鉄９との
接合状況を調べるため、その接合部の金属組織を光学顕
微鏡で５０倍に拡大して調べたところ、第３図（ｂ）に
示すように良好に接合していた。

第３図（ｂ）において、符号りは第１粉末シート片焼結
体６への金属組織、Ｅは球状黒鉛鋳鉄９０金属Ｕ織であ
り、上記焼結体６Ａの金属＆Ｉ織において白色部は析出
した炭化物、灰色部は基地（マトリックス）である。

本実施例の場合、耐摩耗性の第２粉末シート片焼結体７
Ａの厚さが実施例１の場合よりも更に厚（なっていて、
鋳込み時に溶湯が冷却されるけれども第１粉末シート片
焼結体６Ａの融点が低く液相が多く品出するので良好に
接合している。

比較例１鉄系共晶合金粉末からなる耐摩耗性成形体として、重量
％にてＣ：　１．９％、Ｃｒ：８．５％、Ｐ：１．０％
、Ｍｏ：４．６％及び残部実質的にＦｅからなり、粉末
粒径２００メツシユ以下の低融点鉄系共晶合金粉末９７
重量％と、トルエンで希釈したアクリル系粘着性結合剤
３重量％とを混練機で混練後、厚さ３．２ｍｍのシート
状に成形し、このシートを４０龍φに打抜いた粉末シー
ト片を製作し、次にこの粉末シート片を実施例１と同様
に脱ロウ処理し、次に実施例１と同様に真空炉内で１０
℃／分の昇温速度で１０８０℃まで加熱して２０分間保
持後、９００℃まで降温させて３０分保持してからＮ２
ガスで急冷した。この焼結処理後の粉末シート片焼結体
は厚さ２．７鰭で外径３６鶴φであった。

次に上記焼結体を実施例１と同様に鋳型内にセットして
鋳鉄ＦＣ２５の１３６０℃の溶湯を鋳込んだ。鋳放し後
、焼結体と鋳鉄との接合部の断面を調べたところ、焼結
体と鋳鉄との間に隙間があリ、全く接合していなかった
。

即ち、上記焼結体はＰ及びＭｏの含有量が少な（融点の
比較的高い共晶合金粉末で形成されており、また焼結体
の厚さが大きく溶湯の急冷が起るので、焼結体からの液
相の晶出が少なくなって良好に拡散接合しなかったので
ある。

尚、本実施例は、自動車用エンジンのタペットに耐摩耗
性焼結部材を鋳ぐるむ場合の実施例なのご複合焼結部材
を円形の平板状のものに形成したが、円形以外の各種の
形状でもよいしまた平板状である必要はなく曲面状の複
合焼結部材に形成することも有り得る。

例えば、自動車用直列４気筒エンジンのカムシャフトの
カム部のカム形成部の曲面形状に沿うような複合焼結部
材を形成し、その曲面状の複合焼結部材を鉄系金属溶湯
に鋳ぐるむことも出来る。

そして、本発明は耐摩耗性の摺動部を有する各種の機械
部品の・鋳造に適用し得るものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係り、第１図（ａ）〜（ｋ）は
実施例１の工程説明図、第２図（ａ）〜（ｋ）は実施例
２の工程説明図、第３図（ａ）は実施例１における鋳鉄
と複合焼結部材との接合部付近の金属組織の５０倍拡大
写真、第３図（ｂ）は実施例２における球状黒鉛鋳鉄と
複合焼結部材とめ接合部付近の金属組織の５０倍拡大写
真である。１ａ・６ａ・・低融点の成形体、２ａ・７ａ・・耐摩耗性成形体、３・８・・焼結材、　４・・鋳型。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％でＰ：１〜５％、Ｍｏ：５〜２０％、及び
Ｃ：３．１〜５．０％を含んだ低融点の鉄系共晶合金粉
末からなる成形体を形成し、重量％でＰ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：３．５〜７．０
％、Ｃ：１〜３％、及びＣｒ：５〜１０％を含んだ鉄系
共晶合金粉末からなる耐摩耗性成形体を形成し、上記成形体と耐摩耗性成形体とを焼結接合して焼結材を
形成し、上記低融点の成形体が鉄系金属溶湯に鋳ぐるまれるよう
に焼結材を鋳型に取付け、次に鋳型に鉄系金属の溶湯を鋳込むことを特徴とする焼
結材の鋳ぐるみ方法。