JPH01273660A - 焼結材の鋳ぐるみ方法 - 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〕 本発明は焼結材の鋳ぐるみ方法に関し、特に耐辛耗性焼
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（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ントし
、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％、Ｍｏ：Ｑ。

５〜５％、Ｖ：０．５〜５％、Ｃ：０．５〜３％、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％、■二〇、１〜０．
５％、Ｃ：０．５〜３．０％、Ｐ：Ｑ、３〜０．７％、
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ｆ
ｉｔが大きいこと及びカムピースの材料中に含まれるＭ
Ｏ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。

上記カムピースの質量を小さくするために、カム部全体
を焼結部材で形成することは好ましくなく、カム形成部
近傍部のみを薄肉状の焼結部材とすることが望ましい。

しかし、薄肉状の焼結部材を鋳型内にセットして溶湯を
鋳込んだ場合には、溶湯の急冷凝固は生じないが、溶湯
から吸収する熱で焼結部材が溶融して所期の耐摩耗性部
分を形成できな（なったり、溶融しないまでも溶湯から
受ける熱で焼結部材が瞬時に加熱されそのときの熱衝撃
により焼結部Ｈにクラックが発生ずるという問題がある
。

本発明の目的は、耐度耗性焼結部材を鉄系金属溶湯に鋳
ぐるむ際に、溶湯の急冷凝固を防止し得る薄肉の焼結部
材を用い且つその溶融を防くとともに熱衝撃によるクラ
ック発生を防止し得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０．３
％以下のＰ、１．５％以下のＭｏ、、０．４％以下のＣ
及び１３．５％以下のＣｒを含んだ高融点の鉄系合金粉
末からなる成形体又は高融点の鋼材からなる鋼部材を形
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
、上記成形体又は鋼部材と耐摩耗性成形体とを焼結接合
して焼結材を形成し、上記成形体又は鋼部材が鉄系金属
の溶湯に鋳ぐるまれるように上記焼結材を鋳型に取付け
、上記鋳型に鉄系金属の溶湯を鋳込むものである。

上記成形体の為の鉄系合金粉末の成分限定について説明
する。

Ｃｒについて説明すると、Ｃｒは耐熱衝撃性を向上させ
、基地に固溶し焼結後の成形体の強度を増すため１３．
５％以下添加してもよく、また１３゜５％を越えると上
記作用力ｌ色和するので経済的に不利である。

Ｍｏについて説明すると、Ｍｏは耐熱衝撃性を上げる作
用があるが、Ｆｅ及びＣと結合してＦｅ−ＭＯ−Ｃ系の
低融点共晶を形成する。１．５％を越えて添加すると液
相が多く品出して鋳込み時に溶湯からの熱で溶融するの
で好ましくない。

Ｐについて説明すると、ＰはＦｅ及びＣと結合してＦｅ
−Ｐ−Ｃ系の低融点共晶を形成して液相を晶出し、焼結
された成形体の密度を上げる作用がある。しかし、０．
３％を越えると液相量が多くなり、鋳込み時に焼結成形
体が溶融するので好ましくない。

Ｃについて説明すると、ＣはＦｅ及びＰ又はＭＯと結合
して共晶を形成して液相を晶出し、焼結成形体の密度を
上げる作用がある。しかし、０．４％を越えると液相量
が多くなり鋳込み時に溶融するため好ましくない。

上記高融点の鋼材について説明すると、この鋼材として
はＪＩＳ規格の５Ｓ４１．５Ｓ５５又は５ｐｃｃなど通
常の各種の鋼材を用いることが出来、これらの鋼材は溶
融温度が高いので耐摩耗性焼結成形体の溶融を防ぐのに
有効である。

次に、耐摩耗性成形体の為の鉄系共品合金粉末について
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系共晶合金（融点９３０−９５０℃）を形成し
て合金化に役立つとともに、Ｆｅ及びＭｏと結合してＦ
ｅ−Ｍｏ−Ｃ系共晶合金（融点１０８０°Ｃ）を形成し
て合金化に役立つ一方、基地組織を強化するとともにＦ
ｅ、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が１．０％未満では低融点晶出物の生
成が少なくなって、鉄系合金粉末の成形体又は鋼部材と
接合しにくくなる。また、Ｃが３．０％を越えると晶出
する液相量が多くなりすぎるので、鋳ぐるみ時に溶融し
てしまう倶がある。

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、鉄系合金粉
末の成形体又は鋼部材との接合不良が起きる。

また、Ｐが１．５％を越えると液相■が過多となって鋳
ぐるみ時に溶融してしまうので好ましくない。

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系共晶合金を形成して
融点を下げる役割りをする。

ＭＯが３．５％未満では硬化相が少なくなりかつ液相量
も少なくなる。また、７．０％を越えると液相量が多く
なりすぎるため溶湯にて溶融化しやすくなる。

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するため鉄系合金粉末
の成形体又は鋼部材と接合しにくくなる。

以上の元素の他に、溶湯による液相晶出を促進する元素
としてＢが有効であり、ＢはＦｅ、Ｃ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、耐辛耗性向上元素として、
Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、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、前記の
ような組成の高融点の鉄系合金粉末からなる成形体また
は高融点の鋼材からなる鋼部材と前記のような組成の鉄
系共晶合金粉末からなる耐摩耗性成形体とを焼結処理す
ると、耐摩耗性成形体は焼結により溶融−像化して耐摩
耗性焼結合金となるとともに、少なくとも耐摩耗性成形
体の焼結に伴なって液相が晶出し成形体又は鋼部材と耐
摩耗性成形体とが一体的に接合されて焼結材となる。

上記成形体又は鋼部材が鉄系金属溶湯に鋳ぐるまれるよ
うに上記焼結材を鋳型に取付けて鉄系金属溶湯を鋳型内
に鋳込むと、焼結材のうちの耐摩耗性成形体の部分は溶
湯に直接接触することはなく鋼部材又は焼結された成形
体で保護されて熱衝撃も、緩和されクラックが発生する
こともない。

一方、鋼部材又は成形体は高融点のものなので、鋳込み
時に溶湯からの熱で溶融することもない。

そして、鋼部材又は成形体の厚さを適度に薄（設定して
おけば、鋼部材又は成形体によって溶湯の急冷層ｌも起
らず、溶湯からの熱で鋼部材又は成形体が僅かに溶融し
溶湯内のＣが鋼部材又は成形体へ拡散しこれらが十分に
接合することになる。

〔発明の効果〕

本発明に係る焼結材の鋳くるみ方法によれば、以上説明
したように、高融点の鋼部材又は鉄系合金粉末の成形体
と耐摩耗性成形体とを焼結して接合させ、その焼結材を
鋳型に取付は鋼部材又は鉄系合金粉末の焼結成形体を鉄
系金属溶湯に鋳くるむようにしたので、耐摩耗性焼結材
を十分薄肉のものに形成して溶湯の急冷凝固を防止し、
且つ耐摩耗性焼結材にクラックが発生するのを確実に防
止できる。

しかも、鋼部材又は鉄系合金粉末の成形体の厚さを適度
に薄く設定すれば鋼部材又は上記成形体とを強力に接合
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 本実施例は、鉄系合金粉末の成形体と鉄系共晶合金粉末
の耐摩耗性成形体とを焼結接合して、その焼結材を用い
る場合の実施例である。

重量％で１２．８％のＣｒと残部実質的にＦｅからなり
粉末粒径２００メソシユ以下の高融点鉄系合金粉末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％との混合物を混練機で混練したのち、ロール圧
延により第１図（ａｌに示すように厚さ０．９　ａｍの
第１粉末シート１に成形し、その第１粉末シート１を打
抜いて外径３６．５　鰭φの第１粉末シート片１ａを製
作し、その第１粉末シート片１ａを１１□ガス雰囲気中
において３００°Ｃまで加熱して６０分間保持し、その
後冷却した。

この脱ロウ処理（予備焼結）は第１粉末シート片ｌａ中
の樹脂成分を消失させる為である。次に、第１粉末シー
ト片１ａを真空炉内に収容し、１０°Ｃ／分の昇温速度
で１２００℃まで加熱昇温して２０分間保持してから冷
却した。この焼結処理により厚さ０．８龍の第１焼結部
材ＩＡが得られた（第１図ｆｄ）参照）。

一方、重量％でＣｒニア、８％、Ｍｏ：４．８％、Ｐ：
１．０％、Ｃ：　２．１％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％との混合物を混練し、ロール圧延により厚さ１．
４　ａｍの第２粉末シート２（第１図（ｅ）参照）を製
作し、これを打抜いて外径４０、１　ｍｌφの第２粉末
シート片２ａを作り　（第１図（ｆ）参照）、この第２
粉末シート片２ａを第１焼結部材ＩＡにアクリル樹脂の
両面接着テープにて接着した（第１図（ｇ）参照）。

次に、これらを上記同様に脱ロウ処理してから、真空炉
内に収容して１０℃／分の昇温速度で１０７０℃まで加
熱して２０分間保持後、９００°Ｃまで降温させて３０
分間保持し、次にＮ２ガスで急冷した。この焼結処理に
より第２粉末シート片２ａは焼結され且つ第１焼結部材
ＩＡと焼結接合されて厚さ２．０鶴で外径３６■ｌφの
複合焼結部材３が得られた。

次に、自動車用エンジンのタペットを鋳造する為の分割
式のシェル鋳型４の鋳造キャビティ５のうちタペットの
カムとの摺接部に対応する部分に複合焼結部材３を配設
し、第１焼結部材ＩＡが溶湯と接するように複合焼結部
材３をセットしく第１図Ｕ）参照）、次にその鋳型４の
鋳造キャビティ５内へ１４５０°Ｃの球状黒鉛鋳鉄ＦＣ
Ｄ４５の溶湯を注湯し、上記複合焼結部材３を鋳ぐるん
だ。

この結果、複合焼結部材３は殆んど熔融せず、またクラ
ックの発生も起らなかった。上記鋳込んだ鋳鉄６と第１
焼結部材ＩＡとの接合部の金属組織の５０倍拡大断面を
光学顕微鏡で調べたところ第３図（ａｌのようになって
いた。第３図（ａｌにおいて、符号Ａは第１焼結部材Ｉ
Ａの金属組織、Ｂは拡散接合層の金属組織、Ｃは鋳鉄６
の金属組織であり、鋳鉄６と第１焼結部材ＩＡとは良好
に接合している。即ち、鋳込み時鋳鉄６の溶湯からの熱
により高融点の第１焼結部材ＩＡが僅かに溶融し、そこ
に鋳鉄６からＣが拡散していってこのように接合したも
のである。

実施例２ 第２図（ａｌに示すように、ＪＩＳ規格５Ｓ４１の厚さ
０．５鶴の銅板を打ち抜いて外径３６鶴φの鋼片７を製
作した。

一方、重量％でＣｒ：８．１％、Ｍｏ：４．５％、Ｐ：
０．９％、Ｃ：２．０％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％との混合物を混練してから、ロール圧延にて圧延
して厚さ０．８１の粉末シート８を製作しく第２図（ｂ
）参照）、それを打ち抜いて外径４０ｍ＋ｌφの粉末シ
ート片８ａを製作しく第２図（Ｃ）参照）、この粉末シ
ート片８ａを上記鋼片７にアクリル樹脂両面接着テープ
で接着固定しく第２図（ｄｌ参照）、それを実施例１と
同様に脱Ｌ１つ処理し、次にその粉末シート片８ａと鋼
片７とを真空炉内に収容し１０’Ｃ／分の昇温速度で１
０８０℃まで加熱して２０分間保持した後、９０Ｑ　’
ｃまで降温させて３０分間保持し、次にＮ、ガスで急冷
し、この焼結処理によって粉末シート片８ａは焼結され
るとともにその焼結された焼結粉末シート片８Ａと鋼片
７とは粉末シート片８ａから晶出する液相により接合さ
れ、この複合焼結部材９は厚さ１．２鰭、外径３６龍φ
であった。

次に、実施例１と同様に鋼片７が溶湯に接触するように
上記複合焼結部材９をタペ・７ト鋳造用のシェル鋳型４
内にセットして、Ｆｅ２５の１３６０°Ｃの溶湯を鋳型
キャビティ５内に鋳込み、複合焼結部材９を鋳鉄１０に
鋳ぐるんだ。

上記鋼片７と鋳鉄１０との接合部の金属組織の５０倍拡
大断面を光学顕微鏡で調べたところ、第３図（ｂ）のよ
うな接合部となっていた。第３図（ｂｌにおいて、符号
りは鋼片７の金属組織、Ｅは接合部の金属組織、Ｆは鋳
鉄１０の金属組織を示し、鋼片７と鋳鉄１０とは良好に
接合している。即ち、鋳込み時鋳鉄１０の溶湯からの熱
で高融点の鋼片７が僅かに溶融し、そこに鋳鉄１０から
Ｃが拡散していってこのように接合したものである。

比較例１ Ｊ［Ｓ規格５Ｓ４１の厚さ１．３鰭の鋼板を打ち抜いて
外径３６＊ｍφの鋼片を作り、実施例２と同様に耐摩耗
性合金粉末からなる粉末シートを作り、これらを実施例
２と同様に焼結接合させた。この複合焼結部材は厚さ２
．０１ｍ、外径３６＊＊φであった。この複合焼結部材
を実施例１と同様にシェル鋳型の所定部位にセットして
鋼片が溶湯に接するようにし、鋳型の鋳型キャビティ内
に球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４５の１４５０°Ｃの溶湯を注湯
した。この場合、綱片の厚さが厚いために鋼片で溶湯が
冷却された結果、接合不十分となって型ハラシ時に複合
焼結部材が鋳鉄から脱落した。

上記実施例１、実施例２及び比較例１から、焼結部材ま
たは鋼板の厚さが１鰭を越えると鋳鉄と接合し難くなっ
ている。これは、鋳鉄溶湯が焼結部材または鋼板に接触
した時に急冷されるためである。従って、焼結部材また
は鋼板の厚さはｌ　ａｘ以下とするのがよい。

比較例２ 重量％でＣｒニア、７％、Ｍｏ：４．９％、Ｐ：１゜０
％、Ｃ：　２．２％及び残部実質的にＦｅからなり粉末
粒径２００メソシユ以下の鉄系共晶合金粉末９７７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
％との混合物を混練してから、ロール圧延にて圧延して
厚さ１．１　＋ｎの粉末シートを製作し、これを打ち抜
いて外径４０＋ｕφの粉末シート片を製作し、この粉末
シート片を実施例１と同様に脱ロウ処理し、次にその粉
末シート片を真空炉内に収容し１０°Ｃ／分の昇温速度
で１０７０℃まで加熱して２０分間保持した後、９００
℃まで降温させて３０分間保持し、次にＮ２ガスで急冷
した。この焼結部材の厚さは０．９鶴であった。

次に、この焼結部材を実施例１と同様に鋳型にセットし
、鋳鉄ＦＣ２５の１３６０℃の溶湯を鋳型の鋳造キャビ
ティに鋳込んだ。

この場合、焼結部材の厚さが薄く、しかもそれが直接溶
湯に接触したために、溶湯からの熱で溶融してしまい、
所期の耐摩耗層を形成できなかった。

尚、上記実施例１及び実施例２は、自動車用エンジンの
タペットのうちカムと摺接する摺接部に耐摩耗性焼結部
材を鋳ぐるむ場合の実施例なので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（、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
材に形成し、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必要な摺動部を存する各種
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るもので、第１図（ａｌ〜（
ｂ）は実施例１の工程説明図、第２図（ａ）〜（ｈｌは
実施例２の工程説明図、第３図ｆａ）は実施例１におけ
る鋳鉄と第１焼結部材との接合部の金属組織の５０倍拡
大写真、第３図（ｂｌは鋳鉄と鋼片との接合部の金属組
織の５０倍拡大写真である。 １ａ・・第１粉末シート、　２ａ・・第２粉末シ−ト、
　３・・複合焼結部材、　４・・鋳型、７・・鋼片、　
８ａ・・粉末シート、　９・・複合焼結部材。 第３図 ｋ　、、、　　：、；　’ｆ９、’）”ｉ手続補正書（
パ） 昭和　６３年　８月　１日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で０．３％以下のＰ、１．５％以下のＭｏ
   、０．４％以下のＣ及び１３．５％以下のＣｒを含んだ
   高融点の鉄系合金粉末からなる成形体又は高融点の鋼材
   からなる鋼部材を形成し、 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、 上記成形体又は鋼部材と耐摩耗性成形体とを焼結接合し
   て焼結材を形成し、 上記成形体又は鋼部材が鉄系金属の溶湯に鋳ぐるまれる
   ように上記焼結材を鋳型に取付け、上記鋳型に鉄系金属
   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
   。