JPH01273661A - 焼結層の形成方法 - 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〕 本発明は焼結層の形成方法に関し、特に鉄系共晶合金焼
結材を鉄系金属に鋳ぐるんで耐摩耗性焼結層を形成する
方法に関するものである。

〔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デ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％、Ｍ　ｏ　：　０゜５〜
５％、Ｖ　：　０．５〜５％、Ｃ：Ｏ，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％、■二０．１〜０
．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、上記前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Ｇこ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、カム部のカ
ム形成部近傍部のみを焼結部材とすることが望ましい。

そこで、カム部のカム形成部近傍部の表層部に比較的薄
肉の焼結材を鋳ぐるんで耐摩耗性焼結層を形成しようと
すると、溶湯の鋳込み時に熱容量の小さな焼結材が急激
に昇温しその熱衝撃で焼結材にクランクが発生し、所期
の焼結層を形成することが難しいという問題がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る焼結層の形成方法は、Ｆｅ、Ｐ、Ｍｏ及び
Ｃを含んだ鉄系共晶合金粉末で成形体を形成し、上記成
形体をＦｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合金の共晶温度とＦｅ　−Ｍ
ｏ　−Ｃ系共晶合金の共晶温度との間の温度で焼結して
焼結材を形成し、次に上記焼結材を鋳型に取付け、次に
上記鋳型に鉄系金属の溶湯を供給して焼結材を鉄系金属
に一体的に接合させるものである。

上記Ｆ　ｅ　、Ｐ　％　Ｍｏ　、及びＣｒを含んだ鉄系
共晶合金粉末としては、重量％でｐ：ｏ、ｓ〜２．０％
、Ｍｏ１．５〜７．０％、Ｃ：１．５〜３．０％、Ｃｒ
：５．０〜１０．０％及び残部実質的にＦｅからなる鉄
系共晶合金粉末を用いることが望ましい。

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Ｆｅ−Ｍｏ
−Ｃ系共晶合金（融点１０７０°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Ｆｅ、Ｐ、
Ｍｏ、Ｃｒ等の炭化物からなる硬化相を形成する。Ｃカ
月、５％未満では低融点晶出物の生成が少なくなって、
鉄系金属溶湯と反応しにくくなる。また、Ｃが３．０％
を越えると析出する硬化相が多くなりすぎ、靭性が低下
してクランクが発生しやすくなる。

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液相を晶出する。Ｐが０．
８％未満では液相量が少なくなり、合金の密度が大きく
ならないと同時に鉄系金属溶湯と反応しにくくなって接
合不良が起きる。

また、Ｐが２．０％を越えると液相量が過多となって鋳
ぐるみ時に溶融してしまう。

ＭＯについて説明すると、ＭＯは基地の強化特に耐熱衝
撃性の強化及びその炭化物の析出により硬化相の形成に
寄与し、Ｆｅ及びＣと結合してＦｅ　−Ｍｏ　−Ｃ系共
晶合金を形成して液相を晶出し、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■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ば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の向上と耐熱衝撃性の向上に役立
つ。Ｃｒ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金
属溶湯と反応しにく　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Ｆ　ｅ　−、Ｃと結合して
Ｆｅ−Ｂ−Ｃ系共晶合金を形成して融点を下げ液相を晶
出する効果及び硬化相を形成する効果がある。また、耐
辛耗性向上元素として、■、Ｗ、、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔ　ｉ
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。また、耐熱衝撃性を向
上させるために、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ及びＷを添加しても
よい。

次に、上記鉄系共晶合金粉末で形成した成形体を焼結す
るときの温度について説明する。

この焼結温度は、溶湯の熱衝撃による焼結材のクランク
発生を防ぐ上で非常に重要である。即ち、Ｆｅ−Ｐ−Ｃ
系共晶合金の共晶温度（９５０℃）未満で焼結すると、
Ｆｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合金の液相が晶出されないため、焼
結材の密度が大きくならず、気孔が多く存在して強度が
低くなり、クラック発生を防止できない。

一方、Ｆｅ　　Ｍｏ　　Ｃ系共晶合金の共晶温度（１０
７０°Ｃ）以上で焼結すると、炭化物が成長し金属組織
の結晶粒が大きくなり靭性及び耐熱衝撃性が低下する。

その結果、溶湯を鋳込んだときに溶湯からの熱による熱
衝撃でクラックが発生する。

次に、上記焼結材を鋳型に取付け、鉄系金属の溶湯を鋳
型に供給すると、上記焼結材に熱衝撃でクランクが発生
することなく、また鉄系金属溶湯に接触したときに焼結
材は少なくともＦｅ　−Ｍ。

−Ｃ系共晶合金の共晶温度（１０７０°Ｃ）以上に加熱
されるので、その共晶合金の液相が晶出し、焼結材と鋳
込まれた鉄系金属とが拡散接合して一体化する。

〔作用〕

本発明に係る焼結層の形成方法においては、上記鉄系共
晶合金粉末で作った成形体を、Ｆｅ　−Ｐ−Ｃ系共晶合
金の共晶温度とＦｅ　−Ｍｏ　−Ｃ系共晶合金の共晶温
度との間の温度で焼結するので、Ｆｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合
金の液相の晶出によりかなりの程度まで焼結がなされ、
焼結材の気孔が減少して密度が増すとともに強度が向上
する。しかも、比較的低温での焼結なので炭化物があま
り成長せず且つ結晶粒が粗大化することもない。従って
、焼結材の強度・靭性・耐熱衝撃性が高いものとなる。

次に、その焼結材を鋳型に取付けて鉄系金属の溶湯を注
湯すると、溶湯に接触する焼結材は、溶湯からの熱を吸
収して少なくともＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系共晶合金の共晶温度
以上に加熱される。これにより、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ系共晶
合金の液相が晶出して焼結材と鋳込まれた鉄系金属とが
強力に拡散接合して一体化する。このときの焼結によっ
て炭化物の成長が進み耐摩耗性硬化相が形成される。

そして、注湯前焼結材は前述の如く強度・靭性・耐熱衝
撃性が高いので、注湯に際して熱衝撃によって焼結材に
クランクが発生することがなく、耐摩耗性に優れた所期
の焼結層が形成されるごとになる。

〔発明の効果〕

本発明に係る焼結層の形成方法によれば、以上説明した
ように、成形体の焼結時にはＦｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合金の
液相の晶出作用を有効に活用して比較的低温で焼結を行
なうことにより、強度・靭性・耐熱衝撃性に優れた焼結
材を形成し得る。そして、この焼結材を鋳型に取付けた
状態で鉄系金属の溶湯を鋳込むので、注湯時の熱衝撃に
よって焼結材にクランクが発生するのを確実に防止する
ことが出来るだけでなく、注湯時にはＦｅ　−Ｍ。

−Ｃ系共晶合金の液相の晶出作用を活用して焼結材と鋳
込まれた鉄系金属とを強力に拡散接合させることが出来
る。

こうして、クラックを含まず且つ鉄系金属に強力に接合
した耐摩耗性に優れた焼結層を形成することが出来る。

しかも、成形体は鋳型に取付ける前に焼結しておくこと
が必要であることに濫みると、本発明では工程数が増す
訳でもないので、特殊な機械装置を用いずとも容易かつ
経済的に実施することが出来る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

本実施例は、自動車用エンジンのタペットのカムとの摺
接部に耐摩耗性鉄系共晶合金からなる焼結層を形成する
場合の実施例である。

実施例１ 重量％にてＣ：２．０％、Ｐ：０．９％、Ｃｒ：９゜１
％、Ｍｏ：４．１％及び残部実質的にＦｅからなり、粉
末粒径２００メツシユ以下の耐摩耗性鉄系共晶合金粉末
９７重量％とアセト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１．５＋ｎのシー
ト状に成形し、このシート１を４０龍φに打抜いた粉末
成形体１ａを製作した（第１図（ａ）　、（ｂ））参照
）。

次に、脱ロウ処理（予備焼結処理）として、上記粉末成
形体１ａをＨ２ガス雰囲気中で３００℃まで加熱して６
０分間保持後冷却した（第１図（ｃ）参照）。

次に、焼結処理として、その粉末成形体を真空炉内に収
容して１０℃／分界温速度で１０４０　”ｃまで加熱界
温し２０分間保持したのち、９００°Ｃまで降温しこの
温度に３０分間保持した後、Ｎ２ガスにて急冷して焼結
部材ＩＡを製作した（第１図（ｄ）参照）。

次に、第１図（ｅ）に示すように、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２の鋳造キ
ャビティ２ａのうちタペットのカムとの摺接部に対応す
る部分に焼結部材ＩＡを配設し、次にその鋳型２の鋳造
キャビティ２ａ内へ１４１０℃の球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４
５の溶湯を注湯し、上記焼結部材ＩＡを鋳ぐるんだ。こ
の鋳込み時焼結部材ＩＡはＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系共品合金の
共晶温度（１０７０°Ｃ）より高い約１２５０°Ｃの温
度に加熱され、本焼結されることになる。

この結果、焼結部材ＩＡは熔融せず、またクラックの発
生も起らなかった。

上記脱ロウ処理及び１４１０℃の焼結処理（仮焼結）を
施した焼結部材ＩＡの金属組織を光学顕微鏡により４０
０倍に拡大したものが第２図（ａ）に示しである。

一方、上記仮焼結まで施した焼結部材ＩＡを複数準備し
、そのうちの２サンプルについては、上記鋳ぐるみする
ことなく、真空炉内に収容して１０℃／分の昇温速度で
１０８０°Ｃまで加熱し、その温度に２０分間保持後９
００℃まで降温し、９００°Ｃに３０分間保持してから
Ｎ２ガスで急冷した。この本焼結処理した焼結部材の金
属組織を光学顕微鏡により４００倍に拡大したものが第
２図（ｂ）に示しである。

上記第２図（ａ）及び（ｂ）とを比較すれば明らかなよ
うに、仮焼結した焼結部材ＩＡでは、白色の析出炭化物
が粗大化していないのに対し、本焼結した焼結部材では
耐摩耗性に寄与する白色の炭化物が成長し粗大化してい
る。尚、黒色部は基地（マクリソクス）である。

上記鋳ぐるんだ方の焼結部材ＩＡと球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ
４５との接合部付近の金属組織を上記同様に４００倍に
拡大したものが第２図（ｃ）に示してあり、符合Ａは焼
結部材ＩＡの金属組織、ＢはＦＣＤ４５の金属ｍ織であ
る。第２図（ｃ）から焼結部材ＩＡとＦＣＤ４５とは良
好に接合していることが判る。

実施例２ 耐摩耗性の鉄系共晶合金粉末として、重量％にてＣ：２
．２％、Ｐ：１．１％、Ｃｒ　：　８．３％、Ｍｏ：４
．８％及び残部実質的にＦｅからなり、粉末粒径２００
メソシユ以下の耐摩耗性鉄系共晶合金粉末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２．０　ｇｍのシート状に形
成し、このシートを４０ｍｍφに打抜いた粉末成形体を
製作し、この粉末成形体を実施例１と同条件にて脱ロウ
後、真空炉で１０℃／分昇温速度で９９０℃まで加熱昇
温し２０分間保持したのち、９００℃まで降温しこの温
度に３０分間保持した後、Ｎ２ガスにて急冷して仮焼結
された焼結部材を製作し、この焼結部材を実施例１と同
様の鋳型内に同様にセットし、次に鋳型内に鋳鉄ＦＣ２
５の１３６０°Ｃの溶湯を鋳込んで焼結部材を鋳鉄に鋳
ぐるんだ。

この結果、上記焼結部材と鋳鉄とは良好に接合し、焼結
部材にクラックが発生することもなく、鋳鉄の表層に鉄
系共晶合金からなる耐摩耗性焼結層が形成された。

比較例１ 実施例１と同様の材料で製作し且つ同様に脱ロウ処理ま
で施した粉末成形体に対して、仮焼結に代えて１０８０
℃の本焼結を施して焼結部材を製作し、この焼結部材を
実施例１と同様に鋳型にセットし、球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ
４５の１４１０℃の溶湯を鋳込んで焼結部材を鋳くるん
だ。

この結果、焼結部材には熱衝撃によるクラック（端部か
ら中央に向って長さ５鰭のもの２本）が発生していた。

これは、本焼結の温度が高かったので炭化物の粗大化が
進み、靭性・耐熱衝撃性などが低下したためである。

比較例２ 耐摩耗性鉄系共晶合金粉末として、重囲％にてＣ；　１
．８％、ｐ：ｏ、９％、Ｃｒ：８．９％、ＭＯ：４．８
％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１゜５鶴のシート状に形成し、こ
のシートを３９．５ｍｍφに打抜いた粉末成形体を製作
し、この粉末成形体を実施例１と同条件にて脱ロウ後、
真空炉で１０’ｃ　／分昇温速度で９４０℃まで加熱昇
温し２０分間保持したのち、９００℃まで降温しこの温
度に３０分間保持した後、Ｎ２ガスにて急冷した。

上記のように仮焼結した焼結部材を実施例１と同様の鋳
型にセットし同様に鋳鉄ＦＣ２５の１３６０℃の溶湯を
鋳込んで焼結部材を鋳ぐるんだ。

この結果、焼結部材には溶湯から伝えられる熱の熱衝撃
でクランク（端部から中央部に向けて長さ８龍のもの１
本と長さ５鰭のもの２本）が発生していた。

これは、仮焼結時の温度がＦｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合金の共
晶温度（９５０℃）より低かったので、その共晶合金の
液相が晶出されず、気孔が多くなって強度が低下したた
めである。

以上説明したように、本発明によれば、Ｆｅ、Ｐ、Ｍｏ
及びＣｒを含んだ鉄系共晶合金粉末を用いて、鋳鉄や球
状黒鉛鋳鉄の鋳造品の表層に耐摩耗性の焼結層を確実に
形成することが出来る。上記実施例は自動車用エンジン
のタペットを製造する場合のものであるが、同エンジン
のカムシャフトのカム部のカム形成部にも同様にして耐
摩耗性焼結層を形成することが出来る。但し、この場合
カム形成部の曲面形状に沿うような形状の焼結部材を製
作し、それを鋳ぐるめばよい。尚、本発明はタペットや
カムシャフト以外に耐摩耗性摺動部を必要とする各種の
機械部品の製造にも適用し得ることは言うまでもない。

尚、本発明に類似する方法として、Ｆｅ、Ｐ、Ｂ及びＣ
を含んだ鉄系共晶合金粉末で成形体を形成し、上記成形
体をＦｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合金の共晶温度とＦｅ−Ｂ−Ｃ
系共晶合金の共晶温度との間の温度で焼結して焼結材を
形成し、その後本発明と同様に鉄系金属の溶湯に鋳ぐる
んで一体的に接合させることも考えられるし、またＦ　
ｅ　％　Ｍ　ｏ、Ｂ及びＣを含んだ鉄系共晶合金粉末を
用いて同様の考え方で処理することも考えられる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施側皮に係るもので、第１図（ａ）〜
Ｉｎは実施例１の工程説明図、第２図（ａ）〜（ｃ）は
夫々実施例１における仮焼結した焼結部材の金属組織の
４００倍拡大写真、本焼結した焼結部材の金属組織の４
００倍拡大写真及び焼結部材と球状黒鉛鋳鉄との接合部
付近の金属組織の４００倍拡大写真である。 １ａ・・粉末成形体、　ＩＡ・・焼結部材、２・・鋳型
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ、Ｐ、Ｍｏ及びＣを含んだ鉄系共晶合金粉末
   で成形体を形成し、上記成形体をＦｅ−Ｐ−Ｃ系共晶合
   金の共晶温度とＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系共晶合金の共晶温度と
   の間の温度で焼結して焼結材を形成し、次に上記焼結材
   を鋳型に取付け、次に上記鋳型に鉄系金属の溶湯を供給
   して焼結材を鉄系金属に一体的に接合させることを特徴
   とする焼結層の形成方法。