JPH0152463B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、内燃機関のバルブガイドに好適な
耐摩耗性および耐熱性のすぐれた焼結合金に関す
るものである。 従来、内燃機関のバルブガイドには普通鋳鉄、
合金鋳鉄などが使用されていたが、鋳鉄の場合は
作業環境や量産性など種々問題があり、また価格
も漸次高くなる傾向にあるためにその対策として
焼結合金の適用が進められ、さきに本件出願人も
その一環として、特公昭55−34858号公報におい
て、鉄銅系の組成に錫を添加して焼結温度を下げ
ることによつて配合した黒鉛を遊離黒鉛の形で残
存させるとともに、リンの添加により鉄のパーラ
イト基地中にFe−Ｐ−Ｃの三元合金相を析出さ
せた焼結合金を開示した。この合金の特徴は、基
地中に分散する硬質の三元合金相と黒鉛の固体潤
滑作用との相乗効果により耐摩耗性の向上を図つ
た点にある。 しかしこの合金の開発以後、特に近年における
自動車エンジンの高出力志向に伴つて構成部材の
特性に対する要求が一段と厳しくなり、この合金
では耐久性が満足できない場合をみるに至つた。 この発明は、上述の事情に鑑み上記合金の基地
中にCr，Mn，Moを添加することによりその耐
摩耗性および耐熱性をより強化させたもので、
Cr0.4〜２％，Mn0.1〜１％，Mo0.1〜１％、銅
および（Cu＋Sn）のいずれか一方１〜10％（た
だしSn≦２％）、リン0.05〜1.5％、炭素1.5〜４％
および鉄残部の組成を基本とし、複削性の必要に
応じてこれに0.05〜１％の硫黄を加えた基地に遊
離黒鉛およびステダイト相を分散させた組織を骨
子とするものである。 ここで実施例の説明に先立ち、上記成分の作用
効果および組成範囲について以下に述べる。 Cr…基材の耐酸化性および耐摩耗性を向上さ
せるが0.4％未満ではその効果が少なく、一方２
％以上になると合金粉末の成形性、圧縮性を著し
く低下させる。 Mn…強度向上成分であるが0.1％未満ではその
効果が少なく、また１％以上では焼結時の酸化が
問題になる。 Mo…基材の高温域における耐摩耗性を向上さ
せるが0.1％未満ではその効果が少なく、一方１
％以上に増量しても効果が伴わないうえに、Cr
の場合と同じく合金粉の粉末特性を劣化させる。 リン…Fe−ＰまたはCu−Ｐ合金粉の形で添加
され、0.05％以上でステダイト相を生成して耐摩
耗性に寄与する。ただし過剰になると脆くなりま
た被削性が低下するため1.5％を上限とする。 CuおよびSn…銅は鉄基地を強化する反面その
増加につれて焼結時の膨張率が大きくなるので、
強度と寸法安定性の両立する範囲１〜10％が適正
である。錫は焼結温度を低下させて遊離黒鉛の増
加を図る成分であるが、過剰になると基材の脆化
を生じるので、その上限を合金全体の２％以下と
する。なお、錫の添加は合金粉による方が配合の
工数も少なく且つ少量の錫を均一に分散できるた
め、市販の錫含有量５〜20％の青銅粉の形で配合
するのが適当である。 炭素…通常黒鉛粉の形で添加され、一部は鉄基
地の固溶強化およびステダイト相の生成を行な
い、一部は遊離黒鉛の形で残留して固体潤滑性を
付与するが、そのためには1.5％以上の添加を必
要とする。一方、過剰の場合は基材の強度が低下
する上に、粉末成形時に偏析、流動性阻害などの
原因になるため、４％を上限とする。 Ｓ…一般にFe−Ｓ合金粉、好ましくはCu−Ｓ
合金粉の形で添加され、Ｓ量0.05％以上で基材の
被削性向上に寄与する成分で、バルブガイドの組
み付けに際し被削性を要する場合に添加する。た
だし過剰の、特に前者の形でのＳは基材の強度低
下を招くので、Ｓ量の上限を１％とする。 なお原料粉の成形および焼結は粉末治金の通常
の方法によるが、焼結時の脱炭を避けるため炉内
雰囲気は浸炭性ガスが好ましい。また焼結温度は
980℃以下では炭素の鉄基地への拡散が不十分で
所望の組成が得られず、他方1100℃以上になると
遊離黒鉛が消失し、網目状セメンタイトが組織中
に析出するため980〜1100℃を適正温度とする。
とくに好ましいのは、錫を添加した低温焼結では
1000℃前後、錫を省いた場合は1080〜1090℃であ
る。 このことと関連して、前記Cr，Mn，Moは
各々の単味粉末を鉄粉に添加してもこの温度では
基地中に十分拡散しないので、必ず鉄との合金粉
の形で用いなければならない。 実施例 先ず、Cr，Mn，Moの添加源として組成がFe
−0.8Cr−0.8Mn−0.2Moの合金粉とFe−1.9Cr−
0.2Mn−1.0Moの合金粉、リンの添加源としてFe
−25P；Cu−25Pの合金粉を、硫黄の添加源とし
てFe−32S；Cu−25Sの合金粉を、そのほかに電
解銅粉、Cu−10SnおよびCu−20Snの青銅粉、天
然黒鉛粉およびアトマイズ鉄粉を用意した。 次にこれらの中から選択した原料粉を第１表の
下欄に示す各試料所定の割合に配合し、潤滑剤と
してステアリン酸亜鉛を0.5％添加して5t／cm²の
圧力でバルブガイドおよび各種試験片所定の形状
に成形後、錫を含む試料３〜６は1000℃、それ以
外の各試料は1090℃の温度で30分間焼結した。 かくして得られた各試料の合金組成を第１表の
上欄に示す。ここで各試料の性格を説明すると、
試料３は前述の先発明に係る従来材で、材質特性
中の被削性については、この試料３を比較の基準
としている。次の試料４〜６はCr，Mn，Moの
含有を特徴とするこの発明の実施例の内、錫の作
用で焼結温度を下げて遊離黒鉛の量を重視した
例、また試料１は、錫を省いて焼結温度を上げ、
遊離黒鉛の効果よりも焼結進行に伴う部材全体の
強化を図つた例であり、試料２は被削性の向上を
図るために、試料１の組成に硫黄を追加した例で
ある。なお、試料７はCr，Mn，Moの、試料８
〜９はリンの、試料10は硫黄それぞれの組成域の
上限または下限に近い実施例で、この発明の範囲
を裏付けるものである。 次に、上記各試料の組成、機械的性質、被削性
および実機試験による耐摩耗性を比較した結果を
第１表の中欄に示す。ここに高温硬さは400℃に
おける測定値、被削性は長さ40mm内径7.4mmの円
筒状試料にリーマ加工を施して内径が８mmになる
までの所要時間を求め、それを試料３（従来材）
の場合を100とする指数で表示したものである。
従つて指数が小さいほど加工時間が短い、即ち被
削性が良好なことを示している。耐摩耗性は４気
筒1600ccのOHC型エンジンに各試料（バルブガ
イド）を装着し、連続400時間の耐久試験におけ
る内径の摩耗量で示した。 この結果で先ず目につくのはCr，Mn，Moの
耐摩耗性に対する影響で、試料３（従来材）と他
の試料との比較からわかるように、その添加によ
り摩耗量が半分以下に減少している。 また耐摩耗性と硬さとはほぼ相関しているが、
硬さに対する組成面の因子はリンの添加量（試料
８，１，９参照）とCr，MnおよびMoの総量
（試料１，４，７参照）で、なかでもリンの影響
の方がやや大きいようである。 試料４と試料１，７の材質特性が互いに等しい
ことからわかるように、（錫の添加で）低温焼結
により遊離黒鉛を残したものと、高温焼結により
基材全体を強化したものとは、上述の特性試験の
範囲では有異差が現われない。従つて、Cu1〜10
％と、その一部を２％以下のSnで置換すること、
換言すれば、合金組成中における〔Cu〕１〜10
％と〔Cu＋Sn〕１〜10％（ただしSn／〔Cu＋
Sn〕≦0.2）とは、この発明においてはその耐摩耗
性に及ぼす作用効果が同一なものと言うことがで
きる。 しかし、適用するエンジンが代われば機種毎に
バルブとの相性、摺動速度その他エンジンの用途
性格に基づく要因が大きく働き、固体潤滑効果が
勝る場合と基材全体の強化の方が好ましい場合と
がある。従つて必要に応じ実車耐久などの試験を
行ない、機種毎により適切な方を選択している。 耐摩耗性と被削性とは相反する傾向にあるが、
摩耗し難い材料が削り難いのは一般的には当然の
ことである。被削性は硫黄の添加で改善できるが
耐摩耗性の低下を伴う（試料１，２，10参照）の
で、加工上の必要からこの手段を用いる場合、そ
の添加量は要求特性とのバランスを図りながら定
められる。しかし本質的には耐摩耗性が優先であ
り、被削性の不足は加工技術面で克服するのが望
ましいことは言うまでもない。

【表】

【表】 以上詳述した通り、この発明に係る焼結合金は
内燃機関部品に必須の高温硬さおよび耐摩耗性の
点で従来材より明らかに優れ、過酷な条件に耐え
得る材料であることがわかる。 そして試料１と２との比較においては、前者は
摩耗し難い代わりに被削性が従来材よりも劣り、
一方後者は、耐摩耗性は前者より幾分劣るものの
被削性は従来材よりやや勝れている。このように
両者それぞれ一得一失であり、この合金をバルブ
ガイドに使用する場合は、適用されるエンジンの
性格および加工条件に応じて適宜選択して用いる
ことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比にて下記の組成を有し、且つ鉄基地中
   に遊離黒鉛およびステダイト相が分散した組織を
   呈することを特徴とする耐摩耗性鉄系焼結合金。 C1.5〜４％，Mn0.1〜１％，Cr0.4〜２％，
   Mo0.1〜１％，〔Cu；Cu＋Sn〕のいずれか一方１
   〜10％（ただしSn／〔Cu＋Sn〕≦0.2），P0.05〜
   1.5％、および鉄残部。 ２ 重量比にて下記の組成を有し、且つ鉄基地中
   に遊離黒鉛およびステダイト相が分散した組織を
   呈することを特徴とする耐摩耗性鉄系焼結合金。 C1.5〜４％，Mn0.1〜１％，Cr0.4〜２％，
   Mo0.1〜１％，〔Cu；Cu＋Sn〕のいずれか一方１
   〜10％（ただしSn／〔Cu＋Sn〕≦0.2），S0.05〜
   １％，P0.05〜1.5％、および鉄残部。 ３ 鉄基地中に遊離黒鉛およびステダイト相が分
   散した組織を呈し、且つ全体組成が重量比にて
   C1.5〜４％，Mn0.1〜１％、Cr0.4〜２％，Mo0.1
   〜１％，〔Cu；Cu＋Sn〕のいずれか一方１〜10
   ％（ただしSn／〔Cu＋Sn〕≦0.2），P0.05〜1.5
   ％、および鉄残部。 である耐摩耗性鉄系焼結合金の製造において、下
   記イ〜ニの粉末を所定の重量比に配合して加圧成
   形し、保護雰囲気中980〜1100℃の温度で焼結す
   ることを特徴とする製造方法。 イ：Cr0.5〜２％，Mn0.1〜１％ Mo0.1〜１％およびFe残部の合金粉と ロ：銅粉またはCu−５〜20％Sn合金粉を１〜10
   ％ ハ：Fe−10〜30％Ｐ合金粉またはCu−10〜30％
   Ｐ合金粉を0.5〜５％ ニ：黒鉛粉を1.5〜４％。