JPH0152475B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関用の耐摩耗性部材の製造方法
に係り、具体的にはすべり摩耗を受け易いピスト
ンリング、シリンダライナやピツチングを発生し
易いカムシヤフト、タペツト、ロツカアーム、あ
るいはたたかれ摩耗の生じ易いバルブ、バルブシ
ート等に用いられるものである。

これら耐摩耗性の要求される部材はすべり条
件、温度、衝撃、荷重、腐食性雰囲気などさまざ
まな条件が加わり、条件に応じた材料の選択が必
要であるが、耐摩耗性を付与する要件の一つとし
て摩耗を受ける面の硬度を高くすることがあげら
れる。

その理由として硬質物が表面に介在することに
よつて面と面の塑性変形に伴う実質的接触面積を
小さくし、摩耗量を低減することがあげられる。
一方、高硬度の材料はその強度も通常は高いもの
であつて疲労し難く、ピツチングやたたかれに対
しても耐摩耗性に優れる。

しかしながら、かかる高硬度材料を用いた場合
にも潤滑条件が満たされなければスカツフイング
等の異常摩耗を発生するものであり、潤滑条件を
付加するための手段、例えば黒鉛等の自己潤滑性
粒子を含む材料の採用や、表面仕上げとして微小
の凹凸を付与することがなされるものである。従
つて必然的に加工性の良否や基本的な材料の限定
があり、さらには摩耗の対象となる相手材料との
相性が加わるため、一般的に鋳鉄、焼結合金が用
いられ、これにクロムメツキ、溶射を代表とする
表面被覆や軟窒化、焼入れを代表とする熱処理が
なされる。

しかしながら鋳鉄、焼結合金は鋼に比較して強
度に劣り、さらに高硬度を得ようとした場合にも
製造上の限界がある。一方、表面被覆はメツキ、
溶射の密着強度に限界があり、熱処理による方法
は割れ発生等の理由により限界を生ずる。

特に溶射被覆は高硬度の粒子、例えば酸化クロ
ムや炭化クロム、炭化タングテン、アルミナなど
を鉄やその他金属と混合して被覆を形成すること
が可能で、ピストンリングの如き著しいすべり摩
耗にさらされるものに対しては相当の成果を上げ
るものであるが、酸化物や炭化物粒子及び空孔の
存在によつて被覆の強度は低いものであり、高い
面圧を受けるカム、カムフオロワや衝撃を受ける
バルブ、バルブシートでは容易に炭化物、酸化物
粒子が脱落するばかりでなく、母材から被覆が剥
離し使用に耐えない。

これに対して例えばバルブ、バルブシートにお
いてはステライトを盛金又は溶接する方法（例え
ば実開昭55−59110号）がとられており、高硬度
の表面が得られているがステライト自体が高価で
あるばかりでなく、肉盛むらや溶接割れの発生が
あり、かつ相手材料であるバルブシートに対して
相対的な硬度が高すぎ、又表面が一様な材料であ
るために潤滑性にも劣る。一方ここに焼結合金を
配したもの（例えば実開昭52−137208号、特開昭
55−8497号）があるが、この方法によるピストン
リング、バルブでは前記した如くシリンダライ
ナ、バルブシートに対しての相対的硬度差を充分
とりえないのみならず、焼結合金では面圧強度及
び母材との結合強度に不足するものである。また
他の方法として特開昭52−44706号の如く焼結合
金母材上に粉末を噴き付けこれを溶融結合するも
のもあるが、これによつては厚い肉盛層が得られ
ないばかりか、溶射するものと同様に肉盛層の形
状が制御しにくい。

このようにピストンリング、シリンダライナ、
カムシヤフト、タペツト、ロツカアーム、バル
ブ、バルブシートの如き相対的な摩耗を考慮する
材料では現状としてすべてに満足されるものはな
い。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、高い
硬度と製品安定性、生産性及び潤滑性を備え、か
つ相手材料に対しての調整を可能とする内燃機関
用耐摩耗性部材の製造方法である。即ち鉄系粉末
に対して、セラミツクス粉末を５〜40容積％混合
して、該混合粉末を所望の形状に圧粉成形し、し
かる後鉄系粉末の焼結温度にて焼結して、焼結合
金となし、次に鋼又は、鋳鉄の母材の表面に前記
焼結合金を置き、該焼結合金の表面から高密度の
熱源を当てて加熱し、焼結合金を再溶融させると
同時に、母材の表面に耐摩耗性層を得ることを特
徴とする内燃機関用耐摩耗性部材の製造方法であ
る。

この本発明で用いる焼結合金は高融点セラミツ
クス粒子を含む理由によつて上記製造工程の再溶
融時にあつても高融点セラミツクス粒子のみは溶
融することはなく再溶融冷却後も単独の粒子とし
て残在する。従つて高融点セラミツクス粒子が摺
動面表面に介在し摺動面でのベアリング効果を発
揮する。そのためには高融点セラミツクス粒子は
焼結合金に含まれている時から均一に分散された
ものである必要があるが、さらに容積％で５〜40
％を占めるものである必要がある。その理由とし
て５容積％未満であると摺動面に介在する高融点
セラミツクス粒子量が過少となり、ベアリング効
果が発揮されず、逆に高融点セラミツクス粒子以
外の基地部分で摺動面を形成するために摩耗の進
行に伴つて高融点セラミツクス粒子が脱落し、ア
ブレージヨン摩耗を発生させる。一方40容量％を
超えた場合には、まずかかる高融点セラミツクス
粒子を多く含む焼結合金が例えば熱間静水圧プレ
ス法などの特殊な方法でしか得られず極めて成形
性が悪いことがあり、さらに高融点セラミツクス
粒子は前記した如く焼結合金を再溶融した後も単
独で残在しているため多量であるとそれだけ強度
が弱く、容易に割れや剥離を発生することによつ
て40容量％以下で選択されねばならない。

さらにこの高融点セラミツクス粒子は摺動面の
ベアリング効果をはたす一方で周囲の基地により
支承されねばならないため、その大きさも５〜
50μの範囲である必要がある。即ち5μ未満である
と摺動面間にあつて基地が相手部材との面圧によ
り変形を受けた場合に容易に高融点セラミツクス
粒子が脱落してしまうものであり、逆に50μを超
える粗大な粒子があつた場合には不可避的な初期
摩耗の時点でアブレツシブ摩耗を発生させるばか
りでなく、粗大粒子が組織中に分散することによ
る強度の低下が著しいものであり、高融点セラミ
ツクス粒子の大きさは平均粒径で５〜50μを必要
とする。

かかる高融点セラミツクスとしては再溶融温度
にても分解しない粒子であり、かつ周囲の鉄系母
金との結合性及び摺動特性によつて選ばれ、1400
℃以上の融点である。酸化物、炭化物、窒化物、
珪化物、硼化物から選ばれるものである。一方再
溶融熱源として用いられるレーザ、電子ビーム、
プラズマはいずれも1.5〜10K.W.程度の出力を有
し、かつエネルギービーム径が0.1〜２mm程度の
範囲で選択されるため、焼結合金の厚さと母材の
冷却能率に応じて再溶融層での最高温度がセラミ
ツクス粒子の溶融分解温度を超えないようにエネ
ルギービームの走査速度を調整することが可能で
ある。ただし再溶融する焼結合金と母材の容積
が、母材容積の５分の１以上である場合には熱源
に大出力のものが要求されるため、母材の方を強
制冷却する必要がある。さらに母材の強制冷却に
も限度があるため、再溶融すべき焼結合金は母材
に対して容積比で４分の１以下でなければならな
い。

この焼結合金はセラミツクス粒子に対しての結
合性と、母材との結合性に優れる必要があるが、
さらに再溶融された後に摺動面の一部を形成する
ためにある程度の耐摩耗性と、セラミツクス粒子
を支承する強度が必要である。そのためにFeを
主成分とする鉄系合金の粉末が選ばれる。即ち母
材である鋼又は鋳鉄に対しては同種材料である理
由により再溶融によつて合金化され易く結合度も
高い一方で、一般に炭化物や酸化物であるセラミ
ツクス粒子に対しても親和性があり粒界界面に欠
陥が生じ難いものである。

この鉄系合金の粉末としては少なくとも重量％
にてC0.2〜3.0％を含むことが必要である。その
理由として鉄系合金が再溶融された後に摺動面を
形成した場合に、C0.2％未満であると基地のフエ
ライト量が多く硬度が得られないばかりか、セラ
ミツクス粒子を支承する剛性にも欠けるものであ
り、C3.0％を超えた場合に基地のレデブライト化
が進行し脆化するため強度及び被削性が劣化する
ためC0.2〜3.0％で選択されることが好ましい。
さらにデイーゼル機関や、排気バルブ、バルブシ
ートの如き高温条件で使用されるものにあつて
は、Cr，Mo，Niのうち一種又は二種以上を合計
で３〜12％添加し耐熱性及び耐食性を向上させる
ことがなされる一方、Ｃ量を多くしレデブライト
組織の発生による耐食性の効果を得ることも可能
である。

これに対してセラミツクス粒子とFeを主成分
とする粉末を混合し焼結したものでは、まずセラ
ミツクス粒子が一様に分散されるものであり、か
つ焼結されることによつて各粒子が緊密に結合さ
れているためエネルギービームの照射によつても
粒子の飛散がない。さらに焼結合金中の空孔も再
溶融に伴い放出され空孔の存在による強度低下も
ない。又焼結合金は形状の成形性に優れるため母
材の要所に嵌合される如く焼結合金を形成し、こ
れを再溶融させることのみによつて耐摩耗性部材
が完成され生産性に優れるばかりでなく、焼結合
金は肉厚を大きくとることが可能であつて数mmの
厚い層を得ることが容易である。

母材については通常の鋼、鋳鉄から選ばれる
が、より好ましくは鋼が用いられる。これは再溶
融に伴い鋳鉄中の黒鉛がCo₂等のガス発生の原因
となることやMn，Siを多量に含む鋳鉄では焼結
合金との結合層でこれらMn，Siが基地の脆化を
起こす可能性を持つためである。尚この母材の鋼
についても特に耐熱性を要するバルブ、バルブシ
ートについては耐熱鋼を用い、強度の要求される
シリンダライナ、カムフオロワについては焼入れ
用鋼が適し、耐食性の要求されるピストンリング
等にあつては高Cr鋼やステンレス鋼が適する。

又この母材には再溶融に伴う熱影響層が形成さ
れるが、これは通常の焼入れ組織以上の硬度が得
られるものであり、再溶融急冷されて相対的に脆
化した再溶融層と母材間にあつて、特に再溶融層
の薄いものではこれを支承する効果を有する。

このように本発明では主としてセラミツクス粒
子のベアリング効果により耐摩耗性が発揮される
ため、相手材料に対してセラミツクス粒子の量、
大きさを選択することにより相対的摺動部材が達
成されるものであり材料選択性が広いものであ
る。

尚本発明において焼結合金を再溶融する場合に
焼結合金中の空孔が多いと再溶融合金層に気泡が
残るため、予め焼結合金に溶浸、含浸の封孔処理
を施し再溶融することが望ましい。特に本発明の
如く比較的に粒径の大きなセラミツクス粒子を混
合した粉末は圧縮性が劣り高密度の焼結体が得難
いものであるため再溶融に際して真空中で再溶融
するか、あるいは封孔処理することが望ましいも
のである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 鉄系粉末に対して、セラミツクス粉末を５〜
   40容積％混合して、該混合粉末を所望の形状に圧
   粉成形し、しかる後鉄系粉末の焼結温度にて焼結
   して、焼結合金となし、次に鋼又は、鋳鉄の母材
   の表面に前記焼結合金を置き、該焼結合金の表面
   から高密度の熱源を当てて加熱し、焼結合金を再
   溶融させると同時に、母材の一部をも再溶融させ
   ることによつて、母材の表面に耐摩耗性層を得る
   ことを特徴とする内燃機関用耐摩耗性部材の製造
   方法。