JPH0277552A - 耐摩耗性鉄系焼結合金の製造方法 - 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】 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、また価格も漸次轟くな
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５
５−３４８５８号公報において、鉄鋼系の組成に錫を添
加して焼結温度を下げることによっ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った点にある。

しかしこの合金の開発以模、特に近年における自動車エ
ンジンの高出力志向に伴っ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った。

この発明は、上述の事情に鑑み上記合金の基地中にＯｒ
　、　１ｖｌｎ　、　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％、　Ｍｏ　Ｑｌ　〜１％、
銅および（Ｃｔｌ　＋Ｓｎ　）のいずれか一方１〜１０
％（ただしＳｎ≦２％）、リン００５〜１．５％、炭素
１．５〜４％および鉄残部の組成を基本とし、被剛性の
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。

Ｃ「・・・基材の耐酸化性および耐摩耗性を向上させる
が０４％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Ｆ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ｍ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剛性
が低下するため１６５％を上限とする。

Ｃ０および３ｎ・・・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％の冑銅粉の形で
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−３合金粉、好ましくはＣＵ　−Ｓ
合金粉の形で添加され、Ｓ量００５％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
し被剛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、Ｓｆｌの上限を１％とする。

なお原料粉の成形および焼結は粉末冶金の通常の方法に
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ＴＩ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１０
８０〜１０９０℃である。

このことと関連して、前記Ｃｒ　、　Ｍｎ　、　１ｙｌ
ｏ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Ｆ
ｅ　−０，８０ｒ　−＝０．８Ｍｎ−０，２Ｍｏの合金
粉トＦｅ−１，９Ｃｒ−〇２Ｍｎ−１，ＯＭｏの合金粉
、リンの添加源としＴＦｅ　−２５Ｐ　；　Ｃｔｌ　−
２５Ｐの合金粉を、硫黄の添加源としてＦｅ−３２８：
Ｃｕ−２５８の合金粉を、そのほかに電解銅粉。

Ｃｕ−１０ＳｎおよびＣｕ−２０８ｎ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０５％添加して５ｔ／ｃｄ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　、　ｌｙｌ。

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！！黒鉛のｍ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った例であり、
試料２は被剛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１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４０ｍｒｘ内径７．４ｍｒｘ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。従っ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
料との比較かられかるように、その添加により摩耗量が
半分以下に減少している。

またＭＩ’Ｊ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Ｏｒ　、　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
れかるように、（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意差が現われない
。従って、Ｃ１ｌ　１〜１０％と、その一部を２％以下
の３ｎ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、１初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。従って必要に応じ実
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。

耐摩耗性と被剛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
剛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、被剛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。

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
い代わりに被剛性が従来材よりも劣り、一方接者は、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　重量比で黒鉛粉を１．５〜４％、Ｆｅ−１０〜３０
   Ｐ合金粉またはＣｕ−１０〜３０Ｐ合金粉を０．５〜５
   ％、銅粉またはＣｕ−５〜２０Ｓｎ合金粉を１〜１０％
   、Ｆｅ−２５〜５０Ｓ合金粉またはＣｕ−２５〜５０Ｓ
   合金粉０．２〜２％をＦｅ−０．５〜２Ｃｒ−０．１〜
   １Ｍｎ−０．１〜１Ｍｏ合金鉄粉に加えて成形・焼結（
   ９８０〜１１００℃）してなり、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 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％、および鉄残部である耐摩耗性
   鉄系焼結合金。