JPH0347952A - 耐摩耗性鉄系焼結合金およびその製造方法 - 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、内燃機関の動弁機構部材１例えばバルブガ
イドに好適な、耐摩耗性および耐熱性の優れた焼結合金
に関するものである。

内燃機関のバルブガイド材料は、普通鋳鉄や合金鋳鉄な
どの溶製材に代わって耐摩耗性、被剛性や価格などに勝
る焼結合金が種々開発され、先に本件出願人もＣｒ０．
４〜２％、Ｍｎ０．１〜１％。

Ｍｏ０．１〜１％を含む鉄基地中にステダイト相と遊離
黒鉛とを分散させた焼結合金（特開昭５８１７７４３５
号公報参照）を開発し、実用に供してきた。

しかし、この材料の開発以降、最近の自動車用エンジン
の高性能指向に伴って高温条件下での耐摩耗性に対する
要求が一段と厳しくなり、従来の合金では満足できない
場合をみるに至った。

この発明は上記の事情に鑑みなされたもので、Ｏｒ　−
１ｙｌｎ−１ｙｌｏを含む鉄基地の中にＣｒの含有量が
基地よりも多い鉄基の硬質粒子を分散させて耐摩耗性お
よび耐熱性をより強化させると共に、銅または銅合金粒
子を未拡散の状態で鉄基地中に分散させて相手部材との
馴染み性を与えることを骨子とし、さらに、必要に応じ
て硫黄を添加して部材の被削性をより一層高めたもので
ある。

即ち、この発明は前記先発明を基礎として改良したもの
で、その改良点は先発明に比べて基地のＯｒを１．８〜
３．５％とやや多くし、ステダイト相をＣｒ４〜１０％
と基地より高Ｏｒの硬質相で。

遊離黒鉛を銅（またはＣｕ　−８ｎ　、Ｃｕ　−Ｎ＋　
）の軟質相で置換し強化したことに相当する。なおこの
明細書では、銅合金は錫含有量８〜１１％のＣｕ−３％
合金と、ニッケル含有量５〜３０％のＣｕ−Ｎｉ合金と
を意味する。この組成範囲は、市販の合金粉の規格範囲
に基づくものである。

また、この発明に係る合金は分散硬化型の合金であるた
め、その製造に際し基地、硬質相および軟質相（銅また
は銅合金）は、それぞれの組成の合金粉の形で配合され
る。即ち製造方法としての骨子は、基地はＣｒ１．８〜
３．５％、Ｍｎ０．１〜１％、Ｍｏ０．１〜１％および
鉄残部：またはこれに８０、０５〜１％を追加した合金
鉄粉として、硬質相はＣｒ４〜１０％、Ｍｏ０．０５〜
１％、Ｐｏ、２〜０．７％および鉄残部；またはこれに
Ｗ２％以下またはＶ　０．５％以下を追加した硬質合金
粉として配合し、その成形体を必要な強度が得られ且つ
軟質相が拡散しない温度（９８０〜１１３０℃）で焼結
することにある。

以下この発明をその実施例について説明する。

先ず、原料粉として粒度２００メツシユ以下の銅粉、青
銅粉（１０％Ｓｎ　＞、　Ｆｅ　−２０Ｐ合金粉および
天然黒鉛粉、それに下記組成の基材合金粉末（４２口）
および硬質合金粉末（ハ、二）を準備した。また上記先
願の合金を従来材料とし、そのための基材合金粉末（チ
）を準備した。

イ：Ｃｒ２％、Ｍｎ０．７％、Ｍｏ０．２％およびＦｅ
残部。

口：Ｃｒ２％、Ｍｎ０．７％、、Ｍｏ０．２％。

８０、２％およびＦｅ残部。

チ：Ｃｒ０．８％、Ｍｎ０．７％、Ｍｏ０．２％および
Ｆｅ残部。

ハ：Ｃｒ５％、ＭＯ０，４５％、Ｐ０．４５％およびｌ
”ｅ残部。

二：Ｃ「５％、Ｍｏ０．４５％、Ｐｏ、４５％。

Ｗｌ、７％、Ｖｏ、１％およびＦｅ残部。

次に試料の作成であるが、順序として上記先願に係る従
来材料を先に述べる。基材合金粉（チ）に銅粉を５％、
Ｆｅ−Ｐ粉を１．２５％、黒鉛粉を２％配合し、これに
潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を１％添加して充分に混
合した。次にこの混合粉を成形圧力６ｔ／ｃＷｉで試験
片所定の形状に成形し、分解アンモニアガス雰囲気炉中
１０６０℃で３０分間の焼結を行ない、従来例の試料Ｎ
ｏ、１８を作製した。この試料の焼結密度は６．７０　
（Ｊ／　ｃＴ／ｌであった。

また同様にして、第１表に示した原料粉の配合割合に従
い、試料Ｎ０１１〜１７を作成した。表の備考欄に記し
た記号■、■は、それぞれ特許請求の範囲の欄で各発明
に付した番号１．２に合わせてあり、例えば試料Ｎｏ、
１７は製造法としては第２項の発明の１合金としては第
１項の発明の実施例に該当することを示している。

かくして得られた試料Ｎ００１〜１８の化学成分を第２
表に示す。なお、組成または条件が所定の範囲外の試料
には、８表の備考欄に比較例と表示しである。

次に、各試料について耐摩耗性および被剛性の試験を行
なった。

耐摩耗性は大越式摩擦摩耗試験機を用い、温度４．　Ｏ
０℃の大気中９周速３．６ｍ１０で回転する直径３０ｍ
ｍ、幅３ｍｍのローター〈材質Ｓ　Ｕ　ｌ−１−３）に
荷重１２．６ｋｇで試料を押し付け、無潤滑で距離４０
０ｍ摺動後の各試料の摩耗量を求め、その数値を試料Ｎ
ｏ、１８（従来材）を１００とする指数で表示した。従
って指数が小さいほど耐摩耗性が良いことを意味する訳
である。

被剛性は、耐摩耗性と本質的に両立し難い特性ではある
が、部材の焼結後の加工工程やエンジンへの組み付（ブ
工程での作業能率に影響するため、工場サイドから特に
重視される特性である。その試験方法は長さ４０ｎ＋ｍ
内径７．４ｍｍの円筒状試料について、その内径を８１
１１１１１までリーマ加工する所要時間を求め、それを
耐摩耗性の場合と同じく試料Ｎｏ、１８を１００とする
指数で表示した。従って指数が小さいほど加工時間が短
い、即ち被剛性が良いことを示している。

試験の結果は第１表の右欄に示す通りで、試料全体を通
じ、Ｎ０６３およびＮ０９６が最良の特性を持っている
。

以下、この表に基づいて結果の考察を行ない、併せて個
々の要件について説明する。先ず従来例のＮｏ、１８と
Ｎｏ、１とは、鉄基地を形成する基材合金粉の違いを除
き、それ以外の原料配合は同である。しかるにＮ００１
の方がやや良好な特性を示すのは、Ｎ０８１の基材合金
粉にはＯｒが多く。

また硫黄を含むためである。しかし、この程度の耐摩耗
性では、最近の要求水準には及ばない。

試料Ｎｏ、１〜Ｎ００４は、基地中に分散させる高Ｏｒ
の硬質合金粉の影響を示し、その５％以上の添加によっ
て被剛性はやや劣化するが耐摩耗性は著しく向上し、配
合量１０％前後で摩耗が最少になる。但し、さらに増量
すると被削性、耐摩耗性ともに劣化するので、２０％を
上限とする。

また試料Ｎｏ、１６は硫黄を含まない基材合金粉を用い
た例で、試料Ｎ０１３と比較して耐摩耗性はほぼ等しい
が被剛性は劣って゛いる。この傾向は、種類が異なる硬
質合金粉を配合した試料Ｎｏ、１５とＮｏ、１７の場合
も同様である。

基材の被削性に及ぼす硫黄の効果は、極微量の０．０５
％から有意であるが、０．２％前後の含有量が好ましい
。但し過剰になると基材の強度低下を招くため、基材合
金中に１％を上限とする。

試料ＮＯ，５，Ｎ０．３およびＮ００６は鉄基地中に未
拡散の状態で分散する銅の影響を見たもので、無添加の
Ｎｏ、５に比べ、摩耗が少なくなる。その効果は配合量
１％から有意で、１０％までは殆ど同程度の効果を示す
。但し、銅の配合量が増すにつれて焼結時の膨張量が大
きくなるので、製品の寸法安定性の面から１０％を上限
とする。

また、試料ＮＯ３７はＮ０９３の銅粉の代りに青銅粉（
錫１０％）を配合した例で、耐摩耗性はほぼ等しい。被
削性がやや低いのは、錫の影響で銅の拡散が進行したた
めと考えられる。同じ条件で、１５Ｎｉ−Ｃｕの場合は
摩耗量はＮｏ、３よりやや少なく、被剛性はＮ０１７と
ほぼ等しい。このように８〜１１％Ｓｎ　−Ｃｕ　、５
〜３ＯＮｉ−Ｃｕの銅合金は、この発明の目的において
は銅と均等と見ることができる。なお、この発明におい
ては銅を未拡散の状態で残すことが要点で、焼結は温度
９８０℃〜１１３０℃の範囲で行なわれる。これ以上に
なると軟質相が拡散し、一方これ以下では焼結が不充分
で、必要な強度が得られない。

試料Ｎ０．８〜Ｎ０．１１はＦｅ−Ｐ合金粉の形で配合
されたリンの影響を見たもので、市販されているＦｅ−
Ｐ合金粉のリン含有量は通常１０％〜３０％である。こ
の合金粉を配合すると、焼結の過程でＦｅ　−Ｐ−Ｃ化
合物となって液相を生じ、焼結を促進するとともに、一
部はステダイト相を生成して基地を強化する。その結果
被剛性はやや低下するが、耐摩耗性は配合量０１５％以
上で明らかに向上して１〜１．５％で最高となり、以後
再び低下する。そして５％を越えると基材を脆くし、試
料Ｎｏ、１１が示すように被削性、耐摩耗性ともに劣化
する。従って、Ｆｅ−Ｐの配合量は０．５〜５％が適当
である。

試料Ｎｏ、１２〜Ｎ０．１４は黒鉛粉の形で配合された
炭素の影響を見たもので、配合ｆｆｉ　０．３％では被
削性は良いが肝心の耐摩耗性が不足し、３．３％１　〇
− では被剛性はやや低くなるが、耐摩耗性は良好な水準を
保っている。

合金中に配合された炭素の挙動はかなり複雑で鉄基地の
固溶強化、添加元素との炭化物の生成。

Ｆｅ−Ｐとの反応による焼結の促進、遊離黒鉛の形での
固体潤滑など、多くの作用効果を現わす。

そのための最低必要量は土５％で、試料Ｎｏ、３が示す
ように、２％程度が最適と判断される。過剰に配合する
と粉末の偏析や成形性の低下を来たすため、４％以下に
留めるべきである。

試料Ｎｏ、１５はＷおよびＶを含まない硬質合金粉を用
いた例で、その特性は実用可能なレベルにあるが、試料
Ｎ００３との比較から、硬質合金粉中のＷおよびＶが耐
摩耗性を一段と向上させることが分る。このことは、試
料Ｎ０．１７とＮｏ、１６についても同様である。これ
はＷ、■ともに炭素と反応して硬い炭化物を作り、硬質
合金相の硬さを高めるためであるが、含有量が過剰にな
ると相手部材を傷付は易くなる。従って、硬質合金粉中
の含有量はＷは２％以下、■は０．５％以下に留めるべ
きである。

以上で実施例を含む実験結果についての説明を終了し、
次に、主要原料の基材合金粉および硬質合金粉の組成に
ついて述べる。

Ｃｒ：基材合金粉および硬質合金粉に共通する成分で、
炭化物を形成して耐摩耗性および耐酸化性を向上させる
。しかし合金全体に−様な濃度で分布しては特性が劣る
。基材中の含有量は土８〜３．５％と低めにして靭性を
持たせ、４〜１０％と多量のＯｒを含む硬質合金相をこ
の基地中に分散させた点に、この発明の特徴がある。合
金粉中の含有量は１．８％未満ではその効果が乏しく、
一方１０％を越えると粉末が硬くなり、成形性が阻害さ
れる。なお基材中の上限を３．５％、硬質粉中の下限を
４％として間を離したのは、基地と硬質相とにＣｒの充
分な濃度差を保つためである。

ＭＯ＝この元素も基材合金粉および硬質合金粉に共通す
る成分で、Ｃｒと類似の作用の外、特に高温における強
度と耐摩耗性を向上させる。その効果はＣｒ含有量の少
ない基材合金粉では０１％から、　Ｏｒの多い硬質合金
粉では００５％の微量から有意であり、一方、１％を越
えて添加しても添加量に見合う効果が得られない上に、
粉末の成形性が阻害される。

Ｍｎ：Ｃｒの少ない基材合金粉に添加されて鉄基地を強
化させる成分であるが、０．１％未満ではその効果がな
く、また、１％を越えると焼結時の酸化が問題になる。

リン二基地中に分散させる硬質合金相の硬さを一層高め
るために、硬質合金粉に添加する。その効果は０２％以
上で有意であり、一方、０．７％を超えて添加すると合
金粉が脆くなり、圧縮性を悪化させる。

Ｗ、■およびＳ：これらについては、各試料に関する考
察で既に述べた通りである。

本願における合金の発明■の全体組成は上述した製造法
の発明■の内容、即ち基材合金粉、硬質合金粉等の組成
と配合割合から帰納されるものである。なお硬質合金粉
の中にも微量のＭｎが含まれることがあり、また、合金
粉の製造に際し溶湯の湯流れを良くするために少量の３
ｉが添加されることがあるが、いずれも、この発明にと
っては不純分と見て差支えない。

以上詳述した通り、この発明に係る焼結合金は従来の動
弁機構部材よりも著しく優れ、自動車用エンジンの最近
の傾向にも充分対応できる特性を具えている。この４種
の合金は耐摩耗性、被削性ならびにコストの而でそれぞ
れ得失を持っているので、エンジンの性格に応じて適切
に選択すればよい。なお以上はバルブガイドへの適用例
で説明したが、この材料は動弁機構の他の部材１例えば
バルブシートにも適用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　全体組成が重量比で Ｃｒ・・・１．８〜４％Ｍｎ・・・０．１〜１％Ｍｏ・
   ・・０．０７〜１％Ｐ・・・０．０６〜１．５％Ｃｕま
   たはＣｕ合金・・・１〜１０％ Ｗ・・・０．４％以下およびＶ・・・０．１％以下の少
   なくとも一方、 Ｓ・・・０．０３〜０．９％Ｃ・・・１．５〜４％Ｆｅ
   ・・・残部 で、且つＣｒ・Ｍｎ・Ｍｏを含む鉄基地中に基地よりも
   Ｃｒ量が多い鉄基硬質粒子５〜２０％と、銅または銅合
   金粒子１〜１０％が分散した組織を呈することを特徴と
   する被削性の良好な耐摩耗性鉄系焼結合金。 ２　下記ロ、ニ、ホ〜トの粉末を所定の重量比に配合し
   て加圧成形し、温度９８０〜１１３０℃で焼結すること
   を特徴とする、Ｃｒ・Ｍｎ・Ｍｏを含む鉄基地中に基地
   よりもＣｒ量が多い鉄基硬質粒子と、銅または銅合金粒
   子とが分散した組織を呈する耐摩耗性鉄系焼結合金の製
   造方法。 ロ　Ｃｒ１．８〜３．５％、Ｍｎ０．１〜１％、Ｍｏ０
   ．１〜１％、Ｓ０．０５〜１％およびＦｅ残部の合金粉 ニ　Ｃｒ４〜１０％、Ｍｏ０．０５〜１％、Ｗ２％以下
   およびＶ０．５％以下の少なくとも一方、Ｐ０．２〜０
   ．７％およびＦｅ残部の硬質合金粉：５〜２０％ ホ　銅粉または銅合金粉；１〜１０％ ヘ　Ｆｅ−１０〜３０％Ｐ合金粉；０．５〜５％ト　黒
   鉛粉；１．５〜４％。