JPH0360897B2

JPH0360897B2 -

Info

Publication number: JPH0360897B2
Application number: JP59070129A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ikenoe; Hiroyuki Endo; Hiroshi Ishii; Keitaro Suzuki
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1984-04-10
Publication date: 1991-09-18
Also published as: JPS60228656A; US4648903A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は銅を含有する鉄系耐摩耗性材料、特に
内燃機関の動弁機構を構成する部材に好適な銅含
有鉄系耐摩耗性焼結合金に関する。

ここで動弁機構の代表的な型式のひとつである
OHC式について説明すると、第１図に示すよう
に、カム２の回転に従つて、ロツカーアーム１が
その軸を支点としてシーソー運動を行ない、弁３
を開閉するようになつている。この機構において
はカム２と当接するロツカーアーム１の耐摩耗性
が重要であるが、カム２自体の耐摩耗性も非常に
重要である。

ロツカーアームの摺動面のパツド用材料として
は、高速度鋼や合金工具鋼のように微細な炭化物
がマルテンサイト基地に分散している組織を有し
且つ空孔率が２〜３％程度の高密度材料が知られ
ている。本出願人もまたこの種の材料を開発し、
既に出願している（特開昭57−108245号公報）。

しかしながら、特に本出願人に係る合金材料は
重量比で２〜７％Cr、0.1〜２％Ｐ、0.5〜３％
Ｃ、0.1〜1.5％Mo、0.5〜７％Ｗ、0.1〜３％Ｖお
よび残部Feの組成でマルテンサイトの基地に金
属炭化物からなる硬質相が分散する組織を呈し耐
摩耗性が極めて高く、パツドの摩耗量が少ない反
面、相手部材のカムに対する攻撃性がその分だけ
強いところに改良の余地があつた。

本発明の主な目的は、摺動する相手部材の摩耗
を著しく減少させ、しかも自己自身の耐摩耗性も
従来材と同等以上である鉄系焼結耐摩耗性材料を
提供することにある。

本発明によれば、この目的は重量比でCr3〜25
％、Ｐ 0.1〜２％、［Mo0.5〜７％、W0.1〜８
％、Ｖ 0.1〜３％、Ni0.5〜２％］の群のうち少
なくとも２種１〜13％、銅または銅合金10〜25
％、炭素0.5〜３％および残部Feからなる組成で、
炭化物を含有する硬質相と銅または銅合金（Cu
−SnまたはCu−Ni）の軟質相が混在する組織の
焼結合金によつて達成することができる。即ち、
本発明の合金は従来の焼結合金に比べて多量の銅
を含むため硬軟両相が適度に釣り合い、その結果
相手部材とのなじみ性が改善され双方の摩耗が減
少する訳である。

本発明に係る合金の代表的な組成の類型を例示
すれば次の通りである。

類型１３〜７％Cr 0.5〜３％Ｃ 0.5〜７％Ｗ 10〜25％Cu 0.1〜２％Ｐ 0.5〜1.5％Mo 0.1〜３％Ｖ残部Fe 類型２4.5〜5.5％Cr 0.5〜３％Ｃ 0.8〜1.5％Ｖ残部Fe 0.1〜２％Ｐ１〜1.5％Mo 10〜25％Cu 類型３3.8〜4.5％Cr 0.5〜３％Ｃ 5.5〜6.7％Ｗ 10〜25％Cu 0.1〜２％Ｐ 4.5〜5.5％Mo 1.6〜2.2％Ｖ残部Fe 類型４11〜13％Cr 0.5〜３％Ｃ 0.2〜0.5％Ｖ残部Fe 0.1〜２％Ｐ 0.8〜1.2％Mo 10〜25％Cu 類型５10〜13％Cr 0.5〜３％Ｃ 0.8〜１％Ｗ 10〜25％Cu 0.1〜２％Ｐ５〜６％Mo 0.9〜1.3％Ｖ残部Fe 類型６18〜21％Cr 0.5〜３％Ｃ 10〜25％Cu 残部Fe 0.1〜２％Ｐ 1.1〜1.7％Ni 0.2〜0.5％Ｖ類型７23〜25％Cr 0.5〜３％Ｃ 0.1〜１％Ｗ 10〜25％Cu 0.1〜２％Ｐ１〜３％Mo 0.5〜２％Ｖ残部Fe なお、上記各組成中の銅を同量の銅合金で置換
したものも本発明の範疇に属する。

ここで各添加元素とその組成範囲について説明
する。耐摩耗性の向上を目的とする合金元素の添
加は古くから行なわれているが、添加元素はその
挙動、作用効果から２種類に、即ちCr、Mo、
Ｖ、Ｗなどのように添加元素が炭化物を形成する
ものとNiのように素地中に固溶して組織を強化
するものとに大別でき、共に、油膜切れを生じる
ような高面圧の作用する摺動部の耐摩耗性を改良
する効果がある。

クロム：基地の強化に併せて、炭素と反応して硬
質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。
ただし後述の実施例および比較例のデータが示
すように、添加量３％未満では所要の効果が得
られず、一方、25％を越えると基地が脆化し、
また相手部材のカムを傷つけ易くなる。

リン：焼結時に液相を生じて焼結体を高密度化す
る元素であるが、添加量0.1％未満では所要の
効果が得られず、一方、２％を越えて添加する
と過剰の液相が生じ、焼結時の寸法変化率が大
きくなるので好ましくない。

モリブデン：クロムと同様、基地の強化と共に炭
素と反応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性
を向上させる。ただし、添加量が７％を越える
と相手部材のカムを傷つけ易くなる。

タングステン：クロムと同様、基地の強化と共に
炭素と反応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗
性を向上させる。ただし、添加量0.1％未満で
は所要の効果が得られず、一方、８％をこえて
添加すると、基地の脆化をきたす。

バナジウム：炭素と反応して炭化物を形成し、耐
摩耗性の向上に寄与する。ただし、添加量0.1
％未満では所要の効果が得られず、一方、３％
を越えて添加すると被削性が低下し、また相手
部材を傷つけ易くなる。

ニツケル：基地となる合金に固溶して強化し、耐
摩耗性を向上させる。ただし添加量0.5％未満
では固溶量が不充分で所期の効果が期待でき
ず、一方２％を越えて添加するとCrその他の
炭化物を分解する作用が強くなり、結果的に耐
摩耗性を低下させる逆効果を招く。

これらの元素のうちMo，Ｗ、ＶおよびNiは用
途に応じて２種類以上組合せて使用するものであ
るが、その合計は下記の理由により１〜13％の範
囲になければならない。即ち、１％未満では所要
の効果を期待できるだけの炭化物相が得られず、
一方、13％を越えると脆化をきたし、相手部材の
カムを傷つけ易くなるからである。

炭素：銅粉または銅合金粉と共に通常は黒鉛粉の
形で添加され、基地の強化に併せクロムその他
の添加成分と反応して硬質相を析出し耐摩耗性
を向上させる。ただし添加量0.5％未満では、
基地がフエライト主体となるため強度の著しい
低下を生じる。一方、３％を越えると、混合粉
の偏析や見掛け密度の低下、成形性の劣化など
の悪影響が出てくる。

銅または銅合金（Cu−Sn、Cu−Ni）：前述のよ
うに炭化物を含む硬質相の間に軟質相を分散さ
せて摩耗を減少するための成分であるが、添加
量が10％未満では銅の大部分が基地に固溶し、
それを硬くする。またこれに伴い遊離銅相が減
少するため、相手部材を摩耗させる傾向が出て
くる。ただし25％を越えて添加すると焼結時に
銅が吹き出したり、焼結体の変形を生じるの
で、添加量は10〜25％を適量とする。銅添加量
と摩耗量の関係は第２図のグラフからも理解で
きるが、これについては後に述べる。

なお本発明に係る焼結合金は粉末冶金の通常の
工程即ち原料粉の混合、成形および焼結によつて
製造することができるが、各添加成分の単味配合
による誤差や偏析を避けるため黒鉛と銅（または
銅合金）以外の成分は適宜の手段で合金粉として
用いるのが好ましい。焼結条件は分解アンモニア
ガスの雰囲気中1130℃での焼結が特に適してい
る。なお、この合金を熱処理して用いる場合の処
理条件は、好ましくはアルゴンガス中900℃より
油焼入れ後、180℃焼戻しである。

以下、実施例および比較例を含む試験の結果に
基づいて本発明を詳細に説明する。

試料の作成先ず黒鉛粉、銅粉（一部の試料では銅合金粉）
およびこの２成分を除いた組成の合金粉の３者を
第１表、第２表の各行に示す組成割合に配合し、
これに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１％をを添
加してＶ型混合機で20分間混合した。

合金粉を使用するのは前述の理由に加えて実験
準備が容易なことと、得られる焼結材の性状の変
動が小さいため、傾向を明確に知ることができる
からである。

次にこれらの混合粉それぞれを6t／cm²の成形圧
力で所要のパツド形状に成形し分解アンモニアガ
ス中温度1130℃で30分間焼結した後、下記の条件
で熱処理を施した。なお各試料の密度比および硬
さの測定値を表中に示した。

焼入れ条件：アルゴンガス中油焼入れ焼入れ温度：900℃ 焼戻し温度：180℃ 試験の方法 OHC型４気筒1800ccエンジンを利用したモー
タリング試験装置（シユミレーシヨン装置の一種
で、カム軸をモーターで回転させて動弁機構の各
種試験を行なう装置）を用い、前記の各試料をロ
ツカーアームのパツド部に取付けてこの装置に組
み込んで下記の条件で試験を行ない、パツドおよ
び相手部材のカムの摩耗量を測定した。

カム材質：チル化した鋳鉄材回転数：650rpm 試験時間：50時間連続運転潤滑油：通常のエンジンオイルに体積比で水を
2.5％添加して、摩耗条件を過酷に設定した。

試験の結果第１表は前述した既出願の合金（特開昭57−
108245号）を基本にその改良を図つた結果を示し
たもので、試料No.１はこの既出願の合金そのもの
である。試料No.２および３は銅含有量が10％未満
の比較例であり、試料No.４〜７が適正量の銅を含
有する本発明の実施例、No.８と９はそれぞれ、試
料No.６の銅を同量の銅合金で置換した実施例であ
る。

この表およびこれをグラフ化した第２図から、
基本の組成に銅を添加すると、初めは相手部材の
カムが逆に摩耗すること、さらに添加量を増して
銅量が10％以上になると、意外にもカムの摩耗が
著しく減少することが判る。この事実が本発明の
骨子とする新知見である。No.８はCu−Sn合金を、
No.９はCu−Ni合金を銅と置換した例で、No.６と
効果は同等以上であり、本発明の目的においては
銅と銅合金が均等物であることを示している。た
だし価格は若干高くなる。

No.10〜13はＰの効果を示す例で、本発明の範囲
外であるNo.10および13は本発明材のNo.11および12
より摩耗量が増加している。No.14〜17はＣの効果
を示す例で、Ｐの場合と同様なことがいえる。

No.14〜17はＣの効果を示す例で、本発明の範囲
外であるNo.14および17はカムの摩耗が本発明材の
No.15および16より多い。

次の第２表はSKD−61などの既存の合金を基
本として、銅の添加によるその改良効果を示した
もので、罫線で区画された各欄の最初の行は、そ
の備考に記した合金規格に相当している。

No.18〜24の欄について説明すると、本発明の実
施例であるNo.21〜24では総摩耗量がNo.18の１／３
以下に減少し、銅添加の効果が大きく現われてい
る。銅量10％未満のNo.19および20では、逆に摩耗
量が増加している。

次のSKH−９（No.25〜31の欄）の場合もほぼ同
様の傾向を示し、本発明の実施例であるNo.28〜31
ではカムの摩耗および総摩耗量が大幅に減少して
いるのに対して、銅10％未満のNo.26および27で
は、銅添加の効果に有意差が認められない。

次のNo.32／33；34／35；36／37および38／39の
各群については説明しなくても明白であろう。即
ち、各群とも分母側の試料が所要量の銅を含有す
る本発明の実施例であつて、分子側の銅を無添加
の比較例に比べて耐摩耗性が明らかに向上してい
る。

ちなみに、第１表のNo.４〜７，11，12，15，16
は本発明に係る合金の実施態様として先に列挙し
た中の類型１に相当し、第２表のNo.21〜24は類型
２に、No.28〜31は類型３に、No.33は類型４に、No.
35は類型５に、No.37は類型６に、No.39は類型７
に、それぞれ相当する。

以上のデータから判るように、本発明の合金は
Mo，Ｗ，Ｖ，Niなどの炭化物を含む硬質相に多
量の銅を主とする軟質相を分散させて相手部材と
のなじみ性を改善した結果、従来の合金に比べて
自己の耐摩耗性はもとより、相手部材の摩耗を著
しく減少させる点で優れた効果を奏するものであ
る。なおその用途は内燃機関のロツカーアームパ
ツドに限らず、例えばベーンポンプのベーン、カ
ムシヤフトカム、バルブシートなどの摺動部材に
も適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の代表的な動弁機構の構成を
例示する図面、第２図は銅含有量と摩耗量の関係
を示すグラフである。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１重量比でCr3〜25％、Ｐ 0.1〜２％、Ｃ
0.5〜３％、［Mo0.5〜７％、Ｗ 0.1〜８％、Ｖ
0.1〜３％、Ni0.5〜２％］の群から選択される少
なくとも２種の元素１〜13％、Cu10％を超え25
％以下および残部Feからなることを特徴とする、
自己および相手部材の摩耗が少ない鉄系焼結耐摩
耗性材料。２上記Cuが同量の銅合金で置換された特許請
求の範囲第１項に記載の材料。３上記銅合金がCu−Sn合金である特許請求の
範囲第２項に記載の材料。４上記銅合金がCu−Ni合金である特許請求の
範囲第２項に記載の材料。