JPH0372052A - 耐摩性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】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンのバルブシート等のように耐摩耗性
および耐食性が要求される部品を構成するに適した耐摩
性焼結合金の製造方法に関するものである。

（従来の技術） エンジンのバルブシート等のように、高温下における耐
摩耗性および耐食性が要求される部品を構成する金属材
料として、硬質粒子分散型焼結合金か用いられるように
なってきている。一般に、該硬質粒子分散型焼結合金は
、硬質粒子としてＦｅ基合金、高炭素フェロモリブデン
等を用い、鉄系合金粉末に対してＦｅベースにＣ，Ｃｏ
、Ｍｏ。

Ｃｒ、Ｗ、Ｖ等を加えて、耐摩耗性および耐食性、靭性
を向上させる構成となっている。

このような構成の焼結合金は、−膜内に結晶粒子間に多
数の気孔が生成される多孔質とされているが、有鉛ガソ
リンが使用されるエンジンのバルブシートとして用いら
れる焼結合金の場合、かかるバルブシートが他のエンジ
ンにおけるバルブシートに比べて高温にさらされること
となることに鑑み、バルブシートのバルブフェースと接
触する部分の温度を下げる目的と、母地組織の強度およ
び硬さを上げる目的とのため、鉛（Ｐｂ）や銅（Ｃｕ）
を前記気孔中に含浸させる方法が用いられている。

一方、フォークリフト用ＬＰＧ燃料エンジンのように、
最高回転数が乗用車用エンジンの１／２程度で、しかも
断続運転の機会が多いものに使用されるバルブシートの
場合、弁との当接部における表面温度が比較的低い時、
空気あるいは潤滑油等に含まれている水分が前記当接部
に凝縮付着し、該凝縮水とエンジンの排気バルブ側に排
出される燃焼生成物中に含まれる硫黄酸化物とが反応し
て硫酸（Ｈ，Ｓｏ、）が生成されることとなり、バルブ
シートにおける弁との当接部に腐食および摩耗等が生じ
てしまうという問題がある。

上記の如き問題に対処するためには、従来の強度を維持
し、ざらに銅腐食摩耗性を改善することが要求されると
ころであり、該要求に応え得るものとしては、特開昭６
３−１１４９４７号公報にも開示されているように、鉄
系合金粉末ＣＣ：０．２重量％以下、Ｍｏ：３．０重量
％以下、Ｎｉ：８〜２２重量％、Ｃｒ：１６〜２６重量
％、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂのうらの少なくとも１種＝０．５
〜６．０重量％）に対して、４５〜４０重量％のＣｏ基
合金粉末を混合して焼結するようにしたものが既に提案
されている。

上記公知例の焼結合金材料では、Ｃｏ基硬質粒子自身お
よび母地組織の耐食性向上は図れるものの、気孔の減少
および母地組織の硬度向上の点ては不十分であり、なお
、改善の余地か存している。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、Ｃｏ基硬
質粒子自身の耐食性を改善すること、母地組織の耐食性
を改善することに加えて、母地組織中の気孔の減少およ
び母地組織の硬度向上を図ることを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明では、上記課題を解決するための手段として、Ｎ
ｉ：’／−２２重量％、Ｃｒ：１６〜２６重量％、ＭＯ
：３重量％以下、Ｃ：０．２重里％以下、Ｓｉ１重量％
以下、Ｍｎ・２重量％以下、不可避不純物１重量％以下
、Ｆｅ：残部の組成を有する鉄系合金粉末と、Ｐ、Ｂ、
ＳｉＳＭｎＳＭｏのうち少なくとも１種が全量に対して
０５〜５．０重量％になるようなフェロアロイ粉末と、
全量に対して５〜４０重量％となるＣｏ基合金粉末とか
らなる混合合金粉末に対して、適量の潤滑剤を混合して
得られる焼結用原料粉末を所定形状に圧縮成形し、その
後焼結することにより得られた焼結体に対して、固溶化
処理および析出硬化処理を順次施した後、Ｐｂ含浸処理
を施すようにしている。

上記の如くして得られる焼結体を構成すべき鉄系合金粉
末の組成を上記の如く定めたのは、以下の理由に基づく
。

Ｎｉは、焼結時にＦｅと結合して焼結合金の母地組織を
オーステナイト化することにより、母地組織の靭性を向
上させる役目を果たす。そして、母地組織中におけるＮ
ｉの含有量を規定する実験を行った結果、Ｎｉの含有量
が７重量％未満では、母地組織を構成するオーステナイ
ト組織が不安定となり、また、２２重量％を超える場合
には、母地組織の硬度が低下することが確認された。従
って、鉄系合金粉末中におけるＮｉの含有量は、７〜２
２重量％の範囲とするのか望ましい。

Ｃｒは、母地組織の高温強度、耐食性および耐酸化性の
向上に寄与する。そして、鉄系合金粉末中におけるＣｒ
の含有量を規定する実験を行った結果、Ｎｉが同時に含
有されている状態においては、Ｃｒの含有量が１６重量
％未満では、母地組織の高温強度、耐食性および耐酸化
性が十分に向上するものとならず、また、２６重量％を
超える場合には、母地組織の硬度が低下することが確認
された。従って、鉄系合金粉末中におけるＣｒの含有量
は、１６〜２６重量％の範囲とするのが望ましい。

Ｍｏは、母地組織の高温強度および靭性を向上させる役
目を果たす。そして、鉄系合金粉末中におけるＭｏの含
有量を規定する実験を行った結果、Ｍｏの含有量が３重
里％を超える場合には、母地組織を構成するオーステナ
イト組織が不安定となることが確認された。従って、鉄
系合金粉末中におけるＭｏの含有量は、３重量％以下と
するのが望ましい。

Ｃは、鉄系合金粉末の製造過程で必然的に含まれ、焼結
時にＣｒと結合して母地組織にＣｒ欠乏部を生じさせる
ものとなるＣｒ炭化物を生成する。

従って、鉄系合金粉末中におけるＣの含有量は、０．２
重量％以下とするのが望ましい。

ＳｉおよびＭｎは、共に母地組織の硬度向上に寄与する
が、多すぎると靭性の低下を招くこととなる。従って、
鉄系合金粉末中におけるＳｉおよびＭｎの含有量は、そ
れぞれ１重量％以下および２重量％以下とするのが望ま
しい。

なお、この鉄系合金粉末の粒度は、成形性および焼結性
を良好に保持するためには８０メソシユ以下とするのが
望ましい。

また、焼結体生成のための混合合金粉末中に、Ｃ，Ｐ、
Ｂ、Ｓ　ｉ、Ｍｎ、Ｍｏのうち少なくとも１種が全量に
対して０．５〜５．０重量％になるようなフェロアロイ
粉末が含まれるのは、以下の理由に基づく。

Ｐ、Ｂ１Ｓｉ、Ｍｎ％Ｍｏは、焼結時に液相成分を生成
して焼結合金の密度を向上させ、母地組織中に生成され
る気孔の数を低減させる役目を果たす。そして、混合合
金粉末中におけるＰＳＢＳＳｉ、　Ｍｎ、　Ｍｏのうち
少なくとも１種の含有量を規定する実験を行った結果、
Ｐ　、　Ｂ　ｓ　Ｓ　ｉ−、Ｍ　ｎ、　ＭＯのうち少な
くとも１種の含有量が、０．５重量％未満では、焼結時
に生成される液相成分の量が不足して焼結合金の高密度
化が促進されず、母地組織中に生成される気孔の割合が
１０％を超えるものとなり、また、５．０重量％を超え
る場合には、母地組織中に生成される気孔の割合は既に
】０％以下とされており、コストの上昇に見合うそれ以
上の効果は得られないことが確認された。従って、Ｋ’
４　ｅｉ金合金粉末中おけるＰ、　Ｂ、　Ｓ　ｉ、　Ｍ
ｎ、　Ｍｏのうち少なくとも１種の含有量は、０．５〜
５０重里％の範囲とするのが望ましい。なお、有効な気
孔率の目安を１０％以下とした理由は、この程度の気孔
率の焼結体が溶製材と同程度の耐食性を示すことによる
。また、このフェロアロイ粉末の粒度は、１５０メツシ
ユ以下とするのが望ましく、鉄系合金粉末とフェロアロ
イ粉末を見合した時に８０〜２００メノシユの粒径のも
のが３０％以下に抑えられることが望ましい。さらに、
フェロアロイ粉末には、通常Ｃが含まれているが、この
Ｃの含有量を補填すべくグラファイト粉末（０，５〜２
．０重量％）を添加する場合もある。

さらに、前記混合合金粉末中におけるＣｏ基合金粉末の
割合が５〜４０重量％とされるのは、以下の理由に基づ
く。

Ｃｏ基合金粉末は、それ自体耐食性に優れているととも
に、焼結時に母地組織中に分散混入される硬質粒子を生
威し、母地組織の耐摩耗性の向上に寄与するものとなる
。そして、混合粉末中におけるＣｏ基合金粉末の割合を
規定する実験を行った結果、混合合金粉末中におけるＣ
ｏ基合金粉末の割合が、５重量％未満では、焼結時に生
成される硬質粒子の量が不足し、母地組織が十分な耐摩
耗性を有するものとならず、また、４０重量％を超える
場合には、硬質粒子の増加に伴って母地組織の靭性が低
下することが確認された。従って、混合合金粉末中にお
けるＣｏ基合金粉末の割合は、５〜４０重量％の範囲と
するのか望ましい。

なお、Ｃｏ基合金粉末の粒度が８０メノシユを超える場
合、圧粉成形した時の圧粉体強度が低くなること、母地
組織との焼結面積が小さくなって運転時の荷重等により
硬質粒子が脱落し易くなること、硬質粒子の占める面積
が小さくなって多量の硬質粒子の添加を要することとな
るため、８０メ。

シュ以下とするのが望ましい。

（作　用） 本発明では、上記手段により次のような作用が得られる
。

即ち、Ｎｉ：７〜２２重遣％重量ｒ：１６〜２６重里％
、Ｍ　ｏ　：　３重１％以下、Ｃ：０，２重量％以下、
ｓｌ：１重量％以下、Ｍ　ｎ　：　２重量％以下、不可
避不純物：１重量％以下、Ｆｅ：残部の組成を有する鉄
系合金粉末と、ＰＳＢ、ＳｉＳＭｎＳＭｏのうち少なく
とも１種が全量に対して０．５〜５．０重重％になるよ
うなフェロアロイ粉末と、全量に対して５〜４０重量％
となるＣｏ基合金粉末とからなる混合合金粉末に対して
、適量の潤滑剤を混合して得られる混合合金粉末を所定
形状に圧縮成形し、その後焼結するようにしたことによ
り、得られた焼結体の母地組織の耐食性および耐摩耗性
が向上せしめられるとともに、この焼結体に対して、固
溶化処理および析出硬化処理を順次施した後、Ｐｂ含浸
処理を施すようにしたことにより、炭化物が均一微細に
分散させられ、硬度および耐摩耗性がより一層向上せし
められる。

（発明の効果） 本発明によれば、Ｎｉ：７〜２２重量％、Ｃｒ：１６〜
２６＠量％、Ｍｏ・３重量％以下、Ｃ・０．２重里％以
下、Ｓｉ：１重項％以下、Ｍ　ｎ　：　２重量％以下、
不可避不純物＝１重量％以下、Ｆｅ残部の組成を有する
鉄系き金粉末と、Ｐ、Ｂ、Ｓ　ｉ、Ｍｎ、Ｍｏのうち少
なくとも１種が全量に対して０．５〜５．０重量％にな
るようなフェロアロイ粉末と、全量に対して５〜４０重
量％となるＣｏ基合金粉末とからなる混合合金粉末に対
して、適量の潤滑剤とを混合して得られる混合合金粉末
を所定形状に圧縮成形し、その後焼結することにより、
母地組織の耐食性および耐摩耗性が向」二せしめられる
こととなっている焼結体に対して、固溶化処理および析
出硬化処理を順次施した後、Ｐｂ含浸処理を施すように
したので、耐食性が向上することは勿論のこと、炭化物
が均一微細に分散させられ、硬度および耐摩耗性がより
一層向上せしめられることとなるという優れた効果があ
る。

（実施例） 以下、本発明の耐摩性焼結合金の製造方法を具体例に基
づいて説明する。

まず、以下の組成を有する焼結用原料粉末を調製する。

マトリノクスとして ステンレス銅粉（鉄系合金粉末）・７０重里％組組成１
２．８重量％Ｎｉ、１７．２重量％Ｃｒ、０２重量％Ｍ
ｎ、　０．９重量％Ｓ１．００１重量％Ｃ１２，５重量
％Ｍｏ、０．５重量％Ｎｂ、残余Ｆｅ粒径：１７７μｍ
以下 フェロアロイ粉末、１０重量％ 組成：４．２重量％Ｃ１２，４重量％Ｐ、９４２重量％
ＭＯ１４，３重量％Ｃｒ、残余Ｆｅ 粒径・７４μｍ以下 Ｃｏ基合金粉末として ステライト粉末（商品名）・２０重量％組１ｉ：１．２
１重量％Ｃｌ２Ｌ　５８重量％Ｃｒ、２，２６重量％Ｆ
ｅ、２．３９重量％Ｎｉ、１．２６重屋％Ｓｉ、４．６
４重量％Ｗ１残余Ｃ。

を室径　　４４〜１７７μ　ｍ 上記各組５５．のステンレス粉末、フェロアロイ粉末お
よびＣｏ基合金粉末を混合して得られた混合合金粉末に
対して、潤滑剤として作用する１重量％のステアリン酸
亜鉛を添加することにより、焼結用原料粉末が調製され
る。なお、本実施例の場合、鉄系合金粉末中にＮｂ：０
．５重量％が含まれているが、このＮｂは焼結時に優先
的にＣと結合して炭化物を生成する如く作用し、このこ
とによりＣｒ炭化物の生成を抑制して母地組織の結晶粒
界におけるＣｒ欠乏部の発生を抑制する。また、Ｎｂと
同様な作用をなすものとしては、Ｔｉ、Ｔａがあり、こ
れらの少なくとも１種を使用することが許容される。こ
れらのＮｂ、　Ｔｉ、　Ｔａの少なくとも１種を添加す
る場合、その含有量は、０．５〜６．０重量％の範囲と
されるのが望ましい。

該焼結用原料粉末を５ｔ／。□！の圧縮圧力で所定形状
に金型成形して圧粉体を成形し、該圧粉体を、１］、ガ
ス中において７５０’ＣＸ３０分の条件で脱ワノクス処
理した後、次の条件で焼結、固溶化処理、析出硬化処理
を施す。

（１）　　焼結・固溶化処理 前述のようにして脱ワノクス処理された圧粉体を、真空
中（５Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ）にて、１０°Ｃ／分の昇
温スピードで１１００’Ｃまで加熱し、１１００°Ｃて
１０分間保持した後、５°Ｃ／分の昇温スピードで１１
２０℃まで加熱し、１１２０°Ｃで３０分間保持する。

その後、５°Ｃ／分の降温スピードで１１００℃まで除
冷し、１１００°Ｃで２０分間保持した後、Ｎ２ガス雰
囲気中にて急冷する。

このようにして得られた焼結体は、硬度ＨＲＢ：６０程
度であり、硬度が不足するところから、次の析出硬化処
理を行う。

（ｎ）　　析出硬化処理 ａ）焼入れ 固溶化処理後の焼結体を、真空中（５Ｘ　１０−’Ｔｏ
ｒｒ）にて、１０°Ｃ７分の昇温スピードで７５０℃ま
で加熱し、７５０°Ｃで１０分間保持した後、５℃／分
の昇温スピードで７６０°Ｃまで加熱し、７６０℃で９
０分間保持し、その後、Ｎ、ガス雰囲気中にて急冷する
。

ｂ）焼き戻し 前述の焼入れ処理後３０分間放置した後、真空中（５Ｘ
　１０−’Ｔ　ｏｒｒ）にて、１００７分の昇温スピー
ドで５５０　’Ｃまで加熱し、５５０°Ｃで１０分間保
持した後、５℃／分の昇温スピードで５６０°Ｃまで加
熱し、５６０°Ｃで９０分間保持し、その後、Ｎ、ガス
雰囲気中にて急冷する。

上記のようにして得られた焼結体は、気孔率：９゜８％
、硬度ＨＲＢ：７０〜７５であった。

上記焼結体に対して、含浸装置（例えば、オートクレー
ブ）を用いてＰｂ含浸を施して封孔を行ったところ、硬
度ＨＲＢ：８５〜９０の耐腐食・耐摩耗特性に優れた焼
結体が得られた。

このようにして得られた焼結体における内部金属組織が
、第１図に顕微鏡写真をもって示されている。第１図の
写真によれば、オーステナイトの母地組織（写真におい
て灰色を呈している部分）に微細な炭化物が分散析出し
ているのがわかる。そして、母地組織中において白色球
形状を呈している部分はＣｏ基硬質粒子である。また、
母地組織中に点在する黒色部分は、母地組織中に占める
割合が１０％以下とされた気孔であり、Ｐｂが１されて
いる。即ち、上記固溶化熱処理により、Ｃｒ炭化物やσ
相は再固溶され、粒界腐食を防止することとなっている
。

ついで、本実施例により得られた焼結体と、比較例との
比較結果について述べる。

比較例１は、Ｃ：０．ｇ〜１．２重量％、Ｃｒ：５．０
〜８０重量％、Ｍ　ｏ　：　０゜３〜０．８重量％、Ｃ
ｏ：５．０−１０．０重量％、Ｗ：１．５〜４．０重量
％、Ｆｅ：残部の組成を有する焼結体に対して、Ｃｕ・
１３．０〜２１．０重量％を含浸させたものである。

比較例２は、Ｃ：０．４〜０．８重量％、Ｃｒ：０．５
〜２゜０重攬％、Ｍｏ：３．　（１−７，０重量％、Ｃ
ｏ：１０〜１５重量％、Ｎ　ｉ　：０．５〜２．０重量
％、Ｆｅ：残部の組成を有する焼結体に対して、トリバ
ロイ合金を分散させ且つｌ’ｂ：１３〜２３重量％を含
浸させたものである。

比較例３は、本実施例と同−組成の焼結体であって、Ｐ
ｂａ＋のみを施し、固溶化処理および析出硬化処理を行
わなかったもの。

そして、本実施例のものおよび比較例１〜３のものから
テストピースをそれぞれ切り出し、０．１％の硫酸（Ｈ
，Ｓｏ、）水溶酸中に浸漬し、マグネットスターラで常
時攪拌し、所定時間経過後における腐食摩耗減量を測定
することにより、耐食性の比較を行ったところ、第２図
の特性図に示す結果が得られた。

また、本実施例のものおよび比較例１〜３のものからバ
ルブシートをそれぞれ形成し、各バルブシートをＬＰＧ
ガス仕様のエンジンに装着して２４００ｒｐｍの回転数
で１００時間の連続運転を行った後における各バルブシ
ートの摩耗量を測定することにより、耐摩粍性の比較を
行ったところ、第３図の特性図に示す結果が得られた。

なお、エンジンの運転時に各バルブシートと摺接するバ
ルブとしては、５ＵＨ−３５製のものが使用された。

上記測定結果によれば、本実施例の焼結体は、比較例１
．２の焼結体に比べて耐食性および耐摩粍性において極
めて優れた性状を呈していることが明らかである。なお
、比較例３の焼結体は、本実施例の焼結体とほとんど変
わらぬ耐食性を示しているが、耐摩耗性において本実施
例の焼結体より劣っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の耐摩性焼結合金の製造方法により製造
された焼結体の内部金属組織を示す顕微鏡写真、第２図
は本発明の耐摩性焼結合金の製造方法により製造された
焼結体（即ち、実施例）と比較例１〜３との耐食性を比
較するための特性図、第３図は本発明の耐摩性焼結合金
の製造方法により製造された焼結体（即ち、実施例）と
比較例１〜３との耐摩耗性を比較するための特性図であ
る。 ｊｌｌＥ １に２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｎｉ：７〜２２重量％、Ｃｒ：１６〜２６重量％、
   Ｍｏ：３重量％以下、Ｃ：０．２重量％以下、Ｓｉ：１
   重量％以下、Ｍｎ：２重量％以下、不可避不純物：１重
   量％以下、Ｆｅ：残部の組成を有する鉄系合金粉末と、
   Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏのうち少なくとも１種が全量
   に対して０．５〜５．０重量％になるようなフェロアロ
   イ粉末と、全量に対して５〜４０重量％となるＣｏ基合
   金粉末とからなる混合合金粉末に対して、適量の潤滑剤
   を混合して得られる焼結用原料粉末を所定形状に圧縮成
   形し、その後焼結することにより得られた焼結体に対し
   て、固溶化処理および析出硬化処理を順次施した後、Ｐ
   ｂ含浸処理を施すことを特徴とする耐摩性焼結合金の製
   造方法。