JPH04259351A - 耐摩耗性鉄基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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関のバルブシート
等に用いる耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からバルブシート用鉄基焼結合金の
添加成分として使用されているＭｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ａなどの元素は主としてフエロアロイ、炭化物、あるい
は複合合金粉などの硬質粒子として原料粉中で混合され
、また該焼結合金中にも分散していた。このような使わ
れ方をした場合には、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ自体が
基地鉄中に深く拡散しにくいこともあって、硬質粒子の
周囲は固溶により強化されるものの基地鉄全体は強化さ
れず、このため分散強化による基地強化が主体となった
。すなわち、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａが基地鉄全体に
固溶・合金化することによる強化はさほど期待できなか
った。

【０００３】一方、Ｃｕは鉄基地へ拡散しやすく、鉄基
地での微細析出による鉄の強化は顕著であるため、微細
Ｃｕの析出により、叩かれ時の衝撃緩衝効果と、摺動摩
耗時の軟質相の介在効果により相手バルブへのアタック
性を改善させることができる。このようなＣｕの特長を
利用した発明を本出願人は特願昭６３−２５５３６３、
平１−１８３０７３号において出願している。これらの
先願では焼結合金製造工程Ｃｕを一旦基地中に固溶させ
、熱処理により均一に析出させる。

【０００４】

【発明が課題しようとする課題】しかしながら上記方法
を通常のアトマイズＣｕ粉や破砕Ｃｕ粉を配合材として
使用して実施した場合、原料粉末の混合時にＣｕ粉同士
が凝集し数１０〜数１００μｍの粗大な凝集塊ができる
。このため、焼結によりＣｕを鉄基地に固溶させると、
Ｃｕ粉のあった部分が粗大な空孔となる欠点があった。

【０００５】上記した耐摩耗性鉄基焼結合金の適用例の
一つである自動車エンジンのバルブシートは、近年のエ
ンジンの高性能化により、摺動面により大きな負荷が加
わるようになっているため、より高密度化し強度を高め
た材料を使用することが必要となってきている。また一
方で、バルブシートなどは冷却効率の向上や軽量化のた
めより薄肉化する観点から、材料の強度を向上させる必
要がでてきた。よって、本発明は鉄基地へ粉末のＣｕが
固溶した後Ｃｕの消失部に生じる空孔を微細にすること
により、焼結材料の強度及び耐摩耗性を向上させること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、鉄粉末または
鉄合金粉末の主として表面に銅が複合された原料粉末を
圧粉し、焼結し、焼結体にＣｕ相の析出処理を施こすこ
とを特徴とする耐摩耗性鉄基合金の製造方法に関する。

【０００７】すなわち、本発明は、Ｃ：０．３〜２．５
％と、Ｃｕ：１〜８％と、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの
いずれか１種類以上の合金元素：３〜１４％とを、含み
、残部が不可避的不純物およびＦｅからなり、鉄基地に
前記合金元素の大部分が均一に固溶されかつ微細なＣｕ
相が均一に分散する組織を有する耐摩耗鉄基焼結合金の
製造方法において、鉄粉末または鉄合金粉末の主として
表面に銅が複合された原料粉末を圧粉し、焼結し、焼結
体にＣｕ相の析出処理を施こすことを特徴とする耐摩耗
性鉄基合金の製造方法を提供する。

【０００８】以下、本発明の構成を説明する。まず、鉄
基焼結合金の組成を説明する。炭素は鉄基地に固溶し、
強度を高めると共に合金元素と反応し炭化物を作る。そ
の含有量は、共析組成以上から若干の過共析組成を目標
とし、かつ、添加するＭｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの量や
他の合金元素量との兼ね合いによりフェライトや粗大な
初晶炭化物を生じない範囲が必然的に決まる。Ｍｏ、Ｗ
、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｕ量範囲に対応する炭素量は０．
３〜２．５％となる。炭素含有量が共析組成よりも極端
に低いと、軟らかいフェライトを生じ、耐摩耗性が劣化
し好ましくなく、また逆に炭素含有量が高過ぎると粗い
初晶の炭化物を生じ、焼結材が加工しずらくなるととも
に、脆くなるため好ましくない。ただし、フェライト、
粗大炭化物は生じないことが好ましいが、現実的には炭
素量は原料粉の酸素量や焼結炉の雰囲気などに左右され
、厳密なコントロールは難しいので、それぞれ５体積％
以下のフェライトおよび粗大炭化物の生成は許容される
。

【０００９】Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａは、Ｃｒと同様
に周期律表の５属又は６属の元素であり、鉄に固溶し、
強度と耐熱性を高めると共に炭素と化合し、炭化物を作
ることで耐摩耗性を高める作用がある。その量としては
３％未満では耐摩耗性改善効果が十分でなく、また１４
％を超えると、粉末成形時の成形性が低下すると共に、
材質が硬く脆くなり好ましくない。従って、Ｍｏ、Ｗ、
Ｖ、Ｎｂは、３〜１４％（２種以上添加の場合は合計量
）であることが必要である。なお、これらの元素はいず
れも同様な耐摩耗性改善効果をもつので２種類以上を含
んでも良い。

【００１０】Ｃｕの量が１％未満ではＣｕ相の析出がほ
とんどなく、又８％を越えると焼結温度域でのＣｕのＦ
ｅ−Ｘ系合金母材への溶解度を越えるため、焼結により
Ｃｕが母材粉末粒子の粒界にネット状に分布するように
なり、好ましくない。従って、Ｃｕは１〜８％であるこ
とが必要である。

【００１１】なお、上記の元素以外に補助的にＣｏ、Ｂ
等の基地強化元素を添加しても良いが、Ｃｕを微細な相
として析出させるため、母合金へのＣｕの溶解度を高め
Ｃｕの析出を抑制する元素であるＮｉ等は０．１％とす
る必要がある。

【００１２】以下、本発明の焼結合金の製造方法を説明
する。本発明では、メカニカルアロイング法、メッキ法
、部分合金化法、原料アトマイズ時にＣｕを固溶させ、
その後熱処理によりＣｕを表面に析出させる方法などの
いずれかにより、Ｃｕをミクロンオーダーの微細な状態
で鉄粉、鉄合金粉またはＭｏなどの非鉄合金粉などの主
要原料粉に複合させることで、基地に固溶する前のＣｕ
を微細に保ち、固溶後のＣｕの消失孔は母合金の収縮に
より無くなってしまう程度に、微細にしたことを特徴と
している。

【００１３】■メカニカルアロイング法Ｃｕ粉を鉄粉等
とともにメカニカルアロイすることにより、ＣｕがＦｅ
粒子の主として表面に微細に付着した原料粉が得られる
。また鉄粉などが分断され、再び合体するときにＣｕ粉
の一部を内部に取り込み、微細にＣｕ相が分散した複合
相が得られる。本発明では前者のように主として表面に
Ｃｕ粉が付着した複合粉の効果を利用するから、後者の
分散状態を得る通常のメカニカルアロイ法に比べ、短時
間の処理でよい。なお、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａを基
地中に均一に分布させるため原料粉の主体であるＦｅ粉
にＭｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａを均一に分布固溶するＦｅ
−Ｘ系（Ｘ：のいずれか１種類以上を含むアトマイズ粉
末）を使用することが好ましい。この際一部のＭｏ、Ｗ
、Ｖ、Ｎｂは３２５メッシュアンダーの微細な金属粉と
して添加しても良い。また、メカニカルアロイを行うの
はＣｕ粉の全量と、Ｆｅ粉、Ｆｅ−Ｘ粉の一部または全
部である。

【００１４】■メッキ法 無電解メッキによりＣｕを鉄粉などの表面に析出するこ
とによりＣｕ−Ｆｅ複合粉を得ることができる。

【００１５】■部分合金化法 上記■、■に示す方法あるいはＣｕ蒸着法と類似の効果
の得られる方法で鉄粉などにＣｕ粉を付着させた後熱処
理により一部合金化を行なうことにより複合粉を得るこ
とができる。なお全部を合金化すると、粉末の成形性が
低下するので一部合金化に留め、ほとんどのＣｕは複合
粉末の表面に存在するようにすることが必要である。

【００１６】■アトマイズ法 Ｃｕを含む鉄粉を水アトマイズ法によって作製し、その
後熱処理により粉末表面にＣｕを析出させて原料粉とす
る。以上のようにして調製された原料粉を混合し、圧粉
し、焼結する粉末冶金プロセスを行う。焼結については
、焼結後に微細なＣｕ相を析出させるために焼結時に一
旦ＣｕをＦｅ−Ｘ系母合金中に完全に固溶させる必要が
ある。焼結温度が１１００℃以下では、焼結後の強度が
低く充分な耐摩耗性が得られずまたＣｕの母合金に対す
る溶解度も低く、逆に１２００℃以上となると多量の液
相が発生し、炭化物が粗大化するので好ましくない。 従って焼結は１１００〜１２００℃で行なうことが好ま
しい。

【００１７】さらに焼結後の冷却は後の熱処理による微
細Ｃｕ相の析出を行なう必要上から冷却時の粗大なＣｕ
相の析出を防ぐため、ガス冷程度以上の冷却速度で冷却
する必要がある。焼結後の冷却速度が低くなった場合は
、その後固溶体化熱処理を行っても良い。その後、微細
なＣｕ相を析出させるため好ましくは４００〜７００℃
での焼戻しを行なう。この熱処理によりＣｕ相は均一か
つ微細に分散して析出する。

【００１８】

【作用】本発明の複合粉ではＣｕは、主として複合粉の
表面に存在し，かつこの粉を混合した圧粉体ではＣｕの
粉どうしが凝集せず圧粉体全体に微細に分散している。 したがって、本発明の複合粉を使用して焼結を行うと、
焼結中にＣｕ消失による空孔の発生が防止されるととも
に、Ｃｕが均一に母合金中に固溶する。これに対して通
常の粉末冶金調製法で得られた圧粉体ではＣｕ粉末が凝
集する。したがってこの通常の製法の粉末は本発明が目
標とする金属組織及び空孔がすくない焼結体を得るのに
は適していない。

【００１９】以下、実施例により本発明を説明する。

【実施例】実施例１ 実施例において、メカニカルアロイ法、メッキ法、部分
合金化法およびアトマイズ法は以下のように行った。 ■メカニカルアロイング法 ５％Ｍｏを含有するＦｅ合金を水アトマイズ法にて粒度
が５０〜２００メッシュにピークを持ち、５％のＭｏを
均一に固溶する鉄粉に調製した。３２５メッシュ以下の
粒度の電解Ｃｕ粉を鉄粉に対し５％になるように秤量し
、ボールミルでＡｒ雰囲気下で２０分混合し、Ｃｕを鉄
粉表面に付着させた。 ■メッキ法 粒度が１５０〜２００メッシュにピークを持つ５％のＭ
ｏを均一に固溶する鉄粉を、飽和硫酸銅溶液に浸し、約
２時間無電解メッキを行なった。処理後、メッキした鉄
粉を取り出し乾燥した後、ボールミルにて粒度の調節を
行なった。 ■部分合金化法 ■、■の後、水素ガス雰囲気中で９００℃で１時間加熱
し、Ｃｕを部分的に合金化させた。合金化熱処理後、ボ
ールミルにて粒度の調節を行なった。 ■アトマイズ法 ５％Ｍｏ，５％Ｃｕを含む鉄粉を水アトマイズ法によっ
て作製し、その後熱処理により粉末表面にＣｕを析出さ
せて、原料粉末とした。上記製法によるＣｕを付着させ
た、５％Ｍｏを均一に固溶する鉄粉に１．５％の黒鉛粉
を加え、さらに金型成形の際に型抜けを良くするために
潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．６％加えた混合粉
を、プレスにて７ｔ／ｃｍ２　の成形圧力で成形し、６
５０℃で１時間脱蝋をした後、１１５０℃で１時間焼結
した。焼結後は９００℃まで炉冷し、９００℃よりガス
冷却した。さらに、微細なＣｕを析出させるため５５０
℃で１時間の焼戻し処理を行なった。このようにして作
製した外径４６ｍｍ×内径３０ｍｍ×高さ７．５ｍｍの
テストピースで密度及び圧環強度の評価を行なった。結
果を表１に示す。なお、Ｃｕ添加方法として、比較材は
Ｃｕ粉として添加、発明材１はメカニカルアロイング法
、発明材２はメッキ法、発明材３は部分合金化法、発明
材４はアトマイズ法によった。

【００２０】

【表１】 表１より発明材は比較材よりも強度が向上していること
が明らかである。

【００２１】実施例１と同様の方法により、表２に示す
組成のテストピースを作製し、同様に試験を行った。結
果を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】なお、Ｃｕ添加方法として、発明材１、２
は部分合金化法によった。表２より発明材は比較材より
も強度が向上していることが明らかである。発明材２の
顕微鏡組織（倍率２００倍）を図１に、従来材１の顕微
鏡組織を図２にまたこの組織中で空孔にハッチングを記
し、Ｃｕ相の輪郭を白抜きパターンで描いた図を図３に
示す。図１においてはＣｕ相は炭化物と同程度に微細化
されているので、炭化物から区別することが困難である
。一方図２においては、Ｃｕ相は粗大の空孔となってい
る（図３の白抜き模様参照）。空孔は図１、２とも黒色
を呈しており、その形態が図でも認められるが、本発明
によると空孔が小さくかつ細かくなっていることが分か
る（図１、２、３参照）。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は空孔が小
さいため強度が高くかつ、Ｃｕが微細に分散しているか
ら叩かれ摩耗にさらされるバルブシートなどの材料とし
て優れた性能を有する鉄基焼結合金を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明材料の金属組織を示す顕微鏡写真である
。

【図２】従来材の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図３】図２の従来材のＣｕ相と空孔の形態を描いた図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｃ：０．３〜２．５％と、Ｃｕ：１〜
   ８％と、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａのいずれか１種類以
   上の合金元素：３〜１４％と、を含み、残部が不可避的
   不純物およびＦｅからなり、鉄基地にＣｕ相が均一に分
   散する組織を有する耐摩耗鉄基焼結合金の製造方法にお
   いて、鉄粉末または鉄合金粉末の主として表面に銅が複
   合された原料粉末を圧粉し、焼結し、焼結体にＣｕ相の
   析出処理を施こすことを特徴とする耐摩耗性鉄基合金の
   製造方法。