JPH0440419B2

JPH0440419B2 -

Info

Publication number: JPH0440419B2
Application number: JP59171129A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kyota; Tetsuo Myazaki
Original assignee: Riken Corp; Mitsubishi Steel KK
Current assignee: Riken Corp; Mitsubishi Steel KK
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1992-07-02
Also published as: JPS6152347A

Description

【発明の詳細な説明】

１産業上の利用分野本発明は耐摩耗高密度鉄基焼結合金製摺動部品
の製造方法に関し、更に既述すれば、例えば内燃
機関のロッカアームのロッカパット、カムシャフ
トのカム駒等、機械的強度と耐摩耗性の要求され
る高密度鉄基焼結合金製摺動部品の製造方法に関
する。２従来技術例えば内燃機関にあっては内燃機関の運転中、
カムシャフトやロッカアーム等の部品は、高速で
相手部品と摺動するので、耐摩耗性が要求され
る。これらの部品の材料には従来から鋳鉄が多用さ
れており、カムシャフトを例に挙げて述べると、
鋳造時にカム駒の部分に冷し金を使用して急速凝
固させ、カム駒の表面に硬い白鋳鉄組織の表面層
を形成して耐摩耗性を付与した所謂チルカムシャ
フトが多用されている。然し、上記チルカムシャフトは、カーボンスラ
ッジで潤滑油が汚染されるディーゼルエンジンや
有鉛ガソリンを燃料とし、潤滑油が鉛化合物で汚
染されるガソリンエンジンに使用するときは、こ
れら汚染物質によるカム駒の摩耗が多くなる傾向
が見られる。また、鋳鉄のヤング率は10000〜12000Kg／mm²程
度で鋼のそれよりも低く、鋳鉄製カムシャフトで
は十分な剛性を持たせるためには、軸部の径を大
きくせねばならず、重量が嵩むという問題点を有
している。粉末冶金法によつて製造される焼結合金は、熔
製法による合金と異なり、凝固偏析がないために
均一な組織とすることができ、また、通例の熔製
法では得られない特異な組織が比較的容易に得ら
れること、更に、焼結体の寸法精度が高いことか
ら、近年、その適用分野が拡大しつある。前記カムシヤフトを軽量化し、かつ、耐摩耗性
を付与する方法としては、鋼製パイプに他の耐摩
耗性片をろう接又は拡散接合する方法があるが、
これらの方法ではカムシヤフトを構成する各部材
及びこれらを支持する耐火物製治具を高温の雰囲
気炉中に装入して接合するために、設備が大きく
なり、生産性も低い。出願人の一人は、上記の問題点を解消した次の
ようなカムシヤフトを既に提示している（特願昭
59−7582号）。このカムシヤフトは第１図及び第
２図に示すように、鋼製パイプ４を拡管すること
により、カム駒２及びジャーナル３と結合されて
なるカムシャフト１に於いて、カム駒２が内周面
に噛合部７を有する円筒２ａに、耐摩耗性材料の
ノーピビース５を接合して形成され、かつ、ジャ
ーナル３の内周部にも噛合部を有し、鋼製パイプ
４の外周面がこのカム駒及びジャーナルの噛合部
７に喰い込んで結合されて構成されている。カム駒２のノーズピース５を鉄基焼結合金製と
する場合には、第３図に示すような圧粉体５ａを
作り、これを上記の内側に噛合部７を設けた円筒
２ａに嵌合させて焼結すると共に円筒２ａと拡散
接合させて一体にする。上記ノーズピース５は、
両側が薄肉となって刃状を呈しており、高さ寸法
も15〜20mm程度が必要とされるため、圧縮性の可
成り良い原料粉末を使用しない限り、刃状の隅部
が欠け易くなる。ところで、硬質の炭化物を組織中に含有する高
炭素高クロムの鉄基合金が優れた耐摩耗性を示す
ことは周知であり、鉄基焼結合金に於いて燐及
び／又は硼素を含有させて固相線を下げ、液相が
一部生成した状態で焼結（液相焼結）し、焼結合
金の密度を高める手段も知られている。燐を含有
する高炭素高クロムの鉄基焼結合金としては、例
えば特開昭54−62108号公報や特開昭55−2777号
公報に開示された焼結合金がある。上記従来の焼結合金は、通例の粉末冶金法に於
けるように、低炭素の鉄粉又は鉄基合金粉末に炭
素供給源として黒鉛粉末を配合した原料粉末によ
つて製造されている。ところが、上記の混合粉末を使用する方法で
は、黒鉛粉末の配合量が多くなって均一に混合し
難く、搬送中或いはプレスのホツパ内で鉄基合金
粉末と黒鉛粉末との比重差によつて黒鉛粉末が分
離し易く、黒鉛粉末の所謂ダマを生じ、その結
果、得られる焼結部品中に粗大空孔が生じ易い。
また、混合粉末の流動性が良好でなく、高速成形
が困難であり、得られる圧粉体の重量や密度のバ
ラツキが大きく、その結果、得られる焼結部品の
寸法変化が大きくなり、歪も発生し易い。また、上記の鉄基合金粉末は、粉末粒子表面に
酸化物層が存在し、合金粉末の酸素含有量は0.3
〜0.5重量％もの多量となる。この酸化物表面層
は混合粉末の流動性を悪くして圧粉体の密度を低
くすると共に、圧粉体の機械的強度を低下させて
割れや欠けを生じ易くし、そのハンドリングを面
倒にする。更に、上記酸化物表面層は焼結時に粉末粒子間
の原子の拡散を阻害するので、還元して消失させ
る必要があるが、クロムを多量に含有する合金粉
末にあっては、上記酸化物表面層は安定なCr₂O₃
を多量に含有するために、水素ガスでは還元され
ず、COガスによつてのみ還元可能である。そこ
で、黒鉛粉末を上記還元に使用される量だけ余計
に配合しなければならなくなって、前述した黒鉛
粉末の配合量の多いことによる問題点が一層助長
されることになる。このような問題を解決するために、鉄基合金粉
末の炭素含有量を高くし、黒鉛粉末の配合をなく
するか、或いは少なくすることが考えられる。然
し、鉄基合金粉末の炭素含有量が高くなる程圧粉
体成形時の圧縮性が悪くなり。成形圧や焼結部品
形状に著しい制約を受ける。従つて、前記のような従来の鉄基焼結合金で前
記カム駒のノーズピースを作ろうとしても、健全
なノーズピースを、従ってカムシヤフトを得るこ
とは困難である。カムシャフト以外の耐摩耗性を
要求される部品にあっても、略々同様のことが言
える。３発明の目的本発明は、上記のような従来の高炭素高クロム
鉄基焼結合金の有する問題点を解消し、高密度で
耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金からなる摺動部品
の製造方法を提供することを目的としている。４発明の構成即ち、本発明の第１の発明は、炭素１〜３重量
％、クロム18〜25重量％、珪素0.2〜１重量％、
マンガン0.1〜１重量％３、燐0.2〜１重量％、不
純物としての酸素0.15重量％以下、残部が実質的
に鉄からなり、Hv350以下の硬度を有する鉄基合
金粉末を原料粉末とし、この原料粉末を圧縮、成
形して圧粉体とし、次にこの圧粉体を実質的に
1160℃以下の温度で焼結する、耐摩耗性高密度鉄
基焼結合金製摺動部品の製造方法に係る。本発明の第２の発明は、上記第１の発明の鉄基
合金粉末に、黒鉛粉末を全体の１重量％未満添
加、混合して混合粉末とし、この混合粉末を圧
縮、成形して圧粉体とし、次にこの圧粉体を実質
的に1160℃以下の温度で焼結する、耐摩耗高密度
鉄基焼結合金製摺動部品の製造方法に係る。５発明の作用効果本発明に使用する鉄基合金粉末は、炭素及びク
ロムの含有量を共に高くして硬質の含クロム炭化
物を組織中に分散させ、得られる焼結部品の耐摩
耗性を改善するようにしたものであり、以下に述
べることを主たる特徴としている。即ち、その第１の主たる特徴は、 (イ) 炭素含有量を高くして黒粉末の配合をなくす
か或いは少なくし、その結果、合金粉末又は混
合粉末の流動性が良好となって圧粉体の重量や
密度のバラツキが小さくなり、 (ロ) 酸素含有量が低いので合金粉末の流動性が良
好となり、圧粉体の機械強度が高く、割れや欠
けが生ずることなく、ハンドリングが容易であ
ることにある。また、その第２の主たる特徴は、 (ハ) 黒鉛粉末の配合をなくするか或いは少なくす
ることができ、その結果、黒鉛粉末の偏在によ
る焼結部品中の粗大空孔の発生を防止して均一
な組織とし、 (ニ) 更に、焼結部品の寸法精度が高く、歪も極め
て少なく、 (ホ) 燐を含有することにより、比較的低温で焼結
によつて鉄−燐合金粉末を配合する場合に比べ
て、例えば真密度比で95％以上の高密度焼結部
品が容易に得られるようにし、 (ヘ) 酸素含有量を低くして、焼結時に合金粉末粒
子表面の酸化物層を含有炭素によって還元し
て、酸化物表面層による合金粉末を構成する原
子の拡散阻止作用を排除することにより焼結性
を改善し、かつ、この還元のための黒鉛粉末の
配合をなくするか或いは少なくして黒鉛粉末配
合による前記の問題が起らぬようにしたところにある。なお、本発明に使用する鉄基合金粉末は、所定
の化学組成の熔湯を公知の急冷作用の強い水アト
マイズ法（特開昭53−19961号公報、特開昭53−
112259号公報に開示された方法）によつて粉末と
し、この粉末を脱水、乾燥後、1torr以下の真空
中で（望ましくは１×10^-3torr以下の高真空中で
800〜1050℃に加熱保持した後、20℃／hr以下の
冷却速度で除冷する熱処理を施すことによって得
られる。かくして上記の鉄基合金粉末は、上記水アトマ
イズ法によつてイレギユラーな表面に微細な凹凸
の多い形状となつて圧縮性が改善され、更に上記
焼純によつて硬度がHv350以下に下つて圧縮性が
改善され、併せて、含有炭素により表面の酸化物
が還元、除去されて低酸素となる。以下に本発明に使用する鉄基合金粉末の化学組
成について説明する。炭素は上記したアマイズ法による合金粉末製造
に際し、融点を下げて熔湯の粘性を下げ、ノズル
の詰りを防止し、焼結合金の素地に固溶してこれ
を強化すると共に、クロムと結合して硬質の炭化
物を形成し、得られる焼結部品と耐摩耗性に寄与
する。その含有量が１重量％（以下、重量％を単に
「％」で表わす。）未満では、黒鉛粉末の配合を多
くせねばならなくなつて前述のような焼結部品中
に炭素の偏析や歪が発生し易くなる。他方、これ
が３％を越えると炭化物の晶出量が多くなり過ぎ
て成形性が低下する。従って、炭素含有量は１〜３％の範囲とする。クロムは素地に固溶してこれを強化すると共
に、炭素と結合して高硬度のFe−Cr−Ｃ複炭化
物を形成して得られる焼結部品の耐摩耗性を改善
する。クロムが低いと上記複炭化物の硬度が低く、耐
摩耗性改善の効果が顕著ではなく、これが高過ぎ
ると圧縮性が低下して圧粉体の強度が不足し、欠
け等が生じ易くなるほか、焼結温度を高くせねば
ならなくなつて使用する焼結炉の設備費が嵩むよ
うになる。上記複炭化物には、M₃C炭化物、M₇C₃炭化物、
M₂₃C₆炭化物（Ｍは鉄、クロムの金属原子、Ｃは
炭素原子を表わす。）の３種類があり、これらの
内でM₇C₃炭化物が最も硬度が高く、体摩耗性改
善に有効である。クロム18〜25％の範囲で全炭化
物中のM₇C₃炭化物の占める割合が高くなり、耐
摩耗性の観点から望ましい。例えば、カーボンス
ラツジで汚染された潤滑油を使用した場合にカム
駒のアブレイシブ摩耗が多くなるが、このような
苛酷な条件下で使用される焼結部品にあっては上
記のクロム含有量の範囲が好適である。珪素は素地に固溶してこれを強化すると共に、
焼結温度を低下させて焼結性を改善する。その含
有量が0.2％未満では上記効果が顕著ではなく、
１％を越えると圧縮性を悪くし、更に、得られる
焼結部品を脆化させるようになるので、珪素含有
量を0.2〜１％の範囲とする。マンガンは合金粉末製造に際して溶湯中で脱酸
剤として作用し、溶湯中の健全性を向上させ、合
金粉末中の酸素含有量を低下させるが、0.1％未
満では上記効果が顕著ではなく、他方、１％を越
えると合金粉末の結晶粒が粗大化し易くなつて、
得られる焼結部品が脆化する傾向が見られるの
で、その含有量の範囲を0.1〜１％とする。燐は素地に固溶してこれを強化すると共に、硬
度を上げ、更に炭化物を安定にして焼結部品の耐
摩耗性を改善し、かつ、固相線を下げて焼結中に
少量の液相を生成させ、焼結部品の真密度比を上
げて機械的強度、耐摩耗性を改善するが、0.2％
未満では上記効果が顕著ではなく、他方、１％を
越えると圧縮性を著しく悪くするほか、焼結部品
が脆化するようになるので、その含有量の範囲を
0.2〜１％とする。酸素は不純物であって、粉末粒子表面に酸化物
となって主に存在し、前述したように、圧縮性を
悪くし、更に上記酸化物の還元用として黒鉛粉末
の配合を多くせねばならなくなって黒鉛粉末配合
による前記の不都合を生ずるほか、焼結時の合金
粉末を構成する原子の拡散を阻害して焼結性を甚
だしく低下させ、或いは焼結中に珪素やマンガン
と反応して酸化物系非金属介在物を生成し、得ら
れる焼結部品の機械的強度、更には耐摩耗性を損
なうので、その含有量は低い程望ましく、0.15％
以下とする。更に望ましくは0.10％以下とするの
が良い。上記化学成分組成に加えて、ニツケル、
モリブデン、タングステン及びバナジウムの１種
又は２種以上を合計で0.5〜12％（但、夫々は３
％以下）添加して、得られる焼結部品の機械的性
質を一層改善することができる。これら添加元素
はいずれも素地に固溶してこれを強化するほか、
ニツケルは高温強度を高め、モリブテン、タング
ステン及びバナジウムは硬質の炭化物を形成して
耐摩耗性を一層改善し、バナジウムは更に焼結時
に生成するオーステナイトの結晶粒を微細化して
靭性に寄与する。従って、焼結部品の使用条件に
応じて上記の添加元素を適宜含有させることは有
効である。上記合金粉末の硬度は、Hv350を越え
て高くなると、圧縮性が悪くなり、成形圧が大き
くなつて甚だしく大型のプレスを必要とする上
に、金型の摩耗が促進されて不都合である。上記
化学組成でHv350以下の硬度の合金粉末は、前述
したような焼純を施すことによって得られる。焼結温度は前記のような合金粉末を原料粉末と
しているので、鉄基焼結合金の通例の焼結温度範
囲内で低目の温度で充分焼結できる。その下限は
1080℃で良く、上限は焼結合金組織中の炭化物が
粗大化しないよう、実質的に1160℃、即ち、工業
規模の焼結温度のバラツキを付加した1160℃±20
℃とする。第２の発明で配合する黒鉛粉末は、前記合金粉
末中に含有される炭素量では目的とする焼結合金
中の炭素量が不足する場合に、その不足分の炭素
供給源として配合するのであるが、その配合量が
１％以上では圧縮性が悪くなり、また、前述した
ような焼結合金の炭素の偏析や歪が発生し易くな
るので、その配合量は１％未満とする。６実施例高周波誘導炉で熔解した所定の化学組成の熔湯
を、前述した水アトマイズ法によって粉末とし、
この粉末を脱水、乾燥した後、１×10^-3torrの真
空中で液相が生成しない800〜1050℃に３時間加
熱保持してから約20℃／hrの冷却速度で室温迄徐
冷する熱処理を施して、含有炭素によつえ粉末粒
子表面の酸化物層を還元した。上記粉末はこの熱
処理によつてケーキ状に凝集しているので、ハン
マーミルでこれを解砕し、篩分けして80メツシユ
篩下の粉末を得た。かくして得られた粉末の分析
値及び硬度は下記第１表に示す通りである。

【表】これら粉末に下記第２表に示すように鱗片状天
然黒鉛粉末を添加、配合し、これに潤滑剤として
全体に対して0.6％のステアリン配亜鉛粉末を添
加、Ｖ型混合機で混合した混合粉末をプレスのホ
ツパに装入し、金型中で第４図に示すノーズピー
ス用圧粉体とした。同図(a)は平面図、同図(b)は正
面図である。第４図に於いて、最大肉厚はT9mm、
最小肉厚ｔは1.2mmとし、高さ寸法Ｈが20mmとな
るように金型中の粉末充填深さを調整した。圧縮
圧は約6.5t／cm²、成形速度は500〜550シヨツト／
hrになるようにプレス駆動装置を調整した。第２表には得られた各圧粉体の密度が併記して
ある。

【表】第２の発明の例である。
比較のために、前記と同様にして製造された下
記第３表に示す化学組成（分析値）の低炭素合金
粉末（80メツシユ篩下）に、下記第４表に示すよ
うに鱗片状天然黒鉛粉末を配合し、前記と同様に
して圧粉体とした。但、比較例２は低燐の合金粉
末を使用しているので、他と同程度の燐含有量と
なるように、25％の燐を含有するフエロホスホル
粉末（350メツシユ篩下）を配合している。

【表】

【表】実施例１、２ではいずれの圧粉体も第２表に示
すように充分高い密度を有しており、かつ、薄肉
部迄欠陥がなく、健全な状態を示していた。これ
に対して比較例１、２ではいずれの圧粉体も混合
粉末の流動性が良好でないために、薄肉部に欠け
を生じており、安定した状態での成形がなされて
おらず、次に述べる耐久試験に供することができ
なかった。第３図に示したノーズピース圧粉体５ａに前記
実施例１、２の圧粉体を使用し、円筒２ａの材料
をクロムモリブデン鋼SCM440Cとし、前記特願
昭59−7582号に係る方法によつてカムシヤフトを
製造した。即ち、円筒2aに圧粉体5aを嵌合させ、ノーズ
ピース５（第２図参照）の真密度比が96〜98％に
なるように、AXガス雰囲気のプツシヤ型連続焼
結炉で1150〜1180℃に40分間加熱の焼結を行って
圧粉体５ａを焼結して焼結ノーズピース５とする
と共に、円筒2aに拡散接合層６を介して拡散接
合してカム駒２とした。次にカム駒２を900〜1050℃で焼入、500〜550
℃の焼戻を施して硬度をH_RC50〜55とし、これを
第１図に示したように鋼製パイプ４と拡管結合さ
せ、仕上げ加工を放してカムシヤフトとした。これらカムシヤフトを６気筒デイーゼルエンジ
ンのモータリングテスト装置に組込んで耐久試験
を行い、カムノーズ摩耗量を測定した。試験条件
は次の通りである。カムシヤフト回転数：350rpm 潤滑油：カーボンスラツジで汚染されたデイーゼ
ルエンジン劣化オイル潤滑油温度：70℃ 試験時間：100時間相手ロツカアーム：ロツカパツト部をチルさせた
チル鋳鉄（硬度H_RC50）試験結果は第５表に示す通りである。同表には
カム駒部をチルさせた鋳鉄製チルカムシヤフトに
ついて同様の試験を行った結果が併記してある。
なお、摩耗量は比較のチルカルシヤフトの摩耗深
さを１とし、これとの比較値で示してある。

【表】同表から、本発明の方法によつて製造されたカ
ムシヤフトは、従来のチルカムシヤフトに比べて
摩耗が少なく、特にクロム含有量の高い合金粉末
を使用する程摩耗が少なくなっていて、耐久性に
優れることが解る。第５図は前記実施例２の焼結体ノーズピースの
金属組織を示す倍率100倍の顕微鏡写真、第６図
は同じく倍率400倍の顕微鏡写真である。第７図は前記比較例２の圧粉体を前記実施例に
於けると同様にして焼結した焼結体の金属組織を
示す倍率400倍の顕微鏡写真である。黒鉛粉末の配合量が多く、その上フエロホスホ
ル粉末を配合して製造された比較の焼結体には、
粗大な空孔８と非金属介在物９とが明らかに観察
される（第７図）のに対し、本発明の方法によっ
て製造された焼結体にはこのような欠陥が認めら
れず、均一な組織となっている（第５図及び第６
図）。上記の組織から、本発明の方法によつて製造さ
れる焼結部品は、カムシヤフト以外の摺動部品で
も優れた耐久性を発揮することが容易に理解され
よう。７発明の効果以上説明したように、本発明の方法は、前述し
た化学組成及び硬度を有する鉄基合金粉末を原料
粉末とし（第１の発明）、或いは上記鉄基合金粉
末に１％未満の黒鉛粉末を添加、混合して混合粉
末とし（第２の発明）、上記原料粉末又は混合粉
末を圧縮し、成形して圧粉体とし、この圧粉体を
実質的に1160℃以下の温度で焼結する方法である
ので、本発明の方法によるときは、圧縮性、焼結
性が良好であつて、硬質のクロム複炭化物が一様
に分散した均一な組織を有する高密度鉄基結合金
製摺動部品を容易に得ることができ、得られる摺
動部品は寸法精度が高く、耐摩耗性に優れてい
て、その耐久性が大幅に改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図はカムシヤフトの側面図である。第２図
〜第６図は本発明の実施例を示すものであつて、
第２図はカム駒の断面図で、第２図ａは横断面
図、第２図ｂは縦断面図、第３図はカム駒の製造
途中の状態を示す縦断面図、第４図はノーズピー
スの圧粉体形状を示し、第４図ａは平面図、第４
図ｂは正面図、第５図はノーズピース焼結体の金
属組織を示す倍率100倍の顕微鏡写真、第６図は
ノーズピース焼結体の金属組織を示す倍率400倍
の顕微鏡写真である。第７図は比較のノーズピー
ス焼結体の金属組織を示す倍率400倍の顕微鏡写
真である。なお、図面に示された符号に於いて、１……カムシヤフト、２……カム駒、２ａ……
円筒、３……ジヤーナル、４……鋼製パイプ、５
……ノーズピース焼結体、５ａ……ノーズピース
圧粉体、６……拡散接合層、７……噛合部、８…
…粗大空孔、９……非金属介在物である。

Claims

【特許請求の範囲】１炭素１〜３重量％、クロム18〜25重量％、珪
素0.2〜１重量％、マンガン0.1〜１重量％、燐0.2
〜１重量％不純物としての酸素0.15重量％以下、
残部が実質的に鉄からなり、Hv350以下の硬度を
有する鉄基合金粉末を原料粉末とし、この原料粉
末を圧縮、成形して圧粉体とし、次にこの圧粉体
を実質的に1160℃以下の温度で焼結する、耐摩耗
高密度鉄基焼結合金製摺動部品の製造方法。２炭素１〜３重量％、クロム18〜25重量％、珪
素0.2〜１重量％、マンガン0.1〜１重量％、燐0.2
〜１重量％、不純物としての酸素0.15重量％以
下、残部が実質的に鉄からなり、Hv350以下の硬
度を有する鉄基合金粉末に、黒鉛粉末を全体の１
重量％未満添加、混合して混合粉末とし、この混
合粉末を圧縮、成形して圧粉体とし、次にこの圧
粉体を実質的に1160℃以下の温度で焼結する、耐
摩耗高密度鉄基焼結合金製摺動部品の製造方法。