JPH045746B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

１ 産業上の利用分野 本発明は耐摩耗焼結合金に関し、更に詳述すれ
ば、例えば内燃機関の弁座のような苛酷な条件下
で使用される摺動部品の材料として好適な改良さ
れた耐摩耗焼結合金に関する。 ２ 従来技術 近年、内燃機関が小型、高出力化する一方、ガ
ソリンエンジンにあつては燃料が無鉛ガソリンへ
移行し、或いはLPGが使用されるようになつた
のに伴ない、弁座は高負荷で而も相手バルブの金
属と700〜800℃の高温で直接接触して熱間衝撃を
受けるという苛酷な条件に曝されるようになつた
ので、弁座の耐摩耗性に対する要求が益々厳しく
なつて来ている。 また、デイーゼルエンジンにあつてはガソリン
エンジンに較べて燃焼圧力や温度が高く、更に燃
料中の硫黄やバナジウムによる化学的腐触を伴な
う摩耗現像が起り、弁座は一層苛酷な条件下で使
用される。 粉末冶金法によつて製造される焼結合金、なか
んずく鉄基焼結合金は、熔製材に較べて金属組織
を所望の組織とすることが容易であることから、
近年、機械部品材料への適用範囲が拡大されてき
ており、弁座の材料としても多数の改良がなされ
ているが、特に近時の小型、高出力化された内燃
機関の弁座材料としては充分に満足できるには至
つていない。 ３ 発明の目的 本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであ
つて、例えば近時の小型、高出力化された内燃機
関の弁座等に使用しても充分な耐久性を示す耐摩
耗焼結合金を提供することを目的としている。 ４ 発明の構成 即ち、本発明は、炭素1.0〜3.0重量％、珪素0.2
〜1.0重量％、クロム5.0〜20重量％、モリブデン
0.5〜2.0重量％、バナジウム0.3〜3.0重量％、硼
素、燐及び硫黄の１種または２種以上が合計で
0.02〜0.5重量％、残部が実質的に鉄からなる基
地中に、窒化チタン粒子が気孔を除く部分の面積
比で２〜30％分散し、５％以下の気孔率を有する
耐摩耗焼結合金に係る。 次に本発明を構成する各元素及び分散相につい
て説明する。 基地を構成する各元素について言えば、炭素は
硬質の炭化物を生成して耐摩耗性に寄与するが、
1.0重量％（以下、単に「％」で表わす数値は重
量％を表わす。）未満では炭化物の生成量が少な
くて上記構成が顕著でなはなく、また、固相線が
充分に下らず、その結果、後述する焼結時の液相
が充分には生成されなくなつて気孔率を５％以下
にすることができなくなる。他方、炭素が3.0％
を超えると基地中の炭化物の量が多くなり過ぎて
脆化させるようになるので、1.0〜3.0％の範囲と
するのが良い。 クロム、モリブデン及びバナジウムはいずれも
その小部分は基地に固溶して機械的強度を改善
し、特にモリブデンは高温強度を高める。また。
他の大部分は炭素と共に炭化物を形成し、或いは
未拡散の硬質粒子として残留し、耐摩耗性に寄与
する。 クロムは5.0％未満、モリブデンは0.5％未満、
バナジウムは0.3％未満では上記効果が不足し、
クロムは20％を、モリブデンは２，０％を、バナ
ジウムは3.0％を超えると、圧粉体成形時の圧縮
性を損なうようになる。特にモリブデンは基地を
脆化させて却つて機械的強度を損なうようにな
る。以上の理由から、クロムは5.0〜20％、モリ
ブデンは0.5〜2.0％、パナジウムは0.3〜3.0％の
範囲とする。 珪素は、クロムの存在下で液相生成温度を下
げ、炭化物の粗大化を抑制して組織を微細化する
が、0.2％未満では上記効果が顕著ではなく、1.0
％を超えると珪素の脆化作用が顕われるので、
0.2〜1.0％の範囲とする。 硼素、燐及び硫黄はいずれも焼結温度で液相を
生成させる作用を有し、焼結時に液相を一部生成
せしめて気孔率を低下させ、焼結合金の機械的強
度を改善すると共に、窒化チタン粒子に対する漏
れ性を改善して基地と窒化チタン粒子との結合を
強固にする。いずれも0.02％未満では上記効果が
顕著ではなく、0.5％を超えると上記液相の生成
が過多となつて焼結体の寸法精度を悪くし、ま
た、それらの脆化作用が顕われるようになる。従
つて、これらの１種又は２種以上を合計で0.02〜
0.5％の範囲とするのが良い。 なお、上記各合金元素のうち、炭素は少なくと
もその一部を、他の元素はすべて原料粉末中に含
有させておくのが、即ち、これら合金元素を含有
するプレアロイ粉末を使用するのが良い。その理
由は、各単体の粉末を配合してなる混合粉を使用
すると、焼結中にこれらを完全に拡散させて均一
にすることは極めて困難であり、焼結合金の組織
が不均一になるからである。 基地中に分散させる窒化チタン粒子は硬質であ
つて、体摩耗性に寄与する。その粒径は平均で２
〜70μmの範囲で、かつ、最大粒径100メツシユ
（147μm）以下が好適である。平均粒径が2μmよ
りも細かいと均一に分散させることが困難であ
り、70μmを超えると相手摺動部品を傷付けるよ
うになり、また切削加工が困難となる。 分散量は容積比（顕微鏡下での面積比に等し
い。）で２〜30％の範囲が好適である。焼結合金
は封孔のための処理を特に施さない限り、通常は
気孔を内在しているが、上記分散量は気孔を除く
実体の部分中の分散量である。これは重量比にす
ると1.5〜20％となる。 このように構成された本発明焼結合金全体の化
学組成は、炭素0.8〜2.96％、珪素0.16〜0.985％、
クロム4.0〜19.7％、モリブデン0.4〜1.97％、バ
ナジウム0.24〜2.96％、硼素、燐及び硫黄の１種
又は２種以上が合計で0.016〜0.49％、チタン1.16
〜15.5％、窒素0.44〜6.8％、残部が実質的に鉄か
らなる組成となる。 ５ 実施例 1.50％Ｃ、0.51％Si、0.029％Ｐ、0.007％Ｓ、
11.87％Cr、1.00％Mo、2.01％Ｖ、残部が実質的
にFeからなる合金粉末（100メツシユ篩下）を用
意した。この合金粉末とは別に、電解鉄に、黒
鉛、フエロシリコン、フエロクロム、フエロモリ
ブデン及びフエロバナジウムを配合、熔製した鉄
合金熔湯をアトマイズして、2.0％Ｃ、0.50％Si、
trace Ｐ、trace Ｓ、12.02Cr、1.3％Mo、2.03％
Ｖ、残部が実質的にFeからなる極低燐、極低硫
黄の合金粉末（100メツシユ節下）を用意した。 上記合金粉末に、 (1) 21.0％Ｂを含むフエロボロン粉末（250メツ
シユ篩下）を0.3％ (2) 26.6％Ｐを含むフエロホスホル粉末（250メ
ツシユ篩下）を1.0％ (3) 純度99％以上の二硫化モリブデン粉末（平均
粒径2μm）を1.0％ 添加し、更に夫々に窒化チタン粉末（0.13％
Ｃ、0.02％Fe、22.23％Ｎ、0.72％Ｏ、残部Tiの
化学組成で、粒度は325メツシユ篩下、平均粒径
6.26μm）を全体の15容積％になるように配合し、
これらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末0.75
％を添加し、Ｖ型混合機で少なくとも20分間混合
した。次に、これら混合粉を6t／cm²の成形圧で外
径40mm、内径24mm、高さ７mmに成形して圧粉体と
した。次にこの圧粉体を真空炉中で700℃に１時
間加熱のバーンアウト処理を施し、引続き1220℃
に１時間加熱、焼結し、900℃迄冷却してから炉
内に窒素ガスを吹込んで急冷、焼入し、次いで
700℃に加熱、焼戻して硬度H_RC40の焼結体とし
た。 比較の焼結体として、黒鉛粉0.8％、カーボニ
ルニツケル粉２％、残部鉄粉となるように配合し
て上記と同様にして製造した焼結体（No.15）およ
び黒鉛粉0.85％、61.43％のモリブデンを含有す
るフエロモリブデン粉10％、残部鉄粉となるよう
に配合して同様に製造した焼結体（No.16）を用意
した。 得られた焼結体の分析値及び気鋼率は下記第１
表に示す通りである。

【表】 これらの焼結体の組織をNo.１を例に挙げて400
倍の顕微鏡写真で第１図に示す。ソルバイト基地
１中に焼結時にFe−Cr−Ｃ−Ｂの多元共晶によ
つて生成した液相が凝固してなる共晶相２が観察
され、更に窒化チタン粒子３が分散した組織とな
つている。黒色を呈する部分４は気孔であつて、
硼素の作用による前記液相焼結によつて一般の焼
結合金よりも少量となつている。 前記焼結体から外径35mm、内径29.5mm、内周側
の一方の端部に1.2C（当り幅1.7mm）の面取りを施
した寸法の弁座を削り出し、摩耗試験を行つた。 試験装置は第２図に概要を示すもので、弁座１
１はシリンダヘツド１２に設けられた弁座押え１
３に圧入され、弁座押え１３を介してシリンダヘ
ツドに固着される。 シリンダヘツド１２の下方にはバブル駆動部本
体１４がこれに固定されていて、バルブ２０は、
バブルフエースが弁座１１の面取り面に当接する
ように、バルブ駆動部本体１４に取付けられたバ
ルブガイド１５にそのロツド部２０ａが上下動可
能に挿入される。バルブのロツド部２０ａの先端
は、コイルばね１７ａ及び１７ｂによつてバルブ
駆動部本体１４に設けられた軸受１８に嵌入され
たカム軸１９のカム１９ａに圧接するバルブ受け
１６に収容される。バルブ２０は、そのロツド部
２０ａの先端近くでバルブ受け１６に設けられた
爪１６ａに咬持され、バルブ受け１６に固着され
ている。 このような構造としてあるので、カム軸１９を
図示しない駆動装置によつて回転されると、バル
ブ受け１６に固着されたバルブ２０は上下動して
そのバルブフエースが弁座１１の面取り面を衝撃
的に繰返し叩くようになる。この荷重はコイルば
ね１７ａ及び１７ｂを適宜選択することによつて
定められる。 バルブ２０の上方にはガスバーナー２１が配し
てあり、弁座押え１３に穿設された細孔に熱電対
２３の温接点が弁座１１に当接するように挿入さ
れて弁座１１の温度が検知され、図示しない制御
回路によつてノズル１４からシリンダヘツド１２
に吹付ける圧縮空気の風量を調節して弁座１１を
所定の温度に保持するようにしてある。 また、バルブ２０の表面温度は放射温度計２２
によつて測温され、図示しない制御回路によつえ
ガスバーナー２１に供給されるプロパンガスの供
給量を調節してバルブ２０の表面温度を所定の温
度に保持するようにしてある。 このような試験装置を使用して、バルブ表面温
度を750℃、弁座温度を450℃に保持し、カム軸回
転数2500rpm、コイルばね荷重40Kgで10時間の試
験を行い、弁座の摩耗量を基準バルブの沈み量か
ら求めた。 バルブには21−4N鋼製、バルブフエースにス
テライトNo.６の盛金をしたものを使用した。 バルブと弁座の叩き回数は1.5×10⁷回である。 なお、比較の弁座には前記No.15及びNo.16のほ
か、熔製材のものとして耐熱鋼SUH4製のものNo.
17及び1.35％Ｃ、1.21％Si、0.42％Mn、1.31％
Cr、0.36％Mo、残部実質的にFeの化学組成を有
する高クロム白鋳鉄製のものNo.18も加えた。 試験結果は第３図に示す通りである。 同図から、窒化チタン相を組織中に有する本発
明焼結合金を材料とする弁座は、熔製材からなる
比較弁座に較べては勿論、いずれの比較弁座より
も明らかに摩耗量が小さく、極めて耐摩耗性に優
れていることが解る。 No.15、１、２、３は同様の基地に対して窒化チ
タンの配合量を容積比で０、５、15、25％と変化
させてあり、摩耗量はその配合量の増加に伴つて
減少している。これらの結果から、窒化チタンの
配合が耐摩耗性を著しく向上させることが理解で
きる。 また、窒化チタンは化学的に安定であつて、焼
結の工程で焼結温度に加熱されても分解すること
がない。 以上、弁座を例に挙げて本発明を説明したが、
弁座以外にも、例えば内燃機関の部品にあつて
は、ロツカアーム、タペツト、ピストンリング
等、その他の機械部品としては回転圧縮機のベー
ン等、適用範囲は広い。 ６発明の効果 以上説明したように、本発明耐摩耗焼結合金
は、前述したような化学組成及び組織としてある
ので、極めて耐摩耗性に優れ、内燃機関その他の
機械装置のオーバーホールから次のオーバーホー
ル迄の期間、所謂開放期間の周期を延長させ、本
発明の工業上の利用価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明耐摩耗焼結合金の組織を示す倍
率400倍の顕微鏡写真、第２図は弁座の摩耗試験
装置の概略断面図、第３図は摩耗試験結果を示す
グラフである。なお、図面に示された符号に於い
て、 １……ソルバイト基地、２……Fe−Cr−Ｃ−
Ｂ系共晶相、３……窒化チタン粒子、４……気
孔、１１……弁座、１２……シリンダヘツド、１
４……バルブ駆動部本体、１５……バルブガイ
ド、１７ａ，１７ｂ……コイルばね、１９……カ
ム軸、２０……バルブ、２０ａ……バルブのロツ
ド部、２１……ガスバーナー、２２……放射温度
計、２３……熱電対、２４……圧縮空気用ノズル
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素1.0〜3.0重量％、珪素0.2〜1.0重量％、
   クロム5.0〜20重量％、モリブデン0.5〜2.0重量
   ％、バナジウム0.3〜3.0重量％、硼素、燐及び硫
   黄の１種又は２種以上が合計で0.02〜0.5重量％、
   残部が実質的に鉄からなる基地中に、窒化チタン
   粒子が気孔を除く部分の面積比で２〜30％分散
   し、５％以下の気孔率を有する耐摩耗焼結合金。 ２ 窒化チタン粒子が平均粒径で２〜70μmの窒
   化チタン粒子である、特許請求の範囲第１項記載
   の耐摩耗焼結合金。