JPH05306439A - 耐摩耗焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 本発明は、炭素0.07重量％以下、ニッケル３
〜５重量％、クロム15.5〜17.5重量％、銅３〜５重量
％、ニオブ0.15〜0.45重量％、残部が実質的に鉄からな
る析出硬化型鉄基合金基地中に、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、10％以下の気孔
率を有する耐摩耗焼結合金に係る。 【効果】 本発明によれば、耐摩耗焼結合金を上記のよ
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
延長させるという効果が奏せられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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っ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ったのに伴
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ったので、弁座の耐摩耗性に対
する要求が益々厳しくなって来ている。

【０００３】また、ディーゼルエンジンにあってはガソ
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蝕を伴う摩耗現象
が起こり、弁座は一層苛酷な条件下で使用される。

【０００４】粉末冶金法によっ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成を
所望の組織とすることが容易であるところから、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っていない。

【０００５】

【発明の目的】本発明は上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、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。

【０００６】

【発明の構成】本発明は、炭素0.07重量％以下、ニッケ
ル３〜５重量％、クロム15.5〜17.5重量％、銅３〜５重
量％、ニオブ0.15〜0.45重量％、残部が実質的に鉄から
なる析出硬化型鉄基合金基地中に、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、10％以下の気
孔率を有する耐摩耗焼結合金に係る。

【０００７】即ち、本発明は、高強度で耐摩耗性を有す
る析出硬化型鉄基合金の基地中に、耐摩耗性を一層改善
するため、上記基地中に窒化チタン粒子を分散させたこ
とに特徴があり、このような合金は熔製法によって製造
するのは極めて困難であるので粉末冶金法によて焼結合
金とする。

【０００８】発明にあっては、基地を析出硬化型ステン
レス鋼の組成とし、時効処理によって銅に富む析出相や
Ｎｉ−Ｎｂ系、Ｆｅ−Ｎｂ系析出相をマルテンサイト基
地中に析出させて硬度を上げ、機械的強度と耐摩耗性を
改善する。

【０００９】次に本発明を構成する各成分元素及び分散
相について説明する。

【００１０】先ず、本発明に於いて基地を構成する各成
分元素について説明する。

【００１１】ニッケルはクロムと共に基地をマルテンサ
イト化し、更にニオブとＮｉ−Ｎｂ系析出相として析出
し、機械的強度と硬度を上げて耐摩耗性に寄与するが、
３重量％（以下、重量％を単に「％」で表す。）未満で
は上記効果が顕著ではなく、５％を越えると残留オース
テナイトが多くなって硬度を下げるので、３〜５％の範
囲とする。

【００１２】ニオブは上記Ｎｉ−Ｎｂ系析出相のほかに
Ｆｅ−Ｎｂ系析出相として析出し、機械的強度と硬度を
上げて耐摩耗性に寄与するが、0.15％未満では上記効果
が顕著ではなく、0.45％を越えても上記効果の増大は顕
著ではない上に脆くなて加工性を悪くし、また、高価で
あるので経済上の理由をも考慮して、0.15〜0.45％の範
囲とする。

【００１３】銅は銅に富む析出相として析出し、機械的
強度と硬度を上げて耐摩耗性に寄与するが、３％未満で
は上記効果が顕著ではなく、５％を越えると脆くなって
加工性を悪くするので、３〜５％の範囲とする。

【００１４】クロムはニッケルと共に基地をマルテンサ
イト化し、前記ニッケルの含有量に対応する好適な範囲
は15.5〜17.5％である。クロムはまた、高温強度と耐蝕
性を改善するので高温及び／又は腐蝕性雰囲気中で使用
する場合に特に有用である。クロムが15.5％未満ではこ
れらの効果が充分ではなく、17.5％を越えるとフェライ
ト、残留オーステナイト共に多くなって硬度を下げ、ま
た加工性を悪くする。

【００１５】炭素は不純物であって、ニオブと結合して
炭化物を形成し、前記析出硬化に寄与するニオブの量を
減少させ、また加工性を悪くするので低い程望ましい。
本発明にあっては、炭素0.07％迄が許容できる範囲であ
る。

【００１６】なお、前記各合金元素は、少なくともその
大部分を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。

【００１７】基地中に分散させる窒化チタン粒子は硬質
であって、耐摩耗性に寄与する。その粒径は平均で２〜
70μｍの範囲で、かつ、最大粒径100 メッシュ（147 μ
ｍ）以下が好適がある。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を越える
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。

【００１８】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。

【００１９】このように構成された本発明焼結合金全体
の化学組成は次の通りとなる。

【００２０】炭素0.07％以下、ニッケル2.4 〜4.9 ％、
クロム12.4〜17.2％以下、銅2.4 〜4.9 ％、ニオブ0.12
〜0.44％、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。

【００２１】気孔率は機械的強度及び耐摩耗性の観点か
ら10％以下とする。焼結合金は一般に12〜18％の気孔率
を有している。特に本発明に於けるような合金元素を多
量に含有する鉄基焼結合金にあって、前述したような理
由からプレアロイ粉末を原料粉とすると、圧縮性が良好
ではなく、６t ／cm² 程度の通常の成形圧によるとき
は、気孔率は20％程度に迄高くなる。

【００２２】本発明にあって気孔率を10％以下に低下さ
せる方法としては、鍛造のような塑性加工、特に回転鍛
造によるのが好適である。

【００２３】

【実施例】下記表１に示す化学組成の原料粉を、下記表
２に示すように配合し、これに潤滑材としてステアリン
酸亜鉛粉末0.75％を添加、Ｖ型混合機で少なくとも20分
間混合し、これら混合粉を６t ／cm² の成形圧で外径3
5.3mm、内径28.7mm、高さ７mmに成形し、焼結して環状
焼結体とした。

【００２４】 註１）粒度の−（マイナス）を付した数字は当該メッシ
ュのふるいを通過したことを表す。80メッシュは175 μ
ｍ、100 メッシュは147 μｍ、150 メッシュは104 μ
ｍ、325 メッシュは44μｍである。 註２）窒化チタン（ＴｉＮ）は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 メッシュ、平均粒径6.26μｍである。

【００２５】

【００２６】焼結方法は、No. ４についてはＡＸガス雰
囲気中で900 ℃に15分間加熱のバーンアウト処理後、１
×10^-2torrの真空中で1300℃に60分間加熱、No．３、５
については上記と同様のバーンアウト処理後、700torr
の窒素ガス雰囲気中で1250℃に60分間加熱、No．６、７
についてはＡＸガス雰囲気中で前記と同様のバーンアウ
ト処理後、引続き1120℃に90分間加熱の方法によった。

【００２７】なお、上記焼結に引続いてNo．３、４、５
については900 ℃から急冷の固溶体化処理を、No．６、
７については700 ℃に再加熱、60分間保持してから徐冷
の焼鈍を施した。

【００２８】かくして得られた環状焼結体を回転鍛造に
よって密度を上げた（気孔率を下げた）。

【００２９】使用した回転鍛造装置は図１及び図２に概
要を示すものであって、図においてダイ１は弾性体（ば
ね或いはウレタン樹脂等）３ａによってダイベース２に
弾発的に支承されており、ダイ１の中央部の円形中空孔
内には下ポンチ４がダイ１に摺接して上下するように設
けられ、環状の下ポンチ４の内側にはコア５がその頭部
が下ポンチ４の上部環状部に摺接して嵌装され、コア５
の下部は弾性体（前記と同様）３ｂを介して下ポンチ４
の基部に支承されており、ダイ１の中空孔の側面１ａ、
下ポンチ４の上端４ａ、およびコア５の頭部側面５ａに
よって形成される環状のダイ溝６の中に鍛圧さるべき前
記の焼結体Ｒが挿入される。

【００３０】上ポンチ７は円柱状で端部は頂角θの直円
錐状になっており、円錐面が平らにダイおよびコア上面
に接して、円柱中心軸ＯＢがα＝（180 −θ）°×1/2
だけダイ溝６の中心線ＯＡに対して傾いて図示しない球
座軸受に支承され、図示しない駆動装置によって軸ＯＡ
のまわりに首振り回転するようにしてある。

【００３１】ダイベース上におかれその上昇高さを制限
するストッパ８は焼結体の圧縮高さによってその厚さが
決められ、ダイベース２を通してダイ１にねじこまれた
調節ねじ10はダイ１の水平を調節し、カラー10ａによっ
て環状ダイ溝の深さを調節することができる。ダイベー
スを取付ける台板11は図示しない流体圧シリンダによっ
て上下し、下ポンチ４を上下させる。下ポンチ４の基部
は図示しない第２の流体圧シリンダのピストンロッド12
に接続され台板11と関係なく上下できるようにもしてあ
る。

【００３２】上記のような構造なのでまず台板11を下げ
ておいて環状のダイ溝６に焼結体Ｒをその上面がダイ面
から少し下になるように挿入し、台板11を図示しない流
体圧シリンダによって上昇させればダイ１の上面が上ポ
ンチ７の円錐状加圧面に接するようになる。上ポンチ７
の中心軸線ＯＢを中心線ＯＡのまわりに角度αだけ傾斜
させて回転させると円錐の曲面はその母線が頂点Ｏを中
心として順次ダイ面に接しながら回転する。

【００３３】台板11を流体圧シリンダによって更に上昇
させればダイ１とコア５は弾性体３ａまたは３ｂの弾力
によって上ポンチ７の円錐面に押しつけられ、下ポンチ
４は台板11と共に上昇するから環状ダイ溝６内の焼結体
Ｒは溝内を押上げられてその上面が上ポンチの円錐曲面
に押しつけられ、台板11の上昇に従って上ポンチによっ
て加圧力を受けて圧縮される。

【００３４】台板11が上昇を続けストッパ８がダイ１の
下面につき当たると台板11は上昇を停止し、下ポンチ４
の上昇も停止する。上ポンチ７は暫くの間回転を続け、
焼結体Ｒがダイ面と同じ高さまで圧縮されると上ポンチ
の加圧力は作用しなくなるから、所定時間経過後台板11
の流体圧シリンダを逆に作動させ台板11を所定位置まで
下降させたのち、下ポンチ４に接続されたピストン12を
上昇させると焼結体Ｒはダイ溝６から上方へ押出され、
図示しない取出しレバーによって鍛圧機外へ運ばれる。

【００３５】このような装置を使用して気孔率を下げた
焼結体は、内部に微細な亀裂が生ずるので、これを消滅
させるために、No．４については１×10^-2torrの真空中
で、No．３、５については700torr の窒素ガス雰囲気中
で1250℃に１時間の再焼結を行ってから900 ℃迄冷却
し、この温度から急冷する固溶体化処理を施した。

【００３６】No．６、７についてはＲＸガス雰囲気中で
15℃／min の加熱速度で700 〜950℃に加熱、この温度
に20分間保持してから、５℃／min の加熱速度で1120℃
に加熱、この温度に50分間保持してから、30〜10℃／mi
n の冷却速度で室温近く迄冷却する再焼結を施した。

【００３７】次にNo．４については520 ℃に２時間加熱
の時効処理を、No．３、５については600 ℃に２時間加
熱の時効処理を夫々施した。

【００３８】上記の処理を施した焼結体の分析値及び気
孔率は下記表３に示す通りである。

【００３９】

【００４０】焼結体No．３の組織を400 倍の顕微鏡写真
で図３に示す。時効処理によって前記析出相が析出した
（光学顕微鏡ではこの析出相は観察できない。）マルテ
ンサイト基地15中に白色に見える（顕微鏡下では黄色に
見える）窒化チタン粒子17が分散した組織となってい
る。黒色を呈する部分18は気孔であって、前記回転鍛造
によって一般の焼結合金よりも少量となっている。

【００４１】これら環状焼結体の前記時効処理に先立っ
て、予め外径35mm、内径29.5mm、内周側の一方の端部に
1.2 Ｃ（当たり幅1.7mm ）の面取りを施した寸法の弁座
に削り出しておいた試料について摩耗試験を行った。

【００４２】試験装置は図４に概要を示すもので、弁座
21はシリンダヘッド22に設けられた弁座押さえ23に圧入
され、弁座押さえ23を介してシリンダヘッドに固着され
る。

【００４３】シリンダヘッド22の下方にはバルブ駆動部
本体24がこれに固定されていて、バルブ30は、バルブフ
ェースが弁座21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25にそのロッド
部30ａが上下動可能に挿入される。バルブのロッド部30
ａの先端は、コイルばね27ａ及び27ｂによってバルブ駆
動部本体24に設けられた軸受28に嵌入されたカム軸29の
カム29ａに圧接するバルブ受け26に収容される。バルブ
30は、そのロッド部30ａの先端近くでバルブ受け26に設
けられた爪26ａに咬持され、バルブ受け26に固着されて
いる。

【００４４】このような構造としてあるので、カム軸29
を図示しない駆動装置によって回転させると、バルブ受
け26に固着されたバルブ30は上下動してそのバルブフェ
ースが弁座21の面取り面を衝撃的に繰返し叩くようにな
る。その荷重はコイルばね27ａ及び27ｂを適宜選択する
ことによって定められる。

【００４５】バルブ30の上方にはガスバーナー31が配し
てあり、弁座押さえ23に穿設された細孔に熱電対33の温
接点が弁座21に当接するように挿入されて弁座21の温度
が検知され、図示しない制御回路によってノズル24から
シリンダヘッド22に吹付ける圧縮空気の風量を調節して
弁座21を所定の温度に保持するようにしてある。

【００４６】また、バルブ30の表面温度は放射温度計32
によって測温され、図示しない制御回路によってガスバ
ーナー31に供給されるプロパンガスの供給量を調節して
バルブ30の表面温度を所定の温度に保持するようにして
ある。

【００４７】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。

【００４８】バルブには21−４Ｎ鋼製、バルブフェース
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。

【００４９】なお、比較の弁座には前記No．４、５、
６、７のほか、熔製材のものとして耐熱鋼ＳＵＨ４製の
ものNo．８及び1.35％Ｃ、1.21％Ｓｉ、0.42％Ｍｎ、1
3.1％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．９も加えた。

【００５０】試験結果は図５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。

【００５１】また、窒化チタンは化学的に安定であっ
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。

【００５２】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っては、
ロッカアーム、タペット、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。

【００５３】

【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】

【図１】実施例に使用した回転鍛造装置の焼結体挿入状
態での要部断面図である。

【図２】同回転鍛造装置の鍛造末期の状態での要部断面
図である。

【図３】実施例の耐摩耗焼結合金の金属組織を示す倍率
400 倍の顕微鏡写真である。

【図４】実施例に使用した摩耗試験装置の要部断面図で
ある。

【図５】摩耗試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ダイ ２ ダイベース ３ａ、３ｂ 弾性体 ４ 下ポンチ ５ コア ６ 環状ダイ溝 ７ 上ポンチ ８ ストッパ ９ 案内棒 10 調節ねじ 10ａ カラー 11 台板 12 ピストン 13 環状焼結体 15 マルテンサイト基地 17 窒化チタン粒子 18 気孔 21 弁座 22 シリンダヘッド 24 バルブ駆動部本体 25 バルブガイド 27ａ、27ｂ コイルばね 29 カム軸 30 バルブ 30ａ バルブのロッド部 31 ガスバーナー 32 放射温度計 33 熱電対 34 圧縮空気用ノズル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素0.07重量％以下、ニッケル３〜５重
   量％、クロム15.5〜17.5重量％、銅３〜５重量％、ニオ
   ブ0.15〜0.45重量％、残部が実質的に鉄からなる析出硬
   化型鉄基合金基地中に、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、10％以下の気孔率を有す
   る耐摩耗焼結合金。
2. 【請求項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、請求項１に記載の耐摩耗焼結
   合金。