JPH0717995B2

JPH0717995B2 - 耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金部材の製造法

Info

Publication number: JPH0717995B2
Application number: JP18304386A
Authority: JP
Inventors: 茂三大崎; 紀幸坂井; 能久三輪
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1986-08-04
Filing date: 1986-08-04
Publication date: 1995-03-01
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: JPS6338566A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、エンジンの動弁系の構成部品等を形成するに
用いられる耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金部材の製造法
に関する。

（従来の技術）エンジンにおける動弁系の構成部材の如くの摺動部品を
形成するにあたって用いられる金属材料は、高温下にお
ける強度及び耐摩耗性に優れることが要求される。高温
下における強度及び耐摩耗性に優れた金属材料として
は、従来、例えば、特開昭59−83704号公報にも記載さ
れている如く、炭素とクロムあるいはモリブデン等の炭
素との親和性が大である金属元素とが含まれた合金粉末
を焼結することにより、内部にクロムあるいはモリブデ
ン等の複合炭化物が形成された鉄系焼結合金等が知られ
ている。斯かる鉄系焼結合金は、それに含まれるクロム
あるいはモリブデン等の複合炭化物が主として内部マト
リックスの硬度の向上に寄与するものとなっており、従
って、その内部の硬度が大なるものとされるが、例え
ば、エンジンの動弁系におけるロッカーアームの摺動面
部を形成するに用いられるに際しては、内部の硬度が大
であることに加えて、その表面部分の硬度が向上せしめ
られることが望まれる。

一般に、金属体における表面部分の硬度を向上させるに
は、その金属体の表面部分に硬化層を形成することが行
われるが、金属体の表面部分に硬化層を形成するにあた
っては、アルミニウムあるいはクロムを含有する金属体
に対して、アンモニア・ガス流中において500〜525℃程
度の温度で数10時間の加熱処理を施し、それにより、窒
素を金属体の表面から内部へ拡散させて、金属体の表面
部分に、0.2〜0.3mm程度の厚みのアルミニウムあるいは
クロムの窒化物層からなる硬化層を形成するようになす
ガス窒化法や、金属体の表面に溶融状態にある金属粒子
を吹き付けることにより、その金属体の表面部分に硬化
層を形成する金属溶射法が知られている。

従って、上述の鉄系焼結合金についても、それにガス窒
化法あるいは金属溶射法を適用して表面部分に硬化層を
形成することにより、その表面部分の硬度の向上を図る
ことができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、前述の鉄系焼結合金の表面部分の硬度を
向上させるべく、その表面部分にガス窒化法によって硬
化層が形成されるようになされる場合には、鉄系焼結合
金の加熱処理に数10時間が要されることになって、生産
効率が著しく低いものとなってしまうという問題があ
り、また、鉄系焼結合金の表面部に金属溶射法によって
硬化層が形成されるようになされる場合には、鉄系焼結
合金の表面に溶射すべき金属を溶融させる工程や、溶融
された金属を微粒化して鉄系焼結合金の表面に吹き付け
る工程等が伴われ、そのために比較的大掛りな設備が必
要とされて、鉄系焼結合金の表面部分における硬化層の
形成に要するコストが著しく嵩んでしまうという問題が
ある。

斯かる点に鑑み、本発明は、内部硬度が大であることに
加えて、表面部分に適正な硬化層が形成されてその表面
部分の硬度が向上せしめられた鉄系焼結合金部材を、製
造コストの低減を図ることができるもとで、比較的高い
生産効率をもって得ることができる、耐摩耗性に優れた
鉄系焼結合金部材の製造法を提供することを目的とす
る。

（問題点を解決するための手段）上述の目的を達成すべく、本発明に係る耐摩耗性に優れ
た鉄系焼結合金部材の製造法は、1.2〜2.5重量％の炭素
と、7.0〜9.5重量％のクロム及び2.0〜5.5重量％のモリ
ブデンのうちの少なくとも１種とが含まれる鉄系焼結合
金を用意し、その鉄系焼結合金に対して、炭素濃度が0.
7〜1.2の雰囲気中において900〜950℃の温度で浸炭処理
を施し、その表面にクロムの炭化物及びモリブデンの炭
化物のうちの少なくとも一方から成る炭化物層を形成す
るものとされる。

（作用）このような、本発明に係る耐摩耗性に優れた鉄系焼結合
金部材の製造法によれば、鉄系焼結合金に含まれるクロ
ム及びモリブデンのうちの少なくとも１種が、鉄系焼結
合金に対する浸炭素処理が行われる際に、浸炭処理にお
ける雰囲気中に含まれて鉄系焼結合金の表面からその内
部に拡散するものとなる炭素と結合し、その結果、鉄系
焼結合金の表面部分にクロムの炭化物及びモリブデンの
炭化物うちの少なくとも一方から成る耐摩耗性に優れた
炭化物層が、硬化層として形成されることになる。

そして、鉄系焼結合金に対する浸炭処理に要する時間
は、例えば、ガス窒化法に従って鉄系焼結合金が加熱処
理されるに要される時間に比して大幅に短縮されたもの
となされ、それにより、比較的高い生産効率が得られ
る。また、鉄系焼結合金の表面部分における硬化層の形
成に要するコストは、金属溶射法に従って鉄系焼結合金
の表面に溶融金属の微粒子が吹き付けられる場合に比し
て、著しく低減し得るものとなる。

（実施例）以下に、本発明に係る耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金部
材の製造法の一例によって、鉄系焼結合金部材を得る場
合について述べる。

先ず、炭素（Ｃ）が1.2〜2.5重量％，クロム（Cr）が7.
0〜9.5重量％，モリブデン（Mo）が2.0〜5.5重量％，燐
（Ｐ）が0.7〜1.5重量％、及び、鉄（Fe）が残部の主成
分となる比率をもって各元素が配合された鉄系焼結合金
を得る。

斯かる成分組成の鉄系合金粉末は、具体的には、例え
ば、Crが12重量％含有され、マンガン（Mn），珪素（S
i）,P及び硫黄（Ｓ）が、夫々、１重量％,1重量％,0.04
3重量％及び0.03重量％を越えない範囲で含有されると
ともに、Feが残部となる組成を有した第１の合金粉末
（SUS410）と、Crが４重量％,Moが９重量％,Pが2.4重量
％,Cが4.2重量％、及び、Feが残部となる組成を有した
第２の合金粉末とを、夫々の粒度を150メッシュ以下と
した状態で、約7:3,約6:4,約5:5,約4:6等の割合で混合
することにより得られる。このようにして、第１及び第
２の合金粉末を約7:3,約6:4,約5:5,約4:6の割合で混合
することにより得られる４種の鉄系合金粉末（以下、試
料T₁，T₂，T₃及びT₄という）は、下記の表−１に示され
る如くの成分組成を有するものとなる。

次に、上述の試料T₁〜T₄の如くの鉄系合金粉末に、バイ
ンダとしてパラフィン1.5重量％を添加して混合した
後、5ton/cm²の圧力をかけて圧縮し、例えば10mm×30mm
×50mmの直方体状の圧粉体を形成する。

このようにして形成された鉄系合金粉末から成る圧粉体
を、水素ガス（H₂）雰囲気中において600℃まで昇温加
熱した後、その状態を30分間保持して、予備焼結を行
う。さらに、得られた予備焼結体を、真空炉中で、10℃
/minの加熱勾配をもって昇温加熱していき、1060〜1100
℃の焼結温度をもっての加熱焼結状態を20分間保持し、
その後930℃まで降温して、鉄系焼結合金を得る。

続いて、得られた鉄系焼結合金に対し、炭素濃度が0.7
〜1.2％とされた雰囲気中において930℃の温度のもとに
40分間の浸炭処理を施す。

そして、浸炭処理が施された鉄系焼結合金を900℃まで
降温して、窒素ガス（N₂）による焼入れ処理を施し、そ
の後、560℃に降温した状態で100分間保持して焼戻し処
理を行う。

以上の工程を経ることにより、その内部の硬度が大であ
り、かつ、その表面部分に、Crの炭化物及びMoの炭化物
のうちの少なくとも一方から成る炭化物層が硬化層とし
て形成された、耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金部材が得
られる。

例えば、上述の試料T₁〜T₄の夫々により10mm×30mm×50
mmの直方体状の圧粉体が形成され、それらに基づいて得
られた鉄系焼結合金部材について、各々の表面部分に、
厚みが５〜15μ程度であり、硬度がHv＝1098〜1206であ
る炭化物層が形成されたことが確認された。斯かる炭化
物層は、その硬度が、各鉄系焼結合金部材の内部におけ
るマトリックス中に含まれる炭化物の硬度（Hv＝1064〜
1246）と同程度のものとなる。また、鉄系焼結合金部材
の内部におけるマトリックスの硬度は、表面部分の近傍
における値（Hv＝519〜606）と内部における値（Hv＝50
3〜606）との差が極めて小であることが確認された。こ
れは、鉄系焼結合金のオーステナイト域におけるＣが、
飽和状態とされて安定した状態におかれ、そのため、浸
炭処理に際して雰囲気中に含まれるＣの影響を受けにく
いものとされるからと考えられる。

明細書に付随する図は、試料T₃に基づいて得られた圧粉
体を、予備焼結した後、真空炉中において1080℃の焼結
温度で20分間焼結し、炭素濃度が0.9％とされた雰囲気
中において930℃の温度のもとで40分間の浸炭処理を施
して、900℃の温度のもとに30分間のN₂による焼入れを
行った後、560℃に降温した状態で100分間の焼戻し処理
を行って得た鉄系焼結合金部材について、その表面部分
の金属組織を示す、400倍に拡大された顕微鏡写真であ
る。この写真中において、横方向に帯状に連なる白色部
分が炭化物層であり、その硬度は、Hv＝≒1157であっ
た。また、この炭化物層の内部側（写真において下方）
に位置する黒色部分がマトリックスを構成する部分で、
そのマトリックスの硬度は、炭化物層の近傍及び内部に
おいて、夫々、Hv≒555及びHv≒571であった。さらに、
各マトリックスの内部に点在する白色部分は、鉄系合金
粉末に含まれたＣとCr,Mo及びFe等とが結合して形成さ
れた炭化物で、その硬度は、Hv≒1172であった。

上述の如くの本発明に係る耐摩耗性に優れた鉄系焼結合
金部材の製造法の一例において、圧粉体の形成に供され
る鉄系合金粉末が、Ｃを1.2〜2.5重量％、Crを7.0〜9.5
重量％、Moを2.0〜5.5重量％、Ｐを0.7〜1.5重量％含有
するものとされるのは、以下の理由による。

先ず、Ｃは、鉄系焼結合金のマトリックス中に固溶して
マトリックスの強化に寄与するとともに、Fe,Mo及びＰ
等の元素と反応して低融点の３元共晶を形成するものと
なる液相を発生させて、鉄系焼結合金の緻密化に寄与す
るものとなる。また、Cr,Mo及びFeと結合して炭化物を
形成する。このような事柄を踏まえてＣの含有量を規定
する実験を行った結果、Ｃの含有量が1.2重量％未満で
は、液相量が不足することになり、多数の気孔が生じ
て、鉄系焼結合金部材の硬度が充分に得られず、また、
浸炭処理時においてＣが鉄系焼結合金のマトリックス中
に拡散するために、鉄系焼結合金部材の表面部に安定し
た炭化物層が生成されないことが確認された。また、Ｃ
の含有量が2.5重量％を越える場合には、鉄系焼結合金
中においてＣが過飽和の状態におかれるので、鉄系焼結
合金に対して浸炭処理が施されても浸炭雰囲気中のＣが
鉄系焼結合金の表面部に充分に浸入せず、適正な炭化物
層が生成されないという問題、さらには、焼結時におけ
る液相量が過多となって組織が粗大化してしまう問題が
生じることが確認された。従って、Ｃの含有量は、1.2
〜2.5重量％の範囲とされるのである。

Cr及びMoは、鉄系焼結合金のマトリックス中に固溶して
マトリックスの強化に寄与するとともに、Ｃと結合して
炭化物を形成することにより、鉄系焼結合金の耐摩耗性
の向上に寄与するものとなる。また、浸炭処理によって
鉄系焼結合金の内部に拡散するＣと優先的に反応して、
鉄系焼結合金部材の表面部分にそれらの炭化物層から成
る硬化層を積極的に形成す。このため、このような事柄
を踏まえて、Cr及びMoの含有量を規定する実験を行った
結果、Crの含有量が7.0重量％未満である場合、あるい
は、Moの含有量が2.0重量％未満である場合には、鉄系
焼結合金部材の表面に炭化部層が充分に形成されない虞
があり、また、Crの含有量が9.5重量％を越える場合、
あるいは、Moの含有量が5.5重量％を越える場合には、C
r及びMoが浸炭処理によって鉄系焼結合金の内部に拡散
するＣと反応することによりマトリクス中に形成される
炭化物が粗大化して、鉄系焼結合金部材の靱性が損なわ
れることが認められた。従って、Cr及びMoの含有量は、
夫々、7.0〜9.5重量％、及び、2.0〜5.5重量％の範囲と
される。

Ｐは、Fe及びＣと反応して低融点の３元共晶を形成する
ものとなる液相を発生させることにより、鉄系焼結合金
の緻密化に寄与するものとなる。そして、実験の結果、
Ｐの含有量が0.7重量％未満である場合には、焼結時に
おける液相量が不足することとなり、多数の気孔が生じ
て、鉄系焼結合金部材の硬度が充分に得られず、また、
Ｐの含有量が1.5重量％を越える場合には、焼結時にお
ける液相量が過多となって組織が粗大化してしまうこと
が確認された。従って、Ｐの含有量は、0.7〜1.5重量％
の範囲とされる。

また、鉄系焼結合金に対する浸炭処理にあたっての雰囲
気の炭素濃度が、0.7〜1.2％の範囲に設定されるのは、
以下の理由による。

即ち、各種の炭素濃度の雰囲気中で鉄系焼結合金に浸炭
処理を施す実験を行った結果、雰囲気の炭素濃度が0.7
％未満である場合には、浸炭処理によって鉄系焼結合金
の内部に拡散せしめられるＣが少量となり、鉄系焼結合
金の内部に含まれたCr及びMoの炭化物が充分に生成され
ないことになり、また、雰囲気の炭素濃度が1.2％を越
える場合には、焼結時において鉄系合金粉末に含まれた
ＣがCr及びMo等と結合することによりマトリックス中に
生成された炭化物が、浸炭処理によって鉄系焼結合金の
内部に拡散する、雰囲気中のＣと反応して粗大化するこ
とになり、鉄系焼結合金部材の靱性が低下してしまうこ
とが認められた。従って、鉄系焼結合金に対する浸炭処
理に際しての雰囲気の炭素農度は0.7〜1.2％の範囲にあ
るものとされる。

さらに、鉄系焼結合金に対する浸炭処理が施されるに際
しての温度が、950℃を越えるものとされ、930℃より大
幅に高い場合には、浸炭処理にあたっての雰囲気中にお
けるＣが、鉄系焼結合金の内部におけるマトリックス中
の炭化物への拡散が促進されて、マトリックス中の炭化
物と活発に結合するのとなるため、鉄系焼結合金部材の
表面部分における充分な炭化物層の形成が妨げられると
いう問題を生じる。また、逆に、鉄系焼結合金に対する
浸炭処理が施されるに際しての温度が、900℃未満とさ
れ、930℃より大幅に低い場合には、浸炭処理にあたっ
ての雰囲気中におけるＣが、鉄系焼結合金の内部に充分
に拡散せず、そのため、鉄系焼結合金部材の表面部分に
おいて充分な炭化物層が形成されないという問題を生じ
ることになる。従って、鉄系焼結合金に対する浸炭処理
は、900〜950℃の温度のもとで施されるものとされる。

なお、参考までに、上述の如くの本発明に係る方法によ
って製造される鉄系焼結合金部材に対する比較例とし
て、２系統に区分される。本発明に係る方法以外の方法
によって製造された鉄系焼結合金部材（以下、比較用鉄
系焼結合金部材という）について述べる。

第１の系統の比較用鉄系焼結合金部材は、以下の如くの
方法によって製造された。

先ず、Crが12重量％含有され、さらに、Mn,Si,P及びＳ
が、夫々、１重量％,1重量％,0.043重量％及び0.03重量
％を越えない範囲で含有されるとともに、Feが残部とな
る組成を有した第１の合金粉末（SUS 410）と、Crが４
重量％,Moが９重量％,Pが2.4重量％,Cが4.2重量％，及
びFeが残部となる組成を有した第２の合金粉末とを、夫
々の粒度を150メッシュ以下とした状態で約8:2及び約3:
7の割合で混合することにより、下記の表−２に示され
る如くの成分組成を有する２種類の鉄系合金粉末（以
下、試料T₅及びT₆という）を得た。

次に、炭素含有量が、本発明に係る方法において採られ
る1.2〜2.5重量％の範囲から外れた、0.84重量％及び2.
94重量％となされた試料T₅及びT₆の夫々に、バインダと
してパラフィン1.5重量％を添加して混合した後、5ton/
cm²の圧力をかけて圧縮し、10mm×30mm×50mmの直方体
状の圧粉体を、試料T₅及びT₆の夫々について形成した。

このようにして形成された圧粉体の夫々について、水素
ガス（H₂）雰囲気中において600℃まで昇温加熱した
後、その状態を30分間保持し、予備焼結を行った。さら
に、得られた各予備焼結体を、真空炉中で、10℃/minの
加熱勾配をもって昇温加熱していき、試料T₅に基づく予
備焼結体を、1080℃及び1100℃の焼結温度をもっての加
熱焼結状態に20分間保持し、その後930℃まで降温し
て、試料T₅に基づく鉄系焼結合金を得た。また、試料T₆
に基づく予備焼結体については、1060℃及び1080℃の焼
結温度をもっての加熱焼結状態に20分間保持し、その後
930℃まで降温して、試料T₆に基づく鉄系焼結合金を得
た。

続いて、1080℃及び1100℃の焼結温度をもって焼結され
た、試料T₅に基づく鉄系焼結合金、及び、1060℃及び10
80℃の焼結温度をもって焼結された、試料T₆に基づく鉄
系焼結合金の各々に対し、炭素濃度が0.6,0.7,0.9,1.2
及び1.5％とされた５種の雰囲気の夫々の中において930
℃の温度のもとに40分間の浸炭処理を施した。

そして、浸炭処理が施された各鉄系焼結合金を900℃ま
で降温して、窒素ガス（N₂）による焼入れ処理を施し、
その後、560℃に降温した状態で100分間保持して焼戻し
処理を行うことにより、試料T₅及びT₆に基づく比較用鉄
系焼結合金部材を得た。

このようにして、試料T₅及びT₆に基づいて得られた比較
用鉄系焼結合金部材においては、そのいずれの表面部に
も安定した炭化物層が生成されていないことが確認され
た。

また、第２の系統の比較用鉄系焼結合金部材は、以下の
如くの方法によって製造された。

先ず、表−１に示される試料T₃を用いて２個の圧粉体を
形成し、それらを水素ガス（H₂）雰囲気中において600
℃まで昇温加熱した後、その状態を30分間保持して予備
焼結を行った。さらに、得られた２個の予備焼結体を、
真空炉中で、10℃/minの加熱勾配をもって昇温加熱して
いき、1080℃の焼結温度をもっての加熱焼結状態を20分
間保持し、その後930℃まで降温して、２個の鉄系焼結
合金を得た。

続いて、得られた２個の鉄系焼結合金の一方に対し、浸
炭処理温度が、本発明に係る方法において採られる900
〜950℃の範囲から外れた880℃となされたもので、炭素
濃度が0.7％とされた雰囲気中において40分間の浸炭処
理を施し、また、他方に対し、浸炭処理温度が、同じく
本発明に係る方法において採られる900〜950℃の範囲か
ら外れた960℃となされたもので、炭素濃度が0.7％とさ
れた雰囲気中において40分間の浸炭処理を施した。そし
て、浸炭処理が施された２個の鉄系焼結合金のうちの、
880℃の温度で浸炭処理されたものを880℃に維持したも
とで窒素ガス（N₂）による焼入れ処理を施し、その後、
560℃に降温した状態で10分間保持して焼戻し処理を行
うことにより、比較用鉄系焼結合金部材を得、また、96
0℃の温度で浸炭処理されたものを900℃に降温して窒素
ガス（N₂）による焼入れ処理を施し、その後、560℃に
降温した状態で100分間保持して焼戻し処理を行うこと
により、他の比較用鉄系焼結合金部材を得た。

このようにして、880℃の温度での浸炭処理がなされ
た、試料T₃に基づく比較用鉄系焼結合金部材、及び、96
0℃の温度での浸炭処理がなされた、試料T₃に基づく比
較用鉄系焼結合金部材においては、そのいずれの表面部
にも安定した炭化物層が生成されていないことが確認さ
れた。

（発明の効果）以上の説明から明らかな如く、本発明に係る耐摩耗性に
優れた鉄系焼結合金部材の製造法によれば、鉄系焼結合
金に対する浸炭処理が行われ、浸炭処理にあたっての雰
囲気中に含まれる炭素が、鉄系焼結合金の内部に拡散
し、その鉄系焼結合金に含まれるCr及びMoのうちの少な
く１種と結合して、鉄系焼結合金の表面部分に炭化物を
生成するようにされるので、内部硬度が大であることに
加えて、表面部分に、Crの炭化物及びMoの炭化物のうち
の少なくとも一方の層から成る適正な硬化層が形成され
て、その表面部分の硬度が向上せしめられた鉄系焼結合
金部材を得ることができる。

しかも、鉄系焼結合金に対する浸炭処理に要する時間
は、例えば、ガス窒化法に従って鉄系焼結合金が加熱処
理されるに要される時間に比して大幅に短縮され、それ
により、比較的高い生産効率が得られるもとになり、ま
た、鉄系焼結合金の表面部分における硬化層の形成に要
するコストは、金属溶射法に従って鉄系焼結合金の表面
に溶融金属の微粒子が吹き付けられる場合に比して、著
しく低減される。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に係る耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金部材の
製造法の一例によって製造された鉄系焼結合金部材の金
属組織を示す写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−31844（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−142868（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−152805（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】1.2〜2.5重量％の炭素と、7.0〜9.5重量％
のクロム及び2.0〜5.5重量％のモリブデンのうちの少な
くとも１種とを含有する鉄系焼結合金に対して、炭素濃
度が0.7〜1.2％の雰囲気中において900〜950℃の温度で
浸炭処理を施し、上記鉄系焼結合金の表面にクロムの炭
化物及びモリブデンの炭化物のうちの少なくとも一方か
ら成る炭化物層を形成することを特徴とする耐摩耗性に
優れた鉄系焼結合金部材の製造法。