JPH0756065B2

JPH0756065B2 - 高温耐摩耗性焼結合金

Info

Publication number: JPH0756065B2
Application number: JP31298287A
Authority: JP
Inventors: 真阿部; 公教木曽; 章藤木; 啓太郎鈴木; 寛池ノ上
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1987-12-10
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH01152247A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は自動車用内燃機関の弁座材に好適な鉄系焼結合
金に関するものである。

［従来の技術］自動車エンジン用の弁座は、無鉛ガソリンに対応して多
くの焼結合金が開発されている。

例えば、本件出願人がさきに開発し実用に供した無鉛ガ
ソリン用弁座（特公昭55-36242号）もその一例であり、
これはNi-Mo-Co系の焼結鋼に重量比で10％以上の鉛を含
浸したもので、従来材Cr-Mo−Ｖ系の焼結鋼に鉛を含浸
したもの（特公昭49-17968号）に比べると耐摩耗性が一
段改良されている。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、自動車エンジンの高動力性能化により作動条件
が一段と厳しくなっている昨今、上記の焼結合金も不十
分で、耐摩耗性がもっと良く、高温でも材料強度が高い
材料に改善することが望まれていた。

［発明の目的］本発明は、上記した従来の焼結合金（特公昭55-36242
号）を更に改良したもので、材料強度が高く、優れた高
温耐摩耗性をもつ焼結材料を安価に提供することにあ
る。

〈発明の構成〉［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するために本発明は、マトリックスを従
来の焼結合金組成からなる基地中にニッケルを分散させ
た組織とし、空孔内に鉛を含浸するとともに、最適な基
材密度と鉛含浸量を限定したものであり、更に詳しく
は、全体の組成が重量比で、 C:0.35〜1.1％， Ni:4.6〜25.8％， Mo:0.3〜2.7％， Co:3.4〜6.7％， Pb:5〜16％，及び残部実質的にFeよりなり、基地組成が、同じく重量比で、 C:0.45〜1.15％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％，及び残部実質的にFeよりなり、且つソルバイト組織とベ
ーナイト組織の混合組織中にオーステナイト組織が分散
していて、空孔内には鉛を含み、全体密度が7.6g/cm³以
上、及びPb量を除く焼結合金の密度が6.9〜7.2g/cm³で
あることを特徴としている。

まず、本発明焼結合金の製造方法を簡単に説明すると、
原料として用いる粉末は、特公昭55-36242号と同じNi0.
5〜３％,Mo0.5〜３％,Co5.5〜7.5％,Fe残からなる合金
鉄粉にNi粉を配合するか、上記合金鉄粉にNi粉と黒鉛粉
とおよびステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を混合したもので
ある。

成形及び焼結は通常の方法であり、焼結体密度を6.9〜
7.2g/cm³になるよう設定する。

この焼結体を溶融鉛浴に浸漬し、空孔内に鉛を含浸す
る。

このようにして得られた本発明焼結合金を構成する数値
範囲について次に説明する。

基本となる合金鉄粉の組成は従来材の基地組成と同じで
あり、各組成範囲は特公昭55-36242号公報に記載されて
いる通りである。

即ち、Ni及びMoは主に強度の向上に寄与する成分で、0.
5％未満では不十分であり、一方３％以上添加しても費
用の割に効果が少ない。またMoを過剰に入れると耐酸化
性が低下する。

Coは5.5％未満では高温硬さが不足し摩耗しやすく、一
方7.5％以上になると原料粉が硬くなり圧縮成形が困難
になる。

Ｃは黒鉛粉で添加され、焼結体基地中に占める炭素量は
0.6〜1.2％の範囲であり、これよりも少なすぎると充分
な硬さが得られず、多すぎるとセメンタイト組織が析出
し易くなり基地材料が脆化する。

また、マトリックスの組織は一般にソルバイト組織とベ
ーナイト組織の混合組織を呈するが、Ｃ量が上限寄りの
場合ベーナイト組織がほとんど占めるようになる。

次に、上記の合金にNiを添加し、オーステナイト組織の
形で分散させるアイデアは、静的な機械強度がかなり向
上し、高温での強度低下が少なくなること、及び分散し
たオーステナイト組織は繰返しの疲労強度の向上に効果
があるという知見に基づいている。

Niはカーボニルニッケル粉の形で添加され、焼結後はマ
トリックスに斑点状のオーステナイト組織とする。Ni粉
の添加量は重量比で５〜25％の範囲であり、５％未満で
は耐摩耗性及び強度の向上が少なく、また25％を越えて
添加しても費用ほど効果が少なく、むしろ耐摩耗性及び
強度ともに悪くなる傾向を示すようになる。

上記のNi-Mo−Ｃ系焼結鋼の密度は6.9〜7.2g/cm³が最適
である。6.9g/cm³より低いと摩耗しやすく、7.2g/cm³よ
り高い密度は成形圧力が高くなり、作業性や押型摩耗の
点で不利であり、また、空孔量の減少にともなって後述
する鉛溶浸性が悪くなる。

鉛の溶浸量は、前述焼結密度範囲において溶浸後の密度
が7.6g/cm³以上になるよう含浸すると良好な耐摩耗性を
示す。換言すると、Pb量は焼結密度6.9g/cm³の基材では
重量比で９％以上、焼結密度7.2g/cm³の基材では重量比
で５％以上である。溶浸密度の上限価は焼結密度範囲が
限定されているため、8.2g/cm³を越えることは無い。ま
た、Pb量も同様であって焼結密度6.9g/cm³の基材におい
て重量比で最大16％となる。

以上の構成を組成範囲で表わすと、全体の組成が重量比
で、 C:0.35〜1.1％， Ni:4.6〜25.8％， Mo:0.3〜2.7％， Co:3.4〜6.7％， Pb:5〜16％， Fe:残部、また基地組成は、同じく重量比で、 C:0.45〜1.15％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％， Fe:残部、になる。

なお、上記の基地組成と同様な組成範囲をもつ焼結合金
（特公昭62-42991号）がある。しかし、この焼結合金は
Ni8〜16％が基地に固溶しているのに対し、本発明材は
一部が基地に固溶し大部分がオーステナイト相の形で基
地に分散していること、及び本発明材はPbを所定量含む
点が異なる。

［実施例］（試験−１）先ず、重量比でNi:1.5％,Mo:1.5％,Co:6.5％を含む粒度
100メッシュ以下のアトマイズ合金鉄粉と、オーステナ
イト組織形成用にカーボニルニッケル粉を用意した。

次に、試料の作製は、上記アトマイズ合金鉄粉に、黒鉛
粉１重量％と潤滑剤としてステアリン酸亜鉛0.8％を添
加した混合粉と、さらに上記カーボニルニッケル粉を5,
10,15,20,25及び30重量％添加した各混合粉を準備し、
焼結密度が7.0g/cm³になるよう成形密度を調整して所定
形状に成形した後、アンモニア分解ガス雰囲気炉中で温
度1160℃,30分間の焼結を行なって各焼結体を得た。

次いで、各焼結体を550℃の溶融鉛溶中に浸漬して、８
気圧の加圧力を加えることにより、当該焼結体中の空孔
内に鉛を溶浸させた。

これら試料の顕微鏡組織は、基地がベーナイト組織と少
量のソルバイト組織の混合組織であり、カーボニルニッ
ケルを添加したものは白色のオーステナイト組織が分散
している。また、空孔内には鉛が認められる。

次に、各試料の常温での圧環強さと、これら材料からな
る弁座を供試材として模擬エンジン試験機を用いて各弁
座の摩耗量を比較した。

この摩耗試験機は、LPG燃焼ガスで弁及び弁座を所定の
温度に加熱しながらカム軸をモーターで駆動する機構を
もつものであって、温度、回転数、弁のスプリング圧力
などを任意に設定でき、短期間のうちに苛酷な試験を行
なうことができるものである。

なお、相手材となる弁の材質は、21-4N（21％Cr-4％Ni
系耐熱鋼）を用い、弁座の温度を300℃に設定して、30
時間連続運転した後の弁座の摩耗量を測定した。

第１図は、圧環強さと弁座摩耗量の測定結果を示す。圧
環強さは、Ni粉の添加が５％以上で効果が認められ、10
〜20％で最高値を示したのち、再び緩かに低下してい
る。

弁座の摩耗量も同様な傾向を示し、15〜25％で最も摩耗
が少なく、25％を越えると僅かに摩耗増加傾向を示して
いる。

従って、Ni粉の添加量は下限を５％とし、上限を25％と
した。この結果、焼結体の組成は、重量比でC0.45〜1.1
5％,Ni5.5〜27.2％,Mo0.4〜2.8％,Co4.1〜7.1％，及び
残部Feの範囲になる。

（試験−２）次に、焼結密度及び鉛溶浸量と摩耗量の関係を調べた。

用いた試料は、試験−１のNi粉添加量が10％の混合粉を
準備し、焼結密度が6.7,6.9及び7.0g/cm³となるように
成形密度を調整して所定形状に成形した後、試験−１と
同様に焼結したのち、鉛溶浸は溶融鉛浴中の浸漬時間及
び気圧を変えて、各焼結体密度ごとも鉛溶浸量の異なる
試料を作った。

これら材料からなる弁座を供試材として試験−１と同様
に模擬エンジン試験機を用いて各弁座の摩耗量を比較し
た。その結果と各試料の密度及びPb分析値を第１表に示
す。また、第１表より、焼結密度と試料密度とPb量との
関係を第２図に示す。

第２図において、○印は摩耗量が比較的少ない0.4mm以
下、×印は0.4mmを越えた試料を表わしている。また、
摩耗量0.4mm以下の領域を斜線で示しており、この領域
は焼結体密度が6.9〜7.2g/cm³であって、鉛溶浸された
試料密度は7.6g/cm³以上、及びPb量は全体組成で５％以
上16％以下の範囲にある。

（試験−３） Ni粉の添加量を15％とし、それ以外は試験−１と同様に
弁座を作製して供試材とした。

また、比較材として、Ni粉を添加しないで製作した試料
も準備し、模擬エンジン試験機を用いて弁座の温度が及
ぼす摩耗量を比較した。また、温度と圧環強さの関係も
測定した。その結果を第３図に示す。

発明材は、高温においても耐摩耗性及び圧環強さの低下
量が少ない。

（実施例）次に、４気筒2000ccのガソリンエンジンによる台上耐久
試験の結果を第４図に示す。

回転数は6000rpmであり、100時間と200時間運転後の弁
座摩耗量を表わしている。

用いた試料は、試験−３の場合と同様に製作した本発明
材と従来材である。

図から明らかなように本発明試料は摩耗量が少なく、一
段と優れている。

［発明の効果］以上詳述した通り、本発明に係わる焼結合金はその実験
結果からも明らかなように従来材に比較して材料強度が
かなり高く、低温から高温まで優れた耐摩耗性を示し、
内燃機関の稼動条件が厳しい場合に有用なものである。
また、金属間化合物や高価な原料を用いないので、比較
的安価に、通常の製造方法で製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はNi粉添加量の効果を示すグラフ、第２図は焼結
体の密度範囲及び最適な鉛溶浸量を示すグラフ、第３図
は従来材と本発明材の高温における圧環強さ及び耐摩耗
性を示すグラフ、第４図はエンジン耐久試験による従来
材と本発明材の弁座摩耗量を比較したグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤木章神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者鈴木啓太郎千葉県我孫子市湖北台７―14―57―303 (72)発明者池ノ上寛千葉県松戸市常盤平３―26―３―102

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全体の組成が重量比で、 C:0.35〜1.1％， Ni:4.6〜25.8％， Mo:0.3〜2.7％， Co:3.4〜6.7％， Pb:5〜16％，及び残部実質的にFeよりなり、基地組成が、同じく重量比で、 C:0.45〜1.15％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％，及び残部実質的にFeよりなり、且つソルバイト組織とベ
ーナイト組織の混合組織またはベーナイト組織中にオー
ステナイト組織が分散していて、空孔内には鉛を含み、
全体密度が7.6g/cm³以上、及びPb量を除く焼結合金の密
度が6.9〜7.2g/cm³であることを特徴とする高温耐摩耗
性焼結合金。