JPH076027B2 - 耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、耐摩耗性が要求される部品の素材として利用
される鉄基焼結合金を製造するのに適しており、例えば
内燃機関のロッカーアームやタペット等の高面圧のかか
る摺動部に使用した場合に、すぐれた耐摩耗性となじみ
性とを発揮する鉄基焼結合金を製造するのに適用される
耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となりつ
つあり、特にロッカーアームやタペットとカムシャフト
との摺動部に対する耐久性の要求はきわめて厳しいもの
となっている。

一般に、ロッカーアームやタペットのカムシャフトとの
摺動部は高い面圧を受けるものであるため、すぐれた耐
摩耗性，耐スカッフィング性および耐ピッチング性を兼
ね備えかつカムシャフトとのなじみ性をも合わせ持つこ
とが要求される。

従来、ロッカーアームには、チル鋳鉄製のもの、ロッカ
ーアーム摺動部にCrめっきや自溶性合金の溶射肉盛など
の表面処理を施したもの（例えば、新編 自動車工学便
覧 第12編 第１−54頁〜第１−55頁）、あるいはFe−
Cr−Ｃ系の高合金粉末の圧粉体を液相焼結した高合金高
密度焼結耐摩耗材を用いたもの（例えば、特開昭57−10
8246号）などが使用されている。

しかしながら、上記のうち、チル鋳鉄製のロッカーアー
ムは耐ピッチング性や耐摩耗性の点で問題があり、Crめ
っきを施したロッカーアームではめっき層の剥離の問題
があり、溶射肉盛を施したロッカーアームではスカッフ
ィングや相手部材のカムシャフトに対する摩耗などの問
題がある。また、Fe−Cr−Ｃ系焼結合金製のロッカーア
ームの場合は前記チル鋳物,Crめっき，溶射肉盛製のロ
ッカーアームにくらべるとかなり良好な特性を示すこと
が多いが、面圧が非常に高くなる場合等には自分自身の
耐摩耗性が十分でないばかりでなく、カムシャフトの摩
耗量も大きくなってしまい、要求特性を満足するものに
なっていないのが現状である。

そこで本発明者等は、上述のような観点から、すぐれた
耐摩耗性，耐スカッフィング性および耐ピッチング性を
持つだけでなく、相手部材とのなじみ性をも合わせ持つ
材料を開発することを目的として種々の研究を実施した
結果、次に示す組成の耐摩耗性鉄基焼結合金を開発した
（特願昭61−54150号）。

すなわち、上記耐摩耗性鉄基焼結合金は、重量比で、Mo
およびＷのいずれか１種または２種:5〜20％、Cr:2〜10
％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:
0.1〜0.8％、B:0.5〜2.0％、残部Feおよび不純物からな
る組成を有し、ベイナイトもしくはマルテンサイトから
なるマトリックスに微細な硼化物または炭硼化物と炭化
物が共存する鉄基焼結合金である。

（発明が解決しようとする問題点） この鉄基焼結合金は、合金鋼粉とFe−Ｂ合金粉との混合
粉を成形，焼結および熱処理して得られるものである
が、Fe−Ｂ合金粉として、Ｂ含有量が多すぎるものを用
いたり、SiやAlが多く含有されているものを用いたりす
ると、下記のような問題点が存在することを本発明者ら
は見い出した。

すなわち、ＢがSi,Al量が多すぎるFe−Ｂ合金粉を用い
て製造した場合に、得られた鉄基焼結合金の組織を観察
すると、硬質析出物がマトリックスに分散している状態
が希薄な部分と集合している部分とがあって、不均質組
織となっていること、また、結晶粒界にSiO₂およびAl₂O
₃の介在物が多く存在していること、が判明し、機械的
強度とピッチング摩耗およびアブレーシブ摩耗の向上に
限界があるという問題点があった。

（発明の目的） 本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、鉄基焼結合金
の機械的強度とピッチング摩耗およびアブレーシブ摩耗
の向上を実現することを目的としてなされたもので、微
細な硼化物および炭硼化物を均一に析出させること、お
よびぜい性破壊を促進する介在物（Al₂OC,SiO₂）を減少
させること、に対して有効な手段を種々研究することに
より完成したものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち、本発明による耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方
法は、重量比で、C:0.1〜2.0％と、B:0.5〜2.5％と、硼
化物形成元素であるMo,W,Cr,V,Nb,Ta,Coのうちより選ば
れる少なくとも１種:5.5〜34.1％と、を基本成分として
含み、その他Si,Mn,Ni等を含む鉄基焼結合金を製造する
に際し、Ｂ供給源としてFe−Ｂ合金粉を用い、当該Fe−
Ｂ合金粉の組成が、重量比で、B:2〜18％、不純物元素
であるSi:0.5％以下、および同じく不純物元素であるA
l:0.1％以下、残部Feおよび不可避的不純物であるもの
を用いるようにしたことを特徴とするものである。

本発明による耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法は、上述
のとおり、重量比で、C:0.1〜2.0％と、B:0.5〜2.5％
と、硼化物形成元素であるMo,W,Cr,V,Nb,Ta,Coのうちよ
り選ばれる少なくとも１種:5.5〜34.1％と、を基本成分
として含み、その他Si,Mn,Ni等を含む鉄基焼結合金に適
用されるが、以下に、その成分組成（重量％）の限定理
由について説明する。

C: Ｃはその一部がMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成元素と結合
して複炭化物を形成して耐摩耗性を向上させ、残りはマ
トリックス中に固溶して高い室温硬さと強度を与える作
用を有するが、0.1％未満ではその効果が小さく、2.0％
を超えると複炭化物の析出量増加と粗大化が起り、相手
材とのなじみ性が低下することから、本発明を適用する
鉄基焼結合金のＣ含有量は0.1〜2.0％、より望ましくは
0.1〜0.8％するのが良い。

B: Ｂは成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成して
耐摩耗性を耐なじみ性を与え、一部はマトリックス中に
固溶して焼入性を改善する。また、上記複硼化物の一部
はＣとも結びついて複硼化物を形成して耐摩耗性を向上
させる。

このようにＢは微細な複硼化物あるいは複炭硼化物を形
成して本発明が適用される鉄基焼結合金の耐摩耗性耐な
じみ性を向上させるのに必須の主要成分であるが、0.5
％未満の添加ではその効果が小さく、一方2.5％を超え
ても一層の改善効果が認められずかえって複硼化物の粗
大化が起り、相手材とのなじみ性が低下することから、
本発明を適用する鉄基焼結合金のＢ含有量は0.5〜2.5
％、より望ましくは0.5〜2.0％とするのがよい。

Si: Siは0.1％未満では脱酸効果が少なく、粉末中の酸素含
有量が多くなって焼結性が低下するとともにM₂C系の粗
大な板状の炭化物が析出しやすくなり相手部材とのなじ
み性が低下する。一方、添加量が0.9％を超えても脱酸
効果の向上もなく、粉末が丸くなってしまい成形性が低
下するだけであることから、本発明を適用する焼結合金
のSi含有量は0.1〜0.9％とするのがよい。

Mn: Mnは前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加する
ことにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向上さ
せるが、0.7％を超えると粉末の形状が丸くなって粉末
の成形性が低下することにより成形体エッジ部の欠け等
が生じやすくなることから、添加するとしても本発明を
適用する鉄基焼結合金のMn含有量は0.7％以下とするの
がよい。

MoおよびＷ MoおよびＷは成分中のFeやCrとともにＣやＢと結合して
複炭化物や複硼化物あるいは複炭硼化物を形成して耐摩
耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶してマトリッ
クスを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用があ
るが、５％未満では所望の効果が得られずに耐摩耗性不
足となり、30％を超えて含有させても一層の改善効果は
認められず、経済的でないことから、本発明を適用する
焼結合金のMo＋Ｗ含有量は５〜30％とするのがよい。

Cr: CrはMo,W等とともに複炭化物や複硼化物を形成し耐摩耗
性を向上させると同時に、マトリックス中に固溶して焼
入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果を有す
るとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、10％を
超えて含有させてもより一層の改善効果がないばかりで
なく、機械的強度が低下して相手材への攻撃性が増大し
てしまうことからその含有量は10％以下とするのがよ
い。

V,Nb,Ta: V,Nb,TaはFeやCrとともにＣと化合してきわめてかたい
複炭化物を作るとともに、Mo,Wの一部と置換した形の複
炭化物や複硼化物を形成して耐摩耗性を与え、一部はマ
トリックス中に固溶してマトリックスを強化するととも
に、焼戻し硬化能を高める作用がある。またV,Nb,Taは
焼結時の結晶粒の粗大化を防止するとともに炭化物の粗
大化を防止する効果もある。これらの効果はV,Nb,Taが
0.5％未満の場合ではあまり認められず、耐摩耗性や強
度の低下をきたし、一方８％を超えて添加しても一層の
改善効果は認められず経済的でないことから、添加する
としてもその含有量は0.5〜８％とするのが良い。

以上のほか、硼化物形成元素であるCo,Ti,Zr,Hf等を必
要に応じて12％以下添加しても良い。特にCoはMo,Wなど
の一部と置換して複硼化物を形成するだけでなく、マト
リックス中に固溶して赤熱かたさを向上させるため、熱
間での耐摩耗性が要求される場合には添加することが特
に効果的である。

これら硼化物形成元素であるMo,W,Cr,V,Nb,Ta,Coのうち
より選ばれる少なくとも１種の含有量は、5.5〜34.1
％、より好ましくは10〜20％とするのが良い。すなわ
ち、5.5％より少ないと硼化物や炭硼化物の生成量が少
なく、マトリックスに固溶する量も少ないため耐摩耗性
不足となり、一方、34.1％を超えるようになると、粉末
の圧縮性が悪くなり、また、焼結合金が硬くかつ脆くな
り、相手材への攻撃性が増大したり、切削加工性が悪化
したりするので好ましくない。

また、マトリックスがオーステナイト化しない範囲でNi
を添加しても良い。これはNiを添加するとマトリックス
の耐食性が向上するため、ディーゼルエンジンのEGR仕
様のロッカーアームや油圧リフタのように腐食摩耗が厳
しい部品への適用には特に効果がある。しかし、Niの添
加量が多くなってマトリックスがオーステナイト化して
しまった場合には、かたさが低下するだけでなく、相手
材との凝着性が大きくなってしまうため、添加するとし
てもオーステナイト化しない範囲で添加するのがよい。
さらに、Ｐは耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進
元素として一般に0.2〜0.8％程度添加する手法が広く用
いられていが、本発明を適用する焼結合金の場合はＰの
添加量が0.05％を超えた場合に、複硼化物あるいは複炭
硼化物が粗大化して相手材とのなじみ性が低下するとと
もに、粒界に複硼化物あるいは複炭硼化物がネットワー
ク状に析出して強度が低下してしまうことにより、特に
高面圧がかかった場合の耐ピッチング特性も低下してし
まうことからその含有量は0.05％以下とするのがよい。

本発明が適用される耐摩耗性焼結合金は、上記の組成を
有するものとすることが望ましいが、次に、このような
焼結合金を製造する場合のＢ供給源としてFe−Ｂ合金粉
を使用し、当該Fe−Ｂ合金粉の組成（重量比）が、B:2
〜18％、不純物元素であるSi:0.5％以下、および同じく
不純物元素であるAl:0.1％以下、残部Feおよび不可避的
不純物であるものを用いるようにした理由について説明
する。

B: Ｂは成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成して
耐摩耗性と耐なじみ性を与え、一部はマトリックス中に
固溶して焼入性を改善する働きをする元素であることは
前述したとおりである。本発明において、このＢはFe−
Ｂ合金粉の形で供給されるが、Ｂ添加量を一定にした場
合、Ｂ濃度が高くなるほどFe−Ｂ合金粉の添加量は少な
くて済むが、Ｂリッチな部分の偏在が生じて、局所的な
共晶液相の発生と析出硼化物の粗大化を引き起す。一
方、Ｂ濃度が低くなるほどFe−Ｂの添加量は多く必要と
するが、添加Ｂの分布は均一化されるため、液相の発生
は全体に平均して起り、それに伴って硼化物も微細なも
のが均一に析出するようになる。しかし、Fe−Ｂ合金粉
の添加量が多くなるため、残部合金組成が低下する問題
点がある。

より具体的には、Fe−Ｂ合金粉のＢ濃度が２％未満の場
合には、Fe−Ｂ合金粉の添加量が多くなり過ぎ、それに
伴って全体の成分組成を維持するために残部合金粉の組
成が高濃度となるため、成形性の焼結性を悪化させる。
一方、Ｂ濃度が18％を超えると、局所的な共晶液相の発
生や、硼化物の粗大化が起り、相手材とのなじみ性や耐
摩耗性が低下するばかりでなく、部品形状としての寸法
精度をも悪化させる結果となる。また、Fe−Ｂ合金粉の
硬さもMHV1200以上となるため、成形時の金型摩耗の問
題が発生する。そのため、Fe−Ｂ合金粉のＢ含有量を２
〜18％とした。

不純物元素（SiおよびAl）： Fe−Ｂ合金粉の製造において、SiおよびAlは特に含有さ
れやすい不純物元素であり、これらのほとんどはSiO₂お
よびAl₂O₃として存在する。そして、これらの酸化物は
焼結によって結晶粒界に介在物として集まり、液相焼結
による緻密化を阻害して機械的強度を向上させない原因
となる。

さらに具体的には、Siが0.5％を超えると、結晶粒界に
存在するSiO₂介在物が多くなるため粒界破断しやすくな
り、機械的強度が著しく低下する。それに伴って、ピッ
チング摩耗およびアブレーシブ摩耗が増加し、相手をも
摩耗させる。そのため、Siは0.5％以下とした。また、A
lが0.1％を超えると、Slと同様に結晶粒界に存在するAl
₂O₃介在物が多くなるため粒界破断しやすくなり、機械
的強度を著しく低下させ、耐ピッチング性、耐摩耗性お
よび耐アタック性が悪化する。そのため、Alは0.1％以
下とした。

なお、Fe−Ｂ合金粉の添加の際、その粒度を微細なもの
とすると、添加Ｂの分布を均一化させ、均一に液相が発
生して硼化物も微細に析出分散する。それゆえ、Fe−Ｂ
合金粉の粒度は350メッシュ（44μｍ）以下が望ましい
が、工業的には250メッシュ（63μｍ）以下でよい。し
かし、250メッシュを超える粗大粒子が多量に含まれる
粉末は、析出物が粗大化して機械的強度と摺動相手材と
のなじみ性に悪い影響を与えることがある。

（実施例） 次に、この発明の実施例を比較例とともに示す。

原料粉末として真空焼鈍を施した粒度−100メッシュのF
e−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマイズ合金粉末と、−325
メッシュのFe−Mo粉末あるいは純Mo粉末と、−325メッ
シュのFe−Ｗ粉末あるいは純Ｗ粉末と、Ｂ含有量，不純
物元素であるSi,Al含有量および粒度の異なる各Fe−Ｂ
合金粉とを用いて、第１表の供試材No.1〜12に示す最終
成分組成を持つように適宜配合し、潤滑剤として高級脂
肪酸であるアクラワックスを1.0％加えて混合したの
ち、各混合粉末を7tonf/cm²の圧力で成形し、ついで各
圧粉体を真空中で1150〜1250℃の温度で60分間保持して
焼結した。次いで、各焼結体に焼入れ，焼戻し処理を施
して各供試材とした。なお、Mnは合金鋼粉に通常含まれ
ている元素である。

また、第１表の供試材No.13〜18は、合金鋼粉末としてF
e−Mo−Cr−Si−Ｃ−Ni系としたもの（No.13,14）と、F
e−Mo−Cr−Si−Ｖ−Ｃ−Nb系としたもの（No.15,16）
と、Fe−Mo−Ｗ−Cr−Si−Ｖ−Ｃ−Co−Nb系としたもの
（No.17,18）についてそれぞれ真空焼鈍した粒度−100
メッシュのアトマイズ粉末を用いた場合を示し、添加原
料粉および製造条件は前述と同様にして各供試材を作製
した。

次いで、各供試材（No.1〜18）の機械的特性を調べると
ともに、ロッカーアームの摺動部に取り付けた場合のロ
ッカーアーム自体の摩耗量および相手材であるカムの摩
耗量を下記の実機エンジンによる摩耗試験条件で測定し
た。

すなわち、実機エンジン試験では、各供試材をラッシュ
ジャスタ内蔵型のロッカーアームのカムシャフトとの摺
動部に使用し、４気筒OHCガソリンエンジンにそれぞれ
組み込み、カムシャフト；チル鋳物、エンジン回転数;6
50rpm、オイル；ガソリン用１万Km走行廃油、運転時間;
600時間、およびその他の条件は実際の市場走行と同一
の条件で摩耗試験を行ない、ロッカーアーム摺動部にお
ける摩耗量および相手材であるカムの摩耗量を測定し
た。

第１表にこれらの試験結果を示した。

第１表に示す供試材No.1〜12において、Fe−Ｂ合金粉の
Ｂ含有量と曲げ強さは相関しており、とくに供試材No.1
〜６より明らかなように、Ｂ量が多すぎると曲げ強さは
かなり低い値を示している。また、Fe−Ｂ合金粉のＢ含
有量とロッカーアームおよび相手材カムの摩耗量の和の
関係においても相関しており、Ｂ含有量が多いと摩耗が
大きい傾向を示している。さらに、供試材No.7〜12は、
Fe−Ｂ合金粉のＢ含有量を一定にしてSiとAlの含有量を
比較したものであるが、不純物元素であるSiおよびAl含
有量が少ないほど曲げ強さは大きく、摩耗量が少ない傾
向を示している。これらの事実は、各供試材の顕微鏡組
織および電子顕微鏡による元素の分布状態を観察した結
果によっても裏付けられ、Fe−Ｂ合金粉のＢ量ならびに
不純物元素であるSi量およびAl量が少ない試料は、硬質
析出物が均一に分散しており、SiO₂およびAl₂O₃の塊状
介在物がきわめて少なかった。

次に、供試材No.13〜18は合金鋼の組成が異なる例を示
したものであり、Fe−Ｂ合金粉の組成を従来組成と本発
明における組成とを比較してある。

その傾向は前述したと同様であり、従来のFe−Ｂ合金粉
を用いた場合よりも約40％摩耗量が少ないことが明らか
である。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明による耐摩耗性鉄基焼
結合金の製造方法によれば、焼結合金の成分にＣおよび
Ｂを含みかつ炭化物，硼化物を形成する元素を含む合金
系の焼結合金、とくに、重量比で、C:0.1〜2.0％と、B:
0.5〜2.5％と、硼化物形成元素であるMo,W,Cr,V,Nb,Ta,
Coのうちより選ばれる少なくとも１種:5.5〜34.1％とを
基本成分として含む鉄基焼結合金を製造するに際し、Ｂ
供給源としてFe−Ｂ合金粉を用い、当該Fe−Ｂ合金粉の
成分が、重量比で、B:2〜18％、不純物元素であるSi:0.
5％以下、および同じく不純物元素であるAl:0.1％以
下、残部Feおよび不可避的不純物であるものを用いるよ
うにしたから、Ｂリッチな部分の偏在が生じて局所的な
共晶液相の発生と析出硼化物の粗大化がもたらされてい
るようなことがなくなり、組織がち密で均一なものにで
きるとともに、結晶粒界においてSiO₂,Al₂O₃介在物の少
ないものとすることができるために、機械的強度を著し
く優れたものとすることが可能であり、機械的強度の改
善に伴なってぜい性破壊に起因する摩耗を大幅に低減さ
せることができるという著大なる効果を有し、特に内燃
機関の動弁系機構部材の製造においてきわめて有効な方
法である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加納 眞 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 谷本 一郎 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 遠藤 弘之 千葉県我孫子市つくし野３丁目３−208 (72)発明者 池ノ上 寛 千葉県松戸市常盤平３−26−３−102 (72)発明者 石井 啓 神奈川県横浜市港南区芹が谷３丁目31−15 (56)参考文献 特開 昭61−44152（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比で、C:0.1〜2.0％と、B:0.5〜2.5
   ％、硼化物形成元素であるMo,W,Cr,V,Nb,Ta,Coのうちよ
   り選ばれる少なくとも１種:5.5〜34.1％と、を基本成分
   として含む鉄基焼結合金を製造するに際し、Ｂ供給源と
   してFe−Ｂ合金粉を用い、当該Fe−Ｂ合金粉の成分が、
   重量比で、B:2〜18％、不純物元素であるSi:0.5％以
   下、および同じく不純物元素であるAl:0.1％以下、残部
   Feおよび不可避的不純物であるものを用いることを特徴
   とする耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法。