JPS5830361B2 - 内燃機関用耐摩耗性部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関用耐摩耗性部材及びその製造方法に関
し、特に高面圧を受ける動弁部品、例えばロッカアーム
、タペット、カムや、その他にもバルブシート、バルブ
等に適用されるものである。

近年、内燃機関の省エネルギー｛［Ｚ，高出力化に伴な
い、その部品にも軽量化、高性能が要求されている。

特に耐摩耗性部材においては使用条件が苛酷であり耐摩
耗性、強度、軽量等の種々の条件を同時袴″満足させる
ために、特性の異なる材料を複合した複合材料が用いら
れる順向がある。

本発明はかかる複合材料に関し、形状の複雑なものにお
いても著しく生産性に優れると共に、耐摩耗性に優れ、
かつ結合度の高い複合材料を得るものであり、鉄系母材
と鉄系焼結材料の複合によりなる。

従来、複合材料を得る方法てしては、その異なる材料を
複合する場合の結合方法が問題とされており、一般怨は
鋳鉄・鋼等の鉄系母材に結合する方法として、鋳包み、
ろう付け、溶着等がなされており、この他にも鉄系母材
に焼結材料を結合する方法として溶浸により接合する方
法も提示されている。

焼結材料を鉄系母材に結合する場合には、これらの方法
ではいずれも焼結材料を焼結した後に鋳包み、又はこれ
も所定の寸法になされた母材とろう付げする等、製造工
程が多くかかると共に、鋳包みにおいては材料の選択に
制限があり、又特殊な技術を要する。

又ろう付けは完全な結合が得難く結合強度に不安がある
等の欠点がある。

この他に圧粉体を母材に加圧し焼結をなす方法や（特公
昭４４−６４５７号）、溶浸材を加えて結合する方法（
特公昭４５−２１１６９号）があるが、これらの方法は
製造上の困難性が高く、あるいは溶浸材の成分、列えば
銅によってスカッフィングが発生し易くなる欠点がある
。

焼結材料を特に高面圧を受ける部材に適用する場合、焼
結材料は高面圧に耐えるためその空孔を小さくなすこと
が望まれ、成形焼結後所定の寸法となした後に母材と鋳
包み、もしくはろう付げし結合する方法によってのみな
された。

本発明は上記の欠点を解決したものであり、極めて生産
性に優れると共に、耐摩耗性、強度に優れ、かつ著しく
結合度の高い複合材料及びその製造方法を提供するもの
であり、第１発明と第２発明よりなる。

第１発明は製造方法であり、第２発明は第１発明によっ
て得られる如き内燃機関用耐摩耗性部材に関する。

即ち、本発明第１発明の要旨とするところは、耐摩耗部
をなす炭素粉末０．５〜７． ０重量多を含む鉄および
／又は鉄系合金粉末を圧縮形成し、１２〜２０容量多の
空孔を有し空孔大きさが３００μ以下である空孔が全体
の４０％以上を占める圧粉体となす。

次にこの圧粉体より融点の高い鋳鉄もしくは鋼等の鉄系
母材上に圧粉体を乗せ、この組み合わせた状態で焼結炉
中に装入し、母材の融点以下の温度で加熱維持し、圧粉
体の焼結を行うと同時に圧粉体中の拡散元素の鉄系母材
への拡散により鉄系母材との結合を促がす。

次に炉中で焼結温度より連続的に冷却することにより前
記圧粉体を０．２〜１０容量φの焼結空孔を有し空孔大
きさが２５０μ以下である空孔が全体の４０％以上を占
める鉄系焼結合金となし、かつ焼結合金と母材とを強固
に結合させることを特徴とする内燃機、一関用耐摩耗性
部材の製造方法である。

本発明第１発明の具体的製造方法を第１図より第１０図
までに示し、以下に具体的実施列に基き説明する。

第１図は本発明に用いる炉であり第２図に示す如く圧粉
体１１を鉄系母材１２上に乗せ組み合わせ体１をなした
状態で環元性雰囲気の炉２に装入し、予熱帯２１、焼結
帯２２、冷却帯２３を順に通し、完成品１０を得るもの
である。

圧粉体１１は通常、粉末をダイ中でプレスにより圧縮成
形されてなる。

本発明においては原材料である粉末の組成が、炭素粉末
０．５〜７． ０重量を含む鉄および／又は鉄系合金粉
末によりなり、圧粉体１１の空孔は１２〜２０容量φと
し、空孔大きさが３００μ以下である空孔が４０％以上
を占める圧粉体になされる。

かかる空孔の大きさ、量は粉末の粒径、プレス圧力によ
り調整されるものであるが、焼結温度、時間を選ぶこと
により、最終的に焼結完了した後に０．２〜１０容量多
の焼結空孔を有し、空孔大きさが２５０μ以下である空
孔が全体の４０φ以上を占める鉄系焼結合金となしうる
のである。

炭素は圧粉体中の母材への拡散元素として又、炭化物形
成による硬質物質による耐摩耗性を寄与する元素として
有効的な元素であり、炭素量が０．５％以下では硬質物
質量が不足し、必要な耐摩耗性が得られず、又７．０％
を超えると結合面での脆化が進むばかりでなく焼結後の
硬度が高くなり過ぎ、相手材の摩耗を著しく増大させる
ため、炭素量は０．５〜７．０重量優で選ばれるもので
ある。

次に鉄系母材は鋳鉄もしくは鋼が適用されるが。

いずれの場合も、炉中で圧粉体と共に加熱されるため、
圧粉体より融点が高い材料が適用される。

上記の如き圧粉体と鉄系母材は組み合わせた状態で焼結
炉中に入れられ、圧粉体の融点以下で加熱される。

加熱によって圧粉体は固相、もしくは液相で焼結され、
特に液相に致る温度で加熱された場合、圧粉体は著しく
収縮し空孔の大きさ、量を減する。

又、圧粉体の拡散元素が鉄系母材中に拡散し鉄系母材と
の結合が進行する。

その後炉中にて冷却してやる一連の加熱、冷却によって
圧粉体の焼結完了と母材との固い結合がなされるもので
あるが、本発明におい℃はこの一連の工程によって下記
の特徴を得るものである。

即ち、焼結に伴う収縮中に母材との結合が著しく進んだ
場合には、収縮に伴う内部応力が結合面に残留し、結合
面の脆化を伴うものであるが、本発明の如く一連の炉中
加熱冷却によれば、かかる収縮に伴う結合面での内部応
力の発生を起こさず、完全な結合をなしうる。

この理由は明確には要求されていないが、炉中処理によ
り焼結温度に達し圧粉体が収縮を始め、収縮を完了する
までの速度が、拡散速度を大きく上まわり、又冷却進行
中においても拡散が進行完了するためと思われる。

本発明において最も好ましい圧粉体の組成として炭素粉
を０．５〜７．０重量多官み燐、硼素、硅素のうち１種
又は２種以上を０．１〜７．０％含む鉄および／又は鉄
系合金粉末であり１２〜２０容量多の空孔を有し、空孔
大きさが３００μ以下である空孔が、全体の４０％以上
を占める圧粉体となす。

かかる圧粉体の原料粉末は、本発明者の特許願昭５２−
１２８１２０号に基づいて得られるものであるが、特に
燐・硼素・硅素による拡散結合の効果を得ることができ
ると共に、液相焼結することにより耐ピツチング性、耐
スカッフィング性に著しく優れた材料を得ることが可能
である。

さらに、本発明者の特許願昭５２−１２８１２０号によ
る耐摩耗性焼結合金製動力機械用摺動部材をそのまま適
用しても、光分な効果を上げうるものである。

かかる方法、原材料にしてなされた本発明の内燃機関用
耐摩耗性材料を第３図ａ第３図すに示す。

第３図ａは、倍率４００倍のマーモル液腐蝕処理した顕
微鏡写真であり、空孔Ｖと炭火物Ｃと素地Ｂとの分散し
た耐摩耗性に優れる焼結合金部■と母材■とが間隙なく
結合した境界■を有している。

又、第３図すは倍率７００倍のＸ線マイクロアラライザ
ーライン分析写真であり、焼結合金部■より母材■中へ
のクロムの拡散状態を示すプロットＡに示す如く、母材
中への拡散がなされており、拡散によって強固な結合が
なされていることを示す。

冑、第３図ａ第３図すに示す写真は、母材に８４５℃の
鋼材を用い、焼結部は炭素２，５φ、クロム１２％、燐
０．５％、Ｎｉ１．０％、Ｍｏ１．０優、残部鉄よりな
る本発明者の特願昭５２−１２８１２０号に基づく焼結
合金材料は本発明製造方法をなしたものである。

本発明の製造方法によれば以上に記した如く母材と耐摩
耗部の強固な結合を可能としうるものであり、前記した
８４５Ｃ鋼材によりなる母材と０２．５％、Ｃｒ１２％
、Ｐｏ、５％、Ｎｉ１．０％、Ｍｏ１．０％、残部鉄よ
りなる本発明者の特願昭５２−１２８１２０号に基づく
焼結合金材料を本発明製造方法でなした複合部材をアム
スラー万能引張試験により測定した結果２０．Ｏｋｙ／
ｍ１ｉｌの結合面での引張強度を得るものである。

さらに、本発明の製造方法によって得られた焼結部は０
．２〜１０容量φの焼結空孔を有し、空孔大きさが２５
０μ以下である空孔が全体の４０％以上を占める鉄系焼
結合金となる。

焼結空孔が０．２容量多未満では潤滑油保油性に劣りス
カッフ摩耗し易くなり、１０容量多超では結果的に焼結
が不十分で粒子間結合が弱く、疲労破壊し易すい。

又空孔は微細であり均一に分散している事が望ましく、
空孔が２５０μ超で空孔が１０容量φ未満の場合では空
孔は偏在することとなり保油性は著しく劣化する等の理
由により、空孔大きさが２５０μ以下である空孔の全体
の４０φ以上を占めることが条件となる。

かかる空孔の量、大きさを得るには、本発明の製造方法
によれば圧粉状態での空孔を１２〜２０容量多とし、空
孔大きさが３００μ以下である空孔が全体の４０φ以上
を占める必要がある。

焼結温度、時間の差異により固相焼結、液相焼結の差異
により、望まれる空孔大きさ、量は上記の範囲内で選ば
れるものである。

本発明による耐摩耗性部材の製造方法の実施列を第４図
〜第１０図に図示し以下に説明する。

まず第４図に示す如く圧粉体１１を母体１２上に乗せた
場合、その接合部空隙１３は小さくなされることが望ま
しく、母材表面１２１は少なくも２０μ以下の粗さに仕
上げられる。

２０μ超の粗さでは、圧粉体１１と母材１２間の空隙１
３が多く、拡散による結合が進行し難く、結合度が得ら
れない。

次により母材との結合を促がすものとして、第５図に示
す如く硼素、燐等によるフラックス３を介在させて後、
炉中で一体的に焼結することにより拡散効果を促進し、
より強固な結合を得る。

又、本発明では圧粉体を単に母材上に乗せ炉中に装入す
るため、圧粉体と母材との炉中でのずれ位置決めが問題
となり、かかる問題を解決する方法として、第６図〜第
８図に示す如く圧粉体、母材を炉中装入以前に成形する
ことが望まれる。

即ち第６図、第７図に示す如く圧粉体１１および鉄系母
材１２の互いに接合する面１１Ｌ１２１に互いに嵌合す
る突起４もしくは溝５を設けかみ合わせて位置決めを容
易にし、且つずれを防止することが望ましい。

この突起４又は溝５の形状については、一本又は複数の
直線や十字型、Ｔ字型又は矩形、多角形など位置すれと
回転防止が防がれる形であるということはいうまでもな
い。

あるいは第８図に示す如く母材１２に圧粉体１１を嵌合
するフランジ１２２を設げ凹部１２３に圧粉体１１をは
めることがなされる。

あるいは第１１図、第１２図に示す如く圧粉体１１に７
ランジ１２４を設は母材１２にはめこむ事がなされる。

さらに本発明製造方法によって得る耐摩耗性部材が列え
ば第９図に示すタペット６の如く、薄肉であり母材にも
ある程度の耐摩耗性が要求されるものでは、母材１２を
鋳鉄とし、母材自体の耐摩耗性を生かす組み合わせとな
す方法がある。

又、例えば第１０図に示すロッカアーム７の如く軽量、
強靭性を要求されるものでは母材１２を鋼とし、これら
の要求に応えると共に、列えばロッカアームのボス部７
１やねじ座部７２等の耐摩耗性の必要な部分に浸炭、焼
入れ、窒化等の硬質処理を施すことがなされる。

又例えば第１３図、第１４図に示す如くタペット６、ロ
ッカアーム７の鉄系母材１２に複数の圧粉体１１．１１
を組合わせることがなされる。

本発明製造方法は、上記の如く鉄系母材を用いるもので
あるが、焼結部と鉄系母材との結合が拡散によりなされ
るため、母材と圧粉体の組み合わせも下記の如くなすの
が望まれる。

即ち、低炭素鋼もしくは低合金鋼を母材に用いた場合に
は焼結部分の結合面近傍では、拡散元素の母材への拡散
に伴い空孔が成長する可能性があり、圧粉体の拡散元素
含有量を多くなすことが望まれる。

逆に鋳鉄等の炭素含有量が多い母材でＱ′！、圧粉体と
母材との相互に拡散する元素の作用により、母材の結合
面近傍での融点が下がり、結合部での溶融状態となる可
能性があり、圧粉体中の拡散元素含有量を調整する必要
がある。

上記の如くしてなされる本発明の製造方法は、母材がい
かなる複雑な形状をしていても、圧粉体との接合面を形
成することにのみよって、所望の複合材料を得ることが
可能であることは明白であり、上記実施料以外にも広く
適用されうるものである。

さらに本発明においては、炉中の冷却速度をコントロー
ルすることによって、母材の組織を任意に変え得るので
硬度もそれにともない変化し耐摩耗性を与えることが可
能であり、特別な硬化処理を必要とせずして耐摩耗性部
材を得ることが可能である。

以上に記した如く本発明によれば、いかなる複雑な形状
の鉄系母材に対しても容易に複合材料を得ることが可能
であり、又、極めて少ない工程により製造される等、生
産性に著しく優れるばかりでなく耐摩耗性に優れ且つ結
合度の強い複合材料を得ることを可能とするものである
。

本発明第２発明は、以上に記した如き第１発明によって
なされる内燃機関用耐摩耗性部材であり、その要旨は鉄
系母材と鉄系焼結合金が拡散結合により結合しており、
鉄系焼結合金が０．２〜１０容量φの焼結空孔を有し、
空孔大きさが２５０μ以下である空孔が全体の４０％以
上であり、炭素を０．５〜５．０重量φ含んだ鉄系焼結
合金と鉄系母材との複合によりなる内燃機関用耐摩耗性
部材である。

空孔大きさ、量、及び炭素量の限定理由は、本発明第１
発明の説明中に記した如くであり、かかる説明により明
らかな如く本発明第２発明によりなる耐摩耗性部材は、
母材の形状にかかわらず、かつ著しく生産性に豊むもの
であり、又、耐摩耗性及び結合度の高い複合材料である
。

さらに本発明第２発明の実施列としては、本発明第１発
明の説明で述べた製造方法によって得られるものが第２
発明に適用されるものであるが、特に、母材を鋼材とし
た場合には、鋼材の強度を生かし、軽量かつ強靭なる複
合材料を得ると共に必要により、浸炭、窒化、焼入れ等
の硬化処理により、耐摩耗性を得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明における炉を示す正面図、第２図は、
圧粉体と鉄系母材との組み合わせ休所面図、第３図ａは
、本発明による複合材料結合部組織顕微鏡写真（Ｘ４０
０）、第３図すは、本発明による複合材料結合部Ｘ線マ
イクロアナライザー写真（Ｘ７００）、第４図〜第１４
図は、本発明実施例であり第４図〜第８図及び第１１図
、第１２図は、圧粉体、母材の形状実施列、第９図、第
１２図、第１３図、第１４図は使用実施列を示す。 符号の説明、１・・・・・・本発明耐摩耗性部材、１１
・・・・・・圧粉体、１２・・・・・・母材、１３・・
・・・・圧粉体・母材間空隙、２・・・・・・炉、３・
・・・・・フラックス、■・・・・・・空′ＩＬ Ｃ・
・・・・・炭化物、Ｂ・・・・・・素地、■・・・・・
・焼結合金部、■・・・・・・母材、■・・・・・・境
界、４・・・・・・突起、５・・・・・・溝、６−−−
−−−タベツト、７・・・・・・ロッカアーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関用耐摩耗性部材の製造方法において、耐摩
   耗部をなす、炭素粉末０．５〜７．０重量φを含む鉄及
   び／又は鉄系合金粉末を圧縮成形し、１２〜２０容量俤
   の空孔を有し、空孔大きさが３００μ以下である空孔が
   全体の４０％以上を占める圧粉体となし、該圧粉体より
   融点の高い鉄系母材上に該圧粉体を乗せて組み合わせ体
   を構成し、該組み合わせ体を焼結炉中で鉄系母材の融点
   以下の温度で加熱し、連続して炉中で冷却することによ
   り、前記圧粉体を０．２〜１０容量優の焼結空孔を有し
   、空孔大きさが２５０μ以下である空孔が全体の４０％
   以上を占める鉄系焼結合金となすと同時に、該鉄系焼結
   合金を圧粉体中の拡散元素の鉄系母材への拡散により鉄
   系母材と結合させることを特徴とする内燃機関用耐摩耗
   性部材の製造方法。 ２ 前記製造方法において、前記圧粉体が、炭素粉０．
   ５〜７．０重量多音み、燐、硼素、硅素のうち１種又は
   ２種以上を０．１〜７．０重量φ含む鉄及び／又は鉄系
   合金粉末であることを特徴とする特許部材の製造方法。 ３ 前記製造方法において、前記鉄系母材の圧粉体を乗
   せる表面を２０μ以下の粗さに仕上げたことを特徴とす
   る前記特許請求の範囲第１項記載の内燃機関用耐摩耗性
   部材の製造方法。 ４ 前記製造方法において、圧粉体と、前記鉄系母材間
   に、硼素、燐等によるフラックスを介在させて後、焼結
   することを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の
   内燃機関用耐摩耗性部材の製造方法。 ５ 前記製造方法において、前記圧粉体及び鉄系母材の
   互いに接合する表面に互いに嵌合する突起もしくは溝を
   設けるか、もしくは圧粉体及び鉄系母材に互いに嵌合す
   るフランジを設けることを特徴とする前記特許請求の範
   囲第１項記載の内燃機関用耐摩耗性部材の製造方法。 ６ 前記製造方法において、前記鉄系母材が鋳鉄である
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の内燃
   機関用耐摩耗部材の製造方法。 ７ 前記製造方法において、前記鉄系母材が鋼であり、
   焼結・冷却後に焼入れ、浸炭、窒化等と硬化処理をなす
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の内燃
   機関用耐摩耗性部材の製造方法。 ８ 前記製造方法において、前記鉄系母材に複数の鉄系
   焼結合金を組合せる事を特徴とする前記特許請求の範囲
   第１項記載の内燃機関用耐摩耗性部材の製造方法。 ９ 内燃機関用耐摩耗性部材において、鉄系母材と鉄系
   焼結合金が拡散結合により結合しており、該鉄系焼結合
   金が０．２〜１０容量多の焼結空孔を有し、空孔大きさ
   が２５０μ以下である空孔が全体の４０％以上を占め、
   炭素を０．５〜７０重量多含んだ鉄系焼結合金と鉄系母
   材との複合によりなることを特徴とする内燃機関用耐摩
   耗性部材。 １０前記耐摩耗性部材において、前記鉄系母材が鋼であ
   り、浸炭、焼入れ、窒化等の硬化処理部を有することを
   特徴とする特許 項記載の内燃機関用耐摩耗性部材。 １１ 前記耐摩耗性部材において、前記鉄系母材が鋳鉄
   であることを特徴とする前記特許請求の範囲第９項記載
   の内燃機関用耐摩耗性部材。