JPS583951A - 耐摩耗性焼結合金およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐摩耗性焼結合金およびその製法に関するも
のである。更に詳しくは、従来の、特願昭５３−７６１
０７号、同５５−２７１０７号に開示されて因る組成の
耐摩耗性焼結合金に、　Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ。

ＴＩ　、　Ｔａ　　の炭化物形成元素を加えることによ
り耐摩耗性を更に向上させた焼結合金およびその製法に
関する。

特願昭５３−７６１０７号明細書中には、Ｃｒ１５〜２
５％　−Ｐ　ａ５〜０．８％　−Ｃｕ　１〜５％　−Ｍ
ｏ　Ｓｑ６以下−不純物２条以下−グラファイト１．５
〜４．０チ一残部Ｆｅよりなる組成の耐摩耗性焼結合金
について記載されている。また、特願昭５５−２７１０
７号明細ｉｓ中には、Ｃｒ　２．５〜７．５４−　Ｐ　
［１，２〜［ＬＳＩ　−Ｃｕ１〜５係−Ｍ０３チ以丁−
Ｃ１，５〜五５チー不純物２優以下〜残部ｐｅよりなる
組成の耐摩耗性焼結合金について記載されている。これ
らの焼結合金は、いずれも耐摩耗性に優れ、高密度・高
硬度であることから、高面圧下で使用される摺動部品、
例えば自動車動弁系のカムシャフトやロッカアームパッ
ドに用いられることが記載されている。

しかしながら、自動車の高性能化がますます強く要求さ
れつつある現在、上記ロッカアームやカムの使用条件も
次第に厳しくなり、上述の耐摩耗性焼結合金よりさらに
一層耐摩耗性の向上した組成の焼結合金が強く望まれて
きている。

本発明は、上述の特願昭５３−７６１０７号および特願
昭５５−２７１０７号に記載された焼結合金（以下、と
ｎら２つの出願明細書に記載されている焼結合金をそれ
ぞれ焼結合金■、焼結合金■という）の改良に関するも
ので、上記各出願明細書に記載されている組成の焼結合
金■５　■に、さらに炭化物形成元素を添加することに
より従来の焼結合金よりはるかに優れた耐摩耗性を有す
る焼結合金を提供するものである。

すなわち、本発明耐摩耗性焼結合金は、Ｍ量比で、Ｃｒ
　２．５〜２５．０％、Ｍｌｌ　０．１〜ＫＯ％、Ｐ　
［１２〜α８嗟、ＣＯ１，０〜５．０％、Ｓ−［１５〜
２．０　’Ａ、ＭＯ五〇係以下トカラなル母合金ト、ｗ
ａｉ〜ｓ、ｏ係、■［１，１〜−〇係、Ｎｂα１〜２．
５％、Ｔｌ　１１１〜２．５％、Ｔａ　Ｏ，１〜１．５
％　）１種もしくは２棟以上とからなる添加合金の全合
金重量に対し１１〜１０．０，１と、かつＣ１，５〜′
！Ｌ５＊および不純物２チ以下、残部Ｆｅとからなるも
のである。

母合金を形成する各金属元素の組成割合は、上述の特願
昭５５−７６１０７号および特願昭５５−２７１０７号
に記載されている。このうち、耐摩耗性、紹スカッフイ
ンク性の向上に有用なＣ［の場合、焼結合金Ｉにおいて
は１５〜２５チ、焼結合金■においては２５〜７．５優
であるが、本発明ではＷ、　Ｖ。

Ｎｂ、Ｔｔ、”ｒａの添加効果が著しいため、Ｃｒの組
成範囲を２５〜２１０優まで広げることが可能となった
。Ｃｒの組成範囲を拡大できたのは、後述する本発明に
よる２種の合金段床を別々に製造しこれらをブレンドし
て焼結する方法を適用することにもよる。２．５係以下
では焼結合金の耐摩耗性が劣り、２５．０％以上では添
加効果が見られず逆に摺動特性が変化して相手部材への
攻撃性が増加し好捷しくない。

マンガンは、７トリツクスに固溶して強度を高めるとと
もに、鉄基地の焼結を活性化し、また結晶の成長を抑制
して炭化物の微細化ならびに球状化に寄与するため焼結
晶の摺Ｍｌｌ’性を改善するものである。但し、これら
の効果はマンガン添加ｆｉ［１１０４未満ではほとんど
効果がなく、また３０ヂを越えると、噴縫合金粉が球状
化し硬化して粉末の圧扁性、成形性が大幅に劣り所望の
密度や硬さが得られなくなるだけでなく、焼結時に残留
オ・−ステナイトが増加して硬さが逆に低下したり、酸
化によって逆に焼結性が阻害されたりし易いので１１０
〜■Ｉに限定し九が、総合的に見ると特に１１０〜１．
５チが好ましい。

リンは、本発明合金では焼結時にマトリックスに固溶し
て焼結を活性化させ、より低温での焼結全可能にするだ
けでなく、低融点のステダイト相を形成して液相により
高密度化する。但し、このようなリンの効果は、添加量
が０．２４未満では不充分であり、またｎ、ｓｌを越え
ると液相が過剰となり、炭化物、ステダイトが異常に成
長して粒界が脆化し摺動性能も低下するので、リンの添
加蓋はα２〜α８優に限定した。なかでも特に［１３５
〜［１４５％　　が好ましい。

モリブデンはクロムと同様にマトリ・ンクスを強化し焼
入性を向上させて焼結体の硬さを上昇させるだけでなく
、（Ｆｅ　、　Ｃｒ　、　Ｍｏ　）ｓＣを主とする硬質
複合炭化物を形成し、摺動特性を改善する。モリブデン
は、添加しなくてもカム等の摺動部材で必要な性能は確
保出来るが、炭化物の形状をより丸くシ、相手材攻撃性
を抑える効果もめる丸め、３−以下で添加すれば有効で
ある。

６−以上加えると、結晶粒界にネットワーク状の炭化物
を形成して合金を脆化するとともに摺動特性をも低下せ
しめるだけでなくコスト高になるので３チ以下が好捷し
い。就中、α５〜１．５壬が総合的に好捷しい。

銅はマトリックスに固溶し、焼結を安定化するほか、基
地を強化して硬ざを上げるとともに炭化物の微細化、球
状化にも効果を示すが、１．０チ未満では有効でな（，
５，０チを越えると逆に結晶粒界を弱くし、摺動性能を
低下せしめるだけでなくコスト高になるので１．０−５
．０４に限定した。とりわけ１，５〜屓Ｉが好ましい。

シリコンはマトリックスに固溶して鉄基地の焼結全安定
化し、炭化物粒子を球状化させる効果も有している。ま
だシリコンは、合金粉末を噴霧する際の溶湯の脱酸剤と
して必要である。

しかし、α５優未満では粉末の酸化が進行して脱酸効果
が望めず、一方２憾を越えるとマトリックスの焼入性が
低下して硬さの低下をもたらすだけでなく、炭化物が粗
大化し粒界に偏析して摺動性能が低下するので（Ｌ５〜
２優に限定した。

なかでも０７〜１．５係が特に好ましい。

炭素として使用される黒鉛は、炭素としてマトリックス
に固溶し、硬さを高め、基地を強化するとともに、クロ
ムやモリブデンまたは他の添加合金とともに複合炭化物
を形成し、またステダイト相の形成にも寄与して耐摩耗
性を向上させる。しかし、１．５４未満ではマトリック
スの硬さおよび炭化物、ステダイトの量が不足し、また
３、５優を越えるとそれらが粗大化し、粒界にネヅトワ
ーク状に成長して摺動性能が大幅に低下し、また相手材
攻撃性も増大するので、１．５〜五５哄に限定した。な
かでもｔ８〜五〇哄が特に好ましい。

本発明で加える添加合金の成分は、基地中に良好に分散
して高硬度の炭化物を形成しつる金属元素、すなわちＷ
、　Ｖ、　Ｎｂ、　ＴＩ　、　Ｔａ　Ｔある。これらの
元素は単独でまたは２種以上を組み合わせて母合金に添
加することができる。各合金成分の組成範囲は、Ｗ（Ｌ
ｌ　〜ａｏ憾、Ｖ　（Ｌｌ　〜ａｏ哄、Ｎｂ　［１１〜
２．５１、Ｔｌ　［Ｌｌ　〜２．５％、７’ａ　［１１
〜１．５１とし、各成分の添加量が下限以下では添加効
果がみられず、上限を越えても添加効果は増さないばか
シでなく、相手部材への攻撃性を増ししかもコスト高と
なるので好゛愛しくない。添加合金の母合金への総添加
割合は、全合金１曾に対し０．１〜１α０チである。総
添加駄が１．０％未満では効果がみられず、２［１，０
％以上では耐摩耗性上の効果増加は見られず、コスト高
とな９好ましく碌い。

また、本発明は、上記組成の焼結合金を製造するにあた
ってそれぞれ母合金粉と添加合金粉とを別々に製造し、
こ詐ら２種の合金粉を適当割付でブレンドして合金粉を
つくり、この合金粉末に所定量の炭素を加え焼結するこ
とにより、粉末成形体の密度を高め、耐摩耗性が一段と
優れた焼結体を得ることのできる製法を提供するもので
ある。

各種金属成分からなる合金の焼結品を得るには、従来、
各合金元素を単独あるいはフェロアロイで添加混合した
後、所定量の黒鉛を添加・混合し、所定形状の圧縮成形
体を成形後、１０００’Ｃ以上の高温で焼結していた。

合金粉の製造には、一般に、水噴霧法が行なわれている
。

（９） しかしながら、上記従来法を本発明組成の合金に適用し
友場合、Ｗ、　Ｖ　、　Ｎｂ　、　Ｔｉ　、　Ｔａミノ
加合金を母合金成分に添加する際に、これら合金元素を
単独またはフェロアロイで添加したのでは炭化物の微細
均一分散が困難であり、焼結品の性能が劣り、一方、合
金粉成分として添加した場合には、焼結品の性能面での
改善効果は得られるが、合金粉の硬さが増し３圧縮性等
の粉末成形特性が低下し、また金型寿命も低下させるた
め生産技術面で問題が残った。

本発明方法は、合金粉末の硬度上昇を極力抑えるべく、
母合金粉末（以下、合金粉末■という）と、母合金およ
び添加合金からなる粉末（（以下、合金粉末■という）
との２種類の粉末をそれぞれ別途に水噴霧法により製造
し、これら２種の合金粉末■とＶとを適当量混合し友後
、黒鉛を添加・混合し、圧縮成形体を成形後、焼結する
ことにより、圧縮性等の粉末成形特性をほとんど低下す
ることなく、高密度の圧粉体を得ることができる。この
結果得られる焼結品は、（１Ｇ） 耐摩耗性に著しく優れ、しかも焼結品中の気孔もほとん
どみられず耐久性が向上する。

合金粉末■中の母合金の組成は、合金粉末■の組成と同
一でもよいが、合金粉末■の硬度上昇を抑えるために母
合金の割合を減らすことができる。しかし々から、合金
粉末Ｖ中の母合金割合が低過ぎると、焼結晶の組織が不
均一となり好ましくないので、合金粉末■中の添加合金
の割合は１憾〜２０−とする。

合金粉末■に対する合金粉末■　の配合比率は、１０〜
５０優とする。１０優以下であると添加合金の配合割合
が低過ぎて耐摩耗性に劣り、また５０チ以上とすると焼
結が困難でかつ相手部材への攻撃性が増して好ましくな
い。

在合金粉末１．ＩＶの製造は、常法に従い、水噴霧法で
行なわれる。

上記２種の合金粉末■および■を混合した後、圧縮成形
体を形成するには、例えば４〜７　ｔｏｎ／♂の圧力下
にて行なう。成形体の密度は５．５〜＆５ｆ／ｃｄとす
ることが好ましい。

（１１） 焼結は、例えば１１００〜１２００°Ｃ１００ル１２０
０以下、本発明を実施例および比較例を用いてさらに詳
しく説明する。

実施例１ Ｆｅ　−　２．５Ｃｒ　−　ａＩＭｎ　−　０．２Ｐ　
−　１．０ｅｔｃ　−　０．５Ｓｌ　−０、１Ｗ−αＩ
Ｖ　−　［ＬＩＮｂ　−　０．ＩＴｉ　−　Ｑ．ＩＴａ
なる粉末Ａを水噴霧法で製造し、−１００メツシエにふ
るい、黒鉛１．　７　１　ｉ添加・混合して６ｔｏｎ／
，ｊで成形し、還元ガス雰囲気中で１１８０°Ｃ　６０
分焼結して合金組成がＦｅ　−　２．５Ｃｒ　−　０．
１Ｍｎ−α２ｐ　−１、ＯＣｕ　−　［Ｌ５Ｓｌ　−　
［ＬＩＷ　−　［ＬＩＶ　−　ＣＬＩＮｂ−α１Ｔ１−
［ＬｌＴａ　−　１．５Ｃ　の焼結合金を得た。

実施例２ Ｆｅ　−　２．５Ｃｒ　−　［ＬＩＭｎ　−　［１２Ｐ
　−　１．ＯＣｕ　−　［Ｌ５ＳＩ　−１、ＯＷ　−　
１．ＯＶ　−　１．ＯＮｂ　−　１．ＯＴＩ　−　１．
ＯＴａ　　なる粉末Ｂ１およびＦｅ　−　２．、５Ｃｒ
−ａＩＭｎ　−　α２Ｐ　−　ｔＱｃｕ　−ｃｔｓｓｉ
　　なる粉末Ｃを水噴霧法で製造し、−１０１１メツシ
ユにふるい、前記粉末ＢとＣを、Ｂ：Ｃ＝１０：９０の
比率に配合し、さらに黒鉛１，７（Ｈ） −を添加して混合した。得られた合金粉を６１０ｎ／ｃ
ｊで成形し、還元性ガス雰囲気中で１１８０°Ｃ１６０
分間焼結して、合金組成が実施例１と同一の焼結合金を
得た。

実施例３ Ｆｅ　−　４．９Ｃｒ　−　１．ＯＭｏ−α５Ｐ　−　
２．ＯＣｕ　−　１．０５１−　１．０ＭＯ　−　１．
０Ｗ　−　２．ＯＶ　−　ｔＯＮｂ　カラナ，６粉末Ｄ
（−ｉｎｎメツシュ）ヲ、実施例１と同様の方法で製造
し、黒鉛２．７’４に添加し、１１２０’Ｃで焼結して
、合金組成がＦｅ　−　４９Ｃｒ　−　１．ＯＭｏ　−
（１５Ｐ　−　２．０Ｃｕ　−　１．Ｏ３ｌ　−　１．
０ＭＯ　−　１．０Ｗ　−　２．ＯＶ　−１、口Ｎｂ　
−　２．５Ｃ　の焼結合金を得た。

実施例４ Ｆｅ　−　５．０ｃｒ　−　１．ＯＭｏ　−　［１５Ｐ
　−　２．ＯＣｕ　−　ｔＯ５ｉ−　ｔＯＭｏ　−　５
．０Ｗ　−　１（ＬＯＶ−５．ＯＮｂ　　カらなる粉末
Ｅおよびｐｅ　−　５．０Ｃｒ−　１．０ＭＯ　−　（
１５Ｐ　−　２．ＯＣｕ　−１Ｏ　Ｓ　ｌ　−　１．Ｏ
Ｍｏなる粉末Ｆをそれぞれ実施例１と同様に製造し、こ
れら粉末ＥとＦをＥ：Ｆ−２０：８０　　の比率に配合
し、黒鉛２．７憾を添加して１１２０°Ｃで焼結し、合
金組成が実施例（１３） ３と同一の焼結合金を得た。

実施例５ Ｆｅ　−　４．９Ｃｒ　−　１．ＯＭｏ−α５Ｐ　−　
２．ＯＣｕ　−　１．Ｏ３＋−　１．ＯＭｏ　−　５．
０Ｗなる粉末Ｇを製造し、黒鉛２、７＝ｊ’ｉ添加し、
１１５０°Ｃで焼結して、合金組成がＦｅ　−　４．９
Ｃｒ　−　１．ＯＭｏ　−　［１５Ｐ　−　２．ＯＣｕ
　−　１．Ｏ８ｉ　−　１．ＯＭｏ　−　５．０Ｗ　−
　２．５Ｃの焼結合金を得た。

実施例６ Ｆｅ　−　５．ＯＣｒ　−　１．ＯＭｏ　−　０．５Ｆ
　−　２．ＯＣｕ　−　１．０５１　−１、ＯＭｏ　−
　１αＯＷなる粉末Ｈおよびｐｅ　−　５．０Ｃｒ　−
１、ＯＭｏ−α５Ｐ　−　２．ＯＣｕ　−　１．Ｏ５＋
　−　１．０ＭＯなる粉末Ｆを用いこれら合金粉末Ｈと
ＦｅＨ：Ｆ＝５０：５０の比率で配合し、黒鉛２．７チ
　を添加して１１５０°Ｃで焼結して、合金組成が実施
例５と同一の焼結合金を得た。

実施例７ Ｆｅ　−　２２．ＯＣｒ　−　１．９Ｍｎ　−　０．Ｂ
Ｐ　−’　３ｃ８Ｃｕ　−　２．０５１−　２．４Ｍｏ
　−　４８Ｖ　−　２．４ＴＩ　−　ｔ４Ｔａ　　なる
粉末夏を製造し、黒鉛５８俤を添加し１１５０°Ｃで焼
結して合金組成がＦｅ　−　２１．６Ｃｒ　−　１．９
Ｍｎ　−　［１８Ｐ　−（１４） ３ＬＢｃｕ　　−２，Ｏ５＋　　−２，４Ｍｏ　　−４
８Ｖ　−２，４Ｔｉ　　−１，４Ｔａ−五５Ｃなる焼結
合金を得た。

実施例８ Ｆｅ　−２［ＬＯＣｒ　−１，０Ｍｎ−α８Ｐ　−＆Ｏ
Ｃｕ　−ＺＯ５Ｉ−２，０Ｍｏ　−１１０Ｖ　−５，Ｏ
Ｔ＋　−ＡＯＴａなる粉末ＪおよびＦｅ　−２５，ＯＣ
ｒ−ｉｏＭｎ　−Ｑ、８Ｐ　−５，ＯＣｕ　−２，Ｏ５
ｉ　−ＡＯＭｏなる粉末Ｋを用い、これら合金粉末Ｊと
ＫｆｔＪ：に＝５０：５０の比率で配合し、黒鉛五８チ
を添加し１１５０°Ｃで焼結して合金組成が実施例７と
ｔｈｌは同一の焼結合金を得た。

比較例１ 実施例２の粉末Ｃに、黒鉛１．７１　ｉ添加し１１８０
°Ｃで焼結して合金組成がＦｅ　−２，５Ｃｒ　−［Ｌ
ＩＭｏ　−［Ｌ２Ｐ　−１，ＯＣｕ　−＋１Ｌｓｓｔ　
−１，５Ｃ（Ｄ焼結合金を得た。

比較例２ 実施例４の粉末Ｆに黒鉛２．７優を添加し、１１２０°
Ｃで焼結して合金組成がＦｅ　−５，０Ｃｒ　−１，０
Ｍｎ−α５Ｐ　−１０ｃｕ　−１，Ｏ３＋　−１，０Ｍ
ｏ　−２，５Ｃなる焼結合金を得た。

（１５） 北上の実施例および比較例の焼結合金で内燃機関のエン
ジンカムｅＥ作し、相手ロッカーアームに高Ｃｒ鋳鉄（
２３％Ｃｒ　ｌ　　を用い、２００時間の過酷な条件で
の実機台上耐久評価を行ない、カムおよび相手ロッカア
ームパッドの摩耗量を測定した。

結果を表１に示した。

（１６） 第　　１　　表 上記第１表より次のことが明らかでおる。

■　比較例１と実施例１，２および比較例２と実（１７
） 流側３・４との焼結晶の耐摩耗性評価結果により、添加
合金Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔ＋　、　Ｔａが耐摩耗性に
著しく効果があることがわかる。また相手部材・（ロッ
カアームパッド）への攻撃性も少ないことがわかる。

■　合金製造過程で２種の合金粉末を別途製造し、ブレ
ンドする効果については、実施例１と２、実施例３と４
、実施例５と６、実施例７と８とを比較することにより
明らかである。すなわち合金粉末をブレンドする工程を
罷た実施例２゜４、６．８の焼結体は、このような操作
を行なわない実施例１．３．５．７　　のものに比べて
、いずれも焼結体特性が向上し、従ってカムの摩耗率は
減少している。特に、比較例１と実施例２との成形体密
度は同等、比較例２と実施例４との成形体密度もほぼ同
等であり、このブレンド操作ニヨリ、添加成分Ｗｅ　Ｖ
、　Ｎｂ＋　Ｔ＋　＊　Ｔａ　　による粉体圧縮性の悪
化が回復していることがわかる。

このことは、実施例５と６、実施例７と８とを比較する
ことによっても明らかである。

（１８） ■　実施例８は、合金粉末■中の母合金の割合を合金粉
末■に比べ減ら【−で粉末硬さを粉末Ｊ＝２９０、粉末
に＝２８０　　と低込値に揃えた例であるが、これによ
り成形体密度の低下が大幅に抑えられ、それに伴なって
焼結体特性も改善され、耐摩耗性が向上してＡる。

以上の記載からも明らかなように、本発明焼結合金は、
従来の焼結合金Ｖこ比べ著しく耐摩耗性に優れ、しかも
相手部材に対する攻撃性が低いので、高面圧下での摺動
部材例えば自動車動弁系のロッカアームパｙドやカムピ
ース用材料として好適である。また、本発明方法を用い
れば、粉末硬さの低下が抑えられるので圧縮成形体の密
度を上昇させることができ、従って耐摩耗性の向上を一
段と計ることができるとともに、焼結体の気孔率も減少
し、高強度となる。従って、本発明方法で得られる焼結
体摺動部品は耐久性に著しく優れるものである。

（１９）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　重量比で、Ｃ１’　２．５−２５．０％、Ｍ
   ｎ　０．１〜１０５６、Ｐ　Ｏ，２〜［Ｌ８％、Ｃｕ　
   １．０〜５．０％、３１０．５〜２．０％、ＭＯ３，０
   ４以下からなる母合金と、Ｗ　０．１〜５．０％、Ｖ　
   Ｏ，１〜５．０％、Ｎｂ　Ｏ，ｉ　〜２．５％、Ｔｉ　
   ［１１〜２．５　’Ｉ＝、Ｔａ［１，１〜１．５％の１
   種もしくは２種以上とからなる添加合金の全合金重量に
   対しｎ、ｉ〜１α０チと、Ｃ１，５〜五５ヂおよび不純
   物２チ以丁、残部ＦＣとからなる耐摩耗性焼結合金。
2. （２）重量比で、Ｃｒ　２．５〜２０．０　％、Ｍｎ　
   ０．１〜１．０　％、Ｐ　Ｏ，２〜０．８４、Ｃｕ　１
   ．０〜五〇％、Ｓｉ　１１５〜２．０％、ＭＯ２，０４
   以下とからなる母合金と、Ｗｌ、０〜１００チ、Ｖ　１
   ．０〜ＩＱ、０％、Ｎｂ　１０〜５．０％、　Ｔ１１．
   ０〜５．０嗟およびＴａ　１．０〜五〇チ　のうち１才
   重も１−＜は２種とからなる添加合金を全重量に対して
   １．０〜２旧Ｉ含み、そのほか不純物２チ以下、残部Ｆ
   ｅとからなる第１の合金粉末を、Ｃｒｚ、５〜２５．０
   ％、Ｍｎ　　α１〜３０％、　Ｐ　［１２〜［１８％、
   Ｃｕ　　１．０〜５，０優、Ｓｉ０．５〜２．０優、Ｍ
   ｏ３．０優以下、不純物２チ以丁、残部Ｆｅとからなる
   第２の合金粉末に、１０〜５０係の割合で添加し、さら
   に０１．５〜４５係ヲ含有するように黒鉛を添加混合後
   、圧縮成形体を形成し、焼結することを特徴とする耐摩
   耗性焼結合金の製法。