JPS5943841A - 耐熱，耐摩耗焼結合金製シ−ル材の製造方法 - 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】 本発明は耐熱性および耐摩耗性に優れた焼結合金製シー
ル材の製造方法に関するものであり、さらに詳しく述べ
るならばター？チャージャー排気マニホールド側用シー
ルリング、内燃機関用ピストンリング等に用いられるシ
ール材の製造方法に関するものである。

一般に内燃機関のシール材としては、ＦＣ及びＦＣＤ系
の鋳鉄あるいは樹脂等が多用されているが、耐摩耗性は
かな如の程度であるとしても、面１熱性は不足する場合
がある。一方、焼結合金はピストンリング等に使用され
る傾向にあるが、これは焼結合金には１０〜２０チの空
孔が内在し、油だまりとなって潤滑油を保持し、耐摩耗
性及び耐焼付性を向上させる性質を利用することを意図
したものである。しかし焼結合金に内在する空孔は焼結
シール材の有効断面積を減少させる結果、該シール材の
実作用応力が高くなシ、耐熱性は劣化する。

この欠点を補い焼結合金の耐熱性を向上させるには空孔
体積率の減少が有効であるが、焼結鍛造、ホットプレス
等の特殊な技術を用いなければならず焼結晶のコスト上
昇を招き経済的に不利である。

焼結シール材の耐熱性を向上させる他の技術には耐熱性
向上元素として一般的なＣｒｓ　Ｎｔ、　Ｃ０％　ＭＯ
ｌＷ等の粉末を鉄粉末中に予め混合させておく方法があ
るが、焼結は固相拡散反応を利用するのが一般的である
から、Ｎｉ、　Ｃｏ　を除いたＣｒ、　Ｍｏ、　Ｗ等を
焼結合金のＦＣマ）　ＩＪソックス中均一に拡散固溶さ
せるのは極めて困難である。したがって、上述のような
耐熱性向上元素の粉末と鉄粉末を？ｌＬ合させる方法で
は顕著な耐熱性向上を期し１４↓ない。本発明は以上の
ような問題点をｊ％Ｙ決１−うる焼結合金製シールの製
法を提供するものである。

以下、タープチャージャー排気マニホールド側用シール
リングに例をとってシール材の要求性能及び従来法の問
題点を具体的に説明する。

近年自動車の低燃費化や高出力化の手段としてターボチ
ャージャーを装着する内燃機関が増加している。ター？
チャージャー排気マニホールド側用シールリング（以下
シールリングと称する）は高温の排気ガスの影響によシ
高己にさらされ且つ高温下で潤滑油のシールをしなけれ
ばならない。

よって張力の保持がシールリングとしての重要な特性の
１つであるのでシール材の性能としては高い耐熱性が要
求される。さらにターボチャージャーのタービンの回転
数は最大士数万ｒｐｍの高速回転となるのでシール材と
して耐摩耗性（相手材を摩耗させない性質も含む）およ
び耐焼付性についても高い性能が併せて要求される。

一般にシール材として使用されているＦＣ及びＦＣＤの
鋳鉄や樹脂等はシールリングとしては耐熱性が明らかに
不力Ｙするので、現在シールリングには高速度鋼、オー
ステナイト鋳鋼、高Ｃｒ請鋼、ステンレス鋼等の溶製月
相が一般に用いられている。これらの溶ｊ専月判は耐熱
性に潰れているがシールリングは小径であるため多大の
加工工数を必要としまだ材料歩留が極めて悪いという火
力を有する。更にこれらの溶製材料は耐焼付性及び耐摩
耗性には問題をイ１゛シている。これに対して、焼結合
金は材料組成の自由度が高く、また空孔が内在するため
に、耐熱性、耐摩耗性等の改Ｒは容易に実施可能となる
。しかも焼結合金は極めて高い寸法精度で製造できるの
で加工工数の大［ｌＪな低減が可能であり、材料歩留も
極めて良好である。

しかしながら、焼結合金は上述のように材料組成の調節
によって耐熱性を付与する場合、単純に耐熱性元素の粉
末を鉄粉末に混合し、その後焼結する技術では、顕著な
耐熱性向上を期しえない。

以上のような従来技術の問題点を解消し、焼結合金のシ
ール材として耐熱性及び耐摩耗性を飛躍的に改善するだ
めには本発明者は次の条件が満たされていることが重要
であるとの知見を得プで、。

■　予め合金化された鉄合金粉末を用いそして高温下で
の焼結を行ない合金元素の拡散を十分に行なうこと。こ
のためには焼結合金のマトリックスの耐熱性を向上させ
るだめにオーステナイト系ステンレス鋼粉末を主原料と
して用い、さらにコバルト粉末を添加し、コバルトをマ
トリックスに焼結中に拡散固溶させる。かくして単独粉
末によるよりも耐熱性が一層向上する。

■　焼結合金の耐摩耗性は前記内在空孔の保油効果によ
シ一般に良好であるが、硬質粒子の添加によシ一層改善
されること。即ち焼結合金のマトリックスに比べ相対的
に硬い硬質粒子が１次しゆう動面を形成し、−労相対的
に軟いマトリックスは初期摩耗によって前記内在空孔と
同、＋；ｐに潤Ｍ？油の油だ１りとなり前記空孔の保油
効果のみによるよυも一層耐摩耗性の他に耐焼付性も向
上する。

■　適度な硬さを有した硬質粒子を添加することに加え
、黒鉛粉末を添加すると、焼結中にオーステナイト系ス
テンレス鋼よりなるマトリックスのＣｒと黒鉛が反応し
微細なＣｒ炭化物が析出してｈ「［摩耗性及び耐焼付性
は一層改善されること。

以上の条件■、■及び■を満足する本発明はビッカース
硬さＨｖ５００〜１５００を有する粒径１５０μｍ以下
の硬質粒子粉末を体積比で１〜２０チと、黒鉛粉末を０
．５〜２重量゛チ、コ・ぐルト粉末２〜１０重量係とを
含有し、残部がオーステナイト系ステンレス鋼粉末から
成る混合粉末を圧粉成形しそして焼結することによシ、
相対密度８０〜９５チを有する耐摩耗焼結合金製シール
材を製造する方法を提供するものである。

以下本発明の限定理由を述べさらに説明を行なうＯ 硬質粒子の硬さがＨｖ５００未満であると耐摩耗性およ
び耐焼付性向上の効果がなく、一方Ｈｖ１５００を超え
る硬い粒子では相手材の摩耗が多くなるので、硬質粒子
の硬さはＨｖ　５００〜１５００が適切である。このよ
うな硬質粒子としては、Ｃｏ　、　Ｃｒ等の含有量が高
い高合金、フェロアロイ及び金属間化合物の少なくとも
１鍾を用いることができる。

また硬質粒子の粒径が１５０μｍを超える粗粉末では、
原料粉末混合時の不均一や成形時の成形性の低下等の問
題が生じるので、硬質粒子の粒径は１５０μｍ以下が必
要である。まだ硬〃粒子の全混合粒末に対する体積比が
、１係未満では１１１Ｉ−ＩＩ、Ｉ＃耗性及び耐焼付性
が不足し２０チを超えると圧粉成形性が低下するので硬
質粒子の割合は体積比で１〜２０％が適切である。好ま
しくは３〜１０係である。

上記硬質粒子のみをオーステナイト系ステンレス鋼粉末
に添加しただけではマ）　ＩＪワックス≠純なオーステ
ナイト組織であるため、マトリックスの耐摩耗性及び耐
焼付性が不足するので０．５〜２重量％の黒鉛粉末を添
加する。黒鉛粉末は焼結時オーステナイトステンレス鋼
中のＣｒと反応し、微細なりロム炭化物として主として
オーステナイトステンレス鋼の粒界に析出し、耐摩耗性
及び耐焼付性を一層向上させる。黒鉛粉末が０，５重−
計係未満では耐摩耗性及び耐焼付性が不足し、−力点鉛
粉末が２重量係を超えるとオーステナイト粒界にクロム
炭化物が過多に析出し材料が脆化するので黒鉛粉末の添
加ｉｊｌは（）、５〜２重＃係、好捷しくは０．７〜１
．５重置チが適切である。

またコバルト粉末を添加することによって、焼結時コバ
ルトｄニオーステナイトマトリックスに拡散固溶し、耐
熱性を一層向上さぜる。そのζ：は２重量係未満では１
耐熱性の向上に効果がなく、１０重駄襲を超えると、圧
粉成形性が低下するので、コバルト粉末の添加量は２〜
１０屯は係、好首しくけ３〜８重稲循が適切である。

残部をオーステナイト系ステンレス鋼粉末としたのはオ
ーステナイトが高温で安定な組織であシ、上述のように
クロム炭化物の形成及びコバルトの拡散固溶を実現する
マ）　ＩＪワックス提供して優れた効果を奏するからで
ある。

また焼結合金の耐熱性は内在する空孔の量によっても影
響を受ける。即ち内在する空孔の割合が多くなると、焼
結材の有効断面積が減少して実作用応力は増加し耐熱性
が低下するので焼結材の相対密度は高い程好ましい。し
かしながら焼結合金の製造に一般的に用いられる冷開成
形、焼結という方法では空孔を５チ以下にすることは困
難である。以上のことから焼結材の相対布置は８０〜９
５チと限定する１ 本発明における焼結条件としては、混合粉末を５〜１０
トン／ｃｍ２で圧粉成形した後に、１１５０〜１２５０
℃に真空、水素、分解アンモニア雰囲気中で加熱する条
件を採用することが望ましい。

以下実施例を述べ更に詳細な説明を加える。

実施例１ 第１表に示した各種粉末を所定量秤量し、Ｖ型ミキザー
で３０分間混合し、次に成形圧カフトンｈ２で圧粉成形
し、最後に分解アンモニアガス雰囲気（１４９μｍ）と
した。また黒鉛粉末およびコバルト粉末は一３２５メツ
シ、（４４μｍ）とした。

焼結後、機械υロエにより呼び径２０薗、幅１．６ｍｍ
厚す１．ｉＷＭのシールリングを作製し、張力減退のテ
ストを行なった。張力減退のテストはシールリング呼び
径と同一寸法の鋳鉄製シリンダーにシールリングを装填
し、３５０℃、４００℃、４５０℃で各々１０　Ｈｒ　
Ａｔがス中で加熱することによって実施した。テスト前
後の自由合い口すき間の変化量を求め張力減退率としだ
。

末の密度を測定し体積比で算出した。まだ焼結体の相対
密度は顕微鏡で空孔率を求め（１−空孔率）で算出しだ
。

以下余白 第１表の結果から本発明材料は優れた耐熱性を有するこ
とが明らかである。

第１図及び第２図に第１表の本発明材料Ａの金属組織（
倍率はそれぞれ１００倍及び５００倍）を示す。第２図
のａは硬質粒子、ｂは微細炭化物、Ｃはオーステナイト
ステンレス鋼のマトリックス及びｄは空孔を示し、本発
明法によシこれらの構成相ａ　、ｂ　、ｃ及びｄを適宜
微細分散させることにより優れた諸性能が発揮している
ことが理解される。

実施例２ 第２表に示した各種粉末を所定量秤量し、Ｖ型ミキサー
で３０分間混合し、そして実施例１と同一の成形条件及
び焼結条件でビン（摩耗試験片）を作製した。

摩耗試験は第３図に示したロータービン式摩耗試験機を
用いて行なった。相手材としてのローターＨの材質はＪ
ＩＳ　ＳＵＭ　４３を焼入節もどしにょシＨＲＣ３５と
しだ。φ４０叫のローターＢ５及びφ１０　ｔｔｍ　、
長さ１５調のビンＡは共に研摩加工によシ約１〜２μｍ
ｌζ２の仕上あらさとしたものであった０ ８ＡＥ≠３０のエンジンオイルを滴下し潤滑しながら矢
印方向に荷重を加え、摩耗試験を行ない、ビンの摩耗量
は摩耗痕の長径で測定し、相手材としてのローター摩耗
＋Ｓ（はあらさ計でその凹み量を荷重２ｋｇ、摩擦速度
１５０　ｍ／ｍｉｎ　、摩擦距離５０００ｍの条件で測
定した。

さらに摩擦速度を２００　ｍ／ｍｉｎ　　とし荷重を上
げ、焼付の発生した荷重を求め焼付限界荷重とした結果
を合わせて第２表に示した。

本発明材料は比較例に比べ自身の耐摩耗性のみならず相
手材の摩耗が少なくまた耐焼付性が高いことが明らかで
ある。

以下余白 実施例３ 実施例１の第１表に示した本発明材料Ａ及び（比較例Ｅ
）について実機テストを行なった。供試したタープチャ
ージャーはタービン翼径φ５６朔、コンプレッサー翼径
φ５４胡であシ排気マニホールド側用シールリングは呼
び径φ：１７．５　ｍ＋ｎ　、幅１、６　ｔａｎ　＊厚
さ０．９　ｒｕｎに機械加工し実機テストに供した。な
お比較例として現在使用されているオーテストに供した
。テスト条件はターボチャージャーを４気筒２．３１の
ディーゼル圧″ンジンに装置し４２００　ｒｐｍ全負荷
で２００　Ｈｒの耐久運転を行なった。このテスト前後
の自由合い口すき間の変化を張力減退率とし、またシー
ルリングの幅方向の摩耗量は両面の各々の摩耗量の和と
して求めた。

その結果を第３表に示しだ。

以下余日 第３表 以上の結果から本発明は優れた耐熱性および耐摩耗性を
有する焼結合金製シールとしてタープチャージャー用シ
ールリングのみに限らず、ぎストンリング、バルブシー
ト等として内燃機関のシール部材として使用できる材料
あ製法を提供することが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は実施例１の第１表に示しだ本発明材
料Ａの全屈顕微鏡写真であり、第３図はロータービン式
摩耗試験器の概略を示す図面であゐ。 Ａ・・・ビン、Ｂ・・・ローター、ａ・・・硬質粒子、
ｂ・・・微細クロム炭化物、Ｃ・・・オーステナイトマ
トリツクス、ｄ・・・空孔。 特許出願人 帝国ピストンリング株式会社 特許出願代理人 弁理士　青　木　　　　朗 弁理士　西　　舘　　和　　之 弁理士　村　井　卓　　ｋ４１： 弁理士　山　口　昭　　之 第１ｍ　　　゛ ｙ、１ｏＱ 第２１図 ×５ｏ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　ビッカース硬さＨｖ５００〜１５００　を有する
   粒径１５０μｍ以下の硬質粒子粉末を体積比で１〜２０
   チと、黒鉛粉末０．５〜２重量％と、コバルト粉末２〜
   １０重量％とを含有し、残部がオー・ステナイト系ステ
   ンレス鋼粉末から成る混合粉末を圧粉成形し、そして焼
   結することによシ、相対密度８０〜９５係を有する耐熱
   、耐摩耗性焼結合金製シール材を製造する方法。