JPS599152A - 耐摩耗性焼結合金 - 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】 この発明は安価でかつ、耐摩耗性に優れ、とくに内燃機
関用ロ１．カーアーム部材として好適な鉄系耐摩耗性焼
結合金に関する。

従来の内燃機関のロ１．カーアームチ１．ブ材としては
、チル鋳物あるいは熱処理鋼への浸炭・窒化、クロムメ
ッキ等の表面処理を施したものが用いられる。

しかしながら、近年の内燃機関への要求特性が厳しくな
るのに伴ない、ロッカーアームチップとカム等は、高い
面圧で使用されるようになり、アイドリング時等のカム
回転速度が低い低摺動速度域では、カムとチ・ンプとの
間の潤滑が十分行なわれず、油切れを起こしやすい状態
が生じるため、」−記従来材料では、摩耗、ヌカッフィ
ング、あるいはメッキ層のはく離等を生じるという問題
があった。

−・力、自らの含油効果を利用することによって、耐摩
耗性を向」ニさせる焼結合金にあっては耐摩耗性摺動材
としての十分な硬度を得るためには、Ｗ、Ｍｏ等の高価
な材料の添加量が比較的多く必要であり、あるいはそれ
ら添加量を少なくしたものでも焼結後の熱処理１表面処
理等の後処理を必要とし、工程が煩雑であるとともに、
製品価格の上昇をもたらすという問題があった。

この発明は、以上のような問題点に着目してなされたも
ので、自らは従来材と同等もしくはそれ以−４−の耐摩
耗性を有し、かつ相手材への攻撃性を従来材より大幅に
低減せしめた焼結合金を煩雑な、　工程を供なうことな
く、安価に得られるようにすることを目的としたもので
ある。

この発明による耐摩耗性焼結合金は、Ｆｅ−２〜８重量
％Ｃｒ−０，３〜１．２重竜％型巣ｎ　−０，１〜１重
量％Ｂ−１〜２．５重量％５ｉ−１，２〜３．８重量％
Ｃおよび残部実質的に不純物からなることを特徴として
いる。

また、この一実施態様においては、前記成分組成からな
る耐摩耗性焼結合金がＦｅ−１０〜３５重量％Ｃｒ−１
〜２．５重量％Ｂ−０，５〜３重皐％Ｓｉおよび残部実
質的に不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系合金粉末
ｌｏ〜２５重量％と、残部鋳鉄粉末とを混合・成形・焼
結してなることを特徴とし、この発明の実施態様による
耐摩耗性焼結合金は、ｍＨｖ３００〜５５０のパーライ
ト、ンルバイト、ベーナイト等のＦｅ−Ｃ系マド）１ｖ
９００〜１３００の硬化層を面積比で１０〜４０％の範
囲内で均一に分散させたものであることを特徴としてい
る。

以下に、この発明の耐摩耗性焼結合金の組成割合の限定
理由を説明する。

Ｃｒ：２〜８重量％ ＣｒはＢおよびＦｅ、あるいはＣおよびＦｅと結びつい
て硼化物、あるいは炭化物粒子を形成し、焼結合金の耐
摩耗性等を向上させる。そのため、Ｃｒ１％はＢｌとＣ
Ｍ：とのつり合いが大切であり、２垂平％未満では硼化
物、あるいは炭化物等の硬化層の形成量が不足し、耐摩
耗性が劣化するこ　　。

ととなり、８重量％超過では粉末自体の硬さが上貸し、
成形性が低下すると同時に、焼結時の発生液相量が少な
くなり、十分な焼結体強度が得られなくなる。

Ｂ：０．１〜１重量％ Ｂは前述した如くＣｒおよびＦｅと結びついてＣｒ、Ｆ
ｅ硼化物を作るが、０．１重量％未満では硼化物の析出
量が不足し、１重凝％超過では硼化物の析出量が多過ぎ
て粉末成形時の成形性か劣り、加えて、焼結時の発生液
相中でＣｒ、Ｆｅ硼化物が粗大化し、摺動時に相手材へ
の攻撃性が大きくなる。

Ｍｎ：０．３〜１．２重量％ Ｍｎはマトリクス中に固溶して合金の焼入れ性を向上さ
せるが、０．３重量％未満ではマトリクス組織がほとん
どパーライトとなり、また、１゜２重量％超過により今
度は残留オーステナイトが存在するようになる。したが
って、マトリクス組織をソルバイトおよびベーナイト（
および−・部、ｅ−ライト）に保ち、合金の耐摩耗性を
向」二させるためには、Ｍｎ添加量は０．３〜１．２重
量％にする必要がある。

Ｓｉ：１〜２．５重量％ Ｓｉは合金粉末をアトマイズ法により製造する際の溶湯
の湯流れ性を向」ニさせるとともに、脱酸剤としての効
果があるが、１重量％未満では、その効果が低下し、逆
に２．５重量％を超過するとブトリクスの焼入れ性が低
ドしあるいはマトリクス中のフェライト量が多くなり、
耐摩耗性が低下する。

Ｃ：１．２〜３．８重量％ Ｃはマトリクスの硬さおよび強度を高めるとともに、Ｃ
ｒと結びついてＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系の複合炭化物を形成す
るが、１．２重量％未満では炭化物の析出量が少なくな
り、耐摩耗性が劣るので好ましくなく、３．８重量％を
超えると焼結時に炭化物量が多くなりすぎ、脆くなると
ともに、各組成での融点が下がり、焼結温度を正確に制
御しないと　・部で試ネ゛Ｉの溶融をきたし、製品とし
ての使用が困難となるのに加え、硼化物の異常成長が起
こり、相手材への攻撃性が増加してしまう。

次に前記記載の合金組成からなる耐摩耗性焼結合金を製
造するに際しては、その一実施態様において、マトリク
ス粉末として鋳鉄粉末を利用できることを述べたが、そ
の理由を各粉末の添加量の限定理由とともに以下に示す
。

本発明による耐摩耗性焼結合金の組成中、Ｆｅ、Ｓｉ、
Ｃ，Ｍｎはいずれも一般の鋳鉄中に含有される元素であ
り、その他の元素の混入は若干あるが、実質的に不純物
として見なすことができる。

したがって、この発明の耐摩耗性焼結合金のうち鋳鉄粉
末に不足している元素はＣｒ、Ｂであるが、Ｃｒ−Ｈの
合金粉末を製造することは、その製法」二非常に困難で
あり、かつ高価である。また、製造してもその粉末硬度
は高く粉末冶金用として使用することは成形性等の面で
問題が多い。

そこで、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓ　ｉ系の合金粉末として使
用するのが良いわけであるが、その時のＣｒ、Ｈの添加
量の好ましい限定範囲は、次の理由により決定される Ｃｒ：１０〜３５重量％ Ｃｒは、１０爪量％未満では本発明の耐摩耗性焼結合金
のＣｒ添加＠範囲内におさめるためには、鋳鉄粉末に対
するＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合金粉末の混合量が増加し
、総体的に炭化物を形成せしめるＣが減少してしまうの
で耐摩耗性が低下Ｂ−Ｓｉ系の合金粉末硬度が高くなり
、成形性が低ドしてしまう。

Ｂ：１〜２．５重量％ Ｂは、１重量％未満では硼化物の析出量が不足するとと
もに、前述のＣｒの場合と同様、所望の耐摩耗性合金と
しての組成を得るためには、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合
金粉末をＳ鉄粉末に対して多酸に４昆合しなければなら
ず好ましくなく。

２．５重置％超過ではＣｒ、Ｆｅ−Ｃｒ系硼化物の析出
量が多すぎて粉末成形時の成形性が劣るのて好ましくな
い。

Ｓｉ＋０．５〜３重量％ Ｓｔは合金粉末をアトマイズ法により製造する際の溶湯
のＦ／ｌｊ流れ性を向Ｊ−させるとともに、脱酸剤とし
ての効果もあるが、０．５重量％未満ではその効果が低
ドし、３重量％を超えると焼結体のマトリクスの焼入れ
性を低下させるので好ましくない。

一方、前記鋳鉄粉末は、一般に使用されている鋳鉄の切
削加圧時に発生する切削粉を粉砕して得られるものであ
り、その中でも組成的に好ましいものは、Ｆｅ−３〜３
．５重量％Ｃ−１，８〜２．２重量％５ｉ−０，６〜１
重量％Ｍｎ残部若干の実質的不純物よりなるものである
。

次に前述したＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合金粉末を、鋳鉄
粉末に加えて混合する際の好ましい添加割合の限定理由
を以下に述べる。

Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ−３ｉ系合金粉末：１０〜２５重最％ Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合金粉末は、これまでにも述べ
たように、鋳鉄粉末中のＣと結びついて硬質層を形成す
る。しかし、１０重鍍％未満では硬質層の形成量が上の
ではなく、反対に２５重重醗を超えて添加すると、粉末
成形性が劣るだけではなく、焼結時の液相発生量が不十
分となり、粒子の結合状態が悪くなり、硬さの低下をま
ねいて、結果的に耐摩耗性が悪くなる。

このようにして、Ｆｅ−１０〜３５重量％Ｃｒ−１〜２
．５重量％Ｂ−０，５〜３重量％Ｓｉおよび残部実質的
に不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系合金粉末１０
〜２５重量％と残部鋳鉄粉末とを加えて混合したのち、
成形・焼結を行ない、耐摩耗性焼結合金を得るが、以ド
に、その際の成形・焼結条件の好ましい一例を示す。

まず、成形にあたっては、通常の成形￥−法で成形可能
であり、成形圧力としては５〜８ｔｏｎ／ｃｍ′が好ま
しい。

次に焼結雰囲気は、還元性あるいは真空雰囲気でおこな
うのが良いが、酸化しゃすいＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合
金粉末をマトリクスと強国に焼結させるためには、酸素
あるいは水分含有量が極力少ない雰囲気とするのが望ま
しい。

また、焼結温度については、１１００〜１１５０℃の範
囲で行なうと良いが、１１２０〜１１３０′Ｃ付近を境
として硬化層の析出形態が若干異なってくるので、自ら
の耐摩耗性あるいは相手材への攻撃性を考慮して焼結温
度を決定するのが良い。

このようにして得られた焼結合金は、耐摩耗性に優れ、
とくにロッカーアームチップとして使用した場合に耐摩
耗性ならびになじみ性ががなり優れた効果を発揮するた
め、基本的には後処理として熱処理や表面処理を施す必
要はないが、例えば、ロッカーアームチップの場合、相
手材であるカムに対して悪影響を与えなければ、耐摩耗
性をさらに付与するだめの表面処理等を施しても良いこ
と（１もちろんである。

以ド実施例と比較例によってこの発明の詳細な説明する
。

実施例１ 原才゛１として表１の配合組成からなる７種類の鋳鉄を
粉砕した鋳鉄切削粉を粉砕することにより得られた平均
粒径−８０〜＋２５０　ｍｅｓｈよりなる７種類の鋳鉄
粉末ＮＯ，１〜Ｎ０．７に、平均粒径−１００ｍｅｓｈ
（７）Ｆ　ｅ　−２０重量％Ｃｒ−１，５重量％Ｂ−０
，８重量％Ｓｔ合金粉末を各々１５重量％ずつ加え、さ
らに全重量に対して０．７５重量％ずつのステアリン酸
亜鉛を添加した後Ｖ型混合機で１５分間混合した。その
後得られた混合粉末を８ｔｏｎ　／　ｃ　ｍ’の圧力で
ロッカーアームチップの形状に圧粉成形し、真空中（１
０Ｔｏｒｒ）において１１２０°Ｃ×４５分間の条件で
焼結し、空孔率１０〜１５％の焼結ロッカーアームチッ
プを得た。

表１ 実施例２ 原ネ１として、Ｆｅ−２，９市ＪＦｃ％Ｃ−２，１重畢
−％５ｉ−０．８重量％Ｍｎおよび実質的に不純物から
なる鋳鉄切削粉を粉砕することにより得られた平均粒径
−６０〜＋３２０　ｍｅｓｈの鋳鉄粉末に、表２に示す
組成からなる８種類のＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−３ｉ系合金粉末
を２０重量％ずつ加え。

さらに全重量に対して０．７５重量％のステアリン酸亜
鉛を添加した後、Ｖ型混合機で２０分間混合した。その
後得られた混合粉末を８．０Ｌｏｎ／ｃｍ’の圧力でロ
ッカーアームチップの形状に圧粉成形したのち真空中（
１０Ｔｏｒｒ）で１１３５℃Ｘ３０分間焼結し、空孔率
５〜ｌＯ％の焼結ロッカーアームチップを得た。

表２ 原料として、Ｆｅ−３，０重量％Ｃ−，，２，Ｏｉ量％
５ｉ−０，７５重量％Ｍｎおよび残部実質的に不純物か
らなる鋳鉄切削粉を粉砕することにより得られた平均粒
径−６０〜＋３２０　ｍｅｓｈの鋳鉄粉末に、Ｆｅ−２
０重量％Ｃｒ−１，５重量％Ｂ−０，８重量％Ｓｉおよ
び実質的に不純物よりなるＦ　ｅ−Ｃｒ　−Ｂ−３ｉ系
合金粉末を１表３に示す配合比になるように加え、さら
に全重量に対して０．７５重量％のステアリン酸能鉛を
添加混合した後、得られた混合粉末を８　ｔｏｎ　／　
ｃ　ｍ’の圧力でロンカーアームチップの形状に圧粉成
形した後、真空中（１０Ｔｏｒｒ）にて１１２５℃Ｘ６
０分間の条件で焼結し、空孔率１０〜１５％の焼結ロン
カーアーノ・チップを得た。

表３ ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）を素材としたチル鋳物よりなる
ロッカーアームチップを作成した。

比較例２ 機械構造用炭素鋼（５４５Ｃ）を素材としてロンカーア
ーム本体を製作し、前記本体のカムとの当り面部にタフ
トライト処理（軟窒化処理）を施した。この場合のタフ
トライト処理は、５７０°Ｃ×２時間の条件でおこなっ
た。

比較例３ 機械構造用炭素鋼（５４５Ｃ）を素材としてロッカーア
−１、本体を製作し、前記本体のカムとの当り面部にＮ
ｉ基自溶性合金を肉盛溶射した。

このときのＮｉ基自溶性合金の組成は、Ｎｉ−１４重量
％Ｃｒ−３重量％Ｂ−４，５重量％５ｉ−４重量％Ｆｅ
−０，６重量％Ｃのものである。

比較例４ Ｆｅ−４重量％Ｃｒ−４重量％ＭＯ−６重量％Ｗ−２重
量％Ｖ−０，９重量％Ｃの組成をもつ合金粉末を６　ｔ
ｏｎ　／　ｃ　ｍ’の圧力でロッカーアームチップの形
状に圧粉成形した後、真空雰囲気中で１２００°Ｃｘ１
時間の条ヂ１で焼結し、その後再加熱および再圧縮して
空孔率を９％に調整し、次いて１２００℃の温度に加熱
焼入れし、５５０°Ｃ×１時間で焼戻し、これを２回繰
返して焼結ロッカーアームチップを得た。

比較例５ 原料として、Ｆｅ−３，０重量％Ｃ−２，０型部％５ｉ
−０．７５重都％Ｍｎからなる鋳鉄粉末に、Ｆｅ−２０
重量％Ｃｒ−１，５重量％Ｂ−０，８重量％Ｓｉからな
るＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合金粉末を表４の配合比とな
るように添加混合し、・さらに全重量に対して０．７５
重量％のステアリン酸亜鉛を添加した後、Ｖ型４昆合機
で２０分間７昆合した。その後、得られた混合粉末を８
．Ｏｔ。

ｎ／ｃｍ’の圧力でロッカーアームチップの形状に３ 圧粉成形した後、真空中（１０Ｔｏｒｒ）で１１３０’
ＣＸ６０分間の条件で焼結し、焼結ロッカーアームチッ
プを得た。

表４ 比較例６ 原料として、Ｆｅ−３，０重量％Ｃ−２，０重量％５ｉ
−０，７５重量％ＭｎからなるＭ鉄粉末に、表５（７１
Ｊ１成からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ系合金粉末を１５
重量％添加し、さらに全重量に対し、０．７５重量％と
なるようにステアリン酸亜鉛を添加した後、■型混合機
で２０分間混合した。その後得られた混合粉末を８　、
　Ｏｔｏｎ　／　ｃｍ’の圧力でロッカーアームチップ
の形状に圧粉成形した後、真空中（１０Ｔｏｒｒ）　−
ｃ’ｔ　１３０℃×６０分間の条件で焼結し、焼結ロッ
カーアームチップを得た。

表５ 耐久試験 次に、−１−記実施例１〜３の１９種の木発明品と、比
較例１〜６の１０種の比較品とを供試材として、表６に
示す条件にて耐久試験を行なった。

なお、この耐久試験では、潤滑油に水を添加するととも
に、バルブスプリング力を高めて試験をイ足進させるよ
うにした。

その結果を表７に示す。

表６ 表７の結果から明らかなように、実施例１〜３の供試材
の場合においては、ロッカーアームデツプ摩耗量および
相手材であるカム摩耗量のいずれもが相当小さい値とな
っており、比較例１〜６のものに比べかなり耐摩耗性お
よび相手材攻撃性について優れていることが明らかであ
り、比較例１〜６のものではいずれもロッカーアームデ
ツプ摩耗量およびカム摩耗量の一方あるいは両方が劣っ
ている。

また１本発明品の組成をもつ焼結合金を、Ｃをのぞいた
Ｆ　ｅ−Ｃｒ−Ｂ−５ｉ　−Ｍｎ系の合金粉末と、黒鉛
粉末とを混合した後、成形・焼結することによって？Ｉ
Ｊ、られることは汀うまでもないことであるが、その場
合には、粉末の成形性および焼結時の液相発生にともな
う硼化物の異常成長等を考慮した］二で、特にＢの配合
￥・を慎重に決定する必要がある。

以」−説明してきたように、この発明による焼結合金は
、ヘーナイト、パーライト等のＦｅ−Ｃ系の７トリクス
中に適度な大きさを有するＦｅ−Ｃ層を均一に分ｎ＋さ
せて耐摩耗性を向−１−させたものであり、同時に相手
材への攻撃性もきわめて少ないという優れた特性を有し
、このような耐摩耗性焼結合金をなんら特別な装置およ
び手法を用いることな〈従来の一般的な粉末冶金的手法
を用いることによって容易に製造することができ、（Ｉ
ｔせてその使用粉末として鋳鉄切削粉が利用できること
しこより、きわめて安価に製造することが可能であるな
どの非常に優れたものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ−２〜８重量％Ｃｒ−０，３〜１．２重量％
   Ｍｎ−０，１〜１重量％Ｂ−１〜２．５重量％５ｉ−１
   ，２〜３．８重量％Ｃおよび残部実質的に不純物からな
   ることを特徴とする耐摩耗性焼結合金。
2. （２）Ｆｅ−１０〜３５重量％Ｃｒ−１〜２．５重量％
   Ｂ−０，５〜３重量％Ｓｉおよび残部実質的に不純物か
   らなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ−３ｉ系合金粉末１０〜２５重量
   ％と、残部鋳鉄粉末とを混合し成形・焼結してなる特許
   請求の範囲第（１）項記載の耐摩耗性焼結合金。