JPS60215748A

JPS60215748A - 耐摩耗焼結部品

Info

Publication number: JPS60215748A
Application number: JP6948384A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Miyano; 宮野　正晴; Kazutoshi Takemura; 和俊武村; Toshinori Akazawa; 赤沢　俊則; Motoaki Shibano; 柴野　元明
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1984-04-07
Filing date: 1984-04-07
Publication date: 1985-10-29
Also published as: JPH046784B2

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】１、産業上の利用分野本発明は耐摩耗焼結合金に関し、更に詳述すれば、例え
ば内燃機関の弁座のような苛酷な条件下で使用さよる摺
動部品の材料として好適な改良された耐摩耗焼結合金に
関する。

２、従来技術近年、内燃機関が小型、高出力化する一方、ガソリンエ
ンジンにあっては燃料が無鉛ガソリンへ移行し、或いは
ＬＰＧが使用されるようになったのに伴ない、弁座は高
負荷で而も相手バルブの金属と７００〜８００℃の高温
で直接接触して熱間衝撃を受けるという苛酷な条件に曝
されるようになったので、弁座の耐摩耗性に対する要求
が益々厳しくなって来ている。

また、ディーゼルエンジンにあってはガソリンエンジン
に較べて燃焼圧力や温度が高く、更に燃料中の硫黄やバ
ナジウムによる化学的腐蝕を伴なう摩耗現像が起り、弁
座は一層苛酷な条件下で使用される。

粉末冶金法によって製造される焼結合金、なかんずく鉄
基焼結合金は、溶製材に較べて金属組織を所望の組織と
することが容易であるところから、近年、機械部品材料
への適用範囲が拡大されてきており、座座の材料として
も多数の改良がなされているが、特に近時の小型、高出
力化された内燃機関の弁座材料としては充分に満足でき
るには至っていない。

３、発明の目的本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、例
えば近時の小型、高出力化された内燃機関の弁座等に使
用しても充分な耐久性を示す耐摩耗焼結合金を提供する
ことを目的としている。

４、発明の構成即ち、本発明は、０．３〜３．０重量％炭素並びに１〜
２０重量％クロム、０．３〜３．０重量％ニッケル、０
．２〜８．０重量％モリブデン、０．５〜３．０重量％
タングステン、０．２〜６．０重量％バナジウム、１．
０〜３．０重量％銅及び３．０〜１０．０重量％コバル
トの１種または２種以上を合計で４０重量％以下、残部
が実質的に鉄からなる基地中に、窒化チタン粒子が気孔
を除く部分の面積比で２〜３０％分散している耐摩耗焼
結合金に係る。

次に本発明を構成する各元素及び分散相について説明す
る。

基地を構成する各元素について言えば、炭素は０．３重
量％（以下、単に「％」で表わす数値は重量％を表わす
。）未満では基地が軟かくて機械的強度と耐摩耗性が不
足し、３．０％を越えると基地中の炭化物の量が多くな
り過ぎて脆化させるようになるので、０．３〜３．０％
の範囲とするのが良い。

ニッケル及び銅はいずれも基地に固溶して機械的強度を
改善する。ニッケルは０．３％未満、銅は１．０％未満
では上記効果が充分には顕われず、いずれも３．０％を
越えても上記効果の増大が顕著ではないので、ニッケル
は０．３〜１．０％の範囲、銅は１．０〜３．０％の範
囲とするのが良い。

コバルトはニッケル、銅と同様に基地の機械的′強度を
改善し、その上、高温に於ける機械的強度を改善する。

その含有量は３．０％未満では上記効果が不足し、１０
．０％を越えても上記効果の増大は顕著ではないので、
３．０−１０．０％の範囲とするのが良い。

クロム、モリブデン、タングステン及びバナジウムはい
ずれもその小部分は基地に固溶して機械的強度を改善し
、特にモリブデンは高温強度を高める。また、他の大部
分は炭素と共に炭化物を形成し、或いは未拡散の硬質粒
子として残留し、耐摩耗性に寄与する。

クロムは１．０％未満、モリブデンは０．２％未満、タ
ングステンは０．５％未満、バナジウムは０．２％未満
では上記効果が不足し、クロムは２０％を、モリブデン
は８．０％を、タングステンは３．０％を、バナジウム
は６．０％を越えると、圧粉体成形時の圧縮性を損なう
ようになる。特にモリブデンは基地を脆化させて却って
機械的強度を損なうようになる。以上の理由から、クロ
ムは１．０〜２０％、モ、リブデンは０．２〜８．０％
、タングステンは０．５〜３．０％、バナジウ１は０．
２〜６．０％の範囲とし、前記圧縮性の観点から、これ
らの１種または２種以上を合計で４０％以下とするのが
特に好ましい。

また、基地強化のみを目的として、クロム、モリブデン
、タングステン及びバナジウムを添加せず、０．３〜３
．０％ニッケル、１．０〜３．０％銅及び３．０〜１０
．０％コバルトの１種または２種以上を含有させても良
い。

基地中に分散させる窒化チタン粒子は硬質であって、耐
摩耗性に寄与する。その粒径は平均で２〜７０μｍの範
囲で、かつ、最大粒径１００メツシユ（１４７μｍ）以
下が好適である。平均粒径が２μ蒙よりも細かいと均一
に分散させることが困難であり、７０μｍを越えると相
手摺動部品を傷付けるようになり、また切削加工が困難
となる。

分散量は容積比（顕微鏡下での面積比に等しい。）で２
〜３０％の範囲が好適である。焼結合金は封孔のための
処理を特に施さない限り、通常は気孔を内在しているが
、上記分散量は気孔を除く実体の部分中の分散量である
。これは重量比にすると１．５〜２０％となる。

このように構成された本発明焼結合金全体の化学組成は
、０．８〜１９．７％クロム、０．２４〜３．０％ニッ
ケル、０．１６〜７．９％モリブデン、０．４〜３．０
％タングステン、０．１６〜５．９％バナジウム、０．
８〜３．０％銅及び２．４〜９．９％コバルトの１種ま
たは２種以上合計で３９．４％以下、０．２４〜３．０
％炭素、１．１６〜１５．５％チタン並びに０．４４〜
６．８％窒素、残部が実質的に鉄からなる組成となる。

５、実施例下記第１表に示す化学組成の原料粉を、下記第２表に示
すように配合し、これに潤滑材としてステアリン酸亜鉛
粉末０．７％を添加、■型混合機で少なくとも２０分間
混合し、これら混合粉を６ｔ７ｃａの成形圧で外径４０
ｍｍ、内径２４ｉｎ、高さ７　ｍｍに成形し、ＡＸガス
中でＮ［Ｌｌｌ及びＩｋ１２　（第２表参照）は１１２
０℃で６０分間、その他は１１５０℃で６０分間加熱し
て焼結した。

得られた焼結体の分析結果は下記第３表に示す通りであ
る。

（以下余白、次頁へ続く）表中、１ｌｈｌ〜１４は窒化チタン粒子を分散させた実
施例、−１５，１６は窒化チタン粒子を分散させていな
い比較例である。

これら焼結体の基地組織について説明すると、１１ｋ１
１〜５及び１１ｈ１５はソルバイトからなる組織、Ｎａ
６〜９はソルバイト地中に硬質のクロム炭化物粒子が分
散した組織、 −１０〜１２及びＮ１１１６はソルバイト地中に炭素と
結合して生成された炭化物を含む硬質のフェロアロイ粒
子が分散した組織、隘１３はソルバイト地中に第１表に示したＣＭＣ粉（プ
レアロイ粉）によって形成された硬質粒子及びモリブデ
ンが炭素と結合して生成されたモリブデン炭化物を含む
フェロモリブデン硬質粒子が分散した組織、Ｎａ１４は第１表に示したＳＴＬ　（ステライト）噴霧
合金によって形成された球状硬質粒子が分散した組織と
なっている。

これら焼結体の組織を阻５及びｌ’ｋ１４を例に挙げて
４００倍の顕微鏡写真で第り図（Ｎ［Ｌ５　）及び第２
図（Ｎ［Ｌｉ２）に示す。

前述のようにＴｈ５は上記倍率では基地中には炭化物等
の硬質相を認めることができます、基地１はソルバイト
からなり、白色に見える（顕微鏡下では黄色に見える）
窒化チタン粒子２が分散している組織となっている。黒
色に見える部分３は気孔である。

阻１４ではソルバイト地４中にステライト噴霧合金粉に
よって形成された球状の硬質粒子５が分散した基地中に
窒化チタン粒子６が分散した組織となっている。黒色に
見える部分７は気孔である。

前記焼結体から外径３５ｆｉ、内径２９．５ｍ、内周側
の一方の端部に１．２　Ｃ（当り幅１．７ｍ）の面取り
を施した寸法の弁座を削り出し、摩耗試験を行った。

試験装置は第３図に概要を示すもので、弁座１１はシリ
ンダへソド１２に設けられた弁座押え１３に圧入され、
弁座押え１３を介してシリンダヘッドに固着される。

シリンダヘッド１２の下方にはバルブ駆動部本体１４が
これに固定されていて、バルブ２０は、バルブフェース
が弁座１１の面取り面に当接するように、バルブ駆動部
本体１４に取付けられたバルブガイド１５にそのロンド
部２０ａが上下動可能に挿入される。

バルブのロンド部２０ａの先端は、コイルばね１７ａ及
び１７ｂによってバルブ駆動部本体１４に設けられた軸
受１８に嵌入されたカム軸１９のカム１９ａに圧接する
バルブ受け１６に収容される。バルブ２０は、そのロン
ド部２０ａの先端近くでバルブ受け１６に設けられた爪
１６ａに咬持され、バルブ受け１６に固着されている。

このような構造としであるので、カム軸１９を図示しな
い駆動装置によって回転させると、バルブ受け１６に固
着されたバルブ２０は上下動してそのバルブフェースが
弁座１１の面取り面を衝撃的に繰返し叩くようになる。

その荷重はコイルばね１７ａ及び１７ｂを適宜選択する
ことによって定められる。

バルブ２０の上方にはガスバーナー２１が配してあり、
弁座押え１３に穿設された細孔に熱電対２３の温接点が
弁座１１に当接するように挿入されて弁座１１の温度が
検知され、図示しない制御回路によってノズル１４から
シリンダヘッド１２に吹付ける圧縮空気の風量を調節し
て弁座１１を所定の温度に保持するようにしである。

また、バルブ２０の表面温度は放射温度計２２によって
測温され、図示しない制御回路によってガスバーナー２
１に供給されるプロパンガスの供給量を調節してバルブ
２０の表面温度を所定の温度に保持するようにしである
。

このような試験装置を使用して、バルブ表面温度を７５
０℃、弁座温度を４５０℃に保持し、カム軸回転数２５
０Ｏｒｐｍ　、コイルばね荷重４０ｋｇで１０時間の試
験を行い、弁座の摩耗量を基準バルブの沈み量からめた
。

バルブには２ｌ−４Ｎｌｌ製、バルブフェースにステラ
イト階６の盛金をしたものを使用した。

バルブと弁座の叩き回数は１．５　ＸＩＯ’回である。

なお、比較の弁座には前記陽１５及び嵐１６のほか、熔
製材のものとして耐熱鋼５ＵＨ４製のものＮ１１７及び
１．３５％Ｇ、　１．２１％Ｓ　ｉ　、　０．４２％Ｍ
ｎ、１３．１％Ｃｒ　、０．３６％Ｍｏ、残部実質的に
Ｆｅの化学組成を有する高クロム白鋳鉄製のもの嵐１８
も加えた。

試験結果は第４図に示す通りである。

同図からく窒化チタン相を組織中に有する本発明焼結合
金を材料とする弁座は、熔製材からなる比較弁座に較べ
ては勿論、いずれあ比較弁座よりも明らかに摩耗量が小
さく、極めて耐摩耗性に優れていることが解る。

１１ｈ１５．１．２．３は同様の基地に対して窒化チタ
ンの配合量を容積比で０．５．１５．２５％と変化させ
てあり、摩耗量はその配合量の増加に伴って減少してい
る。また、隘１０は１ｌｈ１６の原料粉に窒化チタンを
配合してなるものであるが、窒化チタンの配合によって
摩耗量が大幅に減少している。これらの結果から、窒化
チタンの配合が耐摩耗性を著しく向上させることが理解
できる。

また、窒化チタンは化学的に安定であって、焼結の工程
で焼結温度に加熱されても分解することがない。

以上、弁座を例に挙げて本発明を説明したが、弁座以外
にも、例えば内燃機関の部品にあっては、ロッカアーム
、タペット、ピストンリング等、その他の機械部品とし
ては回転圧縮機のベーン等、適用範囲は広い。

６、発明の詳細な説明したように、本発明耐摩耗焼結合金は、前述した
ような化学組成及び組織としであるので、極めて耐摩耗
性に優れ、内燃機関その他の機械装置のオーバーホール
から次のオーバーホール迄の期間、所謂開放期間の周期
を延長させ、本発明の工業上の利用価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明耐摩耗焼結合金の組織を示す
倍率４００倍の顕微鏡写真である。第３図は弁座の摩耗試験装置の概略断面図、第４図は摩
耗試験結果を示すグラフである。なお、図面に示された符号に於いて、１．４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ソルバイト地２．６・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・窒化チタン粒子３．７・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・気孔５・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ステライト合金粒子１１・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・弁座１２・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・シリンダヘッドエ４・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・バルブ駆動部本体１
５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・バルブガイド１７ａ、１７ｂ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・コイルばね１９・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・カ
ム軸２０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・バルブ２０ａ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・バルブのロッド部
２１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・ガスバーナー２２・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・放射温度針
２３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・熱電対２４・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・圧縮空気用ノズル
である。代理人　弁理士　逢　坂　宏（他１名）第４図

Claims

【特許請求の範囲】

１．０．３〜３．０重量％炭素並びに１〜２０重量％ク
ロム、０．３〜３．０重量％ニッケル、０．２〜８．０
重量％モリブデン、０．５〜３．０重量％タングステン
、０．２〜６．０重量％バナジウム、１．０〜３．０重
量％銅及び３．０〜１０．０重量％コバルトの１種また
は２種以上を合計で４０重量％以下、残部が実質的に鉄
からなる基地中に、窒化チタン粒子が気孔を除く部分の
面積比で２〜３０％分散している耐摩耗焼結合金。２、窒化チタン粒子が平均粒径で２〜７０μｍの窒化チ
タン粒子である、特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗焼
結合金。３、基地が、クロム、モリブデン、タングステン及びバ
ナジウムの１種または２種以上を含有し、このクロム、
モリブデン、タングステン及びバナジウムの１種または
２種以上が硬質粒子を形成して分散している基地である
、特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗焼結合金。