JPS6152301A - 耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末 - 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】 １、産業上の利用分野 本発明は耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末に関し、更に
詳述すれば、例えば内燃機関のロッカバット、カム駒、
タペット、ピストンリング等、耐摩耗性の要求される鉄
基焼結合金製摺動部品の製造に供して好適な鉄基合金粉
末に関する。

２、従来技術 粉末冶金法によって製造される焼結合金は、熔製法によ
る合金と異なり、凝固偏析がないために均一な組織とす
ることができ、また、通例の熔製法では得られない特異
な組織が比較的容易に得られること、更に、焼結体の寸
法精度が高いことから、近年、その適用分野が拡大しつ
つある。

例えば内燃機関にあっては、第１図に示すように、内燃
機関１の運転中、バルブシート２、ロッカアーム３、タ
ペット４、カムシャフト５、ピストンリング６等の部品
は、高速で相手部品と摺動するので、耐摩耗性が要求さ
れる。そこで、これらの部品又はその摺動部分、例えば
ロッカアーム３にあってはロッカパット３ａ、カムシャ
フト５にあってはカム駒５ａには、それらの材料に組織
中に硬質炭化物を晶出又は析出、分散させて耐摩耗性を
付与した鉄基焼結合金の採用が考えられる。

上記の硬質炭化物分散鉄基焼結合金の製造に供される粉
末としては、例えば多量のクロムと焼結性向上のための
燐とを含有する鉄基合金粉末に焼結時に炭化物を生成さ
せるために黒鉛粉末を配合した混合粉末が、或いは上記
鉄基合金粉末組成に更に素地強化及び／又は炭化物生成
元素として銅、モリブデンを含有させた鉄基合金粉末に
焼結時に炭化物を生成させるために黒鉛粉末を配合した
混合粉末が一部に使用されている（特開昭５５−２７７
７号公報）。

ところが、上記の混合粉末を使用する方法では、黒鉛粉
末の配合量が多くなって均一に混合し難（、搬送中或い
はプレスのホッパ内で鉄基合金粉末と黒鉛粉末との比重
差によって黒鉛粉末が分離し易く、黒鉛粉末の所謂ダマ
を生じ、その結果、得られる焼結部品中に粗大空孔が生
じ易い。また、混合粉末の流動性が良好でなく、高速成
形が困難であり、得られる圧粉体の重量や密度のバラツ
キが大きく、その結果、得られる焼結部品の寸法変化が
大きくなり、歪も発生し易い。

また、上記の鉄基合金粉末は、粉末粒子表面に酸化物層
が存在し、合金粉末の酸素含有量は０．３〜０６５重量
％もの多量となる。この酸化物表面層は混合粉末の流動
性を悪くして圧粉体の密度を低くすると共に、圧粉体の
機械的強度を低下させて割れや欠けを生じ易くし、その
ハンドリングを面倒にする。

更に上記酸化物表面層は焼結時に粉末粒子間の原子の拡
散を阻害するので、還元して消失させる必要があるが、
クロムを多量に含有する合金粉末にあっては、上記酸化
物表面層は安定なＣｒ２Ｃｈを多量に含有するために、
水素ガスでは還元されず、ＣＯガスによってのみ還元可
能である。そこで、黒鉛粉末を上記還元に使用される量
だけ余計に配合しなければならなくなって、前述した黒
鉛粉末の配合量の多いことによる問題点が一層助長され
ることになる。

このような問題を解決する太めに、鉄基合金粉末の炭素
含有量を高くし、黒鉛粉末の配合をなくするか、或いは
少なくすることが考えられる。然し、鉄基合金粉末の炭
素含有量が高くなる程圧粉体成形時の圧縮性が悪くなり
、成形圧や焼結部品形状に著しい制約を受ける。

３、発明の目的 本発明は、上記のような従来の鉄基合金粉末の有する問
題点を解消し、圧縮性と焼結性が良好で耐摩耗性焼結部
品の製造用として好適な鉄基合金粉末を提供することを
目的としている。

４、発明の構成 即ち、本発明の第１の発明は、炭素０．４〜３重量％、
クロム５〜３０重量％、珪素０．２〜１重量％、マンガ
ン０．１〜ＩＮ量％、燐０．２〜１重量％、不純物とし
ての酸素０．１５重量％以下、残部が実質的に鉄からな
り、圧縮性と焼結性とに優れた耐摩耗性焼結部品用鉄基
合金粉末に係る。

また、本発明の第２の発明は、炭素０．４〜３重量％、
クロム５〜３０重量％、珪素０．２〜１重量％、マンガ
ン０．１〜１重量％、燐０．２〜１重量％、ニッケル、
モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群か
ら選ばれた１種又は２種以上を合計で０．５〜１２重量
％（但、ニッケル、モリブデン、タングステン及びバナ
ジウムの夫々は３重量％以下）、不純物としての酸素０
．１５重量％以下、残部が実質的に鉄からなり、圧縮性
と焼結性とに優れた耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末に
係る。

５、発明の作用効果 本発明鉄基合金粉末は、炭素及びクロムの含有量を共に
高くして硬質の含クロム炭化物を組織中に分散させ、得
られる焼結部品の耐摩耗性を改善するようにしたもので
あり、以下に述べることを主たる特徴としている。

即ち、その第１の主たる特徴は、 （イ）炭素含有量を高くして黒鉛粉末の配合をなくする
か或いは少なくし、その結果、合金粉末又は混合粉末の
流動性が良好となって圧粉体の重量や密度のバラツキが
小さくなり、（ロ）酸素含有量が低いので合金粉末の流
動性が良好となり、圧粉体の機械的強度が高く、割れや
欠けが生ずることなく、ハンドリングが容易である ことにある。

また、その第２の主たる特徴は、 （ハ）黒鉛粉末の配合をなくするか或いは少なくするこ
とができ、その結果、黒鉛粉末の偏在による焼結部品中
の粗大空孔の発生を防止して均一な組織とし、 （ニ）更に、焼結部品の寸法精度が高く、歪も極めて少
なく、 （ホ）燐を含有することにより、比較的低温での焼結に
よって鉄−燐合金粉末を配合する場合に較べて、例えば
真密度比で９５％以上の高密度焼結部品が容易に得られ
るようにし、 （へ）Ｍ集合有量を低くして、焼結時に合金粉末粒子表
面の酸化物層を含有炭素によって還元して、酸化物表面
層による合金粉末を構成する原子の拡散阻止作用を排除
することにより焼結性を改善し、かつ、この還元のため
の黒鉛粉末の配合をなくするか或いは少なくして黒鉛粉
末配合による前記の問題が起らぬようにしたところにあ
る。

なお、本発明鉄基合金粉末は、所定の化学組成の溶湯を
公知の急冷作用の強い水アトマイズ法（特開昭５３−１
９９６１号公報、特開昭５３−１１２２５９号公報に開
示された方法）によって粉末とし、この粉末を税水、乾
燥後、ｌ　ｔｏｒｒ以下の真空中で（望ましくはＩ　Ｘ
ｌ０ｔｏｒｒ以下の高真空中で８００〜１０５０℃に加
熱保持した後、２０℃／ｈｒ以下の冷却速度で除却する
焼鈍を施すことによって得られる。

かくして本発明鉄基合金粉末は、上記水アトマイズ法に
よってイレギュラーな表面に微細な凹凸の多い形状とな
って圧縮性が改善され、更に上記焼鈍によって硬度がＨ
ｖ３５０以下に下って圧縮性が改善され、併せて、含有
炭素により表面の酸化物が還元、除去されて低酸素とな
る。

以下に本発明鉄基合金粉末の化学組成について説明する
。

炭素は素地に固溶してこれを強化すると共に、第１の発
明にあってはクロムと、第２の発明にあってはクロム、
モリブデン、タングステン及びバ九ジウムと結合して硬
質の炭化物を形成し、得られる焼結部品の耐摩耗性に寄
与する。

その含有量が０．４重量％（以下、重量％を単に「％」
で表わす。）未満では、黒鉛粉末の配合を多くせねばな
らなくなって前述したような焼結部品中に炭素の偏析や
歪が発生し易くなる。他方、これが３％を越えると炭化
物の晶出量が多くなり過ぎて成形性が低下する。

従って、炭素含有量は０．４〜３％の範囲とする。

特にその望ましい範囲は１〜２％である。

クロムは素地に固溶してこれを強化すると共に、炭素と
結合して高硬質のＦｅ−Ｃｒ−Ｃ複炭化物を形成し、得
られる焼結部品の耐摩耗性を改善する。その含有量が５
％未満では上記効果が顕著ではなく、これが３０％を越
えると成形性が悪くなって圧粉体強度が低下し、そのほ
か、得られる焼結部品が脆（なる。

従って、クロム含有量は５〜３０％の範囲とする。

とりわけ望ましい範囲は、特に硬質のＭ７Ｃ３炭化物（
Ｍは鉄、クロムの金属原子を表わし、Ｃは炭素原子を表
わす。）が形成する１０〜２５％の範囲である。

珪素は素地に固溶してこれを強化すると共に、焼結温度
を低下させて焼結性を改善する。その含有量が０．２％
未満では上記効果が顕著ではなく、１％を越えると圧縮
性を悪くし、更に、得られる焼結部品を脆化させるよう
になるので、珪素含有量を０．２〜１％の範囲とする。

マンガンは合金粉製造に際して溶湯中でＪｌｌｉ！酸剤
として作用し、溶湯の健全性を向上させ、合金粉末中の
酸素含有量を低下させるが、０．１％未満では上記効果
が顕著ではなく、他方、１％を越えると合金粉末の結晶
粒が粗大化し易くなって、得られる焼結部品が脆化する
傾向が見られるので、その含有量の範囲を０．１〜１％
とする。

燐は素地に固溶してこれを強化すると共に硬度を上げ、
更に炭化物を安定にして焼結部品の耐摩純性を改善し、
かつ、固相線を下げて焼結中に少量の液相を生成させ、
焼結部品の真密度比を上げて機械的強度、耐摩耗性を改
善するが、０．２％未満では上記効果が顕著ではな（、
他方、１％を越えると圧縮性を著しく悪くするほか、焼
結部品が脆化するようになるので、その含有量の範囲を
０．２〜１％とする。

酸素は不純物であって、粉末粒子表面に酸化物、となっ
て主に存在し、前述したように、圧縮性を悪（し、更に
、上記酸化物の還元用としてｌ黒鉛粉末の配合を多くせ
ねばならなくなって、黒鉛粉末配合による前記の不都合
を生ずるほか、焼結時の合金粉末を構成する原子の拡散
を阻害して焼結性を甚だしく阻害し、或いは焼結中に珪
素やマンガンと反応して酸化物系非金属介在物を生成し
、得られる焼結部品の機械的強度、更には耐摩耗性を損
なうので、その含有量は低い程望ましく、０．１５％以
下とする。更に望ましくは０．１０％以下とするのが良
い。

第２の発明に於けるニッケル、モリブデン、タングステ
ン及びバナジウムについて述べると、これらはいずれも
素地に固溶してこれを強化するのでこれらの内の１種又
は２種以上を含有させる。

いずれもその含有量が０．５％未満では上記効果が顕著
ではないので、その下限は０．５％とする。

また、これらは上記作用以外に夫々後述する特有の作用
を有するのであるが、いずれも含有量が３％を越えても
これら作用による効果の増大は顕著ではなく、また、経
済上の観点からそれらの上限は合計で３％とし、これら
を併せて含有する場合でも合計で１２％以下とする。

ニッケル、モリブデン、タングステン及びバナジウムは
上記作用のほかに次のような作用を有している。

ニッケルは高温での機械的強度を高めるので、特に高温
で使用される焼結部品用として有用である。

モリブデン、タングステン及びバナジウムはいずれも炭
素と結合して硬質の炭化物を形成し、焼結部品の耐摩耗
性を一層向上させるので、特に苛酷な摺動条件下で使用
される焼結部品用として有用である。

バナジウムは上記耐摩耗性向上のほか、焼結時に生成す
るオーステナイトの結晶粒を微細化して焼結部品の靭性
を改善するので、衝撃を伴なう摺動条件下で使用される
焼結部品用として有用である。

６、実施例 下記第１表に示す化学組成及び硬度を有する１００メツ
シユ篩下の鉄基合金粉末を用意した。これら合金４５３
は、水アトマイズ法によって製造された鉄基合金粉末を
Ｉ　Ｘ１０ｔｏｒｒの真空中で化学組成に応じて８００
〜１０５０℃の範囲内の液相が生成しない温度に３時間
加熱した後２０℃／ｈｒの冷却速度で冷却する焼鈍を施
し、この焼鈍によってケーキ状となった状態から粉砕し
て得られたものである。

同表には比較の鉄基合金粉末として、珪素含有量を本発
明の範囲を外れて低くし、その他は上記と同様にして製
造された合金粉末（比較例１）並びに炭素含有量を通例
の粉末冶金用鉄粉若しくは鉄基合金粉と同程度の極少と
し、水アトマイズ法によって製造された１００メツシユ
篩下の合金粉末（比較例２）について併記しである。

（以下、余白次頁へ続く） 第１表 これら合金粉末に鱗片状天然黒鉛粉末を配合し、更に潤
滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末０．７５％を添加、混
合し、金型中で圧縮成形して直径１１鶴、高さ１０龍の
圧粉体とし、次いでこれを焼結して焼結体とし、圧粉体
密度、焼結体密度、焼結体中の空孔の状態を測定又は観
察した。

焼結体製造の条件及び測定結果は下記第２表に示す通り
である。但、いずれも圧縮圧は５　ｔ　／　Ｃｒａ、焼
結雰囲気はｌ、　Ｘ　１０ｔｏｒｒの真空雰囲気、焼結
時間は６０分間である。

（以下、余白次頁へ続く） 第２表 第１表及び第２表から次のことが理解できる。

（１１本発明の合金粉末は、高炭素で硬質の炭化物を組
織中に含有するにも拘らず、圧縮性は従来の低炭素の比
較例２の合金粉末と同程度を示しており、良好である。

（２）　　本発明合金粉末を使用した焼結体は、真密度
比がいずれの比較例の焼結体に較べても明らかに高い。

これは、前述したように合金粉末が焼鈍によって低酸素
としであることと、黒鉛粉末の配合がないか或いは少な
いことと、珪素の含有によって焼結性が改善された結果
である。特に比較例２の焼結体は焼結温度を高くしであ
るにも拘らず、本発明の合金粉末による焼結体の方が高
密度であり、本・を明の効果は顕著である。

（３）低炭素の比較例２の合金粉末を使用した焼結体は
、他と同程度の炭素含有量とするために黒鉛粉の配合を
多くしてあり、そのため、焼結温度を高くしている。そ
の結果、比較例２の合金粉末を使用した焼結体には粗大
空孔が明らかに認められた。

なお、焼結体の組織を観察したところでは、比較例２の
合金粉末を使用した焼結体には炭素の偏在と高い焼結温
度とによって炭化物が粗大になっており、かつ、偏在し
ていて、不均一な組織となっており、また、外径寸法の
バラツキも大きかった。比較例１の合金粉末を使用した
焼結体には炭化物の粗大化が同様に認められた。

これに対して本発明の合金粉末を使用した焼結体は黒鉛
粉末の配合がないか或いは少ないので、粗大空孔、粗失
炭化物、炭化物の偏在が認められず、外径寸法のバラツ
キも極めて小さかった。

（４）以上の結果から、本発明の合金粉末を使用した焼
結体は、含クロム炭化物の存在によって優れた耐摩耗性
を有する上に、組織が均一であるので靭性も充分にあり
、摺動部品に使用して極めて好適であることが理解され
よう。

７、発明の効果 本発明の第１の発明は、前述した化学組成としであるの
で、圧縮性と焼結性とに優れ、硬質の炭化物が微細に、
かつ、均一に分布した組織を有する高密度の耐摩耗性に
優れた焼結部品を容易に得ることができ、粗大な空孔を
生ずることがなく、寸法精度も高い。

また、本発明の第２の発明は、上記第１の発明の化学組
成に加えて、ニッケル、モリブデン、タングステン及び
バナジウムの１種又は２種以上を前述した量含有してい
るので、−ｍ機械的強度と耐摩耗性とに優れた焼結部品
を得ることができ、特に苛酷な摺動条件下で使用される
焼結部品用、原料粉末として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の構造を説明するための部分破砕概要
図である。 なお、図面に示された符号に於いて、 １・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
内燃機関２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・バルブシート３・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・ロッカアーム３ａ…………………
ロツカバツト ４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
タペット５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・カムシャフト５ａ・・・・・・・・・・・・・
・・・・・カム駒６・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・ピストンリングである。 代理人　弁理士　逢　坂　　　宏 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素０．４〜３重量％、クロム５〜３０重量％、珪
   素０．２〜１重量％、マンガン０．１〜１重量％、燐０
   ．２〜１重量％、不純物としての酸素０．１５重量％以
   下、残部が実質的に鉄からなり、圧縮性と焼結性とに優
   れた耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末。 ２、炭素０．４〜３重量％、クロム５〜３０重量％、珪
   素０．２〜１重量％、マンガン０．１〜１重量％、燐０
   ．２〜１重量％、ニッケル、モリブデン、タングステン
   及びバナジウムからなる群から選ばれた１種又は２種以
   上を合計で０．５〜１２重量％（但、ニッケル、モリブ
   デン、タングステン及びバナジウムの夫々は３重量％以
   下）、不純物としての酸素０．１５重量％以下、残部が
   実質的に鉄からなり、圧縮性と焼結性とに優れた耐摩耗
   性焼結部品用鉄基合金粉末。