JPS62202044A - 高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法に
関する。高温耐摩耗性に優れた焼結合金の代表的な用途
としては、内燃機関に使用される動弁部材例えばバルブ
シートがあげられる。

バルブシートは、内燃機関のシリンダヘッドに組み込ま
れている部材である。バルブシートにエンジンバルブが
着座すると、混合ガスや燃焼ガスがシールされる。この
バルブシートは苛酷な条件下で作動するため、高温強度
、高温耐摩耗性等が特に要求される。

［従来の技術） 内燃機関に用いられるバルブシー１−等の動弁部材は、
工具鋼系や高速度＃＃系等の合金鋼粉末を圧縮成形して
圧密成形体を形成プる工程、圧密成形体を所定の温度に
加熱して焼結し焼結合金を形成する工程から製造される
ことが多い。最近の内燃機関の高性能化に伴い、動弁部
材の高温強度、高温耐摩耗性等を尚一層内上させる必要
性が高まっている。

かかる要求を考慮し、例えば本出願人は、自己の公開特
許昭６０−２１５７３６号および昭６０−２１８４５１
＠において、合金鋼粉末の成形体を焼結して、その中の
残留気孔をできるだけ少なくし、かつその残留気孔中に
銅を溶浸することによって高温における強度と潤滑性お
よび耐摩耗性を向上させた焼結合金の製造方法を開発し
た。さらに、本出願人は、特願昭５９−１５３４６号に
おいて、銅粉と合金鋼粉末を混合し、かつ焼結させる製
造方法を開示し、製造工程の削減とコストダウンを達成
でき、しかも溶浸法によって製造した焼結合金と同等の
特性を得ることができる新しい製造方法を開発した。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は上記の本出願人自身の発明に係る焼結合金の製
造方法の一環として開発されたものであり、高温強度、
高温耐摩耗性の特性ににすぐれた焼結合金を形成し得る
製造方法を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法は、
コバルト系合金粉末と、リン化鉄、−リン化三鉄等の低
融点化合物と銅のうち一種または二種を含む鉄系金属粉
末とからなる原料粉末成形体を形成する第一の工程と、 該成形体を加熱して液相を生ぜしめて液相焼結を行い、
気孔率３％以下の焼結合金を形成する第二の工程とから
なることを特徴とするものである。

銅を溶浸法により添加する場合には、銅の融点以上で、
かつ該鉄系金属粉末の液相生成温度より０〜５０℃高い
温度に該成形体を加熱しつつ溶融した溶浸剤を接触させ
該溶浸剤を成形体の気孔に溶浸させるとともに、該成形
体の本焼結を行い、気孔率３％以下の焼結合金を形成す
る第三の工程を追加する。

すなわち、本発明の高温耐摩耗性にすぐれた焼結合金の
製造方法は、従来用いられている合＃Ｌ鋼粉末中に、コ
バルト系合金粉末を混合して、焼結時にコバルト系合金
粉末が溶解して、多孔質基材中の炭化物のまわりに溶出
し基材と炭化物の結合を強めるようにしたものである。

特にコバルト系合金は！’［ｌでの強度にすぐれており
、６００〜７００℃での摺動摩擦状態でも炭化物を基材
に保持覆る効果が大ぎく、いわゆる耐摩粒子の敷石効果
による耐摩耗性向上に大きく寄与する特性をちっており
、本発明は、この点に着眼してなされたものである。

（発明の構成の詳細な説明） 本発明は、成形体を形成する第一の工程と、液相焼結を
行う第二の工程から構成されている。銅に溶浸を行う第
三の工程が追加される。

第一の工程では、コバルト系合金粉末と、リン化銅、−
リン化三鉄等の低融点化合物と銅の一種または二種を含
む鉄系金属粉末とから成形体を形成する。低融点化合物
としては、リン化銅、−リン化三鉄等のリン合金粉末か
ら選択することができる。前記成形体は、一般に気孔の
多い多孔質体である。

上記コバルト系合金粉末の組成は、モリブデン１０〜３
０重量％、クロム０．５〜１５重量％、シリコン０．５
〜３．０１ｆｆｉ％、残部コバルトの組成に加えて、タ
ングステン０．５〜１０重足％、バナジウム０．２〜５
重最重量ニオ１０．０５〜３．０重重％のうち一種ある
いは二種以上を含むものからなる。

この組成中、クロム及びモリブデンは炭化物を形成し、
耐摩耗性に寄与する。またこれらは基材にも若干固溶し
て強度、特に高温強度を向上させる。上記の如く限定さ
れた容凹の下限以下では効果が少なく、上限を越えると
相手材を損傷させる度合が増加する。シリコンは炭化物
の球状化や焼結温度の低下に効果があるが、限定値を越
えて用いられると逆に焼結性の低下や強度の低下をきた
す。タングステン、バナジウム及びニオブは炭化物を形
成し、耐摩耗性の向上に寄与するが、限定値未満では効
果が少なく、限定値を越えると炭化物が苛酷となり好ま
しくない。

上記鉄系金属粉末は、焼結合金の種類、用途に応じて種
々その組成を選択するが１．一般的には、工具鋼系、高
速度鋼系のものを用いることができる。鉄系金属粉末の
粒径や粒の形状は必要に応じて選択するが、−１００メ
ツシユ程度のものを用いることができる。また、噴霧粉
を用いることが出来る。

低融点化合物を含む鉄系金属粉末は、クロム２゜５〜２
５重置％、炭素０．２〜３．０重鎖％、不可避の不純物
、残部鉄の組成をもつ合金鋼粉末とリン化鋼、−リン化
三鉄等の低融点合金粉末とを混合した混合粉末から構成
されており、混合粉末中リンが０．１〜０．８重Ｉ％で
あることが好ましい。

銅は、純銅を用いる場合には市販の電解銅粉を用いるこ
とができる。また、銅を６０重堕％以上含む銅合金粉末
を用いても良い。

第二の工程では、成形体を加熱して液相を生ぜしめて液
相焼結を行う。かかる第二の工程を行えば、成形体を構
成する粉末粒子の結合を強固なものとすることができ、
従って通常の焼結を行った場合に比べ、粉末粒子同志の
ネックの結合をより強固にすることができる。

尚、低融点の液相が生じる温度は、低融点化合物の成分
、組成によって種々異なるが、成形体中に低融点の液相
が部分的に生じたときには成形体の膨張曲線が急激に変
化するため、液相生成温度は、この膨張曲線の変化度合
から決定することができる。

第三の工程は、銅を溶浸法によって添加する場合に行う
が、銅の融点以上の温度に成形体を加熱して、溶浸剤を
成形体の気孔に溶浸させると共に、成形体の本焼結を行
い気孔率３％以下の焼結合金を形成する。

第三の工程を行えば、成形体中に生じた低融点液相によ
り溶浸を促進することができ、従って、焼結合金の緻密
化を一層図り得、気孔率３％以下、例えば後述する実施
例で示すように１．５〜２゜８％と著しく低下させ得る
。

銅を主体とする溶浸剤は、純銅あるいは銅を６０重量％
以上含む銅合金を焼結と同時に溶浸するが、その溶浸開
が焼結合金中占める割合は￥ｉ伍比でおよそ５〜１５％
が好ましい。銅を混合粉末に添加する場合も同様である
。１５％を越えると基材の強度低下を招き、更に粒界の
脆化等による高温度低下も著しくなるので好ましくない
。

［発明の効果］ 本発明のＴｌ４Ｊ造方法によれば、後述する実施例の試
験値で示すように、気孔率が２．８％以下、圧環強度が
１０５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、高温耐摩耗性での摩耗幅が
シート材１３μｍ以下、バルブ材２．２μｍ以下の特性
をもつ高温耐摩耗性にすぐれた焼結合金を製造すること
ができる。

［実施例］ まず、実施例１について説明する。

重量比でクロムニ１２％、炭素＝１．５％、モリブデン
：１％、バナジウムニＱ、８％、シリコン：０．２％、
マンガン０．３％、酸素：０．０４％、残部鉄および１
％以下の不純物からなる噴霧合金鋼粉末（−１００メツ
シユ）を用いた。またコバルト系合金粉末にはコバルト
系合金粉末全体を１（’１０１１１％としたときに重量
比でモリブデン＝２８％、クロム８％、シリコン＝２％
、残部コバルト及び１％以下の不純物からなる噴霧合金
粉末（−２００メツシユ）を用いた。そして粉末全体で
１００重量重鎖なるように、基材合金鋼粉末にコバルト
系合金粉末＝１０％、グラファイト粉末＝１．１％（−
３５０メツシユ）−リン化三鉄粉末：１．５％（−２０
０メツシユ）、銅粉末二８％（−１４５メツシユ）を加
え、更に組成外で潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．８
％を用いて混合し、混合粉末を形成した。この混合粉末
を７゜０　ｔ／ｃｍ２で圧縮成形してφ１０Ｒ１Ｉｌ＋
、φ２５１１１゜長さ２０＋１１１１の圧粉体（成形体
）とした。

圧粉体をアンモニア分解ガス雰囲気中において１１４０
℃で３０分間加熱し、低融点の液相を生ぜしめ、液相焼
結を行った。こうして焼結合金製の試験片を製造した。

また、同様な方法で実施例２〜５の試験片を表１及び表
２に示す条件下ｒ：製造した。実施例１．４は混合法に
より、一方実施例３と５は銅を溶浸法により添加してい
るが、後者の方法は純銅粉（Ｍ解銅粉）又は銅合金粉末
を圧縮成形してφ１０ＩＩＩ１１φ２５ｍ転長さ３ｍ階
の圧粉体とし、前記鉄系混合粉末製の圧粉体に重ねて設
置し、この状態でアンモニア分解ガス雰囲気中において
、３０分間加熱し、以って液相を生じさせつつ焼結同時
溶浸を行い、これにより焼結合金製の試験片を製造した
。

なお比較例の試料は、実施例１に示した試料からコバル
ト系金属粉末を除いた組成とし、実施例と同様の方法で
試験片を製造した。

（試験） 実１Ｍ例１〜５の試験片について 実施例１〜５の試験片について、気孔率、高温（５００
℃）圧環強さ、高温耐摩耗性を調査した。

その結果を表３に示す。高温耐摩耗性は、φ１４ｍｍ、
φ１８ｍｍ、長さ１５ＩＩＩｍの試験片を試作し、試験
片を２ｍｍの振幅で１分間に１２００回上下させ、その
端面を面圧４５ｋＯｆ／ｍｍ２で平面状のバルブ相当材
に押し当て、さらにバルブ相当材を５ｒｐｍで回転させ
Ｕｌ１粍試験を行った。摩耗試験は、バルブ相当材の表
面を５００℃に加熱し、ガソリンエンジンの排気ガスを
試験片接触部に導入して行った。また、１回の試験時間
は７時間とした。

各試験結果を表３に示す。気孔率は、実施例１で１．８
％、実施例２で２．５％、実施例３で１゜５％、実施例
４で２．３％、実施例５で２．８％であった。高温圧環
強さく５００℃）は、実施例１では１１５ｋｇｆ／ｍｍ
！　、実施例２では１３０ｋＯｆ／ｍｍ２、実施例３で
は１１０ｋＯｆ／ｍｍｚ、実施例４では１０５ｋｇｆ／
ｍｍ２　、実表３　試験結実 施例５では１０５ｋｇｆ／ｍｍ’　であった。マタ、高
温耐摩耗性試験での摩耗幅は、実施例１でシート材１１
μｍ、バルブ材１．５μｍ１実施例２でシート材４μｍ
、バルブ材２．２μｍ、実施例３でシート材８μｍ１バ
ルブ材２．０μｍ１実施例４でシート材１０μｍ１バル
ブ材１．７μｍ１実施例５でシート材１３μｍ１バルブ
材１．５μｍであった。

比較例の試験結果は、気孔率３．４％、高温圧環強さ１
２０ｋＱｆ／ｍｍ２１高温耐摩耗性試験での摩耗幅はシ
ート材１８μｍ１バルブ材２．５μｍであった。

手続補正書（自発） 昭和６１年４月３　日 昭和６１年特許願第０４４６１７号 ２、発明の名称 高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 （３２０）トヨタ自動車株式会社 代表者　松　本　　清　くはか１名） ４、代理人 〒４５０愛知県名古屋市中村区名駅３ 丁目３番の４ ５、補正の対像 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）明細書の第６頁の第２０行目の［銅ｊから第７頁
の第１行目にある（−に溶浸を・・・・・・追加される
。」とある「銅」と「に溶浸を・・・・・・追加される
。」との間に「を溶浸法によって添加する場合には、焼
結と同時」を挿入します。

（２）明細書の第１０頁の第１３行目にある１温度低下
」とある「温」と１度低下」との間に「強」を挿入しま
す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）コバルト系合金粉末と、リン化鉄、−リン化三鉄
   等の低融点化合物と銅のうち一種または二種を含む鉄系
   金属粉末とからなる原料粉末より成形体を形成する第１
   の工程と、該成形体を加熱して液相を生ぜしめて液相焼
   結を行い、気孔率３％以下の焼結合金を形成する第二の
   工程とからなる高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方
   法。
2. （２）銅を溶浸法により添加する場合には、銅の融点以
   上で、かつ該鉄系金属粉末の液相生成温度より０〜５０
   ℃高い温度に該成形体を加熱しつつ溶融した溶浸剤を接
   触させ該溶浸剤を成形体の気孔に溶浸させるとともに、
   該成形体の本焼結を行い、気孔率３％以下の焼成合金を
   形成する第三の工程を追加する特許請求の範囲第一項記
   載の高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
3. （３）コバルト合金粉末は、モリブデン１０〜３０重量
   ％、クロム０．５〜１５重量％、シリコン０．５〜３．
   ０重量％、残部コバルトの組成に加えてタングステン０
   ．５〜１０重量％、バナジウム０．２〜５重量％、ニオ
   ブ０．０５〜３．０重量％のうち一種あるいは二種以上
   を含む合金であり、タングステン、バナジウム、ニオブ
   の合計が１８重量％以下である特許請求の範囲第一項記
   載の高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
4. （４）鉄系金属粉末は、クロム２．５〜２５重量％、炭
   素０．２〜３．０重量％、不可避の不純物、残部鉄の組
   成をもつ合金鋼粉末と、リン化銅、−リン化三鉄等の低
   融点化合物とを混合した混合粉末から構成されており、
   混合粉末中リンが０．１〜０．８重量％である特許請求
   の範囲第一項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製
   造方法。
5. （５）溶浸材粉末は、純銅あるいは銅を６０重量％以上
   含む銅合金粉末である特許請求の範囲第二項記載の高温
   耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
6. （６）合金鋼粉末は、モリブデン０．３〜６．５重量％
   、タングステン０．５〜１２重量％、バナジウム０．２
   ５〜５．５重量％、ニオブ０．０５〜３．０重量％のう
   ち一種または二種以上含み、かつモリブデン、タングス
   テン、バナジウム、ニオブの合計が１６重量％以下であ
   る特許請求の範囲第四項記載の高温耐摩耗性に優れた焼
   結合金の製造方法。