JPS62211355A - 耐摩耗性鉄基焼結合金 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、耐摩耗性が要求される部品の素材として利用
され１例えば内燃機関のロッカアームやタペット等の高
面圧のかかる摺動部に使用した場合にすぐれた耐摩耗性
となじみ性を発揮する鉄基焼結合金に関するものである
。

（従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となりつ
つあり、特にロッカアームやタペットのカムシャフトと
の摺動部に対する耐久性の要求はきわめて厳しいものと
なっている。

一般に、ロッカアームやタペットのカムシャフトとの摺
動部は高い面圧を受けるものであるため、すぐれたｌｆ
ｆ耗性１耐スカッフィング性および１耐ピツチング性を
兼ね備えかつカムシャフトとのなじみ性をも合わせ持つ
ことが要求される。

従来、ロッカアームにはチル鋳鉄製のもの、ロッカアー
ム摺動部にＣｒめっきや自溶性合金の溶射肉盛などの表
面処理を施したもの（例えば、新編　自動・Ｖ工学便覧
　第１２編　第１−５４頁〜第１−５５頁）、あるいは
鉄−Ｃｒ−Ｃ系の高合金粉末の圧粉体を液相焼結したも
の（例えば。

特開昭５７−１０８２４６号）などが使用されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、Ｌ記のうち、チル鋳鉄製のロッカアーム
は耐ピツチング性や耐摩耗性の点で問題があり、Ｃｒめ
っきを施したロッカアームではめっき層の剥離の問題が
あり、溶射肉盛を施したロッカアームではスカッフィン
グや相手部材のカムシャフトに対する摩耗などの問題が
ある。また、鉄−Ｃｒ−Ｃ系焼結合金製のロッカアーム
の場合は重犯チル鋳物、Ｃｒめっき、溶射肉盛製のロッ
カアームにくらべるとかなり良好な特性を示すことが多
いが、血圧が非常に高くなる場合等には１］分自身の耐
摩耗性が七分でないばかりでなく、カムシャフトの摩耗
量も大きくなってしまい、要求特性を満足するものにな
っていないのが現状である。

そこで本発明者等は、上述のような観点から。

すぐれた耐摩耗性、耐スカッフィング性および耐ピツチ
ング性を持つだけでなく、相手部材とのなじみ性をも合
わせ持つ材料を開発することを目的として種々の研究を
実施した結果、本発明を完成した。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明者等の第一発明による耐摩耗性鉄基焼結合金は、
重量％で、ＭｏおよびＷのいずれか１種または２種；５
〜２０％、Ｃｒ；２〜１０％、Ｓｉ；０．１〜０．９％
、Ｍ　ｎ　；　０　、７％以下、ｐ；ｏ、ｏｓ％以下、
Ｃ；０．１〜０．８％、Ｂ、０．５〜２．０％、残部Ｆ
ｅおよび不純物からなることを特徴としており、第二発
明による耐摩耗性鉄基焼結合金は、上記の成分に加えて
。

Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉのうち
の１種以上を合計で２０％以下含むことを特徴としてい
る。

本発明者等は、上記の組成をもつ二つの発明に係る＃摩
耗性鉄基焼結合金において、とくにマトリックス組織中
に微細な炭化物と硼化物および／または炭硼化物が均一
に分散している組織を有するものがすぐれた摺動摩耗特
性を有し、とりわけ例えばロッカアームの摺動部に使用
した場合には極めて優れた性能を発揮するという知見を
見いだした。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、以下
に成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。

ＭｏおよびＷ； ＭｏおよびＷは成分中のＦｅやＣｒとともにＣやＢと結
合して複炭化物や複硼化物あるは復炭硼化物を形成して
耐摩耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶してマト
リックスを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用
があるが、５％未満では所望の効果が得られずに耐摩耗
性不足となり、２０％を超えて含有させてもより一層の
改善効果は認められず、経済的でないことからその含有
量を５〜２０％と定めた。

Ｃｒ； ＣｒはＭｏ、Ｗ等とともに複炭化物や複硼化物を形成し
耐摩耗性を向上させると同時に、マトリックス中に固溶
して焼入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果
を有するとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、
２％未満ではその効果が認められず、１０％を超えて含
有させてもより−・層の改善効果がないばかりでなく、
機械的強度が低下して相手材への攻撃性が増大してしま
うことからその含有量を２〜１０％と定めた。

Ｓｉ； Ｓｉは０．１％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉
末中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するととも
にＭ２Ｃ系の粗大な板状の炭化物が析出しやすくなり相
手部材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が０．９
％を超えても脱酸効果の向上もなく、粉末が丸くなって
しまい成形性が低下するだけであることから、その含有
量を０．１〜０．９％と定めた。

Ｍｎ　； Ｍｎは前述したＳｉと同じように脱酸効果があり、添加
することにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向
トさせるが、０，７％を超えると粉末の形状が丸くなっ
て粉末の成形性が低下することにより成形体エツジ部の
欠は等が生じやすくなることから、添加するとしてもそ
の含有量を０．７％以下と定めた。

Ｐ； Ｐは耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素とし
て一般に０．２〜０．８％程度添加する手法が広く用い
られているが、この発明による焼結合金の場合はＰの添
加量が０．０５％を超えた場合に、複硼化物あるいは復
炭硼化物が粗大化して相手材とのなじみ性が低下すると
ともに、粒界に複硼化物あるいは復炭硼化物がネｙ　）
ワーク状に析出して強度が低下してしまうことにより、
特に高血圧がかかった場合の耐ピツチング特性も低下し
てしまうことからその含有量をＯ，ＯＳ％以下と定めた
。

Ｃ； Ｃはその一部がＭ　ｏ　、　Ｗ　、　Ｃｒ　、　Ｖなど
の炭化物形成元素と結合して複炭化物を形成して耐摩耗
性を向トさせ、残りはマトリックス中に固溶して高い室
温硬さと強度を与える作用を有するが、０．１％未満で
はその効果が認められず、０．８％を超えると複炭化物
の析出量増加と粗大化が起こり、相手材とのなじみ性が
低下することから、その含有量を０．１〜０．８％と定
めた。

このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したＦｅ−Ｍ
ｏ　−Ｗ−Ｃｒ−Ｖ−３ｉ　−（Ｍｎ）　−（Ｃｏ）−
Ｃ系アトマイズ合金粉末の形で添加する必要がある。こ
れはＣを単独にグラファイト粉末の形で添加すると、ｖ
ｋ述するＢ源として添加するＦｅ−ＢあるいはＦｅ−Ｃ
ｒ−Ｂと結びついて焼結時に粗大な炭砿化物を粒界に沿
ってネットワーク状に析出させ相手材への攻撃性を増大
してしまうのに対して、真空焼鈍を施したＦｅ−Ｍｏ−
Ｗ−Ｃｒ−Ｖ−Ｓｉ　−（Ｍｎ）−（Ｃｏ）−Ｃ系アト
マイズ合金粉末の形で添加した場合は、アトマイズ後の
真空焼鈍時にＣは大部分がＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｆｅ等
と結びついて微細な複炭化物としてアトマイズ合金粉末
中に析出することから、Ｆｅ−ＢやＦｅ−Ｃｒ−Ｂを添
加しても焼結時に粒界あるいは粒界に近い部分の複炭化
物がＦｅ−ＢやＦｅ−Ｃｒ−Ｂと結びついてもとの複炭
化物よりは若干大きな複炭砿化物となるだけで、粒内の
微細な複炭化物は焼結後もそのまま残り、Ｆｅ−ＢやＦ
ｅ−Ｃｒ−Ｂとアトマイズ合金粉末中のＭｏおよびＷな
どとの間の分解・析出により生じた微細な複硼化物とと
もに均一・に分散した本発明による焼結合金特有の組織
が得られるためである。

Ｂ； Ｂは成分中のＭ　ｏ　、　Ｗ　、　Ｖ　、　Ｃｒ　、　
Ｆ　ｅとともに複硼化物を形成して耐摩耗性と耐なじみ
性をテえるとともに、一部はマトリックス中に固溶して
焼入性を改善する。また、Ｌ記複硼化物の一部はＣとも
結びついて復炭硼化物を形成して耐摩耗性を向上させる
。

このようにＢは微細な複硼化物あるいは復炭硼化物を形
成して本発明焼結合金の耐摩耗性と耐なじみ性を向上さ
せるのに必須の主要成分であるが、０．５％未満の添加
ではその効果が認められず、一方２．０％を超えても一
層の改善効果が認められずかえって複硼化物の粗大化が
起り、相手材とのなじみ性が低下することからその含有
量を０．５〜２．０％と定めた。

本発明による焼結合金のＢ添加量としては上述したよう
に０．５〜２．０％とする必要があるが、特に優れた特
性を示すのはＢ添加量がＭ　ｏ　＋Ｗ添加量との間で、
［Ｍｏ＋Ｗ含有量（原子量）］／［Ｂ含有量（原子量）
］＝０．８〜１．５の関係を満たしている時である。こ
れは上記原子比が１．５を超える場合は、複硼化物の生
成量が少なく本発明合金の特徴であるなじみ性が低下し
てしまい、また前記原子比が０．８未満では複硼化物が
粗大化するとともにネットワーク状に粒界に析出してし
まい、相手材とのなじみ性が低下すると同時に自分自身
の耐ピツチング性が低下してしまうためである。このＢ
の添加方法としてはＦｅ−ＢあるいはＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系
合金粉末の形で添加することが好ましい。

Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ； Ｖ、Ｎｂ、ＴａはＦｅやＣ’ｒとともにＣと化合してき
わめてかたい複炭化物を作るとともに、Ｍ　ｏ　、　Ｗ
の一部と置換した形の複炭化物や複硼化物を形成して＃
摩耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶してマトリ
ックスを強化するとともに、焼戻し硬化能を高める作用
がある。またＶ。

Ｎｂ、Ｔａは焼結時の結晶粒の粗大化を防止するととも
に炭化物の粗大化を防止する効果もある。

これらの効果はＶ、Ｎｂ、Ｔａが０．５％未満の場合で
はあまり認められず、耐摩耗性や強度の低下をきたし、
一方８％を超えて添加しても一層の改善効果は認められ
ず経済的でないことから、添加するとしてもその含有量
を０．５〜８％とするのが良い。

以上述べてきた成分のほか、硼化物形成元素であるＴｉ
、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｏ等を必要に応じて１２％以下添加し
ても良い。特にＣｏはＭｏ、Ｗなどの−・部と置換して
複硼化物を形成するだけでなく、マトリックス中に固溶
して赤熱かたさを向上させるため、熱間での耐摩耗性が
要求される場合には添加することが特に効果的である。

また、マトリックスがオーステナイト化しない範囲でＮ
ｉを添加しても良い、これはＮｉを添加するとマトリッ
クスの耐食性が向上するため、ディーゼルエンジンのＥ
ＧＲ仕様のロッカアームや油圧リフタのように腐食摩耗
が厳しい部品への適用には特に効果がある。しかし、Ｎ
ｉの添加量が多くなってマトリックスがオーステナイト
化してしまった場合には、かたさが低下するだけでなく
、相手材との凝着性が大きくなってしまうため、添加す
るとしてもオーステナイト化しない範囲で添加するのが
良く、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ。

Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉは合計で２０％以下とするのが
望ましい。

本発明による焼結合金のかたさぁしては、ＨＲＣ５０〜
６５の範囲が好ましい。これはＨＲＣ５０未満では耐摩
耗性が不足し、ＨＲＣ６５を超えると相手材とのなじみ
性が低下するためである。

また、本発明による焼結合金の理論密度比としては９０
％以上とすることが好ましい、これは９０％未満の理論
密度比ではマトリックスの強度が低く、かつ空孔も大き
く、しかもこの空孔のもつ切欠作用によってマトリック
スが破壊されやすくなってピッチング摩耗が生じやすく
なるためである。

（実施例） 以下、本発明による耐摩耗性鉄基焼結合金の実施例を比
較例と対比しながら説明する。

原料粉末として真空焼鈍を施した粒度−１００メツシユ
のＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ　−Ｗ−３ｉ　−Ｃ系アトマイズ合
金粉末（必要に応じＶ、Ｎｂ、Ｔａ。

ＣＯも添加）、−３２５メッシ、＋７）Ｆｅ−Ｍ。

粉末あるいは純Ｍｏ粉末、−３２５メツシュのＦｅ−Ｗ
粉末あるいは純Ｗ粉末、−２５０メツシュ（７）　Ｆ　
ｅ　−Ｂ合金粉末（８，２０％含有）。

−２５０メツシユのＦｅ−２６％Ｐ合金粉末。

−２５０メツシユのフェロチタン、フェロジルコニウム
、フェロハフニウム８合金粉末、　−３２５メツシユの
カーボニルＮｉ粉末等を表１に示される最終成分組成を
持つように適宜配合し、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛
を加えて混合し、この混合粉末を７ｔｏｎｆ／ｃｍ２の
圧力で圧粉体を成形し、ついで前記圧粉体を真空中で１
１５０〜１２５０″Ｃの温度にて６０分保持して焼結し
た後焼入れ焼戻し処理を行って本発明合金１〜１６およ
び比較合金１〜１０を製造した。

ついで、この結果得られた本発明合金１〜１６および比
較合金１〜１０をそれぞれラッシュアジャスタ内蔵型の
ロッカアームのカムシャフトとの摺動部に使用し、４気
筒ＯＨＣガソリンエンジンにそれぞれ組み込み、カムシ
ャフト；チル鋳物、エンジン回転数；６５０ｒｐｍ、オ
イル；ガソリン用１万ｋｍ走行廃油、運転時間；　６０
０ｒｐｍ、およびその他の条件は実際の市場走行と同一
・の条件で摩耗試験を行ない、ロッカアーム摺動部にお
ける摩耗量および相手部材であるカムの摩耗量を測定す
ると共に、同摺動部におけるスカッフィングおよびピッ
チングの発生状況を観察した。この測定結果および観察
結果を表１に合わせて示した。また、表１には比較の目
的で、従来材ｌとしてチル鋳鉄製ロッカアーム、従来材
２としてＣｒめっきを施したロッカアーム、従来材３と
してＦｅ−１２Ｃｒ−Ｃ系焼結合金製ロッカアームにつ
いて同一条件で摩耗試験を行った結果を示した。

表１より明らかなように、摩耗条件はきわめてへｒ酷な
条件で行われたため、従来材であるチル鋳物、Ｃｒめっ
き、Ｆｅ−１２Ｃｒ−Ｃ系焼結合金製ロッカアームはと
もに当該ロッカアーム摺動部およびカムシャフトとも著
しい摩耗を起こしておす、シかもスカッフィングやピッ
チングも発生していることが認められた。

また、比較合金１〜ｌＯで示したように、成分組成の範
囲が本発明合金からはずれた合金の場合は、それぞれロ
ッカアームやカムシャフトの摩耗が大きかったり、スカ
ッフィングやピッチングの発生が認められたりし、とも
に満足のできる良好な特性を示していない。

これに対して本発明合金１〜１６の場合はいずれもすぐ
れた耐摩耗性を示すほか、相モ部材であるカムを損傷さ
せることもほとんどなく、さらに耐スカッフィング性お
よび耐ピツチング性のきわめて優れたものとなっている
。

なお、ここに示した本発明合金は熱処理によりマトリッ
クス組織は焼戻しマルテンサイト組織となっているが、
この熱処理条件を適宜選択することよって、素地の組織
をベイナイト、パーライト、ベイナイト＋パーライト等
の組織とすることができるのはもちろんである。

なお、前記実施例では本発明合金をロッカアームの摺動
部に適用した場合について述べたが、タペット、カム、
スリーブおよびバルブシートなどの高面圧のかかる用途
に使用しても同様にすぐれた耐摩耗性を示すものである
。

［発明の効果］ 上述のように、本発明等の第一による鉄基焼結合金は、
重量％で、ＭｏおよびＷのいずれか１種または２．１！
ｉ：５〜２０％、Ｃｒ；２〜１０％、Ｓｉ；０．１〜０
．９％、Ｍｎ；０．７％以下、Ｐ；０．０５％以下、Ｃ
，０，１〜０．８％、Ｂ、０．５〜２．０％、残部Ｆｅ
および不純物よりなる組成を有するものであり、第二発
明による鉄基焼結合金は、上記の成分に加えてＶ、Ｎｂ
。

Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの１種以上
を２０％以下含有するものであるから、いずれの発明に
おいてもマトリックス中に硬質粒子として微細な複炭化
物と複硼化物および／またはＮ　）Ｒ硼化物とが均一に
分散している組織とすることができることから、したが
って本発明合金を例えば高い面圧のかかる用途に使用し
た場合に、前記面圧が前記硬質粒子によって分散される
ようになり、それゆえすぐれた耐摩耗性、耐スカッフィ
ング性および耐ピツチング性を示し、特にＶ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの１
種以北を添加した鉄基焼結合金においてはさらに優れた
耐摩耗性、耐スカッフィング性および耐ピツチング性を
示し、さらには複硼化物および／または複炭砿化物の優
れたなじみ性により相手部材の摩耗をも改善させるなど
、工業北極めて有益な特性を有するものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、ＭｏおよびＷのいずれか１種または２
   種；５〜２０％、Ｃｒ；２〜１０％、Ｓｉ；０．１〜０
   ．９％、Ｍｎ；０．７％以下、Ｐ；０．０５％以下、Ｃ
   ；０．１〜０．８％、Ｂ；０．５〜２．０％、残部Ｆｅ
   および不純物からなることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼
   結合金。
2. （２）重量％で、ＭｏおよびＷのいずれか１種または２
   種；５〜２０％、Ｃｒ；２〜１０％、Ｓｉ；０．１〜０
   ．９％、Ｍｎ；０．７％以下、Ｐ；０．０５％以下、Ｃ
   ；０．１〜０．８％、Ｂ；０．５〜２．０％、およびＶ
   、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの
   １種以上；２０％以下、残部Ｆｅおよび不純物からなる
   ことを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金。