JPS6237710B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は耐熱性および耐摩耗性に優れた焼結合
金製シール材の製造方法に関するものであり、さ
らに詳しく述べるならばターボチヤージヤー排気
マニホールド側用シールリング、内燃機関用ピス
トンリング等に用いられるシール材の製造方法に
関するものである。 一般に内燃機関のシール材としては、FC及び
FCD系の鋳鉄あるいは樹脂等が多用されている
が、耐摩耗性はかなりの程度であるとしても、耐
熱性は不足する場合がある。一方、焼結合金はピ
ストンリング等に使用される傾向にあるが、これ
は焼結合金には10〜20％の空孔が内在し、油だま
りとなつて潤滑油を保持し、耐摩耗性及び耐焼付
性を向上させる性質を利用することを意図したも
のである。しかし焼結合金に内在する空孔は焼結
シール材の有効断面積を減少させる結果、該シー
ル材の実作用応力が高くなり、耐熱性は劣化す
る。この欠点を補い焼結合金の耐熱性を向上させ
るには空孔体積率の減少が有効であるが、焼結鍛
造、ホツトプレス等の特殊な技術を用いなければ
ならず焼結品のコスト上昇を招き経済的に不利で
ある。焼結シール材の耐熱性を向上させる他の技
術には耐熱性向上元素として一般的なCr，Ni，
Co，Mo，Ｗ等の粉末を鉄粉末中に予め混合させ
ておく方法があるが、焼結は固相拡散反応を利用
するのが一般的であるから、Ni，Coを除いた
Cr，Mo，Ｗ等を焼結合金のFeマトリツクス中へ
均一に拡散固溶させるのは極めて困難である。し
たがつて、上述のような耐熱性向上元素の粉末と
鉄粉末を混合させる方法では顕著な耐熱性向上を
期し得ない。本発明は以上のような問題点を解決
しうる焼結合金製シールの製造を提供するもので
ある。 以下、ターボチヤージヤー排気マニホールド側
用シールリングに例をとつてシール材の要求性能
及び従来法の問題点を具体的に説明する。 近年自動車の低燃費化や高出力化の手段として
ターボチヤージヤーを装着する内燃機関が増加し
ている。ターボチヤージヤー排気マニホールド側
用シールリング（以下シールリングと称する）は
高温の排気ガスの影響により高温にさらされ且つ
高温下で潤滑油のシールをしなければならない。
よつて張力の保持がシールリングとしての重要な
特性の１つであるのでシール材の性能としては高
い耐熱性が要求される。さらにターボチヤージヤ
ーのタービンの回転数は最大十数万rpmの高速回
転となるのでシール材として耐摩耗性（相手材を
摩耗させない性質も含む）および耐焼付性につい
ても高い性能が併せて要求される。 一般にシール材として使用されているFC及び
FCDの鋳鉄や樹脂等はシールリングとしては耐
熱性が明らかに不足するので、現在シールリング
には高速度鋼、オーステナイト鋳鋼、高Cr鋳
鋼、ステンレス鋼等の溶製材料が一般に用いられ
ている。これらの溶製材料は耐熱性に優れている
がシールリングは小径であるため多大の加工工数
を必要としまた材料歩留が極めて悪いという欠点
を有する。更にこれらの溶製材料は耐焼付性及び
耐摩耗性には問題を有している。これに対して、
焼結合金は材料組成の自由度が高く、また空孔が
内圧するために、耐熱性、耐摩耗性等の改善は容
易に実施可能となる。しかも焼結合金は極めて高
い寸法精度で製造できるので加工工数の大巾な低
減が可能であり、材料歩留も極めて良好である。 しかしながら、焼結合金は上述のように材料組
成の調節によつて耐熱性を付与する場合、単純に
耐熱性元素の粉末を鉄粉末に混合し、その後焼結
する技術では、顕著な耐熱性向上を期しえない。 以上のような従来技術の問題点を解消し、焼結
合金のシール材として耐熱性及び耐摩耗性を飛躍
的に改善するためには本発明者は次の条件が満た
されていることが重要であるとの知見を得た。 予め合金化された鉄合金粉末を用いそして高
温下での焼結を行ない合金元素の拡散を十分に
行なうこと。このためには焼結合金のマトリツ
クスの耐熱性を向上させるためのオーステナイ
ト系ステンレス鋼粉末を主原料として用い、さ
らにコバルト粉末を添加し、コバルトをマトリ
ツクスに焼結中に拡散固溶させる。かくして単
独粉末によるよりも耐熱性が一層向上する。 焼結合金の耐摩耗性は前記内圧空孔の保油効
果により一般に良好であるが、硬質粒子の添加
により一層改善されること。即ち焼結合金のマ
トリツクスに比べ相対的に硬い硬質粒子が１次
しゆう動面を形成し、一方相対的に軟いマトリ
ツクスは初期摩耗によつて前記内圧空孔と同様
に潤滑油の油だまりとなり前記空孔の保油効果
のみによるよりも一層耐摩耗性の他に耐焼付性
も向上する。 適度な硬さを有した硬質粒子を添加すること
に加え、黒鉛粉末を添加すると、焼結中にオー
ステナイト系ステンレス鋼よりなるマトリツク
スのCrと黒鉛が反応し微細なCr炭化物が析出
して耐摩耗性及び耐焼付性は一層改善されるこ
と。 以上の条件，及びを満足する本発明はビ
ツカース硬さＨ_v500〜1500を有する粒径150μｍ
以下の硬質粒子粉末を体積比で１〜20％と、黒鉛
粉末を0.5〜２重量％、コバルト粉末２〜10重量
％とを含有し、残部がオーステナイト系ステンレ
ス鋼粉末から成る混合粉末を圧粉成形しそして焼
結することにより、相対密度80〜95％を有する耐
熱耐摩耗性焼結合金製シール材を製造する方法を
提供するものである。 以下本発明の限定理由を述べさらに説明を行な
う。 硬質粒子の硬さがＨ_v500未満であると耐摩耗性
および耐焼付性向上の効果がなく、一方Ｈ_v1500
を超える硬い粒子では相手材の摩耗が多くなるの
で、硬質粒子の硬さはＨ_v500〜1500が適切であ
る。このような硬質粒子としては、Co，Cr等の
含有量が高い高合金、フエロアロイ及び金属間化
合物の少なくとも１種を用いることができる。 また硬質粒子の粒径が150μｍを超える粗粉末
では、原料粉末混合時の不均一や成形時の成形性
の低下等の問題が生じるので、硬質粒子の粒径は
150μｍ以下が必要である。また硬質粒子の全混
合粉末に対する体積比が、１％未満では耐摩耗性
及び耐焼付性が不足し20％を超えると圧粉成形性
が低下するので硬質粒子の割合は体積比で１〜20
％が適切である。好ましくは３〜10％である。 上記硬質粒子のみをオーステナイト系ステンレ
ス鋼粉末に添加しただけではマトリツクスは単純
なオーステナイト組織であるため、マトリツクス
の耐摩耗性及び耐焼付性が不足するので0.5〜２
重量％の黒鉛粉末を添加する。黒鉛粉末は焼結時
オーステナイトステンレス鋼中のCrと反応し、
微細なクロム炭化物として主としてオーステナイ
トステンレス鋼の粒界に析出し、耐摩耗性及び耐
焼付性を一層向上させる。黒鉛粉末が0.5重量％
未満では耐摩耗性及び耐焼付性が不足し、一方黒
鉛粉末が２重量％を超えるとオーステナイト粒界
にクロム炭化物が過多に析出し材料が脆化するの
で黒鉛粉末の添加量は0.5〜２重量％、好ましく
は0.7〜1.5重量％が適切である。 またコバルト粉末を添加することによつて、焼
結時コバルトはオーステナイトマトリツクスに拡
散固溶し、耐熱性を一層向上させる。その量は２
重量％未満では耐熱性の向上に効果がなく、10重
量％を超えると、圧粉成形性が低下するので、コ
バルト粉末の添加量は２〜10重量％、好ましくは
３〜８重量％が適切である。 残部をオーステナイト系ステンレス鋼粉末とし
たのはオーステナイトが高温が安定な組織であ
り、上述のようにクロム炭化物の形成及びコバル
トの拡散固溶を実現するマトリツクスを提供して
優れた効果を奏するからである。 また焼結合金の耐熱性は内在する空孔の量によ
つても影響を受ける。即ち内在する空孔の割合が
多くなると、焼結材の有効断面積が減少して実作
用応力は増加し耐熱性が低下するので焼結材の相
対密度は高い程好ましい。しかしながら焼結合金
の製造に一般的に用いられる冷間成形、焼結とい
う方法では空孔を５％以下にすることは困難であ
る。以上のことから焼結材の相対密度は80〜95％
と限定する。 本発明における焼結条件としては、混合粉末を
５〜10トン／cm²で圧粉成形した後に、1150〜1250
℃に真空、水素、分解アンモニア雰囲気中で加熱
する条件を採用することが望ましい。 以下実施例を述べ更に詳細な説明を加える。 実施例 １ 第１表に示した各種粉末を所定量秤量し、Ｖ型
ミキサーで30分間混合し、次に成形圧力７トン／
cm²で圧粉成形し、最後に分解アンモニアガス雰囲
気中において1200℃で1Hr焼結した。但し硬質粒
子粉末およびステンレス鋼粉末は−100メツシユ
（149μｍ）とした。また黒鉛粉末およびコバルト
粉末は−325メツシユ（44μｍ）とした。 焼結後、機械加工により呼び径20mm、幅1.6mm
厚さ1.1mmのシールリングを作製し、張力減退の
テストを行なつた。張力減退のテストはシールリ
ング呼び径と同一寸法の鋳鉄製シリンダーにシー
ルリングを装填し、350℃、400℃、450℃で各々
10Hr Arガス中で加熱することによつて実施し
た。テスト前後の自由合い口すき間の変化量を求
め張力減退率とした。 焼結後の各特性値および張力減退率も合わせて
第１表に示した。表中、硬質粒子粉末の添加量は
各粉末の密度を測定し体積比で算出した。また焼
結体の相対密度は顕微鏡で空孔率を求め（１−空
孔率）で算出した。

【表】

【表】 第１表の結果から本発明材料は優れた耐熱性を
有することが明らかである。 第１図及び第２図に第１表の本発明材料Ａの金
属組織（倍率はそれぞれ100倍及び500倍）を示
す。第２図のａは硬質粒子、ｂは微細炭化物、ｃ
はオーステナイトステンレス鋼のマトリツクス及
びｄは空孔を示し、本発明法によりこれらの構成
相ａ，ｂ，ｃ及びｄを適宜微細分散させることに
より優れた諸性能が発揮していることが理解され
る。 実施例 ２ 第２表に示した各種粉末を所定量秤量し、Ｖ型
ミキサーで30分間混合し、そして実施例１と同一
の成形条件及び焼結条件でピン（摩耗試験片）を
作製した。 摩耗試験は第３図に示したローターピン式摩耗
試験機を用いて行なつた。相手材としてのロータ
ーＢの材質はJIS SUM43を焼入焼もどしにより
HRC35とした。φ40mmのローターＢ、及びφ10
mm、長さ15mmのピンＡは共に研摩加工により約１
〜２μｍ RZの仕上あらさとしたものであつ
た。 SAE＃30のエンジンオイルを滴下し潤滑しな
がら矢印方向に荷重を加え、摩耗試験を行ない、
ピンの摩耗量は摩耗痕の長径で測定し、相手材と
してのローター摩耗量はあらさ計でその凹み量を
荷重２Kg、摩擦速度150ｍ／min、摩擦距離5000
ｍの条件で測定した。 さらに摩擦速度を200ｍ／minとし荷重を上
げ、焼付の発生した荷重を求め焼付限界荷重とし
た結果を合わせて第２表に示した。 本発明材料は比較例に比べ自身の耐摩耗性のみ
ならず相手材の摩耗が少なくまた耐焼付性が高い
ことが明らかである。

【表】 実施例 ３ 実施例１の第１表に示した本発明材料Ａ及び
（比較例Ｅ）について実機テストを行なつた。供
試したターボチヤージヤーはタービン翼径φ56
mm、コンプレツサー翼径φ54mmであり排気マニホ
ールド側用シールリングは呼び径φ17.5mm、幅
1.6mm、厚さ0.9mmに機械加工し実機テストに供し
た。なお比較例として現在使用されているオース
テナイト鋳鋼（20％Cr―20％Ni―10％Co―５％
Ｗ―２％Mo―1.4％Si―1.6％Ｃ、残部Fe）も実
機テストに供した。テスト条件はターボチヤージ
ヤーを４気筒2.3のデイーゼルエンジンに装置
し4200rpm全負荷で200Hrの耐久運転を行なつ
た。このテスト前後の自由合い口すき間の変化を
張力減退率とし、またシールリングの幅方向の摩
耗量は両面の各々の摩耗量の和として求めた。そ
の結果を第３表に示した。

【表】 以上の結果から本発明は優れた耐熱性および耐
摩耗性を有する焼結合金製シールとしてターボチ
ヤージヤー用シールリングのみに限らず、ピスト
ンリング、バルブシート等として内燃機関のシー
ル部材として使用できる材料の製法を提供するこ
とが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は実施例１の第１表に示した
本発明材料Ａの金属顕微鏡写真であり、第３図は
ローターピン式摩耗試験器の概略を示す図面であ
る。 Ａ……ピン、Ｂ……ローター、ａ……硬質粒
子、ｂ……微細クロム炭化物、ｃ……オーステナ
イトマトリツクス、ｄ……空孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ビツカース硬さＨ_v500〜1500を有する粒径
   150μｍ以下の硬質粒子粉末を体積比で１〜20％
   と、黒鉛粉末0.5〜２重量％と、コバルト粉末２
   〜10重量％とを含有し、残部がオーステナイト系
   ステンレス鋼粉末から成る混合粉末を圧粉成形
   し、そして焼結することにより、相対密度80〜95
   ％を有する耐熱、耐摩耗性焼結合金製シール材を
   製造する方法。