JPS63105948A - 鉄基焼結合金製耐摩耗性摺動部材 - 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】 ＬＬ上弘皿皿±１ 本発明は、大きな面圧の下で他部材と摺動接触する鉄基
焼結合金製耐摩耗性摺動部材に関するものである。

よび　の 内燃機関の動弁礪構において、カムと摺動接触するロッ
カアーム（その対カム摺接面部）、バルブ・リフター等
の部材は、優れた耐摩耗性を要求される。

従来、これらの部材は、鍛造鋼、鋳鋼１合金鋳鉄等で作
られ、カムとの当り面に熱処理による表面硬化、浸炭焼
入れ処理、チル硬化、硬質Ｃｒメッキ等が施されたもの
として提供されていた。

ところが、浸炭焼入れ材は耐スカツフ性（注：スカッフ
とは、摩擦面間の凝着が激しく、それによって表面肌が
荒れる現象を言う）に劣り、チル硬化材は耐久性に劣り
、硬質Ｃｒメッキ材は局部当りに伴う剥離あるいは摩耗
剥離を生じることがある等、それぞれに問題を有してい
る。

一方において、機関の高速化、高出力化が鋭意推進され
、それに伴ってロッカアーム、バルブ・リフター等の摺
動部材の耐摩耗ｉに対する要求が増々厳しくなっている
。この要求に応えるものとして、鉄基焼結合金で形成さ
れた摺動部材が提案されており、それ等合金においては
、基地相（マトリックス相）中に分散して硬度を左右す
る炭化物の大きさ、出（視野占有面積率）等、諸因子を
規定し、相手材の摩耗を抑制しつつ、耐摩耗性。

耐スカツフ性等の改善を計っている（例、特公昭６０−
７００３号公報、特開昭６０−６３３５０号公報、特開
昭６０−１５５６５０号公報参照）。

ところが、従来の鉄基焼結合金における炭化物に関する
諸因子の把握の仕方では、組織全体の構造が明らかでな
く、必ずしも所期の目的を達成することはできない。

ｑ　　　　′　るた　の−　　よ 本発明は斯かる技術的背景の下に創案されたものであり
、その目的とする処は、組織中の炭化物の分散状態を規
定して所期の材料特性を保証した鉄基焼結合金製耐摩耗
性摺動部材を提供する点にある。

この目的は、鉄基合金相中に炭化物が分散した鉄基焼結
合金製耐摩耗性摺動部材であって、合金組織中に含まれ
る炭化物の８０％以上が大きさ４〜１５μｍであり、該
炭化物が平均粒子間隔５〜１５μｍで分散するとともに
、炭化物の視野占有面積率が１０〜５０％である摺動部
材を提供することによって達成される。

基地相中に硬質炭化物粒子を分散させることにより、基
地相の強化をも合せて合金材料の耐摩耗性を向上させる
手法は従来周知であり、分散させる炭化物の大きさ１ｍ
を変化させて当該摺動部材の耐摩耗性の向上を計るとと
もに、対接する相手部材の摩耗を可及的に抑えることが
可能である。

しかるに、実際問題としては、炭化物の大きさ。

聞を規定するだけでは十分でなく、炭化物の分散状態を
も規定して初めて材料の特性が定まるのである。

本発明者等の試験の結果によれば、炭化物について規定
すべき因子は、大きさく粒子径）、ｆｆ１（視野占有面
積率）１粒子間隔であることが判った。しかも、ここで
留意すべきは、単にそれ等の因子を規定するだけでは本
来の意味で規定したことにはならず、炭化物の存在形態
を測定する方法を明確に定義しなければならない点であ
る。

そこで、本発明者等の採用した測定方法は下記の通りで
ある。

■炭化物の大きさく粒子径）’　：　ＪＩＳ−Ｇ−０５
５２“鋼のフェライト結晶粒度試験方法”における切断
法を応用したものであり、試料の切断断面を研磨仕上げ
して腐蝕し、腐蝕面を顕微鏡で観察するか、または顕微
鏡写真に撮影して、一定の長さの直交する二本の線分で
切断される炭化物粒子の数と長さの総和から、次式によ
って平均粒子径を求める。

なお、線分の両端にあって一部分しか切断されない炭化
物粒子は、その一方だけを数え、切断されない炭化物粒
子が線分の一端だけの場合には、これを数えないことと
する。また、一本の線分で切断される炭化物粒子の数は
、−視野で少なくとも１０個以上になる様、に顕微鏡の
倍率を選定し、総計５０個以上になる様に複数視野測定
する。

測定例：　第１図によれば、 ■炭化物の平均粒子間隔Ｊｆｌ記■項に順じ、一定の長
さの直交する二本の線分で切断される隣接炭化物粒子相
互の間隔長の平均値を次式によって求める。

なお、線分の両端がそれぞれ炭化物粒子の一部分を切断
する場合には、一方の炭化物粒子についてのみ、その隣
接粒子との間の長さを勘定し、線分の一端だけが炭化物
粒子の一部分を切断する場合には、その隣接粒子との間
の長さを勘定に入れないこととする。また、一本の線分
で切断される炭化物粒子相互の間隔部分の数は、−視野
で少なくとも１０個以上になる様に顕微鏡の倍率を選定
し、総計５０以上になる様に複数視野測定する。

測定例：　第１図によれば、 ■炭化物の囲（視野占有面積率）：試料の切断断面を研
磨仕上げして腐蝕し、腐蝕面を顕微鏡写真に撮影して、
第２図に示す線分法により視野占有面積率を求める。

一定面積の矩形の視野を定め、炭化物粒子の大きさに見
合う所定間隔長（ｄｏ　）で、平行な走査線１を引き、
各炭化物粒子２との交線の長さをｆＪｔ＋’２＋・・・
１ｎとし、走査線１の長さをＬとして、次式により視野
占有面積率を求める。

＝視野占有面積率 （ただし、ｍは走査線１の本数である。）なお、この手
法は、画像解析装置によって実行することも可能である
。

墓ＩＪＩ ロッカアームの対カム摺接面部に貼着される部片（摺動
部材）、およびカムを、下記■、■の方法で用意した。

■摺動部材の目標組成を、 （ｇ％上、いずれもｍｍ％） とし、２５０〜３５０メツシユの粉末が１５〜２５体積
％含まれるＦｅ　−Ｃ−Ｃｒ　−Ｍｏ　−Ｗ−Ｖ−Ｍｎ
　−８Ｌ合金粉末に、Ｃ，Ｆｅ−Ｎ＝金合金Ｆｅ−Ｐ合
金の各粉末を添加、混合して圧搾成形した後、真空また
アンモニアガス雰囲気中にて、温度１１９０℃１時間６
０分なる条件で焼結を行なった。

次に、焼結晶をロッカカームの対カム客接面部にろう付
けした優、浸炭焼入れ、焼戻しを行い、研磨して、活動
部材Ａを得た。

また、焼結晶をロッカカームの対カム摺接面部にろう付
けした後、浸炭焼入れ、焼戻しを行い、研磨して、更に
塩浴軟窒化処理（温度５８０℃１時間７０分）を施して
摺動部材Ｂを得た。

摺動部材Ａの基地相の硬度はＨＶ　６００〜９００゜６
タ 炭化物硬度ハＨＶ　１，０００〜１，３００　、１度ハ
フ、６４〜ｔｙ ７、ｆ１４　ｇ／　＞　’であった。

また、前記測定方法によって摺動部材における炭化物存
在形態を調べたところ、平均粒子径４，５μｍ、平均粒
子間隔１１μｍ、視野占有面積率３０％であった。

なお、焼結によって得た摺動部材は、マルテンサイトの
基地相に硬質な金属炭化物を分散させたものであり、自
身の耐摩耗性向上を計るとともに、炭化物の種類、量、
大きさ１分散状態の適切な選択によって相手材であるカ
ムの摩耗を少なくすることができる。

各元素の添加理由は下記の通りである。

Ｃｒは、基地相を強化すると共に、Ｃと反応して硬質の
炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。

ただし、その添加量が５重量％未満では所要の効果を期
待できず、３０重量％を越えて添加すると、相手カムを
摩耗させ易くなり総合摩耗量が大きくなる他、焼結性が
著しく低下する等の不利を生じる。

ＭＯは、Ｏｒと同様に基地相を強化すると共に、Ｃと反
応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。

ただし、添加量１重量％未満では所望の効果が得られず
、５重量％を越えて添加すると材料の脆化を招く。

Ｗ、■は、いずれもＣと反応してＭＣ型（ただし、Ｍは
金属元素記号を示す）の硬質炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に寄与する。両者のうち少なくとも１種の成分の
添加量が０．１重量％以上でなければ所望の効果が得ら
れず、添加ｍ４重量％を越えると切削性が低下し、また
相手材を摩耗させ易くなる。

３ｎは、基地相中に拡散固溶し、ＮＬによるオーステナ
イト化を抑制する作用がある。添加量が０．２重量％未
満では効果が認められず、５重量％より多く添加すると
炭化物粒子を粗大化させ、機械的強度を低下させて耐摩
耗性が悪化する。

ＮＬは、基地相を強化し炭化物の脱落を防止する。また
、焼結性を向上させ、相手カムとのなじみ性を良くする
作用をも有する。さらに、３ｎを伴わずに５重量％を越
えて添加すると、基地相中にオーステナイト相が生じ、
耐摩耗性が低下するが、５ｎｆｕが上述の範囲において
は、ＮＬ５．５〜１０重囚％の添加量で良好な耐摩耗性
を示す。

Ｃは、基地相を強化すると共に、Ｃｒ、その他の添加成
分と反応して硬質相を析出させ、耐摩耗性を向上させる
。ただし、１重量％未満では所望の効果が得られず、４
重量％を越えると靭性の低下を招く。

Ｐ、Ｂは、焼結を促進させる作用を有し、焼結部材を高
密度化させる元素であり、少なくともその一方を添加す
ればよい。添加伍が、０．０５重量％未満では所望の効
果が得られず、５重置％を越えて添加すると、焼結時に
過剰の液相を生じて寸法変化率が大きくなり好ましくな
い。

■ＪＩＳ　Ｇ５５０１−Ｆｅ１２　（ねずみ鋳鉄）類カ
ムを用意した。このカムは、カム・ノーズを中心にして
±９０度の角度範囲でチル化されており、該カムのカム
・ノーズを中心にして±３０度の角度範囲に亘る表面層
にプラズマ・トーチを用いて深さ１ｍの急速再溶融処理
を施し、その溶融池にＣ「粉末１．５重量％、ＭＯ粉末
１重ω％を添加した後、自己冷却により急冷せしめた。

得られたカム３を第３図、第４図に示す（図中、４はカ
ム・ノーズ。

５はチル層、６は再溶融硬化処理層をそれぞれ示してい
る）。チル層５の硬度はＨＲＣ４５，再溶融硬化処理層
６の硬度はＨＲＣ６０であった。

なお、再溶融硬化処理の際に溶融池に添加するＣｒ粉末
、ＭＯ粉末は、炭化物安定化元素であって、この他、Ｖ
、Ｎｂも同様な機能を有する。これ等の元素は、その単
体粉末、それ等相互の合金粉末、あるいは炭素等との化
合物粉末形態として添加され得る。ただし、炭化物安定
化元素の添加間が０．５重層％未満では、再溶融硬化処
理層中の炭化物りが少なくなって耐摩耗性の大幅向上を
期待できず、また、４重量％を越えて添加しても、耐摩
耗性の向上効果が少なく、経済的に不利となる。

■前記■項によって得た複数のカム３を用い、また前記
０項と同様の手法で得た炭化物存在状態の異なる複数の
摺動部材へを用意し、各摺動部材Ａとカムとを、内燃機
関に組み込み、２０００ｒｐａ＋　。

３００時間の運転を行ない、各組合せについて摺動部材
とカムの摩耗量を調べ、その結果を第５図ないし第７図
に示した。

また、摺動部材Ｂについても同様に内燃機関に組み込み
６０００ｒｐｍ　、　　４００時間の運転を行い、その
摩耗量を調べ、摺動部材Ａの摩耗量と対比した第８、図
に示した。

■第５図は、摺動部材（ロッカアーム）Ａの組織中に含
まれる炭化物の粒子径が摩耗量に及ぼす影響を示してい
る。

第５図によれば、炭化物の平均粒子径が１５μｍを越え
るとカムの摩耗口が急増し、平均粒子径４μ卯以下につ
いては、該粒子径の測定が難しく、この範囲で、カムの
摩耗量が増加する傾向がある。

また、摺動部材Ａの摩耗量は、炭化物の平均粒子径が６
μｍを越えるとやや増大する傾向があるものの、はぼ一
定である。

それ故、カムの摩耗量が７〜２７μｍ、摺動部材Ａの摩
耗量が６〜１７μｍである平均粒子径４〜１５μｍの範
囲を選択するのが望ましく、炭化物の８０％以上が粒子
径４〜１５μｍであればその範囲に収まる。

■第６図は、摺動部材（ロッカアーム）Ａの組織中に含
まれる炭化物の平均粒子間隔が摩耗量に及ぼす影響を示
している。

第６図によれば、炭化物の平均粒子間隔が１５μ風を越
えると摺動部材への摩耗量が増大し、平均粒子間隔が２
０μｍを越えるとカムの摩耗量が増え、スカッフ現象が
生じる。

また、平均粒子間隔が５μｍ未満では、摺動部材へにお
ける基地相の強度が低下して割れが発生し、カムの摩耗
も増加する傾向となる。

それ故、カムの摩耗量が９〜１９μｍ、摺動部材Ａの摩
耗量が５〜１６μｍである平均粒子間隔５〜１５μｍの
範囲を選択するのが望ましく、さらに望ましい平均粒子
間隔は５〜１２μｍである。

■第７図は、摺動部材（ロッカアーム）Ａの組織中に含
まれる炭化物の視野占有面積率が摩耗量に及ぼす影響を
示しており、また第８図は、炭化物視野占有面積率と摺
動部材Ａ、Ｂの摩耗量との関係を示している。

第７図、第８図によれば、視野占有面積率が大きくなる
ほど、カムの摩耗量がほぼ直線的に増大し、摺動部材の
摩耗量がほぼ直線的に減少することが判る。また、視野
占有面積率が５０％を越えると、カムの摩耗が増大する
にもかかわらず、摺動部材の摩耗量はほとんど変化しな
くなり、かつ割れが生じ易いため、視野占有面積率５０
％以下にするのが望ましい。そして、視野占有面積率１
０％未満では炭化物による効果を期待できないため、視
野占有面積率１０％以上にすべきである。

それ故、カムの摩耗損が１２〜１４．４μ肌、摺動部材
の摩耗量が３．１〜１１．０μ罷である視野占有面積率
１０〜５０％の範囲を選択するのが望ましい。

また、塩浴軟窒化処理を施すことにより、摩耗量を差ら
に低減化することができる。

１胛五１皿 以上の説明から明らかな様に、合金組織中に含まれる炭
化物の８０％以上が大きさ４〜１５μｍであって、該炭
化物が平均粒子間隔５〜１５μｍで分散するとともに、
炭化物の視野占有面積率が１０〜５０％である鉄基焼結
合金製耐摩耗性摺動部材が提案された。

斯かる組ｌ！構造の摺動部材によれば、その′＃４ＦＪ
耗性を左右する炭化物の大きざ、量１分散状態が実験的
に求められた最適値に規定されているため、摺動部材お
よびこれと摺接する相手部材の摩耗ｄが十分少なく、動
力機械の摺動部材として優れた耐久性を発揮し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は合金基地相中に含まれる炭化物の平均粒子径を
測定する方法を示す図、第２図は同じく平均粒子間距離
を測定する方法を示す図、第３図はその表面に再溶融硬
化処理を論された鋳鉄製カムの断面図、第４図はそのＩ
Ｖ−ＩＶ線断面図、第５図は炭化物平均粒子径と、カム
、摺動部材（ロッカアーム）Ａの摩耗量との関係を示す
グラフ、第６図は炭化物平均粒子間隔と、カム、摺動部
材（ロッカアーム）Ａの摩耗量との関係を示すグラフ、
第７図は炭化物の視野占有面積率と、カム。 摺動部材（ロッカアーム）Ａの摩耗量との関係を示すグ
ラフ、第８図は炭化物の視野占有面積率と、カム、摺動
部材（ロッカアーム）Ａ、Ｂとの関係を対比的に示すグ
ラフである。 １・・・走査線、２・・・炭化物粒子、３・・・カム、
４・・・カム・ノーズ、５・・・チル層、６・・・再溶
融硬化処ｌｉＩＭ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 鉄基合金相中に炭化物が分散した鉄基焼結合金製耐摩耗
   性摺動部材において、 合金組織中に含まれる炭化物の８０％以上が大きさ４〜
   １５μｍであつて、該炭化物が平均粒子間隔５〜１５μ
   ｍで分散するとともに、炭化物の視野占有面積率が１０
   〜５０％であることを特徴とする鉄基焼結合金製耐摩耗
   性摺動部材。