JP2000144341A - 焼結部材 - Google Patents

焼結部材

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関用摺動部品として使用される耐スカ
ッフィング性と耐ピッチング性に優れた焼結部材を提供
する。 【解決手段】 C1.5〜3.0重量%、Cr2.0〜
12.0重量%、Mo0.5〜3.0重量%、Si0.
2〜1.0重量%、P0.2〜1.0重量%、残部Fe
および不可避不純物からなり、基地組織がパーライトで
ある焼結部材、または、C1.5〜3.0重量%、Cr
2.0〜12.0重量%、Mo0.5〜3.0重量%、
Ni:1.4重量%以下、Si0.2〜1.0重量%、
P0.2〜1.0重量%、残部Feおよび不可避不純物
からなり、基地組織がマルテンサイト、ベーナイトおよ
び残留オーステナイトの混在組織である焼結部材によっ
て、上記課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用摺動部
品として使用される焼結部材に関し、更に詳しくは、例
えば焼結カムシャフト用カムローブとして使用される耐
スカッフィング性および耐ピッチング性に優れた焼結部
材に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関に使用される種々の摺動部品
は、高負荷運転に耐えることが要求され、特に摺動部品
の接触部分では高面圧に対する耐久性が要求されてい
る。こうした摺動部品は、軽量化、コスト低減、耐摩耗
性等の特性向上を目的として、焼結合金によって製造さ
れている。例えば、特公平3−60901号公報には、
高硬度、高密度で耐摩耗性に優れた焼結合金が開示され
ている。
【0003】このような焼結合金からなる焼結部材は、
例えばディーゼルエンジン部品であるカムシャフト用の
カムローブに使用された場合に、カムシャフトの軽量
化、コスト低減、耐摩耗性の向上等を達成することがで
きるので、好ましく使用されている。なお、このカムロ
ーブのように、相手材であるタペットとの間で滑りと転
がりが同時に起こる部材として使用される場合には、高
い耐スカッフィング性と耐ピッチング性(耐孔食性)が
要求される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のカムローブ等の
摺動部材には、焼入性が向上するように、すなわち冷却
速度が遅くてもマルテンサイト組織の生成を容易にさせ
て高い耐摩耗性を付与することができるように、Cr、
Mo、Ni等の元素を添加している。
【0005】しかしながら、これらのCr、Mo、Ni
等の元素は、焼結後の焼結部材の組織中に多くの残留オ
ーステナイトを残存させるため、焼結されたカムローブ
と滑りタイプのタペットとの間でスカッフが発生し、異
常摩耗が生じるおそれがあった。
【0006】こうした問題を解決するため、本発明は、
内燃機関用摺動部品として使用される耐スカッフィング
性と耐ピッチング性に優れた焼結部材、特に焼結カムシ
ャフト用カムローブとして使用される焼結部材を提供す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の焼結部材
は、C:1.5〜3.0重量%、Cr:2.0〜12.
0重量%、Mo:0.5〜3.0重量%、Si:0.2
〜1.0重量%、P:0.2〜1.0重量%、残部Fe
および不可避不純物からなり、基地組織がパーライトで
あることに特徴を有する。この発明によれば、液相にお
いて焼結された焼結部材の合金基地が滑り性のよいパー
ライト組織であると共に、微細炭化物が多く析出するの
で、耐スカッフィング性に優れた焼結部材とすることが
できる。また、この焼結部材では、耐スカッフィング性
を低下させる残留オーステナイト量の残存が抑制され
る。
【0008】本発明の第二の焼結部材は、C:1.5〜
3.0重量%、Cr:2.0〜12.0重量%、Mo:
0.5〜3.0重量%、Ni:1.4重量%以下、S
i:0.2〜1.0重量%、P:0.2〜1.0重量
%、残部Feおよび不可避不純物からなり、基地組織
が、マルテンサイト、ベーナイトおよび残留オーステナ
イトの混在組織であることに特徴を有する。この発明に
よれば、焼結部材中のNi含有量を1.4重量%以下の
範囲で調節することによって、スカッフの発生要因とな
る熱伝導性の悪い残留オーステナイト量を、異常摩耗等
の発生が起こらない範囲で調節することができる。さら
に、この焼結組織は、微細炭化物が多く析出したもので
あると共に、基地組織がマルテンサイト、ベーナイトお
よび残留オーステナイトの混在組織であるので、耐スカ
ッフィング性と耐ピッチング性に優れた焼結部材とする
ことができる。
【0009】前記残留オーステナイト量が、30%以下
であることが好ましい。この発明によれば、残留オース
テナイト量が30%以下であるので、特に滑りタイプの
焼結部材、例えばタペットを相手材とした部材に好適に
用いることができる。
【0010】上述の第一の焼結部材と第二の焼結部材の
ように、焼結部材の炭化物の大きさと基地組織を制御す
ることによって、相手材との滑り性等を改善することが
でき、耐スカッフィング性と耐ピッチング性を向上させ
ることができる。こうした基地組織が変化するのは、N
i含有量を0〜1.4重量%の範囲内で適宜変化させる
ことによって材料の臨界冷却速度が変化することに依存
している。さらに、基地組織の変化は、同時に焼結部材
の硬さも変化させるので、相手材に応じた特性を有する
焼結部材を得ることができる。
【0011】前記の焼結部材が、焼結カムシャフト用カ
ムローブであることが好ましい。この発明によれば、耐
スカッフィング性および耐ピッチング性に優れたカムシ
ャフト用カムローブを得ることができる。また、上記の
ように、Ni含有量を所定の範囲で変化させることによ
って、得られたカムローブの硬さを調節することが可能
となり、相手材であるタペット等の材質に応じた特性を
有するカムローブを得ることができるので、相手材との
組み合わせ範囲を広くすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明の第一の焼結部材お
よび第二の焼結部材について説明する。
【0013】先ず、本発明の第一の焼結部材は、焼結用
粉末として、主要成分となる鉄粉または所定の元素を含
んだ鉄系合金粉末中に、焼結後の成分組成がC(炭
素):1.5〜3.0重量%、Cr(クロム):2.0
〜12.0重量%、Mo(モリブデン):0.5〜3.
0重量%、Si(珪素)0.2〜1.0重量%、P(リ
ン)0.2〜1.0重量%となるように所定量を添加
し、焼結用粉末を調製する。次いで、通常の焼結方法に
より、焼結用粉末をプレス成形して圧粉体を形成し、液
相において焼結処理することにより本発明の焼結部材を
製造する。
【0014】得られた焼結部材は、その基地組織が滑り
性のよいパーライト組織となるので、マルテンサイト基
地を伴う従来の焼結部材に比べて滑り性が向上し、耐ス
カッフィング性を向上させると共に、微細炭化物が多く
析出するので耐摩耗性も向上する。また、上記組成の焼
結部材には、耐スカッフィング性を低下させる残留オー
ステナイトがあまり残存しないので、残留オーステナイ
トを要因とした耐スカッフィング性の低下を抑制するこ
とができる。
【0015】次に、本発明の第二の焼結部材について説
明する。本発明の第二の焼結部材は、Niが添加された
成分組成となるほかは、上述の第一の焼結部材と同様の
方法で製造される。すなわち、第一の焼結部材は、主要
成分となる鉄粉または所定の元素を含んだ鉄系合金粉末
中に、焼結後の成分組成がC(炭素):1.5〜3.0
重量%、Cr(クロム):2.0〜12.0重量%、M
o(モリブデン):0.5〜3.0重量%、Ni(ニッ
ケル):1.4重量%以下、Si(珪素)0.2〜1.
0重量%、P(リン)0.2〜1.0重量%となるよう
に所定量を添加し、焼結用粉末を調製したものである。
【0016】得られた焼結部材は、スカッフの発生要因
となる熱伝導性の悪い残留オーステナイト量が、異常摩
耗等の発生が起こらない範囲に調節されている。さら
に、この焼結組織は、微細炭化物が多く析出すると共
に、基地組織がマルテンサイト、ベーナイトおよび残留
オーステナイトの混在組織であるので、耐スカッフィン
グ性と耐ピッチング性に優れた焼結部材とすることがで
きる。
【0017】Niは、基地強化の目的で添加され、焼結
後の基地組織をマルテンサイト化して引張り強度を増大
させることができる。焼結部材中のNi量は、スカッフ
の発生要因となる基地中の残留オーステナイト量を調節
して、耐スカッフィング性を維持するため、1.4重量
%以下とした。
【0018】図1は、焼結部材中のNi含有量(重量
%)と、基地中の残留オーステナイト組織の割合(%)
および硬さ(HRC)との関係を示すグラフである。図
1に示すように、Ni含有量が1.4重量%を超える
と、基地中の残留オーステナイト量が30%を超える。
残留オーステナイト量が30%を超えた焼結部材は、ス
カッフの発生するおそれが認められる。基地中の残留オ
ーステナイトは、耐摩耗性を向上させるには好ましい場
合があるが、耐スカッフィング性に対しては好ましくな
い。従って、良好な耐スカッフィング性を得るために
は、基地中の残留オーステナイト組織の割合を30%以
下にすることが好ましい。また、図1に示すように、N
i含有量が1.4重量%以下のときの焼結部材の最高硬
さは、HRC62程度であるが、Ni含有量が1.4重
量%を超えても硬さはほとんど変化することはない。そ
のため、Ni含有量を1.4重量%以下に限定する。得
られた焼結部材は、パーライト、マルテンサイトおよび
残留オーステナイトとの混在組織からなり、高強度で、
耐スカッフィング性および耐ピッチング性に優れてい
る。
【0019】次に、他の成分元素を上述の範囲に限定し
た理由について説明する。
【0020】C含有量が3.0重量%を超えると、粗大
な炭化物、特に粗大なCr炭化物が焼結部材中で形成さ
れる。この粗大な炭化物は、液相焼結中に粗大な空孔を
生じさせて、基地を脆化させる。また、C含有量が1.
5重量%未満では、高硬度の微細炭化物が十分に形成さ
れず、十分な耐摩耗性および耐スカッフィング性を満た
すには十分でない。このため、C含有量を1.5〜3.
0重量%に限定する。また、得られる焼結部材を、高負
荷、高面圧の内燃機関の摺動部材として用いる場合に
は、Cr含有量を6.0〜12.0重量%と高めにする
と共に、C含有量も2.0〜3.0重量%と高めにする
ことがより好ましい。
【0021】Cr含有量が12.0重量%を超えると、
Cr炭化物を微細化させる度合いが小さくなり、硬さも
過大になる。Cr含有量が2.0重量%未満では、Cr
炭化物がやや粗大になってくるので、高硬度の微細炭化
物を十分に形成することができず、十分な耐摩耗性およ
び耐スカッフィング性を満足することができない。この
ため、Cr含有量を2.0〜12.0重量%に限定す
る。また、高負荷、高面圧の内燃機関の摺動部材として
用いる場合には、C含有量との関係において、上述の範
囲とすることが好ましい。
【0022】Moは基地に固溶して硬度を高め、耐摩耗
性を向上させる。しかし、この効果は、Mo含有量が
3.0重量%を超えてもほとんど変化しない。また、M
o含有量が0.5重量%未満では、こうした効果を十分
に得ることができない。このため、Mo含有量を0.5
〜3.0重量%に限定する。なお、この範囲内のMo
は、残留オーステナイト量に影響を及ぼさない。
【0023】Si含有量が1.0重量%を超えると、基
地が脆化するほか、粉末の圧粉成形性が低下し、焼結後
の焼結部材の変形が大きくなる。また、Siは、Cおよ
びP含有量を低くした際に液相の生成を促進させる成分
であるが、Si含有量が0.2重量%未満では液相促進
の効果が得られない。このため、Si含有量を0.2〜
1.0重量%に限定する。
【0024】PはFe−C−P共晶のステダイトを生じ
させる。ステダイトは硬度が非常に高く、凝固点が95
0℃前後と低いため液相焼結を促進させる。しかし、P
含有量が1.0重量%を超えると、ステダイトが過多に
生じ、被削性が悪くなる。また、0.2重量%未満で
は、ステダイトの析出量が少なくなって、高い耐摩耗性
が得られず、また、液相も生じにくくなる。このため、
P含有量を0.2〜1.0重量%に限定する。
【0025】その他の粉末としては、Mn、B、V、T
i、Nb、Wの中の一種類以上を必要に応じて添加する
ことができる。例えば、1.0重量%以下のMnを添加
することができる。Mn含有量が1.0重量%を超える
と、焼結の進行が抑制されるため、粗大な空孔が残って
圧粉成形性が低下する。また、他の元素を添加する目的
は、液相の成長と炭化物の形成を促進させることにある
が、添加量は相手材の硬度を考慮して0.1〜5.0重
量%の範囲内で適宜適量を添加することが望ましい。さ
らに、加工性を改善するために、300ppm以下のC
aを添加することもできる。
【0026】こうして調製された焼結用粉末には、金型
成型時の型抜け性を良くするために、例えばステアリン
酸亜鉛等の潤滑剤が添加される。
【0027】液相において焼結処理するための好ましい
温度は1100〜1200℃であり、更に好ましくは1
110〜1160℃である。また、この時の焼結時間は
60〜90分間程度が好ましい。また、必要に応じて焼
き戻し処理等を行い、得られる焼結部材の特性を調整す
ることもできる。
【0028】本発明の焼結部材は、カムローブ材等の摺
動部材としての使用を主目的としているので、通常、液
相焼結される。その結果、液相焼結時の収縮によって、
母材に対して強固に固着させることができる。例えば、
シャフトを鋼管とし、このシャフトに焼結部材であるカ
ムローブを組み付ける構造のカムシャフトの場合、液相
焼結により、シャフトに強固に拡散接合させた高密度の
カムローブを得ることができる。こうして得られた焼結
部材は、耐スカッフィング性および耐摩耗性において優
れた特性を有し、さらに、加工性とコストパフォーマン
スにおいても優れている。
【0029】
【実施例】次に、本発明の焼結部材を、実施例および比
較例によって、更に具体的に説明する。
【0030】(実施例1)焼結後の成分組成が、C:
2.0重量%、Cr:4.0重量%、Mo:1.0重量
%、Si:0.8重量%、P:0.5重量%、Fe:残
り、となるように、各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉
末を調整した。さらに、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛
を加えて混合した。次いで、5〜7t/cm2 の面圧で
プレス成形して圧粉体を形成した後、真空焼結炉中で、
1100〜1200℃(平均1160℃)の温度で焼結
し、実施例1の焼結部材を得た。
【0031】物性等の試験結果を表1に示した。金属組
織の顕微鏡写真(200倍、ナイタル腐食)を図2に示
し、この金属組織の模式的な説明図を図3に示した。
【0032】(実施例2)焼結後の成分組成が、C:
2.6重量%、Cr:8.0重量%、Mo:2.0重量
%、Ni:1.0重量%、Si:0.8重量%、P:
0.5重量%、Fe:残り、となるように、各元素を鉄
粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施
例1と同様として、実施例2の焼結部材を得た。
【0033】物性等の試験結果を表1に示した。金属組
織の顕微鏡写真(200倍、ナイタル腐食)を図4に示
し、この金属組織の模式的な説明図を図5に示した。
【0034】(実施例3)焼結後の成分組成が、C:
2.0重量%、Cr:4.0重量%、Mo:1.0重量
%、Ni:1.3重量%、Si:0.8重量%、P:
0.5重量%、Fe:残り、となるように、各元素を鉄
粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施
例1と同様として、実施例3の焼結部材を得た。
【0035】物性等の試験結果を表1に示した。金属組
織の顕微鏡写真(200倍、ナイタル腐食)を図6に示
し、この金属組織の模式的な説明図を図7に示した。
【0036】(実施例4)焼結後の成分組成が、C:
2.4重量%、Cr:12.0重量%、Mo:1.0重
量%、Si:0.8重量%、P:0.5重量%、Fe:
残り、となるように、各元素を鉄粉中に添加して焼結用
粉末を調整した。その他は、実施例1と同様として、実
施例4の焼結部材を得た。物性等の試験結果を表1に示
した。
【0037】(比較例1)焼結後の成分組成が、C:
2.6重量%、Cr:8.0重量%、Mo:1.0重量
%、Ni:2.0重量%、Si:0.8重量%、P:
0.5重量%、Fe:残り、となるように、各元素を鉄
粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施
例1と同様として、比較例1の焼結部材を得た。物性等
の試験結果を表1に示した。
【0038】(比較例2)焼結後の成分組成が、C:
2.8重量%、Cr:15.5重量%、Mo:1.0重
量%、Ni:1.9重量%、Si:0.9重量%、P:
0.5重量%、V:3.5重量%、Fe:残り、となる
ように、各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整し
た。その他は、実施例1と同様として、比較例2の焼結
部材を得た。物性等の試験結果を表1に示した。
【0039】(試験及び結果)耐スカッフィング性は、
バルブスプリング力を実機エンジンよりも増大させてモ
ータリング試験を実施し、試験後のカムシャフトカムロ
ーブ部を観察することによって評価した。
【0040】耐ピッチング性は、実機エンジンにて、タ
ペットのジャンピングが発生する高回転域を多用し、カ
ムノーズ部付近のカム/タペット間の接触面圧を過酷に
した条件でのファイアリング試験を実施し、試験後のカ
ムシャフトカムローブ部を観察することによって評価し
た。
【0041】なお、焼結部材のロックウェル硬さ(HR
C)は従来通りの方法で測定し、炭化物の大きさは拡大
写真から測定し、残留オーステナイト量の測定はX線
(定量)測定により行った。
【0042】
【表1】
【0043】焼結部材の組織としては、本発明の第一の
焼結部材は、図2及び図3に示すように、基地組織が滑
り性のよいパーライトからなり、炭化物が粒子状に分布
していた。また、本発明の第二の焼結部材は、図4〜図
7に示すように、基地組織がマルテンサイト、ベイナイ
トおよび残留オーステナイトの混在組織であり、白く見
える炭化物が粒子状に分布していた。これらは何れも残
留オーステナイトは30%以下であり、この範囲で好ま
しい耐スカッフィング性および耐ピッチング性等を示し
た。
【0044】これに対して、比較例1および比較例2で
得られた焼結部材は、本発明の第二の焼結部材と同様
に、基地組織がマルテンサイト、ベイナイトおよび残留
オーステナイトの混在組織であったが、これらのうち残
留オーステナイト組織の割合が何れも30%を超えてお
り、スカッフィングの発生によりピッチングが発生する
結果となった。
【0045】従って、耐スカッフィング性等の特性を向
上させるためには、Niを含まないか、含むとすれば
1.4重量%以下にする必要があることがわかる。
【0046】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の第一の焼結
部材によれば、液相において焼結された焼結部材の合金
基地が滑り性のよいパーライト組織であると共に、微細
炭化物が多く析出するので、耐スカッフィング性に優れ
た焼結部材とすることができる。また、この焼結部材で
は、耐スカッフィング性を低下させる残留オーステナイ
ト量の残存が抑制される。
【0047】また、本発明の第二の焼結部材によれば、
焼結部材中のNi含有量を1.4重量%以下の範囲で調
節することによって、スカッフの発生要因となる熱伝導
性の悪い残留オーステナイト量を、異常摩耗等の発生が
起こらない範囲で調節することができる。さらに、この
焼結組織は、微細炭化物が多く析出したものであると共
に、基地組織がマルテンサイト、ベーナイトおよび残留
オーステナイトの混在組織であるので、耐スカッフィン
グ性と耐ピッチング性に優れた焼結部材とすることがで
きる。このとき、残留オーステナイト量を30%以下と
することにより、特に滑りタイプの焼結部材、例えばタ
ペットを相手材とした部材に好適に用いることができ
る。
【0048】上記の第一の焼結部材と第二の焼結部材の
ように、焼結部材の炭化物の大きさと基地組織を制御す
ることによって、相手材との滑り性等を改善することが
でき、耐スカッフィング性と耐ピッチング性を向上させ
ることができる。こうした基地組織が変化するのは、N
i含有量を0〜1.4重量%の範囲内で適宜変化させる
ことによって材料の臨界冷却速度が変化することに依存
している。さらに、基地組織の変化は、同時に焼結部材
の硬さも変化させるので、相手材に応じた特性を有する
焼結部材、特に焼結カムシャフト用カムローブを得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】焼結部材中のNi含有量(重量%)と、基地中
の残留オーステナイト組織の割合(%)および硬さ(H
RC)との関係を示すグラフである。
【図2】実施例1で得られた焼結部材の金属組織を示す
図面代用写真である。
【図3】図2の金属組織の模式的な説明図である。
【図4】実施例2で得られた焼結部材の金属組織を示す
図面代用写真である。
【図5】図4の金属組織の模式的な説明図である。
【図6】実施例3で得られた焼結部材の金属組織を示す
図面代用写真である。
【図7】図6の金属組織の模式的な説明図である。
【符号の説明】
1 基地 2 Cr炭化物 3 複合炭化物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹口 俊輔 栃木県下都賀郡野木町野木1111番地 日本 ピストンリング株式会社栃木工場内 (72)発明者 宮内 憲一 東京都港区芝五丁目33番8号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 小林 幹和 東京都港区芝五丁目33番8号 三菱自動車 工業株式会社内 Fターム(参考) 3G016 BA25 BA34 CA13 EA02 EA24 FA11 GA00 4K018 AA32 KA02

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:1.5〜3.0重量%、Cr:2.
    0〜12.0重量%、Mo:0.5〜3.0重量%、S
    i:0.2〜1.0重量%、P:0.2〜1.0重量
    %、残部Feおよび不可避不純物からなり、基地組織が
    パーライトであることを特徴とする焼結部材。
  2. 【請求項2】 C:1.5〜3.0重量%、Cr:2.
    0〜12.0重量%、Mo:0.5〜3.0重量%、N
    i:1.4重量%以下、Si:0.2〜1.0重量%、
    P:0.2〜1.0重量%、残部Feおよび不可避不純
    物からなり、基地組織が、マルテンサイト、ベーナイト
    および残留オーステナイトの混在組織であることを特徴
    とする焼結部材。
  3. 【請求項3】 前記残留オーステナイト量が、30%以
    下であることを特徴とする請求項2に記載の焼結部材。
  4. 【請求項4】 前記の焼結部材が、焼結カムシャフト用
    カムローブであることを特徴とする請求項1乃至請求項
    3の何れかに記載の焼結部材。
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