JP2006291300A - 耐摩耗性焼結合金およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】全体組成が、質量比で、Mo:5.21〜28.17%、Co:1.15〜19.2%、Cr:0.15〜4.8%、Si:0.05〜2.0%、およびC:0.4〜1.2%であって、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、ベイナイト相、またはベイナイトとマルテンサイトとの混合相からなる基地組織中に、Mo珪化物よりなる析出物が一体化して析出したCo基硬質相が5〜40%分散している。
【選択図】 図1
Description
図1は、上記第1の耐摩耗性焼結合金の金属組織を表す模式図である。同図に示すように、この焼結合金の基地は、ベイナイトを主とする組織である。マルテンサイトは、硬く強度が高い組織であり耐摩耗性の向上に効果があるが、その硬さ故に、たとえば相手部品となるバルブの摩耗を促進する作用も有する。そこで、マルテンサイト程は硬くなく、マルテンサイトに次いで硬く強度が高いベイナイトを主とする基地組織とすることにより、基地の塑性流動を防止しつつ相手部品に対して与えるダメージが軽減される。また、ベイナイトは単一で用いても良いし、さらに耐摩耗性を向上させるためにベイナイトの基地組織中にマルテンサイトを分散させても良い。このようなベイナイト単相のみまたはベイナイトとマルテンサイトとの混合相のみの耐摩耗性の優れた基地に本願硬質相を分散させることでより一層耐摩耗性が向上する。
本発明の第1および第2の耐摩耗性焼結合金においては、いずれにあっても、図1および図2に示すように、基地中に、主としてMo珪化物よりなる硬質粒子が一体となって析出しており、その内部および周囲にCoが拡散してなる拡散相(白色相)が析出する硬質相(第1の硬質相)が分散している。この硬質相は、硬質で、かつ相手材であるバルブとの親和性が低いMo珪化物により耐摩耗性を一層向上させるとともに、Mo珪化物よりなる硬質粒子が一体となって析出していることから、金属接触が発生する環境下であっても、基地のピン止め効果により基地の塑性流動や凝着による摩耗を防止する。このようなCo基硬質相は、上記基地中に5〜40質量%分散させると、極めて良好な耐摩耗性を示す。5質量%未満では耐摩耗性向上の効果が顕著ではなく、40質量%を越えると、混合粉末の圧縮性が低下するとともに、相手攻撃性が高まり、かえって摩耗量が増大することとなる。
Mo:Moは基地に固溶して基地を強化するとともに、基地のベイナイト領域を拡張して、特殊な恒温処理等を行わずとも、焼結後の通常の冷却のみで、基地組織をベイナイト化する働きを有し、このような働きにより基地の強度と耐摩耗性の向上に寄与する。また、Moは、硬質相において、主にSiとともに硬質なMo珪化物を形成するとともに、一部はCoとも反応してMo−Co珪化物を形成するが、これらのMo珪化物は、一体化して析出して硬質相の核を形成して基地の塑性流動、凝着を防止し、耐摩耗性の向上に寄与する。
第1の耐摩耗性焼結合金の製造方法は、組成が、質量比で、Mo:3〜7%ならびに残部:Feおよび不可避的不純物からなる基地形成用のA合金粉末に、組成が、質量比で、Mo:48〜60%、Cr:3〜12%、Si:1〜5%、ならびに残部:Coおよび不可避的不純物からなるCo基硬質相形成用のB合金粉末:5〜40%と、黒鉛粉末:0.3〜1.2質量%とを添加した混合粉末を用意し、上記混合粉末を所定形状に圧粉成形した後、非酸化性雰囲気中にて1000〜1200℃で焼結することを特徴としている。
[A合金粉末]
Mo:Moは、鋼のCCT線図のベイナイト領域を拡張する作用があり、恒温処理のような特殊な温度処理を行わずとも、焼結後の炉内冷却速度でベイナイト組織が得易く、この基地組織のベイナイト化により焼結合金の強度および耐摩耗性の向上に寄与する。また、Moは基地の焼戻し軟化抵抗を高める作用があり、加熱と冷却が繰り返される例えばバルブシート用の焼結合金では、使用中のへたりを防止する上で有効である。Moの含有量が3質量%未満であると、上記効果が不十分で基地組織中にパーライトが生成し易くなり、耐摩耗性向上の効果に乏しい。また、Moの含有量が7質量%を超えると上記効果の向上が乏しくなるほか、これを固溶するA合金粉末の硬さが高くなりすぎて、原料粉末の圧縮性を損ない、この結果、焼結合金の強度および耐摩耗性が低下することとなる。よって、Moの含有量は、3〜7質量%とした。なお、Moの上記作用を基地全体に均一に得るためには、MoはFe−Mo合金粉末の形態で付与することが望ましい。
上記A合金粉末により形成される基地に、硬質相を分散させて耐摩耗性を付与するため、混合用粉末として、Co基合金からなるB合金粉末と、黒鉛粉末とを用意する。なお、上記第2の耐摩耗性焼結合金を製造する場合には、さらにNi粉末を用意する。
Co:Coは、基地に拡散して硬質相を基地に強固に結合する働きがある。また、基地に拡散したCoは基地を強化するとともに、基地および硬質相の基地の耐熱性の向上に働く。さらに、Coの一部はMo、SiとともにMo−Co珪化物を形成し、この珪化物が硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与するとともに、ピン止め効果により基地の塑性流動、凝着を防止する。以上により、B合金粉末をCo基合金により構成した。以下、B合金粉末に含有される成分組成の数値限定の根拠について説明する。
Niは基地に固溶して強化するとともに、焼結後は通常の冷却速度でマルテンサイトを得易くするために添加する。Niの付与形態としては、Fe−Mo合金粉末に固溶させて与えるとNiが均一になるためベイナイト単相組織を得易い。一方、Niを単味粉としての形態で、またはFe−Mo合金粉末に部分拡散させた形態で与えると、基地中にNi濃度の高い部分が偏在する。このため、Ni濃度の高い部分がマルテンサイトに変態し、ベイナイト組織中にマルテンサイトが分散する組織を得易い。また、単味粉として用いる場合、元のNi粉末の部分はNi濃度が高く、靱性の高いオーステナイトとして残留し、基地の靱性を高める働きを有する。ただし、オーステナイトが過度に分散すると耐摩耗性が低下するため、Niの含有量は、混合粉末の質量全体の13質量%以下とする必要がある。なお、本発明の耐摩耗性焼結合金においては、Niは第2の耐摩耗性焼結合金にのみ含有されている。
Cを基地形成用のA合金粉末に固溶させて与えた場合、合金粉末が固くなって圧縮性が低下するので、黒鉛粉末の形態で添加する。黒鉛粉未の形態で添加されたCは、基地を強化するとともに、耐摩耗性を向上させる。Cの添加量が0.3質量%未満であると基地組織に耐摩耗性、強度ともに低いフェライトが残留するようになり、1.2質量%を超えると粒界にセメンタイトが析出し始めて強度が低下する。よって、添加する黒鉛は、基地形成用のA合金粉末の質量に対して0.3〜1.2質量%とした。
本発明の耐摩耗性焼結合金の被削性を改善するために、上記混合粉末には、鉛粉末、二硫化モリブデン粉末、硫化マンガン粉末、窒化硼素粉末、メタ珪酸マグネシウム系鉱物の粉末、フッ化カルシウム粉末のうち、少なくとも1種を、混合粉末に対して0.3〜2.0質量%添加することができる。なお、この添加量の数値限定の根拠は前述のとおりである。
上記製造方法により製造した本発明の耐摩耗性焼結合金の気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、およびアクリル樹脂を溶浸もしくは含浸することもできる。具体的には、混合粉末中に鉛や銅等の粉末を添加し、粉末の成形体を焼結することで気孔中にそれら金属を含有させる(溶浸)。あるいは、密閉容器内に溶融したアクリル樹脂と耐摩耗性焼結合金とを充填し、密閉容器の内部を減圧することでアクリル樹脂を気孔内に充填することができる(含浸)。なお、アクリル樹脂に代えて溶融した鉛または銅もしくは銅合金を用いることにより、これら金属を気孔内に含浸させることもできる。
表1に示す基地形成用のA合金粉末と、Co基硬質相形成用のB合金粉末と、黒鉛粉末とを、表1に示す割合で、成形潤滑剤(ステアリン酸亜鉛0.8質量%)とともに配合し、混合した混合粉末を成形圧力650MPaでφ30×φ20×h10のリングに成形した。次に、これら成形体を、アンモニア分解ガス雰囲気中で1180℃で60分間焼結し、表2に示す組成の試料01〜20を作製した。以上の試料について、簡易摩耗試験を行った結果を表2に併記する。
B合金中のMo量が48〜60質量%の範囲である焼結合金(試料番号02〜05)は、バルブシートおよびバルブの摩耗量が安定して低くなっており、良好な耐摩耗性を示すことが判る。一方、Mo量が48〜60質量%の範囲を逸脱している焼結合金(試料番号01,06)は、とくにバルブシートの摩耗量が顕著に高くなっており、バルブの摩耗量も比較的高い。したがって、B合金粉末中のMo量が48〜60質量%の範囲であれば、優れた耐摩耗性が実現されることが確認された。
B合金中のSi量が1〜5質量%の範囲である焼結合金(試料番号03,08,09)は、バルブシートおよびバルブの摩耗量が安定して低くなっており、良好な耐摩耗性を示すことが判る。一方、Si量が1〜5質量%の範囲を逸脱している焼結合金(試料番号07,10)は、とくにバルブシートの摩耗量が顕著に高くなっている。したがって、B合金粉末中のSi量が1〜5質量%の範囲であれば、優れた耐摩耗性が実現されることが確認された。
B合金中のCr量が3〜12質量%の範囲である焼結合金(試料番号03,12〜14)は、バルブシートおよびバルブの摩耗量が安定して低くなっており、良好な耐摩耗性を示すことが判る。一方、Cr量が3〜12質量%の範囲を逸脱している焼結合金(試料番号11,15)は、とくにバルブシートの摩耗量が顕著に高くなっている。したがって、B合金粉末中のCr量が3〜12質量%の範囲であれば、優れた耐摩耗性が実現されることが確認された。
混合粉末全体の質量に対するB合金粉末の添加量が5〜40質量%の範囲である焼結合金(試料番号03,17〜19)は、バルブシートおよびバルブの摩耗量が安定して低くなっており、良好な耐摩耗性を示すことが判る。一方、B合金粉末の添加量が5〜40質量%の範囲を逸脱している焼結合金(試料番号16,20)は、とくにバルブシートの摩耗量が顕著に高くなっている。したがって、混合粉末全体の質量に対するB合金粉末の添加量が5〜40質量%の範囲であれば、優れた耐摩耗性が実現されることが確認された。
表3にそれぞれ示す基地形成用のA合金粉末と、Co基硬質相形成用のB合金粉末と、黒鉛粉末とを、表3に示す割合で、成形潤滑剤(ステアリン酸亜鉛0.8質量%)とともに配合し、混合した混合粉末を成形圧力650MPaでφ30×φ20×h10のリングに成形した。次いで、実施例1と同様の条件で焼結を行い、表4に示す組成の試料03,21〜24を作製した。以上の試料について、実施例1と同様に、簡易摩耗試験を行った。その結果を表4に併記する。
表5にそれぞれ示す基地形成用のA合金粉末と、Co基硬質相形成用のB合金粉末と、黒鉛粉末と、Ni粉末とを、表5に示す割合で、成形潤滑剤(ステアリン酸亜鉛0.8質量%)とともに配合し、混合した混合粉末を成形圧力650MPaでφ30×φ20×h10のリングに成形した。次いで、実施例1と同様の条件で焼結を行い、表6に示す組成の試料03,25〜29を作製した。以上の試料について、実施例1と同様に、簡易摩耗試験を行った。その結果を表6に併記する。
表7にそれぞれ示す基地形成用のA合金粉末と、Co基硬質相形成用のB合金粉末と、黒鉛粉末とを、表7に示す割合で、成形潤滑剤(ステアリン酸亜鉛0.8質量%)とともに配合し、混合した混合粉末を成形圧力650MPaでφ30×φ20×h10のリングに成形した。次いで、実施例1と同様の条件で焼結を行い、表8に示す組成の試料03,30〜35を作製した。以上の試料について、実施例1と同様に、簡易摩耗試験を行った。その結果を表8に併記する。
表9にそれぞれ示す基地形成用のA合金粉末と、Co基硬質相形成用のB合金粉末と、黒鉛粉末とを、表10に示す割合で、成形潤滑剤(ステアリン酸亜鉛0.8質量%)とともに配合し、混合した混合粉末を成形圧力650MPaでφ30×φ20×h10のリングに成形した。次いで、表9に示す温度で焼結を行い、表10に示す組成の試料03,36〜40を作製した。以上の試料について、実施例1と同様に、簡易摩耗試験を行った。その結果を表10に併記する。
Claims (8)
- 全体組成が、質量比で、Mo:5.21〜28.17%、Co:1.15〜19.2%、Cr:0.15〜4.8%、Si:0.05〜2.0%、C:0.4〜1.2%、および残部がFeおよび不可避的不純物からなり、ベイナイト相、またはベイナイトとマルテンサイトとの混合相からなる基地組織中に、Co基合金基地に主としてMo珪化物よりなる析出物が一体化して析出したCo基硬質相が5〜40%分散していることを特徴とする耐摩耗性焼結合金。
- 全体組成が、質量比で、Mo:4.82〜28.17%、Co:1.15〜19.2%、Cr:0.15〜4.8%、Si:0.05〜2.0%、Ni:13%以下、および残部がFeおよび不可避的不純物からなり、ベイナイト相、マルテンサイトおよびオーステナイトの混合相からなる基地組織中に、Co基合金基地に主としてMo珪化物よりなる析出物が一体化して析出したCo基硬質相が5〜40%分散していることを特徴とする耐摩耗性焼結合金。
- 前記基地組織中に、鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、窒化硼素、メタ珪酸マグネシウム系鉱物、およびフッ化カルシウムの群より選ばれる少なくとも1種の被削性改善物質粒子が0.3〜2.0質量%分散していることを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗性焼結合金。
- 気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、およびアクリル樹脂の群より選ばれる1種が、充填されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の耐摩耗性焼結合金。
- 組成が、質量比で、Mo:3〜7%ならびに残部:Feおよび不可避的不純物からなる基地形成用のA合金粉末に、組成が、質量比で、Mo:48〜60%、Cr:3〜12%、Si:1〜5%、ならびに残部:Coおよび不可避的不純物からなるCo基硬質相形成用のB合金粉末:5〜40%と、黒鉛粉末:0.3〜1.2質量%とを添加した混合粉末を用意し、前記混合粉末を所定形状に圧粉成形した後、非酸化性雰囲気中にて1000〜1200℃で焼結することを特徴とする耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 前記混合粉末に、さらに、Ni粉末:13質量%以下を添加することを特徴とする請求項5に記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 前記混合粉末に、さらに、鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、窒化硼素、メタ珪酸マグネシウム系鉱物、およびフッ化カルシウムの群より選ばれる少なくとも1種の被削性改善物質粉末:0.3〜2.0質量%を添加することを特徴とする請求項5または6に記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、およびアクリル樹脂の群より選ばれる1種を溶浸または含浸することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
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