JP2017133046A - 耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法、焼結合金用成形体、および耐摩耗性鉄基焼結合金 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は、前記焼結合金用成形体の焼結体である。
本実施形態に係る焼結合金用成形体(以下、成形体という)は、後述する第1および第2硬質粒子、黒鉛粒子、および鉄粒子を含む混合粉末を圧粉成形したものである。耐摩耗性鉄基焼結合金(以下、焼結合金という)は、黒鉛粒子のCを硬質粒子および鉄粒子に拡散をさせながら、成形体を焼結したものである。以下の硬質粒子、これを混合した混合粉末により圧粉成形された成形体、および成形体を焼結した焼結合金について説明する。
第1硬質粒子は、焼結合金に原料として配合され、鉄粒子および焼結合金の鉄系基地に対して硬度が高い粒子であり、これにより、焼結合金のアブレッシブ摩耗を抑えることを目的とした粒子である。
第1硬質粒子の組成のうちMoは、焼結時に炭素粉末のCとMo炭化物を生成して第1硬質粒子の硬さ、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、Moは、高温使用環境下において、固溶しているMoおよびMo炭化物を酸化させてMo酸化皮膜を形成し、焼結合金に良好なる固体潤滑性を得ることができる。
第1硬質粒子の組成のうちNiは、第1硬質粒子の基地のオーステナイト組織を増加させて、その靱性を向上させることができる。また、Niは、第1硬質粒子のMoの固溶量を増加させて、第1硬質粒子の耐摩耗性を向上させることができる。
20〜40質量%である。
第1硬質粒子の組成のうちCoは、Niと同様に、第1硬質粒子の基地および焼結合金の鉄系基地におけるオーステナイト組織を増加させることができるとともに、第1硬質粒子の硬さを向上させることができる。
第1硬質粒子の組成のうちMnは、焼結時に第1硬質粒子から焼結合金の鉄系基地へ効率よく拡散するため、第1硬質粒子と鉄系基地との密着性を向上させることができる。さらに、Mnは、第1硬質粒子の基地および焼結合金の鉄系基地におけるオーステナイト組織を増加させることができる。
第1硬質粒子の組成のうちSiは、第1硬質粒子のMo酸化皮膜の密着性を向上させることができる。ここで、Siの含有量が0.5質量%未満では、上述したSiによる効果を期待することが難しい。一方、Siの含有量が4.0質量%を超えると、成形体への成形性が阻害され、焼結合金の密度が低下してしまう。より好ましいSiの含有量は、0.5〜2質量%である。
第1硬質粒子の組成のうちCは、Moと結合してMo炭化物を形成し、第1硬質粒子の硬さ、耐摩耗性を向上させることができる。ここで、Cの含有量が0.5質量%未満では、耐摩耗性の効果が十分ではなく、一方、Cの含有量が3.0質量%を超えると、成形体への成形性が阻害され、焼結合金の密度が低下してしまう。より好ましいCの含有量は、0.5〜2質量%である。
第1硬質粒子の組成のうちCrは、使用時に、Moの過度の酸化を抑制することができる。例えば、焼結合金の使用環境温度が高く、第1硬質粒子におけるMo酸化皮膜の生成が多くなり、第1硬質粒子におけるMo酸化皮膜の剥離が生じる場合に、Crの添加は有効である。
第1硬質粒子の粒径としては、焼結合金の用途、種類などに応じて適宜選択できるが、第1硬質粒子の粒径は、44〜250μmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは、44〜105μmの範囲にある。
第2硬質粒子は、第1硬質粒子と同様に、焼結合金に原料として配合され、鉄粒子および焼結合金の鉄系基地に対して硬度が高い粒子である。第2硬質粒子は、わずかな添加量で焼結合金の硬さを画期的に高めることにより焼結合金の鉄系基地の塑性変形を抑制し、この結果、焼結合金の凝着摩耗を低減することを目的とした粒子である。
第2硬質粒子の組成のうちMoは、焼結時に炭素粉末のCとMo炭化物を生成して第2硬質粒子の硬さ、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、Moは、高温使用環境下において、固溶しているMoおよびMo炭化物を酸化させてMo酸化皮膜を形成し、焼結合金に良好なる固体潤滑性を得ることができる。さらに、焼結時にモリブデン炭化物を鉄系基地の粒界に析出させることにより、使用時の鉄系基地の塑性変形を抑制し、凝着摩耗を抑制することができる。
第2硬質粒子の組成にSiを含有している場合には、粉砕法により、第2硬質粒子を製造し易くなる。ここで、Siの含有量が、2.0質量%を超えると、第2硬質粒子の硬さが高くなり、成形体への成形性が阻害され、焼結合金の密度が低下してしまうばかりでなく、焼結合金の被削性も低下してしまう。
第2硬質粒子の粒径としては、焼結合金の用途、種類などに応じて適宜選択できるが、第2硬質粒子の粒径(最大粒径)は、75μm以下の範囲にあることが好ましい。これにより、第2硬質粒子を基地により均一に分散させることができ、焼結合金の硬さを高めることができる。ここで、第2硬質粒子に粒径が75μmを超える硬質粒子を含んだ場合には、その粒径が大き過ぎるため焼結合金の被削性が低下することがある。なお、第2硬質粒子の粒径は、製造上の観点から、1μm以上であることが好ましい。
黒鉛粒子は、焼結時に黒鉛粒子のCが鉄系基地および硬質粒子に固溶拡散することができるのであれば、天然黒鉛または人造黒鉛のいずれの黒鉛粒子であってもよく、これらが混合したものであってもよい。黒鉛粒子の粒径は、1〜45μmの範囲にあることが好ましい。好ましい黒鉛粒子からなる粉末としては、黒鉛粉末(日本黒鉛製:CPB−S)などを挙げることができる。
焼結合金の基地となる鉄粒子は、Feを主成分とする鉄粒子から構成される。鉄粒子からなる粉末としては、純鉄粉が好ましいが、圧粉成形時の成形性が阻害さず、上述した第1硬質粒子のMn等の元素の拡散が阻害されない範囲で、低合金鋼粉末であってもよい。低合金鋼粉末はFe−C系粉末を採用することができ、例えば、低合金鋼粉末を100質量%としたとき、C:0.2〜5質量%、残部が不可避不純物とFeからなる組成をもつものを採用することができる。また、これらの粉末は、ガスアトマイズ粉、水アトマイズ粉または還元粉であってもよい。鉄粒子の粒径は、150μm以下の範囲にあることが好ましい。
第1硬質粉末、第2硬質粒子、黒鉛粒子、および鉄粒子を含むように混合粉末を作製する。混合粉末は、第1硬質粒子、第2硬質粒子、黒鉛粒子、および鉄粒子の合計量を100質量%としたときに、1硬質粒子を5〜50質量%含有し、第2硬質粒子を1〜8質量%含有し、黒鉛粒子を0.5〜1.5質量%含有している。
このようにして、得られた混合粉末を、焼結合金用成形体に圧粉成形する。焼結合金用成形体には、混合粉末と同じ割合で、第1硬質粒子、第2硬質粒子、黒鉛粒子、および鉄粒子が含まれる。
上述した製造方法で得られた焼結合金は、高温使用環境下における機械的強度および耐摩耗性がこれまでのものよりも高い。例えば、高温の使用環境下となる、圧縮天然ガスまたは液化石油ガスを燃料とする内燃機関のバルブ系(例えばバルブシート、バルブガイド)、ターボチャージャのウェストゲートバルブに好適に用いることができる。
〔実施例1:第1硬質粒子の最適添加量〕
以下に示す製造方法で、実施例1に係る焼結合金を製造した。第1硬質粒子として、Mo:40質量%、Ni:30質量%、Co:20質量%、Mn:5質量%、Si:0.8質量%、C:1.2質量%、残部がFeと不可避不純物(すなわちFe−40Mo−30Ni−20Co−5Mn−0.8Si−1.2C)の合金から、ガスアトマイズ法により作製された硬質粒子(大同特殊鋼製)を準備した。この第1硬質粒子を、JIS規格Z8801に準拠したふるいを用い、44μm〜250μmの範囲に分級した。なお、本明細書でいう、「粒子の粒度」は、この方法により分級した値である。
実施例1と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例2,3は、第1硬質粒子の最適添加量を評価するための実施例である。実施例2,3が、実施例1と相違する点は、混合粉末全体に対して、表1に示すように、第1硬質粒子を順次40質量%、50質量%の割合で、添加した点である。
実施例2と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例4は、第1硬質粒子の成分に新たな元素としてCrを添加した実施例である。実施例4が、実施例2と相違する点は、Mo:34質量%、Ni:10質量%、Co:31質量%、Cr:3.7質量%、Mn:6質量%、Si:0.9質量%、C:1.0質量%、残部がFeと不可避不純物(すなわちFe−34Mo−10Ni−31Co−3.7Cr−6Mn−0.9Si−1.0C)の合金から、ガスアトマイズ法により作製された硬質粒子を第1硬質粒子として用いた点である。
実施例2と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例5〜7は、第1硬質粒子の成分の添加量を変更した実施例である。
実施例2と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例1と相違する点は、第1硬質粒子に、特開2004−156101号公報に記載の硬質粒子に相当するCo−40Mo−5Cr−0.9C合金からなる粒子を用い、第2硬質粒子を添加していない点である。
実施例1と同じように焼結合金の試験片を作製した。比較例2,3は、第1硬質粒子の最適添加量を評価するための比較例である。比較例2,3が、実施例1と相違する点は、混合粉末全体に対して、表1に示すように、第1硬質粒子を順次0質量%(すなわち添加していない)、60質量%の割合で、添加した点である。なお、比較例3では、混合粉末から成形体に成形できなかった。
図1の試験機を用いて、実施例1〜7および比較例1,2に係る焼結合金の試験片に対して摩耗試験を行い、これらの耐摩耗性を評価した。この試験では、図1に示すように、プロパンガスバーナ10を加熱源として用い、前記のように作製した焼結合金からなるリング形状のバルブシート12と、バルブ13のバルブフェース14との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブフェース14はEV12(SEA規格)に軟窒化処理を行ったものである。バルブシート12の温度を250℃に制御し、スプリング16によりバルブシート12とバルブフェース14との接触時に25kgfの荷重を付与して、3250回/分の割合で、バルブシート12とバルブフェース14とを接触させ、8時間の摩耗試験を行った。
図2に示す試験機を用いて、実施例1〜7および比較例1,2に係る焼結合金の試験片に対して被削性試験を行い、これらの被削性を評価した。この試験では、外径30mm、内径22mm、全長9mmの試験片20を実施例1〜7および比較例1,2のそれぞれに対して6個準備した。NC旋盤を用いて、窒化チタンアルミコーティングした超硬の刃具30で、回転数970rpmで回転した試験片20に対して、切込み量0.3mm、送り0.08mm/rev、切削距離320m、湿式でトラバース切削した。
図3(a)に示すように、実施例1〜3の軸方向摩耗量は、比較例1,2のものよりも少なかった。実施例1、実施例2、実施例3の順で、軸方向摩耗量が減少した。また、表1に示すように、実施例2の第1硬質粒子の成分および添加量を変更した実施例4、添加量を変更した実施例5〜7の軸方向摩耗量は同程度であった。このことから、第1硬質粒子を添加することにより、焼結合金の耐アブレッシブ摩耗性が向上すると考えらえる。しかしながら、比較例3では、第1硬質粒子を添加し過ぎたため、成形体の成形性が阻害されたと言える。以上の点から、第1硬質粒子の最適な添加量は、混合粉末に対して5〜50質量%である。
実施例2と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例8〜10は、第2硬質粒子の最適添加量を評価するための実施例である。実施例8〜10が、実施例2と相違する点は、混合粉末全体に対して、表2に示すように、第2硬質粒子を順次1質量%、3質量%、8質量%の割合で、添加した点である。なお、実施例9は、上述した実施例2と同じである。
実施例8と同じように焼結合金の試験片を作製した。比較例4,5は、第2硬質粒子の最適添加量を評価するための比較例である。比較例4,5が、実施例8と相違する点は、混合粉末全体に対して、表2に示すように、第2硬質粒子を順次0質量%、10質量の割合で、添加した点である。
図5(a)に示すように、実施例8〜10,比較例5の軸方向摩耗量は、比較例1,4のものよりも少なかった。実施例8、実施例9、実施例10、比較例5の順で、軸方向摩耗量が僅かに減少した。しかしながら、図5(b)に示すように、比較例5の刃具摩耗量は、実施例8〜10のものよりも多かった。
実施例2と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例11〜13は、黒鉛粒子の最適添加量を評価するための実施例である。実施例11〜13が、実施例2と相違する点は、混合粉末全体に対して、表3に示すように、黒鉛粒子を順次0.5質量%、1.1質量%、1.5質量%の割合で、添加した点である。なお、実施例12は、上述した実施例2と同じである。
実施例11と同じように焼結合金の試験片を作製した。比較例6,7は、黒鉛粒子の最適添加量を評価するための比較例である。比較例6,7が、実施例11と相違する点は、混合粉末全体に対して、表3に示すように、黒鉛粒子を順次0.4質量%、1.6質量の割合で、添加した点である。
図7(a)に示すように、実施例11〜13,比較例7の軸方向摩耗量は、比較例6のものよりも少なかった。しかしながら、図7(b)に示すように、比較例7の刃具摩耗量は、実施例11〜13のものよりも多かった。
実施例2と同じように焼結合金の試験片を作製した。実施例14,15は、第2硬質粒子の最適粒径を評価するための実施例である。実施例14,15が、実施例2と相違する点は、表4に示すように、第2硬質粒子として、順次、その粒径(粒度)が45μm以下の範囲、45μm超えかつ75μm以下の範囲となるように分級した第2硬質粒子を用いた点である。
実施例14と同じように焼結合金の試験片を作製した。比較例8,9は、第2硬質粒子の最適粒径を評価するための比較例である。比較例8,9が、実施例14と相違する点は、表4に示すように、第2硬質粒子として、順次、その粒径(粒度)が75μm超えかつ100μm以下の範囲,100μm超えかつ150μm以下の範囲に分級した第2硬質粒子を用いた点である。なお、比較例8,9に係る試験片は、本発明の範囲に含まれる焼結合金であり、実施例14,15と対比するために、便宜上、比較例8,9としている。
図9(a)に示すように、実施例14,15および比較例8,9の軸方向摩耗量は、同程度であった。しかしながら、図9(b)に示すように、実施例14,15の刃具摩耗量は、比較例8,9のものよりも少なかった。これは、比較例8,9では、第2硬質粒子の粒径が大き過ぎるため試験片の被削性が低下することがある。この結果から、第2硬質粒子の粒径(最大粒径)は、75μm以下の範囲にあることが好ましい。
Claims (7)
- 硬質粒子、黒鉛粒子、および鉄粒子を含む混合粉末から、焼結合金用成形体を圧粉成形する工程と、
焼結合金用成形体の前記黒鉛粒子のCを、前記硬質粒子および前記鉄粒子に拡散させながら、前記焼結合金用成形体を焼結する工程と、を含む耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法であって、
前記硬質粒子は、第1硬質粒子と第2硬質粒子とを含み、
前記第1硬質粒子は、前記第1硬質粒子を100質量%としたときに、Mo:20〜70質量%、Ni:5〜40質量%、Co:5〜40質量%、Mn:1〜20質量%、Si:0.5〜4.0質量%、C:0.5〜3.0質量%、残部がFeと不可避不純物からなり、
前記第2硬質粒子は、前記第2硬質粒子を100質量%としたときに、Mo:60〜70質量%、Si:2.0質量%以下、残部がFeと不可避不純物からなり、
前記混合粉末は、前記第1硬質粒子、前記第2硬質粒子、前記黒鉛粒子、および前記鉄粒子の合計量を100質量%としたときに、前記1硬質粒子を5〜50質量%含有し、前記第2硬質粒子を1〜8質量%含有し、前記黒鉛粒子を0.5〜1.5質量%含有していることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法。 - 前記第1硬質粒子には、前記第1硬質粒子を100質量%としたときに、10質量%以下のCrがさらに添加されていることを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法。
- 前記第2硬質粒子の粒径は、75μm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法。
- 硬質粒子、黒鉛粒子、および鉄粒子を含む焼結合金用成形体であって、
前記硬質粒子は、第1硬質粒子と第2硬質粒子とを含み、
前記第1硬質粒子は、前記第1硬質粒子を100質量%としたときに、Mo:20〜70質量%、Ni:5〜40質量%、Co:5〜40質量%、Mn:1〜20質量%、Si:0.5〜4.0質量%、C:0.5〜3.0質量%、残部がFeと不可避不純物からなり、
前記第2硬質粒子は、前記第2硬質粒子を100質量%としたときに、Mo:60〜70質量%、Si:2.0質量%以下、残部がFeと不可避不純物からなり、
前記焼結合金用成形体は、前記第1硬質粒子、前記第2硬質粒子、前記黒鉛粒子、および前記鉄粒子の合計量を100質量%としたときに、前記1硬質粒子を5〜50質量%含有し、前記第2硬質粒子を1〜8質量%含有し、前記黒鉛粒子を0.5〜1.5質量%含有していることを特徴とする焼結合金用成形体。 - 前記第1硬質粒子には、前記第1硬質粒子を100質量%としたときに、10質量%以下のCrがさらに添加されていることを特徴とする請求項4に記載の焼結合金用成形体。
- 前記第2硬質粒子の粒径は、75μm以下の範囲にあることを特徴とする請求項5に記載の焼結合金用成形体。
- 請求項4〜6のいずれか一項に記載の前記焼結合金用成形体の焼結体である耐摩耗性鉄基焼結合金。
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