JP2677813B2 - 高温耐摩耗性鉄系焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、主に自動車エンジン用の弁座素材として利
用され、特に高温における耐摩耗性に優れた鉄系焼結合
金に関するものである。 （従来の技術） 従来、自動車エンジン用の弁座素材としては、主に無
鉛ガソリンに対応した多くの焼結合金が開発されてき
た。 例えば、本件出願人がさきに開発し実用に供した無鉛
ガソリン用弁座（特公昭55−36242号）もその一例であ
り、これは0.5〜３％Ni−0.5〜３％Mo−5.5〜7.5％Co−
0.6〜1.2％Ｃ−Fe系の焼結鋼の空孔内に重量比で10％以
上の鉛を含浸したもので、従来材である２〜４％Cr−0.
2〜0.4％Mo−0.2〜0.4％Ｖ−0.6〜1.2％Ｃ−Fe系の焼結
鋼の空孔内に鉛を含浸したもの（特公昭49−17968号）
に比べると、耐摩耗性が一段と改良されているものであ
った。 （発明が解決しようとする課題） ところが、最近において、自動車エンジンは、高回転
化および高圧縮化等の高動力性能化により、その作動条
件が一段と厳しくなってきており、動弁機構の弁座にお
いても従来にも増して厳しい使用環境に耐えることが不
可避となっている事情から、上記の改良された焼結合金
よりも更に耐摩耗性が良好であり、しかもとくに高温で
の材料強度がより一層高い材料に改善することが望まれ
ているという課題があった。 （発明の目的） 本発明は、このような課題にかんがみてなされたもの
で、高温での材料強度がより一層高く、低温から高温に
至るまで優れた強度および耐摩耗性を示す高温耐摩耗性
鉄系焼結合金を提供することを目的としている。

【発明の構成】

（課題を解決するための手段） 本発明に係る高温耐摩耗性鉄系焼結合金は、上記した
従来の焼結合金（特公昭55−36242号）を基本とし、こ
れを更に改良したもので、従来の焼結合金組成からなる
Ni−Mo−Co−Ｃ系鉄合金に、Ni相および耐熱鋼（JIS S
UH相当材）成分の相を分散させた組織とし、また、必要
に応じ空孔内に鉛を含浸したものである。 更に詳しくは、全体の組成が、重量比で、 C:0.48〜1.12％， Ni:3.3〜24.7％， Mo:0.2〜2.6％， Co:2.0〜6.4％， Si:0.17〜1.12％， Mn:0.02〜0.3％， Cr:1.9〜10.3％， および残部実質的にFeよりなり、 基地の組成が、同じく重量比で、 C:0.45〜1.14％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％， および残部実質的にFeよりなり、 且つベイナイト組織またはベイナイト組織とソルバイ
ト組織の混合組織中にオーステナイト組織が分散した組
織の基地中に、同じく重量比で、 C:0.75〜0.95％， Ni:1.15〜1.65％， Si:1.75〜2.25％， Mn:0.2〜0.6％， Cr:19.0〜20.5％， および残部実質的にFeよりなる硬質相が10〜50重量％
分散した組織を呈している合金であることを特徴として
おり、第２請求項に係る合金は、その空孔内に鉛が含浸
されていることを特徴としている。 まず、本発明焼結合金の製造方法を簡単に説明する
と、原料として用いる粉末は、特公昭55−36242号と同
じく、Ni:0.5〜３％,Mo:0.5〜３％,Co:5.5〜7.5％,C:0.
6〜1.2％，残部実質的にFeからなる合金鉄粉に、Ni粉と
黒鉛粉とステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を配合し、更に耐
熱鋼粉（JIS SUH4相当のもの）を添加した混合粉であ
る。 成形および焼結は通常の方法で行なわれ、第１請求項
に係る焼結合金が得られる。また、この焼結体を溶融鉛
浴に浸漬し、空孔内に鉛を溶浸することにより第２請求
項の焼結合金が得られる。 次に、このようにして得られる本発明焼結合金を構成
する化学成分の数値範囲の限定理由について説明する。 基本となる合金鉄粉の組成は従来材の基地組成と同じ
であり、各組成範囲は特公昭55−36242号公報に記載さ
れている通りである。 すなわち、NiおよびMoは主に強度の向上に寄与する成
分で、0.5％未満では不十分であり、一方３％を超えて
添加しても費用増加の割に効果が少ない。また、Moを過
剰に入れると耐酸化性が低下する。 Coは5.5％未満では高温硬さが不足し摩耗しやすく、
一方7.5％を超えると原料粉が硬くなり圧縮成形が困難
になる。 Ｃは黒鉛粉で添加され、焼結体基地中に占める炭素量
は0.6〜1.2％の範囲であり、これよりも少なすぎると充
分な硬さが得られず、多すぎるとセメンタイト組織が析
出し易くなり基地材料が脆化する。また、マトリックス
の組織は、ソルバイト組織とベイナイト組織の混合組織
であるが、炭素量が前記範囲の上限寄りの場合はソルバ
イト組織の量が少なくなり、ベイナイト組織がほとんど
を占めるようになる。 次に、上記の合金にNiを添加し、オーステナイト組織
の形で分散させる着想は、静的な機械強度がかなり向上
し、高温での強度低下が少なくなること、および分散し
たオーステナイト組織は繰返しの疲労強度の向上に効果
があるという知見に基づいている。 Niはカーボニルニッケル粉のような粉末で添加され、
焼結後はマトリックスに斑点状のオーステナイト組織と
する。Ni粉の添加量は前記の合金鉄粉に対して重量比で
５〜25％の範囲であり、５％未満では耐摩耗性および強
度の向上が少なく、また25％を超えて添加しても費用の
増加に比べて効果が少なく、むしろ耐摩耗性および強度
ともに悪くなる傾向を示すようになる。 以上のごとく、基本となる合金鉄粉にNiを添加したの
ちの基地の構成を組成範囲で表わすと、重量比で、 C:0.45〜1.14％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％， Fe:実質的に残部、 となる。 そして、上記組成の基地中に耐食性のある硬質相を分
散させると、耐摩耗性が向上する。特に、弁座のシート
面に付着する燃焼生成物が多量に発生する燃料の場合に
効果が顕著である。 この硬質相は粉末の形で添加するが、必要な要件は、
耐食性に優れており、相手部材を摩耗させない程度に硬
く、多量に添加してもその割に成形性が良く、通常の方
法で焼結できること、等が挙げられる。耐熱鋼粉は、こ
れに合致している。 耐熱鋼粉は市販されている一般的なSUH4相当耐熱鋼と
ほぼ同じ組成であり、重量比で、 C:0.75〜0.95％， Ni:1.15〜1.65％， Cr:19.0〜20.5％， Si:1.75〜2.25％， Mn:0.2〜0.6％， Fe:実質的に残部、 からなるものである。この合金は耐食性が良く、硬いCr
炭化物を多く含み、その割に成形性が良く、比較的に安
価である。 耐熱鋼粉の添加量は、全体組成で10〜50重量％の範囲
であり、10％未満では耐摩耗性の向上が少なく、一方、
50％を超えて添加すると材料強度が低下し、また、耐摩
耗性がかえって悪くなるとともに相手部材を摩耗させ易
くなる傾向を示すようになる。 以上のごとく、従来組成のＣ−Ni−Mo−Co系合金鉄
に、Niと耐熱鋼を分散させた構成の第１請求項に係る合
金全体の組成は、重量比で、 C:0.48〜1.12％， Ni::3.3〜24.7％， Mo:0.2〜2.6％， Co:2.0〜6.4％， Si:0.17〜1.12％， Mn:0.02〜0.3％， Cr:1.9〜10.3％， および残部実質的にFeよりなるものとなる。 そして、第１請求項に係る焼結合金に鉛を含浸した第
２請求項に係る合金は更に耐摩耗性が向上する。 なお、焼結体の密度は6.9〜7.2g/cm³が最適である。
すなわち、密度が低すぎると摩耗しやすく、反対に高い
密度は成形圧力が高くなり、作業性や押型摩耗の点で不
利であり、また、空孔量の減少にともなって鉛の含浸性
が悪くなる。 （作用） 従来のNi−Mo−Co−Ｃ系合金鉄に添加するNiの添加量
による耐摩耗性および強度への影響は次のとおりであっ
た。 まず、重量比で、Ni:1.5％,Mo:1.5％,Co:6.5％および
残部実質的にFeからなる粒度100メッシュ以下のアトマ
イズ合金鉄粉と、オーステナイト組織形成用にカーボニ
ルニッケル粉とを用意した。 次に、試料の作製は、上記アトマイズ合金鉄粉に、黒
鉛粉1.0％と潤滑剤としてステアリン酸亜鉛0.8％を添加
した混合粉と、さらに上記カーボニルニッケル粉を０
（すなわち添加せず）,5,10,15,20,25および30重量％添
加した各混合粉を準備し、焼結密度が7.0g/cm³となるよ
うに成形密度を調整して所定形状に成形した後、アンモ
ニア分解ガス雰囲気炉中で温度:1160℃，時間:30分間の
焼結を行なって各焼結体を得た。 これら試料の顕微鏡組織は、基地がベイナイト組織と
少量のソルバイト組織の混合組織であり、カーボニルニ
ッケルを添加したものは白色のオーステナイト組織が分
散しているものとなっていた。 次に、各試料の常温での圧環強さと、これら材料から
なる弁座を供試材として模擬エンジン試験機を用いて各
弁座ごとの摩耗量を比較した。 この摩耗試験機は、LPG燃焼ガスで弁および弁座を所
定の温度に加熱しながらカム軸をモーターで駆動する機
構をもつものであって、温度，回転数，弁のスプリング
圧力などを任意に設定でき、短時間のうちに苛酷な試験
を行うことができるものである。 なお、相手材となる弁の材質は、21−4N（21％Cr−４
％Ni−Fe系耐熱鋼）を用い、弁座の温度を300℃に設定
して、30時間連続運転した後の弁座と相手弁の総合摩耗
量を測定した。 第１図は、圧環強さと総合摩耗量の測定結果を示すも
のであり、圧環強さは、Ni粉の添加が５％以上で効果が
認められ、10〜20％で最高値を示したのち、再び緩かに
低下している。 また、弁座の摩耗量も同様な傾向を示し、15〜25％で
最も摩耗が少なく、25％を超えると僅かに摩耗増加傾向
を示している。 従って、Ni粉の添加量は下限を５％とし、上限を25％
とするのがよいことが確かめられた。 この結果、焼結体の基地の組成は、重量比で、 C:0.45〜1.14％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％， および残部実質的にFeの範囲よりなるものとするのが
適していることが確かめられた。 次に、上記組成の基地中に耐熱性のある硬質相として
耐熱鋼を粉末の形で添加する場合に、この耐熱鋼粉の添
加量による耐摩耗性および強度への影響は次のとおりで
あった。 ここで用いた試料は、前述のNiの添加量による耐摩耗
性および強度への影響を調べた場合において、Ni粉の添
加量が15％の混合粉と、組成が、C:0.85％,Ni:1.4％,S
i:1.9％,Mn:0.4％,Cr:20.0％および残部実質的にFeより
なる耐熱鋼粉（SUH4相当）を上記混合粉に０（すなわち
添加せず）,10,30,50および70重量％添加した各混合粉
を準備し、焼結密度が7.0g/cm³となるように成形密度を
調整して所定形状に成形した後、前述の場合と同様にア
ンモニア分解ガス雰囲気炉中で温度:1160℃，時間:30分
間の焼結を行なって各焼結体を得た。また、これらの焼
結体の一部を550℃の溶融鉛浴中に浸漬して、８気圧の
加圧力を加えることにより、空孔内に鉛を溶浸した試料
も用意した。 ここで、耐熱鋼粉を添加した試料の顕微鏡組織は、基
地がベイナイト組織と少量のソルバイト組織の混合組織
中に、オーステナイト組織と、細かな金属炭化物が分散
した組織の硬質相とが、斑点状に分散しており、鉛溶浸
材は空孔内に鉛が認められるものであった。 次に、前述の場合と同様にして、各試料の常温での圧
環強さと、これら材料からなる弁座を供試材として模擬
エンジン試験機を用いて各弁座ごとの摩耗量を比較し
た。その結果を第２図に示す。 第２図に示すように、圧環強さは耐熱鋼粉の添加量が
多くなるにつれて低下する傾向にあり、添加量が50％を
超えると著しく低下する。 また、摩耗量は総合摩耗量と弁座の摩耗量で示してあ
るが、先ず、点線で示してある鉛を溶浸していない焼結
体試料を用いた弁座の耐摩耗性向上は、耐熱鋼粉10％以
上で効果が認められ、50％を超えるとかえって摩耗が増
加している。そして、特に総合摩耗量と弁座摩耗量の
差、即ち相手弁の摩耗が大きくなる。次に、実線で示し
てある鉛溶浸した試料においても摩耗に対する傾向は同
じであるが、鉛を含浸していない焼結体試料の場合より
も一段と摩耗量が少なくなっている。 従って、耐熱鋼粉の添加量は下限を10％とし、上限を
50％とするのがよいことが確かめられた。 この結果、焼結体の全体の組成は、重量比で、 C:0.48〜1.12％， Ni:3.3〜24.7％， Mo:0.2〜2.6％， Co:2.0〜6.4％， Si:0.17〜1.12％， Mn:0.02〜0.3％， Cr:1.9〜10.3％， および残部実質的にFeの範囲よりなるものとするのが
適していることが確かめられた。 （実施例） 重量比で、Ni:1.5％,Mo:1.5％,Co:6.5％および残部実
質的にFeからなる粒度100メッシュ以下のアトマイズ合
金鉄粉に、黒鉛粉1.0％と潤滑剤としてステアリン酸亜
鉛0.8％を添加し、さらにカーボニルニッケル粉を15重
量％と、組成が、C:0.85％,Ni:1.4％,Si:1.9％,Mn:0.4
％,Cr:20.0％および残部実質的にFeよりなる耐熱鋼粉
（SUH4相当）を30重量％添加した混合粉を準備し、焼結
密度が7.0g/cm³となるように成形密度を調整して所定形
状に成形した後、アンモニア分解ガス雰囲気炉中で温
度:1160℃，時間:30分間の焼結を行なって焼結体を得
た。また、焼結体の一部を550℃の溶融鉛浴中に浸漬し
て、８気圧の加圧力を加えることにより、空孔内に鉛を
溶浸した焼結体を得た。そして、各焼結体から本発明実
施例合金よりなる弁座を作製した。 ここで、Ni粉および耐熱鋼粉を添加した弁座の顕微鏡
組織は、基地がベイナイト組織と少量のソルバイト組織
の混合組織中に、オーステナイト組織と、細かな金属炭
化物が分散した組織の硬質相とが、斑点状に分散してお
り、鉛溶浸したものは空孔内に鉛が認められるものであ
った。 （比較例） 重量比で、Ni:1.5％,Mo:1.5％,Co:6.5％および残部実
質的にFeからなる粒度100メッシュ以下のアトマイズ合
金粉鉄に、黒鉛粉1.0重量％と潤滑剤としてステアリン
酸亜鉛0.8％を添加し、カーボニルニッケル粉と耐熱鋼
粉を添加しない混合粉を準備し、焼結密度が7.0g/cm³と
なるように成形密度を調整して所定形状に成形した後、
アンモニア分解ガス雰囲気炉中で温度:1160℃，時間30
分間の焼結を行なって焼結体を得た。そして、前記焼結
体から比較例の合金よりなる弁座を作製した。 試験例１ この試験例１においては、前記実施例および比較例で
得た焼結体（弁座）の温度と圧環強さとの関係を測定し
た。その結果を第３図に示す。 第３図に示すように、本発明材は、圧環強さが比較材
にくらべてより大きな値を示し、また高温においても圧
環強さの低下量が著しく少ないものであったが、比較材
では圧環強さが低くしかも300℃を越えると圧環強さの
低下量が著しく多いものであった。 試験例２ 次に、前記実施例および比較例で作製した各弁座を４
気筒2000ccのガソリンエンジンに組み込み、相手材とな
る弁の材質として21−4N（21％Cr−４％Ni−Fe系耐熱
鋼）からなるものを用いて、台上耐久試験を行った。 このとき、エンジンの回転数は6000rpmであり、1000
時間と200時間運転後の弁座摩耗量を調べた。この結果
を第４図に示す。 第４図に示す結果より明らかなように、本発明合金か
らなる弁座は摩耗量が少なく、比較合金からなる弁座に
対して一段と優れているものであり、鉛を含浸させたも
のの方が摩耗量はさらに少なくなっていた。

【発明の効果】

以上詳述した通り、本発明に係わる系焼結合金は、Ni
−Mo−Co−Ｃ系鉄合金に、オーステナイト組織形成用の
Niと、耐食性硬質相形成用の耐熱鋼組成のものとを分散
させたものとし、必要に応じて空孔内に鉛を含浸させて
なるものであるから、従来合金に比較して材料強度が優
れているだけでなくとくに高温での材料強度の低下が著
しく少ないために高温での材料強度がかなり高く、低温
から高温に至るまで優れた強度および耐摩耗性を示し、
とりわけ自動車エンジンの稼動条件が厳しい場合に弁座
素材として有用なものであるという著しく優れた効果が
もたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はNi−Mo−Co−Ｃ系合金鉄に添加するNi粉添加量
による耐摩耗性および強度への影響を調べた結果を示す
グラフ、第２図はNi−Mo−Co−Ｃ系合金鉄にNiを添加し
た基材中に添加する耐熱鋼粉の添加量および鉛溶浸の有
無による耐摩耗性および強度への影響を調べた結果を示
すグラフ、第３図は比較材と本発明材の高温における圧
環強さを示すグラフ、第４図はエンジン耐久試験による
比較材と本発明材からなる弁座の摩耗量を比較試験した
結果を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池ノ上 寛 千葉県松戸市常盤平３―26―３―102 (72)発明者 青木 徳眞 千葉県柏市南増尾727―25 (56)参考文献 特開 平１−152247（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−68447（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−251258（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】全体の組成が、重量比で、 C:0.48〜1.12％， Ni:3.3〜24.7％， Mo:0.2〜2.6％， Co:2.0〜6.4％， Si:0.17〜1.12％， Mn:0.02〜0.3％， Cr:1.9〜10.3％， および残部実質的にFeよりなり、 基地の組成が、同じく重量比で、 C:0.45〜1.14％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％， および残部実質的にFeよりなり、 且つベイナイト組織またはベイナイト組織とソルバイト
   組織の混合組織中にオーステナイト組織が分散した組織
   の基地中に、同じく重量比で、 C:0.75〜0.95％， Ni:1.15〜1.65％， Si:1.75〜2.25％， Mn:0.2〜0.6％， Cr:19.0〜20.5％， および残部実質的にFeよりなる硬質相が10〜50重量％分
   散した組織を呈していることを特徴とする高温耐摩耗性
   鉄系焼結合金。
2. 【請求項２】全体の組成が、重量比で、 C:0.48〜1.12％， Ni:3.3〜24.7％， Mo:0.2〜2.6％， Co:2.0〜6.4％， Si:0.17〜1.12％， Mn:0.02〜0.3％， Cr:1.9〜10.3％， および残部実質的にFeよりなり、 基地の組成が、同じく重量比で、 C:0.45〜1.14％， Ni:5.5〜27.2％， Mo:0.4〜2.8％， Co:4.1〜7.1％， および残部実質的にFeよりなり、 且つベイナイト組織またはベイナイト組織とソルバイト
   組織の混合組織中にオーステナイト組織が分散した組織
   の基地中に、同じく重量比で、 C:0.75〜0.95％， Ni:1.15〜1.65％， Si:1.75〜2.25％， Mn:0.2〜0.6％， Cr:19.0〜20.5％， および残部実質的にFeよりなる硬質相が10〜50重量％分
   散した組織を呈している合金であって、その空孔内に鉛
   が含浸されていることを特徴とする高温耐摩耗性鉄系焼
   結合金。