JP2777373B2 - 耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金 - Google Patents
耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金Info
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- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
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- F01L3/22—Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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Description
（産業上の利用分野） 本発明は、優れた耐熱性および高温での優れた耐摩耗
性が要求される商品の素材として利用され、例えば、内
燃機関のバルブシート，バルブフェース等に使用した場
合に優れた耐熱性，高温耐摩耗性を示すと共に相手部材
への攻撃性が小さく良好ななじみ性を発揮する耐熱耐摩
耗性鉄基焼結合金に関するものである。 （従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの
要求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が重視され
るようになりつつあり、特にバルブシートはエンジンの
高温燃焼化もあって、摺動特性，耐久性に対する要求は
かなり厳しいものとなっている。 一般に、バルブシートは高温にさらされるうえに、高
速でたたかれるため、優れた耐熱性，耐摩耗性，耐ピッ
ティング性を兼ね備えかつバルブ材との良好ななじみ性
をも合わせ持つことが要求される。 本発明者らは、前記の事実をかんがみて、特願昭61−
253616号明細書（特開昭63−109142号公報）において、
Feマトリクス組成中に微細でかつ十分な量の炭化物と微
細な硼化物および／または炭硼化物が均一に分散してお
りかつまたマトリクスにLa,Ce,Nd等の希土類元素が拡散
している内燃機関用耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金を開示し
た。 この先願の発明に係る合金では、所定の組織を得るた
めに、重量％で、MoおよびＷのうちから選ばれる１種ま
たは２種:7〜25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.
7％以下、P:0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:0.5〜2.0
％、La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scなどの希土類元素のう
ちから選ばれる１種または２種以上:0.1〜５％および／
またはLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scなどの希土類元素の
酸化物のうちから選ばれる１種または２種以上:0.3〜７
％、および必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niのうち
から選ばれる１種または２種以上:20％以下を含み、残
部Feおよび不純物からなることを特徴としているもので
ある。 （発明が解決しようとする課題） 上述した先願の発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金
では、耐熱性および耐摩耗性がかなり良好であり、相手
部材とのなじみ性にも著しく優れているという特長を有
しているが、この種の耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金におい
てその耐熱性および耐摩耗性をさらに向上させることが
課題としてあった。 （発明の目的） 本発明は上述した課題にかんがみてなされたもので、
この種の耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金においてその耐熱性
および耐摩耗性をさらに優れたものとすることを目的と
している。
性が要求される商品の素材として利用され、例えば、内
燃機関のバルブシート，バルブフェース等に使用した場
合に優れた耐熱性，高温耐摩耗性を示すと共に相手部材
への攻撃性が小さく良好ななじみ性を発揮する耐熱耐摩
耗性鉄基焼結合金に関するものである。 （従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの
要求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が重視され
るようになりつつあり、特にバルブシートはエンジンの
高温燃焼化もあって、摺動特性，耐久性に対する要求は
かなり厳しいものとなっている。 一般に、バルブシートは高温にさらされるうえに、高
速でたたかれるため、優れた耐熱性，耐摩耗性，耐ピッ
ティング性を兼ね備えかつバルブ材との良好ななじみ性
をも合わせ持つことが要求される。 本発明者らは、前記の事実をかんがみて、特願昭61−
253616号明細書（特開昭63−109142号公報）において、
Feマトリクス組成中に微細でかつ十分な量の炭化物と微
細な硼化物および／または炭硼化物が均一に分散してお
りかつまたマトリクスにLa,Ce,Nd等の希土類元素が拡散
している内燃機関用耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金を開示し
た。 この先願の発明に係る合金では、所定の組織を得るた
めに、重量％で、MoおよびＷのうちから選ばれる１種ま
たは２種:7〜25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.
7％以下、P:0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:0.5〜2.0
％、La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scなどの希土類元素のう
ちから選ばれる１種または２種以上:0.1〜５％および／
またはLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scなどの希土類元素の
酸化物のうちから選ばれる１種または２種以上:0.3〜７
％、および必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niのうち
から選ばれる１種または２種以上:20％以下を含み、残
部Feおよび不純物からなることを特徴としているもので
ある。 （発明が解決しようとする課題） 上述した先願の発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金
では、耐熱性および耐摩耗性がかなり良好であり、相手
部材とのなじみ性にも著しく優れているという特長を有
しているが、この種の耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金におい
てその耐熱性および耐摩耗性をさらに向上させることが
課題としてあった。 （発明の目的） 本発明は上述した課題にかんがみてなされたもので、
この種の耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金においてその耐熱性
および耐摩耗性をさらに優れたものとすることを目的と
している。
（課題を解決するための手段） 本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金は、重量％
で、MoおよびＷのうちから選ばれる１種または２種:5〜
25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:
0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:0.5〜2.0％、La,Ce,Nd,S
m,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物のうちから選ばれる１種また
は２種以上の希土類の硼化物の合計:0.1〜7.0％を含
み、必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niのうちから選
ばれる１種または２種以上:20％以下を含み、残部Feお
よび不純物からなり、マトリクス中に希土類の硼化物が
分散していることを特徴としており、このような合金組
成を上述した従来の課題を解決するための手段としたも
のである。 本発明者らは、上記の合金組成をもつ耐熱耐摩耗性鉄
基焼結合金において、とくにマトリクス組成中に微細で
かつ十分な量の炭化物と微細な硼化物および／または炭
硼化物が均一に分散しており、かつその硼化物の一部と
してLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物を含む材料
が、優れた耐熱性と共に良好な耐摩耗性を示し、とりわ
けLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物が六硼化物であ
るものがより特性が良いことを見い出し、たとえば内燃
機関のバルブシートおよびバルブフェース等に使用した
場合に優れた耐熱性と共に良好なる耐摩耗性を発揮する
という知見を得た。 本発明は、このような知見に基づいてなされたもので
あり、以下に本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金の
成分組成（重量％）を上記の通りに限定した理由を説明
する。 MoおよびW: MoおよびＷは成分中のFeやCrとともにＣとＢと結合し
て複炭化物や複硼化物あるいは複炭硼化物を形成して耐
摩耗性を与え、一部はマトリクス中に固溶してマトリク
スを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用がある
が、５％未満では所望の効果が得られずに耐摩耗性不足
となり、25％を超えて含有させてもより一層の改善効果
は認められず、経済的でないことから、その含有量をMo
およびＷのうちから選ばれる１種または２種の合計で５
〜25％と定めた。 Cr: CrはMo,W等とともに複炭化物や複硼化物を形成して耐
摩耗性を向上させると同時に、マトリクス中に固溶して
焼入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果を有
するとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、２％
未満ではその効果が十分に認められず、10％を超えて含
有させてもより一層の改善効果がないばかりでなく、機
械的強度が低下して相手部材への攻撃性が増大してしま
うことから、その含有量を２〜10％と定めた。 Si: Siは0.1％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉末
中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するとともに
M2C系の粗大な板状の炭化物が析出しやすくなり、相手
部材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が0.9％を
超えても脱酸効果の向上もなく、粉末が丸くなってしま
い、成形性が低下するだけであることから、その含有量
を0.1〜0.9％と定めた。 Mn: Mnは前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加す
ることにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向上
させるが、0.7％を超えると粉末の形状が丸くなって粉
末の成形性が低下することにより成形体エッジ部の欠け
等が生じやすくなることから、添加するとしてもその含
有量を0.7％以下と定めた。 P: Ｐは耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素と
して一般に0.2〜0.8％程度添加する手法が広く用いられ
ているが、本発明に係る焼結合金の場合はＰの添加量が
0.05％を超えた場合に、複硼化物あるいは複炭硼化物が
粗大化して相手部材とのなじみ性が低下するとともに、
粒界に複硼化物あるいは複炭硼化物がネットワーク状に
析出して強度が低下してしまうことにより、特に高面圧
がかかった場合の耐ピッティング特性も低下してしまう
ことから、その含有量を0.05％以下と定めた。 C: Ｃはその一部がMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成元素と結
合して複炭化物を形成して耐摩耗性を向上させ、残りは
マトリクス中に固溶して高い室温硬さと強度を与える作
用を有するが、0.5％未満ではその効果が十分に認めら
れず、2.0％を超えると複炭化物の析出量増加と粗大化
が起り、相手部材とのなじみ性が低下することから、そ
の含有量を0.5〜2.0％と定めた。 このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したFe−Mo
−Ｗ−Cr−Si−（Ｖ）−（Mn）−（Co）−Ｃ系アトマイ
ズ合金粉末の形で添加する必要がある。これはＣを単独
にグラファイト粉末の形で添加すると、後述するＢ源と
して添加するFe−ＢあるいはFe−Cr−Ｂと結びついて焼
結時に粗大な炭硼化物を粒界に沿ってネットワーク状に
析出させ、相手部材への攻撃性を増大してしまうためで
ある。 B: Ｂは成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成
し、優れた耐摩耗性と耐熱性を付与するとともに、一部
はマトリクス中に固溶して焼入性を改善する。また、Ｂ
はLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物とマトリクスと
のぬれ性を向上させ、マトリクスの粒界を強化させる働
きがある。さらに、上記複硼化物および／または希土類
の硼化物の一部はＣとも結びついて炭硼化物を形成して
耐熱性および耐摩耗性を向上させる。 このように、Ｂは本発明合金の必須の成分のひとつで
あるが、0.5％未満の添加ではその効果が十分に認めら
れず、2.0％を超えてもより一層の改善効果が得られ
ず、かえって複硼化物の粗大化が起り、相手部材とのな
じみ性が低下することから、その含有量を0.5〜2.0％と
定めた。 La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物： La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物は、硬度が高
く、高温安定性にも優れ、本発明合金では分散粒子とし
て働き、本発明合金の耐熱性および耐摩耗性をささえて
いる。また、一部は焼結時に分散して希土類元素がマト
リクスに拡散し、温度上昇に伴い表面に濃化してFe,Cr
等と共に耐熱性の良い酸化被膜をつくる。さらに、これ
らの硼化物は焼結時に助剤となって活性化して焼結源と
なったり、結晶粒の粗大化を防止したり、炭化物の粗大
化を防止する作用もある。特に、これら希土類の硼化物
のうち硼素が六つ化合した六硼化物は高温安定性が強
く、耐熱性向上のための分散粒子としての作用は大き
い。しかし、これらの硼化物はその合計量が0.1％未満
では所望の効果が十分に得られず、7.0％を超えて含有
させてもより一層の効果は認められず、経済的でないこ
とから、上記硼化物のうちから選ばれる１種または２種
以上の合計で0.1〜7.0％の範囲とした。 これらの希土類の硼化物は、Fe−Mo−Ｗ−Cr−（Ｖ）
−Si−（Mn）−（Co）−希土類硼化物−Ｃ系アトマイズ
合金の形でマトリクス粉中に含有させても良いし、ま
た、硼化物粉末として別に添加しても良い。 V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Ni: これらの元素は耐摩耗性や耐腐食摩耗性をさらに向上
させるのに有効な元素である。 （V,Nb,Ta） V,Nb,TaはFe,CrとともにＣと結合してきわめて硬い複
炭化物を作るとともに、Mo,Wの一部と置換した形の複炭
化物や複硼化物を形成して耐摩耗性を与え、一部はマト
リクス中に固溶してマトリクスを強化するとともに、焼
戻し硬化能を高める作用がある。また、V,Nb,Taは焼結
時の結晶粒の粗大化を防止するとともに炭化物の粗大化
を防止する効果もある。これらの効果は、V,Nb,Taが0.5
％未満の場合ではあまり認められず、一方、8.0％を超
えて添加しても一層の改善効果は認められず、経済的で
ないことから、添加するとしてもその含有量を0.5〜8.0
％とするのが良い。 （Ti,Zr,Hf,Co） Ti,Zr,Hf,Coは硼化物形成元素であり、これらのTi,Z
r,Hf,Co等を必要に応じて12％以下の範囲で添加しても
良い。特にCoはMo,Wなどの一部と置換して複硼化物を形
成するだけでなく、マトリクス中に固溶して高温の硬さ
を向上させるため、高温での耐摩耗性が特に必要な場合
は添加することが望ましい。 （Ni） Niをを添加するとマトリクスの靱性が向上するだけで
なく、耐食性も向上するので、ディーゼルエンジンのバ
ルブシートのように高温腐食摩耗が厳しい部品への適用
には特に効果がある。 しかし、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niは添加量が多くなり
すぎると相手部材に対する攻撃性が増大し、かつまた経
済性を考慮して、これらの合計で20％以下とする。 （実施例） 以下、本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金の実施
例を比較例と対比しながら説明する。 実施例合金１〜7,比較例合金１〜５ 原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−100メッシ
ュのFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ−希土類硼化物系アトマイ
ズ合金粉末（必要に応じ、V,Nb,Ta,Coも添加），−325
メッシュのFe−Mo粉末あるいは純Mo粉末，−325メッシ
ュのFe−Ｗ粉末あるいは純Ｗ粉末，−250メッシュのFe
−Ｂ合金粉末（B:20％含有），−250メッシュのFe−26
％Ｐ合金粉末，−250メッシュのフェロチタン，フェロ
ジルコニウム，フェロハフニウム各合金粉末，−325メ
ッシュのカーボニルNi粉末等を使用し、これらの粉末を
第１表に示す最終成分組成となるように適宜配合し、潤
滑剤としてステアリン酸亜鉛を加えて混合し、この混合
粉末を7tonf/cm2の圧力で加圧して圧粉体を成形し、次
いでこの圧粉体を真空中で1150〜1260℃の温度にて60分
間保持して焼結した後、熱処理を行って本発明実施例合
金１〜７および比較例合金１〜５を製造した。 実施例合金８〜12,比較例合金６〜10 原料粉末として、真空焼純を施した粒度−100メッシ
ュのFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマイズ合金粉末（必
要に応じ、V,Nb,Ta,Coも添加），−250メッシュのLa,C
e,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物の粉末、−325メッシュ
のFe−Mo粉末あるいは純Mo粉末，−325メッシュのFe−
Ｗ粉末あるいは純Ｗ粉末，−250メッシュのFe−Ｂ合金
粉末（B:15％含有），−250メッシュのFe−26％Ｐ合金
粉末，−250メッシュのフェロチタン，フェロジルコニ
ウム，フェロハフニウム各合金粉末，−325メッシュの
カーボニルNi粉末等を使用し、これらの粉末を第１表に
示す最終成分組成となるように適宜配合し、潤滑剤とし
てステアリン酸亜鉛を加えて混合し、この混合粉末を7t
onf/cm2の圧力で加圧して圧粉体を成形し、次いでこの
圧粉体を真空中で1150〜1260℃の温度にて60分間保持し
て焼結した後、熱処理を行って本発明実施例合金８〜12
および比較例合金６〜10を製造した。 〈摩耗試験〉 ついで、上記の本発明実施例合金１〜12および比較例
合金１〜10をバルブシート形状に加工し、実機を模した
バルブ・バルブシート試験機を用いて摩耗試験を行っ
た。この試験機は、自動温度調整を行いながらプロパン
ガスの燃焼によってバルブおよびバルブシートを加熱
し、偏心カムの駆動によりバルブを開閉してバルブおよ
びバルブシートのたたき摩耗状況を再現するものであ
る。試験条件は第２表に示す通りである。 試験後にバルブシートおよびバルブの摩耗深さを測定
した。これらの測定結果を第１表に合わせて示した。 第１表に示した結果より明らかなように、試験は高温
で行われ、摩耗条件が苛酷なため、比較例合金１〜10の
ように成分組成の範囲が本発明合金からはずれた合金で
製造されたバルブシートでは、バルブシート自身および
相手部材であるバルブの摩耗が多く、また一部ではバル
ブシートにピッティングが発生しており、満足のできる
特性を示していない。 これに対して本発明実施例合金１〜12で製造したバル
ブシートでは、バルブシート自身および相手部材である
バルブの摩耗が少なく、バルブシートにはピッティング
が発生していなかった。そして、特に希土類の硼化物と
して六硼化物を含んだものは特性がより一層優れている
ことが確かめられた。
で、MoおよびＷのうちから選ばれる１種または２種:5〜
25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:
0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:0.5〜2.0％、La,Ce,Nd,S
m,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物のうちから選ばれる１種また
は２種以上の希土類の硼化物の合計:0.1〜7.0％を含
み、必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niのうちから選
ばれる１種または２種以上:20％以下を含み、残部Feお
よび不純物からなり、マトリクス中に希土類の硼化物が
分散していることを特徴としており、このような合金組
成を上述した従来の課題を解決するための手段としたも
のである。 本発明者らは、上記の合金組成をもつ耐熱耐摩耗性鉄
基焼結合金において、とくにマトリクス組成中に微細で
かつ十分な量の炭化物と微細な硼化物および／または炭
硼化物が均一に分散しており、かつその硼化物の一部と
してLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物を含む材料
が、優れた耐熱性と共に良好な耐摩耗性を示し、とりわ
けLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物が六硼化物であ
るものがより特性が良いことを見い出し、たとえば内燃
機関のバルブシートおよびバルブフェース等に使用した
場合に優れた耐熱性と共に良好なる耐摩耗性を発揮する
という知見を得た。 本発明は、このような知見に基づいてなされたもので
あり、以下に本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金の
成分組成（重量％）を上記の通りに限定した理由を説明
する。 MoおよびW: MoおよびＷは成分中のFeやCrとともにＣとＢと結合し
て複炭化物や複硼化物あるいは複炭硼化物を形成して耐
摩耗性を与え、一部はマトリクス中に固溶してマトリク
スを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用がある
が、５％未満では所望の効果が得られずに耐摩耗性不足
となり、25％を超えて含有させてもより一層の改善効果
は認められず、経済的でないことから、その含有量をMo
およびＷのうちから選ばれる１種または２種の合計で５
〜25％と定めた。 Cr: CrはMo,W等とともに複炭化物や複硼化物を形成して耐
摩耗性を向上させると同時に、マトリクス中に固溶して
焼入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果を有
するとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、２％
未満ではその効果が十分に認められず、10％を超えて含
有させてもより一層の改善効果がないばかりでなく、機
械的強度が低下して相手部材への攻撃性が増大してしま
うことから、その含有量を２〜10％と定めた。 Si: Siは0.1％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉末
中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するとともに
M2C系の粗大な板状の炭化物が析出しやすくなり、相手
部材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が0.9％を
超えても脱酸効果の向上もなく、粉末が丸くなってしま
い、成形性が低下するだけであることから、その含有量
を0.1〜0.9％と定めた。 Mn: Mnは前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加す
ることにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向上
させるが、0.7％を超えると粉末の形状が丸くなって粉
末の成形性が低下することにより成形体エッジ部の欠け
等が生じやすくなることから、添加するとしてもその含
有量を0.7％以下と定めた。 P: Ｐは耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素と
して一般に0.2〜0.8％程度添加する手法が広く用いられ
ているが、本発明に係る焼結合金の場合はＰの添加量が
0.05％を超えた場合に、複硼化物あるいは複炭硼化物が
粗大化して相手部材とのなじみ性が低下するとともに、
粒界に複硼化物あるいは複炭硼化物がネットワーク状に
析出して強度が低下してしまうことにより、特に高面圧
がかかった場合の耐ピッティング特性も低下してしまう
ことから、その含有量を0.05％以下と定めた。 C: Ｃはその一部がMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成元素と結
合して複炭化物を形成して耐摩耗性を向上させ、残りは
マトリクス中に固溶して高い室温硬さと強度を与える作
用を有するが、0.5％未満ではその効果が十分に認めら
れず、2.0％を超えると複炭化物の析出量増加と粗大化
が起り、相手部材とのなじみ性が低下することから、そ
の含有量を0.5〜2.0％と定めた。 このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したFe−Mo
−Ｗ−Cr−Si−（Ｖ）−（Mn）−（Co）−Ｃ系アトマイ
ズ合金粉末の形で添加する必要がある。これはＣを単独
にグラファイト粉末の形で添加すると、後述するＢ源と
して添加するFe−ＢあるいはFe−Cr−Ｂと結びついて焼
結時に粗大な炭硼化物を粒界に沿ってネットワーク状に
析出させ、相手部材への攻撃性を増大してしまうためで
ある。 B: Ｂは成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成
し、優れた耐摩耗性と耐熱性を付与するとともに、一部
はマトリクス中に固溶して焼入性を改善する。また、Ｂ
はLa,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物とマトリクスと
のぬれ性を向上させ、マトリクスの粒界を強化させる働
きがある。さらに、上記複硼化物および／または希土類
の硼化物の一部はＣとも結びついて炭硼化物を形成して
耐熱性および耐摩耗性を向上させる。 このように、Ｂは本発明合金の必須の成分のひとつで
あるが、0.5％未満の添加ではその効果が十分に認めら
れず、2.0％を超えてもより一層の改善効果が得られ
ず、かえって複硼化物の粗大化が起り、相手部材とのな
じみ性が低下することから、その含有量を0.5〜2.0％と
定めた。 La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物： La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物は、硬度が高
く、高温安定性にも優れ、本発明合金では分散粒子とし
て働き、本発明合金の耐熱性および耐摩耗性をささえて
いる。また、一部は焼結時に分散して希土類元素がマト
リクスに拡散し、温度上昇に伴い表面に濃化してFe,Cr
等と共に耐熱性の良い酸化被膜をつくる。さらに、これ
らの硼化物は焼結時に助剤となって活性化して焼結源と
なったり、結晶粒の粗大化を防止したり、炭化物の粗大
化を防止する作用もある。特に、これら希土類の硼化物
のうち硼素が六つ化合した六硼化物は高温安定性が強
く、耐熱性向上のための分散粒子としての作用は大き
い。しかし、これらの硼化物はその合計量が0.1％未満
では所望の効果が十分に得られず、7.0％を超えて含有
させてもより一層の効果は認められず、経済的でないこ
とから、上記硼化物のうちから選ばれる１種または２種
以上の合計で0.1〜7.0％の範囲とした。 これらの希土類の硼化物は、Fe−Mo−Ｗ−Cr−（Ｖ）
−Si−（Mn）−（Co）−希土類硼化物−Ｃ系アトマイズ
合金の形でマトリクス粉中に含有させても良いし、ま
た、硼化物粉末として別に添加しても良い。 V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Ni: これらの元素は耐摩耗性や耐腐食摩耗性をさらに向上
させるのに有効な元素である。 （V,Nb,Ta） V,Nb,TaはFe,CrとともにＣと結合してきわめて硬い複
炭化物を作るとともに、Mo,Wの一部と置換した形の複炭
化物や複硼化物を形成して耐摩耗性を与え、一部はマト
リクス中に固溶してマトリクスを強化するとともに、焼
戻し硬化能を高める作用がある。また、V,Nb,Taは焼結
時の結晶粒の粗大化を防止するとともに炭化物の粗大化
を防止する効果もある。これらの効果は、V,Nb,Taが0.5
％未満の場合ではあまり認められず、一方、8.0％を超
えて添加しても一層の改善効果は認められず、経済的で
ないことから、添加するとしてもその含有量を0.5〜8.0
％とするのが良い。 （Ti,Zr,Hf,Co） Ti,Zr,Hf,Coは硼化物形成元素であり、これらのTi,Z
r,Hf,Co等を必要に応じて12％以下の範囲で添加しても
良い。特にCoはMo,Wなどの一部と置換して複硼化物を形
成するだけでなく、マトリクス中に固溶して高温の硬さ
を向上させるため、高温での耐摩耗性が特に必要な場合
は添加することが望ましい。 （Ni） Niをを添加するとマトリクスの靱性が向上するだけで
なく、耐食性も向上するので、ディーゼルエンジンのバ
ルブシートのように高温腐食摩耗が厳しい部品への適用
には特に効果がある。 しかし、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niは添加量が多くなり
すぎると相手部材に対する攻撃性が増大し、かつまた経
済性を考慮して、これらの合計で20％以下とする。 （実施例） 以下、本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金の実施
例を比較例と対比しながら説明する。 実施例合金１〜7,比較例合金１〜５ 原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−100メッシ
ュのFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ−希土類硼化物系アトマイ
ズ合金粉末（必要に応じ、V,Nb,Ta,Coも添加），−325
メッシュのFe−Mo粉末あるいは純Mo粉末，−325メッシ
ュのFe−Ｗ粉末あるいは純Ｗ粉末，−250メッシュのFe
−Ｂ合金粉末（B:20％含有），−250メッシュのFe−26
％Ｐ合金粉末，−250メッシュのフェロチタン，フェロ
ジルコニウム，フェロハフニウム各合金粉末，−325メ
ッシュのカーボニルNi粉末等を使用し、これらの粉末を
第１表に示す最終成分組成となるように適宜配合し、潤
滑剤としてステアリン酸亜鉛を加えて混合し、この混合
粉末を7tonf/cm2の圧力で加圧して圧粉体を成形し、次
いでこの圧粉体を真空中で1150〜1260℃の温度にて60分
間保持して焼結した後、熱処理を行って本発明実施例合
金１〜７および比較例合金１〜５を製造した。 実施例合金８〜12,比較例合金６〜10 原料粉末として、真空焼純を施した粒度−100メッシ
ュのFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマイズ合金粉末（必
要に応じ、V,Nb,Ta,Coも添加），−250メッシュのLa,C
e,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物の粉末、−325メッシュ
のFe−Mo粉末あるいは純Mo粉末，−325メッシュのFe−
Ｗ粉末あるいは純Ｗ粉末，−250メッシュのFe−Ｂ合金
粉末（B:15％含有），−250メッシュのFe−26％Ｐ合金
粉末，−250メッシュのフェロチタン，フェロジルコニ
ウム，フェロハフニウム各合金粉末，−325メッシュの
カーボニルNi粉末等を使用し、これらの粉末を第１表に
示す最終成分組成となるように適宜配合し、潤滑剤とし
てステアリン酸亜鉛を加えて混合し、この混合粉末を7t
onf/cm2の圧力で加圧して圧粉体を成形し、次いでこの
圧粉体を真空中で1150〜1260℃の温度にて60分間保持し
て焼結した後、熱処理を行って本発明実施例合金８〜12
および比較例合金６〜10を製造した。 〈摩耗試験〉 ついで、上記の本発明実施例合金１〜12および比較例
合金１〜10をバルブシート形状に加工し、実機を模した
バルブ・バルブシート試験機を用いて摩耗試験を行っ
た。この試験機は、自動温度調整を行いながらプロパン
ガスの燃焼によってバルブおよびバルブシートを加熱
し、偏心カムの駆動によりバルブを開閉してバルブおよ
びバルブシートのたたき摩耗状況を再現するものであ
る。試験条件は第２表に示す通りである。 試験後にバルブシートおよびバルブの摩耗深さを測定
した。これらの測定結果を第１表に合わせて示した。 第１表に示した結果より明らかなように、試験は高温
で行われ、摩耗条件が苛酷なため、比較例合金１〜10の
ように成分組成の範囲が本発明合金からはずれた合金で
製造されたバルブシートでは、バルブシート自身および
相手部材であるバルブの摩耗が多く、また一部ではバル
ブシートにピッティングが発生しており、満足のできる
特性を示していない。 これに対して本発明実施例合金１〜12で製造したバル
ブシートでは、バルブシート自身および相手部材である
バルブの摩耗が少なく、バルブシートにはピッティング
が発生していなかった。そして、特に希土類の硼化物と
して六硼化物を含んだものは特性がより一層優れている
ことが確かめられた。
以上説明してきたように、本発明に係る耐熱耐摩耗性
鉄基焼結合金は、重量％で、MoおよびＷのうちから選ば
れる１種または２種:5〜25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.
9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:
0.5〜2.0％、La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物のう
ちから選ばれる１種または２種以上の希土類の硼化物の
合計:0.1〜7.0％、必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,N
iのうちから選ばれる１種または２種以上:20％以下を含
み、より望ましくは希土類硼化物の一部または全部が六
硼化物からなるものであり、残部Feおよび不純物からな
っていて、マトリクス中に希土類の硼化物が分散してい
るものであるため、マトリクス中に硬質粒子としてFe,M
o,W,Cr,V等の微細な複炭化物と複硼化物および／または
複炭硼化物とが均一に分散しており、かつまたマトリク
ス中に高硬度でかつ高温安定化合物である希土類の硼化
物が分散したものであり、さらには硼化物を特に高温安
定性の優れた硼化物とすることができ、希土類による活
性化焼結によって密度を上げることも可能であることか
ら、本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金を例えばか
なり高温となる内燃機関のバルブシート等の素材として
使用した場合に、希土類硼化物，複硼化物等により得ら
れる著しく優れた耐熱性およびこれら化合物による著し
く優れた耐摩耗性を示し、かつまた、これらの化合物は
摺動の際の相手部材に対する攻撃性も小さいため、相手
部材との間で著しく優れたなじみ性を示し、相手部材の
摩耗を少なくさせることができるなど、工業上極めて有
益な特性を有するものである。
鉄基焼結合金は、重量％で、MoおよびＷのうちから選ば
れる１種または２種:5〜25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.
9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:
0.5〜2.0％、La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物のう
ちから選ばれる１種または２種以上の希土類の硼化物の
合計:0.1〜7.0％、必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,N
iのうちから選ばれる１種または２種以上:20％以下を含
み、より望ましくは希土類硼化物の一部または全部が六
硼化物からなるものであり、残部Feおよび不純物からな
っていて、マトリクス中に希土類の硼化物が分散してい
るものであるため、マトリクス中に硬質粒子としてFe,M
o,W,Cr,V等の微細な複炭化物と複硼化物および／または
複炭硼化物とが均一に分散しており、かつまたマトリク
ス中に高硬度でかつ高温安定化合物である希土類の硼化
物が分散したものであり、さらには硼化物を特に高温安
定性の優れた硼化物とすることができ、希土類による活
性化焼結によって密度を上げることも可能であることか
ら、本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金を例えばか
なり高温となる内燃機関のバルブシート等の素材として
使用した場合に、希土類硼化物，複硼化物等により得ら
れる著しく優れた耐熱性およびこれら化合物による著し
く優れた耐摩耗性を示し、かつまた、これらの化合物は
摺動の際の相手部材に対する攻撃性も小さいため、相手
部材との間で著しく優れたなじみ性を示し、相手部材の
摩耗を少なくさせることができるなど、工業上極めて有
益な特性を有するものである。
───────────────────────────────────────────────────── 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 鈴木 啓太郎 千葉県我孫子市湖北台７―14―57―303 (56)参考文献 特開 昭63−109142（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−117320（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−200743（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22C 38/00 304
Claims (2)
- 【請求項１】重量％で、MoおよびＷのうちから選ばれる
１種または２種:5〜25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.9
％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:0.
5〜2.0％、La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物のうち
から選ばれる１種または２種以上の希土類の硼化物の合
計:0.1〜7.0％を含み、残部Feおよび不純物からなり、
マトリクス中に希土類の硼化物が分散していることを特
徴とする耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金。 - 【請求項２】重量％で、MoおよびＷのうちから選ばれる
１種または２種:5〜25％、Cr:2〜10％、Si:0.1〜0.9
％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.5〜2.0％、B:0.
5〜2.0％、La,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Yb,Y,Scの硼化物のうち
から選ばれる１種または２種以上の希土類の硼化物の合
計:0.1〜7.0％、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niのうちから選
ばれる１種または２種以上:20％以下を含み、残部Feお
よび不純物からなり、マトリクス中に希土類の硼化物が
分散していることを特徴とする耐熱耐摩耗性鉄基焼結合
金。
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1989
- 1989-06-28 US US07/373,053 patent/US4966626A/en not_active Expired - Fee Related
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