JP3327663B2 - 高温耐摩耗性焼結合金 - Google Patents
高温耐摩耗性焼結合金Info
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- Y10T428/12014—All metal or with adjacent metals having metal particles
- Y10T428/12028—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, etc.]
- Y10T428/12042—Porous component
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被削性を損うことなく
高温での優れた耐熱性、自己潤滑性、耐摩耗性を有し、
無鉛ガソリンをはじめ高有鉛ガソリンにも使用できる内
燃機関のバルブシート用材料に好適な高温耐摩耗性焼結
合金に関する。
高温での優れた耐熱性、自己潤滑性、耐摩耗性を有し、
無鉛ガソリンをはじめ高有鉛ガソリンにも使用できる内
燃機関のバルブシート用材料に好適な高温耐摩耗性焼結
合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車をはじめとする内燃機関の燃料と
しては、日本、米国、欧州では無鉛ガソリンが主流であ
るが、それ以外の諸外国（例えば中近東地区）などは、
依然として有鉛ガソリンを使用している地区が多く、使
用地域の内燃機関の事情により、無鉛ガソリン用と有鉛
ガソリン用のバルブシート材料をそれぞれ使い分けてい
るのが実状である。
しては、日本、米国、欧州では無鉛ガソリンが主流であ
るが、それ以外の諸外国（例えば中近東地区）などは、
依然として有鉛ガソリンを使用している地区が多く、使
用地域の内燃機関の事情により、無鉛ガソリン用と有鉛
ガソリン用のバルブシート材料をそれぞれ使い分けてい
るのが実状である。
【０００３】一方、内燃機関の高性能化は目覚ましく、
特に高出力化に伴いバルブならびにバルブシートに対す
る環境も厳しくなってきており、より一層の強度と耐摩
耗性が必要となってきている。
特に高出力化に伴いバルブならびにバルブシートに対す
る環境も厳しくなってきており、より一層の強度と耐摩
耗性が必要となってきている。
【０００４】そこで、本出願人も内燃機関の動弁機構を
構成する各部材を見直し、バルブシートに関して、例え
ば、特公平５−５５５９３号、特願平４−８５６２６号
等の新しい材料を提示してきた。
構成する各部材を見直し、バルブシートに関して、例え
ば、特公平５−５５５９３号、特願平４−８５６２６号
等の新しい材料を提示してきた。
【０００５】特公平５−５５５９３号においては、耐熱
性に優れた合金、すなわち、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｍ
ｏ：０．３〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５％、Ｃ：０．
６〜１．２％、およびＦｅ残部なる基地中に、耐摩耗性
を向上させるＭｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓ
ｉ：１．５〜２．５％、およびＣｏ残部なる金属間化合
物硬質相が５〜２５％分散した組織を呈する焼結合金
を、また、それに固体潤滑作用を有するＰｂを溶浸した
材料を提示した。
性に優れた合金、すなわち、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｍ
ｏ：０．３〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５％、Ｃ：０．
６〜１．２％、およびＦｅ残部なる基地中に、耐摩耗性
を向上させるＭｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓ
ｉ：１．５〜２．５％、およびＣｏ残部なる金属間化合
物硬質相が５〜２５％分散した組織を呈する焼結合金
を、また、それに固体潤滑作用を有するＰｂを溶浸した
材料を提示した。
【０００６】前者は、厳しい高温の使用環境下における
内燃機関用、あるいは、腐蝕摩耗を促進する環境である
有鉛ガソリン用内燃機関用として、また、Ｐｂを溶浸し
た後者は、比較的低温環境下の内燃機関用あるいは無鉛
ガソリン用（国内使用の大部分）として提示した。
内燃機関用、あるいは、腐蝕摩耗を促進する環境である
有鉛ガソリン用内燃機関用として、また、Ｐｂを溶浸し
た後者は、比較的低温環境下の内燃機関用あるいは無鉛
ガソリン用（国内使用の大部分）として提示した。
【０００７】しかし、実際には被削性に優れる方が内燃
機関の製造上都合が良いこと、従来の内燃機関の環境温
度がそれほど高くなく、有鉛ガソリン仕様においても耐
摩耗性能を充分満足できることから、Ｐｂを溶浸した材
料の使用が主流を占めていた。
機関の製造上都合が良いこと、従来の内燃機関の環境温
度がそれほど高くなく、有鉛ガソリン仕様においても耐
摩耗性能を充分満足できることから、Ｐｂを溶浸した材
料の使用が主流を占めていた。
【０００８】また、特願平４−８５６２６号において
は、耐摩耗性の改善を材料の強度向上の観点から見直
し、特公平５−５５５９３号による合金基地をそのまま
継承し、その合金組織中に点在する繊維状気孔を、液相
発生元素であるＣｕを１〜５％添加することにより消失
させ、材料の強度向上を図り、さらに耐摩耗性を改善す
ることに成功した。
は、耐摩耗性の改善を材料の強度向上の観点から見直
し、特公平５−５５５９３号による合金基地をそのまま
継承し、その合金組織中に点在する繊維状気孔を、液相
発生元素であるＣｕを１〜５％添加することにより消失
させ、材料の強度向上を図り、さらに耐摩耗性を改善す
ることに成功した。
【０００９】さらに、この合金においては、Ｐｂが溶融
するような高温環境下においては、従来の気孔中へのＰ
ｂ溶浸では固体潤滑効果が少ないばかりか、気孔のエッ
ジを起点とするクラックの原因になっていることがわか
り、それまでのＰｂ溶浸法から２％以下のＰｂ添加の形
に変更した。
するような高温環境下においては、従来の気孔中へのＰ
ｂ溶浸では固体潤滑効果が少ないばかりか、気孔のエッ
ジを起点とするクラックの原因になっていることがわか
り、それまでのＰｂ溶浸法から２％以下のＰｂ添加の形
に変更した。
【００１０】そして、この焼結合金は従来にない優れた
耐摩耗性と被削性を有していたが、その後も続く内燃機
関の改良と、なおも残る高有鉛ガソリン地区において
は、その耐摩耗性も充分とは言えなくなっており、長寿
命化の要望もあいまって、さらに改善の必要が生じた。
耐摩耗性と被削性を有していたが、その後も続く内燃機
関の改良と、なおも残る高有鉛ガソリン地区において
は、その耐摩耗性も充分とは言えなくなっており、長寿
命化の要望もあいまって、さらに改善の必要が生じた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】近年の内燃機関の高性
能化は、内燃機関を構成する部品にとってますます厳し
い環境になっている。
能化は、内燃機関を構成する部品にとってますます厳し
い環境になっている。
【００１２】例えば、高出力化とともに排気ガスの清浄
化と燃費の向上を狙った稀薄燃焼化（リーンバーン）等
により、内燃機関の燃焼温度は一層の上昇傾向を示し、
バルブシートについても、Ｐｂの融点以上になる場合な
ど、従来までのＰｂ溶浸材の目的であるＰｂの固体潤滑
作用が発揮できないような、高温、腐蝕などの環境下で
耐摩耗性と耐久信頼性をさらに向上させる必要性があ
る。
化と燃費の向上を狙った稀薄燃焼化（リーンバーン）等
により、内燃機関の燃焼温度は一層の上昇傾向を示し、
バルブシートについても、Ｐｂの融点以上になる場合な
ど、従来までのＰｂ溶浸材の目的であるＰｂの固体潤滑
作用が発揮できないような、高温、腐蝕などの環境下で
耐摩耗性と耐久信頼性をさらに向上させる必要性があ
る。
【００１３】また、高温環境下の高性能内燃機関で、有
鉛ガソリンを燃料とした地区では、酸化鉛のみならず、
有鉛ガソリン中に含まれる掃鉛剤（鉛成分を排気ガス中
に効果的に排出することを助ける成分）および鉛化合物
（硫酸塩、臭化塩、塩化塩など）のバルブおよびバルブ
シートへの付着による腐蝕摩耗が生じ、極端な耐久性の
低下を示す傾向が見られ、特にＰｂ溶浸を行なった材料
では、気孔内のＰｂが腐蝕を進行させたり、従来以上の
高温になることにより膨脹し、Ｐｂが溶浸されている気
孔のエッジを起点としてクラックを発生させたり、基地
を圧迫してバルブシート面に剥離を伴う摩耗を生じさせ
るという現象が生じている。
鉛ガソリンを燃料とした地区では、酸化鉛のみならず、
有鉛ガソリン中に含まれる掃鉛剤（鉛成分を排気ガス中
に効果的に排出することを助ける成分）および鉛化合物
（硫酸塩、臭化塩、塩化塩など）のバルブおよびバルブ
シートへの付着による腐蝕摩耗が生じ、極端な耐久性の
低下を示す傾向が見られ、特にＰｂ溶浸を行なった材料
では、気孔内のＰｂが腐蝕を進行させたり、従来以上の
高温になることにより膨脹し、Ｐｂが溶浸されている気
孔のエッジを起点としてクラックを発生させたり、基地
を圧迫してバルブシート面に剥離を伴う摩耗を生じさせ
るという現象が生じている。
【００１４】一方、内燃機関の製造および生産の視点か
ら言えば、バルブシート材料には優れた被削性が要求さ
れるが、高温用あるいは有鉛ガソリン用のような気孔中
のＰｂがかえって摩耗を促進させる環境に用いる場合に
は、材料の気孔へのＰｂ溶浸が行なえず、被削性を改善
する成分であるＰｂが全く含まれないため、被削性が極
めて低下するという問題がある。
ら言えば、バルブシート材料には優れた被削性が要求さ
れるが、高温用あるいは有鉛ガソリン用のような気孔中
のＰｂがかえって摩耗を促進させる環境に用いる場合に
は、材料の気孔へのＰｂ溶浸が行なえず、被削性を改善
する成分であるＰｂが全く含まれないため、被削性が極
めて低下するという問題がある。
【００１５】このような状況下、特公平５−５５５９３
号で提示した耐摩耗性焼結合金は、合金自体が非常に硬
く、被削性が極めて悪く、また、当合金にＰｂを溶浸し
た材料は被削性は良いものの、高有鉛ガソリン仕様にお
ける腐蝕環境下において、気孔中に溶浸したＰｂによる
基地の剥離摩耗現象が発生している。
号で提示した耐摩耗性焼結合金は、合金自体が非常に硬
く、被削性が極めて悪く、また、当合金にＰｂを溶浸し
た材料は被削性は良いものの、高有鉛ガソリン仕様にお
ける腐蝕環境下において、気孔中に溶浸したＰｂによる
基地の剥離摩耗現象が発生している。
【００１６】また、特願平４−８５６２６号で提示した
焼結合金は、液相発生による繊維状気孔の消失、合金強
度改善および耐摩耗性の向上を目的として添加したＣｕ
が、同時に添加したＰｂの微細分散を阻害し、１５〜２
０μｍに凝集した粗大なＰｂ相を形成させることが判明
し、高温下もしくは有鉛ガソリン仕様の厳しい腐蝕環境
下では、粗大Ｐｂ相と基地の境界面よりのクラックの発
生、あるいは基地の剥離に伴う摩耗促進が生ずるなど、
耐摩耗性が充分とは言えなくなっており、より一層の耐
摩耗性向上の必要性が生じてきている。
焼結合金は、液相発生による繊維状気孔の消失、合金強
度改善および耐摩耗性の向上を目的として添加したＣｕ
が、同時に添加したＰｂの微細分散を阻害し、１５〜２
０μｍに凝集した粗大なＰｂ相を形成させることが判明
し、高温下もしくは有鉛ガソリン仕様の厳しい腐蝕環境
下では、粗大Ｐｂ相と基地の境界面よりのクラックの発
生、あるいは基地の剥離に伴う摩耗促進が生ずるなど、
耐摩耗性が充分とは言えなくなっており、より一層の耐
摩耗性向上の必要性が生じてきている。
【００１７】また、内燃機関の燃料事情別にバルブシー
ト材料を使い分けることは、生産ラインを繁雑にしてコ
ストアップをもたらす問題があり、現在の自動車の国際
商品としての性格上、仕向け地毎に異なる諸条件に対し
ても広範に対応できるバルブシート材料が望まれる。
ト材料を使い分けることは、生産ラインを繁雑にしてコ
ストアップをもたらす問題があり、現在の自動車の国際
商品としての性格上、仕向け地毎に異なる諸条件に対し
ても広範に対応できるバルブシート材料が望まれる。
【００１８】本発明による高温耐摩耗性焼結合金は、上
述のような問題点を解決するためになされたもので、被
削性を損うことなく、内燃機関の高出力化による高温、
腐蝕等の環境に対応できる耐熱性、自己潤滑性および耐
摩耗性を有し、無鉛ガソリンはもちろんのこと、高有鉛
ガソリンでも優れた性能を発揮するバルブシート用材料
に好適な高温耐摩耗性焼結合金を提供することを目的と
している。
述のような問題点を解決するためになされたもので、被
削性を損うことなく、内燃機関の高出力化による高温、
腐蝕等の環境に対応できる耐熱性、自己潤滑性および耐
摩耗性を有し、無鉛ガソリンはもちろんのこと、高有鉛
ガソリンでも優れた性能を発揮するバルブシート用材料
に好適な高温耐摩耗性焼結合金を提供することを目的と
している。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明に係る高温耐摩耗
性焼結合金は、全体組成が重量比でＮｉ：０．４〜２．
８％、Ｍｏ：１．８〜９．７％、Ｃｏ：７．８〜２２．
０％、Ｃ：０．５〜１．１％、Ｃｒ：０．４〜２．２
％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｐｂ：０．１〜３．５
％、Ｆｅ残部および不可避不純分で、かつ、Ｎｉ：０．
５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５
％、Ｃ：０．６〜１．２％、およびＦｅ残部の基地中
に、Ｍｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓｉ：１．
５〜２．５％、およびＣｏ残部の硬質相が５〜２５％分
散し、さらにＰｂ相が０．１〜３．５％分散した組織を
呈する焼結合金で、該焼結合金中に分散しているＰｂ相
全体の６０％以上が気孔を除く基地もしくは硬質相の領
域に分散しているとともに、Ｐｂ相の最大径が１０μｍ
以下であることを特徴とする。
性焼結合金は、全体組成が重量比でＮｉ：０．４〜２．
８％、Ｍｏ：１．８〜９．７％、Ｃｏ：７．８〜２２．
０％、Ｃ：０．５〜１．１％、Ｃｒ：０．４〜２．２
％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｐｂ：０．１〜３．５
％、Ｆｅ残部および不可避不純分で、かつ、Ｎｉ：０．
５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５
％、Ｃ：０．６〜１．２％、およびＦｅ残部の基地中
に、Ｍｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓｉ：１．
５〜２．５％、およびＣｏ残部の硬質相が５〜２５％分
散し、さらにＰｂ相が０．１〜３．５％分散した組織を
呈する焼結合金で、該焼結合金中に分散しているＰｂ相
全体の６０％以上が気孔を除く基地もしくは硬質相の領
域に分散しているとともに、Ｐｂ相の最大径が１０μｍ
以下であることを特徴とする。
【００２０】
【００２１】本発明に係る高温耐摩耗性焼結合金の基地
について、ＮｉとＭｏは主に強度の改善に寄与するが、
０．５％未満では充分でなく、逆に３％を越えて添加し
ても効果が少ない。また、Ｍｏを過剰に添加すると耐酸
化性が低下する。したがって、基地中のＮｉ量は０．５
〜３％、Ｍｏ量も０．５〜３％とした。
について、ＮｉとＭｏは主に強度の改善に寄与するが、
０．５％未満では充分でなく、逆に３％を越えて添加し
ても効果が少ない。また、Ｍｏを過剰に添加すると耐酸
化性が低下する。したがって、基地中のＮｉ量は０．５
〜３％、Ｍｏ量も０．５〜３％とした。
【００２２】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％を越えると原料粉末が硬
くなり、成形時の圧縮性が極端に低下する。したがっ
て、基地中のＣｏ量は５．５〜７．５％とした。
摩耗しやすく、一方、７．５％を越えると原料粉末が硬
くなり、成形時の圧縮性が極端に低下する。したがっ
て、基地中のＣｏ量は５．５〜７．５％とした。
【００２３】Ｃは焼結工程の管理と品質の安定面から、
０．６〜１．２％が適当である。
０．６〜１．２％が適当である。
【００２４】これらの合金は、成分の偏析を防止し、硬
質相との適切な相互拡散を行なわせるため、および、成
形時における良好な圧縮性を確保するため、炭素以外の
全成分を完全合金粉として使用することが望ましい。
質相との適切な相互拡散を行なわせるため、および、成
形時における良好な圧縮性を確保するため、炭素以外の
全成分を完全合金粉として使用することが望ましい。
【００２５】硬質相にはＣｏ基の耐熱合金が適してお
り、その組成が、Ｍｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９
％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、および残部実質的にＣｏ
よりなるものが適している。
り、その組成が、Ｍｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９
％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、および残部実質的にＣｏ
よりなるものが適している。
【００２６】この硬質相は、焼結合金の耐摩耗性を向上
させるのに有効であるが、５％未満では耐摩耗性の効果
が少なく、２５％を越えると耐摩耗性は向上するが、強
度が低下するため、耐摩耗性の効果と強度の関係からそ
の量は５〜２５％とした。
させるのに有効であるが、５％未満では耐摩耗性の効果
が少なく、２５％を越えると耐摩耗性は向上するが、強
度が低下するため、耐摩耗性の効果と強度の関係からそ
の量は５〜２５％とした。
【００２７】Ｐｂは、バルブシートとしての特性に対し
て、固体潤滑剤として減摩作用ならびに被削性の改善に
多大な効果を示す元素であり、基地合金および硬質相合
金とは全く固溶せず、組織中に単体の形で存在するが、
Ｐｂ量が全体組成の０．１％未満のときは、気孔を除く
基地と硬質相に析出している量が６０％以上であっても
顕著な被削性の改善効果が得られず、また、バルブシー
トとしての自己潤滑性、耐摩耗性の向上に寄与しない。
て、固体潤滑剤として減摩作用ならびに被削性の改善に
多大な効果を示す元素であり、基地合金および硬質相合
金とは全く固溶せず、組織中に単体の形で存在するが、
Ｐｂ量が全体組成の０．１％未満のときは、気孔を除く
基地と硬質相に析出している量が６０％以上であっても
顕著な被削性の改善効果が得られず、また、バルブシー
トとしての自己潤滑性、耐摩耗性の向上に寄与しない。
【００２８】一方、Ｐｂ量が全体組成の３．５％を越え
た場合、基地または硬質相に分散するＰｂ相の粗大化、
あるいは気孔中に存在するＰｂ量の増加が生じ、高温ま
たは有鉛ガソリンによる腐蝕環境下において、Ｐｂを溶
浸した場合と同様に、Ｐｂの膨脹による基地中のＰｂ相
と基地の境界あるいは気孔のエッジを起点としてクラッ
クを生じ、剥離を伴なう摩耗が発生するようになる。
た場合、基地または硬質相に分散するＰｂ相の粗大化、
あるいは気孔中に存在するＰｂ量の増加が生じ、高温ま
たは有鉛ガソリンによる腐蝕環境下において、Ｐｂを溶
浸した場合と同様に、Ｐｂの膨脹による基地中のＰｂ相
と基地の境界あるいは気孔のエッジを起点としてクラッ
クを生じ、剥離を伴なう摩耗が発生するようになる。
【００２９】以上の構成を全体組成で表わすと、重量比
で、Ｎｉ：０．４〜２．８％、Ｍｏ：１．８〜９．７
％、Ｃｏ：７．８〜２２．０％、Ｃ：０．５〜１．１
％、Ｃｒ：０．４〜２．２％、Ｓｉ：０．１〜０．６
％、Ｐｂ：０．１〜３．５％、Ｆｅ残部および不可避不
純分よりなる焼結合金となる。
で、Ｎｉ：０．４〜２．８％、Ｍｏ：１．８〜９．７
％、Ｃｏ：７．８〜２２．０％、Ｃ：０．５〜１．１
％、Ｃｒ：０．４〜２．２％、Ｓｉ：０．１〜０．６
％、Ｐｂ：０．１〜３．５％、Ｆｅ残部および不可避不
純分よりなる焼結合金となる。
【００３０】また、Ｐｂの存在形態について、気孔を除
く基地または硬質相に分散しているＰｂ量が全体の６０
％未満の場合、気孔中に存在するＰｂ量が多くなり、気
孔中にＰｂを溶浸した場合と同様に、高温または有鉛ガ
ソリンによる腐蝕環境下でＰｂの膨脹による基地の剥離
摩耗が発生するようになる。
く基地または硬質相に分散しているＰｂ量が全体の６０
％未満の場合、気孔中に存在するＰｂ量が多くなり、気
孔中にＰｂを溶浸した場合と同様に、高温または有鉛ガ
ソリンによる腐蝕環境下でＰｂの膨脹による基地の剥離
摩耗が発生するようになる。
【００３１】さらに、基地または硬質相に分散する微細
なＰｂ相は、基地中の結晶粒界または基地と硬質相との
拡散相の結晶粒界および硬質相内部の結晶粒界に存在し
ている。
なＰｂ相は、基地中の結晶粒界または基地と硬質相との
拡散相の結晶粒界および硬質相内部の結晶粒界に存在し
ている。
【００３２】そのＰｂ相の粒子径が１０μｍを越えて粗
大化すると、気孔中に溶浸したＰｂと同様に閉ざされた
空隙中に存在する溶融したＰｂが、バルブ運動による圧
力や腐蝕による膨脹で逃げ場がなくなり、基地を押し広
げてクラックを発生させ、またバルブシート面の剥離摩
耗を促進させる。
大化すると、気孔中に溶浸したＰｂと同様に閉ざされた
空隙中に存在する溶融したＰｂが、バルブ運動による圧
力や腐蝕による膨脹で逃げ場がなくなり、基地を押し広
げてクラックを発生させ、またバルブシート面の剥離摩
耗を促進させる。
【００３３】この現象は、Ｐｂ相が微細な場合は膨脹す
る絶対量が小さいため、圧力が基地に吸収され生じな
い。
る絶対量が小さいため、圧力が基地に吸収され生じな
い。
【００３４】したがって、Ｐｂ相は粒子径が１０μｍ以
下に分散させることが必要となる。
下に分散させることが必要となる。
【００３５】以上により、Ｐｂの存在形態は、気孔を除
く基地または硬質相に全体の６０％以上のＰｂが分散
し、その分散したＰｂ相の粒子の最大径が１０μｍ以下
であることが必要である。
く基地または硬質相に全体の６０％以上のＰｂが分散
し、その分散したＰｂ相の粒子の最大径が１０μｍ以下
であることが必要である。
【００３６】本発明に係る高温耐摩耗性焼結合金は、焼
結後さらに後処理を行ない、その特性を内燃機関の性格
に応じて向上させることが可能である。例えば、ディー
ゼル内燃機関のように、高温高圧縮比になる場合には、
焼結材を再圧縮して高密度化するのが有効であり、合金
組織をより安定化させるためには、焼結後に調質の意味
で焼き入れ、焼き戻しを施すことが望ましい。
結後さらに後処理を行ない、その特性を内燃機関の性格
に応じて向上させることが可能である。例えば、ディー
ゼル内燃機関のように、高温高圧縮比になる場合には、
焼結材を再圧縮して高密度化するのが有効であり、合金
組織をより安定化させるためには、焼結後に調質の意味
で焼き入れ、焼き戻しを施すことが望ましい。
【００３７】
【作用】以上の構成から明らかなように、本発明による
焼結合金は、基地に硬質相を分散させた材料の基地また
は硬質相に、最大径１０μｍ以下の微細なＰｂ相を分散
させたものであるから、このＰｂ相が固体潤滑剤として
有効に機能し、減摩作用、被削性の改善に大きく貢献す
る。
焼結合金は、基地に硬質相を分散させた材料の基地また
は硬質相に、最大径１０μｍ以下の微細なＰｂ相を分散
させたものであるから、このＰｂ相が固体潤滑剤として
有効に機能し、減摩作用、被削性の改善に大きく貢献す
る。
【００３８】
【実施例】以下、本発明に係る高温耐摩耗性焼結合金の
実施例について、その詳細を説明する。
実施例について、その詳細を説明する。
【００３９】まず、高温耐摩耗性焼結合金の原料粉末と
して、重量比でＮｉ：１．５％、Ｍｏ：１．５％および
Ｃｏ：６．５％を含む粒度１４４μｍ以下のアトマイズ
合金鉄粉を主原料として用意し、また基地中に分散させ
る硬質相として、Ｍｏ：２８％、Ｃｒ：８％、Ｓｉ：２
％およびＣｏ：残部とした金属間化合物粉末、合金基地
中に微細分散させるＰｂ相の供給源として、粒度５０μ
ｍ以下の搗砕鉛粉、粒度５０μｍ以下の電解銅粉および
炭素の供給源として黒鉛粉末を用意した。
して、重量比でＮｉ：１．５％、Ｍｏ：１．５％および
Ｃｏ：６．５％を含む粒度１４４μｍ以下のアトマイズ
合金鉄粉を主原料として用意し、また基地中に分散させ
る硬質相として、Ｍｏ：２８％、Ｃｒ：８％、Ｓｉ：２
％およびＣｏ：残部とした金属間化合物粉末、合金基地
中に微細分散させるＰｂ相の供給源として、粒度５０μ
ｍ以下の搗砕鉛粉、粒度５０μｍ以下の電解銅粉および
炭素の供給源として黒鉛粉末を用意した。
【００４０】これらの原料粉末を、表１に示す成分組成
になるように成形潤滑剤であるステアリン酸亜鉛：０．
８％とともに配合、混合し、圧粉体の密度が６．９ｇ／
ｃｍ3の所定の形状に成形後、分解アンモニアガス雰囲
気中の炉で１１９０℃、３０分間の焼結を行ない、本発
明に係る焼結合金１〜５、比較焼結合金１〜１０および
従来焼結合金１〜３を得た。
になるように成形潤滑剤であるステアリン酸亜鉛：０．
８％とともに配合、混合し、圧粉体の密度が６．９ｇ／
ｃｍ3の所定の形状に成形後、分解アンモニアガス雰囲
気中の炉で１１９０℃、３０分間の焼結を行ない、本発
明に係る焼結合金１〜５、比較焼結合金１〜１０および
従来焼結合金１〜３を得た。
【００４１】
【表１】
【００４２】なお、本発明に係る焼結合金は、本発明範
囲内の成分および組織形態を示しているが、比較焼結合
金は、成分組成あるいは組織形態のいずれかが本発明の
範囲より外れたものである。表１中の基地中分散Ｐｂ量
の割合は、全Ｐｂ含有量に対する基地と硬質相に分散し
ているＰｂ量の割合を示し、Ｐｂ相の最大粒子径は、基
地硬質相に分散しているＰｂ粒子の最大粒子径を表わし
ている。
囲内の成分および組織形態を示しているが、比較焼結合
金は、成分組成あるいは組織形態のいずれかが本発明の
範囲より外れたものである。表１中の基地中分散Ｐｂ量
の割合は、全Ｐｂ含有量に対する基地と硬質相に分散し
ているＰｂ量の割合を示し、Ｐｂ相の最大粒子径は、基
地硬質相に分散しているＰｂ粒子の最大粒子径を表わし
ている。
【００４３】また、従来焼結合金は、特公平５−５５５
９３号および特願平４−８５６２６号の焼結合金であ
る。
９３号および特願平４−８５６２６号の焼結合金であ
る。
【００４４】これらの焼結合金について、各温度におけ
る圧環強さ、バルブシート簡易摩耗試験における各温度
毎の摩耗量、被削性試験における刃先の摩耗量、実機エ
ンジン耐久試験におけるバルブシートの摩耗量を測定評
価し、その結果を表２および図１ないし図５に示した。
る圧環強さ、バルブシート簡易摩耗試験における各温度
毎の摩耗量、被削性試験における刃先の摩耗量、実機エ
ンジン耐久試験におけるバルブシートの摩耗量を測定評
価し、その結果を表２および図１ないし図５に示した。
【００４５】
【表２】
【００４６】なお、前述の評価試験方法のうち、バルブ
シート簡易摩耗試験、被削性試験、実機エンジン耐久試
験の評価試験方法について説明する。
シート簡易摩耗試験、被削性試験、実機エンジン耐久試
験の評価試験方法について説明する。
【００４７】バルブシート簡易摩耗試験は、アルミ合金
製のハウジングにバルブシート形状に仕上げた焼結合金
を圧入嵌合し、ステライト盛金を施したバルブをモータ
駆動による偏心カムの回転（２６００ｒｐｍ）で上下ピ
ストン運動させることにより、バルブフェースとシート
面を繰り返し叩きするもので、バルブの傘をバーナーで
加熱することにより温度を制御する試験である。
製のハウジングにバルブシート形状に仕上げた焼結合金
を圧入嵌合し、ステライト盛金を施したバルブをモータ
駆動による偏心カムの回転（２６００ｒｐｍ）で上下ピ
ストン運動させることにより、バルブフェースとシート
面を繰り返し叩きするもので、バルブの傘をバーナーで
加熱することにより温度を制御する試験である。
【００４８】ここで、バルブシートの摩耗量は、シート
面のバルブ上下方向、すなわち試験前のバルブの位置に
対する沈み量として測定した。
面のバルブ上下方向、すなわち試験前のバルブの位置に
対する沈み量として測定した。
【００４９】被削性試験は、バルブシートをＮＣ旋盤に
セットし、内径のシート面をダイヤモンドチップ製バイ
トで回転数５００ｒｐｍ、送り速度０．１２mm／ｒｅ
ｖ．の切削条件で、実際に１５００個のバルブシートを
切削して、試験前に対する試験後のバイト刃先摩耗量で
評価した。
セットし、内径のシート面をダイヤモンドチップ製バイ
トで回転数５００ｒｐｍ、送り速度０．１２mm／ｒｅ
ｖ．の切削条件で、実際に１５００個のバルブシートを
切削して、試験前に対する試験後のバイト刃先摩耗量で
評価した。
【００５０】実機エンジン耐久試験は、ＤＯＨＣ４気
筒、２０００ｃｃエンジンを用い、アルミ合金製のシリ
ンダヘッドに焼結合金をエギゾーストバルブシート形状
に加工して圧入嵌合し、ステライト盛金を施した耐熱鋼
製のバルブを用いて台上耐久試験を行なった。
筒、２０００ｃｃエンジンを用い、アルミ合金製のシリ
ンダヘッドに焼結合金をエギゾーストバルブシート形状
に加工して圧入嵌合し、ステライト盛金を施した耐熱鋼
製のバルブを用いて台上耐久試験を行なった。
【００５１】なお、試験条件は燃料として高有鉛ガソリ
ンを用い、６４００ｒｐｍの全負荷で連続試験を行なっ
た。そして、試験後のバルブシート摩耗量を試験前のバ
ルブの位置に対する沈み量として評価した。
ンを用い、６４００ｒｐｍの全負荷で連続試験を行なっ
た。そして、試験後のバルブシート摩耗量を試験前のバ
ルブの位置に対する沈み量として評価した。
【００５２】図１は、各温度における圧環強さを示した
もので、図１（ａ）に本発明焼結合金１〜５が占める領
域と従来焼結合金の比較を、また、図１（ｂ）に本発明
焼結合金が占める領域と比較焼結合金の比較を示す。
もので、図１（ａ）に本発明焼結合金１〜５が占める領
域と従来焼結合金の比較を、また、図１（ｂ）に本発明
焼結合金が占める領域と比較焼結合金の比較を示す。
【００５３】そして、図１（ａ）により、従来焼結合金
２および３は、Ｐｂを溶浸、もしくは基地中に析出した
Ｐｂ相が粗大なため、４００℃以上の高温側で極端な強
度の低下を示す。
２および３は、Ｐｂを溶浸、もしくは基地中に析出した
Ｐｂ相が粗大なため、４００℃以上の高温側で極端な強
度の低下を示す。
【００５４】一方、本発明焼結合金およびＰｂを含有し
ていない従来焼結合金１は、４００℃以上の高温側でも
極端な強度の低下は見られない。
ていない従来焼結合金１は、４００℃以上の高温側でも
極端な強度の低下は見られない。
【００５５】また、図１（ｂ）により、Ｐｂ含有量が発
明範囲より少ない比較焼結合金１は、従来焼結合金１と
同様の傾向を示すが、Ｐｂ含有量が発明範囲より多い比
較焼結合金２は、高温側で極端な強度の低下を示す。
明範囲より少ない比較焼結合金１は、従来焼結合金１と
同様の傾向を示すが、Ｐｂ含有量が発明範囲より多い比
較焼結合金２は、高温側で極端な強度の低下を示す。
【００５６】なお、煩雑を避けるため、図示はしなかっ
たが、表１および表２により、全体組成中のＰｂ含有量
が発明範囲より多い合金、あるいは全Ｐｂ含有量に対す
る基地および硬質相に分散しているＰｂ量の割合が発明
範囲より少ない合金は、高温側で強度の低下が生じ、両
者が発明範囲内の合金は、高温側での強度の極端な低下
を生じていないことが容易に理解できる。
たが、表１および表２により、全体組成中のＰｂ含有量
が発明範囲より多い合金、あるいは全Ｐｂ含有量に対す
る基地および硬質相に分散しているＰｂ量の割合が発明
範囲より少ない合金は、高温側で強度の低下が生じ、両
者が発明範囲内の合金は、高温側での強度の極端な低下
を生じていないことが容易に理解できる。
【００５７】次いで、図２は、簡易摩耗試験機における
各温度におけるバルブシートの摩耗量を示しており、図
２（ａ）により本発明焼結合金の占める領域と従来焼結
合金の比較を、また、図２（ｂ）に本発明焼結合金の占
める領域と比較焼結合金の比較を示す。
各温度におけるバルブシートの摩耗量を示しており、図
２（ａ）により本発明焼結合金の占める領域と従来焼結
合金の比較を、また、図２（ｂ）に本発明焼結合金の占
める領域と比較焼結合金の比較を示す。
【００５８】図２（ａ）により、従来焼結合金２および
３は、Ｐｂを含浸、もしくは基地中に析出したＰｂ相が
粗大なため、高温域で摩耗量が増大している。
３は、Ｐｂを含浸、もしくは基地中に析出したＰｂ相が
粗大なため、高温域で摩耗量が増大している。
【００５９】また、従来焼結合金１は、Ｐｂを含有して
いないため、高温側での急激な摩耗量の増大は生じてい
ないが、低温域で摩耗が増加する傾向にあることがわか
る。
いないため、高温側での急激な摩耗量の増大は生じてい
ないが、低温域で摩耗が増加する傾向にあることがわか
る。
【００６０】一方、本発明焼結合金は、全試験温度域で
低い摩耗量を示し、耐摩耗性に優れていることがわか
る。また、図２（ｂ）、表１および表２により、比較焼
結合金は、本発明焼結合金に比べ、高温域で摩耗量が増
大することがわかる。
低い摩耗量を示し、耐摩耗性に優れていることがわか
る。また、図２（ｂ）、表１および表２により、比較焼
結合金は、本発明焼結合金に比べ、高温域で摩耗量が増
大することがわかる。
【００６１】以上により、本発明焼結合金は、全試験温
度域で良好な耐摩耗性を示すことがわかる。
度域で良好な耐摩耗性を示すことがわかる。
【００６２】図３は、全体組成中のＰｂ含有量と工具刃
先摩耗量の関係を示している。ここで、Ｐｂを含有して
いない従来焼結合金１およびＰｂ含有量が０．０７％の
比較焼結合金１では、刃先摩耗量が多く被削性が悪い
が、Ｐｂ含有量が０．１％以上の合金では、全Ｐｂ含有
量に対する基地中もしくは基地および硬質相内に析出し
ているＰｂ量の割合、析出したＰｂ相の最大粒子径によ
らず工具刃先摩耗量はほぼ一定であり、優れた被削性を
示している。
先摩耗量の関係を示している。ここで、Ｐｂを含有して
いない従来焼結合金１およびＰｂ含有量が０．０７％の
比較焼結合金１では、刃先摩耗量が多く被削性が悪い
が、Ｐｂ含有量が０．１％以上の合金では、全Ｐｂ含有
量に対する基地中もしくは基地および硬質相内に析出し
ているＰｂ量の割合、析出したＰｂ相の最大粒子径によ
らず工具刃先摩耗量はほぼ一定であり、優れた被削性を
示している。
【００６３】すなわち、被削性に関しては、Ｐｂ含有量
０．１％以上必要であることが理解できる。
０．１％以上必要であることが理解できる。
【００６４】次いで、図４は、台上実機エンジン耐久試
験により、バルブシートが実際に使用される高温、腐蝕
環境下でのバルブシートの摩耗量を示している。
験により、バルブシートが実際に使用される高温、腐蝕
環境下でのバルブシートの摩耗量を示している。
【００６５】本発明焼結合金は、摩耗量が低くなってい
る。しかし、合金中の全Ｐｂ量に対する基地および硬質
相に分散したＰｂ量の割合および分散したＰｂ相の最大
粒子径が発明範囲内にあっても、全体組成中のＰｂ含有
量が３．５％を越えた場合、摩耗量が極端に増大し、耐
摩耗性が低下することがわかる。
る。しかし、合金中の全Ｐｂ量に対する基地および硬質
相に分散したＰｂ量の割合および分散したＰｂ相の最大
粒子径が発明範囲内にあっても、全体組成中のＰｂ含有
量が３．５％を越えた場合、摩耗量が極端に増大し、耐
摩耗性が低下することがわかる。
【００６６】また、全体のＰｂ含有量に対して、気孔を
除く基地および硬質相にＰｂ相が分散している割合が６
０％未満であると、全体組成中のＰｂ量が発明範囲内で
あっても、耐摩耗性は低下し、試験後バルブシート面に
クラックの発生と剥離を伴う異常摩耗の発生が観察され
た。
除く基地および硬質相にＰｂ相が分散している割合が６
０％未満であると、全体組成中のＰｂ量が発明範囲内で
あっても、耐摩耗性は低下し、試験後バルブシート面に
クラックの発生と剥離を伴う異常摩耗の発生が観察され
た。
【００６７】したがって、耐摩耗性については、Ｐｂ含
有量は、全体として３．５％以下であり、さらに、焼結
合金中に分散しているＰｂ相全体の少なくとも６０％以
上が気孔を除く基地および硬質相に分散していることが
必要である。
有量は、全体として３．５％以下であり、さらに、焼結
合金中に分散しているＰｂ相全体の少なくとも６０％以
上が気孔を除く基地および硬質相に分散していることが
必要である。
【００６８】図５は、基地および硬質相に分散している
Ｐｂ相の最大粒子径と、台上実機エンジン耐久試験によ
るバルブシートの摩耗量の関係を示したものである。
Ｐｂ相の最大粒子径と、台上実機エンジン耐久試験によ
るバルブシートの摩耗量の関係を示したものである。
【００６９】Ｐｂを含有していない従来焼結合金１は、
比較的優れた耐摩耗性を示し、基地中もしくは基地およ
び硬質相内に分散したＰｂ相の最大結晶粒径が１０μｍ
以下の範囲で優れた耐摩耗性を示している。
比較的優れた耐摩耗性を示し、基地中もしくは基地およ
び硬質相内に分散したＰｂ相の最大結晶粒径が１０μｍ
以下の範囲で優れた耐摩耗性を示している。
【００７０】また、Ｐｂ相の最大粒子径が１０μｍ以下
であっても、全Ｐｂ含有量に対して基地および硬質相に
分散しているＰｂ量の割合が６０％未満の合金は、摩耗
量が大きくなっている。
であっても、全Ｐｂ含有量に対して基地および硬質相に
分散しているＰｂ量の割合が６０％未満の合金は、摩耗
量が大きくなっている。
【００７１】したがって、耐摩耗性については、基地お
よび硬質相に分散するＰｂ相の最大粒子径は１０μｍ以
下であり、また、全Ｐｂ含有量に対する基地および硬質
相に分散するＰｂ量の割合が６０％以上であることが必
要である。
よび硬質相に分散するＰｂ相の最大粒子径は１０μｍ以
下であり、また、全Ｐｂ含有量に対する基地および硬質
相に分散するＰｂ量の割合が６０％以上であることが必
要である。
【００７２】以上により、強度、耐摩耗性および被削性
を兼備するためには、全体組成中のＰｂ量が０．１〜
３．５％、全Ｐｂ含有量に対する基地および硬質相に分
散したＰｂ量の割合が６０％以上、および基地および硬
質相に分散するＰｂ相の最大粒子径が１０μｍ以下であ
る必要があり、最も良い領域は３〜６μｍである。
を兼備するためには、全体組成中のＰｂ量が０．１〜
３．５％、全Ｐｂ含有量に対する基地および硬質相に分
散したＰｂ量の割合が６０％以上、および基地および硬
質相に分散するＰｂ相の最大粒子径が１０μｍ以下であ
る必要があり、最も良い領域は３〜６μｍである。
【００７３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
による高温耐摩耗性焼結合金は、Ｎｉ：０．５〜３％、
Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５％、Ｃ：
０．６〜１．２％、およびＦｅ残部の基地中に、Ｍｏ：
２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓｉ：１．５〜２．５
％、およびＣｏ残部の硬質相が５〜２５％分散した組織
を呈する合金にＰｂ相を重量比で０．１〜３．５％分散
させ、しかも、Ｐｂ相全体の６０％以上が気孔を除く基
地、もしくは硬質相に最大粒子径１０μｍ以下の粒子と
して微細分散させることで、被削性を損うことなく、近
年の高性能内燃機関用バルブシート材料としての優れた
耐熱性、自己潤滑性、耐摩耗性を有し、従来の無鉛ガソ
リンはもちろんのこと、高有鉛ガソリンでも優れた性能
を長期にわたって維持できるという格別の作用効果を有
する。
による高温耐摩耗性焼結合金は、Ｎｉ：０．５〜３％、
Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５％、Ｃ：
０．６〜１．２％、およびＦｅ残部の基地中に、Ｍｏ：
２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓｉ：１．５〜２．５
％、およびＣｏ残部の硬質相が５〜２５％分散した組織
を呈する合金にＰｂ相を重量比で０．１〜３．５％分散
させ、しかも、Ｐｂ相全体の６０％以上が気孔を除く基
地、もしくは硬質相に最大粒子径１０μｍ以下の粒子と
して微細分散させることで、被削性を損うことなく、近
年の高性能内燃機関用バルブシート材料としての優れた
耐熱性、自己潤滑性、耐摩耗性を有し、従来の無鉛ガソ
リンはもちろんのこと、高有鉛ガソリンでも優れた性能
を長期にわたって維持できるという格別の作用効果を有
する。
【図１】本発明の実施例において、各温度における圧環
強さを評価した結果を示すグラフ。
強さを評価した結果を示すグラフ。
【図２】本発明の実施例において、簡易摩耗試験機によ
る各温度におけるバルブシートの摩耗量を評価した結果
を示すグラフ。
る各温度におけるバルブシートの摩耗量を評価した結果
を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例において、被削性を評価した結
果を示すグラフ。
果を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例において、台上実機耐久試験に
よるバルブシートの摩耗量を評価した結果を示すグラ
フ。
よるバルブシートの摩耗量を評価した結果を示すグラ
フ。
【図５】本発明の実施例において、基地もしくは硬質相
に分散するＰｂ相の最大粒子径と台上実機耐久試験によ
るバルブシートの摩耗量との関係を示すグラフ。
に分散するＰｂ相の最大粒子径と台上実機耐久試験によ
るバルブシートの摩耗量との関係を示すグラフ。
フロントページの続き (72)発明者 藤木 章 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (72)発明者 中村 勝幸 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (72)発明者 高橋 和彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−287463（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−90907（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−43998（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−163350（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−88749（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−117254（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 38/00 304 C22C 33/02 103 C22C 38/60
Claims (1)
- 【請求項１】 全体組成が重量比でＮｉ：０．４〜２．
８％、Ｍｏ：１．８〜９．７％、Ｃｏ：７．８〜２２．
０％、Ｃ：０．５〜１．１％、Ｃｒ：０．４〜２．２
％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｐｂ：０．１〜３．５
％、Ｆｅ残部および不可避不純分で、かつ、Ｎｉ：０．
５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５
％、Ｃ：０．６〜１．２％、およびＦｅ残部の基地中
に、Ｍｏ：２６〜３０％、Ｃｒ：７〜９％、Ｓｉ：１．
５〜２．５％、およびＣｏ残部の硬質相が５〜２５％分
散し、さらにＰｂ相が０．１〜３．５％分散した組織を
呈する焼結合金で、該焼結合金中に分散しているＰｂ相
全体の６０％以上が気孔を除く基地もしくは硬質相の領
域に分散しているとともに、Ｐｂ相の最大径が１０μｍ
以下であることを特徴とする高温耐摩耗性焼結合金。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02513294A JP3327663B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 高温耐摩耗性焼結合金 |
| KR1019950002486A KR0169549B1 (ko) | 1994-02-23 | 1995-02-10 | 고온 내마모성 소결합금 |
| US08/392,183 US5529602A (en) | 1994-02-23 | 1995-02-22 | Sintered iron alloy resistant to abrasion at high temperature and method of manufacturing the same |
| DE19506340A DE19506340C2 (de) | 1994-02-23 | 1995-02-23 | Sinterlegierung und Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers daraus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02513294A JP3327663B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 高温耐摩耗性焼結合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07233454A JPH07233454A (ja) | 1995-09-05 |
| JP3327663B2 true JP3327663B2 (ja) | 2002-09-24 |
Family
ID=12157443
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02513294A Expired - Fee Related JP3327663B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 高温耐摩耗性焼結合金 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| KR (1) | KR0169549B1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| AT405916B (de) * | 1995-02-16 | 1999-12-27 | Miba Sintermetall Ag | Verfahren zum herstellen eines nockens für eine gefügte nockenwelle |
| JP3447031B2 (ja) * | 1996-01-19 | 2003-09-16 | 日立粉末冶金株式会社 | 耐摩耗性焼結合金およびその製造方法 |
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