JP3401619B2 - 高負荷可能な焼結部品の少なくとも摩耗層の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，炭化物形成元素として
のクロムと合金化した鉄粉を主成分としかつ炭素，燐及
び銅を含む粉末混合物を素材に圧縮形成し，それから溶
融焼結するか、又は周期系のＶＩＢ族の少なくとも１つ
の炭化物形成元素と合金化した鉄粉を主成分としかつ炭
素を含む粉末混合物を素材に圧縮形成し，それから溶融
焼結する，特に内燃機関の弁制御装置用の高負荷可能な
焼結部品の少なくとも摩耗層の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の弁制御装置用のカム軸のカム
又は他の部品の耐摩耗性及び疲れ強度に関する高度の要
求に応じるために，周期系の第５及び第６副族の炭化物
形成元素と合金化する鉄粉及び黒鉛粉末を炭化物形成に
必要な量で含む粉末混合物からこれらの部品を圧縮成形
し，固相温度より少し高い温度で圧縮成形品を焼結し，
それから溶融焼結した成形部品を固相温度以下の温度で
高温均衡圧力圧縮により理論的密度の少なくとも９９％
に圧縮することが公知である（欧州特許出願公開第３０
３８０９号明細書）。特にこの公知の方法の欠点とし
て，予備焼結された成形部品の高温均衡圧力圧縮の費用
が著しく高く，このような高温均衡圧力圧縮によらない
と，必要な密度における均一な炭化物分布が保証されな
いので，このような高温均衡圧力圧縮をやめることはで
きない。固相温度より少し高い温度における焼結は均一
な炭化物分布を可能にするが，比較的大きい空隙割合に
おいてのみ可能にする。更に高温圧縮成形に必要な温度
のため，低融点成分の合金化は不可能である。これらの
成分は圧縮成形温度で溶融し，圧縮成形の際まだ存在す
る空隙を通つて出てしまう。

【０００３】外側摩耗層及びカム本体からカム軸のカム
を溶融焼結により粉末冶金で製造することも公知で（ド
イツ連邦共和国特許出願公開第３９０７８８６号明細
書）異なる収縮特性を持つ圧縮成形素材が鋼軸上へはめ
られるので，焼結後摩耗層とカム本体との間及びカム本
体と鋼軸との間に良好な結合が行われる。外側摩耗層は
鉄−炭素−ニツケル−クロム−モリブデン合金により形
成されるが，高い負荷要求には充分でない。なぜなら
ば，ニツケルは耐摩耗性にとつて重要な炭化物を形成せ
ず，ニツケルを含む材料はオーステナイトを形成する傾
向があり，それにより疲れ強度が低下するからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従つて本発明の基礎に
なつている課題は，後で高温均衡圧力圧縮なしに溶融焼
結ですむような特に内燃機関の弁制御装置用の高負荷可
能な焼結部品の製造に適した方法を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明によれば，クロムのみを鉄粉の炭化物形成合金成
分として使用し，粉末混合物が，鉄粉の炭化物形成合金
成分としての１３ないし１８重量％のクロム，１．０な
いし２．５重量％のすず，１５ないし２０重量％の銅，
１．５ないし２．６重量％の炭素，及び０．４ないし
１．０重量％の燐を含み，鉄粉をすず，銅，炭素及び燐
の粉末と混合する前に，合金化した溶融鉄をガス又は水
の噴流で微粒化することにより鉄粉を製造するか，又は
モリブデン及び／又はタングステンのみを鉄粉の炭化物
形成合金成分として使用し，粉末混合物が，鉄粉の炭化
物形成合金成分としての３ないし６重量％のモリブデ
ン，又はタングステンとモリブデンとの原子量比に応じ
てモリブデンに代わるタングステン，又は前記の割合の
モリブデン及びタングステン，１．５ないし２．６重量
％の炭素及び０．４ないし１．０重量％の燐を含み，鉄
粉を炭素及び燐の粉末と混合する前に，合金化した溶融
鉄をガス又は水の噴流で微粒化することにより鉄粉を製
造する。

【０００６】

【発明の効果】比較的高い割合の炭素の使用により炭素
含有量のためだけでなく燐の添加のため著しく低下する
焼結温度で，焼結の際充分な液相を形成しながら充分な
炭化物形成が保証されるので，均一な炭化物分布を期待
することができる。更に液相の割合が高いため，後で高
温圧縮を行う必要なしに，焼結体の必要な密度が得られ
る。

【０００７】

【実施態様】この点で粉末混合物が１．０ないし２．５
重量％のすずと１５ないし２０重量％の銅とを含んでい
ると，特に有利な状態が得られる。なぜならば銅が炭素
の一部を結合するので，高い炭素含有量により疲れ強度
を悪化するセメントタイト形成の危険がなくなるからで
ある。更に銅とすずとにより形成される青銅相は焼結部
品の摺動特性を改善する潤滑効果を伴い，焼結の際の空
隙をふさぐのに寄与する。

【０００８】耐摩耗性を決定する均一な炭化物分布の前
提条件は，まず炭化物形成元素が適当に均一に粉末混合
物に分布していることである。このため炭化物形成元素
と合金化する鉄粉が使用され，ガス又は水の噴流で溶融
鉄を微粒化することによりこの鉄粉が製造される。炭化
物形成元素としてクロムを使用すると，溶融鉄を鎮静化
しかつ微粒化を改善するため，０．７ないし１．５重量
％の珪素がなるベく珪素−鉄合金の形で溶融鉄に添加せ
ねばならない。炭化物形成元素としてモリブデンを使用
すると，珪素が０。４重量％未満の量でマンガンにより
代えられる。

【０００９】鉄粉の圧縮成形性を改善すると共に焼結過
程にとつて有利な粒子表面を確保するため，合金化した
鉄粉が樹枝状粒子形状を持ち、粒子１個当り５０μｍよ
り小さい平均直径の粉末粒子を少なくとも７０重量％の
割合で含み，残りの割合の粉末の粒子１個当りの平均直
径が最大１００μｍである。これらの粉末割合により有
利な最適化のため，特に微細な粉末では，個々の粉末粒
子の間の接触面積の増大と残存空隙の減少とにより焼結
条件が改善されるが，粒径の減少により粉末の製造費が
高くなることを考慮することができる。

【００１０】炭素として粒子１個当り最大５μｍの平均
直径を持つ天然黒鉛又は電気黒鉛から成る粉末を使用で
きるので，炭化物形成に必要な炭素の微細分布を得るこ
とができる。炭素と共に本発明による効果にとつて重要
な燐を燐−鉄結合合金として溶融鉄に添加して，溶融鉄
をガス又は水の噴流中で微粒化するか，又は合金化した
鉄粉に燐−鉄合金粉末として添加することができ，その
際粒子１個当りの平均直径が１０μｍより小さくなるよ
うにする。燐−鉄合金の添加により鉄基質への燐の迅速
な拡散が行われ，拡散する燐により大きい二次空隙の形
成が防止される。

【００１１】銅粉末として樹枝状粒子形状と粒子１個当
り最大５μｍの平均直径を持つ電解銅を使用して，粒子
１個当り最大２０μｍの平均直径を持つすずと共に，均
一に分布した銅相を得ると共に，偏析を避けることがで
きる。

【００１２】モリブデンを炭化物形成元素としてのタン
グステンにより代え，モリブデンと合金化した鉄粉を，
１２重量％のタングステンと合金化した鉄粉により１：
２の割合で代えることができる。しかし圧縮成形品の充
分な生強度を確保するため，タングステンの合金割合を
１２重量％に限らねばならない。６重量％までモリブデ
ンと合金化した鉄粉のほかに，炭化タングステンにより
耐摩耗性を更に改善するため，粉末混合物１ないし２重
量％のタングステン粉末も含むことができる。

【００１３】既に述べたように，粉末混合物中における
粉末成分の均一な分布は著しく重要である。このためま
ず合金化した鉄粉に銅及びすず及び場合によつては燐の
粉末を混合し，それからこの混合物を炭素粉末に混合す
る。この母混合物に普通の滑剤粉末を添加することがで
きる。この混合順序が維持されると，特に非常に微細な
炭素粉末の分離を効果的に防止できるが，これは均一な
炭化物分布の必要条件である。

【００１４】こうして得られる粉末混合物は，場合によ
つては造粒過程後，７００ないし８００ＭＰａの圧力を
加えて６．５ないし６．６ｇ／ｃｍ^３の密度を持つ成形
品に圧縮成形され，続いて焼鈍過程を受けて，通常はワ
ツクスから成る滑剤を除去されると共に，酸素含有量を
最大１８００ｐｐｍに減少される。生強度を高める８５
０ないし９５０℃の予備焼結により，この焼鈍過程を保
証するのがよい。圧縮成形密度は６．７ｇ／ｃｍ^３を越
えないようにする。なぜならば，そうしないと，焼結の
際生ずる一酸化炭素が逃げることができず，気泡を形成
するからである。６．４ｇ／ｃｍ^３以下への圧縮成形密
度の減少は，必要な生強度を低下させる。

【００１５】

【実施例】カム軸のカムを粉末冶金で製造するため，水
で微粒化されかつ６重量％のモリブデンと合金化されて
樹枝状の粒子形状を持つ鉄粉から出発し，その個別粒子
は最大７５μｍの平均直径を持つていたが，これらの粒
子の７０％の平均直径は５０μｍより小さかつた。微粒
化と水素−窒素雰囲気内での還元過程後，この鉄粉には
まだ約５０００ｐｐｍの酸素含有量が確認された。この
鉄粉に，全混合物の重量に関して，まず０．４５重量％
の燐が，１０μｍより小さい平均粒径を持つ非常に微粒
の１６％燐−鉄合金粉末として，二重円錐混合機（約５
分の混合時間）において添加され，それから更に５分の
混合過程において１．８５重量％の炭素が，５μｍより
小さい平均粒径の微粉砕された天然黒鉛粉末の形で添加
された。続く圧縮成形過程の前に，この母混合物へ０．
５重量％の圧縮成形助剤（ワツクス）が混合され，それ
からこの粉末混合物が７００ＭＰａの圧力で成形部品に
圧縮成形され，その際６．５ｇ／ｃｍ^３の密度が得られ
た。これらの成形部品は９５０℃の温度で水素−窒素保
護ガス雰囲気（水素と窒素との比＝１：３）中で２時間
還元され，その後１５００ｐｐｍの酸素含有量及び１．
６重量％の炭素含有量が検出された。こうして前処理さ
れた成形部品が，溶融焼結のため真空炉内で１０７５℃
の焼結温度に２時間保たれた。

【００１６】真空炉内における焼結の代りに，水素と窒
素との比が１：５の保護ガス雰囲気中でコンベヤ炉にお
いて，焼結を非常に経済的に行うこともできる。

【００１７】焼結後成形部品は約７％の収縮を示し，そ
の理論的密度の９８％に達した。硬度測定によりＨＲＣ
４２±２の硬度が得られた。鉄基質中に炭化モリブデン
の非常に均一な分布が確認され，この炭化物は３ないし
７μｍの直径の球形状を持ち，非常に良好な摩耗特性を
伴つていた。残つている空隙も５０μｍの平均直径の球
形状を持ち，それにより高い疲れ強度を保証することが
できた。

【００１８】焼結過程に続く焼入れ処理については複数
の可能性，即ち焼結用に使用される真空炉又はコンベヤ
炉において調整される雰囲気中での焼入れ又は油焼入れ
が与えられる。焼入れ後成形部品はＨＲＣ６３±１の硬
度を持ち，５５０℃の温度で２時間の焼戻し処理後，こ
の硬度はＨＲＣ５１±１に減少した。こうして製造され
たカムは，高い耐摩耗性及び高い疲れ強度のほかに，非
常に良好な硬度保持特性を持つていた。

【００１９】（例２）カムを製造するため，１８．０重
量％のクロムと合金化されて水で微粒化される樹枝状鉄
粉から出発したが，微粒化をよくするため，この鉄粉は
０．９ないし１．１重量％の珪素を含んでいた。これら
の重量％は，前の例と同じように全粉末混合物に関する
ものである。粒径は例１のそれと同じであつた。窒素−
水素雰囲気中での還元後，２４００ｐｐｍの酸素含有量
が求められた。

【００２０】この合金化された鉄粉に，５μｍより小さ
い平均個別粒子直径を持つ１７．０重量％の電解銅と，
２０μｍより小さい平均個別粒子直径を持つ１．２重量
％のすず粉末と，１０μｍより小さい平均粒径を持つ
２．５重量％の樹枝状の１６％燐−鉄合金と，２．６重
量％の非常に微細な黒鉛粉末と，圧縮成形助剤としての
０．５重量％のワツクス粉末と，良好な完全焼入れ性の
ための０．８重量％のモリブデンン粉末とが添加され
た。混合は段階的に行われ，まず燐−鉄合金粉末と銅粉
末とすず粉末とモリブデン粉末とが鉄粉に混合され，そ
れから黒鉛粉末が混合され，続いてワツクス粉末が混合
された。この粉末混合物から８００Ｍｐａの圧力で，
６．６ｇ／ｃｍ^３の密度を持つ成形部品が圧縮成形され
た。予備圧縮された成形部品は，１：１５の割合の水素
と窒素の保護ガス雰囲気中で，９５０℃の温度で２時間
還元され，それから１７５０ｐｐｍの酸素含有量と，
２．５重量％の炭素含有量とが確認された。続いて真空
炉での焼結中焼結温度は１０８０℃，焼結時間は２時間
であつた。真空炉の圧力は例１の場合と同様に４×１０
^−２ｍｂａｒであつた。しかし３：１０の割合の水素と
窒素の保護ガス雰囲気中でコンベヤ炉における焼結も可
能である。燒結された成形部品の収縮度は約５．５ない
し６．０％であつた。密度は焼結された成形部品の理論
的密度の９７ないし９８％であつた。硬度はＨＲＣ３
９．０±１であつた。成形部品の非常に良好な耐摩耗性
は，５ないし１０μｍの大きさで非常に均一に分布した
球状炭化クロムに帰せられる。銅とすずとから形成され
る青銅相の均一な分布は，すぐれたなじみ特性と摺動特
性とを与える。銅の偏析は認められなかつた。焼入れは
真空炉又はコンベヤ炉内において１０４０℃で１時間行
われ，硬度はＨＲＣ５４±１に上昇した。５５０°の温
度で２時間の焼戻し過程後，硬度はＨＲＣ５０１であつ
た。

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化物形成元素としてのクロムと合金化
   した鉄粉を主成分としかつ炭素，燐及び銅を含む粉末混
   合物を素材に圧縮形成し，それから溶融焼結する製造方
   法において，クロムのみを鉄粉の炭化物形成合金成分と
   して使用し，粉末混合物が，鉄粉の炭化物形成合金成分
   としての１３ないし１８重量％のクロム，１．０ないし
   ２．５重量％のすず，１５ないし２０重量％の銅，１．
   ５ないし２．６重量％の炭素，及び０．４ないし１．０
   重量％の燐を含み，鉄粉をすず，銅，炭素及び燐の粉末
   と混合する前に，合金化した溶融鉄をガス又は水の噴流
   で微粒化することにより鉄粉を製造することを特徴とす
   る，高負荷可能な焼結部品の少なくとも摩耗層の製造方
   法。
2. 【請求項２】 鉄粉を製造するための溶融鉄に０．７な
   いし１．５重量％の珪素を添加することを特徴とする，
   請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 銅粉末として，樹枝状粒子形状及び粒子
   １個当り最大５μｍの平均直径を持つ電解銅を使用する
   ことを特徴とする，請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 すず粉末が粒子１個当り最大２０μｍの
   平均直径を持つていることを特徴とする，請求項１ない
   し３の１つに記載の方法。
5. 【請求項５】 合金化した鉄粉にまず銅，すず及び燐の
   粉末を混合し，それからこの粉末混合物を炭素粉末に混
   合することを特徴とする，請求項１ないし４の１つに記
   載の方法。
6. 【請求項６】 周期系のＶＩＢ族の少なくとも１つの炭
   化物形成元素と合金化した鉄粉を主成分としかつ炭素を
   含む粉末混合物を素材に圧縮形成し，それから溶融焼結
   する製造方法において，モリブデン及び／又はタングス
   テンのみを鉄粉の炭化物形成合金成分として使用し，粉
   末混合物が，鉄粉の炭化物形成合金成分としての３ない
   し６重量％のモリブデン，又はタングステンとモリブデ
   ンとの原子量比に応じてモリブデンに代わるタングステ
   ン，又は前記の割合のモリブデン及びタングステン，
   １．５ないし２．６重量％の炭素及び０．４ないし１．
   ０重量％の燐を含み，鉄粉を炭素及び燐の粉末と混合す
   る前に，合金化した溶融鉄をガス又は水の噴流で微粒化
   することにより鉄粉を製造することを特徴とする，高負
   荷可能な焼結部品の少なくとも摩耗層の製造方法。
7. 【請求項７】 モリブデンと合金化した鉄粉の製造の
   際，０．４重量％までのマンガンを含む溶融鉄を使用す
   ることを特徴とする，請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 モリブデンと合金化した鉄粉の少なくと
   も一部を，タングステンと合金化した鉄粉により，１：
   ２の割合で代えることを特徴とする，請求項６又は７に
   記載の方法。
9. 【請求項９】 粉末混合物が１ないし２重量％のタング
   ステン粉末を含んでいることを特徴とする，請求項６な
   いし８の１つに記載の方法。
10. 【請求項１０】 樹枝状粒子形状を持つ合金化した鉄粉
    が，粒子１個当り５０μｍより小さい平均直径の粉末粒
    子を少なくとも７０重量％の割合で含み，残りの粉末の
    粒子１個当りの平均直径が最大１００μｍであることを
    特徴とする，請求項１ないし９の１つに記載の方法。
11. 【請求項１１】 炭素として粒子１個当り最大５μｍの
    平均直径を持つ天然黒鉛又は電気黒鉛から成る粉末を使
    用することを特徴とする，請求項１ないし１０の１つに
    記載の方法。
12. 【請求項１２】 燐を燐−鉄合金として溶融鉄に添加す
    ることを特徴とする，請求項１ないし１１の１つに記載
    の方法。
13. 【請求項１３】 粉末混合物が燐として粒子１個当り１
    ０μｍより小さい平均直径の燐−鉄合金粉末を含んでい
    ることを特徴とする，請求項１ないし１２の１つに記載
    の方法。