JP3852764B2 - 耐摩耗性焼結合金およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温における耐摩耗性に優れた耐摩耗性焼結部材および製造方法に係り、主として内燃機関用のバルブシートに用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンの高性能化、高出力化に対応するために、バルブシート用焼結合金には高温耐摩耗性、高温強度が求められ、本出願人も、特許第１０４３１２４号で登録された製法による耐摩耗性焼結合金（特公昭５５−３６２４号）等を開発してきた。さらに、近年のより一層の高性能化、高出力化、特に、希薄燃焼化による燃焼温度の高温化に対応し、より高温耐摩耗性、高温強度に優れた特公平５−５５５９３号および特開平７−２３３４５４号公報等で開示される耐摩耗性焼結合金を開発してきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の材料は、高温時の性能を向上させるために硬質相として高価なＣｏ基のものを採用していることから、高価であるといった欠点があった。
【０００４】
そこで本発明は、Ｃｏ基の硬質相を用いることなく従来材と同等の耐摩耗性が発揮され得る耐摩耗性焼結部材およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
［本発明の第１の耐摩耗性焼結合金］
上記課題を解決するために本発明の第１の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｍｏ：１．２５〜１７．９３％、Ｓｉ：０．０２５〜３．０％、Ｃ：０．３５〜０．９５％と、Ｎｉ：０．０２５〜３．０％とＣｒ：０．０２５〜３．０％のうち少なくとも１種以上、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、基地がベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織であり、Ｍｏ珪化物の粒子群がＮｉおよびＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に分散する第１硬質相が前記基地中に分散する組織を呈するとともに、第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が基地中に基地組織全体の面積に対する面積比で３〜３０％存在する焼結合金で構成することを特徴とする。
【０００６】
図１に本発明の第１の耐摩耗性焼結合金の金属組織の模式図を示す。図２のように、本発明の第１の耐摩耗性焼結合金は、Ｍｏ珪化物等が分散する硬質相をＮｉおよび／またはＣｒで強化したとともに、基地の組成をＭｏ：０．８〜４．２質量％、Ｃ：０．３５〜０．９５質量％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、基地組織をベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織としたことで、基地の強度と耐摩耗性を向上させて、第１硬質相のみで耐摩耗性を確保したものである。
【０００７】
第１の硬質相は、ＮｉとＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に、Ｍｏ珪化物が分散したもので、一部にＭｏ珪化物以外の、Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉの複合珪化物や、これらの元素の金属間化合物が分散してもよい。Ｍｏ珪化物は硬く、耐摩耗性焼結部材の耐摩耗性を高める効果とともに、固体潤滑性を有し、相手材を攻撃して摩耗させる作用（相手攻撃性）が低い。第１硬質相の合金基地中に分散したＭｏ珪化物の粒子群は、その粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３％未満であると耐摩耗性向上の効果に乏しい。また、第２硬質相を有さないことから第１硬質相の上限は、後述する第２の耐摩耗性焼結合金よりも高いが、その粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３０％を超えると相手攻撃性が高まり相手材を摩耗させることとなる。
【０００８】
また、基地組織は、強度が高く、マルテンサイトに次いで硬い、耐摩耗性に優れたベイナイトの単相組織、もしくは最も硬さの高い組織であるが相手攻撃性が高いマルテンサイトと、前述のベイナイトととの混合組織とすることでマルテンサイトの相手攻撃性を緩和し、適度の硬さとして耐摩耗性を向上させたベイナイトとマルテンサイトの混合組織で構成されている。本発明品基地はＭｏを含んでいるため、微細なＭｏ炭化物が析出して、これも耐摩耗性を向上させている。
【０００９】
［本発明の第２の耐摩耗性焼結合金］
第２の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｍｏ：１．０１〜１５．４３％、Ｓｉ：０．０２５〜２．５％、Ｃ：０．３６〜１．６７％、Ｃｒ：０．２〜７．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、基地がベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織で、Ｍｏ珪化物の粒子群がＦｅ基合金基地中に分散する第１硬質相と、Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相とが前記基地中に分散する組織を呈するとともに、基地中に、第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群が面積比で５〜２５％、第２硬質相のＣｒ炭化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が、基地組織全体の面積に対する面積比で５〜３０％存在する焼結合金で構成することを特徴とする。
【００１０】
図２に本発明の第２の耐摩耗性焼結合金の模式図を示す。図２より、第２の耐摩耗性焼結合金は、上述の第１の耐摩耗性焼結合金に、さらにＣｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相を分散させたもので、第２硬質相を分散させるため、第１硬質相の上限を面積比で２５％に限定したものである。
【００１２】
なお、第２焼結合金においては、全体組成で、さらに、Ｎｉ：０．０２５〜２．５質量％および追加としてのＣｒ：０．０２５〜２．５質量％のうち少なくとも１種以上を上記第１硬質相に含有させ、第１硬質相の合金基地をＮｉおよびＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅと合金とすると好適である。第１硬質相の合金基地を強化して第１硬質相の耐摩耗性をより向上させることができる。また、第１硬質相の合金基地のＮｉ，Ｃｒは、その周囲の基地に拡散して第１硬質相の基地への固着をより一層強化する働きも有する。
【００１３】
第２硬質相は、Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲むもので、第２硬質相のＣｒ炭化物は硬質であり耐摩耗性に寄与するとともに、周囲の軟質な基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相は、Ｃｒ炭化物を強固に固着するとともに、例えばバルブシートとして用いる場合、相手材であるバルブの着座時に緩衝材として作用して相手材との衝撃を吸収する効果を有する。
【００１４】
第２硬質相のＣｒ炭化物の粒子群は、その粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３％未満であると耐摩耗性向上の効果に乏しく、粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３０％を超えると相手攻撃性が高まり相手材を摩耗させることとなる。また、第２硬質相と共存するとき、第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群がその粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で２５％を超えると、硬質相全体としての相手攻撃性が高まるので、粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で２５％を上限とした。なお、第２焼結合金においても、第１硬質相の機能を発揮するために、Ｍｏ珪化物の粒子群はその粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３％以上とした。
【００１５】
上記第１または第２の耐摩耗性焼結合金の第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群の硬さは、ＭＨＶ６００〜１４００の範囲であるとさらに好適である。Ｍｏ珪化物の硬さが乏しいと耐摩耗性向上の効果が不十分となり、過度に硬くなると相手攻撃性が高まり、相手部品の摩耗を促進する。よって、Ｍｏ珪化物からなる第１硬質相の硬さはＭＨＶ６００〜１４００が適当である。
【００１６】
［本発明の耐摩耗性焼結合金の各成分元素］
Ｍｏ：Ｍｏは、上記したＭｏ珪化物を形成して、耐摩耗性に優れた第１硬質相の形成に寄与する。また、上記珪化物の形成の他、基地に固溶して基地を固溶強化するとともに、基地組織をベイナイト相またはベイナイトとマルテンサイトの混合相として、基地の耐摩耗性向上に寄与する。Ｍｏ量が乏しいと、基地の強化作用やＭｏ珪化物析出量が乏しくなり耐摩耗性向上の効果が乏しく、過多なＭｏ量は、Ｍｏ珪化物析出量が多くなったり、基地組織が硬くなり過ぎたりして相手攻撃性が高くなって相手材の摩耗が増加することとなる。そのため、Ｍｏ量は、本発明第１の耐摩耗性焼結合金の場合１．２５〜１７．９３質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合１．０〜１５．４３質量％が適当である。
【００１７】
Ｓｉ：Ｓｉは、Ｍｏと化合し、第１硬質相の硬質なＭｏ珪化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。Ｓｉ量が乏しいと十分な量の珪化物が析出せず、過多なＳｉ量は粉末が硬くなって圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。そのため、Ｓｉ量は、本発明第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜２．５質量％が適当である。
【００１８】
Ｃｒ：Ｃｒは後述するＮｉとともに第１硬質相に選択的に与えられ、第２の耐摩耗性焼結合金においては第２硬質相にも与えられる。
【００１９】
第１硬質相におけるＣｒは、第１硬質相の合金基地を強化し、第１硬質相の硬さを向上させて耐摩耗性の向上に働くとともに、Ｍｏ珪化物の脱落を防止する働きを持つ。さらに、基地組織に拡散することにより基地組織との固着性を向上させる働きを持つ。これらの働きにより、耐摩耗性の向上に寄与する。第１硬質相として与えられるＣｒが乏しいと硬質相中で働く上記効果が不十分となり、Ｃｒが過多であると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。よって、第１硬質相として与えられるＣｒ量は、全体組成で、第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜２．５質量％が適当である。
【００２０】
第２硬質相におけるＣｒは、Ｃｒ炭化物からなる硬質相を核とする第２硬質相を形成して耐摩耗性をさらに向上させる。また、第２硬質相から基地に拡散したＣｒは、硬質相と基地との結合を強固にするとともに、基地組織や第１硬質相のマトリックスをさらに強化し、焼入性をさらに向上させる働きがある。さらに、第２硬質相の周囲のＣｒ濃度が高い部分はフェライトを形成し、バルブ着座時の衝撃を緩衝する効果、および摩擦摺動面でのＣｒ炭化物等の硬質成分の脱落を防止する効果がある。第２硬質相として与えられるＣｒ量が乏しいと硬質相中で働く上記効果が不十分となり、過多であると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。よって第２硬質相として与えられるＣｒ量は、全体組成で、０．２〜７．５質量％が適当である。
【００２１】
よって、Ｃｒ量は、本発明の第１の耐摩耗性焼結合金では、第１硬質相の形成元素として選択される場合において０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金では、第１硬質相の形成元素として選択しない場合において０．２〜７．５質量％、第１硬質相の形成元素として選択される場合において０．２２５〜１０質量％が適当である。
【００２２】
Ｎｉ：Ｎｉは、上記のＣｒと選択的に使用され、第１硬質相の合金基地を強化し、第１硬質相の硬さを向上させて耐摩耗性の向上に働くとともに、Ｍｏ珪化物の脱落を防止する働きを持つ。さらに、基地組織に拡散することにより基地組織との固着性を向上させる働きを持つ。これらの働きにより、耐摩耗性の向上に寄与する。Ｎｉの含有量が乏しいと上記効果が不十分となり、過多であると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、マトリックスがオーステナイト化することにより耐摩耗性に悪影響を及ぼす。よって、Ｎｉ量は第１硬質相の形成元素として選択される場合において、第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合、０．０２５〜２．５質量％が適当である。
【００２３】
Ｃ：Ｃは基地の強化に働くとともに、耐摩耗性の向上に寄与する。また、第２の耐摩耗性焼結合金においては、Ｃｒ炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する作用を有する。基地に含有するＣ量が０．３５％未満では基地組織に耐摩耗性、強度ともに低いフェライトが残留するようになり、０．９５％を超えると粒界にセメンタイトが析出し始めて強度が低下する。よって、基地に含有するＣ量は０．３５〜０．９５質量％とする。また、第２硬質相におけるＣの含有量が、全体組成中で、０．０１％未満では炭化物の形成が不十分となって耐摩耗性の向上が不十分になる。一方、Ｃの含有量が、全体組成中で、０．７２％を超えると、形成する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。また、粉末が硬くなることにより圧縮性が低下し、基地強度が低下して耐摩耗性が低下する。よって、Ｃの含有量は第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．３５〜０．９５質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合０．３６〜１．６７質量％とした。
【００２４】
上記第２の耐摩耗性焼結合金においては、第２硬質相に、全体組成中の質量比で、Ｍｏ：０．０９〜０．１５％、Ｖ：０．０１〜０．６６％およびＷ：０．０５〜１．５％のうち少なくとも１種以上をさらに含有させると第２硬質相の耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００２５】
Ｍｏの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと炭化物を形成し、上記のＣｒ炭化物とともに第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、炭化物を形成しなかったＭｏは第２硬質相中に固溶し第２硬質相の高温硬さ、高温強度を向上させる働きをする。第２硬質相のＭｏは、全体組成で０．０９質量％未満であると上記効果が不十分となり、０．１５質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００２６】
Ｖの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相のＶは、全体組成で０．０１質量％未満であると上記効果が不十分となり、０．６６質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００２７】
Ｗの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相のＷは、全体組成で０．０５質量％未満であると上記効果が不十分となり、１．５質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００２８】
以上の本発明の耐摩耗性焼結合金は、Ｃｏ基の硬質相を用いておらず安価であり、従来材と同等以上の耐摩耗性を有する。
【００２９】
［耐摩耗性焼結合金の第１の製造方法］
本発明の耐摩耗性焼結合金の第１の製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の基地形成合金粉末に、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、Ｃｒ：０．５〜１０％とＮｉ：０．５〜１０％のうち少なくとも１種、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の第１硬質相形成粉末を５〜３０％、および黒鉛粉末０．３５〜０．９５％を配合し混合した混合粉末を用い、所定形状に圧縮成形した後、焼結することを特徴とする。また、焼結条件としては、一般に用いられる、１１００〜１２００℃、および３０分〜２時間が適当である。
【００３０】
［耐摩耗性焼結合金の第２の製造方法］
本発明の耐摩耗性焼結合金の第２の製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の基地形成合金粉末に、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、所望により、さらに、Ｎｉ：０．５〜１０％とＣｒ：０．５〜１０％の少なくとも１種以上、および残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる第１硬質相形成粉末を５〜２５％、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、所望により、さらに、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％、Ｗ：１．０〜５．０％のうち１種または２種以上、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる第２硬質相形成粉末を５〜３０％、および黒鉛粉末０．３５〜０．９５％を配合し混合した混合粉末を用い、所定形状に圧縮成形した後、焼結することを特徴とする。
【００３１】
［耐摩耗性焼結部材の第３の製造方法］
本発明の耐摩耗性焼結部材の第３の製造方法は、上記第１および２の製造方法で用いた基地形成合金粉末に替えて、組成が、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ系合金粉末に、Ｃｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．２〜０．４％、Ｖ：０．２〜０．４％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を６０％以下添加混合した基地形成混合粉末を用いることを特徴とする。
【００３２】
以下、上記成分組成の数値限定の根拠について説明する。
［基地形成合金粉末（Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末）］
基地形成合金粉末（Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末）を用いた基地組織は、ベイナイトである。ベイナイトは硬さ、強度とも高い組織であり優れた耐摩耗性を持つ。また、本発明品基地はＭｏを含んでいるため、微細なＭｏ炭化物が析出して、これも耐摩耗性を向上させている。上記基地形成合金粉末は第１硬質相の固着性にも優れ、本発明合金の基地を構成する。さらに、第２硬質相を含有する場合には、第２硬質相から拡散したＣｒが基地の焼入れ性を向上させて、その部分はマルテンサイトが生成してベイナイトとマルテンサイトの混合相が形成されて、一層の耐摩耗性の向上が得られる。
【００３３】
Ｍｏ：Ｍｏは基地に固溶して基地を強化するとともに、基地組織の焼入れ性を改善する働きがあり、このような働きにより基地の強度と耐摩耗性の向上に寄与する。また、後述する第１硬質相形成粉末がＦｅ−Ｍｏ系であり、基地形成粉末も同じくＦｅ−Ｍｏ系であるため、第１硬質相形成粉末の基地への固着性が優れる。ただし、０．８質量％を下回ると基地強化が不充分になり、４．２質量％を超えて含有すると、粉末が固くなって圧縮性が損なう。よって、Ｍｏの含有量は０．８〜４．２質量％とした。
【００３４】
［基地形成混合粉末］
基地形成混合粉末は、上記基地形成合金粉末として用いたＦｅ−Ｍｏ系合金粉末にＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を最大６０質量％添加混合した混合粉末である。Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末を用いた部分は容易に酸化被膜を形成するため耐凝着性が向上し、金属接触が多く起こるようなエンジンにおける耐摩耗性向上に有効である。
【００３５】
Ｃｒ：Ｃｒは基地に固溶して基地を強化し、耐摩耗性を向上させるとともに、基地組織の焼入れ性を改善する元素である。Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末中に固溶して含有されるＣｒ量は、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末の重量に対して２質量％未満であると上記効果が不充分であり、４質量％を越えると粉末が固くなって圧縮性が損なわれるため、２〜４質量％とした。
【００３６】
Ｍｏ，Ｖ：Ｍｏ，Ｖは基地に固溶して基地を強化し、強度を向上させる働きがある。Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末中に固溶して含有されるＭｏ，Ｖの含有量は、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末の重量に対してともに０．２質量％未満であるとその効果が不充分であり、ともに０．４質量％を超えると、粉末が固くなって圧縮性が損なわれる。よって、Ｍｏ，Ｖの含有量は、ともに０．２〜０．４質量％とした。
【００３７】
また、基地形成混合粉末に占める、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末の質量比は６０％以下が好ましく、６０質量％を超えると基地のＭｏ鋼の部分が減少して耐摩耗性が低下する。また、マルテンサイト相が増大することにより加工性も低下する。
【００３８】
［黒鉛粉末］
Ｃを基地を形成する合金粉末に固溶させて与えた場合、合金粉末が固くなって圧縮性が低下するので、黒鉛粉末の形態で添加する。黒鉛粉未の形態で添加されたＣは、基地を強化するとともに、耐摩耗性を向上させる。Ｃの添加量が０．３５質量％未満であると基地組織に耐摩耗性、強度ともに低いフェライトが残留するようになり、０．９５質量％を超えると粒界にセメンタイトが析出し始めて強度が低下する。よって、添加する黒鉛は、予備混合粉の重量に対して０．３５〜０．９５質量％とした。
【００３９】
［第１硬質相形成粉末］
第１硬質相形成粉末による第１硬質相は、Ｍｏ珪化物の粒子群がＮｉとＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に分散する形態を呈し、耐摩耗性の向上に寄与する。
【００４０】
第１硬質相形成粉末中のＭｏは、主にＳｉと結合して硬質なＭｏ珪化物を形成し、第１硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、基地に拡散して第１硬質相を基地に強固に固着する働きも有する。Ｍｏの含有量が第１硬質相形成粉末の組成で１０質量％未満であると、十分な量の珪化物が析出せず、５０質量％を超えると形成される珪化物の量が増加して脆い硬質相となるため、使用時に一部が欠けて研摩粉として作用し、逆に摩耗を増大させてしまう。よって、Ｍｏの含有量は１０〜５０質量％とした。
【００４１】
第１硬質相形成粉末中のＳｉは、上記のようにＭｏと結合して硬質なＭｏ珪化物を形成し、第１硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。第１硬質相形成粉末中のＳｉの含有量が、粉末の組成で０．５質量％未満であると、十分な量の珪化物が析出されず、１０質量％を超えると粉末が硬くなって圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。よって、Ｓｉの含有量は０．５〜１０質量％とした。
【００４２】
第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉは、少なくとも一方が添加され、第１硬質相中のＭｏ珪化物のマトリックスを強化し、第１硬質相の硬さの向上に働くとともに、Ｍｏ珪化物の脱落を防止する働きを持つ。さらに、基地組織に拡散することにより基地組織との固着性を向上させる働きを持つ。これらの働きにより、耐摩耗性の向上に寄与する。第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉの含有量は、それぞれ粉末の組成で０．５質量％未満であると、上記効果が不十分となる。また、Ｃｒの場合は、１０％を超えると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。また、Ｎｉの場合は、１０％を超えると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、マトリックスがオーステナイト化することにより耐摩耗性に悪影響を及ぼす。よって、第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉの含有量はそれぞれ０．５〜１０％とした。
【００４３】
以上の組成を有する第１硬質相形成粉末は、添加量が混合粉全体の重量に対して５質量％未満であると、第１硬質相の形成量が不十分で耐摩耗性の向上に寄与しない。硬質相形成粉末として第１硬質相形成粉末のみを使用した本発明の第１の耐摩耗性焼結合金の場合には、第１硬質相形成粉末の添加量が混合粉全体の重量に対して３０質量％を超えると、硬質であるが靭性の乏しい相が増加することによる材料強度の低下および圧縮性の低下等の不具合が生じる。また、硬質相形成粉末として第１硬質相形成粉末に加えて、後述する第２硬質相形成粉末を使用した本発明の第２の耐摩耗性焼結合金の場合には、２種の硬質相形成粉末の相乗効果により、第１硬質相形成粉末の添加量が混合粉全体の重量に対して２５質量％を超えると、上述した不具合が生じる。
【００４４】
［第２硬質相形成粉末］
第２硬質相形成粉末は、本発明の第２焼結合金の基地組織中に、Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相を分散させるために使用する。
【００４５】
第２硬質相形成粉末中のＣｒは、第２硬質相形成粉末中のＣとＣｒ炭化物を形成し、第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、Ｃｒの一部は基地に拡散し、基地や第２硬質相の強化に働くことにより焼結合金全体の耐摩耗性向上に寄与する。さらに第２硬質相の周囲のＣｒ濃度が高い部分では、フェライト相を形成し、バルブ着座時の衝撃を緩衝する効果に寄与する。第２硬質相形成粉末中のＣｒの含有量は、粉末の組成で４質量％未満であると、形成するＣｒ炭化物の量が不十分で耐摩耗性に寄与しなくなる。また、２５質量％を超えると、形成する炭化物の量が多くなるので、相手部品の摩耗を促進するようになるとともに、粉末の硬さが増大して圧縮性が損なわれる。また、フェライトとオーステナイトの混合相の量が増加することにより耐摩耗性も低下する。よって、第２硬質相形成粉末中のＣｒの含有量は４〜２５質量％とした。
【００４６】
第２硬質相形成粉末中のＣは、上記ＣｒとＣｒ炭化物を形成し、第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。Ｃの含有量は、粉末の組成で０．２５質量％未満では炭化物の形成量が不十分で耐摩耗性の向上に寄与せず、２．４質量％を超えると、形成する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進するとともに、粉末の硬さが増大して圧縮性が低下する。よって、第２硬質相形成粉末中のＣの含有量は０．２５〜２．４質量％とした。
【００４７】
上記の第２硬質相形成粉末に、さらに、質量比で、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％およびＷ：１．０〜５．０の少なくとも１種以上を含有させると、第２硬質相の耐摩耗性向上の効果をさらに高めることができる。
【００４８】
Ｍｏの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと炭化物を形成し、上記のＣｒ炭化物とともに第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、炭化物を形成しなかったＭｏは第２硬質相中に固溶し第２硬質相の高温硬さ、高温強度を向上させる働きをする。第２硬質相形成粉末中のＭｏの含有量は、粉末の組成で０．３質量％未満であると上記効果が不十分となり、３質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００４９】
Ｖの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相形成粉末中のＶの含有量は、粉末の組成で０．２質量％未満であると上記効果が不十分となり、２．２質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００５０】
Ｗの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相形成粉末中のＷの含有量は、粉末の組成で１．０質量％未満であると上記効果が不十分となり、５．０質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００５１】
以上の組成を有する第２硬質相形成粉末の添加量は、混合粉末全体の重量に対して５質量％未満であると、形成する硬質相の量が不十分で耐摩耗性に寄与せず、３０質量％を超えて添加しても耐摩耗性のより一層の向上は得られないばかりでなく、軟質で基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相の量が増加することによる材料強度の低下、圧縮性の低下等の不具合が生じる。よって、混合粉末全体の重量の５〜３０質量％とした。
【００５２】
［被削性改善物質］
上記の本発明の第１または２の耐摩耗性焼結合金の全体組成に、被削性改善物質を０．３〜２．０質量％追加して、基地中に分散させると好適である。被削性改善物質としては、鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、窒化硼素、弗化カルシウム、メタ珪酸マグネシウム系鉱物のうちの１種もしくは２種以上が挙げられる。被削性改善物質を基地中に分散させることによって切削加工の際に切屑のブレーキングの起点となり、焼結合金の被削性を改善することができる。
【００５３】
このような被削性改善物質は、鉛粉末、二硫化モリブデン粉末、硫化マンガン粉末、窒化硼素粉末、弗化カルシウム粉末、メタ珪酸マグネシウム系鉱物粉末のうち、１種もしくは２種以上からなる被削性改善物質粉末を、混合粉末に対して０．３〜２．０質量％添加することで得られる。被削性改善物質の含有量すなわち被削性改善物質粉末の添加量が、０．３質量％未満であるとその効果が不十分であり、２．０質量％を超えると焼結の進行が阻害されて焼結合金の強度が低下する。よって、被削性改善物質の含有量（被削性改善物質粉末の添加量）は０．３〜２．０質量％とした。
【００５４】
［鉛、鉛合金、銅、銅合金、アクリル樹脂］
上記の耐摩耗性焼結合金の気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、アクリル樹脂の１種を充填すると好適である。これらも被削性改善物質であり、特に、気孔を有する焼結合金を切削すると断続切削となるが、上記物質を気孔中に充填することによって連続切削となり、工具の刃先への衝撃が緩和される。また、鉛もしくは鉛合金は固体潤滑材としても機能する他、銅もしくは銅合金は熱伝導性が高いので熱のこもりを防止し、熱による刃先のダメージを軽減する機能があり、アクリル樹脂は切屑のチップブレーキングの起点となる機能がある。
【００５５】
この被削性改善物質の充填は、上記の耐摩耗性焼結合金の製造方法により得られた耐摩耗性焼結合金の気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、アクリル樹脂の１種を溶浸もしくは含浸することにより得られる。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
［第１実施例］
表１に示す組成の基地形成粉末、第１硬質相形成粉末を用い、黒鉛粉末とともに表１に示す配合比で混合し、表２に示す全体組成の粉末（試料番号Ｇ０１〜Ｇ５１）を作製した。次いで、これら混合粉末を成形圧力６．５ｔｏｎ／ｃｍ２で外径：５０ｍｍ、内径：４５ｍｍ、高さ：１０ｍｍのバルブシート形状に圧縮成形し、この成形体をアンモニア分解ガス雰囲気中１１３０℃で６０分間焼結して焼結合金試料を得た。なお、試料番号Ｇ５２の合金は、従来例で挙げた特公平５−５５５９３号公報に開示される合金である。
【００５７】
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
試料番号Ｇ０１〜Ｇ５２の試料について、Ｍｏ珪化物の粒子群の面積比の測定および簡易摩耗試験を行った結果を表３および図３〜図１０に示す。なお、Ｍｏ珪化物の粒子群の面積率は、組織観察可能なように、断面をナイタールで腐食した試料について、Ｍｏ珪化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計を画像解析装置（キーエンス社製）を用いて測定した（以下、単に面積比と略す）。また、簡易摩耗試験は、アルミ合金製ハウジングにバルブシート形状に加工した焼結合金試料を圧入嵌合し、バルブをモータ駆動による偏心カムの回転で上下ピストン運動させることにより、バルブのフェース面とバルブシートのシート面とを繰り返し衝突させる試験である。また、この試験での温度の設定は、バルブの傘をバーナーで加熱することにより行い、簡易的にエンジン室内での使用環境を模した試験とした。今回の試験では、偏心カムの回転数を２８００ｒｐｍ、バルブシート部分の試験温度を３００℃、繰り返し時間を１０時間に設定し、試験後のバルブシートおよびバルブの摩耗量を測定して評価を行った。
【００６０】
【表３】
【００６１】
次に、表３および図３〜図１０を参照して上記試験結果を考察し、本発明の効果を明らかにする。図３は、表３の試料番号Ｇ０１〜Ｇ０７を比較して基地形成粉末中のＭｏ量の影響を示したものである。図４によると、Ｍｏ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｍｏが０．８質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｍｏが４．２質量％を超えると、粉末の圧縮性が低下する結果、強度が低下して耐摩耗性も低下することが判る。
【００６２】
図４は、表３の試料番号Ｇ０５、Ｇ０８〜Ｇ１３を比較して第１硬質相形成粉末中のＭｏ量の影響を示したものである。図４によると、Ｍｏ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｍｏが１０質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｍｏが５０質量％を超えると、形成されるＭｏ珪化物の量が増加して脆い硬質相となるため、使用時に一部が欠けて研摩粉として作用し、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６３】
図５は、表３の試料番号Ｇ０５、Ｇ１４〜Ｇ２０を比較して第１硬質相形成粉末中のＳｉ量の影響を示したものである。図５によると、Ｓｉ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｓｉが０．５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｓｉが１０質量％を超えると、粉末が硬くなって圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なうとともに、形成されるＭｏ珪化物の量が増加して脆い硬質相となるため、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６４】
図６は、表３の試料番号Ｇ２１〜Ｇ２９を比較して第１硬質相形成粉末中のＣｒ量の影響を示したものである。図６によると、Ｃｒ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｃｒが０．５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｃｒが１０質量％を超えると、粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なうため、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６５】
図７は、表３の試料番号Ｇ２１、Ｇ３０〜Ｇ３７を比較して第１硬質相形成粉末中のＮｉ量の影響を示したものである。図７によると、Ｎｉ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｎｉが０．５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｎｉが１０質量％を超えると、粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、マトリックスがオーステナイト化したため、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６６】
図８は、Ｇ０５、Ｇ２１、Ｇ２５、Ｇ２８、Ｇ３３、Ｇ３６、Ｇ３８を比較したもので第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉの含有量の影響を示している。図８によると、第１硬質相にＣｒおよびＮｉのいずれも含まない試料Ｇ２１に対し、第１硬質相にＣｒまたはＮｉを含有させた試料Ｇ２５、Ｇ３３およびＧ２８、Ｇ３６は、それぞれ耐摩耗性が向上し、第１硬質相にＣｒとＮｉを含有させたＧ０５およびＧ３８では一層の耐摩耗性向上の効果が確認された。
【００６７】
図９は、表３の試料番号Ｇ０５、Ｇ３９〜Ｇ４５を比較して第１硬質相形成粉末の添加量の影響を示したものである。図９によると、第１硬質相形成粉末の増加にともない耐摩耗性が向上し、第１硬質相形成粉末が５．０質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、第１硬質相形成粉末が３０質量％を超えると、硬質であるが靭性の乏しい相が増加することにより、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６８】
また、第１硬質相形成粉末の添加量が５．０質量％のとき、焼結後の試料の第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比は３％で、第１硬質相形成粉末の添加量が３０質量％のときＭｏ珪化物群の面積比は３０％であることから、第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比としては、３〜３０％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００６９】
図１０は、表３の試料番号Ｇ０５，Ｇ４６〜Ｇ５１を比較することにより、黒鉛粉末の添加量の影響を示したものである。図１０によると、黒鉛粉末の増加にともない耐摩耗性が向上し、黒鉛粉末が０．３５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、黒鉛粉末が０．９５質量％を超えると、粒界にセメンタイトが析出し始めて逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００７０】
［第２実施例］
第１実施例で用いたＭｏ含有量が３質量％で残部がＦｅおよび不可避不純物の基地形成合金粉末と、表４に示す組成の第１硬質相形成粉末および第２硬質相形成粉末を用意し、黒鉛粉末とともに表４に示す配合比で混合し、得られた混合粉末を第１実施例と同様の条件で成形および焼結して、表５に示す全体組成の試料番号Ｇ５３〜Ｇ６９の試料を作製し、第１実施例と同じ条件でＭｏ珪化物群の面積比とＣｒ炭化物群の面積比の測定および簡易摩耗試験を行った。その結果を表６および図１１〜図１４に示す。
【００７１】
【表４】
【００７２】
【表５】
【００７３】
図１１は、表６の試料番号Ｇ５３〜Ｇ５８を比較することにより、第２硬質相形成粉末の添加量が１０質量％の場合における、第１硬質相形成粉末の添加量の影響を示したものである。図１１によると、第１硬質相形成粉末の増加にともない耐摩耗性が向上し、第１硬質相形成粉末が５．０質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、第１硬質相形成粉末が２５質量％を超えると、硬質であるが靭性の乏しい相が増加することにより、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００７４】
【表６】
【００７５】
また、第１硬質相形成粉末の添加量が５．０質量％のとき、焼結後の試料の第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比は３％で、第１硬質相形成粉末の添加量が２５質量％のときＭｏ珪化物群の面積比は２５％であることから、第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比としては、３〜２５％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００７６】
図１２は、図１０に示した第１実施例（第２硬質相を含有しない場合）の試料番号Ｇ０５、Ｇ３９〜Ｇ４５と、図１２に示したＧ５３〜Ｇ５８（第２硬質相を含有する場合）の試料の合計摩耗量を比較したものである。図１２より、第１硬質相に加えて第２硬質相を分散させると耐摩耗性が向上することが判る。ただし、その場合においては、相乗効果により第１硬質相形成粉末の添加量は、２５質量％までが有効であることが判る。また、図５〜図８で、第２硬質相が共存しない場合、第１硬質相形成粉末中にＣｒおよび／またはＮｉを含有しないと耐摩耗性が低下することを明らかにしたが、第２硬質相が共存する場合、第１硬質相中に予めＣｒおよび／またはＮｉを含有させなくても耐摩耗性が良好であることが判る。これは、第２硬質相に含有されるＣｒが拡散して第１硬質相の基地を強化するためと考えられる。
【００７７】
図１３は、表６の試料番号Ｇ５９〜Ｇ６５を比較することにより、第１硬質相の添加量が１５質量％の場合における第２硬質相形成粉末の添加量の影響を示したものである。なお、比較のために第２硬質相形成粉末を添加していない試料番号Ｇ０５の結果もプロットした。図１３に示すように、従来材（Ｇ５２）と比較すると、第２硬質相形成粉末の増加にともない耐摩耗性が大幅に向上している。一方、第２硬質相形成粉末が３０質量％を超えると、軟質で基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相の量が増加することにより、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００７８】
また、第２硬質相形成粉末の添加量が５．０質量％のとき、焼結後の試料の第２硬質相のＣｒ炭化物群の面積比は３％で、第２硬質相形成粉末の添加量が３０質量％のときＣｒ炭化物群の面積比は３０％であることから、第２硬質相のＣｒ炭化物物群の面積比としては、３〜３０％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００７９】
図１４は、表６の試料番号Ｇ６０、Ｇ６６〜Ｇ６９を比較することにより、第２硬質相形成粉末中へのＭｏ、Ｖ、Ｗの含有の影響を示したものである。図１４より、第２硬質相中にＭｏ、Ｖ、Ｗのうち一種以上を含有させることにより、含有させない場合（Ｇ６０）よりも耐摩耗性の向上が図れることが判る。
【００８０】
［第３実施例］
第１および第２実施例で基地形成合金粉末として用いた、組成が、質量比で、Ｍｏ：３％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物のＦｅ−Ｍｏ合金粉末を用意するとともに、組成が、重量比で、Ｃｒ：３％、Ｍｏ：０．３％、Ｖ：０．３％、Ｆｅおよび不可避不純物のＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を用意し、さらに、第２実施例で用いた、組成が、質量比で、Ｍｏ：３５％、Ｓｉ：１．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物の第１硬質相形成粉末と、組成が、質量比でＣｒ：１２％、Ｃ：１．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物の第２硬質相形成粉末と、黒鉛粉末を用意し、これらの粉末を表７に示す配合比で混合し、得られた混合粉末を第１実施例と同様の条件で成形および焼結して、表８に示す全体組成の試料番号Ｇ７０〜Ｇ７５の試料を作製し、第１実施例と同じ条件で簡易摩耗試験を行った。その結果を表９および図１５に示す。
【００８１】
【表７】
【００８２】
【表８】
【００８３】
【表９】
【００８４】
図１５は、基地としてＦｅ−Ｍｏ合金粉末にＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を添加する場合のＦｅ−Ｃｒ系合金粉末の添加量の影響を示したもので、比較のため、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末を用いない実施例２のＧ５６の結果もプロットした。図１５に示すように、基地にＦｅ−Ｃｒ系合金を添加することにより、その添加量が６０質量％までは、耐摩耗性改善に効果があることが判る。ただし、６０質量％を超えると、従来材と同等の摩耗量となるため、耐摩耗性改善のためのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末の使用は６０質量％以下に止めるべきである。
【００８５】
［第４実施例］
第２実施例で作製した試料番号Ｇ６０の混合粉末に、被削性改善物質粉末をさらに混合して第１実施例と同じ条件で成形、焼結して試料番号Ｇ７９〜Ｇ８５の試料を得た。第３実施形態における基地形成粉末（Fe-3Mo合金粉末）、第１硬質相形成粉末（Fe-35Mo-1.5Si-3.5Cr-3Ni合金粉末）、第２硬質相形成粉末（Fe-12Cr-1.5C合金粉末）、黒鉛粉末、および各種被削性改善物質粉末の種類および配合比を表１０に、焼結合金試料の全体組成を表１２に示す。また、試料番号Ｇ７４，７５の焼結合金の気孔には、アクリル樹脂または鉛を充填した。これら焼結合金試料について第１実施例と同じ条件で簡易摩耗試験を行った。また、第３実施例では、被削性試験も行った。被削性試験は、卓上ボール盤を使用して一定の荷重でドリルで試料に穴をあけ、その可能な加工数を比較する試験であり、今回の試験では荷重は１．３kｇ、使用ドリルはφ３超硬ドリル、試料の厚さを５ｍｍに設定して行った。その結果を表１３および図１６，図１７に示す。
【００８６】
【表１０】
【００８７】
【表１１】
【００８８】
【表１２】
【００８９】
図１６は、被削性改善物質粉末（ＭｏＳ２粉末）の添加量の影響を示したものである。なお、比較のために被削性改善物質粉末を用いていない試料番号Ｇ６０の結果もプロットした。図１６に示すように、被削性改善物質粉末を添加した焼結合金試料では、試料番号Ｇ６０に比べて加工孔数が多く、しかも被削性改善物質粉末の添加量の増加にともなって増加し、被削性が向上することが判る。ただし、被削性改善物質粉末の添加量が２．０質量％を超える試料番号Ｇ８５では、焼結の進行が阻害されて焼結合金の強度が低下した結果、それに伴って摩耗の急激な進行が認められる。
【００９０】
図１７は、被削性改善物質粉末の添加量を一定（１質量％）としたときに、被削性改善物質の種類の影響を示したものである。図１７に示すように、被削性改善物質としてＭｏＳ２に変えてＭｎＳ、ＢＮ、Ｐｂ、ＣａＦおよびＭｇＳｉＯ４を用いても同様に被削性改善の効果があることが確認された。また、被削性改善手法として、アクリル樹脂、Ｐｂを気孔中に充填することも効果があることが確認された。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｆｅ基の基地組織中に特定の組織からなる第１硬質相を適当な割合で分散させたので、Ｃｏ基の硬質相を用いることなく従来材と同等以上の耐摩耗性が発揮される耐摩耗性焼結合金を得ることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の耐摩耗性焼結合金の金属組織を模式的に表す図である。
【図２】本発明に係る第２の耐摩耗性焼結合金の金属組織を模式的に表す図である。
【図３】本発明の第１実施例において、基地形成粉末中のＭｏ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図４】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＭｏ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図５】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＳｉ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図６】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＣｒ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図７】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＮｉ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図８】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中の追加成分の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図９】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１０】本発明の第１実施例において、黒鉛粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１１】本発明の第２実施例において、第１硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１２】本発明の第２実施例において、第１硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１３】本発明の第２実施例において、第２硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１４】本発明の第２実施例において、第２硬質相形成粉末中の追加成分の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１５】本発明の第３実施例において、基地形成混合粉末中のＦｅ−Ｃｒ系合金粉末の添加量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１６】本発明の第４実施例において、被削性改善物資粉末の添加量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１７】本発明の第４実施例において、被削性改善物資粉末の種類と摩耗量との関係を示す線図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温における耐摩耗性に優れた耐摩耗性焼結部材および製造方法に係り、主として内燃機関用のバルブシートに用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンの高性能化、高出力化に対応するために、バルブシート用焼結合金には高温耐摩耗性、高温強度が求められ、本出願人も、特許第１０４３１２４号で登録された製法による耐摩耗性焼結合金（特公昭５５−３６２４号）等を開発してきた。さらに、近年のより一層の高性能化、高出力化、特に、希薄燃焼化による燃焼温度の高温化に対応し、より高温耐摩耗性、高温強度に優れた特公平５−５５５９３号および特開平７−２３３４５４号公報等で開示される耐摩耗性焼結合金を開発してきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の材料は、高温時の性能を向上させるために硬質相として高価なＣｏ基のものを採用していることから、高価であるといった欠点があった。
【０００４】
そこで本発明は、Ｃｏ基の硬質相を用いることなく従来材と同等の耐摩耗性が発揮され得る耐摩耗性焼結部材およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
［本発明の第１の耐摩耗性焼結合金］
上記課題を解決するために本発明の第１の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｍｏ：１．２５〜１７．９３％、Ｓｉ：０．０２５〜３．０％、Ｃ：０．３５〜０．９５％と、Ｎｉ：０．０２５〜３．０％とＣｒ：０．０２５〜３．０％のうち少なくとも１種以上、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、基地がベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織であり、Ｍｏ珪化物の粒子群がＮｉおよびＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に分散する第１硬質相が前記基地中に分散する組織を呈するとともに、第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が基地中に基地組織全体の面積に対する面積比で３〜３０％存在する焼結合金で構成することを特徴とする。
【０００６】
図１に本発明の第１の耐摩耗性焼結合金の金属組織の模式図を示す。図２のように、本発明の第１の耐摩耗性焼結合金は、Ｍｏ珪化物等が分散する硬質相をＮｉおよび／またはＣｒで強化したとともに、基地の組成をＭｏ：０．８〜４．２質量％、Ｃ：０．３５〜０．９５質量％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、基地組織をベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織としたことで、基地の強度と耐摩耗性を向上させて、第１硬質相のみで耐摩耗性を確保したものである。
【０００７】
第１の硬質相は、ＮｉとＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に、Ｍｏ珪化物が分散したもので、一部にＭｏ珪化物以外の、Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉの複合珪化物や、これらの元素の金属間化合物が分散してもよい。Ｍｏ珪化物は硬く、耐摩耗性焼結部材の耐摩耗性を高める効果とともに、固体潤滑性を有し、相手材を攻撃して摩耗させる作用（相手攻撃性）が低い。第１硬質相の合金基地中に分散したＭｏ珪化物の粒子群は、その粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３％未満であると耐摩耗性向上の効果に乏しい。また、第２硬質相を有さないことから第１硬質相の上限は、後述する第２の耐摩耗性焼結合金よりも高いが、その粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３０％を超えると相手攻撃性が高まり相手材を摩耗させることとなる。
【０００８】
また、基地組織は、強度が高く、マルテンサイトに次いで硬い、耐摩耗性に優れたベイナイトの単相組織、もしくは最も硬さの高い組織であるが相手攻撃性が高いマルテンサイトと、前述のベイナイトととの混合組織とすることでマルテンサイトの相手攻撃性を緩和し、適度の硬さとして耐摩耗性を向上させたベイナイトとマルテンサイトの混合組織で構成されている。本発明品基地はＭｏを含んでいるため、微細なＭｏ炭化物が析出して、これも耐摩耗性を向上させている。
【０００９】
［本発明の第２の耐摩耗性焼結合金］
第２の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｍｏ：１．０１〜１５．４３％、Ｓｉ：０．０２５〜２．５％、Ｃ：０．３６〜１．６７％、Ｃｒ：０．２〜７．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、基地がベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織で、Ｍｏ珪化物の粒子群がＦｅ基合金基地中に分散する第１硬質相と、Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相とが前記基地中に分散する組織を呈するとともに、基地中に、第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群が面積比で５〜２５％、第２硬質相のＣｒ炭化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が、基地組織全体の面積に対する面積比で５〜３０％存在する焼結合金で構成することを特徴とする。
【００１０】
図２に本発明の第２の耐摩耗性焼結合金の模式図を示す。図２より、第２の耐摩耗性焼結合金は、上述の第１の耐摩耗性焼結合金に、さらにＣｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相を分散させたもので、第２硬質相を分散させるため、第１硬質相の上限を面積比で２５％に限定したものである。
【００１２】
なお、第２焼結合金においては、全体組成で、さらに、Ｎｉ：０．０２５〜２．５質量％および追加としてのＣｒ：０．０２５〜２．５質量％のうち少なくとも１種以上を上記第１硬質相に含有させ、第１硬質相の合金基地をＮｉおよびＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅと合金とすると好適である。第１硬質相の合金基地を強化して第１硬質相の耐摩耗性をより向上させることができる。また、第１硬質相の合金基地のＮｉ，Ｃｒは、その周囲の基地に拡散して第１硬質相の基地への固着をより一層強化する働きも有する。
【００１３】
第２硬質相は、Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲むもので、第２硬質相のＣｒ炭化物は硬質であり耐摩耗性に寄与するとともに、周囲の軟質な基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相は、Ｃｒ炭化物を強固に固着するとともに、例えばバルブシートとして用いる場合、相手材であるバルブの着座時に緩衝材として作用して相手材との衝撃を吸収する効果を有する。
【００１４】
第２硬質相のＣｒ炭化物の粒子群は、その粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３％未満であると耐摩耗性向上の効果に乏しく、粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３０％を超えると相手攻撃性が高まり相手材を摩耗させることとなる。また、第２硬質相と共存するとき、第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群がその粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で２５％を超えると、硬質相全体としての相手攻撃性が高まるので、粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で２５％を上限とした。なお、第２焼結合金においても、第１硬質相の機能を発揮するために、Ｍｏ珪化物の粒子群はその粒子群の外郭より内側の面積の合計の面積比で３％以上とした。
【００１５】
上記第１または第２の耐摩耗性焼結合金の第１硬質相のＭｏ珪化物の粒子群の硬さは、ＭＨＶ６００〜１４００の範囲であるとさらに好適である。Ｍｏ珪化物の硬さが乏しいと耐摩耗性向上の効果が不十分となり、過度に硬くなると相手攻撃性が高まり、相手部品の摩耗を促進する。よって、Ｍｏ珪化物からなる第１硬質相の硬さはＭＨＶ６００〜１４００が適当である。
【００１６】
［本発明の耐摩耗性焼結合金の各成分元素］
Ｍｏ：Ｍｏは、上記したＭｏ珪化物を形成して、耐摩耗性に優れた第１硬質相の形成に寄与する。また、上記珪化物の形成の他、基地に固溶して基地を固溶強化するとともに、基地組織をベイナイト相またはベイナイトとマルテンサイトの混合相として、基地の耐摩耗性向上に寄与する。Ｍｏ量が乏しいと、基地の強化作用やＭｏ珪化物析出量が乏しくなり耐摩耗性向上の効果が乏しく、過多なＭｏ量は、Ｍｏ珪化物析出量が多くなったり、基地組織が硬くなり過ぎたりして相手攻撃性が高くなって相手材の摩耗が増加することとなる。そのため、Ｍｏ量は、本発明第１の耐摩耗性焼結合金の場合１．２５〜１７．９３質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合１．０〜１５．４３質量％が適当である。
【００１７】
Ｓｉ：Ｓｉは、Ｍｏと化合し、第１硬質相の硬質なＭｏ珪化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。Ｓｉ量が乏しいと十分な量の珪化物が析出せず、過多なＳｉ量は粉末が硬くなって圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。そのため、Ｓｉ量は、本発明第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜２．５質量％が適当である。
【００１８】
Ｃｒ：Ｃｒは後述するＮｉとともに第１硬質相に選択的に与えられ、第２の耐摩耗性焼結合金においては第２硬質相にも与えられる。
【００１９】
第１硬質相におけるＣｒは、第１硬質相の合金基地を強化し、第１硬質相の硬さを向上させて耐摩耗性の向上に働くとともに、Ｍｏ珪化物の脱落を防止する働きを持つ。さらに、基地組織に拡散することにより基地組織との固着性を向上させる働きを持つ。これらの働きにより、耐摩耗性の向上に寄与する。第１硬質相として与えられるＣｒが乏しいと硬質相中で働く上記効果が不十分となり、Ｃｒが過多であると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。よって、第１硬質相として与えられるＣｒ量は、全体組成で、第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜２．５質量％が適当である。
【００２０】
第２硬質相におけるＣｒは、Ｃｒ炭化物からなる硬質相を核とする第２硬質相を形成して耐摩耗性をさらに向上させる。また、第２硬質相から基地に拡散したＣｒは、硬質相と基地との結合を強固にするとともに、基地組織や第１硬質相のマトリックスをさらに強化し、焼入性をさらに向上させる働きがある。さらに、第２硬質相の周囲のＣｒ濃度が高い部分はフェライトを形成し、バルブ着座時の衝撃を緩衝する効果、および摩擦摺動面でのＣｒ炭化物等の硬質成分の脱落を防止する効果がある。第２硬質相として与えられるＣｒ量が乏しいと硬質相中で働く上記効果が不十分となり、過多であると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。よって第２硬質相として与えられるＣｒ量は、全体組成で、０．２〜７．５質量％が適当である。
【００２１】
よって、Ｃｒ量は、本発明の第１の耐摩耗性焼結合金では、第１硬質相の形成元素として選択される場合において０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金では、第１硬質相の形成元素として選択しない場合において０．２〜７．５質量％、第１硬質相の形成元素として選択される場合において０．２２５〜１０質量％が適当である。
【００２２】
Ｎｉ：Ｎｉは、上記のＣｒと選択的に使用され、第１硬質相の合金基地を強化し、第１硬質相の硬さを向上させて耐摩耗性の向上に働くとともに、Ｍｏ珪化物の脱落を防止する働きを持つ。さらに、基地組織に拡散することにより基地組織との固着性を向上させる働きを持つ。これらの働きにより、耐摩耗性の向上に寄与する。Ｎｉの含有量が乏しいと上記効果が不十分となり、過多であると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、マトリックスがオーステナイト化することにより耐摩耗性に悪影響を及ぼす。よって、Ｎｉ量は第１硬質相の形成元素として選択される場合において、第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．０２５〜３．０質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合、０．０２５〜２．５質量％が適当である。
【００２３】
Ｃ：Ｃは基地の強化に働くとともに、耐摩耗性の向上に寄与する。また、第２の耐摩耗性焼結合金においては、Ｃｒ炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する作用を有する。基地に含有するＣ量が０．３５％未満では基地組織に耐摩耗性、強度ともに低いフェライトが残留するようになり、０．９５％を超えると粒界にセメンタイトが析出し始めて強度が低下する。よって、基地に含有するＣ量は０．３５〜０．９５質量％とする。また、第２硬質相におけるＣの含有量が、全体組成中で、０．０１％未満では炭化物の形成が不十分となって耐摩耗性の向上が不十分になる。一方、Ｃの含有量が、全体組成中で、０．７２％を超えると、形成する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。また、粉末が硬くなることにより圧縮性が低下し、基地強度が低下して耐摩耗性が低下する。よって、Ｃの含有量は第１の耐摩耗性焼結合金の場合０．３５〜０．９５質量％、第２の耐摩耗性焼結合金の場合０．３６〜１．６７質量％とした。
【００２４】
上記第２の耐摩耗性焼結合金においては、第２硬質相に、全体組成中の質量比で、Ｍｏ：０．０９〜０．１５％、Ｖ：０．０１〜０．６６％およびＷ：０．０５〜１．５％のうち少なくとも１種以上をさらに含有させると第２硬質相の耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００２５】
Ｍｏの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと炭化物を形成し、上記のＣｒ炭化物とともに第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、炭化物を形成しなかったＭｏは第２硬質相中に固溶し第２硬質相の高温硬さ、高温強度を向上させる働きをする。第２硬質相のＭｏは、全体組成で０．０９質量％未満であると上記効果が不十分となり、０．１５質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００２６】
Ｖの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相のＶは、全体組成で０．０１質量％未満であると上記効果が不十分となり、０．６６質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００２７】
Ｗの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相のＷは、全体組成で０．０５質量％未満であると上記効果が不十分となり、１．５質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００２８】
以上の本発明の耐摩耗性焼結合金は、Ｃｏ基の硬質相を用いておらず安価であり、従来材と同等以上の耐摩耗性を有する。
【００２９】
［耐摩耗性焼結合金の第１の製造方法］
本発明の耐摩耗性焼結合金の第１の製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の基地形成合金粉末に、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、Ｃｒ：０．５〜１０％とＮｉ：０．５〜１０％のうち少なくとも１種、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の第１硬質相形成粉末を５〜３０％、および黒鉛粉末０．３５〜０．９５％を配合し混合した混合粉末を用い、所定形状に圧縮成形した後、焼結することを特徴とする。また、焼結条件としては、一般に用いられる、１１００〜１２００℃、および３０分〜２時間が適当である。
【００３０】
［耐摩耗性焼結合金の第２の製造方法］
本発明の耐摩耗性焼結合金の第２の製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の基地形成合金粉末に、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、所望により、さらに、Ｎｉ：０．５〜１０％とＣｒ：０．５〜１０％の少なくとも１種以上、および残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる第１硬質相形成粉末を５〜２５％、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、所望により、さらに、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％、Ｗ：１．０〜５．０％のうち１種または２種以上、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる第２硬質相形成粉末を５〜３０％、および黒鉛粉末０．３５〜０．９５％を配合し混合した混合粉末を用い、所定形状に圧縮成形した後、焼結することを特徴とする。
【００３１】
［耐摩耗性焼結部材の第３の製造方法］
本発明の耐摩耗性焼結部材の第３の製造方法は、上記第１および２の製造方法で用いた基地形成合金粉末に替えて、組成が、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ系合金粉末に、Ｃｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．２〜０．４％、Ｖ：０．２〜０．４％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を６０％以下添加混合した基地形成混合粉末を用いることを特徴とする。
【００３２】
以下、上記成分組成の数値限定の根拠について説明する。
［基地形成合金粉末（Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末）］
基地形成合金粉末（Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末）を用いた基地組織は、ベイナイトである。ベイナイトは硬さ、強度とも高い組織であり優れた耐摩耗性を持つ。また、本発明品基地はＭｏを含んでいるため、微細なＭｏ炭化物が析出して、これも耐摩耗性を向上させている。上記基地形成合金粉末は第１硬質相の固着性にも優れ、本発明合金の基地を構成する。さらに、第２硬質相を含有する場合には、第２硬質相から拡散したＣｒが基地の焼入れ性を向上させて、その部分はマルテンサイトが生成してベイナイトとマルテンサイトの混合相が形成されて、一層の耐摩耗性の向上が得られる。
【００３３】
Ｍｏ：Ｍｏは基地に固溶して基地を強化するとともに、基地組織の焼入れ性を改善する働きがあり、このような働きにより基地の強度と耐摩耗性の向上に寄与する。また、後述する第１硬質相形成粉末がＦｅ−Ｍｏ系であり、基地形成粉末も同じくＦｅ−Ｍｏ系であるため、第１硬質相形成粉末の基地への固着性が優れる。ただし、０．８質量％を下回ると基地強化が不充分になり、４．２質量％を超えて含有すると、粉末が固くなって圧縮性が損なう。よって、Ｍｏの含有量は０．８〜４．２質量％とした。
【００３４】
［基地形成混合粉末］
基地形成混合粉末は、上記基地形成合金粉末として用いたＦｅ−Ｍｏ系合金粉末にＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を最大６０質量％添加混合した混合粉末である。Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末を用いた部分は容易に酸化被膜を形成するため耐凝着性が向上し、金属接触が多く起こるようなエンジンにおける耐摩耗性向上に有効である。
【００３５】
Ｃｒ：Ｃｒは基地に固溶して基地を強化し、耐摩耗性を向上させるとともに、基地組織の焼入れ性を改善する元素である。Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末中に固溶して含有されるＣｒ量は、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末の重量に対して２質量％未満であると上記効果が不充分であり、４質量％を越えると粉末が固くなって圧縮性が損なわれるため、２〜４質量％とした。
【００３６】
Ｍｏ，Ｖ：Ｍｏ，Ｖは基地に固溶して基地を強化し、強度を向上させる働きがある。Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末中に固溶して含有されるＭｏ，Ｖの含有量は、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末の重量に対してともに０．２質量％未満であるとその効果が不充分であり、ともに０．４質量％を超えると、粉末が固くなって圧縮性が損なわれる。よって、Ｍｏ，Ｖの含有量は、ともに０．２〜０．４質量％とした。
【００３７】
また、基地形成混合粉末に占める、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末の質量比は６０％以下が好ましく、６０質量％を超えると基地のＭｏ鋼の部分が減少して耐摩耗性が低下する。また、マルテンサイト相が増大することにより加工性も低下する。
【００３８】
［黒鉛粉末］
Ｃを基地を形成する合金粉末に固溶させて与えた場合、合金粉末が固くなって圧縮性が低下するので、黒鉛粉末の形態で添加する。黒鉛粉未の形態で添加されたＣは、基地を強化するとともに、耐摩耗性を向上させる。Ｃの添加量が０．３５質量％未満であると基地組織に耐摩耗性、強度ともに低いフェライトが残留するようになり、０．９５質量％を超えると粒界にセメンタイトが析出し始めて強度が低下する。よって、添加する黒鉛は、予備混合粉の重量に対して０．３５〜０．９５質量％とした。
【００３９】
［第１硬質相形成粉末］
第１硬質相形成粉末による第１硬質相は、Ｍｏ珪化物の粒子群がＮｉとＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に分散する形態を呈し、耐摩耗性の向上に寄与する。
【００４０】
第１硬質相形成粉末中のＭｏは、主にＳｉと結合して硬質なＭｏ珪化物を形成し、第１硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、基地に拡散して第１硬質相を基地に強固に固着する働きも有する。Ｍｏの含有量が第１硬質相形成粉末の組成で１０質量％未満であると、十分な量の珪化物が析出せず、５０質量％を超えると形成される珪化物の量が増加して脆い硬質相となるため、使用時に一部が欠けて研摩粉として作用し、逆に摩耗を増大させてしまう。よって、Ｍｏの含有量は１０〜５０質量％とした。
【００４１】
第１硬質相形成粉末中のＳｉは、上記のようにＭｏと結合して硬質なＭｏ珪化物を形成し、第１硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。第１硬質相形成粉末中のＳｉの含有量が、粉末の組成で０．５質量％未満であると、十分な量の珪化物が析出されず、１０質量％を超えると粉末が硬くなって圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。よって、Ｓｉの含有量は０．５〜１０質量％とした。
【００４２】
第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉは、少なくとも一方が添加され、第１硬質相中のＭｏ珪化物のマトリックスを強化し、第１硬質相の硬さの向上に働くとともに、Ｍｏ珪化物の脱落を防止する働きを持つ。さらに、基地組織に拡散することにより基地組織との固着性を向上させる働きを持つ。これらの働きにより、耐摩耗性の向上に寄与する。第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉの含有量は、それぞれ粉末の組成で０．５質量％未満であると、上記効果が不十分となる。また、Ｃｒの場合は、１０％を超えると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なう。また、Ｎｉの場合は、１０％を超えると粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、マトリックスがオーステナイト化することにより耐摩耗性に悪影響を及ぼす。よって、第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉの含有量はそれぞれ０．５〜１０％とした。
【００４３】
以上の組成を有する第１硬質相形成粉末は、添加量が混合粉全体の重量に対して５質量％未満であると、第１硬質相の形成量が不十分で耐摩耗性の向上に寄与しない。硬質相形成粉末として第１硬質相形成粉末のみを使用した本発明の第１の耐摩耗性焼結合金の場合には、第１硬質相形成粉末の添加量が混合粉全体の重量に対して３０質量％を超えると、硬質であるが靭性の乏しい相が増加することによる材料強度の低下および圧縮性の低下等の不具合が生じる。また、硬質相形成粉末として第１硬質相形成粉末に加えて、後述する第２硬質相形成粉末を使用した本発明の第２の耐摩耗性焼結合金の場合には、２種の硬質相形成粉末の相乗効果により、第１硬質相形成粉末の添加量が混合粉全体の重量に対して２５質量％を超えると、上述した不具合が生じる。
【００４４】
［第２硬質相形成粉末］
第２硬質相形成粉末は、本発明の第２焼結合金の基地組織中に、Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相を分散させるために使用する。
【００４５】
第２硬質相形成粉末中のＣｒは、第２硬質相形成粉末中のＣとＣｒ炭化物を形成し、第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、Ｃｒの一部は基地に拡散し、基地や第２硬質相の強化に働くことにより焼結合金全体の耐摩耗性向上に寄与する。さらに第２硬質相の周囲のＣｒ濃度が高い部分では、フェライト相を形成し、バルブ着座時の衝撃を緩衝する効果に寄与する。第２硬質相形成粉末中のＣｒの含有量は、粉末の組成で４質量％未満であると、形成するＣｒ炭化物の量が不十分で耐摩耗性に寄与しなくなる。また、２５質量％を超えると、形成する炭化物の量が多くなるので、相手部品の摩耗を促進するようになるとともに、粉末の硬さが増大して圧縮性が損なわれる。また、フェライトとオーステナイトの混合相の量が増加することにより耐摩耗性も低下する。よって、第２硬質相形成粉末中のＣｒの含有量は４〜２５質量％とした。
【００４６】
第２硬質相形成粉末中のＣは、上記ＣｒとＣｒ炭化物を形成し、第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。Ｃの含有量は、粉末の組成で０．２５質量％未満では炭化物の形成量が不十分で耐摩耗性の向上に寄与せず、２．４質量％を超えると、形成する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進するとともに、粉末の硬さが増大して圧縮性が低下する。よって、第２硬質相形成粉末中のＣの含有量は０．２５〜２．４質量％とした。
【００４７】
上記の第２硬質相形成粉末に、さらに、質量比で、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％およびＷ：１．０〜５．０の少なくとも１種以上を含有させると、第２硬質相の耐摩耗性向上の効果をさらに高めることができる。
【００４８】
Ｍｏの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと炭化物を形成し、上記のＣｒ炭化物とともに第２硬質相の核となって耐摩耗性の向上に寄与する。また、炭化物を形成しなかったＭｏは第２硬質相中に固溶し第２硬質相の高温硬さ、高温強度を向上させる働きをする。第２硬質相形成粉末中のＭｏの含有量は、粉末の組成で０．３質量％未満であると上記効果が不十分となり、３質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００４９】
Ｖの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相形成粉末中のＶの含有量は、粉末の組成で０．２質量％未満であると上記効果が不十分となり、２．２質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００５０】
Ｗの場合は、第２硬質相形成粉末中のＣと微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また、上記炭化物は、Ｃｒ炭化物の粗大化を防止する効果を有し、これにより、相手部品の摩耗が抑制されて耐摩耗性も向上する。第２硬質相形成粉末中のＷの含有量は、粉末の組成で１．０質量％未満であると上記効果が不十分となり、５．０質量％を超えると析出する炭化物の量が増加して相手部品の摩耗を促進する。
【００５１】
以上の組成を有する第２硬質相形成粉末の添加量は、混合粉末全体の重量に対して５質量％未満であると、形成する硬質相の量が不十分で耐摩耗性に寄与せず、３０質量％を超えて添加しても耐摩耗性のより一層の向上は得られないばかりでなく、軟質で基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相の量が増加することによる材料強度の低下、圧縮性の低下等の不具合が生じる。よって、混合粉末全体の重量の５〜３０質量％とした。
【００５２】
［被削性改善物質］
上記の本発明の第１または２の耐摩耗性焼結合金の全体組成に、被削性改善物質を０．３〜２．０質量％追加して、基地中に分散させると好適である。被削性改善物質としては、鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、窒化硼素、弗化カルシウム、メタ珪酸マグネシウム系鉱物のうちの１種もしくは２種以上が挙げられる。被削性改善物質を基地中に分散させることによって切削加工の際に切屑のブレーキングの起点となり、焼結合金の被削性を改善することができる。
【００５３】
このような被削性改善物質は、鉛粉末、二硫化モリブデン粉末、硫化マンガン粉末、窒化硼素粉末、弗化カルシウム粉末、メタ珪酸マグネシウム系鉱物粉末のうち、１種もしくは２種以上からなる被削性改善物質粉末を、混合粉末に対して０．３〜２．０質量％添加することで得られる。被削性改善物質の含有量すなわち被削性改善物質粉末の添加量が、０．３質量％未満であるとその効果が不十分であり、２．０質量％を超えると焼結の進行が阻害されて焼結合金の強度が低下する。よって、被削性改善物質の含有量（被削性改善物質粉末の添加量）は０．３〜２．０質量％とした。
【００５４】
［鉛、鉛合金、銅、銅合金、アクリル樹脂］
上記の耐摩耗性焼結合金の気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、アクリル樹脂の１種を充填すると好適である。これらも被削性改善物質であり、特に、気孔を有する焼結合金を切削すると断続切削となるが、上記物質を気孔中に充填することによって連続切削となり、工具の刃先への衝撃が緩和される。また、鉛もしくは鉛合金は固体潤滑材としても機能する他、銅もしくは銅合金は熱伝導性が高いので熱のこもりを防止し、熱による刃先のダメージを軽減する機能があり、アクリル樹脂は切屑のチップブレーキングの起点となる機能がある。
【００５５】
この被削性改善物質の充填は、上記の耐摩耗性焼結合金の製造方法により得られた耐摩耗性焼結合金の気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金、アクリル樹脂の１種を溶浸もしくは含浸することにより得られる。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
［第１実施例］
表１に示す組成の基地形成粉末、第１硬質相形成粉末を用い、黒鉛粉末とともに表１に示す配合比で混合し、表２に示す全体組成の粉末（試料番号Ｇ０１〜Ｇ５１）を作製した。次いで、これら混合粉末を成形圧力６．５ｔｏｎ／ｃｍ２で外径：５０ｍｍ、内径：４５ｍｍ、高さ：１０ｍｍのバルブシート形状に圧縮成形し、この成形体をアンモニア分解ガス雰囲気中１１３０℃で６０分間焼結して焼結合金試料を得た。なお、試料番号Ｇ５２の合金は、従来例で挙げた特公平５−５５５９３号公報に開示される合金である。
【００５７】
【表１】
【表２】
試料番号Ｇ０１〜Ｇ５２の試料について、Ｍｏ珪化物の粒子群の面積比の測定および簡易摩耗試験を行った結果を表３および図３〜図１０に示す。なお、Ｍｏ珪化物の粒子群の面積率は、組織観察可能なように、断面をナイタールで腐食した試料について、Ｍｏ珪化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計を画像解析装置（キーエンス社製）を用いて測定した（以下、単に面積比と略す）。また、簡易摩耗試験は、アルミ合金製ハウジングにバルブシート形状に加工した焼結合金試料を圧入嵌合し、バルブをモータ駆動による偏心カムの回転で上下ピストン運動させることにより、バルブのフェース面とバルブシートのシート面とを繰り返し衝突させる試験である。また、この試験での温度の設定は、バルブの傘をバーナーで加熱することにより行い、簡易的にエンジン室内での使用環境を模した試験とした。今回の試験では、偏心カムの回転数を２８００ｒｐｍ、バルブシート部分の試験温度を３００℃、繰り返し時間を１０時間に設定し、試験後のバルブシートおよびバルブの摩耗量を測定して評価を行った。
【００６０】
【表３】
次に、表３および図３〜図１０を参照して上記試験結果を考察し、本発明の効果を明らかにする。図３は、表３の試料番号Ｇ０１〜Ｇ０７を比較して基地形成粉末中のＭｏ量の影響を示したものである。図４によると、Ｍｏ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｍｏが０．８質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｍｏが４．２質量％を超えると、粉末の圧縮性が低下する結果、強度が低下して耐摩耗性も低下することが判る。
【００６２】
図４は、表３の試料番号Ｇ０５、Ｇ０８〜Ｇ１３を比較して第１硬質相形成粉末中のＭｏ量の影響を示したものである。図４によると、Ｍｏ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｍｏが１０質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｍｏが５０質量％を超えると、形成されるＭｏ珪化物の量が増加して脆い硬質相となるため、使用時に一部が欠けて研摩粉として作用し、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６３】
図５は、表３の試料番号Ｇ０５、Ｇ１４〜Ｇ２０を比較して第１硬質相形成粉末中のＳｉ量の影響を示したものである。図５によると、Ｓｉ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｓｉが０．５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｓｉが１０質量％を超えると、粉末が硬くなって圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なうとともに、形成されるＭｏ珪化物の量が増加して脆い硬質相となるため、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６４】
図６は、表３の試料番号Ｇ２１〜Ｇ２９を比較して第１硬質相形成粉末中のＣｒ量の影響を示したものである。図６によると、Ｃｒ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｃｒが０．５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｃｒが１０質量％を超えると、粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、粉末表面に強固な酸化被膜が形成されて基地との固着性を損なうため、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６５】
図７は、表３の試料番号Ｇ２１、Ｇ３０〜Ｇ３７を比較して第１硬質相形成粉末中のＮｉ量の影響を示したものである。図７によると、Ｎｉ量の増加にともない耐摩耗性が向上し、Ｎｉが０．５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、Ｎｉが１０質量％を超えると、粉末が硬くなり圧縮性が損なわれるとともに、マトリックスがオーステナイト化したため、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６６】
図８は、Ｇ０５、Ｇ２１、Ｇ２５、Ｇ２８、Ｇ３３、Ｇ３６、Ｇ３８を比較したもので第１硬質相形成粉末中のＣｒ，Ｎｉの含有量の影響を示している。図８によると、第１硬質相にＣｒおよびＮｉのいずれも含まない試料Ｇ２１に対し、第１硬質相にＣｒまたはＮｉを含有させた試料Ｇ２５、Ｇ３３およびＧ２８、Ｇ３６は、それぞれ耐摩耗性が向上し、第１硬質相にＣｒとＮｉを含有させたＧ０５およびＧ３８では一層の耐摩耗性向上の効果が確認された。
【００６７】
図９は、表３の試料番号Ｇ０５、Ｇ３９〜Ｇ４５を比較して第１硬質相形成粉末の添加量の影響を示したものである。図９によると、第１硬質相形成粉末の増加にともない耐摩耗性が向上し、第１硬質相形成粉末が５．０質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、第１硬質相形成粉末が３０質量％を超えると、硬質であるが靭性の乏しい相が増加することにより、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００６８】
また、第１硬質相形成粉末の添加量が５．０質量％のとき、焼結後の試料の第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比は３％で、第１硬質相形成粉末の添加量が３０質量％のときＭｏ珪化物群の面積比は３０％であることから、第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比としては、３〜３０％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００６９】
図１０は、表３の試料番号Ｇ０５，Ｇ４６〜Ｇ５１を比較することにより、黒鉛粉末の添加量の影響を示したものである。図１０によると、黒鉛粉末の増加にともない耐摩耗性が向上し、黒鉛粉末が０．３５質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、黒鉛粉末が０．９５質量％を超えると、粒界にセメンタイトが析出し始めて逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００７０】
［第２実施例］
第１実施例で用いたＭｏ含有量が３質量％で残部がＦｅおよび不可避不純物の基地形成合金粉末と、表４に示す組成の第１硬質相形成粉末および第２硬質相形成粉末を用意し、黒鉛粉末とともに表４に示す配合比で混合し、得られた混合粉末を第１実施例と同様の条件で成形および焼結して、表５に示す全体組成の試料番号Ｇ５３〜Ｇ６９の試料を作製し、第１実施例と同じ条件でＭｏ珪化物群の面積比とＣｒ炭化物群の面積比の測定および簡易摩耗試験を行った。その結果を表６および図１１〜図１４に示す。
【００７１】
【表４】
【表５】
図１１は、表６の試料番号Ｇ５３〜Ｇ５８を比較することにより、第２硬質相形成粉末の添加量が１０質量％の場合における、第１硬質相形成粉末の添加量の影響を示したものである。図１１によると、第１硬質相形成粉末の増加にともない耐摩耗性が向上し、第１硬質相形成粉末が５．０質量％以上で、従来材（試料番号Ｇ５２）よりも耐摩耗性が向上している。一方、第１硬質相形成粉末が２５質量％を超えると、硬質であるが靭性の乏しい相が増加することにより、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００７４】
【表６】
また、第１硬質相形成粉末の添加量が５．０質量％のとき、焼結後の試料の第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比は３％で、第１硬質相形成粉末の添加量が２５質量％のときＭｏ珪化物群の面積比は２５％であることから、第１硬質相のＭｏ珪化物群の面積比としては、３〜２５％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００７６】
図１２は、図１０に示した第１実施例（第２硬質相を含有しない場合）の試料番号Ｇ０５、Ｇ３９〜Ｇ４５と、図１２に示したＧ５３〜Ｇ５８（第２硬質相を含有する場合）の試料の合計摩耗量を比較したものである。図１２より、第１硬質相に加えて第２硬質相を分散させると耐摩耗性が向上することが判る。ただし、その場合においては、相乗効果により第１硬質相形成粉末の添加量は、２５質量％までが有効であることが判る。また、図５〜図８で、第２硬質相が共存しない場合、第１硬質相形成粉末中にＣｒおよび／またはＮｉを含有しないと耐摩耗性が低下することを明らかにしたが、第２硬質相が共存する場合、第１硬質相中に予めＣｒおよび／またはＮｉを含有させなくても耐摩耗性が良好であることが判る。これは、第２硬質相に含有されるＣｒが拡散して第１硬質相の基地を強化するためと考えられる。
【００７７】
図１３は、表６の試料番号Ｇ５９〜Ｇ６５を比較することにより、第１硬質相の添加量が１５質量％の場合における第２硬質相形成粉末の添加量の影響を示したものである。なお、比較のために第２硬質相形成粉末を添加していない試料番号Ｇ０５の結果もプロットした。図１３に示すように、従来材（Ｇ５２）と比較すると、第２硬質相形成粉末の増加にともない耐摩耗性が大幅に向上している。一方、第２硬質相形成粉末が３０質量％を超えると、軟質で基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相の量が増加することにより、逆に摩耗を増大させてしまうことが判る。
【００７８】
また、第２硬質相形成粉末の添加量が５．０質量％のとき、焼結後の試料の第２硬質相のＣｒ炭化物群の面積比は３％で、第２硬質相形成粉末の添加量が３０質量％のときＣｒ炭化物群の面積比は３０％であることから、第２硬質相のＣｒ炭化物物群の面積比としては、３〜３０％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００７９】
図１４は、表６の試料番号Ｇ６０、Ｇ６６〜Ｇ６９を比較することにより、第２硬質相形成粉末中へのＭｏ、Ｖ、Ｗの含有の影響を示したものである。図１４より、第２硬質相中にＭｏ、Ｖ、Ｗのうち一種以上を含有させることにより、含有させない場合（Ｇ６０）よりも耐摩耗性の向上が図れることが判る。
【００８０】
［第３実施例］
第１および第２実施例で基地形成合金粉末として用いた、組成が、質量比で、Ｍｏ：３％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物のＦｅ−Ｍｏ合金粉末を用意するとともに、組成が、重量比で、Ｃｒ：３％、Ｍｏ：０．３％、Ｖ：０．３％、Ｆｅおよび不可避不純物のＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を用意し、さらに、第２実施例で用いた、組成が、質量比で、Ｍｏ：３５％、Ｓｉ：１．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物の第１硬質相形成粉末と、組成が、質量比でＣｒ：１２％、Ｃ：１．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物の第２硬質相形成粉末と、黒鉛粉末を用意し、これらの粉末を表７に示す配合比で混合し、得られた混合粉末を第１実施例と同様の条件で成形および焼結して、表８に示す全体組成の試料番号Ｇ７０〜Ｇ７５の試料を作製し、第１実施例と同じ条件で簡易摩耗試験を行った。その結果を表９および図１５に示す。
【００８１】
【表７】
【表８】
【表９】
図１５は、基地としてＦｅ−Ｍｏ合金粉末にＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を添加する場合のＦｅ−Ｃｒ系合金粉末の添加量の影響を示したもので、比較のため、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末を用いない実施例２のＧ５６の結果もプロットした。図１５に示すように、基地にＦｅ−Ｃｒ系合金を添加することにより、その添加量が６０質量％までは、耐摩耗性改善に効果があることが判る。ただし、６０質量％を超えると、従来材と同等の摩耗量となるため、耐摩耗性改善のためのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末の使用は６０質量％以下に止めるべきである。
【００８５】
［第４実施例］
第２実施例で作製した試料番号Ｇ６０の混合粉末に、被削性改善物質粉末をさらに混合して第１実施例と同じ条件で成形、焼結して試料番号Ｇ７９〜Ｇ８５の試料を得た。第３実施形態における基地形成粉末（Fe-3Mo合金粉末）、第１硬質相形成粉末（Fe-35Mo-1.5Si-3.5Cr-3Ni合金粉末）、第２硬質相形成粉末（Fe-12Cr-1.5C合金粉末）、黒鉛粉末、および各種被削性改善物質粉末の種類および配合比を表１０に、焼結合金試料の全体組成を表１２に示す。また、試料番号Ｇ７４，７５の焼結合金の気孔には、アクリル樹脂または鉛を充填した。これら焼結合金試料について第１実施例と同じ条件で簡易摩耗試験を行った。また、第３実施例では、被削性試験も行った。被削性試験は、卓上ボール盤を使用して一定の荷重でドリルで試料に穴をあけ、その可能な加工数を比較する試験であり、今回の試験では荷重は１．３kｇ、使用ドリルはφ３超硬ドリル、試料の厚さを５ｍｍに設定して行った。その結果を表１３および図１６，図１７に示す。
【００８６】
【表１０】
【表１１】
【表１２】
図１６は、被削性改善物質粉末（ＭｏＳ２粉末）の添加量の影響を示したものである。なお、比較のために被削性改善物質粉末を用いていない試料番号Ｇ６０の結果もプロットした。図１６に示すように、被削性改善物質粉末を添加した焼結合金試料では、試料番号Ｇ６０に比べて加工孔数が多く、しかも被削性改善物質粉末の添加量の増加にともなって増加し、被削性が向上することが判る。ただし、被削性改善物質粉末の添加量が２．０質量％を超える試料番号Ｇ８５では、焼結の進行が阻害されて焼結合金の強度が低下した結果、それに伴って摩耗の急激な進行が認められる。
【００９０】
図１７は、被削性改善物質粉末の添加量を一定（１質量％）としたときに、被削性改善物質の種類の影響を示したものである。図１７に示すように、被削性改善物質としてＭｏＳ２に変えてＭｎＳ、ＢＮ、Ｐｂ、ＣａＦおよびＭｇＳｉＯ４を用いても同様に被削性改善の効果があることが確認された。また、被削性改善手法として、アクリル樹脂、Ｐｂを気孔中に充填することも効果があることが確認された。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｆｅ基の基地組織中に特定の組織からなる第１硬質相を適当な割合で分散させたので、Ｃｏ基の硬質相を用いることなく従来材と同等以上の耐摩耗性が発揮される耐摩耗性焼結合金を得ることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の耐摩耗性焼結合金の金属組織を模式的に表す図である。
【図２】本発明に係る第２の耐摩耗性焼結合金の金属組織を模式的に表す図である。
【図３】本発明の第１実施例において、基地形成粉末中のＭｏ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図４】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＭｏ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図５】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＳｉ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図６】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＣｒ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図７】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中のＮｉ量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図８】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末中の追加成分の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図９】本発明の第１実施例において、第１硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１０】本発明の第１実施例において、黒鉛粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１１】本発明の第２実施例において、第１硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１２】本発明の第２実施例において、第１硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１３】本発明の第２実施例において、第２硬質相形成粉末の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１４】本発明の第２実施例において、第２硬質相形成粉末中の追加成分の量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１５】本発明の第３実施例において、基地形成混合粉末中のＦｅ−Ｃｒ系合金粉末の添加量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１６】本発明の第４実施例において、被削性改善物資粉末の添加量と摩耗量との関係を示す線図である。
【図１７】本発明の第４実施例において、被削性改善物資粉末の種類と摩耗量との関係を示す線図である。
Claims (13)
- 全体組成が、質量比で、Ｍｏ：１．２５〜１７．９３％、Ｓｉ：０．０２５〜３．０％、Ｃ：０．３５〜０．９５％と、Ｃｒ：０．０２５〜３．０％とＮｉ：０．０２５〜３．０％の少なくとも１種以上、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなり、
基地組織がベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織であり、
前記基地組織中に、Ｍｏ珪化物の粒子群がＮｉとＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地中に分散する第１硬質相が分散するとともに、前記第１硬質相中のＭｏ珪化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が、基地組織全体の面積に対する面積比で、３〜３０％分散する組織を呈することを特徴とする耐摩耗性焼結合金。 - 全体組成が、質量比で、Ｍｏ：１．０１〜１５．４３％、Ｓｉ：０．０２５〜２．５％、Ｃ：０．３６〜１．６７％、Ｃｒ：０．２〜７．５％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、
基地組織がベイナイト組織もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織であり、Ｍｏ珪化物の粒子群がＦｅ基合金基地中に分散する第１硬質相と、
Ｃｒ炭化物の粒子群よりなる核の周囲を前記基地組織よりもＣｒ濃度の高いフェライト相またはフェライトとオーステナイトの混合相が取り囲む第２硬質相とが前記基地組織中に分散する組織を呈するとともに、
前記基地組織中に、前記第１硬質相中のＭｏ珪化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が、基地組織全体の面積に対する面積比で３〜２５％、前記第２硬質相のＣｒ炭化物の粒子群の外郭より内側の面積の合計が、基地組織全体の面積に対する面積比で３〜３０％存在することを特徴とする耐摩耗性焼結合金。 - 全体組成中に、さらに、Ｎｉ：０．０２５〜２．５％および追加としてのＣｒ：０．０２５〜２．５％のうち少なくとも１種以上を全体組成中に含有するとともに、前記第１硬質相の合金基地がＮｉとＣｒのうち少なくとも１種以上とＦｅとの合金基地であり、前記Ｍｏ珪化物の粒子群が前記合金基地中に分散することを特徴とする請求項２に記載の耐摩耗性焼結合金。
- 全体組成中に、さらに、質量比で、Ｖ：０．０１〜０．６６％、Ｗ：０．０５〜１．５％、および、追加としてのＭｏ：０．０９〜０．１５％、のうち少なくとも１種以上を含有し、
前記第２硬質相中の核にＭｏ炭化物、Ｖ炭化物、Ｗ炭化物のうち少なくとも１種以上がさらに分布することを特徴とする請求項２または３に記載の耐摩耗性焼結合金。 - 鉛、硫化マンガン、二硫化モリブデン、窒化硼素、弗化カルシウム、メタ珪酸マグネシウム系鉱物のうちの１種もしくは２種以上からなる被削性改善物質０．３〜２．０質量％が、さらに前記全体組成に追加されるとともに、前記基地中に被削性改善物質が分散することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性焼結合金。
- 前記耐摩耗性焼結合金の気孔中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金およびアクリル樹脂のうちの１種が充填されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗性焼結合金。
- 組成が、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる基地形成合金粉末に、
Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％と、さらに、Ｃｒ：０．５〜１０％とＮｉ：０．５〜１０％のうち少なくとも１種、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる第１硬質相形成粉末を５〜３０％、
および黒鉛粉末０．３５〜０．９５％を配合し混合した混合粉末を用い、
所定形状に圧縮成形した後、焼結することを特徴とする耐摩耗性焼結合金の製造方法。 - 組成が、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる基地形成合金粉末に、
Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、および残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる第１硬質相形成粉末を５〜２５％、
Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる第２硬質相形成粉末を５〜３０％、
および黒鉛粉末０．３５〜０．９５％を配合し混合した混合粉末を用い、
所定形状に圧縮成形した後、焼結することを特徴とする耐摩耗性焼結合金の製造方法。 - 前記第１硬質相形成粉末中に、さらに、質量比で、Ｎｉ：０．５〜１０％とＣｒ：０．５〜１０％のうち少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項８に記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 前記第２硬質相形成粉末が、さらに、質量比で、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％およびＷ：１．０〜５．０の少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 前記基地形成合金粉末に替えて、組成が、質量比で、Ｍｏ：０．８〜４．２％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ系合金粉末に、Ｃｒ：２〜４％、Ｍｏ：０．２〜０．４％、Ｖ：０．２〜０．４％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を６０％以下添加混合した基地形成混合粉末を用いることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 前記混合粉末中に、さらに、質量比で、０．３〜２．０％の鉛粉末、硫化マンガン粉末、二硫化モリブデン粉末、窒化硼素粉末、弗化カルシウム粉末、メタ珪酸マグネシウム系鉱物粉末のうち１種、もしくは２種以上からなる被削性改善物質粉末を配合したことを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の耐摩耗性焼結合金の製造方法。
- 請求項７〜１２のいずれかに記載の製造方法により得られた焼結合金中に、鉛、鉛合金、銅、銅合金およびアクリル樹脂のうち１種を含浸もしくは溶浸することを特徴とする耐摩耗性焼結合金の製造方法。
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