JP4702803B2

JP4702803B2 - 焼結機械部品の製造方法

Info

Publication number: JP4702803B2
Application number: JP2006305391A
Authority: JP
Inventors: 辰明吉弘; 英昭河田
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: JP2008121058A

Description

本発明は、例えばターボチャージャー用ターボ部品、特に耐熱性とともに耐食性および耐摩耗性が要求されるノズルボディや、例えば燃料噴射装置に用いられるガイドスリーブやバルブボディ等の非磁性と耐摩耗性が要求される部品に好適なオーステナイト組織を呈する焼結機械部品の製造方法に関する。

一般に、内燃機関に付設されるターボチャージャーでは、内燃機関のエキゾーストマニホールドに接続されたタービンハウジングに、タービンが回転自在に支持され、タービンの外周側を囲うように複数のノズルベーンが回動可能に支持されている。タービンハウジングに流入した排気ガスは、外周側からタービンに流れ込んで軸方向へ排出され、その際にタービンを回転させる。そして、タービンの反対側で同じ軸に設けられたコンプレッサが回転することにより、内燃機関へ供給する空気を圧縮する。

ここで、ノズルベーンは、ノズルボディやマウントノズルといった名称で呼ばれるリング状の部品に回動可能に支持されている。ノズルベーンの軸はノズルボディを貫通し、そこでリンク機構に接続されている。そして、リンク機構が駆動されることによりノズルベーンが回動し、排気ガスがタービンに流れ込む流路の開度が調整される。本発明が問題とするのは、ノズルボディ（マウントノズル）あるいはこれに装着されるプレートノズルといった、タービンハウジング内に設けられるターボ部品である。

上記のようなターボチャージャー用ターボ部品は、高温の腐食性ガスである排気ガスと接触することから耐熱性と耐食性が要求されるとともに、ノズルベーンと摺接するために耐摩耗性も要求される。このため、従来においては、例えば高Ｃｒ鋳鋼や、ＪＩＳ規格で規定されているＳＣＨ２２種に耐食性向上の目的でＣｒ表面処理を施した耐摩耗材料等が使用されている。また、耐熱性とともに耐食性および耐摩耗性に優れ、しかも価格が低廉な耐摩耗部品として、フェライト系ステンレス鋼の基地中に炭化物を分散させた耐摩耗部品が提案されている（例えば特許文献１）。

また、内燃機関に装着される燃料噴射装置は、高出力化と低燃費化の要求から、低負荷では層状燃焼を、高負荷では均一燃焼を行って、負荷によって燃料の噴射時期を変えて噴射する必要があり、また噴射タイミングを変えたり多段噴射を行うことによって、ノック限界の拡大、排気温度の上昇（触媒昇温）が図れることから、微妙なタイミングで燃料を噴射する必要があり、このためコモンレール方式等の電子制御による燃料噴射装置が主流となっている。

このような電子制御式燃料噴射装置においては、外筒の一部を非磁性として、電磁コイルへの通電時に磁気回路を形成するものが知られており（例えば特許文献２等）、磁気回路の一部を構成する固定鉄心の先端内周に弁体を備えた可動鉄心を移動案内するガイドスリーブを設けるとともに、該ガイドスリーブを高硬度非磁性部材で構成し、さらに耐摩耗性を有する表面処理層を形成して、可動子やノズル体等の摩耗する部分や衝突面等の耐摩耗性を向上させたものが提案されている（特許文献３）。また、可動鉄心を案内し摺接するバルブボディを非磁性体で構成したものが知られている（特許文献４）。

特許第３７８４００３号公報特開平０５−０７９４２５号公報再表０３−０４２５２６号公報特開平０９−３１７５９６号公報

しかしながら、ターボチャージャー用ターボ部品においては、近年の内燃機関の高速化、高出力化に伴い、より一層、耐熱性、耐食性および耐摩耗性とともに高温強度を向上させた耐摩耗部材が要望されている。また、電子制御式燃料噴射装置においては、非磁性部材に表面処理を施す費用と手間を省くことができる優れた耐摩耗性と非磁性を兼ね備えた部材が要望されている。本発明は、それらの要望に充分に応えることができる耐摩耗部品を提供することを目的としている。

また、本発明は、焼結機械部品の製造方法であって、質量比で、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｃ：０．５〜１．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｎｉ粉末を８．０〜１５質量％、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜５．０質量％、黒鉛粉末を０．８〜３．０質量％を添加して混合した混合粉末を用い、この混合粉末を成形した後に焼結することを特徴としている。

本発明の製造方法では、液相化温度を下げて焼結時に液相を発生させ、これによって焼結体を緻密化させるために、ＰとＣについてはＦｅ−Ｐ粉末と黒鉛粉末の形態とし、ＮｉについてはＮｉ粉末とし、他のＣｒ，Ｍｏ，ＳｉについてはＦｅ合金粉末の形態とし、これらを混合して混合粉末として用いる。以下、上記数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」を意味するものとする。

Ｃｒ：
Ｃｒは、基地の耐熱性および耐食性の向上に寄与するとともに、Ｃと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。本発明とＣｒ含有量が同程度の高Ｃｒ鋳鉄では、Ｃｒ炭化物が粒界に析出して耐摩耗性の向上にあまり寄与しないが、本発明では、ＣｒをＦｅ合金粉末の形態で添加しているので、微細な粒状のＣｒ炭化物が基地中に分散した金属組織を得ることができ、充分な耐摩耗性と耐酸化性を得ることができる。上記Ｃｒの効果を基地中に均一に作用させるためＣｒはＦｅ合金粉末の形態で付与する。ここで、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が２５質量％に満たないと、Ｃｒ炭化物の析出量が少なく耐摩耗性が不充分になるとともに、基地の耐熱性および耐食性が低下する。一方、Ｃｒの含有量が４５％を超えると粉末の圧縮性を著しく損なう。よって、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量は２５〜４５％とした。

Ｍｏ：
Ｍｏは基地の耐熱性および耐食性向上に寄与するとともに、Ｃと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。ＭｏもＣｒと同様、その効果を基地全体に均一に作用させるためＦｅ合金粉末の形態で付与する。Ｆｅ合金粉末中のＭｏの含有量が１質量％に満たないと、基地の耐熱性および耐食性向上の効果が乏しく、一方、３％を超えてもその効果はさほど顕著には現れない。よって、Ｆｅ合金粉末中のＭｏの含有量は１〜３％とした。

Ｓｉ：
上記のＦｅ合金粉末は、酸化しやすいＣｒを多量に含むため、Ｆｅ合金粉末を製造する際にＳｉを脱酸剤として添加することが有効である。また、Ｓｉは焼結性も向上させる。Ｆｅ合金粉末中のＳｉの含有量が１％未満ではその効果が乏しく、一方、３％を超えるとＦｅ合金粉末が硬くなり過ぎて圧縮性を著しく損なう。よって、Ｆｅ合金粉末中のＳｉの含有量は１〜３％とした。

Ｎｉ：
Ｎｉは基地に拡散して固溶強化するとともに、基地をオーステナイト化して耐摩耗部材の高温強度を向上させるとともに基地を非磁性とする。全体組成におけるＮｉの含有量が８．０％未満では高温強度が不充分となる。一方、Ｎｉの含有量が１５．０％を超えても高温強度はそれ以上向上しないばかりか、高温耐食性が低下する。よって、Ｎｉの全体組成における含有量（Ｎｉ粉の添加量）は８．０〜１５．０％とした。なお、ＮｉまでＦｅ合金粉末に固溶して与えると粉末が硬くなること、ＮｉはＦｅ基地への拡散が比較的速いことからＮｉ粉末の形態で与えることが望ましい。

Ｐ：
Ｐは、Ｃとともに焼結時にＦｅ−Ｐ−Ｃ液相を発生させて焼結体の緻密化を促進し、９５％以上の密度比を達成可能となる。また、焼結時の液相化を促進して緻密化を図るために、ＰはＦｅ−Ｐ粉末、つまりＦｅ−Ｐ合金粉末の形態で添加する。Ｆｅ−Ｐ粉末中のＰの含有量は、１０％未満では十分な液相が発生せず焼結体の緻密化に寄与しない。一方、３０％を超えるとＦｅ−Ｐ粉末が硬くなりすぎ圧縮性を著しく損なう。

上記Ｆｅ−Ｐ粉末の混合粉末への添加量は、１．０％未満では液相発生量が乏しく、十分な緻密化が達成できず密度比が９５％を下回るようになる。一方、Ｆｅ−Ｐ粉末の添加量が５．０％を超えると、発生する液相の量が過多となり、焼結時に型くずれが生じる虞がある。このとき全体組成中のＰの最大含有量は１．５％である。
以上より、全体組成中のＰの含有量は０．１〜１．５％であり、Ｐの含有量が１０〜３０％のＦｅ−Ｐ粉末を用いるとともに、混合粉末中のＦｅ−Ｐ粉末の添加量は、１．０〜５．０％とした。

Ｃ：
Ｃは液相化温度を下げるので焼結時にＦｅ−Ｐ−Ｃ液相を発生させ、焼結体の緻密化を促進するとともに、Ｃｒ，Ｍｏと炭化物を形成して耐摩耗性に寄与する。全体組成中のＣの含有量が１％未満ではこれらの効果が乏しく、一方、３％を超えると基地が脆化するとともに、炭化物の析出量が増大することによりベーン等の相手材を摩耗させたり、基地中のＣｒ量を低減させて耐熱性および耐食性の低下を招く。よって、全体組成中のＣの含有量は１．０〜４．１％とした。

ただし、Ｃの全量を黒鉛粉末の形態で付与すると、Ｆｅ合金粉末はＣｒ，ＭｏがＦｅ基地中に固溶された状態の粉末となり、Ｆｅ合金粉末の硬さが硬くなり過ぎて圧縮性が損なわれる。また、多量の黒鉛粉末の使用も混合粉末の圧縮性を損なう。そのため、Ｃの一部をＦｅ合金粉末の形態で付与し、残りのＣを黒鉛粉末の形態で付与することとする。Ｃの一部をＦｅ合金粉末の形態で付与すると、Ｆｅ合金粉末中のＣｒ，Ｍｏが炭化物としてＦｅ合金粉末中に析出し、Ｆｅ合金粉末の基地中に固溶されるＣｒ，Ｍｏの量が低減することにより、Ｆｅ合金粉末の圧縮性を改善できる。さらに、残りのＣを黒鉛粉末の形態で与えることにより混合粉末自体の圧縮性も改善できる。このとき、Ｆｅ合金粉末中のＣの含有量量が０．５質量％未満であると、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒ，Ｍｏの量が多くなってＦｅ合金粉末が硬く圧縮性を損ない、一方、１．５％を超えるとＦｅ合金粉末中に析出する炭化物の量が多くなりすぎ、逆にＦｅ合金粉末の硬さが高くなるため、Ｆｅ合金粉末中のＣの含有量は０．５〜１．５％とした。なお、残部のＣは黒鉛粉末として混合粉末に添加する。ところで、黒鉛粉末の一部は、焼結時にＦｅ合金粉末表面の酸化被膜の還元に費やされるため、添加する黒鉛粉末の量はその分を見込んで添加する必要がある。焼結時に還元等で失われる黒鉛量は約０．２％程度でありため、黒鉛粉末の添加量はその分を見込んで０．８〜３．０％とするとよい。

以上より、Ｆｅ合金粉末の組成は、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｓｉ：１〜３％、Ｃ：０．５〜１．０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、Ｆｅ−Ｐ合金粉末の組成は、Ｐ：１０〜３０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、前記Ｆｅ合金粉末に、Ｎｉ粉末を８．０〜１５．０質量％、前記Ｆｅ−Ｐ粉末を１．０〜３．３％と黒鉛粉末を０．８〜３．０質量％を添加して混合粉末となすこととした。

上記構成の混合粉末を用い、通常の粉末冶金法の手法で成形−焼結することにより、質量比で、Ｃｒ：１９．３〜４０．６％、Ｎｉ：８．０〜１５．０％、Ｍｏ：０．８〜２．７％、Ｓｉ：０．８〜２．７％、Ｐ：０．１〜１．５％、Ｃ：１．０〜４．１％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度比が９５％以上でオーステナイト基地中に炭化物が分散する焼結機械部品を容易に得ることができる。

本発明によれば、耐熱性、耐食性および耐摩耗性ならびに高温強度を向上させるとともに、部品を非磁性とすることができる等の効果を得ることができる。

図１および図２は本発明の実施の形態を示す図である。図１は内燃機関用ターボチャージャーの一部を示す側断面図であり、図中符号２ノズルボディ２である。ノズルボディ２の中央には、タービン３が図示しない軸受によって回転自在に支持される。タービン３の反対側の端部には、図示しないコンプレッサが接続されている。

ここで、上記構成のうちノズルボディ２が本発明の耐摩耗部品の一例である。図２に示すように、ノズルボディ２はリング状をなし、その周縁には複数の軸受孔ａが形成されている。この軸受孔２ａには、ノズルベーン４の軸５が回動可能に支持されている。軸５のノズルベーン４と反対側の端部には、リンク６が固定されている（図２では１個のみ示す）。そして、各リンク６を一様に駆動することによりノズルベーン４が回動し、外周側からタービン３に流れ込む排気ガスの流量を調整するようになっている。なお、本発明の耐摩耗部品には、上記のようなノズルボディ２の他に、これに適宜装着されるプレートノズル等の部品も含まれており、前述した焼結合金により構成される。

以下に本発明の実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明において「％」は全て「質量％」である。
表１に示す組成のＦｅ合金粉末、Ｎｉ粉末、Ｆｅ−２０％Ｐ粉末および黒煙粉末を用意し、表１に示す割合でそれら粉末を混合した。得られた混合粉末の全体組成を表１に併記した。これら混合粉末を用いて成形圧力６００ＭＰａで外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍおよび高さ１０ｍｍのリング形状に成形した後、真空雰囲気中１２００℃で６０分焼結してＮｏ．１〜１７の試料を作成した。また、従来材として、特許文献１のＮｏ．３の材料と表１に示す組成の高Ｃｒ鋳鋼の溶製材（Ｎｏ．１８、Ｎｏ．１９）を上記リング形状に加工して用意した。各試料を大気中で１００時間、７５０〜９００℃の温度範囲で加熱し、加熱後の重量の増加量を測定した。その結果を表１に示す。また、各試料を８００℃に加熱して引張強度（ＭＰａ）を調べた。その結果を表１に示す。

（１）全体組成中のＮｉの影響
表１に示すように、Ｎｉ粉末の添加量が８．０％未満の場合には、高温強度が不充分となる。一方、Ｎｉの含有量が１５％を超えても高温強度のさらなる向上は見られず、逆に重量増加量が増えて耐酸化性が低下している。

（２）全体組成中のＰの影響
表１に示すように、Ｐの含有量が０．１％になると重量増加量が急減し、耐酸化性が著しく向上する。これは、Ｐの含有量が０．１％のときに焼結時の液相化が促進され、気孔が減少して内部酸化が抑制されたためである。一方、Ｆｅ−Ｐ粉末の添加量が５％を超えると、発生する液相量が過多となって焼結時に型くずれが生じたため、試料を作製することができなかった。

（３）混合粉末中の黒鉛粉末の影響
表１に示すように、黒鉛粉末の添加量が０．８〜３．０％であると重量増加量が低減され、耐酸化性が向上する。これは、黒鉛粉末により焼結時の液相化が促進され、気孔が減少して内部酸化が抑制されたためである。一方、黒鉛粉を３．５％添加したＮｏ．１５では、粉末の圧縮性が損なわれて試料を作製することができなかった。

（４）Ｆｅ−合金粉末中のＣｒの影響
表１に示すように、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が２５％以上のときに重量増加量が大幅に低減される。これは、Ｃｒにより基地の耐熱性および耐食性が向上されたためである。一方、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が４５％を超えるＮｏ．１３では、Ｆｅ合金粉末の圧縮性が損なわれた結果、試料を作製することができなかった。

（５）従来材との比較
本発明材と高Ｃｒ鋳鋼（従来材：Ｎｏ．１９）とを比較すると、表１に示すように、密度比が１００％の従来材は高温強度が低くしかも酸化による重量増加が多い。また、本発明材とＮｏ．１８とを比較すると、耐食性には差は認められないものの、本発明材の方が高温強度が高いことが確認された。

本発明の実施形態のターボ部品を示す側断面図である。本発明の実施形態のターボ部品を示す平面図である。

符号の説明

２ノズルボディ（耐摩耗部品）

Claims

質量比で、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｃ：０．５〜１．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｎｉ粉末を８．０〜１５．０質量％、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜５．０質量％、黒鉛粉末を０．８〜３．０質量％を添加して混合した混合粉末を用い、この混合粉末を成形した後に焼結することを特徴とする焼結機械部品の製造方法。