JPH01251A - 耐摩耗性焼結合金およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は耐摩耗性焼結合金およびその製造法、具体的に
は、内燃機関のバルブシートのように耐熱性と共に耐摩
耗性が要求される部品材料に関する。

（従来の技術） 一般に、内燃機関用バルブシートには優れた耐摩耗性お
よび耐熱性が要求されることから、その材料として、材
料選択の自由度が高く、しかも性能的に優れたものが得
やすい焼結合金が多く使われている。この種の焼結合金
の多くは、鉄を主成分としたもので、パーライト基地中
にＦｅ−Ｍｏ等の硬質合金が分散した組織構成を有し、
基地金属で強度および耐熱性を付与し、分散した硬質合
金で耐摩耗性を付与している。また、さらに高い性能が
要求される場合には、これらの焼結合金に銅溶浸あるい
は鍛造により高密度化して使用している。

しかしながら、最近では、内燃機関の高性能化が進み、
バルブシートに対しても一層高い耐摩耗性、耐熱性が要
求されているため、従来の焼結合金ではもはやこのよう
な要求に対応することが困難となっている。

このような要求に対応できる材料としては高速度鋼が考
えられるが、高速度鋼は耐摩耗性、耐熱性に優れるが、
切削加工が難しく、また高価な元素を使用しているため
に、材料費が高いという問題がある。

一方、高速度鋼に比べ安価な耐摩合金として、例えば特
公昭５Ｂ−３９２２２号公報、あるいは特開昭６１−５
２３４７号公報には、液相焼結によって高密度化を図り
、マトリックス中にＣｒ炭化物を分散させた高Ｃｒ焼結
合金が開示されている。

また、本発明者は、他の発明者と共に、特願昭５９−１
２１３０１号明細書（特開昭６１−５６１号公報）、特
願昭５９−１２１３０２号明細書（特開昭６１−５０５
号公報）にて、組成の異なる２層構造のバルブシートを
提案する一方、特願昭５８−１２０４５７号明細書（特
開昭６０−１３０６２号公報）および特願昭５８−１２
４０５８号明細書（特開昭６’０−１３０５５号公報）
にて、銅を含浸させたバルブシートを提案した。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記高Ｃｒ焼結合金は、微細なＣｒ炭化
物が分散しており、叩かれ摩耗、引っかき摩耗に対して
は優れているが、摺動摩耗の点では性能的に不十分であ
り、バルブシート材のように、叩かれ摩耗と同時に摺動
摩耗も受けるような部品に対しては耐摩耗性の点で不十
分である。

また、＠記２層構造のバルブシート材は製造工程が複雑
になり、どうしても高価な製品となることは避けられな
かった。

一般に、Ｃを含む高Ｃｒ焼結合金は通常液相と固相の共
存領域で焼結し、この時に形成される硬質のＣｒ炭化物
が耐摩耗性の向上に寄与する。しかしながら、従来の高
Ｃｒ系焼結合金では、形成されるＣｒ炭化物は通常粒径
が２０μｍ以下と細かいために十分な摺動摩耗特性が得
られないことが明らかとなった。従って、摺動摩耗特性
を向上さ仕る一つの方法としては、焼結温度を高めにす
るか、焼結時間を長くすることによって、基地中に生成
するＣｒ炭化物を大きく成長させることが考えられるが
、粒径の成長には自ずと限界があり、また基地自身の強
度が低下することが明らかとなった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、前記高Ｃｒ系焼結合金における問題点を解決
する手段として、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系焼結合金で液相が生
じる温度域においても安定で、金属基地に固溶しない硬
質合金粉末をＦｅ−０ｒ−Ｃ系焼結合金に含有させると
同時に、ＣａＦ、を含有させることによって、Ｆｅ−０
ｒ−Ｃ系焼結合金が持っている優れた耐ピツチング摩耗
性および耐熱強度を犠牲にすることなく、摺動摩耗特性
を向上さ仕るようにしたものである。

即ち、本発明は、Ｃｒ１０〜２０重量％、Ｃ１，５〜３
．５重量％、残部実質的に鉄からなる鉄合金基地中に、
ＣａＦ　ｔ　Ｏ、５〜３重量％、粒径４４〜１５０μｍ
１　ビッカース硬さの平均値が８００〜２０００である
硬質合金粉末を５〜２０重量％分散させてなることを特
徴とする耐摩耗性焼結合金を提供するものである。

また、本発明によれば、Ｃｒ１０〜２０重量％、Ｃ１，
５〜３．５重量％、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一種１〜５
重量％、残部実質的に鉄からなる鉄合金基地中に、Ｃａ
Ｆ２０．５〜３重量％、粒径４４〜１５０μｍ１　ビッ
カース硬さの平均値が８００〜２０００である硬質合金
粉末を５〜２０重量％分散させてなることを特徴とする
耐摩耗性焼結合金が得られる。

さらに、本発明によれば、０ｒ１０〜２０重量％、Ｃ１
，’５〜３．５重量％、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一種１
〜５重量％、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗおよ、びＶからなる群から
選ばれた一種または二種の元素１〜５重量％、残部実質
的に鉄からなる鉄合金基地中に、ＣａＦ　ｔ　Ｏ、５〜
３重量％、粒径４４〜１５０μｍ以下、ビッカース硬さ
の平均値が８００〜２０００である硬質合金粉末を５〜
２０重量％分散さ仕てなることを特徴とする耐摩耗性焼
結合金が得られる。

前記耐摩耗性焼結合金は、本発明によれば、Ｃｒ１０〜
２０重量％、Ｃ０，８〜１．５ｗｔ％を含有するＦｅ−
Ｃｒ−Ｃ系合金粉末に、Ｃ粉末１．２〜２゜０重量％、
フッ化カルシウム粉末０．５〜３．０重量％、および粒
径４４〜１５０μｍ、ビッカース硬さが８００〜２００
０である硬質合金粉末５〜２０重量％を添加して混合し
、該混合粉末を所定形状に型押成形した後、非酸化性雰
囲気中１１８０〜１２６０℃の温度領域で焼結させる方
法により製造できる。

本発明において、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金とは、Ｃｒ１０
〜２０重量％、Ｃ１，５〜３．５重量％、残部実質的に
鉄からなる鉄合金、および、必要に応じて添加されるＣ
ｏ、Ｎｉの少なくとも一種１〜５重量％、またはＣｏ、
Ｎｉの少なくとも一種１〜５重量％とＭｏ、Ｎｂ、Ｗお
よびＶからなる群から選ばれた一種または二種の元素１
〜５重量％を含有する合金を言う。

前記Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一種の合金元素、またはＣ
ｏ、Ｎｉの少なくとも一種の合金元素とＭｏ。

Ｎｂ、ＷおよびＶからなる群から選ばれた少なくとも一
種の合金元素は、耐摩耗性焼結合金製造時に添加しても
よく、また、予めＦｅ−Ｃｒ−Ｃ合金に添加されていて
も良い。

次に、本発明に係る耐摩耗性焼結合金の成分組成を前記
の範囲に限定した理由およびそれらの作用について説明
する。

（１）Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末 Ｃｒは、金属基地の耐熱強度を高めると共にＣと炭化物
を形成し耐摩耗性を向上させるが、Ｃｒが１０重量％未
満では耐摩耗性および耐熱強度が不十分であり、逆に２
０重量％を越えると、その効果が飽和し、また、脆いＦ
ｅ−Ｃｒ（１）シグマ相を発生させるので、その範囲を
１０−〜２０重量％とした。

Ｃは基地の強化およびＣｒ炭化物の形成に必要であるだ
けでなく、Ｆｅ−０ｒ−Ｃ三元素で液相を生成させ、液
相焼結による合金の高密度化に必要な元素である。金属
基地として必要なＣ量はｌ。

５〜３．５重量％である。Ｃが１．５重量％未満では、
基地の強化およびＣｒ炭化物形成による耐摩耗性が不十
分であり、逆に３゜５％を越えると、硬度の低いＭｔＣ
型Ｃｒ炭化物が増え、耐摩耗性が低下するので前記範囲
にした。前記Ｃ含有量のうち０．８〜１．５重量％は、
耐摩耗性焼結合金を製造する際に基地原料として使用さ
れるＰｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金粉末中に含まれていることが
望ましい。

この理由は、添加されるＣを全てＣ粉末として添加する
とＣの偏析が生じ、焼結合金中に巣が発生する恐れがあ
るからである。また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金粉末中に含
まれるＣ量が０．８重量％未満では、Ｃ粉末として添加
する量が多くなり、上記偏析防止の効果が少なく、１．
５重量％を越えると合金粉末の硬度が高くなり、粉末の
圧縮性が低下する。従って、前記鉄合金粉末中のＣ量は
０゜８〜１．５重量％とした。残りはＣ粉末として、合
金粉末中のＣと合わせて１．５〜３．５重量％となるよ
うに添加される。

（２）ＣａＦｔ（フッ化カルシウム） ＣａＦｔは自己潤滑性を有し、摺動摩耗特性の向上に大
きく寄与すると共に被削性の改善にも効果を有する。Ｃ
ａＦｔの量が０．５重量％未満では、その効果が少なく
、３重量％を越えると強度が低下するため、その範囲を
０．５〜３．０重量％とした。このＣａＦ、は粒径が１
４９μｍ以下であるのが好ましい。これは、粒径が１４
９μｍを越えると、摺動摩耗特性は向上させるが、強度
、特に、対熱衝撃性の低下が大きくなるからである。

また、Ｃｏ、Ｎｉは、いづれも基地と固溶して対熱衝撃
性および靭性を向上させる。従って、対熱衝撃性が特に
必要とされるバルブシートの材料と使用する場合、これ
らの元素が添加される。Ｇｏ。

Ｎｉは、少なくとも一種を添加すれば良いが、その添加
量が１重量％未満では十分な効果が得られず、５重量％
を越えると、その効果が飽和してそれ以上の効果が得ら
れないので、経済性を考慮して、その添加量を１〜５重
量％とじた。

Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｖは、いづれら微細炭化物を形成し、
基地の高温硬さおよび高温強度を向上させる作用がある
。Ｍｏ、Ｎｂ、ＷおよびＶからなる群から選ばれた添加
元素はいづれか一種または二種以上を添加しても良いが
、その添加量が１重量％未満では効果が少なく、５重量
％を越えると、被削性の低下および靭性の低下をもたら
すので、１〜５重量％とした。　。

（３）硬質粒子 硬質粒子は摺動摩耗特性を向上させるために基地中に添
加されるが、そのビッカース硬さ（平均値）が８００未
満では摺動摩耗特性の改善に効果が少なく、２０００を
越えると粉末を成形する際に金型を傷つ、摩耗が激しく
なるので、その範囲を８００〜２０００とした。なお、
バルブシート材の耐摩耗性は、相手材との関係によって
決定されるため、硬質粒子のビッカース硬さは一義的に
定めることはできないが、相手材が軟い材料である場合
には、１５００以下が望ましい。また、相手材が硬い材
料である場合には、硬質粒子のビッカース硬さは１５０
０〜２０００の方が好ましい。

前記硬質粒子は内部が多層構造になっている場合がある
が、この時は、前記ビッカース硬さは粒子内の平均の硬
度を意味する。

また、硬質粒子は、その粒径がＡＳＴＭに規定する＋０
０メツシユのふるいを通過し、３２５メツンユのふるい
を通過しない大きさ、具体的には、その粒径が４４〜１
５０μｍのものが使用される。

好ましくは、硬質粒子の平均粒径が７０〜１２０μｍの
範囲内にあるのが望ましい。これは、粒径が４４μｍ未
満あるいは平均粒径が７０μｍ未満では、摺動摩耗特性
の改善に効果が少なく、粒径が１５０μｍを越え、ある
いは平均粒径が１２０μｍを越えると、原料混合粉末の
成形性および圧縮性が低下するだけでなく、合金として
の強度が著しく低下し、被削性も低下するからである。

前記硬質粒子は、焼結合金の製造時に硬質合金粉末の形
態で添加されるが、この硬質合金粉末に要求される最も
重要な特性としては、１１８０〜１２６０℃の焼結温度
域で安定であり、基地金属に固溶しないことである。

これらの要求特性を満足する硬質合金粉末としては、Ｏ
ｒ：５０〜７０重量％、Ｃ：５〜１０重量％。

Ｓｉ：１ｆｆｉｆｔ％以下、残部実質的にＦｅからなる
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ硬質合金の粉末が好適である。この組成
範囲であれば、硬質合金は単一組成であり、硬度もビッ
カースで８００〜２０００となり、耐摩耗摺動特性向上
に効果があるだけでなく、上記焼結温度範囲で安定であ
る。

本発明に係る耐摩耗性焼結合金は、密度が真密度比９５
％以上であることが望ましい。その理由は９５％未満で
あると、強度が低下するだけでなく、内部の空孔率が増
加するため、叩かれ摩耗に弱くなるからである。

また、前記耐摩耗性焼結合金を製造する場合、１１８０
〜１２６０℃の範囲の温度で焼結させるが望ましい。こ
れは焼結温度がｔ　ｔｓｏ℃未満では焼結が不十分で十
分な強度が得らず、１２６０℃を越えると液相発生量が
多くなり、その成形体の形状が保てなくなるからである
。さらに、焼結雰囲気は、焼結合金の成分中にＣｒを多
量に含むため、非酸化性雰囲気であることが必要である
。

以下、本発明の実施例について説明する。

〈実施例１〉 基地となる原料粉末として第１表に示す組成の合金粉末
を準備した。何れも噴霧法によって製造されたものであ
る。各合金粉末に、ＣａＦｔ粉末、黒鉛粉末、および硬
質合金粉末を第２表の組成の焼結合金が得られるように
所定の割合で添加し、さらに組成外で潤滑材としてステ
アリン酸亜鉛０゜８重量％を添加混合して混合粉末を調
製し、これを７ｔ／ｃｆｆ”の圧力で圧縮成形してリン
グ状および角材形状の成形体を成形した後、非酸化性雰
囲気中１２００〜１２５０℃の温度で６０分間焼結を行
なった。

この実施例で用いた上記ＣａＦｔ粉末、および硬質合金
粉末は何れも平均粒径１４９μｍ以下のものであるが、
比較として平均粒径１４９μｍ以上の粉末を使用した焼
結体も同じ条件で作成した。得られた焼結合金の組成は
第２表に示した。

第　　１　　表 第２表 上記で得られた焼結合金の強度をみるため、リング状の
焼結体を用いて圧環強度の測定を行なった。なお、耐熱
強度についても評価するため測定は室温および５００℃
の２条件で行なった。

また、耐摩耗特性をみるため、角材形状の焼結体を用い
て下記の条件で大成式摩耗試験を行ない、各材料の比摩
耗量を測定した。得られた結果を第３表に示す。

大成式摩耗試験条件 相手材　　８４５ＣＭ処理材（ｖ！すＨＲＣ４９）速　
　度　　　３　、８１　ｍ／ｓｅｃ摩擦距離　　２０〇
− 最終荷重　　３　、２　ｋｇ 第３表 上記第３表の結果から、この発明による焼結合金は何れ
も強度が高く、且つ耐摩耗性がすぐれていることが判る
。

比較材としてテストした試料Ｇは硬質合金を含有してお
らず、従って強度は高いが耐摩耗性に劣っている。試料
ＨはＣａＦｔを使用しておらず、試料Ｇと同様強度は高
いが耐摩耗性が低下している。

また、試料■はＣａＦｔの粒径がこの発明の範囲外であ
る１５０〜２５０μｍを用いた場合であり、耐摩耗性は
良好であるが、強度が低下していることが判る。

（実施例２） 原料粉末として、−１００メツシユのＦｅ−１７％０ｒ
−１％Ｃ合金粉末、フッ化カルシウム粉末、Ｃ粉末、お
よび−１００メツシユ＋３２５メツシユ（粒径ではほぼ
５０〜１５０μｍに相当）のＦｅ−Ｃｒ−Ｃ硬質合金（
Ｆｅ−６６％Ｃｒ−９％Ｃ−０゜５％Ｓｉ）を準備し、
第４表に示す割合で混合した数種類の混合粉末を作った
。なお比較用としてＷＣ系硬質合金（ビッカース硬度２
０００〜２５００）を準備した。なお、いずれも上記粉
末以外に金型潤滑剤として０．８％のステアリン酸亜鉛
を添加した。

第４表で示す混合粉末を外径４０＋ｎｍＸ内径２，７ｍ
ｍＸ厚さ１０ｍｍのリング形状および４０ｘ２０ｘ５ｍ
ｍの角材の形状に６　、５　ｔ／ｃｍ”の圧力下で金型
成形した。次いで、これらの成形体をＮ、ガス中６００
℃×３０分で脱ろうした後、真空中１２００〜１２５０
℃の温度で６０分焼結した。

焼結体の密度はいずれら真空度比９５〜９９％であった
。

焼結合金の強度をみるため、リング形状の焼結体を用い
て圧環強度の測定を行った。なお、耐熱強度についても
評価するため、測定はＢ、Ｔ、および５００℃の２条件
で行った。

また、摺動摩耗特性をみるため、角材の焼結体′を用い
て大成式摩耗試験を行い、各材料の比摩耗量を測定した
。試験条件は下記の通りである。

大成式摩耗試験条件 相手材：５４５Ｃ熱処理材（硬度：ＨＲＣ４速　　度：
３．８１ｍ／ｓｅａ 摩擦距離：２００ｎ＋ 最終荷重：３．２に９ 以上の結果を第５表に示す。材質記号は第４表と対応し
たものである。

第５表の結果より、本発明材はいずれも強度が高く、し
かも耐摺動摩耗特性が優れていることが判る。

試料Ｎは硬質合金をＷＣ系に変えた場合であるが、耐摩
耗特性は強度の低下が大きい。試料０はＣａＦｔをカッ
トした材料であり、強度は高いものの耐摩耗性が本発明
材に比べるとやや劣っている。

試料ＰはＣａＦｔおよび硬質合金の両方をカットしたも
ので、強度は高いが耐摺動摩耗特性は本発明材に比べ大
巾に低下している。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、比較
的安価なＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系を素材として、耐熱性のみな
らず耐摩耗摺動性に優れた耐摩耗性焼結合金を得ること
ができ、耐熱性と共に耐摩耗性が要求されるような部品
材料、例えば、高出力内燃機関のバルブシート材の特性
を向上させることができる。

特許出願人　住友電気工業株式会社 代理人　　　弁理士　青　山　葆

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃｒ１０〜２０重量％、Ｃ１．５〜３．５重量％、
   残部実質的に鉄からなる鉄合金基地中に、ＣａＦ＿２０
   ．５〜３重量％、粒径４４〜１５０μｍ、ビッカース硬
   さの平均値が８００〜２０００である硬質粒子を５〜２
   ０重量％分散させてなることを特徴とする耐摩耗性焼結
   合金。 ２、鉄合金基地中に含有されるＣａＦ＿２の粒径が１４
   ９μ以下である特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性焼
   結合金。 ３、前記硬質粒子がＣｒ５０〜７０重量％、Ｃ５〜１０
   ％重量、Ｓｉ１重量％以下、残部実質的にＦｅからなる
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の耐摩耗性焼結
   合金。 ４、密度が真密度比で９５％以上である特許請求の範囲
   第１項〜第３項のいづれか一項記載の耐摩耗性焼結合金
   。 ５、Ｃｒ１０〜２０重量％、Ｃ１．５〜３．５重量％、
   Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一種１〜５重量％、残部実質的
   に鉄からなる鉄合金基地中に、ＣａＦ＿２０．５〜３重
   量％、粒径４４〜１５０μｍ、ビッカース硬さの平均値
   が８００〜２０００である硬質粒子を５〜２０重量％分
   散させてなることを特徴とする耐摩耗性焼結合金 ６、鉄合金基地中に含有されるＣａＦ＿２の粒径が１４
   ９μ以下である特許請求の範囲第５項記載の耐摩耗性焼
   結合金。 ７、前記硬質粒子がＣｒ５０〜７０重量％、Ｃ５〜１０
   ％重量、Ｓｉ１重量％以下、残部実質的にＦｅからなる
   特許請求の範囲第５項または第６項記載の耐摩耗性焼結
   合金。 ８、密度が真密度比で９５％以上である特許請求の範囲
   第５項〜第７項のいづれか一項記載の耐摩耗性焼結合金
   。 ９、Ｃｒ１０〜２０重量％、Ｃ１．５〜３．５重量％、
   Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一種１〜５重量％、Ｍｏ、Ｎｂ
   、ＷおよびＶからなる群から選ばれた少なくとも一種の
   元素１〜５重量％、残部実質的に鉄からなる鉄合金基地
   中に、ＣａＦ＿２０．５〜３重量％、粒径４４〜１５０
   μｍ、ビッカース硬さの平均値が８００〜２０００であ
   る硬質合金粉末を５〜２０重量％分散させてなることを
   特徴とする耐摩耗性焼結合金。 １０、鉄合金基地中に含有されるＣａＦ＿２の粒径が１
   ４９μ以下である特許請求の範囲第９項記載の耐摩耗性
   焼結合金。 １１、前記硬質粒子がＣｒ５０〜７０重量％、Ｃ５〜１
   ０％重量、Ｓｉ１重量％以下、残部実質的にＦｅからな
   る特許請求の範囲第９項または第１０項記載の耐摩耗性
   焼結合金。 １２、密度が真密度比で９５％以上である特許請求の範
   囲第９項〜第１１項のいづれか一項記載の耐摩耗性焼結
   合金。 １３、Ｃｒ１０〜２０重量％、Ｃ０．８〜１．５重量％
   を含有するＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金粉末に、Ｃ粉末１．２
   〜２．０重量％、フッ化カルシウム粉末０．５〜３．０
   重量％、および粒径４４〜１５０μｍ、ビッカース硬さ
   が８００〜２０００である硬質合金粉末５〜２０重量％
   を添加し、その混合粉末を所定形状に型押成形した後、
   非酸化性雰囲気中１１８０〜１２６０℃の温度領域で焼
   結させることを特徴とする耐摩耗性焼結合金の製造法。 １４、前記硬質合金粉末が１１８０〜１２６０℃の焼結
   温度領域で安定であり、焼結合金の基地に固溶しないこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の耐摩耗性
   焼結合金の製造法。 １５、前記硬質合金がその基地中に均質に分散された粒
   径２０μｍ以下のＣｒ炭化物並びに粒径４４〜１５０μ
   ｍの硬質合金を含有していることを特徴とする特許請求
   の範囲第１３項または第１４項記載の耐摩耗性焼結合金
   の製造法。 １６、前記硬質合金粉末がＣｒ５０〜７０重量％、Ｃ５
   〜１０重量％、Ｓｉ１重量％以下、残部実質的に鉄から
   なる組成を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   ３項〜第１５項のいづれか一項記載の耐摩耗性焼結合金
   の製造法。