JPH0247202A - 耐熱耐摩耗性焼結合金用鋼粉 - 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］ 本発明は耐熱耐摩耗性焼結合金用銅粉に関する。

〔従来の技術１ 従来、耐熱耐摩耗性を要求される内燃機関の弁座に用い
られる鉄系焼結合金の原料としての合金鋼粉としては、
特公昭４９−１７９６８のように、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系合
金鋼粉が知られている。しかし、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系合金
鋼粉を用いて製造した焼結鋼による弁座の場合は、相手
部材である吸排気弁の材質が制約されるという問題があ
った。

この問題を解決する鉄系焼結合金としては、特公昭５５
−３６２４２に見られるように、Ｎｉ：０．５〜３重量
％（重量％を以下単に％と記す）、Ｍｏ＋０．５〜３％
、Ｃｏ：５．５〜７．５％、残部が実質的にＦｅなる組
成を有する合金鋼粉を用い。

炭素、潤滑剤を混合して成形、焼結したものが知られて
いる。

しかし、近年エンジンの作動条件は、エンジン出力増大
に伴い、益々過酷になりつつある６その結果、エンジン
の動弁機構を構成する各部材も従来の材質では耐熱性、
耐摩耗性が不足してきて弁座用鉄系焼結合金も逐次改良
が必要となり、耐熱耐摩耗性を向上させた材料として、
特開昭６２−１０２４４に見られるように、Ｎｉ：０．
５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５
％。

残部が実質的にＦｅなる組成を有する合金鋼粉を主原料
粉末とし、Ｍｏ　：　２８％、Ｃｒ：８％、Ｓｉ：２％
、Ｃｏ：６２％の金属間化合物粉末を混合し、成形、焼
結して、主原料合金銅粉の化学組成の基地中に、Ｍｏ：
２６〜３０％、Ｃｒニア〜９％、Ｓ　ｉ　：　１．５〜
２．５％、残部Ｇｏの金属間化合物を５〜２５％分散さ
せることを特徴とした焼結合金が開発されてきている。

このように、焼結合金の基地の特性を決める原料粉末と
して、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ
　：　５．５〜７．５％、残部が実質的にＦｅなる組成
を有する合金鋼粉を用いて、焼結合金の耐熱、耐摩耗性
改良が進んできているが、さらにこれ以上の耐熱耐摩耗
性向上を図る手段としては、主原料合金鋼粉によって決
まってくる基地の耐熱耐摩耗性向上が必要である。

耐熱耐摩耗性鉄系焼結合金の基地の特性向上手段として
は、従来から使用されているＮｉ二（１５〜３％、Ｍｏ
：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５％、残部が実質
的にＦｅなる組成の合金鋼粉を原料粉として考えるとき
、ＭＯを増加させると焼結合金の耐酸化性が低下し、ｃ
ｏを増加させると鋼粉が著しく硬くなり粉末特性の中の
圧縮性が低下し、通常の粉末冶金法で用いている方法で
は圧縮成形が困難になり、かつ経済性の面で不利である
。従って合金成分を調整して特性向上を図る方法として
はＮｉを増加させることが最も有効である。

基地のＮｉを増加させる方法としては次の２種が考えら
れる。

（１）フェロニッケルまたは金属Ｎｉ粉末を主原料合金
銅粉と混合してＮｉを増加させる方法（混粉法） （２）主原料合金鋼粉製造時点でブリアロイとしてＮｉ
を増加させる方法（ブリアロイ法）しかし、（１）の方
法の場合にはＮｉの拡散を焼結時点で充分行わせるため
に、微細なフェロニッケルや金属Ｎｉ扮末を用いる必要
があり、微細な粉末を使うために粉末の流動性が著しく
悪化し、粉末の流動性が悪化すると粉末の成形時に、 ■　プレス金型に粉末を充填する際の作業性が悪化し、
焼結合金製造能率が低下する。

■　粉末の金型内における充填密度が不均一になること
による部品強度、寸法精度のばらつきが大きくなる。

といった問題が起こる。

一方、（２，）のブリアロイ法であると、固溶によって
粉末が硬くなり圧縮性が著しく低下し、粉末の圧縮性が
低下すると、粉末の成形時に。

■　プレス成形時の圧力を大きくする必要があり大型の
プレス機械が必要となる。

■　同一成形圧力であると、焼結合金の密度が小さくな
り、強度低下を招く６ といった問題が起こる。

〔発明が解決しようとする課題１ 本発明は、従来技術の上記問題点を解決しようとするも
ので、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ
：５．５〜７．５％、残部が実質的にＦｅなる組成を有
する合金鋼粉を基本として、鋼粉の流動性と圧縮性を低
下させずに、Ｎｉ量を増加させて、耐熱、耐摩耗性に優
れた鉄系焼結合金を製造するのに適した合金用銅粉を提
供するものである。

Ｃ課題を解決するための手段〕 本発明はベース粉末の、 Ｎｉ：０．５〜３　％ Ｍｏ：０．５〜３　％ Ｃｏ：５．５〜７．５％ 残部が実質的にＦｅなる組成を有する予合金鋼粉の表面
に、Ｎｉが部分拡散結合されており、Ｎｉが部分拡散結
合された鋼粉の全Ｎｉ含有量を５〜３０％とした、流動
性、圧縮性の優れた耐熱耐摩耗性焼結合金用合金鋼粉を
提供するものである。

［作用］ 本発明が提供する合金用銅粉のベース合金鋼粉は、Ｎｉ
：０．５〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜
７．５％、残部が実質的にＦｅなる組成を有する予合金
鋼粉で、この予合金鋼粉にＮｉ源として、フェロニッケ
ル粉、酸化ニッケル粉、金属ニッケル粉などを、製品合
金銅粉におけるＮｉ含有量が５〜３０％になるように混
合し、還元性雰囲気、例えば純Ｈ２、アンモニア分解ガ
ス等の下で７００〜９５０℃の温度において熱処理し、
Ｎｉを予合金鋼粉表面に部分拡散結合させたものである
。

熱処理によってケーキ状に固まった部分拡散合金粉を解
砕機によって解砕後、スクリーンで所定粒度に篩分ける
。さらに粒度調整、均一化のためにブレンダで混合し、
本発明の合金用鋼粉製品を得る。

予合金鋼粉に混合されたＮｉ源中のＮｉは予合金鋼粉の
表面に部分拡散結合されており、微粉を残さないので鋼
粉の流動性を害せず、また、予合金鋼粉中への拡散がわ
ずかであるので銅粉の圧縮性を損なうこともない。

ベース粉末として、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｍｏ：０．５
〜３％、Ｃｏ　：　５．５〜７．５％、残部が実質的に
Ｆｅなる組成の予合金鋼粉を選んでいるのは、該鋼粉が
耐熱耐摩耗性鉄系焼結合金の原料粉末として非常に適し
ているからである。

すなわち、ベース予合金鋼粉において、ＮｉおよびＭｏ
は主に強度の向上に寄与するが、Ｎｉ。

Ｍｏとも０．５％未満では不充分であり、一方、３％を
超えて添加しても費用の割には効果が得られず、また、
銅粉が硬（なり圧縮性が劣化し強度の低下を招く、また
、Ｍｏを過剰に入れると耐酸化性が低下する。

Ｃｏは５．５％未満では高温硬さが不足し摩耗し易く、
一方、７．５％を超えると鋼粉が硬くなり、圧縮成形が
困難になる。

本発明は、このベース予合金鋼粉表面にＮｉが部分拡散
結合されているもので、製品鋼粉中の全Ｎｉ含有量を５
〜３０％としているのは、Ｎｉが５％未満では最終製品
である焼結合金の強度および耐摩耗性の向上が見られず
、また、上限を３０％としているのは、これを超えてＮ
ｉを部分拡散結合させても強度および耐摩耗性の向上が
見られないからである。

予合金鋼粉表面にＮｉを部分拡散結合させるのは還元性
雰囲気で行う。これは鋼粉およびＮｉの酸化を防止する
ためである。

部分拡散結合させるには７００〜９５０℃で処理を行う
。７００℃未満ではＮｉの予合金鋼粉表面への拡散速度
が極度に遅くなり、Ｎｉの鋼粉表面への結合が不充分と
なり、結合を充分にするためには、非常に長時間を要し
、経済的でないからであり、９５０℃より高い温度では
逆にＮｉの拡散速度が大き過ぎ、予合金鋼粉粒子中にＮ
ｉの拡散が進み鋼粉の圧縮性を損なうからである。

熱処理時間は、７００〜９５０℃において熱処理する場
合に、３０分未満では、Ｎｉの鋼粉粒子表面への結合が
不充分であり、１２０分を超えると、Ｎｉの拡散が進み
過ぎ鋼粉の圧縮性を損なう。

なお、合金用銅粉の流動痕は、成形時の金型への充填性
の面から３５秒１５０ｇ以下が必要であり、圧縮性は成
形時の密度の面から６　ｔ　／　ｃ　ｒｔ？で成形時で
６．７０ｇ／ｒｎ’以上が必要である。

〔実施例〕

実施例１ ベース粉末として、Ｆｅ−０，５〜３％Ｎｉ−０，５〜
３％Ｍ　ｏ　−５，５〜７．５％Ｃｏ系の予合金鋼粉を
用いた。

この鋼粉に、金属Ｎｉ扮末を製品鋼扮中全Ｎｉ量が５．
１０．１５．２０．２５．３０％になるようにダブルコ
ーン型ミキサで３０分間混合した後、これらの６種の混
合相をそれぞれＨ２ガス雰囲気中で８７５℃で６０分間
加熱して、ベースの予合金鋼粉の表面にＮｉを部分拡散
結合処理を施した。その後、通常の粉末冶金用鋼粉装造
に用いられる解砕、篩分操作を施した。

ベース予合金鋼粉および得られた製品鋼粉の、化学成分
を第１表に、粒度分布を第２表に、見掛密度などを第３
表に示した。

流動痕はＮｉの添加量が増えるに伴い徐々に低下する傾
向にあるが、Ｎｉ：３０％においても粉末冶金用鋼粉と
して満足できる値である。また圧縮性もＮｉ：５〜３０
％の範囲のいずれにおいても満足できる値である。

比較例１ 実施例１と同様に６種の混合相を調製し、これ等の混合
相の品質特性を、第１表、第２表および第３表に併記し
た。

流動度はＮｉ　：　１０％において５０．９秒１５０ｇ
で、実施例１−（２）に比べて約２０秒１５０ｇ遅く、
さらにＮｉ：１５％以上においては全く流動せず、粉末
冶金用鋼粉としては適さない。

比較例２ 実施例１に用いた千合金鋼粉の化学成分なベースにして
、製品鋼粉中のＮｉが５．１０％となるように溶鋼の段
階で成分調整した水アトマイズ鋼粉を、Ｈ２雰囲気中で
、９５０℃にて６０分間加熱し、鋼粉表面の酸化物を還
元除去後、通常の粉末冶金用鋼粉製造に用いられる解砕
、篩分操作を経て得た鋼粉の特性を、第１表、第２表お
よび第３表に併記した。

圧粉体密度がＮｉ：５％において、６．６４ｇ／ｃｒｒ
？（６ｔ／ｃｒｎ”で成形）で、Ｎｉ：５％の実施例１
−（１）に比べてＯ，１９ｇ／Ｃｆｆ１’低く、さらに
Ｎｉ　：　１０％においては、同じ＜６ｔ／ｃｄで成形
時、６．４３ｇ／ｃｒｒ１′で、実施例１−（２）の６
、８９　ｇ　／　ｃ　ｒｒｆに比べると、０．４６　ｇ
　／　ｃ　ｒｒｒ’低し）。

一般に粉末冶金法では、６　ｔ　／　ｃ　ｒｒｆの圧力
で成形した時に、圧粉体密度が６．７０　ｇ　／　ｃ　
ｒｄ以上は必要といわれており、これらプリアロイ法に
よる比較例２の鋼粉は粉末冶金用鋼粉には適さな！／）
。

実施例２ 実施例１−（１）、（２）、（３）、（４）。

（５）、（６）の銅粉を用いて焼結合金を製造し特性を
調査した。

鋼粉に黒鉛相を１％、ステアリン酸亜鉛（ＺｎＳｔｌを
０．５％添加混合し、６ｔ／ｃｒｎ”の圧力で成形後１
１４０℃にて還元性雰囲気で焼結して焼結合金を得た。

焼結体の強度を圧環強さ（ＪＩＳＺ２５０７）で代表し
て測定し、耐摩耗性も併せて調査した。

摩耗量は、回転片（Ｓ　Ｕ　ｌ（−３）を固定片（得ら
れた焼結合金）に押し付け、固定片の摩耗潔さをもって
摩耗量とした。

測定条件は、 摩擦速度：２．０ｍ／秒 荷重　　：６．３ｋｇｆ 摩擦距離：１００ｍ 温度　　：３００℃ である。

第１図に摩耗試験結果を、第２図に圧環強さ試験結果を
示す。

なお、ベース予合金鋼粉および比較例１−（１）、（２
）、比較例２−（１）、（２）による銅粉についても、
本実施例と同様に焼結および測定を行い、測定結果を第
１図および第２図に記入した。

ベース千合金銅粉と比較して、本発明の部分拡散結合銅
粉は、Ｎｉの添加に伴い圧環強さ、耐摩耗性が向上する
が、３０％付近になると、焼結体の組織中に軟質なＮ１
リッチ相が増えるため、圧環強さの低下の兆しが見られ
、これに対応する摩耗量も増大の兆しを示す。

比較例１−（１）、（２）の混粉法鋼粉と、比較例２−
（１）、（２）のブリアロイ法鋼粉を。

それぞれ本発明の部分拡散結合鋼粉と比較すると、混粉
法鋼粉は本発明によるものと特性はほぼ同じレベルであ
るが、特性のばらつきが大きく品質が不安定であり工業
的には望ましくない。

一方、ブリアロイ法鋼粉は、鋼粉の圧縮性が低いために
焼結が進まず、焼結材の密度が低いためにＮｉ含有量が
多いにもかかわらず、ベース千合金鋼粉よりも却って摩
耗量が大きく、圧環強さが低い。

［発明の効果］ 本発明により、優れた流動性と圧縮性とを兼ね備えた合
金用銅粉を得ることができ、この銅粉を用いることによ
り、従来よりも耐摩耗性、耐熱性を大幅に向上させた内
燃機関弁座用鉄系焼結合金等の工業的な製造が可能とな
り、しかも、従来の粉末冶金法に加えて何ら特殊な設備
を必要とすることもないので、経済性の面でも有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼粉中のＮｉ含有量と、この鋼粉を用いた焼結
体の摩耗量との関係を示すグラフ、第２図は鋼粉中のＮ
ｉ含有量とこの銅粉を用いた焼結体の圧環強さとの関係
を示すグラフである。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　Ｎｉ：０．５〜３重量％ Ｍｏ：０．５〜３重量％ Ｃｏ：５．５〜７．５重量％ 残部が実質的にＦｅから成る予合金鋼粉の表面に、Ｎｉ
   が部分拡散結合されており、前記部分拡散結合後の鋼粉
   の全Ｎｉが５〜３０重量％であることを特徴とする耐熱
   耐摩耗性焼結合金用鋼粉。