JPH0350823B2

JPH0350823B2 -

Info

Publication number: JPH0350823B2
Application number: JP57205951A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Ooaku; Yasuji Sotozono; Masahiko Shioda; Yoshihiro Marai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-11-26
Filing date: 1982-11-26
Publication date: 1991-08-02
Also published as: US4561889A; JPS5996250A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、耐摩耗性およびなじみ性にすぐれ
て、とくに、内焼機関用ロツカーアーム部材とし
て好適な鉄系耐摩耗性焼結合金を製造するのに好
適な耐摩耗性焼結合金の製造方法に関する。従来の内焼機関用ロツカーアームとしては、鋳
造性あるいは鍛造法で製造したロツカーアーム本
体とのカムとの当り面部に、チル鋳物または焼結
合金で製造したチツプをロー付や鋳包み等により
接合したもの、あるいは前記ロツカーアーム本体
のカムとの当り面部に浸炭、窒化、溶射、クロム
メツキ等の表面処理を施したものなどが用いられ
る。しかしながら、このような従来の内燃機関用ロ
ツカーアームにあつては、近年、内燃機関の出力
向上ならびに効率向上のために運転条件がより厳
しくなつており、それに伴ない上気ロツカーアー
ムのカムとの当り面部および相手材であるカムの
どちらか一方あるいは両方の摩耗量が増大すると
いう問題が生じている。本発明者らは上述した従来の問題点に対処する
ため、先に粉末冶金的な手法によつてFe系のマ
トリツクス中にFe−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5重
量％Ｂを含む硬化物相を分散させた耐摩耗性焼結
合金について述べた。すなわち、上記した耐摩耗性焼結合金は、Fe
−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5重量％Ｂおよび残部
実質的に不純物からなるFe−Cr−Ｂ系合金粉末
16〜50重量％と、黒鉛粉末1.0〜3.5重量％と、残
部Fe−Ｐ系合金粉末単独あるいはFe−Ｐ系合金
粉末とFe粉末とを、全粉末中でＰが0.2〜1.0重量
％となるように加えて、混粉したのち成形・焼結
したことを特徴としたものである（特願昭57−
118647）。この耐摩耗性焼結合金は、従来のロツカーアー
ム材に比較すると、チツプ自体および相手材のカ
ムのうちどちらか一方あるいは両方の摩耗量が極
端に増大することなく、両方とも少ない摩耗量を
示すが、以下に述べるような問題点を残してい
る。すなわち、 (1) Fe−Cr−Ｂ−Ｃよりなる粗大なFeおよび／
またはCrの硼化物および／または炭化物の発
生を防ぐため、Fe−Ｐ−Ｃ系液相による焼結
を主とさせるようにしているので、特にFe−
Ｐ系合金粉末の配合量および焼結温度の若干の
差により、複雑形状の硬質ステダイト相の発生
が多くなり、それらが相手材カムの摩耗量を増
加させるおそれがあること、 (2) Cu、Pb、Snに代表されるなじみ性向上のた
めの金属が添加されておらず、さらになじみ性
向上を必要とする場合には、含浸等の手法を焼
結体に施さなくてはならないこと、などである。本発明は、上述した問題点に着目してなされた
もので、Fe粉末もしくは低合金Fe粉末よりなる
Fe系粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5重量
％Ｂおよび残部実質的に不純物からなるFe−Cr
−Ｂ系合金粉末15〜50重量％と、黒鉛粉末1.0〜
3.5重量％と、Ｐ量が全粉末中で0.2〜1.5重量％と
なる量のCu−Ｐ系合金粉末とを混合して成形・
焼結する製造方法を採用することにより、低温域
にて発生するCu−Ｐ系液相を利用し、ステダイ
ト液相の発生を少なくさせることによつても焼結
可能とさせることにより、相手材カムの摩耗を比
較的増大させがちなステダイト相の過剰発生を抑
え、かつ、Cu−Ｐ系液相中のＰがFeおよびFe−
Ｃ等と結びつきやすいことを利用し、マトリツク
ス中にCuを単体でも存在させることにより、な
じみ性向上もはかれ、これら２つの作用によりチ
ツプおよびカムの摩耗量を低減させることによつ
て、上記問題点を解決することを目的としてい
る。すなわち、この発明に基づく耐摩耗性焼結合金
の製造方法は、Fe粉末もしくは低合金Fe粉末よ
りなるFe系粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜
2.5重量％Ｂおよび残部実質的に不純物からなる
Fe−Cr−Ｂ系合金粉末15〜50重量％と、黒鉛粉
末1.0〜3.5重量％と、Ｐ量が全粉末中で0.2〜1.5
重量％となる量のCu−Ｐ系合金粉末とを混合し
て成形・焼結する構成としたことを特徴とし、前
記成形・焼結に際しては、例えば前記粉末を混粉
したのち５〜8ton／cm²の圧力で成形し、Fe−Cr
−Ｐ系合金粉末の融点未満の1000℃〜1140℃の温
度で30〜60分間、還元性もしくは真空雰囲気中で
焼結し、空孔率が20％以下である焼結体とするよ
うにしたことを特徴としている。この発明において使用するFe−10〜35重量％
Cr−1.0〜2.5重量％Ｂおよび残部実質的に不純物
からなるFe−Cr−Ｂ系合金粉末は、焼結過程に
おいて鉄系のマトリツクスと固体拡散、あるいは
Cu−Ｐ系液相を介して発生するFe−Ｐ系の液相
による液相焼結あるいはＣと結びついてFe−Cr
−Ｂ−Ｃ系の液相を発生させることによる液相焼
結により結合して前記マトリツクス中に分散され
る。このとき、前記Fe−Cr−Ｂ系合金粉末のCr
およびＢ添加量は、つぎの理由により各々の範囲
に限定される。 Cr；10〜35重量％ Crは、Cr硼化物および後で添加する黒鉛と
結びついてCr炭化物を作り、マトリツクス中
に分布する。そのため、Cr量はＢ量とＣ量と
のつり合いが大切であり、10重量％未満では添
加量が少なすぎるために最終的な製品としての
耐摩耗性不足となり、35重量％％超過では粉末
の硬度が高くなりすぎるため成形性が低下して
しまう。Ｂ；1.0〜2.5重量％Ｂは、前述した如くCrと結びついてCr硼化
物を作るが、1.0重量％未満ではCr硼化物の析
出量が不足し、2.5重量％超過ではCr硼化物の
析出量が多すぎて粉末成形時の成形性が劣るの
で好ましくはない。 Fe−Cr−Ｂ系合金粉末の基本的組成は上述し
たとうりであるが、Fe−Cr−Ｂ系合金粉末は一
般にアトマイズ法により製造される。このアトマ
イズ法によりFe−Cr−Ｂ系合金粉末を製造する
場合、Fe−Cr−Ｂ系合金粉末の特性を劣化させ
ない範囲であれば、湯流れ性を良くしかつ溶湯の
酸化を防ぐために適量のSiを添加しても良い。こ
の際のSi添加量としては、0.5重量％未満ではそ
の効果がほとんど認められず、3.0重量％超過で
はFe−Cr−Ｂ系合金粉末のかたさを低下させて
しまうため、0.5〜3.0重量％が好ましい。次に、マトリツクスとなるFe系粉末に、上記
Fe−Cr−Ｂ系合金粉末と、黒鉛粉末と、Cu−Ｐ
系合金粉末とを加えて混合するが、上記マトリツ
クスとなるFe系粉末としては、アトマイズ鉄粉、
還元鉄粉、カーボニル鉄粉等の純Fe粉末のほか
に、低合金Fe粉末なども使用することができる。
この低合金Fe粉末としては、例えば現在焼結鍛
造用などに用いられているFe系の合金粉末など
を使用することができる。次にFe−Cr−Ｂ系合金粉末、黒鉛粉末、およ
びCu−Ｐ系合金粉末として添加されるＰの添加
割合の限定理由は次のとうりである。 Fe−Cr−Ｂ系合金粉末；15〜50重量％ Fe−Cr−Ｂ系合金粉末は、これまでにも述
べたように、焼結工程においてFe系のマトリ
ツクスあるいはＣと結びついて硬質相としてマ
トリツクス中に分散されて耐摩耗性を向上させ
る。しかし15重量％未満ではマトリツクス内で
の分散度合が少なく、最終的に耐摩耗不足にな
るので好ましくない。反対に、50重量％を超え
て添加しても粉末成形性が劣るだけであり、耐
摩耗性に対する効果がほとんど変らないので好
ましくない。そして、特に好ましい範囲は20〜
30重量％である。黒鉛粉末；1.0〜3.5重量％黒鉛粉末は、マトリツクス中に拡散して前記
マトリツスクのかたさおよび強さを高める一
方、Fe−Cr−Ｂ系合金粉末中にも拡散して炭
化物を形成するが、1.0重量％未満では全体の
かたさ不足により耐摩耗性が劣るので好ましく
なく、3.5重量％を超えると炭化物の析出量が
多くなりすぎ、脆くなつたりあるいは相手材を
摩耗させたりするので好ましくない。 Cu−Ｐ系合金粉末；Ｐ量が全粉末量に対し0.2
〜1.5重量％ Cu−Ｐ系合金粉末は、焼結時に比較的低温
度域にて液相を発生し、さらにはそれら液相が
Fe粉末あるいはＣと反応することによりＰが
FeあるいはＣと結びつき、ある温度域にてFe
−Ｐ−Ｃ系の液相も発生させ、これら２つの液
相により焼結を促進させる一方、Feあるいは
Ｃと結びついてＰが減少したCu−Ｐ系液相は、
部分的に凝固過程においてCu単体として存在
し、それらがなじみ性向上に寄与するが、この
際、CuあるいはＰを単体添加しないのは、焼
結時にＰの揮発を極力防止してＰの歩留りを向
上させるためと、CuとＰの反応の効率化を狙
つてより低温度での液相の発生量を確保するた
めであり、Ｐの量を基準として配合されるわけ
であるが、その際、Cu−Ｐ系合金粉末中のCu
とＰとの関係は、当然のことながら焼結後の
Cuの歩留りを考慮して決定されることとなる
が、通常は、市販されていて入手しやすいCu
−８〜15重量％Ｐ合金を使用するのが望まし
い。そして、合計のＰ添加量が0.2重量％未満で
はＰ添加の効果が少なく、1.5重量％超過にな
ると液相が過剰に発生し、焼結体表面が荒れ、
寸法精度が悪くなると同時に、ステダイト相が
異常成長し、摺動特性が悪化するので好ましく
ない。このようにして、Fe粉末もしくは低合金Fe粉
末よりなるFe系粉末に、Fe−Cr−Ｂ系合金粉末
と、黒鉛粉末と、Cu−Ｐ系合金粉末とを加え、
通常の鉄系焼結合金と同様に混合したのち成形・
焼結して耐摩耗性焼結合金を得るが、以下にその
際の成形・焼結条件さらには後処理条件の好まし
い一例を示す。まず成形にあたつては、通常の粉末の成形手法
で成形可能であるが、成形圧力があまり低すぎる
と最終製品の強度が低くなり、反対に成形圧力が
高すぎると成形用金型の寿命が短くなり結果的に
コスト高になつてしまうことから、成形圧力とし
ては５〜8ton／cm²程度が好ましい。次に、焼結に際しては、温度、時間、雰囲気な
どについて条件が選定される。焼結温度は、これが低すぎるとFe−Cr−Ｂ系
合金粉末とマトリツクスのFe系粉末との拡散が
不十分となり、使用時に脱落してピツチングの原
因となる。また、焼結温度が高すぎてFe−Cr−
Ｂ系合金粉末の融点を超えると、マトリツクスの
粒界に比較的粗大な鉄および／またはCrの硼化
物および／または炭化物の硬質相が発生し、この
硬質相により相手材カムの摩耗量が増加してしま
うため、焼結温度は高くとも添加したFe−Cr−
Ｂ系合金粉末の融点を超えない温度とすることが
必要である。 Fe−Cr−Ｂ系合金粉末の融点はその組成によ
り異なり、また、Fe−Cr−Ｂ系合金粉末とＣと
Ｐの添加量の組合せにより、Fe−Cr−Ｂ−Ｃ系、
Fe−Cr−Ｂ−Ｐ系、Fe−Cr−Ｂ−Ｃ−Ｐ系等の
液相発生温度や液相発生量が異なるため、最適な
焼結温度は一概には決められないが、通常は1000
℃〜1140℃程度が好ましい。また、焼結時間については、上記の焼結温度範
囲の場合、30〜60分とすることが望ましい。すな
わち、これよりも時間が短すぎると焼結不足とな
り反対に時間を必要以上長くしてもその結果がう
すく、極端な場合には硬化物相が軟化してしまう
ので好ましくない。さらに焼結雰囲気について
は、真空雰囲気が好ましいが、O₂あるいはH₂O
含有量の少ない高純度雰囲気であれば還元性ある
いは不活性雰囲気でも良い。さらに、焼結後の製品の空孔率については、あ
る程度空孔が存在しても含油効果があるため耐摩
耗性に好結果を与えることから問題はないが、あ
まり空孔が多すぎると、面圧に対してマトリツク
スの座屈を生じて凹みの原因となることから、20
％以下とするのが好ましい。このようにして得られた焼結合金は、耐摩耗性
に非常に優れており、とくにロツカーアームチツ
プとして使用した場合に耐摩耗性ならびになじみ
性に非常に優れた効果を発揮するため、基本的に
は後処理として熱処理や表面処理を施す必要はな
い。しかしながら、例えばロツカーアームチツプの
場合、相手材であるカムに対して悪影響を与えな
ければ、耐摩耗性をさらに付与するための熱処理
や表面処理、例えば焼入れ焼戻しや窒化処理等を
施してもよいことはもちろんである。以下実施例について説明する。実施例１原料として、−100メツシユの還元鉄粉（100メ
ツシユの篩を通過した還元鉄粉）よりなるFe粉
末に、−100メツシユのFe−20重量％Cr−1.5重量
％Ｂ合金粉末30重量％と、黒鉛粉末2.5重量％と、
Cu−15重量％Ｐ合金粉末5.0重量％とを加え、さ
らに全重量に対して、0.75重量％のステアリン酸
亜鉛を添加した後、Ｖ型混合機で15分間混合し
た。その後得られた混合粉末を7ton／cm²の圧力で
ロツカーアームチツプの形状に圧粉成形したの
ち、２×10^-2torrの真空雰囲気中で1070℃×60分
間の条件で焼結し、空孔率４％の焼結ロツカーア
ームチツプを得た。実施例２原料として−80メツシユのFe−1.0重量％Cr−
0.5重量％Mn組成による低合金Fe粉末に、−100メ
ツシユのFe−15重量％Cr−2.0重量％Ｂ合金粉末
30重量％と、黒鉛粉末2.5重量％と、Cu−15重量
％Ｐ合金粉末2.5重量％とを加え、さらに全重量
に対して、0.75重量％のステアリン酸亜鉛を添加
混合した後、得られた混合粉末を8ton／cm²の圧力
でロツカーアームチツプの形状に圧粉成形したの
ち、真空雰囲気中で1100℃×45分間の条件で焼結
し、空孔率10％の焼結ロツカーアームチツプを得
た。実施例３原料として、−80メツシユのFe−3.5重量％Cr
−0.3重量％Mo0.3重量％のＶの組成になる低合
金Fe粉末に、−100メツシユのFe−25重量％Cr−
1.2重量％Ｂ合金粉末16重量％と、黒鉛粉末3.0重
量％と、Cu−15重量％Ｐ合金粉末7.0重量％とを
加え、さらに全重量に対して、0.75重量％のステ
アリン酸亜鉛を添加した後、得られた混合粉末を
8ton／cm²の圧力でロツカーアームチツプの形状に
圧粉成形したのち、真空雰囲気中で1050℃×60分
間の条件で焼結し、空孔率５％の焼結ロツカーア
ームチツプを得た。実施例４原料として、−100メツシユの還元鉄粉よりなる
Fe粉末に、−100メツシユのFe−18重量％Cr−1.8
重量％Ｂ合金粉末20重量％と、黒鉛粉末2.5重量
％と、−80メツシユのCu−8.0重量％Ｐ合金粉末
7.0重量％とを加え、さらに全重量に対して、
0.75重量％のステアリン酸亜鉛を添加混合した
後、得られた混合粉末を7ton／cm²の圧力でロツカ
ーアームチツプの形状に圧粉成形したのち、真空
雰囲気中で1140℃×60分間の条件で焼結し、空孔
率８％の焼結ロツカーアームチツプを得た。比較例１原料として、−100メツシユの還元鉄粉よりなる
Fe粉末に、−100メツシユのFe−20重量％Cr−1.5
重量％Ｂ合金粉末20重量％と、黒鉛粉末２重量％
とを加え、さらに全重量に対して、0.75重量％の
ステアリン酸亜鉛を添加した後、Ｖ型混合機で15
分間混合した。その後、得られた混合粉末を
8ton／cm²圧力でロツカーアームチツプの形状に圧
粉成形したのち、脱水剤中を通過させたH₂ガス
雰囲気中で1175℃×30分間の条件で焼結し、空孔
率15％の焼結ロツカーアームチツプを得た。比較例２原料として−80メツシユのFe−1.0重量％Cr−
0.8重量％Mn−0.26重量％Moの組成による低合
金Fe粉末に、−100メツシユのFe−15重量％Cr−
2.0重量％Ｂ合金粉末30重量％と、黒鉛粉末1.5重
量％とを加え、さらに全重量に対して、0.75重量
％のステアリン酸亜鉛を添加した後、得られた混
合粉末を8ton／cm²圧力でロツカーアームチツプの
形状に圧粉成形したのち、真空雰囲気中で1190℃
×45分間の条件で焼結し、空孔率５％の焼結ロツ
カーアームチツプを得た。比較例３原料として、−100メツシユのアトマイズ鉄粉よ
りなるFe粉末に、−100メツシユのFe−30重量％
Cr−1.5重量％Ｂ合金粉末20重量％と、黒鉛粉末
1.0重量％と、平均粒径105μ以下の電解Cu粉末５
重量％と、−200メツシユの噴霧Pb粉末2.0重量％
と、−200メツシユの噴霧Sn粉末1.0重量％とを加
え、さらに全重量に対して、1.0重量％のステア
リン酸亜鉛を添加混合した後、得られた混合粉末
を6ton／cm²の圧力でロツカーアームチツプの形状
に圧粉成形したのち、純化装置を通過させたH₂
ガス雰囲気中で1165℃×60分間の条件で焼結し、
空孔率20％の焼結ロツカーアームチツプを得た。比較例４原料として、−80メツシユのFe−3.5重量％の
Cr−0.3重量％Mo−0.3重量％Ｖの組成になる低
合金Fe粉末に、−100メツシユのFe−20重量％Cr
−1.5重量％Ｂ合金粉末16重量％と、黒鉛粉末1.0
重量％と、−100メツシユの鉛青銅（Cu−10重量
％Pb−10重量％Sn）粉末５重量％とを加え、さ
らに全重量に対して、0.75重量％のステアリン酸
亜鉛を添加混合した後、得られた混合粉末を
8ton／cm²の圧力でロツカーアームチツプの形状に
圧粉成形したのち、純化装置を通過させたH₂ガ
ス雰囲気中で1170℃×30分間の条件で焼結し、空
孔率13％の焼結ロツカーアームチツプを得た。比較例５原料として、−100メツシユの還元鉄粉よりなる
Fe粉末に、−100メツシユのFe−20重量％Cr−1.5
重量％Ｂ合金粉末30重量％と、黒鉛粉末2.5重量
％と、Fe−27重量％Ｐ合金粉末2.5重量％とを加
え、さらに全重量に対して、0.75重量％のステア
リン酸亜鉛を添加した後、Ｖ型混合機で15分間混
合した。その後得られた混合粉末を7ton／cm²の圧
力でロツカーアームチツプの形状に圧粉成形した
のち、８×10^-4torrの真空雰囲気中で1100℃×60
分間の条件で焼結し、空孔率４％の焼結ロツカー
アームチツプを得た。耐久試験次に、上記実施例１〜４に示す本発明品と、比
較例１〜５に示す比較品とを供試材として表１に
示す条件で耐久試験をおこなつた。なお、この耐
久試験では、潤滑油に水を添加すると共に、バル
ブスプリング力を高めて摩耗量を促進させるよう
にした。また、相手材は自動車用エンジンのカム
材として一般に用いられるチル鋳物で、その組成
は重量で、Ｃ：約３％、Si：2.2％、Mn：0.7％、
Ｐ：0.2％、Cu：0.5％残部Feでは、硬度は
HRc55以上である。その結果を表２に示す。

【表】

【表】表２より明らかなように、実施例１〜４の供試
材の場合にロツカーアームチツプ摩耗量および相
手材であるカム摩耗量のいずれも相当小さい値と
なつており、比較例１〜５のものに比べてかなり
優れていることがわかる。以上説明したように、この発明によれば、Fe
系のマトリツクス中にFe−Cr−Ｂ−Ｃ系および
適量のFe−Ｃ−Ｐ系の硬質相を分散させ、さら
には、なじみ性向上元素であるCuを単独で存在
させることにより耐摩耗性となじみ性をあわせ持
つ焼結合金を得ることができる。そして、この焼
結合金をとくに内焼機関用ロツカーアームチツプ
に適用した場合に、上記したすぐれた耐摩耗性お
よびなじみ性によつて、従来のロツカーアームチ
ツプ自体ならびに相手材であるカムの両方共にお
いて摩耗の非常に小さいものとすることが可能で
ある。さらに、この発明により製造された焼結合金
は、成形および焼結工程共に何ら特別な装置・手
法も必要とせず、従来の一般的な粉末治金手法を
採用して製造することによつて耐摩耗性に非常に
すぐれたものとすることができ、基本的には熱処
理や表面処理等の後処理が不要であり、現時点に
おいて高価な合金元素であるMoやＷ等を含まな
いため価格を低くおさえることができ、かつ従来
のロツカーアームチツプ材の焼結温度よりもかな
り低い温度で焼結が可能であることから省エネル
ギーにもなるなどのすぐれた効果をもたらしう
る。

Claims

【特許請求の範囲】

１ Fe粉末もしくは低合金Fe粉末よりなるFe系
粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5重量％Ｂ
および残部実質的に不純物からなるFe−Cr−Ｂ
系合金粉末15〜50重量％と、黒鉛粉末1.0〜3.5重
量％と、Ｐ量が全粉末中で0.2〜1.5重量％となる
量のCu−Ｐ系合金粉末とを混合して成形・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。