JPH0350824B2

JPH0350824B2 -

Info

Publication number: JPH0350824B2
Application number: JP57211962A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Ooaku; Masahiko Shioda; Shunsuke Suzuki; Yoshihiro Marai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-12-02
Filing date: 1982-12-02
Publication date: 1991-08-02
Also published as: JPS59104454A; US4556533A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、安価でかつ耐摩耗性およびなじみ
性に優れ、とくに内燃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
に好適な耐摩性焼結合金の製造方法に関する。従来の内燃機関用ロツカーアームチツプ材とし
ては、チル鋳物あるいは熱処理鋼へ浸炭・窒化あ
るいはクロムメツキ等の表面処理を施したものが
用いられている。しかしながら、特にロツカーアームチツプと相
手材であるカムとは、高面圧で使用される上、ア
イドリング時等のカム回転速度が小さい低摺動速
度域が多く存在するため、カムとチツプとを間の
油による潤滑が十分に行われず、油膜切れを起し
やすく、従来材料では摩耗やスカツフイング等を
生じることが多いという問題があつた。一方、自らの含油効果を利用する等して耐摩耗
性を向上させるようにした焼結合金にあつては、
耐摩耗性摺動材として十分な硬さを得るために
は、Ｗ、M_O等の高価な材料の添加量が比較的多
く必要であり、あるいはそれら添加量を低減させ
たものでも、焼結後の熱処理や表面処理等の後処
理を必要とし、工程か煩雑であるとともに製品価
格の上昇をもたらすという問題があつた。さら
に、近年内燃機関に対する要求特性が厳しくなる
のに伴ない、ロツカーアームチツプとしても従来
開発されている材料よりも優れた耐摩耗性を持つ
材料が必要となつてきているが、自らの耐摩耗性
を有する例えば焼結合金等では、特にロツカーア
ームチツプ材として使用した場合に相手材である
カムを大きく減らしてしまうという欠点があつ
た。しかるに本発明者らは、Fe−Cr−Ｂ−Si系
合金粉末と鋳鉄粉末とFe−Ｐ系合金粉末とを混
合して成形・焼結した耐摩耗性焼結合金を先に開
発し、相手材への攻撃性を従来材より低減せしめ
るようにして、前記問題点を改善した。すなわち、上記した耐摩耗性焼結合金は、鋳鉄
粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5重量％Ｂ
−0.5〜3.0重量％Siおよび残部実質的に不純物か
らなるFe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末５〜35重量％
と、Ｐ量が全粉末中の0.2〜1.5重量％となる量の
Fe−Ｐ系合金粉末とを混合し、成形・焼結した
ことを特徴としたものである（特願昭57−
116276）。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、両者とも少ない摩耗量
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摩耗の原因と
なるおそれがあること、 (2) 上記合金の特徴である、なじみ性を向上させ
るマトリクス中の遊離黒鉛の存在量が比較的少
なく、例えば摺動部の潤滑油切れ等の起りやす
い箇所への使用の際には、充分な潤滑効果が得
られにくいこと、 (3) (2)の改善のため、Cu、Sn、Pbに代表される
なじみ性向上のための金属を付与するには、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、鋳鉄粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜
2.5重量％Ｂ−0.5〜3.0重量％Siおよひ残部実質的
に不純物からなるFe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末５
〜35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つて、
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、低温焼結を可能にすると
により、Ｃの不必要な拡散抑え、マトリクス中へ
遊離黒鉛を従来より多く存在させること、さらに
は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、マトリクス中にCu
を単体で存在させることが可能であり、これら遊
離黒鉛あるいはCuにより、従来品に比べなじみ
性の向上がはかれることによつて、チツプおよび
カムの摩耗量を低減させることにより、上記問題
点を解決することを目的としている。この発明より耐摩耗性焼結合金の製造方法は、
鋳鉄粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5重量
％Ｂ−0.5〜3.0重量％Siおよび残部実質的に不純
物からなるFe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末５〜35重
量％と、Ｐ量が全粉末中で0.2〜1.5重量％となる
ように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ている。また、この発明の焼結合金においては、
mHv300〜600のパーライト・ソルバイト・ベー
ナイト等のFe−Ｃ系マトリクス中に、平均粒子
径10〜100μでmHv900〜1300の硬質層を面積比で
10〜50％ならびに遊離黒鉛およびCu単体を均一
に分散させた組織を有していることがより好まし
い。この発明において使用するFe−Cr−Ｂ−Si系
合金粉末は、焼結時に鋳鉄粉末のＣ等と反応し、
炭化物および／または硼化物の硬質層としてマト
リクス中に分散する。このとき、Fe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末のCr、
Ｂ、Siの組織範囲は、以下のような理由により決
定される。 Cr；10〜35重量％ Crは、Crおよび／またはFe・Cr系硼化物、お
よび焼結時に鋳鉄粉末中のＣと結びついて、Cr
および／またはFe・Cr系炭化物を形成してマト
リクス中に析出する。そのため、Cr量は、Ｂ量
とＣ量とのつり合いが大切であるが、10重量％未
満では前記炭化物および硼化物の形成量が最終製
品において不足してしまい、耐摩耗性が不十分に
なつてしまう。また、35重量％超過においては
Fe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末の硬度が高くなり、
成形性が悪くなつてしまう。Ｂ；1.0〜2.5重量％Ｂは、前述した如くCrおよびFeと結びついて、
Crおよび／またはFe・Cr系硼化物を作るが、1.0
重量％未満では硼化物の形成量が不足し、2.5重
量％を超えるとCrおよび／またはFe・Cr系硼化
物の形成量が多すぎて、粉末成形時の成形性が劣
るので好ましくない。 Si；0.5〜3.0重量％ Siは合金粉末をアトマイズ法により製造する際
の溶湯の湯流れ性を向上させるとともに、脱酸剤
としての効果もあるが、0.5重量％未満ではその
効果が低下し、3.0重量％を超えると焼結体のマ
トリクスの焼入れ性を低下させるので好ましくな
い。一方、この発明において使用される鋳鉄分末
は、一般に使用されている鋳鉄の切削加工時に発
生する切削粉を粉砕して得られるものを用いるこ
とが可能であり、そのなかでも好ましい組成とし
ては、Fe−3.0〜3.5重量％Ｃ−1.8〜2.2重量％Si
−0.6〜1.0重量％Mn、残部若干の実質的不純物
より成るものである。次に前述したFe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末と鋳
鉄粉末とCu−Ｐ系合金粉末とを混合して成形・
焼結することによつて耐摩耗性焼結合金を得るわ
けであるが、その際の各合金粉末の添加割合の限
定理由を以下に述べる。 Fe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末；５〜35重量％ Fe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末は、これまでにも
述べたように、鋳鉄粉末中に結びつく等して硬質
相を形成する。しかし、５重量％未満では前記硬
質相の形成量が十分でなく、35重量％を超えて添
加すると粉末成形性が劣り、また、相対的に鋳鉄
粉末の配合量が少なくなることによつてＣ量が不
足し、マトリクス中に遊離黒鉛が存在しなくなる
ので好ましくない。さらに、Fe−Cr−Ｂ−Si系
合金粉末の添加量は、使用される鋳鉄粉末のＣ含
有量によつてある程度決定され、マトリクス中に
遊離黒鉛を残すためには、Ｃ量が全重量に対し
2.4重量％以上となるようにFe−Cr−Ｂ−Si系合
金粉末を添加するのが好ましい。また、この際、
必要に応じて、Ｃを黒鉛粉として添加し、Ｃ量の
不足を補つても良い。 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域
にて液相を発生し、さらにはそれら液相が鋳鉄粉
末と反応することにより、ある温度域にてFe−
Ｐ−Ｃ系液相も発生させ、これらの液相により焼
結を促進させるが、とくにCu−Ｐ系の液相によ
つて、より低温域での焼結が可能となるゆえ、鋳
鉄粉末中の遊離黒鉛を完全に分解することなく焼
結することができ、加えて、FeあるいはＣ等と
結びつき、Ｐが減少したCu−Ｐ系液相は部分的
にCuを単体としてマトリクス中へ存在させ、そ
れらが遊離黒鉛とともになじみ性向上に寄与す
る。この際、CuあるいはＰを単体で添加すること
はもちろん可能であるが、Ｐの融点および沸点が
焼結温度上とうてい及ばない低い温度に存在する
ので焼結体としてのＰ量歩留りが著しく悪くなる
ためと、CuとＰの反応の効率化を狙つてより低
温域での液相の発生量を確保するためである。この時、Cu−Ｐ系合金は、焼結後のCuあるい
はステダイト相等の存在を十分考慮に入れてＰ配
合量を決定するわけであるが、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添加の効果がなく、1.5重量％超過で
は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、ステダイト相の発生量
が増大し、異常成長するので好ましくない。このようにして、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜
2.5重量％Ｂ−0.5〜3.0重量％Siおよび残部実質的
に不純物からなるFe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末を
５〜35重量％と、鋳鉄粉末と、Ｐ量が粉末全体で
0.2〜1.5重量％となるような量のCu−Ｐ系合金粉
末とを混合し、成形・焼結することにより、この
発明の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、成形圧力は５〜8ton／cm²
程度が好ましい。次に、焼結雰囲気は、還元性あるいは真空雰囲
気でおこなうのが良いが、酸化しやすいFe−Cr
−Ｂ−Si系合金粉末をマトリクスと強固に焼結さ
せるためには、O₂あるいはH₂O含有量は極力少
ない雰囲気にするのが望ましい。また、焼結温度については、あまり低温にて焼
結をおこなうと粉末同士の結合力が弱まり、反対
に高くしすぎるとＣの反応が活発となりすぎ、マ
トリクス中に遊離黒鉛を残存させにくくなるの
で、950〜1100℃の範囲で行なうと良い。このよ
うにして得られた焼結合金は、耐摩耗性およびな
じみ性に優れ、とくにロツカーアームチツプとし
て使用した場合に絶大なる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表面処
理を施しても良いことはもちろんである。以下実施例および比較例によつて本発明合金の
効果を説明する。実施例１原料として、ねずみ鋳鉄（JIS FC25相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
つて得られる−60〜320メツシユの鋳鉄粉末（60
メツシユの篩を通過し、320メツシユの篩を通過
しない粒径の鋳鉄粉末）に、−100メツシユのFe
−20重量％Cr−1.5重量％Ｂ−0.8重量％Si合金粉
末10重量％と、Cu−15重量％Ｐ合金粉末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、真空中（10^-3torr）で1050℃
×45分間の条件で焼結し、空孔率５〜10％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、ねずみ鋳鉄（JIS FC15相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
つて得られる−60〜320メツシユの鋳鉄粉末に、
Fe−15重量％Cr−2.0重量％Ｂ−0.9重量％Si合金
粉末15重量％と、Cu−15重量％Ｐ合金粉末７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、真空中（10^-3torr）で1020℃
×30分間の条件で焼結し、空孔率５〜10％のロツ
カーアームチツプを得た。実施例３原料として、球状黒鉛鋳鉄（JIS FCD相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
つて得られる。−60〜320メツシユの鋳鉄粉末に、
Fe−20重量％Cr−1.0重量％Ｂ−0.8重量％Si合金
粉末25重量％と、Cu−15重量％Ｐ合金粉末3.0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
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、真空中（10^-3torr）で1080℃
×30分間の条件で焼結し、空孔率５〜10％のロツ
カーアームチツプを得た。実施例４原料として、ねずみ鋳鉄（JIS FC25相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
つて得られる−60〜＋320のメツシユの鋳鉄粉末
に、Fe−30重量％Cr−1.0重量％Ｂ−0.9重量％Si
合金粉末10重量％と、Cu−８重量％Ｐ合金粉末
７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。次いで、得られた粉末を
6ton／cm²の圧力でロツカーアームチツプの形状に
圧粉成形した後、真空中（10^-3torr）で1060℃×
45分間の条件で焼結し、空孔率10〜15％のロツカ
ーアームチツプを得た。比較例１ Fe−４重量％Cr−４重量％Mo−６重量％Ｗ−
２重量％Ｖ−0.9重量％Ｃの組成をもつ合金粉末
を、6ton／cm²の圧力でロツカーアームチツプの形
状に圧粉成形した後、真空雰囲気で1200℃×１時
間の条件で焼結し、その後再加熱および再圧縮し
て空孔率を９％に調整し、次いで1200℃の温度に
加熱焼入れし、550℃×１時間で焼戻し、これを
２回繰返して焼結ロツカーアームチツプを得た。比較例２原料として、ねずみ鋳鉄（JIS FC25相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
つて得られる鋳鉄粉末に、Fe−20重量％Cr−1.5
重量％Ｂ−0.8重量％Si合金粉末を15重量％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の圧力
でロツカーアームチツプの形状に圧粉成形した
後、真空中（10^-3torr）において1125×45分間の
条件で焼結し、空孔率８〜15％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、ねずみ鋳鉄（JIS FC25相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
り得られた−60〜＋320のメツシユの鋳鉄粉末に、
Fe−30重量％Cr−1.0重量％Ｂ−0.9重量％Si合金
粉末40重量％と、Fe−27重量％Ｐ合金粉末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、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
後、真空中（10^-3torr）において1080℃×30分間
の条件で焼結し、焼結ロツカーアームチツプを得
た。比較例４原料として、ねずみ鋳鉄（JIS FC15相当材）
を切削した時に発生する切粉を粉砕することによ
り得られる−60〜＋320メツシユの鋳鉄粉末に、
Fe−15重量％Cr−2.0重量％Ｂ−0.9重量％Si合金
粉末15重量％と、Fe−27重量％Ｐ合金粉末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、真空中（10^-3torr）において
1080×30分間の条件で焼結し、空孔率５〜10％の
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に示す本発明合金と、
比較例１〜４に示す比較合金とを供試材として、
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試験を促進させ
るようにした。なお、結果は表２に示す。

【表】

【表】表２の結果から明らかなように、実施例１〜４
の場合に、ロツカーアームチツプの摩耗量が小さ
く、また、特に相手材のカム摩耗量が比較例１〜
４に比べて大幅に低減しており、本発明合金のマ
トリクス中に遊離黒鉛およびCuを残すことによ
る相手材とのなじみ性向上の効果が高く、摺動材
としての特性が優れていることがわかる。以上説明してきたように本発明により製造され
た焼結合金は、鋳鉄粉末中のMnあるいはFe−Cr
−Ｂ−Si系合金粉末中のＢ等の焼入性向上元素に
よつて強化されたベーナイト等のFe−Cr系のマ
トリクス中に、Fe−Cr−Ｂ系の硬質相および遊
離黒鉛あるいはCuを均一に分散させているから、
耐摩耗性およびなじみ性が著しくすぐれており、
このような耐摩耗性焼結合金をなんら特別な装
置・手法を必要とせずして製造することができ、
従来の一般的な粉末治金的手法を用いることがで
きると併せ、その使用粉末として鋳鉄切削粉を利
用することにより、きわめて安価に製造すること
ができるという著しい効果を有する。

Claims

【特許請求の範囲】１鋳鉄粉末に、Fe−10〜35重量％Cr−1.0〜2.5
重量％Ｂ−0.5〜3.0重量％Siおよび残部実質的に
不純物からなるFe−Cr−Ｂ−Si系合金粉末５〜
35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。２鋳鉄粉末の組成が、Fe−2.5〜3.5重量％Ｃ−
1.8〜2.2重量％Si−0.6〜1.0重量％Mn、残部若干
の不純物よりなるものである特許請求の範囲第１
項記載の耐摩耗製焼結合金の製造方法。