JPH0377270B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は高温の環境下に相手部材と摺動または
衝接し乍ら作動する機械部品、例えば内燃機関の
動弁機部材や過吸機の部材などに好適な、耐熱耐
摩耗性が優れ、しかも相手部材の摩耗も少ない鉄
系焼結合金に関するものである。 この様な熱間での耐酸化性や対摩耗性を要する
部材には、従来は多量のクロム炭化物を含有する
高Cr鋳鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼を
基材としその基地中にC₀基金属間化合物を分散
させた焼結合金などが用いられている。 しかし、前者は自らの耐摩耗性は良好な反面、
相手材を摩耗させ易いという問題点がある。また
後者は、耐酸化性が不充分な上に、Co基金属間
化合物の硬さが低いために耐摩耗性がやや劣り、
材質の改善が望まれていた。 本発明はこの様な事情に基づいてなされたもの
で、基材には従来の焼結材料を踏襲してオーステ
ナイト系ステンレス鋼（SUS 316L）を用い、そ
の組織の改良によつて要求特性の改良を図つたも
のである。即ち、本発明の骨子は、この基材のオ
ーステナイト基地中にクロム硼化物を主とする硼
化物の集合相を斑点状に、空孔部を除く基地に対
して面積比で15〜45％相当量を分散させたことに
ある。なおこの様な組織の合金は、SUS 316L
（JIS規格値Ｃ…0.03％以下、Cr…16〜18％、Ni
…12〜15％、M₀…２〜３％、残部Feおよび不純
物）の粉末を主材料とし、この粉末にこれと同じ
組成でさらにホウ素を２〜３％追加した硼化物含
有合金粉を20〜60％配合して作られる。 この基材を選択する理由は、一つはこの鋼種が
この様な用途に実績が多く、市販の規格合金粉と
して経済的に入手できること、また一つは、現用
部品を設計（材料）変更する場合、従来と同系統
の材料なら比較的容易に変更できるためである。 本発明に係る焼結合金において、クロムは鉄を
不動態化して耐酸化性を向上させる一方、一部は
クロム硼化物として基地中に分散して耐摩耗性を
改善する。その添加量は16〜18％が適当で、16％
未満では耐酸化性が不足し、18％を超えると粉末
の成形系が劣化する。 ニツケルはオーステナイト生成元素として働き
靭性および耐酸化性を向上させ、またクロムとの
共存で非酸化性に酸に対する耐食性を向上させる
作用があるが12％未満ではその効果が少なく、一
方、15％を超えて増量しても、効果がそれに伴わ
ない。従つて添加量は12〜15％が適当である。 モリブデンは２％以上で基地の強度と耐酸性を
著しく良くするが、３％を超えると炭化物を生成
してオーステナイトを不安定にするため、２〜３
％を適当とする。 ホウ素は硼化物生成元素として添加されるが、
その量が0.4％未満では硼化物の生成量が不充分
なため耐摩耗性が不足し、一方1.8％を超えると
基地中の（硼化しない）クロムが減少する結果、
基地の耐酸化性が低下する。従つて0.4〜1.8％を
適量とする。 炭素は耐蝕性を阻害する作用があり、その量が
0.05％を超えると、高温の環境で使用する場合粒
界腐食による基材の劣化が著しくなる。従つて成
形潤滑剤に由来する分や焼結中の浸炭を含め、炭
素量は0.05％以下に限定される。 実施例 以下本発明を、その実施例について詳細に説明
する。 先ず、基材の原料として、市販のSUS 316L合
金粉末を用意した。この合金粉の組成は重量比で
Ｃ…0.03％、Cr…17％、Ni…12％、Mo…2.5％お
よびFe残部で、ほかに不純物として少量のSi、
Mn、Ｐ、Ｓが含まれるが、本発明の目的とする
特性には殆ど影響しないので、これらの不純物に
ついての記述は省略する。なおこの合金粉（以下
基材合金分と呼ぶ。）の粒度は100メツシユ以下で
ある。 また、この基材中に分散させる硼化物の担体と
して、基材と同じ組成でこれに2.5％のホウ素を
追加した合金粉を用意した。ホウ素はこの合金粉
の中で、主にクロム硼化物を形成している。 次にこの合金粉（以下区別のために硼化合金粉
と呼ぶ。）40％と成形潤滑剤のステアリング酸亜
鉛0.8％を基材合金粉に配合して成形圧力6t／cm²
で試験片所定の形状に成形後、温度1180℃の真空
炉で30分間焼結した。得られた試料の焼結密度は
7.2ｇ／cm³である。 かくして得られた試料（発明材）は、オーステ
ナイト基地中に硬さMHv1500〜2000の硼化物相
が斑点状に分散した組織を呈している。ホウ素は
Fe、M₀、Niとも硼化物を作ることができるとさ
れているが、分析した結果はクロム硼化物が殆ど
で、モリブデン硼化物が僅かに認められる。 次に比較のため、従来の焼結合金を用いた試料
（従来材１）と鋳鋼の試料（従来材２）とを作製
した。 従来材１は、前記の基材合金粉に組成がM₀…
30％、Cr…8.5％、Si…2.5％および残部C₀の合金
粉を20％配合し、以下発明材の場合と同様にして
成形・焼結したもので、焼結密度は6.7ｇ／cm³で
あり、オーステナイト基地中に丸味を帯びた形の
金属間化合物がほぼ均一に分散した組織を呈して
いる。 また、従来材２はCr…34％、Mo…２％、Si…
１％、Ｖ…２％、Ｃ…２％および残部Feの高Cr
系鋳鋼材料で、フエライト基地中に金属炭化物が
均一に分散した組織を呈している。 次に、各試料について熱間における耐酸化性と
耐摩耗性を試験し、その結果を第１表に示した。 耐酸化性は試料を高温の大気中に保持し、酸化
による試料の重量増加の多少により判定される。
試料は直径10mm、厚さ５mmの円板状、加熱温度は
1000℃、保持時間は50時間である。 また耐摩耗性は、950℃のプロパン燃焼ガス中
で回転中の耐熱鋼（SUS ４）の円盤に試料を押
し付け、摩耗速度５cm／secで100ｍ摺動後の試料
と相手部材（円盤）の摩耗量を測定した。

【表】 この結果を見ると、先ず、発明材は重量の増加
率が小さく耐酸化性が優れているが、これは従来
材１に比べて耐熱耐蝕性に寄与するCr、Niの含
有率が高く、高温で酸化しやすいM₀は少ないた
めと考えられる。 また対摩耗性は、従来材１は自己の、従来材２
は相手部材の摩耗が多く、それぞれ両部材の総合
で約50μ摩耗しているのに対し、発明材の場合は
個々の摩耗も少なく、総合摩耗量は従来の僅か６
割に過ぎない。これは基地中に分散して対摩耗性
を受け持つ硼化物の硬さや分布状態が適切で、基
地との相性もよいためと考えられる。 ところで、摩耗は相手部材との摺動面に生じる
現象であるから、その表面状態、とくに本発明の
場合は主に基地と硼化物相との比率によつて左右
される。そこでその適正範囲を求めるため、基材
合金粉への硼化合金粉の配合量だけを変化させた
試料を前記の発明材の場合と同様にして作製し、
硼化合金粉の配合量と焼結材の諸特性との関係を
調べた結果を第１図、第２図のグラフに示した。
なお試料の方法および条件は第１表の場合と同様
である。 先ず耐酸化性については、焼結体の加熱による
重量増加は硼化合金粉の配合量が25〜60％の範囲
でほぼ一様に最も少なく、配合量20％未満および
60％を超える範囲で急に増加している。一方、強
度と密接な焼結密度は硼化合金粉の配合量20〜65
％の間でピークを示し、この範囲を離れるにつれ
て低下している。 また対摩耗性については、当該試料自身の摩耗
は硼化合金粉の増量につれて配合量20％までは急
激に、それ以上では緩慢に減少している反面、そ
の相手部材の摩耗は配合量が60％までは緩慢に、
それ以上ではやや急激に増加している。 これらの知見に混合粉の成形性を総合すると、
本発明に係る合金を製造する際の、硼化合金粉の
適正配合量は重量比20〜60％と定められる。 ただし、前述のように本発明は対摩耗性を主眼
とする合金で、摩耗は摺動面の現象であるから、
この合金の特定には原材料の配合比よりも、その
表面ないし任意の断面の組織状態で特定するのが
適切と考えられる。この観点から配合量と組織中
に存在する硼化物相の面積比との対応を見ると、
硼化合金粉の配合量20〜60％は、合金の基地中に
認められる硼化物相の面積比15〜45％に相当す
る。 本発明で使用する硼化合金粉は基材合金の溶湯
にホウ素を添加してアトマイズ法により作られる
ので、添加できるホウ素の量は製法上の理由から
３％が上限となる。また溶湯中のCrを充分硼化
させるため、２％が添加量の下限値となる。 以上に詳述したように、本発明に係る合金では
その基地中に分散して耐摩耗性を受け持つ硬質相
の種類および量と耐熱耐蝕性を受け持つ基材とが
適切に組み合わされ、その相乗効果により、熱間
における総合摩耗が従来材の約６割に過ぎないと
いう、優れた特性を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は硼化合金粉の配合量と試料の焼結密度
および耐酸化性との関係を示すグラフ、第２図は
同じく試料自身および相手材の耐摩耗性との関係
を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 全体の組成が重量比にてＣ…0.05％以下、Cr
   …16〜18％、Ni…12〜15％、M₀…２〜３％、Ｂ
   …0.4〜1.8％およびFe残部であり、オーステナイ
   ト基地中に硼化物の集合相が斑点状に分散析出し
   た組織を呈し、且つ組織中に占める硼化物の面積
   比が空孔を除く基地の15〜45％であることを特徴
   とする耐熱耐摩耗性鉄系焼結合金。