JPH0456101B2 - - Google Patents
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- JPH0456101B2 JPH0456101B2 JP8127386A JP8127386A JPH0456101B2 JP H0456101 B2 JPH0456101 B2 JP H0456101B2 JP 8127386 A JP8127386 A JP 8127386A JP 8127386 A JP8127386 A JP 8127386A JP H0456101 B2 JPH0456101 B2 JP H0456101B2
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Description
この発明は自動車その他の内燃機関の弁座用に
好適な、耐熱性および耐摩耗性の優れた焼結複合
材料に関するものである。 従来、内燃機関の弁座には焼結鋼の空孔内に鉛
などを溶浸してその固体潤滑作用を利用する材料
や、靱性に富む基地中に金属炭化物または金属間
化合物などの硬質相を分散させた焼結材料が用い
られている。 ところで、後者の分散硬化型材料の場合、その
硬質相にセラミツクスを用いることは特に高温に
おける耐摩耗性の向上に極めて有用ではあるが、
この複合材料はこれを製造する上で若干の問題が
あつた。即ち、一般に分散硬化型材料では基地と
硬質相との結合強度が重要で、これが弱い場合は
相手部材との摺動時に基地から脱落してしまい、
所期の特性を保てない。 セラミツクスはその種類と基地の材質との組み
合せにもよるが基地との結合強度が概して弱く、
この点の改良が望まれていた。なお、結合強度の
向上には液相焼結を行なうのが有効な手段である
が、比較的低温で液相を生じる材料では基材自体
または硬質相の特性が劣るし、一方、弁座などの
過酷な用途に耐える高融点材料では著しく高温の
焼結を要し、工業的には実用困難である。 発明者らはこのような事情を勘案して種々研究
の結果、硬質相とするセラミツクスにはアルミナ
を、これと組み合わせる基地には高速度鋼および
マルテンサイト系耐熱鋼を選択すると共に、その
混合粉中に適量のリンおよび炭素を配合してその
作用によつて焼結時に部分的な液相を生じさせ、
それにより基地と硬質相の結合を強化して所期の
目的を達成することができた。 即ちこの発明に係る製造法は、高速度鋼または
マルテンサイト系耐熱鋼の粉末に重量比で３〜７
％のアルミナ粉末、0.2〜1.5％のリン、および1.5
〜３％の黒鉛粉末を配合して所要の形状に圧縮成
形した後、温度1000〜1200℃で焼結することを骨
子とするものである。 ここに硬質相としてアルミナを選んだ理由は、
アルミナは基地との反応性が低く確実に硬質相と
して残せることと、アルミナの熱膨張係数と選択
した基地のそれとの差が小さく、従つて焼結時や
弁座として稼動中に受ける熱履歴に対する抵抗力
が高いためである。 また基地の材質については、部材の主体を形成
する重要な材料であり、高温硬さが高く且つ特殊
な焼結方法を必要としないことと、アルミナとの
相性がよい点で高速度鋼およびマルテンサイト系
耐熱鋼が最も適している。高速度鋼はJIS規格に
SKH材として、またマルテンサイト系耐熱鋼は
SUH材として規定されているが、前者の中では
靱性のあるSKH51種が、また後者の中ではNiを
含有し比較的硬さの高いSUH4種が特に好まし
い。これらの規格組成を第１表に示す。 以下この発明を、その一実施例に基づいて説明
する。 先ず、第１表に示した耐熱鋼SUH4の、粒度80
メツシユ以下の合金粉末に平均粒子径20μのアル
ミナ粉末を重量比で５％、黒鉛粉末を２％および
リン含有量20％のFe−Ｐ合金粉を３％配合し、
成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛0.8％を添加
して充分に混合したのち、所要の試験片および台
上試験用エンジンの弁座の形状に成形圧力6t／cm2
で成形して圧粉密度5.8ｇ／cm3の成形体を得、次
いでこの成形体を分解アンモニアガス炉中温度
1100℃で30分間焼結して焼結密度7.0ｇ／cm3（空
孔率５％）の焼結体を作製した。これをこの発明
に係る試料１とする。 次に比較のため、試料１の原料粉からアルミナ
のみ省き、成形および焼結は試料１の場合と同様
にした焼結体を作製しこれを比較試料２とした。
この試料の焼結密度は7.3ｇ／cm3（空孔率５％）
である。 同じく比較のため、試料１の配合から液相促進
用のリンと黒鉛を省き、成形および焼結は試料１
の場合と同様にした焼結体を作製してこれを比較
試料３とした。この試料の焼結密度は6.1ｇ／cm3
（空孔率21％）である。 次に、これらの各試料について圧環強さ、摩擦
摩耗、および叩き摩耗の試験を行なつた。 摩擦摩耗は大越式摩耗試験機により、表面硬さ
HRC33、材質SUH3のロータに6.3Kgの加重を負
荷して試験片に摺接させ、その摺動速度21cm／
sec、摺動距離100ｍの条件で試験後の各試料の摩
耗量を測定し、これを硬質相無添加の試料２の場
合を100とする指数で表わした。 また、叩き摩耗は４気筒2000c.c.エンジンを用い
た台上簡易試験機により、弁の弁座との接触部に
はステライトの盛金を施し、弁の開閉速度を毎分
5200回とし、プロパン燃焼ガスで雰囲気温度を
250〜400℃に保つた状態で30時間連続運転後、弁
座の摩耗量を測定し、これを試料２の場合を100
とする指数で表わした。 第２表は以上の試験結果を示したもので、先ず
圧環強さを見ると、試料１と２は同等であるが、
試料３はかなり劣つている。これはリンと黒鉛を
省いたので前述の焼結温度では液相を発生せず、
焼結の進行が他の試料より不充分なためと考えら
れる。 次に摩擦摩耗については、試料３は硬質相を含
有するにも拘らず摩耗が試料２より多い。これは
上述の理由で硬質相と基地との結合が弱く、且つ
基地自体の強度も低いためと考えられる。これに
対して、試料１の場合は液相の作用で硬質相と基
地とが強固に結合されているために硬質相の効果
が充分に発揮され、その結果、摩耗量が試料２の
僅か一割という優れた耐摩耗性を示している。 次に摩擦磨耗ほど極端ではないが、叩き摩耗も
全く同様の現象を示している。その理由もまた、
摩擦摩耗の場合と同様と考えられる。 なお、基材の原料に高速度鋼粉末を用いた場合
は、耐熱鋼粉末の場合より圧粉密度の高い成形体
が得られるが、この違いは粉末中に含まれる珪素
の量によるものと考えられる。事実、珪素含有量
を0.5〜１％に減じた耐熱鋼粉を試作した結果、
前述の試料１の場合において成形体の圧粉密度を
6.2まで高めることができ、しかも基材の特性は
同等であつた。 以上の結果に明らかなように、この発明によれ
ば融点の高い原料を比較的に低温で焼結するにも
拘らず、基材の強度および硬質相と基地との接合
強度ともに高く、高温における耐摩耗性が優れ、
内燃機関の弁座に適する複合材料を低いコストで
製造することができる。 以下、各原料粉の配合割合その他の限定理由に
ついて説明する。 アルミナ：アルミナを選択した理由については既
に述べた。その添加量は３％未満では基地中に
分散する硬質相の量が不足し、耐摩耗性が所期
のレベルに達しない。一方、７％を超えると粉
末の圧縮性が悪くなり、成形体の密度低下やク
ラツクなどの成形不良をもたらす。従つて、３
〜７％を適正範囲とする。 リン：その添加量が実質0.2〜1.5％と少ないの
で、原料粉中に均一に分散させるためFe−Ｐ
合金粉の形で配合する。Fe−Ｐ合金の液相生
成開始温度は約1050℃であり、炭素が共存する
と、約980℃まで低下する。従つて1000℃以上
であれば、鉄系部品の通常の焼結温度でも基地
の強度および硬質相との接合強度が高められる
ため、1200℃以上の高温焼結を行なう必要はな
い。ただしリンが0.2％未満ではその効果がな
く、一方、1.5％を越えると部材が脆くなり好
ましくない。なお、市場で通常入手できるFe
−Ｐ合金粉のＰ含有量は、その製造上の理由か
ら15〜25％の範囲にある。従つてFe−Ｐ合金
粉の形での適正配合量は１〜６％と算出され
る。 炭素：Fe−Ｐと反応して液相生成を促進し、基
材成分金属との炭化物を形成し耐摩耗性を向上
させる。また、基地中に残る適当量の遊離黒鉛
は相手部材とのなじみ性の改善に役立つ。ただ
し、その配合量が1.5％未満では液相および炭
化物の生成が少なく、所要の耐摩耗性が得られ
ない。一方、過剰の場合は遊離黒鉛としてし残
る量が多くなり、強度および靱性靱性の低下を
招く。従つて1.5〜３％を適正配合量とする。
好適な、耐熱性および耐摩耗性の優れた焼結複合
材料に関するものである。 従来、内燃機関の弁座には焼結鋼の空孔内に鉛
などを溶浸してその固体潤滑作用を利用する材料
や、靱性に富む基地中に金属炭化物または金属間
化合物などの硬質相を分散させた焼結材料が用い
られている。 ところで、後者の分散硬化型材料の場合、その
硬質相にセラミツクスを用いることは特に高温に
おける耐摩耗性の向上に極めて有用ではあるが、
この複合材料はこれを製造する上で若干の問題が
あつた。即ち、一般に分散硬化型材料では基地と
硬質相との結合強度が重要で、これが弱い場合は
相手部材との摺動時に基地から脱落してしまい、
所期の特性を保てない。 セラミツクスはその種類と基地の材質との組み
合せにもよるが基地との結合強度が概して弱く、
この点の改良が望まれていた。なお、結合強度の
向上には液相焼結を行なうのが有効な手段である
が、比較的低温で液相を生じる材料では基材自体
または硬質相の特性が劣るし、一方、弁座などの
過酷な用途に耐える高融点材料では著しく高温の
焼結を要し、工業的には実用困難である。 発明者らはこのような事情を勘案して種々研究
の結果、硬質相とするセラミツクスにはアルミナ
を、これと組み合わせる基地には高速度鋼および
マルテンサイト系耐熱鋼を選択すると共に、その
混合粉中に適量のリンおよび炭素を配合してその
作用によつて焼結時に部分的な液相を生じさせ、
それにより基地と硬質相の結合を強化して所期の
目的を達成することができた。 即ちこの発明に係る製造法は、高速度鋼または
マルテンサイト系耐熱鋼の粉末に重量比で３〜７
％のアルミナ粉末、0.2〜1.5％のリン、および1.5
〜３％の黒鉛粉末を配合して所要の形状に圧縮成
形した後、温度1000〜1200℃で焼結することを骨
子とするものである。 ここに硬質相としてアルミナを選んだ理由は、
アルミナは基地との反応性が低く確実に硬質相と
して残せることと、アルミナの熱膨張係数と選択
した基地のそれとの差が小さく、従つて焼結時や
弁座として稼動中に受ける熱履歴に対する抵抗力
が高いためである。 また基地の材質については、部材の主体を形成
する重要な材料であり、高温硬さが高く且つ特殊
な焼結方法を必要としないことと、アルミナとの
相性がよい点で高速度鋼およびマルテンサイト系
耐熱鋼が最も適している。高速度鋼はJIS規格に
SKH材として、またマルテンサイト系耐熱鋼は
SUH材として規定されているが、前者の中では
靱性のあるSKH51種が、また後者の中ではNiを
含有し比較的硬さの高いSUH4種が特に好まし
い。これらの規格組成を第１表に示す。 以下この発明を、その一実施例に基づいて説明
する。 先ず、第１表に示した耐熱鋼SUH4の、粒度80
メツシユ以下の合金粉末に平均粒子径20μのアル
ミナ粉末を重量比で５％、黒鉛粉末を２％および
リン含有量20％のFe−Ｐ合金粉を３％配合し、
成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛0.8％を添加
して充分に混合したのち、所要の試験片および台
上試験用エンジンの弁座の形状に成形圧力6t／cm2
で成形して圧粉密度5.8ｇ／cm3の成形体を得、次
いでこの成形体を分解アンモニアガス炉中温度
1100℃で30分間焼結して焼結密度7.0ｇ／cm3（空
孔率５％）の焼結体を作製した。これをこの発明
に係る試料１とする。 次に比較のため、試料１の原料粉からアルミナ
のみ省き、成形および焼結は試料１の場合と同様
にした焼結体を作製しこれを比較試料２とした。
この試料の焼結密度は7.3ｇ／cm3（空孔率５％）
である。 同じく比較のため、試料１の配合から液相促進
用のリンと黒鉛を省き、成形および焼結は試料１
の場合と同様にした焼結体を作製してこれを比較
試料３とした。この試料の焼結密度は6.1ｇ／cm3
（空孔率21％）である。 次に、これらの各試料について圧環強さ、摩擦
摩耗、および叩き摩耗の試験を行なつた。 摩擦摩耗は大越式摩耗試験機により、表面硬さ
HRC33、材質SUH3のロータに6.3Kgの加重を負
荷して試験片に摺接させ、その摺動速度21cm／
sec、摺動距離100ｍの条件で試験後の各試料の摩
耗量を測定し、これを硬質相無添加の試料２の場
合を100とする指数で表わした。 また、叩き摩耗は４気筒2000c.c.エンジンを用い
た台上簡易試験機により、弁の弁座との接触部に
はステライトの盛金を施し、弁の開閉速度を毎分
5200回とし、プロパン燃焼ガスで雰囲気温度を
250〜400℃に保つた状態で30時間連続運転後、弁
座の摩耗量を測定し、これを試料２の場合を100
とする指数で表わした。 第２表は以上の試験結果を示したもので、先ず
圧環強さを見ると、試料１と２は同等であるが、
試料３はかなり劣つている。これはリンと黒鉛を
省いたので前述の焼結温度では液相を発生せず、
焼結の進行が他の試料より不充分なためと考えら
れる。 次に摩擦摩耗については、試料３は硬質相を含
有するにも拘らず摩耗が試料２より多い。これは
上述の理由で硬質相と基地との結合が弱く、且つ
基地自体の強度も低いためと考えられる。これに
対して、試料１の場合は液相の作用で硬質相と基
地とが強固に結合されているために硬質相の効果
が充分に発揮され、その結果、摩耗量が試料２の
僅か一割という優れた耐摩耗性を示している。 次に摩擦磨耗ほど極端ではないが、叩き摩耗も
全く同様の現象を示している。その理由もまた、
摩擦摩耗の場合と同様と考えられる。 なお、基材の原料に高速度鋼粉末を用いた場合
は、耐熱鋼粉末の場合より圧粉密度の高い成形体
が得られるが、この違いは粉末中に含まれる珪素
の量によるものと考えられる。事実、珪素含有量
を0.5〜１％に減じた耐熱鋼粉を試作した結果、
前述の試料１の場合において成形体の圧粉密度を
6.2まで高めることができ、しかも基材の特性は
同等であつた。 以上の結果に明らかなように、この発明によれ
ば融点の高い原料を比較的に低温で焼結するにも
拘らず、基材の強度および硬質相と基地との接合
強度ともに高く、高温における耐摩耗性が優れ、
内燃機関の弁座に適する複合材料を低いコストで
製造することができる。 以下、各原料粉の配合割合その他の限定理由に
ついて説明する。 アルミナ：アルミナを選択した理由については既
に述べた。その添加量は３％未満では基地中に
分散する硬質相の量が不足し、耐摩耗性が所期
のレベルに達しない。一方、７％を超えると粉
末の圧縮性が悪くなり、成形体の密度低下やク
ラツクなどの成形不良をもたらす。従つて、３
〜７％を適正範囲とする。 リン：その添加量が実質0.2〜1.5％と少ないの
で、原料粉中に均一に分散させるためFe−Ｐ
合金粉の形で配合する。Fe−Ｐ合金の液相生
成開始温度は約1050℃であり、炭素が共存する
と、約980℃まで低下する。従つて1000℃以上
であれば、鉄系部品の通常の焼結温度でも基地
の強度および硬質相との接合強度が高められる
ため、1200℃以上の高温焼結を行なう必要はな
い。ただしリンが0.2％未満ではその効果がな
く、一方、1.5％を越えると部材が脆くなり好
ましくない。なお、市場で通常入手できるFe
−Ｐ合金粉のＰ含有量は、その製造上の理由か
ら15〜25％の範囲にある。従つてFe−Ｐ合金
粉の形での適正配合量は１〜６％と算出され
る。 炭素：Fe−Ｐと反応して液相生成を促進し、基
材成分金属との炭化物を形成し耐摩耗性を向上
させる。また、基地中に残る適当量の遊離黒鉛
は相手部材とのなじみ性の改善に役立つ。ただ
し、その配合量が1.5％未満では液相および炭
化物の生成が少なく、所要の耐摩耗性が得られ
ない。一方、過剰の場合は遊離黒鉛としてし残
る量が多くなり、強度および靱性靱性の低下を
招く。従つて1.5〜３％を適正配合量とする。
【表】
Claims (1)
- １ 金属−セラミツクス系複合材料の製造におい
て高速度鋼またはマルテンサイト系耐熱鋼の粉末
に重量比でアルミナ粉末を３〜７％、リンの含有
量が15〜25％のFe−Ｐ合金粉末を１〜６％およ
び黒鉛粉末を1.5〜３％配合し、この混合粉を所
要の形状に圧縮成形したのち温度1000〜1200℃で
焼結することを特徴とする、耐熱耐摩耗性の優れ
た焼結複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8127386A JPS62238348A (ja) | 1986-04-09 | 1986-04-09 | 耐摩耗性焼結複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8127386A JPS62238348A (ja) | 1986-04-09 | 1986-04-09 | 耐摩耗性焼結複合材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62238348A JPS62238348A (ja) | 1987-10-19 |
| JPH0456101B2 true JPH0456101B2 (ja) | 1992-09-07 |
Family
ID=13741758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8127386A Granted JPS62238348A (ja) | 1986-04-09 | 1986-04-09 | 耐摩耗性焼結複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62238348A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007095957A1 (en) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Fj Sintermetal | A powder and a process for the production of a sintered body, and a sintered body |
| CN105039842B (zh) * | 2015-07-01 | 2017-06-27 | 内蒙古科技大学 | 一种耐高温耐磨金属铁与氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法 |
-
1986
- 1986-04-09 JP JP8127386A patent/JPS62238348A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62238348A (ja) | 1987-10-19 |
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