JPH046784B2

JPH046784B2 -

Info

Publication number: JPH046784B2
Application number: JP59069483A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Myano; Kazutoshi Takemura; Toshinori Akazawa; Motoaki Shibano
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1984-04-07
Filing date: 1984-04-07
Publication date: 1992-02-06
Also published as: JPS60215748A

Description

【発明の詳細な説明】

１産業上の利用分野本発明は耐摩耗焼結合金に関し、更に詳述すれ
ば、例えば内燃機関の弁座のような苛酷な条件下
で使用される摺動部品の材料として好適な改良さ
れた耐摩耗焼結合金に関する。２従来技術近年、内燃機関が小型、高出力化する一方、ガ
ソリンエンジンにあつては燃料が無鉛ガソリンへ
移行し、或いはLPGが使用されるようになつた
のに伴ない、弁座は高負荷で而も相手バルブの金
属と700〜800℃の高温で直接接触して熱間衝撃を
受けるという苛酷な条件に曝されるようになつた
ので、弁座の耐摩耗性に対する要求が益々厳しく
なつて来ている。また、デイーゼルエンジンにあつてはガソリン
エンジンに較べて燃焼圧力や温度が高く、更に燃
料中の硫黄やバナジウムによる化学的腐蝕を伴な
う摩耗現象が起り、弁座は一層苛酷な条件下で使
用される。粉末冶金法によつて製造される焼結合金、なか
んずく鉄基焼結合金は、熔製材に較べて金属組織
を所望の組織とすることが容易であるところか
ら、近年、機械部品材料への適用範囲が拡大され
てきており、弁座の材料としても多数の改良がな
されているが、特に近時の小型、高出力化された
内燃機関の弁座材料としては充分に満足できるに
は至つていない。３発明の目的本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであ
つて、例えば近時の小型、高出力化された内燃機
関の弁座等に使用しても充分な耐久性を示す耐摩
耗焼結部品を提供することを目的としている。４発明の構成第一の発明は、平均粒径２〜70μｍの窒化チタン粒子が、基地
中に、気孔を除く部分の面積比で６〜30％分散し
た組織を有し、前記基地が、 0.3〜3.0重量％炭素、 0.3〜3.0重量％ニツケル、1.0〜3.0重量％銅及
び3.0〜10.0重量％コバルトの１種又は２種以上、残部が実質的に鉄からなる耐摩耗焼結部品に係る。第二の発明は、平均粒径２〜70μｍの窒化チタン粒子が、基地
中に、気孔を除く部分の面積比で６〜30％分散し
た組織を有し、前記基地が、 0.3〜3.0重量％炭素、１〜20重量％クロム、0.2〜8.0重量％モリブデ
ン、0.5〜3.0重量％タングステン及び0.2〜6.0重
量％バナジウムの１種又は２種以上、残部が実質的に鉄からなり、クロム、モリブデン、タングステン及
びバナジウムの１種又は２種以上が硬質粒子を形
成して分散している組織になつている耐摩耗焼結
部品に係る。第三の発明は、平均粒径２〜70μｍの窒化チタン粒子が、基地
中に、気孔を除く部分の面積比で６〜30％分散し
た組織を有し、前記基地が、 0.3〜3.0重量％炭素、 0.3〜3.0重量％ニツケル、1.0〜3.0重量％銅及
び3.0〜10.0重量％コバルトの１種又は２種以上
並びに１〜20重量％クロム、0.2〜8.0重量％モリ
ブデン、0.5〜3.0重量％タングステン及び0.2〜
6.0重量％バナジウムの１種又は２種以上が合計
で40重量％以下、残部が実質的に鉄からなり、クロム、モリブデン、タングステン及
びバナジウムの１種又は２種以上が硬質粒子を形
成して分散している組織になつている耐摩耗焼結
部品に係る。次に本発明を構成する各元素及び分散相につい
て説明する。基地を構成する各元素について言えば、炭素は0.3重量％（以下、単に「％」で表わす
数値は重量％を表わす）。未満では基地が軟かく
て機械的強度と耐摩耗性が不足し、3.0％を越え
ると基地中の炭化物の量が多くなり過ぎて脆化さ
せるようになるので、0.3〜3.0％の範囲とするの
が良い。第一及び第三の発明にあつて、ニツケル及び銅
はいずれも基地に固溶して機械的強度を改善す
る。ニツケルは0.3％未満、銅は1.0％未満では上
記効果が充分には顕われず、いずれも3.0％を越
えても上記効果の増大が顕著ではないので、ニツ
ケルは0.3〜1.0％の範囲、銅は1.0〜3.0％の範囲
とするのが良い。コバルトはニツケル、銅と同様に基地の機械的
強度を改善し、その上、高温に於ける機械的強度
を改善する。その含有量は3.0％未満では上記効
果が不足し、10.0％を越えても上記効果の増大は
顕著ではないので、3.0〜10.0％の範囲とするの
が良い。第二、第三の発明にあつて、クロム、モリブデ
ン、タングステン及びバナジウムはいずれもその
小部分は基地に固溶して機械的強度を改善し、特
にモリブデンは高温強度を高める。また、他の大
部分は炭素と共に炭化物を形成し、或いは未拡散
の硬質粒子として残留し、耐摩耗性に寄与する。クロムは1.0％未満、モリブデンは0.2％未満、
タングステンは0.5％未満、バナジウムは0.2％未
満では上記効果が不足し、クロムは20％を、モリ
ブデンは8.0％を、タングステンは3.0％を、バナ
ジウムは6.0％を越えると、圧粉体成形時の圧縮
性を損なうようになる。特にモリブデンは基地を
脆化させて却つて機械的強度を損なうようにな
る。以下の理由から、クロムは1.0〜20％、モリ
ブデンは0.2〜8.0％、タングステンは0.5〜3.0％、
バナジウムは0.2〜6.0％の範囲とし、前記圧縮性
の観点から、炭素以外の全合金元素の１種または
２種以上を合計で40％以下とするのが特に好まし
い。また、基地強化のみを目的として、クロム、モ
リブデン、タングステン及びバナジウムを添加せ
ず、0.3〜3.0％ニツケル、1.0〜3.0％銅及び3.0〜
10.0％コバルトの１種または２種以上を含有させ
ても良い（第一の発明）。基地中に分散させる窒化チタン粒子は硬質であ
つて、耐摩耗性に寄与する。その粒径は平均で２
〜70μｍの範囲で、かつ、最大粒径100メツシユ
（147μｍ）以下が好適である。平均粒径が2μｍよ
りも細かいと均一に分散させることが困難であ
り、70μｍを越えると相手摺動部品を傷付けるよ
うになり、また切削加工が困難となる。分散量は容積比（顕微鏡下での面積比に等し
い。）で６〜30％の範囲が好適である。焼結合金
は封孔のための処理を特に施さない限り、通常は
気孔を内在しているが、上記分散量は気孔を除く
実体の部分中の分散量である。これは重量比にす
ると4.21〜21.3％となる。このように構成された第三の発明における焼結
合金全体の化学組成は、0.8〜19.7％クロム、0.24
〜3.0％ニツケル、0.16〜7.9％モリブデン、0.4〜
3.0％タングステン、0.16〜5.9％バナジウム、0.8
〜3.0％銅及び2.4〜9.9％コバルトの１種または２
種以上合計で39.4％以下、0.24〜3.0％炭素、3.26
〜15.5％チタン並びに0.95〜6.8％窒素、残部が実
質的に鉄からなる組成となる。５実施例実施例１先ず、第一の発明の実施例について説明する。下記第１表に示す化学組成の原料粉を、下記第
２表に示すように配合し、これを潤滑材としてス
テアリン酸亜鉛粉末0.7％を添加、Ｖ型混合機で
少なくとも20分間混合し、これら混合粉を6t／cm²
の成形圧で外径40mm、内径24mm、高さ７mmに成形
し、AXガス中でNo.11及びNo.12（第２表参照）は
1120℃で60分間、その他は1150℃で60分間加熱し
て焼結した。得られた焼結体の分析結果は下記第３表に示す
通りである。

【表】

【表】表中、No.１〜９は窒化チタン粒子を分散させた
実施例、No.41はニツケル含有量が低い比較例を、
No.42は窒化チタン粒子を分散させていない比較例
である。これら焼結体の基地組織について説明すると、
No.１〜９及びNo.42はソルバイトからる組織となつ
ている。これら焼結体の組織をNo.５を例に挙げて400倍
の顕微鏡写真で第１図に示す。前述のようにNo.５は上記倍率では基地中には炭
化物等の硬質相を認めることができず、基地１は
ソルバイトからなり、白色に見える（顕微鏡下で
は黄色に見える）窒化チタン粒子２が分散してい
る組織となつている。黒色に見える部分３は気孔
である。前記焼結体から外径35mm、内径29.5mm、内周側
の一方の端部に1.2C（当り幅1.7mm）の面取りを施
した寸法の弁座を削り出し、摩耗試験を行つた。試験装置は第３図に概要を示すもので、弁座１
１はシリンダヘツド１２に設けられた弁座押え１
３に圧入され、弁座押え１３を介してシリンダヘ
ツドに固着される。シリンダヘツド１２の下方にはバルブ駆動部本
体１４がこれに固定されていて、バルブ２０は、
バルブフエースが弁座１１の面取り面に当接する
ように、バルブ駆動部本体１４に取付けられたバ
ルブガイド１５にそのロツド部２０ａが上下動可
能に挿入される。バルブのロツド部２０ａの先端
は、コイルばね１７ａ及び１７ｂによつてバルブ
駆動部本体１４に設けられた軸受１８に嵌入され
たカム軸１９のカム１９ａに圧接するバルブ受け
１６に収容される。バルブ２０は、そのロツド部
２０ａの先端近くでバルブ受け１６に設けられた
爪１６ａに咬持され、バルブ受け１６に固着され
ている。このような構造としてあるので、カム軸１９を
図示しない駆動装置によつて回転させると、バル
ブ受け１６に固着されたバルブ２０は上下動して
そのバルブフエースが弁座１１の面取り面を衝撃
的に繰返し叩くようになる。その荷重はコイルば
ね１７ａ及び１７ｂを適宜選択することによつて
定められる。バルブ２０の上方にはガスバーナー２１が配し
てあり、弁座押え１３に穿設された細孔に熱電対
２３の温接点が弁座１１に当接するように挿入さ
れて弁座１１の温度が検知され、図示しない制御
回路によつてノズル１４からシリンダヘツド１２
に吹付ける圧縮空気の風量を調節して弁座１１を
所定の温度に保持するようにしてある。また、バルブ２０の表面温度は放射温度計２２
によつて測温され、図示しない制御回路によつて
ガスバーナー２１に供給されるプロパンガスの供
給量を調節してバルブ２０の表面温度を所定の温
度に保持するようにしてある。このような試験装置を使用して、バルブ表面温
度を750℃、弁座温度を450℃に保持し、カム軸回
転数2500rpm、コイルばね荷重40Kgで10時間の試
験を行い、弁座の摩耗量を基準バルブの沈み量か
ら求めた。バルブには21−4N鋼製、バルブフエースにス
テライトNo.６の盛金をしたものを使用した。バルブと弁座の叩き回数は1.5×10⁷回である。なお、比較の弁座には前記No.41及びNo.42のほ
か、熔製材のものとして耐熱鋼SUH4製のものNo.
46及び1.35％Ｃ、1.21％Si、0.42％Mn、13.1％
Cr、0.36％Mo、残部実質的にFeの化学組成を有
する高クロム白鋳鉄製のものNo.47も加えた。試験結果は第４図に示す通りである。同図から、窒化チタン相を組織中に有する本発
明焼結合金を材料とする弁座は、熔製材からなる
比較弁座に較べては勿論、いずれの比較弁座より
も明らかに摩耗量が小さく、極めて耐摩耗性に優
れていることが解る。 No.41、42、１、２、３は同様の基地に対して窒
化チタンの配合量を容積比で０、15、５、15、25
％と変化させてあり、摩耗量はその配合量の増加
に伴つて減少している。これらの結果から、窒化
チタンの配合が耐摩耗性を著しく向上させること
が理解できる。また、窒化チタンは化学的に安定であつて、焼
結の工程で焼結温度に加熱されても分解すること
がない。実施例２次に、第二の発明の実施例について説明する。第１表に示した化学組成の原料粉を下記第４表
に示すように配合し、前記実施例１におけると同
様にして低気孔率の環状焼結体を得た。これら焼
結体の分析結果は下記第５表に示す通りである。

【表】

【表】 No.43はモリブデン含有量が少ない比較例、No.44
は窒化チタン粒子を分散させていない比較例であ
る。これら焼結体の基地は、ソルバイト地中に炭素
と結合して生成された炭化物を含む硬質のフエロ
アロイ粒子が分散した組織となつている。これら環状焼結体について前記実施例１におけ
ると同様の摩耗試験を行つた結果は、第４図中に
併記してある。実施例３次に、第三の発明の実施例について説明する。第１表に示した化学組成の原料粉を下記第６表
に示すように配合し、前記実施例１、２における
と同様にして環状焼結体を得た。これら焼結体の
分析結果は下記第７表に示す通りである。

【表】

【表】 No.45は窒化チタンを分散させていない比較例で
ある。 No.33の基地は、ソルバイト地中に第１表に示し
たCMC粉（プレアロイ粉）によつて形成された
硬質粒子及びモリブデンが炭素と結合して生成さ
れたモリブデン炭化物を含む硬質粒子が分散した
組織になつている。 No.34、35、36、37の基地は、第１表に示した
STL（ステライト）噴霧合金粉によつて形成され
た球状硬質粒子が分散した組織になつている。No.
34を例に挙げて、第２図に400倍の顕微鏡写真を
示す。写真の４はソルバイト地、５はステライト
噴霧合金粉によつて形成された球状の硬質粒子、
６は窒化チタン粒子、黒色に見える７は気孔であ
る。これら環状焼結体について前記実施例１におけ
ると同様の摩耗試験を行つた結果は、第４図中に
併記してある。ニツケル含有量を略一定にしたNo.25、26、27、
28のデータから、クロム、モリブデン、タングス
テン、バナジウムは耐摩耗性改善に同質の作用を
及ぼすことが理解できる。また、モリブデン含有
量を略一定にしたNo.26、29、30のデータから、ニ
ツケル、銅、コバルトは耐摩耗改善に同質の作用
を及ぼすことが理解できる。更に、窒化チタン粒
子を分散させていない比較例No.42、44、45に較べ
て、第一、第二、第三の発明の実施例は、いずれ
も摩耗量が大幅に少なく、窒化チタン粒子分散に
よる耐摩耗性改善の効果は顕著である。比較例No.
46、47は摩耗量が最も大きくなつている。以上、弁座を例に挙げて本発明を説明したが、
弁座以外にも、例えば内燃機関の部品にあつて
は、ロツカアーム、タペツト、ピストンリング
等、その他の機械部品としては回転圧縮機のベー
ン等、適用範囲は広い。６発明の効果以上説明したように、本発明耐摩耗焼結合金
は、前述したような化学組成及び組織としてある
ので、極めて耐摩耗性に優れ、内燃機関その他の
機械装置のオーバーホールから次のオーバーホー
ル迄の期間、所謂開放期間の周期を延長させ、本
発明の工業上の利用価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明耐摩耗焼結合金の組
織を示す倍率400倍の顕微鏡写真である。第３図
は弁座の摩耗試験装置の概略断面図、第４図は摩
耗試験結果を示すグラフである。なお、図面に示された符号に於いて、１，４……ソルバイト地、２，６……窒化チタン
粒子、３，７……気孔、５……ステライト合金粒
子、１１……弁座、１２……シリンダヘツド、１
４……バルブ駆動部本体、１５……バルブガイ
ド、１７ａ，１７ｂ……コイルばね、１９……カ
ム軸、２０……バルブ、２０ａ……バルブのロツ
ド部、２１……ガスバーナー、２２……放射温度
計、２３……熱電対、２４……圧縮空気用ノズル
である。

Claims

【特許請求の範囲】１平均粒径２〜70μｍの窒化チタン粒子が、基
地中に、気孔を除く部分の面積比で６〜30％分散
した組織を有し、前記基地が、 0.3〜3.0重量％炭素、 0.3〜3.0重量％ニツケル、1.0〜3.0重量％銅及
び3.0〜10.0重量％コバルトの１種又は２種以上、残部が実質的に鉄からなる耐摩耗焼結部品。２平均粒径２〜70μｍの窒化チタン粒子が、基
地中に、気孔を除く部分の面積比で６〜30％分散
した組織を有し、前記基地が、 0.3〜3.0重量％炭素、１〜20重量％クロム、0.2〜8.0重量％モリブデ
ン、0.5〜3.0重量％タングステン及び0.2〜6.0重
量％バナジウムの１種又は２種以上、残部が実質的に鉄からなり、クロム、モリブデン、タングステン及
びバナジウムの１種又は２種以上が硬質粒子を形
成して分散している組織になつている耐摩耗焼結
部品。３平均粒径２〜70μｍの窒化チタン粒子が、基
地中に、気孔を除く部分の面積比で６〜30％分散
した組織を有し、前記基地が、 0.3〜3.0重量％炭素、 0.3〜3.0重量％ニツケル、1.0〜3.0重量％銅及
び3.0〜10.0重量％コバルトの１種又は２種以上
並びに１〜20重量％クロム、0.2〜8.0重量％モリ
ブデン、0.5〜3.0重量％タングステン及び0.2〜
6.0重量％バナジウムの１種又は２種以上が合計
で40重量％以下、残部が実質的に鉄からなり、クロム、モリブデン、タングステン及
びバナジウムの１種又は２種以上が硬質粒子を形
成して分散している組織になつている耐摩耗焼結
部品。