JPH046786B2

JPH046786B2 -

Info

Publication number: JPH046786B2
Application number: JP12883090A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Takagi; Yoshihiro Katsui; Hiroyuki Endo; Hiroshi Ikenoe
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1992-02-06
Also published as: JPH0347952A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、内燃機関の動弁機構部材、例えば
バルブガイドに好適な、耐摩耗性および耐熱性の
優れた焼結合金に関するものである。内燃機関のバルブガイド材料は、普通鋳鉄や合
金鋳鉄などの溶製材に代わつて耐摩耗性、被削性
や価格などに勝る焼結合金が種々開発され、先に
本件出願人もCr0.4〜２％、Mn0.1〜１％、
Mo0.1〜１％を含む鉄基地中にステダイト相と遊
離黒鉛とを分散させた焼結合金（特開昭58−
177435号公報参照）を開発し、実用に供してき
た。しかし、この材料の開発以降、最近の自動車用
エンジンの高性能指向に伴つて高温条件下での耐
摩耗性に対する要求が一段と厳しくなり、従来の
合金では満足できない場合をみるに至つた。この発明は上記の事情に鑑みなされたもので、
Cr・Mn・Moを含む鉄基地の中にCrの含有量が
基地よりも多い鉄基の硬質粒子を分散させて耐摩
耗性および耐熱性をより強化させると共に、銅ま
たは銅合金粒子を未拡散の状態で鉄基地中に分散
させて相手部材との馴染み性を与えることを骨子
とし、さらに、必要に応じて硫黄を添加して部材
の被削性をより一層高めたものである。即ち、この発明は前記先発明を基礎として改良
したもので、その改良点は先発明に比べて基地の
Crを1.8〜3.5％とやや多くし、ステダイト相を
Cr4〜10％と基地より高Crの硬質相で、遊離黒鉛
を銅（またはCu−Sn、Cu−Ni）の軟質相で置換
し強化したことに相当する。なおこの明細書で
は、銅合金は錫含有量８〜11％のCu−Sn合金と、
ニツケル含有量５〜30％のCu−Ni合金とを意味
する。この組成範囲は、市販の合金粉の規格範囲
に基づくものである。また、この発明に係る合金は分散硬化型の合金
であるため、その製造に際し基地、硬質相および
軟質相（銅または銅合金）は、それぞれの組成の
合金粉の形で配合される。即ち製造方法としての
骨子は、基地はCr1.8〜3.5％、Mn0.1〜１％、
Mo0.1〜１％および鉄残部；またはこれにS0.05
〜１％を追加した合金鉄粉として、硬質相はCr4
〜10％、Mo0.05〜１％、P0.2〜0.7％および鉄残
部；またはこれにW2％以下またはV0.5％以下を
追加した硬質合金粉として配合し、その成形体を
必要な強度が得られ且つ軟質相が拡散しない温度
（980〜1130℃）で焼結することにある。以下この発明をその実施例について説明する。先ず、原料粉として粒度200メツシユ以下の銅
粉、青銅粉（10％Sn）、Fe−20P合金粉および天
然黒鉛粉、それに下記組成の基材合金粉末（イ、
ロ）および硬質合金粉末（ハ、ニ）を準備した。
また上記先願の合金を従来材料とし、そのための
基材合金粉末(チ)を準備した。イ：Cr2％、Mn0.7％、Mo0.2％およびFe残部。ロ：Cr2％、Mn0.7％、Mo0.2％、S0.2％および
Fe残部。チ：Cr0.8％、Mn0.7％、Mo0.2％およびFe残部。ハ：Cr5％、Mo0.45％、P0.45％およびFe残部。ニ：Cr5％、Mo0.45％、P0.45％、W1.7％、V0.1
％およびFe残部。次に試料の作成であるが、順序として上記先願
に係る重量材料を先に述べる。基材合金粉(チ)に銅
粉を５％、Fe−Ｐ粉を1.25％、黒鉛粉を２％配合
し、これに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を１％
添加して充分に混合した。次にこの混合粉を成形
圧力6t／cm³で試験片所定の形状に成形し、分解ア
ンモニアガス雰囲気炉中1060℃で30分間の焼結を
行ない、従来例の試料No.18を作製した。この試料
の焼結密度は6.70ｇ／cm³であつた。また同様にして、第１表に示した原料粉の配合
割合に従い、試料No.１〜17を作成した。表の備考
欄に記した記号〜はそれぞれ特許請求の範囲
の欄で各発明に付した番号１〜３に合わせてあ
り、例えば試料No.３の場合は製造法としては第３
項の発明の、合金としては第１項の発明の実施例
に該当することを、No.７の場合は第２項の合金の
実施例に該当することを示している。かくして得られた試料No.１〜18および原料粉の
一部を変えて作成した試料No.19〜21の化学成分を
第２表に示す。なお組成または条件が所定の範囲
外の試料には、各表の備考欄に比較例と表示して
ある。次に、各試料について耐摩耗性および被削性の
試験を行なつた。耐摩耗性は大越式摩擦摩耗試験機を用い、温度
400℃の大気中、周速3.6ｍ／secで回転する直径
30mm、幅３mmのローター（材質SUH−３）に荷
重12.6Kgで試料を押し付け、無潤滑で距離400ｍ
摺動後の各試料の摩耗量を求め、その数値を試料
No.18（従来材）を100とする指数で表示した。従つ
て指数が小さいほど耐摩耗性が良いことを意味す
る訳である。被削性は、耐摩耗性と本質的に両立し難い特性
ではあるが、部材の焼結後の加工工程やエンジン
への組み付け工程での作業能率に影響するため、
工場サイドから特に重視される特性である。その
試験方法は長さ40mm内径7.4mmの円筒状試料につ
いて、その内径を８mmまでリーマ加工する所要時
間を求め、それを耐摩耗性の場合と同じく試料No.
18を100とする指数で表示した。従つて指数が小
さいほど加工時間が短い、即ち被削性が良いこと
を示している。試験の結果は第１表の右欄に示す通りで、試料
全体を通じ、No.３およびNo.６が最良の特性を持つ
ている。以下、この表に基づいて結果の考察を行ない、
併せて個々の用件について説明する。先ず従来例
のNo.18とNo.１とは、鉄基地を形成する基材合金粉
の違いを除き、それ以外の原料配合は同一であ
る。しかるにNo.１の方がやや良好な特性を示すの
は、No.１の基材合金にはCrが多く、また硫黄を
含むためである。しかし、この程度の耐摩耗性で
は、最近の要求水準には及ばない。試料No.１〜No.４は、基地中に分散させる高Cr
の硬質合金粉の影響を示し、その５％以上の添加
によつて被削性はやや劣化するが耐摩耗性は著し
く向上し、配合量10％前後で摩耗が最少になる。
但し、さらに増量すると被削性、耐摩耗性ともに
劣化するので、20％を上限とする。また試料No.16は硫黄を含まない基材合金粉の用
いた例で、試料No.３と比較して耐摩耗性はほぼ等
しいが被削性は劣つている。この傾向は、種類が
異なる硬質合金を配合した試料No.15とNo.17の場合
も同様である。基材の被削性に及ぼす硫黄の効果は、極微量の
0.05％（全体組成で0.03％）から有意であるが、
0.2％前後の含有量が好ましい。但し過剰になる
と基材の強度低下を招くため、基材合金中に１％
（全体組成で0.9％）を上限とする。試料No.５、No.３およびNo.0.6は鉄基地中に未拡
散の状態で分散する銅の影響を見たもので、無添
加のNo.５に比べ、摩耗が少なくなる。その効果は
配合量１％から有意で、10％までは殆ど同程度の
効果を示す。但し、銅の配合量が増すにつれて焼
結時の膨張量が大きくなるので、製品の寸法安定
性の面から10％を上限とする。また、試料No.７はNo.３の銅粉の代りに青銅粉
（錫10％）を配合した例で、耐摩耗性はやや向上
し被削性はやや低くなつている。これは錫の影響
で融点が低くなり、錫と一部の銅が拡散して基地
が強化されるためと考えられる。また強度を高め
る必要がない場合は、青銅の場合は銅単味の場合
に比べ、より低い焼結温度で同じ強度を得ること
ができる。錫のこのような作用効果は、全体組成
で0.1％から有意であるが、一方、1.1％を超える
と被削性がさらに劣化する上、錫とともに量が増
える銅による寸法変化も大きくなる。 No.７の青銅粉を15Ni−Cuの合金粉で置換した
試料No.19（焼結密度6.70ｇ／cm³）の場合、摩耗量
は指数52でNo.７と同等、被削性は指数103でNo.７
よりやや勝る。Niも錫と同様の作用効果を示し、
その0.1％以上の添加でNiと一部の銅が拡散して
基地を強化させるが、３％を超えると基地の金属
組織が変化（マルテンサイト化）して被削性が急
激に劣化する。従つて錫またはニツケルの含有量
は、Snは0.1〜1.1％、Niでは0.1〜３％が適当で
ある。このように８〜11％Sn−Cu、５〜30Ni−
Cuの銅合金は、この発明の目的においては用途
に応じ適宜に選択することができる。なお、この
発明においては銅を未拡散の状態で残すことが要
点で、焼結は温度980℃〜1130℃の範囲で行なわ
れる。これ以上になると軟質相が拡散し、一方、
これ以下では焼結が不十分となり、必要な強度が
得られない。試料No.８〜No.11はFe−Ｐ合金粉の形で配合さ
れたリンの影響を見たもので、市販されている
Fe−Ｐ合金粉のリン含有量は通常10％〜30％で
ある。この合金粉を配合すると、焼結の過程で
Fe−Ｐ−Ｃ化合物となつて液相を生じ、焼結を
促進するとともに、一部はステダイト相を生成し
て基地を強化する。その結果被削性はやや低下す
るが、耐摩耗性は配合量0.5％以上で明らかに向
上して１〜15％で最高となり、以後再び低下す
る。そして５％を越えると基材を脆くし、試料No.
11が示すように被削性、耐摩耗性ともに劣化す
る。従つて、Fe−Ｐの配合量は0.5〜５％が適当
である。試料No.12〜No.14は黒鉛粉の形で配合された炭素
の影響を見たもので、配合量0.3％では被削性は
良いが肝心の耐摩耗性が不足し、3.3％では被削
性はやや低くなるが、耐摩耗性は良好な水準を保
つている。合金中に配合された炭素の挙動はかなり複雑で
鉄基地の固溶強化、添加元素との炭化物の生成、
Fe−Ｐとその反応による焼結の促進、遊離黒鉛
の形での固定潤滑など、多くの作用効果を現わ
す。そのための最低必要量は1.5％で、試料No.３
が示すように、２％程度が最適と判断される。過
剰に配合すると粉末の偏析や成形性の低下を来た
すため、４％以下に留めるべきである。試料No.15はＷおよびＶを含まない硬質合金粉を
用いた例で、その特性は実用可能なレベルにある
が、試料No.３との比較から、硬質合金粉中のＷお
よびＶが耐摩耗性を一段と向上させることが分
る。このことは、試料No.17とNo.16についても同様
である。これはＷ、Ｖともに炭素と反応して硬い
炭化物を作り、硬質合金相の硬さを高めるためで
あるが、含有量が過剰になると相手部材を傷付け
易くなる。従つて、硬質合金粉中の含有量はＷは
２％以下、Ｖは0.5％以下に留めるべきである。
ちなみに、Ｖはその原子量がＷの約1/4なので、
添加量が同一の場合はＶの原子の数はＷの約４倍
になる。従つて基地中に分散する炭化物粒子の数
が影響する耐摩耗性については、Ｖは約1/4の添
加量でＷに匹敵する。試料No.20は、No.４における硬質合金粉の組成か
らＶを除きＷを1.9％含有する硬質合金粉で置換
し、それ以外の条件はNo.４の場合と同様にして作
成した試料（焼結密度6.60ｇ／cm³）、試料No.21は
Ｗを除きＶを0.5％含有する硬質合金粉で置換し
た試料（焼結密度6.60ｇ／cm³）である。そして、
それらの特性はNo.20が摩耗量指数58、被削性指数
106、No.21は摩耗量指数57、被削性指数106であ
り、いずれもNo.とほぼ同等と評価される。以上で実施例を含む実験結果についての説明を
終了し、次に、主要原料の基材合金粉および硬質
合金粉の組成について述べる。 Cr：基材合金粉および硬質合金粉に共通する
成分で、炭化物を形成して耐摩耗性および耐酸化
性を向上させる。しかし合金全体に一様な濃度で
分布しては特性が劣る。基材合金粉中の含有量は
1.8〜3.5％と低くして靱性を持たせ、この基地中
に４〜10％と多量のCrを含む硬質合金相を分散
させた点に、この発明の特徴がある。合金粉中の
含有量は1.8％未満ではその効果が乏しく、一方
10％（全体組成で４％）を越えると粉末が硬くな
り、成形性が阻害される。なお基材合金粉中の上
限を3.5％、硬質合金粉中の下限を４％として間
を離すのは、基地と硬質相とにCrの充分の濃度
差を保つためである。 Mo：この元素も基材合金粉および硬質合金粉
に共通する成分で、Crと類似の作用の外、特に
高温における強度と耐間耗性を向上させる。その
効果はCr含有量の少ない基材合金粉では0.1％か
ら、Crと多い硬質合金粉では0.05％の微量（全体
組成で0.07％）から有意であり、一方、１％を越
えて添加しても添加量に見合う効果が得られない
上に、粉末の成形性が阻害される。 Mn：Crの少ない基材合金粉に添加されて鉄基
地を強化させる成分であるが、0.1％未満ではそ
の効果がなく、また、１％を越えると焼結時の酸
化が問題になる。リン：基地中に分散させる硬質合金相の硬さを
一層高めるために、硬質合金粉に添加する。その
効果は0.2％以上で有意であり、一方、0.7％を越
えて添加すると合金粉が脆くなり圧縮性を悪化さ
せる。これとFe−Ｐ合金粉の形での添加分を合
わせた全体組成については、耐摩耗性の向上が有
意となる0.06％を下限、脆化の面で1.5％を上限
とする。Ｗ：炭素と結合して炭化物を形成し、硬質合金
相の硬さを高め耐摩耗性の向上に寄与する成分で
あるが、含有量が過剰になると相手部材を傷付け
易くなるため、全体組成で0.4％を上限とする。Ｖ：Ｗと同じく炭化物を形成し、硬質合金相の
硬さを高め、特に高温における耐摩耗性の向上に
寄与する成分であるが、原子量の関係から、摩耗
現象に関してはＷの約1/4の添加量で長所短所共
にＷと同等の作用効果を現わす。そして0.1％を
超えると炭化物が過剰になり相手部材を傷付け易
くなるため、全体組成で0.1％を上限とする。Ｓ：被削性を改善するために添加される元素で
ある。被削性向上の効果は極微量の0.03％から有
意であるが、0.9％を超えて添加すると基材の強
度低下を招くので好ましくない。従つて、全体組
成は0.03〜0.9％に限定される。

【表】

【表】本願における合金の発明、の全体組成は上
述した製造法の発明の内容、即ち基材合金粉、
硬質合金粉などの組成と配合割合から帰納される
ものである。なお硬質合金粉の中にも微量のMn
が含まれることがあり、また、合金粉の製造に際
して溶湯の湯流れを良くするために少量のSiが添
加されることがあるが、いずれも、この発明にと
つては不純物と見て差支えない。以上記述した通り、この発明に係る焼結合金は
従来の動弁機構部材よりも著しく優れ、自動車用
エンジンの最近の傾向にも充分対応できる特性を
具えている。この４種の合金は耐摩耗性、被削性
ならびにコストの面でそれぞれ得失を持つている
ので、エンジンの性格に応じて適切に選択すれば
よい。なお以上はバルブガイドへの適用例で説明
したが、この材料は動弁機構の他の部材、例えば
バルブシートにも適用可能である。

Claims

【特許請求の範囲】１全体組成が重量比で Cr……1.8〜４％ Mn……0.1〜１％ Mo……
0.07〜１％Ｐ……0.06〜1.5％Ｗ……0.4％以
下およびＶ……0.1％以下の少なくとも一方、Ｓ…0.03〜0.9％Ｃ……0.5〜４％ Cu……１
〜10％ Fe……残部で、且つCr・Mn・Moを含む鉄基地中に基地よ
りもCr量が多い鉄基硬質粒子５〜20％と銅１〜
10％が分散した組織を呈することを特徴とする被
削性の良好な耐摩耗性鉄系焼結合金。２全体組成が重量比で Cr……1.8〜４％ Mn……0.1〜１％ Mo……
0.07〜１％Ｐ……0.06〜1.5％Ｗ……0.4％以
下およびＶ……0.1％以下の少なくとも一方、
Ｓ……0.03〜0.9％Ｃ……1.5〜４％ Cu……0.7
〜9.5％ Sn……0.1〜1.1％（１≦Cu＋Sn≦10）
とNi……0.1〜３％（１≦Cu＋Ni≦10）の何れか
一方、 Fe……残部で、且つCr・Mn・Moを含む鉄基地中に基地よ
りもCr量が多い鉄基硬質粒子５〜20％と、銅合
金粒子１〜10％が分散した組織を呈することを特
徴とする被削性の良好な耐摩耗性鉄系焼結合金。３下記ロ、ニ、ホ〜トの粉末を所定の重量比に
配合して加圧成形し、温度980〜1130℃で焼結す
ることを特徴とする、Cr・Mn・Moを含む鉄基
地中に基地よりもCr量が多い鉄基硬質粒子と銅
とが分散した組織を呈する耐摩耗性鉄系焼結合金
の製造方法。ロ Cr1.8〜3.5％、Mn0.1〜１％、Mo0.1〜１％、
S0.05〜１％およびFe残部の合金粉ニ Cr4〜10％、Mo0.05〜１％、W2％以下およ
びV0.5％以下の少なくとも一方、P0.2〜0.7％
およびFe残部の硬質合金粉；５〜20％ホ銅粉；１〜10％ヘ Fe−10〜30％Ｐ合金粉；0.5〜５％ト黒鉛粉；1.5〜４％。