JPH0477068B2

JPH0477068B2 -

Info

Publication number: JPH0477068B2
Application number: JP59140216A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Myano; Kazutoshi Takemura; Toshinori Akazawa; Motoaki Shibano
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1984-07-06
Filing date: 1984-07-06
Publication date: 1992-12-07
Also published as: JPH0672289B2; JPH05306439A; JPS6119760A

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
う摩耗現像が起り、弁座は一層苛酷な条件下で使
用される。粉末治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
耗焼結合金を提供することを目的としている。４発明の構成即ち、本発明は、炭素0.05重量％以下、ニツケ
ル12〜19重量％、モリブデン３〜５重量％、コバ
ルト７〜10重量％、残部が実質的に鉄からなる析
出硬化型鉄基合金基地中に、窒化チタン粒子が気
孔を除く部分の面積比で２〜30％分散し、10％以
下の気孔率を有する耐摩耗焼結合金に係る。即ち、本発明は、高強度で耐摩耗性を有する析
出硬化型鉄基合金の基地中に、耐摩耗性を一層改
善するため、上記基地中に窒化チタン粒子を分散
させたことに特徴があり、このような合金は熔製
法によつて製造するのは極めて困難であるので粉
末治金法によつて焼結合金とする。本発明にあつては、基地をマレージング鋼の組
成とし、時効処理によつてNi−Mo系やFe−Mo
系の析出相をマルテンサイト基地中に析出させて
硬度を上げ、機械的強度と耐摩耗性を改善する。次に本発明を構成する各成分元素及び分散相に
ついて説明する。先ず、本発明に於いて基地を構成する各成分元
素について説明する。ニツケルは基地をマルテンサイト化すると共に
モリブデンとNi−Mo系析出相として析出し、機
械的強度と硬度を上げて耐摩耗性に寄与するが、
12重量％（以下重量％を単に「％」で表わす。）
未満では上記効果が顕著ではなく、19％を越える
と残留オーステナイトが多くなつて硬度を下げる
ので、12〜19％の範囲とする。モリブデンは上記Ni−Mo系析出相のほかにFe
−Mo系析出相として析出し、機械的強度と硬度
を上げて耐摩耗性に寄与するが、３％未満では上
記効果が顕著ではなく、５％を越えても上記効果
の増大は顕著ではない上にフエライトを安定にし
て却つて硬度を下げるようになるので、３〜５％
の範囲とする。コバルトは基地に固溶してこれを強化すると共
に、基地中へのモリブデンの固溶限を下げて前記
モリブデンによる析出硬化を助長するが、７％未
満では上記効果が顕著でなく、10％を越えると残
留オーステナイトが多くなつて硬度を下げるの
で、７〜10％の範囲とする。炭素は不純物であつて、モリブデンと結合して
炭化物を形成し、前記析出硬化に寄与するモリブ
デンの量を減少させ、また、後述する回転鍛造等
に於ける加工性を悪くするので低い程望ましく、
0.05％迄が許容できる範囲である。なお、前記各合金元素は、少なくともその大部
分を原料粉末中に含有させておくのが、即ち、こ
れら合金元素を含有するプレアロイ粉末を使用す
るのが良い。その理由は、各単体の粉末を配合し
てなる混合粉を使用すると、焼結中にこれらを完
全に拡散させて均一にすることは極めて困難であ
り、焼結合金の組織が不均一になるからである。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２〜30％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1.5〜20％となる。このように構成された本発明焼結合金全体の化
学組成は次の通りとなる。即ち、炭素0.05％以下、ニツケル9.6〜18.7％、
モリブデン2.4〜4.9％。コバルト5.6〜9.9％、チ
タン1.16〜15.5％、窒素0.44〜6.8％、残部が実質
的に鉄からなる組成となる。気孔率は機械的強度及び耐摩耗性の観点から10
％以下とする。焼結合金は一般に12〜18％の気孔
率を有している。特に本発明に於けるような合金
元素を多量に含有する鉄基焼結合金にあつて、前
述したような理由からプレアロイ粉末を原料粉と
すると、圧縮性が良好ではなく、6t／cm²程度の通
常の成形圧によるときは、気孔率は20％程度に迄
高くなる。本発明にあつて気孔率を10％以下に低下させる
方法としては、鍛造のような塑性加工、特に回転
鍛造によるのが好適である。５実施例下記第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、これに潤滑材としてス
テアリン酸亜鉛粉末0.75％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
の成形圧で外形35.3mm、内径28.7mm、高さ７mmに
成形し、焼結して環状焼結体とした。

【表】

【表】焼結方法は、No.１，２，４についてはAXガス
雰囲気中で900℃に15分間加熱のバーンアウト処
理後、１×10^-2torrの真空中で1300℃に60分間加
熱、No.6.7についてはAXガス雰囲気中で前記と同
様のバーンアウト処理後、引続き1120℃に90分間
加熱の方法によつた。なお、上記焼結に引続いてNo.１，２，４につい
ては900℃から急冷の固溶体化処理を、No.６，７
について700℃に再加熱、60分間保持してから除
冷の焼鈍を施した。かくして得られた環状焼結体を回転鍛造によつ
て密度を上げた（気孔率を下げた）。使用した回転鍛造装置は第１図及び第２図に概
要を示すものであつて、図においてダイ１は弾性
体（ばね或いはウレタン樹脂等）３ａによつてダ
イベース２に弾発的に支承されており、ダイ１の
中央部の円形中空孔内には下ポンチ４がダイ１に
摺接して上下するように設けられ、環状の下ポン
チ４の内側にはコア５がその頭部が下ポンチ４の
上部環状部に摺接して嵌装され、コア５の下部は
弾性体（前記と同様）３ｂを介して下ポンチ４の
基部に支承されており、ダイ１の中空孔の側面１
ａ、下ポンチ４の上端４ａ、およびコア５の頭部
側面５ａによつて形成される環状のダイ溝６の中
に鍛圧さるべき前記の焼結体Ｒが挿入される。上ポンチ７は円柱状で端部は頂角θの直円錐状
になつており、円錐面が平らにダイおよびコア上
面に接して、円柱中心軸OBがα＝（180−θ）°
×１／２だけダイ溝６の中心線OAに対して傾いて図示しない球座軸受に支承され、図示しない駆動
装置によつて軸OAのまわりに首振り回転するよ
うにしてある。ダイベース上におかれその上昇高さを制限する
ストツパ８は焼結体の圧縮高さによつてその厚さ
が決められ、ダイベース２を通してダイ１にねじ
こまれた調節ねじ１０はダイ１の水平を調節し、
カラー１０ａによつて環状ダイ溝の深さを調節す
ることができる。ダイベースを取付ける台板１１
は図示しない流体圧シリンダによつて上下し、下
ポンチ４を上下させる。下ポンチ４の基部は図示
しない第２の流体圧シリンダのピストンロツド１
２に接続され台板１１と関係なく上下できるよう
にもしてある。上記のような構造なのでまず台板１１を下げて
おいて環状のダイ溝６に焼結体Ｒをその上面がダ
イ面から少し下になるように挿入し、台板１１を
図示しない流体圧シリンダによつて上昇させれば
ダイ１の上面が上ポンチ７の円錐状加圧面に接す
るようになる。上ポンチ７の中心軸線OBを中心
線OAのまわりに角度αだけ傾斜させて回転させ
ると円錐の曲面はその母線が頂点Ｏを中心として
順次ダイ面に接しながら回転する。台板１１を流体圧シリンダによつて更に上昇さ
せればダイ１とコア５は弾性体３ａまたは３ｂの
弾力によつて上ポンチ７の円錐面に押し付けら
れ、下ポンチ４は台板１１と共に上昇するから環
状ダイ溝６内の焼結体Ｒは溝内を押上げられてそ
の上面が上ポンチの円錐曲面に押しつけられ、台
板１１の上昇に従つて上ポンチによつて加圧力を
受けて圧縮される。台板１１が上昇を続けストツパ８がダイ１の下
面につき当ると台板１１は上昇を停止し、下ポン
チ４の上昇も停止する。上ポンチ７は暫くの間回
転を続け、焼結体Ｒがダイ面と同じ高さまで圧縮
されると上ポンチの加圧力は作用しなくなるか
ら、所定時間経過後台板１１の流体圧シリンダを
逆に作動させ台板１１を所定位置まで降下させた
のち、下ポンチ４に接続されたピストン１２を上
昇させると焼結体Ｒはダイ溝６から上方へ押出さ
れ、図示しない取出しレバーによつて鍛圧機外へ
運ばれる。このような装置を使用して気孔率を下げた焼結
体は、内部に微細な亀裂が生ずるので、これを消
滅させるために、No.１，２，４については１×
10^-2torrの真空中で、No.３，５については
700torrの窒素ガス雰囲気中で1250℃に１時間の
再焼結を行つてから900℃迄冷却し、この温度か
ら急冷する固溶体化処理を施した。 No.６，７についてはRXガス雰囲気中で15℃／
minの加熱速度で700〜950℃に加熱、この温度に
20分間保持してから、５℃／minの加熱速度で
1120℃に加熱、この温度に50分間保持してから、
30〜10℃／minの冷却速度で室温近く迄冷却する
再焼結を施した。次にNo.１，２，４については520℃に２時間加
熱の時効処理を、No.３，５については600℃に２
時間加熱の時効処理を夫々施した。上記の処理を施した焼結体の分析値及び気孔率
は下記第３表に示す通りである。

【表】これら焼結体の組織をNo.１を例に挙げて400倍
の顕微鏡写真で第３図に示す。時効処理によつて
前記析出相が析出した（光学顕微鏡ではこの析出
相は観察できない。）マルテンサイト基地１５中
に白色に見える（顕微鏡下では黄色に見える）窒
化チタン粒子１７が分散した組織となつている。
黒色を呈する部分１８は気孔であつて、前記回転
鍛造によつて一般の焼結合金よりも少量となつて
いる。No.２の組織もNo.１のそれと実質的に同様で
ある。これら環状焼結体の前記時効処理に先立つて、
予め外径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
座に削り出しておいた試料について摩耗試験を行
つた。試験装置は第４図に概要を示すもので、弁座２
１はシリンダヘツド２２に設けられた弁座押え２
３に圧入され、弁座押え２３を介してシリンダヘ
ツドに固着される。シリンダヘツド２２の下方にはバルブ駆動部本
体２４がこれに固定されていて、バルブ３０は、
バルブフエースが弁座２１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２５にそのロツド部３０ａが上下動可
能に挿入される。バルブのロツド部３０ａの先端
は、コイルばね２７ａ及び２７ｂによつてバルブ
駆動部本体２４に設けられた軸受２８に嵌入され
たカム軸２９のカム２９ａに圧接するバルブ受け
２６に収容される。バルブ３０は、そのロツド部
３０ａの先端近くでバルブ受け２６に設けられた
爪２６ａに咬持され、バルブ受け２６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２９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２６に固着されたバルブ３０は上下動して
そのバルブフエースが弁座２１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２７ａ及び２７ｂを適宜選択することによつて
定められる。バルブ３０の上方にはガスバーナー３１が配し
てあり、弁座押え２３に穿設された細孔に熱電対
３３の温接点が弁座２１に当接するように挿入さ
れて弁座２１の温度が検知され、図示しない制御
回路によつてノズル２４からシリンダヘツド２２
に吹付ける圧縮空気の風量を調節して弁座２１を
所定の温度に保持するようにしてある。また、バルブ３０の表面温度は放射温度計３２
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３１に供給されるプロパンガスの供
給量を調節してバルブ３０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.４，６，７のほ
か、熔製材のものとして耐熱鋼SUH4製のものNo.
８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.９も加えた。試験結果は第５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。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。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、ロツカーアーム、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
ル迄の機関、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図は回転鍛造装置の要部断面図
であつて、第１図は焼結体を挿入した状態を、第
２図は鍛造末期の状態を示す。第３図は本発明に
基く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４図は摩耗試験装置の要部断
面図である。第５図は摩耗試験の結果を示すグラ
フである。なお、図面に示された符号に於いて、１……ダ
イ、２……ダイベース、３ａ，３ｂ……弾性体、
４……下ポンチ、５……コア、６……環状ダイ
溝、７……上ポンチ、８……ストツパ、９……案
内溝、１０……調節ねじ、１０ａ……カラー、１
１……台板、１２……ピストン、１３……環状焼
結体、１５……マルテンサイト基地、１７……窒
化チタン粒子、１８……気孔、２１……弁座、２
２……シリンダヘツド、２４……バルブ駆動部本
体、２５……バルブガイド、２７ａ，２７ｂ……
コイルばね、２９……カム軸、３０……バルブ、
３０ａ……バルブのロツド部、３１……ガスバー
ナー、３２……放射温度計、３３……熱電対、３
４……圧縮空気用ノズル、である。

Claims

【特許請求の範囲】１炭素0.05重量％以下、ニツケル12〜19重量
％、モリブデン３〜５重量％、コバルト７〜10重
量％、残部が実質的に鉄からなる析出硬化型鉄基
合金基地中に、窒化チタン粒子が気孔を除く部分
の面積比で２〜30％分散し、10％以下の気孔率を
有する耐摩耗焼結合金。２窒化チタン粒子が平均粒径で２〜70μmの窒
化チタン粒子である、特許請求の範囲第１項記載
の耐摩耗焼結合金。