JPH0534412B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は原出願：特願昭57−59270号（特開
昭58−177435号）において第２項の発明として開
示したことろの“内燃機関のバルブガイドに好適
な耐摩耗性および耐熱性のすぐれた焼結合金”の
製造方法に関するものである。 従来、内燃機関のバルブガイドには普通鋳鉄、
合金鋳鉄などが使用されていたが、鋳鉄の場合は
作業環境や量産性など種々問題があり、また価格
も漸次高くなる傾向にあるためにその対策として
焼結合金の適用が進められ、さきに本件出願人も
その一環として、特公昭55−34858号公報におい
て、鉄銅系の組成に錫を添加して焼結温度を下げ
ることによつて配合した黒鉛を遊離黒鉛の形で残
存させるとともに、リンの添加により鉄のパーラ
イト基地中にFe−Ｐ−Ｃの三元合金相を析出さ
せた焼結合金を開示した。この合金の特徴は、基
地中に分散する硬質の三元合金相と黒鉛の固体潤
滑作用との相乗効果により耐摩耗性の向上を図つ
た点にある。 しかしこの合金の開発以後、特に近年における
自動車エンジンの高出力志向に伴つて構成部材の
特性に対する要求が一段と厳しくなり、この合金
では耐久性が満足できない場合をみるに至つた。 原出願第２項の発明は、上述の事情に鑑み上記
先発明合金の組成・組織を改良してその対摩耗性
および耐熱性をより強化させたもので、即ち
Cr0.4〜２％、Mn0.1〜１％、Mo0.1〜１％、銅
および〔Cu＋Sn〕のいずれか一方１〜10％（た
だしSn≦２％）、リン0.05〜1.5％、炭素1.5〜４
％、硫黄0.05〜１％および鉄残部の成分組成で、
Cr、Mn、Moを含む基地中に遊離黒鉛およびス
テダイト相を分散させた組織を骨子とするもので
ある。しかし乍らこの合金は、融点の高い成分の
合金化を図る一方で遊離黒鉛を残す必要があり、
また各成分の添加手段の如何は原料粉の流動性、
偏析や成形性に影響する関係にあるなど、製造条
件のデリケートな、工業的に安定生産の困難な部
類に属する。 この発明は、上記の組成・組織を呈する合金の
望ましい製造方法として開発されたものであり、
即ちこの発明の骨子は各成分を下記イ〜ホの合金
粉末（ただし炭素のみ単味粉末）； イ：［Cr0.5〜２％、Mn0.1〜１％ Mo0.1〜１％およびFe残部］ の合金粉と ロ：銅粉またはCu−５〜20％Sn合金粉を１〜10
％ ハ：Fe−10〜30％Ｐ合金粉またはCu−10〜30％
Ｐ合金粉を0.5〜５％ ニ：Fe−25〜50％Ｓ合金粉またはCu−25〜50％
Ｓ合金粉を0.2〜２％ ホ：黒鉛粉を1.5〜４％。 の形で、それぞれの所定の重量比に配合して加圧
成形後、保護雰囲気中980〜1100℃の温度で焼結
することにある。 この発明の方法によれば、後述の実施例が示す
ように耐摩耗性は従来材より遥かに優れ被削性も
遜色ない、バルブガイドに好適な焼結合金を得る
ことができる。 ここで実施例の説明に先立ち、上記成分の作用
効果および組成範囲について以下に述べる。 Cr…基材の耐酸化性および耐摩耗性を向上させ
るが0.4％未満ではその効果が少なく、一方２
％以上になると合金粉末の成形性、圧縮性を著
しく低下させる。 Mn…強度向上成分であるが0.1％未満ではその効
果が少なく、また１％以上では焼結時の酸化が
問題になる。 Mo…基材の高温域における耐摩耗性を向上させ
るが0.1％未満ではその効果が少なく、一方１
％以上に増量しても効果が伴わないうえに、
Crの場合と同じく合金粉の粉末特性を劣化さ
せる。 リン…… Fe−ＰまたはCu−Ｐ合金粉の形で添
加され、0.05％以上でステダイト相を生成して
耐摩耗性に寄与する。ただし過剰になると脆く
なりまた被削性が低下するため1.5以下を上限
とする。 CuおよびSn…銅は鉄基地を強化する反面その増
加につれて焼結時の膨張率が大きくなるので、
強度と寸法安定性の両立する範囲１〜10％が適
正である。錫は焼結温度を低下させて遊離黒鉛
の増加を図る成分であるが、過剰になると基材
の脆化を生じるので、その上限を合金全体の２
％以下とする。なお、錫の添加は合金粉による
方が配合の工数も少なく且つ少量の錫を均一に
分散できるため、市販の錫含有量５〜20％の青
銅粉の形で配合するのが適当である。 炭素…通常黒鉛粉の形で添加され、一部は鉄基地
の固溶強化およびステダイト相の生成を行な
い、一部は遊離黒鉛の形で残留して固体潤滑性
を付与するが、そのためには1.5以上の添加を
必要とする。一方、過剰の場合は基材の強度が
低下する上に、粉末成形時に偏析、流動性阻害
などの原因になるため、４％を上限とする。 Ｓ…一般にFe−Ｓ合金粉、好ましくはCu−Ｓ合
金粉の形で添加され、Ｓ量0.05％以上で基材の
被削性向上に寄与する成分である。ただし過剰
の、特に前者の形でのＳは基材の強度低下を招
くので、Ｓ量の上限を１％とする。 本発明方法の実施において原料粉の成形および
焼結は粉末冶金の通常の方法によるが、焼結時の
脱炭を避けるため炉内雰囲気は浸炭性ガスが好ま
しい。焼結温度は980℃以下では炭素の鉄基地へ
の拡散が不十分で所望の組成が得られず、他方
1100℃を超えると遊離黒鉛が消失し、網目状セメ
ンタイトが組織中に析出するため、980〜1100℃
を適正温度とする。とくに好ましいのは、錫を添
加した低温焼結では1000℃前後、錫を省いた場合
は1080〜1090℃である。 このことと関連して、前記Cr、Mn、Moは
各々の単味粉末を鉄粉に添加してもこの温度では
基地中に十分拡散しないので、必ず鉄との合金粉
の形で用いなればならない。 なお上述した製造上の諸条件が妥当なことは、
以下の実施例（合金主体の記載ではあるが。）に
おける各成分の添加方法、添加量、焼結温度等と
得られた各試料の諸特性との関係から、帰納的に
説明されるものである。 実施例 先ず、Cr、Mn、Moの添加源として組成がFe
−0.8Cr−0.8Mn−0.2Moの合金粉とFe−1.9Cr−
0.2Mn−1.0Moの合金粉、リンの添加源としてFe
−25P；Cu−25Pの合金粉を、硫黄の添加源とし
てFe−32S；Cu−25Sの合金粉を、そのほかに電
解銅粉、Cu−10SnおよびCu−20Snの青銅粉、天
然黒鉛粉およびアトマイズ鉄粉を用意した。 次にこれらの中から選択した原料粉を第１表の
下欄に示す各試料所定の割合に配合し、潤滑剤と
してステアリン酸亜鉛を0.5％添加して5t／cm²の
圧力でバルブガイドおよび各種試験片所定の形状
に成形後、錫を含む試料３〜６は1000℃、それ以
外の各試料は1090℃の温度で30分間焼結した。 かくして得られた各試料の合金組成を第１表の
上欄に示す。ここに試料２および試料10が本願発
明に係る実施例である。試料３は前述の先発明
（特公昭55−34858号）に係る従来材で、材質特性
中の被削性についてはこの試料３を比較の基準と
している。なお試料１および試料４〜９は比較例
で、原出願の第１項の発明に係るものである。 次に、上記各試料の組成、機械的性質、被削性
および実機試験による耐摩耗性を比較した結果を
第１表の中欄に示す。ここに高温硬さは400℃に
おける測定値、被削性は長さ40mm内径7.4mmの円
筒状試料にリーマ加工を施して内径が８mmになる
までの所要時間を求め、それを試料３（従来材）
の場合を100とする指数で表示したものである。
従つて指数が小さいほど加工時間が短い、即ち被
削性が良好なことを示している。耐摩耗性は４気
筒1600c.c.のOHC型エンジンに各試料（バルブガ
イド）を装着し、連続400時間の耐久試験におけ
る内径の摩耗量で示した。 この結果で先ず目につくのはCr、Mn、Moの
耐摩耗性に対する影響で、試料３（従来材）と他
の試料との比較からわかるように、その添加によ
り摩耗量が半分以下に減少している。 また耐摩耗性と硬さとはほぼ相関しているが、
硬さに対する組成面の因子はリンの添加量（試料
８、１、９参照）とCr、MnおよびMoの総量
（試料１、４、７参照）で、なかでもインの影響
の方がやや大きいようである。 試料４と試料１、７の材質特性が互いに等しい
ことからわかるように、（錫の添加で）低温焼結
により遊離黒鉛を残したものと、高温焼結により
基材全体を強化したものとは、上述の特性試験の
範囲では有意差が現われない。従つて、Cu1〜10
％と、その一部を２％以下のSnで置換すること、
換言すれば、合金組成中における〔Cu〕１〜10
％と〔Cu＋Sn〕１〜10％（ただしSn／〔Cu＋
Sn〕≦0.2）とは、耐摩耗性に及ぼす作用効果の点
では同等なものと言うことができる。 しかし、適するエンジンが代われば機種毎にバ
ルブとの相性、摺動速度その他エンジンの用途性
格に基づく要因が大きく働き、固体潤滑効果が勝
る場合と基材全体の強化の方が事ましい場合とが
ある。従つて必要に応じ実車耐久などの試験を行
ない、機種毎により適切な方を選択している。 そして表の結果から明らかなように、本発明に
より得られる合金（試料２および10）は従来材
（試料３）に比べ強度および高温硬さが向上し、
殊に耐摩耗性が著しく向上（摩耗量が半減）して
いるにも拘らず、被削性は従来材と同等の水準を
保つている。 ちなみに原出願の第１項のもの（試料１）との
比較については、摩耗量は幾分か増加するものの
硫黄の効果で被削性が優つていることがわかる。
このように被削性は硫黄の添加で改善できるが耐
摩耗性の低下を伴うので、その添加量は要求特性
とのバランスを図りながら定められる。 以上詳述した通り、この発明によれば内燃機関
部品に必須の高温硬さおよび耐摩耗性の点で従来
材より明らかに優れ、過酷な条件に耐え得る材料
を容易に得ることができる。 そしてこの発明が、被削性をより重視する材料
を求められた場合にその製造上大きな意義を持つ
ことは言うまでもない。 【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄基地中に遊離黒鉛およびステダイト相が分
   散した組織を呈し、且つ全体組織が重量比にて C1.5〜４％、Mn0.1〜１％、 Cr0.4〜２％、Mo0.1〜１％、 〔Cu；Cu＋Su〕のいずれか一方１〜10％（ただ
   しSn／〔Cu＋Sn〕≦0.2）、 S0.05〜１％、P0.05〜1.5％、 および鉄残部。 である耐摩耗性鉄系焼結合金の製造において、下
   記イ〜ホの粉末を所定の重量比に配合して加圧成
   形し、保護雰囲気中980〜1100℃の温度で焼結す
   ることを特徴とする製造方法。 イ：［Cr0.5〜２％、Mn0.1〜１％ Mo0.1〜１％およびFe残部］ の合金粉と ロ：銅粉またはCu−５〜20％Sn合金粉を１〜10
   ％ ハ：Fe−10〜30％Ｐ合金粉またはCu−10〜30％
   Ｐ合金粉を0.5〜５％ ニ：Fe−25〜50％Ｓ合金粉またはCu−25〜50％
   Ｓ合金粉を0.2〜２％ ホ：黒鉛粉を1.5〜４％。