JPH0663054B2 - 耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、耐摩耗性が要求される部品の素材として利用
される鉄基焼結合金を製造するのに適しており、例えば
内燃機関のロッカーアームやタペット等の高面圧のかか
る摺動部に使用した場合にすぐれた耐摩耗性となじみ性
とを発揮する鉄基焼結合金を製造するのに適用される耐
摩耗性鉄基焼結合金の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となり
つつあり、特にロッカーアームやタペットのカムシャフ
トとの摺動部に対する耐久性の要求はきめて厳しいもの
となっている。

一般に、ロッカーアームやタペットのカムシャフトとの
摺動部は高い面圧を受けるものであるため、すぐれた耐
摩耗性，耐スカッフィング性および耐ピッチング性を兼
ね備えかつカムシャフトとのなじみ性をも合わせ持つこ
とが要求される。

従来、ロッカーアームには、チル鋳鉄製のもの、ロッカ
ーアーム摺動部にCrめっきや自溶性合金の溶射肉盛など
の表面処理を施したもの（例えば、新編 自動車工学便
覧 第12編 第１−54頁〜第１−55頁）、あるいはFe−
Cr−Ｃ系の高合金粉末の圧粉体を液相焼結した高合金高
密度焼結耐摩耗材を用いたもの（例えば、特開昭57−10
8246号）などが使用されている。

しかしながら、上記のうち、チル鋳鉄製のロッカーアー
ムは耐ピッチング性や耐摩耗性の点で問題があり、Crめ
っきを施したロッカーアームではめっき層の剥離の問題
があり、溶射肉盛を施したロッカーアームではスカッフ
ィングや相手部材のカムシャフトに対する摩耗などの問
題がある。また、Fe−Cr−Ｃ系焼結合金製のロッカーア
ームの場合は前記チル鋳物,Crめっき，溶射肉盛製のロ
ッカーアームにくらべるとかなり良好な特性を示すこと
が多いが、面圧が非常に高くなる場合等には自分自身の
耐摩耗性が十分でないばかりでなく、カムシャフトの摩
耗量も大きくなってしまい、要求特性を満足するものに
なっていないのが現状である。

そこで本発明者等は、上述のような観点から、すぐれた
耐摩耗性，耐スカッフィング性および耐ピッチング性を
持つだけでなく、相手部材とのなじみ性をも合わせ持つ
材料を開発することを目的として種々の研究を実施した
結果、次に示す組成の耐摩耗性鉄基焼結合金を開発した
（特願昭61−54150号）。

すなわち、上記の耐摩耗性鉄基焼結合金は、重量比で、
MoおよびＷのいずれか１種または２種;5〜20％、Cr;2〜
10％、Si;0.1〜0.9％、Mn;0.7％以下、P;0.05％以下、
C;0.1〜0.8％、B;0.5〜2.0％、残部Feおよび不純物から
なる組成を有し、ベイナイトもしくはマルテンサイトか
らなる基地に微細な炭化物と硼化物および／または炭硼
化物が分散した組織を有するものである。

そして上述の組成と組織を有する鉄基焼結合金を製造す
る場合の従来法としては、真空焼鈍したＢを含むアト
マイズ合金鋼粉末を原料とし、成形，真空焼結および熱
処理する方法や、真空焼鈍を施したアトマイズ合金鋼
粉末に、Ｂの供給源としてFe−Ｂ合金粉末を通常の方法
で混合し、以後成形，真空焼結および熱処理する方法が
ある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前者のに示す方法は、粉末を製造する
ときに溶解時のＢ歩留りが悪く、酸化しやすいために粉
末中の酸素量が多くなり、酸化物等の介在物を発生しや
すくなると共に、粉末が硬くなるために成形性が悪く、
高密度のものを得ることが難かしいという問題点があっ
た。

また、後者のに示す方法においては、粉末の混合時に
おけるFe−Ｂ合金粉末の偏在や、混合後の振動による偏
析のために、焼結時に部分的な液相焼結となりやすく、
その結果として、部分的な析出硼化物あるいは炭硼化物
の粗大化を生じたり、高い寸法精度が得られなかったり
するなど、安定した品質のものを製造できないという問
題点があった。さらには、Fe−Ｂ合金粉末の硬さが大き
いために、成形押型を摩耗させ易いという問題点もあっ
た。

（発明の目的） 本発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたも
ので、合金鋼粉末の表面にFe−Ｂ合金粉末を冶金的に付
着させることによって、混合粉末で起こりがちな偏析を
無くすること、および焼入れ，熱歪み，あるいは加工硬
化で硬さが大きくなっている合金鋼粉末およびFe−Ｂ合
金粉末を軟質にして粉末の圧縮性を改良することによ
り、耐摩耗性に優れた焼結合金を得ることを目的として
いるものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、あらかじめFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマ
イズ合金鋼粉末を所要のＢ添加量に相当するFe−Ｂ合金
粉末と共に真空焼鈍し、前記Fe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系
アトマイズ合金鋼粉末粒子の表面にFe−Ｂ合金粉末を均
一に拡散付着させたものを成形原料に用いるようにした
ことを特徴とするものであり、本発明の構成は、合金鋼
粉末とFe−Ｂ合金粉末とを混合し、成形，焼結および熱
処理を施し、組成が、重量比で、MoおよびＷのいずれか
１種または２種:5〜30％、Cr:10％以下、Si:0.1〜0.9
％、Mn:0.7％以下、C:0.1〜2.0％、B:0.5〜2.0％、を基
本成分として含有し、残部Feおよび不可避的不純物から
なる耐摩耗性鉄基焼結合金を製造するに際し、アトマイ
ズ合金鋼粉末とFe−Ｂ合金粉末とを前記組成となる重量
比で混合し、その混合粉末を非酸化性雰囲気中で加熱焼
鈍したのち解砕して粉体とし、成形、焼結および熱処理
するようにしたことを特徴とするものである。

本発明による耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法は、上述
のとおり、重量比で、MoおよびＷのいずれか１種または
２種:5〜30％、Cr:10％以下、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7％
以下、C:0.1〜2.0％、B:0.5〜2.0％、を基本成分として
含有し、その他必要に応じV,Nb,Ta,Co,Ni等を含み、残
部Feおよび不可避的不純物よりなる鉄基焼結合金に適用
されるが、以下にその成分組成（重量％）の限定理由に
ついて説明する。

MoおよびW; MoおよびＷは成分中のFeやCrとともにＣやＢと結合して
複炭化物や複硼化物あるいは複炭硼化物を形成して耐摩
耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶してマトリッ
クスを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用があ
るが、５％未満では所望の効果が得られずに耐摩耗性不
足となり、30％を超えて含有させてもより一層の改善効
果は認められず、経済的でないことからMo,Wの含有量は
いずれか１種または２種で５〜30％と定めた。

Cr; CrはMo,W等とともに複炭化物や複硼化物を形成し耐摩耗
性を向上させると同時に、マトリックス中に固溶して焼
入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果を有す
るとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、10％を
超えて含有させてもより一層の改善効果がないばかりで
なく、機械的強度が低下して相手材への攻撃性が増大し
てしまうことからCrの含有量は10％以下と定めた。

Si; Siは0.1％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉末中
の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するとともにＭ
_２Ｃ系の粗大な板状の炭化物が析出しやすくなり相手部
材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が0.9％を超
えても脱酸効果の向上もなく、粉末が丸くなってしまい
成形性が低下するだけであることから、Siの含有量は0.
1〜0.9％と定めた。

Mn; Mnは前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加する
ことにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向上さ
せるが、0.7％を超えると粉末の形状が丸くなって粉末
の成形性が低下することにより成形体エッジ部の欠け等
が生じやすくなることから、Mnの含有量は0.7％以下と
定めた。

C; Ｃはその一部がMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成元素と結合
して複炭化物を形成して耐摩耗性を向上させ、残りはマ
トリックス中に固溶して高い室温硬さと強度を与える作
用を有するが、0.1％未満ではその効果が認められず、
2.0％を超えると複炭化物の析出量増加と粗大化が起
り、相手材とのなじみ性が低下することから、Ｃの含有
量は0.1〜2.0％と定めた。

B; Ｂは成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成して
耐摩耗性となじみ性を与えるとともに、一部はマトリッ
クス中に固溶して焼入性を改善する。また、上記複硼化
物の一部はＣとも結びついて複炭硼化物を形成して耐摩
耗性を向上させる。

このようにＢは微細な複硼化物あるいは複炭硼化物を形
成して本発明焼結合金の耐摩耗性となじみ性を向上させ
るのに有効な成分であるが、0.5％未満の添加ではその
効果が認められず、一方2.0％を超えても一層の改善効
果が認められずかえって複硼化物の粗大化が起り、相手
材とのなじみ性が低下することからＢの含有量は0.5〜
2.0％と定めた。

V,Nb,Ta; V,Nb,TaはFeやCrとともにＣと化合してきわめてかたい
複炭化物を作るとともに、Mo,Wの一部と置換した形の複
炭化物や複硼化物を形成して耐摩耗性を与え、一部はマ
トリックス中に固溶してマトリックスを強化するととも
に、焼戻し硬化能を高める作用がある。またV,Nb,Taは
焼結時の結晶粒の粗大化を防止するとともに炭化物の粗
大化を防止する効果もある。これらの効果はV,Nb,Taが
0.5％未満の場合ではあまり認められず耐摩耗性や強度
の低下をきたし、一方８％を超えて添加しても一層の改
善効果は認められず経済的でないことから、添加すると
してもその含有量を0.5〜８％とするのが良い。

以上述べてきた成分のほか、硼化物形成元素であるTi,Z
r,Hf,Co等を必要に応じて12％以上添加しても良い。特
にCoはMo,Wなどの一部と置換して複硼化物を形成するだ
けでなく、マトリックス中に固溶して赤熱かたさを向上
させるため、熱間での耐摩耗性が要求される場合には添
加することが特に効果的である。

また、マトリックスがオーステナイト化しない範囲でNi
を添加しても良い。これはNiを添加するとマトリックス
の耐食性が向上するため、ディーゼルエンジンのEGR仕
様のロッカアームや油圧リフタのように腐食摩耗が厳し
い部品への適用には特に効果がある。しかし、Niの添加
量が多くなってマトリックスがオーステナイト化してし
まった場合には、かたさが低下するだけでなく、相手材
との凝着性が大きくなってしまうため、添加するとして
もオーステナイト化しない範囲で添加するのが良く、V,
Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niは合計で20％以下とするのが望ま
しい。

P; Ｐは耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素とし
て一般に0.2〜0.8％程度添加する手法が広く用いられて
いるが、本発明による焼結合金の場合はＰの添加量が0.
05％を超えた場合に、複硼化物あるいは複炭硼化物が粗
大化して相手材とのなじみ性が低下するとともに、粒界
に複硼化物あるいは複炭硼化物がネットワーク状に析出
して強度が低下してしまうことにより、特に高面圧がか
かった場合の耐ピッチング特性も低下してしまうことか
らその含有量を0.05％以下とするのが望ましい。

本発明が適用される耐摩耗性鉄基焼結合金は、上記の組
成を有するものとすることが望ましく、このような組成
の鉄基焼結合金を製造するに際しては、アトマイズ合金
鋼粉末とFe−Ｂ合金粉末とを前記組成となる重量比で混
合し、その混合粉末を非酸化性雰囲気中で加熱焼鈍した
のち解砕して粉体とし、成形，焼結および熱処理するよ
うにしているが、以下にさらに詳細に説明する。

通常のアトマイズ合金鋼粉末は、溶湯をアトマイズした
のち脱水乾燥し、この焼入れ組織で硬いものとなってい
る粉末を真空焼鈍したのち解砕したものであるが、本発
明においては焼鈍しない合金鋼粉末であってもよい。

一方Fe−Ｂ合金粉末は、通常の場合に15〜25％のＢを含
有しており、250メッシュ以下の粒度で用いられる。こ
の粉末は 砕によって作られ、Fe−Ｂ合金自身が硬いの
に加えて加工硬化しているため、成形性が悪いほか、成
形押型を摩耗させやすい性質がある。

そこで、本発明においてはこれらの粉末を所望する組成
となるように混合したのち、真空中等の非酸化性雰囲気
中で加熱する。この加熱によって各粉末は焼鈍されると
ともに、粉末の酸化物は合金鋼粉末中の炭素を媒体とし
て還元され、また、Fe−Ｂ合金粉末は、合金鋼粉末の表
面に一部拡散して付着する。真空中の温度および処理時
間は、700〜900℃で10〜50時間行うことが望ましい。そ
して、焼鈍すると粉末は解れ易いケーキ状となっている
ので、振動を与えるか通常の混合機中で解砕できる。た
だし、過分に解砕するとFe−Ｂ合金粉末が再び分離して
しまう。

このように処理した原料粉末によれば、粉末圧縮性が良
く、押型摩耗が緩和され、偏析のない均一な組織の焼結
合金が得られて耐摩耗性が向上するのである。

そこで、このような粉末を成形，焼結および熱処理する
ことによって、耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金を製造す
る。

（実施例） 次に、この発明の実施例について説明する。

この実施例では、原料粉末として、粒度−100meshのFe
−4.0％Cr−8.8％Mo−2.2％Ｗ−0.3％Si−0.65％Ｃ−0.
1％Mnなる組成のアトマイズ合金鋼粉末を用い、このア
トマイズ合金鋼粉末に7.0％のFe−14.2％Ｂ合金粉末を
加え、Ｓ型混合機にて30分混合した後、真空炉（1.0×1
0^{− ３}Torr）中において880℃,48時間の真空焼鈍を行っ
た。その後、Ｖ型混合機で60分間の解砕をした後、−10
0meshに粒度調整を行い、最終の原料粉末とした。次い
で、この原料粉末に成形潤滑剤であるアクラワックスを
１％配合し、全量100kgを成形機ホッパーに移し、ホッ
パーごと毎分180回，ストローク200mm,20分間の振動を
与えた後静止させ、全量をロッカーアームチップ形状に
成形した。

次いで、前記成形体を1190℃,60分間,5×10^{− ２}Torr）
の真空中で焼結したのち、焼入れ，焼戻し処理を施して
試料とした。そして、粉末成形開始の試料から約500個
おきに抽出して顕微鏡組織をみることにより硬質層の面
積率および硬質粒子径を調べるとともに、台上エンジン
テストによる試料摩耗量および相手材摩耗量を測定し
た。なお、台上エンジンテストにおいては、４気筒OHC
ガソリンエンジンに組み込み、カムシャフト：チル鋳
物，回転数:650rpm,オイル：ガソリン用１万km走行廃
油、運転時間:600時間の条件にて評価した。その測定結
果を第１図に示す。

（比較例） 比較例においては、粒度−100meshの真空焼鈍したFe−
4.0％Cr−8.8％Mo−2.2％Ｗ−0.3％Si−0.6％Ｃ−0.1％
Mnなる組成の合金粉末に、7.0％のFe−14.2％Ｂ合金粉
末と１％の成形潤滑剤アクラワックスをＳ型混合機で30
分混合し、全量100kgを成形機ホッパーに移し、上記実
施例と同じ条件により成形した。

次いで、前記成形体を実施例と同様にして熱処理して試
料とし、同じく500回おきに抽出して顕微鏡組織をみる
ことにより硬質層の面積率および硬質粒子径を調べると
ともに、前記実施例と同様の台上エンジンテストによる
試料摩耗量および相手材摩耗量を測定した。これらの測
定結果を同じく第１図に示す。

（評価結果） 第１図に示すように、まず、硬質相の面積は、本発明法
による実施例では終始約15％を推移しているのに対し、
従来法による比較例では成形初期において約10％であ
り、原料粉末ホッパーの量が少なくなるとともに増加し
て終了時には28％である。このことは、成形初期は粗粉
を多く含む粉体が成形され、しだいに微粉の多い粉体を
成形していることを表わしている。また、硬質粒子の径
においても同様の傾向を示している。

次に、ロッカーアームチップおよび相手材カムの摩耗量
は、実施例においては終始変化は認められないが、比較
例においては硬質相の面積が実施例と近似した領域では
摩耗が少ないものの、成形初期においてもまた成形終期
においても大きい摩耗量を示している。

したがって、本発明の製造方法によれば、第１図に示し
たように硬質相を均質にかつ安定して得られるので、摩
耗特性に優れ、ばらつきのない耐摩耗性焼結部品を作る
ことができる。また、押型摩耗を緩和できるので、生産
上の経済的効果が大きい。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明の耐摩耗性鉄基焼結合
金の製造方法によれば、合金鋼粉末とFe−Ｂ合金粉末と
を混合し、成形，焼結および熱処理を施し、組成が、重
量比で、MoおよびＷのいずれか１種または２種:5〜30
％、Cr:10％以下、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、C:0.
1〜2.0％、B:0.5〜2.0％、を基本成分として含有し、残
部Feおよび不可避的不純物からなる耐摩耗性鉄基焼結合
金を製造するに際し、アトマイズ合金鋼粉末とFe−Ｂ合
金粉末とを前記組成となる重量比で混合し、その混合粉
末を非酸化性雰囲気中で加熱焼鈍したのち解砕して粉体
とし、成形，焼結および熱処理するようにしたから、合
金鋼粉末の表面にFe−Ｂ合金粉末を冶金的に付着させる
ことによって、混合粉末で起こりがちな偏析を無くする
ことが可能であると共に、焼入れ，熱歪み，あるいは加
工硬化で硬さが大きくなっている合金鋼粉末およびFe−
Ｂ合金粉末を軟質にして粉末の圧縮性を改良することが
可能であるため、硬質層が均質で安定して得られ、耐摩
耗性に優れているとともにばらつきのない鉄基焼結合金
（焼結品）を製造することができ、加えて、押型の摩耗
を低減して生産上のコストを低くさせることができると
いう非常に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例および比較例で製造した鉄基焼
結合金の成形過程による硬質層の面積率，硬質粒子径，
カム摩耗量およびロッカーアームチップ摩耗量の変化を
測定した結果を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加納 眞 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 谷本 一郎 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 遠藤 弘之 千葉県我孫子市つくし野３丁目３−208 (72)発明者 池ノ上 寛 千葉県松戸市常盤平３−26−３−102 (72)発明者 石井 啓 神奈川県横浜市港南区芹が谷３丁目31−15 (56)参考文献 特開 昭61−44152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−162253（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−9858（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−9151（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】合金鋼粉末とFe−Ｂ合金粉末とを混合し、
   成形，焼結および熱処理を施し、組成が、重量比で、Mo
   およびＷのいずれか１種または２種:5〜30％、Cr:10％
   以下、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、C:0.1〜2.0％、
   B:0.5〜2.0％、を基本成分として含有し、残部Feおよび
   不可避的不純物からなる耐摩耗性鉄基焼結合金を製造す
   るに際し、アトマイズ合金鋼粉末とFe−Ｂ合金粉末とを
   前記組成となる重量比で混合し、その混合粉末を非酸化
   性雰囲気中で加熱焼鈍したのち解砕して粉体とし、成
   形、焼結および熱処理することを特徴とする耐摩耗性鉄
   基焼結合金の製造方法。