JPH07113141B2 - 耐摩耗性鉄基焼結合金 - 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、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優れた耐摩耗性
となじみ性を発揮する鉄基焼結合金に関するものであ
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極めて厳しいものと
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、優れた耐摩
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（例えば、新編 自動車工学観覧
第12編 第１−54頁〜１−55頁）、あるいは鉄−Cr−Ｃ
系の高合金粉末の圧粉体を液相焼結したもの（例えば、
特開昭57−108246号）などが使用されている。

（発明が解決しようとする課題） 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、鉄−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
耐摩耗製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、上記のような観点から、優れた耐
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、本発明を完成した。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による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;5〜30％、Cr;10％以
下、Si;0.1〜0.9％、Mn;0.7％以下、P;0.05％以下、C;
0.1〜2.0％、B;0.5〜2.0％、残部Feおよび不純物からな
る組成を有し、ベイナイトおよび／または焼もどしマル
テンサイトよりなるマトリックスに、粒径１μｍ以上20
μｍ以下の微細な硼化物もしくは炭硼化物と炭化物が共
存していてこれら硬質析出物が面積比で10％以上分散し
た組織を有することを特徴としている。そして、このよ
うな組成および組織を有する鉄基焼結合金が優れた摺動
摩耗性を示し、特に例えばロッカーアームのカム摺動部
に使用した場合には極めて優れた性能を発揮するという
知見を得たものである。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、以下
に成分組成ならびに硬質析出物の粒径，種類および分布
を上記の通りに限定した理由を説明する。

＜成分組成＞ 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
複硼化物もしくは複炭硼化物と複炭化合物を形成して耐
摩耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶して当該マ
トリックスを強化するとともに焼もどし硬化能を高める
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その含
有量を５〜30％と定めた。

Cr; CrはFe,Mo,W等とともに複硼化物もしくは複炭硼化物と
複炭化物を形成して耐摩耗性を向上させるとともに、マ
トリックス中に固溶して焼入性を増大させ、さらに焼も
どし硬化能を高める効果を有するとともに基地の耐食性
を向上させる効果もあるので、ディーゼルエンジン用の
ロッカーアームチップ等に使用する場合には添加するこ
とが必要であるが、摩耗条件が比較的楽なエンジン用ロ
ッカーアームチップ等では無添加でもかまわない。そし
て、添加する場合に、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その含有
量を10％以下とすることが好ましい。

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M₂
C系の粗大な板状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、その含有量を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
ことによって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
末の成形性が低下してしまうので、その含有量を0.7％
以下と定めた。

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こ
り、相手材とのなじみ性が低下することから、その含有
量を0.1〜2.0％と定めた。

このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したFe−Mo−
Ｗ−Cr−Si−（Mn）−Ｃ系アトマイズ合金粉末の形で添
加する必要がある。これはＣを単独にグラファイト粉末
の形で添加すると、後述するＢ源として添加するFe−Ｂ
あるいはFe−Cr−Ｂと結びついて焼結時に粗大な炭硼化
物を粒界に沿ってネットワーク状に析出させ相手材への
攻撃性を増大してしまうのに対して、真空焼鈍を施した
Fe−Mo−Ｗ−Cr−Si−（Mn）−Ｃ系アトマイズ合金粉末
の形で添加した場合は、アトマイズ後の真空焼鈍時にＣ
は大部分がMo,W,Cr,Fe等と結びついて微細な複炭化物と
してアトマイズ合金粉末中に析出することから、Fe−Ｂ
やFe−Cr−Ｂを添加しても焼結時に粒界あるいは粒界に
近い部分の複炭化物がFe−ＢやFe−Cr−Ｂと結びついて
もとの複炭化物よりは若干大きな複炭硼化物となるだけ
で、粒内の微細な複炭化物は焼結後もそのまま残り、Fe
−ＢやFe−Cr−Ｂとアトマイズ合金粉末中のMoおよびＷ
などとの間の分解・析出により生じた微細な複硼化物と
ともに均一に分散した本発明による焼結合金特有の組織
が得られるためである。

B; Ｂは成分中のMo,W,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
るのに必須の主要成分であるが、0.5％未満の添加では
その効果が認められず、一方2.0％を超えてもより一層
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
こり、相手材とのなじみ性が低下することからその含有
量を0.5〜2.0％と定めた。

本発明による焼結合金のＢ添加量としては上述したよう
に0.5〜2.0％とする必要があるが、特に優れた特性を示
すのはＢ添加量がMo＋Ｗ添加量との間で、［Mo（モル
量）＋Ｗ（モル量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の
関係を満たしているときである。これは上記モル比が1.
5を超える場合は、複硼化物の生成量が少なく本発明合
金の特徴であるなじみ性が低下してしまい、また前記モ
ル比が0.8未満では複硼化物が粗大化するとともにネッ
トワーク状に粒界に析出してしまい、相手材とのなじみ
性が低下すると同時に自分自身の耐ピッチング性が低下
してしまうためである。このＢの添加方法としてはFe−
ＢあるいはFe−Cr−Ｂ系合金粉末の形で添加することが
好ましい。

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％以下添加しても良い。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硬さを向上さ
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
様のロッカー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、硬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好ましくない。

本発明による焼結合金の硬さとしては、H_RC50〜65の範
囲が好ましい。これは、H_RC50未満では耐摩耗性が不足
し、H_RC65を超えると相手材とのなじみ性が低下するた
めである。したがって、マトリックスとしては、ベイナ
イトおよび／または焼もどしマルテンサイトを主体とす
るものとなすのがよい。

また、本発明による焼結合金の理論密度比としては90％
以上とすることが好ましい。これは、90％未満の理論密
度比ではマトリックスの強度が低く、かつ空孔も大き
く、しかもこの空孔のもつ切欠作用によってマトリック
スが破壊されやすくなってピッチング摩耗が生じやすく
なるためである。

＜硬質析出物の粒径＞ 耐摩耗性焼結材料は一般に靭性および強度を有するマト
リックスに、硬質析出物を分散させることによって耐ス
カッフィング性と耐ピッチング性の向上を狙っている。

しかしながら、硬質析出物の粒径が１μｍ未満であると
摺動面の表面粗さよりも粒径がさくなるために、硬質相
で荷重を分担して受ける効果が減少し、スカッフィング
摩耗が増加する。

一方、硬質析出物の粒径が20μｍを超えると、相手材へ
の攻撃性が大きくなるばかりでなく、脱落した場合には
ピッチング摩耗やアブレーシブ摩耗を引き起こしてしま
う。

そこで、本発明においては、粉末の状態で炭化物がすで
に析出した鉄基合金粉に、Fe−Ｂ合金粉もしくはFe−Cr
−Ｂ合金粉を添加し、液相焼結させると同時に第１表に
示すような反応式に従う炭化物の分解，硼化物，炭硼化
物の析出といった非平衡反応を使うことによって、粒径
１μｍ以上20μｍ以下の硬質析出物の分散状態を生み出
すことに成功した。

そして、第１表に示すように、マトリックス中に分散さ
れる硼化物は、主にM₃B₂（Ｍは、Fe,Mo,W,Cr）からなる
ものとし、炭化物は、主にM₆C（Ｍは、Fe,Mo,W）とM₇C₃
（Ｍは、Fe,Cr）からなるものとし、炭硼化物は、M₆C炭
化物を析出サイトとして形成されたM₃（B,C）_２（Ｍ
は、Fe,Mo,W,Cr）からなるものとすることがより好まし
い。

＜硼化物もしくは炭硼化物の析出状態＞ 一般に、粒界に析出した炭化物は、マトリックスとの接
合強度があまり高くないために、摺動による繰返しの大
きな剪断応力が加わったときに炭化物の周囲に空孔が発
生し、クラックが進展していき、炭化物の脱落を伴った
ピッチング摩耗やアブレーシブ摩耗を生じやすい。

そこで、本発明のより好ましい実施態様では、このよう
な欠点に鑑み、共有結合性を有するためにマトリックス
との接合強度が高い硼化物もしくは炭硼化物を第１図に
示すように主に粒界析出させる（この第１図において、
粒界析出物は主に硼化物もしくは炭硼化物；粒内析出物
は主に炭化物である。）ことにより、上記問題点の改善
を図るようにすることも望ましい。

（実施例） 以下、本発明による耐摩耗性鉄基焼結合金の実施例を比
較例と対比しながら説明する。

原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−100メッシュ
のFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマイズ合金粉末，−32
5メッシュのFe−Mo粉末あるいはMo粉末，−325メッシュ
のFe−Ｗ粉末あるいはＷ粉末，−250メッシュのFe−Ｂ
合金粉末（B;20％含有），−250メッシュのFe−Ｐ合金
粉末（P;26％含有）等を第２表に示す最終成分組成を持
つように適宜配合し、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を
加えて混合し、この混合粉末を7tonf/cm²の圧力で圧粉
体に成形し、ついで前記圧粉体を真空中で焼結した後焼
入れ焼もどし処理を行って本発明実施例合金No.1〜６お
よび比較例合金No.7〜11を製造した。

次いで、得られた本発明実施例合金および比較例合金を
それぞれロッカーアームのカムシャフトとの摺動部のチ
ップに使用し４気筒OHCガソリンエンジンにそれぞれ組
み込み、第３表に示す運転条件で耐久試験を行った。

また、第２表には比較の目的で、従来材であるチル鋳鉄
製ロッカーアームと、Fe−12Cr−Ｃ系焼結合金製ロッカ
ーアームについても同一の条件で耐久試験を行った結果
を示した。

そして、各耐久試験後のロッカーアームチップとカムノ
ーズトップの最大摩耗深さを測定した。この結果を第２
図に示す。

第２図に示した結果より明らかなように、摩耗条件は極
めて過酷な条件で行われたために、従来材であるチル鋳
鉄（No.14）とFe−12Cr−Ｃ系焼結合金（No.12,13）は
ともにロッカーアームチップおよびカムともに摩耗量が
著しく大きくなっている。

また、比較例合金No.7,8のように、粒径20μｍ超過の硬
質析出物を持つものでは、カムに対する攻撃性が著しく
増加してしまう。

一方、比較例合金No.9のように、Ｂ量が0.5重量％未満
でかつ硬質析出物の面積率が10％未満になると、チップ
自身の摩耗量が著しく大きくなるとともにカムをも摩耗
させてしまう。

他方、Ｂ量が2.0重量％を超えると、焼結時にＢ系の液
相が多量に発生するために、粒界に共晶組織が形成さ
れ、材料自体が脆くなるので、比較例合金No.10のよう
に、チップ摩耗量が大きくなるだけでなく、カムに対す
る攻撃性も非常に大きくなってしまう。

また、比較例合金はNo.11のように、Mo量が30重量％を
超えてしまうと、粒径が20μｍを超えると硬質析出物を
生ずるとともに、材料自体が脆くなるために、カムに対
する攻撃性が非常に大きくなってしまう。

これらに対して、本発明実施例合金No.1〜６の場合に
は、いずれも優れた耐摩耗性を示すほか、相手材である
カムへの攻撃性も小さく、ロッカーアームチップとして
非常に優れた特性を有していることがわかる。

なお、前記実施例では本発明合金をロッカーアームの摺
動部のチップに適用した場合について述べたが、タペッ
ト，カム，スリーブおよびバルブシートなどの高面圧の
かかる用途に使用しても同様に優れた耐摩耗性を示すも
のである。

［発明の効果］ 上述したように、本発明による鉄基焼結合金は、重量比
で、MoおよびＷのいずれか１種または２種;5〜30％、C
r;10％以下、Si;0.1〜0.9％、Mn;0.7％以下、P;0.05％
以下、C;0.1〜2.0％、B;0.5〜2.0％、残部Feおよび不純
物からなる組成を有し、ベイナイトおよび／または焼も
どしマルテンサイトよりなるマトリックスに、粒径１μ
ｍ以上20μｍ以下の微細な硼化物もしくは炭硼化物と炭
化物が共存していてこれらの硬質析出物が面積比で10％
以上分散した組織を有するものであるから、耐摩耗性，
耐スカッフィング性および耐ピッチング性に著しく優れ
るだけでなく、硼化物，炭硼化物のもつ良好ななじみ性
により相手材への攻撃性も著しく小さいという、耐摩耗
材料として非常に好ましい特性を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による鉄基耐摩耗性焼結合金の金属組
織を示す顕微鏡写真、第２図は耐久試験結果を示すグラ
フである。

フロントページの続き (72)発明者 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 藤木 章 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 石井 啓 神奈川県横浜市港南区芹が谷３丁目31−15 (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 (56)参考文献 特開 昭61−69946（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−16952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−108246（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−145156（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、P;0.05％以下、C;0.1〜2.0％、B;0.5〜2.0％、
   残部Feおよび不純物からなる組成を有し、ベイナイトお
   よび／または焼もどしマルテンサイトよりなるマトリッ
   クスに、粒径１μｍ以上20μｍ以下の微細な硼化物もし
   くは炭硼化物と炭化物が共存していてこれら硬質析出物
   が面積比で10％以上分散した組織を有することを特徴と
   する耐摩耗性鉄基焼結合金。
2. 【請求項２】硼化物はM₃B₂（Ｍは、Fe,Mo,W,Cr）からな
   り、炭化物はM₆C（Ｍは、Fe,Mo,W）とM₇C₃（Ｍは、Fe,C
   r）からなり、炭硼化物はM₆C炭化物を析出サイトとして
   形成されたM₃（B,C）_２（Ｍは、Fe,Mo,W,Cr）であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の耐摩耗
   性鉄基焼結合金。