JPH072962B2

JPH072962B2 - 耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末

Info

Publication number: JPH072962B2
Application number: JP17113084A
Authority: JP
Inventors: 鉄男宮崎; 文夫清田
Original assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1995-01-18
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: JPS6152301A

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性焼結部品用鉄基合金粉末に関し、更に
詳述すれば、例えば内燃機関のロッカパット、カム駒、
タペット、ピストンリング等、耐摩耗性の要求される鉄
基焼結合金製摺動部品の製造に供して好適な鉄基合金粉
末に関する。

２、従来技術粉末冶金法によって製造される焼結合金は、熔製法によ
る合金と異なり、凝固偏析がないために均一な組織とす
ることができ、また、通例の熔製法では得られない特異
な組織が比較的容易に得られること、更に、焼結体の寸
法制度が高いことから、近年、その適用分野が拡大しつ
つある。

例えば内燃機関にあっては、第１図に示すように、内燃
機関１の運転中、バルブシート２、ロッカアーム３、タ
ペット４、カムシャフト５、ピストンリング６等の部品
は、高速で相手部品と摺動するので、耐摩耗性が要求さ
れる。そこで、これらの部品又はその摺動部分、例えば
ロッカアーム３にあってはロッカパット3a、カムシャフ
ト５にあってはカム駒5aには、それらの材料に組織中に
硬質炭化物を晶出又は析出、分散させて耐摩耗性を付与
した鉄基焼結合金の採用が考えられる。

上記の硬質炭化物分散鉄基焼結合金の製造に供される粉
末としては、例えば多量のクロムと焼結性向上のための
燐とを含有する鉄基合金粉末に焼結時に炭化物を生成さ
せるために黒鉛粉末を配合した混合粉末が、或いは上記
鉄基合金粉末組成に更に素地強化及び／又は炭化物生成
元素として銅、モリブデンを含有させた鉄基合金粉末に
焼結時に炭化物を生成させるために黒鉛粉末を配合した
混合粉末が一部に使用されている（特開昭55−2777号公
報）。

ところが、上記の混合粉末を使用する方法では、黒鉛粉
末の配合量が多くなって均一に混合し難く、搬送中或い
はプレスのホッパ内で鉄基合金粉末と黒鉛粉末との比重
差によって黒鉛粉末が分離し易く、黒鉛粉末の所謂ダマ
を生じ、その結果、得られる焼結部品中に粗大空孔が生
じ易い。また、混合粉末の流動性が良好でなく、高速成
形が困難であり、得られる圧粉体の重量や密度のバラツ
キが大きく、その結果、得られる焼結部品の寸法変化が
大きくなり、歪も発生し易い。

また、上記の鉄基合金粉末は、粉末粒子表面に酸化物層
が存在し、合金粉末の酸素含有量は0.3〜0.5重量％もの
多量となる。この酸化物表面層は混合粉末の流動性を悪
くして圧粉体の密度を低くすると共に、圧粉体の機械的
強度を低下させて割れや欠けを生じ易くし、そのハンド
リングを面倒にする。

更に上記酸化物表面層は焼結時に粉末粒子間の原紙の拡
散を阻害するので、還元して消失させる必要があるが、
クロムを多量に含有する合金粉末にあっては、上記酸化
物表面層は安定なCr₂O₃を多量に含有するために、水素
ガスでは還元されず、COガスによってのみ還元可能であ
る。そこで、黒鉛粉末を上記還元に使用される量だけ余
計に配合しなければならなくなって、前述した黒鉛粉末
の配合量の多いことによる問題点が一層助長されること
になる。

このような問題を解決するために、鉄基合金粉末の炭素
含有量を高くし、黒鉛粉末の配合をなくするか、或いは
少なくすることが考えられる。然し、鉄基合金粉末の炭
素含有量が高くなる程圧粉体成形時の圧縮性が悪くな
り、成形圧や焼結部品形状に著しい制約を受ける。

３、発明の目的本発明は、上記のような従来の鉄基合金粉末の有する問
題点を解消し、圧縮性と焼結性が良好で耐摩耗性焼結部
品の製造用として好適な鉄基合金粉末を提供することを
目的としている。

４、発明の構成即ち、本発明の第１の発明は、炭素0.4〜３重量％、ク
ロム５〜30重量％、珪素0.2〜１重量％、マンガン0.1〜
１重量％、燐0.2〜１重量％、不純物としての酸素0.15
重量％以下、残部が実質的に鉄からなり、圧縮性と焼結
性とに優れた耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末に係る。

また、本発明の第２の発明は、炭素0.4〜３重量％、ク
ロム５〜30重量％、珪素0.2〜１重量％、マンガン0.1〜
１重量％、燐0.2〜１重量％、ニッケル、モリブデン、
タングステン及びバナジウムからなる群から選ばれた１
種又は２種以上を合計で0.5〜12重量％（但、ニッケ
ル、モリブデン、タングステン及びバナジウムの夫々は
３重量％以下）、不純物としての酸素0.15重量％以下、
残部が実質的に鉄からなり、圧縮性と焼結性とに優れた
耐摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末に係る。

５、発明の作用効果本発明鉄基合金粉末は、炭素及びクロムの含有量を共に
高くして硬質の含クロム炭化物を組織中に分散させ、得
られる焼結部品の耐摩耗性を改善するようにしたもので
あり、以下に述べることを主たる特徴としている。

即ち、その第１の主たる特徴は、（イ）炭素含有量を高くして黒鉛粉末の配合をなくする
か或いは少なくし、その結果、合金粉末又は混合粉末の
流動性が良好となって圧粉体の重量や密度のバラツキが
小さくなり、（ロ）酸素含有量が低いので合金粉末の流動性が良好と
なり、圧粉体の機械的強度が高く、割れや欠けが生ずる
ことなく、ハンドリングが容易であることにある。

また、その第２の主たる特徴は、（ハ）黒鉛粉末の配合をなくするか或いは少なくするこ
とができ、その結果、黒鉛粉末の偏在による焼結部品中
の粗大空孔の発生を防止して均一な組織とし、（ニ）更に、焼結部品の寸法精度が高く、歪も極めて少
なく、（ホ）燐を含有することにより、比較的低温での焼結に
よって鉄−燐合金粉末を配合する場合に較べて、例えば
真密度比で95％以上の高密度焼結部品が容易に得られる
ようにし、（ヘ）酸素含有量を低くして、焼結時に合金粉末粒子表
面の酸化物層を含有炭素によって還元して、酸化物表面
層による合金粉末を構成する原子の拡散阻止作用を排除
することにより焼結性を改善し、かつ、この還元のため
の黒鉛粉末の配合をなくするか或いは少なくして黒鉛粉
末配合による前記の問題が起こらぬようにしたところにある。

なお、本発明鉄基合金粉末は、所定の化学組成の熔湯を
公知の急冷作用の強い水アトマイズ法（特開昭53−1996
1号公報、特開昭53−112259号公報に開示された方法）
によって粉末とし、この粉末を脱水、乾燥後、1torr以
下の真空中で（望ましくは１×10^-3torr以下の高真空中
で800〜1050℃に加熱保持した後、20℃/hr以下の冷却速
度で除却する焼鈍を施すことによって得られる。

かくして本発明鉄基合金粉末は、上記水アトマイズ法に
よってイレギュラーな表面に微細な凹凸の多い形状とな
って圧縮性が改善され、更に上記焼鈍によって硬度がHv
350以下に下って圧縮性が改善され、併せて、含有炭素
により表面の酸化物が還元、除去されて低酸素となる。

以下に本発明鉄基合金粉末の化学組成について説明す
る。

炭素は素地に固溶してこれを強化すると共に、第１の発
明にあってはクロムと、第２の発明にあってはクロム、
モリブデン、タングステン及びバナジウムと結合して硬
質の炭化物を形成し、得られる焼結部品の耐摩耗性に寄
与する。

その含有量が0.4重量％（以下、重量％を単に「％」で
表わす。）未満では、黒鉛粉末の配合を多くせねばなら
なくなって前述したような焼結部品中に炭素の編析や歪
が発生し易くなる。他方、これが３％を越えると炭化物
の晶出量が多くなり過ぎて成形性が低下する。

従って、炭素含有量は0.4〜３％の範囲とする。特にそ
の望ましい範囲は１〜２％である。

クロムは素地に固溶してこれを強化すると共に、炭素と
結合して高硬質のFe−Cr−Ｃ複炭化物を形成し、得られ
る焼結部品の耐摩耗性を改善する。その含有量が５％未
満では上記効果が顕著ではなく、これが30％を越えると
成形性が悪くなって圧粉体強度が低下し、そのほか、得
られる焼結部品が脆くなる。

従って、クロム含有量は５〜30％の範囲とする。とりわ
け望ましい範囲は、特に硬質のM₇C₃炭化物（Ｍは鉄、ク
ロムの金属原子を表わし、Ｃは炭素原子を表わす。）が
形成する10〜25％の範囲である。

珪素は素地に固溶してこれを強化すると共に、焼結温度
を低下させて焼結性を改善する。その含有量が0.2％未
満では上記効果が顕著ではなく、１％を越えると圧縮性
を悪くし、更に、得られる焼結部品を脆化させるように
なるので、珪素含有量を0.2〜１％の範囲とする。

マンガンは合金粉製造に際して熔湯中で脱酸剤として作
用し、熔湯の健全性を向上させ、合金粉末中の酸素含有
量を低下させるが、0.1％未満では上記効果が顕著では
なく、他方、１％を越えると合金粉末の結晶粒が粗大化
し易くなって、得られる焼結部品が脆化する傾向が見ら
れるので、その含有量の範囲を0.1〜１％とする。

燐は素地に固溶してこれを強化すると共に硬度を上げ、
更に炭化物を安定にして焼結部品の耐摩耗性を改善し、
かつ、固相線を下げて焼結中に少量の液相を生成させ、
焼結部品の真密度比を上げて機械的強度、耐摩耗性を改
善するが、0.2％未満では上記効果が顕著ではなく、他
方、１％を越えると圧縮性を著しく悪くするほか、焼結
部品が脆化するようになるので、その含有量の範囲を0.
2〜１％とする。

酸素は不純物であって、粉末粒子表面に酸化物となって
主に存在し、前述したように、圧縮性を悪くし、更に、
上記酸化物の還元用として黒鉛粉末の配合を多くせねば
ならなくなって、黒鉛粉末配合による前記の不都合を生
ずるほか、焼結時の合金粉末を構成する原子の拡散を阻
害して焼結性を甚だしく阻害し、或いは焼結中に珪素や
マンガンと反応して酸化物系非金属介在物を生成し、得
られる焼結部品の機械的強度、更には耐摩耗性を損なう
ので、その含有量は低い程望ましく、0.15％以下とす
る。更に望ましくは0.10％以下とするのが良い。

第２の発明に於けるニッケル、モリブデン、タングステ
ン及びバナジウムについて述べると、これらはいずれも
素地に固溶してこれを強化するのでこれらの内の１種又
は２種以上を含有させる。

いずれもその含有量が0.5％未満では上記効果が顕著で
はないので、その下限は0.5％とする。

また、これらは上記作用以外に夫々後述する特有の作用
を有するのであるが、いずれも含有量が３％を越えても
これら作用による効果の増大は顕著ではなく、また、経
済上の観点からそれらの上限は合計で３％とし、これら
を併せて含有する場合でも合計12％以下とする。

ニッケル、モリブデン、タングステン及びバナジウムは
上記作用のほかに次のような作用を有している。

ニッケルは高温で機械的強度を高めるので、特に高温で
使用される焼結部品用として有用である。

モリブデン、タングステン及びバナジウムはいずれも炭
素と結合して硬質の炭化物を形成し、焼結部品の耐摩耗
性を一層向上させるので、特に苛酷な摺動条件下で使用
される焼結部品用として有用である。

バナジウムは上記耐摩耗性向上のほか、焼結時に生成す
るオーステナイトの結晶粒を微細化して焼結部品の靭性
を改善するので、衝撃を伴なう摺動条件下で使用される
焼結部品用として有用である。

６、実施例下記第１表に示す化学組成及び硬度を有する100メッシ
ュ篩下の鉄基合金粉末を用意した。これら合金粉は、水
アトマイズ法によって製造された鉄基合金粉末を１×10
^-3torrの真空中で化学組成に応じて800〜1050℃の範囲
内の液相が生成しない温度に３時間加熱した後20℃/hr
の冷却速度で冷却する焼鈍を施しと、この焼鈍によって
ケーキ状となった状態から粉砕して得られたものであ
る。

同表には比較の鉄基合金粉末として、珪素含有量を本発
明の範囲を外れて低くし、その他は上記と同様にして製
造された合金粉末（比較例１）並びに炭素含有量を通例
の粉末冶金用鉄粉若しくは鉄基合金粉と同程度の極少と
し、水アトマイズ法によって製造された100メッシュ篩
下の合金粉末（比較例２）について併記してある。

これら合金粉末に鱗片状天然黒鉛粉末を配合し、さらに
潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末0.75％を添加、混合
し、金型中で圧縮成形して直径11mm、高さ10mmの圧粉体
とし、次いでこれを焼結して焼結体とし、圧粉体密度、
焼結体密度、焼結体中の空孔の状態を測定又は観察し
た。

焼結体製造の条件及び測定結果は下記第２表に示す通り
である。但、いずれも圧縮圧は6t/cm²、焼結雰囲気は１
×10^-3torrの真空雰囲気、焼結時間は60分間である。

第１表及び第２表から次のことが理解できる。

(1)本発明の合金粉末は、高炭素で硬質の炭化物を組織
中に含有するにも拘らず、圧縮性は従来の低炭素の比較
例２の合金粉末と同程度を示しており、良好である。

(2)本発明合金粉末を使用した焼結体は、真密度比がい
ずれの比較例の焼結体に較べても明らかに高い。これ
は、前述したように合金粉末が焼鈍によって低酸素とし
てあることと、黒鉛粉末の配合がないか或いは少ないこ
とと、珪素の含有によって焼結性が改善された結果であ
る。特に比較例２の焼結体は焼結温度を高くしてあるに
も拘らず、本発明の合金粉末による焼結体の方が高密度
であり、本発明の効果は顕著である。

(3)低炭素の比較例２の合金粉末を使用した焼結体は、
他と同程度の炭素含有量とするために黒鉛粉の配合を多
くしてあり、そのため、焼結温度を高くしている。その
結果、比較例２の合金粉末を使用した焼結体には粗大空
孔が明らかに認められた。

なお、焼結体の組織を観察したところでは、比較例２の
合金粉末を使用した焼結体には炭素の偏在と高い焼結温
度とによって炭化物が粗大になっており、かつ、偏在し
ていて、不均一な組織となっており、また、外径寸法の
バラツキも大きかった。比較例１の合金粉末を使用した
焼結体には炭化物の粗大化が同様に認められた。

これに対して本発明の合金粉末を使用した焼結体は黒鉛
粉末の配合がないか或いは少ないので、粗大空孔、粗大
炭化物、炭化物の偏在が認められず、外径寸法のバラツ
キも極めて小さかった。

(4)以上の結果から、本発明の合金粉末を使用した焼結
体は、含クロム炭化物の存在によって優れた耐摩耗性を
有する上に、組織が均一であるので靱性も充分にあり、
摺動部品に使用して極めて好適であることが理解されよ
う。

７、発明の効果本発明の第１の発明は、前述した化学組成としてあるの
で、圧縮性と焼結性とに優れ、硬質の炭化物が微細に、
かつ、均一に分布した組織を有する高密度の耐摩耗性に
優れた焼結部品を容易に得ることができ、粗大な空孔を
生ずることがなく、寸法精度も高い。

また、本発明の第２の発明は、上記第１の発明の化学組
成に加えて、ニッケル、モリブデン、タングステン及び
バナジウムの１種又は２種以上を前述した量含有してい
るので、一層機械的強度と耐摩耗性とに優れた焼結部品
を得ることができ、特に苛酷な摺動条件下で使用される
焼結部品用原料粉末として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の構造を説明するための部分破砕概要
図である。なお、図面に示された符号に於いて、１……内燃機関２……バルブシート３……ロッカアーム 3a……ロッカパット４……タペット５……カムシャフト 5a……カム駒６……ピストンリングである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素0.4〜３重量％、クロム５〜30重量
％、珪素0.2〜１重量％、マンガン0.1〜１重量％、燐0.
2〜１重量％、不純物としての酸素0.15重量％以下、残
部が実質的に鉄からなり、圧縮性と焼結性とに優れた耐
摩耗性焼結部品用鉄基合金粉末。
【請求項２】炭素0.4〜３重量％、クロム５〜30重量
％、珪素0.2〜１重量％、マンガン0.1〜１重量％、燐0.
2〜１重量％、ニッケル、モリブデン、タングステン及
びバナジウムからなる群から選ばれた１種又は２種以上
を合計で0.5〜12重量％（但、ニッケル、モリブデン、
タングステン及びバナジウムの夫々は３重量％以下）、
不純物としての酸素0.15重量％以下、残部が実質的に鉄
からなり、圧縮性と焼結性とに優れた耐摩耗性焼結部品
用鉄基合金粉末。