JPH0733557B2 - 鉄系焼結耐摩耗性材料の製造法 - Google Patents

鉄系焼結耐摩耗性材料の製造法

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JPH0733557B2
JPH0733557B2 JP2034581A JP3458190A JPH0733557B2 JP H0733557 B2 JPH0733557 B2 JP H0733557B2 JP 2034581 A JP2034581 A JP 2034581A JP 3458190 A JP3458190 A JP 3458190A JP H0733557 B2 JPH0733557 B2 JP H0733557B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は銅を含有する鉄系耐摩耗性材料、特に内燃機関
の動弁機構を構成する部材に好適な銅含有鉄系耐摩耗性
焼結合金に関する。
ここで動弁機構の代表的な型式のひとつであるOHC式に
ついて説明すると、第1図に示すように、カム2の回転
に従って、ロッカーアーム1がその軸を支点としてシー
ソー運動を行ない、弁3を開閉するようになっている。
この機構においてはカム2と当接するロッカーアーム1
の耐摩耗性が重要であるが、カム2自体の耐摩耗性も非
常に重要である。ロッカーアームの摺動面のパッド用材
料としては、高速度鋼とか合金工具鋼のように微細な炭
化物がマルテンサイト基地に分散している組織を有し且
つ空孔率が2〜3%程度の高密度材料が知られている。
本出願人もまた、この種の材料を開発し既に出願してい
る。(特開昭57−108245号公報) しかしながら、特に本出願人に係る合金材料は重量比で
2〜7%Cr,0.1〜2%P,0.5〜3%C,0.1〜1.5%Mo,0.5
〜7%W,0.1〜3%Vおよび残部Feの組成でマルテンサ
イトの基地に金属炭化物からなる硬質相が分散する組織
を呈し、耐摩耗性が極めて高く、パッドの摩耗量が少な
い反面、相手部材のカムに対する攻撃性がその分だけ強
いところに改良の余地があった。
本発明の主な目的は、摺動する相手部材の摩耗を著しく
減少させ、しかも自己自身の耐摩耗性も従来材と同等以
上である鉄系焼結耐摩耗性材料を提供することにある。
本発明によれば、この目的は重量比でCr3〜25%,P0.1〜
2%,[Mo0.5〜7%,W0.1〜8%,V0.1〜3%,Ni0.5〜
2%]の群のうち少なくとも2種1〜13%,銅または銅
合金10〜25%,炭素0.5〜3%および残部Feからなる組
成で、炭化物を含有する硬質相と銅または銅合金(Cu−
SnまたはCu−Ni)の軟質相が混在する組織の焼結合金に
よって達成することができる。即ち、本発明の合金は従
来の焼結合金に比べて多量の銅を含むため硬軟両相が適
度に釣り合い、その結果相手部材とのなじみ性が改善さ
れ双方の摩耗が減少する訳である。
本発明に係る合金の代表的な組成の類型を例示すれば次
の通りである。
なお、上記各組成中の銅を同量の銅合金で置換したもの
も本発明の範疇に属する。
ここで各添加元素とその組成範囲について説明する。耐
摩耗性の向上を目的とする合金元素の添加は古くから行
なわれているが、添加元素はその挙動,作用効果から2
種類に、即ちCr,Mo,V,Wなどのように添加元素が炭化物
を形成するものとNiのように素地中に固溶して組織を強
化するものとに大別でき、共に、油膜切れを生じるよう
な高面圧の作用する摺動部の耐摩耗性を改良する効果が
ある。
クロム:基地の強化に併せて、炭素と反応して硬質の炭
化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。ただし後述の実
施例および比較例のデータが示すように、添加量3%未
満では所要の効果が得られず、一方、25%を越えると基
地が脆化し、また相手部材のカムを傷つけ易くなる。
リン:焼結時に液相を生じて焼結体を高密度化する元素
であるが、添加量0.1%未満では所要の効果が得られ
ず、一方、2%を越えて添加すると過剰の液相が生じ、
焼結時の寸法変化率が大きくなるもので好ましくない。
モリブデン:クロムと同様、基地の強化と共に炭素と反
応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。
ただし、添加量が7%を越えると相手部材のカムを傷つ
け易くなる。
タングステン:クロムと同様、基地の強化と共に炭素と
反応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させ
る。ただし、添加量0.1%未満では所要の効果が得られ
ず、一方、8%をこえて添加すると、基地の脆化をきた
す。
バナジウム:炭素と反応して炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に寄与する。ただし、添加量0.1%未満では所要
の効果が得られず、一方、3%を越えて添加すると被削
性が低下し、また相手部材を傷つけ易くなる。
ニッケル:基地となる合金に固溶して強化し、耐摩耗性
を向上させる。ただし添加量0.5%未満では固溶量が不
充分で所期の効果が期待できず、一方2%を越えて添加
するとCrその他の炭化物を分解する作用が強くなり、結
果的に耐摩耗性を低下させる逆効果を招く。
これらの元素のうちMo,W,VおよびNiは用途に応じて2種
類以上組合せて使用するものであるが、その合計は下記
の理由により1〜13%の範囲になければならない。即
ち、1%未満では所要の効果を期待できるだけの炭化物
相が得られず、一方、13%を越えると脆化をきたし、相
手部材のカムを傷つけ易くなるからである。
炭素:銅粉または銅合金粉と共に通常は黒鉛粉の形で添
加され、基地の強化に併せクロムその他の添加成分と反
応して硬質相を析出し耐摩耗性を向上させる。ただし添
加量0.5%未満では、基地がフェライト主体となるため
強度の著しい低下を生じる。一方、3%を越えると、混
合粉の偏析や見掛け密度の低下,成形性の劣化などの悪
影響が出てくる。
銅または銅合金(Cu−Sn,Cu−Ni):前述のように炭化
物を含む硬質相の間に軟質相を分散させて摩耗を減少す
るための成分であるが、添加量が10%未満では銅の大部
分が基地に固溶し、それを硬くする。またこれに伴い遊
離銅相が減少するため、相手部材を摩耗させる傾向が出
てくる。ただし25%を越えて添加すると焼結時に銅が吹
き出したり、焼結体の変形を生じるので、添加量は10〜
25%を適量とする。銅添加量と摩耗量の関係は第2図の
グラフからも理解できるが、これについては後に述べ
る。
本発明に係る焼結合金の製造に際し、各成分の単味配合
による誤差や偏析を避けて所望の組織を確保するため、
黒鉛と銅(または銅合金)以外の成分は合金粉として配
合される。焼結条件は分解アンモニアガスの雰囲気中11
30℃での焼結がとくに適している。この合金を熱処理し
て用いる場合の処理条件は、アルゴンガス中900℃より
油焼入れ後,180℃焼戻しが好ましい。
以下、実施例および比較例を含む試験の結果に基づいて
本発明を詳細に説明する。
試料の作成 先ず黒鉛粉,銅粉(一部の試料では銅合金粉)およびこ
の2成分を除いた組成の合金粉の3者を第1表,第2表
の各行に示す組成割合に配合し、これに潤滑剤としてス
テリン酸亜鉛1%を添加してV型混合機で20間混合し
た。
次にこれらの混合粉それぞれを6t/cm2の成形圧力で所要
のパッド形状に成形し分解アンモニアガス中温度1130℃
で30分間焼結した後、下記の条件で熱処理を施した。な
お各試料の密度比および硬さの測定値を表中に示した。
焼入れ条件:アルゴンガス中油焼入れ 焼入れ温度:900℃ 焼入れ温度:180℃ 試験の方法 OHC型4気筒1800ccエンジンを利用したモータリング試
験装置(シュミレーション装置の一種で、カム軸をモー
ターで回転させて動弁機構の各種試験を行なう装置)を
用い、前記の各試料をロッカーアームのパッド部に取付
けてこの装置に組み込んで下記の条件で試験を行ない、
パッドおよび相手部材のカムの摩耗量を測定した。
カム材質:チル化した鋳鉄材 回転数:650rpm 試験時間:50時間連続運転 潤滑油:通常のエンジンオイルに体積比で水を2.5%添
加して、摩耗条件を過酷に設定した。
試験の結果 第1表は前述した既出願の合金(特開昭57−108245号)
を基本にその改良を図った結果を示したもので、試料N
o.1はこの既出願の合金そのものである。試料No.2お
よび3は銅含有量が10%未満で本発明の範囲外の比較例
であり、試料No.5〜7が適正量の銅を含有する本発明
の実施例,No.8と9はそれぞれ試料No.6の銅を同量の
銅合金で置換した実施例である。(No.4はクレイムの
範囲外の参考例) この表およびこれをグラフ化した第2図から、基本の組
成に銅を添加すると、初めは相手部材のカムが逆に摩耗
すること,さらに添加量を増して銅量が10%以上になる
と、意外にもカムの摩耗が著しく減少すること判る。こ
の事実が本発明の骨子とする新知見である。No.8はCu
−Sn合金を,No.9はCu−Ni合金を銅と置換した例で、N
o.6と効果は同等以上であり、本発明の目的においては
銅と銅合金が均等物であることを示している。ただし価
格は若干高くなる。
No.10〜13はPの効果を示す例で、本発明の範囲外であ
るNo.10および13は本発明材のNo.11および12より摩耗量
が増加している。
No.14〜17はCの効果を示す例で、Pの場合と同様なこ
とがいえる。即ち、本発明の範囲外であるNo.14および1
7はカムの摩耗が本発明材のNo.15および16より多い。
次の第2表はSKD−61などの既存の合金を基本として、
銅の添加によるその改良効果を示したもので、罫線で区
画された各欄の最初の行は、その備考欄に記した合金規
格に相当している。
No.18〜24の欄について説明すると、本発明の実施例で
あるNo.22〜24では総摩耗量がNo.18の1/3以下に減少
し、銅添加の効果が大きく現われている。銅量10%未満
のNo.19および20では、逆に摩耗量が増加している。
No.25〜31の欄の場合もほぼ同様で、本発明の実施例で
あるNo.29〜31ではカムの摩耗および総摩耗量が大幅に
減少しているのに対し、銅量10%未満の比較例No.26お
よび27では銅の効果に有意差が認められない。(No.21,
28はクレイムの範囲外の参考例) 次のNo.32/33;34/35;36/37および38/39の各群について
は説明しなくても明白であろう。即ち、各群とも分母側
の試料が所要量の銅を含有する本発明の実施例であっ
て、分子側の銅を無添加の比較例に比べて耐摩耗性が明
らかに向上している。
ちなみに、第1表のNo.5〜7,11,12,15,16は本発明に係
る合金の実施態様として先に列挙した中の類型1に相当
し、第2表のNo.22〜24は類型2に、No.29〜31は類型3
に、No.33は類型4に、No.35は類型5に、No.37は類型
6に、No.39類型7に、それぞれ相当する。
以上に詳述したように、本発明の方法によればMo,W,V,N
iなどの炭化物を含む硬質相が多量の銅を主とする軟質
相に分散した焼結合金を容易に得ることができる。この
合金は従来の合金に比べて相手部材とのなじみ性がよ
く、自己の摩耗はもとより相手部材の摩耗を著しく減少
させる点に優れた特徴がある。なおその用途はロッカー
アームのパッドに限らず、例えばバルブシート,カムシ
ャフトカム,ベーンポンプのベーンなどの摺動部材にも
適用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は内燃機関の代表的な動弁機構の構成を例示する
図面、第2図は銅含有量と摩耗量の関係を示すグラフで
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量比でCr3〜25%,P0.1〜2%、[Mo0.5
    〜7%,W0.1〜8%,V0.1〜3%,Ni0.5〜2%]の群から
    選択される少なくとも2種の元素1〜13%および残部Fe
    からなる合金粉に、銅粉または銅合金粉10%を超え25%
    以下と炭素粉0.5〜3%を配合し、粉末冶金の通常の条
    件で所要の形状に成形および焼結を行なうことを特徴と
    する、自己および相手部材の摩耗が少ない鉄系焼結耐摩
    耗性材料の製造法。
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