JPH0733557B2

JPH0733557B2 - 鉄系焼結耐摩耗性材料の製造法

Info

Publication number: JPH0733557B2
Application number: JP2034581A
Authority: JP
Inventors: 寛池ノ上; 弘之遠藤; 啓石井; 啓太郎鈴木
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 1990-02-15
Filing date: 1990-02-15
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0387331A

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

【特許請求の範囲】

【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。