JPS5950153A - 耐熱，耐摩耗焼結合金製シ−ル材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐熱性および耐摩耗性に優れた焼結合金製シー
ル材の製造方法に関するものであシ、さらに詳しく述べ
るならばターボチャージャー排気マニホールド側用シー
ルリング、内燃機関用ピストンリング等に用いられるシ
ール材の製造方法に関するものである。

一般に内燃機関のシール材としては、ＦＣ及びＦＣＤ系
の鋳鉄あるいは樹脂等が多用されているが、耐摩耗性は
かなシの程度であるとしても、耐熱性は不足する場合が
ある。一方、焼結合金はピストンリング等に使用される
傾向にあるが、これは焼結合金には１０〜２０％の空孔
が内在し、油だまシとなって潤滑油を保持し、耐摩耗性
及び耐焼付性を向上させる性質を利用することを意図し
たものである。しかし焼結合金に内在する空孔は焼結シ
ール材の有効断面積を減少させる結果、該シール材の実
作用応力が高くなシ、耐熱性は劣化する。

この欠点を補い焼結合金の耐熱性を向上させるには、空
孔体積率の減少が有効であるが、焼結鍛造。

ホットプレス等の特殊な技術を用いなければならず焼結
晶のコスト上昇を招き経済的に不利である。

焼結シール材削熱性を向上させる他の技術には耐熱性向
上元素として一般的なＣｒ　、　Ｎｉ　　、　Ｃｏ　。

Ｍｏ　、　Ｗ等の粉末を鉄粉末中に予め混合させておく
方法があるが、焼結は固相拡散反応を利用するのが一般
的であるから、ＮＩ　　＋　Ｃｏを除いたＣｒ　。

Ｍｏ　、　Ｗ等を焼結合金の１ｌｉｌｅマ）　ＩＪワッ
クス中均一に拡散固溶されるのは極めて困難である。し
たがって、上述のような耐熱性向上元素の粉末と鉄粉末
を混合させる方法では顕著な耐熱性向上を期し得ない。

本発明は以上のような問題点を解決しうる焼結合金製シ
ールの製法を提供するものである。

以下、ターボチャージャー排気マニホールド側用シール
リングに例をとってシール制の要求性能及び従来法の問
題点を具体的に説明する。

近年自動車の低燃費化や高出力化の手段としてターｄ？
チャーシャーを装着する内燃機関採用が増加している。

ターボチャージャー排気マニホールド側用シールリング
（以下シールリングと称する）は高温の排気ガスの影響
によシ高温にさらされ且つ高温下で涌滑油のシール性を
保たなければならない。よって張力の保持がシールリン
グとしての重要な特性の１つであるのでシール材として
は高い耐熱性が要求性能となる。さらにターゲチャージ
ャーのタービンの回転数は最大士数万ｒｐｍの高速回転
とシるのでシール材として耐摩耗性（相手材を摩耗させ
ない性質も含む）および耐焼伺性についても高い性能が
あわせて要求される。

一般にシール材として使用されているＦＣ及びＦＣＤの
銃鉄や樹脂等はシールリングとしては耐熱性が明らかに
不足するので、現在シールリングには高速度鋼、オース
テナイト鋳鋼、高Ｃｒ餌鋼、ステンレス鋼等の溶製材料
が一般に用いられている。

これら゛の溶製材料は耐熱性に優れているがシールリン
グは小径であるため多大の加工工数を必侠としまた材料
歩留が極めて悪いという欠点を有する。

更にこれらの溶製材料は耐焼付性及び耐摩耗性には問題
を有している。これに対して、焼結合金は材料組成の自
由度が高いこと、空孔が内在することなどによって、耐
熱性、耐摩耗性等の改善を容易に実施可能である。しか
も焼結合金は極めて高い寸法精度で製造できるので加工
工数の大巾な低減が可能であシ、材料歩留も極めて良好
である。

しかしながら、焼結合金は上述のように材料組成の調節
によって耐熱性を付与する場合、単純に耐熱性元素の粉
末を鉄粉末に混合し、その後焼結する技術では、顕著な
耐熱性向上を期しえない。

す上のような従来技術の問題点を解消し、焼結合金のシ
ール材として耐熱性及びｉ１摩れ性を飛躍的に改善する
ためには本発明者は次の条件が満たされていることが重
要であるとの知見を得た。

■　予め合金化された鉄合金粉末を用いそして高温下で
の焼結を行方い合金元素の拡散を十分に行なうこと。こ
のためには焼結合金のマトリックスの耐熱性を向上させ
るために、Ｃｒを高濃度に固溶したフェライト系ステン
レス鋼を主原料として用い、さらにコバルト粉末を添加
し、コバルトをマ）　ＩＪワックス焼結中に拡散固溶さ
せる。かくして単独粉末によるよシも耐熱性が一層向上
する。

■　焼結合金の耐摩耗性は前記内在空孔の保油効果によ
シ一般に良好であるが、硬質粒子の添加によシ一層改善
されること。即ち焼結合金のマトリックスに比べ相対的
に硬い硬質粒子が１次しゆう動面を形成し、一方相対的
に軟いマトリックスは初期摩耗によって前記内在空孔と
同様に潤滑油の油だまシとなり前記空孔の保油効果のみ
によるよシも一層劇摩耗性の他に耐焼付性も向上する。

■　さらに、黒鉛粉末を添加することによって、黒鉛と
フェライト組織のマトリックスとが焼結中に反応し、徽
細なソルバイト組織又は微細なマルテンザイト組織から
なるマトリックスが得られる結果、耐摩耗性及び耐焼付
性は一層向上すること。

以上の条件■、■及び■を満足する本発明はビッカース
硬さＨｖ　５００〜１５００を治する粒径１５０μｍ以
下の硬質粒子粉末を体積比で１〜２０％と、黒鉛粉末を
０２〜１５重量係、コバルト粉末２〜１０重量％とを含
有し、残部がフェライト系ステンレス鋼粉末からなる混
合粉末を圧粉成形しそして焼結することにより、相対密
度８０〜９５％を有する耐熱、劇摩耗焼結合金製シール
材を製造する方法を提供するものである。

以下本発明の限定理由を述べさらに説明を行なう０ 硬質粒子の硬さがＨｖ５００未満であると耐摩耗性およ
び耐焼付性向上の効果がなく、一方Ｈｖ１５００を超え
る硬い粒子では相手材の摩耗が多くなるので、硬質粒子
の硬さはＨｖ　５００−１５００が適切である。このよ
うな硬質粒子としては、Ｃｏ、Ｃｒ等の高合金、フェロ
アロイ及び金属間化合物の少なくとも１種を用いること
ができる。

甘た硬質粒子の粒径が１５０μｍを超える粗粉末では、
原料粉末混合時の不均一や成形時の成形性の低下等の問
題が生じるので、硬質粒子の粒径は１５０　ｔｉｒｎ以
下が必要である。壕だ硬質粒子粉末の全混合粉末に対す
る体積比が、１チ未満では耐摩耗性及び耐焼付性が不足
し２０％を超えると圧粉成形性が低下するので硬質粒子
の割合は体積比で１〜２０襲が適切である。硬質粒子の
好ましい割合は３〜１０体積チである。

上記硬質粒子粉末のみをフェライト系ステンレス鋼粉末
に添加しただけでは、マトリックスの耐摩耗性および耐
焼付性が不足するので０．２〜１５重遺チの黒鉛粉末を
添加する。黒鉛粉末は焼結時上記ステンレス鋼のクロム
と反応し、マトリックスのクロム含イＪ量、炭素含有量
、焼結後の冷却速度基によってマトリックスを微細なソ
ルバイト組織又は微細なマルテンザイト組織になる。黒
鉛粉末が０．２重量饅未満では耐焼付性及び耐摩耗性が
不足し、−力点鉛粉末が１５重ｆｌ：％を超えると焼結
晶が脆化するので好ましくない。黒鉛粉末の添加量が０
．４〜１．　Ｏ重量％であるとさらに好ましい性質が得
られる。

また、さらにコバルト粉末を添加することによって焼結
時コバルトはマトリックスに拡散固溶しその耐熱性を一
層向上させる。その量は２重量％未満では耐熱性向上の
効果がな（１０重量襲を超えると圧粉成形性が低下する
ので、コバルト粉末の添加量は２〜１０重量ヂが好まし
い。さらに好ましくはコバルト粉末の添加量は３〜８重
量％とする。

残部をフェライト系ステンレス鋼粉末としたのはＣｒを
多量に固溶しており、高い耐熱性を有することの他に、
上述のように黒鉛及びコバルトの反応又は拡散マトリッ
クスを提供して優れた効果を奏するからである。

また焼結合金の耐熱性は内在する空孔の量によっても影
響を受ける。即ち内在する空孔の割合が多くなると、焼
結材の有効断面積が減少して実作用応力は増加し耐熱性
が低下するので焼結材の相対密度は高い程好ましい。し
かしながら焼結合金の製造に一般的に用いられる冷開成
形、焼結という方法では空孔を５％以下にすることは困
難である。以上のことから焼結材の相対密度は８ｏ→５
チと限定する。

本発明における焼結条件としては、混合粉末を５〜１０
トン／ｃｒｎ２で圧粉成形した後に、１１５ト１２５０
℃に真空、水素１分解アンモニアガス雰囲気中で４０〜
９０分加熱する条件を採用することが望ましい。

以下実施例を述べ更に詳細な説明を加える。

実施例１ 第１表例示した各種粉末を所定量秤量し、Ｖ型ミキザー
で３０分間混合し、次に成形圧カフトンｈ２で圧粉成形
し、最後に分解アンモニアガス雰囲気中において１２０
０℃でＩＨｒ焼結した。但し硬質粒子粉末およびステン
レス鋼粉末は一１００メツシー（１４９μｍ）としだ。

また黒鉛粉末およびコバルト粉末は一３２５メツシュ（
４４μｍ）とした。

焼結後、機械加工により呼び径２０　ｍｍ　、幅１．６
ｍｍ。

厚さ１．１鵡のシールリングを作製し、張力減退のテス
トを行なった。張力減退のテストはシールリング呼び径
と同一寸法の鋳鉄製シリンダーにシールリングを装填し
、３５０℃、４００℃、４５０℃で各々１０ＨｒＡｒガ
ス中で加熱し実施した。テスト前後の自由合い口すき間
の変化量を求め張力減退率とした。

焼結後の各特性値および張力減退率も合わせて第１表に
示した。表中、硬質粒子粉末の添加量は各粉末の密度を
測定し体積比で算出した。また焼結体の相対密度は顕徽
鏡で空孔率を求め（１−空孔率）で算出した。

以下余白 第１表の結果から本発明材料は優れた耐熱性を有するこ
とが明らかである。

第１図及び第２図に第１表の本発明材料Ａの金属組織（
倍率はそれぞれ１００倍及び５００倍）を示す。第２図
のａは硬質粒子、ｂはソルバイトマトリックス、Ｃは空
孔である。本発明法によシとれらの構成相ａ、ｂ及びＣ
を適宜微細分散させることによシ優れた諸性能が発揮さ
れていることが理解されよう。

実施例２ 第２表に示した各種粉末を所定量秤量し、Ｖ型ミキサー
で３０分間混合し、そして実施例１と同一の成形条件及
び焼結条件でビン（摩耗試験片）を作製した。

摩耗試験は第３図に示したロータービン式摩耗試験機を
用いて行なった。相手材としてのローターＢの利質はＪ
ＩＳ　ＳＵＭ　４３を焼入焼もどしによシＨＲＣ３５と
した。このローターＢ１及びビンＡは共に研摩加工によ
り約１〜２μＲＺの仕上あらさとしたものであった。

５ＡＥ４３０のエンジンオイルを滴下し潤滑しながら、
矢印方向に荷重を加えて摩耗試験を有力い、ビンの摩耗
量は摩耗痕の長径で測定し、ローター摩耗量はあらさ計
でその凹み１】、を荷Ｍ２ｋｇ、厚擦速度１５０　Ｖｍ
ｊｎ　、摩擦圧＃、５０００ｍの条件で測定した。

さらに摩擦速度を２００　ｍ／ｍ　ｉ　ｎとし荷重を上
げ、焼料の発生した荷重を求め焼伺限界荷重とした結果
を合わせて第２表に示した。

本発明材料は比較例に比べ自身の耐摩耗及び札手材の摩
耗が少なくまた耐焼付性が高いことがり］らかである。

以下余白 実施例３ 実施例工の第１表に示した本発明材料Ａ及びＢについて
実機テストを行なった。供試しだターボチャージャーは
タービン翼径φ５６ｍｍコンブレッザー翼径φ５４！＋
１＋＋１であシ排気マニホールド側用シールリングは呼
び径φ１７．５朝２幅１．６ｍｎ、厚さ０９箇に機械加
工し実機テストに供した。なお比較例として現在使用さ
れているオーステナイト鋳鋼（２０％Ｃｒ−２０％Ｎｉ
　−１０％Ｃｏ−５％Ｗ−２％Ｍ。

−１４％Ｓｌ　−１，６％Ｃ−残部Ｆｅ）も実機テスト
に供した。テスト条件はターボチャージャーを４気筒２
．３１のディーゼルエンジンに装置し４２００ｒｐｍ全
負荷で２００　Ｈｒの耐久運動を行なった。テスト前後
の自由合い口すき間の変化を張力減退率とし、またシー
ルリングの幅方向の摩耗量は両面の各々の摩耗量の和と
して求めた。その結果を第３表に示した。

以下余白 第　　　３　　　表 以上の結果から本発明は優れた耐熱性、耐摩耗性および
面１焼性を有する焼結合金製シール表してターボチャー
ジャー用シールリングのみに限らず、ピストンリング、
バルブシート等として内燃機関のシール部材として使用
できる材料の製法を提供することが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は実施例１の第１表に示した本発明材
料Ａのそれぞれ１００倍及び５００倍の金属顕微鏡組織
写真である。 第３図は実施例２にて行なった摩耗試験法の略図である
。 Ａ−ピン、１３−Ｈｊ−タ、ａ−硬質粒子、ｂ−ソルバ
イトマトリックス、Ｃ−空孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ビッカース硬さＨｖ　５００〜１５００を有する粒径１
   ５０μｍ以下の硬質粒子粉末を体積比で１〜２０％と、
   黒鉛粉末０２〜１．５重量％と、コバルト粉末２〜１０
   重量％とを含有し、残部が、フェライト系ステンレス鋼
   粉末からなる混合粉末を圧粉成形し、そして焼結するこ
   とにょシ、相対密度８０〜９５％を有する側熱、耐摩耗
   性焼結合金製シール材を製造する方法。