JPS60152658A - 耐摩耗性焼結合金 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、耐摩耗性に優れ、特に内燃機関用ロッカー
アームチップおよびカム部材として好適な鉄系の耐摩耗
性焼結合金に関するものである。

（従来技術） 従来、内燃機関用ロッカーアームチップおよびカム部材
としては、多くの場合、チル鋳物あるいは焼結合金が用
いられており、これらのうち焼結合金としては特願昭５
７−１１８６４７号明細書に記載のものがある。この焼
結合金は、Ｆｅ−１θ〜３５重昂％Ｃｒ−１，０〜２．
５重量％Ｂおよび残部実質的に不純物からなるＦｅ−Ｃ
ｒ−Ｂ系合金粉末１６〜５０重量％と、黒鉛粉末１．０
〜３．５重量％と、残部Ｆｅ−Ｐ系合金粉末単独あるい
はＦｅ−Ｐ系合金粉末とＦｅまたは低合金Ｆｅ粉末とを
全粉末中でＰが０．２〜１．０重量％となるように加え
て成形や焼結してなるものであり、すぐれた耐摩耗性お
よびなじみ性を有していて、内燃機関用ロッカーアーム
チップおよびカムに適用した場合に当該ロッカーアーム
チップおよびカム自体の摩耗をかなり小さいものとする
ことが可能であるという利点を有している。この焼結合
金の組織は、第１図の光学顕微鏡組織写真で示すように
、粒径的１００Ｉｉ、ｍの白色部が（Ｆｅ　、Ｃｒ）３
　Ｃｍ化物であり、灰色のマトリックスがパーライト組
織である。

一方、自動車用等の内燃機関は、近年の出方向上ならび
に効率向上等の要請のために、運転条件がかなり厳しく
なっており、上記ロッカーアームチップおよびカム等の
部材には高い耐摩粍性、耐ピッチング性が要求されるよ
うになってきている。

ところで、上記した従来の焼結合金では、１種類の硬質
炭化物がマトリックス中に分散した組織となっているた
め、とくにか酷な使用条件においては炭化物が剥離して
ピッチングを生じることも考えられ、それゆえ耐摩耗性
においてなお改善の余地があるとともに、相手材への攻
撃性もさらに減少させる必要が生じるようになってきた
。

（発明の目的） この発明は、このような従来の事情に着目してなされた
もので、耐摩耗性および耐ピツチング性に優れ、摺動の
際における摩耗が小さく、とくに相手材への攻撃性も減
少させることができる耐摩耗性焼結合金を提供すること
を目的としている。

（発明の構成） この発明による耐摩耗性焼結合金は、ＣｒおよびＣを含
むＦｅ基合金粉末をマトリックス粉末とし、このマトリ
ックス粉末にＦｅ−Ｐ系合金粉末：１．０〜２．０重量
％を添加して、全粉末中にＣｒ：５〜２０重量％、Ｐ：
Ｏ，１〜１．０重量％、Ｃ：０．５〜３．０重量％を含
むＦｅＣ系合金粉末成形・焼結してなり、少なくとも２
種類の炭化物が分散した組織を有することを特徴とする
ものである。そして、炭素については、Ｆｅ基合金粉末
中の炭素では不十分である場合、別に炭素粉末を２．０
重量％以下添加しても良いことを特徴とするものである
。

この発明の一実施態様においては、前記マトリックス粉
末が、Ｃｒ：５〜２０重量％、Ｃ：０．５〜２．０重量
％、残部Ｆｅおよび不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合
金粉末であり、混合粉末が、Ｃｒ：５〜２０重量％、Ｐ
：０．１〜１．０重量％、Ｃ：０．５〜３．０重量％、
残部Ｆｅおよび不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｐ−Ｃ系混
合粉末であるものとし、この混合粉末を成形・焼結して
、少なくとも２種類の炭化物が細かく分散した組織を有
する耐摩耗性焼結合金とすることができる。

ここで、一実施態様において、マトリックス粉末が、Ｃ
ｒ：５〜２０重量％、Ｃ：０．５〜２゜０重量％、残部
Ｆｅおよび不純物からなるＦｅ　−Ｃｒ−Ｃ系合金粉末
であり、混合粉末が、Ｃｒ：５〜２０重量％、Ｐ：Ｏ，
１〜１．０重量％、Ｃ：０．５〜３．０重量％、残部Ｆ
ｅおよび不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｐ−Ｃ系混合粉末
であるものとしたことのより好ましい理由について以下
に述べる。

Ｃｒ： Ｃｒは、合金粉末をアトマイズ法によって製作する時に
Ｃと結合して（Ｆｅ、Ｃｒ）７Ｃ３炭化物を析出させ、
焼結時にはＰ、Ｃと反応して（Ｆｅ　、Ｃｒ）７　Ｃ３
炭化物と（Ｆｅ、Ｃｒ）３Ｃ炭化物を形成して耐摩耗性
を著しく向」ニさせるのに有効な元素である。しかし、
約５重量％未満テハ上記（Ｆｅ、Ｃｒ）７Ｃ３炭化物が
アトマイズ時に形成せず、２０重量％を超えると成形性
の悪化および材料の脆化などを生じるおそれがある。

Ｃ（マトリックス粉末）： Ｃはマトリックス粉末においてＦｅ、Ｃｒとの間でアト
マイズ時に析出した（Ｆｅ、Ｃｒ）７Ｃ３を存在せしめ
、焼結時にはＰと反応して拡散することにより、（Ｆｅ
、Ｃｒ）７Ｃ３炭化物および（Ｆｅ　、Ｃｒ）３　Ｃ炭
化物の分解形成を生じさせる。しかし、０．５重量％未
満では（Ｆｅ。

Ｃｒ）７Ｃ３炭化物を十分な量だけ形成せず、２．０重
量％を超えると成形性の悪化、靭性の低下をまねくおそ
れがある。

Ｐ：　（混合粉末）： Ｐは、焼結中に液相を生じることによりＣの拡散を促進
し、（Ｆｅ、Ｃｒ）７Ｃ３＋（Ｆｅ。

Ｃｒ）３　Ｃ＋　（Ｆｅ　、Ｃｒ）、Ｃ３（７）分解反
応を生じさせる。しかし、０．１重量％未満では所要の
効果が得られず、混合粉末中において１．０重量％を超
えると焼結時の液相量が過剰になり、焼結前後の寸法変
化が大きくなるおそれがある。

炭素： 炭素例えば黒鉛は、焼結時に形成される（Ｆｅ、Ｃｒ）
３Ｃ炭化物の析出量を増加させることにより耐摩耗性を
改善するので、混合粉末中のＣ量が０．５〜３．０重量
％となる範囲内で上記マトリックス粉末中のＣ量では不
足する分だけ必要に応じて添加する。しかし、２．０重
量％を超えて添加すると焼結後の靭性を悪化させるおそ
れがある。

また、この発明の他の実施態様においては、前記マトリ
ックス粉末が、Ｃｒ：５〜２０重量％、Ｍｏ：Ｏ，１〜
３．０重量％、Ｖ：０．１〜３．０重量％、Ｃ：０．５
〜２．０型部％、残部Ｆｅおよび不純物からなるＦｅ−
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ系合金粉末であり、混合粉末が、Ｃ
ｒ：５〜２０重量％、Ｍｏ：０．１〜３．０重量％、Ｖ
：Ｏ，１〜３．０重量％、Ｐ：ｏ、ｌＮ１．０重量％、
Ｃ：０．５〜３．０重量％、残部Ｆｅおよび不純物から
なるＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ　−Ｖ−Ｐ　−Ｃ系混合粉末であ
るものとし、この混合粉末を成形・焼結して、少なくと
も２種類の炭化物が細かく分散した組織を有する耐摩耗
性結合金とすることもできる。

ここで、上記実施態様において、マトリックス粉末およ
び混合粉末中にＭｏ：０．１〜３．０重量％、Ｖ：　Ｏ
，ｔ〜３．０重量％を添加するようにしたのは、Ｍｏ、
Ｖは焼入性を向上させると共にＣと反応して硬質の炭化
物を形成し、耐摩耗性をさらに向上させる効果を有する
ためである。しかし、０．１重量％未満では所要の効果
が得られず、３．０重量％を超えると成形性の悪化およ
び相手材への攻撃性の増大をもたらすおそれがある。

（実施例） 表に示す陥、１〜６の組成になるＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金
粉末およびＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ　−Ｖ−Ｃ系合金粉末をマ
トリックス粉末（粒度２００メツシュ以下３６０メツシ
ュ以上）とし、このマトリックス粉末に、Ｆｅ−２７重
量％Ｐ合金粉末（粒度２５０メツシユ以下）および黒鉛
粉末を同表に示す割合で配合し、これに潤滑剤としてス
テアリン酸亜鉛を０．７５重量％添加した後、■型ブレ
ンダーで約３０分間混合した。なお、マトリックス粉末
はアトマイズ粉で真空焼鈍しであるものを使用した。

次に得られた混合粉末を成形圧力フ　ｔｏｎ／ｃｍ２で
第２図に示すカム形状に圧粉して得られた成形体を窒素
中６００℃で１時間加熱して脱ろうした後、露点−３０
℃の窒素雰囲気中で同じく表に示す各温度で１時間加熱
焼結して中空部１ａを有する中空カムピース１を製作し
た。

（比較例） 表に示す陥、７〜９の配合割合にした混合粉末を上記実
施例の場合と同様にして得たのち、この混合粉末を」二
記実施例と同様にして成形・焼結して中空カムピース１
を製作した。これらのうち、陽、７は実施例Ｎｏ、４．
５のマトリックス粉末だけを用いた場合であり、陽、８
はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ低合金粉末をマトリックス粉末
としてこれにＦｅ−Ｐ系合金粉末と黒鉛とを添加した混
合粉末を用いた場合を示すものであり、Ｎ００９は従来
の焼結合金（特願昭５７−１１８６４７号）の混合粉末
を用いた場合を示すものである。さらに、Ｎｏ、ｌＯは
、従来の低合金鋳鉄のチル鋳物の場合であり、チリ鋳物
のカムピースとジャーナルについては、鋳込んだカムシ
ャフトより切り出した後に第２図に示した中空カムピー
ス１の中空部１ａと同一形状に穴あけ加工を施した。

（評価例） 実施例および比較例により製作したカムピース１と図示
しないジャーナルと炭素鋼（３２０Ｃ）製の中空シャフ
ト２とにそれぞれ直径５ｍｍのビン穴１　ａ　＋　２　
ａを各々あけておき、第３図（ａ）（ｂ）に示すように
カムピース１と図示しないジャーナルの各中空部１ａに
中空シャフト２を通した後、ビン穴ｌａ、’ａにビン３
を打ち込んで固定して４気筒のカムシャフトを組み立て
た。

次に、このカムシャフトを水冷式直列４気筒１８００ｃ
ｃエンジンに組み込み、台上モータリング試験を行った
。なお、相手材であるロッカーアームチップには低合金
鋳鉄よりなるチル鋳物を用いた。

台上モータリング試験は、５ＡＥ２０Ｗ−２０のエンジ
ン油を７０℃±５℃に保温し、６５０ｒ、ｐ、ｍ、の低
速回転で４００時間の連続運転を行い、その後カムピー
ス表面およびロッカーアームチップ表面の最大摩耗深さ
を測定した。この結果を第４図に示す。

第４図の結果から明らかなように、比較例Ｎｏ。

７のＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ系ツマトリー／　りＸ合
金粉末だけを用いて焼結したカムピースを使用した場合
には、カムおよびロッカーアームチップの両者が著しく
摩耗し、比較例ＮＯ６８の低合金粉末にＣおよびＰを添
加して焼結したカムピースではさらに激しく摩耗するこ
とがわかる。

一方、従来の焼結カム材である比較例Ｎ００９では、カ
ム自体はあまり摩耗しないが、相手材であるロッカーア
ームチップを攻撃し、このロッカーアームチップの摩耗
が多く、また低合金鋳鉄製のチルカムピースを用いた比
較例Ｎｏ、ｌＯではカムおよびロッカーアームチップと
もに大きく摩耗していることがわかる。

以上の比較例に対して、実施例Ｎｏ、１〜６においては
カムおよびこの相手材であるロッカーアームチップとも
摩耗量を著しく減少させており、カムシャフトの耐摩耗
性向上に非常に有効であることがわかる。

次に、従来の焼結合金である比較例ＮＯ１９の光学ａｉ
ｍ鏡組織組織出の第１図に示したとおりであり、前述し
たように塊状の白色部は（Ｆｅ。

Ｃｒ）３Ｃ炭化物、灰色のマトリックスはパーライト組
織である。

また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ系合金粉末だけで焼結
した比較例Ｎｏ、　７の組織を第５図に示す、第５図に
おいて、粒界および粒内に分散している粒径的２０１Ｌ
ｍｃ７）析出物は（Ｆｅ、Ｃｒ）７０３炭化物であり、
白色のマトリックスはフェライト組織である。そして、
第１図および第５図から観察されるように、いずれも粒
径がほぼ同一の１種類の炭化物が分散した組織となって
いる。

一方、実施例Ｎｏ、　４の焼結合金の組織は第６図に示
すとおりであり、実施例５の焼結合金の組織は第７図に
示すとおりである。この場合、実施例Ｎｏ、　４は比較
例Ｎｏ、　７のマトリックス粉末であるＦｅ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ−Ｖ−Ｃ系合金粉末にＰを添加して焼結したものであ
る。第６図において、塊状の白色部のうち大きい方（粒
径的２ｏ＃１．ｍ）が（Ｆｅ　、Ｃａｒ）７　Ｃ３炭化
物であり、小さい方４ （粒径的１〜５ｇｍ）が（Ｆｅ、Ｃｒ）３ｃ炭化物であ
り、灰色のマトリックスはパーライトである。この小さ
い方の（Ｆｅ、Ｃｒ）３Ｃ炭化物は、Ｆ　ｅ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ−Ｖ−Ｃ−マトリックス粉末中に元から存在していた
炭化物（Ｆｅ。

Ｃｒ）７Ｃ３（アトマイズ時に析出したもの）が、Ｐ添
加により、焼結時にＣが拡散することにより（Ｆｅ、Ｃ
ｒ）７Ｃ３＋（Ｆｅ、Ｃｒ）７Ｃ３＋（Ｆｅ、Ｃｒ）３
Ｇ（７）分解反応で形成されたものである。

また、実施例Ｎｏ、　５は比較例Ｎｏ、　７のマトリッ
クス粉末であるＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ系合金粉末に
ＰとＣとを添加して焼結したものである。

第７図において、塊状の白色部のうち大きい方（粒径的
２０４ｍ）が（Ｆｅ　、Ｃｒ）７　Ｃ３炭化物であり、
小さい方（粒径ｌ〜５ｐｍ）が実施例Ｎｏ、　４と同様
な分解反応で形成された（Ｆｅ。

Ｃｒ）３Ｃ炭化物であり、灰色のマトリックスはパーラ
イトである。この第６図および第７図から観察されるよ
うに、この発明の実施例では、粉末中に存在していた（
Ｆｅ　、Ｃｒ）７　Ｃ３炭化物がＰ、Ｃの添加により焼
結時に一部が分解して（Ｆｅ、Ｃｒ）３Ｃ炭化物を形成
し、粒径の異なる２種類の炭化物が分散した組織が得ら
れる。このように炭化物の大きさが異なるだけなく種類
が違うために硬さも（Ｆｅ　、Ｃｒ）７　Ｃ３炭化物が
５０ｇ荷重マイクロビッカースで約９００、（Ｆｅ、Ｃ
ｒ）３Ｃ炭化物が約１３００と異なる硬質炭化物が細か
く分散した組織となっているので耐ピッチング性が著し
く向上し、この耐ピッチング性の改善に伴って耐摩耗性
の向上と相手材への攻撃性の低減が期待でき、台上耐久
試験の結果と良く一致している。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による耐摩耗性焼結
合金は、ＣｒとＣを含むＦｅ基合金粉末をマトリックス
粉末とし、このマトリックス粉末にＦｅ−Ｐ系合金粉末
：１．０〜２．０重量％、必要により炭素：２．０重量
％以下を添加して、全粉末中にＣｒ：５〜２０重量％、
Ｐ：０．１〜１．０重量％、Ｃ：０．５〜３．０重量％
を含むＦｅ基混合粉末を成形・焼結してなり、少なくと
も２種類の炭化物が分散した組織を有するものであるか
ら、耐ピツチング性が著しく向」ニし、耐摩耗性の向上
ならびに相手材への攻撃性の減少を実現することが可能
であり、内燃機関用ロッカーアームチップおよびカム部
材に適用した場合に、これらの部材および相手材の摩耗
を著しく減少し、内燃機関の出方向上ならびに効率向上
に対応することができるという非常にすぐれた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の耐摩耗性焼結合金の光学顕微鏡金属組織
写真（４００倍）、第２図はこの発明の実施例および比
較例において製作した中空カムピースの正面図、第３図
（ａ）（ｂ）は耐久試験に用いたカムシャフトの一部を
示す斜視図および縦断面図、第４図は台」ニモータリン
グ試験結果を示すグラフ、第５図、第６図および第７図
は各々比較例Ｎｏ、７．実施例Ｎｏ、４およびＮＯ，５
（７）カムピース断面の光学Ｗ４微競合属組織写真（４
００倍）である。 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士　小　塩　豊 （Ｘ４００〕 第２図 第３図 （ａ） 、５，５ （ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ＣｒおよびＣを含むＦｅ基合金粉末をマトリッ
   クス粉末とし、このマトリックス粉末にＦｅ−Ｐ系合金
   粉末：１．Ｏ〜２．０重量％を添加して、全粉末中にＣ
   ｒ：５〜２０重量％、Ｐ：０．１〜１．０重量％、Ｃ：
   ０．５〜３．０重量％を含むＦｅＣ系合金粉末成形・焼
   結してなり、少なくとも２種類の炭化物が分散した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性焼結合金。
2. （２）マトリックス粉末が、Ｃｒ：５〜２０重量％、Ｃ
   ：０．５〜２．０重量％、残部Ｆｅおよび不純物からな
   るＦｅ−ｃｒ−Ｃ系合金粉末である特許請求の範囲第（
   １）項記載の耐摩耗性焼結合金。
3. （３）マトリックス粉末が、Ｃｒ：５〜２０重量％、Ｍ
   ｏ：０．１〜３．０重量％、Ｖ：０．１〜３．０重量％
   、Ｃ：０．５〜２．０重量％、残部Ｆｅおよび不純物か
   らなるＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ系合金粉末である特許
   請求の範囲第（１）項記載の耐摩耗性焼結合金。