JPS60165351A - 耐摩耗焼結摺動材 - 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】 技術分野 この発明は、内燃機関の動弁系部品のうち特に耐摩耗性
が必要とされる部品に適した高密度で高硬度な鉄基焼結
材料に関するものである。

従来技術 周知のように内燃機関の動弁機構を構成する部品に対す
る使用条件は非常に厳しく、そのためそれ等の部品に用
いられる材料に対して要求される強度や耐摩耗性等の特
性の水準はきわめて高い。

特に動弁機構を構成する各種部品のうちでもカムシャフ
ト、バルブリフター、ロッカーアーム、バルブシート等
に対しては優れた耐摩耗性を有することが必要とされて
いる。

ところで同一組成の金属材料を溶製法によってａｒｉる
場合と、焼結法によって製造する場合とヲ比較すれば、
焼結法によって製造した場合の方が多くの場合より高い
性能を有する材料が得られることは良く知られるところ
である。そこで焼結法によって製造した焼結材料を内燃
１１閏の動弁機構を構成する各部品に使用することが従
来から考えられている。例えばカムシャフトやロッカー
アームチップなどの一部の部品については、Ｃ「を主体
としＭＯｌＷおよび■を加えた合金工具鋼に相当する組
成の焼結材料や、Ｗを主体としてＭＯ１■、ＣＯを加え
た高速度鋼に相当する組成の焼結材料を用いることが既
に一部で実用化されて（する。

しかしながら、この発明の発明者等が行なった耐摩耗性
試験結果によれば、上述のような従来の焼結材料を用い
て製造した部品では、それ等の部品が摺動する相手側の
部材を摩耗させる性質、すなわち相手攻撃性が強いとい
う欠点を有することが明らかとなり、それ等の従来の焼
結材料はその点で内燃機関の動弁系構成部品の材料に番
よ適しないという問題があった。

発明の目的 この発明は、以上の従来の事情に鑑みてなされたもので
あって、高密度で高靭性であり、しかも相手攻撃性が極
めて小さく耐摩耗性の優れた耐摩耗焼結摺動材を提供す
ることを目的とする。

発明の構成 この発明の耐摩耗焼結摺動材は、全体としての成分組成
が、Ｍ０１０〜３０％、ＱｕＯ，５〜５％、Ｐｏ、２〜
０．７％、Ｑｌ、５〜３．５％、残部Ｆｅおよび不可避
的不純物とされており、しかもＭ　ｏｘ　Ｃを主体とす
る炭化物が基地中に均一に分散されていることを特徴と
するものである。すなわちこの発明の焼結摺動材は、Ｆ
ｅを主体とする基地にＰとＣｕと、ＭＯｌＣの一部が固
溶され、かつその基地にＭＯ□Ｃが分散された構成とす
ることによって、焼結時の焼結安定性を良くし、製品の
相手攻撃性を低くすると同時に充分な耐摩耗性を確保し
たものである。

発明の実施のための具体的説明 この発明の耐摩耗焼結摺動材では基地および分散相の全
体としての成分含有量が、ＭＯ１０〜３０％、ＣｕＯ０
５〜５％、ｐｏ、２〜０．７％、Ｃ１，５〜３．５％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物と規定される。次にそれ
らの成分限定理由を説明する。

添加されたＭＯは、その一部が基地金属たる［ｅに固溶
して基地を強化し、かつ焼入性を向上させる。その他は
炭素と結合してＭＯ□Ｃを生成して、基地中に分散析出
することにより耐摩耗性を向上させる。ここでＭＯが１
０％未満である場合、大部分が基地に固溶して炭化物が
十分に生成されず、耐摩耗性向上効果が得られない。ま
たＭＯが３０％を越えて加えられても、炭化物の面積率
が増加するわりには耐摩耗性の向上はみられず、徒らに
コストが上昇するという不利益がある。したがってＭＯ
の成分量は１０〜３０％の範囲内とする必要がある。

Ｃｕは基地ｔＳの強化を目的として加えられ、その成分
量が０．５％未満である場合その効果は見られず、一方
５％を越えるとその基地組織を強化するという効果は飽
和し、経済性が損われる。したがってＣＬＩは０．５％
〜５．０％の範囲で加える必要がある。

Ｐは本発明材の特徴である焼結体の高密度化を低温焼結
で達成するのに必須の成分であり、焼結過程で三元共晶
を生じ、活性化焼結により焼結体の高密度化に寄与する
のみでなく、Ｐの添加により、焼結温度は約１００℃低
くでき、これにより分散析出するＭ　０２　Ｃ系炭化物
の粗大化を抑制でき、更に基地の焼入性をも向上する。

Ｐが０．２％では十分に密度が高められず、逆に０．７
％を越えると焼結安定性が悪化する。したがって、Ｐは
０．２〜０．７％の範囲で加える必要がある。

Ｃは１部が基地に固溶して基地を強化し、その他がＭＯ
と結合してＭ　Ｏ２Ｃが生成される。Ｃの成分量が１．
５％未満では耐摩耗性を向上させるに十分な量の炭化物
が得られず、３．５％を越えると炭化物の分量が過剰と
なり、摺動材が摺動する相手材への攻撃性が生じるとい
う不都合がある。したがって、Ｃは１．５％〜３．５％
の範囲で加える必要がある。

上記各成分量に対する残部はＦｅおよび不可避的不純物
とされる。ここでＦｅは基地組織の本体となるものであ
る。一方不可避的不純物としては通常の鉄系材料に不可
避的に含まれるＭｎ、３ｔ、Ａ１等が考えられるが、こ
れらの不純物は、この発明の材料の場合、強度等の点か
ら２％以下に抑制することが望ましい。

なお、以上の各成分の混合および圧粉・焼結にあたって
は、先ずＣを除く成分の合金を粉末化し、これに０分と
しての黒鉛を混合して所定の組成として圧粉成形および
焼結するのが好ましい。しかし、純金属粉末あるいは鉄
合金粉（フェロアロイ粉）または炭化物粉等を用い、こ
れらを目標成分となるように混合して圧粉・焼結しても
良い。

以上のようにすることによってＭ　Ｏ２Ｇを主体とする
炭化物がＣｕによって強化されたＦｅを主体とする基地
に均一に分散された焼結材が得られる。

また、この発明の耐摩耗焼結摺動材では、基地内に分散
する炭化物の平均粒径が２〜２５μ穎の範囲となるよう
にすることが好ましい。２μＩ未満では十分な戸摩耗性
は得られず、２５μｍを越えれば相手材の摩耗量が増加
する。ここで炭化物の粒径とは、円形の炭化物ではその
直径であり、だ円形あるいは片状の炭化物ではく長径＋
短径）／２が粒径とされ得られた焼結材を切断研摩して
測定する。なお、上述の焼結材における炭化物の粒径は
圧縮粉末の組成や粒Ｌ１あるいは粉末の焼結過程におけ
る焼結温度や時間等によって制御することができる。

さらに、この発明の耐摩耗焼結摺動材の炭化物面積率、
すなわち切断研摩面の単位面積における炭化物面積の比
率は、１０〜４０％とすることが好ましい。炭化物の面
積率が１０％未満である場合、耐摩耗性が十分でなく、
４０％を越えると相手攻撃性が生じ、結果として耐摩耗
性が低下する。

また、焼結体の密度比については、密度比が９０％未満
になると材料の耐摩耗性が十分に発揮されなくなるため
、９０％以上とすることが望ましい。そしてこの密度比
の中でも、特に９５％とするのが望ましい。

加えて、焼結体の見掛は硬度については、ビッカース硬
さで４００〜９００とすることが好ましく、ＨＶ４００
未満では耐摩耗性が劣り、）（Ｖ２Ｏ３を越えれば相手
材を摩耗させやすくなり、不都合となる。同様の理由か
ら、以上の範囲内でも、ビッカース硬さが５００〜８０
０の範囲内であることが特に好ましい。

以下にこの発明の実施例を記す。

実施例１ 鉄、１０％モリブデン、０．５％リン、２％銅および不
可避不純物とよりなる噴霧合金粉（粒径２５０μｍＪＪ
、下）と、天然黒鉛粉２６５％と、潤滑剤としてのステ
アリン酸亜鉛（以下Ｚ　ｎ−８ｔと略記する）を体化で
１％混じえ、■型混合機により混粉した。この混合粉を
金型成形法によって成形圧力６Ｔ／ｃａｒで加圧成形し
、密度６．２　ｇ／ｃｍ”寸法φ３０Ｘ１０の円柱形状
の圧粉体を得た。これをアンモニア分解ガス中で焼結温
度を１１００℃、焼結時間を６０分として焼結した。そ
の結果、密度比９８％の焼結体を得た。

実施例２ 鉄、２０％モリブデン、０．３％リンおよび不可避不純
物とよりなる噴霧合金粉（粒径２５０μｍ以下）と、電
解銅粉５％と、天然黒鉛粉３，５％、Ｚｎ−３ｔ１％（
体化）とをＶ型混合機により３０分間混合した。この混
合粉を金型成形法によって成形圧力６Ｔ／ａｍ’で加圧
成形し、密面６．３　ａ／Ｃｌ”寸法φ３０Ｘ１０ｍｍ
の円柱形状の圧粉体を得た。これを真空（２Ｘ１０　ｔ
ｏｒｒ）中で焼結温度を１１００℃、焼結時間を６０分
として焼結した。

その結果密度比９５％の焼結体を得た。

実施例３ 鉄、３０％モリブデン、０．７％リン、０．５％銅およ
び不可避不純物とよりなる噴霧合金粉（粒径２５０μｍ
１１以下）と天然黒鉛粉１　、５　％およびＺｎ−８ｔ
ｌ、０％（体化）とを、Ｖ型混合機で混粉した。

この混合粉を金型成形法により６Ｔ／ａｔで加圧成形し
、密度６．１　Ｍｃｍ３寸法φ３０×１０１Ｉｌｉｌノ
円柱形状の圧粉体を得た。この圧粉体を水素ガス中で焼
結温度を１１００℃、焼結時間を６０分として焼結した
。その結果密度比９７％の焼結体を得た。

比較例１ 鉄、２０％モリブデンおよび不可避不純物とよりなる噴
霧合金粉（粒径２５０μｍ以下）と、天然黒鉛粉２．５
％およびｚｎ−ｓｔｉ％（俗化）を■型混合機により混
粉した。この混合粉を金型成形法により６Ｔ／ｃ／で加
圧成形し、密度６．５　ｇ／ａｍ！、寸法φ３０Ｘ１０
ｎ＋ｍの円柱形状の圧粉体を得た。

この圧粉体を焼結温度を１２００℃、焼結時間を６０分
として水素ガス中で焼結した。その結果密度比９３％の
焼結体を得た。

比較例２ 鉄、２０％モリブデン、０．５％リンおよび不可避不純
物とよりなる噴霧合金粉（粒径２５０μｍ以下）と天然
黒鉛粉２．５％およびＺ　ｎ−８ｔ１．０％（俗化）を
Ｖ型混合機により混粉した。この混合粉を金型成形法に
より６Ｔ／ｄの加圧力で成形し、密度６．３　ＱｌｏＩ
Ｉｌ”　、寸法φ３０Ｘ１０ｍｍの円柱形状の圧粉体を
得た。この圧粉体を焼結温度を１１００℃、焼結時間を
６０分として水素ガス中で焼結した。その結果、密度比
９６％の焼結体を得た。

比較例３ 鉄、２０％モリブデン、２％銅および不可避不純物とよ
りなる噴霧合金粉（粒径２５０μｍ以下）と、天然黒鉛
粉２．５％およびＺｎ−３ｔ１％（俗化）を■型混合機
で混粉した。この混合粉を金型成形法により６　Ｔ／ｃ
ビの加圧力で成形し、密度６．２ｇ／ａｍ３．寸法φ３
０×１０ＩＩＩＩＩｌノ円柱形状の圧粉体を得た。この
圧粉体を焼結温度を１１８０℃、焼結時間を６０分とし
て水素ガス中で焼、結した。その結果密度比９３％の焼
結体を得た。

比較例４ 鉄、２０％モリブデン、２％銅、０．５％リンおよび不
可避不純物とよりなる噴霧合金粉（粒径２５０μｍ以下
）と、天然黒鉛粉１％およびＺｎ−８ｔ１．０％（俗化
）をＶ型混合機により混粉した。これを金型成形法によ
り成形圧力６Ｔ／ａｔで成形し、密度６．３　ｇ／ｃｍ
３−寸法φ３０Ｘ１０ｍｍの円柱形状の圧粉体を得た。

この圧粉体を１１２０℃で６０分間水素ガス中で焼結し
た。その結果密度比９１％の焼結体を得た 比較例５ ５％モリブデン、２％銅、０．５％リン、残部実質的に
鉄からなる噴霧合金粉（２５０μｍ）を用い、これに天
然黒鉛粉２％と潤滑用ステアリン波亜鉛（俗化１％）と
を加え、Ｖ型混合機により混粉した。この粉末を金型成
形により成形圧力６Ｔ／ｄで成形し、密度５．３　ｇ／
ｃｍ３　、寸法φ３０×１０ｍｍの円柱形状の圧粉体を
得た。その圧粉体を水素ガス中で焼結温度を１１００℃
、焼結時間を６０分として焼結した。その結果密度比９
６％の焼結体を得た。

、比較例６ 市販の高速度工具鋼（Ｆｅ　−５Ｍｏ　−４Ｃｒ　−６
Ｗ−３Ｖ（ＪＩＳ　５ＫＨ−９））に相当する組成の粉
体（粒径１４９μｍ以下）を用い、その粉体に１．６％
の天然黒鉛粉と潤滑用ステアリン酸亜鉛とを加え、■型
混合機により混粉した。それを金型成形法により成形圧
力６　Ｔ　／　ｃ♂で成形し、密度６．２ｇ　７ｃｍ３
　、寸法φ３０Ｘ１０１１１１１１の円柱形状の圧粉体
を得た。その圧粉体を焼結温度を１２１０℃、焼結時間
を６０分として水素ガス中で焼結し、密度比９８％の焼
結体を得Ｌ　６その後、得られた焼結体に対し２次硬化
を目的として５７０℃、６０分の焼戻しを２度繰り返し
行なった。

以上の各実施例および各比較例によって得られた焼結体
について、密度比、硬さ、炭化物平均径、炭化物面積率
等の特性を測定した。その結果を第１表に示す。

また、以上の各実施例および比較例により得られた焼結
体について摩耗試験を行なった。摩耗試験としてはブロ
ック−リング式摩耗試験を適用した。

ブロックを実施例および比較例によって得られた焼結体
によって製作し、相手リング材の材質はＦｅ１２　ＬＪ
　Ｉ　Ｓ）とした。リングの摺動向をチル化させ、表面
硬さがビッカース硬さで４８０±２０となるようにした
。なお、試験はエンジン油（ＳＡＥ　ｌ０Ｗ−３０）の
油滴下状態で、リング回転数”１６０ｒｐｍ、荷重６０
　ｋｇ、試験時間３０分として行ない、ブロック摺動面
の摩耗深さ、およびリング材の重量減少量を測定した。

その結果を第１図に示す。

図からも明らかな様に、実施例１〜３の焼結体は、比較
例１〜４の焼結体に比べ、自身の摩耗深さは小さく、ま
た相手リングの摩耗重量も少なく、耐摩耗性が優れてい
る。

比較例１の焼結体は、実施例１〜３の焼結体と異なりＰ
およびＯＬ＋を含まず、そのため密度比を９０％以上に
するためには、焼結温度を各実施例の焼結温度より１０
０℃高温にする必要があった。

そのように焼結温度を高くしたため、基地に分散する炭
化物が過度に成長して粗大化し、また基地自体に対する
ＰおよびＣｕによる強化もないため、耐摩耗性はきわめ
て悪い。

比較例２の焼結体では、Ｃｕが含まれず、基地組織の強
化がなされないことから各実施例のものに比較して耐摩
耗性が低い。

比較例３の焼結体ではＰが含まれず、焼結温度を高くし
ても各実施例のもの程密度が高くならず耐摩耗性が悪い
。

比較例４の焼結体では、Ｃの含有δが１９６程度で少な
く、Ｍ　０２　Ｃを主体とする炭化物が十分に生成され
ず、また基地の硬さも低いため耐摩耗性は良好でない。

比較例５の焼結体では、ＭＯの含有量が５％程度で少な
く、炭化物はＭｏｚＣとＦｅＣとなり、またそれ等の炭
化物は基地組織に均一に分散されるのではなくネットワ
ーク状となり、耐摩耗性は著しく悪化する。

比較例６の焼結体は、市販の５ＫＨ−９に相当する焼結
材であるが図からもわかるようにリングの摩耗重量が極
端に大きく相手攻撃性が過大であり、その意味で耐摩耗
性が悪いことがわかる。

なお、本発明者等は他の市販工具鋼例えば５ＫＤｌｌや
５ＫＤ６１に相当する組成の焼結材についても摩耗試験
を行なった。その結果、これ等のＣｒ系やＷ系の炭化物
を含む焼結材料の耐摩耗性はこの発明のものの耐摩耗性
より極めて悪い事も確認している。

以上のようにこの発明の耐摩耗焼結摺動材は全体として
の組成がＭ０１０〜３０％、Ｃｕ０．５〜５％、Ｐｏ、
２〜０．７％、Ｃ１，５〜３．５％、残部が「ｅおよび
不可避的不純物とされており、Ｆｅを主体とする基地に
ＣｕおよびＰと、ＭＯｌＣの一部が固溶され、かつその
基地にＭ　Ｏ２Ｇが分散された構成とすることによって
、基地組織が高密曵かつ高強度で耐摩耗性が優れ、特に
相手攻撃性が極めて小さいものとすることができる。そ
のため、この発明の耐摩耗焼結摺動材を用いれば、内燃
ｎｒＩＡの動弁機構をＷ或する部品等、使用条件の非常
に厳しい部品を焼結材料によって好適に製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の焼結体と比較例の焼結体と
についてブロック−リング式摩耗試験を行ない、ブロッ
ク摺動向の摩耗深さ、およびリング材のＭ量減少量を測
定し、ぞの結果を比較して示した図である。 出願人　トヨタ自動車株式会社 代理人　弁理士　豊　１）武　久 （ほか１名）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）全体としての成分組成が、ＭＯ１０〜３０％（重
   量％、以下同じ）、ＣｕＯ９５〜５％、ＰＯ３２〜０．
   ７％、Ｃ１，５〜３．５％、残部Ｆｅおよび不可避的不
   純物とされ、かつＭ　Ｏｓ　Ｃを主体とする炭化物が基
   地中に均一に分散されていることを特徴とする耐摩耗焼
   結摺動材。
2. （２）Ｍｏ、Ｃを主体とする炭化物の平均粒径が２〜２
   ５μｍの範囲内であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の耐摩耗焼結摺動材。
3. （３）Ｍｏ、Ｃを主体とする炭化物の面積率が１０〜４
   ０％の範囲内であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の耐摩耗焼結摺動材。
4. （４）密度比が９０％以上、好ましくは９５％以上であ
   る事を特徴とする特許請求の範囲第１項、または第２項
   、もしくは第３項記載の耐摩耗焼結摺動材。
5. （５）見掛硬さがビッカース硬さで４００〜９００好ま
   しくはう００〜８００である事を特徴とする特許請求の
   範囲第１項、または第２項、もしくは第３項記載の耐摩
   耗焼結摺動材。