JPS60165357A - 耐摩耗焼結摺動材 - Google Patents

耐摩耗焼結摺動材

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JPS60165357A
JPS60165357A JP2258984A JP2258984A JPS60165357A JP S60165357 A JPS60165357 A JP S60165357A JP 2258984 A JP2258984 A JP 2258984A JP 2258984 A JP2258984 A JP 2258984A JP S60165357 A JPS60165357 A JP S60165357A
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JP
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carbide
sintered
wear
wear resistance
dispersed
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JP2258984A
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Inventor
Yoshitaka Takahashi
義孝 高橋
Yukio Kadota
門田 幸男
Shuichi Fujita
藤田 秋一
Tetsuya Suganuma
菅沼 徹哉
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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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製造する
場合と、焼結法によって製造する場合とを比較すれば、
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
機関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、Orを主体と
しMO、W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いる。
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、上述のような従来ノ焼結材料を用い
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は
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、^靭性で高硬度であり、しがも相手攻撃性が極
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。
発明に関する基礎事実 本発明者等は本発明をなすにあたって、上述の目的に沿
う焼結材料を見出すべく種々検討を行なった。そして、
特に焼結材料の基地組織の強度、および基地組織に析出
する炭化物の粒径、面積率等の形態が耐摩耗性へ及ぼす
影響について総合的に調査した結果、M Ot Cを主
体とじCry C3を準主体として更に■、Nb、Wの
各炭化物を単独にもしくは複合炭化物の状態で含んだ硬
質粒子分散型焼結合金の相手攻撃性が極めて小さい事を
見い出した。
さらに本発明者等は上述の硬質粒子分散型焼結合金の密
度と耐摩耗性の関係を調査し、その焼結合金では理論密
度に対する密度比が90%以上、好ましくは95%以上
で耐摩耗性が最も良好になることを見い出した。一般に
焼結合金では、焼結温度を高くすれば密度を高くするこ
とができる。
しかし、上述の硬質粒子分散型焼結合金では、高温焼結
を行なうと基地組織の析出する炭化物が粗大化し、耐摩
耗性の向上とい・う観点からは不利益が生じる。そこで
、本発明者等は可及的に低温の焼結で上述の硬質粒子分
散型焼結合金を高密度にする方策をめて種々検討を重ね
た結果、Pを添加することによって可及的に低温の焼結
で高密度の上記硬質粒子分散型焼結合金を得ることがで
きることを見い出した。
さらに加えて、本発明者等は以上の各元素かうなる焼結
合金に銅、ニッケル、マンガンを添加スる事によって基
地組織を強化出来るのみならず、炭化物を微細にかつ均
一に分散することが出来、さらに基地組織における炭化
物の保持能力も向上出来ることを見い出した。
本発明者等は以上の知見に基づいて本発明をなすに至っ
た。
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、ニッケル0.5〜5.0%、マンガン0.1〜2.
0%、!110.5〜5.0%より選ばれた1種又は2
種以上の元素0.1〜6.0%、タングステン0.1〜
3.0%、バナジウム0.1〜3.0%、ニオブ0.1
〜160%から選ばれた1種又は2種以上の元素0.1
〜4.0%、モリブデン10〜30%、クロム1.0〜
15%、リン0.2〜0.7%、炭素1.5〜3.5%
、残部鉄および不可避的不純物とされ、モリブデン炭化
物とクロム炭化物を主体に、バナジウム炭化物又はニオ
ブ炭化物および鉄炭化物がそれぞれ単独であるいはモリ
ブデン炭化物またはクロム炭化物と複合炭化物を形成し
た状態で基地組織に析出分散してな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、鉄を主体とする基地
に銅、モリブデン、炭素その他の元素が固溶され、かつ
その基地にモリブデン炭化物その他の炭化物が分散され
た構成とすることによって、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%、Quo、
5〜5%、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。
N1は基地中に固溶し、軽い硬化能を示すと同時に靭性
を増加する効果を持つ元素である。添加量が0.5%未
満では、その効果は見られず、5%を越えると基地組織
を形成するFeにオーステナイト相が残留し、かえって
硬さを低下させる作用を示し、好ましくない。したがっ
て、ニッケルは0.5〜5.0%の範囲で加える必要が
ある。
Mnは基地に固溶して強い硬化能を示すと同時に焼入性
を向上させ、一部はCと結びつき炭化物を生成して耐摩
耗性を向上する効果を示す。しかし、添加量が0.1%
未満では耐摩耗性の向上効果は見られず、一方2%を越
えて添加しても焼入性や硬化能の向上効果は飽和して一
定となり、意味がない。したがってMnは0.1〜2.
0%の範囲で加える必要がある。
Cuは基地組織り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。
以上のNi、Mn、Cuはいずれも主として基地の強化
を目的として添加される。したがって、この発明では以
上のNi、Mn1Cuのうちから1種又は2種を選んで
添加する。その場合、その総量が0,1%未満では基地
を強化するという効果がなく、逆に6%を越えても効果
の向上は望めない。したがって、Ni、Mn、Cuより
選ばれた1種又は2種以上の元素は0.1〜6.0%の
範囲で添加する必要がある。
Wは炭化物として基地に分散して耐摩耗性向上に寄与す
る。添加量が0.1%未満ではさほどその効果は見られ
ず、逆に3%を越えて添加しても効果が飽和し、意味は
ない。したがってWは0.1〜3%の範囲で添加する必
要がある。
■はCと結合して炭化物として基地に分散し、耐摩耗性
を向上する。また、焼きもどし時における二次硬化を促
す元素でもある。しかし、添加量が0.1%未満ではそ
れ等の効果は認められず、逆に3%を越えると■炭化物
による相手攻撃性が強まり、相手材を著しく損傷する。
したがって、■は0.1〜3%の範囲で添加する必要が
ある。
NbもやはりCと結合して炭化物として基地に分散し、
耐摩耗性向上に寄与する。しかし0.1%未満ではその
効果が見られず、逆に1%を越えると相手攻撃性が増し
好ましくない。したがって、Nbは0.1〜1%の範囲
で添加するのが好ましい。
以上のW、■、Nbはいずれも炭化物として基地に分散
し、耐摩耗性を向上する効果を有する。
したがって、その点について各元素は等価であり、この
発明では以上のW1■、Nbのうちから1種又は2種以
上を選んで添加する。その場合、それ等の添加量の総量
が0.1%未満では効果が期待できず、4%を越えると
相手攻撃性が顕著となる。
したがって、W1■、Nbより選ばれた1種又は2種以
上の元素は0.1〜4.0%の範囲で添加する必要があ
る。
MOは、その一部が基地金属たるFe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M ox 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10%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。
C「は、一部が基地金属たるFeに固溶して基地を強化
し、また炭素と結合してCry C; 3を形成してM
 O2Cと共に基地に分散析出して、耐摩耗性の向上に
寄与するものである。Cr炭化物は良好な耐摩耗性を有
するもののMO炭化物と比較して相手攻撃性がやや強い
ため、添加量を規制する必要がある。1%未満の添加で
は耐摩耗性の向上に香与し得ず、添加量が15%を越え
ると相手攻撃性が過剰になり、相手材を摩耗させる度合
が強くなる。したがってOrは1〜15%の範囲で加え
る必要がある。
Pは焼結過程で活性化焼結助剤としての役割をなし焼結
体の高密度化に寄与するのみでなく、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 Os C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。−万年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3i 、 Aff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)または炭化物沿等を用い、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 02 CJニー C
r7Caとを主体とし、V、Nb等の他の添加元素の炭
化物がそれぞれ単独で、あるいはM O2C;やCr7
C3と複合炭化物を形成した状態でNi、Mn、Cuに
よって強化された)eを主体とする皓地に均一に分散さ
れた焼結材が得られる。
この発明の耐摩耗焼結1習勤材では、基地内に分散する
炭化物の平均粒径を2〜25μmの範囲とすることが好
ましい。2μ円未満では十分な耐摩耗性は得られず、2
5μm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(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ll1i粉末
の組成や粒径、あるいは粉末のrAPi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%以上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、Hv900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500〜800
の範囲内であればさらに好ましい。
実 施 例 実施例1 鉄、10%モリブデン、2%クロム、0.2%リン、2
%銅、2%ニッケル、1%タングステンおよび不可避不
純物とよりなる@露台金粉(粒径177μm以下)を用
い、これと1.5%の天然黒鉛粉および体化で1%の潤
滑用のステアリン酸亜鉛とを■型混合機により30分間
混粉した。その混合粉を金型成形法により成形し、密度
6.1 g/cm3、寸法φ30X10mllの円柱形
状の圧粉体を得た。
その圧粉体をバッチタイプの熱処理炉を用い、アンモニ
ア分解ガス中で、焼結温度を1120℃とし、焼結時間
を60分どして焼結した。
実施例2 鉄、20%モリブデン、7%クロム、0.5%リン、1
%マンガン、0.5%バナジウム、0.2%ニオブおよ
び不可避不純物とよりなる噴霧合金粉(粒径177μm
以下)を用い、これと2.5%の天然黒鉛粉および体化
で1%の鉤滑用のステアリン酸亜鉛とをV型混合機によ
り30分間混粉した。
その混合粉を金型成形法により成形し、密度6.1g/
C13、寸法φ30X10mmの円柱形状の圧粉体を得
た。その圧粉体をバッチタイプの熱処理炉を用い、アン
モニア分解ガス中で、焼結温度を1100℃とし、焼結
時間を60分として焼結した。
実施例3 鉄、30%モリブデン、15%クロム、0.7%リン、
2%銅、1%ニッケル、1%マンガン、0.5%バナジ
ウムおよび不可避不純物とよりなる噴霧合金粉(粒径1
77μm以下)を用い、これと3.5%の天然黒鉛粉お
よび体化で1%の潤滑用のステアリン酸亜鉛とをV型混
合柵により30分間混粉した。その混合粉を金型成形法
により成形し、密度6.1 g/cm3 、寸法φ30
X101111の円柱形状の圧粉体を得た。その圧粉体
をバッチタイプの熱処理炉を用い、アンモニア分解ガス
中で、焼結温度を1080℃とし、焼結時間を60分と
して焼結した。
比較例1 鉄、7%クロム、0.5%リン、1%マンガン、0.5
%バナジウム、0.2%ニオブおよび不可避不純物とよ
りなる噴霧合金粉(粒径177μm以下)を用い、これ
と2.5%の天然黒鉛粉および体化で1%の1121滑
川のステアリン酸亜鉛とを■型混合機により30分間混
粉した。その混合粉を金型成形法により成形し、密度6
.1g/Cm3、寸法φ30×10m1の円柱形状の圧
粉体を得た。その圧粉体をバッチタイプの熱処理炉を用
い、アンモニア分解ガス中で、焼結温度を1130℃と
し、焼結時間を60分として焼結した。
比較例2 鉄、0.5%リン、1%マンガン、0.5%バナジウム
、0゜2%ニオブおよび不可避不純物とよりなる噴霧合
金粉(粒径177μm以下)を用い、これと2.5%の
天然黒鉛粉および体化で1%の潤滑用のステアリン酸亜
鉛とを■型混合機により30分間混粉した。その混合粉
を金型成形法により成形し、密度6.1 g/C11l
13 、寸法φ30X10+mの円柱形状の圧粉体を得
た。その圧粉体をバッチタイプの熱処理炉を用い、アン
モニア分解ガス中で、焼結温度を1120℃とし、焼結
時間を60分として焼結した。
比較例3 鉄、20%モリブデン、5%クロム、1%マンガン、0
.5%バナジウム、0.2%ニオブおよび不可避不純物
とよりなる噴霧合金粉(粒径177μm以下)を用い、
これと2.5%の天然黒鉛粉および体化で1%の潤滑用
のステアリン酸亜鉛とを■型混合機により30分間混粉
した。その混合粉を金型成形法により成形し、密度6.
1 g/cm3 、寸法φ30X10mmの円柱形状の
圧粉体を得た。その圧粉体をバッチタイプの熱処理炉を
用い、アンモニア分解ガス中で、焼結温度を1150℃
とし、焼結時間を60分として焼結した。
比較例4 鉄、1%モリブデン、12%クロム、0.4%バナジウ
ムおよび不可避不純物とよりなる噴霧合金粉(粒径17
7μl以下)を用い、これと2.4%の天然黒鉛粉およ
び体化で1%の潤滑用のステアリン酸亜鉛とをV型混台
機により30分間混粉した。その混合粉を金型成形法に
より成形し、密度6.1 g/ca3 、寸法φ30X
10mn+の円柱形状の圧粉体を得た。その圧粉体をバ
ッチタイプの熱処理炉を用い、アンモニア分解ガス中で
、焼結温度を1190℃とし、焼結時間を60分として
焼結した。それによって得られた焼結体に1050℃か
ら焼入れた後180℃で焼戻しを行なう熱処理を流した
比較例5 鉄、5%モリブデン、4%クロム、6%タングステン、
2%バナジウムおよび不可避不純物とよりなる噴霧合金
粉(粒径177μm以下)を用いこれと1.1%の天然
黒鉛粉および体化で1%の潤滑用のステアリン酸亜鉛と
を■型混合様により30分間混粉した。その混合粉を金
型成形法により成形し、密度6.1g/Cl113、寸
法φ30X101111の円柱形状の圧粉体を得た。そ
の圧粉体をバッチタイプの熱処理炉を用い、アンモニア
分解ガス中で、焼結温度を1205℃とし、焼結時間を
60分として焼結した。それによって得られた焼結体に
対し570℃X60分の焼戻しを2回繰返して行なった
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。各焼結体の組成および焼結温度を
第1表に示し、硬さ等の測定結果を第2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 (J
 Is)とした。リングの摺動面をチル化させ、表面硬
さがビッカース硬さで510±20となるようにした。
なお、試験はエンジン油(SAE 10W−30)の油
滴下状態で、リング回転数210rpm、荷重60kg
、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1〜5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、耐消耗性が優れてい
る。
比較例1の焼結体は、その成分としてMOを含まず、主
としてクロム炭化物が基地に分散されるものである。し
かし、MOを含まないことから炭化物の量は十分でなく
、耐摩耗性は悪い。
比較例2の焼結体は、MOのみならずC「も含まないも
のであり、基地組織に分散されるべきMO炭化物やCr
炭化物は生成されない。したがって耐摩耗性は格段に悪
い。
比較例3の焼結体はPを含まないものであり、Pによる
高密度化作用が得られないことから、第1表および第2
表にも示されるように高温焼結を行なっても密度を高く
することは困難で、また高温焼結によって結晶粒が粗大
化する結果第1図にも示されるように耐摩耗性が悪い。
比較例4は、JIS 5KD11に相当する組成の市販
の合金粉を用いたものであって、比較例5はJIS 5
KH9に相当する組成の市販の合金粉を用いたものであ
り、いずれも例えばロッカーアームチップ材用として実
用化されているものである。しかし、いずれも基地組織
の強度は各実施例のものに比し低く、第1表および第2
表に示すように各実施例のものと同程度の密度にするた
めには高温焼結を行なう必要がある。そのため、基地組
織の結晶粒が粗大化する結果、第1図に示すように耐摩
耗性は各実施例のものよりもかなり悪い。
発明の効果 以上のようにこの発明によれば、実質的にFeからなる
基地組織をCとNi、Mn5Cυから選ばれた1種又は
2種以上の元素によって強化し、その基地組織にM o
x CとCr7C3とを主体にW1■、Nbから選ばれ
た1種又は2種以上の元素の炭化物を単独もしくは他と
の複合炭化物の状態で分散析出させるようにし、ざらに
Pの添加によって低温焼結を可能としたことによって、
基地msが高密度かつ高強度で耐摩耗性、特に相手攻撃
性が極めて小さい耐摩耗焼結摺動材を得ることができる
。したがって、この発明の耐摩耗焼結摺動材を用いれば
、内燃機関の動弁機構を構成する部品等、使用条件の非
常に厳しい部品を、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
ク摺動面の摩耗深さ、およびリング材の重量減少量を測
定し、そ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、ニッケル0.5〜5.
    0%、マンガン0.1〜2.0%、銅0.5〜5.0%
    より選ばれた1種または2種以上の元素0.1〜6.0
    %、タングステン0.1〜3.0%、バナジウム0.1
    〜3.0%、ニオブ0.1〜1.0%から選ばれた1種
    又は2種以上の元素0.1〜4.0%、モリブデン10
    〜30%、クロム1.0〜15%、リン062〜0.7
    %、炭素1.5〜3.5%、残部鉄および不可避的不純
    物とされ、モリブデン炭化物とクロム炭化物を主体に、
    バナジウム炭化物又はニオブ炭化物および鉄炭化物がそ
    れぞれ単独であるいはモリブデン炭化物またはクロム炭
    化物と複合炭化物を形成した状態で基地組織に析出分散
    してなることを特徴とする耐摩耗焼結摺動材。
  2. (2)基地組織に分散した炭化物の平均粒径が2〜25
    μ醜、好ましくは5〜15μm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)基地組織に分散した炭化物の面積率が10〜40
    %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600〜800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、または第3項、もしくは第
    4項記載の耐摩耗焼結摺動材。
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JP2258984A Pending JPS60165357A (ja) 1984-02-09 1984-02-09 耐摩耗焼結摺動材

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JP (1) JPS60165357A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4702771A (en) * 1985-04-17 1987-10-27 Hitachi Powdered Metals Co., Ltd. Wear-resistant, sintered iron alloy and process for producing the same
GB2441482A (en) * 2003-07-31 2008-03-05 Komatsu Mfg Co Ltd Sintered sliding member and connecting device

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