JPS60215736A - 高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法に
関する。高温耐摩耗性に優れた焼結合金の代表的な用途
としては、内燃機関に使用される動弁部材例えばバルブ
シートがある。バルブシートは、内燃機関のシリンダヘ
ッドに組み込まれている部材である。エンジンバルブが
該バルブシートに着座すると、混合ガスや燃焼ガスがシ
ールされる。このバルブシートは＾湿強度や高温耐摩耗
性が要求される。

［従来技術］ 内燃ＩｌＩ関に用いられる動弁部材は、工具鋼系や高速
度鋼系等の合金鋼粉末から形成した焼結合金が用いられ
ることが多い。この動弁部材は、最近の内燃機関の高性
能化に伴い、高温強度、高温耐摩耗性を尚一層十胃させ
る必要性が大きくなっている。そのため銅を溶浸するこ
とが考えられているが、上記焼結合金は一般に９５％以
上の密度比を有し緻密化されているため、気孔が少なく
、銅を充分に溶浸することができない。

［発明の目的］ 本発明は上記した従来技術を背景としてなされたもので
あり、銅を主体とする溶融金属を充分に溶浸して気孔を
少なくし、高温耐摩耗性に優れた焼結合金を形成し得る
製造方法を提供するにある。

［発明の概要］ 本発明者は、上記目的の下に鋭意研究した結果、液相生
成温度より０〜５０℃高い温度範囲内で焼結と同時に溶
浸を行なえば、封孔が確実に行なわれ、焼結合金の気孔
を５％以下にし得ることを発見した。その理由は、焼結
時の液相生成を利用することにより溶浸を効果的に行な
うことができること。即ち溶浸と同時に焼結を行なうた
め溶浸時には成形体中の気孔がほとんど閉じておらず、
溶浸を効果的に行なうことができること等によると推察
される。本発明は上記発見に基いてなされたものである
。

即ち、本発明の高瀾耐ＷＡ粍性に優れた焼結合金の製造
方法は、気孔を有する成形体を合金鋼粉末から形成する
工程と、銅を主体とづる金属に該成形体を接触させつつ
該成形体を構成する該合金鋼粉末の液相生成温度よりＯ
〜５０℃＾い温度範囲に該成形体を加熱することにより
、該銅を主体とする金属を溶浸するとともに該成形体を
焼結し、気孔率５％以下の焼結合金を形成する工程とか
らなるものである。

［発明の構成の詳細な説明］ 本発明で用いる成形体は、合金鋼粉末から形成される。

該成形体には、一般的に気孔率１０〜２０％程度の気孔
が形成されている。従って成形体はスケルトン状とされ
ている。ここで気孔率とは、気孔が成形体のなかで占め
る容積の割合をいう。

スケルトン状の成形体としては、合金鋼粉末を圧縮成形
した圧粉体、あるいは該圧粉体を予備焼結した予備焼結
体を含む。ここで、予備焼結体は、ある程度焼結は進行
しているが、完全焼結しておらず、気孔が多い焼結体で
ある。

上記合金鋼粉末は、焼結合金の種類、用途に応じて種々
その組成を選択するが、一般的には、工具鋼系、高速度
鋼系のものを用いることができる。

合金鋼粉末の粒径や粒の形状は必要に応じて選択するが
、１００メツシユ程度のものを用いることができ、又、
噴霧粉を用いることができる。

本発明を特徴づける工程においては、該成形体を構成す
る合金鋼粉末の液相生成温度より０〜５０℃高い温度範
囲に該成形体を加熱し、これによって銅を主体とする金
属を、該成形体の気孔の内へ溶浸させて封孔を行なうと
共に、該成形体の本焼結を行なう。

即ち本発明においては、液相生成温度より０〜５０℃高
い湿度範囲に加熱することにより、成形体のスケルトン
の本焼結と同時に溶浸を行なうものである。この場合、
銅を主体とする固体金属を成形体の上面に設置し、この
状態で加熱を行なえば、固体金属が溶融し、溶融金属が
成形体表面の開気孔から該成形体の気孔内に浸透し、気
孔の封孔が行なわれる。上記したように液相生成温度よ
りＯ〜５０℃＾い濡洩範囲内で溶浸と焼結とを同時に行
なえば、焼結合金の気孔率を箸しく減少させることがで
き、該気孔率を５％以下、例えば後述する試験１めで示
すように２．５％程度に１−ることができる。

尚、液相生成温度は成形体の組成によって種々異なるが
成形体中に液相が部分的に生じたときには成形体の膨張
曲線が急激に変化するため、液相生成温度はこの膨張曲
線の変化度合から決定することができる。

ここで０〜５０℃と温度に上限を設Ｇプだのは、５０℃
を越えると液相の発生量が過度となり結晶粒が粗大化し
たり、あるいは炭化物が粗大化したり粒界沿いにネット
ワーク状に析出したりし問題が生じ、そのため、焼結合
金の脆化、あるいは相手材攻撃性増大等の摺動特性劣化
につながるからである。更には５０℃を越えると、粗大
残留気孔の発生や寸法精度の低下が問題となるためであ
る。

銅を主体とする金属は、市販の電解銅粉等の純銅を圧縮
成形した圧粉体を用いることができる。

場合によっては成形体のスケルトンに対するぬれ性や溶
浸性を改善したＣｏ、Ｆｅ、　Ｍｎ、７ｎ等を含むＣｕ
合金でもよい。この際Ｃｕ含有量が７０重惧％未満では
溶浸性が著しく劣るため好ましくない。なお溶浸示が焼
結合金申出める割合は、重量比でおよそ５〜１５％が好
ましい。５％未満では溶浸による封孔効果やマトリック
スへの固溶強化が期待出来ず、１５％を越えるとそのぶ
ん成形体の密度が低いため強度低下を招き、更に粒界の
脆化等による高温度低下も著しくなるので好ましくない
。

成形体を形成する際に用いる合金鋼粉末は、クロム２．
５〜２５重量％、炭素０．２〜３．０Φ量％、不可避の
不純物、残部鉄の組成をもつ粉末を用いることができる
。合金鋼粉末は、不可避の不純物として、酸素（０２）
０．３重量％以下、シリコン（Ｓ　ｉ　）　１．５Ｆｌ
！ｆｆｉ％以下、マンガン（Ｍｎ）０．５重量％以下、
その他の不純物１重量％以下を含んでいてもよい。合金
鋼粉末は、上記した組成の他に、モリブデン（ＭＯ）０
．３〜６．５重ｆｆｉ％、’ｉｌン’））、テン（Ｗ）
０．５〜１２重量％バナジウム（Ｖ）０．２〜５．５重
量％、ニオブ（Ｎｂ　）Ｏ’、０５〜３．０重量％のう
ち一種又は二種以上を、合計１６重量％以下の割合で含
んでいてもよい。

又合金鋼粉末は、コバルト（Ｇｏ）２．０〜２０重量％
、ニッケル（Ｎｉ）０．５〜１０重量％、銅（Ｃｕ）１
〜５重量％のうち一種又は二種以上を、合計２０重重邑
以下の割合で含んでいてもよい。

尚焼結合金中の炭素は、合金鋼粉末から供給した方がよ
い。その理由は、グラファイト粉末から後添加という形
態で供給するよりも焼結性が安定し、気孔分布や炭化物
の分布がより均一になり、更に寸法精度も向上するから
である。

但し、特殊な例としては、炭素を含む合金鋼粉末の他に
、グラフ１イト粉末等の炭素源を追加し、焼結時の粉末
の脱酸や焼結温度の低下等を図ることにしてもよい。

合金鋼粉末の組成の限定理由につき述べる。即ち、Ｏｒ
は、ＭＯ、ＷｌＶ、Ｎｂと共に炭化物を形成し耐摩耗性
に寄りするが、上記した限定値未満では耐摩耗性が不足
するか又は添加効果が少ない。又上記した上限を越える
と炭化物の析出が大のため相手材攻撃性が増加する。ま
たこれらの元素は基地にも若干固溶して強度特に高温強
度も向上させる。尚Ｎｂは結晶粒微細化にも寄与する。

Ｃはマトリックスに固溶して強度を＾め、またＣｒ、Ｍ
Ｏ，ＷｌＶＳＮｂ等と結合シテ炭化物ヲ形成し耐摩耗性
向上に寄与する。しかし０．２％未満では効果が期待出
来ず、３．０％を越えると逆に炭化物過剰、炭化物粗大
化となり焼結合金の強度低下や相手材攻撃性増加等の低
下をきたす。

Ｇｏ及びＮｉはマトリックスに固溶して特に高温強度や
靭性を改善し、また耐酸化耐食性を高める他、耐摩耗性
改善効果も示すが、限定値未満では効果がない。又上限
を越えるど改善効果が頭打ちとなる。

合金鋼粉末中のＣｕはマトリックスに固溶してマトリッ
クスを強化し硬さを増す他、析出炭化物粒子の微細均一
化に役立つ、又ｃｕは銅を主体とする溶融金属を溶浸す
る際に、ぬれ性の改善や溶浸量の安定化にも寄与する。

従ってＣｕは１〜５重量％がよい。

Ｓｔは炭化物の球状化や焼結温度低下の効果を持つが、
１．５％を越えると逆に焼結性の低下や強度低下をきた
すので好ましくない。Ｍｎはマトリックスの強化の効果
があるが、０．５％を越えると粉末の硬化の他、粉末の
酸化による焼結性の低下等が問題となることがある。

０２は主として粉末の表面に出来る酸化物やスラグであ
り、０．５％を越えると焼結性を著しく阻害するため、
０．３％以下が好ましい。

［発明の効果］ 本発明の製造方法によれば、後述する実施例の試験値で
示すように、気孔率が５％以下、高温強度が１００　ｋ
ｏｆ　／ｃ１以上の特性をもつ高温耐摩耗性に良好な焼
結合金を製造することができる。

［実施例］ まず、実施例１について説明すると、重量比でＣｒ２Ｏ
％、Ｃ１，０％、ｓｉｌ、０％、Ｍｎ０゜２％、Ｏｚｏ
、１５％、残部Ｆｅ及び１％以下の不純物からなる噴霧
合金銅粉末（−１００メツシユ）に潤滑剤としてステア
リン酸亜鉛０．８％を添加混合し、７ｔｏｎ／ｃ１で成
形してφ２ｏｌｌｌＩＩ１１φ３０Ｉｌ１ｍ長さ１ｏＩ
ｌｌＩ１１なる圧粉体とした。この場合にはグラファイ
ト粉末は添加しなかった。

次に溶浸剤粉末として純銅粉末（電解銅）を用い、コレ
ラ圧縮成形シテφ２ｏＩＩＩＩｎ、φ３ｏｌｌ１ｍ１長
さ２＋ｎｍの圧粉体とし、該圧粉体を、合金鋼粉末から
作製した前記圧粉体の上に重ねて設置し、この状態でア
ンモニア分解ガス雰囲気中において１０００℃（成形体
の液相生成温度は１１８０℃であるから、液相生成温度
よりも２０℃上の温度）で３０分間加熱し、以て焼結同
時溶浸を行ない、これにより焼結合金製の試験片を製造
した。尚、使用した合金銅粉末や溶浸剤の組成を第１表
に示し、製造方法の概略を第２表に示した。

また同様な方法で実施例２〜実施例４の試験ハを製造し
た。この場合使用した合金鋼粉末、溶浸剤粉末の組成を
第１表に示し、製造方法の概略を第２表に示した。尚実
施例２、実施例３では第１表に示すようにグラファイト
粉末を追加している。

図面は、実施例３に係る金ｆｉ組織を示す顕微鏡写真図
である（ｘ４００）。この写真図において、白色の微細
な部分はクロム化合物、黒色の多数散在している島状の
部分は溶浸部でする゛。

実施例１〜実施例４の試験片について、気孔率、高温（
５００℃）圧環強さ、高温耐摩耗性を調べた。圧環強さ
は、試験片を半径方向に平行の面で圧縮し、ヒビ割れが
生じ始めるときの荷重の値とした。

高温耐摩耗性は、上記した製造方法から試験片としてバ
ルブシートリングを試作し、弁座試験機（モータ駆動）
を用い、エンジン回転数を６００Ｑ　ｒｐｍ相当とし、
５００℃ｘ　２４　Ｈｒの条件下でバルブスプリング荷
重を高めた加速試験を行ない、バルブ沈みｍを測定する
ことにより行なった。なお、バルブにはステライト盛金
バルブを用いた。

試験結果を第３表に承り。第３表に示すように気孔率は
、実施例１では４．１％、実施例２では３．２％、実施
例３では２．５％、実施例４では４．６％であった。ま
た圧環強さは、実施例１でハ１０５　ｋ（Ｉｆ　／ｍｍ
２　、実施例２では１１０ＪＩｆ／輔ム毛≠ｍｍ２、実
施例３では１２．０ｋｏｆ　／＋ｕ’　。

実施例４では１１　ｏｈｏｒ　／ｍｉであった。バルブ
沈み量は、実施例１では０．４．１ｍｍ、実施例２では
０．３５ｍｍ１実施例３では０．２８１Ｒ１１１，実施
例４では０．３３ｍｍであった。

［比較例］ この比較例は、実施例２と対応するものであるが、実施
例２では圧粉体に液相生成温度以上で溶浸するのに対し
、この比較例では焼結をかなり進行させた焼結体に液相
生成温度以−トで溶浸する点異なる。

即ち、実施例２で用いた合金鋼粉末から成形体を形成し
、該成形体を１１８０℃で３０分間焼結して焼結体を形
成した。その後該焼結体に、実施例２で用いた溶浸剤（
３％Ｇｏを含むＣｕを主体とする圧粉体）を重ね、１１
２０’Ｃ（液相生成温度は１１７０℃であるから、液相
生成ｍ度よりも５０℃低い）で３０分間溶浸し、比較例
の試験片を製造した。比較例の試験片についても同様に
気孔率、高渇圧環強さ、高温耐摩耗性を調べた。試験結
果を第３表に示す。この場合には、気孔率は５．８％で
あり、実施例２の３．２％よりもかなり高かった。従っ
て本発明で製造した焼結合金に比して比較例の焼結合金
は、気孔容積が大ぎい。

又高濡圧環強さは７５　ｋｇｆ　／ｍ１７あり、実施例
２の１１０ｋＣＪｆ　７ｍｍ２よりもかなり低い。又バ
ルブ沈み量は０．３７＋ｎｌ１ｌであり、実施例２の０
．３５ａｍ＋よりも多口であった。

第２表 第３表 その理由は以上のごとくと思料される。即ち、比較例で
は、合金鋼粉末圧粉体を１１８０℃でかなり焼結し、焼
結体を形成した後Ｃｕ溶浸を試みている。この場合は、
特に焼結体の表面近傍は緻密化して開気孔が少なくなっ
ている。そのためＣＵはほとんど溶浸されず内部に気孔
が残留して強度も向上ピず耐摩耗も低下しているからと
推察される。

【図面の簡単な説明】

図面は、実施例３に係る金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。 特８′Ｆ出願人　トヨタ自動車株式会社同　日本粉末合
金株式会社 代理人　弁理士　大川　宏 同　弁理士　藤谷　修 同　弁理士　丸山明夫

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）気孔を有する成形体を合金鋼粉末から形成する工
   程と、 銅を主体とする金属に該成形体を接触させつつ該成形体
   を構成する該合金鋼粉末の液相生成温度より０〜５０℃
   高い温度範囲に該成形体を加熱することにより、該銅を
   主体とする金属を溶浸するとともに該成形体を焼結し、
   気孔率５％以下の焼結合金を形成する工程とからなる高
   温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
2. （２）銅を主体とする金属は、純銅、あるいは、銅を７
   ０重量％以上含有する銅合金である特許請求の範囲第１
   項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
3. （３）気孔を有する成形体は、気孔率が１０〜２０％で
   ある特許請求の範囲第１項記載の高温耐摩耗性に優れた
   焼結合金の製造方法。
4. （４）成形体は、圧縮成形した圧粉体、あるいは、該圧
   粉体を予備焼結した予備焼結体である特許請求の範囲第
   １項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
5. （５）合金鋼粉末は、クロム２．５〜２５重量％、炭素
   ０．２〜３．０重量％、不可避の不純物、残部鉄の組成
   をもつ特許請求のｖｅｒｔｎ第１項記載の高温耐摩耗性
   に優れた焼結合金の製造方法。
6. （６）合金鋼粉末の不可避の不純物は、０．３１１Ｍ％
   以下の酸素、１．５重量以下のシリコン、０゜５重量％
   以下のマンガン、その伯の不純物１重量％以下からなる
   特許請求の範囲第１項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結
   合金の製造方法。
7. （７）合金鋼粉末は、モリブデン０．３〜６．５重量％
   、タングステン０．５〜１２重量％、バナジウム０．２
   〜５．５重量％、：、１７０．０５〜３．０重量％のう
   ち一種又は二種以上含み、かつモリブデン、タングステ
   ン、バナジウム、ニオブの合計が１６％重量以下である
   特許請求の範囲第１項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結
   合金の製造方法。
8. （８）合金鋼粉末は、コバルト２．０〜２０重量％、ニ
   ッケル０．５〜１０Ｗ吊％、銅１〜５重量％のうち一種
   又は二秤以上含み、かつコバルト、ニッケル、銅の合計
   が２０重量％以下である特許請求の範囲第１項記載の高
   温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法。
9. （９）焼結合金は、内燃機関の動弁部材に／ｆＪいられ
   る焼結合金である特許請求の範囲第１項記載の高温耐摩
   耗性に優れた焼結合金の製造方法。