JPS60215742A - 特殊高強度耐摩耗性焼結合金 - 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〕 本発明は、特殊高強度耐摩耗性焼結合金に関し、詳しく
は、工具鋼系もしくは高速度鋼索組成を有する鉄系焼結
合金に、Ｐ、Ｂ等の融点低下元素を含有する合金粉末を
圧粉成形後、液相焼結により緻密化すると同時に、焼結
時の残留気孔に純ＣｕもしくはＣｕ合金を再焼結と同時
に溶浸することによって、高強度と優れた耐摩耗性を併
せ保有させて動弁系部材等に好適に通用することのでき
る特殊高強度耐摩耗性焼結合金にかかる。

〔従来技術〕

従来、エンジンの動弁系部材においては、カムの回転運
動をエンジンバルブの上下運動に変換させる機能上の必
要性から、曲げ、引張り、あるいは圧縮等の複雑に作用
する応力に耐えるべく、十分な機械的性質が必要なこと
はもちろんのこと、相互に摺動する摺動部においては、
特に、耐摩耗性および引っ掻き摩耗に耐える特性、いわ
ゆる、耐スカッフィング性に優れ、しかも、摺動する相
手材に対する損傷性の少ないことが必要とされている。

そのため、最近の動弁系部材として、強度、耐摩耗性に
優れた工具鋼索や高速度鋼索等の焼結合金の使用も試み
られ、さらに高強度化に対する必要性も高まっている。

そして、このような高強度が要求される動弁系部材等に
焼結合金を通用するに当たっては、気孔、を有する焼結
合金に対する一般的な気孔率低減手段として、Ｃｕ溶浸
が利用されている。

しかし、上記のような工具鋼索や高速度鋼索等の高強度
耐摩耗性焼結合金は、一般に９５％以上の高密度比とす
るように緻密化して用いられることから、境結晶表面に
連通したいわゆる開気孔が少なく、焼結後に純Ｃｕもし
くはＣｕ合金を十分に溶浸することは困難であった。

このため、焼結と同時に純ＣｕもしくはＣｕ合金を溶浸
する方法も試みられているが、この方法においては、純
ＣｕもしくはＣｕ合金の融点以上の焼結温度において、
鉄基合金粉末の周囲を純ＣｕもしくはＣｕ合金の液相が
取り囲み、合金粉末内部に拡散するとともに余剰液相が
、そのまま、本来気孔となる合金粉末粒子間に溜るため
、溶浸効果は優れているものの、溶浸した純Ｃｕもしく
はＣｕ合金が合金粉末粒界にネット状に分布しやすく、
特に、高温強度や耐摩耗性の低下をきたしやすいという
問題点があった。

〔発明の目的〕 本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するた
めになされたもので、工具鋼系、高速度鋼系等の鋼強度
耐摩耗性焼結合金組成にＰ、Ｂ等の低融点化元素を含有
した合金粉末を圧粉成形した後、溶浸する純Ｃｕもしく
はＣｕ合金の融点より低い焼結温度で液相を生ぜしめて
、低温で活性な液相焼結により合金粉末同士の焼結反応
を進行させ、その後、溶浸する純ＣｕもしくはＣｕ合金
の融点以上の焼結温度で再焼結と同時に溶浸処理するこ
とにより、合金粉末粒界へのネットワーク状の溶浸を防
止して、高温強度、耐摩耗性を低下させることなく、鉄
基合金粉末の周囲を純ＣｕもしくはＣｕ合金の液相で取
り囲み合金粉末内部に拡散させると同峙ち、余剰液相が
本来気孔となるべき粉末粒子間に溜って溶浸効果を高め
ることのできる、特殊高強度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〕

このような目的は、本発明によれば、重量比率で、Ｃｒ
；２．５〜２５％、ＭｒＢ　０．１〜１．２％、５ｉｉ
０．５〜１．５％、０□；０．５％以下と、Ｐ　ｉ　０
．１〜０．８％およびＢ　、　０．０３〜０．５％のう
ち少なくともいずれかを含有し、残部実質的にＦｅから
なるＦｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１．５〜３．５％を添
加して圧粉成形した後、純Ｃｕもしくは重量比率で８５
％以上のＣｕを含有するＣｕ合金の溶浸剤の融点以下の
温度で液相焼結し、ついで、前記溶浸剤の融点以上の温
度で再焼結すると同時に溶浸させることによって、気孔
率を体積比率で２％以下とすることを特徴とする特殊高
強度耐摩耗性焼結合金、および、重量比率で、ＣｒＢ２
．５〜２５％、ＭｎＨｏ、１〜１．２％、５ｉＨ０，５
〜１．５％、Ｏｘ；０．５％以下と、Ｐ　ｉ　Ｏ，１〜
０．８％およびＢ；０．０３〜０．５％のうち少なくと
もいずれかを含有し、さらに、Ｍｏｎ０゜３〜６．５％
、Ｗ；　０．５〜１２％、Ｖ；０．２〜５．５％、Ｎｂ
；０．０５〜３．０等の耐摩耗性向上元素のうち少なく
とも一種類以上を含有し、残部実質的にＦｅからなるＦ
ｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１．５〜３．５％を添加して
圧粉成形した後、純Ｃｕもしくは重量比率で８５％以上
のＣｕを含有するＣｕ合金の溶浸剤の融点以下の温度で
液相焼結し、ついで、前記溶浸剤の融点以上の温度で再
焼結すると同時に溶浸させることによって、気孔率を体
積比率で２％以下とすることを特徴とする特殊高強度耐
摩耗性焼結合金、および、重量比率で、Ｃｒ；２．５〜
２５％、Ｍｎ；　０．１〜１．２％、Ｓｔ；０．５〜１
５％、Ｏｚ　；　０゜５％以下と、Ｐ、０．１〜０．８
％およびＢｉＯ，０３〜０．５％のうち少なくともいず
れかを含有し、さらに、Ｃｏ；２．（１〜２０％、Ｎｉ
；０．５〜１・０％、Ｃｕ；１〜５％等の基地強化元素
のうち少なくとも一種類以上を含有し、残部実質的にＦ
ｅからなるＦｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１．５〜３．５
％を添加して圧粉成形した後、純Ｃｕもしくは重量比率
で８５％以上のＣｕを含有するＣｕ合金の溶浸剤の融点
以下の温度で液相焼結し、ついで、前記溶浸剤の融点以
上の温度で再焼結すると同時に溶浸させることによって
、気孔率を体積比率で２％以下とすることを特徴とする
特殊高強度耐摩耗性焼結合金、および、重量比率で、Ｃ
ｒ；２．５〜２５％、Ｍｎ；０．１〜１．２％、５ｉＨ
０，５〜１．５％、ｏ、；０．５％以下と、Ｐ；０．１
〜０．８％およびＢ；０．０３〜０．５％のうち少なく
ともいずれかを含有し、さらに、Ｍｏ；０．３〜６．５
％、Ｗ；０．５〜１２％、Ｖｌ、２〜５．５％、Ｎｂ１
０．０５〜３．０％等の耐摩耗性向上元素のうち少なく
とも一種類以上、および、Ｃｏ；２．０〜２０％、Ｎ１
Ｈ０，５〜ｌＯ％を、Ｃｕ；１〜５％等の基地強化元素
のうち少なくとも一種類を含有し、残部実質的にＰｅか
らなるＦｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１゜５〜３．５％を
添加して圧粉成形した後、純Ｃｕもしくは重量比率で８
５％以上のＣｕを含有するＣｕ合金の溶浸剤の融点以下
の温度で液相焼結し、ついで、前記溶浸剤の融点以上の
温度で再焼結すると同時に溶浸させることによって、気
孔率を体積比率で２％以下とすることを特徴とする特殊
高強度耐摩耗性焼結合金によって達成される。

〔発明の作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

まず、本発明材における各々の合金添加元素の範囲限定
理由について説明する。

Ｃｒは炭化物形成元素として耐摩耗性向上に有効である
ばかりでなく、ＰやＢとの相乗作用により合金の緻密化
に重要な役割り果たしているが、２゜５％未満では添加
による耐摩耗性向上効果が十分でなく、２．５％を越え
ると摺動する相手材に対する損傷性が増大することから
、２．５〜２５％とした。

ＰおよびＢは、鉄基合金粉末の低融点液相を形成し、低
温活性化液相焼結を促進させる上で重要であるとともに
、一部は硬質相として残留析出しして耐摩耗性向上にも
有効であるが、０．１％未満のＰ、０．０３％未満のＢ
では上述の効果が十分でなく、また、０．８％を越える
Ｐ、０．５％を越えるＢにおいては、液相量が過多とな
って焼結部品の寸法精度が悪化したり、焼結部品の一部
が溶損して粗大流出孔やふ（れを生成し、また、粒界に
ネ７）ワーク状に生成させる液相が焼結合金を脆化させ
ることから、Ｐは、０．１〜０．８％、Ｂは０．０３〜
０．５％に限定した。

Ｍｎは、基地の強化、焼結の活性化、焼結粒微細化、脱
酸効果等から有効であるが、０．１％未満ではその効果
が十分でなく、また、１．２％を越えると焼結合金を脆
弱とすることから、その範囲を０゜１〜１．２とした。

Ｓｔは、主として合金粉噴霧溶湯の脱酸のために有効で
あり、本発明材における噴霧粉は還元焼鈍処理を実施し
なくても黒鉛添加で済ますことができるが、これもＳｔ
の脱酸効果を利用しており有効であ４が、０．５％未満
ではその効果が十分でなく、一方、１．５％を越えると
焼結合金を脆化することから０．５〜１．５％とした。

Ｏ２は、噴霧による合金粉製造時に合金粉末の表面に形
成される酸化物やスラグ等から不可避に含有されるもの
であり、０．５％を越えると焼結性を著しく阻害するこ
とから、０．５％以下としたが、望ましくは０．３％以
下がよい。

黒鉛粉末は、炭素供給源として添加され、鉄基合金粉末
を還元し、炭化物形成、液相形成、基地への固溶強化等
に有効であるが、１．５％未満の添加では上述の効果が
十分でなく、３，５％を越えて添加すると焼結部品の溶
出や脆化をもたらすことから、１．５〜３．５％とした
。

また、Ｍｏ、　Ｗ、　Ｖ、Ｎｂはともに、Ｃｒと同様に
炭化物を形成し耐摩耗性向上に有効であるばかりでなく
、基地中にも固溶して強度、特に高温強度を改善するが
、それぞれの添加量下限未満では、耐摩耗性向上等の添
加効果が十分でなく、一方、それぞれの上限値を越える
と摺動する相手材に対する損傷性が強くなる。

なお、Ｎｂは結晶粒微細化にも有効である。

また、ＣｏおよびＮｉは基地組織中に固溶して特に高温
強度、靭性を改善するとともに、耐酸化性、耐食性を高
めるばかりでなく、耐摩耗性を改善する効果も有するが
、それぞれの添加量下限値未満ではその効果が十分でな
く、一方、それぞれの添加量上限値を越えて添加しても
、その添加量に見合った改善効果が認められない。

さらに、Ｃｕは、基地組織中に固溶して基地組織を強化
し焼結合金の硬さを上昇させ、析出炭化物粒子の微細均
一分散にも有効であるばかりでなく、純ＣｕもしくはＣ
ｕ合金の溶浸時において、液相のぬれ性の改善や溶浸量
の安定化にも有効であるが、１％未満ではその効果が十
分でなく、５％をこえると焼結合金を脆弱することから
、１．０〜５．０％とした。

つぎに、純Ｃｕもしくは重量比率で８５％以上のＣｕを
含有するＣｕ合金の溶浸材の融点以下の温度で液相焼結
するのは、液相焼結により低温で活性な金粉末同士の焼
結反応を十分に進行させるためである。

また、その後、溶浸する純ＣｕもしくはＣｕ合金の融点
以上の温度で再焼結と同時に溶浸処理するのは、合金粉
末粒界へのネットワーク状の溶浸を防止して高温強度、
耐摩耗性を低下させることなく、鉄基合金粉末の周囲を
純ＣｕもしくはＣｕ合金の液相で取り囲み合金粉末内部
に拡散させると同時に、余剰液相が本来気孔となるべき
粉末粒子間にたまって溶浸効果を高めるためである。

上述のように本発明合金においては、鉄基合金粉末に含
有されるＰ、Ｂ等の融点低下元素による低融点液相形成
により、溶浸剤の融点以下の温度にて鉄基合金粉末同士
の被溶浸焼結耐（スケルトン）の焼結反応を進行させる
ことができ、従って気孔が球状化した後に溶浸剤が液相
となって気孔を埋めることになる。

その際、先に生成されている低融点液相が溶浸剤の浸透
を助け、溶浸率を高めるとともに、溶浸剤がネットワー
ク状に分布することなく、丸い形状となって分散する。

このため、本発明合金は溶浸率を高く、しかも、残留気
孔率を少なくすることができ、その結果として、強度と
りわけ高温強度が大幅に向上するばかりでなく、耐摩耗
性をも改善できるのである。

なお、本発明合金は熱処理によって、さらに、強化する
ことも可能である。

〔実施例〕

以下、添付図面に基づいて、本発明の詳細な説明する。

第１表は、この実施例に用いた鉄基合金粉末の化学成分
（重量％）、添加黒鉛ト（重量％）、浸流粉末組成（重
量％）を示している。

第１表において、試料隘■〜■は本発明の実施例の試料
、試料−■〜［相］は比較付試料である。

試料隘■を例として、この実施例に使用した試料製作手
順を具体的に説明する。

試料−■は、Ｐｅ　−１１Ｃｒ　−０，３Ｐ　−０，３
Ｍｎ　−１，Ｏ５ｉからなる組成の鉄系合金粉末（−１
００メソシユ）に黒鉛粉末２重量％を添加混粉し、７　
ｔｏｎ　／ｃｍ”の面圧で圧粉成形してφ２０＋＋＋ｍ
ｘφ３０ｍｍＸ　１０ｍｍの円環状圧粉成形体を成形し
た。

ついで、純Ｃｕ　（電解Ｃｕ）粉末を用いてφ２Ｑｍｍ
Ｘφ３０ｍｍＸ　３　ｌｌ１ｍの圧粉成形体を成形し、
上記鉄基合金粉末の圧粉成形体に重ねて、アンモニア分
解ガス雰囲気中にて１０００℃×３０分の純Ｃｕの融点
以下の温度で液相焼結処理し、１１５０℃×３０分の液
相焼結と同時に溶浸処理を実施した。

このようにして製作した試料を用いて、溶浸率および残
留気孔率を測定した。

また、高温強度は、上記圧粉成形体を焼結処理後５００
℃での圧環強度により評価した。

さらに、耐摩耗性は、バルブシートリングを試作し、モ
ータ駆動の弁座試験機にてバルブスプリング荷重をエン
ジン回転数６０　Ｏｒｐｍ相当に高めた加速試験条件の
もとで、５００℃×２４時間試験し、その後のバルブ沈
み量を測定する方法により評価した。

なお、この試験において、エンジンバルブにはステライ
ト盛金バルブを用いた。

また、本発明の実施例である試料隘■ないし■および比
較材である試料磁■ないし［相］においても、上述の試
料隘■と同様の第１表に示す組成および処理条件で液相
焼結・溶浸処理した後、試料Ｎ１１Ｌ１と同様の方法に
より溶浸率、気孔率、圧環強度、耐摩耗性を評価した。

第２表 以下、上記第２表に基づいて評価試験結果を考案する。

比較材である試料−■は、本発明の実施例である試料−
■の被溶浸焼結晶（スケルトン）に溶浸剤成形体を重ね
て溶浸させたものであるが、この試料の評価結果から明
らかなように、本発明合金のＣｕ溶浸を再焼結と同時に
溶浸しないで、一旦焼結した後に溶浸処理した場合には
、特に試料表面近傍が緻密化して開気孔が少なくなり、
Ｃｕは殆ど溶浸されず内部に気孔が多く残留して、強度
も向上せず耐摩耗性はむしろ低下している。

また、同様に比較材である試料１１ｈ＠ｌは、本発明の
実施例である試料隘■の組成からＰを抜いた試作材であ
る。

この試料の評価結果から理解されるように、Ｐ添加によ
る低融点液相による溶浸剤の融点以下での焼結反応が十
分に進行しないことから、再焼結温度が溶浸剤の融点を
越えると、融けた溶浸剤が合金粉を包囲して再焼結後も
粒界沿いにネットワークを形成する結果、溶浸率はある
程度高くなり気孔率が減少するものの、高温強度は逆に
低下し耐摩耗性も劣る結果となっている。

さらに、同様の比較剤である試料部［相］は、本発明の
実施例である試料部■の溶浸していない焼結晶（スケル
トン）の例である。

試料部■および［相］の評価結果から理解されるように
、０２含有料の高い鉄系合金粉を使用した場合（試料部
■）および、溶浸処理を実施しない場合（試料１創にお
いては、溶浸率、気孔率、圧環強度（高温強度）、パル
プ沈み量（高温耐摩耗性）のいずれかにおいても著しく
劣った結果を示している。

第２表から明らかなように、本発明合金（試料部■〜■
）は比較材（試料部■〜＠）に比べて、溶浸率、気孔率
、圧環強度（高温強度）、弁座試験でのバルブ沈み量（
高温耐摩耗性）のいずれにおいても著しく優れているこ
とが理解される。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる第１の発明
によれば、工具鋼系、高速度鋼系等の鋼強度耐摩耗性焼
結合金組成に、Ｐ、Ｂ等の低融点化元素を含有した合金
粉末を圧粉成形した後、溶浸する純ＣｕもしくはＣｕ合
金の融点より低い焼結温度で液相を生ぜしめて、低温で
活性な液相焼結により合金粉末同士の焼結反応を進行さ
せ、その後、溶浸する純ＣｕもしくはＣｕ合金の融点以
上の焼結温度で再焼結と同時に溶浸処理することにより
、合金粉末粒界へのネットワーク状の溶浸を防止して、
高温強度、耐摩耗性を低下させることなく、鉄基合金粉
末の周囲を純ＣｕもしくはＣｕ合金の液相で取り囲み合
金粉末内部に拡散させると同峙ち、余剰液相が本来気孔
となるべき粉末粒子間に溜って溶浸効果を高めることが
できる利点がある。

また、第２の発明によれば、上述の第１の発明の効果に
加えて、さらに、優れた耐摩耗性を不可することができ
る利点がある。

また、第３の発明によれば、上述の第１の発明の効果に
加えて、さらに、基地強化をはかることができ、強度と
りわけ高温強度を向上することができる利点”がある。

また、第４の発明によれば、上述の第１の発明の効果に
加えて、第２の発明における優れた耐摩耗性、および第
３の発明における強度とりわけ高温強度を向上すること
ができる利点がある。

上述の特性を有していることから、本発明焼結合金は、
内燃機関のバルブシート等の動弁系高強度耐摩耗性部材
として好適に適用できるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比率で、Ｃｒ；２．５〜２５％、Ｍｎ；０．１
   〜１．２％、Ｓｔ；０．５〜１．５％、Ｏｓ；０．５％
   以下と、Ｐ　ｉ　０．１〜０，８％およびＢ　；　０．
   ０３〜０．５％のうち少なくともいずれかを含有し、残
   部実質的にｒｅからなるＦｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１
   ．５〜３゜５％を添加して圧粉成形した後、純Ｃｕもし
   くは重量比率で８５％以上のＣｕを含有するＣｕ合金の
   溶浸剤の融点以下の温度で液相焼結し、ついで、前記溶
   浸剤の融点以上の温度で再焼結すると同時に溶浸させる
   ことによって、気孔率を体積比率で２％以下とすること
   を特徴とする特殊高強度耐摩耗性焼結合金。 ２、重量比率で、Ｃｒ；２．５〜２５％、Ｍｎ；０．１
   〜１．２％、５ｉｉＯ，５〜１．５％、Ｏ，１，５％以
   下と、Ｐ　ｉ　０．１〜０．８％およびＢ；０．０３〜
   ０．５％のうち少なくともいずれかを含有し、さらに、
   Ｍ。 ｉＯ，３〜６．５％、Ｗ、０．５〜１２％、ＶｉＯ，２
   〜５．５％、Ｎｂ１０．０５〜３．０等の耐摩耗性向上
   元素のうち少なくとも一種類以上を含有し、残部実質的
   にＦｅからなるＦｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１．５〜３
   ．５％を添加して圧粉成形した後、純Ｃｕもしくは重量
   比率で８５％以上のＣｕを含有するＣｕ合金の溶浸剤の
   融点以下の温度で液相焼結し、ついで、前記溶浸剤の融
   点以上の温度で再焼結すると同時に溶浸させることによ
   って、気孔率を体積比率で２％以下とすることを特徴と
   する特殊高強度耐摩耗性焼結合金。 ３、重量比率で、Ｃｒ；２．５〜２５％、ＭｎＨｏ、１
   〜１．２％、Ｓｉ；０．５〜１．５％、０２ｉ０．５％
   以下と、Ｐ　ｉ　Ｏ０１〜０．８％およびＢ：０．０３
   〜０．５％のうち少なくともいずれかを含有し、さらに
   、Ｃ。 ｉ２．０〜２０％、Ｎｉ；０．５〜ｌＯ％、Ｃｕ；１〜
   ５％等の基地強化元素のうち少なくとも一種類以上を含
   有し、残部実質的にＦｅからなるＦｅ基合金粉末に黒鉛
   粉末；１．５〜３．５％を添加して圧粉成形した後、純
   Ｃｕもしくは重量比率で８５％以上のＣｕを含有するＣ
   ｕ合金の溶浸剤の融点以下の温度で液相焼結し、ついで
   、前記溶浸剤の融点以上の温度で再焼結すると同時に溶
   浸させることによって、気孔率を体積比率で２％以下と
   することを特徴とする特殊高強度耐摩耗性焼結合金。 ４、重量比率で、Ｃｒ；２．５〜２５％、ＭｎＨｏ、１
   〜１．２％、５ｉＨ０，５〜１．５％、０□；０．５％
   以下と、Ｐ　、　０．１〜０．８％およびＢ；Ｑ、０３
   〜０．５％のうち少なくともいずれかを含有し、さらに
   、ＭＯ；　０．３　”　６．５％、Ｗ　、　０．５〜１
   ２％、Ｖ；０．２〜５．５％、Ｎｂ１Ｏ，０５〜３．０
   ％等の耐摩耗性向上元素のうち少なくと゛も一種類以上
   、および、Ｃｏ；　２゜０〜２０％、Ｎｉ；、０．５〜
   １０％を、Ｃ１ｌ；１〜５％等の基地強化元素のうち少
   なくとも一種類を含有し、残部実質的にＦｅからなるＦ
   ｅ基合金粉末に黒鉛粉末；１．５〜３．５％を添加して
   圧粉成形した後、純Ｃｕもしくは重量比率で８５％以韮
   のＣｕを含有するＣｕ合金の溶浸剤の融点以下の温度で
   液相焼結し、ついで、前記溶浸剤の融点以上の温度で再
   焼結すると同時に溶浸させることによって、気孔率を体
   積比率で２％以下とすることを特徴とする特殊高強度耐
   摩耗性焼結合金。