JPS60218451A - 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、自動車の内燃機関の吸排気口を開閉する動弁
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
。該バルブシートにエンジンバルブが着座すると、混合
ガスや燃焼ガスがシールされる。

［従来技術］ 自動車の内燃機関に用いられる動弁部材は、工具１系や
高速度を系等の鉄系金属粉末から形成した焼結合金が用
いられることが多いが、最近の自動車の内燃機関の高性
能化に伴い、高温耐摩耗性、高温強度を尚一層上昇さぼ
る必要性が大きくなっている。そのため、近時、本発明
者は、液相生成温度より０〜５０℃高い温度範囲で焼結
同時溶浸を行ない、気孔率が５％以下で高温耐摩耗性、
高温強度をより一層高めた焼結合金を製造し得る製造方
法を開発した。

然し、気孔率を更に低下させ、高温耐摩耗性、高温強度
を更に高めた焼結合金の開発が要請されている。

［発明の目的〕 本発明は上記した実情を背景としてなされたものであり
、気孔率をより低下させ、かつ、高温耐摩耗性及び高温
強度を尚一層高めた焼結合金を形成し得る製造方法を提
供するにある。

［発明の要旨］ 本発明の製造方法は、銅を主体とする溶浸剤の融点より
も低い温度で溶融する低融点化合物を含む鉄系金属粉末
から成形体を形成する第一の工程と、溶浸剤の融点以下
の温度に該成形体を加熱して該成形体中に低融点の液相
を部分的に生ぜしめて、該低融点の液相により液相焼結
を進行させる第二の工程と、溶浸剤の融点以上の温度に
該成形体を加熱して、溶浸剤を成形体の気孔に溶浸させ
ると共に、該成形体の本焼結を行ない、気孔率３％以下
の焼結合金を形成する第三の工程とからなるものである
。

本発明の製造方法の主たる特徴は、低融点化合物（Ｃｕ
　３Ｐ％　Ｆｅ　３Ｐ、Ｆｅ　ｔＢ等）を成形体に含ま
せた点にある。更に本発明の主たる特徴は、溶浸剤の融
点以下の温度に成形体を加熱することにより、該成形体
中に低融点の液相を生ぜしめ、本焼結・溶浸の前に液相
焼結を行なう点にある。

このようにすれば本焼結・溶浸の前に金属粉末の粒子同
志のネックの結合をより強固にさせることができ、更に
気孔の球状化も促進でき、しかも低融点の液相により溶
浸を促進させて緻密化を尚一層図り得る。

［発明の構成の詳細な説明］ 以下、第一の工程、第二の工程、第三の工程に分けての
べる。

（第一の工程） 第一の工程では、溶浸剤の融点よりも低い温度で溶融す
る低融点化合物を含む鉄系金属粉末から成形体を形成す
る。低融点化合物としては、Ｃ０３Ｐ、Ｆｅ３Ｐ等のリ
ン合金粉末から選択することができる。該成形体は、一
般的に気孔率１０〜２０％程度の気孔を有しており、従
って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る容積の割合をいう。スケルトン
状の成形体としては、鉄系金属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用い
ることができる。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。

上記鉄系金属粉末は、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。鉄系金属粉末の粒
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る。又、噴霧粉を用い
ることができる。

低融点化合物を含む鉄系金属粉末は、クロム２゜５〜２
５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合金鋼粉末と、Ｃｕ　３Ｐ、Ｆｅ
　３Ｐ等の低融点合金粉末とを混合した混合粉末から構
成されており、混合粉末中リンが０．１〜０．８重量％
であることが望ましい。

ここで、合金鋼粉末の不可避の不純物は、０゜３重量％
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、その他の不純物１重量％以下である
ことが望ましい。

また、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％、ニオ１０．０５〜３．０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
１１．バナジウム、ニオブの合計が１６重量％以下であ
ることが望ましい。

また、合金鋼粉末は、コバルト２．０〜２０重量％、ニ
ッケル０．５〜１０重量％、銅１〜５重量％のうち一種
又は二種以上含み、かつコバルト、ニッケル、銅の合計
が２０重量％以下であることが望ましい。

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１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
、グラファイト粉末等の炭素源を別途追加し、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、Ｃｒ
は、ＭＯ，Ｗ、Ｖ、Ｎｂと共に炭化物を形成し耐摩耗性
に寄与するが、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高め、またＣｒ、１
ｙｌｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ等と結合シタ炭化物を形成し耐摩
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％を超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。

ＣＯ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
を越えると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重間％がよい。

３ｉ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。Ｍ　ｎ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。

（第二の工程） 第二の工程では、溶浸剤の融点以下に成形体を加熱し、
これにより低融点の液相を生ぜしめて液相焼結を行なう
。かかる第二の工程を行なえば、成形体を構成する粉末
粒子の結合を強固なものとすることができ、従って粉末
粒子同志のネックの結合をより強固にすることができる
。更には成形体中の気孔を球状化し、第三の工程で溶浸
する溶浸剤を比較的球状に近い形にしうる。

尚、低融点の液相が生じる温度は、低融点化合物の成分
、組成によって種々異なるが、成形体中に低融点の液相
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。

（第三の工程） 第三の工程では、溶浸剤の融点以上の温度に該成形体を
加熱して、溶浸剤を成形体の気孔に溶浸させると共に、
該成形体の本焼結を行ない気孔率３％以下の焼結合金を
形成する。

第三の工程を行なえば、成形体中に生じた低融点液相に
より溶浸を促進することができ、従って焼結合金の緻密
化を一層図り得、気孔率３％以下、例えば後述する実施
例で示すように０．４〜１゜５％と著しく低下させ得る
。

銅を主体とする溶浸剤は、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Ｃ０１Ｆｅ、１Ｖｌｎ、７ｎ等を含むＣ
ｕ合金を溶浸剤として用いてもよい。この際Ｃｕ含有量
が７０重量％木満では溶浸性が著しく劣るため好ましく
ない。なお溶浸量が焼結合金中古る割合は、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スケルトン自体の強度が低いため
強度低下を招き、更に粒界の脆化等による高２８１１低
下も著しくなるので好ましくない。

［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３％以下、高温強度が１００　ｋ
（Ｉｆ　／　ｍｍ２以上、高温耐摩耗試験においてバル
ブ沈み量が例えば０．１０〜０．３０Ｉｌ１ｍ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。

（第一の工程） 重量比でＣｒ：１２％、Ｃ：１．５％、Ｓｉ：０．２％
、Ｍｎ：０．４％、Ｏｘ　：Ｑ、２５％、残部Ｆｅ及び
１％以下の不純物からなる噴霧合金鋼粉末（１００メツ
シユ）、グラファイト粉０゜５％、低融点合金粉末とし
てフェロリン粉末（Ｆｅ−２０％Ｐ、２００メッシ、：
ｔ）０．５％を添加し、更に潤滑剤としてステアリン酸
亜鉛０．８％を添加し、全体を混合した後、７　ｔｏｉ
＋　７ｃｍ２で成形してφ２０Ｉｌｌｌ１１φ３０＋ｎ
ｍ、長さ１．Ｏｍｍなる圧粉体（成形体）とした。

（第二の工程） 圧粉体を１０００℃で３０分間加熱して、低融点の液相
を生ぜしめ、液相焼結を行なった。

（第三の工程） 溶浸剤粉末として純銅粉末（電解銅）を用い、これを圧
縮成形としてφ２０＋＋ｕｎ、φ３０ＩｌｌＩｌ１１長
さ２１１１Ｒ１の圧粉体とし、該圧粉体を前記圧粉体の
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１１８０℃（低融点の液相の生成　：温度
は９３０℃である）で３０分間加熱し、以て焼結１時溶
浸８行０°゛・Ｚ　ｈＥ　Ｊ″９実施例１′）試　１験
片を製造した。尚、使用した鉄系金属粉末や溶　□滑剤
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。図面は、実施例１に係る金属組織の顕微鏡写真図で
ある（Ｘ４００）。この図面において白色の微細な部分
がクロム炭化物であり、黒色の島状の比較的大きな部分
が溶浸部である。

また同様な方法で実施例２〜実施例４の試験片を製造し
た。実施例２〜実施例４で使用した鉄系金属粉末、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１ど同様に実施例２でも第１表に示
すようにグラファイト粉末を追加している。実施例４で
は、第１表に示す組成の粉末から形成した圧粉体を１”
１５０’Ｃで２０分間焼結して予備焼結体を製造し、こ
の予備焼結体（成形体）に１１２０’Ｃで溶浸した後、
１１８０℃で３０分間再焼結し、以て試験片を製造した
。

（試験） 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。気孔率は
ＪＩＳ７２５０６　（１９７９）ｋ：Ｔ測定した。圧環
強さは、試験片を二つの平行の面で縦軸に垂直方向へ圧
縮し、ヒビ割れが生じ始めるときの荷重の値とした（Ｊ
　ｌ５−Ｚ−２５０７−１９７９＞。高温耐摩耗性は、
上記の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Ｉｍ（モータ駆動）を用い、エンジン
回転数を６０００ｒｐｍ相当とし、５００’ＣＸ２４Ｈ
ｒ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、バルブ沈み量を測定することにより行なった。

尚、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表に示す。第３表に示すように気孔率は
いずれも３％以下であった。即ち、実施例１では０．８
％、実施例２では１，０％、実施例３では０．５％、実
施例４では１．５であった。

また圧環強さはいずれも１００　ｋｇｆ　／ｍＩＬｌ上
であった。即ち、実施例１では１３０　ｋ（Ｊｆ　／ｍ
ｍｆｆ１、実施例３テハ１４０　ｋｏｆ　／ｍｍｆ　、
実施例３テハ１４５　ｔｔｇｒ　／ｍｍ２　、実施例４
では１１５　ｋｇｆ　／ｍ１であった。バルブ沈み量は
いずれも少なかった。

即ら、実施例１では０．２０．＃１ｍ１実施例２では０
゜１５ｍｍ、実施例３では０．１０１１１ｍ１実施例４
ではＱ、３Ｑｍｍであった。

〔比較例〕

比較例１は、実施例１の場合と同様に形成した焼結合金
である。但し、比較例１の場合には、フェロリンを添加
しなかった点、実施例１の場合と異なる。

この比較例１の試験片も同様に試験し、その結果を第３
表に示す。第３表に示すように気孔率は３．１％と実施
例１〜実施例５に比べて８倍〜２第２表 第３表 倍程度高かった。又圧環強さは１０５　ｋｕ／、ｍｉ２
と低かった。又バルブ沈み量もｏ、４ｏｍｍと大きく、
実施例１〜実施例４の約４倍〜１．３倍程度摩耗した。

実施例１と比較例１とを比較すると低融点化合物の添加
が有効であることがわかる。

【図面の簡単な説明】

図面は、実施例１に係る金ｍ組織の・顕微鏡写真図であ
る。 特許出願人　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 図　面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）銅を主体とする溶浸剤の融点よりも低い温度で溶
   融する低融点化合物を含む鉄系金属粉末から、成形体を
   形成する第一の工程と、　溶浸剤の融点以下の温度に該
   成形体を加熱して該成形体中に低融点の液相を部分的に
   生ぜしめて、該低融点の液相により液相焼結を進行させ
   る第二の工程と、溶浸剤の融点以上の温度に該成形体を
   加熱して、溶浸剤を成形体の気孔に溶浸させると共に、
   該成形体の本焼結を行ない、気孔率３％以下の焼結合金
   を形成する第三の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）低融点化合物を含む鉄系金属粉末は、クロム２．
   ５〜２５重間％、炭素０．２〜３．０重量％、不可避の
   不純物、残部鉄の組成をもつ合金鋼粉末と、Ｃｕ　３Ｐ
   、Ｆｅ　３Ｐ１Ｆｅ　ｔＢ等の低融点合金粉末とを混合
   した混合粉末から構成されており、混合粉末中リンが０
   ．１〜０．８重量％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）合金鋼粉末の不可避の不純物は、０．３重量％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、その他の不純物１重量％以下からなる
   特許請求の範囲第２項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結
   合金の製造方法。 （４）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
   ５〜５．５重量％、ニオ１０．０５〜３．０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２項記載の高温耐摩耗性に優れた焼結
   合金の製造方法。 （５）合金鋼粉末は、コバルト２．０〜２０重量％、ニ
   ッケル０．５〜１０重量％、銅１〜５重量％のうち一種
   又は二種以上含み、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２項記載の高
   温耐摩耗性に優れた焼結合金の製造方法 （６）鉄系金属粉末は、グラフ１イト粉末を含む特許請
   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）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。 （８）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。 （９）焼結合金は、内燃機関の動弁部材に用いられる焼
   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（１０）溶浸剤は、純銅
   、あるいは、銅を７０重量％以上含有する銅合金であり
   、融点は１０５０〜１０８５℃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。