JPS60228656A - 鉄系焼結耐摩耗性材料とその製造法 - Google Patents

鉄系焼結耐摩耗性材料とその製造法

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JPS60228656A
JPS60228656A JP59070129A JP7012984A JPS60228656A JP S60228656 A JPS60228656 A JP S60228656A JP 59070129 A JP59070129 A JP 59070129A JP 7012984 A JP7012984 A JP 7012984A JP S60228656 A JPS60228656 A JP S60228656A
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弘之 遠藤
Hiroshi Ishii
啓 石井
Keitaro Suzuki
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/02Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0285Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%

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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】 本発明は銅を含有J−る鉄系耐摩耗性材お1、特に内燃
機関の動弁機構を構成する部材に好適な銅含有鉄系耐摩
耗性焼結合金に関する。
ここで動弁機構の代表的な型式のひとつである0 1−
I 0式について説明すると、第1図に示−J−J:う
に、カム2の回転に従って、ロッカーアーム1がその軸
を支点としてシーソー運動を行ない、弁3を開閉するよ
うになっている。この機構においCはカム2と当接する
ロッカーアーム1の耐摩耗性が重要であるが、カム2自
体の耐摩耗性も非常に重要である。
ロッカーアームの摺動面のパッド用材料どしては、高速
度鋼や合金工具鋼のように微細な炭化物がマルテンサイ
ト基地に分散している組織を有し■つ空孔率が2〜3%
程度の高密度材料が知られている。本出願人もまたこの
種の材料を開発し、既に出願している(特開昭57−1
08,245号公報)。
これらの材料、特に本出願人に係る合金材料は耐摩耗性
が極めて高く、パッドの摩耗量が少ない反面、相手部材
のカムに対する攻撃性がその分だけ強いところに改良の
余地があった。
本発明の主な目的は、摺動する相手部材の摩耗を著しく
減少させ、しかも自己自身の耐摩耗性も従来月と同等以
上である鉄系焼結耐摩耗性材料を提供することにある。
本発明にJ:れば、この目的は重量比でCr3〜25%
、Po、1〜2%、[MOo、5〜7%、WO,1〜8
%、 V O,1〜3%、 Ni 0.5〜2%]の群
のうち少なくとも2種1〜13%および残部Feからな
る合金に、炭素0.5〜3%と銅または銅合金10〜2
5%を加えた組成の鉄系耐摩耗性焼結月利にJ:って達
成することができる。
以下、添付図面に言及しながら本発明をさらに詳細に説
明する。ただし、本明細書における%はすべで重量%を
意味する。
本発明では、焼結後に炭化物を析出する合金鋼粉に銅ま
たは銅合金(Cu −8n 、 Cu −Ni )を1
0〜25%添加し、焼結後に軟質な銅またはその合金相
を分散さけてそれらの持つなじみ竹を発揮させるが、添
加量が10%未満では銅の大部分が基地に固溶し、それ
を硬くする。またこれに伴いM離銅相が減少するため、
相手部材を摩耗させる傾向が出てくる。一方、25%を
越えて添加すると焼結時に銅が吹き出たり、焼結体の変
形を生じる。また高価な銅や銅合金を過剰に添加するこ
とは得策でない。銅添加量ど摩耗量の関係は、第2図の
グラフからも理解できる筈である。
炭素は銅粉または銅合金粉と共に通常は黒鉛粉の形で添
加され、基地の強化に01せクロムその他の添加成分と
反応し、て硬質相を析出し耐摩耗性を向上させる。ただ
し添加量0.5%未満では、基地がフェライト主体とな
るために、強度の著しい低下を生じる。一方3%を越え
ると、混合粉の偏析や見掛密度の低下、成形性の劣化な
どの悪影響が出てくる。
3− 次に、本発明で主原料として使用する合金粉について説
明する。
耐摩耗性向上のために合金元素を添加する方法は古く、
添加元素はその挙動、作用効果からみて2種類に、即ち
Or 、MO、V、Wなどのように添加元素が炭化物を
形成するものと、N1のように素地中に固溶して組織を
強化するものとに大別でき、どちらも機械的に油膜切れ
するような面圧の高い摺動部の耐摩耗性を改良する効果
がある。
各添加元素とその組成範囲は次の通りである。
クロム:基地の強化に併せ、炭素と反応して硬質の炭化
物を形成し、耐摩耗性を向上させる。ただし添加量3%
未満では所要の効果が得られず、一方上限値の25%を
越えると、脆化をきたし、また相手部材のカムを傷つけ
易くなる。
リン:液相焼結を行なわせて焼結体を高密度化させる元
素で、添加量が0.1%未満では所要の効果が得られず
、一方2%を越えて添加すると過剰の液相が生じ、焼結
時の寸法変化率が大きくなるので好ましくない。
4− モリブデンニクロムと同様、基地の強化と共に炭素と反
応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。
ただし、添加量0.5%を越えると相手部材のカムを傷
つけ易くなる。
タングステンニクロムと同様、基地の強化と共に、炭素
と反応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させ
る。ただし添加量01%未満では所要の効果が得られず
、一方、8%をこえて添加すると、材料の脆化をきたす
バナジウム:炭素と反応して炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に寄与する。ただし、添加量0.1%未満では所
要の効果が得られず、一方、3%を越えて添加すると被
削性が低下し、また相手部材を傷つけ易くなる。
ニッケル:基地どなる合金に固溶しC強化し、耐摩耗性
を向上させる。ただし添加量0.5%未満では固溶量が
不充分で所期の効果が期待できず、一方2%を越えて添
加するとCrその他の炭化物を分解する作用が強くなり
、結果的に耐摩耗性を低下させる逆効果を招く。
これらの元素のうちMO、W、VおJ:びN1は用途に
応じて2種類以上組合せて使用するものであるが、その
合R1は下記の理由により1〜13%の範囲になければ
ならない。即ち、1%未満では所要の効果を期待できる
だけの炭化物相が得られず、一方、13%を越えると脆
化をきたし、相手部材のカムを傷っけ易くなるからであ
る。
本発明にお【プる焼結合金の製造は粉末冶金の通常の■
稈、即ち原料粉の混合、成形、焼結および熱処理によっ
て行なうが、特に好適な焼結温度は1130℃であり、
好適な焼結用還元性雰囲気は分解アンモニアガスである
。また熱処理条件は、好ましくはアルゴンガス中9oo
℃より油焼入れ侵、180℃焼戻しである。
本発明に係る合金の代表的な組成の類型を例示すれば次
の通りである。
一/− なお、上記各組成中の銅を同量の銅合金で置換したもの
も本発明の範晴に属する。
以下、実施例により本発明の詳細な説明する。
試料の作成 先ず黒鉛粉、銅粉(一部の試料では銅合金粉)およびこ
の2成分を除いた組成の合金粉の3者を第1表、第2表
の各行に示す組成割合に秤量し、これに潤滑剤としてス
テアリン酸亜鉛1%を添加してV型混合機で20分間混
合した。
合金粉を使用する理由は実験準備が容易なことと、得ら
れる焼結材の性状の変動が小さいため、傾向を明確に知
ることができるからである。
次にこれらの混合粉それぞれを6j/cJの成形圧力で
所要のパッド形状に成形し、分解アンモニアガス中温度
1130℃で30分間焼結した後、下記の条件で熱処理
を施した。なお各試料の密度8− 比および硬さの測定値を表中に示した。
焼入れ条件:アルゴンガス中油焼入れ 焼入れ温度=900℃ 焼戻し濃度=180℃ 試験の方法 OHC型4気筒1800ccエンジンを利用したモータ
リング試験装置(シュミレーション装置の一種で、カム
軸をモーターで回転させて動弁機構の各種試験を行なう
装置)を用い、前記の各試料をロッカーアームのパッド
部に取付けてこの装置に組み込んで下記の条件で試験を
行ない、パッドおよび相手部材のカムの摩耗量を測定し
た。
カム材質:チル化した鋳鉄材 回転数 :650rpm 試験時間:50時間連続運転 潤滑油 二通常のエンジンオイルに体積比で水を2.5
%添加して、摩耗条件を 苛酷に設定した。
試験の結果 第1表は前述した既出願の合金(特開昭57−1082
45月)を基本にその改良を図った結果を示したもので
、試料N001はこの既出願の合金そのものである。試
*!I N 0.2および3は銅含有量が10%未満の
比較例であり、試料N014〜7が適正量の銅を含有す
る本発明の実施例、MO,8と9はそれぞれ、試料N 
o、 6の銅を同量の銅合金で置換した実施例である。
この表およびこれをグラフ化した第2図から、基本の組
成に銅を添加すると、初めは相手部材のカムが逆に摩耗
すること、さらに添加量を増して銅量が10%以上にな
ると、意外にもカムの摩耗が著しく減少することが判る
。この事実が本発明の骨子とJ−る新知見である。N0
08はCu −8n合金を、Nl)、9はCl1−Ni
合金を銅と置換した例で、N006と効果は同等以上で
あり、本発明の目的においては銅と銅合金が均等物であ
ることを示している。ただし価格は若干高くなる。
N o、 10〜13はPの効果を示す例で、本発明の
範囲外であるN o、 10および13は本発明材のN
o、11おJ:び12より摩耗量が増加している。
No、14〜17はCの効果を示す例で、Pの場合と同
様なことがいえる。
次の第2表は5KD−61などの既存の合金を基本とし
て、銅の添加によるその改良効果を示したもので、罫線
で区画された各欄の最初の行tLその備考に記した合金
規格に相当している。
N O,18〜24の欄について説明すると、本発明の
実施例であるN o、 21〜24では総摩耗昂がN 
o、 18の1/3以下に減少し、銅添加の効果が大き
く現われている。銅量10%未満のN o、 19およ
び20では、逆に摩耗量が増加している。
次の5KI−1−9(No、25〜31の欄)の場合も
ほぼ同様の傾向を示し、本発明の実施例であるN012
8〜31ではカムの摩耗および総摩耗量が大幅に減少し
ているのに対して、銅10%未満のN o、 26およ
び27では、銅添加の効果に有意差が認められない。
N O,32〜39については説明しなくても明白であ
ろう。
−11− 以上のデータから判るように、本発明の合金は従来の合
金に比べて自己の耐摩耗性はもとより、相手部材の摩耗
を著しく減少させる点で優れた効果を秦ツるものであっ
て、ロッカーアームパッド以外の各種部材たとえばベー
ンポンプのベーン。
力11シャフ1〜力lx 、バルブシートリングなどに
も適用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は内燃機関の代表的な動弁機構の構成を例示する
図面、第2図は銅含有量と摩耗量の関係を示ずグラフで
ある。 代理人 増 渕 邦 彦 12− 第2図 4司 ン目 カ日 量 (%) 手続補正書 昭和60 年 5月29 日 特許庁長官殿 事件の表示 特願昭59− 70129 号発明の名称
 鉄系焼結耐摩耗性材料とその製造法補正をする者 事件との関係 出願 人 代表8 倉 1)博 116 代 理 人 補正命令の日付 (自発補正) 補正により増加する発明の数 O 補正の対象 明細書の全文 明 細 書 発明の名称 鉄系焼結耐摩耗性材料とその製造法特許請
求の範囲 1 重量比で013〜25%、Po、1〜2%。 C0,5〜3%、[MOo、5〜7%、Wo、1〜8%
、Vo、1〜3%、Ni0.5〜2%]の群から選択さ
れる少なくとも2種の元素1〜13%。 Cu10〜25%および残部Feからなることを特徴と
する鉄系焼結耐摩耗性材料。 2 上記Cuが同線の銅合金で置換された特許請求の範
囲第1項に記載の材料。 3 上記銅合金がCu−8n合金である特許請求の範囲
第2項に記載の材料。 4 上記銅合金がCLI−Jli合金である特許請求の
範囲第2項に記載の材料。 5 重量比でCr3〜25%、Po、1〜2%。 [Mo O,5〜7%、 W 0.1〜8%、 V O
,1〜3%、Ni0.5〜2%]の群から選択される少
なくとも2種の元素1〜13%および残部Feからなる
合金粉に銅粉または銅合金粉を10〜25%ど炭素粉0
.5−3%を配合し、粉末冶金の通常の条件で所要の形
状に成形および焼結を行なうことを特徴とする鉄系焼結
耐摩耗性月利の製造法。 発明の詳細な説明 本発明は銅を含有す゛る鉄系耐摩耗性材料、特に内燃機
関の動弁機構を構成する部材に好適な銅含有鉄系耐摩耗
性焼結合金に関する。 ここで動弁機構の代表的な型式のひとつである0 1−
I 0式についてd1明すると、第1図に示すように、
カム20回転に従って、ロッカーアーム1がその軸を支
点どしてシーソー運動を行ない、弁3を開閉するように
なっている。この機構においてはカム2ど当接するロッ
カーアーム1の耐摩耗性が重要であるが、カム2自体の
耐摩耗性も非常に重要である。 ロッカーアームの摺動向のパッド用材料としては、高速
度鋼や合金T具鋼のように微細な炭化物がマルテンサイ
ト基地に分散している組織を有し目つ空孔率が2〜3%
程度の高密度材料が知られている。本出願人もまたこの
種の材料を開発し、既に出願している(特開昭57−1
08245号公報)。 これらの材料、特に本出願人に係る合金月別は耐摩耗性
が極めて高く、パッドの摩耗量が少ない反面、相手部材
のカムに対する攻撃性がその分だけ強いところに改良の
余地があった。 本発明の主な目的は、摺動する相手部材の摩耗を著しく
減少させ、しかも自己自身の耐摩耗性ら従来材と同等以
上である鉄系焼結耐摩耗性材料を提供することにある。 本発明によれば、この目的は重量比でCr3〜25%、
po、i〜2%、[MOo、5〜7%、WO11〜8%
、Vo、1〜3%、Ni0.5〜2%]の群のうち少な
くども2種1〜13%および残部[eからなる合金に、
炭素0.5〜3%と銅または銅合金10〜25%を加え
た組成の鉄系耐摩耗性焼結材料によって達成することが
できる。 以下、添付図面に言及しながら本発明をさらに詳細に説
明する。ただし、本明細書における%はすべて重量%を
意味する。 =2一 本発明では、焼結後に炭化物を析出する合金鋼粉ニm 
t タハ銅合金(Cu −8n 、 Cu −Ni )
を10〜25%添加し、焼結後に軟質な銅またはその合
金相を分散させてそれらの持つなじみ性を発揮させるが
、添加量が10%未満では銅の大部分が基地に固溶し、
それを硬くする。またこれに伴い遊離銅相が減少するた
め、相手部材を摩耗させる傾向が出てくる。一方、25
%を越えて添加すると焼結時に銅が吹き出たり、焼結体
の変形を生じる。また高価な銅や銅合金を過剰に添加す
ることは得策でない。銅添加量と摩耗量の関係は、第2
図のグラフからも理解できる筈である。 炭素は銅粉または銅合金粉と共に通常は黒鉛粉の形で添
加され、基地の強化に併せクロムその他の添加成分と反
応して硬質相を析出し耐摩耗性を向上させる。ただし添
加10.5%未満では、基地がフェライト主体となるた
めに、強度の著しい低下を生じる。一方3%を越えると
、混合粉の偏析や見IB密度の低下、成形性の劣化など
の悪影響が出てくる。 3− 次に、本発明で主原石として使用する合金粉について説
明する。 耐摩耗性向上のために合金元素を添加する方法は古く、
添加元素はその挙動、作用効果からみて2種類に、即ち
Cr 、MO、V、Wなどのように添加元素が炭化物を
形成するものと、N1のように素地中に固溶して組織を
強化するものとに大別でき、どちらも機械的に油膜切れ
するような面圧の高い摺動部の耐摩耗性を改良する効果
がある。 各添加元素とその組成範囲は次の通りである。 クロム二基地の強化に併せ、炭素と反応して硬質の炭化
物を形成し、耐摩耗性を向上させる。ただし添加m3%
未満では所要の効果が得られず、一方上限値の25%を
越えると、脆化をきたし、また相手部材のカムを傷つけ
易くなる。 リン:′a相焼結を行なわせて焼結体を高密度化させる
元素で、添加量が0.1%未満では所要の効果が得られ
ず、一方2%を越えて添加すると過剰の液相が生じ、焼
結時の寸法変化率が大きくなるので好ましくない。 モリブデンニクロムと同様、基地の強化と共に炭素と反
応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向−1−させ
る。ただし、添加量が7%を越えると相手部材のカムを
傷っけ易くなる。 タングステンニクロムと同様、基地の強化と共に、炭素
と反応して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性を向−にざ
1±る。ただし添加量0.1%未満では所要の効果が得
られず、一方、8%をこえて添加すると、材料の脆化を
きたす。 バナジウム:炭素と反応して炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に寄与する。ただし、添加量0.1%未満では所
要の効果が得られず、一方、3%を越えて添加すると被
剛性が低下し、また相手部材を傷つ()易くなる。 ニッケル二基地となる合金に固溶して強化し、耐摩耗性
を向上させる。ただし添加M O,5%未満では固溶量
が不充分で所期の効果が期待できず、一方2%を越えて
添加するとCrその他の炭化物を分解する作用が強くな
り、結果的に耐摩耗性を低下さゼる逆効果をli’l 
<。 これらの元素のうちMo 、W、VおよびN1は用途に
応じて2種類以上組合せて使用するものであるが、その
合計は下記の理由により1〜13%の範囲になければな
らない。即ち、1%未満では所要の効果を期待できるだ
()の炭化物相が得られず、一方、13%を越えると脆
化をきたし、相手部材のカムを傷つり易くなるからCあ
る。 本発明における焼結合金の製造は粉末冶金の通常の工程
、即ち原料粉の混合、成形、焼結および熱処理によって
行なうが、特に好適な焼結温度は1130℃であり、好
適な焼結用還元性雰囲気は分解アンモニアガスである。 また熱処理条件は、好ましくはアルゴンガス中900℃
にり油焼入れ後、180℃焼戻しである。 本発明に係る合金の代表的な組成の類型を例示すれば次
の通りである。 6− なお、上記各組成中の銅を同量の銅合金で置換したもの
も本発明の範哨に属する。 以下、実施例により本発明の詳細な説明する。 試料の作成 先ず黒鉛粉,銅粉(一部の試料では銅合金粉)およびこ
の2成分を除いた組成の合金粉の3者を第1表.第2表
の各行に示す組成割合に秤吊し、これに潤滑剤としてス
テアリン酸亜鉛1%を添加してV型混合機で20分間混
合した。 合金粉を使用する理由は実験準備が容易なことと、得ら
れる焼結祠の性状の変動が小さいため、傾向を明確に知
ることができるからである。 次にこれらの混合粉それぞれを6j/cTIiの成形圧
力で所要のパッド形状に成形し、分解アンモニアガス中
温度1130℃で30分間焼結した後、下記の条件で熱
処理を施した。なお各試料の密度比おJ:び硬さの測定
値を表中に示した。 焼入れ条件:アルゴンガス中油焼入れ 焼入れ温度:900℃ 焼戻し温度:180℃ 試験の方法 01−I C型4気筒1800ccエンジンを利用した
モータリング試験装置(シュミレーション装置の一種で
、カム軸をモーターで回転さけて動弁機構の各種試験を
行なう装M)を用い、前記の各試料を【]]ツカーアー
のパッド部に取付けてこの装置に組み込んで下記の条件
で試験を行ない、パッドおにび相手部材のカムの摩耗量
を測定した。 カム材質:チル化した鋳鉄材 回転数 : 650 ppm 試験時間:50時間連続運転 潤滑油 二通常のエンジンオイルに体積比で水を2.5
%添加して、摩耗条件を 過酷に設定した。 試験の結果 第1表は前述した既出願の合金(特開昭57−1082
45号)を基本にその改良を図った結果を示したもので
、試181 N O,1はこの既出願の合金そのもので
ある。試料NO62および3は銅含有量が10%未満の
比較例であり、試I N 0.4〜7が適正量の銅を含
有する本発明の実施例、M(1,8と9はそれぞれ、試
料N016の銅を同量の銅合金で置換した実施例である
。 この表およびこれをグラフ化した第2図から、基本の組
成に銅を添加すると、初めは相手部材のカムが逆に摩耗
すること、さらに添加量を増して銅量が10%以上にな
ると、意外にもカムの摩耗が著しく減少することが判る
。この事実が本発明の骨子とする新知見である。N o
、 8はCLI −3n合金を、No、9はCI−Jl
i合金を銅と置換した例で、No、6と効果は同筒部−
にであり、本発明の目的においては銅ど銅合金が均等物
であることを示している。ただし価格は若干高くなる。 N O,10〜13はPの効果を示す例で、本発明の範
囲外であるN O,10および13は本発明月のNO,
11および12より摩耗量が増加している。 −] O− N O,14〜17はCの効果を示す例で、Pの場合と
同様なことがいえる。 次の第2表はS K l) −61などの既存の合金を
基本として、銅の添加によるその改良効果を示したもの
で、罫線で区画された各欄の最初の行は、その備考に記
した合金規格に相当している。 N O,18〜24の欄について説明すると、本発明の
実施例であるN O,21〜24では総摩耗聞がN o
、 18の1/3以下に減少し、銅添加の効果が大ぎく
現われている。銅量10%未満のN o、 19および
20では、逆に摩耗量が増加している。 次の5KI−i9 (No、25〜31の欄)の場合も
ほぼ同様の傾向を示し、本発明の実施例であるN o、
 28〜31ではカムの摩耗および総摩耗量が大幅に減
少しているのに対して、銅10%未満のN O,26お
よび27では、銅添加の効果に有意差が認められない。 N fl、 32〜39については説明しなくても明白
であろう。 11− 以上のデータから判るように、本発明の合金は従来の合
金に比べて自己の耐摩耗f1はもとより、相手部材の摩
耗を著しく減少さゼる点で優れた効果を奏するものであ
って、ロツノj−アームパッド以外の各種部材たとえば
ベーンポンプのベーン。 カムシャフトカム、バルブシートリング4【どにも適用
することができる。 4、図面の簡単な説明 第1図は内燃機関の代表的な動弁機構の構成を例示する
図面、第2図は銅含有量と摩耗量の関係を示すグラフで
ある。 代理人 増 渕 邦 彦

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 重量1ヒて013〜25%、Po、1〜2%。 C0,5〜3%、[Mo0.5〜7%、Wo、1〜8%
    、Vo、1〜3%、Ni0.5〜2%1の群から選択さ
    れる少なくとも2種の元素1〜13%。 Cu1O〜25%および残部Feからなることを特徴と
    する鉄系焼結耐摩耗性材料。 2 上記C0が同量の銅合金で置換された特許請求の範
    囲第1項に記載の材料。 3 上記銅合金がCu−8n合金である特許請求の範囲
    第2項に記載の材料。 4 上記銅合金がCu N +合金である特許請求の範
    囲第2項に記載の材料。 5 重量比で013〜25%、’P O,1〜2%。 [MOo、5〜7%、Wo、1〜8%、Vo、1〜3%
    、Ni0.5〜2%]の群から選択される少なくとも2
    種の元素1〜13%および残部Feからなる合金粉に銅
    粉または銅合金粉を10〜25%と炭素粉0.5〜3%
    を配合し、粉末冶金の通常の条件で所要の形状に成形お
    よび焼結を行なうことを特徴とする鉄系焼結耐摩耗性材
    料の製造法。
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