JPS6024170B2 - 耐摩耗性焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、耐摩耗性に優れ、とくに内燃機関用ロッカ
ーアーム部材として好適な鉄系の耐摩耗性焼結合金に関
する。

従来の内燃機関用ロッカーアームとしては、銭造法ある
いは鋳造法で製造したロッカーアーム本体のカムとの当
り面部に、チル鋳物または競結合金で製造したチップ（
パッドとも呼ぶ）を接合したもの、あるいは前記ロッカ
ーアーム本体のカムとの当り面部に、浸炭・窒化，溶射
，クロムメッキ等の表面処理を施したものなどが用いら
れている。

しかしながら、このような従来の内燃機関用ロッカーア
ームにあっては、近年、内燃機関の出力向上ならびに効
率向上等のために、運転条件がより厳しくなっており、
それに伴ない上記ロッカーアームのカムとの当り両部お
よび相手村であるカムにそれぞれ次に示すような問題を
生じている。

すなわち、■ チル鋳物の場合： 寸法精度が悪いので鋳造後に仕上加工（全面研摩仕上加
工）を施す必要があり、このためにかなりの工数を要す
る。

■ 暁結合金の場合： ■ ／・ィス系の組成をもつものでは、ロッカーアーム
チップの摩耗は小さいが、相手材であるカムの摩耗が比
較的大きくなることがある。

また、現時点において高価なＷやＭｏの添加量が多いた
め、製品価格の上昇をもたらす。＠ Ｆｅ−高Ｃｒ−Ｓ
ｉ−Ｍｏ系のものとして、Ｆｅに、１０〜１５重量％Ｃ
ｒ、２〜４重量％Ｓｉ、１〜１．５重量％Ｍｏ、その他
適量のＮｉ，Ｐ，Ｓ、さらに１．５〜２．０重量％Ｃを
加えたものがあるが、耐摩耗性がいまだ十分であるとは
いえず、使用条件が厳しくなると摩耗が大きくなり、要
求限度を越えてしまうことがある。

■ Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系のものに焼入れ焼戻し処理および
／または窒化処理を施すものでは、上記処理以前の段階
では耐摩耗性が不足しているため、暁結後に上記熱処理
および／または窒化処理のような後処理を施しているが
、この後処理が煩雑であると共に、製品価格の上昇をも
たらす。

■ 窒化・浸炭処理の場合： 耐摩耗性が十分でない。

■ 目溶性合金を溶射する場合： ロッカーアームチップの摩耗は小さいが、相手村である
カムの摩耗が大きい。

■ クロムメッキの場合： スカッフィング（ｓｃ山ｆｉｎｇ）やめつき層のはくり
を生じやすい。

などの如くである。

この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、粉末冶金的な手法によって、比較的やわらかい
Ｆｅ系のマトリックス中に、Ｆｅ−１０〜３５重量％Ｃ
ｒ−１．０〜２．５重量％Ｂを含む硬化物層を分散させ
、さらに必要によりＣｕ，Ｐｂ，Ｓｎ等の潤滑物質を分
散させ、好ましくは成形・焼結後の空孔率を５〜３５％
にして前記空孔内への潤滑油の含浸を可能にすることに
よって、上記問題点を解決することを目的としている。

すなわち、この発明に基づく耐摩耗性焼結合金は、Ｆｅ
−１０〜３５重量％Ｃｒ−１。０〜２．５重量％Ｂおよ
び残部実質的に不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉
末を１６〜５０重量％と、黒鉛粉末を０．５〜２．５重
量％と、必要に応じてＣｕＰｂ、Ｓｎのうちから選ばれ
る少なくとも１種以上の粉末を２〜１５重量％と、残部
Ｆｅ粉末（低合金Ｆｅ粉末を含む）とを加え、通常の鉄
系焼結合金と同様に混扮したのち成形・燐結してなり、
暁結後の成分が、Ｃｒ：１．６〜１７．５重量％、ＢＯ
．１６〜１．２５重量％、Ｃ：０．５〜２．５重量％、
および必要に応じＣｕ，Ｐｂ，Ｓｎのうちから選ばれる
少なくとも１種以上の金属：２〜１５重童％、磯割Ｆｅ
よりなることを特徴とし、前記成形・舵絹に際しては、
たとえば前記粉末を混粉したのち５〜執 ｂｎ／地の圧
力で成形し、１１５０〜１２００℃の温度で、３０〜６
０分間還元性もしくは真空雰囲気中で蛾結し、空孔率が
５〜３５％である暁結体としたことを特徴としている。

この発明において使用するＦｅ−１０〜３５重量％Ｃｒ
−１．０〜２．５重量％Ｂおよび残部実質的に不純物か
らなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末は、競緒過程において
、鉄系のマトリックスと固体拡散もしくは液相競結によ
り結合して前記マトリックス中に分散される。

このとき、前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末のＣｒおよび
Ｂの添加量は、次の理由により各々の範囲に限定される
。

Ｃｒ：１０〜３５重量％， Ｃｒは、Ｃｒ棚化物および後で添加する黒鉛と結びつい
てＣｒ炭化物を作り、マトリックス中に析出する。

そのため、Ｃｒ量はＢ量とＣ量とのつり合いが大切であ
り、１の重量％未満では添加量が少なすぎるために最終
的な製品としての耐摩耗性不足となり、３５重量％超過
では粉末の硬度が高くなりすぎるため成形性が低下して
しまう。Ｂ：１．０〜２．５重量％， Ｂは、前述した如くＣｒと結びついてＣｒ剛化物を作る
が、１．広重量％未満ではＣｒ棚化物の析出量が不足し
、２．５重量％超過ではＣｒ棚化物の析出量が多すぎて
粉末成形時の成形性が劣るので好ましくない。

次に、上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末と、黒鉛粉末と、
残部マトリックスとなるＦｅ粉末とを加えて混合するが
、上記マトリックスとなるＦｅ粉末としては、アトマィ
ズ鉄粉，還元鉄粉，カーボニル鉄粉等の純鉄粉のほかに
、低合金Ｆｅ粉末なども使用することができる。

この低合金Ｆｅ粉末としては、たとえば現在競結鍛造用
などに用いられているＦｅ系の合金粉末などを使用する
ことができる。上記マトリックスとなるＦｅ粉末（低合
金Ｆｅ粉末）と混合するＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末およ
び黒鉛粉末の添加割合、さらには必要に応じて加えるＣ
↓Ｐｂ，Ｓｎのうちから選ばれる少なくとも１種以上の
粉末の添加割合の限定理由は次のとおりである。

Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末：１６〜５の重量％，Ｆｅ−
Ｃｒ−Ｂ系合金粉末は、これまでにも述べたように、暁
結工程においてＦｅ系のマトリックスと結びついて硬質
相としてマトリックス中に分散されて耐摩耗性を向上さ
せる。

しかし、１亀重量％未満ではマトリックス内での分散度
合が少なく、最終的に耐摩耗性不足となるので好ましく
ない。反対に、５の重量％を超えて添加しても粉末成形
性が劣るだけであり、耐摩耗性に対する効果が薄くなる
ので好ましくない。そして、特に好ましい範囲は２０〜
２５重量％である。黒鉛粉末：０．５〜２．５重量％， 黒鉛粉末は、マトリックス中に拡散して、前記マトリッ
クスの硬さおよび強さを高める一方、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系
合金粉末中にも拡散して炭化物を形成するが、０．５重
量％未満ではＣｒ炭化物の析出量が少なく耐摩耗性に劣
るので好ましくなく、２．５重量％を超えるとＣｒ炭化
物の析出量が多くなりすぎ、脆くなったり、相手材を摩
耗させたりするので好ましくない。

Ｃ↓ Ｐｂ，Ｓｎ：全量で２〜１５重量％、Ｃｕ，Ｐｂ
，Ｓｎは、潤滑物質としてそれらのうちから少なくとも
１種以上必要に応じて選択的に添加される。

これらＣｕ，Ｐｂ，Ｓｎは、焼結工程において液相を発
生し、それぞれが合金化すると同時にＦｅ合金との濡れ
性を向上させる。上記Ｃｕ，Ｐｂ，Ｓｎは、それぞれ単
独の形、２元系（Ｃｕ−Ｐｂ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ｐｂ−Ｓｎ
）の形、あるいは３元系（Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ）の形のう
ちのいずれの添加手段をとったときでも、それらの添加
量が適切であれば潤滑性ならびになじみ性の向上に寄与
するが、添加量が２重量％未満では効果が薄く、１５重
量％を超えて添加しても潤滑性ならびになじみ性に対す
る効果の向上はあまり認められず、かえって糠結品の強
度ならびに耐魔性が低下してしまうので好ましくない。
このようにして、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末と、黒鉛粉
末と、必要に応じてＣｕ、Ｐｂ、Ｓｎのうちの少なくと
も１種の粉末とを上述した添加割合でＦｅ粉末に混合し
、通常の鉄系競結合金と同様に混合したのち成形・暁結
することによって、Ｃｒ：１．６〜１７．５重量％、Ｂ
：０．１６〜１．２５重量％、Ｃ：０．５〜２．５重量
％、および必要に応じてＣｕ，Ｐｂ，Ｓｎのうちから選
ばれる少なくとも１種以上の金属：２〜１５重量％、残
部Ｆｅよりなる耐摩耗性暁結合金を得るが、以下にその
際の成形・暁結条件さらには後処理条件の好ましい一例
を示す。

まず、成形にあたっては、通常の粉末の成形手法で成形
可能であるが、成形圧力があまり低すぎると最終製品の
強度が低くなり、反対に成形圧力が高くなりすぎると成
形用金型の寿命が短かくなり、結果的にコスト高になっ
てしまうことから、成形圧力としては、５〜掛りｎ／の
程度が好ましい。次に、暁絹に際しては、温度、時間、
雰囲気などについて条件が選定されるが、それらのうち
、競結温度が低すぎると、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末と
マトリックスのＦｅ粉末との拡散が不十分になり、使用
時に脱落してピッチングの原因となるおそれを生ずる。

また、競結温度が高すぎると、Ｆｅ−Ｃｒ一Ｂ系硬化物
層が軟化したり、マトリックス中に拡散しすぎたりする
ことにより、最終的に耐摩耗性が低下してしまうため、
望ましくは１１５０〜１２００午０の範囲とするのがよ
い。また、競給時間については、上記の暁結温度範囲の
場合、３０〜６０分とするのが望ましい。すなわち、こ
れよりも時間が短かすぎるとＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末
とマトリックスとの拡散が不足し、反対に時間を必要以
上長くしてもその効果がうすく、極端な場合には硬化物
相が軟化してしまうので好ましくない。さらに、競結雰
囲気については、還元性あるいは真空雰囲気でおこなう
のが良いが、酸化しやすいＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末を
マトリックスと強固に焼結させるためには、０２あるい
は日２０含有量の少ない雰囲気にするのが望ましい。さ
らに、暁給後の製品の空孔率については、ある程度空孔
が存在した方が、含油効果があるため耐摩耗性に好結果
を与えるが、あまり空孔が多すぎると、面圧に対してマ
トリックスの座嵐を生じて凹みの原因となることから、
５〜３５％程度とするのが好ましい。

このようにして得られた焼結合金は、比較的やわらかい
Ｆｅ系のマトリックス中に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系の硬い物
質が均一に分散したものであるから、耐摩耗性に非常に
優れており、とくにロッカーアームチップとして使用し
た場合に耐摩耗性ならびになじみ性にかなり優れた効果
を発揮するため、基本的には後処理として熱処理や表面
処理を施す必要はない。

しかしながら、たとえばロッカーアームチップの場合、
相手材であるカムに対して悪影響を与えなければ、耐摩
耗性をさらに付与するための表面処理、例えば窒化処理
等を施してもよいことはもちろんである。以下、実施例
について説明する。

実施例 １ 原料として、一１００メッシュの還元鉄粉よりなるＦｅ
粉末に、一１００メッシュのＦｅ−２の重量％Ｃｒ−１
．５重量％Ｂ合金粉末２の重量％と、黒鉛粉末２重量％
とを加え、さらに全重量に対して０．７５重量％のステ
アリン酸亜鉛も添加した後、Ｖ型混合機で１５分間混合
した。

その後、得られた混合粉末を執りｎ／地の圧力でロッカ
ーアームチップの形状に圧粉成形したのち、脱水剤中を
通過させた日２ガス雰囲気中で１１７５ｑｏ×３び分間
の条件で焼結し、空孔率１５％の焼結ロッカーアームチ
ップを得た。実施例 ２原料として、一８０メッシュの
Ｆｅ−１．の重量％Ｃｒ−０．抗重量％Ｍｎ−０．２句
重量％Ｍｏの組成になる低合金Ｆｅ粉末に、一１００メ
ッシュのＦｅ−１５重量％Ｃｒ−２．の重量％Ｂ合金粉
末３の重量％と、黒鉛粉末１．５重量％とを加え、さら
に全重量に対して０．７５重量％のステアリン酸亜鉛を
添加混合した後、得られた混合粉末を靴ｂｎ／地の圧力
でロッカーアームチッの形状に圧粉成形したのち「真空
雰囲気中で１１９０００×４５分間の条件で蛾結し、空
孔率５％の健結ロッカーアームチップを得た。

実施例 ３ 原料として、一１００メッシュのアトマィズ鉄粉よりな
るＦｅ粉末に、一１００メッシュのＦｅ−３の重量％Ｃ
ｒ−１．の重量％Ｂ合金粉末２の重量％と、黒鉛粉末１
．０重量％と、平均粒径１０５Ａ以下の電解Ｃｕ粉末５
重量％と、−２００メッシュの贋霧Ｐ材扮末２．の重量
％と、一２００メッシュの頃霧Ｓ材粉末１．の重量％と
を加え、さらに全重量に対して１．０重量％のステアリ
ン酸亜鉛を添加混合した後、得られた混合粉末を肌ｎ／
仇の圧力でｏッカーアームチップの形状に圧粉成形した
のち、純化装置を通過させたりガス雰囲気中で１１６５
００×６０分間の条件で燐結し、空孔率２０％の焼結ロ
ッカーアームチップを得た。

実施例 ４ 原料として、一８０メッシュのＦｅ−３．５重量％Ｃｒ
一０．３重量％Ｍｏ−０．３重量％Ｖの組成になる低合
金Ｆｅ粉末に、一１００メッシュのＦｅ−２の重量％Ｃ
ｒ一１．５重量％Ｂ合金粉末１亀重量％と、黒鉛粉末１
．０重量％と、一１００メッシュの鉛青銅（Ｃｕ−１の
重量％Ｐｂ−１の重量％Ｓｎ）粉末５重量％とを加え、
さらに全軍量に対して０．７５重量％のステアリン酸亜
鉛を添加混合した後、得られた混合粉末を乳ｏｎ／地の
圧力でロッカーアームチップの形状に圧粉成形したのち
、純化装置を通過させた日２ガス雰囲気中で１１７０ｑ
ｏ×３０分間の条件で暁結し、空孔率１３％の暁緒ロッ
カーア−ムチップを得た。

比較例 １ ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）を素材としてチル鋳物よりなる
ロッカーアームチップを作成した。

比較例 ２ 機械構造用炭素鋼（Ｓ４＆）を素材としてロッカーアー
ム本体を製作し、前記本体のカムとの当り面部にタフト
ラィド処理を施した。

この場合のタフトライド処理は、５７０ｑ○×２時間の
条件でおこなつた。比較例 ３ 機械構造用炭素鋼（Ｓ４＆）を素材としてロッカーアー
ム本体を製作し、前記本体のカムとの当り面部にＮｊ基
目溶性合金を肉盛溶射した。

このときのＮｉ基目溶性合金の組成は、Ｎｉ−１４重量
％Ｃｒ−３重量％Ｂ−４．５重量％Ｓｉ−４重量％Ｆｅ
−０．６重量％Ｃのものである。比較例 ４ Ｆｅ−４重量％Ｃｒ−４重量％Ｍｏ−６重量％Ｗ−２重
量％Ｖ−０．９重量％Ｃの組成をもつ合金粉末を、ａＰ
ｎ／地の圧力でロッカーアームチップの形状に圧粉成形
した後、真空雰囲気中で１２００００×１時間の条件で
糠結し、その後再加熱および再圧縮して空孔率を９％に
調整し、次いで１２００ｏｏの温度に加熱焼入れし、５
５０００×１時間で焼戻し、これを２回線返えして糠結
ロッカーアームチップを得た。

比較例 ５ 還元鉄粉よりなるＦｅ粉末に、Ｆｅ−５の重量％Ｃｒ粉
末、Ｆｅ−７５重量％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−６の重量％Ｍｏ
粉末、Ｆｅ−２５重量％Ｐ粉末および純Ｎｊ粉末と、黒
鉛粉末とを加え、Ｆｅ−１２重量％Ｃｒ−３重量％Ｓｉ
−１重量％Ｍｏ−１重量％Ｎｉ−０．５重量％Ｐ−２重
量％Ｃの組成になるように調整混扮したのち、７のｎ／
地の圧力でロッカーアームチップの形状に圧粉成形し、
次いで真空雰囲気中で１２０００Ｃ×１時間の条件で暁
結して、空孔率１５％の競結ロッカーアームチップを得
た。

比較例 ６ アトマィズ鉄粉よりなるＦｅ粉末に、Ｆｅ−５０重量％
Ｃｒ粉末、Ｆｅ−２０重量％Ｂ粉末と、黒鉛粉末とを加
え、Ｆｅ−４重量％Ｃｒ−０．１重量％Ｂ−１．５重量
％Ｃの組成になるように調整混粉したのち、６のｎ／地
の圧力でロッカーアームチップの形状に圧粉成形し、次
いで真空雰囲気中で１２５０ｑＣ×４ぴ分間の条件で暁
結し、その後５７０００のタフトラィド塩浴中に１２０
分保持して窒化処理をおこなった。

なお、暁結品の空孔率は１１％である。耐久試験 次に、上記実施例１〜４に示す本発明品と、比較例１〜
６に示す比較品とを供試材として、表１に示す条件で耐
久試験をおこなった。

なお、この耐久試験では、潤滑油に水を添加すると共に
、バルブスプリング力を高めて試験を促進させるように
した。その結果を表２に示す。表１ 表２ 表２の結果から明らかなように、実施例１〜４の供誌村
の場合に、ロッカーアームチップ摩耗量および相手材で
あるカム摩耗量のいずれもが相当小さい値となっており
、比較例１〜６のものに比べてかなり優れていることが
わかる。

以上説明したように、この発明によれば、比較的やわら
かいＦｅ系のマトリックス中に、Ｆｅ一Ｃｒ−Ｂ系の硬
い物質を均一に分散させて耐摩耗性の向上をはかり、さ
らに必要に応じてＣｕＰｂ、Ｓｎ等の潤滑物質を添加す
ることによってなじみ性を改善し、耐摩耗性に非常にす
ぐれた暁結合金を得ることができる。

そして、この暁結合金をとくに内燃機関用ロッカーアー
ムチップに適用した場合に、上記すぐれた耐摩耗性なら
びになじみ性に合わせて、空孔中に含浸させた潤滑油の
働きも加わって、従来のロッカーアームチップに比較し
てロッカーアームチップ自体および相手材であるカム両
方共において摩耗の非常に小さいものとすることが可能
である。さらに、この発明の競結合金は、成形・競緒工
程共に何んら特別な装置・手法も必要とせず、従来の一
般的な粉末冶金的手法を採用して製造することによって
耐摩耗性に非常にすぐれたものとすることができ、基本
的には熱処理や表面処理等の後処理が不要であり、現時
点において高価な合金元素であるＭｏやＷ等を含まない
ため価格を低くおさえることができるなどの非常にすぐ
れた効果をもたらしうる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｆｅ−１０〜３５重量％Ｃｒ−１．０〜２．５重量
   ％Ｂおよび残部実質的に不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ
   系合金粉末を１６〜５０重量％と、黒鉛粉末を０．５〜
   ２．５重量％と、残部Ｆｅ粉末とを加えて成形・焼結し
   てなり、Ｃｒ：１．６〜１７．５重量％、Ｂ：０．１６
   〜１．２５重量％、Ｃ：０．５〜２．５重量％、残部Ｆ
   ｅよりなることを特徴とする耐摩耗性焼結合金。 ２ Ｆｅ−１０〜３５重量％Ｃｒ−１．０〜２．５重量
   ％Ｂおよび残部実質的に不純物からなるＦｅ−Ｃｒ−Ｂ
   系合金粉末を１６〜５０重量％と、黒鉛粉末を０．５〜
   ２．５重量％と、Ｃｕ，Ｐｂ，Ｓｎのうちから選ばれる
   少なくとも１種以上の粉末を２〜１５重量％と、残部Ｆ
   ｅ粉末とを加えて成形・焼結してなり、Ｃｒ：１．６〜
   １７．５重量％、Ｂ：０．１６〜１．２５重量％、Ｃ：
   ０．５〜２．５重量％、およびＣｕ、Ｐｂ、Ｓｎのうち
   から選ばれる少なくとも１種以上の金属：２〜１５重量
   ％、残部Ｆｅよりなることを特徴とする耐摩耗性焼結合
   金。