JPS61174354A - 高温耐摩耗性に優れた含銅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】 ［産業上の利用分野］ 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
シートがあげられる。

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。ここでエンジンバルブが該バルブ
シートに着痩すると、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高温強度や高温耐摩耗性が要求
される。

Ｃ従来の技術〕 内燃機関に用いられるバルブシートなどの動弁部材は、
工具鋼系や高速度鋼系等の合金鋼粉末を圧縮成形して圧
密成形体を形成する工程、圧密成形体を所定の温度に加
熱して焼結して焼結合金を形成する工程から製造される
ことが多い。この動弁部材では、最近の内燃機関の高性
能化に伴い、高温耐摩耗性を尚一層内上させる必要性が
大きくなっている。そのため焼結後の焼結合金に銅を溶
浸して動弁部材を形成することが考えられているが、上
記焼結後の焼結合金は一般に９０％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
ることができないため、高温耐摩耗性の上昇程度は今−
歩であった。そこで近時本出願人は、特願昭５９−７３
２６２号に係る高温耐摩耗性に優れた含銅焼結合金の製
造方法を開発した。（本出願の出願時では未公知）この
製造方法は、焼結と同時に溶浸を行なうものであり、合
金鋼粉末を圧縮成形することにより圧密成形体を形成し
、圧密成形体に銅系溶浸剤を接触させた状態で合金鋼粉
末の液相生成′ｆＡ度より０〜５０℃高い温度に圧密成
形体を加熱し、以て銅を圧密成形体に溶浸すると同時に
圧密成形体を焼結し、気孔率５％以下の焼結合金を形成
する方法である。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は上記した特願昭５９−７３２６２号に係る製造
方法の一環として開発されたものであり、高温耐摩耗性
に優れた含銅焼結合金を形成し得る製造方法を提供する
にある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者は、銅系粉末と合金鋼粉末とを混合した混合粉
末から圧密成形体を形成し、合金鋼粉末の液相生成温度
より１０〜８０℃高い温度に該圧密成形体を加熱し、銅
系粉末および合金鋼粉末より生じた金属液体を該圧密成
形体に生じさせつつ、圧密成形体を焼結すれば、焼結合
金の気孔を５％以下にし得、これにより高温耐摩耗性に
優れた特願昭５９−７３２６２号に係る焼結結合金と同
程度の高温耐摩耗性が得られることを発見した。高温耐
摩耗性が向上する主たる理由は、焼結の際に生じだ液相
を利用することにより気孔の消滅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、本発明の高温耐摩耗性に優れた含銅合金の製造方
法は、粉末全体を重量で１００％としたときに銅の割合
が４〜１２％となるように配合された銅系粉末と合金鋼
粉末とを混合して形成した混合粉末を圧縮成形すること
により、圧密成形体を形成する第一の工程と、 該合金鋼粉末の液相生成！１ｉより１０〜８０℃高い温
度に該圧密成形体を加熱することにより、該銅系粉末お
よび該合金鋼粉末より生じた金属液体を圧密成形体に生
じさせつつ、該圧密成形体を焼結し、気孔率５％以下の
焼結合金を形成する第二の工程とからなることを特徴と
するものである。

以下、本発明に係る製造方法について工程ごとに更に説
明を加える。

（第一の工程） 第一の工程では、銅を主要成分とする銅系粉末および合
金鋼粉末を混合して形成した混合粉末を圧縮成形するこ
とにより、圧密成形体を形成する。

混合粉末全体をｍ間％で１００％としたときに、銅の割
合は４〜１２％程度とする。４％未満では銅による熱伝
導性の改善効果が期待できず、１２％を越えると銅が合
金鋼粉末同志の焼結を阻害して高温強度の低下が著しく
なるので不都合である。

圧密成形体には、一般的に気孔率５〜２５％程度の気孔
が形成されている。ここで気孔率とは、圧密成形体の容
積の中で占める気孔の容積の割合をいう。気孔率の測定
は、具体的には、成形体の真密度に対ケる見掛は密度の
比を求めることによって行なった。圧密成形体としては
、一般に、混合粉末を成形用の押型内に充填した後プレ
スなどによって圧縮成形した圧粉体であるが、場合によ
っては該圧粉体を予備焼結した予備焼結体でもよい。

ここで、予備焼結体とは、ある程度焼結は進行している
が、完全焼結しておらず、気孔が多い焼結体の意味であ
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。

従って合金鋼粉末の液相生成温度は通常的１１００〜１
２００℃程度であり、銅系粉末の融点より高い。この場
合合金鋼粉末は、合金鋼粉末全体を重量％で１００％と
したときに、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）０．３１Ｊｉ％ＩＸ下、シ’Ｊ
コ＞　（Ｓ　ｔ　）１．５重量％以下、マンガン（Ｍｎ
）０．５重ｆｆｉ％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ｔＲ粉末は、上記した組成の
他に、モリブデン（Ｍｏ）０．３〜６．５重量％、タン
グステン（Ｗ）０．５〜１２重口％、バナジウム（Ｖ）
０．２〜５．５重量％、ニアｊ−７（Ｎｂ）　０゜０５
〜３．０重量％のうち一種又は二種以上を、モリブデン
、タングステン、バナジウム、ニオブの合計が１６重回
％以下の割合となるように含んでいてもよい。

又合金鋼粉末は、合金鋼粉末全体を１００重量％とした
ときに、コバルト（Ｇｏ＞２．０〜２０重量％、ニッケ
ル（Ｎｉ）０．５〜１０重量％、銅（Ｃｕ）０．５〜５
重量％のうち一種又は二種以上を、コバルト、ニッケル
、銅の合計が２０重量％以下の割合となるように含んで
いてもよい。

合金鋼粉末の粒径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、合金鋼粉
末は噴霧粉を用いることができる。

尚圧密成形体中の炭素は、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。

次に合金鋼粉末の組成の限定理由につき述べる。

即ち、Ｃｒ　Ｇ、ｔ、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は結晶微粒細
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、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｔ）等と結合して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。

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少ない。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
クスを強化して硬さを増す他、析出炭化物粒子の微細均
一化に役立つ、又合金鋼粉末中のＣｕは、銅系粉末から
生じた液相とのぬれ性の改善に寄与する。従って合金鋼
粉末中のｃ　ｕ　ｔ、ｔ　ｏ　。

５〜５重！ｄ％がよい。

Ｓｉ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。１ｙｌｎ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
。

酸素は主として粉末の表面に出来る酸化物やスラグから
供給され、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。

混合粉末を形成する銅系粉末は一般的に電解銅粉末など
の純銅の粉末、あるいは銅を６０重量％以上含有すると
共にＧｏ、Ｆｅ、Ｍｎ５Ｚｎ１Ｓｎ、ｐｂ等を含有する
銅合金の粉末を用いる。銅系粉末の粒径は必要に応じて
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。銅系粉末中のＣｕ含有量が６０重Ｍ％未満で
は、銅本来の特性である気孔の封孔性、熱伝導性の良さ
が損われるため好ましくない。

第一の工程では、混合粉末を圧縮成形する際には通常用
いられる圧縮手段、例えば−軸圧縮手段、静水圧成形な
どの等方圧縮手段を用いることができる。混合粉末を圧
縮成形する圧縮力としては一般に３〜１０　ｔｏｎｆ／
ｃｍ２とすることができる。

（第二の工程） 第二の工程では、合金鋼粉末の液相生成温度よりも１０
〜８０℃高い温度に圧密成形体を加熱する。液相生成温
度とは、状態図における固相線は意味する。第二の工程
における加熱の際圧密成形体中には、銅系粉末および合
金鋼粉末より融液である金属液体が生じる。そしてこの
第二の工程ではこの金属液体を圧密成形体中に生じさせ
つつ、圧密成形体を焼結する。この結果、気孔率５％以
下例えば後述の実施例で示すように２．２〜４゜３％程
度の緻密な焼結合金が得られる。それは、いわゆる液相
焼結作用による気孔の消滅現象を利用しているからであ
ると推察される。第二の工程は、圧密成形体を熱処理炉
の内へ装入して行なうことができる。熱処理炉内の雰囲
気は例えば分解アンモニアガス雰囲気とすることができ
る。なお、第二の工程に要する時間は１０〜６０分とす
ることができる。

第二の工程で焼結温度を合金鋼粉末の液相発生温度より
１０〜８０℃の高い温度範囲に限定した理由は、１０℃
未満では金属液体の発生量が少な過ぎて液相焼結作用に
よる気孔の消滅現象が生じにくく、気孔が５％以上の状
態となる。また、８０℃を越えると金属液体の発生量が
過度となり、結晶粒や炭化物が粗大化したりあるいは炭
化物が粒界沿いにネットワーク状に析出したりして問題
を生じ、このため焼結合金の脆化あるいは相手材への攻
撃性増大等の１躍動特性劣化につながるからである。さ
らに８０℃を越えると寸法精度の低下があって問題とな
るからである。

尚、液相生成温度は圧密成形体の組成によって種々異な
るが、例えば次のようにして測定することができる。即
ち、圧密成形体中に金属液体が部分的に生じたときには
圧密成形体の熱膨張曲線が急激に変化するため、液相生
成温度はこの熱膨張曲線の変化度合から決定することが
できる。

［発明の効果］ 本発明の製造方法によれば、後述する実施例１〜５の試
験値で示すように、気孔率が５％以下、高温強度が１０
０ｋＯｆ／ｃ１以上の特性をもち、かつ弁座試験におけ
るバルブ沈み量が０．２〜０゜４ミリメートル程度と高
温耐摩耗性が良好である焼結合金を製造することができ
る。

［実施例］ まず、実施例１に係る製造方法について説明する。第一
の工程では、合金鋼粉末全体を１００重量％としたとき
に重量比でＣｒ１２％、Ｃ１，５％、ＭＯ１％、ｖｏ、
８％、Ｓｉ０．２％、ＭｎＯ，３％、Ｏｔｏ、０４％、
残部Ｆｅ及び１％以下の不純物からなる噴霧合金鋼粉末
（−１００Ｍｅｓｈ）を用いした。そして、混合粉末全
体で■」％で１００％となるように、この合金鋼粉末に
グラファイト粉末０．３％（−３５０Ｍｅｓｈ）、銅系
粉末としての電解銅粉８％を添加し、さらに組成外で、
潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．８％を添加混合して
混合粉末を形成し、混合粉末を７　ｔ　Ｏｎｆ　／Ｃｍ
２で圧縮成形してφ２０ミリメートル、φ３０ミリメー
トル、長さ１０ミリメートルなる圧密成形体を形成した
。そして第二の工程で該圧密成形体を分解アンモニアガ
ス雰囲気中において１，２１０℃（圧密成形体の液相生
成温度１．１６０℃よりも５０℃上の温度）で３０分間
加熱し、以て金属液体を圧密焼結体に生じさせつつ圧密
焼結体の焼結を行ない、これにより焼結合金製の試験片
を製造した。尚、使用した合金鋼粉末の組成を第１表に
示し、焼結温度を第２表に示した。

また、同様な方法で実施例２〜実施例５の試験片を第１
表及び第２表に示す条件下で製造した。

尚、実施例３では、銅系粉末としてＣｕ−２０％Ｎｉの
合金粉を、混合粉末全体を重量％で１００％としたとき
に１０％となるように、添加した。

第１図は、実施例１に係る試験片の金属組織を示す顕微
鏡写真である（Ｘ４００）。この写真において、白色の
微細な部分は、Ｆｅ、Ｃｒ、ＭＯ。

■等を含む炭化物であり、黒色の島状の部分は銅である
。

実施例１〜実施例５の試験片について気孔率、高温（５
００℃）圧環強さ、高温耐摩耗性を調べた。気孔率の測
定は焼結体の真密度に対する見掛は密度の比を求めるこ
とによって行なった。圧環強さは高温テスト炉内で加熱
保持した試験片を、半径方向に平行の面で圧縮し、ヒビ
割れが生じ始める時の荷重の値とした。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ｎ＜モーター駆動）を用い、エン
ジンを回転数６．０００ｒｐｍ相当とし、５００℃の条
件下で２４時間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求めた。

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
５％以下であった。即ち、実施例１では３．４％、実施
例２では４．３％、実施例３では３．２％、実施例４で
は２．８％、実施例５では２．２％であった。圧環強さ
は、実施例１では１２０ｋｇｆ／ｍ＋ｅ２、実施例２で
は１００ｋｏｆ／Ｉ１１、実施例３では１２０ｋＯｆ／
ｍｍ２　、実施例４では１１５ｋｇｆ／ｍｍ２　、実施
例５では１１０ｋＯｆ／＋ｕｕであった。バルブ沈み量
は、実施例１では０．３５ミリメートル、実施例２では
０゜３３ミリメートル、実施例３では０．３２ミリメー
トル、実施例４では０．３８ミリメートル、実施例５で
は０．２９ミリメートルであった。ちなみに、第二の工
程を終えた試験片の外径寸法変化率である縮み率は、実
施例１では−３，６％、実施例２では−３，１％、実施
例３では−３，６％、実施例４では−３，９％、実施例
５では−４，４％であった。

［比較例］ この比較例は、特願昭５９−７３２６２号に係る方法〈
焼結同時溶浸）で製造した場合である。

この比較例では、実施例１で用いた合金鋼粉末を主体と
する混合粉末を圧縮成形して圧密成形体を形成゛した。

この比較例の混合粉末には、実施例１〜５とは異なり銅
系粉末は含まれていない。次に、３％ＣＯを含む銅を主
要成分とする粉末を用いて、φ２０ミリメートル、φ３
０ミリメートル、長さ２ミリメートルの銅系圧粉体を形
成し、そして銅系圧粉体を、合金鋼粉末を主体とした前
記圧密成形体の上に１ねた。この状態で分解アンモニア
ガス雰囲気中において１．２００℃（比較例の圧密成形
体の液相生成温度よりも３０℃上の温度）で３０分間加
熱し、以て焼結同時溶浸を行ない、比較例の試験片を製
造した。比較例の試験片についても気孔率、高温圧環強
さ、高温耐摩耗性を同様に調べた。比較例の場合には、
第３表で示すように気孔率は３．２％で、実施例１の３
．４％よりやや小さいものの、また高温圧環強ざは１１
５ｋＱず／論１２で、実施例１の１２０ｋｇｆ／＋＋＋
ｍ２よりもやや低目であった。また、バルブ沈み最につ
いても０．３５ミリメートルで、実施例１と同等の数値
を示した。

（評価） 第３表で示すように、上記した実施例１〜５で番よ、＾
渇耐摩耗、高温強さく圧環強さ）に優れた特願昭５９−
７３２６２号に係る焼結合金と同程度の特性が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１に係る試験片の金属組織を示す顕微
鏡写真である。 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　原符　修 同　　　　　弁理士　丸山明夫 ｚ　　　１　　　′ｅ、　　　（Ｉ　　　１　　　　　
　　　♂−三 ロ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　の優０１　　　１　　　１″′＋　　　コ　
　　　※第２表 第３表

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）粉末全体を重量で１００％としたときに銅の割合
   が４〜１２％となるように配合された銅系粉末と合金鋼
   粉末とを混合して形成した混合粉末を圧縮成形すること
   により、圧密成形体を形成する第一の工程と、 該合金鋼粉末の液相生成温度より１０〜８０℃高い温度
   に該圧密成形体を加熱することにより、該銅系粉末およ
   び該合金鋼粉末より生じた金属液体を圧密成形体に生じ
   させつつ、該圧密成形体を焼結し、気孔率５％以下の焼
   結合金を形成する第二の工程とからなることを特徴とす
   る高温耐摩耗性に優れた含銅焼結合金の製造方法。
2. （２）圧密成形体は気孔率５〜２５％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含銅焼結合金の
   製造方法。
3. （３）合金鋼粉末は合金鋼粉末全体を重量％で１００％
   としたときに、クロム２．５〜２５重量％、炭素０．２
   〜３．０重量％、不可避の不純物、残部鉄の組成を持つ
   特許請求の範囲第１項記載の高温耐摩耗性に優れた含銅
   焼結合金の製造方法。
4. （４）合金鋼粉末は、合金鋼粉末全体を重量％で１００
   ％としたときに、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％、ニオブ０．０５〜３．０重量％のうち一種
   または二種以上を含み、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含銅焼
   結合金の製造方法。
5. （５）合金鋼粉末は、合金鋼粉末全体を重量％で１００
   ％としたときに、コバルト２．０〜２０重量％、ニッケ
   ル０．５〜１０重量％、銅０．５〜５重量％のうち一種
   または二種以上を含み、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含銅焼結合金の製造方法。
6. （６）銅系粉末は、純銅の粉末あるいは銅を６０重量％
   以上含有する銅合金の粉末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含銅焼結合金の製造方法。
7. （７）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
   優れた含銅焼結合金の製造方法。