JPS6119760A - 耐摩耗焼結合金 - 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】 １、産業上の利用分野 本発明は耐摩耗焼結合金に関し、更に詳述すれば、例え
ば内燃機関の弁座のような苛酷な条件下で使用される摺
動部品の材料として好適な改良された耐摩耗焼結合金に
関する。

２、従来技術 近年、内燃機関が小型、高出力化する一方、ガソリンエ
ンジンにあ′りては燃料が無鉛ガソリンへ移行し、或い
はＬＰＧが使用されるようになったのに伴なり１弁座は
高負荷で而も相手パルプの金属と７００〜８００°Ｃの
高温で直接接触して熱間衝撃を受けるという苛酷な条件
に曝されるようになったので、弁座の耐摩耗性に対する
要求が益々厳しくなって来ている。

また、ディーゼルエンジンにあってはガソリンエンジン
に較べて燃焼圧力や温度が高く、更に燃料中の硫黄やバ
ナジウムによる化学的腐蝕を伴なう摩耗現像が起り、弁
座は一層苛酷な条件下で使用される。

粉末冶金法によって製造される焼結合金、なかんずく鉄
基焼結合金は、溶製材に較べて金属組織を所望の組織と
することが容易であるところから、近年、機械部品材料
への適用範囲が拡大されてきておシ、弁座の材料として
も多数の改良がなされているが、特に近時の小型、高出
力化された内燃機関の弁座材料としては充分に満足でき
るには至っていない。

３　発明の目的 本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの−であって、
例えば近時の小型、高出力化された内燃機関の弁座等に
使用しても充分な耐久性を示す耐摩耗焼結合金を提供す
る仁とを目的としている。

４、発明の構成 即ち、本発明の第１の発明は、炭素０．０５ｉ量チ、か
らなる析出硬化型鉄基合金基地中に、窒化チタン粒子が
気孔を除く部分の面積比で２〜３０％分散し、１０チ以
下の気孔率を有する耐摩耗焼結合金に係る。

また、本発明の第２の発明は、炭素０．０７重量％以下
、ニッケル３〜５重量％、クロム１５，５〜１７．５重
量％、銅３〜５重量％、ニオブ０．１５〜０．４５重量
％、残部が実質的に鉄からなる析出硬化型鉄基合金基地
中に、窒化チタン粒子が気孔を除く部分の面積比で２〜
３０チ分散し、１０％以下の気孔率を有する耐摩耗焼結
合金に係る。

即ち、本発明は、高強度で耐摩耗性を有する析出硬化型
鉄基合金の基地中に、耐摩耗性を一層改善するため、上
記基地中に窒化チタン粒子を分散させたことに特徴があ
シ、このような合金は溶製法によって製造するのは極め
て困難であるので粉末冶金法によって焼結合金とする。

第１の発明にあっては、基地をマレージング鋼の組成と
し、時効処理拠よってＮｉ−Ｍｏ系やＦｅ　−Ｍｏ系の
析出相をマルテンサイト基地中に析出させて硬度を上げ
、機械的強度と耐摩耗性を改善する。

第２の発明にあっては、基地を析出硬化型ステンレス鋼
の組成とし、時効処理によって銅に富む析出相やＮｉ−
Ｎｂ系、Ｆｅ−Ｎｂ系析出相をマルテンサイト基地中に
析出させて硬度を上げ、機械的強度と耐摩耗性を改善す
る。

次に本発明を構成する各成分元素及び分散相について説
明する。

先ず、第１の発明に於いて基地を構成する各成分元素に
ついて説明する。

ニッケルは基地をマルテンサイト化すると共にモリブデ
ンとＮｉ−Ｍｏ系析出相として析出し、機械的強度と硬
度を上げて耐摩耗性に寄与するが、１２重量％（以下重
量％を単に「％」で表わす０）未満では上記効果が顕著
ではなく、１９％を越えると残留オーステナイトが多く
なって硬度を下げるので、１２〜１９％の範囲とする。

モリブデンは上記Ｎｉ−Ｍｏ系析出相のほかにＦｅ−Ｍ
ｏ系析出相として析出し、機械的強度と硬度を上げて耐
摩耗性に寄与するが、３チ未満では上記効果が顕著では
なく、５チを越えても上記効果の増大は顕著ではない上
にフェライトを安定にして却って硬度を下げるようにな
るので、３〜５チの範囲とする。

コバルトは基地に固溶してこれを強化すると共に、基地
中へのモリブデンの固溶限を下げて前記モリブデンによ
る析出硬化を助長するが、７チ未　・満では上記効果が
顕著ではな（，１０％を越えると残留オーステナイトが
多くなって硬度を下げるので、７〜１０％の範囲とする
。

炭素は不純物であって、モリブデンと結合して炭化物を
形成し、前記析出硬化に寄与するモリブデンの量を減少
させ、また、後述する回転鍛造等に於ける加工性を悪く
するので低い程望ましく、０．０５％迄が許容できる範
囲である。

次に、第２の発明に於いて基地を構成する各成分元素に
ついて説明する。

ニッケルはクロムと共に基地をマルテンサイト化し、更
にニオブとＮｉ−Ｎｂ系析出相として析出し、機械的強
度と硬度を上げて耐摩耗性に寄与するが、３％未満では
上記効果が顕著ではなく、５’％を越えると残留オース
テナイトが多くなって硬度を下げるので、３〜５チの範
囲とする。

ニオブは上記Ｎｉ−Ｎｂ系析出相のほかにＦｅ　−Ｎｂ
系析出相として析出し、機械的強度と硬度を上げて耐摩
耗性に寄与するが、０．１５％未満では上記効果が顕著
ではなく、０．４５％を越えても上記効果の増大は顕著
ではない上に脆くなって加工性を悪くし、また、高価で
あるので経済上の理由をも考慮して、ｏ、ｉｓ〜０．４
５％の範囲とする。

銅は銅に富む析出相として析出し、機械的強度と硬度を
上げて耐摩耗性に寄与するが、３チ未満では上記効果が
顕著ではなく、５チを越えると脆くなって加工性を悪く
するので、３〜５チの範囲とする。

クロムはニッケルと共に基地をマルテンサイト化し、前
記ニッケルの含有量に対応する好適な範囲は１５．５〜
１７．５％である。クロムはまた、高温強度と耐蝕性を
改善するので高温及び／又は腐蝕性雰囲気中で使用する
場合に特に有用である。クロムが１５．５％未満ではこ
れらの効果が充分ではなく、１７．５％を越えるとフェ
ライト、残留オーステナイト共に多くなって硬度を下げ
、また加工性を悪くする。

炭素は前記第１の発明に於けると同様に不純物であって
、ニオブと結合して炭化物を形成し、前記析出硬化に寄
与するニオブの量を減少させ、また加工性を悪くするの
で低い程望ましい。第２の発明にあっては炭素０．０７
％迄が許容できる範囲である。

なお、第１の発明、第２の発明共に前記各合金元素は、
少なくともその大部分を原料粉末中に含有させておくの
が、即ち、これら合金元素を含有するプレアロイ粉末を
使用するのが良い。その理由は、各単体の粉末を配合し
てなる混合粉を使用すると、焼結中にこれらを完全に拡
散させて均一にすることは極めて困難でアシ、焼結合金
の組織が不均一になるからである。

基地中に分散させる窒化チタン粒子は硬質であって、耐
摩耗性に寄与する。その粒径は平均で２〜７０％ｍの範
囲で、かつ、最大粒径１００メツシー（１４７μｍ）以
下が好適である。平均粒径が２μｍよシも細かいと均一
に分散させることが困難であ’）、７０％ｍを越えると
相手摺動部品を傷付けるようになシ、また切削加工が困
難と。なる。

分散量は容積比（顕微鏡下での面積比に等しい。

で２〜３（１％の範囲が好適である。焼結合金は封孔の
ための処理を特に施さない限シ、通常は気孔を内在して
いるが、上記分散量は気孔を除く実体の部分中の分散量
である。これは重量比にすると１．５〜２０チとなる。

このように構成された本発明焼結合金全体の化学組成は
次の通シとなる。

即ち、第１の発明では、炭素０．０５９６以下、ニッケ
ル９．６〜１８７％、モリブデン２，４〜４．９％、コ
バルト５６〜９．９％、チタン１．１６〜１５．５％、
窒素０．４４〜６８％、残部が実質的に鉄からなる組成
となシ、第２の発明では、炭素０．０７％以下、ニッケ
ル２，４〜４．９％、クロム１２．４〜１７．２％、銅
２．４〜４．９チ、ニオブ０，１２〜０．４４％、チタ
ン１．１６〜１５．５％、窒素ｏ、４４〜６．８％、残
部が実質的に鉄からなる組成となる。

気孔率は機械的強度及び耐摩耗性の観点から１０チ以下
とする。焼結合金は一般に１２〜１８％の気孔率を有し
ている。特に本発明に於けるような合金元素を多量に含
有する鉄基焼結合金にあって、前述したような理由から
プレアロイ粉末を原料粉とすると、圧縮性が良好ではな
（，６ｔ／ｃｍ”程度の通常の成形圧によるときは、気
孔率は２０％程度に迄高くなる。

本発明にあって気孔率を１０チ以下に低下させる方法と
しては、鍛造のような塑性加工、特に回転鍛造によるの
が好適である。

５、実施例 下記第１表に示す化学組成の原料粉を、下記第２表に示
すように配合し、これに潤滑材としてステアリン酸亜鉛
粉末０．７５％を添加、Ｖ型混合機で少なくとも２０分
間混合し、これら混合粉を６　ｔ／ｃｍ　”の成形圧で
外径３５．３■、内径２８７■、高さ７ｍに成形し、焼
結して環状焼結体とした。

第１表 註１）粒度の＝（マイナス）を付した数字は当該メツシ
ュのふるいを通過したことを表す０８０メツシユは１７
５μｍ、　１００メツシユは１４７μｍ１１５０メツシ
ユは１０４μｍ、　３２５メ、シュは４４μｍである。

註ｆ）窒化チタン（ＴｉＮ）は０．１３％Ｃ，０，０２
１＋Ｆｅ。

２２．２３％Ｎ、０．７２％０１残部Ｔｉの化学組成で
、粒度は一３２５メツシュ、平均粒径６．２６μｍでち
る。

第２表 焼結方法は、Ａ１．２．４についてはＡＸガス雰囲気中
で９００°Ｃに１５分間加熱のバーンアウト処理後、Ｉ
Ｘ　１０’−”　４０ｒｒの真空中で１３００’Ｃに６
０分間加熱、Ａ３．５については上記と同様のバーンア
ウト処理後、７００　ｔｏｒｒの窒素ガス雰囲気中で１
２５００Ｃに６０分間加熱、／１６６．７についてはＡ
Ｘガス雰囲気中で前記と同様のバーンアウト処理後、引
続き１１２０°Ｃに９０分間加熱の方法によった。

なお、上記焼結に引続いてＡ１．２．３．４、喚 ５については９００°Ｃから急冷の固溶体処理を、扁６
．７については７００°Ｃに再加熱、６０分間保持して
から徐冷の焼鈍を施した。

かくして得られた環状焼結体を回転鍛造によって密度を
上げた（気孔率を下げた）。

使用した回転鍛造装置は第１図及び第２図に概要を示す
ものであって、図においてダイ１は弾性体（ばね或いは
ウレタン樹脂等）３ａによってダイベース２に弾発的に
支承されておシ、ダイ１の中央部の円形中空孔内には下
ポンチ４が夕°イ１に摺接して上下するように設けられ
、環状の下ポンチ４の内側にはコア５がその頭部が下ポ
ンチ４の上部環状部に摺接して嵌装され、コア５の下部
は弾性体（前記と同様）　３ｂを介して下パζンチ４０
基部に支承されており、ダイ１の中空孔の側面１ａ。

下ポンチ４の上端４ａ、　　およびコツ５０頭部側面５
ａによって形成される環状のダイ溝６の中に鍛圧さるべ
き前記の焼結体Ｒが基≠無奪念≠七千挿入される。

上ポンチ７は円柱状で端部は頂角θの直円錐状になって
おり、円錐面が平らにダイおよびコア上面に接して、円
柱中心軸ＯＢがα＝（１８０−リ×丁だけダイ溝６の中
心線ＯＡに対して傾いて図示しない球座軸受に支承され
、図示しない駆動装置によって軸ＯＡのまわシに首振シ
回転するようにしである。

ダイベース上におかれその上昇高さを制限するストッパ
８は焼結体の圧縮高さによってその厚さが決められ、ダ
イベース２を通してダイ１にねじこまれた調節ねじ１０
はダイ１の水平を調節し、カラー１０ａによって環状ダ
イ溝の深さを調節することができる。ダイベースを取付
ける台板１１は図示しない流体圧シリンダによって上下
し、下ポンチ４を上下させる。下ポンチ４０基部は図示
しない第２の流体圧シリンダのピストンロッド１２に接
続され台板１１と関係なく上下できるようにもしである
０ 上記のような構造なのでまず台板１１を下げておいて環
状のダイ溝６に焼結体Ｒをその上面がダイ面から少し下
になるように挿入し、台板１１を図示しない流体圧シリ
ンダによって上昇させればダイ１の上面が上ポンチ７の
円錐状加圧面に接するよの曲面はその母線が頂点Ｏを中
心として順次ダイ面に接しながら回転する。

台板１１を流体圧シリンダによって更に上昇させればダ
イ１とコア５は弾性体３ａまたは３ｂの弾力によって上
ポンチア０円錐面に押しつけられ、下ポンチ４は台板１
１と共に上昇するから環状ダイ溝６内の焼結体Ｒは溝内
を押上げられてその上面が上ポンチの円錐曲面に押しつ
けられ、台板１１の上昇に従って上ポンチによって加圧
力を受けて圧縮される。

台板１１が上昇を続はストツノく８がダイ１の下面につ
き当ると台板１１は上昇を停止し、下ポンチ４の上昇も
停止する。上ポンチ７は暫くの間回転を続け、焼結体Ｒ
がダイ面と同じ高さまで圧縮されると上ポンチの加圧力
は作用しなくなるから、所定時間経過後台板１１の流体
圧シリンダを逆に作動させ台板１１を所定位置まで降下
させたのち、下ポンチ４に接続されたピストン１２を上
昇させると焼結体Ｒはダイ溝６から上方へ押出され、図
示しない取出しレバーによって鍛圧機外へ運ばれる。

このような装置を使用して気孔率を下げた焼結体は、内
部に微細な亀裂が生ずるので、これを消滅させるために
、Ａ１．２．４についてはｌＸｌ０”’ｔ：ｏｒｒの真
空中で、Ａ３．５については７００　ｔｏｒｒの窒素ガ
ス雰囲気中で１２５０°Ｃに１時間の再焼結をＡ６．７
についてはＲＸガス雰囲気中で１５°Ｃ／ｍｉｎの加熱
速度で７００〜９５０°Ｃに加熱、この温度に２０分間
保持してから、５°Ｃ／ｍｉｎの加熱速度で１１２０°
Ｃに加熱、この温度に５０分間保持してから、３０〜ｉ
０’ｃ／ｍｉｎの冷却速度で室温近く迄冷却する再焼結
を施した。

次にＡ１．２．４については５２０°Ｃに２時間加熱の
時効処理を、Ａ３．５については６００°Ｃに２時間加
熱の時効処理を夫々施した。

上記の処理を施した焼結体の分析値及び気孔率は下記第
３表に示す通シである。

これら焼結体の組織をム１を例に挙げて４００倍の顕微
鏡写真で第３図に示す。時効処理によって前記析出相が
析出した（光学顕微鏡ではこの一析出相は観察できない
。）マルテンサイト基地１５中に白色に見える（顕微鏡
下では黄色に見える）窒化チタン粒子１７が分散した組
織となっている０黒色を呈する部分１８は気孔であって
、前記回転鍛造によって一般の焼結合金よシも少量とな
っている。

Ａ２．３の組織もＡ１のそれと実質的に同様である０ これら環状焼結体の前記時効処理に先立って、予め外径
３５■、内径２９．５　ｓｍ　、内周側の一方の端部に
１．２Ｃ（当シ幅１．７ｍ）の面取りを施した寸法の弁
座に削シ出しておいた試料について摩耗試験を行つた〇 試験装置は第４図に概要を示すもので、弁座２１はシリ
ンダヘッド２２に設けられた弁座押え詔に圧入され、弁
座押え２３を介してシリンダヘッドに固着される。

シリンダヘッド２２の下方にはパルプ駆動部本体冴がこ
れに固定されていて、バルブ３０は、バルブフェースが
弁座２１の面取シ面に当接するように、バルブ駆動部本
体１４に取付けられたパルプガイド２５にそのロッド部
３０ａが上下動可能に挿入される。

バルブのロッド部３０ａの先端は、コイルばね２７ａ及
び２７ｂによりてパルプ駆動部本体スに設けられた軸受
側、に嵌入されたカム軸２９のカム２９ａに圧接するバ
ルブ受け２６に収容される。バルブ３０は、そのロッド
部３０ａの先端近くでバルブ受け２６に設けられた爪２
６ａに咬持され、バルブ受け２６に固着されている。

このような構造としであるので、カム軸２９を図示しな
い駆動装置によって回転させると、パルプ受け２６に固
着されたバルブ３０は上下動してそのバルブフェースが
弁座２１の面取シ面を衝撃的に繰返し叩くようになる。

その荷重はコイルばね２７ａ及び２７ｂを適宜選択する
ことによって定められる。

バルブ３０の上方にはガスバーナー３１が配してあシ、
弁座押え２３に穿設された細孔に熱電対３３の温接点が
弁座２１に当接するように挿入されて弁座２１の温度が
検知され、図示しない制御回路によってノズル冴からシ
リンダヘッド２２に吹付ける圧縮空気の風量を調節して
弁座２１を所定の温度に保持するようにしである。

また、バルブ３０の表面温度は放射温度計３２によって
測温され、図示しない制御回路によってガスバーナー３
１に供給されるプロパンガスの供給量を調節してバルブ
３００表面温度を所定の温度に保持するようにしである
。

このような試験装置を使用して、バルブ表面温度を７５
０°Ｃ１弁座温度を４５０’Ｃに保持し、カム軸回転数
２５００ｒｐｍ、コイルはね荷重４０ｋｇで１０時間の
試験を行い、弁座の摩耗量を基準バルブの沈み量から求
めた。

バルブには２ｌ−４Ｎ＠製、バルブフェースにステライ
ト扁６の盛会をしたものを使用した。

バルブと弁座の叩き回数は１．５Ｘ１０’回である。

なお、比較の弁座には前記Ａ４．５．６．７のほか、熔
製材のものとして耐熱鋼５ＵＨｄ製のものＡ８及び１．
３５％Ｃ，１，２１％５ｉＸ０．４２％Ｍｎ　Ｘ１３．
１４Ｃｒ、０．３６％Ｍｏ　、残部実質的にＦｅの化学
組成を有する高クロム白鋳鉄製のものＡ９も加えた。

試験結果は第５図に示す通りである。

同図から、窒化チタン相を組織中に有する本発明焼結合
金を材料とする弁座は、熔製材からなる比較弁座に較べ
ては勿論、いずれの比較弁座よシも明らかに摩耗量が小
さく、極めて耐摩耗性に優れていることが解る。

また、窒化チタンは化学的に安定であって、焼結の工程
で焼結温度に加熱されても分解することがない。

以上、弁座を例に挙げて本発明を説明したが、弁座以外
にも、例えば内燃機関の部品にあっては、ロッカアーム
１　タペット、ピストンリング等、その他の機械部品と
しては回転圧縮機のベーン等、適用範囲は広い。

６、発明の詳細 な説明したように、本発明耐摩耗焼結合金は、前述した
ような化学組成及び組織としであるので、極めて耐摩耗
性に優れ、内燃機関その他の機械装置のオーバーホール
から次のオーバーホール迄の期間、所謂開放期間の周期
を延長させ、本発明の工業上の利用価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は回転鍛造装置の要部断面図であって
、 第１図は焼結体を挿入した状態を、 第２図は鍛造末期の状態を 示す。 第３図は本発明に基く耐摩耗焼結合金の組織を示す倍率
４００倍の顕微鏡写真である。 第４図は摩耗試験装置の要部断面図である。 第５図は摩耗試験の結果を示すグラフである。 なお、図面に示された符号に於いて、 １・・・・・・・−・・・・・・・ダイ２・・・・・・
・・・・・・・・・ダイベース３ａ、３ｂ・・・弾性体 ４・・・・・・・・・・・・・・下ポンチ５・・・・・
・・・・・・・・・・コア６・−・・・・・・・・・・
・環状ダイ溝７・・・・・・・・・・・土ボンデ ８・・・−・・・　　　　、ス　ｌ−、バ９−・　・・
・・・・案内棒 １．０・・・・・・調節ねじ １０ａ−・・−・・　カラー １１・・・・・　・・・一台板 １２・・　・・・・　ピストン １３・　・・・・・・・桿状焼結体 １５　・　　　マルアン゛す”・イト基地１７・　　・
　窒化ブータン粒１ １８・・・　　・・　気孔 ２１・〜・・・・・　弁座 ２２−・　・・　シリンダー＼、ツド 列−・　　・バカ・プ駆動部本体 が・〜・・・・・　バカ・プガイド ２７　ａ　’１２７ｂ　−−：ｉ　４ルばね湘・−・・
・・・−・・・カムＩ抽 ３０・・・・　・・−パルプ ３０ａ・・・・・・バＡ−プのロッド部３１・−・　・
ガス、ベーナー ３２・・・・・・・・・・放射温度話 ３）３・・・　・・熱電対 淑・・・　　圧縮生食１１用ノズル である。 代理人　弁理士　逢　坂　　　宏 第１図 第：）川 ×４００ 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素０．０５重量％以下、ニッケル１２〜１９重量
   ％、モリブデン３〜５重量％、コバルト７〜１０重量％
   、残部が実質的に鉄からなる析出硬化型鉄基合金基地中
   に、窒化チタン粒子が気孔を除く部分の面積比で２〜３
   ０％分散し、１０％以下の気孔率を有する耐摩耗焼結合
   金。 ２、窒化チタン粒子が平均粒径で２〜７０μｍの窒化チ
   タン粒子である、特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗焼
   結合金。 ３、炭素０．０７重量％以下、ニッケル３〜５重量％、
   クロム１５．５〜１７．５重量％、銅３〜５重量％、ニ
   オブ０．１５〜０．４５重量％、残部が実質的に鉄から
   なる析出硬化型鉄基合金基地中に、窒化チタン粒子が気
   孔を除く部分の面積比で２〜３０％分散し、１０％以下
   の気孔率を有する耐摩耗焼結合金。 ４、窒化チタン粒子が平均粒径で２〜７０μｍの窒化チ
   タン粒子である、特許請求の範囲第３項記載の耐摩耗焼
   結合金。