JPS6179750A - 耐摩耗性焼結合金 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、耐摩耗性に優れた鉄系の耐摩耗性焼結合金
に関し、特に耐摩耗性が要求される用途、例えば内燃機
関用のロッカーアーム部材として最適な鉄系の＃摩耗性
焼結合金に関するものである。

（従来技術） 従来の鉄系耐摩耗性焼結合金としては、例えば、本発明
者らが特開昭５９−９１５１号公報において示したもの
として、マトリックス粉末として（１）Ｆｅ−１０〜３
５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１６〜５
０ｉ１％と、黒鉛粉末１．０〜３．５重量％と、残部Ｆ
ｅ−Ｐ系合金粉末単独あるいはＦｅ−Ｐ系合金粉末とＦ
ｅ粉末とを全粉末中でＰが０．２〜１．０重量％となる
ように加えて成形・焼結した耐摩耗性焼結合金がある。

この耐摩耗性焼結合金は、特にロッカーアームチップの
素材として使用した場合に、相手材であるカムの摩耗を
増大させる主原因となっている比較的粗大な硬質相の発
生を防ぐことにより、カムの摩耗量を少なくすると同時
に、添加したＰの働きによ−＋てＦｅ−Ｆｅ３　Ｐ−Ｆ
ｅ３Ｃ（１）三元共晶であるステダイト液相を発生させ
て焼結を促進させることにより、硬質相であるステダイ
トをマトリックス中に微細に分散させて焼結合金全体の
硬さの低下を防止してチップ自身の摩耗量を低減させる
という利点を有するものである。

しかしながら、上記した従来の耐摩耗性焼結合金にあっ
ては、基地組織がパーライトとなっていたため、ロッカ
ーアームチップなどに使用する場合、とくに高面圧を受
けるような運転条件下においてはマトリックスにピッチ
ングを生じて耐摩耗性が低下することがありうるという
問題点があった。

（発明の目的） この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、マトリックス粉末をＮＩ。

Ｃｕ　、　Ｍ　ｏ等を一定量含有した合金Ｆｅ粉末とす
ることにより、焼入性を向上させて焼結のままでマトリ
ックスをベイナイトまたはマルテンサイトの単相もしく
は両者の混在組織とすることにより、従来以上の耐摩耗
性に優れた焼結合金を提供できるようにすることを目的
としている。

（発明の構成） この発明による耐摩耗性焼結合金は、Ｎｉ。

Ｃｕ、Ｍｏ等を一定量含有した合金Ｆｅ粉末をマトリッ
クス粉末とし、このマトリックス粉末に。

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１６〜５０重量％と、黒鉛粉末１．０〜３．５重
量％と、Ｐ量が全粉末中の０．２〜１．０重量％となる
量のＦｅ−Ｐ系合金粉末とを混合して成形・焼結してな
り、基地組織がマルテンサイトまたはベイナイトの単相
もしくは両者の混合組織であることを特徴としており、
一実施態様において、＃記合金Ｆ’ｅ粉末は、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、Ｍｏのうちの少なくとも１種以上の金属を拡散させ
て表面部のみを合金化したＦｅ粉末であり、他の実施態
様において、前記合金Ｆｅ粉末は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏの
うちの少なくとも１種以上を含むＦｅ粉末である。そし
て、前記混合粉末の成形・焼結に際しては、例えば、前
記粉末を混粉したのち５〜８　ｔｏｎ　ｆ　／　ｃｍ２
の圧力で成形し、得られた成形体をＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合
金粉末の融点未満である１０２５〜１１４０°Ｃの温度
で３０〜６０分間還元性もしくは真空雰囲気中で焼結し
、より望ましくは空孔率が２０％以下である焼結体とす
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４は、焼結過程におい
て鉄系のマトリックスと固体拡散あるいはＦｅ−Ｐ系の
液相による液相焼結あるいはＣと結びついてＦｅ−Ｃｒ
−Ｂ−Ｃ系の液相を発生させることによる液相焼結によ
り結合して前記マトリックス中に分散される。

ここで、前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末中のＣｒおよび
Ｂの添加量はつぎ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硼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、マトリックス中に分布する。その
ため、Ｃｒ量はＢ量とＣ量のつり合いが大切であり、１
０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が不足となり、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
うことから、１０〜３５重量％とした。

Ｂ：１．０〜２．５重量％ Ｂは前述した如（Ｃｒと結びついてＣｒ硼化物を作るが
、１．０重量％未満ではＣｒ硼化物の析出量が不足し、
２．５重着％を超えるとＣｒ硼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ことから、
１．Ｑ〜２．５重量％の範囲とした。

次に、上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末と、黒鉛粉末と、
Ｆｅ−Ｐ系合金粉末と、マトリックスとなる合金Ｆｅ粉
末とを加えて混合するが、上記マトリックスとなる合金
Ｆｅ粉末の合金成分量は（ただし、拡散合金Ｆｅ粉末の
場合は平均した値）次の理由により各々の範囲に限定す
ることがより望ましい。

ｏＦｅ粉末中の合金元素 Ｎｉ：１．０〜５．０重量％ Ｎｉは、フェライト・パーライト変態を阻止し、焼入性
を向上させて基地組織をマルテンサイトまたはベイナイ
トの単相もしくは両者の混在組織とするのに有効である
が、１．０重量％未満ではほとんとその効果がみられず
、また５、０重量％を超えて含有してもその効果の向上
はあまりなく、かえって成形性を悪化させてしまうので
５含有させる場合は平均してｌ、Ｏ〜５．０重量％の範
囲とすることがよい。

Ｃｕ：０．５〜２．０重量％ Ｃｕは、フェライト番パーライト変態を阻止し、焼入性
を向上させて、基地組織をマルテンサイトまたはベイナ
イトの単相もしくは両者の混在組織とすると共に、特に
拡散合金Ｆｅ粉大中にあっては粉末表面部の液相成分と
して焼結を促進する作用があるが、０．５重量％未満で
はそのような効果が小さく、２．０重量％を超えると焼
結の際に熱膨張に起因する体積膨張を生ずるので、含有
させる場合は平均して０．５〜２．０重量％の範囲とす
るのがよい。

Ｍ　ｏ　：　０　、３〜０．６重量％ ＭＯは、マルテンサイト変態温度を下げ、焼入性を向上
させて基地組織をマルテンサイトまたはベイナイトの単
相もしくは両者の混在組織とするのに有効であるが、０
．３重量％未満ではほとんどその効果がみられず、０．
６重量％を超えて含有してもその効果の向上はあまりな
く、かえって成形性を悪化させるので、含有させる場合
は平均して０．３〜０．６重量％の範囲とするのがよい
。

次に上記したマトリックスとしての合金Ｆｅ粉末に対す
るＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉末と、黒鉛粉末と、Ｆｅ−Ｐ
系合金粉末として添加されるＰ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：１６〜５０重量％Ｆｅ−Ｃ
ｒ−Ｂ系合金粉末は、これまでにも述べたように、焼結
工程においてＦｅ系のマトリックスあるいはＣと結びつ
いて硬質相としてマトリックス中に分散して耐摩耗性を
向上させる。しかし、１６重量％未満ではマトリックス
内での分散度合が少なく、最終的に耐摩耗性が不足する
こととなるので好ましくない、他方、５０重量％を超え
て添加すると成形性が悪くなり、耐摩耗性の向上もみら
れないため好ましくない。

黒鉛粉末＝１．０〜３．５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
スのかた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ことにより耐
摩耗性を向上させるが、１．０重量％未満では全体のか
たさ不足により耐摩耗性が劣るので好ましくなく、反対
に３．５重量％を超えると炭化物の析出量が多くなりす
ぎ、脆くなったりあるいは相手材を摩耗させたりするの
で好ましくない。

Ｆｅ−Ｐ系合金粉末二Ｐ量が全粉末量に対して０．２〜
１．０重量％ Ｆｅ−Ｐ系合金粉末は、焼結時に液相を発生して焼結を
促進する一方、ＦｅおよびＣと結びついてステダイト相
を形成して焼結体のかたさを高め、耐摩耗性を向上させ
る。この際、ＰをＦｅ−Ｐ系合金粉末の形で添加するの
は、焼結時にＰの揮発を極力防止してＰの歩留りを向上
させるためである。そして、Ｐの添加割合としては１合
計のＰ添加量が０．２重量％未満ではステダイトの発生
量が少ないため上記の効果が得られず、１．０重量％を
題過すると液相が過剰に発生し、焼結体表面が荒れ１寸
法精度が低下すると同時に、ステダイト相が異常成長し
、摺動特性が悪化するので好ましくない。

（実施例１） マトリックス粉末として、−１００メツシユ（１００メ
ツシユの篩を通過する粒径）のＦｅ−２，０重量％Ｎｉ
−０，５重量％Ｍｏの低合金Ｆｅ粉末を用い、この低合
金Ｆｅ粉末に、−１００メッシ、（７）Ｆ　ｅ　−２０
重量％Ｃｒ−１，５重量％Ｂ合金粉末３０重量％と、黒
鉛粉末２．５重量％と、Ｆｅ−２７重量％Ｐ合金粉末２
．５重量％とを加え、さらに潤滑剤として全重量に対し
て０．７５重量％のステアリン酸亜鉛を添加した後、Ｖ
型ブレンダで約２０分間混合した。その後、得られた混
合粉末を７　ｔｏｎ　ｆ　／　ｃ＋＋＋２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、８　Ｘ　
Ｉ　０−３ｔｏｒｒの真空雰囲気中で１１００℃Ｘ６０
分間の条件で焼結して焼結ロッカーアームチップを得た
。

（実施例２） マトリックス粉末として、Ｆｅ粉末の表面にＮｆ、Ｃｕ
およびＭＯを拡散させて表面部のみを合金化し１粒径が
一１００メツシュでかつ平均した組成がＦｅ−４，０重
量％Ｎｉ−１，５重量％Ｃｕ−０，５重量％Ｍｏである
拡散合金Ｆｅ粉末を用い、この拡散合金Ｆｅ粉末に、−
１００メツシユのＦｅ−２０重量％Ｃｒ−１，５重量％
Ｂ合金粉末３０重量％と、黒鉛粉末２．５重量％と、Ｆ
ｅ−２７重量９６ｐ合金粉末２．５重量％とを加え、さ
らに潤滑剤として全重量に対して０．７５重量％のステ
アリン酸亜鉛を添加した後、Ｖ型ブレンダで約２０分間
混合した。その後、得られた混合粉末を６　ｔｏｎ　ｆ
　／ｃｔｓ２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、８Ｘ１０−３ｔｏｒｒの真空雰囲気中
で１　ｔｏｏ℃Ｘ６０分間の条件で焼結して焼結ロッカ
ーアームチップを得た。

（実施例３） マトリックス粉末として、Ｆｅ粉末の表面にＮｉ、Ｃｕ
およびＭｏを拡散させて表面部のみを合金化し、粒径が
一１００メツシュでかつ平均した組成がＦｅ−１，５重
量％Ｎｉ−０，８，１量％Ｃｕ−０，４重量％Ｍｏであ
る拡散合金Ｆｅ粉末を用い、この拡散合金Ｆｅ粉末に、
−１００メツシユ（７）　Ｆ　ｅ　−１５重量％Ｃｒ−
２，０重量％Ｂ合金粉末２５重量％と、黒鉛粉末２．５
重量％と。

Ｆｅ−２７重量％Ｐ合金粉末２．５重量％とを加え、さ
らに潤滑剤として全重量に対して０．７５ｆｆｉｆｆｉ
％のステアリン酸亜鉛を添加した後、Ｖ型プレンダで約
２０分間混合した。その後、得られた混合粉末を６ｔｏ
ｎｆ／ｃｍ２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、ｌＸｌ０−’ｔｏｒｒの真空雰囲気中
で１１１０℃×６０分間の条件で焼結して焼結ロッカー
アームチップを得た。

（実施例４） マトリックス粉末として、−８０メツシユのＦｅ−３，
０重量％Ｎｉ−０，３重景％Ｍ　Ｏ（７）低合金Ｆｅ粉
末を用い、この低合金Ｆｅ粉棄に、−８０メ−）　シュ
ｃ７）　Ｆ　ｅ　−１０重量％Ｃｒ−２，０重量％Ｂ合
金粉末１６重量％と、黒鉛粉末１．５重量％と、Ｆｅ−
２７重量％Ｐ合金粉末２．０重量％とを加え、さらに潤
滑剤として全重量に対して０．７５重量％のステアリン
酸亜鉛を添加した後、Ｖ型ブレンダで約１５分間混合し
た。その後、得られた混合粉末を７　ｔｏｎ　ｆ　／ａ
ｍ２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、８　Ｘ　ｌ　ｌｌ’ｔｏｒｒの真空雰囲気中で
１０００℃×６０分間の条件で焼結して焼結ロッカーア
ームチップを得た。

（比較例１） マトリックス粉末として、−１００メツシユのＦｅ粉末
を用い、このＦｅ粉末に、−１００メツシユ（７）　Ｆ
　ｅ　−２０重量％Ｃｒ−１，５重量％Ｂ合金粉末２０
重量％と、黒鉛粉末２重量％とを加え、さらに潤滑剤と
して全重量に対して０．７５重量％のステアリン酸亜鉛
を添加した後、Ｖ型プレンダで約２０分間混合した。そ
の後、得られた混合粉末を８ｔｏｎｆ／ａｍ２の圧力で
ロッカーアームチツブの形状に圧粉成形したのち、脱水
剤中を通過させたＨ２ガス雰囲気中で１１７５℃Ｘ３０
分間の条件で焼結して焼結ロッカーアームチップを得た
。

（比較例２） マトリックス粉末として、−１００メツシユの還元鉄粉
よりなるＦｅ粉末を用い、このＦｅ粉末に、−１００メ
ツシユのＦｅ−１５重量％Ｃｒ−１，０重量％Ｂ合金粉
末２０重量％と、黒鉛粉末２．０重量％と、Ｆｅ−２７
重量％Ｐ合金粉末２．０重量％とを加え、さらに潤滑剤
として全重量に対して０．７５重量％のステアリン酸亜
鉛を添加した後、Ｖ型ブレンダで約２０分間混合した。

その後、得られた混合粉末を７ｔｏｎｆ／ｃｍ２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、８
Ｘ１０−’ｔｏｒｒの真空雰囲気中で１１００℃×６０
分間の条件で焼結して焼結ロッカーアームチップを得た
。

（比較例３） 機械構造用炭素鋼（ＪＩＳ　　５４５Ｃ）を素材として
溶製材を機械加工することによりロッカーアームチップ
を作製した。

（比較例４） ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ　　ＦＣ２５相当材）を素材として
鋳造することによりロッカーアームチップを作製した。

（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〜
４に示す比較品とを供試材として第１表に示す条件で耐
久試験を行った。なお、この耐久試験では、潤滑油に水
を添加して摩耗を促進させるようにした。また、相手材
としては自動車用エンジンのカム材として一般に用いら
れているチル鋳物を使用したが、その組成は重量％で、
Ｃ：約３％、Ｓｉ：２．２％、Ｍｎ：０．７％、Ｐ：０
．２％、Ｃｕ：０．５％、残部Ｆｅであって硬度はＨＲ
Ｃ５５以上である。その結果を第２表に示す。

第　　１　　表 第２表 第２表より明らかなように、実施例１〜４の本発明品の
場合には、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相当小さい値となっており、
比較例１〜４のものに比べてかなり優れた値を示してい
て、とくに高面圧を受けるような運転条件下で、使用さ
れるときでも摩耗量を著しく小さいものにできることが
わかる。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による耐摩耗性焼結
合金は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏのうちの少なくとも１種以上
の金属を含む合金Ｆｅ粉末に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系合金粉
末と、黒鉛粉末と、Ｆｅ−Ｐ系合金粉末とを所定量混合
して成形拳焼結することにより、ベイナイトまたはマル
テンサイトの単相もしくは両者の混在組織を持つ硬質Ｆ
ｅマトリックス中に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｃｒ−
Ｂ−Ｃ系およびＦｅ−Ｃ−Ｐ系などの硬質相を粗大化さ
せることなく分散させたものであるから、耐摩耗性に著
しく優れていると同時になじみ性にも著しく良好であっ
て、自己のみならず相手材の摩耗量を著しく小さなもの
とする非常に優れた特性を発揮する耐摩耗性焼結合金で
ある。さらに、この発明による耐摩耗性焼結合金は、成
形および焼結工程共に何ら特別な装置・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およびなじみ性の著しく優れた材
料を得ることができ、基本的には熱処理や表面処理等の
後処理を必要とせず、現時点においては高価なＣｏ　、
Ｗ等を含まないため価格を低くおさえることができ、し
かもかなり低い温度での焼結が可能であることから省エ
ネルギーにもなるなどの数々の著しくすぐれた効果をも
たらしうるちのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏのうちの少なくとも１種以上の
   元素を含む合金Ｆｅ粉末に、Ｆｅ−１０〜３５重量％Ｃ
   ｒ−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１６〜５０重量％と
   、黒鉛粉末１．０〜３．５重量％と、Ｐ量が全粉末中の
   ０．２〜１．０重量％となる量のＦｅ−Ｐ系合金粉末と
   を混合して成形・焼結してなり、基地組織がマルテンサ
   イトまたはベイナイトの単相もしくは両者の混合組織で
   あることを特徴とする耐摩耗性焼結合金。 （２）合金Ｆｅ粉末の平均組成が、Ｆｅ− １．０〜５．０重量％Ｎｉ−０．５〜２．０重量％Ｃｕ
   −０．３〜０．６重量％Ｍｏおよび残部実質的に不純物
   からなるものである特許請求の範囲第（１）項記載の耐
   摩耗性焼結合金。