JPS6210244A - 高温耐摩耗性焼結合金 - 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】 本発明は主に内燃機関の弁座用に開発された、耐摩耗性
の高い焼結合金に関するものである。

昭和４０年代の中頃以降、自動車のエンジンには先ず排
ガス規制の対策を、次いで規制前に優る動力性能と低燃
費の実現を目指して激しい技術革新が行なわれ、エンジ
ンの作動条件は益々過酷になりつつある。そしてその結
果、エンジンの動弁機構を構成する各部材も従来の材質
では耐熱性・耐摩耗性などが不足して代替材料の開発が
急務となり、本件出願人も下記の如き新材料を逐次開発
してきた。

■　特公昭４９−１７９６８　（４５年出願）■　特公
昭５５−３６２４２　（５０年出願）■　特公昭５７−
５６５４７　（５３年出願）■　特公昭５９−３７３４
３　＜５５年出願）この内、■および■はそれぞれの時
期における要求特性に対応した材料、■は所要の特性を
保ちながらコスト低減を図った材料、■は更に厳しくな
った要求特性に対応した材料である。

しかし、その後も続いているエンジンの改良により、弁
座用材料の特性、特に耐摩耗性に対する要望は最近更に
厳しくなってきた。また、弁座の摩耗については燃料の
種類（無鉛ガソリン、有鉛ガソリン、ＬＰＧ・・・）も
大きな影響を及ぼすが、自動車の国際商品としての性格
上、仕向（プ地毎に異なる諸条件に対しても広汎に対応
できる品質が望ましいのは当然のことである。

本発明はこの様な事情に基づいてなされたもので、これ
までの経験から上記■に係る合金、即ち重量比でＮｉ０
．５〜３％、Ｍｏｏ、５〜３％、　Ｃ０５、５〜７．５
％、Ｃα６〜１．２％およびＦｅ残部の合金を主体とし
て改良を行な−った結果、この組成の基地中に選択され
た硬質相を、即ちＭｏ３３〜３６％、Ｓｉ　４〜１２％
およびＣｏ残部の金属間化合物またはＭｏ２６〜３０％
、Ｃｒ　７〜９％。

Ｓｉ１．５〜２．５％およびＣｏ残部の金属間化合物（
ともにこの組成範囲の合金粉として市販されている。）
を５〜２５％分散させることにより所期の目的を達成し
たものである。

本発明の合金は焼結後の接処理によって、その特性をエ
ンジンの性格に応じて向上させることができる４゜例え
ば、作動温度は比較的に低いが摩耗しやすい場合や、Ｌ
ＰＧのように燃料中には減摩成分が含まれない場合には
焼結材の空孔内に鉛を溶浸するのが有効であり、ディー
ゼルエンジンのように特に高温・高圧縮比になる場合と
か、有鉛ガソリンの常用によりスラッジが付着する場合
には、焼結材を再圧縮して高密度化するのが有効である
。なお合金組織をより安定させるためには、燵結後に調
質の意味で焼入れ焼戻しを施すことが望ましい。ただし
鉛の溶浸を行なう場合は、溶浸温度が５５０℃前模と高
いので、調質に近い効果を得ることができる。

以下本発明を実施例について詳細に説明する。

実施例 先ず、基地の組成から炭素を除いた組成の合金粉末、即
ち重量比で１．５％のＮｉ、１．５％のＭｏと６．５％
のＣｏを含む粒度１００メツシユ以下のアトマイズ合金
鉄粉を主原料として用意し、また基地中に分散させる硬
質相の形成用として、Ｍ０２８％、Ｃｒ８％、Ｓｉ２％
および００６２％の金属間化合物粉末を用意した。

次に試料の作製であるが、先ず硬質相を含まない比較試
料として、上記合金鉄粉に黒鉛粉１％と潤滑剤としてス
テアリン酸亜鉛０８％を混合して圧粉密度６．９　ｇ／
ｃｍの所定の形状に成形後、アンモニア分解ガス炉中で
温度１２００℃、２０分間の焼結を行なった。また本発
明の例として、上記金属間化合物粉末の所定ωを合金鉄
粉に添加し、黒鉛と潤滑剤の配合、成形ａ５よび焼結は
比較試料の場合と同様にした試料を作製した。

かくして得られた試料の内、比較試料と硬質相の含有量
が１５％の本発明試料について、高温における機械的性
質の試験結果を第１図に示す。

弁座は、一般にシリンダー内の取付孔に締まり嵌めで固
定されているに過ぎないので、その強度が不充分な場合
は、加熱と冷却が反復される稼動中に脱落するおそれが
ある。また同じ理由から、熱膨張係数は小さい方が望ま
しい。この観点から第１図を見ると、破線で示した比較
試料の場合は低温では高い圧環強度を示すものの、高温
域では著しく低下している。これに対して実線で示した
本発明試料の場合は、低温域から高温域を通して安定し
た強度を保ち、４００℃以上では比較試料よりも高い強
度を示している。また熱膨張係数の点でも、この方が優
っていることが判る。

また硬質相の含有量の影響を見るため、各試料の空孔内
に５５０℃で鉛を溶浸し、模擬エンジン試験機を用いて
各弁座の摩耗量を比較した。この試験機はＬＰＧ燃焼ガ
スで弁および弁座を所定の温度に加熱しながらカム軸を
モーターで駆動する機構で、温度９回転数、弁のスプリ
ング圧力などを任意に設定でき、短期間に過酷な試験を
行なうことができる。なお弁の材質は耐熱［２ｌ−４Ｎ
を用いである。

この試験機で弁座の温度を３５０℃に設定して３０時間
連続運転した試験結果と、各試料の常温における圧環強
度の測定結果を第２図に示す。

圧環強度は硬質相の含有量が増すにつれて低下するが、
含有量２５％でも、実用上は支障の無い強度を保ってい
る。

弁座の摩耗は硬質相の含有量５％迄は急激に。

その後２０％付近迄は緩慢に減少し、それ以後は殆ど変
化していない。従って、硬質相の含有量は耐摩耗性のバ
ラツキを避けるために５％を下限とし、１５％程度が最
も好ましく、２５％を上限とする。

次に、上記の模擬エンジン試験機で弁座温度を変えた場
合の試験結果を第３図に示す。図の実線は硬質相の含有
量が１５％の本発明試料、破線は第２図の場合と同一の
比較試料であり、また一点鎖線は以前開発した前記■の
焼結合金に係る試料で、叩ら３％のＯｒ、各０．３％の
１ｙｌｏおよび■を含む合金鉄粉と本発明材の主原料で
ある前記合金鉄粉の各等量と炭素１％からなる基地中に
、Ｍｏ３５％、５ｉｌＯ％およびＣｏ５５％の硬質相を
１５％分散させた従来材である。

このグラフから、比較試料は２００℃の低温と４００℃
での摩耗は少ないものの中間の３５０℃前後における摩
耗が著しく多く、一方従来試料は逆に３５０℃付近で極
小値を示すがその前後特に低温域での摩耗が著しく、両
者それぞれ一得一失である。これに対して、本発明の試
料は摩耗量が前２者よりも少ないだけでなく、低温から
高温の全域に亙り安定した耐摩耗性を持つことが判る。

次に、４気筒２０００ｃｃＬＰＧエンジンによる台上耐
久試験（回転数６００　Ｏｒｐｍ一定）の結果を第４図
に示す。各試料の内容は第３図の場合と同様である。

図に明らかなように、硬質相を含有しない比較試料の摩
耗が最も多く、硬質相を含有するものの基地が異なる従
来試料がこれに次ぎ、本発明試料が最良の結果を示して
いる。

次に、本発明に係る合金を製造する際の、焼結温度と得
られる焼結材の耐摩耗性および圧環強さとの関係を第５
図に示す。これらの各項目を綜合すると、焼結温度は１
２００”Ｃを中心とする前後３０°Ｃの範囲内が適して
いるが、硬質相の拡散を防ぐ意味では範囲内の低めの方
が好ましい。

なお本発明の基材において、Ｎ１およびＭｏは主に強度
の向上に寄与するが、０５％未満では不充分であり、一
方３％以上添加しても費用の割に効果が少ない。またＭ
ｏを過剰に入れると耐酸化性が低下する。ＣＯは５．５
％未満では高温硬さが不足し摩耗しやすく、一方、７．
５％以上になると原料粉が硬くなり、圧縮成形が困難に
なる。Ｃは焼結工程の管理と品質安定の面から０．６〜
１．２％が適当である。

これらの成分の配合に際しては各重味のものを配合する
ことも考えられるが、炭素以外の全成分を含む合金鉄粉
を用いることが望ましい。それにより、配合時の偏析防
止に併せて基地と硬質相の相互拡散の少ない、所望の合
金を確実に得ることができる。

本発明におｔプる硬質相に適する金属間化合物としては
４頁に記述した２種類があり、Ｃｒを含有する方が、所
期の特性を発揮する温度域が広いとされている。しかし
前述したエンジン試験の温度範囲では、両者間に有意差
は認められなかった。

以上詳述した通り、本発明に係る弁座用合金は低温から
高温まで一様に優れた耐摩耗性を示し、エンジンの性格
や燃料の種類に殆ど制約されない特徴を持っている。従
って、その基地と硬質相の双方に多量のＣＯを含み価格
的には割高な材料であるが、品質第一の用途には極めて
適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は弁座用焼結合金の高温における機械的性質を示
すグラフ、第２図は基地中に含有される硬質相の鵠と耐
摩耗性および圧環強度との関係を示すグラフ、第３図は
模擬エンジン試験機による弁座の温度と摩耗量との関係
を示すグラフ、第４図は台上耐久試験の結果を示すグラ
フ、第５図は本発明に係る合金の焼結温度と耐摩耗性お
よび圧環強度との関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　全体組成が重量比でＮｉ０．３〜２．９％、Ｍｏ１
   ．７〜９．８％、Ｃｏ８〜２２％、Ｃ０．４〜１．２％
   Ｃｒ０．３〜２．３％、Ｓｉ０．１〜０．７％およびＦ
   ｅ残部で、且つＮｉ０．５〜３％、Ｍｏ０．５〜３％、
   Ｃｏ５．５〜７．５％、Ｃ０．６〜１．２％およびＦｅ
   残部の基地中に、Ｍｏ２６〜３０％、Ｃｒ７〜９％　Ｓ
   ｉ１．５〜２．５％およびＣｏ残部の硬質相が５〜２５
   ％分散した組織を呈することを特徴とする高温耐摩耗性
   焼結合金。 ２　全体組成が重量比でＮｉ０．３〜２．９％、Ｍｏ２
   ．１〜１１．３％、Ｃｏ７〜２２％、Ｃ０．４〜１．２
   ％、Ｓｉ０．１〜３％およびＦｅ残部で、且つＮｉ０．
   ５〜３％、Ｍｏ０．５〜３％、Ｃｏ５．５〜７．５％　
   Ｃ０．６〜１．２％およびＦｅ残部の基地中に、Ｍｏ３
   ３〜３６％、Ｓｉ４〜１２％およびＣｏ残部の硬質相が
   ５〜２５％分散した組織を呈することを特徴とする高温
   耐摩耗性焼結合金。 ３　全体組成が重量比でＮｉ０．３〜２．９％、Ｍｏ１
   ．７〜９．８％、Ｃｏ８〜２２％、Ｃ０．４〜１．２％
   　Ｃｒ０．３〜２．３％、Ｓｉ０．１〜０．７％および
   Ｆｅ残部で、且つＮｉ０．５〜３％、Ｍｏ０．５〜３％
   、Ｃｏ５．５〜７．５％、Ｃ０．６〜１．２％およびＦ
   ｅ残部の基地中に、Ｍｏ２．６〜３０％、Ｃｒ７〜９％
   Ｓｉ１．５〜２．５％およびＣｏ残部の硬質相が５〜２
   ５％分散した組織を呈する合金であって、その空孔内に
   鉛が溶浸されている高温耐摩耗性焼結合金。 ４　全体組成が重量比でＮｉ０．３〜２．９％、Ｍｏ２
   ．１〜１１．３％、Ｃｏ７〜２２％、Ｃ０．４〜１．２
   ％、Ｓｉ０．１〜３％およびＦｅ残部で、且つＮｉ０．
   ５〜３％、Ｍｏ０．５〜３％、Ｃｏ５．５〜７．５％Ｃ
   ０．６〜１．２％およびＦｅ残部の基地中に、Ｍｏ３３
   〜３６％、Ｓｉ４〜１２％およびＣｏ残部の硬質相が５
   〜２５％分散した組織を呈する合金であって、その空孔
   内に鉛が溶浸されている高温耐摩耗性焼結合金。