JPS63262402A - 合金粉末およびこれを用いた耐摩耗性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） この発明は鉄系材料の耐摩耗性を向上させるために用い
られる合金粉末およびこれを用いた耐摩耗性焼結合金の
製造方法に関するものである。

（従来の技術） 本発明者らは特開昭６０−１８１２０２号公報で、鉄系
材料の表面を部分的に改質して、耐摩耗性を向上させる
方法として、合金粉末をアクリル樹脂結合剤で結着して
圧縮成形し、この成形物を基材に貼付した状態で焼結さ
せる方法を提案した。

この公報に開示されている方法では、合金粉末としてＦ
ｅ−Ｍｅｔａｌ　−Ｃの共晶合金粉末とステンレス合金
粉末とをほぼ等量ずつ混合したものを用い、鉄系材料の
耐摩耗性を著しく向上させることができる。

本発明者らのその後の研究によると、上記公報で用いた
焼結用合金粉末に平均粒径が１０μｍ以下の炭化物（Ｎ
ｂＣ，ＴａＣ，ＶＣ等）粉末を５〜１５％添加すると、
さらに一層の耐摩耗性の向上が図れることを知得し、こ
れを特願昭６１−１９９５２号で既に提案している。

この出願では、合金粉末に添加する炭化物粉末を１０Ｉ
ｍ以下の粒径にｔｉ細化することによって、表面積を大
きくし、焼結時に生ずる液相中での固定保持が良好にな
るようにしている。

一方、レシプロエンジンの動弁系部材のカム摺動面のよ
うに面圧、摺動速度がともに高い状態で使用される焼結
材料には、例えば特開昭５７−５７８６０号公報、特開
昭５９−１１８８５９号公報に見られるように、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｗ等の炭化物形成元素と、密度を高くするために
Ｐ等の液相晶出元素とを添加することが知られている。

これらの技術で耐摩耗性をさらに改善する方法としては
、例えば特公昭６０−３３１８１号公報が提供されてお
り、この公報に開示されている方法では、焼結合金の製
造方法としてＮｂ、Ｔａ元素をＦｅ−Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎｂ
合金粉末、Ｆｅ−Ｃｒ　−Ｍ　ｎ　−Ｔ　ａ合金粉末の
形でそれぞれ添加しているので、焼結温度は１１２０℃
〜１２００’Ｃの範囲内で行なわれていた。

しかしながら、上述した合金粉末および焼結合金の製造
方法にはそれぞれ以下に説明する問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） ずなわち、上記特願昭６１−１９９５２号の合金粉末で
は炭化物粉末を微細化（平均粒径１〜５μ）して表面積
を大きくしているので、結合剤であるアクリル樹脂を多
く添加しなければならないし、また成形圧力を高くしな
ければ成形が難しかつた。

しかし、結合剤の添加量を多くしたり、あるいは成形圧
力を高くすると、圧縮成形後にこれを予備加熱をする時
にひび割れ、ガスホール、巣等の欠陥が生ずる。

一方、上記持分１６０−３３１８１号公報の製造方法で
は、加熱温度を１１２０℃〜１２００℃で焼結させてい
るので、鋼や鋳鉄製の基材に接合して使用する時に、鋼
の結晶粒の粗大化による強度低下あるいは銚銑のＶＢ融
などの問題があった。

この発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的とするところは、結合剤の添加量
を少なくでき、成形圧力を高くしても予備加熱時などに
欠陥が発生ずることの少ない合金粉末と、基材の物性に
影響を及ぼすことのない前記合金粉末を用いた耐摩耗性
焼結合金の製造方法とを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達、成するために、この発明は合金粉末に
係る第１の発明として、化学組成が５〜１５重量％のＭ
ｏ、２〜６重量％のＣｒおよびまたはＭｎ、１〜ｂ Ｎｂおよびまたは′１゛ａ、１〜８重量％以下のＣ１２
重址％以下のＳおよびまたはＳｉ、残Ｆｅおよび不可避
成分からなり、且つ、その粒子径を、５μｍ以下のもの
が２％以下になるように組成した。

また、耐摩耗性焼結合金を製造する第２の発明として、
上記第１の発明の合金粉末と、化学組成が１０〜１５重
量％のＣｒ、不可避成分が２重量％以下、残Ｆｅからな
り、粒径５頭以下の成分が２％以下である第２の合金粉
末または混合粉末および結合剤とを混合した後圧縮成形
し、しかる後非酸化性雰囲気中で１０００℃以上、１１
２０℃未満の温度で加熱し、焼結後の化学組成が１〜５
重量％のＣ１４〜１０重量％のＣｒ、４〜１８重量％の
ＮｂおよびまたはＴａ、、５〜９重量％のＭＯｌｌ、４
垂１％以下のＭｎ、０．３〜１゜８ｆｆｉ量％の■〕、
２重量％以下の不可避成分、残Ｆ′ｅになるように焼結
することを特徴とする。

上記第１の発明の化学成分およびその重量比について以
下に詳述する。

〈５〜１５重量％のＭｏ） ＭＯはＣとともに炭化物を生成させるために必要であり
、Ｍｏ炭化物は硬さが大きく、耐摩耗性を改善するなめ
に有効である。

また、ＭｏはＦｅ、Ｃとともに共晶組成（Ｆｅ−１５％
Ｍｏ−４，３％Ｃ）を構成し、１０７０°Ｃの共晶温度
で液相を晶出し、液相焼結により密度を上昇させるが、
この場合に添加量が５重量％未：Ｉもではその効果が十
分得られず、１５重量％を超えての添加は経済的に不利
になる。

く２〜６２Ｉ！量％のＣｒおよびまたはＭｎ＞Ｃｒおよ
びまたはＭｎは、９００℃以上に加熱した時に、Ｆ　ｅ
　３Ｃが分解するのを抑制するのに有効である。

添加量が２重量％未満では抑制効果が少なく、６重量％
を超えての添加は効果が飽和する。

く　１〜３ｊｌｊＪｉ　％のＰ〉 ＰはＦｅ、Ｃとともに共晶組成（Ｆｅ−６，９％Ｐ−２
，４％Ｃ）を構成し、９５０℃の共晶温度で液相を晶出
し、液相焼結により密度を上昇させるのに有効である。

添加量が、０重１％未満では液相量が過少になり、密度
が上昇せず、気孔率が１０％を超えて、耐摩耗性が悪化
する。

また、３．０重量％を超えると、液相量が過剰になり、
焼結体の形状保持性が悪くなったり、得られる金属組成
が粗大化し、耐摩耗性が悪化する。

く１０〜３０重量％のＮｂおよびまたはＴ　ａ　）Ｎｂ
およびまたは′１゛ａは、Ｃとともにニオブ炭化物（Ｎ
ｂＣ）　、タンタル炭化物（’Ｔ’　ａ　Ｃ＞を生成す
る。硬さはＮｂＣがＨｖ　２０００〜２５００　。

ＴａＣが）Ｉ　ｖ　１５００〜１８００であるため、耐
摩耗性が著しく改善される。

１０重量％未満の添加量ではその効果が小さく、３０重
量％を超えると効果が飽和して経済的に不利になる。

く１〜８重量％以下のＣ〉 ＣはＭｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａとともに炭化物を形成し、
耐摩耗性を著しく向上させる。これらの炭化物は、粉末
粒子中にｍ細に分散している。添加量が１重量％未満で
は炭化物量が不足するため耐摩耗性が低下する。そのな
め、黒鉛を添加して焼結時に炭化物を生成させる必要が
でてくる。焼結時に生成される炭化物は一般に粗大なも
のが多いため、強度、耐摩耗性の低下を起す、それ故に
、あらかじめ必要最小限の炭化物を粉末粒子内に生成さ
せておく必要がある。その限度が１重量％である。また
ＣはＦｅ−Ｍ−Ｃ（ここでＭはＭｏまたはＰ）の三元共
晶の一組成であって、Ｆｅ−６゜９％Ｐ−２，４％Ｃお
よびＦｅ−１５％Ｍｏ−４゜３％Ｃの三元共晶合金を構
成し、それぞれ９５０”Ｃ，１０７０℃の共晶温度以上
に加熱することによって液相を晶出させ、密度を高めな
がら液相焼結を行なわせる。

添加量が８重量％を超える時は、全量が反応せず未反応
の黒鉛として析出するため’ｆｌｉＲ耗性が劣化する。

く２重量％以下のＳおよびまたは５ｉ）Ｓ、Ｓｔは粉末
製造時に必要な元素であって、合金粉末として必須な元
素ではない。

しかし、２重量％を超える添加量があると、成形性が悪
化し、焼結性が悪化するなどの問題が生じるので、粉末
製造時の生産性を確保しつつ、しかもこのような問題を
排除するために２重量％以下に規制する必要がある。

く粒子径が５頭以下のものが２％以下）粒子径が小さい
微細粉末は、前述したように圧縮成形時に不具合が生じ
る。

そこで、本発明では最も小さい粒子径の含有量を２％以
下に規制するものであるが、望ましい粒子径の分布量は
以下の比率である。

５μｍ以下　・・・・・・　２％以下 １０Ｍ未満　・・・・・・　５％以下 （５ｍ以下が２％以下を含む） １０μｍ〜１４９μｍ以下　・・・・・・　９０％以上
ここで、粒子径の最大値を１４９頭とするのは、これ以
上の大粒径の粉末があると、収縮時に収縮が局部的に進
行するいわゆるブリッジ現象が生じ、大きな気孔や巣な
どの欠陥を生じ易くなるからである。

なお、上記化学組成の合金粉末に２〜１０重量％のＶ、
Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｗ、Ｃｕの内のいずれか一種を添加して
もよい。

これらの金属元素のうちＣｕ以外は、Ｃとともに炭化物
を形成し、耐摩耗性をさらに改善できる。

また、Ｃｕはマトリックス中に固溶し、硬さを向上させ
、耐摩耗性を改善できる。

添加量が２重量％未満では上記効果が少なく、また１０
重量％を超えてその添加は経済的に不利となる。

上記第２の発明ゆ焼結条件などについて以下に詳述する
。

く第２の合金粉末または混合粉末〉 この合金または混合粉末に１０〜１５重量％のＣｒを含
有させるのは、ＣｒがＣと結合して炭化物ないしはＦｅ
、Ｍｏ等とＣとの複合炭化物を形成するとともに、Ｆｅ
中に固溶して強度を上げるからである。

この結果として、耐摩耗性を改善する効果が大きい。

Ｃｒの添加の形態は、Ｆｅ−Ｃｒ合金が最も望ましいが
、Ｃｒｊｉの多いフェロアロイ粉末とＦｅ粉との混合粉
末であってもよい。

粉末粒径が５μｍ以下のものが２％を超えると、上記第
１の発明の合金粉末と同様に成形性が悪化する。

く結合剤〉 パラフィン、樟脳、アクリル樹脂等が使用され、添加量
は０．５〜５重量％が望ましい。

く混合・圧縮成形〉 混合は公知のＶ型、Ｗ型などの混合機で行ない、圧縮成
形は成形圧力が１〜５ｔＯｎ／ｃＩＩｌで行なう。

く焼結条件〉 Ｈ２ガス、アンモニア分解ガス、真空中など非酸化性雰
囲気中で１０００℃以上、１１２０℃未満の設定温度で
、５分間以上６０分間以内その温度を保つことによって
行なう。

ここで、焼結温度を１０００℃以上、１１２０℃未満と
するのは、１０００℃未満では上記第１の発明の合金粉
末Ｃの量を１〜８重量％の範囲で変化させても、液相量
が少なく、気孔率を１０％以下にすることができず、耐
摩耗性が著しく低下するからであり、また、１１２０℃
以上に加熱すると、前述のように、鋼製基材に接合した
場合は、鋼の結晶粒の粗大化により、強度低下が著しく
なるので好ましくない。

また、鋳鉄基材の場合には、その液相線直下であるため
、１１２０℃以上に加熱すると溶融する危険性がある。

なお、焼結合金の気孔率は耐摩耗性の面から１０％以下
にすることが望ましく、気孔率は焼結時の液相量、圧粉
体密度、粉末粒径によって決まり、液相量はＰ、Ｍｏ、
Ｃの含有量、焼結温度によって決まり、圧粉体密度は結
合剤量、圧縮圧力、粉末の粒度分布によって決まるので
、これらを適宜選定して１０％以下にする。

（実施例） 以下、この発明の好適な実施例について詳細に説明する
。

まず、第１の発明である合金粉末について説明する。

第１表は、公知の水アトマイズ法により作製した本発明
に係る５種類の合金粉末の化学成分とその添加量とを示
している。

同表に示す実施例１−１〜１−３では、ＭＯおよびＮｂ
の添加量をそれぞれ増化させるとともに、これらの添加
量を増加すれば液相量が増すのでＰの添加量を減少させ
ている。

また、Ｍｏ、Ｎｂの添加量が多くなれば、耐摩耗性を向
上させる炭化物はＣがＭｏないしはＮｂと優先的に強固
に結合して、安定的に生成し易くなるのでＣを予め添加
した。

実施例１−４はＴａだけを添加し、Ｖ、Ｃｕを添加した
ものであり、また、実施例１−５はＮｂ。

ＴａとともにＷ、’Ｉ”ｉ、Ｚｒを添加したものの例で
ある。

以下に示す第２表は、上記実施例１−１−１−５の合金
粉末の粒子径の分布割合を示している。

［第２表コ 以上の化学成分と粒子径分布とからなる実施例１−１〜
１−５の合金粉末５０重量％と、化学成分が１２．４％
Ｃｒ、０．１７％Ｎｉ、０．０１５％Ｃ，０，７６％Ｓ
ｔ、０．１２％Ｍｎ、０゜０２８％ｐ、ｏ、ｏｏｓ％Ｓ
、残Ｆｅ（ＪＩＳ。

５ＵＳ４１０）、粒度分布が下記のＦｅ−Ｃｒ系合金粉
末５０％に、外％で第３表に示す割合で黒鉛粉末を添加
した。

＋２００メツシユ　・・・・・・　４．７％２００〜２
５０メツシユ　・・・・・・　１０．８％２５０〜３５
０メツシユ　・・・・・・　２６．５％３５０メツシユ
以下　・・・・・・　５８．０％次いで、３．０重量％
以下になるようにトルエンで希釈したアクリル樹脂（結
合剤）を加え、湿式混練した後、６０〜８０℃に加熱し
てトルエンを飛散して乾煙し、圧縮成形しな。

このようにして得られた成形物を、Ｈ２ガス雰囲気中で
、１０℃／分の昇温速度で３００℃まで昇温し、この状
態を６０分間保持した後、３℃／分の降温速度で室温ま
で降温させる予備加熱（脱ワツクス処理）を行った。

第１図はこの予備加熱時のふくれ１割れ、しわなどの欠
陥発生を圧縮成形する際の圧延形成圧力との関係を実測
した結果である。

同図に本発明との比較のなめに示した従来法は以下の合
金粉末を用いた。

合金粉末は、１０．８％Ｍｏ、２．７５％Ｃｒ。

２．３５％Ｐ、０．４０％Ｍｎ、０．０５％Ｎｉ。

０．４７％Ｓｉ、０．０２３％Ｓ、４．４３％Ｃ９残Ｆ
ｅの化学成分であって、粒度分布が５ｕ以下４．９％、
１０μｍ未満１、２％、１０〜１４９Ｍ８８．８％のも
の／１５ｉｕＪｉ％と、平均粒径１゜０１μｍのＮｂＣ
粉末ｔｏ重量％と、上記Ｐｅ−Ｃｒ系合金粉末（ＳｔＪ
Ｓｌｌｌｏ）４５重１％とを、上記と同じ溶剤および同
じ添加量の結合剤とを用いて圧縮成形し、同じ条件で予
備加熱した。

第１の結果からも明らかなように、従来法では成形圧力
が２ｔ／−を超えると欠陥発生率が急激に上昇するが、
実施例１−１〜１−５に示した合金粉末では、成形圧力
の広い範囲に亘って欠陥発生率が極めて少なくなった。

次に第２の発明である耐摩耗性焼結合金の製造方法の実
施例について説明する。

まず、原料粉末として上記第１の発明に含まれるＡ１〜
Ａ６までの６種類の合金粉末と、Ｆｅ−Ｃｒ系の化学組
成からなる第２の合金粉末Ｂｌ、　　　−［３２，Ｂ３
の３種類とを用意しな。

これらの粉末の化学組成および粒度を以下の第４表、第
５表に示す。

上記Ａ、Ｂの粉末を２種類ずつ選択し、実施例２−１〜
同２−６として表６に示す比率に設定し、これにそれぞ
れ結合材としてパラフィンを外パーセントで、５重量％
ずつ添加し、Ｗコーン型混合機を使用して３０分間混合
した。

［第６表］ そして、得られた混合物を金型を用いて３　ｔｏｎ／−
の圧縮圧力で２Ｏｎ＋＋ｎＸ２０關Ｘ　２０　ｍｍの方
形に形成した。しかる後、この成形物をＨ２ガス中で７
００℃、３０分間の予備加熱後、真空中（２・〜５　Ｘ
　１０　’Ｔｏｒｒの真空度）で表７に示す加熱条件で
焼結した。

巨 ［′ １上の工程により製造された焼結合金の各化学之を第８
表に示ず。

上記実施例２−１〜同２−６の焼結合金の耐摩耗性を評
価するために、第２図に示すようなロッカアーム用のチ
ップを形成し、アルミダイキャストにより鋳くるんだ後
、仕上加工を施して１７プカアームとした。

カムシャフトは合金鋳鉄Ｉ”　Ｃ）［−１のｆＸ、　３
Ｔ、チルカムを使用し、１８００ｃｃガソリンエンジン
の実機モータリングテストによりチップのＲ部の１撃粍
高さを測定した。

テスト条件は、エンジン回転数２００　Ｏｒ、、Ｉ）、
１、テスト時間２０　Ｏｆａｒ、使用オイルとして市場
回収劣化オイル（ＳＡＥ’　３０）を用い、油温は４０
〜６０℃に設定した。

以下に示す第９表はこのテスト結果を示しており、各実
施例の焼結合金の気孔率も同表に併記している。

［第９表］ □ 上記表の結果から明らかなように、本発明の製造方法で
得られた焼結合金は高い耐摩耗性を有している。

また、特に注目すべきことは、このように耐摩耗性を向
上させる焼結合金の焼結温度が１０００℃以上、１１２
０℃未満であることであり、これにより基材として鋼や
鋳鉄を用いた場合にも、その強度や靭性の低下が発生し
ない。

なお、第１０表は、本発明に対する比較例を示すもので
、その焼結合金の化学組成と、上記実施例と同様な方法
による摩耗テスト結果とを示すものである。この比較例
かられかるように、これらのものは本発明より摩耗高さ
が大きく耐摩耗性が低い。

（発明の効果） 以上、実施例で詳細に説明したように、この発明に係る
合金粉末によれば結合材を加えて圧縮成形した時に、予
価加熱による欠陥の発生を大幅に低下させることができ
る。

また、本発明に係る耐摩耗性焼結合金の製造方法によれ
ば、焼結温度を１０００℃以上、１１２０℃未満とする
ので、基材の物性に影響を及ぼすことが回避できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧縮成形後に予備加熱した時の成形圧力と欠陥
発生率との関係を示すグラフ、第２図は本発明の効果を
評価するために用いたロッカアームの説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）化学組成が５〜１５重量％のＭｏ、２〜６重量％
   のＣｒおよびまたはＭｎ、１〜３重量％のＰ、１０〜３
   ０重量％のＮｂおよびまたはＴａ、１〜８重量％以下の
   Ｃ、２重量％以下のＳおよびまたはＳｉ、残Ｆｅおよび
   不可避成分からなり、且つ、その粒子径を、５μｍ以下
   のものが２％以下となすことを特徴とする合金粉末。
2. （２）化学組成が５〜１５重量％のＭｏ、２〜６重量％
   のＣｒおよびまたはＭｎ、１〜３重量％のＰ、１０〜３
   ０重量％のＮｂおよびまたはＴａ、１〜８重量％以下の
   Ｃ、２重量％以下のＳおよびまたはＳｉ、残Ｆｅおよび
   不可避成分からなり、且つ、その粒子径を、５μｍ以下
   のものが２％以下となす合金粉末と、化学組成が１０〜
   １５重量％のＣｒ、不可避成分が２重量％以下、残Ｆｅ
   からなり、粒径５μｍ以下の成分が２％以下である第２
   の合金粉末または混合粉末および結合材とを混合した後
   圧縮成形し、しかる後非酸化性雰囲気中で１０００℃以
   上、１１２０℃未満の温度で加熱し、焼結後の化学組成
   が１〜５重量％のＣ、４〜１０重量％のＣｒ、４〜１８
   重量％のＮｂおよびまたはＴａ、１．５〜９重量％のＭ
   ｏ、１．４重量％以下のＭｎ、０．３〜１．８重量％の
   Ｐ、２重量％以下の不可避成分、残Ｆｅになるように焼
   結することを特徴とする耐摩耗性焼結合金の製造方法。