JPS63274740A - 耐摩耗性鉄基焼結合金 - 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】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、＃摩耗性が要求される部品の素材として利用
される鉄基焼結合金に関し、例えば内燃機関のロッカー
アームやタペット等の高面圧のかかる摺動部に使用した
場合において、高合金系カムシャフトなどが相手材であ
ってカムプロフィール等が摩耗にきびしい形状であって
も、すぐれた＃摩耗性となじみ性とを発揮する耐摩耗性
鉄基焼結合金に関するものである。 （従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となり
つつあり、特にロッカーアームやタペットのカムシャフ
トとの摺動部に対する耐久性の要求はきわめて厳しいも
のとなっている。 一般に、ロッカーアームやタペットのカムシャフトとの
摺動部は高面圧を受けるものであるため、すぐれた耐摩
耗性、耐スカッフィング性および耐ピツテイング性を兼
ね備えかつカムシャフトとのなじみ性をも合わせ持つこ
とが要求される。 そこで、本発明者らは前記の喜情にかんがみて、Ｍ摩耗
性等に優れた鉄基焼結合金の開発を鋭意進めてきた。そ
の中で１例えば、すでに出願した特願昭６１−５４１５
０号の明細書に記載した発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合
金では、所定の組織を得るために、重量％で、ＭＯおよ
びＷのうちいずれか１種または２種：５〜２０％、Ｃｒ
：２〜ｌＯ％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．７
％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｃ：０．１〜０．８％、
Ｂ：０．５〜２．０％、および必要に応じてＶ、Ｎｂ、
Ｔａ、ＴＩ、Ｚｒ、Ｈｆ。 Ｃｏ、Ｎｉよりなる群から選ばれる元素のうちいずれか
１種または２種以上：２０％以下。 残部Ｆｅおよび不純物からなる組成としていた。 （発明が解決しようとする問題点） 上記の特願昭６１−５４１５０号明細書に記載された発
明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金では、すぐれた耐摩耗性
、耐スカッフィング性および耐ピツテイング性を持つだ
けでなく、相手材とのなじみ性をも合わせ持つものであ
るため、ロッカーアームやタペットの素材として通常使
用する場合は全く問題なく、かなり優れた特性を示す。 しかしながら、近年におけるエンジンの高性能化、高回
転化の要求を満たすためには、マルチバルブ化（多弁化
）する必要があり、したがってカムシャフトの本数がふ
えて径が細くかつカムリフト量が大きくなることから高
合金化したカム（カムシャフト）が必要となってきてお
り、これらのカム（カムシャフト）の相手材として特願
昭６１−５４１５０号の発明に係る鉄基焼結合金を用い
た場合には、長時間使用による摩耗が問題となる場合が
ありうることがわかった。 （発明の目的） そこで１本発明者らは、高合金系のカム（カムシャフト
）の相手材として長時間使用しても摩耗量が増大しない
ようにすることを目的として、炭化物、硼化物９Ｍ！硼
化物の硬質相を補強する研究・実験を行った結果、Ｍｏ
、Ｗ、Ｃｒ等の合金元素を増量しかつ窒素を含有させる
ことにより。 炭化物、硼化物と親和性が高い窒化物を析出させ、炭化
物、硼化物、炭砿化物の一部を置換しおよび／または固
溶させ、および／またはこれらと共存させることにより
、材料の特性を劣化させることなくこの材料の耐摩耗性
を向上させることを見い出し１本発明を完成するに至っ
た。特にこの材料系では、焼結過程において微細な炭化
物と硼化物が共存しているために、窒素を含有させると
窒化物が炭化物、硼化物等と相互固溶体、５１１体を生
じ易いことを確認した。

【発明の構成】

（問題点を解決するための手段） 本発明の第一発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は１重量
％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１種または２種：５
〜２５％、Ｃｒ：２〜１２％。 Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０
．０５％以下、Ｃ：０．Ｉ　Ｎ１．２％。 Ｂ：０．５〜２．５％、　Ｎ：０．００２〜２．０％、
を基本的に含有し、必要に応じて窒化物の硬度を高める
ためにＡ見：０．０５〜１．０％を含有し、残部Ｆｅお
よび不純物からなることを特徴としている。 また、本発明の第二発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は
、上記の組成に加えて、Ｖ、Ｎｂ。 Ｔａ、Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉよりなる群から
選ばれる元素のうちいずれかｌ、［または２種以上＝２
０％以下、を含むことを特徴としている。 〔作用〕 本発明者らは、上記組成を持つ耐摩耗性鉄基焼結合金は
、焼結過程において微細な炭化物、硼化物および／また
は炭硼化物が均一に共分散し、さらに窒素を含有してい
るために上記化合物が核あるいは中間媒体となって微細
な炭窒化物、硼窒化物および／またはこれらの相互固溶
体、一部置換体が安定的にかつ粗大化することなく微細
で均一に析出しやすいことを確認した。 このようにして得られる合金のうちとくにマトリクス組
織に微細でかつ十分な量の複炭化物、複硼化物、複窒化
物および／または炭硼化物、炭窒化物、硼窒化物および
／またはこれらの相互固溶体が均一に分散している組織
を有するものが優れた摺動耐摩耗性を有し、とりわけ高
合金系カムシャフトでかつカムプロフィールが摩耗にき
びしいカムシャフトの相手材としてロッカーアームやタ
ペットの摺動面に使用した場合にすぐれた耐摩耗となじ
み性を発揮することを見い出した。 （成分限定理由） 本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、以
下に成分組成（重量％）を上記の通りに限定した理由を
説明する。 ＭＯおよびＷ： ＭｏおよびＷは、成分中のＦｅやＣｒなどと共にＣ，Ｂ
やＮと結合して複炭化物、複硼化物あるいは複窒化物ま
たはこれらの一部置換体、相互固溶体を形成して耐摩耗
性を与え、一部はマトリクス内に固溶して当該マトリク
スを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用がある
が、５％未満では所望の効果が十分に得られずに耐摩耗
性不足となり、２５％を超えて含有させてもより一層の
改善効果は認められず、経済的でないことからその含有
量を５〜２５％と定めた。 Ｃｒ： Ｃｒは、成分中のＦｅやＭｏ、Ｗ等とともに複炭化物、
複硼化物、複窒化物を形成して耐摩耗性を向上させると
同時に、マトリクス中に固溶して焼入性を増大させ、さ
らには焼戻し硬化能を高める効果を有するとともにマト
リクスの耐食性を向上させる効果もあるが、２％未満で
はその効果が十分に認められず、１２％を超えて含有さ
せてもより一層の改善効果がないばかりでなく、機械的
強度が低下して相手材への攻撃性が増大してしまうこと
からその含有量を２〜１２％と定めた。 Ｓｉ： Ｓｉは、０．１％未満の添加量では脱酸効果が少なく、
粉末中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するとと
もにＭ２Ｃ系の粗大な板状炭化物が析出しやすくなり、
相手部材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が０．
９％を超えても脱酸効果の向上もなく、粉末の形状が丸
くなって当該粉末の成形性が低下するだけであることか
ら、その含有量を０．１〜０．９％と定めた。 Ｍ　ｎ　： Ｍｎは、前述したＳｉと同じように脱酸効果があり、添
加することによって粉末中の酸素含有量を下げて焼結性
を向上させるが、０．７％を超えると粉末の形状が丸く
なって粉末の成形性が低下することにより成形体エッヂ
部の欠は等が生じやすくなることから、添加するとして
もその含有量を０．７％以下と定めた。 Ｐ： Ｐは、耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素と
して一般に０．２〜０．８％程度添加する手法が広く用
いられているが、本発明に係る焼結合金の場合はＰの添
加量が０．０５％を超えた場合に、複硼化物、複炭化物
、炭窒化物等が粗大化して相手材とのなじみ性が低下す
るとともに、粒界に複硼化物、復炭硼化物がネットワー
ク状に析出して強度が低下してしまうことからその含有
量を０．０５％以下と定めた。 Ｃ： Ｃは、その一部がＭ　ｏ　、　Ｗ　、　Ｃｒ　、　Ｖな
どの炭化物形成元素と結合して複炭化物を形成し、また
窒化物中のＮと一部置換して炭窒化物を形成する。さら
に硼素と共に炭硼化物をも形成する。Ｃはこれらの化合
物の形成によって耐摩耗性を向上させ、残りはマトリク
ス中に固溶して高い室温硬さと強度を与える作用を有す
るが、０．１％未満では複炭化物、炭窒化物、炭硼化物
の量が少なすぎ、またマトリクスの室温硬さも小さすぎ
て、耐摩耗性が不十分である。また、１．２％を超える
と複炭化物、炭窒化物が凝集析出し、粗大な炭硼化物を
生成して脆化しやすくなるうえに、相手材とのなじみ性
が低下することから、その含有量を０．１〜１．２％と
定めた。 このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したＦｅ−Ｍ
ｏ　−Ｗ−Ｃｒ−Ｖ−３ｉ　−（Ｍｎ）　−（Ｃｏ）−
（Ｎ）−Ｃ系アトマイズ合金粉末の形で添加するのが良
い、これはＣを単独にグラファイト粉末の形で添加する
と、後述するＢ源として添加するＦｅ−ＢあるいはＦｅ
−Ｃｒ−Ｂと結びついて焼結時に粗大な炭硼化物を粒界
に沿ってネットワーク状に析出させて相手材への攻撃性
を増大させてしまうためである。 Ｂコ Ｂは、成分中ｃｙ）Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅとともに
複硼化物を形成して耐摩耗性となじみ性を与えるととも
に、一部はマトリクス中に固溶して焼入性を改善する。 また、上記複硼化物の一部はＣ，Ｎと置換・結合し、復
炭硼化物、複硼窒化物を形成して耐摩耗性を向上させる
。 このようにＢは微細な複硼化物、複炭砿化物。 複重窒化物を形成して本発明焼結合金の耐摩耗性と耐゛
なじみ性を向上させるのに必須の主要成分であるが、０
．５％未満の添加ではその効果が十分に認められず、一
方２．５％を超えてもより一層の改善効果が期待できず
、かえって複硼化物等の粗大化が起り、相手材とのなじ
み性が低下することから、その含有量を０．５〜２．５
％と定めた。 本発明に係る焼結合金のＢ添加量としては上述したよう
に０．５〜２．５％とする必要があるが、特に優れた特
性を示すのはＢ添加量がＭ　ｏ　十Ｗとの間で、［Ｍｏ
＋Ｗ含有量（原子量）］／［Ｂ含有量（原子量）］＝０
．８〜１．５の関係を満たしているときである。これは
上記原子比が１．５を超える場合は、複硼化物の生成量
が少なく本発明合金の特徴であるなじみ性が低下してし
まい、また前記原子比が０．８未満では、複硼化物が粗
大化するとともにネットワーク状に粒界に析出してしま
い、相手材とのなじみ性が低下すると同時に自分自身の
耐ピツテイング性が低下してしまうためである。このＢ
の添加方法としてはＦｅ−ＢあるいはＦｅ−Ｃｒ−Ｂ系
合金粉末の形で添加することが好ましい。 Ｎ： Ｎは、成分中の金属元素と結合して複窒化物を作り、さ
らにこれらの複窒化物中のＮとＢ、Ｃとが置換、結合し
て複炭窒化物、複重窒化物を形成して耐摩耗性となじみ
性を与えると共に、一部はマトリクス中に固溶して耐食
性を改善する作用がある。しかし、その含有量が０．０
０２％未満では複窒化物の量が少なすぎて耐摩耗性が不
十分である。また、２．０％を超えると粗大な複窒化物
を生成して脆化しやすくなるうえに相手材とのなじみ性
が低下することから、その含有量を０．００２％〜２．
０％と定めた。この場合、窒素はマトリクス粉中に含有
させても良いし、ＶＮ、ＢＮ、ＮｂＮ粉末の形で添加し
ても良い。 へ見： Ａｉは、窒化硬度を高める元素であって、０．０５％以
上で顕著な効果を有するが、１．０％を超えて含有させ
ると焼結が進行しにくくなり、密度低下するので、窒化
硬度を上げるために添加するとしても、その量は０．２
〜１．０％とする必要がある。 Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｏ。 Ｎｉ： Ｖ、Ｎｂ、Ｔａは、ＦｅやＣｒとともにＣ１Ｎと結合し
てきわめて硬い複炭化物、複窒化物。 複炭窒化物を作るとともに、Ｍｏ、Ｗの一部と置換した
形の複炭化物や複硼化物、複窒化物を形成して耐摩耗性
を与え、一部はマトリクス中に固溶して当該マトリクス
を強化するとともに、焼戻し硬化能を高める作用がある
。またＶ、Ｎｂ、Ｔａは、焼結時の結晶粒の粗大化を防
止するとともに炭化物の粗大化を防止する効果もある。 これらの効果はＶ、Ｎｂ、Ｔａが０．５％未満の場合で
はあまり認められず、耐摩耗性や強度の低下をきたし、
一方８％を超えて添加しても一層の改善効果は認められ
ず経済的でないことから、添加するとしてもその含有量
を０．５〜８％とするのが良い。 Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｈｆ　、Ｃｏは、硼化物形成元素であり
、耐摩耗性の向上に有効な元素であるので、必要に応じ
て１２％以下の範囲で添加しても良い。特にＣｏはＭｏ
、Ｗなどの一部と置換して複硼化物を形成するだけでな
く、マトリクス中に固溶して赤熱硬さを向上させるため
、熱間での耐摩耗性が要求される場合には添加すること
が特に効果的である。 また、マトリクスがオーステナイト化しない範囲でＮｉ
を添加しても良い。これはＮｉを添加するとマトリクス
の耐食性が向上するため、ディーゼルエンジンのＥＧＲ
仕様のロッカーアームや油圧リフタのように腐食摩耗が
厳しい部品への適用′　　　　には特に効果がある。 以上の成分組成からなる本発明に係る焼結合金の硬さと
しては、ＨＲＣ５０〜７０の範囲が好ましい。これは、
ＨＲＣ５０未満では耐摩耗性が不足し、ＨＲＣ７０を超
えると相手材とのなじみ性が低下するためである。 また、本発明に係る焼結合金の理論密度比としては９０
％以上とすることが好ましい。これは、９０％未満の理
論密度比ではマトリクスの強度が低く、かつ空孔も大き
く、しかもこの空孔のもつ切欠作用によってマトリクス
が破壊されやすくなってピッティング摩耗が生じやすく
なるためである。 （実施例） 以下、本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金の実施例を比
較例と対比しながら説明する。 原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−１００メツシ
ユのＦ　ｅ　−Ｃｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｗ　−５ｉ−Ｃ系ア
トマイズ合金粉末（必要に応じてＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ
、Ｎも含有）、−３２５メツシユのＦ　ｅ　−Ｍ　ｏ粉
末あるいは純ＭＯ粉末、−３２５メツシユのＦｅ−Ｗ粉
末あるいは純Ｗ粉末、−２５０メツシユのＦｅ−Ｂ合金
粉末（Ｂ：２０％含有）、−２５０メツシユのＦｅ−Ｐ
合金粉末（Ｐ：２６％含有）、−２５０メツシユのフェ
ロチタン、フェロジルコニウム、フェロハフニウム各合
金粉末、−３２５メツシユのカーボニルＮｉ粉末、−５
００メツシユのＴｉＮ。 ＮｂＮ、ＶＮ、ＢＨ３よびＡｉＮ、等ヲ用イ’１１−　
ｆｆ１１表に示す最終成分組成を持つように適宜配合し
、潤滑剤として高級脂肪酸を加えて混合し、これら各混
合粉末を７ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で圧粉体″成形し・つ
いで前記圧粉体を非酸化性雰囲気で１１５０℃〜１２５
０℃の温度にて６０分間保持して焼結した後、熱処理を
行って本発明実施例合金Ｎｏ、　　１〜１８および比較
例合金Ｎｏ、　　１〜１０を製造した。 ついで、本発明実施例合金Ｎ００１〜１８および比較例
合金Ｎｏ、　　Ｌ〜ｌＯをそれぞれラッシュアジャスタ
内蔵型のロッカーアームのカムシャフトとの摺動部に使
用し、Ｖ型６気筒ガソリンエンジンにそれぞれ組み込ん
で性能評価試験を行った。 一方、カムシャフトは高合金チル鋳物からなるものであ
り、その組成は、重量％で、Ｃ：約３．７％、Ｓｉ：２
．０％、Ｍ　ｎ　：　０　、７％、％、Ｔｉ：０．１％
、　Ｐ：０．２％、　Ｃｕ　：０．５％、残部実質的に
Ｆｅからなるものであって、硬度はＨＲＣ５８以上のも
のである。この場合、カムシャフトは高出力用の高リフ
トタイプのものであって、弁の開閉速度が大きくかつ低
速での油膜形成が難しいタイプのカムプロフィールを持
っているものである。 この性能評価試験では、エンジン回転数二６００ｒｐｍ
、オイル：ガソリンエンジン用約２万５０００　ｋｍ走
行の廃油、油温：６０℃、運転時間二８００時間、およ
びその他の条件は実際の市場走行と同一の条件、で摩耗
試験を行い、ロッカーアーム摺動部における摩耗量およ
び相手部材であるカムシャフトのカム部の摩耗量を測定
すると共に、同摺動部におけるスカッフィングおよびピ
ッティングの発生状況を観察した。この結果を同しく茅
給二ニー」−「２７７２７２２７２／第１表に示す結果
より明らかなように、比較例合金Ｎｏ、　　１〜１０で
示したごとく、成分組成の範囲が本発明台金からはずれ
た合金では、それぞれロッカーアームやカムシャフトの
カム部の摩耗が大きかったり、スカッフィングやビアテ
ィングの発生が認められたりして、いずれも満足のでき
る特性は示していないことがわかった。 これに対して、本発明実施例合金Ｎｏ、　　１〜１８の
場合はいずれも優れた耐摩耗性を示し、相手部材である
カムシャフトのカム部を著しく損傷させることもなく、
さらには耐スカッフィング性および耐ピツテイング性に
もきわめて優れたものとなっていることがわかった。 なお、ここに示した本発明実施例合金は熱処理によって
−２）リクス組織は焼戻しマルテンサイトを主体とする
ものとなっているが、この熱処理条件を適宜選択するこ
とによって、マトリクスの組織をベイナイト、パーライ
ト、ベイナイト＋パーライト等の組織とすることもでき
るのはもちろん−ｔ！ある。 なお、ここで示した実施例では、本発明実施例合金をロ
ッカーアームの摺動部に適用した場合について述べたが
、タペット、カム、スリーブおよびバルブシートなどの
ように、高面圧がかかるうえに境界潤滑ないしは乾燥摩
耗をするような用途に使用しても同様にすぐれた耐摩耗
性を示すものである。

【発明の効果】

以上説明してきたように１本発明の第一発明に係る鉄基
焼結合金は、重量％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１
種または２種：５〜２５％、Ｃｒ：２〜１２％、Ｓｉ：
０．１〜０．９％。 Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｃ：０．１
〜１．２％、Ｂ：０．５〜２．５％、Ｎ：０．００２〜
２．０％、を基本的に含有し、必要に応じて窒化物の硬
度を高めるためにＡＭ：０．０５〜１．０％含有し、残
部Ｆｅおよび不純物からなる組成を有し、また、本発明
の第二発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は、上記の組成
に加えて、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｈｆ。 Ｃｏ、Ｎｉよりなる群から選ばれる元素のうちいずれか
１種または２種以上：２０％以下、を含む組成を有する
ものであるから、上記いずれの組成を有する鉄基焼結合
金においても、マトリクス組織中に微細でかつ十分な量
の炭化物と微細な硼化物、窒化物および／または炭硼化
物、炭窒化物および／またはこれらの相互固溶体が均一
に分散した組織とすることができるため、従来以上に優
れた摺動＃摩耗特性を有し１例えばロッカーアームの摺
動部に適用した場合において高合金系の材料からなるカ
ムシャフトであってかつカムプロフィールが摩耗に対し
てかなりきびしいカムシャフトを相手材として長時間使
用したときでも、自身がもつ優れた＃摩耗性を失わずか
つ相手材に対する攻撃性も少なくすることができ、工業
上きわめて有益な特性を有するものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　重量％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１種ま
   たは２種：５〜２５％、Ｃｒ：２〜１２％、Ｓｉ：０．
   １〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０５％以
   下、Ｃ：０．１〜１．２％、Ｂ：０．５〜２．５％、Ｎ
   ：０．００２〜２．０％、残部Ｆｅおよび不純物からな
   ることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金。
2. （２）　重量％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１種ま
   たは２種：５〜２５％、Ｃｒ：２〜１２％、Ｓｉ：０．
   １〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０５％以
   下、Ｃ：０．１〜１．２％、Ｂ：０．５〜２．５％、Ｎ
   ：０．００２〜２．０％、およびＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ
   ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｏ，Ｎｉよりなる群から選ばれる元素
   のうちいずれか１種または２種以上：２０％以下、残部
   Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とする耐摩耗性鉄
   基焼結合金。