JPS6342349A - 耐摩耗性鉄基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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、耐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を製造するのに適しており１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すぐれた耐摩耗性となじみ性
とを発揮する鉄基焼結合金を製造するのに適用される耐
摩耗性鉄基焼結合金の製造方法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
摺動部は高い面圧を受けるものであるたね、すぐれた耐
摩耗性、耐スカッフィング性および１酎ビツナング性を
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。

従来、ロッカーアームには、チル鋳鉄性のもの、コツカ
ーアーム摺動部にＣｒめっきや自溶性合金の溶射肉盛な
どの表面処理を施したもの（例えば、新編　自動車工学
便覧　第１２編　第１−５４頁〜ｍ１−５５頁）、ある
いはＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系の高合金粉末の圧粉体を液相焼結
した高合金高密度焼結耐摩耗材を用いたもの（例えば、
特開昭５７−１０８２４６号）などが使用されている。

しかしながら、上記のうち、チル鋳鉄製のロッカーアー
ムは耐ピツチング性や耐摩耗性の点で問題があり、Ｃｒ
めっきを施したロッカーアームではめっき層の剥離の問
題があり、溶射肉盛を施したロッカーアームではスカッ
フィングや相手部材のカムシャフトに対する摩耗などの
問題がある。

また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系焼結合金製のロッカーアームの
場合は前記チル鋳物、Ｃｒめっき。

溶射肉盛部のロッカーアームにくらべるとかなり良好な
特性を示すことが多いが、面圧が非常に高くなる場合等
には自分自身の耐摩耗性が十分でないばかりでなく、カ
ムシャフトの摩耗量も大きくなってしまい、要求特性を
満足するものになっていないのが現状である。

そこで本発明者等は、上述のような観点から、すぐれた
耐摩耗性、耐スカッフィング性および耐ピツチング性を
持つだけでなく、相手部材とのなじみ性をも合わせ持つ
材料を開発することを目的として種々の研究を実施した
結果、次に示す組成の耐摩耗性鉄基焼結合金を開発した
（特願昭６１−５４１５０号）。

すなわち、上記の耐摩耗性鉄基焼結合金は１重量比で、
ＭｏおよびＷのいずれか１種または２種；５〜２０％、
Ｃｒ；２〜１０％、Ｓｉ；０．１〜０．９％、Ｍ　ｎ　
；　０　、７９６以下、Ｐ；０．０５％以下、Ｃ，０，
１〜０．８％、Ｂ：０．５〜２．０％、残部Ｆｅおよび
不純物からなる組成を有し、ベイナイトもしくはマルテ
ンサイトからなる基地に微細な炭化物と硼化物および／
または炭硼化物が分散した組織を有するものである。

そして上述の組成と組織を有する鉄基焼結合金を製造す
る場合の従来法としては、■真空焼鈍したＢを含むアト
マイズ合金鋼粉末を原料とし、成形、真空焼結および熱
処理する方法や、■真空焼鈍を施したアトマイズ合金鋼
粉末に、Ｂの供給源としてＦｅ−８合金粉末を通常の方
法で混合し、以後成形、真空焼結および熱処理する方法
がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前者の■に示す方法は、粉末を製造する
ときに溶解時のＢ歩留りが悪く、酸化しやすいために粉
末中の酸素量が多くなり、酸化物等の介在物を発生しや
すくなると共に、粉末が硬くなるために成形性が悪く、
高密度のものを得ることが難かしいという問題点があっ
た。

また、後者の■に示す方法においては、粉末の混合時に
おけるＦｅ−８合金粉末の偏在や、混合後の振動による
偏析のために、焼結時に部分的な液相焼結となりやすく
、その結果として、部分的な析出硼化物あるいは炭硼化
物の粗大化を生じたり、高い寸法精度が得られなかった
りするなど、安定した品質のものを製造できないという
問題点があった。さらには、Ｆｅ−８合金粉末の硬さが
大きいために、成形押型を摩耗させ易いという問題点も
あった。

（発明の目的） 本発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたも
ので、合金鋼粉末の表面にＦｅ−８合金粉末を冶金的に
付着させることによって、混合粉末で起こりがちな偏析
を無くすること、および焼入れ、熱歪み、あるいは加工
硬化で硬さが大きくなっている合金鋼粉末およびＦｅ−
８合金粉末を軟質にして粉末の圧縮性を改良することに
より、＃摩耗性に優れた焼結合金を得ることを目的とし
ているものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するだめの手段） 本発明は、あらかじめＦ　’ｅ−Ｃｒ−Ｍ　ｏ　−Ｗ　
−５ｉ−Ｃ系アトマイズ合金鋼粉末を所要のＢ添加量に
相当するＦｅ−８合金粉末と共に真空焼鈍し、前記Ｆｅ
−Ｃｒ−Ｍｏ　−Ｗ−３ｉ−Ｃ系アトマイズ合金鋼粉末
粒子の表面にＦｅ−８合金粉末を均一に拡散付着させた
ものを成形原料に用いるようにしたことを特徴とするも
のであり、本発明の構成は１合金鋼粉末とＦｅ−８合金
粉末とを混合し、成形、焼結および熱処理を施し、組成
が、重量比で、ＭｏおよびＷのいずれが１種または２種
：５〜３０％、Ｃｒ：１０％以下、ｓｉ二〇、１〜０．
９％、Ｍ　ｎ　：　０　、７％以下、Ｃ：０．１〜２．
０％、Ｂ：０．５〜２．０％、を基本成分として含有し
、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる耐摩耗性鉄基
焼結合金を製造するに際し、アトマイズ合金鋼粉末とＦ
ｅ−８合金粉末とを前記組成となる重量比で混合し、そ
の混合粉末を非酸化性雰囲気中で加熱焼鈍したのち解砕
して粉体とし、成形、焼結および熱処理するようにした
ことを特徴とするものである。

本発明による＃摩耗性鉄基焼結合金の製造方法は、上述
のとおり１重量比で、ＭＯおよびＷのいずれか１種また
は２種＝５〜３０％、Ｃｒ：１０％以下、Ｓｉ：０．１
〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｃ：０．１〜２．０
％、Ｂ：０．５〜２．０％を基本成分として含有し、そ
の他必要に応じＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉ等を含み、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鉄基焼結合金に
適用されるが、以下にその成分組成（重量％）の限定理
由について説明する。

ＭｏおよびＷ； ＭｏおよびＷは成分中のＦｅやＣｒとともにＣ゛　やＢ
と結合して複炭化物や複硼化物あるいは復炭硼化物を形
成して耐摩耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶し
てマトリッ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得られずに
耐摩耗性不足となり、３０％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Ｍ
ｏ、Ｗの含有量はいずれか１種または２種で５〜３０％
と定めた。

Ｃｒ； ＣｒはＭｏ、Ｗ等とともに複炭化物や複硼化物を形成し
耐摩耗性を向上させると同時に、マトリックス中に固溶
して焼入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果
を有するとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、
１０％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１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Ｃｒの含有量は１０％以下と
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系の粗大な板状の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、粉末が丸くなって
しまい成形性が低下するだけであることから、Ｓｉの含
有量は０．１〜０．９％と定めた。

Ｍｎ； Ｍｎは前述したＳｉと同じように脱酸効果があり、添加
することにより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ツジ部の
欠は等が生じやすくなることから、Ｍｎの含有量は０．
７％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て＃摩耗
性を向上させ、残りはマトリッ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
はその効果が認められず、２．０％を超えると複炭化物
の析出量増加と粗大化が起り、相手材とのなじみ性が低
下することから、Ｃの含有量は０．１〜２．０％と定め
た。

Ｂ； Ｂは成分中のＭ　ｏ　、　Ｗ　、　Ｖ　、　Ｃｒ　、　
Ｆ　ｅとともに複硼化物を形成して耐摩耗性と耐なじみ
性を与えるとともに、一部はマトリックス中に固溶して
焼入性を改善する。また、上記複硼化物の一部はＣとも
結びついて復炭硼化物を形成して耐摩耗性全向上させる
。

このようにＢは微細な複硼化物あるいは復炭硼化物を形
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
せるのに有効な成分であるが、０．５％未満の添加では
その効果が認められず。

一方２．０％を超えても一層の改善効果が認められずか
えって複硼化物の粗大化が起り、相手材とのなじみ性が
低下することがらＢの含有量は０．５〜２．０％と定め
た。

Ｖ　＋　Ｎ　ｂ　ｒ　Ｔ　ａ　； Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ　　はＦｅやＣｒとともにＣと化合して
きわめてかたい複炭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を形成して耐摩耗
性を与え、一部はマトリックス中に固溶してマトリック
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。

以上述べてきた成分のほか、硼化物形成元素であるＴｉ
、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｏ等を必要に応じて１２％以下添加し
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、マトリックス中に固溶し
て赤熱かた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、マトリックスがオーステナイト化しない範囲でＮ
ｉを添加しても良い、これはＮｉを添加するとマトリッ
クスの耐食性が向上するため、ディーゼルエンジンのＥ
ＧＲ仕様のロッカアームや油圧リフタのように腐食Ｆ！
ｉ耗が厳しい部品への適用には特に効果がある。しかし
、Ｎｉの添加量が多くなってマトリックスがオーステナ
イト化してしまった場合には、かたさが低下するだけで
なく、相手材とのＩＪ１着性が大きくなってしまうため
、添加するとしてもオーステナイト化しない範囲で添加
するのが良く、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ。

Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉは合計で２０％以下とするのが
望ましい。

Ｐ； Ｐは＃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、本発明による焼結合金の場合はＰの添加
量が０．０５％を超えた場合に、複硼化物あるいは復炭
硼化物が粗大化して相手材とのなじみ性が低下するとと
もに、粒界に複硼化物あるいは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により、特に
高面圧がかかった場合の耐ピツチング特性も低下してし
まうことからその含有量を０．０５％以下とするのが望
ましい。

本発明が適用される耐摩耗性鉄基焼結合金は、上記の組
成を有するものとすることが望ましく、このような組成
の鉄基焼結合金を製造するに際しては、アトマイズ合金
鋼粉末とＦｅ−Ｂ合金粉末とを前記組成となる重量比で
混合し、その混合粉末を非酸化性雰囲気中で加熱焼鈍し
たのち解砕して粉体とし、成形、焼結および熱処理する
ようにしているが、以下にさらに詳細に説明する。

通常のアトマイズ合金鋼粉末は、溶湯をアトマイズした
のち脱水乾燥し、この焼入れ組織で硬いものとなってい
る粉末を真空焼鈍したのち解砕したものであるが、本発
明に８いては焼鈍しない合金鋼粉末であってもよい。

一方Ｆｅ−Ｂ合金粉末は、通常の場合に１５〜２５％の
Ｂを含有しており、２５０メツシユ以下の粒度で用いら
れる。この粉末は　砕によって作られ、Ｆｅ−Ｂ合金自
身が硬いのに加えて加工硬化しているため、成形性が悪
いほか、成形押型を摩耗させやすい性質がある。

そこで、本発明においてはこれらの粉末を所望する組成
となるように混合したのち、真空中等の非酸化性雰囲気
中で加熱する。この加熱によって各粉末は焼鈍されると
ともに、粉末の酸化物は合金鋼粉末中の炭素を媒体とし
て還元され、また、Ｆｅ−Ｂ合金粉末は、合金鋼粉末の
表面に一部拡散して付着する。真空中の温度および処理
時間は、７００〜９００℃で１０〜５０時間行うことが
望ましい、そして、焼鈍すると粉末は解れ易いケーキ状
となっているので、振動を与えるか通常の混合機中で解
砕できる。ただし、過分に解砕するとＦｅ−Ｂ合金粉末
が再び分離してしまう。

このように処理した原料粉末によれば、粉末圧縮性が良
く、押型摩耗が緩和され、偏析のない均一な組織の焼結
合金が得られて耐摩耗性が向上するのである。

そこで、このような粉末を成形、焼結および熱処理する
ことによって、＃摩耗性に優れた鉄基焼結合金を製造す
る。

（実施例） 次に、この発明の実施例について説明する。

この実施例では、原料粉末として１粒度−１００ｍｅｓ
ｈのＦｅ−４，０％Ｃｒ−８，８％Ｍｏ−２，２％Ｗ−
０．３％５ｉ−０，６５％Ｃ−０，１％Ｍｎなる組成の
アトマイズ合金銅粉末を用い、このアトマイズ合金鋼粉
末に、７．０％のＦｅ−１４，２％Ｂ合金粉末を加え、
Ｓ型混合機にて３０分混合した後、真空炉（１、０Ｘ１
０−ｊＴｏｒｒ）中において８８０℃、４８時間の真空
焼鈍を行った。その後、Ｖ型混合機で６０分間の解砕を
した後、−１００ｍｅｓｈに粒度調整を行い、最終の原
料粉末とした。　次いで、この原料粉末に成形潤滑剤で
あるアクラワックスを１％配合し；全１１００ｋｇを成
形機ホッパーに移し、ホッパーごと毎分１８０回、スト
ローク２００ｍｍ、２０分間の振動を与えた後静止させ
、全ｉをロッカーアームチップ形状に成形した。

次いで、前記成形体を１１９０℃、６０分間。

５Ｘ　１０−２Ｔｏ　ｒ　ｒ）の真空中で焼結したのち
、焼入れ、焼戻し処理を施して試料とした。そして、粉
末成形開始の試料から約５００個おきに抽出して顕微鏡
組織をみることにより硬質層の面積率および硬質粒子径
を調べるとともに、台上エンジンテストによる試料摩耗
量および相手材摩耗量を測定した。なお、台上エンジン
テストにおいては、４気筒ＯＨＣガソリンエンジンに組
み込み、カムシャフト：チル鋳物１回転数＝６５Ｏｒｐ
ｍ、オイル：ガソリン用１万ｋｍ走行廃油、運転時開−
６００時間の条件にて評価した。その測定結果を第１図
に示す。

（比較例） 比較例においては、粒度−１００ｍｅｓｈの真空焼鈍し
たＦｅ−４，０％Ｃｒ−８，８％Ｍ　ｏ　−２，２％Ｗ
−０．３％５ｆ−０．６％ｃ−ｏ、ｉ％Ｍｎなる組成の
合金粉末に、７．０％のＦｅ−１４，２％Ｂ合金粉末と
１％の成形潤滑剤アクラワックスをＳ型混合機で３０分
混合し、全量１００ｋｇを成形機ホッパーに移し、上記
実施例と同じ条件により成形した。

次いで、前記成形体を実施例と同様にして熱処理して試
料とし、同じく５００回おきに抽出して顕微鏡組織をみ
ることにより硬質層の面積率および硬質粒子径を調べる
とともに、前記実施例と同様の台上エンジンテストによ
る試料摩耗量および相手材摩耗量を測定した。これらの
測定結果を同じく８１図に示す。

（評価結果） 第１図に示すように、まず、硬質相の面積は、本発明法
による実施例では終始的１５％を推移しているのに対し
、従来法による比較例では成形初期において約１０％で
あり、原料粉末ホッパーの量が少なくなるとともに増加
して終了時には２８％である。このことは、成形初期は
粗粉を多く含む粉体が成形され、しだいに微粉の多い粉
体を成形していることを表わしている。また、硬質粒子
の径においても同様の傾向を示している。

次に、ロッカーアームチップおよび相手材カムの摩耗量
は、実施例においては終始変化は認められないが、比較
例においては硬質相の面積が実施例と近似した領域では
摩耗が少ないものの、成形初期においてもまた成形終期
においても大きい摩耗量を示している。

したがって、本発明の製造方法によれば、第１図に示し
たように硬質相を均質にかつ安定して得られるので、摩
耗特性に優れ、ばらつきのない耐摩耗性焼結部品を作る
ことができる。また、押型摩耗を緩和できるので、生産
上の経済的効果が大きい。

〔発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明の耐摩耗性鉄ノ、（焼
結合金の製造方法によれば、合金鋼粉末とＦｅ−８合金
粉末とを混合し、成形、焼結および熱処理を施し、組成
が、重量比で、ＭｏおよびＷのいずれか１種または２種
：５〜３０％、Ｃｒ：１０％以下、Ｓｉ：０．１〜０．
９％、Ｍｎ：０−７’）６以下、Ｃ：０．１〜２．０％
、Ｂ：０．５〜２．０％、を大水成分として含有し、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる＃摩耗性鉄基焼結
合金を製造するに際し、アトマイズ合金鋼粉末とＦｅ−
８合金粉末とを前記組成となる重量比で混合し、その混
合粉末を非酸化性雰囲気中で加熱焼鈍したのち解砕して
粉体とし、成形、焼結および熱処理するようにしたから
、合金鋼粉末の表面にＦｅ−８合金粉末を冶金的に付着
させることによって、混合粉末で起こりがちな偏析を無
くすることが可能であると共に、焼入れ、熱歪み。

あるいは加工硬化で硬さが大きくなっている合金鋼粉末
およびＦｅ−８合金粉末を軟質にして粉末の圧縮性を改
良することが可能であるため、硬質層が均質で安定して
得られ、＃摩耗性に優れているとともにばらつきのない
鉄基焼結合金（焼結晶）を製造することができ、加えて
、押型の摩耗を低減して生産上のコストを低くさせるこ
とができるという非常に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例および比較例で製造した鉄基焼
結合金の成形過程による硬質層の面積率、硬質粒子径、
カム摩耗量およびロッカーアームチップ摩耗量の変化を
測定した結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）合金鋼粉末とＦｅ−Ｂ合金粉末とを混合し、成形
   、焼結および熱処理を施し、組成が、重量比で、Ｍｏお
   よびＷいずれか１種または２種：５〜３０％、Ｃｒ：１
   ０％以下、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以
   下、Ｃ：０．１〜２．０％、Ｂ：０．５〜２．０％、を
   基本成分として含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
   からなる耐摩耗性鉄基焼結合金を製造するに際し、アト
   マイズ合金鋼粉末とＦｅ−Ｂ合金粉末とを前記組成とな
   る重量比で混合し、その混合粉末を非酸化性雰囲気中で
   加熱焼鈍したのち解砕して粉体とし、成形、焼結および
   熱処理することを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金の製
   造方法。