JPS6342350A - 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Ｊ （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を製造するのに適しており、例えば
内燃Ｉａ間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方化などの要
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とカムシャフト
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め、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、チル鋳鉄製のもの１０ツカ
−アーム摺動部にＣｒめつ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〜第１−５５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＃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Ｊを施したロッカーアームでほ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めつき、溶射肉盛製のロッカ
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カリテなく、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、＃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、上記耐摩耗性鉄基焼結合金は、重量比で、Ｍ
ｏおよびＷのいずれか１種または２種：５〜２０％、Ｃ
ｒ：２〜１０％、Ｓｉ：Ｏ，１〜０．９％、Ｍ　ｎ　：
　０　、７％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｃｏｏ川〜用
、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７トリツクスに微細な硼化物または炭硼化物
と炭化物が共存する鉄基焼結合金である。

（発明が解決しようする問題点） この鉄基焼結合金は、合金鋼粉とＦｅ−３合金粉との混
合粉を成形、焼結および熱処理して得られるものである
が、Ｆｅ−３合金粉として、Ｂ含有量が多すぎるものを
用いたり、ＳｉやＡｎが多く含有されているものを用い
たりすると、下記のような問題点が存在することを本発
明者らは見い出した。

すなわち、ＢやＳｉ、Ａｎ量が多すぎるＦｅ−３合金粉
を用いて製造した場合に、得られた鉄基焼結合金の組織
を観察すると、硬質析出物がマトリックスに分散してい
る状態が希薄な部分と集合している部分とがあって、不
均質組織となっていること、また、結晶粒界に５ｉ０２
およびＡｕ２０３の介在物が多く存在していること、が
判明し、機械的強度とピッチング摩耗およびアブレーシ
ブ摩耗の向上に限界があるという問題点があった。

（発明の目的） 本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、鉄基焼結合金
の機械的強度とピッチング摩耗およびアブレーシブ摩耗
の向上を実現することを目的としてなされたもので、微
細な硼化物および炭硼化物を均一に析出させること、お
よびぜい性破壊を促進する介在物（Ａ文２０３１Ｓｉ０
２）を減少させること、に対して有効な手段を種々研究
することにより完成したものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち１本発明による耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方
法は、重量比で、Ｃ：０．１〜２．０％と、Ｂ：０．５
〜２．５％と、硼化物形成元素であるＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏのうちより選ばれる少なくとも１
種と、を基本成分として含み、その他Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ
等を含む鉄基焼結合金を製造するに際し、Ｂ供給源とし
てＦｅ−３合金粉を用い、当該Ｆｅ−３合金粉の組成が
１重量比で、Ｂ：２〜１８％、不純物元素であるＳｉ　
＋０．５％以下、およびＡ見：０．１％以下、残部Ｆｅ
および不可避的不純物であるものを用いるようにしたこ
とを特徴とするものである。

本発明による耐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、Ｃ：０．１〜２．０％と、Ｂ：０
．５〜２．５％と、硼化物形成元素であるＭ　ｏ　、　
Ｗ　、　Ｃｒ　、　Ｖ　、　Ｎ　ｂ　、　Ｔ　ａ　。

ＣＯのうちより選ばれる少なくとも１種と、を基本成分
として含み、その他Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ等を含む鉄基焼結
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。

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耐摩耗
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
はその効果が小さく、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１本発明を適用
する鉄基焼結合金のＣ含有量は０．１〜２．０％、より
望ましくは０．１〜０．８％するのが良い。

Ｂ　： Ｂは成分中５７）Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆａ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、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
して耐摩耗性を向」二させる。

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
成して本発明が適用される鉄基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小さく、一方２．５％
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
から、本発明を適用する鉄基焼結合金のＢ含有量は０．
５〜２．５％、より望ましくは０．５〜２．０％とする
のがよい。

Ｓｉ： Ｓｉは０．１％未満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１本発明を適用する
焼結合金のＳｉ含有量は０．１〜０．９％とするのがよ
い。

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、添加するとしても本
発明を適用する鉄基焼結合金のＭｎ含有量は０．７％以
下とするのがよい。

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、本発
明を適用する焼結合金のＭｏ＋Ｗ含有量は５〜３０％と
するのがよい。

Ｃｒ： Ｃｒはｒｖｔｏ、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（こ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、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は１０％以
下とするのがよい。

Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ： 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、Ｍ　ｏ　、　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
は０．５〜８％とするのが良い。

以上のほか、硼化物形成元素であるＣｏ。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ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。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、相手材との凝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
がよい、さらに、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、本発明を適用する焼結
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は０．０
５％以下とするのがよい。

本発明が適用される耐摩耗性焼結合金は、上記の組成を
有するものとすることが望ましいが、次に、このような
焼結合金を製造する場合のＢ供給源としてＦｅ−８合金
粉を使用し、当該Ｆｅ−８合金粉の組成（重量比）が、
Ｂ：２〜１８％、不純物元素であるＳｉ：０．５％以下
、およびＡｌ：Ｏ−１％以下、残部Ｆｅおよび不可避的
不純物であるものを用いるようにした理由につｌ、１て
説明する。

Ｂ： Ｂは成分中のＭｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅとともに複硼化
物を形成して耐摩耗性と酎なじみ性を与え、一部はマト
リックス中に固溶して焼入性を改善する働きをする元素
であることは前述したとおりである。本発明において、
このＢはＦｅ−８合金粉の形で供給されるが、Ｂ添加量
を一定にした場合、Ｂ濃度が高くなるほどＦｅ−８合金
粉の添加量は少なくて済むが、Ｂリッチな部分の偏在が
生じて、局所的な共晶液相の発生と析出硼化物の粗大化
を引き起す、一方、Ｂ濃度が低くなるほどＦｅ−Ｈの添
加量は多く必要とするが、添加Ｂの分布は均一化される
ため、液相の発生は全体に平均して起り、それに伴って
硼化物も微細なものが均一に析出するようになる。しか
し、Ｆｅ−８合金粉の添加量が多くなるため、残部合金
組成が低下する問題点がある。

より具体的には、Ｆｅ−８合金粉のＢ１ｆ７＆度が２％
未満の場合には、Ｆｅ−８合金粉の添加量が多くなり過
ぎ、それに伴って全体の成分組成を維持するためには残
部合金粉の組成が高濃度となるため、成形性と焼結性を
悪化させる。一方、Ｂ濃度が１８％を超えると、局所的
な共晶液相の発生や、硼化物の粗大化が起り、相手材と
のなじみ性や耐摩耗性が低下するばかりでなく、部品形
状としての寸法精度をも悪化させる結果となる。また、
Ｆｅ−８合金粉の硬さもＭＨＶ１２００以上となるため
、成形時の金型摩耗の問題が発生する。そのため、Ｆｅ
−８合金粉のＢ含有量を２〜１８％とした。

不純物元素（ＳｉおよびＡ文）： Ｆｅ−Ｂ合金粉の製造において、ＳｉおよびＡｆＬは特
に含有されやすい不純物元素であり、これらのほとんど
は５ｉ０２およびＡｌ２Ｏ２として存在する。そして、
これらの酸化物は焼結によって結晶粒界に介在物として
集まり、液相焼結による緻密化を阻害して機械的強度を
向上させない原因となる。

ざらに具体的には、Ｓｉが０．５％を超えると、結晶粒
界に存在する５ｉ０２介在物も多くなるため粒界破断し
やすくなり、４！１械的強度が著しく低下する。それに
伴って、ピッチング摩耗およびアブレーシブ摩耗が増加
し、相手をも摩耗させる。そのため、Ｓｉは０．５％以
下とした。また、Ａ文が０．１％を超えると、Ｓｉと同
様に機械的強度を著しく低下させ、耐ピッチング性、＃
摩耗性および耐アタック性が悪化する。そのため、Ａｎ
は０．１％以下とした。

なお、Ｆｅ−Ｂ合金粉の添加の際、その粒度を微細なも
のとすると、添加Ｂの分布を均一化させ、均一に液相が
発生して硼化物も微細に析出分散する。それゆえ、Ｆｅ
−Ｂ合金粉の粒度は３５０メツシユ（４４ｇｍ）以下が
望ましいが、工業的には２５０メツシユ（６３ｐｍ）以
下でよイ、シかし、２５０メツシユを超える粗大粒子が
多量に含まれる粉末は、析出物が粗大化して機械的強度
と摺動相手材とのなじみ性に悪い影響を実えることがあ
る。

（実施例） 次に、この発明の実施例を比較例とともに示す。

原料粉末として真空焼鈍を施した粒度−１００メツシユ
（７）Ｆｅ　　Ｃｒ　　Ｍｏ　　Ｗ　　Ｓｉ　　Ｃ系ア
トマイズ合金粉末と、−３２５メツシユのＦｅ−ＭＯ粉
末あるいは純ＭＯ粉末と、−３２５メツシユのＦｅ−Ｗ
粉末あるいは純Ｗ粉末と、Ｂ含有量、不純物元素である
Ｓｉ　、Ａ交合有量および粒度の異なる各Ｆｅ−Ｂ合金
粉とを用いて、第１表の供試材間、１〜１２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
肪酸であるアクラワックスを１．０％加えて混合したの
ち、各混合粉末を７ｔｏｎｆ／Ｃｍ２の圧力で成形し、
ついで各圧粉体を真空中で１１５０〜１２５０°Ｃの温
度で６０分間保持して焼結した。

次いで、各焼結体に焼入れ、焼戻し処理を施して各供試
材とした。なお、Ｍｎは合金鋼粉に通常台まれている元
素である。

また、第１表の供試材間、１３〜１８は、合金鋼粉末と
して、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃｒ−３ｉ−Ｃ−Ｎｉ系としたもの
（Ｎｏ、１３，１４）と、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃｒ−５ｉ　−
Ｖ−Ｃ−Ｎｂ系としたもの（Ｎｏ、１５．１６）と、Ｆ
　ｅ　−Ｍ　ｏ　−Ｗ−Ｃｒ　−Ｓ　ｉ　−Ｖ　−Ｃ−
Ｃｏ　−Ｎ　ｂ系トシタもノ（ＮＯ。

１７．１８）についてそれぞれ真空焼鈍した粒度−１０
０メツシユの７トマイズ粉末を用いた場合を示し、添加
原料粉および製造条件は前述と同様にして各供試材を作
製した。

次いで、各供試材（Ｎｏ、１〜１８）の機械的特性を調
べるとともに、ロッカーアームの摺動部に取り付けた場
合のロッカーアーム自体の摩耗量および相手材であるカ
ムの摩耗量を下記の実機エンジンによる摩耗試験条件で
測定した。

すなわち、実機エンジン試験では、各供試材をラッシュ
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、４気筒ＯＨＣガソリンエンジンにそれ
ぞれ組み込み、カムシャフト；チル鋳物、エンジン回転
数；６５０ｒｐｍ、ｌオイル；ガソリン用１万Ｋｍ走行
廃油、運転時間；６００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ない、ロンカ
ーアーム摺動部における摩耗量および相手材であるカム
の摩耗量を測定した。

第１表にこれらの試験結果を示した。

第１表に示す供試材間、１〜１２において、Ｆｅ−８合
金粉のＢ含有量と曲げ強さは相関しており、とくに供試
材Ｎｏ、１〜６より明らかなように、Ｂｉが多すぎると
曲げ強さはかなり低い値を示している。また、Ｆｅ−８
合金粉のＢ含有量とロッカーアームおよび相手材カムの
摩耗量の和の関係においても相関しており、Ｂ含有量が
多いと摩耗が大きい傾向を示している。さらに、供試材
間、７〜１２は、Ｆｅ−８合金粉のＢ含有量を一定にし
てＳｉとＡｎの含有量を比較したものであるが、Ｓｉお
よびＡＭ含有量が少ないほど曲げ強さは大きく、摩耗量
が少ない傾向を示している。これらの事実は、各供試材
の顕微鏡組織および電子顕微鏡による元素の分布状態を
観察した結果によっても裏付けられ、Ｆｅ−８合金粉の
Ｂ量、Ｓｉ量およびＡ交着が少ない試料は、硬質析出物
が均一に分散しており、５ｉ０７およびＡｕ２０３の塊
状介在物がきわめて少なかった。

次に、供試材間、１３〜１８は合金鋼の組成が異なる例
を示したものであり、Ｆｅ−８合金粉の組成を従来組成
と本発明における組成とを比較しである。

その傾向は前述したと同様であり、従来のＦｅ−８合金
粉を用いた場合よりも約４０％摩耗量が少ないことが明
らかである。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明による耐摩耗性鉄基焼
結合金の製造方法によれば、焼結合金の成分にＣおよび
Ｂを含みかつ炭化物２ｍ化物を形成する元素を含む合金
系の焼結合金、とくに、重量比で、Ｃ：０．１〜２．０
％と、Ｂ：０．５〜２．５％と、硼化物形成元素である
ＭＯ，Ｗ。

Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏｃ７）うちより選ばれる少
なくとも１種とを基本成分として含む鉄基焼結合金を製
造するに際し、Ｂ供給源としてＦｅ−８合金粉を用い、
当該Ｆｅ−８合金粉の成分が、重量比で、Ｂ：２〜１８
％、不純物元素であるＳｉ二〇、５％以下、およびＡ立
：　０　、１　’０以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純
物であるものを用いるようにしたから、Ｂリッチな部分
の偏在が生じて局所的な共晶液相の発生と析出硼化物の
粗大化がもたらされるようなことがなくなり、組織がち
密で均一なものにできるとともに、介在物の少ないもの
とすることができるために、機械的強度を著しく優れた
ものとすることが可能であり、機械的強度の改善に伴な
ってぜい性破壊に起因する摩耗を大幅に低減させること
ができるという著大なる効果を有し、特に内燃機関の動
弁系機構部材の製造においてきわめて有効な方法である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比で、Ｃ：０．１〜２．０％と、Ｂ：０．５
   〜２．５％と、硼化物形成元素であるＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、
   Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏのうちより選ばれる少なくとも１
   種と、を基本成分として含む鉄基焼結合金を製造するに
   際し、Ｂ供給源としてＦｅ−Ｂ合金粉を用い、当該Ｆｅ
   −Ｂ合金粉の成分が、重量比で、Ｂ：２〜１８％、不純
   物元素であるＳｉ：０．５％以下、およびＡｌ：０．１
   ％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であるものを用
   いることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法
   。