JPS6352083B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関に用いられ、著しく耐摩耗性
耐ピツチング性、強度が要求される部材に関する
ものであり、特に焼結合金と鋳鉄や鋼の鉄系母材
との複合部材に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関は近年の高速化、高出力化に対応し
て、その各部品にも高度の性能が要求されてい
る。例えばカムシヤフト、ロツカアーム、タペツ
ト、バルブ、バルブシート等の動弁系部材やその
他の激しく摺動する部材にあつては高い耐摩耗
性、耐ピツチング性に優れるものが要求されるよ
うになつた。

かかる部材として、焼結合金材料や高硬度物を
被覆することがなされてきたが、特に焼結合金材
料を用いた場合、経済的な理由や強度の問題によ
つて激しく摺動する部分に焼結合金材を配し、強
度を要する部分は鉄系材料を配した複合部材が用
いられるのが通常であつた。

かかる複合部材としては本出願人が先に提出し
た特願昭54−20740号「（特公昭58−30361号）内
燃機関用耐摩耗性部材の製造方法」が優れたもの
として利用されるものであるが、かかる複合部材
にあつても通常の量産にあつては焼結合金と母材
との結合力が弱いものや、極端な高負荷条件に使
用する場合、および焼結合金に表面処理を施した
ものでは、焼結合金材の強度が不足するなど問題
点をすべて解決しうるものではなかつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の特願昭54−20740号にあつては焼結合金
を焼結以前の圧粉体の状態で鋳鉄又は鋼の鉄系母
材に組み付け一体的に焼結するものであつたが、
量産にあつては鉄系母材の表面粗さのばらつき、
製造工程中の振動、異物の介入等より、圧粉体と
鉄系母材間の結合が充分でなく結合力に劣るもの
が発生した。又結合面に溶浸材のフラツクスを介
在させ結合させても結合力は向上するものの、焼
結合金自体の強度はなお低かつた。

さらに、高速の機関に適用する場合は焼結完了
後に例えば窒化浸炭侵硫窒化、ガス軟窒化、イオ
ン窒化等の表面処理が施され、より硬度を向上さ
せ耐摩耗性を向上させることが通常なされるもの
であるが、かかる表面処理は焼結合金の空孔の深
部まで及び、焼結合金の耐熱疲労強度は向上する
ものの、全体的な強度は低下する。これは窒化等
によつて焼結合金基地が脆化するためであり、か
かる強度の低下は耐ピツチング性を劣化させるの
みならず、破損等の重大事故の原因となるもので
あつた。

又、焼結空孔を例えば銅によつて溶浸し、封孔
処理する処理することにより、強度低下の原因と
なる空孔を封じ強度の改善がなされる場合があつ
たが、この場合は焼結合金の表面の空孔が消失
し、潤滑溜の効果を有し潤滑性を向上し耐摩耗性
に寄与するところの空孔の効果がなくなるばかり
でなく、例えばCu等の溶浸剤は表面の基地に対
しては脆化の影響を及ぼすため実用としては問題
が残るものであつた。本発明は前述の如く従来の
問題点を解決しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は鉄系焼結合金の粉末圧粉体あるいは、
予め一次焼結された鉄系焼結合金と鉄系母材を組
合わせ、一体的に焼結し両者を結合した鉄系焼結
合金と鉄系母材からなる複合材料において、 前記、鉄系焼結合金と鉄系母材との結合が溶浸
剤の拡散により結合され、かつ溶浸剤による鉄系
焼結合金側の拡散層は両者の結合面より、結合面
と鉄系焼結合金表面までの厚さの40〜95％であ
り、鉄系焼結合金表面には溶浸剤による拡散層を
有していないことを特徴とする内燃機関用複合部
材としたものである。

〔作用〕

本発明の内燃機関用複合部材は、鉄系焼結合金
と鉄系母材との結合が溶浸剤の拡散により結合さ
れているため、極めて強固な結合が得られる。

しかも、溶浸剤による鉄系焼結合金側の拡散層
は両者の結合面より、結合面と鉄系焼結合金表面
までの厚さの40〜95％であり、鉄系焼結合金表面
には溶浸剤による拡散層を有していないため、焼
結合金特有の空孔による効果（特に空孔が潤滑油
溜として作用し、潤滑性を向上させて、耐摩耗性
に寄与する効果）を摺動面に於てはを保持したま
ま、鉄系焼結合金の強度を向上させることができ
る。

すなわち、溶浸剤は鉄系焼結合金の空孔間を結
び網目構造になつて拡散層を形成するために、鉄
系焼結合金の強度を著しく向上させることができ
るものである。

また、鉄系焼結合金に窒化層等の表面処理が必
要となつた場合でも、鉄系焼結合金表面の下層に
は拡散層が在存するために、表面処理層が鉄系焼
結合金全体には入らず、拡散層の形成されていな
い表層部分のみに処理されることとなる。

従つて、必要とする部分のみに表面処理を形成
することができ、且つ、表面処理層による。鉄系
焼結合金の強度低下も最小限に押えることができ
るものである。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を内燃機関用のタペツト
を例にとつて説明する。

カムと摺動する部分には鉄系焼結合金２が用い
られる。この鉄系焼結合金は公知の鉄系焼結合金
を用いればよい。この実施例では超硬系焼結合金
を用いた。

一方、タペツトの本体は鋳体もしくは鋼等の鉄
系母材３を用いるが、この実施例では鋼
（SCM415H）を用いた。

さらに鉄系焼結合金２と鉄系母材３間結合面２
３は、これら鉄系焼結合金２、鉄系母材３以外の
溶浸剤４の拡散によつて結合されており、溶浸剤
４は焼結合金中の空孔を満たした拡散層４２を形
成する。この拡散層４２は鉄系焼結合金２と鉄系
母材３の結合面２３より、結合面２３と鉄系焼結
合金表面２１までの厚さの40〜95％まで形成され
ている。

これは95％を超えた場合に、残存する空孔量が
過少となり、油保持効果ばかりでなく、例えば後
述する如き表面処理にあたつて表面処理の効果が
少ないものである。

又40％未満の場合であると、残存する空孔量が
多く、強度が得られないばかりでなく拡散層４２
によつて封孔されてなる封孔による強度向上の効
果も小さいため、40〜95％必要である。

より好ましくは拡散層４２の充分な強度を得る
ため、70〜95％が望ましい。

この溶浸剤による拡散層を結合面と鉄系焼結合
金表面まで厚さの40〜95％の任意の厚さに制御す
るのは、溶浸剤の量によつて制御する。溶浸剤の
量は次の式を用いて決定する。

溶浸剤の量＝Ｖ×空孔率×溶浸剤の密度×0.95 （Ｖは溶浸する体積、0.95は溶浸剤の歩留り） このようにすることによつて任意の厚さに自由
に制御できるものである。

さらに、溶浸剤４は拡散層４２を形成して空孔
間を結び網構造となつて鉄系焼結合金の強度に寄
与するばかりでなく、鉄系焼結合金２と鉄系母材
３双方に拡散することにより、鉄系焼結合金２と
鉄系母材３とを強固に結合しうるものである。

かかる本発明の複合材料を第１図に示したタペ
ツトを例にとつて、製造方法の説明をする。

先ず、鋼（SCM415H）よりなる鉄系母材３
（高さ70mm、外径30mm、鉄系焼結合金結合用凹溝
内径27mm）の凹溝に溶浸剤（Ni系）４の箔を70
％の厚さまで拡散層を得る目標の基に、0.020cm³
置いたその上に鉄系焼結合金（Ni−Ｗ系）の圧
粉体20（外径26.8mm、厚さ３mm体積1.7cm³、多孔率
15％）を重ね焼結炉中で1220℃で45分間焼結し第
１図に示す如く複合材を得た。（これを第１実施
例と称す）この時の結合部の状態を示すものが第
４図に示す顕微鏡金属組織写真（ナイタール液腐
食、100倍）である。３は鉄系母材、２３は結合
面、４２は拡散層を示す。前記第１実施例の如く
圧粉体の焼結と溶浸とを同時に行う場合には、初
めに圧粉体の焼結が進み、液相焼結合金となる。
前述の第１実施例の場合は体積1.3cm³の液相焼結
合金となる。この後、溶浸が進むように液相焼結
温度より融点の高い溶浸剤を選定した。上述の第
１実施例の場合は圧粉体の多孔率15％は焼結後は
２％の多孔率をなるため、前記計算式より溶浸剤
の体積は0.02cm³となるものである。また、焼結に
よつて圧粉体の厚さ３mmは焼結収縮し、2.7mmの
厚さとなる。その70％の部分が溶浸され、その厚
さは1.9mm（70％）であつた。

前記溶浸剤４は通常のろう付け剤と異なり、焼
結空孔への浸透性が要求されるため、特殊な溶浸
剤、例えばCu−Co−Zn系、Ni系などのものが用
いられている。

次に、一次焼結体を用いて第１図に示すタペツ
トを得る製造方法を説明する。この実施例を第２
実施例と称す。

先ず、鉄系焼結合金（Ni−Ｗ系）の圧粉体
（外径26.8mm、厚さ３mm、体積1.7cm³、多孔率15
％）のみを焼結炉中で1180℃にて30分間焼結し、
体積1.3cm³多孔率２％、厚さ2.7mmの一次焼結体を
得た。この一次焼結体を前述第１実施例と同じ鉄
系母材３の凹溝に溶浸剤（Ni系）４の箔を70％
の厚さまで拡散層を得る目標の基に0.020cm³置き、
その上重ねた。この状態で焼結炉中で1220℃にて
30分間加熱して第１図と同様のタペツトを得た。
この時の拡散層の厚さは1.9mm（70％）であつた。

第３図は本発明の他の実施例図で、本発明の複
合材料の効果をより向上させるために、鉄系焼結
合金２の表面には窒化層５を形成する。具体的に
はイオン窒化層、ガス軟窒化層が好ましく、窒化
層の形成によつて耐摩耗性向上の効果が得られ
る。一方本発明にあつては、拡散層４２が表面近
傍まで存在するため窒化層の深さが必要限に止ま
り、窒化層形成による強度低下が防止される。

さらにより理想的には溶浸剤が鉄系焼結合金の
基地に必要以上に拡散し、空孔充填量が減少し、
基地が脆化することを防ぐため、鉄系焼結合金を
一次焼結しておき、予め安定した空孔と基地を得
た上で、この一次焼結した部材と溶浸剤、鉄系母
材を組み合わせて一体的に焼結すければ安定して
必要量の拡散層４２を得るばかりでなく、基地中
に溶浸剤が不必要に拡散することも防がれるもの
である。

以下に耐摩耗性試験結果を示す。前述の第１実
施例、第２実施例のタペツトの複合部分を８mm×
７mm×５mmの平板状に切り出し試験片を作成し、
第１実施例のものを試料１、第２実施例のものを
試料２とした。また、第１実施例と同様の方法で
溶浸剤の量を0.03cm³とし拡散層が100％と成した
タペツトを作成し、同様に試験片を切り出し試料
３とした。上記の試料１〜３をアムスラー式試験
機を用い試料１〜３を固定片とし、相手部材は40
mmφ×10mmの焼結材（C2.0、Cr8.0、Mo2.0、
Si1.0、P0.5、Mn0.1、Ni1.0、残Fe重量％、硬さ
HRC60）からなる回転片とし、この回転片を圧
接し、その圧接面に潤滑油を供給しつつ回転片を
高速回転させた。試験条件は次の如くである。

摩擦速度：１ｍ／秒 荷 重：80Kg 潤滑油 ：SAE＃30 試験時間：７時間 この試験結果は試料１の摩耗量2μmであり、試
料２は3μmであつた。これに対し試料３は14μm
であり、本発明品に比較し摩耗量が約５倍である
ことが分り、本発明の優秀性が確認された。

〔発明の効果〕

前述の如く構成することによつて、鉄系焼結合
金と鉄系母材とは拡散により結合されるので極め
て強固な結合が、バラツキなく容易に得られる。

また、鉄系焼結合金の表面は空孔が残つている
ため、焼結特有の油保持効果を摺動面は有し、耐
摩耗性の上から有利となる。

加えて、溶浸剤は鉄系焼結合金の空孔間を結び
網目構造となつて拡散層を形成するため、強度を
著しく向上させることができる。

必要により、鉄系焼結合金の表面に窒化層等の
表面処理を施した場合でも、表面処理層は全体に
入らないため、材料の脆化は最小限に押えること
ができる効果を奏し、且つ本発明複合部材の利用
範囲はタペツト、ロツカーアーム、カムシヤフ
ト、バルブ、バルブシート等極めて広いため、そ
の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図…本発明複合部材の断面図、第２図…本
発明複合部材の製造法を示す断面図、第３図…本
発明複合部材の他の実施例を示す断面図、第４図
…第１図に示す複合部材の結合部の状況を示す顕
微鏡金属組織写真（100倍）。 符号の説明、２……鉄系焼結合金、３……鉄系
母材、４……溶浸剤、５……窒化層、４２……拡
散層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄系焼結合金の粉末圧粉体あるいは、予め一
   次焼結された鉄系焼結合金と鉄系母材を組合わ
   せ、一体的に焼結し両者を結合した鉄系焼結合金
   と鉄系母材からなる複合材料において、 前記、鉄系焼結合金と鉄系母材との結合が溶浸
   剤の拡散により結合され、かつ溶浸剤による鉄系
   焼結合金側の拡散層は両者の結合面より、結合面
   と鉄系焼結合金表面までの厚さの40〜95％であ
   り、鉄系焼結合金表面には溶浸剤による拡散層を
   有していないことを特徴とする内燃機関用複合部
   材。 ２ 前記鉄系焼結合金材表面には窒化層を有する
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
   の内燃機関用複合部材。