JP2713658B2

JP2713658B2 - 焼結耐摩摺動部材

Info

Publication number: JP2713658B2
Application number: JP2280216A
Authority: JP
Inventors: 寛池ノ上; 幸一郎林; 章藤木; 眞加納
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: GB9121972D0; US5326526A; DE4134516C2; DE4134516A1; GB2248850B; GB2248850A; JPH04157137A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞この発明は、内燃機関の動弁系摺動部材などとして好
適な高面圧下での摺動耐摩耗性と快削性とを有する鉄系
焼結合金による焼結耐摩摺動部材に関するものである。

＜従来の技術＞近年、例えば内燃機関の動弁系摺動部材などは、高性
能指向化に伴い従来より用いられている鋳鉄などのよう
な溶製材に代わり、耐摩耗性，被削性，価格などに優れ
る鉄系焼結合金が種々開発され実用化されている。

しかして、上記のような特性を有する焼結合金とし
て、銅及び錫を添加して基地強化された鉄のパーライト
基地中にFe−Ｃ−Ｐ三元合金（ステダイト相）を析出さ
せ、遊離黒鉛を分散した鉄系焼結合金が特公昭55−3485
8号公報等によって提案されており、自動車エンジン用
のバルブガイド等として採用されている。

また、別の合金体系としては、Ni,Cr,Mo,Mn,W,V,Cuな
どの中から選ばれた鉄基地を強化する元素を添加し、必
要に応じて硬質金属粒子を分散させ、これに硫化物，
鉛，黒鉛などの固体潤滑剤を分散することにより摺動耐
摩耗性の向上を図ったものも提案されている。

＜発明が解決しようとする課題＞このように、内燃機関の高性能指向化に伴って高負荷
の下で耐摩耗性を向上させようとする場合には、基地を
強化する合金成分を添加する手段を取るのが一般的であ
るが、そのようにした場合には反面多くの場合被削性は
低下するという欠点を有している。

したがって、例えば内燃機関の組立てに際しては、吸
排気バルブと摺動する部材はシリンダヘッドに組み付け
後切削加工により仕上げられているが、この加工工程は
他の工程と同期化されているため、摺動する部材の被削
性が悪いとその加工に時間が掛かったり、工具の交換が
多くなって全工程の流れを阻害する結果を招く等の不具
合がある。

この発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、高面圧下での摺動耐
摩耗性と快削性等に優れ内燃機関の部品としても好適な
鉄系焼結合金による焼結耐摩摺動部材を提供するもので
ある。

＜課題を解決するための手段＞この発明に係る焼結耐摩摺動部材は、上記のような目
的を達成するために、全体組成が重量比でC1.5〜2.5％,
Mn0.5〜0.9％,S0.1〜0.2％,Cr1.9〜2.5％,Mo0.15〜0.3
％,Cu2〜６％,W及びＶの少なくとも１種0.3％以下，固
体潤滑剤0.5〜２％及びFe残りで、上記固体潤滑剤がメ
タ珪酸マグネシウム系鉱物、またはメタ珪酸マグネシウ
ム系鉱物とオルト珪酸マグネシウム系鉱物、またはメタ
珪酸マグネシウム系鉱物もしくはオルト珪酸マグネシウ
ム系鉱物の少くとも１種と窒化硼素もしくは硫化マンガ
ンの少なくとも１種、であることを特徴とする。

また、メタ珪酸マグネシウム系鉱物はエンスタタイ
ト，クリノエンスタタイト，エンステナイト，ハイパー
ステンなどの少なくとも１種であり、オルト珪酸マグネ
シウム系鉱物はフォルステライト，クリソライトなどの
少なくとも１種、であることを特徴とする。

なお、上記各成分組成の限定及び製造条件について
は、以下の理由による。

（１）Cr,Mo これらの元素は、鉄に固溶して基地を強化すると共
に、炭化物を形成して適度な硬さを付与し、高温下にお
ける強度、耐摩耗性及び耐酸化性を向上させる。

Crの添加量は1.9％より少ないと耐摩耗性が不十分と
なり、また添加量を増加すると耐摩耗性が向上するが、
2.5％を越えて添加すると粉末成形性や被削性が悪くな
る。

MoはCrと共存して上記特性を共に向上せしめるが、そ
の添加量が0.15％より少な過ぎると耐摩耗性が不足し、
0.3％より多過ぎると被削性が悪くなる。

（２）Ｗ及びＶＷ及びＶの１種または両方を添加すると、Cr,Moと同
様に炭化物を形成して適度な硬さを付与して耐摩耗性を
向上させる。

その添加量は0.3％以下でよく、余り多く添加すると
硬くなり過ぎて被削性を害する。

なお、好ましくは上記のCr,MO,W及びＶは、合金全体
に均一な濃度で分布しているよりも、それぞれの含有量
が少ないところと多いところが斑状になるようにさせれ
ば耐摩耗性は一層良好になる。

（３）Mn この元素は、基地合金粉に添加されて鉄基地を強化す
る成分である。

その添加量は0.5％未満ではその効果がなく、0.9％を
越えると焼結時の酸化が問題になる。

（４）Cu この元素は硬質粒子が分散した比較的硬い鉄基地中
に、一部鉄などを固溶した形の未拡散状態で分散させて
相手部材との馴染み性を与える。

添加の際には銅粉の形で添加され、添加量が２％以上
で効果があり８％まではほぼ同等の効果を示すが、添加
量が増すにつれ焼結時の膨脹量が大きくなるので上限は
６％とする。

（５）Ｃ黒鉛粉の形で添加され、上述した炭化物生成元素及び
鉄と合金され、一部は遊離黒鉛の形で残留するがこの割
合は僅かな量である。

必要な炭化物が生成されて耐摩耗性が得られる最低必
要量は、1.5％であるが２％程度が最適であり、添加量
が多くなると耐摩耗性が向上するが被削性が悪くなり、
混合粉の偏折が起こり易くなる等の点を考慮すると、そ
の添加量の上限は2.5％である。

（６）Ｓ Fe,Mnなどの硫化物になり、相手部材との馴染み性を
良くする作用がある。

添加量は0.1％以上で効果が現れるが、0.2％より多い
と被削性が良くなるが材料が脆化するので好ましくな
い。

（７）珪酸マグネシウム系鉱物基地の粒界に介在される固体潤滑剤である。

メタ珪酸マグネシウム（magnesium metasilicate）は
MgSiO₃で表わされ、結晶構造が異なる幾つかの種類があ
るといわれているが、斜方晶系のエンスタタイト（enst
atite、頑火輝石）、単斜晶系のクリノエンスタタイト
（clinoenstatite、斜頑火輝石）が相当する。

また、天然の鉱石から精製されたものは、Mgの珪酸塩
とFeの珪酸塩との固溶体、またはこの固溶体とMgの珪酸
塩との固溶体の形であることが一般的で、（Mg,Fe）SiO
₃で表わされ、このような形態のものにはエンステナイ
ト（enstenite）やハイパーステン（hypersthen、紫蘇
輝石）が挙げられる。

この発明においては、上記のようなメタ珪酸マグネシ
ウム及びそれを含む珪酸塩をメタ珪酸マグネシウム系鉱
物という。

一方、オルト珪酸マグネシウム（magnesium orthosil
icate）はMg₂SiO₄で表わされ、産業上はフォルステライ
ト（forsterite、苦土橄欖石）とよばれる鉱石である。
また、上記と同様にMgやFeの珪酸塩と固溶体の形である
ことが一般的で、このような形態のものにはクリソライ
ト（chrysolite、橄欖石）がある。

クリソライトは、上記のフォルステライト（Mg₂Si
O₄）とフェヤライト（fayalite、Fe₂SiO₄）、また更に
テフロイト（tephroite、Mn₂SiO₄）を含む固溶体で、
（Mg,Fe）₂SiO₄または（Mg,Fe,Mn）₂SiO₄で表わされ
る。

この発明においては、上記のようなオルト珪酸マグネ
シウム及びそれを含む珪酸塩をオルト珪酸マグネシウム
系鉱物という。

メタ珪酸マグネシウム系鉱物やオルト珪酸マグネシウ
ム系鉱物は、比重が3.2〜3.9程度で劈開性があるため固
体潤滑剤として使用し、焼結材料の快削性、摺動特性、
なじみ性、耐摩耗性、を良好にすると共に、親油性があ
るため潤滑油等の保持能が向上する。

また、熱に対して比較的安定的であり粉末冶金の通常
の焼結温度では分解しないため、このような性質を持つ
上記の珪酸マグネシウム系鉱物の粉末を金属粉に添加す
ると、粉末成形の際に成形ダイとの摩擦が低下し、成形
性を良くすることができる。

その添加量は、0.5重量％以上添加すれば効果が認め
られ、添加量を増やすと共に効果が増大するが、２％よ
り多く添加するとその体積が多くなるため焼結体の強度
が低くなり好ましくない。

なお、珪酸マグネシウムにはタルクが知られている
が、タルク（Mg₃Si₄O₁₁H₂O）は焼結中に結晶水の脱水が
起こり、焼結ガスを汚染したり、一部が二酸化珪素（Si
O₂）となり、摺動する相手部材をアタックする虞があり
余り好ましくない。

更に、メタ珪酸マグネシウム系鉱物とオルト珪酸マグ
ネシウム系鉱物を比較すると、後者の方が硬くて劈開し
にくい性質を持っているため、メタ珪酸マグネシウム系
鉱物と混合して用いるのが望ましい。

また、焼結摺動部材の被削性及び耐摩耗性をより向上
させるには、メタ珪酸マグネシウム系鉱物またはオルト
珪酸マグネシウム系鉱物の一方か両方に加え、窒化硼素
または硫化マンガンの少なくとも１種を分散させる。

（７）窒化硼素、硫化マンガン窒化硼素及び硫化マンガンは固体潤滑剤として作用す
るが、いずれも粉末の形で混合粉に添加される。

窒化硼素と硫化マンガンの両者を比較すると、被削性
では窒化硼素、耐摩耗性においては硫化マンガンが優れ
ている。

また、その添加量は上記した珪酸マグネシウム系鉱物
の潤滑作用の場合と同じ理由で、珪酸マグネシウム系鉱
物と合わせて0.1〜２重量％の範囲となるようにする。

珪酸マグネシウム系鉱物と、窒化硼素もしくは硫化マ
ンガンの少なくとも一方の組合せ割合は限定しないが、
窒化硼素及び硫化マンガンのコストが珪酸マグネシウム
系鉱物の10〜30倍程度と高価なため、コスト面から考慮
して半分以下にすることが好ましい。

（９）焼結温度上記した所定の重量比に配合した混合粉を円筒形状に
加圧成形し焼結すると、焼結体の見掛け硬さは焼結温度
が高いほど上昇するが、材料強度は1000℃から急に上昇
して約1050℃で最大を示す。

1100℃より高い焼結温度ではCuが基地に拡散してしま
う。

＜作用＞この発明に係る鉄結耐耗摺動部材によれば、Cr,Mn,M
o,W及びＶを添加して基地を強化し、Cu及びＳを添加し
て相手部材との馴染み性を付与し、更に固体潤滑剤とし
てメタ珪酸マグネシウム系鉱物，オルト珪酸マグネシウ
ム系鉱物，窒化硼素，及び硫化マンガン等を特定の組み
合せで所定量分散してなる合金組織としたことにより、
従来に比して一層高圧下での摺動耐摩耗性を向上するこ
とができ、内燃機関の高性能化に付与することができ
る。

また、同時に快削性も付与することができるので、切
削工具の長寿命化を図ることができる等生産性を向上す
ることができる。

さらに、熱に対して比較的安定であり、しかも焼結中
に脱水分解が行なわれないため、通常の方法で低コスト
に製造することができる。

＜実施例＞以下、実施例によりこの発明を説明する。

なお、組成及び配合割合は重量比である。

比較材1: 全体組成が2.5％C,3％Cu,1％Sn,0.2％Ｐ及び残部Fe
で、パーライト基地中にステダイト相が析出し、遊離黒
鉛が分散した組織の焼結合金すなわち従来材である。

比較材2: この発明の焼結合金の材料設計に基づくマトリックス
組成の合金で、固体潤滑剤が添加されておらず、既知強
化元素を添加してなる試料である。

下記の（１）〜（５）の粉末を混合しその成形体を10
00℃で焼結した。

全体組成は2.2％Cr,0.2％Mo,0.15％W,0.01％V,0.7％M
n,0.16％S,5％Cu,2％Ｃ及びFe残である。

（１）２％Cr−0.2％Mo−0.8％Mn−0.2％Ｓ合金鉄粉（２）5.5％Cr−0.45％Mo−1.5％Ｗ−0.14％Ｖ合金鉄粉（３）電解銅粉（４）天然黒鉛粉（５）ステアリン酸亜鉛粉比較材3,4及び発明材１〜8: 比較材２の混合粉に、第１表に示す各種の固体潤滑剤
粉末、すなわちメタ珪酸マグネシウム系鉱物の例として
エンスタタイト粉、オルト珪酸マグネシウム系鉱物の例
として、フォルステライト粉、窒化硼素及び硫化マンガ
ン粉を所定量添加し、比較材２と同様に成形及び焼結し
た試料である。

次に、各試料の被削性と耐摩耗性について測定した。

被削性については、各試料に直径6.5mmの下穴を設け
ておき、直径7mmのリーマに荷重3.2kgを与え、回転数50
0rpmで5mm進む時間で表した。

また、摩耗試験はピンオンディスク型摩擦摩耗試験機
により、試料をピンとし、荷重20kgf/cm²,摺動速度3.1m
/秒，摺動時間15分間の条件で試験した後の試料摩耗量
を比較した。

各試料の被削性及び耐摩耗性の測定結果を下記の表に
示す。

この測定結果から明らかなように、従来材である比較
材１と、基地強化元素を添加した材料ある比較材２を比
較すると、比較材１は切削時間が短いが摩耗量が多いの
に対して、比較材２は摩耗量が半分以下に改善されてい
るが一方切削時間が２倍になっている。

すなわち、基地が強化されている分摩耗が少ないが、
被削性が悪くなる。

比較材3,4及び発明材１〜３は、エンスタタイト含有
量の効果を示している。

この測定結果から明らかなように、添加量が0.5〜２
％の範囲のときに良好な特性であることが分る。

ただし、比較材４のように含有量が多いと切削性は良
いが、混合粉の圧縮性が低下するため密度が低くなって
摩耗量が悪くなる。

発明材４はフォルステライトを含む試料で、エンスタ
タイトにはおよばないが、切削性、耐摩耗性とも良好で
ある。

発明材５はエンスタタイトとフォルステライトの両方
を含む試料で、発明材２と４の中間程度の特性である。

発明材６〜８は、エンスタタイトまたはフォルステラ
イトと、窒化硼素または硫化マンガンが共存する試料で
あり、上記の各試料に比べて切削性，耐摩耗性とも優れ
ていることが分る。

＜発明の効果＞この発明に係る鉄結耐耗摺動部材は、Cr、Mn、Mo、Ｗ
及びＶを添加して基地を強化し、Cu及びＳを添加して相
手部材との馴染み性を付与し、更に固体潤滑剤としてメ
タ珪酸マグネシウム系鉱物，オルト珪酸マグネシウム系
鉱物，窒化硼素，及び硫化マンガン等を特定の組み合せ
で所定量分散してなる合金組織をしたことにより、従来
に比して一層高面圧下での摺動耐摩耗性を向上すること
ができ、内燃機関の高性能化に付与することができる。

さらに、熱に対して比較的安定であり、しかも焼結中
に脱水分解が行なわれないため、通常の方法で製造する
ことができ、コストの低減化を図ることができる等の効
果を有する。

よって、高面圧下での摺動耐摩耗性と快削性等に優れ
内燃機関の吸排気バルブ等として好適な焼結耐摩摺動部
材を提供することができる。

フロントページの続き (72)発明者加納眞神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】全体組成が重量比でC1.5〜2.5％,Mn0.5〜
0.9％,S0.1〜0.2％,Cr1.9〜2.5％,Mo0.15〜0.3％,Cu2〜
６％,W及びＶの少なくとも１種0.3％以下，固体潤滑剤
0.5〜２％及びFe残りで、上記固体潤滑剤がメタ珪酸マ
グネシウム系鉱物、またはメタ珪酸マグネシウム系鉱物
とオルト珪酸マグネシウム系鉱物、またはメタ珪酸マグ
ネシウム系鉱物もしくはオルト珪酸マグネシウム系鉱物
の少くとも１種と窒化硼素もしくは硫化マンガンの少な
くとも１種、であることを特徴とする焼結耐摩摺動部
材。
【請求項２】メタ珪酸マグネシウム系鉱物はエンスタタ
イト，クリノエンスタタイト，エンステナイト，ハイパ
ーステンなどの少なくとも１種であり、オルト珪酸マグ
ネシウム系鉱物はフォルステライト，クリソライトなど
の少なくとも１種、であることを特徴とする請求項１の
記載の焼結耐摩摺動部材。