JP3012938B2 - 鉄系焼結材料の加工性を高める方法、鉄系焼結材料並びに鉄系焼結材料成形品 - Google Patents
鉄系焼結材料の加工性を高める方法、鉄系焼結材料並びに鉄系焼結材料成形品Info
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Description
焼結材料並びに鉄系焼結材料成形品に関する。
て製造サイクルの中で大きな割合を占める。物品の加工
性が高ければ、工具寿命を増大でき製造中のツーリング
(工具の段取り)に伴う停止時間を短縮できるため、物
品の加工性は重要である。例えば、内燃機関のためのバ
ルブガイドは、通常、シリンダヘッドに取り付けた後、
エンジン製造業者がリーマによって仕上加工を行なう。
このため、エンジン製造業者は、バルブガイドが良好な
加工性を持つことを要求する。
削工具によってこすられ、表面の孔が詰まったり、減少
したりする。焼結材料では、表面に開いた孔は潤滑油を
保持する油だめとして頻繁に利用され、これにより材料
の焼付耐性やスカッフ(scuffing)摩擦に対する耐性を
改善し、材料または物品の耐久性を向上させる。さら
に、ある条件のもとでは、表面がこすられることによ
り、面粗さが比較的小さな値となり、例えば、バルブガ
イド等の物品がバルブステムのような滑らかな当接面に
対して移動する場合には、その物品の耐磨耗性に悪影響
を及ぼすことが分かっている。
末、またはこれらの組合せから成る混合粉末を圧縮し、
その後焼結することによって製造される。混合粉末に
は、混合粉末それ自体、および/またはそれから得られ
る焼結材料に要求される特性や性質を強化するために、
添加剤を加えることが頻繁に行われる。加工性について
は、“チップ・ブレーカ(切り屑破断器)”として作用
する材料を少量添加することが頻繁に行われ、この最も
一般的なものは硫化マンガンである。このような添加剤
により、切削された材料が剪断によりチップに破断さ
れ、これにより切削負荷が減少し、工具の切刃上に材料
が堆積する可能性を減少できる。硫化マンガン等の添加
剤は材料の加工性を向上させるが、焼結された材料の強
度や耐磨摩性などに対しては殆ど効果がない。
相の量や分布など、その他の要因によっても影響され
る。
有する鉄系焼結材料を提供するための代替手段を提供す
ることである。
料の加工性を高めるとともに、材料およびこの材料から
作られる物品の硬度と磨耗特性を改善できるという副次
的効果を有する手段を提供することである。
を高める方法が提供される。この方法は、マンガンとア
ルカリ土類金属を含むグループから選択される少なくと
も1種の金属と少なくとも1種の硫黄供与物質とを含有
する化合物を含む鉄系粉末の混合物を作る工程と、この
粉末の混合物を圧縮するとともにこの圧縮された混合物
を焼結し、焼結中の反応によって焼結された材料の中に
少なくとも一種の金属硫化物を形成する工程とを含む。
前記の少なくとも1種の硫黄供与物質との反応によっ
て、粉末の混合物または圧縮された材料に対して、後述
する利点を打ち消してしまうような悪影響を、焼結前、
焼結中または焼結後において与えるものがあり、このよ
うなマンガン、アルカリ土類金属は本発明の範囲から除
外される。
シウムで、これらは単体または組み合わせて使用され
る。これらの金属を含有する化合物の微粉末は自由に入
手でき、安価である。
む化合物は炭酸塩である。炭酸カルシウムおよび炭酸マ
グネシウムは、共にドロマイト(白雲石)として知られ
る鉱物に含まれている。炭酸カルシウムは、白亜として
も知られており、方解石として天然に産出し、炭酸マグ
ネシウムはマグネサイトとして天然に産出する。
に分解し、これが硫黄供与物質と反応してアルカリ土類
硫化物を形成するものと考えられる。アルカリ土類硫化
物の形成メカニズムの性質のため、粒径は微細で、材料
全体に均一に分布し、焼結された材料の加工性を効果的
に改善できる。
形成する方法であるため、金属硫化物の粒子の分布はよ
り均一になり、粒自体の寸法も、焼結処理前に混合粉末
の構成成分として金属硫化物を添加した場合に生成され
るものに比べて小さいものと考えられる。
硫黄供与物質は、二硫化モリブデンである。焼結中に二
硫化モリブデンがマンガンまたはアルカリ土類化合物と
反応してマンガン硫化物またはアルカリ土類硫化物を形
成し、また遊離モリブデンを放出する。この遊離モリブ
デンは、鉄系マトリックスの鉄および炭素と拡散反応
し、モリブデンと炭素に富む領域を形成する。この領域
は焼結材料を強化し、耐磨耗性を改善する。
化物が残留する可能性を排除するため、硫黄供与物質を
過剰に存在させることが望ましい。このような材料は、
例えば保存中に水分を含有する環境にさらされると腐食
する傾向がある。硫黄供与物質が二硫化モリブデンであ
る場合には、最終製品においてこの物質の自己潤滑特性
を得るため、または加工中または使用中におるけ摩擦を
減少できるという固有の能力を発生させるためにこれを
過剰に含むことが望ましい。
類化合物の含有率が5%を越えると混合物の圧縮性が急
速に悪化するため、5%を越えないことが望ましい。圧
縮性が減少すると、最終的な焼結製品で得られる最終的
な密度が制限される。
合には、一貫した品質の製品を得るために、圧縮された
状態の材料における最低密度を理論的な最大密度の80%
とすることが望ましい。実際の圧縮工程においてこの密
度を得るには、混合物中におけるマンガンまたはアルカ
リ土類化合物の割合が3重量%以下でなければならな
い。好ましくは、マンガンまたはアルカリ土類化合物の
割合は、0.1重量%〜3重量%である。
0.1〜3重量%の二硫化モリブデンと組み合わせた場
合、0.1〜3重量%の範囲が効果的であることが見いだ
された。相対的な配合割合としては、二硫化モリブデン
が少なくとも僅かに過剰となるように選択するのが望ま
しい。
は0.2〜1.5重量%の範囲であるのがより好ましい。
であるので、混合物の圧縮性を大きく低下させることな
く比較的多量に配合できる。二硫化モリブデンは、圧縮
作業の間、圧縮された材料の孔に押し込まれる傾向があ
る。
め、従来に比べて、合金化のための添加物の含有量が少
ない鉄系粉末を採用できることが見い出された。これ
は、本発明の経済的効果である。
合物に炭素が含まれていることが好ましく、これにより
焼結された材料中にカーバイド合金が生成される。ま
た、粉末混合物が0.5〜2重量%の炭素を含有している
ことが望ましい。炭素は、鉄系粉末中に合金化される前
の状態、および/またはグラファイトとして存在する。
粉末混合物の圧縮性を最大にするためには、炭素の大部
分がグラファイトの形で存在することが好ましい。
反応と実質的に干渉しなければ、目的とする用途におい
て必要とされる任意の合金化添加物が含まれていてもよ
い。
品の場合には、粉末混合物に1〜6重量%の銅元素を添
加し、この添加によって焼結を補助し、また完成品の粘
着性磨耗を防止するようにしてもよい。それに加えて、
またはそれに代え、鉄系材料に銅系の材料を含浸させて
焼結材料に残留している孔を部分的にまたは完全に埋め
てもよい。含浸は、焼結と同時に行ってもよく、焼結後
の分離した動作として行ってもよい。
のような添加物の例としては、圧縮を補助した後で焼結
中に揮発する一過性の潤滑ワックスが挙げられる。一般
的な添加量は、0.5〜1重量%である。
れる。この焼結材料においては、マトリックス全体に分
布する少なくとも1種の金属硫化物の粒子が緻密に分布
しており、最大径が25μmを越す粒子は実質的に存在し
ない。
直径を有し、最大粒径は20μmである。
属硫化物は、硫化マンガン、硫化カルシウム、および/
または硫化マグネシウムである。
の含有量によっては鉄とモリブデンに富むカーバイド領
域を含んでいる。またマトリックスは、パーライトマト
リックス全体に分布する遊離二硫化モリブデンを含有し
ていてもよい。
に、例えば、銅などの他の相が存在していてもよい。
よる材料の、本発明の第一の様相によって製造される物
品が提供される。この物品は、圧縮と焼結により最終形
状に近い形に製造されるもので、バルブガイド、弁座イ
ンサート、シールリング等が含まれる。
を添付図面を参照して説明する。図において、 図1は、加工部品数に対する工具磨耗の変化を公知の
材料と本発明による材料について示す図、 図2は、本発明による材料についての磨耗試験中にお
ける時間に対する摩擦の変化を示す図、 図3は、加工部品数に対する加工穴径の変化を本発明
による材料と公知の材料とについて示す図である。
1.0重量%の二硫化モリブデン、1.0重量%の炭酸カルシ
ウム粉末、3.0重量%の銅粉末、および0.75重量%の一
過性潤滑ワックスと混合して鉄系の粉末混合物を調製し
た。この粉末をYコーン(Y−cone)回転ミキサー内で
30分間混合した。バルブガイドの形状を有する円筒管
を、約750MPaの圧力で、両端圧縮によって圧縮成形し
た。この圧縮成形した物品を1000℃以上の温度で20分
間、水素と窒素が存在する雰囲気中で焼結した。
電子顕微鏡を用いて検査した。構造内には、モリブデン
に富む領域を有するパーライトのマトリックスと、この
マトリックス全体に緻密に且つ均一に分布する遊離した
銅およびカルシウムの硫化物とが含まれていた。硫化カ
ルシウムの粒子は殆どが最大径で10μm未満であった
が、最大径が20μmに達する粒子もたまにあった。マト
リックスとの間で形成された合金であるモリブデンに富
む領域は硫黄を含有しておらず、焼結時に反応が起きて
硫化カルシウムが生成されるとともに、鉄と共に拡散し
ていた遊離モリブデンが分離することによってモリブデ
ンに富む領域と幾らかのモリブデンカーバイドを生成し
たことを示している。多孔性に関連のある二硫化モリブ
デンも確認された。
を行った。これらの結果を下記表1に示す。
を、加工部品数に対する工具フランク(逃げ面)の磨耗
を測定することにより試験した。
を旋盤内で軸回りに毎分2300回転で回転させ、三角形状
の切削工具を円筒部品に対して340mm/分の送り速度で軸
方向に20mmの深さまで切り込んで加工を行い、所定数の
部品を加工した後で工具フランクの磨耗を測定した。図
1から分かるように、本発明による材料の場合、100個
の部品を加工した後における工具磨耗率は、公知のバル
ブガイドに比べて約1/3にすぎない。その公知のバルブ
ガイド材料は、0.75重量%のリンを含有する耐磨耗性の
ねずみ鋳鉄であった。
である部材を水平とし、この部材上でバルブガイド材料
である円筒体を水平にして往復摺動させ、この摺動する
円筒体に横負荷を加えて磨耗を加速させた。バルブステ
ムの軸に沿って設置されたロードセルによって摩擦によ
る軸方向負荷を測定する。この試験は、エンジンのコー
ルドスタート状態でのバルブガイドの磨耗状況を試験
し、また、シミュレートするものである。図2から分か
るように、摩擦(横負荷に対する軸方向負荷の割合)は
低く(負の値は、試験に於ける往復運動に起因して現れ
ているにすぎない)、得られた良好な耐磨耗性と、材料
固有の潤滑性とを示している。
たバルブガイドについて他の試験も行った。本発明の第
1,第2,および第3の様相に従って作られたバルブガイド
を材料“A"とした。材料“B"は本発明によらない公知の
バルブガイド材料であった。可溶性の潤滑剤を使用し、
2溝で直径が7.031〜7.034mmのリーマを毎分2800回転の
速度で回転させ、送り速度を毎分280mmとして試験を行
った。図3は、材料“A"と“B"にリーマによって穴を形
成した時の穴径の変化を示す。図3から明らかなよう
に、材料“A"の方がリーマ加工された穴径の均一性が改
善されており、工具寿命が大幅に改善されたことを示し
ている。
燃料とする1600ccエンジンに組み込んで試験を行った。
試験サイクルには初期の80時間の低速スカッフサイクル
が含まれ、これに続いてフルスロットル/最大負荷動作
を200時間行った。この試験の完了後、試験に使用した
エンジンにおいて最も磨耗が多い排気ガイドのポート端
において、最大磨耗5mmが発生したが、平均は30μmで
あった。従来の鋳鉄バルブガイドでは4個のシリンダ全
体での典型的な平均磨耗量は約100μmであろう。
た。この試みの結果、二硫化モリブデンの割合は、得ら
れる未焼結体の密度に殆ど影響がないこと、炭酸カルシ
ウムおよび/または炭酸マグネシウム、および二硫化モ
リブデンの配合、および焼結中において引き続き行われ
る反応は、焼結時における寸法変化に対して悪影響がな
いことが分かった。焼結後の構造にはガス孔がなく、鉄
マトリックスの焼結の前に炭酸塩の分解が起きたことを
示した。
み、二硫化モリブデンのレベルが低い場合には硬度と破
壊強度が低下した。また、硫化水素が溶解した材料で
は、これを研削して粉末化したものを水に浸すと、気泡
が放出され、腐食に対して不安定であることを示した。
Claims (17)
- 【請求項1】鉄系燒結材料の加工性を高める方法であっ
て、前記方法は、マンガンとアルカリ土類金属とを含む
グループから選択される少なくとも1種の金属と少なく
とも1種の硫黄供与物質とを含有する化合物を含む鉄系
粉末の混合物を作る工程と、この粉末の混合物を圧縮す
る工程と、この圧縮された混合物を燒結する工程と、か
ら成り、周囲圧力で燒結中の前記少なくとも1種の化合
物と前記硫黄供与物質との間の化学反応によって、燒結
された材料の中に前記少なくとも1種の金属の硫化物粒
子の分布状態を形成させ、前記少なくとも1種の金属硫
化物粒子の寸法が25μm以上ではない、ことを特徴とす
る方法。 - 【請求項2】前記アルカリ土類金属がカルシウム及び/
又はマグネシウムである請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】前記アルカリ土類化合物が炭酸塩である請
求項1又は2に記載の方法。 - 【請求項4】前記硫黄供与物質が二硫化モリブデンであ
る請求項1〜3のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項5】前記硫黄供与物質は、化学数量的に過剰に
存在するようにした請求項1〜4のいずれか1つに記載
の方法。 - 【請求項6】前記混合物中には前記マンガン及び/又は
アルカリ土類金属の化合物が最大で5重量%存在する請
求項1〜3のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項7】前記アルカリ土類金属の化合物が0.1〜3.0
重量%存在する請求項6に記載の方法。 - 【請求項8】前記アルカリ土類金属の化合物が0.2〜1.5
重量%存在する請求項3に記載の方法。 - 【請求項9】前記二硫化モリブデンが0.1〜3.0重量%存
在する請求項7又は8に記載の方法。 - 【請求項10】前記混合物中には、炭素も0.5〜2.0重量
%存在する請求項1〜9のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項11】前記圧縮した混合物中を1000℃以上の温
度で燒結する請求項1〜10のいずれか1つに記載の方
法。 - 【請求項12】請求項1〜11のいずれか1つに記載の方
法で生成される鉄系燒結材料であって、マトリックス全
体に分布する少なくとも1種の金属硫化物の粒子が緻密
に分布しており、最大寸法が25μmを超す粒子は実質的
に存在せず、二硫化モリブデンからのモリブデン遊離に
よって生じるモリブデンに富む領域を含むことを特徴と
する鉄系燒結材料。 - 【請求項13】前記金属硫化物粒子の大部分は最大寸法
が10μm未満で、最大粒子の寸法は20μmである請求項
12に記載の鉄系燒結材料。 - 【請求項14】前記マトリックスはまた、1〜6重量%
の銅をも含む請求項12又は13に記載の鉄系燒結材料。 - 【請求項15】前記マトリックスの孔部を銅系素材で浸
透させた請求項12又は13に記載の鉄系燒結材料。 - 【請求項16】前記鉄系燒結材料が請求項10に記載の方
法で生成された場合、炭化モリブデンが形成されるため
にモリブデンに富む領域は炭素に富む状態になる請求項
12〜15のいずれか1つに記載の鉄系燒結材料。 - 【請求項17】請求項1〜16のいずれか1つに記載の材
料で作られる場合の成形品であって、その成形品が、バ
ルブガイド、バルブシート挿入材、シールリングから成
るグループから選択されるようになる鉄系燒結材料成形
品。
Applications Claiming Priority (3)
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