JP3942136B2 - 鉄基焼結合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己潤滑性、切削性、耐焼付き性および強度を有すると共に耐摩耗性に優れかつ相手攻撃性が少ない鉄基焼結合金に関するものであり、この鉄基焼結合金は、バルブシート、バルブガイド、ピストン耐摩環などエンジンの耐摩耗部品の製造に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
焼結技術が進歩し、鉄基焼結合金からなる各種機械部品を精度良く量産できるようになり、エンジンの耐摩耗部品も鉄基焼結合金により製造するようになってきた。
一方、近年、天然ガスをはじめとする気体燃料を使用するエンジン、あるいは燃料を燃焼室内に直接噴射する直噴射エンジンが開発されている。これら新型エンジンでは吸気側バルブからは気体だけを供給し、従来エンジンのようにガソリンと空気の混合ガスを供給するものではないところから、吸気側バルブ部分でのガソリンによる潤滑作用が全く無く、したがって吸気側バルブシートおよびバルブガイドは吸気側バルブを激しく摩耗するという欠点があった。
また従来エンジンでは燃焼室内で発生した微量の煤など燃焼生成物が排気側バルブガイドおよびバルブシートに潤滑性を付与していたが、気体燃料を使用する新型エンジンの場合、燃焼生成物の生成が極めて少く、そのために排気側バルブガイドおよびバルブシートは排気側バルブを激しく摩耗するという欠点があった。
これを解決するために鉄基焼結合金に固体潤滑剤としてＣａＦ₂を添加して自己潤滑性を高めることにより、激しい摩耗を防止しようとしている。例えば、ＣａＦ₂を含む鉄基焼結合金の一例として、重量％で、Ｃ：０．７〜１．６％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．０５〜１％，Ｃｒ：１〜８％，Ｍｏ：１〜１０％，Ｖ：０．１〜２％，Ｃｏ：１〜２０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、硬質粒子が粒径１０〜１５０μｍのＣｒ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｃｏ系金属間化合物粒子、Ｆｅ−Ｍｏ粒子およびＦｅ−Ｓｉ−Ｍｏ系金属間化合物粒子の内の１種または２種以上を合計で５〜２５重量％を素地中に分散させ、さらに粒径１〜５０μｍのＣａＦ₂を分散させた鉄基焼結合金が知られており、この鉄基焼結合金はバルブシートなど摺動部材の素材として使用されるとしている（特開平１１−２１６５９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来のＣａＦ₂を含有する鉄基焼結合金からなるバルブシートは十分な強度および耐摩耗性が得られず、また自己潤滑性に劣るために相手攻撃性が大きいという欠点があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、優れた強度および耐摩耗性を有すると共に自己潤滑性に優れかつ相手攻撃性が少ない鉄基焼結合金を得るべく研究を行っていたところ、
（ａ）Ｃｕ粉末、ＣａＦ₂粉末およびＦｅ粉末からなる組成の混合粉末を成形したのちＣｕ液相による液相焼結を行うことにより得られたＣｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成の鉄基焼結合金は、図１に示されるように、ＣａＦ₂粒子１が素地の気孔２の内部に存在した組織が形成され、かかる組成および組織を有する鉄基焼結合金は優れた強度および耐摩耗性を有すると共に自己潤滑性に優れかつ相手攻撃性が少ない、
（ｂ）Ｃｕ粉末、ＣａＦ₂粉末、Ｎｉ粉末およびＣ粉末の内の１種または２種、並びにＦｅ粉末からなる組成の混合粉末を成形したのちＣｕ液相による液相焼結を行うことにより得られたＣｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％を含有し、さらにＮｉ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％の内の１種または２種を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する鉄基焼結合金は、図１に示されるように、ＣａＦ₂粒子１が素地の気孔２の内部に存在した組織が形成され、かかる組成および組織を有する鉄基焼結合金は優れた強度および耐摩耗性を有すると共に自己潤滑性に優れかつ相手攻撃性が少ない、という知見を得たのである。
【０００５】
この発明は、かかる知見にもとづいて成されたものであって、
（１）Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有する鉄基焼結合金、
（２）Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有する鉄基焼結合金、
（３）Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有する鉄基焼結合金、
（４）Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有する鉄基焼結合金、に特徴を有するものである。
【０００６】
この発明の鉄基焼結合金が優れた強度を有すると共に自己潤滑性および耐摩耗性に優れかつ相手攻撃性が少ない理由として下記の理由が考えられる。すなわち、従来の鉄基焼結合金は、図２（ａ）の組織説明図に示されるように、固体潤滑剤として角張ったＣａＦ₂粒子１が素地３中に埋め込まれた状態で分散した組織を有しており、かかる組織を有する鉄基焼結合金が摩耗すると、図２（ｂ）の組織説明図に示されるように、角張ったＣａＦ₂粒子１が脱落してその部分に鋭角部分４を有する空孔６が形成され、この鉄基焼結合金に荷重が付加されると、ＣａＦ₂粒子が脱落して形成された空孔６の鋭角部分４から亀裂５が発生し、そのために亀裂周囲の破壊や摩耗の進行が生じる。
ところが、この発明の鉄基焼結合金は、図１（ａ）に示されるように、鋭角部分４を有するＣａＦ２粒子１は素地の気孔２の内部に付着した状態で存在する組織が形成され、かかる鉄基焼結合金の素地３に形成されている気孔２はほぼ球形であるために、摩耗中にＣａＦ₂粒子１が気孔２から脱落しても気孔２は球形のまま残り、荷重が付加されても亀裂は気孔２から発生し難く、そのために局所的な破壊や摩耗の進行が防止されるものと考えられる。さらに、気孔２に付着したＣａＦ₂粒子１は素地３中に埋め込まれたものより脱落しやすく効率的に潤滑剤の役目を果たすために自己潤滑性に優れかつ相手攻撃性も少なくなるものと考えられる。
【０００７】
また、本発明者らは、
（ｃ）前記（ａ）または（ｂ）記載の混合粉末に、さらにマイクロビッカース硬さ（以下、ＭＨＶという）：５００〜２０００の硬質粉末を０．５〜２０重量％添加した混合粉末を成形したのち、Ｃｕ液相による液相焼結を行うことにより、Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％を含有し、さらにＮｉ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％の内の１種または２種を含有し、さらにＣｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．５〜２０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する鉄基焼結合金は耐摩耗性が一層向上する、
（ｄ）前記Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上の成分は、素地の固溶させても良く、またはＭＨＶ：５００〜２０００の硬質粒子相として素地中に均一分散させても良く、この硬質粒子相が分散した素地中の気孔の内部にＣａＦ₂粒子が存在し分散している組織を有する鉄基焼結合金は、素地中に硬質粒子が均一分散しているために耐摩耗性が一層向上する、
という知見を得たのである。
【０００８】
この発明は、かかる知見に基づいて成されたものであって、
前記Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上の成分を素地に固溶させたこの発明は、
（５）Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％を含有し、さらにＣｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．５〜２０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有する鉄基焼結合金、
（６）Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％を含有し、さらにＣｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．５〜２０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有する鉄基焼結合金、に特徴を有するものである。
【０００９】
前記（１）〜（６）記載の鉄基焼結合金は、Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末、ＣａＦ₂粉末を必須の原料粉末として混合し、さらに必要に応じてＮｉ粉末、Ｃ粉末およびＭＨＶ：５００〜２０００の硬質粉末を混合して得られた混合粉末を、成形したのちＣｕ液相による液相焼結することにより製造することができる。
【００１０】
この発明の鉄基焼結合金は、一層具体的には、原料粉末として、Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末、ＣａＦ₂粉末、黒鉛粉末、Ｎｉ粉末およびＭＨＶ：５００〜２０００の硬質粉末およびＭＨＶ：５００〜２０００の硬質粉末を用意し、これら原料粉末を所定の割合で配合し混合し、さらに金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末とともにダブルコーンミキサーで混合し、プレス成形して圧粉体を作製し、圧粉体を水素を含む窒素雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃（一層好ましくは、１０９０〜１２００℃）で焼結し、Ｃｕ液相による液相焼結することにより製造する。このようにしてＣｕ液相による液相焼結を行なうと、ＣａＦ₂の周囲のＣｕ液相は、ＣａＦ₂から離れるように流動し、ＣａＦ₂の周囲は気孔となり、結果としてＣａＦ₂が気孔内部に押し出された組織となるものと考えられる。
また、気孔内部に存在するＣａＦ₂は、素地の気孔内の合金と緩く結合しているために脱落しやすく、脱落したＣａＦ₂は摩耗面に散乱して固体潤滑剤として効率的に作用することにより自己潤滑性を向上させる。
【００１１】
つぎに、この発明の鉄基燒結合金の成分組成を上記のごとく限定した理由について説明する。
【００１２】
（ａ）Ｃｕ
Ｃｕは、耐摩耗性、放熱性、切削性および耐焼付き性を向上させ、さらに相手攻撃性を減少させる効果があるが、その含有量が８重量％未満ではその効果が十分でなく、一方、４０重量％を越えると液相が過大となり、焼結中に変形が生じて寸法のバラツキが大きくなるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含有量は８〜４０重量％に定めた。Ｃｕの含有量の一層好ましい範囲は９〜２５重量％である。
【００１３】
（ｂ）ＣａＦ₂
ＣａＦ₂は、自己潤滑性、切削性、耐焼付き性および耐摩耗性の向上に効果があるので添加するが、０．５重量％未満ではその効果が十分でなく、一方、１０重量％を越えて添加すると焼結中に変形が生じて寸法のバラツキが大きくなるので好ましくない。したがって、ＣａＦ₂の含有量は０．５〜１０重量％に定めた。ＣａＦ₂の含有量の一層好ましい範囲は１〜７重量％である。
【００１４】
（ｃ）Ｎｉ
ＮｉはＦｅ基合金相とＣｕ基合金相の密着性を向上させることにより、強度と耐摩耗性を向上させるので必要に応じて含有させるが、その量が０．５重量％未満では効果が現れず、一方、１０重量％を越えて含有させてもも効果が少なく経済的に好ましくない。したがって、Ｎｉの含有量は０．５〜１０重量％に定めた。Ｎｉ含有量の一層好ましい範囲は１〜８重量％である。
【００１５】
（ｄ）Ｃ
Ｃは、強度と耐摩耗性を向上させるので必要に応じて添加するが、その量が０．０５重量％未満では効果が現れず、一方、３重量％を越えて含有させると、靭性および寸法安定性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．０５〜３重量％に定めた。Ｃ含有量の一層好ましい範囲は０．１〜２重量％である。
【００１６】
（ｅ）Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂ
これら成分は、耐摩耗性および強度を向上させるために必要に応じて含有させるが、これら成分の１種または２種以上を合計で０．５重量％未満含有させても所望の効果が現れず、一方、２０重量％を越えて含有させると、靭性が低下するので好ましくない。したがって、これら成分の１種または２種以上を合計で０．５〜２０重量％に定めた。一層好ましい範囲は１〜１０重量％である。
また、これら成分は硬質合金粉末として添加し、素地に分散させて硬質粒子相を形成させることができるが、硬質粒子相を形成させる場合は１〜１５重量％の範囲内とすることが好ましい。この場合の一層好ましい範囲は４〜１０重量％である。そして素地に分散する硬質粒子相は、平均粒径：１０〜１００μｍ、ＭＨＶ：５００〜２０００の範囲内の硬質粒子相を面積率：１〜３０％で分散させることが好ましく、その理由は、ＭＨＶが５００未満の硬質合金粒子相では十分な耐摩耗性が得られないので硬質合金粒子相を形成させる意味が無くなく、一方、ＭＨＶが２０００を越えるとバルブを過大に摩耗させるので好ましくないことによるものである。また、鉄基燒結合金素地中に面積率で１％分散していても十分な耐摩耗性が得られず、一方、３０％を越えて分散すると硬質粒子相が多過て靭性が不足するので好ましくないからである。硬質合金粒子相の分散量の一層好ましい範囲は面積率で８〜２５％である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施例１
原料粉末として、平均粒径：５５μｍのＦｅ粉末、平均粒径：１１μｍのＣｕ粉末、平均粒径：１０μｍのＮｉ粉末、平均粒径：１８μｍの黒鉛粉末および平均粒径：２０μｍのＣａＦ₂粉末を用意した。さらに下記の表１に示される成分組成を有する硬質合金粉末Ａ〜Ｃを用意した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
前記用意したＦｅ粉末、Ｃｕ粉末、ＣａＦ₂粉末、Ｎｉ粉末、黒鉛粉末、および表１の硬質合金粉末Ａ〜Ｃを表２〜３に示される割合で配合し混合して原料混合粉末を作製し、この原料混合粉末にさらに金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末を外掛けで０．８重量％に当たる量だけ添加して混合し、プレス成形して圧粉体を作製した。この圧粉体をＮ₂−５％Ｈ₂の混合雰囲気中、温度：１１４０℃、２０分保持の条件で焼結し、表４〜５に示される成分組成を有する本発明鉄基燒結合金（以下、本発明合金という）１〜１７を作製した。
【００２０】
一方、前記特開平１１−２１６５９号公報記載の、重量％で、Ｃ：１．０、Ｓｉ：０．２６％、Ｍｎ：０．１３％，Ｃｒ：３．１４％，Ｍｏ：３．３７％，Ｖ：０．２５％，Ｃｏ：６．０％およびＣａＦ２：５％を含み、さらに、粒径：１０μｍのＣｒ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｃｏ金属間化合物：１０％を２０面積％となるように含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる従来鉄基焼結合金（以下、従来合金という）を用意した。
【００２１】
前記本発明合金１〜１７および従来合金について下記の摩耗試験を行った。
【００２２】
ＳＵＨ３６の材質からなり外径が３０ｍｍの傘部分を有するバルブを用意し、このバルブの傘部分を温度：９００℃に保持し、さらに本発明合金１〜１７および従来合金からなるバルブシートを作製し、これらバルブシートをそれぞれ内部が水冷されている治具に圧入し、天然ガス燃焼雰囲気中で着座荷重：３０ｋｇ、バルブ着座回数：３０００回／分の条件で１５０時間試験し、バルブシートおよびバルブの最大摩耗量を測定し、その結果を表４〜５に示した。
【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
【表４】

【００２６】
【表５】

【００２７】
表４〜表５に示される結果から、本発明合金１〜１７で作製したバルブシートは従来合金で作製したバルブシートに比べて、バルブシートの最大摩耗量が少ないところから、本発明合金１〜１７は従来合金に比べて優れた耐摩耗性を有し、さらに本発明合金１〜１７は従来合金に比べて相手材であるバルブの最大摩耗量が少ないところから相手攻撃性が少ないことが分かる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のように、この発明の鉄基燒結合金は、従来以上の耐摩耗性を有し、また相手材であるバルブに対する相手攻撃性が少ないところから、エンジンなどの自動車産業の発展に大いに貢献し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の鉄基燒結合金の組織を説明するための説明図である。
【図２】 従来の鉄基燒結合金の組織を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ ＣａＦ₂粒子
２ 気孔
３ 素地
４ 鋭角部分
５ 亀裂
６ ＣａＦ₂が脱落してできた空孔

Claims (6)

1. Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ_２：０．５〜１０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有することを特徴とする鉄基焼結合金。
2. Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有することを特徴とする鉄基焼結合金。
3. Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有することを特徴とする鉄基焼結合金。
4. Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有することを特徴とする鉄基焼結合金。
5. Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％を含有し、さらにＣｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．５〜２０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有することを特徴とする鉄基焼結合金。
6. Ｃｕ：８〜４０重量％、ＣａＦ₂：０．５〜１０重量％、Ｎｉ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０．０５〜３重量％を含有し、さらにＣｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．５〜２０重量％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＣａＦ₂は素地の気孔内部に存在して分散している組織を有することを特徴とする鉄基焼結合金。

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