JPS6119762A - 耐摩耗焼結合金 - 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】 ■、産業上の利用分野 本発明は耐摩耗焼結合金に関し、更に詳述すれば、例え
ば内燃機関の弁座のような苛酷な条件下で使用さ２る摺
動部品の材料として好適な改良された耐摩耗焼結合金に
関する。

２、従来技術 近年、内燃機関が小屋、高出力化する一方、ガソリンエ
ンジンにあっては燃料が無鉛ガソリンへ移行し、或いは
ＬＰＧが使用されるようになったのに伴ない、弁座は高
負荷で而も相手バルブの金属と７００〜８００℃の高温
で直接接触して熱間衝撃を受けるという苛酷な条件に曝
されるようになったので、弁座の耐摩耗性に対する要求
が益々厳しくなって来ている。

また、ディーゼルエンジンにあってはガソリンエンジン
に較べて燃焼圧力や温度が高く、更に燃料中の硫黄やバ
ナジウムによる化学的腐蝕を伴なう摩耗現像が起り、弁
座は一層苛酷な条件下で使用される。

粉末冶金法によって製造される焼結合金、なかんずく鉄
基焼結合金は、溶製材に較べて金属組織を所望の組織と
することが容易であることから、近年、機械部品材料へ
の適用範囲が拡大されてきており、弁座の材料としても
多数の改良がなされているが、特に近時の小型、高出力
化された内燃機関の弁座材料としては充分に満足できる
には至っていない。

３、発明の目的 本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、例
えば近時の小型、高出力化された内燃機関の弁座等に使
用しても充分な耐久性を示す耐摩耗焼結合金を提供する
ことを目的としている。

４、発明の構成 即ち、本発明は、炭素１．０〜３．０重量％、珪素０．
２〜１．０重量％、クロム５．０〜２０重景％、モリブ
デン０．５〜２，０重量％、バナジウム０．３〜３．０
重量％、硼素、燐及び硫黄の１種又は２種以上が合計で
Ｏｆ＞２〜０．５重量％、残部が実質的に鉄からなる基
地中Ｋ、窒化チタン粒子が気孔を除く部分の面積比で２
〜３０％分散し、５％以下の気孔率を有する耐摩耗焼結
合金に係る。

次に本発明を構成する各元素及び分散相について説明す
る。

基地を構成する各元素について言えば、炭素は硬質の炭
化物を生成して耐摩耗性に寄与するが、１．０重量％（
以下、単に「％」で表わす数値は重量％を表わす。）未
満では炭化物の生成量が少なくて上記効果が顕著ではな
く、また、固相線が充分に下らず、その結果、後述する
焼結時の液相が充分には生成されなくなって気孔率を５
％以下にすることができなくなる。　他方、炭素が３，
０％を越えると基地中の炭化物の量が多くなり過ぎて脆
化させるようＫなるので、１．０〜３．０％の範囲とす
るのが良い。

クロム、モリブデン及びバナジウムはいずれもその小部
分は基地に固溶して機械的強度を改善し、特にモリブデ
ンは高温強度を高める。　また、他の大部分は炭素と共
に炭化物を形成し、或いは未拡散の硬質粒子として残留
し、耐摩耗性に寄与する。

クロムは５．０％未満、モリブデンは０．５％未満、バ
ナジウムは０．３％未満では上記効果が不足し、クロム
は２０％を、モリブデンは２．０％を、バナジウムは３
．０％を越えると、圧粉体成形時の圧縮性を損なうよう
になる。　特にモリブデンは基地を脆化させて却って機
械的強度を損なうようになる。　以上の理由から、クロ
ムは５．０〜２０％、モリブデンは０．５〜２．０％、
バナジウムは０．３〜３．０％の範囲とする。

珪素は、クロムの存在下で液相生成温度を下げ、炭化物
の粗大化を抑制して組織を微細化するが、０．２％未満
では上記効果が顕著ではなく、１．０％を越えると珪素
の脆化作用が顕われるので、０．２〜１．０％の範囲と
する。

硼素、燐及び硫黄はいずれも焼結温度で液相を生成させ
る作用を有し、焼結時に液相を一部生成せしめて気孔率
を低下させ、焼結合金の機械的強度を改善すると共に、
窒化チタン粒子に対する濡れ性を改善して基地と窒化チ
タン粒子との結合を強固にする。　いずれも０．０２％
未満では上記効果が顕著ではなく、０．５％を越えると
上記液相の生成が過多となって焼結体の寸法精度を悪く
し、また、それらの脆化作用が顕われるようになる。

従って、これらの１種又は２種以上を合計で０．０２〜
０．５％の範囲とするのが良い。

なお、上記各合金元素のうち、炭素は少なくともその一
部を、他の元素はすべて原料粉末中に含有させておくの
が、即ち、これら合金元素を含有するプレアロイ粉末を
使用するのが良い。　その理由は、各単体の粉末を配合
してなる混合粉を使用すると、焼結中にこれらを完全に
拡散させて均一にすることは極めて困難であり、焼結合
金の組織が不均一になるからである。

基地中に分散させる窒化チタン粒子は硬質であって、耐
摩耗性に寄与する。　その粒径は平均で２〜７０μｍの
範囲で、かつ、最大粒径１００メツシー（１４７μｍ）
以下が好適である。　平均粒径が２μｍよりも細かいと
均一に分散させることが困難であり、７０μｍを越える
と相手摺動部品を傷付けるようＫなり、また切削加工が
困難となる。

分散量は容積比（顕微鏡下での面積比に等しい。）で２
〜３０％の範囲が好適である。　焼結合金は封孔のため
の処理を特に施さない限り、通常は気孔を内在している
が、上記分散量は気孔を除く実体の部分中の分散量であ
る。　これは重量比にすると１．５〜２０％となる。

このように構成された本発明焼結合金全体の化学組成は
、炭素０．８〜２．９６％、珪素０．１６〜Ｏ，’９８
５％、クロム４．０〜１９．７％、モリブデン０．４〜
１．９７％、バナジウム０．２４〜２．９６％、硼素、
燐及び硫黄の１種又は２種以上が合計で０．０１６〜０
．４９％、チタン１．１６〜１５．５％、窒素０．４４
〜６．８％、゛残部が実質的に鉄からなる組成となる。

５、実施例 １．５０％Ｃ，０，５１％Ｓｉ、０．０２９％Ｐ、０．
００７％Ｓ。

１１．８７％Ｃｒ、１．００％Ｍｏ、２．０１％Ｖ、残
部が実質的にＦｅからなる合金粉末（１００メツシユ篩
下）に、 （１）　　２１．０％Ｂを含むフェロボロン粉末（２５
０メツシー篩下）を０．３％ （２）　　２６．６％Ｐを含むフェロボロン粉末（２５
０メツシユ篩下）を１．０％ （３）純度９９％以上の二硫化モリブデン粉末（平均粒
径２μｍ）を１．０％ 添“加し、更に夫々に窒化チタン粉末（０，１３％Ｃ１
０，０２％Ｆｅ、２２．２３％Ｎ、０．７２％０、残部
Ｔｉの化学組成で、粒度は３２５メツシユ篩下、平均粒
径６．２６μｍ）を全体の１５容積％になるように配合
し、これらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末０．７
５％を添加し、Ｖ型混合機で少なくとも２０粉 分間混合した。　次に、これら混合ヂを６ｔ／ｃ４の成
形圧で外径４０■、内径２４■、高さ７■に成形して圧
粉体とした。　次にこの圧粉体を真空炉中で７００℃に
１時間加熱のバーンアウト処理を施し、引続き１２２０
℃に１時間加熱、焼結し、９００℃迄冷却してから炉内
に窒素ガスを吹込んで急冷、焼入し、次いで７００℃に
加熱、焼戻して硬度ＨＲＣ４０の焼結体とした。

比較の焼結体として、黒鉛粉０．８％、カーボニルニッ
ケル粉２％、残部鉄粉となるように配合して上記と同様
にして製造した焼結体（４１５）及び黒鉛粉０．８５％
、６１．４３％のモリブデンを含有するフェロモリブデ
ン粉１０％、残部鉄粉となるように配合して同様に製造
した焼結体（４１６）を用意した。

得られた焼結体の分析値及び気孔率は下記第１表に示す
通りである。

（以下余白、次頁にっづく） これら焼結体の組織を／１６１を例に挙げて４００倍の
顕微鏡写真で第１図に示す。　ソルバイト基地１中に焼
結時ＩＣＦ　ｅ　−Ｃｒ　ＬＣ−Ｂの多元共晶によって
生成しだ液相が凝固してなる共晶相２が観察され、更に
窒化チタン粒子３が分散した組織となっている。　黒色
を呈する部分４は気孔であって、硼素の作用による前記
液相焼結によって一般の焼結合金よりも少量となってい
る。

前記焼結体から外径３５酎、内径２９．５ｍｍ、内周側
の一方の端部に１．２０（当り幅１．７　ｒｇｎ　）の
面取りを施した寸法の゛弁座な削り出し、摩耗試験を行
った。

試験装置は第２図に概要を示すもので、弁座１１はシリ
ンダヘッド１２に設けられた弁座押え１３に圧入され、
弁座押え１３を介してシリンダヘッドに固着される。

シリンダへラド１２の下方にはパルプ駆動部本体１４が
これに固定されていて、パルプ２０は、バルブフェース
が弁座１１の面取り面に当接するように、バルブ駆動部
本体１４に取付けられたパルプガイド１５にそのロッド
部２０ａが上下動可能に挿入される。　パルプのロッド
部２０ａの先端は、コイルばね１７ａ及び１７ｂｌＣよ
ってパルプ駆動部本体１４に設けられた軸受１８に嵌入
されたカム軸１９のカム１９ａｌＣ圧接するパルプ受け
１６に収容される。　パルプ２０は、そのロッド部２０
ａの先端近くでパルプ受け１６に設けられた爪１６ａに
咬持され、パルプ受け１６に固着されでいる。

このような構造としであるので、カム軸１９を図示しな
い駆動装置によって回転させると、パルプ受け１６に固
着されたパルプ２０は上下動してそのバルブフェースが
弁座１１の面取り面を衝撃的に繰返し叩くようになる。

　この荷重はコイルばね１７ａ及び１７ｂを適宜選択す
ることによって定められる。

パルプ２０の上方にはガスバーナー２１が配し← てあり、弁座押え１３に穿設された細孔に熱電対２３の
温接点が弁座１１に当接するように挿入されて弁座１１
の温度が検知され、図示しない制御回路によってノズ／
Ｉ／１４からシリンダヘッド１２に吹付ける圧縮空気の
風量を調節して弁座１１を所定の温度に保持するように
しである。

また、パルプ２００表面温度は放射温度計２２によって
測温され、図示しない制御回路によってガスバーナー２
１に供給されるプロパンガスの供給量を調、節してパル
プ２００表面温度を所定の温度に保持するようにしであ
る。

このような試験装置を使用して、バルブ表面温度を７５
０℃、弁座温度を４５０℃に保持し、カム軸回転数２５
００　早、コイルばね荷重４０ゆで１０時間の試験を行
い、弁座の摩耗量を基準パルプの沈み量から求めた。

バルフニは２ｌ−４Ｎ鋼製、バルブフェースにステライ
ト／１６６の盛会をしたものを使用した。

パルプと弁座の叩き回数は１．５Ｘ１０’回である。

なお、比較の弁座には前記４１５及びｌ６１６のほか、
熔製材のものとして耐熱鋼５ＵＨＪ製のもの４１７及び
１．３５％Ｃ，１，２１％Ｓｉ、０．４２％Ｍｎ。

１３．１％Ｃｒ、０．３６％Ｍｏ、残部実質的にＦｅの
化学組成を有する高クロム白鋳鉄製のものｌ６１８も。

加えた。

試験結果は第３図に示す通りである。

同図から、窒化チタン相を組織中に有する本発明焼結合
金を材料とする弁座は、熔製材からなる比較弁座に較べ
ては勿論、いずれの比較弁座よりも明らかに摩耗量が小
さく、極めて耐摩耗性に優れていることが解る。

、％１５．１．２．３は同様の基地に対して窒化チタン
の配合量を容積比で０．５，１５，２５％と変化させて
あり、摩耗量はその配合量の増加に伴って減少している
。

＝４＝　これらの結果から、窒化チタンの配合が耐摩耗
性を著しく向上させることが理解できる。

また、窒化チタンは化学的に安定であって、焼結の工程
で焼結温度に加熱されても分解することがない。

以上、弁座な例に挙げて本発明を説明したが、弁座」メ
外詮二も、例えば内燃機関の部品にあっては、１コツ力
了−ム１、タペット、ヒ、ストンＩＪ　ｙ　り等、七の
他の機械部品とｌ、−Ｃは回転圧縮機のべ−ン等、適用
範囲むｊ、広い。

６、発明の効果 以１−説明１．ｉ、・よう酸二、本発明−・１摩耗焼結
合金は、前述し、／、−よう八・化学組成及び組織と１
−７てあ４）ので、極め゛Ｃ１′ｌｉｌ摩耗性し一優Ａ
］、内燃機関イ丁の他の機械装置のオ　ノ仁−ポールか
ら次のオ　ノ仁−ホール迄の（す１間、所謂開放期間の
周期を延長さ−ぜ、４発明の丁業十の利用価値は大きい
。

１・２１面の簡＊ｔ、ｃ説明 第１図じ、／＄発明耐摩耗焼結合金の組織を示１倍率４
００倍の顕微鏡Ｗ　Ｅ４．、 第：２図は弁座の摩耗試験装置ｈ１の概略断面図、第３
図は摩耗試験結果なボすグラフ である。

なお、図面に示された符号に於いて、 １・〜・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・−ソ
ルバイト基地２・・・・・・−・・・・・・−・・・・
・・・・・・Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ−Ｂ系共晶相３・・・・・
〜・・・・・・・−・−・・・・・・・窒化チタン粒子
４・・−・〜・・・・・−・・−・・・−・・・・−気
孔１１−・・・・・・・・・・−・・−・・・・・・・
・・弁座１２・・−・−・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・シリンターへ、ラド１４・−・・・・・・・
・・・・・・・・・・−・・・バルブ駆動部本体１５・
−・・−・・・・・・〜・・・・・・・・・・・・バＡ
、・ブブｊイド’１．７ａ、　ｉ７ト・−・・・・・−
・・−１イノ７、゛ばね１９・−・・−・・・−・−・
−・・・・・・・・−・カム軸２０・・・・・・・・・
・・・・・・・−・・−・・・−バルク２０　ａ・・・
−・・・〜・・・・・・−・−・・・バ刃・ブの口う°
ト部２１・−・・・・・・・・・−・・・・・・・・・
・・・ガスバーノー２２・・・・・・・・・・・・・・
−・・・・・−・・放射温度計２３−・・・・−・・・
・・・・・・・・・・・・・−・熱１Ｅ対２４・−・・
・・・・・・・・・・・・・・・・−・・・圧縮空気用
ノズルである。

代理人　弁理士　逢　坂　　　宏 Ｘ４４）０ 第２閏

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素１．０〜３．０重量％、珪素０．２〜１．０重
   量％、クロム５．０〜２０重量％、モリブデン０．５〜
   ２．０重量％、バナジウム０．３〜３．０重量％、硼素
   、燐及び硫黄の１種又は２種以上が合計で０．０２〜０
   ．５重量％、残部が実質的に鉄からなる基地中に、窒化
   チタン粒子が気孔を除く部分の面積比で２〜３０％分散
   し、５％以下の気孔率を有する耐摩耗焼結合金。 ２、窒化チタン粒子が平均粒径で２〜７０μｍの窒化チ
   タン粒子である、特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗焼
   結合金。