JPH07103451B2 - 耐摩耗性鉄基焼結合金 - Google Patents
耐摩耗性鉄基焼結合金Info
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- JPH07103451B2 JPH07103451B2 JP62109480A JP10948087A JPH07103451B2 JP H07103451 B2 JPH07103451 B2 JP H07103451B2 JP 62109480 A JP62109480 A JP 62109480A JP 10948087 A JP10948087 A JP 10948087A JP H07103451 B2 JPH07103451 B2 JP H07103451B2
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Description
（産業上の利用分野） 本発明は、耐摩耗性が要求される部品の素材として利用
される鉄基焼結合金に関し、例えば内燃機関のロッカー
アームやタペット等の高面圧のかかる摺動部に使用した
場合において、高合金系カムシャフトなどが相手材であ
ってカムプロフィール等が摩耗に厳しい形状であって
も、優れた耐摩耗性となじみ性とを発揮する耐摩耗性鉄
基焼結合金に関するものである。 （従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となり
つつあり、特にロッカーアームやタペットのカムシャフ
トとの摺動部に対する耐久性の要求はきわめて厳しいも
のとなっている。 一般に、ロッカーアームやタペットのカムシャフトとの
摺動部は高面圧を受けるものであるため、優れた耐摩耗
性，耐スカッフィング性および耐ピッティング性を兼ね
備えかつカムシャフトとのなじみ性をも合わせ持つこと
が要求される。 そこで、本発明者らは前記の事情にかんがみて、耐摩耗
性等に優れた鉄基焼結合金の開発を鋭意進めてきた。そ
の中で、例えば、特開昭62−211355号公報において開示
した発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金では、所定の組織
を得るために、全体組成が、重量％で、MoおよびＷのう
ちいずれか１種または２種:5〜20％、Cr:2〜10％、Si:
0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜0.8
％、B:0.5〜2.0％、および必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,
Hf,Co,Niよりなる群から選ばれる元素のうちいずれか１
種または２種以上:20％以下、残部Feおよび不純物から
なり、このうち、MoおよびＷの総含有量とＢの含有量と
の割合がモル比で0.5〜1.5の範囲内である組成としてい
た。 （発明が解決しようとする問題点） 上記の特願昭62−211355号明細書に記載された発明に係
る耐摩耗性鉄基焼結合金では、優れた耐摩耗性，耐スカ
ッフィング性および耐ピッティング性を持つだけでな
く、相手材とのなじみ性をも合わせ持つものであるた
め、ロッカーアームやタペットの素材として通常使用す
る場合は全く問題なく、かなり優れた特性を示す。 しかしながら、近年におけるエンジンの高性能化，高回
転化の要求を満たすためには、マルチバルブ化（多弁
化）する必要があり、したがってカムシャフトの本数が
増えて径が細くかつカムリフト量が大きくなることから
高合金化したカム（カムシャフト）が必要となってきて
おり、これらのカム（カムシャフト）の相手材として特
開昭62−211355号公報に記載された発明に係る鉄基焼結
合金を用いた場合には、長時間使用による摩耗が問題と
なる場合がありうることがわかった。 （発明の目的） そこで、本発明者らは、高合金系のカム（カムシャフ
ト）の相手材として長時間使用しても摩耗量が増大しな
いようにすることを目的として、炭化物，硼化物，炭硼
化物の硬質相を補強する研究・実験を行った結果、Mo,
W,Cr等の合金元素を増量しかつ窒素を含有させることに
より、炭化物，硼化物と親和性が高い窒化物を析出さ
せ、炭化物，硼化物，炭硼化物の一部を置換しおよび／
または固溶させ、および／またはこれらと共存させるこ
とにより、材料の特性を劣化させることなくこの材料の
耐摩耗性を向上させることを見い出し、本発明を完成す
るに至った。特にこの材料系では、焼結過程において微
細な炭化物と硼化物が共存しているために、窒素を含有
させると窒化物が炭化物，硼化物等と相互固溶体，置換
体を生じ易いことを確認した。
される鉄基焼結合金に関し、例えば内燃機関のロッカー
アームやタペット等の高面圧のかかる摺動部に使用した
場合において、高合金系カムシャフトなどが相手材であ
ってカムプロフィール等が摩耗に厳しい形状であって
も、優れた耐摩耗性となじみ性とを発揮する耐摩耗性鉄
基焼結合金に関するものである。 （従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となり
つつあり、特にロッカーアームやタペットのカムシャフ
トとの摺動部に対する耐久性の要求はきわめて厳しいも
のとなっている。 一般に、ロッカーアームやタペットのカムシャフトとの
摺動部は高面圧を受けるものであるため、優れた耐摩耗
性，耐スカッフィング性および耐ピッティング性を兼ね
備えかつカムシャフトとのなじみ性をも合わせ持つこと
が要求される。 そこで、本発明者らは前記の事情にかんがみて、耐摩耗
性等に優れた鉄基焼結合金の開発を鋭意進めてきた。そ
の中で、例えば、特開昭62−211355号公報において開示
した発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金では、所定の組織
を得るために、全体組成が、重量％で、MoおよびＷのう
ちいずれか１種または２種:5〜20％、Cr:2〜10％、Si:
0.1〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜0.8
％、B:0.5〜2.0％、および必要に応じてV,Nb,Ta,Ti,Zr,
Hf,Co,Niよりなる群から選ばれる元素のうちいずれか１
種または２種以上:20％以下、残部Feおよび不純物から
なり、このうち、MoおよびＷの総含有量とＢの含有量と
の割合がモル比で0.5〜1.5の範囲内である組成としてい
た。 （発明が解決しようとする問題点） 上記の特願昭62−211355号明細書に記載された発明に係
る耐摩耗性鉄基焼結合金では、優れた耐摩耗性，耐スカ
ッフィング性および耐ピッティング性を持つだけでな
く、相手材とのなじみ性をも合わせ持つものであるた
め、ロッカーアームやタペットの素材として通常使用す
る場合は全く問題なく、かなり優れた特性を示す。 しかしながら、近年におけるエンジンの高性能化，高回
転化の要求を満たすためには、マルチバルブ化（多弁
化）する必要があり、したがってカムシャフトの本数が
増えて径が細くかつカムリフト量が大きくなることから
高合金化したカム（カムシャフト）が必要となってきて
おり、これらのカム（カムシャフト）の相手材として特
開昭62−211355号公報に記載された発明に係る鉄基焼結
合金を用いた場合には、長時間使用による摩耗が問題と
なる場合がありうることがわかった。 （発明の目的） そこで、本発明者らは、高合金系のカム（カムシャフ
ト）の相手材として長時間使用しても摩耗量が増大しな
いようにすることを目的として、炭化物，硼化物，炭硼
化物の硬質相を補強する研究・実験を行った結果、Mo,
W,Cr等の合金元素を増量しかつ窒素を含有させることに
より、炭化物，硼化物と親和性が高い窒化物を析出さ
せ、炭化物，硼化物，炭硼化物の一部を置換しおよび／
または固溶させ、および／またはこれらと共存させるこ
とにより、材料の特性を劣化させることなくこの材料の
耐摩耗性を向上させることを見い出し、本発明を完成す
るに至った。特にこの材料系では、焼結過程において微
細な炭化物と硼化物が共存しているために、窒素を含有
させると窒化物が炭化物，硼化物等と相互固溶体，置換
体を生じ易いことを確認した。
（問題点を解決するための手段） 本発明の第一発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は、全体
組成が、重量％で、MoおよびＷのうちいずれか１種また
は２種:5〜25％、Cr:2〜12％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7
％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜1.2％、B:0.5〜2.5％、
N:0.002〜2.0％、を基本的に含有し、必要に応じて窒化
物の硬度を高めるためにAl:0.05〜1.0％を含有し、残部
Feおよび不純物からなり、このうち、MoおよびＷの総含
有量とＢの含有量との間で、［Mo（モル量）＋Ｗ（モル
量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満たし、
微細な炭化物、硼化物および／または炭硼化物、および
それらが核あるいは中間媒体となった炭窒化物、硼窒化
物および／またはこれらの相互固溶体、一部置換体が基
地中に均一に分散した組織を呈することを特徴としてい
る。 また、本発明の第二発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金
は、上記の組成に加えて、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niより
なる群から選ばれる元素のうちいずれか１種または２種
以上:20％以下、を含むことを特徴としている。 （作用） 本発明者らは、上記組成を持つ耐摩耗性鉄基焼結合金
は、焼結過程において微細な炭化物，硼化物および／ま
たは炭硼化物が均一に共分散し、さらに窒素を含有して
いるために上記化合物が核あるいは中間媒体となって微
細な炭窒化物，硼窒化物および／またはこれらの相互固
溶体，一部置換体が安定的にかつ粗大化することなく微
細で均一に析出しやすいことを確認した。 このようにして得られる合金のうち特にマトリクス組織
に微細でかつ十分な量の複炭化物，複硼化物，複窒化物
および／または炭硼化物，炭窒化物，硼窒化物および／
またはこれらの相互固溶体が均一に分散している組織を
有するものが優れた摺動耐摩耗性を有し、とりわけ高合
金系カムシャフトでかつカムプロフィールが摩耗に厳し
いカムシャフトの相手材としてロッカーアームやタペッ
トの摺動面に使用した場合に優れた耐摩耗となじみ性を
発揮することを見い出した。 （成分限定理由） 本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、以
下に成分組織（重量％）を上記の通りに限定した理由を
説明する。 MoおよびW: MoおよびＷは、成分中のFeやCrなどと共にC,BやＮと結
合して複炭化物，複硼化物あるいは複窒化物またはこれ
らの一部置換体，相互固溶体を形成して耐摩耗性を与
え、一部はマトリクス内に固溶して当該マトリクスを強
化するとともに焼戻し硬化能を高める作用があるが、５
％未満では所望の効果が十分に得られずに耐摩耗性不足
となり、25％を超えて含有させてもより一層の改善効果
は認められず、経済的でないことからその含有量を５〜
25％と定めた。 Cr: Crは、成分中のFeやMo,W等とともに複炭化物，複硼化
物，複窒化物を形成して耐摩耗性を向上させると同時
に、マトリクス中に固溶して焼入性を増大させ、さらに
は焼戻し硬化能を高める効果を有するとともにマトリク
スの耐食性を向上させる効果もあるが、２％未満ではそ
の効果が十分に認められず、12％を超えて含有させても
より一層の改善効果がないばかりでなく、機械的強度が
低下して相手材への攻撃性が増大してしまうことからそ
の含有量を２〜12％と定めた。 Si: Siは、0.1％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉末
中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するとともに
M2C系の粗大な板状炭化物が析出しやすくなり、相手部
材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が0.9％を超
えても脱酸効果の向上もなく、粉末の形状が丸くなって
当該粉末の成形性が低下するだけであることから、その
含有量を0.1〜0.9％と定めた。 Mn: Mnは、前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加す
ることによって粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向
上させるが、0.7％を超えると粉末の形状が丸くなって
粉末の成形性が低下することにより成形体エッヂ部の欠
け等が生じやすくなることから、添加するとしてもその
含有量を0.7％以下と定めた。 P: Ｐは、耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素と
して一般に0.2〜0.8％程度添加する手法が広く用いられ
ているが、本発明に係る焼結合金の場合はＰの添加量が
0.05％を超えた場合に、複硼化物，複炭化物，炭窒化物
等が粗大化して相手材とのなじみ性が低下するととも
に、粒界に複硼化物，複炭硼化物がネットワーク状に析
出して強度が低下してしまうことからその含有量を0.05
％以下と定めた。 C: Ｃは、その一部がMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成元素と結
合して複炭化物を形成し、また窒化物中のＮと一部置換
して炭窒化物を形成する。さらに硼素と共に炭硼化物を
も形成する。Ｃはこれらの化合物の形成によって耐摩耗
性を向上させ、残りはマトリクス中に固溶して高い室温
硬さと強度を与える作用を有するが、0.1％未満では複
炭化物，炭窒化物，炭硼化物の量が少なすぎ、またマト
リクスの室温硬さも小さすぎて、耐摩耗性が不十分であ
る。また、1.2％を超えると複炭化物，炭窒化物が凝集
析出し、粗大な炭硼化物を生成して脆化しやすくなる上
に、相手材とのなじみ性が低下することから、その含有
量を0.1〜1.2％と定めた。 このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したFe−Mo−
Ｗ−Cr−Ｖ−Si−（Mn）−（Co）−（Ｎ）−Ｃ系アトマ
イズ合金粉末の形で添加するのが良い。これはＣを単独
にグラファイト粉末の形で添加すると、後述するＢ源と
して添加するFe−ＢあるいはFe−Cr−Ｂと結びついて焼
結時に粗大な炭硼化物を粒界に沿ってネットワーク状に
析出させて相手材への攻撃性を増大させてしまうためで
ある。 B: Ｂは、成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成し
て耐摩耗性となじみ性を与えるとともに、一部はマトリ
クス中に固溶して焼入性を改善する。また、上記複硼化
物の一部はC,Nと置換・結合し、複炭硼化物，複硼窒化
物を形成して耐摩耗性を向上させる。 このようにＢは微細な複硼化物，複炭硼化物，複硼窒化
物を形成して本発明焼結合金の耐摩耗性と耐なじみ性を
向上させるのに必須の主要成分であるが、0.5％未満の
添加でその効果が十分に認められず、一方2.5％を超え
てもより一層の改善効果が期待できず、かえって複硼化
物等の粗大化が起り、相手材とのなじみ性が低下するこ
とから、その含有量を0.5〜2.5％と定めた。 本発明に係る焼結合金のＢ添加量としては上述したよう
に0.5〜2.5％とする必要があるが、特に優れた特性を示
すのはＢ添加量がMo＋Ｗとの間で、［Mo（モル量）＋Ｗ
（モル量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満
たしているときである。これは上記モル比が1.5を超え
る場合は、複硼化物の生成量が少なく本発明合金の特徴
であるなじみ性が低下してしまい、また前記モル比が0.
8未満では、複硼化物が粗大化するとともにネットワー
ク状に粒界に析出してしまい、相手材とのなじみ性が低
下すると同時に自分自身の耐ピッティング性が低下して
しまうためである。このＢの添加方法としてはFe−Ｂあ
るいはFe−Cr−Ｂ系合金粉末の形で添加することが好ま
しい。 N: Ｎは、成分中の金属元素と結合して複窒化物を作り、さ
らにこれらの複窒化物中のＮとB,Cとが置換，結合して
複炭窒化物，複硼窒化物を形成して耐摩耗性となじみ性
を与えると共に、一部はマトリクス中に固溶して耐食性
を改善する作用がある。しかし、その含有量が0.002％
未満では複窒化物の量が少なすぎて耐摩耗性が不十分で
ある。また、2.0％を超えると粗大な複窒化物を生成し
て脆化しやすくなるうえに相手材とのなじみ性が低下す
ることから、その含有量を0.002％〜2.0％と定めた。こ
の場合、窒素はマトリクス粉中に含有させても良いし、
VN,BN,NbN粉末の形で添加しても良い。 Al: Alは、窒化硬度を高める元素であって、0.05％以上で顕
著な効果を有するが、1.0％を超えて含有させると焼結
が進行しにくくなり、密度低下するので、窒化硬度を上
げるために添加するとしても、その量は0.2〜1.0％とす
る必要がある。 V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Ni: V,Nb,Taは、FeやCrとともにC,Nと結合して極めて硬い複
炭化物，複窒化物，複炭窒化物を作るとともに、Mo,Wの
一部と置換した形の複炭化物や複硼化物，複窒化物を形
成して耐摩耗性を与え、一部はマトリクス中に固溶して
当該マトリクスを強化するとともに、焼戻し硬化能を高
める作用がある。またV,Nb,Taは、焼結時の結晶粒の粗
大化を防止するとともに炭化物の粗大化を防止する効果
もある。これらの効果はV,Nb,Taが0.5％未満の場合では
あまり認められず、耐摩耗性や強度の低下をきたし、一
方８％を超えて添加しても一層の改善効果は認められず
経済的でないことから、添加するとしてもその含有量を
0.5〜８％とするのが良い。 Ti,Zr,Hf,Coは、硼化物形成元素であり、耐摩耗性の向
上に有効な元素であるので、必要に応じて12％以下の範
囲で添加しても良い。特にCoはMo,Wなどの一部と置換し
て複硼化物を形成するだけでなく、マトリクス中に固溶
して赤熱硬さを向上させるため、熱間での耐摩耗性が要
求される場合には添加することが特に効果的である。 また、マトリクスがオーステナイト化しない範囲でNiを
添加しても良い。これはNiを添加するとマトリクスの耐
食性が向上するため、ディーゼルエンジンのEGR仕様の
ロッカーアームや油圧リフタのように腐食摩耗が厳しい
部品への適用には特に効果がある。 以上の成分組成からなる本発明に係る焼結合金の硬さと
しては、HRC50〜70の範囲が好ましい。これは、HRC50未
満では耐摩耗性が不足し、HRC70を超えると相手材との
なじみ性が低下するためである。 また、本発明に係る焼結合金の理論密度比としては90％
以上とすることが好ましい。これは、90％未満の理論密
度比ではマトリクスの強度が低く、かつ空孔も大きく、
しかもこの空孔の持つ切欠作用によってマトリクスが破
壊されやすくなってピッティング摩耗が生じやすくなる
ためである。 （実施例） 以下、本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金の実施例を比
較例と対比しながら説明する。 原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−100メッシュ
のFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマイズ合金粉末（必要
に応じてV,Nb,Ta,Co,Nも含有）、−325メッシュのFe−M
o粉末あるいは鈍Mo粉末、−325メッシュのFe−Ｗ粉末あ
るいは鈍Ｗ粉末、−250メッシュのFe−Ｂ合金粉末（B:2
0％含有）、−250メッシュのFe−Ｐ合金粉末（P:26％含
有）、−250メッシュのフェロチタン、フェロジルコニ
ウム，フェロハフニウム各合金粉末、−325メッシュの
カーボニルNi粉末、−500メッシュのTiN,NbN,VN,BNおよ
びAlN、等を用いて第１表に示す最終成分組成を持つよ
うに適宜配合し、潤滑剤として高級脂肪酸を加えて混合
し、これら各混合粉末を7ton/cm2の圧力で圧粉体に成形
し、ついで前記圧粉体を非酸化性雰囲気で1150℃〜1250
℃の温度にて60分間保持して焼結した後、熱処理を行っ
て本発明実施例合金No.1〜18および比較例合金No.1〜10
を製造した。 ついで、本発明実施例合金No.1〜18および比較例合金N
o.1〜10をそれぞれラッシュアジャスタ内蔵型のロッカ
ーアームのカムシャフトとの摺動部に使用し、Ｖ型６気
筒ガソリンエンジンにそれぞれ組み込んで性能評価試験
を行った。一方、カムシャフトは高合金チル鋳物からな
るものであり、その組成は、重量％で、C:約3.7％、Si:
2.0％、Mn:0.7％、Mo:1.0％、Cr1.2％、V:0.2％、Ti:0.
1％、P:0.2％、Cu:0.5％、残部実質的にFeからなるもの
であって、硬度はHRC58以上のものである。この場合、
カムシャフトは高出力用の高リフトタイプのものであっ
て、弁の開閉速度が大きくかつ低速での油膜形成が難し
いタイプのカムプロフィールを持っているものである。 この性能評価試験では、エンジン回転数:600rpm、オイ
ル：ガソリンエンジン用約２万5000km走行の廃油、油
温:60℃、運転時間:800時間、およびその他の条件は実
際の市場走行と同一の条件、で摩耗試験を行い、ロッカ
ーアーム摺動部における摩耗量および相手部材であるカ
ムシャフトのカム部の摩耗量を測定すると共に、同摺動
部におけるスカッフィングおよびピッティングの発生状
況を観察した。この結果を同じく第１表に示す。 第１表に示す結果より明らかなように、比較例合金No.1
〜10で示したごとく、成分組成の範囲が本発明合金から
はずれた合金では、それぞれロッカーアームやカムシャ
フトのカム部の摩耗が大きかったり、スカッフィングや
ピッティングの発生が認められたりして、いずれも満足
のできる特性は示していないことがわかった。 これに対して、本発明実施例合金No.1〜18の場合はいず
れも優れた他摩耗性を示し、相手部材であるカムシャフ
トのカム部を著しく損傷させることもなく、さらには耐
スカッフィング性および耐ピッティング性にも極めて優
れたものとなっていることがわかった。 なお、ここに示した本発明実施例合金は熱処理によって
マトリクス組織は焼戻しマルテンサイトを主体とするも
のとなっているが、この熱処理条件を適宜選択すること
によって、マトリクスの組織をベイナイト，パーライ
ト，ベイナイト＋パーライト等の組織とすることもでき
るのはもちろんである。 なお、ここで示した実施例では、本発明実施例合金をロ
ッカーアームの摺動部に適用した場合について述べた
が、タペット，カム，スリーブおよびバルブシートなど
のように、高面圧がかかる上に境界潤滑ないしは乾燥摩
耗をするような用途に使用しても同様に優れた耐摩耗性
を示すものである。
組成が、重量％で、MoおよびＷのうちいずれか１種また
は２種:5〜25％、Cr:2〜12％、Si:0.1〜0.9％、Mn:0.7
％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜1.2％、B:0.5〜2.5％、
N:0.002〜2.0％、を基本的に含有し、必要に応じて窒化
物の硬度を高めるためにAl:0.05〜1.0％を含有し、残部
Feおよび不純物からなり、このうち、MoおよびＷの総含
有量とＢの含有量との間で、［Mo（モル量）＋Ｗ（モル
量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満たし、
微細な炭化物、硼化物および／または炭硼化物、および
それらが核あるいは中間媒体となった炭窒化物、硼窒化
物および／またはこれらの相互固溶体、一部置換体が基
地中に均一に分散した組織を呈することを特徴としてい
る。 また、本発明の第二発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金
は、上記の組成に加えて、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niより
なる群から選ばれる元素のうちいずれか１種または２種
以上:20％以下、を含むことを特徴としている。 （作用） 本発明者らは、上記組成を持つ耐摩耗性鉄基焼結合金
は、焼結過程において微細な炭化物，硼化物および／ま
たは炭硼化物が均一に共分散し、さらに窒素を含有して
いるために上記化合物が核あるいは中間媒体となって微
細な炭窒化物，硼窒化物および／またはこれらの相互固
溶体，一部置換体が安定的にかつ粗大化することなく微
細で均一に析出しやすいことを確認した。 このようにして得られる合金のうち特にマトリクス組織
に微細でかつ十分な量の複炭化物，複硼化物，複窒化物
および／または炭硼化物，炭窒化物，硼窒化物および／
またはこれらの相互固溶体が均一に分散している組織を
有するものが優れた摺動耐摩耗性を有し、とりわけ高合
金系カムシャフトでかつカムプロフィールが摩耗に厳し
いカムシャフトの相手材としてロッカーアームやタペッ
トの摺動面に使用した場合に優れた耐摩耗となじみ性を
発揮することを見い出した。 （成分限定理由） 本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、以
下に成分組織（重量％）を上記の通りに限定した理由を
説明する。 MoおよびW: MoおよびＷは、成分中のFeやCrなどと共にC,BやＮと結
合して複炭化物，複硼化物あるいは複窒化物またはこれ
らの一部置換体，相互固溶体を形成して耐摩耗性を与
え、一部はマトリクス内に固溶して当該マトリクスを強
化するとともに焼戻し硬化能を高める作用があるが、５
％未満では所望の効果が十分に得られずに耐摩耗性不足
となり、25％を超えて含有させてもより一層の改善効果
は認められず、経済的でないことからその含有量を５〜
25％と定めた。 Cr: Crは、成分中のFeやMo,W等とともに複炭化物，複硼化
物，複窒化物を形成して耐摩耗性を向上させると同時
に、マトリクス中に固溶して焼入性を増大させ、さらに
は焼戻し硬化能を高める効果を有するとともにマトリク
スの耐食性を向上させる効果もあるが、２％未満ではそ
の効果が十分に認められず、12％を超えて含有させても
より一層の改善効果がないばかりでなく、機械的強度が
低下して相手材への攻撃性が増大してしまうことからそ
の含有量を２〜12％と定めた。 Si: Siは、0.1％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉末
中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するとともに
M2C系の粗大な板状炭化物が析出しやすくなり、相手部
材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が0.9％を超
えても脱酸効果の向上もなく、粉末の形状が丸くなって
当該粉末の成形性が低下するだけであることから、その
含有量を0.1〜0.9％と定めた。 Mn: Mnは、前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加す
ることによって粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向
上させるが、0.7％を超えると粉末の形状が丸くなって
粉末の成形性が低下することにより成形体エッヂ部の欠
け等が生じやすくなることから、添加するとしてもその
含有量を0.7％以下と定めた。 P: Ｐは、耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素と
して一般に0.2〜0.8％程度添加する手法が広く用いられ
ているが、本発明に係る焼結合金の場合はＰの添加量が
0.05％を超えた場合に、複硼化物，複炭化物，炭窒化物
等が粗大化して相手材とのなじみ性が低下するととも
に、粒界に複硼化物，複炭硼化物がネットワーク状に析
出して強度が低下してしまうことからその含有量を0.05
％以下と定めた。 C: Ｃは、その一部がMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成元素と結
合して複炭化物を形成し、また窒化物中のＮと一部置換
して炭窒化物を形成する。さらに硼素と共に炭硼化物を
も形成する。Ｃはこれらの化合物の形成によって耐摩耗
性を向上させ、残りはマトリクス中に固溶して高い室温
硬さと強度を与える作用を有するが、0.1％未満では複
炭化物，炭窒化物，炭硼化物の量が少なすぎ、またマト
リクスの室温硬さも小さすぎて、耐摩耗性が不十分であ
る。また、1.2％を超えると複炭化物，炭窒化物が凝集
析出し、粗大な炭硼化物を生成して脆化しやすくなる上
に、相手材とのなじみ性が低下することから、その含有
量を0.1〜1.2％と定めた。 このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したFe−Mo−
Ｗ−Cr−Ｖ−Si−（Mn）−（Co）−（Ｎ）−Ｃ系アトマ
イズ合金粉末の形で添加するのが良い。これはＣを単独
にグラファイト粉末の形で添加すると、後述するＢ源と
して添加するFe−ＢあるいはFe−Cr−Ｂと結びついて焼
結時に粗大な炭硼化物を粒界に沿ってネットワーク状に
析出させて相手材への攻撃性を増大させてしまうためで
ある。 B: Ｂは、成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成し
て耐摩耗性となじみ性を与えるとともに、一部はマトリ
クス中に固溶して焼入性を改善する。また、上記複硼化
物の一部はC,Nと置換・結合し、複炭硼化物，複硼窒化
物を形成して耐摩耗性を向上させる。 このようにＢは微細な複硼化物，複炭硼化物，複硼窒化
物を形成して本発明焼結合金の耐摩耗性と耐なじみ性を
向上させるのに必須の主要成分であるが、0.5％未満の
添加でその効果が十分に認められず、一方2.5％を超え
てもより一層の改善効果が期待できず、かえって複硼化
物等の粗大化が起り、相手材とのなじみ性が低下するこ
とから、その含有量を0.5〜2.5％と定めた。 本発明に係る焼結合金のＢ添加量としては上述したよう
に0.5〜2.5％とする必要があるが、特に優れた特性を示
すのはＢ添加量がMo＋Ｗとの間で、［Mo（モル量）＋Ｗ
（モル量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満
たしているときである。これは上記モル比が1.5を超え
る場合は、複硼化物の生成量が少なく本発明合金の特徴
であるなじみ性が低下してしまい、また前記モル比が0.
8未満では、複硼化物が粗大化するとともにネットワー
ク状に粒界に析出してしまい、相手材とのなじみ性が低
下すると同時に自分自身の耐ピッティング性が低下して
しまうためである。このＢの添加方法としてはFe−Ｂあ
るいはFe−Cr−Ｂ系合金粉末の形で添加することが好ま
しい。 N: Ｎは、成分中の金属元素と結合して複窒化物を作り、さ
らにこれらの複窒化物中のＮとB,Cとが置換，結合して
複炭窒化物，複硼窒化物を形成して耐摩耗性となじみ性
を与えると共に、一部はマトリクス中に固溶して耐食性
を改善する作用がある。しかし、その含有量が0.002％
未満では複窒化物の量が少なすぎて耐摩耗性が不十分で
ある。また、2.0％を超えると粗大な複窒化物を生成し
て脆化しやすくなるうえに相手材とのなじみ性が低下す
ることから、その含有量を0.002％〜2.0％と定めた。こ
の場合、窒素はマトリクス粉中に含有させても良いし、
VN,BN,NbN粉末の形で添加しても良い。 Al: Alは、窒化硬度を高める元素であって、0.05％以上で顕
著な効果を有するが、1.0％を超えて含有させると焼結
が進行しにくくなり、密度低下するので、窒化硬度を上
げるために添加するとしても、その量は0.2〜1.0％とす
る必要がある。 V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Ni: V,Nb,Taは、FeやCrとともにC,Nと結合して極めて硬い複
炭化物，複窒化物，複炭窒化物を作るとともに、Mo,Wの
一部と置換した形の複炭化物や複硼化物，複窒化物を形
成して耐摩耗性を与え、一部はマトリクス中に固溶して
当該マトリクスを強化するとともに、焼戻し硬化能を高
める作用がある。またV,Nb,Taは、焼結時の結晶粒の粗
大化を防止するとともに炭化物の粗大化を防止する効果
もある。これらの効果はV,Nb,Taが0.5％未満の場合では
あまり認められず、耐摩耗性や強度の低下をきたし、一
方８％を超えて添加しても一層の改善効果は認められず
経済的でないことから、添加するとしてもその含有量を
0.5〜８％とするのが良い。 Ti,Zr,Hf,Coは、硼化物形成元素であり、耐摩耗性の向
上に有効な元素であるので、必要に応じて12％以下の範
囲で添加しても良い。特にCoはMo,Wなどの一部と置換し
て複硼化物を形成するだけでなく、マトリクス中に固溶
して赤熱硬さを向上させるため、熱間での耐摩耗性が要
求される場合には添加することが特に効果的である。 また、マトリクスがオーステナイト化しない範囲でNiを
添加しても良い。これはNiを添加するとマトリクスの耐
食性が向上するため、ディーゼルエンジンのEGR仕様の
ロッカーアームや油圧リフタのように腐食摩耗が厳しい
部品への適用には特に効果がある。 以上の成分組成からなる本発明に係る焼結合金の硬さと
しては、HRC50〜70の範囲が好ましい。これは、HRC50未
満では耐摩耗性が不足し、HRC70を超えると相手材との
なじみ性が低下するためである。 また、本発明に係る焼結合金の理論密度比としては90％
以上とすることが好ましい。これは、90％未満の理論密
度比ではマトリクスの強度が低く、かつ空孔も大きく、
しかもこの空孔の持つ切欠作用によってマトリクスが破
壊されやすくなってピッティング摩耗が生じやすくなる
ためである。 （実施例） 以下、本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金の実施例を比
較例と対比しながら説明する。 原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−100メッシュ
のFe−Cr−Mo−Ｗ−Si−Ｃ系アトマイズ合金粉末（必要
に応じてV,Nb,Ta,Co,Nも含有）、−325メッシュのFe−M
o粉末あるいは鈍Mo粉末、−325メッシュのFe−Ｗ粉末あ
るいは鈍Ｗ粉末、−250メッシュのFe−Ｂ合金粉末（B:2
0％含有）、−250メッシュのFe−Ｐ合金粉末（P:26％含
有）、−250メッシュのフェロチタン、フェロジルコニ
ウム，フェロハフニウム各合金粉末、−325メッシュの
カーボニルNi粉末、−500メッシュのTiN,NbN,VN,BNおよ
びAlN、等を用いて第１表に示す最終成分組成を持つよ
うに適宜配合し、潤滑剤として高級脂肪酸を加えて混合
し、これら各混合粉末を7ton/cm2の圧力で圧粉体に成形
し、ついで前記圧粉体を非酸化性雰囲気で1150℃〜1250
℃の温度にて60分間保持して焼結した後、熱処理を行っ
て本発明実施例合金No.1〜18および比較例合金No.1〜10
を製造した。 ついで、本発明実施例合金No.1〜18および比較例合金N
o.1〜10をそれぞれラッシュアジャスタ内蔵型のロッカ
ーアームのカムシャフトとの摺動部に使用し、Ｖ型６気
筒ガソリンエンジンにそれぞれ組み込んで性能評価試験
を行った。一方、カムシャフトは高合金チル鋳物からな
るものであり、その組成は、重量％で、C:約3.7％、Si:
2.0％、Mn:0.7％、Mo:1.0％、Cr1.2％、V:0.2％、Ti:0.
1％、P:0.2％、Cu:0.5％、残部実質的にFeからなるもの
であって、硬度はHRC58以上のものである。この場合、
カムシャフトは高出力用の高リフトタイプのものであっ
て、弁の開閉速度が大きくかつ低速での油膜形成が難し
いタイプのカムプロフィールを持っているものである。 この性能評価試験では、エンジン回転数:600rpm、オイ
ル：ガソリンエンジン用約２万5000km走行の廃油、油
温:60℃、運転時間:800時間、およびその他の条件は実
際の市場走行と同一の条件、で摩耗試験を行い、ロッカ
ーアーム摺動部における摩耗量および相手部材であるカ
ムシャフトのカム部の摩耗量を測定すると共に、同摺動
部におけるスカッフィングおよびピッティングの発生状
況を観察した。この結果を同じく第１表に示す。 第１表に示す結果より明らかなように、比較例合金No.1
〜10で示したごとく、成分組成の範囲が本発明合金から
はずれた合金では、それぞれロッカーアームやカムシャ
フトのカム部の摩耗が大きかったり、スカッフィングや
ピッティングの発生が認められたりして、いずれも満足
のできる特性は示していないことがわかった。 これに対して、本発明実施例合金No.1〜18の場合はいず
れも優れた他摩耗性を示し、相手部材であるカムシャフ
トのカム部を著しく損傷させることもなく、さらには耐
スカッフィング性および耐ピッティング性にも極めて優
れたものとなっていることがわかった。 なお、ここに示した本発明実施例合金は熱処理によって
マトリクス組織は焼戻しマルテンサイトを主体とするも
のとなっているが、この熱処理条件を適宜選択すること
によって、マトリクスの組織をベイナイト，パーライ
ト，ベイナイト＋パーライト等の組織とすることもでき
るのはもちろんである。 なお、ここで示した実施例では、本発明実施例合金をロ
ッカーアームの摺動部に適用した場合について述べた
が、タペット，カム，スリーブおよびバルブシートなど
のように、高面圧がかかる上に境界潤滑ないしは乾燥摩
耗をするような用途に使用しても同様に優れた耐摩耗性
を示すものである。
以上説明してきたように、本発明の第一発明に係る鉄基
焼結合金は、全体組成が、重量％で、MoおよびＷのうち
いずれか１種または２種:5〜25％、Cr:2〜12％、Si:0.1
〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜1.2
％、B:0.5〜2.5％、N:0.002〜2.0％、を基本的に含有
し、必要に応じて窒化物の硬度を高めるためにAl:0.05
〜1.0％含有し、残部Feおよび不純物からなる組成を有
し、また、本発明の第二発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合
金は、上記の組成に加えて、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niよ
りなる群から選ばれる元素のうちいずれか１種または２
種以上:20％以下、を含む組成を有し、MoおよびＷの総
含有量とＢの含有量との間で、［MO（モル量）＋Ｗ（モ
ル量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満たす
ものであるから、上記いずれの組成を有する鉄基焼結合
金においても、マトリクス組織中に微細でかつ十分な量
の炭化物と微細な硼化物，窒化物および／または炭硼化
物，炭窒化物および／またはこれらの相互固溶体が均一
に分散した組織を有するものとなっているため、従来以
上に優れた摺動耐摩耗特性を有し、例えばロッカーアー
ムの摺動部に適用した場合において高合金系の材料から
なるカムシャフトであってかつカムプロフィールが摩耗
に対してかなり厳しいカムシャフトを相手材として長時
間使用したときでも、自身がもつ優れた耐摩耗性を失わ
ずかつ相手材に対する攻撃性も少なくすることができ、
工業上極めて有益な特性を有するものである。
焼結合金は、全体組成が、重量％で、MoおよびＷのうち
いずれか１種または２種:5〜25％、Cr:2〜12％、Si:0.1
〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜1.2
％、B:0.5〜2.5％、N:0.002〜2.0％、を基本的に含有
し、必要に応じて窒化物の硬度を高めるためにAl:0.05
〜1.0％含有し、残部Feおよび不純物からなる組成を有
し、また、本発明の第二発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合
金は、上記の組成に加えて、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Co,Niよ
りなる群から選ばれる元素のうちいずれか１種または２
種以上:20％以下、を含む組成を有し、MoおよびＷの総
含有量とＢの含有量との間で、［MO（モル量）＋Ｗ（モ
ル量）］／［Ｂ（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満たす
ものであるから、上記いずれの組成を有する鉄基焼結合
金においても、マトリクス組織中に微細でかつ十分な量
の炭化物と微細な硼化物，窒化物および／または炭硼化
物，炭窒化物および／またはこれらの相互固溶体が均一
に分散した組織を有するものとなっているため、従来以
上に優れた摺動耐摩耗特性を有し、例えばロッカーアー
ムの摺動部に適用した場合において高合金系の材料から
なるカムシャフトであってかつカムプロフィールが摩耗
に対してかなり厳しいカムシャフトを相手材として長時
間使用したときでも、自身がもつ優れた耐摩耗性を失わ
ずかつ相手材に対する攻撃性も少なくすることができ、
工業上極めて有益な特性を有するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷本 一郎 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 (72)発明者 石井 啓 神奈川県横浜市港南区芹が谷３丁目31−15 (72)発明者 遠藤 弘之 千葉県我孫子市つくし野３丁目３−208 (72)発明者 池ノ上 寛 千葉県松戸市常盤平３−26−３−102 (72)発明者 鈴木 啓太郎 千葉県我孫子市湖北台７−14−57−303 (56)参考文献 特開 昭55−145156（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−200743（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】全体組成が、重量％で、MoおよびＷのうち
いずれか１種または２種:5〜25％、Cr:2〜12％、Si:0.1
〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜1.2
％、B:0.5〜2.5％、N:0.002〜2.0％、残部Feおよび不純
物からなり、このうち、MoおよびＷの総含有量とＢの含
有量との間で、［MO（モル量）＋Ｗ（モル量）］／［Ｂ
（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満たし、微細な炭化
物、硼化物および／または炭硼化物、およびそれらが核
あるいは中間媒体となった炭窒化物、硼窒化物および／
またはこれらの相互固溶体、一部置換体が基地中に均一
に分散した組織を呈することを特徴とする耐摩耗性鉄基
焼結合金。 - 【請求項２】全体組成が、重量％で、MoおよびＷのうち
いずれか１種または２種:5〜25％、Cr:2〜12％、Si:0.1
〜0.9％、Mn:0.7％以下、P:0.05％以下、C:0.1〜1.2
％、B:0.5〜2.5％、N:0.002〜2.0％、およびV,Nb,Ta,T
i,Zr,Hf,Co,Niよりなる群から選ばれる元素のうちいず
れか１種または２種以上:20％以下、残部Feおよび不純
物からなり、このうち、MoおよびＷの総含有量とＢの含
有量との間で、［MO（モル量）＋Ｗ（モル量）］／［Ｂ
（モル量）］＝0.8〜1.5の関係を満たし、微細な炭化
物、硼化物および／または炭硼化物、およびそれらが核
あるいは中間媒体となった炭窒化物、硼窒化物および／
またはこれらの相互固溶体、一部置換体が基地中に均一
に分散した組織を呈することを特徴とする耐摩耗性鉄基
焼結合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62109480A JPH07103451B2 (ja) | 1987-05-02 | 1987-05-02 | 耐摩耗性鉄基焼結合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62109480A JPH07103451B2 (ja) | 1987-05-02 | 1987-05-02 | 耐摩耗性鉄基焼結合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63274740A JPS63274740A (ja) | 1988-11-11 |
| JPH07103451B2 true JPH07103451B2 (ja) | 1995-11-08 |
Family
ID=14511311
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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