(57)【要約】【課題】耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金およびその製造方法を提供する。【解決手段】（１）Ａｌ：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、かつα２（Ｆｅ，Ａｌ）相素地中にαＦｅ相が５〜５０面積％を占める組織を有する耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金、（２）Ａｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を成形して圧粉体を成形し、該圧粉体を加圧しながら燒結することにより鉄基加圧燒結成形体を作製し、得られた鉄基加圧燒結成形体に温度：４５０〜７５０℃に加熱保持する条件の熱処理を施す方法。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下、％は質量％を示す）Ａｌ：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、かつα２（Ｆｅ，Ａｌ）相素地中にαＦｅ相が５〜５０面積％を占める組織を有することを特徴とする耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金。
【請求項２】
原料粉末として、Ａｌ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を成形して圧粉体を成形し、この圧粉体を加圧しながら燒結することにより鉄基加圧燒結成形体を作製し、得られた鉄基加圧燒結成形体に温度：４５０〜７５０℃に加熱保持する条件の熱処理を施すことを特徴とする耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法。
【請求項３】
前記圧粉体を加圧しながら燒結することにより得られた鉄基加圧燒結成形体は、圧粉体を電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ２、通電時間：０．１〜６０秒の条件で通電すると同時に加圧する通電プレス成形することにより得られた鉄基焼結通電プレス成形体であることを特徴とする請求項２記載の耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法。
【請求項４】
前記圧粉体を加圧しながら燒結することにより得られた鉄基加圧燒結成形体は、圧粉体に温度３００〜１０００℃、圧力：５０〜３００ＭＰａの条件でホットプレスを施して得られた鉄基焼結ホットプレス成形体であることを特徴とする請求項２記載の耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性の小さい鉄基燒結合金およびその製造方法に関するものであり、この鉄基燒結合金はバルブシート、ピストン耐摩環などの各種摺動部品の素材として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、Ａｌ含有鉄基燒結合金には、素地中にＦｅ３Ａｌ，ＦｅＡｌ，ＦｅＡｌ２，Ｆｅ２Ａｌ５などの高硬度の金属間化合物（以下、鉄アルミナイドという）が形成されるところから耐摩耗性を有することが広く知られており、さらに鉄基燒結合金を構成する原材料のＦｅおよびＡｌは価格が安いことおよび焼結時にＦｅとＡｌの反応が始まると、この反応は発熱反応であるために焼結時に付与されるエネルギーが少なくてすむので製造コストを大幅に軽減できることなどから、低価格を要求される自動車エンジンなどのバルブシート、ピストン耐摩環など各種摺動部品の素材として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来のＡｌ含有鉄基燒結合金は高硬度で耐摩耗性に優れてはいるが、このＡｌ含有鉄基燒結合金を用いて作製したバルブシート、ピストン耐摩環などの各種摺動部品は相手攻撃性が大きくて実用には適さない。したがって、耐摩耗性を保持しつつ相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金が求められていた。
【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、耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金を得るべく研究を行った。
その結果、原料粉末として、Ａｌ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末を質量％で（以下、％は質量％を示す）Ａｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体を加圧しながら燒結すると、Ａｌ：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成並びに大部分がα２（Ｆｅ，Ａｌ）相からなる組織を有する鉄基加圧燒結成形体が得られ、この鉄基加圧燒結成形体はα２（Ｆｅ，Ａｌ）相自体が高硬度を有するために相手攻撃性が大きく、各種摺動部材として使用できないと考えられていたが、
（イ）前記大部分がα２（Ｆｅ，Ａｌ）相からなる鉄基加圧燒結成形体に温度：４５０〜７５０℃に加熱保持する熱処理を施すと、軟質なαＦｅ相が生成して軟質なαＦｅ相および硬質なα２（Ｆｅ，Ａｌ）相からなる混合相組織が生成し、この混合相組織を有する鉄基燒結合金は、硬質なα２（Ｆｅ，Ａｌ）相により耐摩耗性を維持しつつ軟質なαＦｅ相により相手攻撃性の小さな特性を有するようになり、バルブシート、ピストン耐摩環などの各種摺動部品の素材として好ましい特性を持つようになる、
（ロ）前記熱処理して得られた鉄基燒結合金のα２（Ｆｅ，Ａｌ）相素地中に占める軟質なαＦｅ相の割合は面積比で５〜５０％（一層好ましくは、１０〜４０％）であることが耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さくなって好ましい、などの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）Ａｌ：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、かつα２（Ｆｅ，Ａｌ）相素地中にαＦｅ相が５〜５０面積％を占める組織を有する耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金、
（２）原料粉末として、Ａｌ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を成形して圧粉体を成形し、該圧粉体を加圧しながら燒結することにより鉄基加圧燒結成形体を作製し、得られた鉄基加圧燒結成形体に温度：４５０〜７５０℃に加熱保持する条件の熱処理を施す耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法、に特徴を有するものである。
【０００６】
この発明の耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法において行なわれる圧粉体に加圧しながら燒結する加圧燒結方法として、
（ａ）圧粉体に電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ２、通電時間：０．１〜６０秒の条件で通電すると同時に加圧する通電プレス成形を施して鉄基焼結通電プレス成形体を作製する方法、
（ｂ）圧粉体に温度３００〜１０００℃、圧力：５０〜３００ＭＰａの条件でホットプレスを施して鉄基焼結ホットプレス成形体を作製する方法、
（ｃ）圧粉体に温度３００〜１０００℃、圧力：５０〜３００ＭＰａの条件でＨＩＰを施して鉄基焼結ＨＩＰ成形体を作製する方法、
などが一般に行われているが、量産するには前記（ａ）および（ｂ）の方法が好ましい。
【０００７】
したがって、この発明は、
（３）原料粉末として、Ａｌ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して混合粉末を作り、この混合粉末を成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体に電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ２、通電時間：０．１〜６０秒の条件で通電すると同時に加圧する通電プレス成形を施して鉄基焼結通電プレス成形体を作製し、得られた鉄基焼結通電プレス成形体を温度：４５０〜７５０℃に加熱保持する条件の熱処理を施す耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法、
（４）原料粉末として、Ａｌ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して混合粉末を作り、この混合粉末を成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体に温度３００〜１０００℃、圧力：５０〜３００ＭＰａの条件でホットプレスを施して得られた鉄基焼結ホットプレス成形体を作製し、この鉄基焼結ホットプレス成形体を温度：４５０〜７５０℃に加熱保持する条件の熱処理を施す耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金の製造方法、
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金を作製する際の通電プレス成形における通電条件は、電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ２（一層好ましくは１５〜５０Ａ／ｍｍ２）、通電時間：０．１〜６０秒（一層好ましくは１〜１０秒）である。
この条件で通電プレス成形すると、Ａｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる配合組成の圧粉体が短時間で焼結可能な温度にまで加熱され焼結されて鉄基焼結通電プレス成形体が得られる。
また、この発明の耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい鉄基燒結合金を作製する際に実施されるホットプレス条件は、温度：３００〜１０００℃（一層好ましくは、５００〜９５０℃）、圧力：５０〜３００ＭＰａ（一層好ましくは、５０〜２００ＭＰａ）である。この条件でホットプレスすると、Ａｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる配合組成の鉄基焼結ホットプレス成形体が得られる。
【０００９】
次に、この発明の鉄基燒結合金を前述のごとく限定した理由を説明する。
Ａｌの含有量：
Ａｌ粉末：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅ粉末からなる混合粉末を成形して得られた圧粉体を加圧焼結すると、Ａｌ粉末はＦｅ粉末と反応してＡｌ：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、大部分がα２（Ｆｅ，Ａｌ）相からなる鉄基加圧燒結成形体が得られ、このα２（Ｆｅ，Ａｌ）相からなる鉄基加圧燒結成形体に４５０〜７５０℃に加熱保持の熱処理を施すとαＦｅ相が生成し、α２（Ｆｅ，Ａｌ）相素地中にαＦｅ相が５〜５０面積％を占める組織が形成されるが、Ａｌの含有量が１０％未満であるとαＦｅ相が５０面積％を越えて生成され、α２（Ｆｅ，Ａｌ）相の生成が極めて少なくなって、十分な耐摩耗性が得られなくなるので好ましくない。一方、Ａｌが２４％を越えて含有すると４５０〜７５０℃に加熱保持してもαＦｅ相の生成が５面積％未満となって相手攻撃性が大きくなりすぎるので好ましくない。したがって、Ａｌ含有量は１０〜２４％に定めた。Ａｌ含有量の一層好ましい範囲は１０〜２０％である。
【００１０】
αＦｅ相：
この発明の鉄基燒結合金素地中に占めるαＦｅ相の割合は、５面積％未満では十分に相手攻撃性を減少させることができず、一方、αＦｅ相の割合が５０面積％を越えると、十分な耐摩耗性が得られなくなるので好ましくない。したがって、この発明の鉄基燒結合金素地中に形成されるαＦｅ相は、５〜５０面積％に定めた。一層好ましい範囲は、１０〜４０面積％である。
【００１１】
この発明のＡｌ：１０〜２４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基加圧燒結成形体を熱処理する温度は、４５０℃未満では十分な量のαＦｅ相が形成されず、一方、７５０を越えた温度で熱処理すると、鉄基加圧燒結成形体の寸法にバラツキが生じるようになるので好ましくない。したがって、この発明の鉄基燒結合金にαＦｅ相は、５〜５０面積％を生成させるための加熱温度は４５０〜７５０℃（一層好ましくは、５００〜７００℃）に定めた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施例１
原料粉末として、平均粒径：５μｍのＦｅ粉末、平均粒径：２０μｍのＡｌ粉末を用意し、これら原料粉末を配合し、得られた配合粉末に対してさらに０．７５％のバインダーを添加し混合し、得られた混合粉末を金型成形して円柱状圧粉体を作製し、この円柱状圧粉体を１１８ＭＰａの圧力で加圧しながら表１に示される通電条件で通電プレス成形することにより表１に示される成分組成を有する鉄基焼結通電プレス成形体を作製し、この鉄基焼結通電プレス成形体をＡｒガス雰囲気中、表１に示される条件で熱処理することにより表１に示される組織を有する本発明鉄基燒結合金（以下、本発明合金という）１〜８および比較鉄基燒結合金（以下、比較合金という）１〜４からなる直径：８ｍｍ、高さ：１０ｍｍの寸法を有する円柱状ピンを作製した。
さらに、本発明合金６と同じ鉄基焼結通電プレス成形体を熱処理しない状態で従来鉄基燒結合金（以下、従来合金という）とし、この従来合金からなる直径：８ｍｍ、高さ：１０ｍｍの寸法を有する円柱状ピンを作製した。
【００１３】
本発明合金６の断面のＣＯＭＰＯ（反射電子像）による分析画像写真を図１に示す。また、本発明合金６と同じ成分組成を有するが熱処理しない鉄基焼結通電プレス成形体からなる従来合金の断面のＣＯＭＰＯ（反射電子像）による分析画像写真を図２に示す。
図１〜２において白い部分がα２（Ｆｅ，Ａｌ）相であり、黒い部分がαＦｅ相である。図１と図２を比べてみると、従来合金の分析画像写真である図２では写真の大部分が白く見えるところから、本発明合金６と同じ成分組成を有するが熱処理しない鉄基焼結通電プレス成形体からなる従来合金は大部分がα２（Ｆｅ，Ａｌ）相で占められているが、鉄基焼結通電プレス成形体を熱処理して得られた本発明合金６は図１に示されるように、白地に黒い部分が分布して存在しているところから、白く見えるα２（Ｆｅ，Ａｌ）相素地中に、黒く見えるαＦｅ相が存在した組織を有することが分かる。そして、黒く見える部分の面積％を画像処理により求め、その結果を表１に示した。
【００１４】
さらに、市販のエンジンバルブ材であるＣｒ含有耐熱鋼からなる直径：５５ｍｍ、厚さ：１０ｍｍを有するディスクを用意した。このディスクを水平回転させ、本発明合金１〜８、比較合金１〜４および従来合金からなる円柱状ピンを水平回転しているディスクの水平回転面に２５Ｎの荷重で押しつけながら、円柱状ピンがディスクに対して、
摺動距離：１０００ｍ
移動速度：２ｍ／ｓ
試験温度：３００℃
潤滑油：なし
の条件ですべり摩耗試験を行ない、本発明合金１〜８、比較合金１〜４および従来合金からなる円柱状ピンの摩耗量、並びに相手材であるディスクの摩耗量を測定し、円柱状ピンおよびディスクの比摩耗量［（摩耗した体積）を（荷重）×（摺動距離）×（試験材の密度）で除した値］を求め、その結果を表１に示すことにより耐摩耗性と相手攻撃性を評価した。
【００１５】
【表１】
2004011006.tif 000002
【００１６】
表１に示される結果から、本発明合金１〜８は、いずれも従来合金と比べて比摩耗量が少ないところから耐摩耗性および相手攻撃性が格段に小さいことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた条件の比較合金１〜４は耐摩耗性および相手攻撃性の内の少なくともいずれかは劣ることが分かる。
【００１７】
実施例２
実施例１で作製した円柱状圧粉体を表２に示される条件でホットプレスすることにより鉄基焼結ホットプレス成形体を作製し、この鉄基焼結ホットプレス成形体を表２に示される条件で熱処理することにより本発明合金９〜１６を作製し、この本発明合金９〜１６で直径：８ｍｍ、高さ：１０ｍｍの寸法を有する円柱状ピンを作製した。
これら本発明合金９〜１６で作製した直径：８ｍｍ、高さ：１０ｍｍの寸法を有する円柱状ピンを用い、実施例１と全く同様にしてすべり摩耗試験を行ない、その結果を表２に示した。
【００１８】
【表２】
2004011006.tif 000003
【００１９】
表２に示される結果から、本発明合金９〜１６は、いずれも表１の従来合金と比べて比摩耗量が少ないところから耐摩耗性および相手攻撃性が格段に小さいことが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
上述のように、この発明の鉄基燒結合金は、耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さい特性を有するところから、バルブシート、ピストン耐摩環など各種摺動部品の素材として優れており、産業上優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄基焼結通電プレス成形体を熱処理した本発明合金６のＣＯＭＰＯ分析画像写真を示す。
【図２】熱処理する前の鉄基焼結通電プレス成形体（従来合金）のＣＯＭＰＯ分析画像写真を示す。
【図１】
2004011006.tif 000004
【図２】
2004011006.tif 000005