JP2006299404A - 内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.3〜1.5%と、Ni、Co、Mo、Cr、Vのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で1〜20%とを、含有する基地相中に、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの1種または2種以上を含み、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた1種または2種以上を10〜70%を含み、残部不可避的不純物からなる組成で、ビッカース硬さで500HV0.1〜1200HV0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量%で、10〜60%含有し、密度を6.7g/cm3以上、圧環強さを350MPa以上とする。これにより、ガス燃料エンジンの環境下でも優れた耐摩耗性を有し、相手攻撃性が改善される。さらに、固体潤滑剤を含有してもよい。
【選択図】なし
Description
このような問題に対し、例えば、特許文献1には、基地成分としてC:0.5〜1.5重量%、Crおよび/またはV:合計で0.5〜10.0重量%、あるいはさらにNi、Co、Moよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素:合計で2.0〜20.0重量%、および残部Feが少なくとも含有されているとともに、コバルト基硬質粒子が26〜50重量%含有されている内燃機関用バルブシートが提案されている。特許文献1に記載された技術で製造されたバルブシートが、金属間接触摩耗の起き易い厳しい使用条件のガス燃料エンジン用として好適に使用できるとしている。
(1)鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を分散させてなる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材であって、前記基地相が、質量%で、C:0.3〜1.5%と、Ni、Co、Mo、Cr、Vのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で1〜20%とを、含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、前記硬質粒子として、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの1種または2種以上を含み、ビッカース硬さで500HV0.1〜1200HV0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量%で10〜60%含有し、6.7g/cm3以上の密度と、350MPa以上の圧環強さを有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
(3)(1)または(2)において、前記硬質粒子が、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの1種または2種以上を含む硬質粒子であって、質量%で、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた1種または2種以上を10〜70%を含み、残部不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金バルブシート材。
(6)(1)ないし(5)のいずれかにおいて、圧縮成形−焼結を2回繰り返す工程を経て、あるいは鍛造成形−焼結を行う工程を経て製造されてなることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
本発明のバルブシート材では、基地相が、C:0.3〜1.5%と、Ni、Co、Mo、Cr、Vのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で1〜20%とを、含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有する。
C:0.3〜1.5%
Cは、焼結時の拡散を促進させるために添加されるが、基地中に固溶し、基地相の強度を増加させる元素であり、このような効果を得るために、0.3%以上の含有を必要とする。一方、1.5%を超えて含有すると、基地にセメンタイトが生成しやすくなるとともに、焼結時に液相が発生しやすくなり、組織の安定性が低下し、製品の寸法変化が大きくなる。このため、本発明では基地相中のCは0.3〜1.5%の範囲に限定した。
Ni、Co、Mo、Cr、Vはいずれも、基地の耐摩耗性を向上させる元素であり、本発明では合計で1%以上の含有を必要とする。一方、合計で20%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待でできなくなり経済的に不利となる。なお、Ni、Co、Moは、Cr、Vに比べて、高温強度や靭性向上に対する効果が大きく、Ni、Co、Moのうちから選ばれた1種または2種以上を含有することが好ましい。このため、Ni、Co、Mo、Cr、Vのうちから選ばれた1種または2種以上、好ましくはNi、Co、Moのうちから選ばれた1種または2種以上、あるいはさらにCr、Vのうちから選ばれた1種または2種を合計で1〜20%に限定することが好ましい。
本発明のバルブシート材は、上記した基地相組成を有する基地相中に、ビッカース硬さで500HV0.1〜1200HV0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量%で10〜60%分散させた鉄基焼結合金で構成される。
硬質粒子は、耐摩耗性を確保するために基地相中に分散させるが、硬質粒子の硬さが500HV0.1未満では、所望の耐摩耗性を確保することができない。一方、1200HV0.1を超えて高くなると、相手攻撃性が増加する。このため、硬質粒子の硬さはビッカース硬さで500HV0.1〜1200HV0.1の範囲に限定した。基地相中に分散させる硬質粒子は、耐摩耗性、自己潤滑性、相手攻撃性の観点から、硬質粒子全体に対する質量%で、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた1種または2種以上を10〜70%を含んでなる組成を有する、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの1種または2種以上を含む硬質粒子とする。
密度が6.7g/cm3 未満では、硬質粒子と基地との結合力が不足して、さらに耐摩耗性が低下して、ガス燃料エンジンの厳しい環境下における所望の耐摩耗性を確保することができなくなる。このため、密度を6.7g/cm3以上に限定した。なお、好ましくは6.8g/cm3以上である。
つぎに、本発明のバルブシート材の好ましい製造方法について説明する。
まず、原料粉として、上記した基地相組成となるように、純鉄粉に、合金元素粉としての、黒鉛粉末とさらにNi粉、Mo粉、Co粉のうちの1種以上、あるいはさらにCr粉、V粉のうちの1種以上、を上記した基地相組成となるように、配合し、さらに上記した硬さあるいはさらに上記した組成を有する硬質粒子粉末を上記した含有量となるように配合し、あるいはさらに固体潤滑剤粉末を上記した含有量となるように配合し、好ましくはさらには潤滑剤としてステアリン酸亜鉛等を配合し、混合、混練して混合粉とする。なお、本発明では、上記した基地相組成となるように、上記したように純鉄粉にそれら合金元素の粉末を所定量配合しても、それら元素を含有した低合金鋼粉末、合金鉄粉を所定量配合しても、あるいは両方を併用しても、いずれでもよい。
また、本発明では、圧縮成形−焼結工程を2回繰返す工程に代えて、鍛造−焼結工程としてもよい。
得られた焼結体(バルブシート材)は、必要に応じ切削加工されて、製品であるバルブシートとされる。
ついで、混合粉を金型に充填し、メカニカルプレス機で圧縮成形し、27φmm×22φmm×7.0mmのバルブシート状の成形体としたのち、仮焼結し、一次焼結体とした。さらに得られた一次焼結体を油圧プレスで仕上げ寸法(27φmm×22φmm×6.5mm)のバルブシート状に再圧縮成形したのち、再焼結を施し、焼結体とする圧縮成形−焼結工程を2回繰返した(2P2S)。なお、一部のシート材では1回圧縮成形−焼結工程(1P1S)後、鍛造し、焼結する鍛造−焼結工程(FS)を施した。なお、焼結は、還元雰囲気中の1160℃に加熱する、熱処理(焼結処理)とした。
密度は、アルキメデス法を用いて、また、圧環強さはJIS Z 2507の規定に準拠して求めた。また、耐摩耗性はつぎのような試験により評価した。
得られたバルブシートを、2000 CC、直列4気筒、4サイクル天然ガスエンジンに装着し、運転条件を6000 rpm/WOT(全開運転)とし、試験時間24hで行った。なお、相手バルブ材は耐熱鋼SUH35を母材としバルブフェース部にトリバロイを盛金したものとした。耐摩耗性は、排気側におけるバルブシートとバルブの摩耗後沈み量を測定して、評価した。
得られた結果を表3に示す。
Claims (6)
- 鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を分散させてなる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材であって、前記基地相が、質量%で、C:0.3〜1.5%と、Ni、Co、Mo、Cr、Vのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で1〜20%とを、含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、前記硬質粒子として、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの1種または2種以上を含み、ビッカース硬さで500HV0.1〜1200HV0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量%で10〜60%含有し、6.7g/cm3以上の密度と、350MPa以上の圧環強さを有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
- 前記基地相が、質量%で、C:0.3〜1.5%と、Ni、Co、Moのうちから選ばれた1種または2種以上、あるいはさらに、Cr、Vのうちから選ばれた1種または2種を、合計で1〜20%含有することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
- 前記硬質粒子が、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの1種または2種以上を含む硬質粒子であって、質量%で、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた1種または2種以上を10〜70%を含み、残部不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関用鉄基焼結合金バルブシート材。
- 前記硬質粒子が、質量%で、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、あるいはさらにCr:25%以下および/またはCo:10〜40%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成のFe基硬質粒子、質量%で、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、あるいはさらにCr:5〜25%を含み、残部がCoおよび不可避的不純物からなる組成のCo基硬質粒子、および質量%で、Si:1〜15%、Mo:20〜60%を含み、あるいはさらにCr:5〜25%および/またはCo:10%以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる組成のNi基硬質粒子のうちのいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
- 固体潤滑剤を、質量%で、0.2〜5%含有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
- 圧縮成形−焼結を2回繰り返す工程を経て、あるいは鍛造成形−焼結を行う工程を経て製造されてなることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
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