JP3784926B2

JP3784926B2 - バルブシート用鉄系焼結合金

Info

Publication number: JP3784926B2
Application number: JP19920497A
Authority: JP
Inventors: 治川村; 尚河本; 公志大重
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1996-08-14
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: JPH1171651A; US5895517A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のバルブシートの形成材料に好適に用いられるバルブシート用鉄系焼結合金に関し、特に内燃機関の高出力化、高回転化に対応したバルブシート素材であるバルブシート用鉄系焼結合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関を構成するバルブシートはバルブが密着する相手側円錘面部であり、シリンダまたはヘッド鋳物材を仕上げるものと別製のリングを嵌めるものとが知られているが、いずれにせよ、バルブシートには、熱伝導率および高温強度の向上が要求されている。
【０００３】
従来、このような要求に応えるべく高温での強度および耐摩耗性の向上を図ったバルブシート素材としては、Ｆｅからなるベース粉にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ等の元素を添加してなる混合粉末を圧粉成形した後、焼結してなる焼結合金、あるいはＦｅからなるベース粉にフェロアロイ、炭化物、金属間化合物等を硬質粒子として添加してなる混合粉末を圧粉成形した後、焼結してなる焼結合金などが知られている。また、自己潤滑性の付与、熱伝導率の向上および高強度を得るためにＰｂ、Ｃｕ等の元素を溶浸してなる焼結合金も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の内燃機関の高回転化、高出力化に伴い、バルブシートは従来にも増して苛酷な条件に耐えねばならないことから、バルブシートにはさらなる耐摩耗性の向上が求められている。
【０００５】
また、内燃機関の性能の向上にＣｕ溶浸で対応しようとすると、合金粉末を一旦炉に入れて焼結した後に、この焼結合金を圧粉されたＣｕ単体あるいはＣｕ合金と共に再度炉に入れて溶浸する必要があることから、Ｃｕ粉を成形する工程および炉を用いた処理を２回行わなければならず、その結果、製造コストが高くなるという問題がある。また、内燃機関の性能の向上にＰｂ含浸で対応する場合にも、焼結処理の他に含浸処理を要することから製造コストが高くなるという問題がある。また、特にＰｂを用いる場合には、環境への悪影響も考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のバルブシート用鉄系焼結合金は、予めＣｕを５〜２０重量％の割合で含有する混合粉末を用いるので、Ｃｕの溶浸処理を行う必要がない。したがって、Ｃｕ粉を成形する工程が省略され、炉を用いた処理が１回で済むので、Ｃｕを溶浸させることにより、すなわち炉を用いた処理を２回行うことにより熱伝導率および高温強度の向上を図った従来のバルブシート素材に比べて製造コストの低減が図れるとともに、組織の均一化を図ることができる。また、特に密度を７．０ｇ／ｃｍ³以上とすることにより、耐摩耗性に優れたバルブシート素材を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明のバルブシート用鉄系焼結合金の組成等について説明する。
【０００８】
本発明のバルブシート用鉄系焼結合金は、Ｃ：０．３〜１．６重量％、Ｃｕ：５〜２０重量％、フェロアロイ、セラミックおよび金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも一種：５〜４０重量％、残部としてＣｒおよびＭｏの内少なくとも一種：１〜８重量％を含む鉄系アトマイズ合金粉を含有する合金粉末を形成材料に用いてなるものである。
【０００９】
この焼結合金において、前記炭素Ｃ成分は、焼結性およびバルブシートとしての強度を維持する作用を有している。
【００１０】
このような作用を有する炭素Ｃ成分の含有割合は０．３〜１．６重量％、好ましくは０．６〜１．３重量％である。この含有割合が０．３重量％未満であると、焼結性が低下して炭化物の生成が十分ではなくなり、耐摩耗性が低下することがある。一方、１．６重量％を超えると、強度が低下することがあるとともにセメンタイトの析出に伴う被削性の低下を招くことがある。特に、組織の均一性、成形体の焼結性の点から、この炭素Ｃ成分の含有割合を０．６〜１．３重量％とすることが好ましい。
【００１１】
前記銅Ｃｕ成分は、熱伝導率および高温強度を向上させる作用を有する。このような作用を有する銅Ｃｕ成分の含有割合は５〜２０重量％、好ましくは８．５〜１５重量％である。この含有割合が５重量％未満であると、焼結性が低下することがあり、さらに残留Ｃｕもほとんど生じないため、熱伝導率も低下することがある。一方、２０重量％を超えると、焼結後の強度が低下することがあるとともに、残留Ｃｕの増加による耐摩耗性の低下を招くことがある。
【００１２】
前記の焼結合金は、フェロアロイ、セラミック、金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも一種：５〜４０重量％を含み、この硬質粒子は、耐摩耗性を向上させる作用および均一分散によって均一な耐摩耗性の向上を図る作用を有する。
【００１３】
このような作用を有するフェロアロイ、セラミック、金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも一種の成分の含有割合は５〜４０重量％、好ましくは１０〜１５重量％である。この含有割合が５重量％未満であると、十分な耐摩耗性が得られない。一方、４０重量％を超えると、焼結性の低下に伴う密度の減少と強度低下を招く。
【００１４】
前記鉄系アトマイズ合金粉は、ベース粉としての作用を有し、Ｆｅ中に残部としてＣｒおよびＭｏの内少なくとも一種を１．０〜８．０重量％、好ましくは２．０〜６．０重量％の割合で含有する（請求項１関連）。この含有割合が１．０重量％未満であると、素地の強度が低下して十分な耐摩耗性が得られないことがある。一方、この含有割合が８．０重量％を超えると、成形性が著しく低下して強度も低下する。特に、成形性、組織、被削性等の点から、この含有割合を２．０〜６．０重量％とすることが好ましい。
【００１５】
前記鉄系アトマイズ合金粉としては、Ｎｉ：４重量％以下、Ｗ：４重量％以下、Ｖ：４重量％以下、Ｍｎ：１重量％以下、Ｔｉ：１重量％以下、Ｂ：１重量％以下の内少なくとも１種を含み、焼結合金全体としての重量割合を５重量％以下とすることも可能である（請求項２関連）。
【００１６】
ここで、Ｎｉは耐熱性、耐食性を向上させる作用をするが、４重量％を越えるとオーステナイトが生成され耐摩耗性を低下させる。
【００１７】
またＷは、高温強度や、耐摩耗性を向上させる作用をするが、４重量％を越えると成形性及び被削性が低下する。
【００１８】
Ｖは、Ｗと同様の作用をし、４重量％を越えると成形性及び被削性が低下する。Ｍｎは、強度を向上させるが、１重量％を越えると成形性が低下する。
【００１９】
Ｔｉはその析出硬化により耐摩耗性を向上させ、１重量％を越えると被削性及び成形性が低下する。Ｂは、Ｔｉと同様の作用を有し、１重量％を越えると、Ｔｉと同様の弊害が発生する。
【００２０】
これらＮｉ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂの焼結の合金全体に対する含有割合が５重量％を越えると成形性及び被削性が低下する。
【００２１】
また、前記アトマイズ合金粉は、ＣおよびＣｕの含有割合、フェロアロイ、セラミックおよび金属間化合物の内少なくとも一種の含有割合は前述したものと同様であるが、残部としてＣｏ：１〜１０重量％を含んだものでもよい（請求項３関連）。Ｃｏが１重量％以下では十分な耐摩耗性、高温強度が得られず１０重量％以上では、オーステナイト化に伴う耐摩耗性の低下が著しくなる。
【００２２】
前述の残部としてＣｏ：１〜１０重量％を含むアトマイズ合金粉に、Ｎｉ：４重量％以下、Ｗ：４重量％以下、Ｖ：４重量％以下、Ｃｒ：４重量％以下、Ｍｏ：４重量％以下、Ｍｎ：１重量％以下、Ｔｉ：１重量％以下、Ｂ：１重量％以下の内少なくとも１種を含み、焼結合金全体としての重量割合を５重量％以下とすることも可能である。Ｎｉ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂについての作用とその規定量については、上述の請求項２の鉄系アトマイズ合金粉のそれらと同様である。
【００２３】
なお、Ｃｒは耐熱性、耐摩耗性を向上させるが、４重量％を越えると成形性及び被削性が低下する。Ｍｏは、高温強度及び耐摩耗性を向上させる。４重量％を越えると、成形性及び被削性が低下する。これらＮｉ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎの焼結合金全体に対する含有割合が５重量％を越えると成形性及び被削性が低下する。
【００２４】
また、上述の硬質粒子の中にＦｅ−Ｍｏ（フェロアロイ）を１０重量％以上含むことが高温強度及び耐摩耗性の向上のために好ましい（請求項５関連）。
【００２５】
更に、焼結合金としての密度は、強度上、耐摩耗性の必要性から７．０ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましい（請求項６関連）。
【００２６】
本発明のバルブシート用鉄系焼結合金は、これらの成分を所定の割合で配合してなる合金粉末を圧粉成形した後、焼結することにより製造される。
【００２７】
具体的には、残部としてＣｒおよびＭｏの内少なくとも一種：１〜８％重量を含んだ鉄系アトマイズ合金粉に、Ｃｕ成分として電解銅粉、Ｃ成分として黒鉛、およびフェアロイ、セラミックおよび金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも１種：５〜４０重量％をそれぞれ所定の割合で添加して原料粉とし、この原料粉にさらに金型成形時の型抜けを良くするための潤滑剤を添加して混合粉を調製し、その後、加圧成形してから脱ろう処理を行い、次いで、焼結処理を行った後、焼鈍処理を行うことにより本発明のバルブシート用焼結合金を得ることができる。
【００２８】
焼結処理における焼結温度は１１００〜１２００℃、好ましくは、１１５０〜１１８０℃である。なお、焼結時間は、通常、１５〜４５分間程度である。
【００２９】
焼鈍処理は、得られる焼結合金の硬さを調整するとともに高温において特性変化を起こしにくくするために行う。この焼鈍の処理温度は、通常、６００〜７００℃程度であり。処理時間は、通常、２〜３時間程度である。
【００３０】
このようにして得られる本発明のバルブシート用鉄系焼結合金は、熱伝導率および高温強度が向上しているとともに優れた耐摩耗性を有している。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明の実施例および比較例を挙げ、本発明についてさらに具体的に説明する。
【００３２】
表１−１乃至表１−４に示すように、各成分を含む本発明の実施例１〜４０を実施した。例えば、実施例１においては、Ｃｒを３重量％の割合で均一に固溶する鉄粉に電解銅（Ｃｕ）粉１３重量％、黒鉛（Ｃ）粉０．５重量％をそれぞれ添加して原料粉を調製した。
【００３３】
【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

次いで各試料の原料粉に金型成形時の型抜けを良くするための潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．７５重量％を添加して混合粉を調製した。
【００３４】
得られた混合粉を成形面圧８ｔ／ｃｍ²の条件で加圧成形した後、温度４５０℃にて３０分間の脱ろう処理を行ってから温度１１６０℃にて３０分間の焼結処理を行った。
【００３５】
このようにして得られた焼結体を温度６３０℃にて２時間の焼鈍処理を行ってバルブシート用焼結合金試料を得た。
【００３６】
この試料について、密度および圧環強度を測定するとともにバルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。結果を表２−１及び表２−２に示す。
【００３７】
【表５】

【表６】

なお、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量の測定は、図１に示すバルブシート摩耗試験機を使用して下記の条件で排気バルブおよびバルブシートの摩耗を測定することにより行った。ここで、図１に示したバルブシート摩耗試験機において、１０は熱源、２０はバルブ、３０はバルブシートである。
【００３８】
摩耗試験の条件
バルブ材質：ＳＵＨ−３５
バルブシート着座面温度：３００℃
カム回転数：３，０００ｒｐｍ
バルブ回転数：２０ｒｐｍ
バルブリフト量：７ｍｍ
スプリング荷重：セット時１８．９kgf 、リフト時３８．５kgf
試験時間：４．５時間
実施例２〜４０
なお、実施例４、実施例８および実施例１３で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織図をそれぞれ図２、図３および図４に示す。また、図５〜図７はそれぞれの金属組織の顕微鏡写真（２００倍、ナイタル腐食）である。また、図１０、１２は実施例２４、３８のそれぞれの金属組織の顕微鏡写真であり、図１１、１３は実施例２４、３８のそれぞれ金属組織図である。これら図において、１は残留Ｃｕであり、２は硬質粒子である。
【００３９】
比較例１〜３
前記実施例１において、表１に示す組成の原料粉に代えてそれぞれ表１に示す組成の原料粉を用いたほかは、前記実施例１と同様にしてバルブシート用焼結合金試料を作成し、各試料について前記実施例１と同様にして密度および圧環強度を測定するとともにバルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。結果を表２に示す。
【００４０】
比較例４
Ｎｉ粉２．０重量％、Ｃｏ粉６．０重量％およびＣｒ系硬質粒子粉７．０重量％を純Ｆｅ粉に添加して原料粉を調製した。次いで、この原料粉に金型成形時の型抜けを良くするための潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１．０重量％を添加して混合粉を調製した。
【００４１】
得られた混合粉を成形面圧６ｔ／ｃｍ²の条件で加圧成形した後、温度４５０℃にて３０分間の脱ろう処理を行ってから温度１１５０℃にて３０分間の焼結処理を行ってバルブシート用焼結合金試料を得た。
【００４２】
この試料について、前記実施例１と同様にして密度および圧環強度を測定するとともにバルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。結果を表２−２に示す。
【００４３】
比較例５
前記比較例４と同様にしてバルブシート用焼結合金を作成した後、得られたバルブシート用焼結合金にＣｕ溶浸処理を行ってバルブシート用焼結合金試料を得た。
【００４４】
この試料について、前記実施例１と同様にして密度および圧環強度を測定するとともにバルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。結果を表２−２に示す。
【００４５】
なお、この比較例で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織図を図８に示す。また、図９は、この比較例で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織の顕微鏡写真（２００倍、ナイタル腐食）である。
【００４６】
−結果の検討−
表２から明らかなように、実施例１〜４０のバルブシートは、比較例１〜４のバルブシートに比較していずれもバルブシート摩耗量および相手材であるバルブ摩耗量が減少していることから耐摩耗性が大巾に向上していることがわかる。しかも、実施例１〜４０のバルブシートの圧環強度は、比較例１〜４のバルブシートの圧環強度と同等以上である。これより、本発明のバルブシート用焼結合金を用いてなるバルブシートは、従来の焼結合金を用いてなるバルブシートに比較して耐摩耗性および強度が向上していることが確認された。
【００４７】
また、表２から明らかなように、実施例１〜４０のバルブシートは、比較例５のバルブシートに比較していずれも圧環強度、バルブシート摩耗量および相手材であるバルブ摩耗量が同等であることから、本発明のバルブシート用焼結合金によれば、炉を用いたＣｕ溶浸処理を行わなくてもＣｕ溶浸処理を行った焼結合金と同等の強度および耐摩耗性を有するバルブシートが得られることが確認された。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、予めＣｕ粉を特定の割合で含有する合金粉末を用いるようにしたので、焼結処理の後に別途Ｃｕ溶浸透理を行うことなく、熱伝導率および高温強度が向上していて耐摩耗性および強度に優れるバルブシート素材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例および比較例で使用した摩耗試験機の概略を示す説明図である。
【図２】実施例４で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図３】実施例８で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図４】実施例１３で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図５】実施例４で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図６】実施例８で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図７】実施例１３で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図８】比較例５で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図９】比較例５で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１０】実施例２４で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１１】実施例２４で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図１２】実施例３８で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１３】実施例３８で得られたバルブシート用焼結合金の金属組織を模式的に示す説明図である
【符号の説明】
１０熱源
２０バルブ
３０バルブシート

Claims

内燃機関のバルブシートに用いられる鉄系焼結合金において、Ｃ：０．３〜１．６重量％、Ｃｕ：５〜２０重量％、フェロアロイ、セラミックおよび金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも一種：５〜４０重量％、残部としてＣｒおよびＭｏの内少なくとも一種：１〜８重量％を含み、更に、Ｎｉ：４重量％以下、Ｗ：４重量％以下、Ｖ：４重量％以下、Ｍｎ：１重量％以下、Ｔｉ：１重量％以下、Ｂ：１重量％以下の内少なくとも一種を含み、これら元素の重量の合計は５重量％以下である鉄系アトマイズ合金粉を含有する合金粉末を圧粉成形した後、焼結してなることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結合金。
内燃機関のバルブシートに用いられる鉄系焼結合金において、Ｃ：０．３〜１．６重量％、Ｃｕ：５〜２０重量％、フェロアロイ、セラミックおよび金属間化合物の硬質粒子の内少なくとも一種：５〜４０重量％、残部としてＣｏ：１〜１０重量％を含み、更に、Ｎｉ：４重量％以下、Ｗ：４重量％以下、Ｖ：４重量％以下、Ｃｒ：４重量％以下、Ｍｏ：４重量％以下、Ｍｎ：１重量％以下、Ｔｉ：１重量％以下、Ｂ：１重量％以下の内少なくとも一種を含み、これらの元素の重量の合計は５重量％以下である鉄系アトマイズ合金粉を含有する合金粉末を圧粉成形した後、焼結してなることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結合金。
前記硬質粒子の中にフェロアロイとしてのＦｅ−Ｍｏを１０重量％以上含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバルブシート用鉄系焼結合金。
密度が７．０ｇ／ｃｍ³以上である請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のバルブシート用鉄系焼結合金。