JP4323070B2

JP4323070B2 - バルブガイド材

Info

Publication number: JP4323070B2
Application number: JP2000262320A
Authority: JP
Inventors: 克直近畑; 幸一郎林
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002069598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関のバルブガイドに好適な耐摩耗性および被削性，特に後者の優れた焼結合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のバルブガイドには、ねずみ鋳鉄やボロン鋳鉄などの特殊鋳鉄が用いられることもあるが、鋳鉄の場合は作業環境，量産性，価格面などに問題があるため、焼結合金での代替が進められてきた。しかし一般的な焼結合金では耐摩耗性が不充分であり、一方、合金成分を添加して材質を強化すれば耐摩耗性は使用可能な水準に達するが、その反面多くの場合被削性（切削加工性）が低下する。バルブガイドはエンジンのシリンダーヘッドに組み付け後、リーマ加工によって内径仕上げを施すので、バルブガイド材の被削性が悪いと加工の所要時間が長くなったり、工具の摩耗が早まったりして生産効率が阻害される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以前、耐摩耗性と被削性の両立を企図して本出願人が開発したバルブガイド材（特公昭５５−３４８５８号参照）は、組成が質量比でＣ…１．５〜４％，Ｃｕ…１〜５％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．１〜０．３％未満およびＦｅ残部の焼結合金であるが、耐摩耗性はボロン鋳鉄より優れ、被削性も鋳鉄材に比べれば削り難いものの従来の焼結材よりは優れているため、自動車メーカー各社に広く用いられてきた。しかるに近年、この分野を取り巻く環境の変化によって品質の向上に併せて生産性向上の必要が従来以上に高まり、バルブガイド材については被削性のより優れた材料が求められるようになった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、上述の先発明に係るバルブガイド材を基礎としつつその改良を図ったところ、銅の含有量を多くすると被削性が向上するという結果が得られた。この発明はこの様な知見に基づいてなされたもので、一つは銅の含有量を６〜２０％（質量％；以下、この明細書中の％は、特記しない限り全て質量％である。）の範囲に増加させたことを骨子とするもので、他の一つは銅の増加に併せて、頑火輝石（ enstatite；ＭｇＳｉＯ₃）と硫化マンガン（ＭｎＳ）を合計で４％未満添加したことを骨子とするものである。
【０００５】
即ち第一の発明に係るバルブガイド材は組成がＣ…１．５〜４％，Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．１〜０．３％およびＦｅ残部の焼結合金で、その金属組織は、パーライトを主体とする基地中にＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相；銅または銅錫系合金相（この「または」は銅および銅錫系…も含む）；遊離黒鉛の三者が分散している。また第二の発明に係るものは、合金の組成がＣ…１．５〜４％，Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．１〜０．３％，頑火輝石と硫化マンガンとの合計で４％未満およびＦｅ残部で、パーライトを主体とする基地中にＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相；銅または銅錫系合金相；遊離黒鉛，頑火輝石および硫化マンガンの三者が分散した組織を呈している。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明に係る焼結合金において、炭素は黒鉛粉の形で添加され、一部（概ね０．８〜１％）は鉄に固溶して基地を強化したり、リンと結合して比較的硬質な粒子状のＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相（ステダイト相）を生成して分散し、残りが遊離炭素（黒鉛）の状態で残留して固体潤滑の作用をする。遊離黒鉛の量は、炭素の含有量（全炭素量）が１．５％の場合に約０．３％，全炭素量３％で約１．７％であるが、遊離黒鉛が０．３％より少ない場合にはバルブとの摺動によるバルブガイドの摩耗が大きくなる。このため、炭素の含有量は１．５％を下限とする。一方、過剰の場合は基材の強度が低下する上に、粉末成形時に偏析や流動性阻害などの原因となるため、炭素の含有量は４％を上限とする。
【０００７】
銅と錫は、通常は錫の含有量が５〜２０％程度の銅−錫合金粉の形で、およびそれに所要量の銅粉を追加した形で添加される。共に焼結の進行を促進し、固溶して基地を強化する一方、一部がＣｕ−Ｓｎ系合金相として残留して摺動特性や被削性を向上させる。そしてこの際、Ｃｕ−Ｓｎ系合金相と共に銅相が分散するとこの作用が一層強化されるが、その効果は銅の含有量６％以上で顕著になる。但し、２０％を超えると耐摩耗性が悪化するので、銅の含有量の適正範囲を６〜２０％とする。一方、錫の存在による上記の作用効果は含有量が０．１％以上で生じるが、２％を超えると基材の脆化を招くので、錫の含有量は０．１〜２％を適正範囲とする。
【０００８】
リンはＦｅ−Ｐ合金粉またはＣｕ−Ｐ合金粉の形で添加される。リンの含有量に応じて生成するＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相（ステダイト相）が増し、基材の剛性が高まり耐摩耗性が向上する。基地中に生成したステダイト相は、リンの含有量が概ね０．０５％以上になれば顕微鏡で観察することができるが、耐摩耗性を有効に向上させるには０．１％は必要である。しかしその反面、リンの増加につれて被削性が低下する。従って実用上の見地から、リンの適正範囲を０．１〜０．３％とする。
【０００９】
第二の発明における頑火輝石はメタ珪酸マグネシウム鉱物で、斜方晶の粒子で劈開性があり、遊離黒鉛と同じく固体潤滑剤として作用すると共に被削性をより改善する。硫化マンガンも同様であるが、更に基材の耐摩耗性を向上させる作用がある。何れも粉末として添加されるが、頑火輝石と硫化マンガン（好ましくは頑火輝石の２〜３割）を混用すると、耐摩耗性と被削性をその均衡を保ちつつ、一層改善することができる。
【００１０】
遊離黒鉛も含めこれらの固体潤滑剤は、基地中に分散して固体潤滑効果を示す反面、含有（分散）量の増加に従って材料強度を低下させる。そしてこの発明の場合は含有量が４％を超えるとバルブガイド材として必要な材料強度を保てなくなるので、固体潤滑剤（遊離黒鉛，頑火輝石および硫化マンガン）の総量を４％以下とする。これは、例えば全炭素量が１．５％で遊離黒鉛量が０．７％の場合には、頑火輝石と硫化マンガンを合計で最大３．３％まで含有させられることを意味している。原料粉末の配合、成形および焼結は粉末冶金の通常の方法によるが、焼結雰囲気は還元性または浸炭性の雰囲気が好ましく、焼結温度は高過ぎると遊離黒鉛が消失するので、９８０〜１１００℃程度が適している。
【００１１】
（実施例１）先ず原料粉として、炭素は天然黒鉛粉，リンはＦｅ−２０％Ｐ合金粉，銅と錫は銅粉とＣｕ−１０％Ｓｎ合金粉，鉄は還元鉄粉，それに粉末潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を用意した。次にこれらを各所定割合に配合して、全体組成で炭素は一律２％，リンは０．１％と０．３％の２種類に固定し、銅は２〜３０％，錫は０．１〜２％まで変化させた混合粉（還元鉄粉残部）を作製した。各混合粉とも、ステアリン酸亜鉛の添加量は一律０．７５％である。
【００１２】
次に各混合粉それぞれを成形圧力４９０ＭＰａで所定の形状に成形後、還元性ガス雰囲気中１０００℃で６０分間焼結して長さ４０ｍｍ，外径１２ｍｍ，内径７．４ｍｍの円筒状試料多数を作製した。各試料（焼結材）の合金組織は基地が密なパーライト組織で、白味を帯びたＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相（ステダイト相），赤味を帯びたＣｕ−Ｓｎ系合金相，それに銅の含有量の多い試料では銅相が点在している。
【００１３】
次に、かくして得られた各試料について、被削性および耐摩耗性を試験した。被削性は試料の内径にリーマ加工を施して軸方向に１０ｍｍ切削するまでの所要時間を求め、そのデータを、先発明材に相当する銅…５％，リン…０．３％含有の試料の場合を１００とする指数に換算して比較した。従って指数が小さいほど削り易く加工時間が短くて済むことを、即ち被削性が良いことを意味している。また耐摩耗性は、各試料をバルブガイドの所定の形状・寸法に仕上げてエンジン模擬試験装置に装着し、加熱した状態でラジアル荷重を負荷したバルブと所定の時間往復摺動させ、試験の前後における試料の内径寸法差を求めて摩耗量とし、これを比較した。
【００１４】
図面はこれらのデータをリン含有量別に整理してグラフ化したもので、図１は銅の含有量と被削性との関係を，図２は銅の含有量と耐摩耗性との関係を示している。グラフから先ずリンの影響については、リンの含有量０．１〜０．３％の範囲では銅の含有量に拘らず被削性はリンが少ないほど，耐摩耗性はリンが多いほど優っていることが分る。次に銅の影響については、被削性は銅の増量につれて、含有量が約５％を過ぎる頃から急激な向上を示し、１０％以上でも緩慢にはなるが、含有量３０％まで終始向上を続けている。一方耐摩耗性は銅の含有量が６〜２０％の範囲では摩耗量が一様に少なく、優れた耐摩耗性を示しているが、その前後の領域では摩耗量が多くなる。即ち銅の含有量が２０％を越える頃からリンの含有量に拘らず耐摩耗性が急激に劣化し、また銅の含有量６％未満でも、リンが多くなるほど耐摩耗性の劣化が著しい。この様に、銅の含有量の適性範囲である６〜２０％では被削性，耐摩耗性ともに良好な結果が得られている。
【００１５】
（実施例２）原料粉は実施例１で用意したものを用い、天然黒鉛粉を２％，銅粉５．５％，Ｃｕ−１０％Ｓｎ合金粉を５％，Ｆｅ−２０％Ｐ合金粉を１．５％，頑火輝石粉末０．８％と硫化マンガン粉末０．２％，および残部還元鉄粉にステアリン酸亜鉛を０．７５％添加した混合粉を作製した。その全体組成はＣ…２％，Ｃｕ…１０％，Ｓｎ…０．５％，Ｐ…０．３％（ほか頑火輝石，硫化マンガン，および鉄残部）である。また比較のため、上記の配合から頑火輝石粉末と硫化マンガン粉末を省いた混合粉を作製した。
【００１６】
次に、この２種類の混合粉について実施例１の場合と同じ条件で成形と焼結を行ない、得られた試料の被削性と耐摩耗性を試験した。その結果は、頑火輝石と硫化マンガンを含有する前者のデータは被削性指数…３８，摩耗量…１２μｍであったのに対して、後者の場合は被削性指数…４２，摩耗量…１４μｍであり、被削性，耐摩耗性ともに前者の方が良くなっている。両試料の組織状態を見ると後者の場合には基地中に潤滑性物質として遊離黒鉛，頑火輝石，硫化マンガンの三者が分散しているのに対して、後者では遊離黒鉛のみであり、この差が特性の違いを生じさせたものと考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
この発明に係るバルブガイド材は、従来に比べて被削性が２倍程度に向上し、しかも従来材を凌ぐ耐摩耗性を具えている。従ってエンジン部品としての品質は固より、エンジンの組み立て工程における作業条件，使用する工作機械との相性その他種々の関係からバルブガイド材の被削性が特に重視される場合、この発明は極めて有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料の銅含有量と被削性との関係を示すグラフである。
【図２】試料の銅含有量と耐摩耗性との関係を示すグラフである。

Claims

合金組成が質量比でＣ…１．５〜４％，Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．１〜０．３％およびＦｅ…残部で、パーライトを主体とする基地中にＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相；銅または銅錫系合金相；遊離黒鉛の三者が分散した組織を呈することを特徴とする焼結バルブガイド材。
合金組成が質量比でＣ…１．５〜４％，Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．１〜０．３％，頑火輝石と硫化マンガンの合計で４％未満およびＦｅ…残部で、パーライトを主体とする基地中にＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相；銅または銅錫系合金相；遊離黒鉛，頑火輝石および硫化マンガンの三者が分散した組織を呈することを特徴とする焼結バルブガイド材。
基地中に分散する遊離黒鉛，頑火輝石および硫化マンガンの量が合計４％以下である、請求項２に記載の焼結バルブガイド材。