JPWO2019163937A1 - 焼結バルブガイド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1〜4の焼結バルブガイド材では、硬質相としてFe−P−C化合物が分散するとともに、潤滑相として黒鉛相が分散する金属組織を呈し、このような組織においては、応力が加わった際に基地と硬質相の界面に応力が集中しやすい。基地中に黒鉛相を分散させると、鉄基地の結合強度が低下する。また、Fe−P−C化合物は、ヴィッカース硬さ(Hv)が1000〜1400であり、硬質相は、材料強度に貢献する硬さを有するが、その一方で、脆い組織である。このため、高密度化してもFe−P−C化合物が破壊の基点となって強度の向上を図り難い。
本発明の焼結バルブガイドを構成する焼結材の組成は、安価で強度が高い鉄合金であり、鉄合金によって構成される基地と、基地に分散する気孔とを有する金属組織構造を有する。鉄合金の基地は、パーライトの単相組織、又は、パーライトとフェライトの混合組織のいずれかの組織を基本組織とし、この組織に分散するマルテンサイト相を有する組織構造を呈する。図1に示す焼結バルブガイドの一例においては、基地1に気孔2が分散し、基地1は、パーライト3の単相組織と、それに分散するマルテンサイト相4とを有する。
上記の金属組織を示す焼結バルブガイドの好ましい組成として、質量比で、Cu:0.8〜5.7%、Ni:0.2〜3.0%、P:0.05〜1.2%、C:0.5〜1.5%、残部がFe及び不可避不純物からなる組成とすることが好ましい。
本発明の焼結バルブガイドの製造方法は、上記の原料粉末を用意して、これを略円管形状に成形し、得られた成形体を焼結する。これによって、パーライトの単相組織、又は、フェライトとパーライトの混合組織のいずれかの組織中にマルテンサイト相が分散する構造の基地を有する焼結バルブガイドが得られ、マルテンサイト相は、金属組織断面におけるマルテンサイトの面積率が基地の1〜10%の範囲となるような割合で存在する。成形は、成形体密度が6.8〜7.2Mg/m3となるように成形条件を設定する。得られた成形体を、常圧環境の非酸化性雰囲気ガス中で950〜1200℃に加熱することによって焼結を行う。成形体密度が6.8〜7.2Mg/m3である成形体を焼結することによって、得られる焼結バルブガイドの焼結体密度は6.75〜7.15/m3となり、充分な強度を有する。焼結時のガス雰囲気は、減圧雰囲気でもよいが、その分コストがかかる点を考慮すると、常圧のガス雰囲気で充分である。尚、雰囲気ガスが酸化性のものであると、主原料である鉄粉が酸化して基地における粒子の結合が進行し難くなるとともに、黒鉛粉末の形態で付与した炭素が雰囲気中の酸素と結合して、鉄合金中に残留する炭素量が減少する虞がある。このため、焼結時の雰囲気は非酸化性のガスを使用する。
(b)P量が5質量%、残部がCu及び不可避不純物である銅燐合金粉末(平均粒子径:50μm)
(c)P量が8質量%、残部がCu及び不可避不純物である銅燐合金粉末(平均粒子径:40μm)
(d)P量が20質量%、残部がCu及び不可避不純物である銅燐合金粉末(平均粒子径:40μm)
(e)ニッケル粉末(平均粒子径:5μm)
(f)黒鉛粉末(平均粒子径:10μm)
疲労試験として、得られた角棒形状の焼結合金試料に切削加工を施して、両端の外径が12mm、中央の切欠き径が8mmの試験片を作製し、回転曲げ疲労試験機を用いて、回転曲げ疲労試験による疲れ強さを測定した。また、摩耗試験については、鉛直方向に往復運動するピストンの下端部にバルブを取り付けると共に、軸方向が鉛直になるように円管形状の焼結合金試料を固定してその内径にバルブのバルブステムを挿通して、摩耗試験機を構成した。300℃の排気ガス雰囲気中で、5MPaの横荷重をピストンに加えながら、ストローク速度:3000回/分、ストローク長さ:8mmの条件下でバルブを往復動させ、10時間の往復動の後、焼結合金試料の内周面の摩耗量(μm)を測定した。
2 気孔
3,3’ パーライト
4 マルテンサイト相
Claims (8)
- パーライトの単相組織、又は、フェライトとパーライトの混合組織のいずれかの組織中にマルテンサイト相が分散する基地と、前記基地に分散する気孔とを有する金属組織構造を有し、前記マルテンサイト相は、組織断面において前記マルテンサイト相の面積率が前記基地の1〜10%の範囲になる割合で存在する、焼結バルブガイド。
- 前記マルテンサイト相は、組織断面において平均径が1〜200μmであるような大きさである、請求項1に記載の焼結バルブガイド。
- 質量比で、Cu:0.8〜5.7%、Ni:0.2〜3.0%、P:0.05〜1.2%、C:0.5〜1.5%、残部がFe及び不可避不純物からなる、請求項1又は2に記載の焼結バルブガイド。
- 質量比で、Cu:0.8〜5.7%、Ni:0.2〜3.0%、P:0.05〜1.2%、C:0.5〜1.5%、被削性改善物質:0.01〜1.5質量%、残部がFe及び不可避不純物からなる、請求項1又は2に記載の焼結バルブガイド。
- 前記被削性改善物質は、質量比で0.01〜0.5%の窒化硼素、0.05〜1.0%の珪酸マグネシウム鉱物、及び、0.1〜1.5%の硫化マンガンのうちの少なくとも一つを含有する、請求項4に記載の焼結バルブガイド。
- P:5〜20質量%及び残部がCu及び不可避不純物からなる銅−燐合金粉末、ニッケル粉末及び黒鉛粉末を、質量比で、銅−燐合金粉末:1.0〜6.0%、ニッケル粉末:0.1〜3.0%、及び、黒鉛粉末:0.5〜1.5%となるように鉄粉末に添加した混合粉末を調製し、成形体密度が6.8〜7.2Mg/m3となるように前記混合粉末を焼結バルブガイドに対応した形状の成形体に成形し、得られた成形体を常圧環境の非酸化性雰囲気ガス中で950〜1200℃の温度で焼結する、焼結バルブガイドの製造方法。
- 前記混合粉末の調製において、更に、窒化硼素、珪酸マグネシウム鉱物及び硫化マンガンのうちの少なくとも一種の被削性改善物質の粉末を前記混合粉末に添加し、質量比で、窒化硼素は0.01〜1.0%、珪酸マグネシウム鉱物は0.05〜1.0%、硫化マンガンは0.1〜1.5%の割合で添加する、請求項6に記載の焼結バルブガイドの製造方法。
- 前記ニッケル粉末の平均粒子径は、1〜50μmである、請求項6又は7に記載の焼結バルブガイドの製造方法。
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