(57)【要約】【課題】粉末金属弁座インサートを提供すること。【解決手段】軽荷重および重荷重の両方の内燃機関への応用において、弁座インサートとしての使用に特に適した粉末金属エンジン構成要素。この粉末金属エンジン構成要素は、コバルトベースまたは鉄ベースの両合金に対してラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）等の金属間化合物相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｐｈａｓｅ）を含む。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量パーセントで、
約０．５〜約１．５％の炭素（Ｃ）と、
約１．０〜約４．０％のクロム（Ｃｒ）と、
約０．３〜約０．９％のマンガン（Ｍｎ）と、
約３．０〜約７．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、
約０．１〜約０．５％のバナジウム（Ｖ）と、
約０．２〜約２．０％のニッケル（Ｎｉ）と、
約０．２〜約０．８％の硫黄（Ｓ）と、
約０．２〜約０．６％のタングステン（Ｗ）と、
約０〜約２０．０％の銅（Ｃｕ）と、
実質的に鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する粉末金属エンジン構成要素。
【請求項２】
前記エンジン構成要素が弁座インサートを含む請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項３】
前記粉末金属エンジン構成要素が、圧縮されて最小密度が約６．５ｇ／ｃｍ3である粉末金属材を含む請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項４】
前記圧縮された粉末金属材が、約１００から約１２０の範囲にあるロックウェルＢスケールの硬さを有する請求項３に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項５】
前記圧縮された粉末金属材は、焼き戻されたマルテンサイト、パーライト、ベイナイトおよびオーステナイトを含有する母地（ｍａｔｒｉｘ）中で、ラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）、カーバイドおよび固体潤滑材が分散している微細構造を有する請求項４に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項６】
前記構成要素が焼結されたままで焼戻しされた状態にあることを含む請求項５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項７】
前記構成要素が銅を浸潤させた状態にあることを含む請求項５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項８】
前記構成要素が水蒸気処理した状態にあることを含む請求項５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項９】
前記構成要素が、浸炭処理と焼戻し処理を行った状態および浸炭窒化処理と焼戻し処理を行った状態から成る群から選択されたもののいずれかの状態にあることを含む請求項５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１０】
重量パーセントで、
約０．７〜約１．４％の炭素（Ｃ）と、
約１．０〜約３．０％のクロム（Ｃｒ）と、
約６．０〜約１２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、
約０．１〜約１．０％のケイ素（Ｓｉ）と、
約０．５〜約３．０％のニッケル（Ｎｉ）と、
約０．２〜約０．８％の硫黄（Ｓ）と、
約４．０〜約１５．０％のコバルト（Ｃｏ）と、
約２０．０％までの銅（Ｃｕ）と、
実質的に鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１１】
前記エンジン構成要素が弁座インサートを含む請求項１０に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１２】
前記粉末金属エンジン構成要素が、圧縮されて最小密度が約６．５ｇ／ｃｍ3である粉末金属材を含む請求項１０に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１３】
前記圧縮された粉末金属材が、約１００から約１２０の範囲にあるロックウェルＢスケールの硬さを有する請求項１０に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１４】
前記圧縮された粉末金属材が、焼き戻されたマルテンサイト母地（ｍａｔｒｉｘ）中で、ラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）、カーバイドおよび固体潤滑材が分散している微細構造を有する請求項１０に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１５】
前記固体潤滑材が、二硫化モリブデン、フッ化カルシウム、滑石（タルク）、グラファイト、および二硫化モリブデン、滑石、グラファイトおよびフッ化カルシウムの混合物から成る群から選択された要素を含む請求項１０に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１６】
前記構成要素が焼結されたままで焼戻しされた状態にあることを含む請求項１５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１７】
前記構成要素が銅を浸潤させた状態にあることを含む請求項１５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１８】
前記構成要素が水蒸気処理した状態にあることを含む請求項１５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１９】
前記構成要素が、浸炭処理と焼戻し処理を行った状態および浸炭窒化処理と焼戻し処理を行った状態から成る群から選択されたもののいずれかの状態にあることを含む請求項１５に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に粉末金属エンジン構成要素に関し、さらに詳細には、軽荷重と重荷重の両方の内燃機関への応用において有用な新規の改良された粉末金属弁座インサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の運転サイクルは従来の技術でよく知られている。燃焼状態の密閉を効果的に行うために吸排気弁、バルブガイトおよび弁座インサートに対して要求される物理的条件が長い間研究されてきた。エンジンおよび車両メーカーは、長期間運転する経済性に優れたエンジンを提供するために、より厳しくなる摩耗と、エンジン構成要素製造時のコスト低減の課題に適合する方法を常に捜している。最近、エンジン構成要素の製造に粉末冶金が用いられており、これによって多様な金属組成あるいはセラミック組成ですら選択の自由が可能になり、設計に自由度を持たせている。粉末冶金法は高度に開発された、鉄製および非鉄製各構成要素の製造方法である。粉末冶金法のいくつかの利益として、これに限らないが、スクラップ損失の最小化、機械加工の最小化、厳重な寸法公差の維持、自己潤滑用または浸潤用の制御された小孔を備えた材料の提供、複雑な形状の製造などがある。
【０００３】
内燃機関用の弁座インサートには、長期間にわたる高温での運転に対して耐磨耗性が高い材料が要求される。さらに、弁座インサートは、高温での繰り返し衝撃荷重下でも高クリープ強度と高熱疲労強度を必要とする。一般に、高合金粉末から作製されるこの弁座インサートの材質は圧縮性が低い。したがって、所望の水準の密度を得るために、二度押し成形、２回焼結、高温焼結、銅浸潤、および熱間鍛造などの方法が使用されている。残念なことに、これらの付加的工程によって、材料のコストが極めて高くなる可能性がある。内燃機関は多種多様な燃料、たとえば、有鉛ないしは無鉛両方の燃料のガソリン、軽油、または、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）などの代替燃料で運転できる。重荷重すなわちトラックエンジンの用途は、軽荷重すなわち乗用車の用途より高い燃焼圧力で運転し、そのため耐磨耗性がより良好な材料が必要とされる。さらに、排気弁の弁座インサートは吸気弁の弁座インサートより高い温度下で運転されることが知られている。これらの多様な用途に対して異なるタイプの弁座インサートをすべて提供することは技術的に非実際的であり、経済的に耐えがたいほどの負担となる。
【０００４】
内燃機関で使用される弁座インサートに要求される主要な条件がアブレシブおよび凝着の両方の耐摩耗性であることが知られている。良好な耐熱性と耐腐食性、ならびに良好な耐磨耗性と結びついた機械加工性の組合せを達成しようとする取り組みにおいて、弁座インサートはコバルト、ニッケル、またはマルテンサイト系鉄ベースの合金の鋳造で作製されてきた。これらの合金は一般に、鋳造合金中に耐磨耗性のカーバイドが存在するのでクロムおよびニッケルの含有量が多いオーステナイト系耐熱鋼より好ましかった。しかしながら、コバルトまたはニッケルベースの合金は一般に他よりコスト高である。
【０００５】
そのため、重荷重のトラック用途あるいは乗用車などの軽荷重用途を問わず吸気弁と排気弁の両方に対し、新規の粉末金属エンジン構成要素、特に大部分の内燃機関への応用に適した弁座インサートの必要性が依然として存在している。このような粉末金属弁座インサートは、これに限定はされないが有鉛ないしは無鉛のガソリン、軽油、または、天然ガスなどの任意の代替燃料を含むどのような種類の内燃機関燃料についても使用できることが好ましい。この粉末金属弁座インサートは、様々なタイプの弁材質に対して、耐アブレシブ磨耗性でかつ耐凝着摩耗性の優れた特性を示さなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、内燃機関用の新規の粉末金属エンジン構成要素を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、広範囲の内燃機関応用で使用するのに適した新規の粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、特に重荷重トラックエンジン用途で動作するのに適した改良された粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、これに限定されるものではないが有鉛ないしは無鉛燃料のガソリン、軽油、または、ＣＮＧやアルコールベースの燃料ないしはこれらの混合物などの代替乾燥燃料を含む多様な燃料のいずれでも運転できる内燃機関で動作するのに適した改良された粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、硬度、熱間硬度、耐アブレシブ磨耗および耐凝着摩耗に優れた特性を持つ改良された粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の上記およびその他の目的は、ラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）などの金属間化合物相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｐｈａｓｅ）を含み、組成がトリバロイ合金と同様の、特にコバルトベースまたは鉄ベースのどちらかの合金である合金材を含む改良された粉末金属エンジン構成要素によって達成される。トリバロイはＤｅｌｏｒｏＳｔｅｌｌｉｔｅ社の登録商標である。本発明による鉄ベース粉末金属のエンジン構成要素は、重量パーセントで、約０．５〜約１．５％の炭素（Ｃ）と、約１．０〜約４．０％のクロム（Ｃｒ）と、約２．０〜約８．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、約０．２〜約０．９％のマンガン（Ｍｎ）と、約０．１〜約０．８％のバナジウム（Ｖ）と、約０〜約２０．０％の銅（Ｃｕ）と、約０．２〜約３．５％のニッケル（Ｎｉ）と、約０．２〜約０．８％の硫黄（Ｓ）と、約０．２〜約０．６％のタングステン（Ｗ）と、実質的に鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する。
【００１２】
本発明による粉末金属構成要素の別の実施形態は、重量パーセントで、約０．７〜約１．４％の炭素（Ｃ）と、約１．０〜約４．０％のクロム（Ｃｒ）と、約６．０〜約１２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、約０．１〜約１．０％のケイ素（Ｓｉ）と、約０．５〜約３．５％のニッケル（Ｎｉ）と、約０．２〜約１．０％の硫黄（Ｓ）と、約４．０〜約１５．０％のコバルト（Ｃｏ）と、約２０．０％までの銅（Ｃｕ）と、実質的に鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する。
【００１３】
本発明を特徴づける様々な新規の特徴について、本開示に添付され、本開示の一部をなす請求項の中の特別な例でもって指摘した。本発明、その運転上の利益、およびそれを使用することによって達成される特別な目的をさらによく理解するために、添付して実施例、図面および本発明の好ましい実施形態を例示した説明事項について参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】エンジンの一部である弁アッセンブリを示す断面図である。
【図２】弁座インサートを含む弁アッセンブリの一部をさらに詳細に示す断面図である。
【図３】市販の弁座材質と本発明による第１の鉄ベースの実施形態についての弁座インサートのリグテスト結果を示すグラフである。
【図４】図３の本発明の第１の鉄ベースの実施形態と市販の材質の機械加工性の比較を示すグラフである。
【図５】鋳造Ｔ４００材と本発明の第２のコバルト含有の実施形態についての弁座インサートのリグテスト結果を示すグラフである。
【図６】本発明によって作製した粉末金属構成要素の微細構造断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は弁座インサートとしての使用に特に適した改良された粉末金属エンジン構成要素に属する。本発明による粉末金属弁座インサートは、耐アブレシブ磨耗および耐凝着摩耗、耐高温性、熱間硬度および機械加工性について優れた特性を示す。本発明による粉末金属弁座インサートは、重荷重のトラック用途あるいは場合によっては軽荷重の乗用車用途などの広範囲の内燃機関応用に有用である。これは表面硬化処理および窒化処理した弁を含む様々なタイプの弁材質に用いることができる。本発明による粉末金属弁座インサートは、多様な燃料源、すなわち、これに限定されるものではないが有鉛ないしは無鉛燃料の両方のガソリン、軽油、または、アルコールベースの燃料、ＣＮＧないしはプロパン、またはこれらの混合物などの代替乾燥燃料を含む任意の燃料で運転する内燃機関に使用することができる。
【００１６】
本明細書では、特に記述のない限り、温度はすべて摂氏（℃）であり、パーセンテージ（％）はすべて重量パーセントである。
【００１７】
始めに、図１および図２について説明すると、エンジンで使用するように一般的に設計された弁アッセンブリ１０が示されている。これらの弁アッセンブリの図は、ただ単に本発明をよりよく理解できるように説明する目的のために与えられている。弁アッセンブリ１０は、往復動によってそれぞれがバルブステムガイド１４の内部の穴の中に収納される複数の弁１２を備えている。このバルブステムガイド１４はシリンダヘッド２４内部に挿入された基本的に管構造である。これらのエンジン構成要素は当業者によく知られた装置であり、その運転に関して本明細書で詳細に説明する必要はない。変更形態や別の構造が種々のメーカーによって提供されているので、本発明はある特定の構造に限定しようとするものではない。
【００１８】
弁１２は、バルブヘッドと弁１２の隅肉部２８の間に介在する弁座面１６を含む。バルブステム３０は普通首の部分２８の上方に配置され、通常バルブステムガイド１４内に収納されている。弁座インサート１８は通常エンジンのシリンダヘッド２４内部に取り付けられる。この弁座インサート１８は、図示した断面を備えて形が実質的に環状であり、弁座面１６との係合で封止するように弁座面１６と協力してこれを収納することが好ましい。
【００１９】
本発明による粉末金属混合物の鉄ベースの第１の実施形態は、重量パーセントで以下のものを含む材質の混合物を使用する。すなわち、約５％から約１５％、好ましくは約１０％の、トリバロイＴ１０に含まれているものと同様のラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）などの金属間化合物相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｐｈａｓｅ）を含む鉄ベースの合金、約３％から約１０％、好ましくは約５％の、Ｐｏｗｄｒｅｘ社が市販しているＭ３工具鋼粉末などの工具鋼粉末、約１％から約２％、好ましくは約１．５％の、フッ化カルシウムと二硫化モリブデン、またはそれらの混合物などの固体潤滑材、約０．２％から約０．８％、好ましくは約０．５％の、滑石（Ｔａｌｃ）などの固体潤滑材、約０．２％から約０．８％、好ましくは約０．５％の、ＡｃｒａｗａｘＣなどの浮遊性の潤滑材、約０．５％から約１．２％、好ましくは約０．８％のグラファイト、および残りが実質的に、約０％から約３％、好ましくは約０．５％のクロム（Ｃｒ）、約０％から約４％、好ましくは約１％のニッケル（Ｎｉ）、約０．５％から約１．５％、好ましくは約１％のモリブデン（Ｍｏ）、０％から約０．８％、好ましくは約０．２５％のバンジウム（Ｖ）および実質的に鉄（Ｆｅ）である残りを含む低合金粉末であるものである。本発明による粉末金属混合物のコバルト含有の第２の実施形態は、重量パーセントで、約１０％から約４０％、好ましくは約３５％のＴ−４００トリバロイ粉末（またはこれと同等のＣｏＭｏＣｒＳｉ粉末）、約１％から約５％、好ましくは約３％の、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材、約１％から約２％、好ましくは約１．５％のグラファイト、および実質的に、Ｈｏｅｇａｎａｅｓ社が市販しているＤｉｓｔａｌｏｙ  ＡＥなどの低合金ベースの粉末である残りの混合物を含む。
【００２０】
本発明での使用に適した工具鋼粉末には、これに限定するものではないが、Ｐｏｗｄｒｅｘ社が市販しているＭシリーズ鋼の粉末があり、Ｍ３粉末が好ましい。
【００２１】
二硫化モリブデンは本発明にとって好ましい固体潤滑材であるが、フッ化カルシウムまたは滑石（ｔａｌｃ）またはこれらの二硫化モリブデンとの混合物などの他の潤滑材を用いることもできる。適切な固体潤滑材には、これに限定するものではないが、粉末にした含水ケイ酸マグネシウム（一般に滑石（ｔａｌｃ）と呼ばれる）であるＡｃｒａｗａｘＣ、および従来技術で知られた二硫化物またはフッ化物タイプの固体潤滑材がある。
【００２２】
グラファイト粉末源として適切なのは、Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社の製品であるＳｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ１６５１等級品である。
【００２３】
市販の銅粉末源として適切なのはＯＭＧ  Ａｍｅｒｉｃａｓ社のものである。この会社は、本発明の第２の実施形態によるコバルトを含んだ粉末金属混合物に使用される、４３４Ｐｏｗｄｅｒなどの低合金粉末の供給源としても適している。
【００２４】
本発明の第１の実施形態による鉄ベースの粉末金属混合物で用いられる低合金粉末は、Ｑｕｅｂｅｃ  Ｍｅｔａｌ  Ｐｏｗｄｅｒｓ社が市販しているＱＭＰ４７０１粉末が好ましい。
【００２５】
この粉末金属混合物は、均一な混合を得るために十分な時間をかけて完全に混合される。この混合物は通常約３０分間〜２時間、好ましくは約１時間混合されて均一な混合物になる。ボールミキサーや二重コーンブレンダなどの適切な混合手段を用いることができる。
【００２６】
混合物はその後、従来のプレス機で、約５０トン／平方インチ（ＴＳＩ）〜７５トン／平方インチ（ＴＳＩ）（約７６０〜約１１４０ＭＰａ）の範囲の従来の圧縮圧力、好ましくは約６５ＴＳＩ（約９８８ＭＰａ）より低い圧力で圧縮される。約６５ＴＳＩを超える圧力は、効果はあるが、極端に費用が掛かる可能性がある。反対に、５０ＴＳＩ未満の圧力を用いることができるが、約３５ＴＳＩ未満の圧力はどのような圧力もほとんど使用されたことがない。この圧縮圧力は、立方センチメートル当たり約６．５グラム（ｇ／ｃｍ3）から約７．４ｇ／ｃｍ3の範囲の望ましい密度を有する正味に近い形あるいは正味の形に圧縮したものをプレス、成形するのに十分である。密度は６．８ｇ／ｃｍ3が好ましい。粉末金属エンジン構成要素が、重荷重トラック用途におけるような厳しいエンジン環境下で作用するために、粉末金属エンジン構成要素は６．５ｇ／ｃｍ3の最小の密度に圧縮することができなければならない。圧縮は一般に所定の形の金型で行われる。この圧縮は一軸方向またはアイソタクチックな方法のどちらかで遂行することができる。未焼結の圧縮品は、圧縮品の焼結が行われる際に従来の焼結炉に搬送される。焼結処理は、圧縮品中の多数成分の液相線温度以下の圧縮品を加熱することによって、圧縮品中の各隣接面を接合することである。
【００２７】
本発明で用いる焼結条件では、一般に約１０４０℃〜約１１５０℃の範囲にある従来の焼結温度、好ましくは約１１００℃の温度を使用している。別法として、約１２５０℃〜約１３５０℃の範囲のより高温の焼結温度を用いることができ、約１３００℃の温度で約２０分間〜約１時間、あるいはより好ましくは約３０分間、１気圧以下の、制限なしに窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、またはアルゴン（Ａｒ）を含めた不活性ガスまたは混合ガスのもとで、ないしは真空下で焼結することが好ましい。本発明の合金は、「焼結されたまま」の状態、または熱処理された状態のいずれでも使用することが可能である。粉末冶金の熱処理方法は従来技術でよく知られたものを用いる。
【００２８】
本発明の粉末金属材料は常温で鋳造加工するか、または熱間鍛造加工するかして表面硬化した製作品を成形する、あるいは耐磨耗性を上げるために密度を増加させることができる。さらに、本発明の粉末金属材料は、銅を浸潤させて密度を増加させ耐磨耗性を上げることができる。
【００２９】
上記の組成および方法に従って製造された第１の実施形態の鉄ベースの粉末金属エンジン構成要素は、重量パーセントで、約０．５〜約１．５％の炭素（Ｃ）と、約１．０〜約４．０％のクロム（Ｃｒ）と、約０．３〜約０．９％のマンガン（Ｍｎ）と、約３．０〜約７．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、約０．１〜約０．５％のバナジウム（Ｖ）と、約０．２〜約２．０％のニッケル（Ｎｉ）と、約０．２〜約０．８％の硫黄（Ｓ）と、約０．２〜約０．６％のタングステン（Ｗ）と、約０〜約２０．０％の銅（Ｃｕ）と、およびおおむね鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する。この粉末金属エンジン構成要素は、ロックウェルＢスケールで約１００〜約１２０ＨＲＢの範囲の見掛け硬度を有する。
【００３０】
鉄ベースのラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）粉末金属エンジン構成要素の好ましい化学組成は、１．０５％の炭素（Ｃ）、２．０％のクロム（Ｃｒ）、１１．０％の銅（Ｃｕ）、０．１％のマグネシウム（Ｍｇ）、０．５８％のマンガン（Ｍｎ）、４．２３％のモリブデン（Ｍｏ）、０．７２％のニッケル（Ｎｉ）、０．４７％の硫黄（Ｓ）、０．３３％のバナジウム（Ｖ）、０．３６％のタングステン（Ｗ）、およびおおむね鉄（Ｆｅ）である残りを含む。
【００３１】
本発明の第２のコバルト含有の実施形態による粉末金属エンジン構成要素は、重量パーセントで、約０．７〜約１．４％の炭素（Ｃ）と、約１．０〜約３．０％のクロム（Ｃｒ）と、約６．０〜約１２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、約０．５〜約３．０％のニッケル（Ｎｉ）と、約０．１〜約１．０％のケイ素（Ｓｉ）と、約０．２〜約０．８％の硫黄（Ｓ）と、約４．０〜約１５．０％のコバルト（Ｃｏ）と、約２０．０％までの銅（Ｃｕ）と、およびおおむね鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する。この粉末金属エンジン構成要素は、ロックウェルＢスケールで約１００〜約１２０ＨＲＢの範囲の見掛け硬度を有する。
【００３２】
コバルトベースのラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）粉末金属エンジン構成要素の好ましい化学組成は、１．２９％の炭素（Ｃ）、１５％のコバルト（Ｃｏ）、２．２％のクロム（Ｃｒ）、０．８９％の銅（Ｃｕ）、９．５１％のモリブデン（Ｍｏ）、２．６７％のニッケル（Ｎｉ）、０．７％の硫黄（Ｓ）、０．８６％のケイ素（Ｓｉ）、およびおおむね鉄（Ｆｅ）である残りを含む。
【００３３】
図３は、ＥＭＳ５５４ＭＣｕＩという表示の市販の材質およびＥＸＰ１４５１という表示の第１の実施形態によって作られた弁座インサートについて行った弁座インサートリグテスト結果を示すグラフである。このリグ摩耗テストの手順については、ＷＥＲＡ誌２０１（１１９６）のＹ．Ｓ．Ｗａｎｇ等による論文、「Ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｈｅａｖｙ  Ｄｕｔｙ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｓｅａｔ  Ｗｅａｒ」、および本発明の被譲渡人に譲渡され、本発明の参考文献として記載した米国特許第５２７１８２３号に記載されている。このテストでは、２１−２Ｎ材から作製した弁は、約２７３キログラム（ｋｇ）の側荷重を受けるステムを有し、サイクル速度２０ヘルツ（Ｈｚ）で概略１４４００００サイクルの運転を行った。弁座は約６７７℃まで加熱された。
【００３４】
図４は、「工具摩耗一次」および「工具摩耗二次」で表示される２つの条件下における図３の各材質の機械加工性の比較を示す。この機械加工性のテスト手順の説明は、バルブトレインシステムと設計材質に関する国際シンポジウム（１９９７年）の議事録のＨ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓによる論文「Ｓｉｎｔｅｒｅｄ  Ｖａｌｖｅ  Ｓｅａｔ  Ｉｎｓｅｒｔｓ  ａｎｄ  Ｖａｌｖｅ  Ｇｕｉｄｅ：Ｆａｃｔｏｒｙ  Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ  Ｄｅｓｉｇｎ，Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ」に与えられている。このテストの操作パラメータには、回転速度約１５５０ｒｐｍ、供給速度９．３ｉｐｍで運転する冷却材を備えたＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）機械が含まれていた。
【００３５】
これらの図を注意深く見ると、本発明によって従来技術を上回る望ましい特性の改良が達成されていることがわかる。
【００３６】
図５は、鋳造Ｔ−４００トリバロイ材と本発明の第２の実施形態によるコバルト含有ＰＭ材についての弁座インサートのリグテスト結果を示すグラフである。鋳造Ｔ−４００トリバロイ製のインサートはプレミアム重荷重ディーゼルエンジン用途用のものである。これらのリグテストは塩浴の窒化ケイ素（ｎｉｔｒｉｄｅｄ  Ｓｉｌ）１バルブについて行った。弁座の温度は約５１０℃である。バルブステムは、サイクル速度約１０ヘルツ（Ｈｚ）で概略８６４０００サイクルの間、約１８１４キログラム（ｋｇ）の側荷重を受ける。この図でも、本発明によって鋳造Ｔ−４００トリバロイ材を上回る改良がなされていることが明確に示されている。機械加工が困難で通常は事前仕上げ加工の形で使用する鋳造Ｔ−４００インサートに対して本発明が著しく機械加工性を向上していることを表わしている。
【００３７】
図６は本発明の粉末金属混合材の微細構造を示すスケッチ図である。本発明の両方の実施形態において金属間化合物相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｐｈａｓｅ）またはラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）の存在が認められる。このラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）は耐熱性および耐磨耗性をもたらす。焼戻しされたマルテンサイト母地（ｍａｔｒｉｘ）中に潤滑性および機械加工性のための固体潤滑材、カーバイドおよび銅合金が充填された小孔も示されている。微細構造の中には保持されたオーステナイト相も認められる。
【００３８】
有利なことに、本発明は、１００％よりはるかに少ない、トリバロイまたはＴ−４００合金と同様の鉄ベースの金属間化合物質の量を効果的に用いて、重荷重および軽荷重の用途で耐磨耗性を十分に持たせることができることを発見した。固体潤滑材と結合したこの新奇な金属間化合物の微細構造は、弁座インサートに耐磨耗性の向上と競争力のある価格で製造することができる優れた機械加工性をもたらす。
【００３９】
費用がより安い、トリバロイＴ１０粉末金属混合物と同じ鉄ベースの金属間化合物質は、特に大量生産の乗用車用途に使用する場合に対してコスト上の利益をもたらす。
【００４０】
本発明のＴ−４００粉末金属混合物のコバルトベース金属間化合物相は、重荷重用途に対する耐磨耗性を与える。その機械加工性あるいはコストは第１の実施形態ほど魅力的ではないが、第２の実施形態はトラックエンジンの用途で特に有用性がある。
【実施例】
【００４１】
実施例Ｉ
本発明による鉄ベースの粉末は、下記の処方を用いて二重コーンブレンダで約３０分間混合される。この混合物は、１００ｋｇの鉄ベース金属間化合物粉末と５０ｋｇのＭ３粉末、１５ｋｇの二硫化モリブデンと、５ｋｇの滑石（ｔａｌｃ）と、１０ｋｇのグラファイト粉末と、６ｋｇのＡｃｒａｗａｘＣと、８１４ｋｇのＱＭＰ４７０１粉末から成る。この混合物はその後、密度６．８ｇ／ｃｍ3に圧縮される。窒素が９０％、残りが水素のガス中、圧力が１気圧以下、温度が２１００゜Ｆで２０〜３０分間焼結を行った。焼結に続いて、１６００゜Ｆで２時間、１．０カーボンポテンシャルで浸炭処理を行い、オイル冷却し、その後続いて窒素雰囲気中で、８００゜Ｆで１時間焼戻しを行った。必要に応じて、この物質を焼結時に銅浸潤させることもできる。
【００４２】
実施例ＩＩ
本発明によるコバルト含有混合物は実施例１と同様にして処理されるが、この混合物は次の物質と重量、すなわち、３５０ｋｇのＴ４００粉末、１６ｋｇのグラファイト粉末、３０ｋｇの二硫化モリブデン、１０ｋｇの滑石（ｔａｌｃ）、５ｋｇのＡｃｒａｗａｘＣ、および５８９ｋｇのＤｉｓｔａｌｏｙ  ＡＥを含んでいる。
【００４３】
ある程度特別な例について本発明を説明してきたが、好ましい実施形態の説明は例としてあげただけのものであること、また特許請求の範囲で述べるような本発明の精神と範囲を逸脱することなく数多の変更が可能であることが理解されよう。
【符号の説明】
【００４４】
１０  弁アッセンブリ
１２  弁
１４  バルブステムガイド
１６  弁座面
１８  弁座インサート
２８  隅肉部
３０  バルブステム
【図１】
2010031385.tif 000002
【図２】
2010031385.tif 000003
【図３】
2010031385.tif 000004
【図４】
2010031385.tif 000005
【図５】
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【図６】
2010031385.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月11日(2009.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量パーセントで、
約０．７〜約１．４％の炭素（Ｃ）と、
約１．０〜約３．０％のクロム（Ｃｒ）と、
約６．０〜約１２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、
約０．１〜約１．０％のケイ素（Ｓｉ）と、
約０．５〜約３．０％のニッケル（Ｎｉ）と、
約０．２〜約０．８％の硫黄（Ｓ）と、
約４．０〜約１５．０％のコバルト（Ｃｏ）と、
約２０．０％までの銅（Ｃｕ）と、
実質的に鉄（Ｆｅ）である残りとを含む化学組成を有する粉末金属エンジン構成要素。
【請求項２】
前記エンジン構成要素が弁座インサートを含む請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項３】
前記粉末金属エンジン構成要素が、圧縮されて最小密度が約６．５ｇ／ｃｍ3である粉末金属材を含む請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項４】
前記圧縮された粉末金属材が、約１００から約１２０の範囲にあるロックウェルＢスケールの硬さを有する請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項５】
前記圧縮された粉末金属材が、焼き戻されたマルテンサイト母地（ｍａｔｒｉｘ）中で、ラーベス相（Ｌａｖｅｓ  ｐｈａｓｅ）、カーバイドおよび固体潤滑材が分散している微細構造を有する請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項６】
前記固体潤滑材が、二硫化モリブデン、フッ化カルシウム、滑石（タルク）、グラファイト、および二硫化モリブデン、滑石、グラファイトおよびフッ化カルシウムの混合物から成る群から選択された要素を含む請求項１に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項７】
前記構成要素が焼結されたままで焼戻しされた状態にあることを含む請求項６に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項８】
前記構成要素が銅を浸潤させた状態にあることを含む請求項６に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項９】
前記構成要素が水蒸気処理した状態にあることを含む請求項６に記載の粉末金属エンジン構成要素。
【請求項１０】
前記構成要素が、浸炭処理と焼戻し処理を行った状態および浸炭窒化処理と焼戻し処理を行った状態から成る群から選択されたもののいずれかの状態にあることを含む請求項６に記載の粉末金属エンジン構成要素。