(57)【要約】【課題】９５０〜１０５０℃で焼結して銅合金相および遊離黒鉛相を有する焼結バルブガイドの機械的強さを向上する製造方法を提供する。【解決手段】鉄粉末を主とし、少なくとも銅合金粉末および黒鉛粉末を含有する原料粉末を、略円筒状に圧粉成形し、得られた圧粉体を９５０〜１０５０℃で焼結する焼結バルブガイドの製造方法において、鉄粉末に、２４０メッシュの篩を通過しない粉末が４０質量％以上含まれ、２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうち７０質量％以上のものの円形度が０．５以下のものを用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄粉末を主とし、少なくとも銅合金粉末および黒鉛粉末を含有する原料粉末を、略円筒状に圧粉成形し、得られた圧粉体を９５０〜１０５０℃で焼結する焼結バルブガイドの製造方法において、
前記鉄粉末に、２４０メッシュの篩を通過しない粉末が４０質量％以上含まれ、前記２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうち７０質量％以上のものの円形度が０．５以下であることを特徴とする焼結バルブガイドの製造方法。
【請求項２】
前記鉄粉末は、Ｆｅ以外の不純物成分が０．４質量％以下であるとともに、Ｏ量が０．２質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の焼結バルブガイドの製造方法。
【請求項３】
前記銅合金粉末の添加量は、全体組成中のＣｕ量が１〜５質量％となる量であり、前記黒鉛粉末の添加量は、１．５〜４質量％であることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結バルブガイドの製造方法。
【請求項４】
前記原料粉末は、全体組成中のＰ量が０．０１〜０．３質量％となる鉄−リン合金粉末を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焼結バルブガイドの製造方法。
【請求項５】
前記原料粉末は、硫化マンガン粉末および珪酸マグネシウム鉱物粉末から選択される少なくとも１種の粉末を１．６質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焼結バルブガイドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気弁あるいは排気弁に使用されるバルブガイドに関し、特に、粉末冶金法で製造され、高い強度を有する焼結バルブガイドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブガイドは、エンジンのシリンダヘッドに圧入され、内燃機関の燃焼室への燃料ガスの吸気および燃焼ガスの排気を行うため駆動されるバルブをその内周面で摺動保持するものであり、バルブとの摺動において摩耗が少ない高い耐摩耗性と、摺動相手となるバルブを摩耗させない良好な摺動特性が要求される。
【０００３】
従来、バルブガイドとしては鋳鉄製のものが使用されてきたが、溶製材料では得られない金属組織の合金を得られ耐摩耗性等の特性を向上できること、ニアネットシェイプに造形でき加工の手間や材料ロスが少ないこと、一度金型を作製すれば同じ形状の製品が多量に生産できること等の利点により粉末冶金法により製造されるようになってきている。本願出願人も、例えば下記の公報（特許文献１〜４等）において、耐摩耗性に優れた焼結バルブガイド材を提案している。
【０００４】
特許文献１で開示する焼結バルブガイド材は、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残部であり、パーライトとフェライトの混合基地中に硬質なＦｅ−Ｐ−Ｃの共晶化合物である鉄−リン−炭素化合物相（ステダイト相）と、軟質なＣｕ−Ｓｎ相（銅合金相）と固体潤滑剤として機能する遊離黒鉛相が分散する組織を呈するもので、鋳鉄製のものよりも優れた耐摩耗性と、鋳鉄製のものに比べれば削り難いものの、従来の鉄系焼結合金よりも改良された被削性を有する点が評価され、自動車メーカー各社において採用されてきた。
【０００５】
また、特許文献２で開示する焼結バルブガイド材は、特許文献１で開示する焼結バルブガイド材を改良したもので、上記の金属組織中の粒間に珪酸マグネシウム鉱物を分散させて耐摩耗性を損なうことなく被削性を改善したものである。特許文献２で開示する焼結バルブガイド材は、特許文献１で開示する焼結バルブガイド材と同等の優れた耐摩耗性を示し、被削性について改善されているものの、被削性は鋳鉄製のものには及ばず、より一層の被削性の改善が望まれている。そこで、本出願人は耐摩耗性を多少犠牲にしてでも被削性の改良を主眼として開発を行い、下記の公報（特許文献３、４）で開示する焼結バルブガイド材を開発している。
【０００６】
特許文献３、４で開示する焼結バルブガイド材は、特許文献１で開示する焼結バルブガイド材のＰ量を低減させて被削性の改良を行ったものであり、特許文献３で開示するバルブガイド材は、組成が、質量比で、Ｃ：１．５〜４％、Ｃｕ：１〜５％、Ｓｎ：０．１〜２％、Ｐ：０．０１〜０．１％未満およびＦｅ残部であり、パーライトを主体とする基地中に銅合金相および遊離黒鉛が分散する組織を呈するものである。また、特許文献４で開示する焼結バルブガイド材は、組成が、質量比で、Ｃ：１．５〜２．５％、Ｃｕ：３．５〜５％、Ｓｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０．０４〜０．１５％、およびＦｅ残部であり、パーライト相、ステダイト相及び銅合金相を有する基地と、気孔と、黒鉛相とからなる金属組織を呈するものであり、パーライト相、銅合金相およびステダイト相の各面積比、さらにステダイト相の厚さを限定したものである。このような特許文献３、４の焼結バルブガイド材は、実用上問題ない充分な耐摩耗性と、特許文献２よりも改良された被削性を有する優れた焼結バルブガイド材である。
【０００７】
特許文献１〜４の焼結バルブガイド材は、銅合金相および遊離黒鉛相により良好な摺動特性を付与するものであるが、この銅合金相および遊離黒鉛相は、鉄粉末を主とする原料粉末に銅合金粉末および黒鉛粉末を添加し、銅合金粉末および黒鉛粉末が完全に鉄基地に拡散しない温度（９５０〜１０５０℃）で焼結することで形成している。
【０００８】
【特許文献１】特公昭５５−０３４８５８号公報
【特許文献２】特許第２６８０９２７号公報
【特許文献３】特開２００２−０６９５９７号公報
【特許文献４】特開２００６−０５２４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、内燃機関のフリクション低減のため、バルブガイドと摺動するバルブの駆動機構が直動式の機構から、ローラロッカーアームを用いる機構になってきている。このためバルブを摺動保持するバルブガイドにおいては、軸に対して交差する方向の荷重すなわち曲げ荷重が負荷されるようになってきている。その上、近年の内燃機関の高出力化により内燃機関の負荷が増大してきており、バルブガイドにかかる曲げ荷重が増大している。
【００１０】
特許文献１〜４等の焼結バルブガイド材は高い耐摩耗性と良好な摺動特性を有する優れたものであるが、上記のように銅合金粉末および黒鉛粉末が完全に鉄基地に拡散しないよう９５０〜１０５０℃で焼結するため、１０８０〜１２００℃で焼結する一般の構造部材用焼結材に比して鉄粉末どうしの相互拡散が進んでおらず、一般の構造部材用焼結材に比して機械的強さが低い。このため、上記のような焼結バルブガイドにかかる曲げ荷重の増大に対して、機械的強さの向上が望まれている。
【００１１】
したがって、本発明は、９５０〜１０５０℃で焼結して銅合金相および遊離黒鉛相を有する焼結バルブガイドの機械的強さを向上する製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明の焼結バルブガイドの製造方法は、鉄粉末を主とし、少なくとも銅合金粉末および黒鉛粉末を含有する原料粉末を、略円筒状に圧粉成形し、得られた圧粉体を９５０〜１０５０℃で焼結する焼結バルブガイドの製造方法において、鉄粉末に、２４０メッシュの篩を通過しない粉末が４０質量％以上含まれ、２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうち７０質量％以上のものの円形度が０．５以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の焼結バルブガイドの製造方法において用いる鉄粉末は、一般の水アトマイズ鉄粉末より不規則形状であるため圧粉成形した際に鉄粉末どうしのからみ合いが多くなり、鉄粉末どうしの接触面積を大きくすることができる。このため、従来と同じ９５０〜１０５０℃で焼結しても鉄粉末どうしの相互拡散が進行し、従来のものより機械的強さの高い焼結バルブガイドを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
９５０〜１０５０℃で焼結する銅合金相および遊離黒鉛相を有する焼結バルブガイドの機械的強さを向上させる方法について発明者らが鋭意研究を重ねたところ、圧粉成形時の鉄粉末どうしのからみ合いを多くすれば、鉄粉末どうしの相互拡散に伴うネック成長の起点となる粉末どうしの接触部位が多くなり、この温度であっても鉄粉末どうしの相互拡散量が増加して焼結体の機械的強さが向上することを見出した。また、鉄粉末を主体とする原料粉末を圧粉成形する場合、鉄粉末どうしのからみ合いを発生させるため通常はガスアトマイズ粉末に比して形状が不規則な水アトマイズ鉄粉末を用いるが、実際に鉄粉末どうしのからみ合いに寄与するのはある程度の大きさの粉末であること、およびこの鉄粉末どうしのからみ合いに寄与するある程度の大きさの粉末について、より不規則形状の粉末を用いれば、圧粉成形時の鉄粉末どうしのからみ合いを多く形成できることを見出した結果なされたものである。
【００１５】
すなわち、本発明の焼結バルブガイドの製造方法において用いる鉄粉末は、２４０メッシュ（６３μｍ）の篩を通過しない粉末を４０％以上、好ましくは５０％以上とする。２４０メッシュの篩を通過しない粉末の量が鉄粉末全量の４０％を下回ると、鉄粉末どうしのからみ合いが少なく、ネック成長の起点となる粉末どうしの接触部位が少なくなる。また相対的に微粉の量が多くなる結果、原料粉末の流動性が低下するとともに、ブリッジングが生じ易くなって充填密度が低下する。
【００１６】
また、上記の２４０メッシュの篩を通過しない鉄粉末のうち７０％以上を円形度で０．５以下とすることが望ましい。粉末の円形度は、粉末のＳＥＭ写真等を観察して粉末の周囲長より求められる仮想円の面積に対する粉末の実際の面積の比であり、粉末の周囲長をＬ、粉末の面積をＳとしたとき、円形度＝４πＳ／Ｌ２で表される、０＜円形度≦１（真円）の範囲の値である。円形度が１に近いものほど真円に近く、粉末が丸みを帯びた形状であることを示し、円形度が小さいものほど不規則形状であることを示す。このような円形度は、三谷商事株式会社製Win ROOF等の画像解析ソフトを用いて求めることができる。
【００１７】
通常用いられる水アトマイズ粉末は、２４０メッシュの篩を通過しない鉄粉末のうち円形度が０．５以下のものは５０〜６０％程度しか含まないが、本発明においては、上記の２４０メッシュの篩を通過しない鉄粉末が円形度で０．５以下の不規則形状の粉末を７０％以上とすることで圧粉成形時の鉄粉末どうしのからみ合いを多く形成して、ネック成長の起点となる粉末どうしの接触部位を多くすることで、焼結時に粉末どうしの相互拡散量を多くすることができる。したがって、従来と同じ９５０〜１０５０℃で焼結しても鉄粉末どうしの相互拡散が進行し、従来のものより機械的強さの高い焼結バルブガイドを得ることができる。
【００１８】
本発明においては、上記の鉄粉末として、Ｆｅ以外のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、ＳおよびＯ（酸素）等の不可避不純物成分が０．４質量％以下であるとともに、これらの不可避不純物成分のうちＯ（酸素）量が０．２質量％以下である純度の高い鉄粉末を用いることが好ましい。このような純度の高い鉄粉末は、鉄粉末の圧縮性が良好であるため、圧粉成形した際に粉末が変形して上記の鉄粉末どうしの接点における鉄粉末どうしの接触面積が大きくなり、焼結時のネック成長がより進行し易くなる。
【００１９】
上記の不規則形状の鉄粉末は、例えば不純物が少ないアトマイズ鉄粉末の微粉を焼成して各鉄微粉末を互いに拡散接合させ、得られた塊を粉砕した後、粒度調整することで得ることができる。すなわち、不純物の少ないアトマイズ微粉末どうしが拡散接合して一個の鉄粉末を形成するため、単一のアトマイズ鉄粉に比して表面積が多くなる。アトマイズ鉄粉末の微粉末は、普通にアトマイズした鉄粉末を分級して微粉末を回収しても良く、アトマイズ時に微粉が得られるよう調整してアトマイズしても良い。また、アトマイズ鉄粉末の微粉の焼成に際しては還元性ガス中で行えば、焼成中に粉末中の酸化物の還元が行われて、酸化物の量をよりいっそう低減することもできる。
【００２０】
一方、鉱石還元鉄粉末は、良質な鉄鉱石を還元して純度を高めた粉末であり、このため多孔質となり不規則形状を呈するが、アトマイズ鉄粉末に比して不純物成分が多く、酸化物が多量に残留しているため圧縮性が低く、圧縮成形において粉末の変形量が少ないため粉末どうしの接触面積が増加せず好ましくない。
【００２１】
本発明においては、鉄粉末として上記のものを用いることで焼結バルブガイドの機械的強さを向上させることができるため、その他の銅合金粉末や黒鉛粉末等の原料粉末は従来と同じものを用いることができる。すなわち、従来の原料粉末中の鉄粉のみを本発明の鉄粉末に替え、他の原料粉末については従来のものを用い混合した原料粉末を圧粉成形して、従来と同じ９５０〜１０５０℃で焼結することにより従来と同様の金属組織を呈し、従来と同様の耐摩耗性および摺動特性を発揮しつつ、機械的特性を向上させた焼結バルブガイドを得ることができる。
【００２２】
すなわち、原料粉末中の銅合金粉末の添加量を全体組成中のＣｕ量が１〜５質量％となる量とすることで、焼結バルブガイド中に適正量の銅合金相を分散させることができ、原料粉末中の黒鉛粉末の添加量を１．５〜４質量％とすることで、焼結バルブガイド中に適正量の遊離黒鉛相を分散させることができる。
【００２３】
また、原料粉末中に全体組成中のＰ量が０．０１〜０．１質量％未満となる量の鉄−リン合金粉末を含有させれば特許文献３に相当する量の鉄−リン−炭素化合物相（ステダイト相）が分散する焼結バルブガイドが得られ、全体組成中のＰ量が０．１〜０．３質量％未満となる量の鉄−リン合金粉末を含有させれば特許文献１に相当する量の鉄−リン−炭素化合物相（ステダイト相）が分散する焼結バルブガイドが得られる。
【００２４】
さらに、原料粉末に、硫化マンガン粉末および珪酸マグネシウム鉱物粉末から選択される少なくとも１種の粉末を１．６質量％以下含有させることにより特許文献２〜４に記載されているように焼結バルブガイドの被削性を改良することができる。
【実施例】
【００２５】
水アトマイズ鉄粉末の微粉を焼成して各鉄微粉末を互いに拡散接合させ、得られた塊を粉砕して得られた試作粉末と、市販の水アトマイズ粉末を用意した。試作粉末と市販の水アトマイズ粉末の２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうちの円形度が０．５以下の粉末の量は、それぞれ８０％と５２％であった。試作粉末と市販の水アトマイズ粉末のＳＥＭ写真を図１に示す。図１（ａ）が試作粉末、図１（ｂ）が市販の水アトマイズ粉末である。試作粉末は、市販の水アトマイズ粉末に比して粉末表面の凹凸が大きくなっている。なお、試作粉末の不純物量は０．２９質量％であり、そのうちＯ量は０．０７質量％であり、市販の水アトマイズ粉末の不純物量は３．３質量％であり、そのうちＯ量は０．１２質量％であった。
【００２６】
上記の試作粉末の２４０メッシュの篩を通過しない粉末と、２４０メッシュの篩を通過した粉末を配合量を変えて混合するとともに、上記の試作粉と市販の水アトマイズ粉を混合して、２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうち円形度が０．５以下の粉末の割合を変えて、２４０メッシュ（６３μｍ）の篩を通過しない粉末の量（+#240の量）と、２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうちの円形度が０．５以下の粉末の量（円形度0.5以下の量）が表１のように異なる鉄粉末を用意した。
【００２７】
このような鉄粉末に、黒鉛粉末を１．８質量％、Ｓｎ量が１０質量％で残部が実質的にＣｕの銅合金粉末を５質量％、Ｐ量が２０質量％で残部が実質的にＦｅの鉄リン合金金粉末を０．４質量％および硫化マンガン粉末１質量％を添加混合した原料を用い、外径１８ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形状に成形圧力６５０ＭＰａで成形した後、アンモニア分解ガス雰囲気中１０００℃で焼結して試料０１〜０８の特許文献４に記載の焼結バルブガイドに相当する試料を作製した。得られた試料について、圧環試験を行い圧環強さを測定した。この結果を表１に併せて示す。なお、試料番号０６の試料は、市販の水アトマイズ粉末のみを用いた場合の例、すなわち従来例である。
【００２８】
【表１】
2010077515.tif 000002
【００２９】
表１の試料番号０１〜０３および０７、０８の試料を比較することにより、鉄粉末の２４０メッシュの篩を通過しない粉末の割合の影響を調べることができる。これらの試料は、いずれも２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうちの円形度が０．５以下の粉末が８０％の粉末である。２４０メッシュの篩を通過しない粉末の割合が４０％に満たない試料番号０１および０２の試料では、鉄粉末どうしのからみ合いに寄与する２４０メッシュの篩を通過しない粉末の割合が少なく、２４０メッシュの篩を通過する粉末の量が過多となる。このため、原料粉末の流動性が低下するとともに、ブリッジングが生じやすくなって充填性が低下した。その結果、試料番号０１および０２の試料では圧環強さが低い値となっている。一方、２４０メッシュの篩を通過しない粉末の割合が４０％を超える試料番号０３、０７および０８の試料では、鉄粉末どうしのからみ合いに寄与する２４０メッシュの篩を通過しない粉末の割合が十分となり、粉末の接触面積が増大した結果、焼結による拡散量が増加して圧環強さが向上している。
【００３０】
表１の試料番号０３〜０６の試料を比較することにより、２４０メッシュの篩を通過しない粉末が４０質量％であって、その円形度が０．５以下の粉末の量の影響を調べることができる。これらの試料より、円形度が０．５以下の粉末の量が７０％に満たない試料番号０５および０６の試料では、鉄粉末どうしのからみ合いが少ないことから圧環強さが低い値となっている。一方、円形度が０．５以下の粉末の量が７０％以上の試料番号０３、０４の粉末では、粉末どうしのからみ合いが増加し焼結による拡散量が増加して圧環強さが向上している。
【００３１】
以上より、鉄粉末を主とし、少なくとも銅合金粉末および黒鉛粉末を含有する原料粉末を、略円筒状に圧粉成形し、得られた圧粉体を９５０〜１０５０℃で焼結する焼結バルブガイドの製造方法において、鉄粉末に、２４０メッシュの篩を通過しない粉末が４０質量％以上含まれ、２４０メッシュの篩を通過しない粉末のうち７０質量％以上のものの円形度が０．５以下であることにより、焼結バルブガイドの機械的強さを向上できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例で用いた試作粉末の外観を示すＳＥＭ写真（ａ）と市販の水アトマイズ粉末の外観を示すＳＥＭ写真（ｂ）である。
【図１】
2010077515.tif 000003