(57)【要約】【課題】ガス燃料用エンジン用として好適な、耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材を提案する。  【解決手段】Ｃ：0.3〜1.5％と、Ni、Co、Mo、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で１〜20％とを、含有する基地相中に、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの１種または２種以上を含み、Si：1〜15％、Mo：20〜60％を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を10〜70％を含み、残部不可避的不純物からなる組成で、ビッカース硬さで500ＨＶ0.1〜1200ＨＶ0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量％で、10〜60％含有し、密度を6.7ｇ／cm３以上、圧環強さを350MPa以上とする。これにより、ガス燃料エンジンの環境下でも優れた耐摩耗性を有し、相手攻撃性が改善される。さらに、固体潤滑剤を含有してもよい。  【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を分散させてなる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材であって、前記基地相が、質量％で、Ｃ：0.3〜1.5％と、Ni、Co、Mo、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で１〜20％とを、含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、前記硬質粒子として、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの１種または２種以上を含み、ビッカース硬さで500ＨＶ0.1〜1200ＨＶ0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量％で10〜60％含有し、6.7ｇ／cm３以上の密度と、350MPa以上の圧環強さを有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【請求項２】
前記基地相が、質量％で、Ｃ：0.3〜1.5％と、Ni、Co、Moのうちから選ばれた１種または２種以上、あるいはさらに、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種を、合計で１〜20％含有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【請求項３】
前記硬質粒子が、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの１種または２種以上を含む硬質粒子であって、質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を10〜70％を含み、残部不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用鉄基焼結合金バルブシート材。
【請求項４】
前記硬質粒子が、質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：25％以下および／またはCo：10〜40％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成のFe基硬質粒子、質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：５〜25％を含み、残部がCoおよび不可避的不純物からなる組成のCo基硬質粒子、および質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：５〜25％および／またはCo：10％以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる組成のNi基硬質粒子のうちのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【請求項５】
固体潤滑剤を、質量％で、0.2〜５％含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【請求項６】
圧縮成形−焼結を２回繰り返す工程を経て、あるいは鍛造成形−焼結を行う工程を経て製造されてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用バルブシート材に係り、とくに強度、耐摩耗性が更に向上し、相手攻撃性が低い、ガス燃料エンジン用として好適な鉄基焼結合金製バルブシート材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンや軽油等の液体燃料を使用する内燃機関（エンジン）では、燃料や、燃焼生成物によってバルブとバルブシートとの潤滑性が保たれるため、バルブシートの摩耗がある程度抑制されている。しかし、ＬＰＧやＣＮＧ等のガス燃料を使用するエンジンでは、液体燃料を使用する場合と比べて、燃焼生成物が少なく、バルブとバルブシートとの間が金属接触となりやすく、バルブシートの摩耗が増大する傾向にある。このような状況から、ガス燃料エンジン用として、バルブシートの耐摩耗性の更なる向上が要望されていた。
【０００３】
バルブシートの耐摩耗性向上の手段としては、従来からバルブシートの基地中にFe−Ｗ系硬質粒子、Fe−Mo系硬質粒子や炭化物系硬質粒子等を多量に分散させる方法が用いられてきた。しかし、これら硬質粒子の分散量を多くすると、相手攻撃性が増大しバルブの摩耗が増加するという問題が生じる。
このような問題に対し、例えば、特許文献１には、基地成分としてＣ：0.5〜1.5重量％、Crおよび／またはＶ：合計で0.5〜10.0重量％、あるいはさらにNi、Co、Moよりなる群から選ばれた少なくとも１種の元素：合計で2.0〜20.0重量％、および残部Feが少なくとも含有されているとともに、コバルト基硬質粒子が26〜50重量％含有されている内燃機関用バルブシートが提案されている。特許文献１に記載された技術で製造されたバルブシートが、金属間接触摩耗の起き易い厳しい使用条件のガス燃料エンジン用として好適に使用できるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、全体組成が、適正量のＣ、Si、Cr、Ni、Mo、Ｗ、Co、Ｖを含み残部Feからなり、金属炭化物が分散した高速度工具鋼相、金属間化合物が分散したコバルト合金硬質相、Co−Ni−Mo−Ｃを含む鉄合金相およびコバルト合金硬質相が他の相に拡散した中間残りが、斑状に混在している組織を有する内燃機関用弁座材が提案されている。特許文献２に記載された技術によれば、弁座材の高温耐摩耗性が向上し、ＬＰＧ内燃機関用弁座の長寿命化が図れるとしている。
【０００５】
また、特許文献３には、全体組成が、適正量のCo、Mo、Cr、Ｖ、Si、Ｃ、Niを含み残部Feからなり、ベイナイトまたはベイナイトとソルバイト、およびマルテンサイトとオーステナイトの混合組織中にMo珪化物よりなる硬質相を核としてその周囲にCoが拡散した拡散相が取り囲む硬質相が分散した金属組織を有する高負荷エンジン用バルブシート材が提案されている。特許文献３に記載された技術によれば、耐摩耗性が向上し、ＣＮＧエンジン等の高負荷エンジン用のバルブシート材として好適となるとしている。
【特許文献１】特開平11−12697号公報
【特許文献２】特許第2706561号公報
【特許文献３】特開2002−285293号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近のガス燃料用エンジンにおいては、エンジン性能の更なる向上が指向されており、それに伴いバルブシートの使用環境もさらに厳しいものとなっている。このため、使用されるバルブシートの強度や耐摩耗性の更なる向上が要求されている。しかしながら、上記した従来技術で製造されるバルブシートでは、このような要求に対し十分に満足できる特性を確保できていないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題を有利に解決し、ガス燃料エンジン用として厳しい使用環境下でも所定の強度を有し、しかも優れた耐摩耗性を維持できる、耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、耐摩耗性に影響する各種要因について鋭意検討した。その結果、ガス燃料用エンジンにおけるような厳しい使用環境下で強度と耐摩耗性を向上させるためには、基地相中に相手攻撃性の低い硬質粒子を多量分散させることが重要で、安定して基地中に多量の硬質粒子を分散させるためには、6.7ｇ／cm３以上の密度と、350MPa以上の圧環強度を有する材料とする必要があることを知見した。これにより、硬質粒子が基地相から離脱することを防止でき、高強度と優れた耐摩耗性を厳しい使用環境下で長期間にわたり確保できることを知見した。本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を分散させてなる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材であって、前記基地相が、質量％で、Ｃ：0.3〜1.5％と、Ni、Co、Mo、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で１〜20％とを、含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、前記硬質粒子として、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの１種または２種以上を含み、ビッカース硬さで500ＨＶ0.1〜1200ＨＶ0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量％で10〜60％含有し、6.7ｇ／cm３以上の密度と、350MPa以上の圧環強さを有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【００１０】
（２）（１）において、前記基地相が、質量％で、Ｃ：0.3〜1.5％と、Ni、Co、Moのうちから選ばれた１種または２種以上、あるいはさらに、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種を、合計で１〜20％含有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
（３）（１）または（２）において、前記硬質粒子が、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの１種または２種以上を含む硬質粒子であって、質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を10〜70％を含み、残部不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金バルブシート材。
【００１１】
（４）（３）において、前記硬質粒子が、質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：25％以下および／またはCo：10〜40％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成のFe基硬質粒子、質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：５〜25％を含み、残部がCoおよび不可避的不純物からなる組成のCo基硬質粒子、および質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：５〜25％および／またはCo：10％以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる組成のNi基硬質粒子のうちのいずれかであることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【００１２】
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、固体潤滑剤を、質量％で、0.2〜５％含有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
（６）（１）ないし（５）のいずれかにおいて、圧縮成形−焼結を２回繰り返す工程を経て、あるいは鍛造成形−焼結を行う工程を経て製造されてなることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス燃料用エンジンにおけるような厳しい使用環境下においても、優れた強度とともに、優れた耐摩耗性を確保できるバルブシートを容易にしかも安定して製造でき、産業上格段の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のバルブシート材は、鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を分散させてなる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート材である。以下、組成に関する質量％は単に％で記す。
本発明のバルブシート材では、基地相が、Ｃ：0.3〜1.5％と、Ni、Co、Mo、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で１〜20％とを、含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有する。
【００１５】
まず、基地相の組成限定理由について説明する。
Ｃ：0.3〜1.5％
Ｃは、焼結時の拡散を促進させるために添加されるが、基地中に固溶し、基地相の強度を増加させる元素であり、このような効果を得るために、0.3％以上の含有を必要とする。一方、1.5％を超えて含有すると、基地にセメンタイトが生成しやすくなるとともに、焼結時に液相が発生しやすくなり、組織の安定性が低下し、製品の寸法変化が大きくなる。このため、本発明では基地相中のＣは0.3〜1.5％の範囲に限定した。
【００１６】
Ni、Co、Mo、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上：合計１〜20％
Ni、Co、Mo、Cr、Ｖはいずれも、基地の耐摩耗性を向上させる元素であり、本発明では合計で１％以上の含有を必要とする。一方、合計で20％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待でできなくなり経済的に不利となる。なお、Ni、Co、Moは、Cr、Ｖに比べて、高温強度や靭性向上に対する効果が大きく、Ni、Co、Moのうちから選ばれた１種または２種以上を含有することが好ましい。このため、Ni、Co、Mo、Cr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上、好ましくはNi、Co、Moのうちから選ばれた１種または２種以上、あるいはさらにCr、Ｖのうちから選ばれた１種または２種を合計で１〜20％に限定することが好ましい。
【００１７】
基地相における上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
本発明のバルブシート材は、上記した基地相組成を有する基地相中に、ビッカース硬さで500ＨＶ0.1〜1200ＨＶ0.1の硬さを有する硬質粒子を、質量％で10〜60％分散させた鉄基焼結合金で構成される。
硬質粒子は、耐摩耗性を確保するために基地相中に分散させるが、硬質粒子の硬さが500ＨＶ0.1未満では、所望の耐摩耗性を確保することができない。一方、1200ＨＶ0.1を超えて高くなると、相手攻撃性が増加する。このため、硬質粒子の硬さはビッカース硬さで500ＨＶ0.1〜1200ＨＶ0.1の範囲に限定した。基地相中に分散させる硬質粒子は、耐摩耗性、自己潤滑性、相手攻撃性の観点から、硬質粒子全体に対する質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、Cr、Ni、Co、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を10〜70％を含んでなる組成を有する、Fe、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Co、Mo、Siを主成分とする金属間化合物、Ni、Mo、Siを主成分とする金属間化合物のうちの１種または２種以上を含む硬質粒子とする。
【００１８】
具体的には、本発明で基地相中に分散させる硬質粒子としては、硬質粒子全体に対する質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：25％以下および／またはCo：10〜40％を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成のFe基硬質粒子、硬質粒子全体に対する質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：５〜25％を含み、残部がCoおよび不可避的不純物からなる組成のCo基硬質粒子、および硬質粒子全体に対する質量％で、Si：１〜15％、Mo：20〜60％を含み、あるいはさらにCr：５〜25％および／またはCo：10％以下を含み、残部がNiおよび不可避的不純物からなる組成のNi基硬質粒子のうちのいずれかあるいはそれらの複合とすることが好ましい。
【００１９】
基地相中に分散させる硬質粒子が、バルブシート材全体に対する質量％で10％未満では、目的とする耐摩耗性が確保できなくなる。一方、60％を超えて多量に含有すると、製造コストが高騰し経済的に不利となるうえ、成形性が劣化し、相手攻撃性が増加するとともに、基地との結合力が低下する。このため、本発明では硬質粒子はバルブシート材全体に対する質量％で10〜60％の範囲に限定した。
【００２０】
また、本発明のバルブシート材には、切削性改善を目的として、固体潤滑剤を、バルブシート材全体に対する質量％で、0.2〜５％含有してもよい。固体潤滑剤を基地相中に分散させることにより、刃具の保護ができ、さらに切り込みの起点となり、切削性がさらに改善される。固体潤滑剤としては、MnS、MoS２等の硫化物、CaF２等の弗化物、MgSiO2等の酸化物が例示できる。固体潤滑剤が0.2％未満では、上記した効果が認められない。一方、５％を超えて多量に含有しても、強度の低下が生じる。このため、固体潤滑剤は質量％で0.2〜５％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜３％である。
【００２１】
さらに、本発明のバルブシート材は、6.7ｇ／cm３以上の密度と、350MPa以上の圧環強さを有することを特徴とする。なお、ここでいう「圧環強さ」は、JIS Z 2507の規定に準拠してもとめた値とする。
密度が6.7ｇ／cm３  未満では、硬質粒子と基地との結合力が不足して、さらに耐摩耗性が低下して、ガス燃料エンジンの厳しい環境下における所望の耐摩耗性を確保することができなくなる。このため、密度を6.7ｇ／cm３以上に限定した。なお、好ましくは6.8ｇ／cm３以上である。
【００２２】
また、本発明では、硬質粒子と基地との結合力を向上させ、ガス燃料エンジンの厳しい環境下における所望の耐摩耗性を確保するために、圧環強さを350MPa以上とする。圧環強さが350MPa未満では、硬質粒子と基地との結合力が不足し、耐摩耗性が不足するうえ、バルブシート（製品）加工時に割れや欠け等が発生しやすくなる。なお、好ましくは450MPa以上である。
【００２３】
上記した本発明のバルブシート材は、上記した密度、圧環強さを安定して確保するために、圧縮成形−焼結を２回繰り返す工程を経て、あるいは鍛造成形−焼結を行う工程を経て製造されてなることが好ましい。
つぎに、本発明のバルブシート材の好ましい製造方法について説明する。
まず、原料粉として、上記した基地相組成となるように、純鉄粉に、合金元素粉としての、黒鉛粉末とさらにNi粉、Mo粉、Co粉のうちの１種以上、あるいはさらにCr粉、Ｖ粉のうちの１種以上、を上記した基地相組成となるように、配合し、さらに上記した硬さあるいはさらに上記した組成を有する硬質粒子粉末を上記した含有量となるように配合し、あるいはさらに固体潤滑剤粉末を上記した含有量となるように配合し、好ましくはさらには潤滑剤としてステアリン酸亜鉛等を配合し、混合、混練して混合粉とする。なお、本発明では、上記した基地相組成となるように、上記したように純鉄粉にそれら合金元素の粉末を所定量配合しても、それら元素を含有した低合金鋼粉末、合金鉄粉を所定量配合しても、あるいは両方を併用しても、いずれでもよい。
【００２４】
ついで、これら混合粉を、所定寸法のバルブシート状の金型に充填し、圧縮成形し仮焼結する一次圧縮成形−焼結工程を施して、一次焼結体とする。ついで、一次焼結体をさらに再圧縮成形し、ついで焼結する二次圧縮成形−焼結工程を施して焼結体(バルブシート材)とする、圧縮成形−焼結工程を２回繰返す工程とすることが好ましい。これにより、所望の密度、圧環強さを有する焼結体（バルブシート材）となる。
【００２５】
なお、圧縮成形は、メカニカルプレス、油圧プレス等のプレス成形とすることが好ましい。また、焼結は、還元雰囲気中あるいは真空中で、好ましくは1100〜1200℃の温度域に加熱される処理とすることが好ましい。
また、本発明では、圧縮成形−焼結工程を２回繰返す工程に代えて、鍛造−焼結工程としてもよい。
【００２６】
なお、得られた焼結体の空孔にPb、Cu、Zn等の低融点金属を溶浸させてもよい。低融点金属を空孔内に溶浸させることにより、耐摩耗性と相手材攻撃性を更に改善することができる。
得られた焼結体(バルブシート材)は、必要に応じ切削加工されて、製品であるバルブシートとされる。
【００２７】
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
純鉄粉と合金元素粉とを、表１に示す基地相組成となるように、さらに表２に示す種類、硬さの硬質粒子を表１の含有量となるように、あるいはさらに表１に示す種類の固体潤滑剤を表１に示す含有量となるように、それぞれ配合し、さらに潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛を配合し、Ｖ型混合機で混合・混練し混合粉とした。なお、潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛の配合量は、純鉄粉、合金元素粉、硬質粒子および固体潤滑剤の合計量100重量部に対する重量部で、1.0重量部とした。
【００２９】
また、一部のバルブシート材では、純鉄粉と合金元素粉の一部に代えて、低合金粉Ａ（Cr：3.0質量％、Mo：0.2質量％、Ｖ：0.3質量％、Bal.：Fe）、低合金粉Ｂ（Cr：1.0質量％、Mo：0.3質量％、Bal.：Fe）を用いた。
ついで、混合粉を金型に充填し、メカニカルプレス機で圧縮成形し、27φmm×22φmm×7.0mmのバルブシート状の成形体としたのち、仮焼結し、一次焼結体とした。さらに得られた一次焼結体を油圧プレスで仕上げ寸法（27φmm×22φmm×6.5mm）のバルブシート状に再圧縮成形したのち、再焼結を施し、焼結体とする圧縮成形−焼結工程を２回繰返した（２Ｐ２Ｓ）。なお、一部のシート材では１回圧縮成形−焼結工程（１Ｐ１Ｓ）後、鍛造し、焼結する鍛造−焼結工程（ＦＳ）を施した。なお、焼結は、還元雰囲気中の1160℃に加熱する、熱処理（焼結処理）とした。
【００３０】
得られた焼結体をバルブシート材として用いて、バルブシートを完成させた。得られたバルブシートについて、密度、圧環強さを測定するとともに、耐摩耗性を調査した。
密度は、アルキメデス法を用いて、また、圧環強さはJIS Z 2507の規定に準拠して求めた。また、耐摩耗性はつぎのような試験により評価した。
得られたバルブシートを、2000 CC、直列４気筒、４サイクル天然ガスエンジンに装着し、運転条件を6000 rpm／ＷＯＴ（全開運転）とし、試験時間24ｈで行った。なお、相手バルブ材は耐熱鋼SUH35を母材としバルブフェース部にトリバロイを盛金したものとした。耐摩耗性は、排気側におけるバルブシートとバルブの摩耗後沈み量を測定して、評価した。
得られた結果を表３に示す。
【００３１】
【表１】
2006299404.tif 000002
【００３２】
【表２】
2006299404.tif 000003
【００３３】
【表３】
2006299404.tif 000004
【００３４】
本発明例はいずれも、ガス燃料エンジンにおける厳しい環境に晒される排気側でも、バルブシートおよび相手材であるバルブの摩耗量が少なく、耐摩耗性、相手攻撃性が改善されていることがわかる。
【００３５】
一方、本発明範囲を外れる比較例は、バルブシートの摩耗が多く、あるいはさらにバルブの摩耗が多くなり、耐摩耗性が劣化し、相手攻撃性が大きいことがわかる。