(57)【要約】【課題】  優れた耐摩耗性と強度を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシート焼結合金製バルブシートを提供する。【解決手段】Ａｌ：２０〜３０％、Ｃ：０．１〜１．５％を含有し、さらにＮｉ，ＣｕおよびＭｏの内の１種または２種以上の合計（以下、（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）と記す）：０．１〜５％を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金で構成してなる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ａｌ：２０〜３０％、Ｃ：０．１〜１．５％を含有し、さらにＮｉ，ＣｕおよびＭｏの内の１種または２種以上の合計（以下、（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）と記す）：０．１〜５％を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金で構成してなることを特徴とする優れた耐摩耗性および強度を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強度および耐摩耗性に優れたＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシートに関するものであり、特に低排ガス自動車であるＬＰガスおよびＬＮガス自動車のエンジンに組み込まれた場合に、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種自動車エンジンのバルブシートとして多くのＦｅ系焼結合金製のものが提案され、中でも質量％（以下、％は質量％を示す）で、
Ａｌ：５〜３０％、
Ｃ  ：０．２〜３％、
を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、およびＦｅ−Ａｌ合金相とＦｅ−Ｃ相の２相混在組織、またはＦｅ−Ａｌ合金相とＦｅ−Ｃ相と炭素（Ｃ）相の３相混在組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートが注目されている。
【０００３】
また、上記の従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートは、通常の条件、すなわちアンモニア分解ガスやＲＸ分解ガスなどの雰囲気中、１０５０〜１１５０℃の温度に０．５〜２時間保持の条件で焼結しても、原料粉末として用いられるＦｅ粉末、Ａｌ粉末、および炭素粉末の粉末相互の焼結性が悪いために所定の強度をもった焼結体を製造することができず、このため前記原料粉末を所定の配合組成に配合し、混合し、プレス成形してなる圧粉体に５〜１００Ａ／ｍｍ２の電流密度で通電プレス成形焼結（プレス圧力は通常１００ＭＰａ）を施すことにより製造されている。
【特許文献１】特開２００２−１４６４９５
【特許文献２】特開２００２−１４６４９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、環境負荷低減のため、エンジンには排ガス低減が求められており、この要求を満たすためにガソリンエンジンにはリーンバーン化や直噴射化が進められており、ディーゼルエンジンにおいては筒内圧力の増加、そしてＬＰＧ、ＬＮＧに代表される代替燃料の採用が進められている。
ＬＰＧ燃料は既にタクシーなどでの使用実績があり、最も代替燃料として期待されている燃料であるが、ガソリン燃料使用環境に比べて
（イ）クリーン燃焼であるために燃焼生成物による潤滑効果が期待できない、
（ロ）室内が乾燥状態になり、より酸化性環境になる、
（ハ）排ガス温度が高温になり、ガソリン燃料の場合排ガス温度は８００℃前後であるがＬＰＧ燃料の場合排ガス温度は９００℃前後に上昇する、などの現象が生じ、そのため、エンジンのバルブシートに対しては、
（ａ）排ガス温度が８００℃前後から９００℃前後に上昇するために、バルブシート基地の強度および硬さが低下してバルブシートの耐摩耗性が低下する、
（ｂ）クリーン燃焼であるために燃焼生成物による潤滑効果が期待できず、また室内が乾燥状態になり、バルブと金属接触が発生し易くなる、
（ｃ）バルブとの接触圧が増加する、などの現象が生じ、そのために金属接触が起り易くかつ摩耗が著しく増大するという問題点が発生した。
【０００５】
かかる現象に対して、上記の従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートは、上記の通り２相混在組織および３相混在組織をもちかつ前記構成相のうちのＦｅ−Ｃ相が高温耐酸化性に劣るものであるため、特にＬＰガス自動車のエンジンに組み込まれた場合、前記高温の低排ガスによって前記Ｆｅ−Ｃ相の酸化が相対的に速く進行し、これが原因で摩耗が加速されるようになり、さらに前記２相混在組織および３相混在組織の場合、相境界部の強度が焼結性不足が原因で低いために薄肉化および小径化に十分な強度を確保することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートに比べて一層の耐摩耗性と強度の向上を図るべく研究を行った。その結果、原料粉末として、Ｆｅ粉末、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末（望ましくはＦｅ−５０％Ａｌ合金粉末）、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末、Ｍｏ粉末および炭素（Ｃ）粉末を用意し、これら原料粉末を成分組成が、
Ａｌ：２０〜３０％、
Ｃ  ：０．１〜１．５％、
Ｎｉ，ＣｕおよびＭｏの内の１種または２種以上の合計｛以下、Ｎｉ，ＣｕおよびＭｏの内の１種または２種以上の合計を（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）と記す｝：０．１〜５％を含有し、
Ｆｅ：残り、
となるように配合し、通常の条件で混合し、得られた混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体を真空、望ましくは１０Ｐａ以下の真空中、上記の通常の焼結温度に比して相対的に高い１１５０〜１３００℃の温度に１〜３時間保持の条件で焼結すると、製造されたバルブシートは、焼結時にＦｅ中にＡｌ、炭素（Ｃ）および（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）が完全に固溶して、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織をもつようになり、この結果得られたＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシートは、前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織によって耐摩耗性および強度が一段と向上したものになる、という研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
Ａｌ：２０〜３０％、
Ｃ  ：０．１〜１．５％、
を含有し、さらに、
（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）：０．１〜５％を含有し、
残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金で構成してなる、優れた耐摩耗性および強度を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシート、に特徴を有するものである。
【０００８】
つぎに、この発明のバルブシートを構成するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金の組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ａｌ
この発明のバルブシートを構成するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金のＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織は、原料粉末として、Ｆｅ粉末、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末、Ｍｏ粉末および炭素（Ｃ）粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌとＣと（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）の含有割合が上記の通りになるように限定し、かつ高温真空焼結することによって形成することができ、しかも相境界部が存在しないので一段と高い強度をもつものとなるばかりでなく、前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体自体も構成成分であるＦｅ成分で強度、Ａｌ成分で高温耐酸化性、Ｃ成分の作用で硬さ、（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）成分の作用で一層の基地強度を具備したものとなる。しかし、Ａｌ成分の含有割合が２０％未満では所望のすぐれた高温耐酸化性を確保することができず、一方その含有割合が３０％を越えると、原料粉末としてのＦｅ−Ａｌ合金粉末の配合割合が多くなり過ぎて、焼結時のＦｅへの完全固溶が困難となり、強度および高温耐酸化性低下の原因となる２相混在組織および３相混在組織が出現するようになることから、Ａｌ成分の含有割合を２０〜３０％と定めた。
（ｂ）Ｃ
Ｃ成分には、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体にあって、これの硬さを向上させ、もってバルブシートの耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有割合が０．１％未満では所望の硬さ向上効果が得られず、一方その含有割合が１．５％を越えると、Ａｌの場合と同様に焼結時のＦｅへの完全固溶が困難となり、２相混在組織および３相混在組織となって、強度および耐摩耗性が急激に低下するようになることから、Ｃ成分の含有割合を０．１〜１．５％と定めた。
（ｃ）Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ
これら成分は、基地を固溶強化してバルブシートの特性を一層向上させる作用を有するが、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏの内の１種または２種以上を合計で０．１％未満含有しても所望の効果が得られず，一方，５％を越えて含有するとＮｉ相、Ｃｕ相、Ｍｏ相が出現するようになって固溶体単相組織とならず、強度および耐摩耗性が急激に低下するようになることから、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏの内の１種または２種以上の合計を０．５〜５％と定めた。
【発明の効果】
【０００９】
この発明のＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシートは、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金で構成され、前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織は優れた硬さと強度を有するので、特に低排ガス自動車であるＬＰガス自動車のエンジンに組み込まれた場合に、自動車の高速化および高出力化に伴ない、排ガスが９００℃前後の高温に達するにもかかわらず、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮し、かつ薄肉化および小径化を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
つぎに、この発明のＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシートを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、−１５０メッシュの還元Ｆｅ粉末、−１５０メッシュのＦｅ−５０％Ａｌ合金粉末、数μｍのＮｉ粉末、−２００メッシュのＣｕ粉末、数μｍのＭｏ粉末および平均粒径：１０μｍの炭素（Ｃ）粉末を用意し、さらに潤滑材としてのステアリン酸亜鉛を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、潤滑材として前記配合粉末に対する割合で０．８％のステアリン酸亜鉛を加えてミキサーにて３０分間混合し、０．７Ｐａの圧力で、外径：４３ｍｍ×内径：３１ｍｍ×高さ：６．５ｍｍの寸法をもったリング状成形体にプレス成形し、この成形体を、３Ｐａの真空中、４００℃に２０分間保持の条件で加熱して前記潤滑材を除去した後、同じく３Ｐａの真空中、通常の焼結温度に比して相対的に高い１２５０℃に１．５時間保持の条件で真空高温焼結し、この結果の焼結体を外径：４０ｍｍ×内径：３４ｍｍ×高さ：６ｍｍの寸法に機械加工し、当接面加工も施すことにより表２に示される成分組成の本発明Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシート（以下、本発明焼結バルブシートという）１〜１３および比較Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシート（以下、比較焼結バルブシートという）１〜３をそれぞれ製造した。
【００１１】
また、比較の目的で、原料粉末として、−１５０メッシュの還元Ｆｅ粉末、平均粒径：２０μｍのＡｌ粉末および平均粒径：１０μｍの炭素（Ｃ）粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、潤滑材として前記配合粉末に対する割合で０．８％のステアリン酸亜鉛を加えてミキサーにて３０分間混合し、０．７Ｐａの圧力で、外径：４３ｍｍ×内径：３１ｍｍ×高さ：６．５ｍｍの寸法をもったリング状成形体にプレス成形し、この成形体を、同じ条件で脱潤滑材処理した後、１００ＭＰａの圧力を加えながら２５Ａ／ｍｍ２の電流密度で３秒間保持の条件で通電プレス成形焼結し、この結果の焼結体を外径：４０ｍｍ×内径：３４ｍｍ×高さ：６ｍｍの寸法に機械加工し、当接面加工も施すことにより表２に示される成分組成の従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシート（以下、従来焼結バルブシートという）１をそれぞれ製造した。
【００１２】
この結果得られた本発明焼結バルブシート１〜１３、比較焼結バルブシート１〜３および従来焼結バルブシート１について、その組織を金属顕微鏡を用いて観察し、その結果を表２に示した。また、本発明焼結バルブシート１〜１３、比較焼結バルブシート１〜３および従来焼結バルブシート１のビッカース硬さを測定し、その結果を表２に示した。さらに、強度を評価する目的で圧環強度を測定し、その結果も表２に示した。
【００１３】
次に、上記の本発明焼結バルブシート１〜１３、比較焼結バルブシート１〜３および従来焼結バルブシート１を、それぞれ排気量：５０００ｃｃのＬＰガス自動車のエンジンに組み込み、
回転数：３０００ｒｐｍ、
相手材(バルブ)：ＪＩＳ・ＳＵＨ３５（耐熱鋼）製本体にステライト１２を１ｍｍの厚さで肉盛りしたもの、
試験時間：２００時間、
の条件で実機高速運転摩耗試験を行い、試験後、最大摩耗深さを測定すると共に、相手材であるバルブの最大摩耗深さも測定した。この結果も表２に示した。
【００１４】
【表１】
2006016970.tif 000002
【００１５】
【表２】
2006016970.tif 000003
【００１６】
表１〜２に示される結果から、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金で構成された本発明焼結バルブシート１〜１３は、いずれも前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ−Ｍ固溶体単相組織が優れた硬さを有するので優れた耐摩耗性を有しかつ優れた強度を有するので、特に低排ガス自動車であるＬＰガス自動車のエンジンに組み込まれた場合に、自動車の高速化および高出力化に伴ない、排ガスが９００℃前後の高温に達するにもかかわらず、極めて小さい相手攻撃性で、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するのに対して、通電プレス成形燒結して得られた２相混在組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金で構成された従来焼結バルブシート１並びに真空燒結してもこの発明の条件から外れた組成を有し２相混在組織を有する比較焼結バルブシート１〜３は、強度および耐摩耗性が不足するなどして前記の苛酷な使用条件下では、比較的短時間で使用寿命に至ることが分かる。
【００１７】
上述のように、この発明のＦｅ−Ａｌ−Ｃ−（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ）焼結合金製バルブシートは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンは勿論のこと、特に自動車の高速化および高出力化に伴ない、排ガスが９００℃前後の高温に達し、かつ低排ガスであるためにバルブシートとバルブの当接が金属同士の直接接触形態をとり、それだけ厳しい使用条件となるＬＰガス自動車のエンジンに組み込まれた場合にも、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮し、また高強度を有するので、薄肉化および小径化が可能となるので、自動車の高速化および高出力化、さらに軽量化および小型化に十分満足に対応できるものである。