(57)【要約】      （修正有）【課題】バルブシートとして高い機械的強度と、相手攻撃性が低く優れた耐摩耗性とを兼備するバルブシート用鉄基焼結合金材を提供する。【解決手段】基地相中に、硬さが600〜1200HVのCo基金属間化合物粒子である第一の硬質粒子と硬さが400〜700HVの炭化物系粒子である第二の硬質粒子と二種の硬質粒子と、或いは更に固体潤滑剤粒子を分散させた鉄基焼結合金材とし、基地相と二種類の硬質粒子とからなる基地部は、質量％で、C：0.3〜1.5％を含み、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で10〜50％含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有し、硬さが高いCo基金属間化合物粒子に加えて、硬さが低く相手材攻撃性が低くかつ機械的強度増加に大きく寄与する炭化物系粒子を基地相中に分散する耐摩耗性に優れたバルブシート用鉄基焼結合金材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地相中に、硬さが異なる第一と第二の、二種類の硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金材であって、
前記基地相と前記二種類の硬質粒子とからなる基地部が、質量％で、C：0.3〜1.5％を含み、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10〜50％含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、
前記第一の硬質粒子を、硬さがビッカース硬さで600〜1200HVであるCo基金属間化合物粒子とし、前記第二の硬質粒子を、硬さがビッカース硬さで400〜700HVである炭化物系粒子とし、
前記第一の硬質粒子を質量％で2〜45％、前記第二の硬質粒子を質量％で2〜30％、それぞれ含み、かつこれら二種類の硬質粒子を合計で質量％で10〜50％分散させた組織を有し、
密度：6.6g/cm3以上、圧環強度：350MPa以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れたバルブシート用鉄基焼結合金材。
【請求項２】
前記Co基金属間化合物粒子が、質量％で、Mo：20〜60％、Si：1〜10％を含み、Cr、Ni、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で5〜70％を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
前記炭化物系粒子が、質量％で、C：0.5〜1.5％、Si：0.2〜0.5％、Mn：0.1〜0.5％、Cr：2〜6％、Mo：3〜7％、W：4〜8％、V：1〜3％を含み、残部Feおよび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に記載のバルブシート用鉄基焼結合金材。
【請求項３】
前記Co基金属間化合物粒子が、平均粒径で5〜40μmを有する粉末粒子と、平均粒径で40〜100μmを有する粉末粒子との混合粉として配合されたことを特徴とする請求項２に記載のバルブシート用鉄基焼結合金材。
【請求項４】
前記炭化物系粒子が、＃100メッシュの篩いを通過する粒度分布（−＃100メッシュ）を有する粉末として配合されたことを特徴とする請求項２に記載のバルブシート用鉄基焼結合金材。
【請求項５】
前記基地相中に、前記硬質粒子に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を質量％で0.2〜5％分散させた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バルブシート用鉄基焼結合金材。
【請求項６】
原料粉末として、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末、あるいはさらに固体潤滑剤粒子粉末とを配合し、混合して混合粉としたのち、該混合粉を金型に装入し成形して所定形状、密度の圧粉体とし、該圧粉体を焼結して焼結体とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法であって、
前記硬質粒子粉末が、第一の硬質粒子粉末と第二の硬質粒子粉末とからなり、前記第一の硬質粒子粉末を、硬さがビッカース硬さで600〜1200HVであるCo基金属間化合物粒子粉末とし、前記第二の硬質粒子を、硬さがビッカース硬さで400〜700HVである炭化物系粒子粉末とし、
前記原料粉末を、焼結後の基地相と硬質粒子とを含む基地部の組成が、質量％で、C：0.3〜1.5％を含み、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10〜50％含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するように、かつ焼結後の組織が、前記第一の硬質粒子を質量％で2〜45％、前記第二の硬質粒子を質量％で2〜30％、かつこれら二種類の硬質粒子を合計で10〜50％含む組織を有するように、配合し、
密度：6.6g/cm3以上、圧環強度：350MPa以上を有する焼結体とすることを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項７】
前記Co基金属間化合物粒子粉末が、質量％で、Mo：20〜60％、Si：1〜10％を含み、Cr、Ni、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で5〜70％を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
前記炭化物系粒子粉末が、質量％で、C：0.5〜1.5％、Si：0.2〜0.5％、Mn：0.1〜0.5％、Cr：2〜6％、Mo：3〜7％、W：4〜8％、V：1〜3％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する粉末であることを特徴とする請求項６に記載のバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項８】
前記第一の硬質粒子粉末が、ピークトップ位置が粒径：5〜40μmと粒径：40〜100μmの２箇所に存在する粒径分布を示す粉末であり、前記炭化物系粒子粉末が、＃100メッシュの篩いを通過する粒度分布（−＃100メッシュ）を有する粉末であることを特徴とする請求項６に記載のバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項９】
前記固体潤滑剤粒子粉末を、焼結後の基地相中に質量％で0.2〜5％となるように配合することを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載のバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項１０】
前記成形と前記焼結とを、複数回繰返すことを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載のバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項１１】
請求項６ないし１０のいずれかに記載のバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法で製造された鉄基焼結合金材からなることを特徴とする内燃機関用バルブシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のバルブシート用として好適な鉄基焼結合金材に係り、とくに、鉄基焼結合金材の耐摩耗性の更なる向上と、相手攻撃性の低減および圧環強度の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のバルブシートは、シリンダーヘッドに圧入されて、燃焼室の気密性を確保するとともに、バルブを冷却する役割を担っている。バルブシートは、吸気口、排気口を開閉するバルブを着座させるため、バルブによる叩かれ、すべりによる摩耗に加えて、燃焼ガスによる加熱、燃焼生成物による腐食等に晒される。
最近、自動車用内燃機関に対し、高出力化、燃費向上の要求が強くなっており、使用されるバルブシートの環境も一段と厳しいものとなっている。そのため、バルブシートに対しても更なる耐摩耗性の向上が強く要望されている。
【０００３】
このような要望に対し、例えば特許文献１には、10〜150μmの粒径と500HV0.1以上800HV0.1未満の硬さを有するCo基金属間化合物を面積率で10〜20％と、10〜150μmの粒径と800HV0.1以上1100HV0.1未満の硬さを有するCo基金属間化合物を面積率で15〜35％と、かつそれらの合計で面積率で25〜55％分散させたバルブシート用鉄基焼結合金材が記載されている。特許文献１に記載された技術によれば、耐摩耗性に優れるうえ、相手攻撃性が低いバルブシートが得られるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、バルブシート用鉄基焼結合金材が記載されている。特許文献２に記載された技術は、２種類の硬質粒子を分散含有させた鉄基焼結合金材であり、第１硬質粒子を平均一次粒子径が5〜20μmの硬質粒子とし、第２硬質粒子を平均一次粒子径が20〜150μmの硬質粒子とし、これらの粒子を用いて混合した場合に得られる混合硬質粒子のピークトップ位置に相当する径のうち、隣接するピークトップ位置の粒径差が15〜100μmの範囲となるように、第１、第２の硬質粒子を選択的に用い、第１硬質粒子と第２硬質粒子とが合計で10〜60面積％を占めるように配合するとしている。これにより、バルブシートとしたときの、耐摩耗性向上、相手攻撃性の低減、機械的強度の向上を同時に達成することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2005−248234号公報
【特許文献２】国際公開WO 2009/122985A1号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された技術では、優れた耐摩耗性と低い相手攻撃性を兼備させることができるが、しかし、硬質粒子を多量に分散させることになり、機械的強度が低下し、優れた耐摩耗性と高い機械的強度とを兼備させることができないという問題があった。また、特許文献２に記載された技術では、微細な硬質粒子を多量に含有すると、硬質粒子が凝集し、均一に分散しにくくなり、しかも凝集した硬質粒子が摩耗の起点になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、バルブシートとして高い機械的強度（圧環強度）と、相手攻撃性が低く優れた耐摩耗性とを兼備するバルブシート用鉄基焼結合金材を提供することを目的とする。なお、ここでいう「圧環強度」とは、JIS Z 2507の規定に準拠して測定した圧環強度値をいうものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、耐摩耗性、相手攻撃性および機械的強度（圧環強度）に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、硬さの高い硬質粒子、好ましくはCo基金属間化合物粒子、に加えて、硬さの低い硬質粒子、好ましくは炭化物系硬質粒子、を併用することにより、圧環強度の低下を伴うことなく硬質粒子全体量を増加でき、しかも相手攻撃性の顕著な増大を伴うことなく耐摩耗性の向上が図れることを見出した。
【０００９】
さらに、本発明者らは、硬さの高い硬質粒子として、粒子径が小さい細かい硬質粒子粉末と粒子径が大きい比較的粗い硬質粒子粉末とを混合し、２つのピークトップを示す適正な粒径分布を有する粉末(混合粉)に調整して、原料粉末として利用することにより、焼結時の拡散性が増加して圧環強度がさらに向上することを見出した。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）基地相中に、硬さが異なる第一と第二の、二種類の硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金材であって、前記基地相と前記二種類の硬質粒子とからなる基地部が、質量％で、C：0.3〜1.5％を含み、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10〜50％含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、前記第一の硬質粒子を、硬さがビッカース硬さで600〜1200HVであるCo基金属間化合物粒子とし、前記第二の硬質粒子を、硬さがビッカース硬さで400〜700HVである炭化物系粒子とし、前記第一の硬質粒子を質量％で2〜45％、前記第二の硬質粒子を質量％で2〜30％、それぞれ含み、かつこれら二種類の硬質粒子を合計で質量％で10〜50％分散させた組織を有し、密度：6.6g/cm3以上、圧環強度：350MPa以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れたバルブシート用鉄基焼結合金材。
（２）（１）において、前記Co基金属間化合物粒子が、質量％で、Mo：20〜60％、Si：1〜10％を含み、Cr、Ni、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で5〜70％を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記炭化物系粒子が、質量％で、C：0.5〜1.5％、Si：0.2〜0.5％、Mn：0.1〜0.5％、Cr：2〜6％、Mo：3〜7％、W：4〜8％、V：1〜3％を含み、残部Feおよび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バルブシート用鉄基焼結合金材。
（３）（２）において、前記Co基金属間化合物粒子が、平均粒径で5〜40μmを有する粉末粒子と、平均粒径で40〜100μmを有する粉末粒子との混合粉として配合されたことを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材。
（４）（２）において、前記炭化物系粒子が、＃100メッシュの篩いを通過する粒度分布（−＃100メッシュ）を有する粉末として配合されたことを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材。
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記基地相中に、前記硬質粒子に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を質量％で0.2〜5％分散させたことを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材。
（６）原料粉末として、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末、あるいはさらに固体潤滑剤粒子粉末とを配合し、混合して混合粉としたのち、該混合粉を金型に装入し成形して所定形状、密度の圧粉体とし、該圧粉体を焼結して焼結体とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法であって、前記硬質粒子粉末を、第一の硬質粒子粉末と第二の硬質粒子粉末とからなり、前記第一の硬質粒子粉末を、硬さがビッカース硬さで600〜1200HVであるCo基金属間化合物粒子粉末とし、前記第二の硬質粒子を、硬さがビッカース硬さで400〜700HVである炭化物系粒子粉末とし、前記原料粉末を、焼結後の基地相と硬質粒子とを含む基地部の組成が、質量％で、C：0.3〜1.5％を含み、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10〜50％含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するように、かつ焼結後の組織が、前記第一の硬質粒子を質量％で2〜45％、前記第二の硬質粒子を質量％で2〜30％、かつこれら二種類の硬質粒子を合計で10〜50％含む組織を有するように、配合し、密度：6.6g/cm3以上、圧環強度：350MPa以上を有する焼結体とすることを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
（７）（６）において、前記Co基金属間化合物粒子粉末が、質量％で、Mo：20〜60％、Si：1〜10％を含み、Cr、Ni、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で5〜70％を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記炭化物系粒子粉末が、質量％で、C：0.5〜1.5％、Si：0.2〜0.5％、Mn：0.1〜0.5％、Cr：2〜6％、Mo：3〜7％、W：4〜8％、V：1〜3％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する粉末であることを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
（８）（６）において、前記第一の硬質粒子粉末が、ピークトップ位置が粒径：10〜40μmと粒径：40〜100μmの２箇所に存在する粒径分布を示す粉末であり、前記炭化物系粒子粉末が、＃100メッシュの篩いを通過する粒度分布（−＃100メッシュ）を有する粉末であることを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
（９）（６）ないし（８）のいずれかにおいて、前記固体潤滑剤粒子粉末を、焼結後の基地相中に質量％で0.2〜5％となるように配合することを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
（１０）（６）ないし（９）のいずれかにおいて、前記成形と前記焼結とを、複数回繰返すことを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法。
（１１）（６）ないし（１０）のいずれかに記載のバルブシート用鉄基焼結合金材の製造方法で製造された鉄基焼結合金材からなることを特徴とする内燃機関用バルブシート。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バルブシートとして高い機械的強度と、相手攻撃性が低く優れた耐摩耗性とを兼備する鉄基焼結合金材を、容易にしかも安価に製造することができ、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】単体リグ摩耗試験機の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、内燃機関のバルブシート用で、基地相中に、硬さが異なる第一と第二の、二種類の硬質粒子、あるいはさらに固体潤滑剤を分散させた鉄基焼結合金材である。
本発明では、基地相中に、二種類の硬さが異なる硬質粒子を分散させる。
硬い硬質粒子は、耐摩耗性を顕著に向上させるが、相手攻撃性が高く、多量に分散させると相手材（バルブ）の摩耗が顕著となる。また、硬い硬質粒子は、焼結時の拡散性が低く、機械的強度が低下しやすい。そこで、本発明では、硬い硬質粒子に加えて、硬さの低い硬質粒子を分散させることにした。
【００１３】
本発明では、硬さの高い第一の硬質粒子として、Co基金属間化合物粒子とすることが好ましい。Co基金属間化合物粒子は、比較的軟らかなCo基地中に硬さの高い金属間化合物が分散した粒子で、硬さが高いわりには相手攻撃性が低いという特徴がある。第一の硬質粒子とするCo基金属間化合物粒子は、ビッカース硬さで600〜1200HVの硬さを有する。硬さが600HV未満では、第一の硬質粒子としては粒子の硬さが低すぎて、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、硬さが1200HVを超えると、粒子の靭性が低下し、割れや欠けが発生しやすく、脱落しやすくなるという問題がある。なお、粒子のビッカース硬さは、JIS Z 2244の規定に準拠して、ビッカース硬度計（荷重：50gf）を用いて5個以上の粒子を測定して、得られた値を算術平均して、当該粒子の硬さとする。
【００１４】
なお、Co基金属間化合物粒子としては、Mo−Si−Fe−Cr系Co基金属間化合物粒子、Si−Cr−Mo系Co基金属間化合物粒子、Si−Ni−Cr−Mo系Co基金属間化合物粒子、が例示できる。なかでも、Mo−Si−Fe−Cr系Co基金属間化合物粒子とすることが、耐摩耗性向上の観点から好ましい。Mo−Si−Fe−Cr系Co基金属間化合物粒子は、質量％で、Mo：20〜60％、Si：1〜10％を含み、Cr、Ni、Feのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で5〜70％を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有することが好ましい。
【００１５】
また、第一の硬質粒子としては、硬質粒子の分散性の観点から、第二の硬質粒子と同程度の粒径分布を呈する粉末粒子を用いることが好ましい。細かい粉末粒子を用いれば、焼結時の拡散性が増加し機械的強度の増加に繋がるが、細かい粉末粒子のみでは、成形時の粉末流動性が低下するとともに、粒子の凝集が促進され耐摩耗性が低下する。そのため、使用する硬質粒子粉末としては、平均粒径で50〜60μmを有する粉末粒子（−＃100）とすることが好ましい。平均粒径で50〜60μmを超える粉末粒子では、相手攻撃性が増加する。
【００１６】
また、第一の硬質粒子では、平均粒径が異なる２種の粉末粒子を混合して使用することがより好ましい。これにより、粒子の凝集が防止でき、粒子の均一分散が促進でき、耐摩耗性と強度の向上が図れる。
例えば、平均粒径で5〜40μmを有する粉末粒子と、平均粒径で40〜100μmを有する粉末粒子との混合粉を用いることがより好ましい。平均粒径40〜100μmの粒子粉末に加えて、平均粒径で5〜40μmと細かい粉末粒子を配合することにより、焼結時の拡散性が増加し、更なる機械的強度の向上に繋がる。平均粒径で5μm未満の粉末粒子では、細かすぎて、成形時の粉末流動性が低下するとともに、焼結時に拡散して消失する。
【００１７】
なお、粒子の粒径は、レーザー回折法を用いて得られた値を用いるものとする。
硬さの高い第一の硬質粒子に加えて、さらに、本発明では、硬さの低い硬質粒子を第二の硬質粒子として併合して用いる。硬さの高い第一の硬質粒子のみで、機械的強度を増加させようとすると、相手攻撃性が増加する。そこで、硬さの高い第一の硬質粒子の一部に代えて、硬さの低い硬質粒子を第二の硬質粒子として使用する。これにより、硬質粒子量を増加しても、焼結合金材強度の著しい低下がなく、耐摩耗性の増加が図れる。
【００１８】
本発明では、第二の硬質粒子として、硬さがビッカース硬さで400〜700HVである炭化物系粒子を用いる。炭化物系粒子は、Co基金属間化合物粒子よりも焼結時での基地相への拡散性が高く、焼結合金材における機械的強度の低下を招くことが少なく、しかも相手攻撃性も低いという特徴がある。炭化物系粒子としては、高速度鋼系粒子が例示でき、質量％で、C：0.5〜1.5％、Si：0.2〜0.5％、Mn：0.1〜0.5％、Cr：2〜6％、Mo：3〜7％、W：4〜8％、V：1〜3％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することが好ましい。
【００１９】
なお、炭化物系粒子は、＃100メッシュの篩いを通過する粒度分布（−＃100メッシュ）を有する粉末粒子とすることが好ましい。＃100メッシュの篩いを通過しない平均粒径が、150μmを超えて大きな粉末粒子では、焼結時の拡散性が低下し、機械的強度の増加を望めない。一方、平均粒径が、5μm未満では、細かすぎて流動性の低下が著しく、また凝集しやすく、焼結時に拡散して消失する。
【００２０】
本発明焼結合金材では、硬質粒子としては、第一の硬質粒子を質量％で2〜45％、第二の硬質粒子を質量％で2〜30％それぞれ含み、かつこれら二種類の硬質粒子を合計で質量％で10〜50％基地相中に分散させる。
第一の硬質粒子が2質量％未満では、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、45質量％を超えて多量に含有すると、耐摩耗性に対する効果が飽和し、分散量に見合う効果が期待できなくなるうえ、機械的強度の低下が著しくなる。なお、好ましくは5〜40質量％である。
【００２１】
また、第二の硬質粒子が2質量％未満では、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、30％を超えて多量に含有すると、耐摩耗性の向上が飽和し、機械的強度の低下が著しくなる。なお、好ましくは5〜20質量％である。
なお、本発明では、基地相中に第一および第二の硬質粒子を上記した範囲内で含みかつ合計で、10〜50質量％含有する。第一および第二の硬質粒子が、合計で、10質量％未満では、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、50質量％を超えて多量に含有すると、機械的強度の低下が著しくなる。このため、二種類の硬質粒子の合計量は、10〜50質量％の範囲に限定した。なお、好ましくは15〜40質量％である。
【００２２】
さらに、本発明鉄基焼結合金材では、基地相と、硬質粒子、あるいはさらに固体潤滑剤粒子とからなる基地部は、質量％で、C：0.3〜1.5％を含み、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10〜50％含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有する。
C：0.3〜1.5質量％
Cは、焼結体の強度、硬さを増加させ、焼結時に金属元素の拡散を容易にする作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.3％以上の含有を必要とする。一方、1.5質量％を超える多量の含有は、基地中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、寸法精度が低下する。このため、Cは0.3〜1.5質量％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5〜1.3質量％である。
【００２３】
Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上：合計で10〜50質量％
Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oはいずれも、焼結体の強度、硬さを増加させ、さらに耐摩耗性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、硬質粒子起因、固体潤滑剤起因を含め、少なくとも１種を選択して合計で、10質量％以上含有する必要がある。一方、50質量％を超えて含有すると、成形性が低下し、機械的強度も低下する。このため、Si、Mo、Cr、Ni、Co、Mn、S、W、V、Ca、F、Mg、Oのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10〜50質量％の範囲に限定した。なお、好ましくは5〜45質量％である。
【００２４】
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。
本発明鉄基焼結合金材は、上記したように基地相中に、上記した硬質粒子を分散させた組織と、上記した基地部組成とを有し、密度：6.6g/cm3以上、圧環強度：350MPa以上を有する。
つぎに、本発明鉄基焼結合金材の好ましい製造方法について、説明する。
【００２５】
原料粉末として、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末、あるいはさらに固体潤滑剤粒子粉末とを配合し、混合して混合粉とする。
原料粉末の一つとして、混合粉に配合され基地相を構成する鉄系粉末は、アトマイズ純鉄粉、合金元素量が5質量％以下のアトマイズ合金鋼粉、あるいは部分合金粉等が例示できる。これら粉末を、焼結後の基地部組成に適合するように、単独、あるいは複合して配合することが好ましい。配合される鉄系粉末の平均粒径については、とくに限定する必要はないが、硬質粒子の分散を考慮して、硬質粒子粉末と同程度の平均粒径とするか、より細かい平均粒径を有する粉末とすることが好ましい。鉄系粉末が硬質粒子粉末より大きな平均粒径を有する粉末では、硬質粒子の均一かつ微細分散が困難となる。
【００２６】
本発明で、原料粉末の一つとして混合粉に配合する硬質粒子粉末は、硬さが異なる第一の硬質粒子粉末、第二の硬質粒子粉末からなる二種類の粉末とする。第一の硬質粒子粉末は、硬さがビッカース硬さで600〜1200HVであるCo基金属間化合物粒子粉末とし、第二の硬質粒子は、硬さがビッカース硬さで400〜700HVである炭化物系粒子粉末とする。
第一の硬質粒子粉末の配合量は、焼結後の基地相中に質量％で2〜45％分散するように、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末の合計量に対する質量％で、2〜45％配合することが好ましい。第一の硬質粒子粉末の配合量が、2質量％未満では、所望の耐摩耗性を確保することが困難となる。一方、45質量％を超えて配合すると、焼結合金材の機械的強度が低下する。このため、第一の硬質粒子の配合量は、焼結後の基地相中に質量％で2〜45％分散するように、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末の合計量に対する質量％で、2〜45％の範囲に限定した。
【００２７】
また、第二の硬質粒子粉末の配合量は、焼結後の基地相中に質量％で2〜30％分散するように、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末の合計量に対する質量％で、2〜30％とする。第二の硬質粒子粉末の配合量が、2質量％未満では、所望の耐摩耗性を確保することが困難となる。一方、30質量％を超えて配合されると、耐摩耗性が飽和するとともに、機械的強度の低下が著しくなる。このため、第二の硬質粒子の配合量は、焼結後の基地相中に質量％で2〜30％分散するように、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末との合計量に対する質量％で、2〜30％の範囲に限定した。
【００２８】
硬質粒子粉末の配合量は、焼結後の基地相中に硬質粒子が質量％で10〜50％分散するように、第一、第二の硬質粒子を上記したそれぞれの範囲内で、かつ合計で、鉄系粉末と硬質粒子粉末と合金用粉末との合計量に対する質量％で、10〜50％とする。硬質粒子粉末の配合量が10質量％未満では、所望の耐摩耗性を確保することが困難となる。一方、50質量％を超えて配合されると、焼結合金材の機械的強度が低下する。このため、硬質粒子の配合量は、焼結後の基地相中に硬質粒子が質量％で10〜50％分散するように、合計で10〜50質量％の範囲に限定した。
【００２９】
なお、使用する第一の硬質粒子粉末は、平均粒径で50〜60μmを有する粉末粒子（−＃100）とすることが好ましい。平均粒径で50〜60μmを超える粉末粒子では、相手攻撃性が増加する。また、平均粒径が上記した範囲より細かくなり過ぎると、成形時の粉末流動性が低下する。また、使用する第一の硬質粒子粉末としては、粒径分布でピークトップ位置が粒径：5〜40μmと粒径：40〜100μmの２箇所に存在する粒子粉末（混合粉）を用いてもよい。このような粒子粉末を使用することにより、更なる機械的強度の向上が図れる。
【００３０】
原料粉末の一つとして混合粉に配合される合金用粉末として、黒鉛粉、Ni粉、Co粉が例示されるが、合金用粉末の配合量は、所望の焼結体における基地部組成となるように、適宜決定される。また、使用する合金用粉末も、硬質粒子の均一分散という観点からは、硬質粒子粉末と同程度の粒径分布を有する粉末とすることが好ましい。
また、本発明では、上記した粉末に加えてさらに、混合粉に、固体潤滑剤を、焼結後の基地相中に固体潤滑剤粒子が質量％で0.2〜5％分散するように、鉄系粉末、合金用粉末、硬質粒子の合計量100質量部に対し0.2〜5質量部配合してもよい。固体潤滑剤粒子は、バルブシートの被削性の向上、運転時のバルブとの凝着の抑制に寄与する。このような効果は、0.2質量部以上の配合で認められる。固体潤滑剤粒子が0.2質量部未満では、被削性が劣化傾向を示し、さらにバルブとの凝着発生が促進されやすくなる傾向となる。一方、5質量部を超えて配合しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となるとともに、焼結体強度が低下する。このため、固体潤滑剤粒子粉末の配合量は焼結後の基地相中に固体潤滑剤粒子が質量％で0.2〜5％分散するように、鉄系粉末、合金用粉末、硬質粒子の合計量100質量部に対し0.2〜5質量部に限定することが好ましい。固体潤滑剤としては、MnS、MoS2、WS2等の硫化物のうちの１種以上、あるいはCaF2等の弗化物のうちの１種以上、MgSiO2等の酸化物のうちの１種以上、あるいはそれらの混合とすることが好ましい。
【００３１】
上記したように配合した混合粉を、ついで、金型に充填したのち、成形プレス等により圧縮・成形し所定密度の圧粉体とする。ついで、得られた圧粉体を、アンモニア分解ガス、真空等の保護雰囲気中で、好ましくは1100〜1200℃の温度範囲に加熱して焼結し、鉄基焼結合金材とする。
なお、成形Ｐと焼結Ｓとを、複数回繰返す工程とすることが好ましい。成形、焼結を２回繰り返す、２Ｐ２Ｓ工程とすることがより好ましい。また、成形をプレス成形Ｐに代えて鍛造Ｆとする１Ｆ１Ｓ工程としてもよい。
【００３２】
このようにして得られた鉄基焼結合金材を、切削、研削等の加工により所定寸法形状の内燃機関用バルブシートとする。
【実施例】
【００３３】
原料粉末として、表１に示す純鉄粉あるいは低合金鋼粉の鉄系粉末に、合金用粉末、表２に示す硬質粒子粉末を、表３に示す種類、量だけ配合し、さらに、固体潤滑剤粉を表３に示す種類、量だけ配合し、Ｖ型混合機で混合し、混練して混合粉とした。なお、固体潤滑剤粉末の配合量は、鉄系粉末、合金用粉末、硬質粒子粉末の合計量100質量部に対する質量部で、固体潤滑剤粉末以外の各原料粉末における配合量は、鉄系粉末、合金用粉末、硬質粒子粉末の合計量に対する質量％で表示した。各粉末の平均粒径は、レーザー回折法で測定した。また、硬質粒子粉末の硬さは、JIS Z 2244の規定に準拠し、5個以上の粒子について荷重：50gfで測定し、その平均した値をその硬質粒子粉末の硬さHV0.05として示す。
【００３４】
ついで、これらの混合粉を金型に充填し、成形プレスにより圧縮・成形し、圧粉体とした。ついで、これら圧粉体に、1100〜1200℃の保護雰囲気（還元雰囲気）中で焼結処理を施す、１Ｐ１Ｓ工程を施し、鉄基焼結合金材とした。なお、一部では、成形と焼結とを２回繰り返す、２Ｐ２Ｓ工程を適用した。
得られた鉄基焼結合金材（焼結体）から分析用試料を採取し、発光分析により各元素の含有量を求め、基地部組成とした。
【００３５】
また、得られた焼結体から、JIS Z 2507の規定に準拠して試験片を採取し、圧環強度を測定した。なお、得られた焼結体について、アルキメデス法を用いて密度を測定した。
さらに、得られた焼結体から、切削、研削加工によりバルブシート（寸法形状：27mmφ×22mmφ×7mm）を加工し、図１に示す単体リグ試験機を用いて単体リグ摩耗試験を実施し、耐摩耗性、相手攻撃性を評価した。試験方法はつぎの通りである。
【００３６】
バルブシート１をシリンダーヘッド相当品の治具２に圧入したのち、試験機に装着した熱源３によりバルブ４およびバルブシート１を加熱しながらクランク機構によりバルブ４を上下させて、試験した。なお、試験後、バルブおよびバルブシートの摩耗量を測定した。試験条件はつぎの通りとした。
試験温度：250℃（シート面）
試験時間：5ｈ
カム回転数：3000rpm
バルブ回転数：20rpm
スプリング荷重：35kgf（345Ｎ）（セット時）
リフト量：8.5mm
得られた結果を表４に示す。
【００３７】
【表１】
2015193886.tif 000002
【００３８】
【表２】
2015193886.tif 000003
【００３９】
【表３】
2015193886.tif 000004
【００４０】
【表４】
2015193886.tif 000005
【００４１】
【表５】
2015193886.tif 000006
【００４２】
本発明例はいずれも、バルブシートの摩耗量は少なく、耐摩耗性に優れており、さらに相手材であるバルブの摩耗量も少なく、相手攻撃性が低い材料となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、密度、圧環強度、耐摩耗性、相手攻撃性のいずれか、あるいは複数の特性が低下していた。
【符号の説明】
【００４３】
１    バルブシート
２    治具
３    熱源
４    バルブ
【図１】
2015193886.tif 000007