(57)【要約】【課題】耐磨耗性、加工性が向上したバルブシート用の耐磨耗焼結合金、及びその製造方法を提供する。【解決手段】鉄を主成分とし、炭素１．２〜１．７重量％、クロム３．５〜５．０重量％、モリブデン２．０〜４．０重量％、バナジウム３．０〜５．０重量％、タングステン７．０〜１０．０重量％、コバルト２．０〜３．５重量％、窒化ホウ素０．１〜１．０重量％、硫黄０．２〜０．４重量％、マンガン０．２〜０．５重量％、及び鉛１０．０〜１５．０重量％を含有する組成であり、これら粉末を配合して面圧５〜８ｔｏｎ／ｃｍ３で加圧成形する第１段階工程と；１，１４０〜１，１８０℃で焼結した後、空冷させる第２段階工程と；−２００〜−１４０℃で深冷処理（ｓｕｂ−ｚｅｒｏ）する第３段階工程と；４５０〜５５０℃で鉛を含浸させる第４段階工程と；第４段階工程と同じ温度でバレル工程を行う第５段階工程と；からなって製造される。【選択図】　　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分とし、炭素：１．２〜１．７重量％、クロム：３．５〜５．０重量％、モリブデン：２．０〜４．０重量％、バナジウム：３．０〜５．０重量％、タングステン：７．０〜１０．０重量％、コバルト：２．０〜３．５重量％、窒化ホウ素：０．１〜１．０重量％、硫黄：０．２〜０．４重量％、マンガン：０．２〜０．５重量％、及び鉛：１０．０〜１５．０重量％を含有してなることを特徴とするバルブシート用の耐磨耗焼結合金。
【請求項２】
鉄を主成分とし、炭素：１．２〜１．７重量％、クロム：３．５〜５．０重量％、モリブデン：２．０〜４．０重量％、バナジウム：３．０〜５．０重量％、タングステン：７．０〜１０．０重量％、コバルト：２．０〜３．５重量％、窒化ホウ素：０．１〜１．０重量％、硫黄：０．２〜０．４重量％、マンガン：０．２〜０．５重量％、及び鉛：１０．０〜１５．０重量％を含有する粉末を配合して面圧５〜８ｔｏｎ／ｃｍ３で加圧成形する第１段階工程と；
１，１４０〜１，１８０℃で焼結した後、空冷させる第２段階工程と；
−２００〜−１４０℃で深冷処理（ｓｕｂ−ｚｅｒｏ）する第３段階工程と；
４５０〜５５０℃で鉛を含浸させる第４段階工程と；
第４段階工程と同じ温度でバレル工程を行う第５段階工程と；からなることを特徴とするバルブシート用の耐磨耗焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バルブシート（ｖａｌｖｅ　ｓｅａｔ；弁座）用の耐磨耗焼結合金及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバルブシート用の耐磨耗焼結合金は、鉄を主成分とし、炭素０．４〜１．０重量％、ケイ素０．１〜１．０重量％、クロム０．５〜２．０重量％、モリブデン６．０〜１０．０重量％、コバルト６．０〜１５．０重量％、及び鉛６．０〜１８．０重量％からなっている。
【０００３】
このバルブシート用の耐磨耗焼結合金の製造方法は、次の工程を経て製造される。まず、前記組成のうち鉛を除いた粉末を混合した後、４〜８ｔｏｎ／ｃｍ３の面圧で成形し、これを還元雰囲気の下、７５０〜８００℃で４０分間予備焼結を行った後、７〜１０ｔｏｎ／ｃｍ３の面圧で鍛造する。　つづいて、水素雰囲気下、１，１１０〜１，１４０℃で３０〜５０分間焼結させた後、４００〜４５０℃で１０〜３０分間鉛を含浸させ、同じ温度で８０〜１１０分間バレル工程を経てバルブシート用の耐磨耗焼結合金とする。
【０００４】
しかし、前記組成及び含量に従って製造されたバルブシート用の耐磨耗焼結合金は、基地組織内に巨大な金属粒子が分散された微細組織となっており、このような巨大な金属粒子は、外部の衝撃によるクラック発生の原因となり、耐衝撃性が劣ることになる。これに加えて、耐磨耗性が低下し、磨耗面の金属粒子が脱落することによってシリンダー内の圧縮ガスが漏れる恐れがあり、さらに加工性が不良であった。
【０００５】
バルブシート用の耐磨耗焼結合金について、クロム、モリブデン、バナジウム、マンガン、炭素を含む鉄合金を基地にし、これにクロム、タングステン、モリブデン、炭素、鉄を含むコバルト合金を分散させた組成〔特許文献１参照〕、鉄を主成分とし、炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、タングステン、ケイ素、コバルト、マンガン、鉛からなる組成〔特許文献２参照〕などの提案があるが、さらに優れた物性の耐磨耗焼結合金が望まれていた。
【０００６】
【特許文献１】
特公平５−５９９８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２９４９７０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のバルブシート用耐磨耗性焼結合金はその製造工程数が多くて生産性に劣り、また、基地組織内に分散された巨大粒子による耐衝撃性及び耐磨耗性が低下して圧縮ガスなどが漏れる恐れがある。これらの問題点を解決すべく、本発明の目的は、耐磨耗性、加工性が向上したバルブシート用の耐磨耗焼結合金、及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明請求項１はバルブシート用の耐磨耗焼結合金に係り、鉄を主成分とし、炭素：１．２〜１．７重量％、クロム：３．５〜５．０重量％、モリブデン：２．０〜４．０重量％、バナジウム：３．０〜５．０重量％、タングステン：７．０〜１０．０重量％、コバルト：２．０〜３．５重量％、窒化ホウ素：０．１〜１．０重量％、硫黄：０．２〜０．４重量％、マンガン：０．２〜０．５重量％、及び鉛：１０．０〜１５．０重量％を含有してなっている。
【０００９】
本発明請求項２はバルブシート用の耐磨耗焼結合金の製造方法に係り、鉄を主成分とし、炭素：１．２〜１．７重量％、クロム：３．５〜５．０重量％、モリブデン：２．０〜４．０重量％、バナジウム：３．０〜５．０重量％、タングステン：７．０〜１０．０重量％、コバルト：２．０〜３．５重量％、窒化ホウ素：０．１〜１．０重量％、硫黄：０．２〜０．４重量％、マンガン：０．２〜０．５重量％、及び鉛：１０．０〜１５．０重量％を含有する粉末を配合して面圧５〜８ｔｏｎ／ｃｍ３で加圧成形する第１段階工程と；１，１４０〜１，１８０℃で焼結した後、空冷させる第２段階工程と；−２００〜−１４０℃で深冷処理（ｓｕｂ−ｚｅｒｏ）する第３段階工程と；４５０〜５５０℃で鉛を含浸させる第４段階工程と；第４段階工程と同じ温度でバレル工程を行う第５段階工程と；からなっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の耐磨耗焼結合金は、鉄を主成分とし、その他元素成分を含んでなっている。すなわち、鉄を主成分とし、炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、タングステン、コバルト、窒化ホウ素、硫黄、マンガン、鉛を含有してなっている。特に、本発明では、炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、タングステンなどの高速度鋼金属粉末を含有させて切削性を増加させ、表面特性を向上させるところにその特徴がある。
【００１１】
本発明のバルブシート用の耐磨耗焼結合金の製造方法は、先ず第１段階工程は、上記の組成となるように粉末を配合して、これを面圧５〜８ｔｏｎ／ｃｍ３で加圧成形する。本発明で用いる炭素は高速度鋼であり、その含量によってバルブシート用の耐磨耗焼結合金の機械的性質が著しく変わる。
【００１２】
炭素の含量は、全体の耐磨耗焼結合金に対して１．２〜１．７重量％である。炭素の含量が１．２重量％未満であると強度、硬度に劣り、１．７重量％を超えると引張り強さ、硬度が減少し、いずれも好ましくない。
【００１３】
本発明で用いるクロムは高速度鋼であり、耐磨耗性及び耐食性を増加させる成分であり、その含量は、全体の耐磨耗焼結合金に対して３．５〜５．０重量％である。クロムの含量が３．５重量％未満であると耐磨耗性、耐食性の効果が少なく、５．０重量％を超えると加工性に劣り、いずれも好ましくない。
【００１４】
本発明で用いるモリブデンは高速度鋼であり、切削性、高温引張り強さ及び硬度を増加させる成分であり、その含量は全体の耐磨耗焼結合金に対して２．０〜４．０重量％である。モリブデンの含量がこの範囲の外では強度、硬度の増加が期待できず好ましくない。
【００１５】
本発明で用いるバナジウムは高速度鋼であり、結晶粒を調節する成分であり、その含量は耐磨耗焼結合金に対して３．０〜５．０重量％である。バナジウムの含量が３．０重量％未満であると耐磨耗性に劣り好ましくなく、５．０重量％以上であってもそれ以上の物性向上は期待できず、経済的に不利である。
【００１６】
本発明で用いるタングステンは高速度鋼であり、高温の引張強さ、硬度を増加させる成分であり、その含量は全体の耐磨耗焼結合金に対して７．０〜１０．０重量％である。タングステンの含量が７．０重量％未満であると炭化物の形成量が少なく耐磨耗性が低下して好ましくなく、１０．０重量％を超えるとそれ以上の物性向上が期待できず、経済的に不利である。
【００１７】
本発明で用いるコバルトは、耐熱性、高温硬度を高める成分であり、その含量は全体の耐磨耗焼結合金に対して２．０〜３．５重量％である。コバルトの含量が２．０重量％未満であると耐熱性に劣って好ましくなく、３．５重量％を超えるとそれ以上の物性向上が期待できず、経済的に不利である。
【００１８】
本発明で用いる窒化ホウ素は、耐磨耗性を向上させる成分であり、その含量は全体の耐磨耗焼結合金に対して０．１〜１．０重量％である。窒化ホウ素の含量が０．１重量％未満であると耐磨耗性に劣り、１．０重量％を超えると脆弱となり、いずれも好ましくない。
【００１９】
本発明で用いるマンガンは鉄中に存在する微量の硫黄と結合してＭｎＳを形成する。マンガンの含量は全体の耐磨耗焼結合金に対して０．２〜０．５重量％である。マンガンの含量が０．２重量％未満であるとＭｎＳを形成するため自己潤滑性を有し難く好ましくない。
【００２０】
続いて第２段階工程は、前記配合された金属粉末を１，１４０〜１，１８０℃の温度で３０〜５０分間焼結した後空冷させる。温度が１，１４０℃未満では粉末粒子がよく拡散されないため基地組織が弱化する問題があり、１，１８０℃を超えると結晶粒が粗大化し、機械的性質に劣る問題があり、いずれも好ましくない。
【００２１】
第３段階工程は、前記焼結された合金を−２００〜−１４０℃で５〜２０分間深冷処理（ｓｕｂ−ｚｅｒｏ）する。この深冷処理工程は、合金の変態を進行させることにより残留オーステナイトを減少させる処理法であって、合金の機械的物性が改善されるのに有効である。これにより従来の焼結合金の予備焼結、及び本焼結工程が短縮でき、同等以上の物性が得られる。
【００２２】
第４段階工程は、前記深冷処理された焼結合金を４５０〜５５０℃の温度で３０〜５０分間にわたって間鉛を含浸させる。鉛の含浸量は全体の耐磨耗焼結合金に対して１０．０〜１５．０重量％とする。鉛の含量が１０．０重量％未満であると残留気孔が多く発生し、１５．０重量％を超えると鉛の含浸後超過された鉛が表面に析出することがあり、いずれも好ましくない。鉛は自己潤滑性を与えるため、乾燥した雰囲気の燃料にも使用できる。
【００２３】
第５段階工程は、第４段階工程と同じ温度で８０〜１００分間バレル工程を経ることで本発明が完成する。
【００２４】
以上の工程を経て製造されたバルブシート用の耐磨耗焼結合金は、高速度鋼金属粉末の使用によって基地組織に微細な球形粒子が分散された表面特性を示し、磨耗時脱落する炭化物の粒子サイズが非常に小さいため、磨耗量が減少する。なお、分散された金属粒子が非常に微細であり、低硬度の粉末が混合されることにより加工時連続性を有するため加工性が向上する。また、鉛の含浸による自己潤滑性によって乾燥した雰囲気の燃料にも使用できる。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例によってさらに詳細に本発明を説明するが、本発明は下記実施例によって限定されるものではない。
〔耐磨耗焼結合金の製造〕
表１に示す組成と含量で配合した粉末を、７ｔｏｎ／ｃｍ３の圧力で成形し、１，１７０℃で４０分間焼結した後、−１８０℃で１０分間深冷処理を行った。これに鉛を含浸させて５００℃で４０分間焼戻した後、４３０℃で９０分間バレル工程を経て焼結合金を製造した。比較例では、既存の工程に基づいて深冷処理を行わずに焼結合金を製造した。
【００２６】
〔試験方法〕
シミュレーションリグ試験機（Ｒｉｇ　Ｔｅｓｔｅｒ）を用いて次の試験条件下で磨耗量（ｍｍ）を測定した。
ＣＡＭ回転数：２，５００ｒｐｍ
温度：４００℃
時間：１０時間
使用燃料：ＬＰＧ＋酸素ガス
【００２７】
〔結果〕
実施例及び比較例のバルブシート用の耐磨耗焼結合金についての磨耗量を表１に示す。
【表１】
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この結果から、本発明のバルブシート焼結合金は、比較に挙げたものに比べて、磨耗量が約２５〜２８％減少したことが分かる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のバルブシート用焼結合金は、磨耗時基地組織から金属粒子の脱落が少なく、粒子の大きさが非常に小さくなることから、耐磨耗性、耐衝撃性が改善され、自己潤滑性、加工性も向上する。また、本発明のバルブシート用焼結合金は、深冷処理工程を通じて耐磨耗性を向上させるので、無煙ガソリンだけでなく、乾燥雰囲気の燃料（ＬＰＧ）でも使用可能であるという長所がある。