(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量パーセント（％）で、炭素（Ｃ）が０．８〜１．２、ニッケル（Ｎｉ）が２．０〜４．５、クロム（Ｃｒ）が３．０〜５．０、モリブデン（Ｍｏ）が１６．０〜２０．０、コバルト（Ｃｏ）が９．０〜１３．０、バナジウム（Ｖ）が０．０５〜０．１５、硫黄（Ｓ）が０．２〜０．８、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉末とＭｎＳからなり、
前記ＭｎＳは、前記合金粉末１００重量部に対して０．５〜２．５重量部であり、
粒子径が１２μｍ以下であり、
重量パーセント（％）でＭｎが６０〜６５、Ｓが３５〜４０であること、
を特徴とするバルブシート用焼結合金。  
【請求項２】
重量パーセント（％）で、炭素（Ｃ）が０．８〜１．２、ニッケル（Ｎｉ）が２．０〜
４．５、クロム（Ｃｒ）が３．０〜５．０、モリブデン（Ｍｏ）が１６．０〜２０．０、
コバルト（Ｃｏ）が９．０〜１３．０、バナジウム（Ｖ）が０．０５〜０．１５、硫黄（
Ｓ）が０．２〜０．８、その他にＦｅおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉
末にＭｎＳをさらに含む原料を混合する段階、
前記混合された原料を成形して１次形状体を実現する段階、
前記成形された１次形状体を予備焼結する段階、
予備焼結された前記１次形状体を加圧して２次形状体を実現する段階、
前記２次形状体を本焼結する段階、および
前記本焼結された２次形状体に対してテンパリングを実施する段階、
を含み、
前記ＭｎＳは、前記合金粉末１００重量部に対して０．５〜２．５重量部であり、
粒子径が１２μｍ以下であり、
重量パーセント（％）でＭｎが６０〜６５、Ｓが３５〜４０であること、
を特徴とするバルブシート製造方法。
【請求項３】
前記ＭｎＳの含有量は、前記合金粉末１００重量部に対して０．５〜２．５重量部であ
ることを特徴とする請求項２に記載のバルブシート製造方法。
【請求項４】
前記テンパリングの温度は、１８０〜２２０℃であることを特徴とする請求項２に記載の
バルブシート製造方法。
【請求項５】
前記テンパリングの時間は、１００〜１５０分であることを特徴とする請求項２に記載の
バルブシート製造方法。
【請求項６】
前記テンパリングを実施した前記２次形状体にオイルを含浸させる段階をさらに含むこ
とを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載のバルブシート製造方法。
【請求項７】
前記オイルが含浸した２次形状体に加工およびバレルを実施する段階をさらに含むこと
を特徴とする請求項６に記載のバルブシート製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の前記焼結合金によって製造されることを特徴とするバルブシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバルブシート用焼結合金、これを利用したバルブシート製造方法およびバルブシートに係り、より詳しくは、加工性を改善するために焼結合金に硫化マンガン（ＭｎＳ）を追加してテンパリングを実施したバルブシート用焼結合金、これを利用したバルブシート製造方法およびバルブシートに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、自動車用エンジンの構成品であるバルブシートは、バルブ面と密着して燃焼室の気密を保存する役割を行う構成品である。
バルブシートは、バルブ面と接していた衝撃的な運動を反復して実行するため、損傷しない程度の硬度を有していなければならない。
従来のバルブシート（ｖａｌｖｅ  ｓｅａｔ）用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％、および鉛６．０〜１８．０重量％を含むものが多く、また、その製造工程は下記のとおりである（例えば、引用文献１〜４参照）。
【０００３】
まず、組成から鉛を除いた金属粉末を混合した後、面圧４〜８ｔｏｎ／ｃｍ３の圧力を加えて成形する。そして、還元性雰囲気下で７５０〜８００℃で４０分間の予備焼結をした後、面圧７〜１０ｔｏｎ／ｃｍ３下で鍛造する。この後、水素雰囲気下に１，１１０〜１，１４０℃で３０〜５０分間の本焼結をした後、加工性を向上させるためにレジンを含浸させ、バレル工程を実施してバルブシート用耐磨耗焼結合金を製造していた。
しかし、組成および含有量で製造されたバルブシート用焼結合金は、ツール（ｔｏｏｌ）過多摩耗およびピッキング問題が発生し、加工性も不良であるため、これに対する改善が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１６７４５号公報
【特許文献２】特開２００５−２４８２３４号公報
【特許文献３】特開２００４−１４９８１９号公報
【特許文献４】特開平１１−０７１６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところ
は、ＭｎＳを添加し、テンパリングを実施して、固体潤滑性を増大させると同時にバルブシートの粗度および表面状態を向上させることができる、バルブシート用焼結合金、これを利用したバルブシート製造方法およびバルブシートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するためになされた本発明のバルブシート用焼結合金は
重量パーセント（％）で、炭素（Ｃ）が０．８〜１．２、ニッケル（Ｎｉ）が２．０〜４．５、クロム（Ｃｒ）が３．０〜５．０、モリブデン（Ｍｏ）が１６．０〜２０．０、コバルト（Ｃｏ）が９．０〜１３．０、バナジウム（Ｖ）が０．０５〜０．１５、硫黄（Ｓ）が０．２〜０．８、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉末とＭｎＳからなり、
前記ＭｎＳは、前記合金粉末１００重量部に対して０．５〜２．５重量部であり、
粒子径が１２μｍ以下であり、
重量パーセント（％）でＭｎが６０〜６５、Ｓが３５〜４０であること、
を特徴とする。                                                                                                                        以上
【０００８】
本発明のバルブシート製造方法は、
重量パーセント（％）で、炭素（Ｃ）が０．８〜１．２、ニッケル（Ｎｉ）が２．０〜
４．５、クロム（Ｃｒ）が３．０〜５．０、モリブデン（Ｍｏ）が１６．０〜２０．０、
コバルト（Ｃｏ）が９．０〜１３．０、バナジウム（Ｖ）が０．０５〜０．１５、硫黄（
Ｓ）が０．２〜０．８、その他にＦｅおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉
末にＭｎＳをさらに含む原料を混合する段階、
前記混合された原料を成形して１次形状体を実現する段階、
前記成形された１次形状体を予備焼結する段階、
予備焼結された前記１次形状体を加圧して２次形状体を実現する段階、
前記２次形状体を本焼結する段階、および
前記本焼結された２次形状体に対してテンパリングを実施する段階、
を含み、
前記ＭｎＳは、前記合金粉末１００重量部に対して０．５〜２．５重量部であり、
粒子径が１２μｍ以下であり、
重量パーセント（％）でＭｎが６０〜６５、Ｓが３５〜４０であること、
を特徴とする。
【０００９】
ＭｎＳの含有量は、合金粉末１００重量部に対して０．５〜２．５重量部であることが好ましく、テンパリングの温度は１８０〜２２０℃であり、テンパリングの時間は１００〜１５０分であることを特徴とする。
また、テンパリングを実施した２次形状体にオイルを含浸させる段階をさらに含んでもよく、オイルが含浸した２次形状体に加工およびバレルを実施する段階をさらに含んでもよい。
本発明のバルブシートは、焼結合金によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、ＭｎＳを追加してテンパリングを実施することによってバルブシートの粗度が改善し、表面状態が良好となり、バルブシートの加工性を向上させることができる。
また、バルブシートの耐摩耗性を向上させながらもバイト（ｂｉｔｅ）の摩耗量を増大させることなく、ピッキング現象を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るバルブシートの加工順序を示す模式図であり、（ａ）は補助面の加工前、（ｂ）はＡ及びＢ面の加工後、（ｃ）はＣ面の加工後を示した。
【図２】本発明の実施形態に係るバルブシートの粗度を示したグラフである。
【図３】比較例と本発明の実施形態に係る腐蝕前後の金属組織の写真であり、（ａ）は腐食前の比較例、（ｂ）は腐食前の実施例、（ｃ）は腐食後の比較例、（ｄ）は腐食後の実施例を示した。
【図４】本発明の実施形態に係るバルブシートの製造工程のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付の図面を基にして、本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態によれば、重量パーセント（ｗｔ％）で、炭素（Ｃ）：０．８〜１．２、ニッケル（Ｎｉ）：２．０〜４．５、クロム（Ｃｒ）：３．０〜５．０、モリブデン（Ｍｏ）：１６．０〜２０．０、コバルト（Ｃｏ）：９．０〜１３．０、バナジウム（Ｖ）：０．０５〜０．１５、硫黄（Ｓ）：０．２〜０．８、その他にＦｅおよび不可避不純物からなる合金粉末に硫化マンガン（ＭｎＳ）を添加してバルブシート用焼結合金を製造する。このとき、硫化マンガンは、焼結合金１００重量部に対して１．０〜２．０重量部を含み、硫化マンガンがさらに含まれた焼結合金でバルブシートを製造する。
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る成分の数値限定理由について説明する。
まず、炭素（Ｃ）は鉄（Ｆｅ）に固溶し、材料の強度および硬度の向上による耐摩耗性を向上させ、基地（ｍａｔｒｉｘ）の強度を向上させる目的で添加するが、含有量が０．８重量部未満であれば、パーライト（Ｐｅａｒｌｉｔｅ）と共にフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）が過多に形成されるため、基地（ｍａｔｒｉｘ）が軟化して強度と耐摩耗性が低下し、１．２重量％を超えれば、パーライトに所要されて残った炭素が網状（ｎｅｔｗｏｒｋ）構造のセメンタイトを形成して基地金属を脆弱にする。したがって、本発明に係る実施形態では、炭素の含有量を０．８〜１．２重量％に限定する。
【００１４】
ニッケル（Ｎｉ）は基地金属に拡散固溶し、耐熱性および高温特性を向上させるために
添加するが、Ｎｉの含有量が２．０重量％未満であれば効果が微弱になり、４．５重量％
を超えれば、基地組織がマルテンサイトおよびニッケルが豊富な（Ｎｉ−Ｒｉｃｈ）オー
ステナイト（Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）に変化して組織が不安定になり、必要以上に硬度が大
きくなって機械加工性が低下する。したがって、本発明に係る実施形態において、Ｎｉの
含有量は２．０〜４．５重量％に限定する。
クロム（Ｃｒ）は、基地にＣｒＳで析出されて固体潤滑剤の役割を行うが、その含有量が３．０重量％未満であれば、固体潤滑剤であるＣｒＳの形成が微小となり、耐摩耗性が低下する。この反面、５．０重量％を超えれば、固体潤滑剤であるＣｒＳの形成が過多になり、基地金属を脆弱にする。したがって、本発明に係る実施形態では、Ｃｒの含有量を３．０〜５．０重量％に限定する。ただし、成分含有量は、本発明の効果を最適化するための一例に過ぎないため、これに限定されるものではない。
【００１５】
また、モリブデン（Ｍｏ）は、Ｆｅ基地の拡散によってＦｅ−Ｍｏ相を形成させて耐摩耗性を向上させる役割を行うが、その含有量が１６．０重量％未満であれば、Ｆｅ−Ｍｏ相の形成が微小となって耐摩耗性が低下し、２０．０重量％を超えれば、Ｆｅ−Ｍｏ相の形成が過多になって基地金属を脆弱にする。したがって、本発明に係る実施形態におけるＭｏの含有量は、１６．０〜２０．０重量％に限定する。  
【００１６】
本発明に係る実施形態において、バナジウム（Ｖ）は炭素と結合し、細粒炭化物を形成させて耐摩耗性および高温強度を向上させる役割を行うが、０．０５重量％未満で添加すればその効果が微小になり、０．１５重量％を超えれば、酸化物であるＶ２Ｏ５相を形成しやすくなり、酸化物は蒸気圧が高くて高温蒸発が容易となる。したがって、本発明に係る実施形態におけるＶの含有量は、０．０５〜０．１５重量％に限定する。
また、硫黄（Ｓ）は固体潤滑剤に投入され、Ｃｒと結合してＣｒＳで粒子内部に形成される。Ｓの含有量が０．２重量％未満であれば、固体潤滑剤の析出が微小となってその効果が微弱になり、０．８重量％を超えれば、ＣｒＳ含有量が過多になって基地（ｍａｔｒｉｘ）の強度を低下させる。したがって、本発明に係る実施形態のＳの含有量は、０．２〜０．８重量％に限定する。
【００１７】
また、本発明の実施形態によれば、バルブシート用焼結合金は鉄（Ｆｅ）を主成分とし、工具（ｔｏｏｌ）摩耗性および加工性を改善するためにバルブシート用合金粉末に硫化マンガン（ＭｎＳ）を添加した。本発明に係る実施形態では、周辺元素と反応せずに気孔（ｈｏｌｅ）に硫化マンガンで存在し、加工性および固体潤滑性を向上させるようにする。本発明に係る実施形態では、硫化マンガンが気孔（ｈｏｌｅ）内に均一に分布できるように重量平均粒子径が１２μｍ以下であるものを使用する。ＭｎＳは、マンガン（Ｍｎ）の含有量が６０〜６５重量％であり、硫黄（Ｓ）の含有量が３５〜４０重量％で構成された化合物である。ＭｎＳは高温でも化合物として分解せずに安定するため、焼結後にもＭｎＳの形態で焼結体の気孔（ｈｏｌｅ）内に残留し、機械加工時にバイト（Ｂｉｔｅ）の摩擦係数を低下させ、被削性に優れた焼結体が得られる。また、ＭｎＳは、固体潤滑剤の機能も行うため、金属間の衝撃および摩擦力を減少させることができる。
ＭｎＳの含有量が焼結合金（合金粉末）１００重量部に対して０．５重量部未満であればその役割が微小となり、その含有量が２．５重量部を超えれば基地の強度が弱まり、バルブシートをヘッドに圧入するときに破壊し易くなる。したがって、本発明に係る実施形態におけるＭｎＳの含有量は、焼結合金（合金粉末）１００重量部に対して０．５〜２．５重量部に限定する。
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係るバルブシートの製造方法について説明する。
図４は、本発明の実施形態に係るバルブシートの製造工程のフローチャートである。図４に示したとおり、炭素（Ｃ）：０．８〜１．２、ニッケル（Ｎｉ）：２．０〜４．５、クロム（Ｃｒ）：３．０〜５．０、モリブデン（Ｍｏ）：１６．０〜２０．０、コバルト（Ｃｏ）：９．０〜１３．０、バナジウム（Ｖ）：０．０５〜０．１５、硫黄（Ｓ）：０．２〜０．８、その他にＦｅおよび不可避不純物からなる合金粉末に硫化マンガン（ＭｎＳ）を合金粉末１００重量部に対して１．０〜２．０重量部を混合する。混合された合金粉末と硫化マンガンを要求される密度および電装を考慮した上で１次成形（Ｓ１００）を実施して１次形状体を実現する。
この後に予備焼結工程（Ｓ１１０）を経るが、これは、７５０〜８００℃で２．５時間程度焼成する工程である。予備焼結工程は、密度を上げるための再加圧（鍛造）（Ｓ１２０）のために、成形された１次形状体に少量の炭素を拡散させて粘性を向上させる工程である。予備焼結工程の後は、１次形状体を再加圧（Ｓ１２０）して２次形状体を実現すると同時に密度を増大させる。このために面圧１０トン（ｔｏｎ）／ｃｍ２の圧力で加圧する。
【００１９】
再加圧工程では、原料が物理的にのみ結合している状態であるため、２次形状体が化学的に結合するように本焼結（Ｓ１３０）を実施する。本焼結は１１１０〜１１４０℃で５時間程度焼成し、特に高温で５０分程度を維持する。
本焼結が完了すれば、２次形状体に残留応力（ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓ）が発生するが、これを除去するために、大気圧状態で一定の温度を維持させるテンパリング（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）（Ｓ１４０）を実施する。本発明に係る実施形態におけるテンパリング温度は約１８０〜２２０℃であり、テンパリング時間は１００〜１５０分である。テンパリングによって組織間の応力が緩和する。
【００２０】
この後は、製品の切削性を向上させて発錆を防ぐために、真空状態で製品内部にオイルを２次形状体に含浸させる含有工程を経る。
含有工程が終われば、オイルが含浸した２次形状体をＰＭ工法上で実現することができないサイズおよび形状を機械的に加工する。加工が終われば２次形状体に発生したバー（ｂｕｒｒ）および異物を除去し、最適の表面状態を維持するようにバレル（Ｂａｒｒｅｌ）工程（Ｓ１５０）を経る。バレル工程が完了すれば、製品表面にある欠陥を早期に発見し、顧客に伝達されないように最終点検を実施する。
【００２１】
以下、本発明に係る一実施形態に基づき、さらに詳しく説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明に係る一実施形態で重量％として、Ｆｅ：５９．５、Ｎｉ：３．１５、Ｍｏ：１８．２４、Ｃｒ：４．２７、Ｃ：１．０４、Ｃｏ：１１．６、Ｍｎ：０．９５、Ｓ：０．８８、Ｖ：０．１、およびその他に不可避不純物０．２７を含有する合金粉末に合金粉末１００重量部に対して硫化マンガン１．５重量部を均一に配合してバルブシート用焼結合金を製造するために組成で配合された合金粉末を加圧して成形した後に焼結し、２００℃で１２０分間のテンパリングを実施した。
上記の方法によって製造されたバルブシートに対して摩耗量を測定するテストを実施した。バルブシート１０は、シート部１２、１４、１６と非シート部に分けられるが、本発明に係る実施形態ではシート部に重点を置いて実験を実施した。本発明に係る実施形態において、非シート部は、図１において、シート部１２、１４、１６の下端部にバルブ（図示せず）との摩擦が大きくない部分を意味する。
図１は、本発明の実施形態に係るバルブシートの加工順序を示す模式図であり、（ａ）は補助面の加工前、（ｂ）はＡ及びＢ面の加工後、（ｃ）はＣ面の加工後を示した。
図１で、シート部１２、１４、１６は、それぞれＡ、Ｂ、およびＣ面を形成する。加工順序は、まず、シート部１２（Ａ面）及びシート部１４（Ｂ面）を加工した後にシート部１６（Ｃ面）を加工する。
【００２３】
図１の（ｃ）で、シート部１６（Ｃ面）はバルブシート１０がバルブ（図示せず）と当接する部分であり、シート部１２（Ａ面）及びシート部１４（Ｂ面）はシート部１６を形成するための補助面である。
［実験方法］
【００２４】
本発明の実施形態に係るバルブシートの性能をテストするために、加工時にＲＰＭ：１，１００、ＦＥＥＤ：１２４．４、ＦＥＥＤＲＡＴＥ：０．１１で性能実験を実施した。材質あたり１，０００個の製品を加工し、シート部１２、１４を加工した後にシート部１６を加工した。テスト結果を表１及び表２に示した。
比較例は、ＭｎＳとレジン（Ｒｅｓｉｎ）を添加し、テンパリングを実施しないものを使用した。
【表１】
0006321903.tif 000002
【表２】
0006321903.tif 000003
【００２５】
表１に示したとおり、比較例に比べて実施例におけるバルブシートの表面粗度が小さくなり表面形状が改善された。
図２は、本発明の実施形態に係るバルブシートの粗度を示したグラフである。縦軸は表面粗度（Ｒｔ）、横軸は測定個数を示した。このときの表面粗度（Ｒｔ）は、１つの材質あたり最大１，０００個の製品に対して５回の実験を実施したものを平均した値である。
実施例において最大気孔の大きさが比較例に比べて半分以下に減り、１００μｍよりも大きい気孔数も著しく減少した。
【００２６】
図３は、腐蝕前後の金属組織の写真として２００倍に拡大したものであり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ比較例と実施例における腐蝕前の金属組織の写真であり、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ比較例と実施例における腐蝕後の金属組織の写真である。図３に示したとおり、比較例では腐蝕後には深刻な変化があるのに対し、実施例では組織の大きな変化はなく、実施例におけるバルブシートが耐食性に強いことが実証された。
また、比較例では３００ホール（ｈｏｌｅ）未満で加工が可能であったが、実施例によって製造されたバルブシートは１４００ホール（ｈｏｌｅ）以上の加工が可能であり、本発明に係る実施形態では、レジン（ｒｅｓｉｎ）を使用せずに加工面のピッキング現象が発生しなかった。したがって、本発明に係る実施形態のバルブシートは、特にバルブと接する部分に適合することができる。
【００２７】
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を有する者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００２８】
１０：バルブシート
１２：シート部（Ａ面）
１４：シート部（Ｂ面）
１６：シート部（Ｃ面）
Ｒｔ：表面粗度
【図１】
0006321903.tif 000004
【図２】
0006321903.tif 000005
【図３】
0006321903.tif 000006
【図４】
0006321903.tif 000007