(57)【要約】【課題】  すぐれた高温耐酸化性と高強度を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートを提供する。【解決手段】  Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートを、質量％で、Ａｌ：２０〜３０％、Ｃ：０．５〜１．５％、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固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金で構成する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ａｌ：２０〜３０％、  Ｃ：０．５〜１．５％、
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固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金で構成してなる、すぐれた高温耐酸化性と高強度を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ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、すぐれた高温耐酸化性と高強度を有し、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、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するＦｅ−Ａｌ−Ｃ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、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はめざましく、一方低公害化の面から環境にやさしい低排ガス自動車としてＬＰガス自動車が注目され、このため前記ＬＰガス自動車のエンジンからの排ガスは一段と高温化の傾向にあり、したがって、前記エンジンの構造部材であるバルブシートは、同対部材であるバルブからの面圧が一層強力になるばかりでなく、８００〜９００℃にも達する高温排ガスに曝される一方で、薄肉化および小径化も避けられないのが現状である。
【０００５】
しかし、上記の従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートにおいては、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相が高温耐酸化性の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、特に上記の従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートに着目し、これの高温耐酸化性と強度の向上を図るべく、研究を行った結果、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートを製造するに際して、上記の通り原料粉末としてＦｅ粉末、Ａｌ粉末、および炭素（Ｃ）粉末を用いて、通常の焼結条件、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時間保持の焼結条件で製造した場合、上記の通電プレス成形焼結で製造された従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートと同様に、２相混在組織および３相混在組織をもつものとなり、しかもこれら構成相相互間の焼結性（密着性）は一段と劣るものとなるため、前記従来Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートに比して、さらに強度の低いものしか製造することができず、かつＦｅ−Ｃ相に加えて、相境界部の高温耐酸化性も低いものとなるが、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、および炭素（Ｃ）粉末を用い、これら原料粉末を特定の配合組成、すなわち、
Ａｌ：２０〜３０％、
Ｃ  ：０．５〜１．５％、
Ｆｅ：残り、
の配合組成に配合し、通常の条件で混合し、プレス成形してなる圧粉体を、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１２００〜１３００℃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Ｆｅ−Ａｌ合金と炭素（Ｃ）が完全に固溶して、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織をもつようになり、この結果のＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートは、前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織によって高温耐酸化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  ：０．５〜１．５％、
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固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金で構成してなる、すぐれた高温耐酸化性と高強度を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ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
上記の通り、この発明のバルブシートを構成するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金のＦｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織は、原料粉末として、Ｆｅ粉末、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末、および炭素（Ｃ）粉末を用い、ＡｌとＣの含有割合を上記の通りに限定し、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、そしてＣ成分の作用で硬さ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０．５％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、強度および高温耐酸化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０．５〜１．５％と定めた。
【発明の効果】
【０００９】
この発明のＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金製バルブシートは、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金で構成され、前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織はすぐれた高温耐酸化性と高強度を有するので、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８００〜９００℃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。
【実施例】
【００１１】
原料粉末として、篩目が０．２ｍｍの篩下の粒度を有するＦｅ粉末およびＦｅ−５０％Ａｌ合金粉末、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、結合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結合材を除去した後、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本発明Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ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）１〜７をそれぞれ製造した。
【００１２】
また、比較の目的で、原料粉末として、平均粒径：５μｍのＦｅ粉末、同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、結合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、同じ条件で脱バインダー処理した後、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）１〜７をそれぞれ製造した。
【００１３】
この結果得られた本発明焼結バルブシート１〜７および従来焼結バルブシート１〜７について、その組織を金属顕微鏡を用いて観察したところ、表１に示される通り、本発明焼結バルブシート１〜７はいずれもＦｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織を示し、従来焼結バルブシート１〜７は、いずれも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相混在組織を示した。また、強度を評価する目的で圧環強度を測定した結果も表１に示した。さらに表１にはビッカース硬さも示した。
【００１４】
【表１】
2005120416.tif 000002
ついで、上記の本発明焼結バルブシート１〜７および従来焼結バルブシート１〜７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１に示した。
【００１５】
表１に示される結果から、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織を有するＦｅ−Ａｌ−Ｃ焼結合金で構成された本発明焼結バルブシート１〜７は、いずれも前記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ固溶体単相組織がすぐれた高温耐酸化性を有するので、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８００〜９００℃の高温に達するにもかかわらず、きわ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、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焼結合金で構成された従来焼結バルブシート１〜７は、いずれも前記の苛酷な使用条件下では、Ｆｅ−Ｃ相に加えて、特に相境界部が高温耐酸化性の劣るものであるために酸化進行が速く、これが原因で摩耗が加速されることから、比較的短時間で使用寿命に至るものである。
【００１６】
上述のように、この発明のＦｅ−Ａｌ−Ｃ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８００〜９００℃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。