(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、ニッケル（Ｎｉ）０．５〜５％、クロム（Ｃｒ）０．５〜４％、炭素（Ｃ）０．５〜２％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物よりなり、且つ焼結体の硬度がロックウェル硬度でＨＲＢ８０〜１１０であることを特徴とする内燃機関用バルブシート鉄基焼結合金。
【請求項２】
重量％で、（イ）クロム（Ｃｒ）５０〜５７％、モリブデン（Ｍｏ）１８〜２２％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）０．１〜１．４％、ケイ素（Ｓｉ）０．８〜１．３％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ロ）クロム（Ｃｒ）２７〜３３％、タングステン（Ｗ）２２〜２８％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）１．７〜２．３％、ケイ素（Ｓｉ）１．０〜２．０％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ハ）モリブデン（Ｍｏ）６０〜７０％、０．０１％以下の炭素（Ｃ）、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ニ）ステライト合金からなる４種類の硬質粒子を単体又は２つ以上を３〜２０％分散した請求項１に記載の鉄基焼結合金。
【請求項３】
重量％で、弗化物、硼化物及び硫化物から選択された少なくとも1種の固体潤滑材が１〜２０％分散していることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄基焼結合金。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用バルブシートに用いられる  高性能で安価な耐摩耗性鉄基焼結合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンの高出力化及びＬＰＧ、ＣＮＧ等の公害防止用クリーン燃料の使用に伴い、エンジンのバルブシートが受ける熱的負荷及び機械的負荷は増大する傾向にある。熱的負荷及び機械的負荷の増大に対応して、自動車エンジンのバルブシートは高合金化及び鍛造、銅溶浸等による高強度化が行われる。例えば、熱的負荷の増大に対し、鉄基焼結金属の原料成分中にクロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）を添加すると、高温強度が増加する効果があり、銅溶浸による熱伝導性の向上も高温強度増大に間接的に効果がある。一方、高圧成形、冷鍛造、粉末鍛造、冷間鍛造、高温焼結等による高強度化が機械的負荷の増大に対して効果がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人らは特開平０９年０５３１５８号公報（以下「先願」と言う）において鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−モリブデン（Ｍｏ）−クロム（Ｃｒ）−炭素（Ｃ）系基地に硬質粒子を分散して耐摩耗性を向上する鉄基焼結合金を提案した。しかしながら、基地材に高価な合金元素を多く添加し高合金化しているため、高価となっている問題がある。 また、先願においてバルブシートの特性を評価しているバルブクリアランスはバルブシートと相手材（バルブ）の叩き滑り摩耗特性を総合したものである。本発明者らがさらに研究したところ叩き滑り摩耗に関与するそれぞれの部材に着目すると高合金化の回避が可能であることを見出した。
【０００４】
また、前述の鉄基焼結合金をより高温での使用を可能にするため、内部空孔に銅などの低融点物質を溶浸させることによって、熱伝導性を向上させ、燃焼温度が高温となっても、材料そのものは加熱されにくくさせることにより、高温での耐摩耗性を向上させている。しかしながら、銅溶浸では２次焼結を必要とするのでコストアップに繋がるという問題がある。
従って、本発明は、銅溶浸などの２次的処理や高合金化することなしに、低価格化を図るため、極限まで合金量を低減させた内燃機関用バルブシート鉄基焼結合金及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１による内燃機関用バルブシート鉄基焼結合金は、重量％で、ニッケル（Ｎｉ）０．５〜５％、クロム（Ｃｒ）０．５〜４％、炭素（Ｃ）０．５〜２％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物よりなり、且つ焼結体の硬度がロックウェル硬度でＨＲＢ８０〜１１０であることを特徴とする。ニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）は鉄基基地中に固溶され、クロム（Ｃr）は微細な炭化物として鉄基基地中に分散される。
【０００６】
この発明の第２では、重量％で、（イ）クロム（Ｃｒ）５０〜５７％、モリブデン（Ｍｏ）１８〜２２％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）０．１〜１．４％、ケイ素（Ｓｉ）０．８〜１．３％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ロ）クロム（Ｃｒ）２７〜３３％、タングステン（Ｗ）２２〜２８％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）１．７〜２．３％、ケイ素（Ｓｉ）１．０〜２．０％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ハ）モリブデン（Ｍｏ）６０〜７０％、０．０１％以下の炭素（Ｃ）、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ニ）ステライト合金からなる４種類の硬質粒子を単体又は２つ以上を３〜２０％分散したことを特徴とする。
【０００７】
この発明の第３では、前述の鉄基焼結合金中に、弗化物（ＬｉＦ2，ＣａＦ2及びＢaＦ2等）、硼化物（ＢＮ等）及び硫化物（ＭｎＳ等）などの固体潤滑剤が１〜２０重量％分散していることを特徴とする鉄基焼結合金により製造される。
【０００８】
この発明による内燃機関用のバルブシート鉄基焼結合金の好ましい製造方法は、純鉄粉に、粒度１５０〜２００メッシュにピークを持つクロム（Ｃｒ）を含む鉄粉、３２５メッシュアンダーの粒度のカルボニルニッケル（Ｎｉ）粉及び黒鉛粉を配合し、重量％でニッケル（Ｎｉ）０．５〜５％、クロム（Ｃｒ）０．５〜４％、炭素（Ｃ）０．５〜２％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物よりなる原料粉を作る工程と、（イ）クロム（Ｃｒ）５０〜５７％、モリブデン（Ｍｏ）１８〜２２％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）０．１〜１．４％、ケイ素（Ｓｉ）０．８〜１．３％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ロ）クロム（Ｃｒ）２７〜３３％、タングステン（Ｗ）２２〜２８％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）１．７〜２．３％、ケイ素（Ｓｉ）１．０〜２．０％、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ハ）モリブデン（Ｍｏ）６０〜７０％、０．０１％以下の炭素（Ｃ）、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる硬質粒子、（ニ）ステライト合金からなる４種類の硬質粒子を単体又は少なくとも２つ以上を混合した硬質粒子を作り、原料粉に硬質粒子３〜２０％及び／又は固体潤滑材としてＬｉＦ2，ＣａＦ2及びＢaＦ2等の弗化物、ＢＮ等の硼化物、ＭｎＳ等の硫化物の単体又は少なくとも２つ以上を１〜２０％及びステアリン酸亜鉛を添加して混合粉を作る工程と、得られた混合粉をプレスにて成形し、加熱して脱鑞を行った後、焼結して冷却し、その後更に焼鈍する工程とを含んでもよい。
【０００９】
以下、本発明に係る内燃機関用バルブシート鉄基焼結合金の組成を説明する。
【００１０】
ニッケル（Ni）は鉄（Fe）マトリックスに固溶して耐熱性を高め、ひいてはバルブ作動温度における耐摩耗性を高める。ニッケル（Ｎｉ）の添加量は０.５〜５％が望ましい。ニッケル（Ｎｉ）の添加量が０.５％に満たないと、耐摩耗性の改善効果が充分でない。またニッケル（Ni）の添加量が５％を超えると機械的性質は優れるが、相手材（バルブ）の摩耗量が多くなる。この理由は、後述の実施例に示すとおりNiが６％から６．５％に増加すると急激に特性が劣化することから相手材に用いられる含Ni耐熱鋼中のNi成分とバルブシート中のNi成分が同種材料摺動状況を作り出すためと考えられる。すなわち、バルブシートとバルブの摩耗がバランスすると結果的には両方の摩耗量が少なくなるが、バルブシートの耐熱性があるレベル以上に良好になっても、同種材料の摺動状況では、耐熱性を重視して組成設計がされている相手材の摩耗が進行され易くなる。
また、ニッケル（Ni）が５％を超えると、低コスト化が難しくなるため好ましくない。従って、ニッケル（Ｎｉ）は、０.５〜５％であることが必要である。特に、好ましくは１．５〜３％である。
【００１１】
クロム（Ｃｒ）の添加量は０.５〜４％が望ましく、０.５％に満たないと、耐熱・耐酸化性の改善効果が不充分となる。また、４％を超えると、生成する炭化物量が増加して加工及び成形が困難となりかつ脆くなり、好ましくない。さらに、相手材であるCr含有弁用耐熱鋼との同種材料摺動傾向も現われ好ましくない。他面、鉄基基地中にクロム（Ｃｒ）を均一に固溶又は分散させるため、クロム（Ｃｒ）を含む鉄（Ｆｅ）系又は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）系の粉末を使用する必要がある。しかしながら、クロム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）を鉄粉中に高濃度に配合して本発明の組成範囲とした合金は一般に市販されていないので、高価となり低コスト化が図れなくなる。そこで、ニッケル（Ｎｉ）を３２５メッシュアンダーの微細な純金属粉末として添加するとよい。クロム（Ｃｒ）は、金属クロム（Ｃｒ）のままクロム（Ｃｒ）を添加すると、炭素（Ｃ）と反応して硬い炭化物を生成し、しかも鉄基基地との密着性（ぬれ性）が悪いため、相手攻撃性が増す難点があるので、予め鉄粉中にクロム（Ｃｒ）が固溶したFe-Crを主原料とすることが好ましい。
【００１２】
炭素（Ｃ）は０.５〜２％が望ましく、０.５％より少ないと、フェライト（α固溶体）を生じて耐摩耗性が低下する。また、２％より多いと、マルテンサイト及び炭化物が過剰に生じ加工が困難となりかつ脆くなり好ましくない。いずれにしても、炭素（Ｃ）の含有量は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）の各量、硬質粒子の種類及び量によりフェライト及び過剰なマルテンサイトを生じない範囲として相対的に決定する。
【００１３】
硬質粒子を添加する場合において、使用する硬質粒子は、一般的にHv９００以上のものを使用する。好ましい硬質粒子は▲１▼クロム（Ｃｒ）５０〜５７％、モリブデン（Ｍｏ）１８〜２２％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）０.１〜１.４％、珪素（Ｓｉ）０.８〜１.３％、残部鉄及び不可避不純物からなるクロム・モリブデン・コバルト（Ｃｒ・Ｍｏ・Ｃｏ）系合金、▲２▼クロム（Ｃｒ）２７〜３３％、タングステン（Ｗ）２２〜２８％、コバルト（Ｃｏ）８〜１２％、炭素（Ｃ）１.７〜２.３％、珪素（Ｓｉ）１.０〜２.０％、残部鉄及び不可避不純物からなるクロム・タングステン・コバルト（Ｃｒ・Ｗ・Ｃｏ）系合金、▲３▼モリブデン（Ｍｏ）６０〜７０％、炭素（Ｃ）０.０１％以下、残部鉄及び不可避不純物からなるモリブデン・鉄（Ｍｏ・Ｆｅ）系合金、▲４▼ステライト合金の一種又は二種以上を単独で又は複合したものである。
【００１４】
硬質粒子は、分散強化によりバルブシートの耐摩耗性を高めると共に、焼結時に硬質粒子から拡散する合金元素は硬質粒子の周囲に高合金相を生じ、耐摩耗性を顕著に改善する作用がある。硬質粒子の添加量は、３〜２０％がよく、３％に満たないと、耐摩耗性の改善効果が不十分となる。また、２０％を越えると、硬質相の添加量に見合う耐摩耗性の改善効果が得られず、コスト高になると共に材質が硬く脆くなるため、強度及び加工性の面で問題が生じる。また硬質粒子の添加量の増加に伴って相手バルブを摩耗させる傾向が大きくなり、総合的観点から好ましくない。
【００１５】
【作用】
この発明は先願に比較して、適度な耐摩耗性を保持し、且つ、鉄基基地中の合金添加量を極限まで低減させることによって、バルブシート及びバルブの総合的叩き滑り摩耗特性を改善し、惹いては低コスト化を図っていることを特徴としている。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明によるバルブシート用鉄基焼結合金及びその製造方法の実施の形態について説明する。
第１発明（請求項１）に記載の焼結合金は、粒度１５０〜２００メッシュにピークを持つ純鉄粉に、１００から２００メッシュにピークを持つ鉄クロム合金、３２５メッシュアンダーのカルボニルニッケル（Ｎｉ）粉及び黒鉛粉を配合した。混合比は、表１に示す重量比について検討した。金型成形の際に良好な離型性を得るために潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０.５％加えた混合粉を作った。続いて、得られた混合粉を１平方センチメートル当たり６．５トンの圧力でプレスにて成形し、６５０℃で１時間加熱して脱蝋を行った後、１１８０℃で２時間焼結し、ガス冷却焼入れした。更に６５０℃で焼鈍して表１に示すテストピース１〜１７を作製した。
【００１７】
第２、第３発明（請求項２および３）に記載の焼結合金は、粒度１５０〜２００メッシュにピークを持つ純鉄粉に、１００から２００メッシュにピークを持つ鉄クロム合金、３２５メッシュアンダーのカルボニルニッケル（Ｎｉ）粉及び黒鉛粉に、粒度分布が１５０〜２００メッシュにピークを持つモリブデン鉄（ＦｅＭｏ）及び/又は固体潤滑剤として弗化カルシウム(ＣａＦ２)粉を配合した。混合比は、重量比でカルボニルニッケル２．５％、鉄クロム合金粉８．３％、黒鉛粉１.１％、モリブデン鉄（ＦｅＭｏ）１０％であった。次に、重量比でＦｅ−Ｘ％Ｃｒ−Ｙ％Ｎｉ−Ｚ％Ｃとなる様にニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）の各量を変えて配合したプレミックス粉末に、量及び種類を変えた硬質粒子及び固体潤滑剤を添加し、金型成形の際に良好な離型性を得るために潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０.５％加えた混合粉を作った。続いて、得られた混合粉を１平方センチメートル当たり６．５トンの圧力でプレスにて成形し、６５０℃で１時間加熱して脱蝋を行った後、１１８０℃で２時間焼結し、ガス冷却焼入れした。更に６５０℃で焼鈍して表２に示すテストピース１８〜２９を作成した。
【００１８】
続いて、各成分に適する温度で熱処理を行い、ロックウェルＢスケールでＨＲＢ＝８０〜１１０に硬さを調整した後、加工によりバルブシートの試験片を作成した。
【００１９】
従来使われている同形状の焼結バルブシート材のテストピース０、３０を比較材として作製し、所定の寸法に加工したテストピースの摩耗摩擦試験を単体で行い、バルブシート材としての適正を評価した。排気バルブシートの使用条件を想定し、次の条件で測定を行った。バルブ材料：ＳＵＨ３５タフトライド仕様、回転数：３０００ｒｐｍ、試験時間：５時間、温度条件の水準：バルブシート外周温度１５０℃〜３５０℃で実施した。
【００２０】
図１に示す叩き摩耗試験機に試験片を装着し、試験前後でのバルブおよびバルブシートの各摩耗量を測定して耐摩耗性の評価を行った。図１に示すように、バルブガイド２により支持されたバルブ１の上端をバルブシート挿入体３に当接させ、上方からバルブ１に向かってガスバーナ４により火炎を放出する。バルブシート挿入体３の外側は水通路７により冷却される。バルブ１は、バルブスプリング５により常時カムシャフト６側に押圧され、カムシャフト６の回転により上下に振動する。
表１、２に本発明材および比較材の材料特性および叩き摩耗試験機による耐摩耗性評価結果を示す。本発明による鉄基焼結合金のバルブシートは、コスト比において従来材のバルブシート(比較材０，３０)をそれぞれ１００として示したときに４割程度コストが低下している。
【００２１】
【表１】
0003970060.tif 000002
【００２２】
【表２】
0003970060.tif 000003
【００２３】
No.０（比較材）はモリブデン（Mo）を含有し且つ炭素（C）が不純物程度である点で組成が本発明外である。C量が少ないため液相発生量が少なくなり、焼結体密度が低く、その結果圧環強度は低くなっている。モリブデン（Mo）を含む金属間化合物のために硬さは高くなっており、またコバルト（Co）添加による耐熱性の向上に伴ない摩耗特性は良好である。
【００２４】
No.１（比較材）はニッケル（Ni）,クロム（Cr）,炭素（C）のすべてが本発明下限値より低く、このため摩耗特性が不良になっている。
【００２５】
No.１３（比較材）はニッケル（Ni）,炭素（C）量は本発明範囲内であるが、クロム（Cr）量が本発明上限値より多いために、硬さ、焼結体密度及び圧環強度（以下「機械的性質」と総称する）は優れているが、相手材であるバルブの摩耗量が非常に多くなっている。
【００２６】
No.１４（比較材）はニッケル（Ni）,クロム（Cr）量は本発明範囲内であるが炭素（C）量が本発明上限値より多い。機械的性質は優れているが相手材摩耗が極めて多くなっている。
【００２７】
No.１５（比較材）はクロム（Cr）,炭素（C）量は本発明範囲内であるがニッケル（Ni）量が本発明上限値より多くなっている。機械的性質は優れているが相手材摩耗が比較的多くなっている。
【００２８】
No.１６（比較材）は、No.１５より０．５％だけニッケル（Ni）量が多い。これによる機械的性質の低下は僅かであるが、摩耗特性は大幅に劣化している。
【００２９】
No.１７（比較材）は、炭素（C）量は本発明範囲内であるが、ニッケル（Ni）,クロム（Cr）量は本発明上限値より多くなっている。このため圧環強度は実施例中最大であるが、摩耗特性は最悪になっている。
【００３０】
No.２７はNo.１５、No.２８はNo.１６のそれぞれの材料に硬質粒子及び固体潤滑剤を添加したものである。
すなわち、クロム（Cr）炭化物量が多過ぎるために相手材が摩耗され易くなり、摩耗により粗された相手材表面によりバルブシートが摩耗されると考えられる。
【００３１】
No.0‘はNo.0に対して銅溶浸を施したものであり、コストが１．５倍に増大している。  No.30‘はNo.30に対して銅溶浸を施したものであり、やはりコストが１．５倍に増大している。
【００３２】
【発明の効果】
前記のように、本発明では、純鉄粉に、鉄クロム合金、ニッケル及び炭素を必要量添加して同種材料摺動を抑制し、更に焼結体の硬度をロックウェル硬度でＨＲＢ８０〜１１０としたことで適度な耐摩耗性を有し、且つ合金添加量を低減させたことにより低価格化が可能となる内燃機関用バルブシート鉄基焼結合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    叩き摩耗試験機の図である。
【符号の説明】
１：バルブ
２：バルブガイド
３：バルブシート
４：バーナー
５：バルブスプリング
６：カムシャフト
７：水通路
【図１】
0003970060.tif 000004