(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：１５〜２０質量％、Ｃ：０．８〜１．５質量％、ＭｎＳ、ＷＳ２およびＭｏＳ２の少なくとも１種：０．５〜２質量％を含有し、残部がＦｅからなり、気孔を有し、鉄のパーライト基地に銅相が分散した金属組織を有するとともに、基地および銅相の粒子間に金属硫化物が分散し、軟窒化処理が施されていない鉄基耐食耐熱超合金、耐熱鋼、または高速度工具鋼のバルブステムとの組み合わせで用いられることを特徴とする鉄系焼結合金製内燃機関用バルブガイド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金製内燃機関用バルブガイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸気弁や排気弁に用いられているバルブガイドは、多くが鉄系焼結合金製である。例えば、特公昭５５−３４８５８号公報に記載されているように、炭素：１．５〜４質量％、銅：１〜５質量％、錫：０．１〜２質量％、りん：０．１〜０．３質量％、および鉄残部の組成で、鉄のパーライト基地中にＦｅ−Ｃ−Ｐ三元合金の白色板結晶が析出し、黒鉛が分散した焼結合金が挙げられる。この合金は切削加工性および耐摩耗性に優れているため、自動車等のエンジンに使用されている。また、吸排気弁のバルブステムの多くは、鉄基耐食耐熱超合金(Corrosion-resisting and heat-resisting superalloy：ＪＩＳ記号ＮＣＦ)、耐熱鋼(Heat-resisting steel：ＪＩＳ記号ＳＵＨ)、高速度工具鋼（Hight speed tool steel：ＪＩＳ記号ＳＫＨ）のような合金、およびこれらの合金に軟窒化処理を施したものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
バルブステムは、耐熱耐摩耗性に加え、疲れ特性を向上させるために軟窒化処理を施したものが好ましいものの、この処理は、毒性を有するシアン化合物を含む溶融塩が用いられるので、取り扱いや廃棄等に特段の管理を必要とし、環境衛生の問題があることから、できれば軟窒化処理を施さない方が望ましい。しかしながら、軟窒化処理を施さないバルブステムは、処理したものより比較的耐摩耗性が低いので、鉄系焼結合金製バルブガイドおよびバルブステムに摺動傷(scuffing)が生じ易く、摩耗が比較的速くなるおそれがある。特に、吸気側(intake)は、バルブガイドとバルブステムの摺動部の摩耗を防ぐために多量の潤滑油を供給すると、その潤滑油が下方の燃焼室に流れ込む“オイル下がり”と呼ばれる現象が生じて潤滑油の消費が多くなる。このため、エミッションへの悪影響が生じ、これを回避するには潤滑油の量が適度になるように焼結合金の多孔性や潤滑油の供給量を調整する必要があり、その結果、摩擦環境が比較的厳しくなっている。
【０００４】
よって本発明は、軟窒化処理が施されていないバルブステムに対しても優れた耐久性を有する鉄系焼結合金製の内燃機関用バルブガイドを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｃｕ：１５〜２０質量％、Ｃ：０．８〜１．５質量％、ＭｎＳ、ＷＳ２およびＭｏＳ２の少なくとも１種：０．５〜２質量％を含有し、残部がＦｅからなり、気孔を有し、鉄のパーライト基地に銅相が分散した金属組織を有するとともに、基地および銅相の粒子間に金属硫化物が分散し、軟窒化処理が施されていない鉄基耐食耐熱超合金、耐熱鋼、または高速度工具鋼のバルブステムとの組み合わせで用いられることを特徴としている。以下、本発明の構成の限定理由を説明する。
【０００６】
・鉄基地
鉄基地は材料の強度、耐摩耗性等の基本的な性質を形成するものであり、本発明では、純鉄粉に黒鉛粉の形で添加された炭素が焼結中に拡散した鉄のパーライト組織とする。鉄基地の結合炭素量は、鉄と炭素の共析の約０．８％程度であり、大きなセメンタイトが析出しているようなものは好ましくない。添加された黒鉛粉の一部は遊離炭素として残留しているものも包含される。
【０００７】
・Ｃ
焼結合金中の全炭素量は、バルブガイドの圧環強さ、切削性、バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量に影響をおよぼす。バルブガイドの切削性は全炭素量が少ないほど良い結果となる。圧環強さは全炭素量が約１質量％のとき最も高くなり、これよりも含有量が多くても少なくても低くなり、１．５％を超える含有量は好ましくない。バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量は、全炭素量が約１質量％のとき最も少なく、０．８質量％より少ないと摩耗が増加する。これらのことから、摩耗量が少なく、圧環強さが高く、切削性が良い全炭素量の範囲は、０．８〜１．５質量％とする。
【０００８】
・Ｃｕ
銅は焼結合金の鉄基地の間に斑点状に分散した状態とし、バルブステムとのなじみ性、耐摩耗性を良くする。銅は銅粉の形で添加されると好ましい。そのために用いる銅粉は、銅の分散状態を得るために、粒度が比較的粗いものが好ましい。例えば、粒度が１００メッシュ篩下でサブシーブ粉の量が１０〜３０質量％のものである。銅は、焼結によって鉄粒子に僅かには拡散するが、組織上は実質純銅を形成させる。焼結温度は、強度を確保する上で銅の融点よりやや高い１１００〜１１３０℃程度とし、保持時間によって、銅が鉄に多く拡散することを抑制するとともに、前記した炭素が鉄に約０．８質量％程度固溶させるようにする。銅の含有量もまた、各種特性に影響を及ぼす。切削性は、銅の含有量が多いほど良くなる。圧環強さは銅の含有量が多いほど低下する。バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量は、銅の含有量が約１５質量％において最も良く、５質量％では摩耗量が増加する。これらのことから、摩耗量が少なく、圧環強さが実用上充分で、切削性が良い範囲として、銅の含有量は８〜２０質量％とする。
【０００９】
・金属硫化物（ＭｎＳ、ＷＳ２、ＭｏＳ２）
前記したパーライト組織の鉄基地に銅が８〜２０質量％分散した組織を有する鉄系焼結合金製バルブガイドでも、従来の鉄系焼結合金製バルブガイドよりも圧環強さが高く、焼き付き摩耗を生じないが、耐摩耗性や被削性が従来の鉄系焼結合金より劣る。これを改善するには、潤滑物質を含有させると良い。潤滑物質として、硫化マンガン（ＭｎＳ）、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、エンスタタイト（ＭｇＳｉＯ３）、窒化棚素（ＢＮ）、弗化カルシウム（ＣａＦ）等が挙げられるが、これらを比較すると、圧環強さの低下が少なく、耐摩耗性が最も優れているのは金属硫化物であり、特に硫化マンガンが優れている。金属硫化物の含有量が増加すると、切削性が向上し、圧環強さが低下する。バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量は、金属硫化物の含有量が約１〜１．５質量％では少なく、０．５質量％より少ないと増加する。また、金属硫化物の含有量が３％でも摩耗量が増加する。これらのことから、摩耗量が少なく、圧環強さが実用上充分で、切削性が良い範囲として、金属硫化物の含有量は０．５〜２質量％とする。
【００１０】
・バルブガイドの密度
含油能がある気孔と強度を満足する密度としては、６．４〜６．８ｇ／ｃｍ３である。
【００１１】
【実施例】
以下、実施例を示して本発明をより詳細に説明する。
（１）焼結合金試料の作製および性能試験
［実施例］
ａ）原料粉末
・鉄粉：川崎製鉄製  ＫＩＰ−３００Ａ  粒度−１００メッシュ篩下
・銅粉：ジャパンエナジー製  ＃３５  粒度−１００メッシュ篩下
・黒鉛粉：日本黒鉛工業製  ＣＰＢ  粒度−１５０メッシュ篩下
・固体潤滑剤粉：硫化マンガン（ＭｎＳ）、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二硫化モリプデン（ＭｏＳ２）、エンスタタイト（ＭｇＳｉＯ３）、窒化棚素（ＢＮ）、弗化カルシウム（ＣａＦ）
・ステアリン酸亜鉛粉
【００１２】
ｂ）混合粉末
上記原料粉末を用い、下記の試料１〜７の混合粉末を調製した。添加量は質量％である。また、ステアリン酸亜鉛は全ての試料に添加するものとし、追加で０．７５％とした。
・試料１：８９％鉄粉＋１０％銅粉＋１％黒鉛
・試料２：９９％試料１＋１％ＭｎＳ
・試料３：９９％試料１＋１％ＷＳ２
・試料４：９９％試料１＋１％ＭｏＳ２
・試料５：９９％試料１＋１％ＭｇＳｉＯ３
・試料６：９９％試料１＋１％ＢＮ
・試料７：９９％試料１＋１％ＣａＦ
【００１３】
ｃ）粉末成形、焼結
上記試料粉末１〜７を、円筒状のバルブガイド形状に圧縮成形し、成形体を、還元性ガス中にて加熱最高温度１１３０℃で焼結した。性能を評価するための各試料の密度を６．６ｇ／ｃｍ３とした。各焼結体は、全炭素量が０．９５質量％で、顕微鏡組織による鉄は全面がパーライト（結合炭素量が約０．８％）であり、斑点状に銅が認められた。
【００１４】
［比較例］
前記した従来の焼結合金製のバルブガイドを比較例の試料とした。比較例の試料は、鉄粉、銅錫合金粉、りん鉄合金粉、黒鉛粉がそれぞれ所定量配合された混合粉を圧縮成形、焼結したものである。比較例の焼結体は、炭素：２質量％、銅：３質量％、錫：１質量％、りん：０．２質量％、および鉄残部の組成で、鉄のパーライト基地中にＦｅ−Ｃ−Ｐ三元合金の白色板結晶が析出し、黒鉛が分散していた。
【００１５】
上記試料１〜７および比較例の焼結体からなるバルブガイドにつき、以下の試験を行った。
・圧環強さ（ＭＰａ）
ＪＩＳ  Ｚ２５０７−１９７９焼結含油軸受の圧環強さ試験法によって圧環強さを測定した。
・被削性試験
内径寸法が６．４ｍｍの各バルブガイドに、４００℃における動粘度が５６ｃＳｔのタービン油を含浸させ、これをハウジングの孔に圧入して、ボール盤の基台に固定する。ボール盤には外径７ｍｍの超硬製のリーマを装着し、リーマの回転数１０００ｒｐｍ、荷重３１Ｎで焼結体の内孔に挿入する。被削性は、軸方向距離１０ｍｍをリーマ加工できる切削時間（秒）で評価した。
・摩耗試験
リーマ加工したバルブガイドを試験機に固定し、マルテンサイト系耐熱鋼ＳＵＨ１１（ＪＩＳ  Ｇ  ４３１１）で軟窒化処理を施さないバルブステムを用い、外周環境温度５００℃、バルブステム回転数３０００ｒｐｍ、ラジアル荷重３ｋｇｆで１０時間運転した後のバルブガイドの内径摩耗量（μｍ）およびバルブステムの摩耗量（μｍ）を測定した。
【００１６】
表１に、圧環強さと摩耗量の結果を示す。表１では、比較例の試料の特性を１００とした場合の指数で実施例の各試料の特性を示している。なお、ＶＧはバルブガイド、ＶＳはバルブステムである。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１によれば、比較例の試料のバルブガイドに比べて、金属硫化物を含む実施例の試料の特性が優れていることが認められる。特に試料２のＦｅ−１０％Ｃｕ−０．８５％Ｃ−１％ＭｎＳ材料が最も優れている。なお、被削性試験のリーマ加工時間は、比較例の試料を指数１００としたとき試料２が指数７８であり、試料２の方が優れている。
【００１９】
（２）Ｃｕ、ＣおよびＭｎＳの含有量の比較
次に、上記試料２におけるＣｕ、ＣおよびＭｎＳのそれぞれの含有量の違いとバルブガイドの特性について比較し、Ｃｕ、Ｃおよび金属硫化物の含有量の適正値を決定した。そのための圧環強さおよび被削性試験の方法は上記と同様であるが、摩耗試験は上記の条件より荷重を高く、かつ時間を長くしており、ラジアル荷重を５ｋｇｆとし、運転時間が３０時間とした。また、比較にあたっては、上記試料２を１００とする指数で示す。ここで、発明の限定範囲決定基準は、切削時間が指数１２０以下、圧環強さが指数６０以上、バルブガイドの摩耗量が指数１４０以下、バルブステムの摩耗量が指数２５０以下とする。このうち、バルブステムの摩耗量は数μｍ程度なので、指数が比較的大きくても許容されるものとする。
【００２０】
ａ）Ｃｕ含有量の比較
Ｆｅ−１％Ｃ−１％ＭｎＳを一定とし、Ｃｕの含有量を５％、１０％、１５％、２０％の４種類のバルブガイドの試料を作製した。これら試料の試験結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
表２に示すように、Ｃｕ含有量が増加すると被削性が良くなる一方、圧環強さは低くなる。また、切削時間はＣｕ含有量が１５〜２０質量％のときに８０秒代であり、バルブステムの摩耗量は全て許容範囲内にある。これらのことからＣｕ含有量は、バルブステム摩耗量および被削性を考慮し、１５〜２０質量％の範囲とする。
【００２３】
ｂ）Ｃ含有量の比較
Ｆｅ−１０％Ｃｕ−１％ＭｎＳを一定とし、Ｃの含有量が０．８％、１％、１．２％、１．５％の４種類のバルブガイドの試料を作製した。これら試料の試験結果を表３に示す。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
表３に示すように、Ｃ含有量は１〜１．２質量％が良好である。Ｃ量が多くなると被削性が悪くなる。圧環強さおよび耐摩耗性は１％Ｃのとき最も高く、含有量がそれより多くても少なくても低下する傾向を示す。組織上からみた鉄との結合炭素量は０．８％程度であるから、残部Ｃはセメンタイトおよび遊離炭素として析出するが、セメンタイトは硬質で脆い組織であるため、炭素量の増加に伴い被削性が低下し、ステムを摩耗させると同時に摩耗粉が研磨粒子として作用してバルブガイド自体を摩耗させるものと考えられる。これらの特性はそれぞれ許容範囲以内にあり、Ｃ含有量は、０．８〜１．５質量％の範囲とする。
【００２６】
ｃ）ＭｎＳ含有量の比較
Ｆｅ−１０％Ｃｕ−１％Ｃを一定とし、ＭｎＳの含有量を０．５％、１％、１．５％、２％および３％の５種類のバルブガイドの試料を作製した。これら試料の試験結果を表４に示す。
【００２７】
【表４】
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【００２８】
表４に示すように、ＭｎＳ含有量は１〜２質量％が良好である。ＭｎＳの含有量が多くなると圧環強さが低下し、被削性が向上する。耐摩耗性は、ＭｎＳ含有量が１〜１．５質量％のとき良好で、それより多くても少なくても悪くなる傾向を示す。ＭｎＳの含有量が３質量％ではバルブガイド、バルブステムともに摩耗量が多くなる。このことからＭｎＳ含有量は、０．５〜２質量％の範囲とする。
【００２９】
以上のように、本発明のバルブガイドによれば、パーライト組織の鉄基地に比較的軟質な銅が適度に分散していることにより、バルブステムとのなじみ性が良くなり、摺動傷摩耗が起こり難くなるのに加え、金属硫化物の潤滑効果によってバルブガイドの耐摩耗性および相手材のバルブステムを攻撃しにくいものとなる。これによって、軟窒化処理が施されていないバルブステムにも適する特性を示しているものと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉄系焼結合金製バルブガイドによれば、軟窒化処理が施されていないバルブステムに対しても優れた耐久性を有し、したがって、バルブステムの軟窒化処理が不要となって自然環境を悪化させないといった効果が奏される。