(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比で、
Ｃ：０．５〜２．１％、
Ｃｕ：０．４〜４．２％、
Ｃｒ：２．４〜９．５％、
Ｍｏ：３．０〜１５．０％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、パーライト組織を基地組織とし、Ｃｒリッチ高合金相と、フェロモリブデン粒子が分散した組織であることを特徴とするバルブシート用焼結合金材。
【請求項２】
重量比で、
Ｃ：０．５〜２．１％、
Ｃｕ：０．４〜４．２％、
Ｃｒ：２．４〜９．５％、
Ｍｏ：３．０〜１５．０％、
Ｐ：０．０４〜０．５１％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、組織が、パーライト組織を基地組織とし、Ｃｒリッチ高合金相と、フェロモリブデン粒子が分散した組織であることを特徴とするバルブシート用焼結合金材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のバルブシートに用いられる焼結合金材に関し、とくに耐摩耗性に優れたバルブシート用焼結合金材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バルブシートは、エンジンのシリンダヘッドに圧入されて使用され、燃焼ガスのシールとバルブを冷却する役目を担っている。そのため、バルブによる叩かれ、すべりによる摩耗、燃焼ガスによる加熱、燃料と燃料に含まれる添加物およびその燃焼生成物、熱変成物による腐食等をうける。
【０００３】
焼結合金は、合金粉末を配合混練し、金型に充填し圧縮成形したのち、所定の温度雰囲気中で焼結したものであり、通常の溶製法では得難い金属や合金が容易に製造でき、また機能の複合化が容易なため、独特な機能を付与した部品の製造が可能である。さらに、多孔質材や難加工材などの製造や、形の複雑な機械部品の製造に適している。近年、耐摩耗性が要求されるバルブシートにこの焼結合金が適用されるようになった。
【０００４】
焼結合金製のバルブシートでは、内部に多くの空孔を有しており、エンジン運転中に燃焼ガスで加熱されることにより、空孔中に酸化鉄が形成され耐摩耗性の向上に有利となっている。
バルブシート用焼結合金として、例えば、特公昭５１−１３０９３号公報に、無鉛ガソリンの使用下にあっても、高度の耐摩耗性を有し、同時に耐熱、耐食性を有するバルブシート用鉄系焼結合金材が開示されている。この焼結合金は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｗを多量に含み、パーライト基地中にＣ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏよりなる特殊合金粒子とフェロモリブデン粒子が分散し、かつこれら粒子の周囲にＣｏ、Ｎｉが拡散したものである。このように、この焼結合金では、耐摩耗性、耐熱性、耐食性等の特性を付与させるため、Ｗ、Ｃｏの多量添加を必要としていた。Ｗ、Ｃｏは、非常に高価な金属であり、そのため、この焼結合金製のバルブシートは、高価なバルブシートとなり、コスト的に問題を残していた。また、エンジンの高性能化にともない、なお一層の耐熱性、耐摩耗性の向上が要求されている。
【０００５】
また、特開昭５４−１９４０６号公報には、加工性の優れたバルブシートリング用耐熱耐摩耗性鉄系焼結合金が提案されている。この焼結合金は、Ｃｒ、ＭｏおよびＰのうち一種または二種以上、ＣｕおよびＮｉの一種または二種、Ｃ、Ｓおよび残部鉄からなるもので、硫化物を含むことで加工性が優れると記述されている。この焼結合金製のバルブシートでは、バルブシートの加工性は向上するが、厳しい環境においては耐熱性、耐摩耗性が低下することなど問題を残していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を有利に解決し、耐摩耗性に優れたバルブシート用焼結合金材を提供することを目的にする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、重量比で、Ｃ：０．５〜２．１％、Ｃｕ：０．４〜４．２％、Ｃｒ：２．４〜９．５％、Ｍｏ：３．０〜１５．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるバルブシート用焼結合金材であり、また、Ｃ：０．５〜２．１％、Ｃｕ：０．４〜４．２％、Ｃｒ：２．４〜９．５％、Ｍｏ：３．０〜１５．０％、Ｐ：０．０４〜０．５１％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるバルブシート用焼結合金材である。また、上記組成を有するバルブシート用焼結合金材は、パーライト組織を基地組織とし、Ｃｒリッチ高合金相、フェロモリブデン粒子が分散した組織を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のバルブシート用焼結合金材の成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．５〜２．１％
Ｃは、強靱なパーライト基地組織を形成せしめるために添加する。０．５％未満では、焼結拡散が進まず強度不足になり、また、Ｃｒと結合し生成するＣｒ炭化物の析出量が少なく、耐摩耗性が低下する。２．１％を超えると、融点が低下し、液相が形成されるため空孔が多くなりすぎ、目標とするミクロ組織が得られ難くなる。このため、Ｃは０．５〜２．１％の範囲とする。
【０００９】
Ｃｕ：０．４〜４．２％
Ｃｕは、基地に固溶し、基地の強度を向上せしめる元素である。０．４％未満では、粗大フェライトを生成しやすく、層状組織が生成しにくくなるため、パーライト組織が安定しない。４．２％を超えると基地中のＣｕの固溶限界を超えるため、遊離Ｃｕ相が析出し、耐摩耗性が低下する。このため、Ｃｕは０．４〜４．２％の範囲とする。
【００１０】
Ｃｒ：２．４〜９．５％
Ｃｒは、強度、耐熱性および耐摩耗性を高める元素であるが、２．４％未満では、Ｃｒ炭化物の析出量が少なく、耐摩耗性が劣化する。また、Ｃｒ量が少ないと、本発明の特徴であるＣｒリッチ高合金相の析出が少なく、耐摩耗性が劣化する。また、９．５％を超えると、Ｃｒ炭化物の析出量が過多となり、被削性が低下する。このため、Ｃｒは２．４〜９．５％の範囲とする。
【００１１】
Ｍｏ：３．０〜１５．０％
Ｍｏは、基地に固溶し基地を強化するとともに、硬質粒子（フェロモリブデン）として基地中に分散し耐摩耗性を向上する。３．０％未満では、硬質粒子が少なく耐摩耗性が劣化する。しかし、１５．０％を超えると、粉末の流動性が低下し、成形性が悪化する。さらに、焼結体の被削性も劣化する。このため、Ｍｏは、３．０〜１５．０％の範囲とする。
【００１２】
Ｐ：０．０４〜０．５１％
Ｐは、基地に固溶し基地を強化するとともに、液相を生成しやすくして、焼結拡散を進行させる。この効果は、０．０４％以上で認められるが、０．５１％を超えると液相化が進行しすぎて、Ｃｒ炭化物が粗大化し、粗大な空孔が形成され、被削性が劣化する。このため、Ｐは０．０４〜０．５１％の範囲とする。
【００１３】
上記した化学組成のバルブシート用焼結合金材は、強靱なパーライト組織を基地組織とし、基地組織中に耐摩耗性に寄与するＣｒリッチ高合金相と同じく耐摩耗性に寄与するフェロモリブデン粒子が均一に分散した組織とする。さらに、微細Ｃｒ炭化物が析出してもよい。
バルブシート用焼結合金材の組織の一例を図３に示す。
【００１４】
図３は、本発明のバルブシート用焼結合金材の光学顕微鏡組織写真（２００倍）であり、写真中Ａはパーライトであり、ＢはＣｒリッチ高合金相であり、Ｃはフェロモリブデン粒子であり、Ｄは微細Ｃｒ炭化物であり、Ｅは空孔である。
Ｃｒリッチ高合金相は、Ｃ、Ｃｒ、Ｃｕ等が固溶した、硬質なオーステナイト相であり、ＨV ５００程度の硬さを有している。このようなＣｒリッチ高合金相が、基地中に分散することにより、耐摩耗性を向上させる。このＣｒリッチ高合金相は、面積率で５０〜８０％基地中に分散した組織が好ましい。５０％未満では耐摩耗性の向上が望めない、しかし８０％を超えると被削性が劣化する。
【００１５】
フェロモリブデン粒子は、フェロモリブデン粉末で添加することにより、基地中に分散する。フェロモリブデン粒子は硬質な粒子であり、分散することにより、耐摩耗性が向上する。耐摩耗性を向上させるためには、フェロモリブデン粒子が、面積率で５〜２０％基地中に分散した組織が好ましい。
本発明においては、上記した組成を得るために、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ等の金属を添加するが、これら金属を単粉として添加してもよいが、焼結性を改善する目的から、これら金属を予め合金化しておくのが好ましい。
【００１６】
得られる焼結合金材の基地組成は、Ｃ：０．７〜２．２％、Ｃｕ：０．６〜４．４％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％を含み残部Ｆｅからなり、あるいは、また、焼結合金材の基地組成が、Ｃ：０．７〜２．２％、Ｃｕ：０．６〜４．４％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｐ：０．０６〜０．５３％を含み残部Ｆｅからなり、あるいは、焼結合金材の基地組成が、Ｃ：０．７〜２．２％、Ｃｕ：０．６〜４．４％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０６〜０．５３％を含み残部Ｆｅからなるのが好適である。
【００１７】
本発明のバルブシート用焼結合金材を得るには、純鉄粉に、Ｃｒ、Ｍｏ、ＣｕＣ、Ｐの単粉を混合するか、純鉄粉に、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏおよび／またはＰを予合金した高Ｃｒ系合金粉およびＣｕ粉、Ｃ粉を上記基地組成となるように配合し、さらにフェロモリブデン粉とともに混練する。なお、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛等を配合してもよい。
【００１８】
またさらに、バルブの攻撃性を低下させるために、固体潤滑材として硫化物、フッ化物のいずれかあるいは複合で０．２〜３．０％添加してもよい。
硫化物としてはＭｎＳ、ＭｏＳ2 等が、フッ化物としてはＣａＦ2 が好適である。これら固体潤滑材は０．２％未満ではその効果が少なく、３．０％を超えると焼結体の材料強度が低下するため、０．２〜３．０％の範囲で添加するのが望ましい。
【００１９】
配合するフェロモリブデン粉は、ＪＩＳに規定されるフェロモリブデンのインゴットを粉砕し、平均粒径：３０〜１００μm の粉末としたものが、好適に使用できる。フェロモリブデンの組成は、ＪＩＳに規定される範囲の組成であれば十分である。フェロモリブデンの組成は、たとえば、Ｍｏ：５０〜７０wt％、Ｆｅ：３０〜５０％である。フェロモリブデン粉末の配合量は、５〜２０wt％が好適である。
【００２０】
次に、これら粉末を金型に充填し、成形プレスにより圧縮・成形し圧粉体とする。ついで、圧粉体を焼結させて焼結体を得る。
本発明では、圧粉体を保護雰囲気中で１１００〜１２００℃の温度範囲で加熱し焼結させるのが好ましい。１１００℃未満では、焼結拡散が不足し、高Ｃｒ合金相の形成が不十分であり、１２００℃を超えると硬質粒子、基地の過拡散が生じ耐摩耗性が劣化する。
【００２１】
焼結体を切削等により、バルブシートに加工する。
【００２２】
【実施例】
鉄を主体としＣ、Cr、Cu、およびMoまたはＰの一種または二種を含有する高Cr系合金粉と、黒鉛粉、Cu粉、および純鉄粉とを基地組成が表１に示す組成となるよう配合し、さらに、表１に示す量のフェロモリブデン粉（Ｂ粉）と、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を１％添加して、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形し、アンモニア分解ガス雰囲気中で１１５０℃×０．５ｈｒで焼結した。使用したフェロモリブデン粉は、ＪＩＳ  Ｇ２３０７のインゴットを粉砕して得た平均粒径８０μm の粉末を用いた。得られた焼結体の最終組成、組織および特性を表２に示す。
【００２３】
なお、比較例として、黒鉛粉、Ni粉、Co粉、純鉄粉とを基地組成が表１に示す組成となるよう配合し、さらに、Ｃ、Cr、Ｗ、Coよりなる合金粉とフェロモリブデン粉を表１に示す量だけ添加し、ステアリン酸亜鉛１％を加え、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形し、アンモニア分解ガス雰囲気中で１１５０℃×０．５ｈｒで焼結した。得られた焼結体の最終組成、組織および特性を表２に併記する。比較例は、実機に主として使用されているＣｏを含有する鉄系焼結合金材である。
【００２４】
【表１】
0003763605.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003763605.tif 000003
【００２６】
上記焼結体を４気筒−２０００ｃｃ−１６バルブガソリンエンジン用のバルブシートに加工した。これらバルブシートを実機シリンダーヘッドに圧入し、無鉛ガソリンを使用し、６０００ｒｐｍ全負荷の条件で１００ｈｒの高速耐久試験を実施した。この結果をバルブクリアランスの変化量およびバルブシートの摩耗量で図１および図２に示す。比較例として、実機に主として使用されているＣｏを含有する鉄系焼結合金材のバルブシートを用いた。
【００２７】
本発明例は、現在実機に使用されている比較例に比べて、バルブクリアランスの変化量およびバルブシートの摩耗量も少なく、極めて耐摩耗性に優れたバルブシートとなっている。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、厳しい運転状況にも適用できる耐摩耗性に優れた焼結合金製バルブシートを、安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速耐久試験後のバルブクリアランス変化を示すグラフである。
【図２】高速耐久試験後のバルブシート摩耗量を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、本発明例の焼結体の光学顕微鏡組織を示す写真であり、（ｂ）は、それのスケッチ図である。
【符号の説明】
Ａ  パーライト
Ｂ  Ｃｒリッチ高合金相
Ｃ  フェロモリブデン粒子
Ｄ  微細Ｃｒ炭火物
Ｅ  空孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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