(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純鉄粉と、他の原料粉とを混合し鉄基混合粉としたのち、該鉄基混合粉に圧縮成形処理を施し圧粉体とし、ついで該圧粉体に焼結処理を施し焼結体とする鉄基焼結合金材の製造方法において、前記鉄基混合粉が、該鉄基混合粉の合計量に対し、質量％で、純鉄粉を20〜70％と、他の原料粉として、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、Ｖ、Mnの内から選ばれた１種または２種以上の含有量が合計で10.0％以下である合金鉄粉を10〜50％と、炭素粉末を0.5 〜1.5 ％と、微細炭化物析出鋼粉を５〜20％と、Ｃ、Cr、Mo、Co、Si、Ni、Ｓ、Feのうちから選ばれた２種以上の元素からなり、硬さが 500〜1500Ｈv 、粒度が−100 メッシュである硬質粒子粉末を５〜40％と、を全量で100 ％となるように混合してなり、かつ前記焼結処理の温度を1000〜1200℃とし、前記焼結体の基地組織をパーライト組織とすることを特徴とするバルブシート用耐摩耗性鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項２】
前記鉄基混合粉に、固体潤滑剤粉末を、前記鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜3.0 重量部添加することを特徴とする請求項１に記載のバルブシート用耐摩耗性鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項３】
前記鉄基混合粉に、酸化物安定化粉末を、前記鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜5.0 重量部添加することを特徴とする請求項１または２に記載のバルブシート用耐摩耗性鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項４】
前記焼結体に溶浸処理、または含浸処理を施すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバルブシート用耐摩耗性鉄基焼結合金材の製造方法。
【請求項５】
前記溶浸処理が、Cu、Cu合金、Pb、Pb合金のうちの１種を用い、前記含浸処理がフェノ−ル系樹脂またはアクリル系樹脂を用いることを特徴とする請求項４に記載のバルブシート用耐摩耗性鉄基焼結合金材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄基焼結合金材に係り、とくに内燃機関用のバルブシートに好適な耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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圧粉体としたのち、所定の温度雰囲気中で焼結し焼結体としたものであり、通常の溶製方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内燃機関の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。
【０００３】
最近は、自動車エンジンにおいて、長寿命化、高出力化、排出ガス浄化、燃費向上等に対する改善要求が一段と高まっている。このため、自動車エンジン用バルブシートに対しても、従来にも増して厳しい使用環境に耐えることが要求され、耐熱性、耐摩耗性をより一層向上させる必要が生じてきた。
バルブシート用焼結合金材としては、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：0.6 〜2.0 ％、Ni：1.0 〜3.0 ％、Cr：10.0〜15.0％、Mo：0.3 〜1.5 ％、Co：5.0 〜15.0％、Ｗ：3.0 〜7.0 ％と合金元素を多量に含み、パーライト基地中に硬質合金粒子である、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とが均一に分散し、かつこれら粒子の周囲にCo、Niが拡散したものである。このバルブシート用鉄系焼結合金材では、耐摩耗性の付与をＷおよびCoの多量添加と硬質合金粒子の分散に依存している。このため、この焼結合金製のバルブシートは、高価となり、コスト的に問題を残していた。
【０００４】
また、欧州を中心として、バルブシートの材料として、高速度工具鋼粉のみを使用した焼結体が使用されている。しかし、この種のバルブシートは製造コストが高価であるうえ、通常のエンジンでは十分な耐摩耗性を有しているが、高速回転のエンジン用としては耐摩耗性という点で問題を残していた。さらに、高合金である高速度工具鋼粉の配合量が多くなると、成形性が悪くなるうえ、粉末粒子間の結合力が弱くなり、使用中に剥離して摩耗が促進し耐摩耗性が低下するなどの問題があった。
【０００５】
また、特許第2957180 号公報には、Ni、Co、Si、Mnの一種または複数種を合わせた安定化元素並びにＣ及び残部Feを含む基地形成用原料粉と、Cr、Mo、Ｖ、Ｗの一種または複数種を合わせた炭化物形成用原料粉と、Fe、Cr、Mo、Co、Ｃ、Ｗの一種または複数種を合わせた硬質相粒子原料粉と、高速度鋼粉末２〜20％を混合して金属混合粉を形成する工程と、金属混合粉を加圧、成形し、1000〜1200℃で焼結し冷却し、硬化相とマルテンサイトの鉄基地との境界部を高速度鋼の粉末粒子の表面液相化によって結合する工程とからなり、Ｃ：0.5 〜2.0 ％と、Cr、Mo、Ｖ、Ｗの一種または複数種を合わせて１〜25％と、Fe、Cr、Mo、Co、Ｃ、Ｗの一種または複数種を合わせて２〜15％と、Ni、Co、Si、Mnの一種または複数種を合わせて１〜15％と、残部Feとの化学組成を有する鉄基焼結合金とする、硬質相分散型の耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許第2957180 号公報に記載された硬質相分散型の鉄基焼結合金では、耐摩耗性が不足し、厳しい使用環境で使用される自動車エンジン用バルブシートに要求されている耐摩耗性を十分に満足できないという問題があった。硬質相分散型の鉄基焼結合金の耐摩耗性を向上させるためには、硬質粒子の添加量を増加させることが有効である。しかし、硬質粒子の添加量を25質量％を超えて増加すると、成形性が低下するうえ基地組織と硬質粒子との密着性が低下し、使用中に剥離して摩耗が促進し耐摩耗性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した問題を有利に解決し、内燃機関のバルブシート用として好適な、耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金材の製造方法を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、耐摩耗性向上の手段について鋭意検討した。その結果、更なる耐摩耗性向上のためには、硬質粒子粉末、高速度鋼粉末の添加量を増加することなく、合金鉄粉の添加量を増加し焼結体の基地を強化することが重要であるという知見を得た。そして、更に硬質粒子粉末、高速度工具鋼粉末、合金鉄粉の添加量に応じ、純鉄粉の配合量を適正化することにより、合金元素が拡散しやすくなり各粒子間の結合力が向上して、同時に耐摩耗性が向上するという知見を得た。また、従来、合金元素添加用として、鉄基混合粉に添加されていたNi粉、Co粉は、単独の粉体として取り扱うと人体への悪影響が懸念され、危険物質に指定されており、取扱うことが制限されている。そこで本発明者らは、Ni、Coを鉄粉中に合金化して使用することを考えた。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討して構成されたものである。
すなわち、本発明は、純鉄粉と、他の原料粉とを混合し鉄基混合粉としたのち、該鉄基混合粉に圧縮成形処理を施し圧粉体とし、ついで該圧粉体に焼結処理を施し焼結体とする鉄基焼結合金材の製造方法において、前記鉄基混合粉が、該鉄基混合粉の合計量に対し、質量％で、純鉄粉を20〜70％と、他の原料粉として、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、Ｖ、Mnの内から選ばれた１種または２種以上の含有量が合計で10.0％以下である合金鉄粉を10〜50％と、炭素粉末を0.5 〜1.5 ％と、微細炭化物析出鋼粉を５〜20％と、Ｃ、Cr、Mo、Co、Si、Ni、Ｓ、Feのうちから選ばれた２種以上の元素からなり、硬さが500 〜1500Ｈv 、粒度が−100 メッシュである硬質粒子粉末を５〜40％と、を全量で100 ％となるように混合してなり、かつ前記焼結処理の温度を1000〜1200℃とし、前記焼結体の基地組織をパーライト組織とすることを特徴とするバルブシート用耐摩耗性鉄基焼結合金材の製造方法である。
【００１０】
また、本発明では、前記鉄基混合粉に、固体潤滑剤粉末を、前記鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜3.0 重量部添加することが好ましく、また本発明では、前記固体潤滑剤粉末として、硫化物、弗化物のうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。なお、硫化物としてはMnS 、MoS2、W2S の粉末が、弗化物としてはCaF2、LiF の粉末が好適である。
【００１１】
また、 本発明では、前記鉄基混合粉に、酸化物安定化粉末を、前記鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜5.0 重量部添加することが好ましく、また本発明では、前記酸化物安定化粉末としては、希土類元素の酸化物であるY2O3、CeO2や、CaTiO3の粉末が好適である。
また、本発明では、前記焼結体に溶浸処理、または含浸処理を施すことが好ましく、前記溶浸処理では、Cu、Cu合金、Pb、Pb合金のうちの１種を用い、前記含浸処理ではフェノ−ル系樹脂またはアクリル系樹脂を用いて、封孔することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、純鉄粉と、他の原料粉とを混合し鉄基混合粉としたのち、該鉄基混合粉に圧縮成形処理を施し圧粉体とし、ついで該圧粉体に焼結処理を施し焼結体とする。
本発明では、他の原料粉として、合金鉄粉、炭素粉末、微細炭化物析出鋼粉末と、さらに硬質粒子粉末を用いる。これら他の原料粉と純鉄粉とを、全量で100 ％となるように配合し混合して鉄基混合粉とする。
【００１３】
つぎに、鉄基混合粉中の各粉末の配合量限定について説明する。配合量は、鉄基混合粉全量に対する質量％（以下、％と記す）で示す。なお、鉄基混合粉全量とは、合金鉄粉、炭素粉末、微細炭化物析出鋼粉末、硬質粒子粉末および純鉄粉の合計量（100 ％）を意味する。
合金鉄粉：10〜50％
本発明でいう合金鉄粉は、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、Ｖ、Mnの内から選ばれた１種または２種以上の含有量が合計で10.0％以下である合金鉄粉である。Ni、Cr、Mo、Cu、Co、Ｖ、Mnの内から選ばれた１種または２種以上を含む合金鉄粉は、焼結体の基地を強化し、鉄基焼結体の耐摩耗性を向上させる効果を有する。Ni、Cr、Mo、Cu、Co、Ｖ、Mnは、いずれも鉄基焼結体の基地中に含まれ、基地の硬さを増加させ焼結体の耐摩耗性を向上させるという効果を有し、さらに基地の耐熱性を増加させるという効果をも有する。本発明では、合金鉄粉中に、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、Ｖ、Mnの内の１種または２種以上を、合計で10.0％以下含有する。なお、各元素は、それぞれ質量％で、Ni：5.0 ％以下、Cr：4.0 ％以下、Mo：1.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Co：2.0 ％以下、Ｖ：2.0 ％以下、Mn：1.0 ％以下とすることが好ましい。合金鉄粉中のこれら元素の合計含有量が10.0％を超えると、相手攻撃性が増加し、被削性が低下するという問題がある。
【００１４】
また、鉄基混合粉全量に対する合金鉄粉の配合量は、10〜50％とする。合金鉄粉の配合量が、10％未満では、上記したような効果が認められず、一方、50％を超えると相手攻撃性が増加し、また圧粉性が劣化する。このため、本発明では、合金鉄粉の配合量は10〜50％とした。
炭素粉末：0.5 〜1.5 ％
炭素（Ｃ）は、基地相に固溶し基地相の硬さを増加させるとともに、他の合金元素と結合し炭化物を形成して基地相の硬さをさらに増加させる元素であり、本発明では、炭素粉末として鉄基混合粉に配合する。炭素粉末の配合量が、0.5 ％未満では、充分な炭化物が形成されず所望の基地相硬さが得られない。一方、1.5 ％を超える配合は、基地組織中に形成される炭化物が粗大化し靱性が劣化する。このため、鉄基混合粉中の炭素粉末の配合量は0.5 〜1.5 ％に限定した。なお、好ましくは 0.7〜1.3 ％である。
【００１５】
微細炭化物析出鋼粉末：５〜20％
微細炭化物析出鋼粉末は、焼結体の基地相を強化し耐摩耗性を向上させる。微細炭化物析出鋼粉末の添加は、成形性の顕著な劣化を伴うことなく耐摩耗性を向上することができる。このために、本発明では、鉄基混合粉中に、微細炭化物析出鋼粉末を 5％以上配合する。配合量が５％未満では基地相の硬さが低く耐摩耗性向上の効果が期待できない。一方、配合量が20％を超えると、経済的に不利となるうえ、基地相の硬さが過度に高くなり相手攻撃性が増加し、さらに被削性が低下する。このため、鉄基混合粉中の微細炭化物析出鋼粉末の配合量は５〜20％に限定した。なお、好ましくは７〜18％である。また、微細炭化物析出鋼粉末としては、Ｖ、Ｗ、Mo等の炭化物形成元素を多量に含有したSKH 51（代表組成：0.9 ％Ｃ−４％Cr−５％Mo−６％Ｗ−２％Ｖ−残部Fe，％：質量％）粉末、 SKH57粉末、 SKH10粉末、あるいはSKD11 、SKD61 を用いることが好ましい。
【００１６】
硬質粒子粉末：５〜40％
硬質粒子は、基地組織中に分散し、耐摩耗性向上に寄与するとともに、焼結時に硬質粒子中の合金元素が基地組織中に拡散し高合金拡散相を形成して、焼結体の耐熱性、耐摩耗性、耐食性を向上させる効果を有している。このような効果は、硬質粒子粉末の配合量が５％以上で認められるが、一方、配合量が40％を超えると、配合量に見合うだけの効果が得られず経済的に不利となるうえ、焼結体の硬さが過度に高くなり、相手攻撃性が増加するとともに、被削性が低下する。このため、硬質粒子粉末の配合量は５〜40％に限定した。なお、好ましくは７〜35％であり、より好ましくは８〜32％である。
【００１７】
本発明で用いる硬質粒子粉末は、Ｃ、Cr、Mo、Co、Si、Ni、Ｓ、Feのうちから選ばれた２種以上の元素からなる粉末であり、硬さが500 〜1500Ｈv を有し、粒度が−100 メッシュである粉末（100 メッシュのふるいを通過する粒径の粉末）とする。硬質粒子粉末の硬さが、500 Ｈv 未満では基地相と同程度の硬さとなり軟質すぎて添加効果がなく、一方、1500Ｈv を超えると、使用中に欠けあるいは割れが発生し耐摩耗性が低下する。また、硬質粒子粉末が100 メッシュのふるいを通過しない粒子を含むと、鉄基混合粉の圧粉性が低下し焼結体となったのちの機械的特性が低下する。また、硬質粒子粉末が100 メッシュのふるいを通過しない粒子を含むと、焼結時の合金元素の拡散性が低下し基地相との密着性が低下する。
【００１８】
純鉄粉：20〜70％
純鉄粉は、合金鉄粉とともに主として基地相を形成するために、鉄基混合粉中に混合する。純鉄粉は硬さが低く、鉄基混合粉の成形性を高める作用を有し、また、純鉄粉は、焼結時に合金元素の拡散が容易であり、微細炭化物析出鋼粉末、硬質粒子粉末等との結合力を向上させ、同時に耐摩耗性を向上させる効果を有する。純鉄粉の配合量が20％未満では、上記した効果が不十分となり、一方、70％を超えると、硬質粒子粉末、微細炭化物析出鋼粉末の配合量が少なくなり、硬質粒子、微細炭化物析出鋼粒子の分散量が減少し耐摩耗性が低下する。このため、純鉄粉の配合量は20〜70％に限定した。なお、好ましくは25〜60％である。
【００１９】
原料粉を上記した配合とした鉄基混合粉に、さらに固体潤滑剤粉末および／または酸化物安定化粉末を混合してもよい。
固体潤滑剤粉末：鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜3.0 重量部
固体潤滑剤粉末は、鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜3.0 重量部配合することが好ましい。固体潤滑剤は、自己潤滑性があり焼結体の基地相中に分散することにより、被削性、耐摩耗性が向上し、相手攻撃性が減少する。固体潤滑剤粉末の配合量が0.2 重量部未満では配合量が少なく、上記した効果が期待できない。一方、配合量が3.0 重量部を超えると、鉄基混合粉の圧粉性が低下し、また、圧粉体の焼結時に合金元素の拡散性が低下し、焼結体の強度が低下する。
【００２０】
固体潤滑剤粉末としては、硫化物、弗化物のうちから選ばれた１種または２種以上の粉末を用いることが好ましい。なお、硫化物としては、MnS 、MoS2、W2S の粉末が、弗化物としてはCaF2、LiF の粉末が好適である。
酸化物安定化粉末：鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜5.0 重量部
酸化物安定化粉末は、鉄基混合粉100 重量部に対し、0.2 〜5.0 重量部配合することが好ましい。酸化物安定化粉末は、使用中に生成した酸化物と基地との密着性を向上させる効果を有し、生成した酸化物の剥離を防止する。酸化物安定化粉末の配合量が0.2 重量部未満では配合量が少なく、上記した効果が期待できない。一方、配合量が5.0 重量部を超えて添加しても、効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。
【００２１】
酸化物安定化粉末としては、希土類元素の酸化物であるY2O3、CeO2の粉末や、CaTiO3の粉末が好適である。
必要に応じ固体潤滑剤粉末および／または酸化物安定化粉末を混合した鉄基混合粉は、ついで金型に充填され、成形プレス等により圧縮・成形し圧粉体とされる。
【００２２】
ついでこれら圧粉体に、焼結処理を施し焼結体とする。
焼結処理は、保護雰囲気中で1000〜1200℃の温度範囲で行う。
焼結処理の温度が1000℃未満では、焼結拡散が不足し、基地の形成が不十分であり、一方、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。焼結雰囲気は、保護雰囲気とし、具体的にはNH3 や、Ｎ2 とＨ2 の混合ガス等、あるいは真空雰囲気とすることが好ましい。
【００２３】
得られた焼結体は、必要に応じ焼結空孔を封孔するための、封孔処理を施される。
封孔処理は、溶浸処理、含浸処理のうちから、用途に応じ適宜選択できる。溶浸処理は、焼結体に、CuまたはCu合金、あるいはPbまたはPb合金等の低融点金属を載荷し加熱して、これら金属あるいは合金を焼結空孔に溶浸させる。また、含浸処理は、焼結体に、フェノール系樹脂またはアクリル系樹脂を用い、これら焼結空孔に含浸させる。
【００２４】
なお、得られた焼結体は、10％以下の気泡（空孔）を含んでもよい。気孔率が10.0％を超えると、高温強度、熱伝導率が低下するとともに、焼結合金材の耐脱落性が低下する。
得られた焼結体は、切削、研削加工して所望の寸法形状のバルブシートとされる。
【００２５】
【実施例】
純鉄粉、合金鉄粉、炭素粉末、微細炭化物析出鋼粉末、硬質粒子粉末、あるいはさらに固体潤滑剤粉末および／または酸化物安定化粉末とを表１に示すように配合し、混練して、鉄基混合粉とした。なお、配合量は、鉄基混合粉の全量に対する質量％で表示した。
【００２６】
これら混合粉を金型に充填し、成形プレスにより圧縮・成形し圧粉体とする。ついで、これら圧粉体を1150℃の還元雰囲気（NH3 ガス）中で30min の焼結を行い焼結体とした。また、一部の焼結体には、含浸剤（フェノール樹脂）、または含浸剤（鉛）とともに加熱する含浸または溶浸処理を施した。
得られた焼結体（焼結体No.1、No.3、 No.19）の光学顕微鏡組織写真を図２、図４および図６に示す。なお、図３、図５、図７はそれぞれ図２、図４、図６のスケッチ図である。ＨＣは微細炭化物析出鋼粉末から生じた炭化物分散相、Ｈは硬質粒子、Ｐはパーライト組織、ＳＪは固体潤滑剤粒子、ＯＳは酸化物安定化粒子である。
【００２７】
ついで、これら焼結体からバルブシート（形状：φ27.5×φ23.3×6.5mm ）を加工し、下記に示す単体リグ摩耗試験を実施した。
▲１▼単体リグ摩耗試験（耐摩耗性試験）
耐摩耗性は、図８に示す単体リグ摩耗試験機で調査した。単体リグ試験は、バルブシート１をシリンダヘッド相当品の治具２に圧入したのち、試験機に装着した熱源（LPG+Air ）３によりバルブ４およびバルブシート１を加熱しながらバルブ４を上下させ、バルブ沈み量により摩耗量を測定した。なお、試験条件は、次のとおりである。
【００２８】
試験温度：400 ℃（シート面）
試験時間：9.0 hr
カム回転数：3000rpm
バルブ回転数：20rpm
スプリング荷重：35kgf （セット時）
バルブ材：SUH3
単体リグ摩耗試験の結果を表２、および図１に示す。
【００２９】
【表１】
0003763782.tif 000002
【００３０】
【表２】
0003763782.tif 000003
【００３１】
バルブシートの摩耗量は、本発明例の焼結体No.1〜No.15 、No.22 〜25では、11〜20μm であり、相手材の摩耗量も３〜15μm であった。本発明の範囲を外れる比較例の焼結体No.16 〜No.21 におけるバルブシートの摩耗量は32〜49μm 、相手材の摩耗量は19〜52μm であった。本発明例は、比較例に比べ摩耗量が少なく、耐摩耗性が向上しかつ相手材攻撃性も比較的少ないことがわかる。なお、比較例の焼結体No. 21では、使用した硬質粒子粉末が100 メッシュのふるいを通過しない粗い粒子を含むため、摩耗量が多くなっている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関のバルブシート用として好適な、耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金材を製造でき、過酷な運転にも優れた耐久性を示す内燃機関用バルブシートを安価に得ることができ、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】単体リグ試験結果を示すグラフである。
【図２】本発明例の焼結合金材（焼結体No.1）の光学顕微鏡組織を示す写真（倍率×200 ）である。
【図３】図２の光学顕微鏡組織のスケッチ図である。
【図４】本発明例の焼結合金材（焼結体No.3）の光学顕微鏡組織を示す写真（倍率×200 ）である。
【図５】図４の光学顕微鏡組織のスケッチ図である。
【図６】比較例の焼結合金材（焼結体No.19 ）の光学顕微鏡組織を示す写真（倍率×200 ）である。
【図７】図６の光学顕微鏡組織のスケッチ図である。
【図８】単体リグ摩耗試験機の概略説明図である。
【符号の説明】
１  バルブシート
２  治具
３  熱源
４  バルブ
【図１】
0003763782.tif 000004
【図２】
0003763782.tif 000005
【図３】
0003763782.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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