CN101952470A

CN101952470A - 铁基烧结合金粉末

Info

Publication number: CN101952470A
Application number: CN2009801057790A
Authority: CN
Inventors: 上野英生; 曾田裕二; 秀岛弘训
Original assignee: Mitsubishi Steel KK
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd; Mitsubishi Steel KK
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP5270926B2; US20100316523A1; US8685180B2; EP2253727A4; JP2009197270A; KR20100118137A; EP2253727A1; EP2253727B1; WO2009104692A1; CN101952470B

Abstract

本发明提供了一种铁基烧结合金制阀片用粉末，其具有优异的成形性和耐磨耗性，且不析出有可能磨耗配合构件的碳化物。可以提供一种粉末，其通过用作为现有技术的气体雾化法、水雾化法、离心雾化法等，将钢液骤冷，形成以对粉末软化有效的奥氏体为主体的、下述合金元素的过饱和固溶体，其中所述钢液通过将作为不可避免的杂质元素的C控制在低于0.1质量％，而避免碳化物的析出，含有Si：0.5～8.5质量％、Ni：10～25质量％、Mo：5～20质量％、Co：5～20质量％，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。该粉末由于硬度低，因此在压缩成形时成形性优异，另一方面由于在烧结后硬化，在最终制品的阀片中，耐磨耗性优异。另外，由于没有碳化物析出，因此也不用担心磨耗配合构件。

Description

铁基烧结合金粉末

技术领域

本发明涉及铁基烧结合金粉末，特别是涉及适于构成内燃机的铁基烧结合金制阀片的粉末。

背景技术

近年来，随着旨在减低CO₂排放量的发动机高功率化、改善燃料耗费等，内燃机用阀片的使用环境变得更为苛刻，趋向于高温化和低润滑化，为此进行了各种研究。

例如，日本专利公开2006-299404中提出如下组成：在含有C：0.3～1.5％和合计为1～20％的选自Ni、Co、Mo、Cr和V中的一种或两种以上的基质相中，含有以Fe、Mo、Si为主要成分的金属间化合物、以Co、Mo、Si为主要成分的金属间化合物、以Ni、Mo、Si为主要成分的金属间化合物中的一种或两种以上，含有Si：1～15％、Mo：20～60％，含有10～70％的选自Cr、Ni、Co、Fe中的一种或两种以上，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，并且以重量％计含有10～60％的按维氏硬度计具有500HV0.1～1200HV0.1的硬度的硬质颗粒，密度为6.7g/cm³以上，径向压溃强度(radial crushing strength)为350MPa以上。

另外，日本专利公开2004-307950中提出了一种铁基烧结合金，其是将相对于总量为3～20质量％的硬质颗粒分散在由Ni：3～12％、Mo：3～12％、Nb：0.1～3％、Cr：0.5～5％、V：0.6～4％、C：0.5～2％、Fe和不可避免的杂质构成的基质中而形成的。

此外，日本专利公开2004-156101提出，硬质颗粒按重量％计由Mo：20～70％、C：0.2～3％、Mn：1～15％、剩余部分的Fe和不可避免的杂质以及Co构成，烧结合金按质量％计的全体成分由Mo：4～35％、C：0.2～3％、Mn：0.5～8％、Co：3～40％、剩余部分的不可避免的杂质和Fe构成，基质成分由C：0.2～5％、Mn：0.1～10％、剩余部分：不可避免的杂质和Fe构成，硬质颗粒成分由Mo：20～70％、C：0.2～3％、Mn：1～20％、剩余部分的不可避免的杂质和Co构成，硬质颗粒按面积比计以10～60％的量分散在基质中。

除了上述专利文献以外，也提出了与该技术领域有关的许多方案，然而，关于构成阀片的粉末，没有发现与除了化学成分以外的特性有关的提案。本发明人在粉末的开发中面临着为了使铁基烧结合金制阀片用粉末的成形性变得良好而必须使粉末变软、为了使耐磨耗性变得良好而必须使粉末变硬的互为冲突的问题。其原因如下所述。

首先，除了要求阀片具有高强度以外，还要求具有良好的热传导，以便发动机内燃烧时的热不在阀片自身中蓄积。因此，高烧结密度是必要的，为了提高烧结密度，烧结前的粉末压坯需要具有高密度。为了提高烧结前的粉末压坯的密度，压缩成形时的成形性必须是良好的，为了提高成形性，需要粉末具有低硬度。

然而，粉末硬度变低时，作为烧结后的最终制品的阀片的强度降低，耐磨耗性劣化。此外，对于阀片烧结部件制造商而言，为了改善耐磨耗性，而使变形能力与金属不同的碳化物析出时，有可能磨耗配合构件。

发明内容

发明要解决的问题

本发明所要解决的问题是提供铁基烧结合金粉末，其具有优异的成形性和耐磨耗性，且不析出有可能使配合构件磨耗的碳化物。

用于解决问题的方案

本发明人为了解决上述问题，关注了作为现有技术的马氏体时效钢的技术思想。马氏体时效钢是使作为析出物的提高硬度的合金元素在室温的马氏体中过饱和固溶，通过升高温度而使之析出和硬化的钢。然而，马氏体在以粉末形式进行成形时，具有硬度高的问题。另外，通常的马氏体时效钢存在的问题是，含有形成降低疲劳强度的氮化物的Ti、Al。

因此，本发明人立足于这些问题，在用作为现有技术的气体雾化法、水雾化法、离心雾化法等将钢液骤冷而制造粉末时，通过调整不含Ti、Al的钢液的化学成分，从而不形成马氏体，而以软质的奥氏体的状态成功地获得了过饱和固溶体。该过饱和固溶体的粉末在室温下的压缩成形时硬度低，因而成形性良好，尤其在作为阀片烧结时的加热、冷却过程中硬化，因而耐磨耗性是良好的。该现象的冶金学机制如下所述。

添加用于降低从奥氏体转变为马氏体的温度即Ms点的合金元素，将钢液骤冷，从而形成过饱和固溶体，在室温下获得奥氏体。在烧结中，奥氏体中过饱和的合金元素析出，形成硬度高的析出物，同时，由于降低了Ms点的合金元素从奥氏体中脱离，因此奥氏体的Ms点上升，冷却时形成马氏体。

因此，通过以下铁基烧结合金粉末可以达成本发明的上述目的。

本发明是一种粉末，其特征在于，通过将钢液骤冷，使得压缩成形时的粉末硬度按维氏硬度计低于250HV，烧结后的烧结硬度按维氏硬度计为450HV以上，所述钢液将作为不可避免的杂质元素的C控制在低于0.1质量％，含有Si：0.5～8.5质量％、Ni：10～25质量％、Mo：5～20质量％、Co：5～20质量％，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。

发明的效果

根据本发明的铁基烧结合金粉末，可以提供具有优异的成形性和耐磨耗性、并且不析出有可能磨耗配合构件的碳化物的铁基烧结合金粉末，尤其是适用于内燃机的阀片的铁基烧结合金粉末。

附图说明

图1为表示本发明的实施例的烧结热处理条件的说明图。

图2为表示发明例与比较例的烧结热处理后的硬度与粉末硬度的关系的图。

图3为表示评价粉末的成形体相对密度与成形时的粉末硬度的关系的图。

图4为表示评价粉末从成形时到烧结后的硬度变化的图。

图5为表示阀片总体的硬度与成形体相对密度的关系的图。

图6为表示阀片的径向压溃强度与成形体相对密度的关系的图。

具体实施方式

以下说明本发明的优选实施方式。

本发明提供一种铁基烧结合金粉末，其通过将钢液骤冷，形成以对粉末软化有效的奥氏体为主体的过饱和固溶体，其中所述钢液通过将作为不可避免的杂质元素的C控制在低于0.1质量％，而避免碳化物的析出，所述钢液含有Si：0.5～8.5质量％、Ni：10～25质量％、Mo：5～20质量％、Co：5～20质量％，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。

构成本发明的限定理由如下所述。

C：低于0.1质量％

C是形成碳化物的元素。如各阀片的烧结部件制造商所担忧的，碳化物会磨耗配合构件。为了避免该弊端，C必需低于0.1质量％。另外，就以下两点而言，碳化物的形成是不优选的。

不仅配合构件，而且在阀片自身当中，碳化物的变形能力与周围的金属不同，在应力作用时，金属与碳化物的界面上发生了应变，从而有可能剥离。

所存在的碳化物由于热传导性比金属低，因而由发动机燃烧所产生的热很难逃逸到气缸体中，在阀片上的热负荷加大。

因此，将C限定在低于0.1质量％。

Si：0.5～8.5质量％

Si是在烧结中与下述的Mo从过饱和固溶体中形成析出物的合金元素。为了确保其效果，Si的添加量必须设定为0.5质量％以上。另一方面，Si是提高粉末的硬度的合金元素，过量添加会提高成形时的粉末的硬度。为了避免该弊端，需要将Si的添加量设定在8.5质量％以下。

因此，Si的添加量限定在0.5～8.5质量％。

Ni：10～25质量％

Ni由于是奥氏体形成元素，同时会降低Ms点，因而是确保在室温下为软质的奥氏体、保持粉末硬度较低的合金元素。为了确保其效果，Ni的添加量需要设定为10质量％以上。另一方面，Ni是降低粉末硬度的合金元素，成形时是优选的，过量添加时连烧结后的粉末的硬度也会降低。为了避免该弊端，需要将Ni的添加量设定为25质量％以下。另外，从Ni为昂贵的合金元素的观点来看，过量添加也是不优选的。

因此，Ni的添加量限定为10～25质量％。

Mo：5～20质量％

Mo是在烧结中与上述Si从过饱和固溶体中形成析出物的合金元素，同时会降低Ms点，因而是确保在室温下为软质奥氏体的合金元素。为了确保其效果，需要将Mo的添加量设定为5质量％以上。另一方面，Mo是提高粉末的硬度的合金元素，过量添加会提高成形时的粉末的硬度。为了避免该弊端，需要将Mo的添加量设定在20质量％以下。另外，从Mo为昂贵的合金元素的观点来看，过量添加也是不优选的。

因此，Mo的添加量限定为5～20质量％。

Co：5～20质量％

Co是增加形成析出物的Si和Mo在奥氏体中的固溶量，并促进这些析出物的析出的合金元素。为了确保其效果，需要将Co的添加量设定为5质量％以上。另一方面，Co是提高粉末硬度的合金元素，过量添加会提高成形时的粉末的硬度。为了避免该弊端，需要将Co的添加量设定在20质量％以下。另外，从Co是昂贵的合金元素的观点来看，过量添加也是不优选的。

因此，Co的添加量限定为5～20质量％。

本发明中，压缩成形时的粉末硬度低于250HV。该粉末硬度是指通过JIS Z 2244中规定的维氏硬度试验-试验方法测定的值。为了确保粉末的成形性，需要将压缩成形时的粉末硬度设定为低于250HV。因此，将压缩成形时的粉末硬度限定为低于250HV。

本发明中，烧结后的烧结硬度为450HV以上。该烧结硬度是指通过JI S Z2244中规定的维氏硬度试验-试验方法测定用图1所示的处理步骤处理后的烧结体而获得的值。为了确保烧结体的耐磨耗性，烧结后的烧结硬度需要为450HV以上。因此，将烧结后的烧结硬度限定为450HV以上。

实施例

首先，用高频熔解炉将表1所示的化学成分的钢熔解，用水雾化法将钢液骤冷，制造粉末。以该粉末作为成形时的粉末，测定硬度。此外，根据各阀片的烧结部件制造商的信息，在图1所示的烧结热处理条件下进行热处理，获得烧结热处理后的粉末，以此来测定硬度。它们的结果在表1中示出。

表1

在这里，试验No.1～9是发明例，是限定化学成分的粉末。由此，所有粉末的硬度低于250HV，而且相当于烧结后的硬度的硬度为450HV以上。

另一方面，试验No.a～h是比较例，是不满足限定的化学成分的粉末。因此，以下问题被指出。

试验No.a中，Si的添加量低于限定范围的下限即0.5质量％。因此，析出物的析出不充分，烧结热处理后的粉末的硬度低于450HV。

试验No.b中，Si的添加量超过限定范围的上限即8.5质量％。因此，成形时的粉末的硬度高，为250HV以上。

试验No.c中，Ni的添加量低于限定范围的下限即10质量％。因此，没有形成奥氏体，且Ms点没有充分降低，推测形成了马氏体。因此，成形时的粉末的硬度为250HV以上。

试验No.d中，Ni的添加量超过限定范围的上限即25质量％。因此，粉末的硬度变得过低，烧结后的粉末硬度低于450HV。

试验No.e中，Mo的添加量低于限定范围的下限即5质量％，因此，Ms点没有充分降低，据推测形成了马氏体。因此，成形时的粉末的硬度为250HV以上。

试验No.f中，Mo的添加量超过限定范围的上限即20质量％。因此，成形时的粉末的硬度高，为250HV以上。

试验No.g中，Co的添加量低于限定范围的下限即5质量％。因此，析出物的析出不充分，烧结热处理后的粉末的硬度低于450HV。

试验No.h中，Co的添加量超过限定范围的上限即20质量％。因此，成形时的粉末的硬度高，为250HV以上。

这些效果在图2中示出。由此，可以提供作为本发明课题的铁基烧结合金制阀片用粉末，其具有优异的成形性与耐磨耗性，且不会析出有可能磨耗配合构件的碳化物。

说明应用本发明钢作为阀片的硬质颗粒的例子。表2和表3中示出了所评价的粉末的化学成分和粉末硬度。

在这里，本发明钢是作为发明例示于表1中的试验No.1的粉末。另外，Tribaloy合金(注册商标：Deloro Stellite公司制造)是现有技术的Co基的阀片用粉末，从各阀片的烧结部件制造商那里指出了粉末硬度高而成形性成为问题。

首先，将表2所示的化学成分的钢在高频熔解炉内熔解，用水雾化法将钢液骤冷，制造粉末。接着，分别将30质量％的这些粉末、68.25质量％的作为基质粉末的铁粉、1质量％的石墨粉和0.75质量％的硬脂酸锌混合。其中，铁粉的硬度为70HV。将这些混合物供给到外径21mm、内径13.5mm的模具中，在6吨/cm²的压力下成形高度6mm的阀片。

对于这些成形体，测定成形体相对密度。成形体相对密度是指，以不含气孔的理想成形体的密度为100％，相对地比较实际成形体的密度的数值。单纯以表观密度比较时，真比重大的粉末的成形体即使气孔多也形成较高的数值，不能评价成形性，因此以成形体相对密度来评价。成形体相对密度不是在本发明范围内，但它是表现成形性好坏的参数之一，成形体相对密度越高，则评价成形性越好。这些结果在表2中示出。

图3示出了成形时的粉末硬度对压缩成形的成形体的相对密度的影响。

表2

由此可以看出，成形时的粉末硬度越低，则成形体相对密度越高，本发明钢满足本发明的范围，成形性优于Tribaloy合金。一般，成形体相对密度为95％以下时，成形工序成为2个工序，本发明钢的成形体相对密度为95.5％，可以省略一个工序。

接着，对这些成形体进行图1所示的烧结热处理，测定硬质颗粒部的硬度。这些结果在表3中示出。图4中示出了从成形时到烧结后的评价粉末的硬度的变化。由此可以确认，本发明钢在烧结后硬度升高。

表3

此外，为了评价整个阀片的硬度，用洛氏硬度B标尺进行硬度试验。它们的结果在表3中示出。图5示出了整个阀片的硬度与成形体相对密度的关系。

由此可以确认，虽然本发明钢中硬质颗粒的硬度低于Tribaloy合金中硬质颗粒的硬度，但整个阀片的硬度高，因此耐磨耗性评价为良好。该现象据推测是由于本发明钢与Tribaloy合金相比成形性是良好的，成形体相对密度高，因而致密地烧结。为了证明该推测，从环的上下对阀片施加负荷，从破坏的负荷求出强度，测定径向压溃强度。这些结果示于表3中。图6示出了阀片的径向压溃强度与成形体相对密度的关系。

由此可以确认，本发明钢与Tribaloy合金相比，径向压溃强度高，高度致密地烧结。本发明钢可以兼顾作为本发明课题的成形性和耐磨耗性的改善，是在阀片上应用的最佳形式之一。

其中，就成本而言，通过与现用的Co基粉末相比更廉价的铁基的本发明粉末，改善了成形性，同时可以确保几乎同等的耐磨耗性，在产业上具有很大的优点。

以上针对内燃机的铁基烧结合金制阀片进行了说明，然而本发明不限于阀片，可以在需要成形性与耐磨耗性且要求不磨耗配合构件的齿轮、滑轮、轴、轴承、夹具等铁基烧结合金制品领域的产业中利用。

Claims

1.一种铁基烧结合金粉末，其特征在于，通过将钢液骤冷，使得压缩成形时的粉末硬度按维氏硬度计低于250HV，烧结后的烧结硬度按维氏硬度计为450HV以上，所述钢液将作为不可避免的杂质元素的C控制在低于0.1质量％，含有Si：0.5～8.5质量％、Ni：10～25质量％、Mo：5～20质量％、Co：5～20质量％，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。

2.根据权利要求1所述的铁基烧结合金粉末，其中所述铁基烧结合金粉末是内燃机的铁基烧结合金制阀片用粉末。