CN103328776A - 铁基烧结合金制阀座 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铁基烧结合金制阀座，其能够在与燃料消耗费的提高、低排放化、高输出化对应的DI型内燃机中使用，且在宽广的温度区域具有较高的耐磨损性，因此对分散于铁基烧结合金制阀座的基体中的固体润滑材料的添加量进行限定，并且使硬度不同的至少两种硬质颗粒向基体中分散，由此同时赋予高强度与自润滑性，在无润滑的状态下也可以在宽广的温度区域中改善耐磨损性。

Description

铁基烧结合金制阀座
技术领域
本发明涉及内燃机的阀座，尤其是涉及在因气筒内燃料喷射而导致润滑状态稀薄的条件下使用的铁基烧结合金制阀座。
背景技术
在内燃机中，出于环境对应的考虑，谋求燃料消耗费的提高、低排放化、高输出化，因燃烧状态的高负载化、发动机规格的高负载化而要求构成燃烧室的部件在宽广的使用温度范围内进一步提高耐磨损性。作为进气阀、排气阀的阀座的具有保持燃烧室的气密的功能的阀座也暴露于燃烧时的燃烧压，并且在阀的往复运动的作用下反复受到较强冲击。并且，阀在进行往复运动的同时以阀轴为中心而旋转自如，与阀接触的阀座的滑动面需要耐磨损性。尤其是在向气筒内直接喷射燃料的DI(Direct Injection)型内燃机中，在阀与阀座的滑动面形成因燃料导致的无润滑作用的无润滑状态下的滑动，在阀座处要求强于以往的耐磨损性的提高。因此，例如日本特开2003-166025号公报所公开的那样，将通过使氟化钙等固体润滑材料大量地分散到基体中来提高自润滑性、而使无润滑状态下的耐磨损性提高的铁系烧结合金应用于阀座。
然而，在将氟化钙作为固体润滑材料大量分散到基体中的现有的铁系烧结合金所制成的阀座中，烧结体的强度变低，在低温区域下的耐磨损性不够，在宽广的使用温度区域下的应用中存在问题。并且，作为硬质颗粒而仅含有钼铁合金的现有铁系烧结合金制阀座的耐磨损性在宽广的使用温度区域下也不够。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的课题在于提供一种铁基烧结合金制阀座，其能够在与燃料消耗费的提高、低排放化、高输出化对应的DI型内燃机中使用，且在宽广的温度区域中具有高耐磨损性。
解决方案
本申请的发明者通过深入研究，其结果发现，通过对分散于铁基烧结合金制阀座的基体中的固体润滑材料的添加量进行限定，并且使硬度不同的至少两种硬质颗粒分散到基体中，能够同时赋予高强度与自润滑性，在无润滑状态下也能够在宽广的温度区域中显著提高耐磨损性。
即，本发明是使硬度不同的至少两种的硬质颗粒与固体润滑材料分散的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，所述铁基烧结合金制阀座使上述固体润滑材料分散0.2～0.8质量％。
优选的是，硬度不同的至少两种上述硬质颗粒包括第一硬质颗粒与第二硬质颗粒，作为第一硬质颗粒而使平均颗粒直径为50～150μm、维氏硬度为Hv800～1200的硬质颗粒分散2～8质量％，并且作为第二硬质颗粒而使平均颗粒直径为10～150μm、维氏硬度为Hv400～750的硬质颗粒分散5～15质量％。作为硬质颗粒，能够使用Fe-Mo系合金颗粒、Fe-Cr-Mo-V系合金颗粒、Co-Mo-Cr系合金颗粒。尤其是，优选第一硬质颗粒是包括以质量％计Mo：40～70％、Si：0.1～2.0％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质在内的Fe-Mo-Si合金颗粒，第二硬质颗粒是包括以质量％计C：0.2～0.5％、Cr：0.5～5％、Mo：1～5％、V：2～5％、剩余部分为Fe及不可避杂质在内的Fe-C-Cr-Mo-V合金颗粒。
此外，优选的是，供硬度不同的至少两种的上述硬质颗粒与固体润滑材料分散的基体部的组成包括以质量％计C：0.5～2.5％、Si：0.4～2％、Mo：0.5～5％、Ni：1～5％、剩余部分为Fe及不可避杂质，并且，优选上述基体相包含回火马氏体相及珠光体相。
此外，优选的是，作为固体润滑材料，是从MnS、MoS2等硫化物、BN等氮化物中选择出的一种以上的粉末，其平均颗粒直径为2～50μm。
发明效果
本发明的铁基烧结合金制阀座通过使固体润滑材料分散0.2～0.8质量％、并且使硬度不同的至少两种的硬质颗粒分散于基体中，能够同时赋予高强度与自润滑性，在无润滑状态下也能够在宽广的温度区域中显著提高耐磨损性。对于两种硬质颗粒，构成一方的硬质颗粒的元素的一部分固溶到基材中或与基体中的元素形成化合物而强化基体，并且对构成另一方的硬质颗粒的元素向基材的固溶进行抑制并提高抗软化性，从而有助于高温及低温下的耐磨损性的提高。由此，作为在向气筒内直接喷射燃料的DI型内燃机中使用的阀座，即使在润滑稀薄的条件下及150～350℃的从低温度区域到高温度区域的宽广的温度区域内的使用中也显现出优良的耐磨损性。本发明的铁基烧结合金制阀座能够尤其适宜用作进气用阀座。
附图说明
图1是表示本发明的铁基烧结合金制阀座的评价所使用的单体磨损试验的概要的图。
图2(a)是在由本发明的实施例及比较例的阀座的单体磨损试验机得出的评价结果中、将试验温度150℃下的阀座与阀的磨损量以相对比率表示出的图。
图2(b)是在由本发明的实施例及比较例的阀座的单体磨损试验机得出的评价结果中、将试验温度250℃下的阀座与阀的磨损量以相对比率表示出的图。
图3(a)是在由本发明的实施例及比较例的阀座的单体磨损试验机得出的评价结果中、将试验温度150℃下的阀座与阀的总磨损量以相对比率表示出的图。
图3(b)是在由本发明的实施例及比较例的阀座的单体磨损试验机得出的评价结果中、将试验温度250℃下的阀座与阀的总磨损量以相对比率表示出的图。
具体实施方式
本发明的铁基烧结合金制阀座包括基体及分散到基体中的硬度不同的至少两种硬质颗粒及固体润滑材料。分散到基体中的固体润滑材料以质量％计为0.2～0.8％。在使固体润滑材料分散超过0.8％的情况下，在粉末压纸成形时使粉末接合强度降低，从而烧结体的强度降低，无法获得足够的耐磨损性。另一方面，在不足0.2％时使被切削性劣化。优选固体润滑材料的平均颗粒直径为2～50μm，通过使其在基体中均匀分散，也可以使自润滑性、被切削性与耐磨损性一并提高。
对于固体润滑材料，优选使用从MnS、MoS2等硫化物、BN(氮化硼)等氮化物中选择出的一种或二种以上的固体润滑材料。在使用两种以上的固体润滑材料时，更优选的是，以对于至少一种将平均颗粒直径设为2～10μm、对于另一种将平均颗粒直径设为10～50μm的方式使其均匀地分散。使平均颗粒直径为2～10μm的固体润滑材料微小地分散，从而提高被切削性，将颗粒直径范围为10～50μm的固体润滑材料相对粗大地介于其之间，从而使自润滑性提高，并且耐磨损性提高。
关于分散到基体中的硬质颗粒，设置为第一硬质颗粒比第二硬质颗粒硬，第二硬质颗粒比基体相硬。通过存在中间硬度的硬质颗粒，能够取得基体相与硬质颗粒的硬度的平衡，维持耐磨损性，并且抑制对象材料攻击性。
优选的是，第一硬质颗粒的平均颗粒直径为50～150μm且具有Hv800～1200的维氏硬度，分散2～8质量％。尤其优选使用包括以质量％计Mo：40～70％、Si：0.1～2.0％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质在内的金属间化合物的Fe-Mo-Si合金颗粒。通过一并使用后述的第二硬质颗粒，能够抑制合金元素向基体中的扩散，基体组织不发生变质而提高抗软化性，抑制向对象材料的攻击，并且能够提高自己的耐磨损性。
第二硬质颗粒比基体硬，优选其平均颗粒直径为10～150μm且具有Hv400～750的维氏硬度，分散5～15质量％。若平均颗粒直径为20～130μm，则是更优选的。尤其优选使用包括以质量％计C：0.2～0.5％、Cr：0.5～5％、Mo：1～5％、V：2～5％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质在内的Fe-C-Cr-Mo-V合金颗粒。通过使比较细的第二硬质颗粒分散到基体中，将合金元素的一部分(例如，Cr、V)固溶到基体中，或形成碳化物而强化基体，并且抑制第一硬质颗粒的合金元素向基材的扩散。由此，能够抑制向对象材料的攻击，并且能够提高自己的耐磨损性。
优选的是，基体部具有包括以质量％计C：0.5～2.5％、Si：0.4～2％、Mo：0.5～5％、Ni：1～5％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质在内的组成。C固溶到基体中而强化基体，并且与其他合金元素结合而形成碳化物，从而使耐磨损性提高。另外，Si通过氧化膜的形成而使耐磨损性提高，Mo除了优良的淬火性及提高基体强度之外还降低阀座的氧化开始温度，使耐磨损性提高。Ni通过提高基体的强度及硬度而使耐磨损性提高。作为显微镜组织，优选包含回火马氏体与珠光体的混合组织，在该情况下，具有适度的韧性，并且显示出优良的耐磨损性。当然，在上述混合组织中分散有微小的碳化物。
在本发明的铁基烧结合金制阀座的制造中，作为基体相的原料，可以在铁粉中添加各合金元素的金属粉末、石墨粉末等，也可以使用在预先规定的组成下合金化而成的合金粉末(预制合金粉末)。向构成基体相的铁粉及/或预制合金粉末与合金元素粉末配合硬度不同的至少两种的硬质颗粒粉末及固体润滑材料粉末，将混合后的混合粉作为原料粉。相对于原料粉即铁粉、预制合金粉末、合金元素粉末、硬质颗粒、固体润滑材料粉末的混合粉末的合计量，也可以将硬脂酸盐等以0.5～2％作为脱模材料进行配合。混合粉末通过成形压制等进行压缩·成形而成形为压粉体，上述压粉体在真空或非氧化性(或还原性)环境气中在1050～1200℃的温度范围内进行烧结，进而在500～700℃的温度范围下进行回火处理。也可以利用树脂等对回火后的烧结体实施封孔处理。
在烧结温度不足1050℃的情况下，扩散结合不充分而无法获得规定的强度。另一方面，当在超过1200℃的温度下进行烧结时，在硬质颗粒与基体之间产生异常扩散而引起耐磨损性的恶化。作为非氧化性(或还原性)环境气，具体来说，优选为使用NH3气体、N2与H2的混合气体等的环境气。
实施例
实施例1～5(E1～E5)及比较例1～6(C1～C6)
分别以表4所示的比率(质量％)向在粒度分布为150～200目处具有峰值的纯铁粉及/或包括Mo：2.5％、Si：1％、C：0.02％、剩余部分为铁(包含不可避免的杂质)在内的预制合金粉末配合有如下物质，即，表1所示的成为基体部A～K的配合量那样的Mo粉末、Si粉末、Ni粉末、石墨粉的规定量；表2所示的Fe-Mo-Si合金的L～R的第一硬质颗粒及表3所示的Fe-C-Cr-Mo-V合金的S～Y的第二硬质颗粒；及表4所示的固体润滑材料粉末，在混合机中进行混匀而制作出混合粉。
[表1]
Figure BDA00003539398000061
*使用预制合金粉末
[表2]
Figure BDA00003539398000062
[表3]
Figure BDA00003539398000071
[表4]
Figure BDA00003539398000072
*固体润滑材料的平均颗粒直径是MnS为7μm、BN为10μm。
将上述的混合粉填充到成形模具中，通过成形压制在面压为6.5t/cm2的状态下进行压缩·成形之后，在1120℃的真空环境气中进行烧结，从而制作出外径为37.6mmφ、内径为26mmφ、厚度为8mm的环状烧结体。然后，在650℃的条件下进行回火处理。如此一来，获得包含回火马氏体相及珠光体相的基体部、及在基体中分散有硬度不同的两种硬质颗粒(Fe-Mo-Si合金与Fe-C-Cr-Mo-V合金)和固体润滑材料(MnS及/或BN)的实施例1～5(E1～E5)的环状的烧结体。作为比较例，使用固体润滑材料的总量为1％以上(比较例1(C1)、2(C2)、4-6(C4-C6))、硬质颗粒粉末仅为一种(比较例3、4(C3，C4))的混合粉，通过与实施例1～5相同的工序来获得比较例1～6(C1～C6)的环状的烧结体。对于获得的烧结体的基体部、硬质颗粒，利用微型维氏硬度计，在载重50～100g的条件下测定出维氏硬度。表4一并表示该结果。
将获得的环状烧结体加工为阀座，使用图1所示的单体磨损试验机来评价耐磨损性。将阀座4压入到汽缸盖相当件的阀座保持件2而安装于试验机，磨损试验是利用燃烧器1对阀3及阀座4进行加热并且与凸轮7的旋转联动而使阀3上下移动而进行的。需要说明的是，在阀座4处嵌入热电对5、6，以使阀座的接触面达到规定的温度的方式调节燃烧器1的火力。阀座4被阀3反复敲打而发生磨损，其磨损量是通过对试验前后的阀座及阀的形状进行测定并作为接触面的缩进量来计算的。在此，阀使用与上述阀座适合的尺寸的SUH合金(JIS规格：JIS G 4311)制的构件。作为试验条件，设为温度150℃及250℃、凸轮转数2500rpm、试验时间5小时。将试验结果表示在表5、图2(a)(试验温度150℃)及图2(b)(试验温度250℃)中。
[表5]
Figure BDA00003539398000091
阀座的磨损量以将仅向硬质颗粒添加Fe-Mo-Si合金并进行分散的比较例3(C3)的磨损量设为1时的相对比率来表示。本发明的实施例1～5(E1～E5)在试验温度150℃及250℃中，阀座磨损量相对于比较例3(C3)皆减少，对象材料的阀磨损量也减少，在低温区域及高温区域中皆表示出优良的耐磨损性和比较平稳的对象材料攻击性。此外，对于阀座与阀的总磨损量，本发明的实施例1～5(E1～E5)在150℃及250℃下为比较例3的一半以下，在从低温度区域到高温度区域的宽广的温度区域使耐磨损性显著地提高。另一方面，对于固体润滑材料的总量在1％以上(比较例1(C1)、2(C2)、4-6(C4-C6))、硬质颗粒粉末仅为一种的情况(比较例3、4(C3、C4))，虽可以在试验温度150℃及250℃的一方提高耐磨损性，但在从低温度区域到高温度区域的宽广的温度区域不能获得显著的耐磨损性的提高。本发明的实施例与比较例相比，在从低温度区域到高温度区域的宽广的温度区域中，阀座磨损量及对象材料的磨损量减少，提高耐磨损性并且也降低对象材料的攻击性。

Claims (6)

1.一种使硬度不同的至少两种硬质颗粒与固体润滑材料分散的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，
所述铁基烧结合金制阀座使所述固体润滑材料分散0.2～0.8质量％。
2.根据权利要求1所述的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，
硬度不同的至少两种所述硬质颗粒包括第一硬质颗粒与第二硬质颗粒，作为第一硬质颗粒而使平均颗粒直径为50～150μm、维氏硬度为Hv800～1200的硬质颗粒分散2～8质量％，作为第二硬质颗粒而使平均颗粒直径为10～150μm、维氏硬度为Hv 400～750的硬质颗粒分散5～15质量％。
3.根据权利要求1或2所述的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，
所述第一硬质颗粒是包括以质量％计Mo：40～70％、Si：0.1～2.0％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质在内的Fe-Mo-Si合金，所述第二硬质颗粒是包括以质量％计C：0.2～0.5％、Cr：0.5～5％、Mo：1～5％、V：2～5％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质在内的Fe-C-Cr-Mo-V合金。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，
供硬度不同的至少两种所述硬质颗粒与固体润滑材料分散的基体的组成包括以质量％计C：0.5～2.5％、Si：0.4～2％、Mo：0.5～5％、Ni：1～5％、剩余部分为Fe及不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，
所述基体包含回火马氏体相及珠光体相。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的铁基烧结合金制阀座，其特征在于，
所述固体润滑材料是从硫化物及氮化物中选择出的一种以上的固体润滑材料，其平均颗粒直径为2～50μm。
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