CN1297679C - 铁系烧结合金制内燃机用阀导承 - Google Patents

铁系烧结合金制内燃机用阀导承 Download PDF

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Abstract

本发明为对未施行软氮化处理的阀杆也具有优异的耐久性的铁系烧结合金制内燃机用阀导承，该阀导承的组成含有Cu：8-20质量%、C：0.8-1.5质量%、MnS、WS2和MoS2的至少1种：0.5-2质量%，余量为Fe，其具有气孔，具有在铁的珠光体基体中分散了铜相的金属组织，同时，在基体和铜相的粒子间分散着金属硫化物。

Description

铁系烧结合金制内燃机用阀导承
技术领域
本发明涉及耐磨性优异的铁系烧结合金制内燃机用阀导承。
背景技术
在内燃机的吸气阀和排气阀中使用的阀导承大多为铁系烧结合金制的。例如特公昭55-34858号公报所记载，可以例举组成为碳：1.5-4质量％、铜：1-5质量％、锡：0.1-2质量％、磷：0.1-0.3质量％和剩余量的铁、在铁的珠光体基体中析出Fe-C-P三元合金的白色板晶体、并且石墨分散的烧结合金。该合金由于切削加工性和耐磨性优异，因此用于汽车等的引擎。另外，大多数的吸排气阀的阀杆使用铁基耐蚀耐热超合金(Corrosion-resisting and heat-resisting superalloy：JIS符号NCF)、耐热钢(Heat-resisting steel：JIS符号SUH)、高速工具钢(Hight speed tool steel：JIS符号SKH)之类的合金、以及对这些合金实施了软氮化处理的合金。
对于阀杆，除耐热耐磨性之外，虽然为了提高疲劳特性而优选施行软氮化处理，但是由于该处理使用含有具有毒性的氰化合物的熔融盐，因此在操作和废弃等上需要特别的管理，存在环境卫生的问题，因此，如果可能的话，希望不施行软氮化处理。可是，不施行软氮化处理的阀杆与处理过的相比，耐磨性比较低，因此铁系烧结合金制阀导承和阀杆容易发生滑动伤(scuffing)，有磨损比较快之忧。特别是吸气侧(intake)，当为了防止阀导承和阀杆的滑动部的磨损而供给大量的润滑油时，发生该润滑油流入到下方的燃烧室的被称为“油下落(オイル下がり)”的现象，润滑油的消耗变多。因此，对喷射(emission)产生不良影响，为了避免这种情况，需要调整烧结合金的多孔性和润滑油的供给量，使得润滑油的量达到适度，结果，摩擦环境变得比较严格。
发明内容
所以，本发明的目的在于，提供对不施行软氮化处理的阀杆也具有优异的耐久性的铁系烧结合金制的内燃机用阀导承。
在一个实施方案中，本发明涉及一种铁系烧结合金制内燃机用阀导承，其特征在于：组成含有Cu：8-20质量％、C：0.8-1.5质量％、MnS和WS2的至少1种：0.5-2质量％，余量为Fe，其具有气孔，具有在铁的珠光体基体中分散有铜相的同时，在基体和铜相的粒子间分散着金属硫化物的金属组织，与未施行软氮化处理的铁基耐蚀耐热超合金、耐热钢、或者高速工具钢的阀杆组合使用。
在另一个实施方案中，本发明涉及一种阀系统，它是铁系烧结合金制内燃机用阀导承与未施行软氮化处理的铁基耐蚀耐热超合金、耐热钢、或者高速工具钢的阀杆组合使用而成的阀系统，其特征在于：上述铁系烧结合金制内燃机用阀导承在组成上含有Cu：8-20质量％、C：0.8-1.5质量％、MnS和WS2的至少1种：0.5-2质量％，余量为Fe，其具有气孔，具有在铁的珠光体基体中分散有铜相的同时，在基体和铜相的粒子间分散着金属硫化物的金属组织。
本发明的特征在于：组成含有Cu：8-20质量％、C：0.8-1.5质量％、MnS、WS2和MoS2的至少1种：0.5-2质量％、余量为Fe，其具有气孔，具有在铁的珠光体基体中分散有铜相的金属组织，同时，在基体和铜相的粒子间分散着金属硫化物。以下说明本发明的构成的限定理由。
·铁基体
铁基体形成材料的强度、耐磨性等基本的性质，在本发明中，形成以石墨粉的形式添加到纯铁粉中的碳在烧结中扩散的铁的珠光体组织。对于铁基体的结合碳量，铁与碳共析约0.8％左右，大的渗碳体析出的基体不理想。也包括所添加的石墨粉的一部分以游离碳的形式残留的基体。
·C
烧结合金中的总碳量给阀导承的压块径向抗压强度、切削性、阀导承和阀杆的磨损量造成影响。总碳量越少，阀导承的切削性越为好的结果。压块径向抗压强度在总碳量为约1质量％时最高，含量比该值多或少，压块径向抗压强度都变低，超过1.5％的含量不优选。阀导承和阀杆的磨损量在总碳量为约1质量％时最少，当总碳量少于0.8质量％时，磨损增加。从这些情况考虑，磨损量少、压块径向抗压强度高、切削性好的总碳量范围为0.8-1.5质量％。
·Cu
铜为在烧结合金的铁基体之间斑点状地分散的状态，使与阀杆的紧密性、耐磨性良好。优选铜以铜粉的形式添加。为了得到铜的分散状态，为此而使用的铜粉优选粒度比较粗的。例如粒度为100目筛以下，亚筛(サブシ-ブ；subsieve)粉的量为10-30质量％的铜粉。铜通过烧结而向铁粒子扩散一点点，组织上实质形成纯铜。在确保强度上，烧结温度为比铜的熔点稍高的1100-1130℃，利用保持时间抑制铜向铁较多地扩散，同时，使上述的碳在铁中固溶约0.8质量％左右。铜的含量也给各种特性带来影响。铜的含量越多切削性越好。铜的含量越多，压块径向抗压强度越降低。铜的含量在约15质量％时，阀导承和阀杆的磨损量最好，在5质量％时，磨损量增加。从这些情况考虑，作为磨损量少、压块径向抗压强度在实际使用上充分、切削性好的范围，铜的含量为8-20质量％。
·金属硫化物(MnS、WS2、MoS2)
对于上述具有在珠光体组织的铁基体中分散了8-20质量％的铜的组织的铁系烧结合金制阀导承，压块径向抗压强度也比现有的铁系烧结合金制阀导承高，不产生烧结磨损，但耐磨性和被切削性比现有的铁系烧结合金差。为了改善这种情况，含有润滑物质为好。作为润滑物质，可以列举出硫化锰(MnS)、二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)、顽辉石(MgSiO3)、氮化硼(BN)、氟化钙(CaF)等，比较它们，压块径向抗压强度的降低少、耐磨性最优异的是金属硫化物，硫化锰特别优异。当金属硫化物的含量增加时，切削性提高，压块径向抗压强度降低。当金属硫化物的含量为约1-1.5质量％时，阀导承和阀杆的磨损量少，当少于0.5质量％时，阀导承和阀杆的磨损量增加。另外，硫化物的含量为3％时，磨损量也增加。从这些情况考虑，作为磨损量少、压块径向抗压强度在实际使用上充分、切削性好的范围，金属硫化物的含量为0.5-2质量％。
·阀导承的密度
作为满足有含油能力的气孔和强度的密度，为6.4-6.8g/cm3。
具体实施方式
以下示出实施例更详细地说明本发明。
(1)烧结合金试样的制作和性能试验
[实施例]
a)原料粉末
·铁粉：川崎制铁制KIP-300A粒度为100目筛以下
·铜粉：ジャパンエナジ-制#35粒度为100目筛以下
·石墨粉：日本石墨工业制CPB粒度为150目筛以下
·固体润滑剂粉：硫化锰(MnS)、二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)、顽辉石(MgSiO3)、氮化硼(BN)、氟化钙(CaF)
·硬脂酸锌粉
b)混合粉末
使用上述原料粉末，调制下述试样1-7的混合粉末。添加量为质量％。另外，硬脂酸锌在全部的试样中添加，追加时为0.75％。
·试样1：89％铁粉+10％铜粉+1％石墨
·试样2：99％试样1+1％MnS
·试样3：99％试样1+1％WS2
·试样4：99％试样1+1％MoS2
·试样5：99％试样1+1％MgSiO3
·试样6：99％试样1+1％BN
·试样7：99％试样1+1％CaF
c)粉末成形、烧结
将上述试样粉末1-7压缩成形为圆筒状的阀导承形状，将成形体在还原性气体中在加热最高温度1130℃烧结。用于评价性能的各试样的密度为6.6g/cm3。各烧结体总碳量为0.95质量％，显微镜组织的铁全部为珠光体(结合碳量为约0.8％)，可看到铜呈斑点状。
[比较例]
将上述现有的烧结合金制的阀导承作为比较例的试样。比较例的试样是将分别配合了规定量的铁粉、铜锡合金粉、磷铁合金粉、石墨粉得到的混合粉压缩成形、烧结而得到的试样。比较例的烧结体，组成是碳：2质量％、铜：3质量％、锡：1质量％、磷：0.2质量％、和剩余量的铁，在铁的珠光体基体中Fe-C-P三元合金的白色板片晶体析出、石墨分散。
对于由上述试样1-7和比较例的烧结体构成的阀导承进行以下的试验。
·压块径向抗压强度(MPa)
根据JIS Z2507-1979烧结含油轴承的压块径向抗压强度试验法测定压块径向抗压强度。
·被切削性试验
使内径尺寸6.4mm的各阀导承浸渍在400℃时的运动粘度为56cSt的透平油，将它压入到机架(ハウジング)的孔中，固定在钻床的基台上。在钻床上安装外径7mm的超硬制的铰刀，在铰刀的转速1000rpm、载荷31N下插入到烧结体的内孔中。被切削性用可以铰刀加工轴向距离10mm的切削时间(秒)进行评价。
·磨损试验
将铰刀加工的阀导承固定在试验机上，采用马氏体系耐热钢SUH11(JIS G 4311)，使用未施行软氮化处理的阀导承，测定在外周环境温度500℃、阀杆转速3000rpm、径向载荷3kgf下运转10小时后的阀导承内径磨损量(μm)和阀杆的磨损量(μm)。
表1示出压块径向抗压强度和磨损量的结果。在表1中，用以比较例试样的特性为100时的指数表示实施例各试样的特性。再者，VG是阀导承，VS是阀杆。
                        表1
  压块径向抗压强度   VG磨损量   VS磨损量   成分的特征
  实施例  试样1   153   187   250   无固体润滑剂
 试样2   143   13   25   试样1+MnS
 试样3   124   40   50   试样1+WS2
 试样4   126   50   34   试样1+MoS2
 试样5   132   108   34   试样1+MgSiO3
 试样6   108   145   50   试样1+BN
 试样7   154   120   50   试样1+CaF
  比较例   100   100   100   现有的烧结合金
根据表1可看到，与比较例试样的阀导承相比，含有金属硫化物的实施例的试样的特性优异。特别是试样2的Fe-10％Cu-0.85％C-1％MnS材料最优异。再者，被切削性试验的铰刀加工时间，将比较例试样作为指数100时，试样2为指数78，试样2优异。
(2)Cu、C和MnS的含量的比较
其次，对上述试样2中的Cu、C和MnS各自的含量不同和阀导承的特性进行比较，确定Cu、C和金属硫化物含量的适当值。为此而进行的压块径向抗压强度和被切削性试验的方法与上述相同，但磨损试验比上述条件提高了载荷，并且延长时间，径向载荷为5kgf，运转时间为30小时。另外，在比较时，用上述试样2记为100的指数表示。在此，发明的限定范围确定基准为：切削时间为指数120以下、压块径向抗压强度为指数60以上、阀导承的磨损量为指数140以下、阀杆的磨损量为指数250以下。这之中，阀杆的磨损量为几μm左右，因此即使指数比较大也被允许。
a)Cu含量的比较
使Fe-1％C-1％MnS恒定，制作了Cu含量为5％、10％、15％、20％这4种阀导承试样。表2示出了这些试样的试验结果。
                            表2
  Cu含量(质量％)   切削时间   压块径向抗压强度   VG磨损量   VS磨损量
  5   125   108   172   220
  10   100   100   100   100
  15   88   85   88   50
  20   87   79   132   200
如表2所示，Cu含量为10-15质量％时是良好的。当Cu含量增加时，被切削性变好，而另一方面压块径向抗压强度变低。另外，阀导承的磨损量在Cu含量为10-15质量％时少，无论Cu含量比该值多还是少，阀导承的磨损量都增加。阀杆的磨损量全部在许可范围内。从这些情况出发，考虑阀导承的磨损量和被切削性，Cu含量为8-20质量％的范围。
b)C含量的比较
使Fe-10％Cu-1％MnS恒定，制作C含量为0.8％、1％、1.2％、1.5％这4种阀导承的试样。表3示出了这些试样的试验结果。
                        表3
  C含量(质量％)   切削时间   压块径向抗压强度   VG磨损量   VS磨损量
  0.8   87   83   139   250
  1   100   100   100   100
  1.2   103   83   132   100
  1.5   109   68   139   200
如表3所示，C含量为1-1.2质量％时是良好的。当C含量变多时，被切削性变坏。压块径向抗压强度和耐磨性在1％C时最高，无论含量比该值多还是少，压块径向抗压强度和耐磨性都显示降低的倾向。从组织上看与铁结合的碳量为0.8％左右，因此剩余部分C以渗碳体和游离碳的形式析出，但由于渗碳体是硬而脆的组织，因此可认为，伴随碳量的增加，被切削性降低，在磨损杆的同时，磨损粉作为研磨粒子起作用，磨损阀导承自身。这些特性分别在允许范围以内，C含量为0.8-1.5质量％的范围。
c)MnS含量的比较
使Fe-10％Cu-1％C恒定，制作MnS的含量为0.5％、1％、1.5％、2％和3％这5种阀导承的试样。表4示出了这些试样的试验结果。
                            表4
  MnS含量(质量％)   切削时间   压块径向抗压强度   VG磨损量   VS磨损量
  0.5   104   102   144   225
  1   100   100   100   100
  1.5   99   88   107   50
  2   94   78   134   150
  3   87   73   218   550
如表4所示，MnS含量为1-2质量％时是良好的。当MnS含量变多时，压块径向抗压强度降低、被切削性提高。耐磨性在MnS含量为1-1.5质量％时为良好，无论MnS含量比该值多还是少，耐磨性都显示变坏的倾向。当MnS含量为3质量％时，阀导承、阀杆磨损量均变多。从这种情况考虑，MnS含量为0.5-2质量％的范围。
如以上那样，根据本发明的阀导承，通过在珠光体组织的铁基体中适度地分散比较软的铜，则与阀杆的紧密性变得良好，难以引起滑动伤磨损，而且利用金属硫化物的润滑效果，成为难以攻击阀导承的耐磨性和配对材料阀杆的制品。由此认为，显示出对未施行软氮化处理的阀杆也适合的特性。

Claims (2)

1.一种铁系烧结合金制内燃机用阀导承，其特征在于：组成含有Cu：8-20质量％、C：0.8-1.5质量％、MnS和WS2的至少1种：0.5-2质量％，余量为Fe，其具有气孔，具有在铁的珠光体基体中分散有铜相的同时，在基体和铜相的粒子间分散着金属硫化物的金属组织，与未施行软氮化处理的铁基耐蚀耐热超合金、耐热钢、或者高速工具钢的阀杆组合使用。
2.一种阀系统，它是铁系烧结合金制内燃机用阀导承与未施行软氮化处理的铁基耐蚀耐热超合金、耐热钢、或者高速工具钢的阀杆组合使用而成的阀系统，其特征在于：上述铁系烧结合金制内燃机用阀导承在组成上含有Cu：8-20质量％、C：0.8-1.5质量％、MnS和WS2的至少1种：0.5-2质量％，余量为Fe，其具有气孔，具有在铁的珠光体基体中分散有铜相的同时，在基体和铜相的粒子间分散着金属硫化物的金属组织。
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