DE112009000775T5

DE112009000775T5 - Sinterlegierung auf Eisenbasis für einen Ventilsitz und Ventilsitz für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112009000775T5
Application number: DE112009000775T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Sato; Hiroshi Oshige; Takeshi Haniu
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: BRPI0910437B1; BRPI0910437A2; CN102046824A; CN102046824B; US8733313B2; BR122018008921B1; KR20100113646A; JPWO2009122985A1; WO2009122985A1; DE112009000775B4; JP5484899B2; US20110023808A1

Abstract

Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis, das zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die in einer Sinterlegierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind, umfasst, wobei das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz selektiv die zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die alle der im folgenden beschriebenen Bedingungen 1 bis 4 erfüllen, verwendet:
Bedingung 1: als die ersten harten Teilchen werden harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 5 bis 20 μm verwendet;
Bedingung 2: als die zweiten harten Teilchen werden harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 20 bis 150 μm verwendet;
Bedingung 3: bei dem Gemisch harter Teilchen, das durch Mischen der zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen, erhalten wird, weist die durch Laserbeugung-Streuungsanalyse ermittelte Teilchengrößenverteilungskurve N Peaks auf (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), und wenn die den Peakspitzenpositionen entsprechenden Teilchendurchmesser...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis, das für einen Ventilsitz eines Verbrennungsmotors geeignet ist, und insbesondere eine Verbesserung eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis im Hinblick auf mechanische Festigkeit und Bearbeitbarkeit.
Technischer Hintergrund
Der Ventilsitz ist ein Teil, das als Ventilsitz für ein Einlassventil oder ein Auslassventil dient, der notwendig ist, um in Kontakt mit einer Ventilfläche eine Verbrennungskammer luftdicht zu halten. Die Hauptfunktionen eines Ventilsitzes umfassen (1) eine Luftabdichtungsfunktion, d. h. das Verhindern des Austretens von komprimiertem Gas oder Verbrennungsgas in einen Verteiler, (2) eine Wärmeleitungsfunktion, d. h. das Abgeben der Wärme von einem Ventil an einen Zylinderkopf, und (3) eine Verschleißfestigkeitsfunktion, d. h. Beständigkeit gegenüber Stößen in einem Ventilsitz und Verschleiß in einer Situation hoher Temperatur und hoher Last. Ferner umfassen für einen Ventilsitz erforderliche Eigenschaften (1) geringe Aggressivität zu einem Gegenüber auf einer Ventilfläche, (2) einen vernünftigen Preis und (3) leichte mechanische Bearbeitbarkeit. Daher wird ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz eines Verbrennungsmotors verwendet, um die im vorhergehenden angegebenen Funktionen und Eigenschaften zu erfüllen.
Ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis wird durch Formpressen erhalten, wobei ein Metallpulver oder dgl. in eine Metallform gegeben wird, anschließend die Pulverform bei einer Temperatur gleich dem oder geringer als der Schmelzpunkt erhitzt wird und ggf. einer Wärmebehandlung oder anderen Behandlungen unterzogen wird. Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis wird dadurch, dass es geeignete Mengen an Kohlenstoff, Kupfer, Nickel und dgl. zusätzlich zu Eisen als Hauptkomponente enthält, vorteilhaft im Hinblick darauf, dass (1) mechanische Eigenschaften, Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit und dgl. durch Elemente, die zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit einer Sinterlegierung eingemischt wurden, verbessert sind, (2) die mechanische Bearbeitbarkeit eines Produkts verbessert ist, (3) eine Kostenverringerung durch verbesserte Produktivität erreicht wird und dgl.
Jedoch wurden die an Materialien zum Bau von Kraftfahrzeugteilen sowie an andere verschiedene Maschinen gestellten Anforderungen von Jahr zu Jahr strenger, d. h. eine weitere Verbesserung im Hinblick auf mechanische Eigenschaften, Umformbarkeit, wie mechanische Bearbeitbarkeit, und stabile Produktivität und eine Verringerung der Herstellungskosten sind erforderlich. Ein Ventilsitz bildet hiervon keine Ausnahme und es werden Ventilsitze für Verbrennungsmotoren mit besseren Eigenschaften als die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Ventilsitze für Verbrennungsmaschinen gefordert.
Als Reaktion auf diese Anforderungen offenbart das Patentdokument 1 einen Ventilsitz von hervorragender Verschleißfestigkeit mit geringer Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche, in den – als Flächenanteil – 10 bis 20 Flächen-% an ersten harten Teilchen, die Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis mit einem Teilchendurchmesser von 10 bis 150 μm und einer Härte gleich oder höher als 500 HV 0,1 und weniger als 800 HV 0,1 sind, und – als Flächenanteil – 15 bis 35 Flächen-% an zweiten harten Teilchen, die Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis mit einem Teilchendurchmesser von 10 bis 150 μm und einer Härte gleich oder höher als 800 HV 0,1 und weniger als 1100 HV 0,1 sind, eingearbeitet sind und wobei der Gesamtflächenanteil, der von den beiden, in einer Eisenmatrix dispergierten belegt wird, 25 bis 55 Flächen-% beträgt.
Patentdokument 1: japanisches offengelegtes Patent Nr. 2005-248234
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Jedoch wird, auch wenn die in der herkömmlichen Technik beschriebene Kombination mit Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis verwendet wird und eine Sinterlegierung auf Eisenbasis, die mit der Verbindung in einer Eisenmatrix dispergiert ist, für einen Ventilsitz eines Verbrennungsmotors verwendet wird, eine für Verbrennungsmotoren erforderliche Verschleißfestigkeit ohne die Zugabe einer großen Menge der harten Teilchen niemals erreicht, d. h. eine große Menge an zugesetzten harten Teilchen ist erforderlich, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Infolgedessen sind die durch das Erhöhen der Menge an harten Teilchen, die der Sinterlegierung auf Eisenbasis zugesetzt werden, verursachten Nachteile eine schlechte Zähigkeit der Sinterlegierung auf Eisenbasis, eine erhöhte Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche und eine schlechte mechanische Bearbeitbarkeit.
Beispielsweise offenbart das Patentdokument 1 eine Kombination von zwei Arten harter Teilchen, die in einer Eisenmatrix verteilt werden sollen, wobei eine von diesen ”Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis, die eine geringe Aggressivität zu einem Gegenüber zeigen und einen Teilchendurchmesser von 10 bis 150 μm aufweisen” sind und die andere von diesen ”Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis mit einer höheren Härte und hervorragender Verschleißfestigkeit und mit einem Teilchendurchmesser von 10 bis 150 μm” sind. Wenn eine in Patentdokument 1 offenbarte Sinterlegierung auf Eisenbasis als Ventilsitz verwendet wird, ergibt sich die Wirkung, dass sowohl eine verbesserte Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes als auch eine verminderte Aggressivität zu einem Partner-Gegenüber erfüllt wird. Jedoch kann manchmal der Nachteil auftreten, dass es schwierig ist, alle Punkte der Verschleißfestigkeit, mechanischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit im Hinblick auf den Ventilsitz zu erfüllen.
Wie im vorhergehenden beschrieben, sind eine lange Lebensdauer, hohe Leistung und verbesserte Brennstoffverbrauchseffizienz für Verbrennungsmotoren, für die Kraftfahrzeugmotoren repräsentativ sind, stark erforderlich, und für ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz sind nicht nur Verschleißfestigkeit und verringerte Aggressivität des Ventilsitzes zu einem Partner-Gegenüber, die Einfluss auf die Leistungsstabilität der Verbrennungsmotoren haben, sondern auch verbesserte Verschleißfestigkeit, mechanische Festigkeit und Bearbeitbarkeit eines Ventilsitzes erforderlich.
Die im folgenden beschriebene vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung von Problemen in der herkömmlichen Technik erhalten und deren Aufgabe ist die Bereitstellung eines Produkts, bei dem die Menge harter Teilchen, die zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes eines Verbrennungsmotors zugesetzt werden, erhöht ist, wobei jedoch ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen mechanischer Festigkeit und Bearbeitbarkeit des Ventilsitzes erreicht wird.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die im vorhergehenden angegebenen Probleme zu lösen, befassten sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung sodann mit der Teilchengrößenverteilung und der Härte von zwei Arten harter Teilchen, die in einem Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz dispergiert sind, und sie untersuchten den Einfluss einer Differenz von Peakspitzenpositionen der Teilchengrößen in den Teilchengrößenverteilungskurven auf Funktionen und Eigenschaften des Ventilsitzes. Infolgedessen fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, dass die Spezifizierung im Hinblick auf eine Differenz von Teilchengrößen an Peakspitzen der Teilchengrößenverteilungskurven bei zwei Arten harter Teilchen, den Gehalt an den harten Teilchen und eine Differenz der Härten eine Lösung der im vorhergehenden angegebenen Probleme sein kann.
Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis, das zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die in einer Sinterlegierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind, umfasst, wobei das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz selektiv die zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die alle der im folgenden beschriebenen Bedingungen 1 bis 4 erfüllen, verwendet:

Bedingung 1: als die ersten harten Teilchen werden harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 5 bis 20 μm verwendet;
Bedingung 2: als die zweiten harten Teilchen werden harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 20 bis 150 μm verwendet;
Bedingung 3: bei dem Gemisch harter Teilchen, das durch Mischen der zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen, erhalten wird, weist die durch Laserbeugung-Streuungsanalyse ermittelte Teilchengrößenverteilungskurve N Peaks auf (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), und wenn die den Peakspitzenpositionen entsprechenden Teilchendurchmesser mit D_T1 bis D_TN bezeichnet werden, liegt die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser zwischen mindestens einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn(|D_Tn-1 – D_Tn|:n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 und gleich oder kleiner als N) bei mindestens einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn im Bereich von 15 bis 100 μm; und
Bedingung 4: der Gesamtflächenanteil, der von sowohl den ersten harten Teilchen als auch den zweiten harten Teilchen, die das Gemisch harter Teilchen bilden, in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis belegt wird, beträgt 10 bis 60 Flächen-%.

In dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung sind die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen vorzugsweise harte Teilchen mit einer Vickers-Härte im Bereich von 650 HV 0,1 bis 1100 HV 0,1.
In dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen vorzugsweise eine beliebige Zusammensetzung auf, die aus der Zusammensetzung 1 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis, der Zusammensetzung 2 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis und der Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis, die im folgenden beschrieben sind, ausgewählt ist:

Zusammensetzung 1 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis Silicium: 0,5 bis 4,0 Gew.-%, Chrom: 5,0 bis 20,0 Gew.-%, Molybdän: 20,0 bis 40,0 Gew.-% und zum Rest: Cobalt und beiläufige Verunreinigungen.
Zusammensetzung 2 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis Silicium: 0 bis 4,0 Gew.-%, Nickel: 5,0 bis 20,0 Gew.-%, Chrom: 15,0 bis 35,0 Gew.-%, Molybdän: 15,0 bis 35,0 Gew.-% und zum Rest: Cobalt und beiläufige Verunreinigungen.
Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis Cobalt: 10,0 bis 20,0 Gew.-%, Nickel: 2,0 bis 20,0 Gew.-%, Chrom: 12,0 bis 35,0 Gew.-%, Molybdän: 12,0 bis 35,0 Gew.-% und zum Rest: Eisen und beiläufige Verunreinigungen.

In dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis vorzugsweise zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die aus Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molybdän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium ausgewählt sind, im Gefüge in einem Bereich von 13,0 bis 90,0 Gew.-%.
In dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis vorzugsweise einen festen pulverförmigen Schmierstoff eines Sulfids oder Fluorids in einem Bereich von 0,2 bis 5,0 Flächen-% gegenüber 100 Flächen-% für den Flächenanteil, der von ersten harten Teilchen, zweiten harten Teilchen und einer Matrix belegt wird, auf.
Der Ventilsitz eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er unter Verwendung des im vorhergehenden angegebenen Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz hergestellt ist. Ferner kann das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis zusätzlich für verschiedene Arten von mechanischen Teilen, Lagerteilen, Teilen für elektrische Kontakte und Teilen für Verschleißfestigkeit verwendet werden.
Vorteile der Erfindung
Bei dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung können, auch wenn die Menge harter Teilchen, die einem zur Herstellung eines Ventilsitzes verwendeten Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis zugesetzt werden, erhöht ist, um die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes eines Verbrennungsmotors zu verbessern, vorzugsweise Verschleißfestigkeit, mechanische Festigkeit und Bearbeitbarkeit, die strengen Verwendungsbedingungen des Verbrennungsmotors standhalten, in gutem Gleichgewicht gehalten werden. Daher kann bei einem Ventilsitz, der unter Verwendung des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz erhalten wurde, eine gute bearbeitete Oberfläche durch mechanische Bearbeitung ausgebildet werden und es kann ein verbesserter luftdichter Innenraum für eine Brennkammer, wenn ein Ventil sitzt bzw. geschlossen ist, bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann, da das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung eine für einen Ventilsitz ausreichende Festigkeit aufweist, die Anforderung einer langen Lebensdauer für einen Verbrennungsmotor erfüllt werden.
Beste Art und Weise zur Durchführung der Erfindung
Im folgenden wird eine Ausführungsform des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis, in dem zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, in einer Matrix einer Sinterlegierung auf Eisenbasis dispergiert sind, und es ist dadurch gekennzeichnet, dass selektiv zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die alle der im folgenden beschriebenen Bedingungen 1 bis 4 erfüllen, verwendet werden.
Nach Bedingung 1 werden vorzugsweise harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 5 bis 20 μm als erste harte Teilchen verwendet und nach Bedingung 2 werden vorzugsweise harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 20 bis 150 μm als zweite harte Teilchen verwendet. Das heißt, dass das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung durch Dispergieren eines Gemischs von zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 5 bis 20 μm und zweiten harten Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 20 bis 150 μm, in einer Matrix einer Sinterlegierung auf Eisenbasis erhalten wird. Durch Verwenden einer Kombination der ersten harten Teilchen und der zweiten harten Teilchen mit diesem Teilchendurchmesserbereich kann ein Sintermaterial in einem geeigneten Zustand als das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Daher können, wenn ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis unter Verwendung von nur ersten harten Teilchen hergestellt wird, die Teilchen zu einer Aggregation neigen, da der mittlere Primärteilchendurchmesser mit 5 μm bis 20 μm fein ist, was bewirkt, dass die Wirkung harter Teilchen nur schwer zum Tragen kommt, und die Herstellungskosten erhöht. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu ist, wenn ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis unter Verwendung von nur zweiten harten Teilchen hergestellt wird, die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche erhöht, da der mittlere Primärteilchendurchmesser mit 20 μm bis 150 μm groß ist, und ferner sind die Herstellungskosten wegen des Durchführens des Sinterns über einen längeren Zeitraum aufgrund der Schwierigkeiten beim Sintern der Teilchen in einem Sinterverfahren und wegen anderer Faktoren erhöht. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Wie im vorhergehenden beschrieben ist, beträgt der mittlere Primärteilchendurchmesser für harte Teilchen, die in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung dispergiert sind, für die ersten harten Teilchen 5 bis 20 μm und für die zweiten harten Teilchen 20 bis 150 μm. Somit kann angegeben werden, dass der mittlere Primärteilchendurchmesser der verwendeten harten Teilchen 5 bis 150 μm beträgt. Der Grund hierfür liegt darin, dass, da harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von weniger als 5 μm zu fein sind, die Tendenz einer Diffusion in eine Sinterlegierungsmatrix auf Eisenbasis unter Verschwinden in einem Sinterprozess auftreten kann und keine Festigungswirkung, d. h. nicht die erwartete Wirkung der harten Teilchen, durch Teilchendispersion erhalten werden kann. Daher ist dies nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu kann, wenn bei harten Teilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder größer als 150 μm die in dem Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis dispergierten harten Teilchen zu groß sind und wenn das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis als Ventilsitz verwendet wird, die Tendenz zu einem Brechen und Abbröckeln der Teilchen auftreten, und die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche ist erhöht. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Die Bedingung 3 lautet: bei einem Gemisch harter Teilchen, das durch Mischen der zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen, erhalten wird, weist die durch Laserbeugung-Streuungsanalyse ermittelte Teilchengrößenverteilungskurve N Peaks auf (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), und wenn die den Peakspitzenpositionen entsprechenden Teilchendurchmesser mit D_T1 bis D_TN bezeichnet werden, liegt die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser zwischen mindestens einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn(|D_Tn-1 – D_Tn|:n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 und gleich oder kleiner als N) bei benachbartem D_Tn-1 und D_Tn vorzugsweise im Bereich von 15 bis 100 μm. Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Gemisch harter Teilchen eine Teilchengrößenverteilungskurve mit N Peaks aufweist (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), und, wenn die den Peakspitzenpositionen entsprechenden Teilchendurchmesser mit D_T1 bis D_TN bezeichnet werden, die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser zwischen mindestens einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn(|D_Tn-1 – D_Tn|:n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 und gleich oder kleiner als N) bei benachbartem D_Tn-1 und D_Tn im Bereich von 15 bis 100 μm liegt (im folgenden wird die ”Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser zwischen D_Tn-1 und D_Tn(|D_Tn-1 – D_Tn|:n steht für eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 und gleich oder kleiner als N)” als ”Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser” bezeichnet. Hierbei ist, wenn die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser weniger als 15 μm beträgt, die Differenz der Teilchendurchmesser zwischen den harten Teilchen klein. In diesem Fall wird die Verwendung harter Teilchen mit zwei verschiedenen Teilchendurchmessern bedeutungslos und es ergeben sich Schwierigkeiten, ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis von sowohl verbesserter Festigkeit als auch verbesserter mechanischer Bearbeitbarkeit, die für ein Ventilsitzmaterial erforderlich sind, zu erhalten und es ist auch schwierig, eine Verbesserung im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit und die Verringerung der Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche zu erreichen, wenn das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis als Ventilsitz verwendet wird. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu ist, wenn die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser 100 μm übersteigt, die Menge an großen harten Teilchen zu groß und die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche stark. Ferner kann, da ein homogener Dispersionszustand der harten Teilchen in einem Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis kaum erhalten werden, was sowohl die mechanische Festigkeit als auch die Zähigkeit schlecht macht, d. h. es ist nicht bevorzugt, ein derartiges Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis als Ventilsitz zu verwenden.
Wenn die Teilchengrößenverteilungskurve drei oder mehr Peakspitzen aufweist, liegt eine der Differenzen der Teilchendurchmesser zwischen benachbarten Peakspitzen vorzugsweise im Bereich von 15 μm bis 100 μm. Wenn eine der Differenzen der Teilchendurchmesser zwischen benachbarten Peakspitzen die Anforderung auf diese Weise erfüllt, können aus dem im vorhergehenden angegebenen Grund alle Punkte einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Verringerung der Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche und einer Verbesserung der mechanischen Festigkeit erreicht werden, wenn das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis als Ventilsitz verwendet wird. Dies ist daher bevorzugt.
Die Bedingung 4 lautet: in einem Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis beträgt der Gesamtflächenanteil, der von sowohl den ersten harten Teilchen als auch den zweiten harten Teilchen, die das Gemisch harter Teilchen bilden, in dem Gefüge der Sinterlegierung auf Eisenbasis belegt wird, vorzugsweise 10 bis 60 Flächen-%. Wenn der Gesamtflächenanteil weniger als 10 Flächen-% beträgt, führt dies, da die Menge harter Teilchen, die in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis enthalten sind, gering ist, zu einer schlechten Verschleißfestigkeit, d. h. die Verwendung der harten Teilchen wird bedeutungslos. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Gesamtflächenanteil 60 Flächen-% übersteigt, ergeben sich, da die Menge harter Teilchen, die in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis enthalten sind, zu groß ist, schlechte Umformbarkeit, Zähigkeit und Stoßfestigkeit, die für ein Ventilsitzmaterial erforderlich sind, und die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche wird stark. Dies ist daher nicht bevorzugt. Das heißt, dass die in einem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis enthaltenen harten Teilchen einen Ventilsitz mit einer stabileren Qualität ergeben können, wenn der Gesamtflächenanteil, der von sowohl den ersten harten Teilchen als auch den zweiten harten Teilchen belegt wird, in den im vorhergehenden angegebenen Bereich gelegt wird.
Im Hinblick auf den Gesamtflächenanteil an harten Teilchen in der im vorhergehenden beschriebenen Bedingung 4 ist es noch günstiger, wenn der Flächenanteil, der von den ersten harten Teilchen oder den zweiten harten Teilchen belegt wird, 2 bis 40 Flächen-% des Gesamtflächenanteils beträgt, und der Restflächenanteil, der von der anderen Art harter Teilchen von den ersten harten Teilchen und den zweiten harten Teilchen belegt wird, ist ein Wert, der durch Subtraktion des Flächenanteils, der von den ersten harten Teilchen oder den zweiten harten Teilchen belegt wird, von dem Gesamtflächenanteil erhalten wird. Wenn der Flächenanteil von einer Art harter Teilchen weniger als 2 Flächen-% beträgt, wird nur das gleiche Ergebnis, als wenn eine Art harter Teilchen verwendet wird, erhalten, und es macht eine Verbesserung im Hinblick auf sowohl Festigkeit als auch mechanische Bearbeitbarkeit, die für ein Ventilsitzmaterial erforderlich sind, schwierig und es macht es ebenfalls schwierig, eine Verbesserung im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit und eine Verringerung der Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche, wenn das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis als Ventilsitz verwendet wird, zu erreichen. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu könnte, wenn der Flächenanteil von einer Art harter Teilchen hiervon 40 Flächen-% übersteigt und der Flächenanteil der anderen Art harter Teilchen 2 Flächen-%, was die Untergrenze ist, beträgt, genau das gleiche Ergebnis, als wenn eine Art der harten Teilchen verwendet wird, wie oben beschrieben, erhalten werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Das heißt, dass die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen, die in gutem Gleichgewicht und nicht ungleichmäßig in einem Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis dispergiert sind, die schlechte Verschleißfestigkeit verhindern können, die erhalten wird, wenn nur die ersten harten Teilchen verwendet werden, und die Aggressivität zu einem Gegenüber und die schlechte mechanische Festigkeit verhindern können, die erhalten werden, wenn nur die zweiten harten Teilchen verwendet werden, und es wird die Bereitstellung eines Ventilsitzes mit einer stabileren Qualität ermöglicht.
In Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis, in dem zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, dispergiert sind, besteht keine spezielle Beschränkung und es kann jedes bekannte Pulvermetallurgieverfahren verwendet werden.
In dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung sind die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen, die das Gemisch harter Teilchen bilden, vorzugsweise harte Teilchen mit einer Vickers-Härte im Bereich von 650 HV 0,1 bis 1100 HV 0,1. Wenn die Vickers-Härte der harten Teilchen weniger als 650 HV 0,1 beträgt, kann dies die Verschleißfestigkeit eines als Ventilsitz verwendeten Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis verschlechtern, sodass keine lange Lebensdauer für einen Verbrennungsmotor erreicht wird. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Härte der harten Teilchen 1100 HV 0,1 übersteigt, die Zähigkeit eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis verschlechtert und das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis spröde gemacht, was zu schlechten Stoßbeständigkeitseigenschaften gegenüber Stößen führt. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Ferner liegt die Differenz der Vickers-Härte zwischen zwei Arten harter Teilchen, die in einem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis dispergiert sind, vorzugsweise im Bereich von 300 HV 0,1 bis 350 HV 0,1 in einigen Fällen in Abhängigkeit vom Material der harten Teilchen. Hierzu wird der Fall betrachtet, dass zwei Arten harter Teilchen mit der gleichen Härte verwendet werden und in dem Gefüge eines als Ventilsitz verwendeten Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis dispergiert sind. Harte Teilchen, die eine hohe Härte aufweisen, können die Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes selbst verbessern. Da jedoch, wenn die Sinterlegierung auf Eisenbasis zu dem Ventilsitz verarbeitet wird, die mechanische Bearbeitbarkeit verschlechtert wird und die Aggressivität des Ventilsitzes zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche nicht verringert werden kann, kann somit die Qualität als Ventilsitz nicht in einem guten Gleichgewicht gehalten werden. Im Gegensatz dazu können harte Teilchen, die eine geringe Härte aufweisen, die Aggressivität eines Ventilsitzes zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche verringern. Da jedoch die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes verschlechtert wird und die mechanische Bearbeitbarkeit, wenn die Sinterlegierung auf Eisenbasis zu dem Ventilsitz verarbeitet wird, in einigen Fällen verschlechtert wird, kann somit die Qualität als Ventilsitzmaterial nicht in einem guten Gleichgewicht gehalten werden. Daher kann die Verwendung von nur harten Teilchen mit einer mittleren Härte in Betracht gezogen werden, doch ist es schwierig, ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis zu erhalten, das sowohl im Hinblick auf die Festigkeit als auch die mechanische Bearbeitbarkeit, die für ein Ventilsitzmaterial erforderlich sind, verbessert ist. Ferner ist es auch schwierig, eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit, wenn das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis als Ventilsitz verwendet wird, und eine Verringerung der Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche zu erreichen. Daher ist es in einigen Fällen bevorzugt, eine bestimmte Härtedifferenz zwischen ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen in Abhängigkeit von den Materialien der harten Teilchen bereitzustellen.
In dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen, die ein Gemisch harter Teilchen bilden, vorzugsweise eine beliebige Zusammensetzung von einer Zusammensetzung 1 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis, einer Zusammensetzung 2 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis und einer Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis, die im folgenden beschrieben sind. Das heißt, dass zwei Arten harter Teilchen, die in dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, eine Kombination von Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis und/oder Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis sind. Die Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis werden bei hoher Temperatur nicht weich, sie sind verschleißfest und weisen hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Die Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis sind minderwertig im Hinblick auf die Diffusion in eine Matrix eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis, wobei die Bindungsfähigkeit mit der Matrix schlechter als die der Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis ist. Jedoch kann die Minderwertigkeit minimiert werden, wenn das Gemisch der Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis arrangiert wird und es weist insbesondere den Vorteil niedriger Kosten auf.
In der Zusammensetzung 1 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis beträgt der Siliciumgehalt 0,5 bis 4,0 Gew.-%, der Chromgehalt 5,0 bis 20,0 Gew.-%, der Molybdängehalt 20,0 bis 40,0 Gew.-% und der Rest sind Cobalt und beiläufige Verunreinigungen. Die Verbindung, in der diese Komponenten wechselseitig eine intermetallische Verbindung bzw. Phase bilden, wird als intermetallische Verbindung auf Cobaltbasis bezeichnet. In der Zusammensetzung 2 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis beträgt der Siliciumgehalt 0 bis 4,0 Gew.-%, der Nickelgehalt 5,0 bis 20,0 Gew.-%, der Chromgehalt 15,0 bis 35,0 Gew.-%, der Molybdängehalt 15,0 bis 35,0 Gew.-% und der Rest sind Cobalt und beiläufige Verunreinigungen. Die Verwendung derartiger Zusammensetzungsmuster kann die Feststoffschmiereigenschaften der harten Teilchen verbessern.
Wenn eine intermetallische Verbindung auf Cobaltbasis mit einer im vorhergehenden beschriebenen Zusammensetzung für harte Teilchen verwendet wird, ist dies bevorzugt, da eine Verbesserung im Hinblick auf die Eigenschaften der Verschleißfestigkeit, mechanischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit eines durch Dispergieren der harten Teilchen erhaltenen Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis erreicht werden kann.
In der Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis beträgt der Cobaltgehalt 10,0 bis 20,0 Gew.-%, der Nickelgehalt 2,0 bis 20,0 Gew.-%, der Chromgehalt 12,0 bis 35,0 Gew.-%, der Molybdängehalt 12,0 bis 35,0 Gew.-% und der Rest sind Eisen und beiläufige Verunreinigungen. Die Verbindung, in der diese Komponenten wechselseitig eine intermetallische Verbindung bzw. Phase bilden, wird als intermetallische Verbindung auf Eisenbasis bezeichnet. Die Verwendung eines derartigen Zusammensetzungsmusters kann die Feststoffschmiereigenschaften der harten Teilchen verbessern.
Wenn eine intermetallische Verbindung auf Eisenbasis mit einer im vorhergehenden beschriebenen Zusammensetzung für harte Teilchen verwendet wird, ist dies bevorzugt, da eine Verbesserung im Hinblick auf die Eigenschaften der Verschleißfestigkeit, mechanischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit eines durch Dispergieren der harten Teilchen erhaltenen Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis erreicht werden kann. Ferner kann, da die intermetallische Verbindung auf Eisenbasis kostengünstiger als die intermetallische Verbindung auf Cobaltbasis ist, wenn die intermetallische Verbindung auf Eisenbasis für in einem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis dispergierte harte Teilchen verwendet wird, ein Ventilsitz eines Verbrennungsmotors mit hervorragenden Kosteneigenschaften erhalten werden.
Im folgenden wird das Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis beschrieben. Die in der folgenden Beschreibung verwendete ”Matrix” bezeichnet das Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis, wobei harte Teilchen, ein fester Schmierstoff und zwischen in dem Gefüge dispergierten Teilchen gebildete Poren ausgeschlossen sind. Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die aus Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molybdän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium ausgewählt sind, in dem Gefüge in einem Bereich von 13,0 bis 90,0 Gew.-%. Im folgenden wird jeder Legierungsbestandteil kurz beschrieben.
Kohlenstoff als Legierungsbestandteil scheidet sich als feine Kohlenstoffteilchen unter Verbesserung der Feststoffschmiereigenschaften aus oder es wirkt als Hilfsstoff zur Bildung von Carbidsubstanzen oder einer intermetallischen Verbindung zwischen Eisen und einem Legierungselement, das später beschrieben ist, unter Verbesserung der Verschleißfestigkeit in einer Eisenmatrix. In diesem Fall beträgt der Kohlenstoffgehalt in einer Eisenmatrix vorzugsweise 0,5 bis 2,0 Gew.-%. Wenn der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, können keine bevorzugten Carbidsubstanzen in einer Eisenmatrix gebildet werden, wobei Feststoffschmiereigenschaften, Verschleißfestigkeit und mechanische Festigkeit kaum verbessert werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu erfolgt, wenn der Kohlenstoffgehalt 2,0 Gew.-% übersteigt, eine Zunahme des Martensitgefüges, die Bildung einer übermäßigen Menge an hartem und sprödem Zementit (Fe₃C) und eine übermäßige Bildung der Menge an Carbidsubstanzen, die zwischen dem Kohlenstoff und einem anderen Legierungsbestandteil gebildet werden, wodurch die Eisenmatrix spröde gemacht wird. Das heißt, dass die Stoßfestigkeitseigenschaften als Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis verschlechtert sind und die Haltbarkeit und gute mechanische Bearbeitbarkeit verloren gehen. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Der Siliciumgehalt in einer Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,2 bis 3,0 Gew.-%. Wenn der Siliciumgehalt weniger als 0,2 Gew.-% beträgt, kann keine bevorzugte intermetallische Verbindung gebildet werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Siliciumgehalt 3,0 Gew.-% übersteigt, eine übermäßige Menge an harten und spröden Carbidsubstanzen in der Eisenmatrix gebildet, was die Matrix spröde macht. Das heißt, dass die Stoßfestigkeitseigenschaften als Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis verschlechtert sind und die Haltbarkeit und gute mechanische Bearbeitbarkeit verloren gehen. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Chrom als Legierungsbestandteil ist ein Element zur Bildung von Chromcarbid zur Verbesserung von Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Der Chromgehalt in einer Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,5 bis 4,0 Gew.-%. Wenn der Chromgehalt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, kann keine der Eigenschaften der Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit verbessert werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Chromgehalt 4,0 Gew.-% übersteigt, bewirkt eine übermäßige Bildung von Chromcarbid, dass das Chromcarbid an Teilchengrenzen ausseigert, und dies macht die Eisenmatrix hart und spröde. Das heißt, dass die Stoßfestigkeitseigenschaften und eine gute mechanische Bearbeitbarkeit verloren gehen. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Molybdän als Legierungsbestandteil bildet Molybdäncarbid unter Verbesserung der Feststoffschmiereigenschaften und/oder es bildet eine intermetallische Eisen-Molybdän-Verbindung, die die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit gegenüber Erweichen beim Anlassen bzw. erhöhter Temperatur in einer Eisenmatrix verbessert. Der Molybdängehalt in der Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,2 bis 5,0 Gew.-%. Wenn der Molybdängehalt weniger als 0,2 Gew.-% beträgt, verbessert eine geringe Menge an gebildetem Molybdäncarbid kaum die Verschleißfestigkeit. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Molybdängehalt 5,0 Gew.-% übersteigt, erfolgt eine übermäßige Bildung von Molybdäncarbid und einer intermetallischen Eisen-Molybdän-Verbindung. Infolgedessen wird die Eisenmatrix hart und spröde, was zu schlechter mechanischer Bearbeitbarkeit führt. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Cobalt als Legierungsbestandteil, das zusammen mit Wolframcarbid vorhanden ist, verbessert die mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit einer Sinterlegierung auf Eisenbasis stark. Ferner wird die homogene Diffusion anderer Legierungselemente gefördert und die Verschleißfestigkeit ebenfalls erhöht. Der Cobaltgehalt in einer Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,5 bis 6,0 Gew.-%. Wenn der Cobaltgehalt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, kann keine der Eigenschaften der Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit verbessert werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Cobaltgehalt 6,0 Gew.-% übersteigt, ist die Wirkung der Zugabe über diesen Gehalt hinaus bereits gesättigt und eine übermäßige Zugabe nicht wirtschaftlich. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Nickel als Legierungsbestandteil verleiht einer Eisenmatrix Wärmebeständigkeit und es verbessert die Verschleißfestigkeit. Der Nickelgehalt in der Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,4 bis 5,0 Gew.-%. Wenn der Nickelgehalt weniger als 0,4 Gew.-% beträgt, kann keine Wärmebeständigkeit für die Eisenmatrix erhalten werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Nickelgehalt 5,0 Gew.-% übersteigt, ist die Nickelzugabe über diesen Gehalt hinaus im Hinblick auf eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit bereits gesättigt. Im Gegensatz dazu ist die mechanische Bearbeitbarkeit als Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis entsprechend der hohen Härte verschlechtert. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Kupfer als Legierungsbestandteil bildet in einer Eisenmatrix eine feste Lösung, wobei das Gefüge einer Sinterlegierung auf Eisenbasis verfeinert wird. Der Kupfergehalt in der Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,5 bis 3,0 Gew.-%. Wenn der Kupfergehalt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, kann keine Wirkung einer Verfeinerung des Gefüges erhalten werden und die Verschleißfestigkeit kann nicht verbessert werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Kupfergehalt 3,0 Gew.-% übersteigt, besteht die Tendenz einer Ausscheidung von übermäßigem metallischem Kupfer an Teilchengrenzen und/oder zwischen den harten Teilchen. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Wolfram bildet mit Kohlenstoff ein Wolframcarbid unter Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Der Wolframgehalt in einer Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1,0 Gew.-%. Wenn der Wolframgehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, kann keine Carbidsubstanz in einer Sinterlegierung auf Eisenbasis gebildet werden, wodurch keine Verbesserung der Verschleißfestigkeit erhalten wird. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Wolframgehalt 1,0 Gew.-% übersteigt, wird eine übermäßige Menge an mit Kohlenstoff gebildeten Carbidsubstanzen gebildet und die Matrix spröde gemacht. Das heißt, dass die Stoßfestigkeitseigenschaften als Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis verschlechtert werden und die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche stark wird. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Vanadium bildet in einer Eisenmatrix Carbidsubstanzen unter Verbesserung der Verschleißfestigkeit und es zeigt gleichzeitig eine Ausscheidungshärtungswirkung durch das Vanadiumcarbid. Der Vanadiumgehalt in der Eisenmatrix beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1,0 Gew.-%. Wenn der Vanadiumgehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, kann keine Verbesserung der Verschleißfestigkeit und mechanischen Festigkeit durch Bildung der Carbidsubstanzen erreicht werden. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu der Vanadiumgehalt 1,0 Gew.-% übersteigt, erfolgt eine übermäßige Bildung des Vanadiumcarbids, wodurch die Eisenmatrix hart und spröde gemacht wird. Das heißt, dass die Stoßfestigkeitseigenschaften als Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis verschlechtert sind und eine gute mechanische Bearbeitbarkeit verloren gegangen ist. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Wie in Tabelle 3 angegeben ist, ist die Zusammensetzung von Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molydän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten, vorzugsweise die folgende: der Gehalt an Kohlenstoff beträgt 1,0 bis 1,3 Gew.-%; der Gehalt an Silicium beträgt 0,0 bis 2,1 Gew.-%; der Gehalt an Chrom beträgt 1,0 bis 19,0 Gew.-%; der Gehalt an Molybdän beträgt 3,0 bis 20,0 Gew.-%; der Gehalt an Cobalt beträgt 4,0 bis 32,0 Gew.-%; der Gehalt an Nickel beträgt 0,0 bis 9,0 Gew.-%; der Gehalt an Kupfer beträgt 0,0 bis 2,0 Gew.-%; der Gehalt an Wolfram beträgt 0,0 bis 2,0 Gew.-% und der Gehalt an Vanadium beträgt 0,0 bis 0,5 Gew.-%. Der Grund, weshalb die Gehaltsanteile für Chrom, Molybdän, Cobalt und Nickel groß sind, ist die Diffusion der Elemente, die in ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen enthalten sind, in das Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis. Im Gegensatz dazu sind die Gehaltsanteile für Kohlenstoff, Silicium, Kupfer, Vanadium und dgl. in dem Gefüge klein festgelegt, da harte Teilchen und dgl., die diese Elemente nicht enthalten, in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis enthalten sind.
Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis enthält vorzugsweise zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die selektiv aus den im vorhergehenden beschriebenen Legierungsbestandteilen verwendet werden, in einem Bereich von 13,0 bis 90,0 Gew.-% in dem Gefüge. Da die Legierung, die durch die Mischbedingung gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, eine relativ hohe Härte aufweist, wird, wenn die Menge der zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die zusätzlich zu reinem Eisenpulver enthalten sind, weniger als 13,0 Gew.-% beträgt, die mechanische Festigkeit eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis verringert, was zu einer schlechten Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes führt. Dies ist daher nicht bevorzugt. Wenn im Gegensatz dazu die Menge der zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die zusätzlich zu reinem Eisenpulver enthalten sind, 90,0 Gew.-% übersteigt, wird die mechanische Festigkeit des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis zu hoch, was das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis spröde macht. Ferner wird, wenn die Sinterlegierung auf Eisenbasis für einen Ventilsitz verwendet wird, die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche stark. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Für das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn das Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis einen pulverförmigen festen Schmierstoff eines Sulfids oder Fluorids in einem Bereich von 0,2 bis 5,0 Flächen- gegenüber 100 Flächen-% für den Flächenanteil, der von ersten harten Teilchen, zweiten harten Teilchen und einer Matrix belegt wird, umfasst. Wenn der Gehalt an dem pulverförmigen festen Schmierstoff weniger als 0,2 Flächen-% beträgt, kann die Funktion als fester Schmierstoff nicht ausreichend ausgeübt werden, was zu einer Adhäsion zwischen einem Ventilsitz und einer Ventilfläche führt. Dies ist daher nicht bevorzugt. Im Gegensatz dazu kann, wenn der Gehalt an dem pulverförmigen festen Schmierstoff 5,0 Flächen-% übersteigt, keine Wirkung der Zugabe über diesen Gehalt hinaus erreicht werden und dies ist in wirtschaftlicher Hinsicht ohne Bedeutung. Dies ist daher nicht bevorzugt. Ferner erfolgt, wenn beispielsweise Mangansulfidteilchen und/oder Calciumfluoridteilchen als Teilchen eines festen Schmierstoffs verwendet werden, wegen hoher Schmelzpunkte beim Sintern keine Diffusion. Ferner ergeben sie eine hohe Abriebfestigkeit und Verschleißfestigkeit auch im Hochtemperaturbetrieb. Sie sind daher bevorzugt.
Der Ventilsitz eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er unter Verwendung eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz hergestellt ist. Der Ventilsitz eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert vorzugsweise die Luftabdichtung in einer Brennkammer, wenn ein Ventil sitzt bzw. geschlossen ist, da bei der mechanischen Bearbeitung eine gute bearbeitete Oberfläche ausgebildet wird, wenn er unter Verwendung des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der obigen Beschreibung hergestellt wurde. Ferner ermöglichen eine ausreichende Verschleißfestigkeit und mechanische Festigkeit für den Ventilsitz ein Erfüllen der Anforderung einer langen Lebensdauer als Verbrennungsmotor. Dies ist daher bevorzugt.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf Beispiele in der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
Als Beispiele für das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Prüflinge 1 bis 29 mit verschiedenen Pulvermischungsbedingungen wie in Tabelle 1 angegeben hergestellt. Die Tabelle zeigt Zusammensetzungen, Vickers-Härten und Teilchendurchmesser harter Teilchen und Zusammensetzungen von Legierungsstahlpulvern, die in den Prüflingen 1 bis 29 verwendet werden. Für die harten Teilchen wurden intermetallische Verbindungen auf Cobaltbasis, die Silicium, Chrom, Molybdän und zum Rest Cobalt und beiläufige Verunreinigungen umfassen oder Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän und zum Rest Cobalt und beiläufige Verunreinigungen umfassen, und eine intermetallische Verbindung auf Eisenbasis, die Cobalt, Nickel, Chrom, Molybdän und zum Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen umfasst, verwendet. Die Härten der harten Teilchen betrugen 700 HV 0,1 für die harten Teilchen A, E, H und M, 1050 HV 0,1 für die harten Teilchen B, C, F, I, J und N, 750 HV 0,1 für die harten Teilchen D, K und L und 900 HV 0,1 für die harten Teilchen S und T, wie in Tabelle 2 angegeben ist. Die Teilchendurchmesser für die verwendeten ersten harten Teilchen lagen im Bereich von 5 μm bis 20 μm und die Teilchendurchmesser für die verwendeten zweiten harten Teilchen lagen im Bereich von 20 μm bis 150 μm.
Additivpulver, harte Teilchen (erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen) und feste Schmierstoffe wurden mit einem reinen Eisenpulver und/oder Eisenlegierungspulvern als Hauptbestandteile in vorgegebenen Kombinationen und Anteilen (Gew.-%), wie in Tabelle 1 angegeben, gemischt. Die Mischungsanteile sind auf 100 Gew.-% bezogen, das die Summe der Gewichte von ersten harten Teilchen, zweiten harten Teilchen und einer Matrix in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis ist. In Tabelle 1 sind auch die Teilchendurchmesserdifferenzen von Peakspitzen in den Pulvergemischen von ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen offenbart. Das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung wurde durch Mischen der einzelnen Pulver gemäß den in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Bedingungen, Einfüllen des Pulvergemischs in eine Metallform, Formpressen des eingefüllten Pulvers durch eine Formpresse und anschließendes Sintern hergestellt. Die Härtedifferenzen zwischen den ersten harten Teilchen und den zweiten harten Teilchen betrugen 50 HV 0,1 für die Prüflinge 9, 13 und 22, 150 HV 0,1 für die Prüflinge 25, 27 und 28, 200 HV 0,1 für Prüfling 26, 300 HV 0,1 für die Prüflinge 4 und 8 und 350 HV 0,1 für die Prüflinge 6, 10 und 23. Die Härtedifferenzen zwischen den ersten harten Teilchen und den zweiten harten Teilchen betrugen für die anderen Prüflinge 0 HV 0,1.
Ferner sind in Tabelle 1 die Anteile harter Teilchen und eines festen Schmierstoffs, die in dem in den Beispielen hergestellten Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis enthalten sind, als Flächenanteil angegeben. Der Flächenanteil ist gegenüber einem Flächenanteil von 100 Flächen das die Gefügefläche des die harten Teilchen enthaltenden Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis ist, angegeben.
In der Sinterlegierung auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gemisch von zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen mit verschiedenen Teilchendurchmessern, in dem Gefüge wie im vorhergehenden beschrieben dispergiert. In einer Teilchengrößenverteilungskurve, die erhalten wird, wenn die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen gemischt wurden und das Gemisch harter Teilchen durch Laserbeugung-Streuungsanalyse vermessen wird, können einige Peaks ermittelt werden. Die Laserbeugung-Streuungsanalyse ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Teilchengrößenverteilung unter Nutzen des Lichtstreuungsmusters, das erhalten wird, wenn ein Laser auf eine Masse eines Pulvers harter Teilchen strahlt.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Bestimmung der Differenz von Peakspitzenteilchendurchmessern aus einer Teilchengrößenverteilung eines Gemischs harter Teilchen aus ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen unter Verwendung von 1 bis 3 beschrieben. 1 zeigt eine Teilchengrößenverteilungskurve harter Teilchen A mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 7,3 μm. In der in 1 gezeigten Teilchengrößenverteilungskurve kann eine Peakspitze an der Position eines Teilchendurchmessers von etwa 8 μm festgestellt werden. 2 zeigt dann eine Teilchengrößenverteilungskurve harter Teilchen B mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 91,5 μm. In der in 2 gezeigten Teilchengrößenverteilungskurve kann eine Peakspitze an der Position eines Teilchendurchmessers von etwa 90 μm festgestellt werden. 3 zeigt eine Teilchengrößenverteilungskurve eines Pulvergemischs, das durch Mischen von jeweils 50% harten Teilchen A und harten Teilchen B erhalten wird. Wie in 3 gezeigt ist, beträgt der mittlere Teilchendurchmesser des Teilchengemischs der harten Teilchen A und der harten Teilchen B 55,3 μm und wenn das Pulvergemisch der harten Teilchen A und der harten Teilchen B durch Laserbeugung-Streuungsanalyse vermessen wird, können zwei Peakspitzen festgestellt werden. In der Teilchengrößenverteilungskurve beträgt die Teilchendurchmesserdifferenz der Peakspitzenpositionen zwischen einem Teilchendurchmesser (etwa 8 μm), der der Peakspitzenposition einer Teilchengrößenverteilungskurve der harten Teilchen A entspricht, und einem Teilchendurchmesser (etwa 90 μm), der der Peakspitzenposition einer Teilchengrößenverteilungskurve der harten Teilchen B entspricht, d. h. die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser, etwa 82 μm. Dies bedeutet, dass die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser, die von dem Teilchengemisch der harten Teilchen A und der harten Teilchen B erhalten wird, im Bereich von 15 μm bis 100 μm liegt, was eine Bedingung der vorliegenden Erfindung ist. Wie in dem im vorhergehenden beschriebenen Beispiel offenbart ist, ist, wenn eine Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser in einem Teilchengemisch von zwei Arten harter Teilchen im Bereich von 15 μm bis 100 μm liegt, die Porositätsverteilung in einer Sinterlegierung auf Eisenbasis in einem Bereich stabilisiert, der zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, mechanischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis in einem guten Gleichgewicht günstig ist.
Auf der Grundlage der obigen Beschreibungen werden Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser in Pulvergemischen von zwei Arten harter Teilchen, die in den Beispielen enthalten sind, untersucht. Die Daten für die Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser in Teilchengrößenverteilungskurven von Pulvergemischen erster harter Teilchen und zweiter harter Teilchen für Prüflinge der Beispiele sind in Tabelle 1 angegeben. Die Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser bei den Prüflingen 1 bis 29 lagen alle im Bereich von 15 μm bis 100 μm, wie in Tabelle 1 angegeben ist.
Die Tabelle 3 zeigt Zusammensetzungen von Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis der Prüflinge 1 bis 29. Die Zusammensetzung des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis in den in Tabelle 3 angegebenen Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis für Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molybdän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium ist als Anteile gegenüber 100 Gew.-% für die Summe des Gefüges, das als Rest Eisen enthält, angegeben.
Vergleichsbeispiele
Als nächstes werden Vergleichsbeispiele zur vorliegenden Erfindung beschrieben.
Für Vergleichsbeispiele zu dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Prüflinge 30 bis 38 mit verschiedenen Mischungsbedingungen für Pulver harter Teilchen wie in Tabelle 4 angegeben hergestellt. Die Zusammensetzungen, Vickers-Härten und Teilchendurchmesser von harten Teilchen und Zusammensetzungen von Stahllegierungspulvern, die in den Prüflingen 30 bis 38 verwendet werden, sind in Tabelle 4 angegeben. Für die harten Teilchen wurden eine intermetallische Verbindung auf Cobaltbasis, die Zusammensetzungen aus Silicium, Chrom, Molybdän und zum Rest Cobalt und beiläufigen Verunreinigungen oder Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän und zum Rest Cobalt und beiläufigen Verunreinigungen umfasste, und eine intermetallische Verbindung auf Eisenbasis, die eine Zusammensetzung aus Cobalt, Nickel, Chrom, Molybdän und zum Rest Eisen und beiläufigen Verunreinigungen umfasste, und zusätzlich ein Ferromolybdän (Fe-Mo) verwendet. Die Ferromolybdän (Fe-Mo)-Teilchen mit Zusammensetzungsmustern der harten Teilchen G und O, die in Tabelle 2 offenbart sind, sind gegenüber den Zusammensetzungsmustern der anderen harten Teilchen im Hinblick darauf verschieden, dass sie kein Chrom und kein Cobalt enthalten. Die Ferromolybdän (Fe-Mo)-Teilchen mit den Zusammensetzungsmustern der harten Teilchen G und 0 wiesen eine Vickers-Härte von 1200 HV 0,1 auf, wie in Tabelle 2 angegeben ist, die außerhalb des in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Bereichs ist.
Für die Prüflinge 30 bis 38 wurden Additivpulver, harte Teilchen (erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen) und feste Schmierstoffe mit einem reinen Eisenpulver und/oder Eisenlegierungspulvern als Hauptbestandteile in vorgegebenen Kombinationen und Anteilen (Gew.-%), wie in Tabelle 4 angegeben, gemischt. Die Mischungsanteile sind bezogen auf 100 Gew.-%, das die Summe der Gewichte von ersten harten Teilchen, zweiten harten Teilchen und Matrix in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis darstellt. Ferner sind in Tabelle 1 die Anteile von harten Teilchen und festen Schmierstoffen, die in dem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind, als Flächenanteile offenbart. Der Flächenanteil ist gegenüber 100 Flächen-% angegeben, das die Gefügefläche des die harten Teilchen enthaltenden Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis ist. Im Gegensatz dazu betrugen in den in Tabelle 4 angegebenen Vergleichsbeispielen die Gesamtflächenanteile der harten Teilchen 62,0 Flächen-% für die Prüflinge 31 und 32, 84,0 Flächen-% für Prüfling 33 und 70,0 Flächen-% für Prüfling 34, was nicht 60 Flächen-% oder weniger, eine spezifische Bedingung der vorliegenden Erfindung, bedeutete. Der Gesamtflächenanteil der harten Teilchen von Prüfling 30 betrug 8,0 Flächen-%, d. h. nicht 10 Flächen-% oder mehr, eine spezifische Bedingung der vorliegenden Erfindung. Die Härtedifferenzen zwischen den ersten harten Teilchen und den zweiten harten Teilchen betrugen 350 HV 0,1 für Prüfling 34, was in Tabelle 2 offenbart ist, und 200 HV 0,1 für Prüfling 37 und 0 HV 0,1 für die anderen Prüflinge.
Die Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis für einen Ventilsitz in den Vergleichsbeispielen wurden durch Mischen der einzelnen Pulver gemäß den in den Tabellen 2 und 4 angegebenen Bedingungen, Einfüllen des Pulvergemischs in eine Metallform, Formpressen des eingefüllten Pulvers durch eine Formpresse und anschließendes Sintern unter den gleichen Bedingungen wie bei den Beispielen hergestellt.
Als nächstes werden die Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser von Pulvergemischen harter Teilchen aus zwei Arten harter Teilchen, die in den Prüflingen der Vergleichsbeispiele enthalten sind, untersucht. Die Daten für Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser in Teilchengrößenverteilungskurven von Pulvergemischen harter Teilchen aus ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen für Prüflinge der Vergleichsbeispiele sind in Tabelle 4 angegeben. Wie in Tabelle 4 angegeben ist, betrugen die Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser 13,0 μm für die Prüflinge 35 und 37 und 7,0 μm für Prüfling 36, was nicht 15 μm oder mehr, eine spezifische Bedingung der vorliegenden Erfindung, bedeutete.
Die Zusammensetzungen der Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis von Prüfling 30 bis Prüfling 38 sind in Tabelle 5 angegeben. Die Zusammensetzung eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis in den in Tabelle 5 angegebenen Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis für Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molybdän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium sind als Anteil gegenüber 100 Gew.-% für die Summe des Gefüges, das als Rest Eisen enthält, angegeben.
Vergleich zwischen Beispielen und Vergleichsbeispielen Die vorliegende Erfindung wird durch Vergleichen von Beispielen gemäß der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen detailliert beschrieben.
Die Verschleißmengen von sowohl Ventilsitzen als auch Ventilen als Gegenstück für die Prüflinge 1 bis 38 sind in 4 angezeigt. Schließlich wird der Einfluss der Teilchengrößenverteilungen auf mechanische Eigenschaften der Sinterlegierung auf Eisenbasis untersucht. Bei der Untersuchung wird auf Teilchengrößenverteilungen eines Gemischs von zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen, die in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis dispergiert sind, abgestellt. Die Teilchendurchmesserdifferenzen von benachbarten Peakspitzen, die aus den Teilchengrößenverteilungskurven erhalten wurden, für die in den Beispielen in Tabelle 1 gezeigten Prüflinge 1 bis 29 lagen alle im Bereich von 15 μm bis 100 μm, einer spezifischen Bedingung der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz dazu betrugen die Teilchendurchmesserdifferenzen benachbarter Peakspitzen in den Teilchengrößenverteilungskurven für die in den Vergleichsbeispielen in Tabelle 4 angegebenen Prüflinge 30 bis 38 weniger als 15 μm für die Prüflinge 35 bis 37, was außerhalb des Bereichs der spezifischen Bedingung für die vorliegende Erfindung lag. Für den Fall, dass eine Teilchendurchmesserdifferenz benachbarter Peakspitzen weniger als 15 μm beträgt, besteht, wenn beide harten Teilchen einen geringen Teilchendurchmesser aufweisen, die Tendenz einer Aggregation der Teilchen und die harten Teilchen zeigen kaum die Wirkung als harte Teilchen, was zu einer schlechten Verschleißfestigkeit führt. Als nächstes Werden, wenn beide harten Teilchen einen großen Teilchendurchmesser aufweisen, Poren zwischen den harten Teilchen groß und es wird eine Phase mit sehr verschiedener Härte in ein Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz eingestreut, was zu einer schlechten Verschleißfestigkeit führt. Wie in 4 ersichtlich ist, sind die Verschleißmengen von Ventilflächen und/oder Ventilsitzen bei den Prüflingen 35 bis 37 viel größer als die der Beispiele. Der Grund für die Unterschiede im Hinblick auf die Eigenschaften der mechanischen Festigkeit und Verschleißfestigkeit zwischen den Ventilflächen und den Ventilsitzen kann durch die im vorhergehenden beschriebenen Faktoren verursacht sein.
Wie ebenfalls in Tabelle 4 offenbart ist, lag, obwohl die Differenzen der Peakspitzenteilchendurchmesser für die Prüflinge 30 bis 34 und 38 alle im Bereich von 15 μm bis 100 μm, einer spezifischen Bedingung der vorliegenden Erfindung, lagen, die Gesamtflächenanteile, die von sowohl den ersten harten Teilchen als auch den zweiten harten Teilchen, die das Gemisch harter Teilchen bilden, belegt waren, jedoch nicht im Bereich von 10 bis 60 Flächen-% in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis. Wie in 4 ersichtlich ist, besteht, wenn der Gesamtflächenanteil der harten Teilchen weniger als 10 Flächen-% betrug, die Tendenz, dass die Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes schlecht ist, wie für Prüfling 30 ersichtlich ist. Wenn der Gesamtflächenanteil der harten Teilchen 60 Flächen-% übersteigt, kann die Aggressivität zu einem Gegenüber, zu einer Ventilfläche stark sein, wie für Beispiel 33, ein bemerkenswertes Beispiel, ersichtlich ist.
5 zeigt die Radialbruchfestigkeiten von Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis für einen Ventilsitz für die Prüflinge 1 bis 38 als Relativwerte gegenüber einer Radialbruchfestigkeit von 100% für Beispiel 30. Wie in 5 ersichtlich ist, kann festgestellt werden, dass die Vergleichsbeispiele, insbesondere die Prüflinge 31 bis 34 und 38 niedrigere Radialbruchfestigkeiten als die Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Der Grund, weshalb die Radialbruchfestigkeit von Prüfling 30 erhöht ist, kann darin gesehen werden, dass der Gesamtflächenanteil, der von sowohl ersten harten Teilchen als auch zweiten harten Teilchen belegt wird, gering ist. Das heißt, dass der Anteil harter Teilchen in dem Gefüge von Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis dieser Prüflinge 30 und 37 gering ist. Jedoch wird, wie klar in 4 ersichtlich ist, die Wirkung einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch harte Teilchen nicht gezeigt, d. h. die Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes wird schlecht.
Wie in Tabelle 4 offenbart ist, übersteigen in den Prüflingen 31 und 32 die Vickers-Härte für sowohl die ersten harten Teilchen als auch die zweiten harten Teilchen der verwendeten harten Teilchen 1100 HV 0,1, eine spezifische Bedingung der vorliegenden Erfindung. Infolgedessen wurde die Zähigkeit eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis schlecht und es besteht die Tendenz zu sprödem Verhalten. Das heißt, dass die Radialbruchfestigkeit der Prüflinge 31 und 32 schlecht wird, was in 5 ersichtlich ist.
Wie in den Tabelle 1 und 4 offenbart ist, wurden Zusammensetzungen einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis in den Prüflingen 24 bis 29, 37 und 38 für harte Teilchen verwendet. Die Einflüsse auf die Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes selbst und die Aggressivität zu einem Gegenüber werden dann durch Vergleichen einer Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis, die für harte Teilchen verwendet wird, und einer Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis, die für verwendete harte Teilchen verwendet wird, untersucht. Zunächst werden nur Prüflinge in den Beispielen, die Prüflinge 1 bis 23, die eine Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis für harte Teilchen verwenden, und die Prüflinge 24 bis 29, die eine Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis für harte Teilchen verwenden, verglichen. Wie in 4 ersichtlich ist, zeigen die Prüflinge 24 bis 29, die eine Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis für harte Teilchen verwenden, in einem Ventilsitz eine etwas größere Verschleißmenge. Der Grund hierfür kann darin liegen, dass die Diffusionsfähigkeit von Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis in eine Matrix einer Sinterlegierung auf Eisenbasis geringer als die von Teilchen einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis ist und die Bindungsfähigkeit mit der Matrix etwas schlecht macht. Jedoch ist, wie in Tabelle 1 offenbart ist, wenn die Prüflinge 1 und 24 mit fast dem gleichen Gesamtflächenanteil von ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen, die in einem Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis enthalten sind, beispielsweise verglichen werden, der Unterschied sehr klein.
Sodann werden die Prüflinge 24 bis 29 in den Beispielen, die eine Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis für harte Teilchen verwenden, und die Prüflinge 30 bis 36 in den Vergleichsbeispielen, die eine Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis für harte Teilchen verwenden, verglichen. Wie in 4 ersichtlich ist, besteht für die Prüflinge 30 bis 36 in den Vergleichsbeispielen die Tendenz, dass sie in einem Ventilsitz schlechte Verschleißfestigkeit und höhere Aggressivität zu einem Gegenüber als die Prüflinge 24 bis 29 in den Beispielen zeigen. Dies bedeutet, dass auch wenn eine Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis für harte Teilchen verwendet wird, der Einfluss auf die Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes und die Aggressivität zu einem Gegenüber sehr klein ist, sofern die Zusammensetzung die in der vorliegenden Erfindung spezifizierte Mischungsbedingung erfüllt.
Wie ebenfalls in Tabelle 5 offenbart ist, erfüllen die Prüflinge 30 und 33 nicht die Bedingung, dass das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die aus Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molybdän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium ausgewählt sind, in einem Bereich von 13,0 bis 90,0 Gew.-% in dem Gefüge enthält. Gemäß den in 4 gezeigten Verschleißmengen der Prüflinge 30 und 33 ist zu erkennen, dass die Balance der Verschleißmenge zwischen dem Ventilsitz und der Ventilfläche nicht ausgeglichen ist. Dies bedeutet, dass, wenn Legierungsbestandteile, die in einem Gefüge eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis enthalten sind, außerhalb des Bereichs von 13,0 bis 90,0 Gew.-% liegen, die Tendenz besteht, dass sowohl eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit in einem Ventilsitz und eine Verringerung der Aggressivität zu einem Gegenüber, der Ventilfläche, schwierig wird. Wie in 4 ersichtlich ist, wird, da die Prüflinge 31 und 32, die die harten Teilchen G und O verwenden, die Zusammensetzungsmuster verwenden, die kein Nickel und Chrom enthalten, was eine Zunahme der mechanischen Festigkeit bewirkt, die Verschleißfestigkeit eines aus dem Prüfling hergestellten Ventilsitzes schlecht, wenn sie mit einem aus Prüflingen in den Beispielen hergestellten verglichen wird.
Wie in Tabelle 4 offenbart ist, enthält der Prüfling 34 5,5 Flächen-% an einem pulverförmigen festen Schmierstoff in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis, jedoch liegt der Flächenanteil nicht im Bereich von 0,2 bis 5,0 Flächen-%, einer spezifischen Bedingung der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall wird, wie in 5 für Prüfling 34 ersichtlich ist, wenn der Gehalt an einem festen Schmierstoff 5,0 Flächen-% übersteigt, die Radialbruchfestigkeit zu einer Verschlechterung tendieren.
Ein Diagramm des Gefüges des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz von Prüfling 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt und ein Diagramm des Gefüges des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz von Prüfling 6 ist in 7 gezeigt. Ein Diagramm des Gefüges des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz von Prüfling 30 im Vergleichsbeispiel ist in 8 gezeigt. Schwarze Bereiche in den Figuren geben die Matrix an und sie bestehen hauptsächlich aus Perlit. Weiße Bereiche in den Figuren geben erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen und eine Diffusionsschicht dieser harten Teilchen an. Wenn die Prüflinge 1 und 6 (6 und 7) gemäß der vorliegenden Erfindung und der Prüfling 30 (8) im Vergleichsbeispiel verglichen werden, wird offensichtlich, dass die Fläche weißer Bereiche, die die harten Teilchen einschließlich der Diffusionsschicht angibt, in dem Gefüge des Prüflings 30 kleiner als die in den Gefügen der Prüflinge 1 und 5 (6 und 7) ist. Der Grund, weshalb ein derartiges Phänomen im Prüfling 30 beobachtet wird, liegt darin, dass die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen, die in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis enthalten sind, die in der vorliegenden Erfindung spezifizierte Mischungsbedingung nicht erfüllen. Wenn das Gefüge in 8 sichtbar gemacht wird, d. h. der Anteil für die harten Teilchen einschließlich der Diffusionsschicht, sind weiße Bereiche in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis klein, die mechanische Festigkeit erhöht, jedoch die Verschleißfestigkeit verschlechtert. Infolgedessen zeigt der Prüfling 30 eine höhere mechanische Festigkeit als Prüfling 1 und Prüfling 6 gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe 5), jedoch eine schlechte Verschleißfestigkeit (siehe 4).
Der Teilchendurchmesser der harten Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß der obigen Beschreibung wurde durch Laserbeugung-Streuungsanalyse ermittelt. Der Flächenanteil der harten Teilchen wurde aus der durch die harten Teilchen belegten Fläche, die in fünf Sichtfeldern (jeweils 500 μm × 500 μm) des jeweiligen Mikrogefüges beobachtet wurde, bestimmt. Im Hinblick auf die Zahl der Proben beträgt die Summenzahl in fünf Sichtfeldern 250 bis 500, da in einem Sichtfeld 50 bis 100 harte Teilchen beobachtet werden. Ferner wurde eine Messsoftware Win ROOF Version 5.03 verwendet.
Die Härte harter Teilchen ist ein Wert, der unter Verwendung eines Micro Vickers Hardness Testers ermittelt wurde (Last: 0,1 kgf).
Gewerbliche Anwendbarkeit
Ein Produkt von hervorragendem Gesamtgleichgewicht zwischen mechanischer Festigkeit und Bearbeitbarkeit als Ventilsitz, ohne Eigenschaften, die die Verschleißfestigkeit und Aggressivität zu einem Gegenüber, zur Ventilfläche umfassen, zu verschlechtern, wobei es sich um herkömmliche Sinterlegierungsmaterialien auf Eisenbasis für einen Ventilsitz handelt, kann unter Verwendung des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Daher kann das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur für einen Ventilsitz sondern auch in breitem Umfang für verschiedene Arten mechanischer Teile verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm mit einem Beispiel für eine Teilchengrößenverteilung erster harter Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm mit einem Beispiel für eine Teilchengrößenverteilung zweiter harter Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Diagramm mit einem Beispiel für eine Teilchengrößenverteilung nach Mischen der ersten harten Teilchen und der zweiten harten Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Diagramm, das Ventilsitz-Verschleißmengen (μm) und Ventilfläche-Verschleißmengen (μm) in den Beispielen und Vergleichsbeispielen zeigt;
5 ist ein Diagramm, das Relativwerte für Radialbruchfestigkeiten in den Beispielen und Vergleichsbeispielen zeigt;
6 ist ein Gefügediagramm von Prüfling 1 in den Beispielen durch ein metallurgisches Mikroskop;
7 ist ein Gefügediagramm von Prüfling 6 in den Beispielen durch ein metallurgisches Mikroskop und
8 ist ein Gefügediagramm von Prüfling 30 in den Vergleichsbeispielen durch ein metallurgisches Mikroskop.
ZUSAMMENFASSUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Ventilsitzprodukts, in dem die Menge an zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines Ventilsitzes eines Verbrennungsmotors zugesetzten harten Teilchen erhöht ist und das hervorragende mechanische Festigkeit und Bearbeitbarkeit aufweist. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz verwendet, das derart aufgebaut ist, dass es erste harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 5 bis 20 μm und zweite harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 20 bis 150 μm in einem Gefüge enthält, wobei eine durch Laserbeugung-Streuungsanalyse ermittelte Teilchengrößenverteilungskurve N Peaks aufweist (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), und wenn die den Peakspitzenpositionen entsprechenden Teilchendurchmesser mit D_T1 bis D_TN bezeichnet werden, die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser zwischen einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn(|D_Tn-1 – D_Tn|:n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 und gleich oder kleiner als N) bei mindestens einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn im Bereich von 15 bis 100 μm liegt; und der Gesamtflächenanteil, der von sowohl den ersten harten Teilchen als auch den zweiten harten Teilchen, die das Gemisch harter Teilchen bilden, in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis belegt wird, 10 bis 60 Flächen-% beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-248234 [0005]

Claims

Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis, das zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die in einer Sinterlegierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind, umfasst, wobei das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz selektiv die zwei Arten harter Teilchen, erste harte Teilchen und zweite harte Teilchen, die alle der im folgenden beschriebenen Bedingungen 1 bis 4 erfüllen, verwendet: Bedingung 1: als die ersten harten Teilchen werden harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 5 bis 20 μm verwendet; Bedingung 2: als die zweiten harten Teilchen werden harte Teilchen mit einem mittleren Primärteilchendurchmesser von 20 bis 150 μm verwendet; Bedingung 3: bei dem Gemisch harter Teilchen, das durch Mischen der zwei Arten harter Teilchen, ersten harten Teilchen und zweiten harten Teilchen, erhalten wird, weist die durch Laserbeugung-Streuungsanalyse ermittelte Teilchengrößenverteilungskurve N Peaks auf (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), und wenn die den Peakspitzenpositionen entsprechenden Teilchendurchmesser mit D_T1 bis D_TN bezeichnet werden, liegt die Differenz der Peakspitzenteilchendurchmesser zwischen mindestens einem benachbarten D_Tn-1 und D_Tn(|D_Tn-1 – D_Tn|:n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 und gleich oder kleiner als N) bei benachbartem D_Tn-1 und D_Tn im Bereich von 15 bis 100 μm; und Bedingung 4: der Gesamtflächenanteil, der von sowohl den ersten harten Teilchen als auch den zweiten harten Teilchen, die das Gemisch harter Teilchen bilden, in dem Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis belegt wird, beträgt 10 bis 60 Flächen-%.
Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz nach Anspruch 1, wobei die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen harte Teilchen mit einer Vickers-Härte im Bereich von 650 HV 0,1 bis 1100 HV 0,1 sind.
Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten harten Teilchen und die zweiten harten Teilchen eine beliebige Zusammensetzung aufweisen, die aus der Zusammensetzung 1 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis, der Zusammensetzung 2 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis und der Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis, die im folgenden beschrieben sind, ausgewählt ist: Zusammensetzung 1 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis Silicium: 0,5 bis 4,0 Gew.-%, Chrom: 5,0 bis 20,0 Gew.-%, Molybdän: 20,0 bis 40,0 Gew.-% und zum Rest: Cobalt und beiläufige Verunreinigungen; Zusammensetzung 2 einer intermetallischen Verbindung auf Cobaltbasis Silicium: 0 bis 4,0 Gew.-%, Nickel: 5,0 bis 20,0 Gew.-%, Chrom: 15,0 bis 35,0 Gew.-%, Molybdän: 15,0 bis 35,0 Gew.-% und zum Rest: Cobalt und beiläufige Verunreinigungen; und Zusammensetzung einer intermetallischen Verbindung auf Eisenbasis Cobalt: 10,0 bis 20,0 Gew.-%, Nickel: 2,0 bis 20,0 Gew.-%, Chrom: 12,0 bis 35,0 Gew.-%, Molybdän: 12,0 bis 35,0 Gew.-% und zum Rest: Eisen und beiläufige Verunreinigungen.
Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis zwei oder mehr Legierungsbestandteile, die aus Kohlenstoff, Silicium, Chrom, Molybdän, Cobalt, Nickel, Kupfer, Wolfram und Vanadium ausgewählt sind, im Gefüge in einem Bereich von 13,0 bis 90,0 Gew.-% enthält.
Sinterlegierungsmaterial auf Eisenbasis für einen Ventilsitz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gefüge des Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis einen festen pulverförmigen Schmierstoff eines Sulfids oder Fluorids in einem Bereich von 0,2 bis 5,0 Flächen-% gegenüber 100 Flächen-% für den Flächenanteil, der von ersten harten Teilchen, zweiten harten Teilchen und einer Matrix belegt wird, umfasst.
Ventilsitz eines Verbrennungsmotors, hergestellt unter Verwendung eines Sinterlegierungsmaterials auf Eisenbasis für einen Ventilsitz nach einem der Ansprüche 1 bis 5.