JP2016166387A - Ｆｅ基焼結用硬質粉末およびこれを用いた耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関のバルブシートに用いられる、耐摩耗性に優れるＦｅ基焼結用硬質粉末およびこれを用いたＦｅ基焼結体を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：２．５〜６％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１０％以下、Ｍｏ：２０％未満、Ｃｒ：１０〜３０％、Ｗ＋Ｖ＋Ｎｂ：５％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＦｅ基焼結用硬質粉末およびこれを用いた耐摩耗性に優れるＦｅ基焼結体。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに圧入され、バルブの開閉によるシリンダヘッドの摩耗を防ぐ焼結バルブシートに用いられる、Ｆｅ基焼結用硬質粉末およびこれを用いた耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体に関する。

従来より、内燃機関のバルブシートには、Ｆｅ系粉末を基地とし、ＭｏおよびＮｉ、Ｃｏのようなレアメタルを多く含有する硬質粒子が混合された焼結合金が用いられてきた。この硬質粒子に添加されるＭｏは、主に硬質な炭化物を形成し耐摩耗性を改善するとともに、酸化物を生成しやすいため固体潤滑性を持たせ凝着を抑制する働きをしている。また、ＮｉやＣｏは、硬質粒子のマトリックスをオーステナイト化し、耐摩耗性や凝着性を改善するＭｏの硬質粒子内へのＭｏの固溶量を増加させる意図で添加されている。

例えば、特開２００１−１８１８０７号公報（特許文献１）に開示されているように、質量％で、Ｍｏ：２０〜６０％、Ｃ：０．２〜３％、Ｎｉ：５〜４０％、Ｍｎ：１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含み、残部が不可避不純物とＦｅからなる硬質粒子が提案されている。また、特開２０１１−１９０５２６号公報（特許文献２）に開示されているように、質量％で、Ｍｏ：２０〜４０％、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｎｉ：５〜３０％、Ｍｎ：１〜１０％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｃｏ：５〜３０％、Ｙ：０．０５〜２％、残部が不可避不純物とＦｅからなる焼結合金配合用硬質粒子が提案されている。

特開２００１−１８１８０７号公報 特開２０１１−１９０５２６号公報

上述した、特許文献１や特許文献２に開示されているように、これら硬質粒子は、従来より提案されているとおり、鋳造粉砕法、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法など、汎用の方法で製造される。一方、Ｎｉ、Ｃｏのようなレアメタルは原料コストが高く、価格変動も大きいため、価格や供給の安定化が本業界における課題のひとつであった。しかしながら、硬質粒子において、ＮｉやＣｏの添加量を下げると、硬質粒子のマトリックスがフェライト化することで、摩耗量が増加してしまう課題があった。

上述した問題を解消するために、発明者らは、Ｃｏ、Ｍｏを過度に添加することなく、十分な耐摩耗性を有する硬質粉末について鋭意検討した結果、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃでこれらを置換することで十分な性能を得られることを見出し、本発明に至った。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：２．５〜６％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１０％以下、Ｍｏ：２０％未満、Ｃｒ：１０〜３０％、Ｎｉ：３〜３０％、Ｗ＋Ｖ＋Ｎｂ：５％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＦｅ基焼結用硬質粉末。

（２）前記（１）に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体。
（３）前記（１）に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末を１〜５０質量％と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体にある。

上述したように、本発明により、内燃機関のバルブシートに用いられる、従来材の耐摩耗性と加工性を維持しつつ経済性に優れるＦｅ基焼結用硬質粉末および耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体を提供できる。

図１は、バルブシート耐摩耗試験機の概略を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明における最大の特徴は、主にＣｒ炭化物を析出させる事で相手材であるバルブとの凝着摩耗を防ぐ一方で、硬質粉末マトリックスを形成するＦｅ、Ｎｉ、Ｃによってオーステナイト相を安定化することで、高温領域での耐摩耗性を確保している点であり、また、Ｃｏ、Ｍｏの様な高コストな元素の量を低減することで、高い経済性を実現している点である。

また、本発明における硬質粉末は、必要に応じＷ、Ｖ、Ｎｂを１種または２種以上添加することができる。製法としては一般的な、鋳造粉砕法、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法といった従来の方法が適用できる。なお、本発明における硬質粉末は、従来から提案されているように、Ｆｅ系粉末や、必要に応じて、黒鉛粉末、その他の純金属あるいは合金粉末といった、各種粉末と混合、焼結することで、バルブシートとして使用できる。また、硬質粉末の添加量としては、１〜５０％とする。好ましくは、５〜４０％とする。

以下、本発明に係る硬質粉末の限定理由を説明する。
Ｃ：２．５〜６％
本発明合金においてＣは、硬質粉末中にＣｒ系炭化物を生成し凝着摩耗を防止するため、またＮｉと共にマトリックスをオーステナイト化するための必須元素である。しかしながら、６％を超えて添加すると融点が下がり焼結時に溶けが発生する。２．５％未満の添加では焼結性が悪化するため、基地との密着性が悪化し、耐摩耗性が著しく悪化する。

Ｓｉ：１％以下
本発明合金においてＳｉは耐熱性向上の効果を有する元素であり、必要に応じて添加することが出来る。しかしながら、１％を超えて添加すると脆性が高くなり、耐摩耗性が悪化する。

Ｍｎ：１０％以下
本発明合金においてＭｎは焼結時に硬質粉末と基地の密着性を改善する効果を有する元素であり、必要に応じて添加することができるが、１０％を超えて添加すると、基地への拡散が大きくなり過ぎて硬質粉末の形状を保てず、かえって密着性が低下し、加工性が悪化する。

Ｍｏ：２０％未満
本発明においてＭｏは必須元素ではないが、酸化被膜を形成しやすくする元素であり、添加することで耐摩耗性が向上するため、必要に応じて２０％未満まで添加する事ができる。ただし高価な元素であるため、添加量とともにコストも増大する。好ましくは１〜１５％、より好ましくは２〜１２％である。

Ｃｒ：１０〜３０％
本発明合金においてＣｒはＣと共に硬質粉末中にＣｒ系炭化物を生成し耐摩耗性を改善するための必須元素である。１０％未満では炭化物量が少なく耐摩耗性が十分でなく、３０％を超えて添加すると炭化物量が増え、硬質粉末の硬度が上がり、加工性が悪化する。

Ｎｉ：３〜３０％
本発明合金において、ＮｉはＣと共に硬質粉末のマトリックスのオーステナイト相を安定化するのに必要な元素である。３％未満であると充分でなく焼結時に溶けが発生し、３０％を超えると延性が高くなり加工性が著しく悪化する。

Ｗ＋Ｖ＋Ｎｂ：５％以下
本発明合金においてＷ、Ｖ、Ｎｂは硬質な炭化物を形成する元素であり、必要に応じて１種または２種以上を添加することができる。しかしながら、その合計量が５％を超えて添加すると炭化物がＣを多く消費し、結果としてＣｒ系炭化物の生成を阻害する。したがって、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの合計量は、好ましくは０．１％を超え３％未満、より好ましくは０．５％を超え２％未満である。

硬質粉末の添加量：１〜５０％
硬質粉末は基本的に添加量が増加する程、耐摩耗性は向上する。１％未満では添加の効果が小さく、５０％を超えて添加すると金型に充填し加圧成形した際、形状が安定しない。

また、本発明の硬質粉末におけるＦｅは残部であり特に規定はないが、本発明の硬質粉末において最も添加量の多いＣｒと比較し、低コスト、低融点である。したがって、原料コストと製造時の溶解性を考慮すると、３５％を超え６０％未満が好ましく、４５％を超え５５％未満がより好ましい。さらに、Ｃｏについては本発明において特に規定はないが、コストアップとなるため、特性に影響のない５％未満とすることが好ましく、より好ましくは無添加である。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（硬質粉末の作製）
表１、２に示す成分組成となるよう秤量した原料を用い、ガスアトマイズ法により硬質粉末を作製し、これを２１０μｍ以下に分級し、硬質粉末として用いた。

（焼結体の作製）
上記表１、２で示される条件で、硬質粉末とＣ粉末（黒鉛）とＦｅ粉末を混合したのち、その混合粉を金型に充填して加圧成形したのち、焼結を行って試験片を作製した。

（耐摩耗性の評価）
図１のバルブシート耐摩耗試験機を用い焼結合金の耐摩耗性を評価した。この試験機ではプロパンガスバーナー１を加熱源として用い、前記の様に作製した焼結合金からなる試験片であるリング形状のバルブシート２と、バルブ３のバルブフェース４との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブフェース４はＳＵＨ３５材である。バルブシートフェース５の温度を３００℃に制御し、スプリング６によりバルブシートフェース５とバルブフェース４との接触時に２４５Ｎの荷重を付与して３２５０回／分の割合で接触させ、８時間の摩耗試験を行った。試験結果は表１、２に示す。

（加工性の評価）
作製した焼結体の加工性を評価するためＮＣ旋盤を用い、下記条件で被削性試験を実施し刃具摩耗量を測定した。試験結果は表１、２に示す。
方向 ：トラバース
試験片形状：外径３０ｍｍ、内径２２ｍｍ、全長９ｍｍ
回転数 ：９７０ｒｐｍ
送り速度 ：０．０８ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量 ：０．３ｍｍ
切削距離 ：３２０ｍ
刃具 ：窒化チタンアルミをコーティングした超硬

表１は、種々の成分からなる硬質粉末の添加量を１５％で一定とし、硬質粉末組成による影響を評価し、特性に優れる硬質粉末組成範囲を明らかにしたものである。さらに、表２は、本請求項１内と外の成分を有する硬質粉末の添加量を変化させて評価し、本請求項１内の硬質粉末が優れた特性を示す添加量範囲を明らかにしたものである。表１に示すＮｏ．１〜２０および表２に示すＮｏ．３１〜３５は本発明例であり、表１に示すＮｏ．２１〜３０および表２に示すＮｏ．３６、３７〜４２は比較例である。

表１に示すように、比較例Ｎｏ．２１は硬質粉末の成分組成であるＣ，Ｃｒ含有量が低いために、耐摩耗性および加工性が劣る。また、Ｍｏ，Ｃｏの含有量が高いためにコストが高くなる。比較例Ｎｏ．２２は硬質粉末の成分組成であるＣ，Ｃｒの値が高いために、Ｃｒ炭化物が多く析出して硬度が高くなるため加工性が悪化する。比較例Ｎｏ．２３は硬質粉末の成分組成であるＣｒ含有量が低いために、耐摩耗性が劣る。

比較例Ｎｏ．２４は硬質粉末の成分組成であるＣ含有量が低いために、基地との密着性が悪化し、加工性が悪化する。比較例Ｎｏ．２５は硬質粉末の成分組成であるＣの含有量が高いために、融点が下がり焼結時に溶けが発生する。比較例Ｎｏ．２６は硬質粉末の成分組成であるＮｉが含有しないため、Ｎｏ．２５と同様に、焼結時に溶けが発生する。比較例Ｎｏ．２７は硬質粉末の成分組成であるＮｉの含有量が高いために、延性が高くなり加工性が悪化する。

比較例Ｎｏ．２８は硬質粉末の成分組成であるＳｉ含有量が高いために、脆性が高くなり耐摩耗性および加工性が悪い。比較例Ｎｏ．２９は硬質粉末の成分組成であるＭｎの含有量が高いために、基地への拡散が大きくなり過ぎて硬質粉末の形状を保てず、密着性が低下し、加工性が悪化する。比較例Ｎｏ．３０はＷ＋Ｖ＋Ｎｂの値が高いために、Ｃｒ系炭化物の生成を阻害し、加工性を悪化させる。これに対し、実施例Ｎｏ．１〜２０はいずれも本発明の条件を満足する硬質粉末であることから、耐摩耗性および加工性に優れていることが分かる。

次に、表２より、比較例Ｎｏ．３７〜４１は、硬質粉末の混合量を１、５、３０、４０、５０％と変化させたものである。これに対し、本発明例Ｎｏ．３１〜３５に係る硬質粉末の混合量を１、５、３０、４０、５０と同一硬質粉末の混合量に変化させたものと比較してみると、比較例は、本発明の条件を満たしている本発明例よりも、摩耗量比、刃具摩耗比が大きく悪化していることが分かる。更に、硬質粉末の混合量が６０％の場合である、比較例３６，４２は、硬質粉末の組成に関わらず加工成形後の形状が不安定となり試験が不可能であることが分かる。

以上述べたように、本発明の特徴は、主にＣｒ炭化物を析出させる事で相手材であるバルブとの凝着摩耗を防ぐ一方で、硬質粉末マトリックスを形成するＦｅ、Ｎｉ、Ｃによってオーステナイト相を安定化することで、高温領域での耐摩耗性を確保し、かつＣｏ、Ｍｏの様な高コストな元素の量を低減することで高い経済性を実現することを可能とした。

１ プロパンガスバーナー
２ バルブシート
３ バルブ
４ バルブフェース
５ バルブシートフェース
６ スプリング


出願人 山陽特殊製鋼株式会社 他１
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ：２．５〜６％、
   Ｓｉ：１％以下、
   Ｍｎ：１０％以下、
   Ｍｏ：２０％未満、
   Ｃｒ：１０〜３０％、
   Ｎｉ：３〜３０％、
   Ｗ＋Ｖ＋Ｎｂ：５％以下、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＦｅ基焼結用硬質粉末。
2. 請求項１に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体。
3. 請求項１に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末を１〜５０質量％と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体。

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