JP2017115197A - 耐摩耗性鉄基合金の製造方法およびバルブシートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 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、耐摩耗性に優れた鉄基合金の製造方法およびバルブシートの製造方法を提供する。【解決手段】 硬質粉末全体を１００として、Ｍｏ：２０〜３５質量％、Ｃｒ：３〜１５質量％、Ｍｎ：３〜１５質量％、Ｃ：１．０質量％未満、残部が不可避的不純物とＦｅからなるＦｅ基合金からなる硬質粉末と黒鉛粉末と鉄系粉末を混合する工程と、前記混合粉末を金型で成形し成形体を得る工程と、前記成形体中の硬質粒子に、前記焼結体中の黒鉛粒子を拡散させながら焼結し、その焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量を硬質粉末全体を１００として、１．５〜２．３質量％とする焼結工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性鉄基合金の製造方法およびバルブシートの製造方法。【選択図】 なし

Description

本発明は、内燃機関のバルブシートに用いられる、耐摩耗性に優れた鉄基合金の製造方法およびバルブシートの製造方法に関する。

従来から、耐摩耗性に優れる焼結バルブシートとして、硬質粒子が添加された鉄基焼結合金が用いられてきた。例えば、特開２０１４−０９８１８９（特許文献１）には、Ｍｏ：２０〜６０質量％、Ｍｎ：３〜１５質量％、残部が不可避的不純物とＦｅとからなる硬質粒子に、黒鉛粉末のＣを焼結合金配合用硬質粒子に拡散させながら焼結する耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法が提案されている。この特許文献１に記載されているとおり、焼結合金中の硬質粒子の硬さを高めるために、Ｃ固溶量を高めることが望ましいと考えられてきた。

特開２０１４−０９８１８９

しかしながら、発明者らは、特許文献１のように焼結の際に黒鉛粉末のＣを硬質粒子に拡散させ、硬質粒子の硬さを更に高める検討として、黒鉛粒子の添加量増大や焼結温度の増加の実験を行ったところ、焼結合金中の硬質粒子の一部に溶融が発生し、その部位が空孔になってしまう知見を得た。このような内部空孔は、バルブシートとして、エンジンの燃焼室の機密性を低下させるなど問題となる。

そこで、溶融の発生した焼結合金について詳細に内質調査を実施した結果、焼結の際に拡散してくるＣ量が所定の量を超えると硬質粒子に溶融が発生することを見出すとともに、その溶融は、硬質粒子にＣｒを添加することで緩和されることを明らかにし、本発明に至った。

その発明の要旨とするところは、
（１）硬質粉末全体を１００として、Ｍｏ：２０〜３５質量％、Ｃｒ：３〜１５質量％、Ｍｎ：３〜１５質量％、Ｃ：１．０質量％未満、残部は不可避的不純物とＦｅからなるＦｅ基合金からなる硬質粉末と黒鉛粉末と鉄系粉末を混合する工程と、前記混合粉末を金型で成形し成形体を得る工程と、前記成形体中の硬質粒子に、前記焼結体中の黒鉛粒子を拡散させながら焼結し、その焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量を硬質粉末全体を１００として、１．５〜２．３質量％とする焼結工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性鉄基合金の製造方法。

（２）前記（１）に記載された耐摩耗性鉄基合金の製造方法によって得られた焼結体をバルブシートに用いることを特徴とする耐摩耗性鉄基合金からなるバルブシートの製造方法にある。

以上述べたように、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、耐摩耗性に優れた鉄基合金の製造方法からなるバルブシートの製造方法を提供できる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明では、焼結の際に拡散してくるＣ量の上限を規定し、硬質粒子に所定量のＣｒを添加することにより、硬質粒子の溶融を防止し、高い硬さを有する硬質粒子を含有する焼結合金を可能としたことである。このように、焼結の際に拡散してくるＣ量と硬質粒子に添加するＣｒによって、焼結時の硬質粒子の溶融が抑制できる理由については、下記のように推測される。

焼結によって製造されたバルブシートに用いる鉄基耐摩耗性合金の中で、硬質粒子内のＣ量について系統的に検討された例はこれまでに見られなかった。詳細は実施例にて後述するが、焼結の際に拡散してくるＣ量は、条件によって２質量％以上にも達することが本発明において明らかとなった。ここで、本発明における硬質粉末は残部Ｆｅおよび不可避的不純物であるように、鉄合金である。したがって、ここに２質量％以上ものＣが拡散してきた場合、Ｆｅ−Ｃ系における共晶組成（Ｆｅ−２．１質量％Ｃ）程度になり、共晶温度は１１５３℃である。

また、特許文献１にも記載されているように、焼結温度としては１１００〜１１５０℃程度であるため、他の添加元素により変化するものの、硬質粒子の溶融は、Ｃの過度な拡散による共晶反応が原因と推定された。したがって、拡散してくるＣ量の上限を規定することにより硬質粒子の溶融が防止できると考えられる。また、硬質粒子へのＣｒ添加は、共晶温度を上昇させる効果があるものと推察される。

一方、焼結の際に拡散してくるＣではなく、焼結前の硬質粒子中のＣ量については、所定の範囲内においては硬質粒子の溶融に大きな影響を及ぼさない結果となった。この理由について詳細は不明だが、Ｃは硬質粒子のマトリックスに固溶したり、Ｍｏ系炭化物を生成したり、Ｃｒ系炭化物を形成するなど、様々な形態をとると予想されるが、もともと硬質粒子に添加されていたＣと、焼結時に拡散してきたＣでは、形態などが異なることが一因として考えられる。

さらに、焼結の際に拡散してくるＣ量が高すぎると、従来の予想に反し、硬質粒子の硬さが低下してしまうことも見出した。詳細は不明であるが、焼結体中の硬質粒子内のＭｏの多くは拡散してきたＣと反応しＭｏ系炭化物を多く生成していると考えられるが、一部は硬質粒子のマトリックスにも固溶していると考えられ、過度にＣが硬質粒子に拡散してくることで、マトリックスに固溶していたＭｏが炭化物に奪われ、マトリックスの固溶強化作用が減少することに起因することが推測される。

なお、焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量は、硬質粉末の組成および量、混合する黒鉛粉末の量、焼結温度により適宜変化させることが可能である。ここで、焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量は、焼結合金中の硬質粒子のＥＰＭＡによるＣ分析値から、焼結前の硬質粉末中のＣ量を差し引いた量とする。

以下、本発明に係る硬質粉末の成分組成を規制した理由を述べる。
Ｍｏ：２０〜３５％
本発明合金における硬質粒子に添加されるＭｏは、主にＭｏ炭化物を形成し、硬質粒子硬さを高めるとともに、Ｍｏ酸化被膜を形成し固体潤滑剤となることで、耐摩耗性を改善する必須元素である。添加量が２０％未満では耐摩耗性改善の効果が十分ではなく、３５％を超えると硬質粒子の溶融を促進してしまう。好ましくは２５〜３２％、より好ましくは２８〜３０％である。

Ｃｒ：３〜１５％
本発明合金において硬質粒子に添加されるＣｒは、主にＣｒ炭化物を形成し、硬質粒子硬さを高め耐摩耗性を改善するとともに、焼結による硬質粒子の溶融を抑制するための必須元素である。３％未満では溶融防止の効果が十分ではなく、１５％を超えると硬質粒子が過度に硬くなり、相手攻撃性を高めてしまう。好ましくは３〜１０％、より好ましくは５〜８％である。

Ｍｎ：３〜１５％
本発明合金において硬質粒子に添加されるＭｎは、焼結の際に硬質粒子から基地に拡散しやすく、基地と硬質粒子界面の焼結強度を改善するための必須元素である。３％未満では焼結強度改善の効果が十分ではなく、１５％を超えると焼結合金の密度が低下する。好ましくは４〜１２％、より好ましくは５〜１０％である。

Ｃ：１．０％未満
本発明合金において硬質粒子に添加されるＣは、硬質粒子の硬さを増加させる元素であり、必要に応じて適宜添加することが可能である。１．０％以上添加すると焼結前の硬質粒子が硬くなりすぎ、圧粉成形時の密度が低下してしまう。好ましくは０．０１〜０．８０％、より好ましくは０．０２〜０．５０％である。

焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量：１．５〜２．３％
本発明合金において、焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量は、硬質粒子の硬さと溶融挙動を決めるための必須の制御因子である。しかし、１．５％未満では硬質粒子の硬さが不十分であり、２．３％を超えると硬質粒子に溶融が発生してしまうとともに、硬質粒子の硬さも低下してしまう。好ましくは１．７〜２．１％、より好ましくは１．８〜２．０％である。

なお、硬質粉末、黒鉛粉末および鉄系粉末からなる混合粉末の合計量に対して、硬質粉末を１０〜６０％含有することが好ましく、１０〜２５％含有することがより好ましい。黒鉛粉末を０．５０〜１．１０％含有することが好ましく、０．９０〜１．０５％とすることがより好ましい。ここで言う鉄系粉末とは、鉄基焼結合金のマトリックスとなるものであり、純鉄粉や低合金鋼粉末を使用することができる。また、硬質粒子の平均粒径は２０〜２５０μｍであることが好ましい。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
硬質粒子の作製については、表１に示す成分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粉末を作製し、これを４４〜１８０μｍに分級し硬質粉末として用いた。

また、焼結体の作製については、表１で示される条件で混合したのち、その混合粉を金型に充填し、面圧７８４ＭＰａで加圧成形したのち、その成形体を窒素雰囲気において１１４０℃で焼結し、試験片を作製した。黒鉛粉末は（日本黒鉛工業製：ＣＰＢ−Ｓ）、鉄系粉末は還元鉄粉（ヘガネスジャパン製：型番ＳＣ１００．２６）を使用した。

焼結体中の硬質粒子硬さの評価については、焼結した試験片を樹脂埋め研磨し、硬質粒子の硬さをビッカース硬さ計で測定した。ｎ数５で測定し、平均値で評価した。また、焼結体中の硬質粒子の溶融評価については、硬さ測定と同様の埋め込み研磨試料を、光学顕微鏡で観察し、硬質粒子の溶融有無を確認した。さらに、焼結体中の硬質粒子のＣ量については、硬さ測定と同様の埋め込み研磨試料を用い、ＥＰＭＡにより硬質粒子中のＣ量を測定した。

表１に示すＮｏ．１〜５は本発明例であり、Ｎｏ．６〜９は比較例である。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜５は本発明例であり、Ｎｏ．６〜９は比較例である。比較例Ｎｏ．６〜９は、いずれも焼結の際に硬質粒子に拡散してきたＣ量が高いために、焼結体内の硬質粒子が多数溶融し、かつ、焼結体内硬質粒子の硬さも低い値となっている。これに対して、本発明例Ｎｏ．１〜５は、いずれも本発明に条件を満たしており、硬質粒子の溶融も無いもしくは少量に納まっている。

以上のように、本発明は、焼結の際に拡散してくるＣ量の上限を規定し、かつ硬質粒子に所定量のＣｒを添加することにより、硬質粒子の溶融を防止し、高い硬さを有する硬質粒子を含有する焼結合金の製造を可能としたことである。これにより、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、耐摩耗性に優れた鉄基合金の製造方法にある。


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社 他２
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (2)

1. 硬質粉末全体を１００として、Ｍｏ：２０〜３５質量％、Ｃｒ：３〜１５質量％、Ｍｎ：３〜１５質量％、Ｃ：１．０質量％未満、残部は不可避的不純物とＦｅからなるＦｅ基合金からなる硬質粉末と黒鉛粉末と鉄系粉末を混合する工程と、前記混合粉末を金型で成形し成形体を得る工程と、前記成形体中の硬質粒子に、前記焼結体中の黒鉛粒子を拡散させながら焼結し、その焼結の際に硬質粒子に拡散してくるＣ量を硬質粉末全体を１００として、１．５〜２．３質量％とする焼結工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性鉄基合金の製造方法。
2. 請求項１に記載された耐摩耗性鉄基合金の製造方法によって得られた焼結体をバルブシートに用いることを特徴とする耐摩耗性鉄基合金からなるバルブシートの製造方法。