JP2020037732A - 高温耐摩耗用鐵系焼結合金及びこれを利用したバルブシートの製造方法 - Google Patents

高温耐摩耗用鐵系焼結合金及びこれを利用したバルブシートの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】自動車を含む内燃機関のバルブシートの寿命を延長可能な高温耐摩耗用鐵系焼結合金、及びこれを利用したバブルシートの製造方法の提供。【解決手段】鐵系焼結合金であって、鉄粉末１００重量部に対して、コバルト粉末１０.０〜１４.０重量部、モリブデン粉末５.０〜９.０重量部、クロム粉末１.５〜４.１重量部、カーボン粉末０.７〜１.３重量部、マンガン粉末１.０〜１.８重量部、珪素粉末０.４〜１.２重量部、硫黄粉末０.２〜０.８重量部、バナジウム粉末０.１〜０.７重量部を含み、これをバルブシートの組成物として用い、コバルトやモリブデンやクロムと強度増大成分を添加して複合炭化物を形成することによって、バルブシートの鉄マトリックス中の析出粒子及び固溶量が増大する。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関用バルブシートに適用される高温耐摩耗用鐵系焼結合金に関するものであって、特に、前記鐵系焼結合金の組成物を変更して、耐摩耗性は勿論耐熱性を極大化させるようにする高温耐摩耗用鐵系焼結合金及びこれを利用したバルブシートの製造方法に関する。
一般には、内燃機関用バルブシートは吸気弁及び排気弁の開閉過程で 吸/排気弁の気密性を維持するリング形状の焼結体であって、図１のように前記バルブシート１８はシリンダーヘッド２４にインサート式で挿入された状態で、前記吸気弁及び排気弁のヘッド部に接触してシーリング機能を遂行する。
前記バルブシート１８は、前記排気弁が閉じている過程では吸排気弁と接触し、前記排気弁が開放される過程では排気ガスの漏出を防止する機能を遂行するので、前記バルブシート１８を焼結することにおいて、前記吸排気弁との持続的な摩擦及び前記排気ガスとの持続的な化学反応に耐えることができる程度の耐摩耗性や耐熱性のような物理的な条件が要求される。
したがって、前記バルブシートの耐摩耗性及び耐熱性を向上させる多くの研究が行っており、その一例として鉄マトリックスにコバルト系やクロム系炭化物を分散させる方法やまたはフェロークロム系（Ｆｅ−Ｃｒ）やフェローモリブデン系（Ｆｅ−Ｍｏ）の金属間化合物形態の硬質粒子を分散させる方法が知られている。
その他、前記バルブシートの耐摩耗性及び耐熱性を向上させる他の例として、前記鉄マトリックスに耐摩耗性や耐熱性は優秀な様々な種類の合金を添加する粉末冶金法を利用した溶浸法や硬質粒子を添加する添加法や基地合金の制御による製造法、焼結段造法が知られている。
しかし、前記内燃機関は、液体燃料はもちろん気体燃料を燃焼する方式を適用しており、前記液体及び気体燃料によってもっと多様な形態の燃焼生成物が形成されるので、前記液体及び気体燃料の燃焼生成物に耐えることができる耐摩耗性や耐熱性のような物理的条件をもっと強化させる必要がある。
韓国公開特許第１０−２００４-００２５００３号公報 韓国公開特許第１０−２０１２-０１２５８１７号公報 韓国登録特許第１０−０４６１３０４号公報
よって、本発明は 前記した問題点を解消するためのものであって、前記鐵系焼結合金の組成物を変更して耐摩耗性はもちろん耐熱性を極大化して、バルブシートの寿命を延長させるようにした高温耐摩耗用鐵系焼結合金及びこれを利用したバルブシートの製造方法を提供することにその目的がある。
前記目的を達するための組成物は、鉄粉末１００重量部に対して、コバルト粉末１０.０〜１４.０重量部、モリブデン粉末５.０〜９.０重量部、クロム粉末１.５〜４.１重量部、カーボン粉末０.７〜１.３重量部、マンガン粉末１.０〜１.８重量部、珪素粉末０.４〜１.２重量部、硫黄粉末０.２〜０.８重量部、バナジウム粉末０.１〜０.７重量部を含む焼結合金物である。
前記目的を達するための製造方法は、前記焼結合金物を均一に混合する混合段階、前記混合段階で形成された混合物をセッティング圧力で加圧する加圧段階、前記加圧段階で形成された成形体を溶浸材とともに焼結して前記成形体に 銅を溶浸する焼結段階、前記焼結段階で形成された焼結体を低温処理して残留する オーステナイトをマルテンサイトに変化させる低温処理段階、及び前記低温処理段階で形成された低温処理体をテンパーリングして残留する応力を除去する熱処理段階を含む。
以下のように本発明は少なくとも次の４つの効果を含む。
まず、前記バルブシートの組成物にコバルトやモリブデンやクロムと強度増大成分を添加して複合炭化物を形成することによって、前記バルブシートの鉄マトリックスに析出粒子及び固溶量が増大されて前記バルブシートの寿命が延長される。
次に、前記バルブシートの組成物に珪素やバナジウムを添加して前記鉄マトリックスに微細球形粒子を分散させることによって、前記バルブシートの磨耗過程で炭化物粒子の脱落が少なくなり、磨耗量が減少されて寿命が延長される。
そして、前記バルブシート組成物にマンガンと硫黄などを添加して自己潤滑性を向上することによって、前記バルブシートの機械加工性が向上されることはもちろん、前記吸/排気弁と摩擦過程で磨耗が最小化されて寿命がもっと延長される。
最後に、前記バルブシートの組成物に銅粉末を溶浸しながら焼結処理することによって、従来の前記バルブシートに比べて耐摩耗性及び耐熱性が向上されて、前記液体燃料はもちろん気体燃料を用いるすべての内燃機関に適用することができる。
従来技術によるバルブシートの設置状態を示す図面である。 本発明による実施形態１の光学顕微鏡写真である（倍率５００倍）。 本発明による実施形態２の光学顕微鏡写真である（倍率５００倍）。 本発明による実施形態３の光学顕微鏡写真である（倍率５００倍）。
以下、本発明による組成物を説明する。図２ないし図４のように、本発明による前記鐵系焼結合金は前記内燃機関に適用される焼結合金であって、特に、前記吸気弁及び前記排気弁の開閉過程で前記吸/排気弁の気密性を維持することはもちろん、前記燃焼生成物との接触過程での損傷を最小化するバルブシートに適用される。
この時、本願では前記高温耐摩耗性鐵系焼結合金が前記バルブシートに適用されることに限定して説明したが、その他にもシリンダーライナーやバルブガイドなどに適用しても本願の技術範囲に含まることが当然である。
本発明による鐵系焼結合金組成物は、前記鉄粉末を主成分とする焼結合金物及び前記焼結合金物に溶浸される溶浸材を含み、前記焼結合金物は鉄粉末１００重量部に対して、コバルト粉末１０.０〜１４.０重量部、モリブデン粉末５.０〜９. ０重量部、クロム粉末１.５〜４.１重量部、カーボン粉末０.７〜１.３重量部、マンガン粉末１.０〜１.８重量部、珪素粉末０.４〜１.２重量部、黄粉末０.２〜０.８重量部、バナジウム粉末０.１〜０.７重量部を含み、前記溶浸材は前記鉄粉末１００重量部に対して１０.０〜２０.０重量部の銅粉末を意味する。
この時、前記焼結合金物に前記溶浸材を溶浸することによって、前記鐵系焼結合金組成物はマルテンサイトマトリックスにコバルト系硬質粒子状やモリブデン系硬質粒子状やクロム系硬質粒子状のような複合炭化物が均一に分散され、特に、前記マンガンと硫黄または前記マンガンと炭素の金属間化合物が潤滑剤の役割を遂行し、前記珪素や前記バナジウムにより粒子が微細化される。
すなわち、前記焼結合金物に前記溶浸材を溶浸して前記バルブシートに製造した理由は、前記吸排気弁と接触する接触部分の高温耐熱性や高温耐摩耗性や耐食性をもっと増大するためのものである。
前記鐵系焼結合金組成物（以下、組成物という）に製造されたバルブシートは、最終製品の硬度（ＨＲＡ）が少なくとも７１〜８１を有し、前記最終製品の密度（ｇ／ｃｍ３）が少なくとも７.４〜８.１を維持する高強度の材質である。
一方、前記コバルト（Ｃｏ）は鉄やモリブデンや炭素と反応して複合炭化物を析出することによって前記マトリックス中に均一に分散されて耐摩耗性に寄与し、前記コバルトの一部は前記マトリックスに固溶されて耐熱性を増大し、前記コバルトの含量が１０.０重量部未満の場合、析出粒子及びマトリックスの固溶量が少なくて耐摩耗性及び耐熱性が低下され、前記コバルトの含量が１４.０重量部を超過する場合には析出粒子の過多によりマトリックス金属が弱くなって機械加工性が低下される。
また、前記モリブデン（Ｍｏ）は前記マトリックス中に固溶されるか、複合炭化物状態の金属間化合物を形成して耐摩耗性及び耐熱性を向上し、前記モリブデンの含量が５.０重量部未満の場合マトリックスの固溶量及び金属間化合物が少なくて耐摩耗性及び耐熱性が低下され、前記モリブデンの含量が９.０重量部を超過する場合にはマトリックス金属の固溶量が過多してマトリックス金属の脆弱要因となる。
また、前記クロム（Ｃｒ）は前記マトリックス内で前記炭素と反応することによって、複合炭化物を形成して耐摩耗性を向上することはもちろん、前記マトリックスに固溶されて耐熱性を向上する成分として、その含量は１.５重量部ないし４.１重量部が望ましい。
前記クロムの含量が１.５重量部未満の場合、複合炭化物の量が少なくて耐摩耗性及び耐熱性が低下され、前記クロムの含量が４.１重量部を超過する場合にはマトリックス金属の固溶量が過多して製品が弱くなる。
また、前記炭素（Ｃ）は、前記マトリックスに固溶または拡散されてマトリックスを強化させることはもちろん、前記コバルトやクロムやモリブデンと反応することによって複合炭化物を形成する成分であって、前記マトリックスの強度及び硬度の増大する機能を遂行することはもちろん、耐摩耗性や耐熱性を増大する機能を遂行する。
前記炭素の含量が０.７重量部未満である場合には、マトリックス金属にパーライトとともにフェライトが過多に形成されるので、マトリックスが軟化して、強度と耐摩耗性が低下され、前記炭素の含量が１.３重量部を超過する場合にはパーライト形成に所要されて残る残留炭素がセメンタイトを形成してマトリックス金属を弱くするようにする。
また、前記マンガン（Ｍｎ）は、前記鉄マトリックス内に存在する硫黄（Ｓ）と反応してMnSを形成することによって自己潤滑性を向上する成分であって、前記マンガンの含量が１.０重量部 未満であると、前記MnSを形成して自己潤滑性の機能が低下され、前記マンガンの含量が１.８重量部を超過すると、前記ＭｎＳの形成以外に偏析の恐れがある。
また、前記珪素（Ｓｉ）は前記鉄マトリックスの結晶粒調節して微細化することはもちろん、耐食性や耐熱性を向上するための目的で添加される成分であって、前記珪素の含量は０.４ないし１.２重量部が望ましい。
また、前記硫黄（Ｓ）は前記鉄マトリックスに添加されて、前記マトリックスの粒界にＭｎＳ形態で分散される成分であって、前記MnSは高温で化合物に分解されなく安定化状態を維持するので、焼結工程を完了した後、焼結体の粒界に残留し、前記最終製品を加工する過程で摩擦係数を低下して被削性を増大させ、特に、前記黄の含量は０.２〜０.８重量部が望ましい。
前記マンガンと前記硫黄を大略６:４の比率で混合して前記ＭｎＳを形成することによる効率を増大することが望ましい。
前記MnSの含量（Ｍｎ＋Ｓ）が１.２５重量部未満であれば、前記焼結体のマトリックス内に残留する役割が弱く、前記ＭｎＳの含量（Ｍｎ＋Ｓ）が２.６重量部を超過すると、マトリックスの強度が弱くなってバルブシートの損傷原因となる。
また、前記バナジウム（Ｖ）は、前記鉄マトリックスの結晶粒調節を調節して 微細化することはもちろん、耐熱性を向上するための目的に添加される成分であって、前記バナジウムの含量は０.１〜０.７重量部が望ましく、前記バナジウムが規定値を超過する場合、前記結晶粒が粗大化されて前記バルブシート最終製品の破壊原因となる。
以下、本発明による製造方法を説明する。まず、本発明は前記組成物を混合して混合物を製造する混合段階を含んで加圧する加圧段階と焼結する焼結段階と残留するオーステナイトをマルテンサイトに変化させる低温処理段階と残留する応力を除去する熱処理段階でなる。
また、前記混合段階は前記混合機内に前記鉄合金粉末を含んで高速度工具鋼粉末と超合金粉末と硫化マンガン粉末とカーボン粉末などを規定量に合わせて均一に混合する段階である。
また、前記加圧段階は前記混合段階で形成された混合物を圧縮して前記バルブシートに適合した密度に成形する段階であって、前記混合物を面圧６〜１０t／ｃｍ２に加圧して緻密性を向上する段階を意味する。
また、前記焼結段階は前記加圧段階で成形された成形体を１１２０±２０℃の温度範囲で３０±１０分間焼結して焼結体を形成する段階を意味し、前記焼結体に前記銅粉末１０.０〜２０.０重量部を溶浸する段階を含む。
前記焼結段階での焼結温度が１１００℃未満では粉末粒子の拡散が円滑しなくてマトリックス組織が弱化され、前記焼結温度が１１４０℃を超過すると結晶粒が粗大化されて機械的性質が低下される。
前記焼結段階で前記銅粉末１０.０〜２０.０重量部を添加した状態で焼結して前記マトリックス組織の気孔に銅粒子を溶浸することによって、前記マトリックスの強度補強はもちろん、潤滑性を増大するようになる。
また、前記低温処理段階は前記焼結段階で形成された焼結体を−１２０±１０℃の温度範囲に２０±５分間冷却して、残留するオーステナイトをマルテンサイトに変化させる段階であって、前記組成物の時効変形防止と機械的性質改善と組織安定化を誘導する。
また、前記熱処理段階は前記低温処理段階で形成された低温処理体をテンパーリングして、残留する応力を除去する段階であって、６００±２０℃の温度範囲に１２０±１０分間加熱することによって前記マトリックス組織に靭性を与える段階である。
また、前記熱処理段階の後加工段階として前記最終製品のばり（ｂｕｒｒ）のような異物を除去するとか、鍛造や研磨のような機械加工工程を経て完成品を得る段階を含むことができるが、これに関する説明は省略する。
前記した段階を経た前記バルブシートの完成品は硬度（ＨＲＡ）が大略７１〜８１程度あり、密度（ｇ／ｃｍ３）は７.４〜８.１程度であって、前記液体燃料及び個体燃料の使用に適合な硬度及び密度を提供することが分かる。
以下、本発明による実施形態を説明する。
まず、表１の実施形態１ないし３の組成比を有する組成物を混合機で混合して混合物を製造した後、前記混合物を１０ｔ／ｃｍ２の面圧に加圧し、前記熱処理炉で１１２０℃から３０分間焼結及び溶浸した。
その次、前記焼結段階で焼結及び銅溶浸を経た焼結体を−１２０℃の温度範囲で２０分間急冷して低温処理体を製造した後、前記低温処理体を６００℃の温度範囲で１２０分間加熱してテンパーリングした。
続いて、前記熱処理段階を経た熱処理体を引き出した後、見本１ないし３を各々製造した後、磨耗試験機（Ｒｉｇ Ｔｅｓｔｅｒ、窒素雰囲気;０.２ｍｍ Ｏｆｆｓｅｔ;ＳＵＨ３５+Ｔｕｆｆ弁、回転数:３,５００ｒｐｍ、温度:３５０℃、時間:２時間）を利用して磨耗量を測定した。
その結果、実施形態１ないし実施形態３（見本１ないし見本３）の場合、前記弁とバルブシートの全体磨耗量が平均４８μmであって、前記バルブシートの素材として適合であることが分かった。
すなわち、図２ないし図４でのように、見本１ないし見本３は密度や硬度が似ている数値を表し、特に、前記マルテンサイトマトリックス組織内に硬質粒子及び加工性向上元素が均一に分布されていることを知ることができる。
特に、前記マトリックス組織内の気孔に前記銅合金が充填されることによって前記バルブシートの耐摩耗性及び耐熱性が増大することが知られた。
以上のように、本発明は前述した実施形態に限定されなく、請求範囲で請求される本発明の技術的思想に逸脱しなく、該当発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により自明な変形実施ができ、このような変形実施は本発明の範囲に属する。

Claims (7)

  1. 鉄粉末１００重量部に対して、コバルト粉末１０.０〜１４.０重量部、モリブデン粉末５.０〜９.０重量部、クロム粉末１.５〜４.１重量部、カーボン粉末０.７〜１.３重量部、マンガン粉末１.０〜１.８重量部、珪素粉末０.４〜１.２重量部、硫黄粉末０.２〜０.８重量部、バナジウム粉末０.１〜０.７重量部を含むことを特徴とする高温耐摩耗性鐵系焼結合金。
  2. 前記鐵系焼結合金の組成物に溶浸材として、前記鉄粉末１００重量部に対して１０.０〜２０.０重量部の銅粉末を添加することを特徴とする請求項１に記載の高温耐摩耗用鐵系焼結合金。
  3. 請求項１に記載された焼結合金を均一に混合する混合段階、
    前記混合段階で形成された混合物をセッティング圧力で加圧する加圧段階、
    前記加圧段階で形成された成形体を請求項２に記載された溶浸材とともに焼結して前記成形体に銅を溶浸する焼結段階、
    前記焼結段階で形成された焼結体を低温処理して、残留するオーステナイトをマルテンサイトに変化させる低温処理段階、及び、
    前記低温処理段階で形成された低温処理体をテンパーリングして、残留する応力を除去する熱処理段階、
    を含むことを特徴とする高温耐摩耗用鐵系焼結合金を利用したバルブシートの製造方法。
  4. 前記加圧段階は、前記バルブシートの組成物を６〜１０ｔ／ｃｍ２の面圧で加圧することを特徴とする請求項３に記載の高温耐摩耗用鐵系焼結合金を利用したバルブシートの製造方法。
  5. 前記熱処理段階を経た最終製品の硬度（ＨＲＡ）は７１〜８１であることを特徴とする請求項３に記載の高温耐摩耗用鐵系焼結合金を利用したバルブシートの製造方法。
  6. 前記熱処理段階を経た最終製品の密度は７.４〜８.１ｇ/ｃｍ３であることを特徴とする請求項３に記載の高温耐摩耗用鐵系焼結合金を利用したバルブシートの製造方法。
  7. 前記焼結段階は、前記成形体を１１２０±２０℃の温度範囲に３０±１０分間焼結及び銅溶浸し、
    前記低温処理段階は、前記焼結段階で形成された焼結体を−１２０±１０℃の温度範囲に２０±５分間冷却し、
    前記熱処理段階は、前記低温処理段階で形成された低温処理体を６００±２０℃の温度範囲に１２０±１０分間加熱することを特徴とする請求項３に記載の高温耐摩耗用鐵系焼結合金を利用したバルブシートの製造方法。
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