JP2571567B2 - 高温耐摩耗性鉄基焼結合金 - Google Patents

高温耐摩耗性鉄基焼結合金

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JP2571567B2 JP62035853A JP3585387A JP2571567B2 JP 2571567 B2 JP2571567 B2 JP 2571567B2 JP 62035853 A JP62035853 A JP 62035853A JP 3585387 A JP3585387 A JP 3585387A JP 2571567 B2 JP2571567 B2 JP 2571567B2
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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、高温耐摩耗性に優れていることが要求され
る部品の素材として好適に利用される鉄基焼結合金に関
するものであり、特に内燃機関のバルブシート用材料と
して最適な高温強度および自己潤滑性を有する高温耐摩
耗性鉄基焼結合金に関するものである。
(従来の技術) 従来用いられている内燃機関用バルブシート材料に
は、高温での耐摩耗性の必要上から、高合金粉末を用い
て成形・焼結した鉄基焼結合金が用いられつつあり、最
近の内燃機関の高温燃焼化,高回転化,高性能化に伴な
い、尚一層の高温耐摩耗性の向上が必要となっている。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、このような従来の高合金系のバルブシ
ート用鉄基焼結合金では、高温での耐摩耗性を得るため
に極度に耐摩耗性を向上させると、相手材に対する攻撃
性が増大してバルブフェースの摩耗を多くさせてしま
い、バルブ機構全体に思わしくない影響を与えることに
なるという問題点があった。
そこで、本発明者らは、前記事実に鑑み、特開昭62−
211355号公報において、マトリックス組織中に微細な炭
化物と硼化物および/または炭硼化物が均一に分散して
いる内燃機関の摺動部材用耐摩耗性鉄基焼結合金に関す
る発明を開示した。
この先願の発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は、全体
組成が、重量%で、C:0.1〜0.8%、Cr:2〜10%、Si:0.1
〜0.9%、MoおよびWのいずれか1種または2種:5〜20
%、Mn:0.7%以下、P:0.05%以下、B:0.5〜2.0%、残部
Feおよび不純物からなり、このうち、MoおよびWの総含
有量とBの含有量との割合がモル比で0.5〜1.5の範囲内
であることを特徴としているものである。
しかしながら、この先願の発明に係る鉄基焼結合金で
は、使用温度として最高450℃程度を想定していること
から、ディーゼルエンジンのターボチャージャー化やガ
ソリンエンジンの希薄燃焼化などに伴なう高温燃焼の環
境においては、耐熱性および耐摩耗性の点でいまだ改善
の余地があった。
(発明の目的) 本発明は、上記の従来技術を背景としてなされたもの
であり、耐熱性を向上させ、なおかつ相手材の摩耗を著
しく増大させたりあるいは自身の摩耗を著しく増大させ
たりすることがないように、高温耐摩耗性および自己潤
滑性を高めようとしたもので、耐摩耗性となじみ性とが
適度にバランスのとれた、特にバルブシート用材料に適
した高温耐摩耗性鉄基焼結合金を提供することを目的と
しているものである。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明者に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は、全体組成
が、重量%で、C:0.1〜1.0%、Cr:2〜10%、Si:0.1〜0.
9%、MoおよびWのいずれか1種または2種:5〜20%、M
n:0.7%以下、P:0.05%以下、B:0.5〜2.0%、ならびにC
u,Pb,SnおよびZnのうちの1種または2種以上:5〜30
%、さらに必要に応じて耐摩耗性および強度のより一層
の向上のためにV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,CoおよびNiのうちの
1種または2種以上:20%以下、残部Feおよび不純物か
らなり、微細な炭化物と硼化物および/または炭硼化物
が均一に分散し、かつ、粒界および/または空孔中にC
u,Pb,SnおよびZnのうちの1種または2種以上が単体あ
るいは合金として均一に残存・分散した組織を呈するこ
とを特徴としているものである。
本発明者らは、上記の組成を持つ耐摩耗性鉄基焼結合
金が、マトリックス組織中に微細な炭化物と硼化物およ
び/または炭硼化物が均一に分散している組織を有して
おり、成分元素であるBが硼化物等の生成に寄与するだ
けでなく、焼結時または溶浸時にCu,Pb,SnおよびZnの単
体あるいはこれらの合金のFeマトリックス内への拡散を
おさえ、マトリックスの強度を弱めることなく適度に粒
界および/または空孔中に均一に残存・分散させること
ができるという知見を得た。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、
硬質相の種類を、微細な炭化物と硼化物および/または
炭硼化物とすることによって、例えばバルブとバルブシ
ート間での摩耗を低減し、一方、成分元素であるBがも
つ軟質合金成分のマトリックスへの拡散抑止効果を利用
して、Cu,Pb,SnおよびZnの単体あるいはこれらの合金を
適度に粒界および/または空孔中に均一に残存・分散さ
せることにより、これらの延性および高熱伝導率によっ
て、優れた潤滑性と耐熱性をもたせることができ、した
がって、従来よりもさらに進んだ高温燃焼にも対応でき
る優れた高温耐摩耗性を付与した鉄基焼結合金を開発す
ることに成功した。
次に、本発明に係る高温対摩耗性鉄基焼結合金の各成
分元素がもつ作用および組成(重量%)の限定理由につ
いて説明する。
C;0.1〜1.0% Cはその一部が成分中のMo,W,Cr,Vなどの炭化物形成
元素と結合して複炭化物を形成して耐摩耗性を向上さ
せ、残りはマトリックス中に固溶して高い室温硬さと強
度を与える作用を有するが、0.1%未満ではその効果が
さほど認められず、1.0%を超えると複炭化物の析出量
増加と粗大化が起こり、相手材とのなじみ性が低下する
ことから、その含有量を0.1〜1.0%と定めた。
Cr;2〜10% Crは、Mo,W等とともに複炭化物や複硼化物を形成し、
耐摩耗性を向上させると同時に、マトリックス中に固溶
し、焼入れ性を増大さえ、さらに焼もどし硬化能を高め
るとともにマトリックスの耐食性を高める。さらに、Cu
系の合金を溶浸した場合には、Cuとの相互作用により、
Cuの潤滑作用を助長させるが、2%未満ではその効果が
さほど認められず、10%を超えて含有させてもより一層
の改善がないばかりでなく、機械的強度を低下させてし
まうことから、その含有量を2〜10%と定めた。
Si;0.1〜0.9% Siは0.1%未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉末
中の酸素含有量が多くなり、焼結性が低下し、添加量が
0.9%を超えても脱酸効果の向上もなく、粉末が丸くな
ってしまい、成形性が低下するだけであることから、そ
の含有量を0.1〜0.9%と定めた。
MoおよびWのいずれか1種または2種:5〜20% MoおよびWは成分中のFeやCrとともにCやBと結合し
て複硼化物を形成して耐摩耗性を与え、一部はマトリッ
クス中に固溶してマトリックスを強化するとともに焼も
どし硬化能を高める作用を有しているが、これらの合計
が5%未満では、所望の効果が得られずに耐摩耗性不足
となり、合計量が20%を超えて含有させてもより一層の
改善効果は認められず、経済的でないことから、その含
有量は5〜20%と定めた。
Mn;0.7%以下 Mnは前述したSiと同じように脱酸効果があり、添加す
ることにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を増す
が、0.7%を超えると粉末の形状が丸くなって粉末の成
形性が低下し、成形体エッジ部の欠け等が生じやすくな
ることから、その含有量を0.7%以下とした。
P;0.05%以下 Pは耐摩耗性焼結合金の場合において焼結促進元素と
して一般に0.2〜0.8%程度添加する手法が広く用いられ
ているが、本発明に係る焼結合金の場合は、Pの添加量
が0.05%を超えると、複硼化物あるいは複炭化物が粗大
化して相手材とのなじみ性が低下し、さらに粒界に複硼
化物あるいは複炭化物がネットワーク状に析出して強度
が低下してしまうことにより、特に高面圧がかかった場
合に耐ピッチング特性が低下してしまうことから、その
含有量を0.05%以下とした。
B;0.5〜2.0% Bは成分中のMo,W,V,Cr,Feとともに複硼化物を形成
し、耐摩耗性となじみ性を与えるとともに、焼結中に液
相を発生させて焼結を活性化し、密度の上昇を可能とす
る作用がある。さらにBは、成分元素であるCu,Pb,Snお
よびZnの拡散を抑制し、これらの単体もしくは合金の拡
散によるマトリックスの軟化をおさえる作用がある。ま
た、上記複硼化物の一部はCとも結びついて複炭硼化物
を形成して耐摩耗性を向上させるが、0.5%未満の添加
ではそれらの効果があまり認められず、一方、2.0%を
超えてもそれらの効果の向上が認められず、かえって複
硼化物が粗大化し、脆化が著しくなることから、0.5〜
2.0%と定めた。
本発明による焼結合金のB添加量としては、上述した
ように0.5〜2.0%とする必要があるが、特に優れた特性
を示すのは、B添加量がMo+W添加量との間で、[Mo
(モル量)+W(モル量)]/[B(モル量]=0.8〜
1.5の関係を満たしているときである。これは、上記モ
ル比が1.5を超える場合は、複硼化物の生成量が少なく
なじみ性が低下し、前記モル比が0.8未満では複硼化物
が粗大化してネットワーク状に粒界に析出し、相手材と
のなじみ性が低下すると同時に、耐ピッチング性が低下
してしまうためである。このBの添加方法としては、Fe
−BあるいはFe−Cr−B系合金粉末の形で添加すること
が好ましい。
Cu,Pb,SnおよびZnのうちの1種または2種以上;5〜30% Cu,Pb,SnおよびZnのうちの単体あるいはこれらの合金
は、マトリックスに一部固溶して当該マトリックスを強
化し、残部は焼結あるいは溶浸によって粒界ないしは空
孔にいきわたり、熱伝導性を向上させ、熱負荷を軽減
し、耐熱性を高めると同時に、エンジン燃焼時には表面
に薄い酸化被膜を形成し、この被膜が潤滑作用をなして
耐摩耗性を向上させる。これらの含有量は5%未満では
その効果は少なく、30%超過にすると焼結合金の強度が
低下するため好ましくない。
Cu,Pb,SnおよびZnのうちの単体あるいはこれらの合金
の添加方法としては、金属粉末あるいは合金粉末として
混粉時に添加し、加圧成形して焼結してもよいし、これ
ら金属あるいは合金以外の成分粉末を先に焼結し、その
焼結体にこれら金属あるいは合金を溶浸させる方法を用
いることも可能である。またこれらの合金の組成につい
ては、焼結温度,使用状況などに応じて選定することが
必要である。
V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,CoおよびNiのうちの1種または2種
以上:20%以下 V,Nb,TaはFeやCrとともにCと結合して極めて硬い複
炭化物を形成するとともに、Mo,Wの一部と置換した形の
複炭化物や複硼化物を形成して耐摩耗性を与え、一部は
マトリックス中に固溶してマトリックスを強化するとと
もに、焼もどし硬化能を高める作用がある。またV,Nb,T
aは焼結時の結晶粒の粗大化を防止するとともに、炭化
物の粗大化を防止する効果もある。これらの効果は、V,
Nb,Taが0.5%未満の場合ではあまり認められず、耐摩耗
性や強度の低下をきたし、一方8%を超えて添加しても
より一層の改善効果は認められず経済的でないことか
ら、添加するとしてもその含有量を0.5〜8%とするの
が良い。
Ti,Zr,Hf,Coは硼化物形成元素であり、これらの1種
または2種以上を必要に応じて12%以下の範囲で添加し
ても良い。特にCoはMo,Wなどの一部と置換して複硼化物
を形成するだけでなく、マトリックス中に固溶して赤熱
硬さを向上させるため、熱間での耐摩耗性が要求される
場合には添加することが特に効果的である。
Niはマトリックスの耐食性を向上させ、腐食摩耗が激
しい部分には特に効果的である。しかし、Niの添加量が
多くなるとオーステナイト化が進み、硬さが低下するば
かりでなく、相手材との疑着性が大きくなってしまう。
したがって、V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,CoおよびNiは合計で20
%以下とするのが望ましい。
本発明による焼結合金の硬さとしては、HRC35〜52の
範囲が特に好ましい。すなわち、HRC35未満では耐摩耗
性が不足し、HRC55を超えると相手材とのなじみ性が低
下し、相手材への攻撃性が増大するためである。
(実施例) 以下、本発明に係る高温耐摩耗性鉄基焼結合金の実施
例を比較例と対比しながら詳細に説明する。
原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−100メッシ
ュのFe−Cr−Mo−W−Si−C系アトマイズ合金粉末(必
要に応じV,Nb,Ta,Coも添加)、−325メッシュのFe−Mo
粉末あるいは純Mo粉末、−325メッシュのFe−W粉末あ
るいは純W粉末、−250メッシュのFe−B合金粉末(B;2
0%含有)、−250メッシュのFe−26%P合金粉末、−25
0メッシュのフェロチタン,フェロジルコニウム,フェ
ロハフニウム各合金粉末、−325メッシュのカーボニルN
i粉末、−250メッシュのCu粉末、−250メッシュのPb粉
末、−250メッシュのSn粉末、−250メッシュのZn粉末、
−250メッシュのCr粉末、等を用意し、前記粉末を選択
秤量して、第1表に示す成分組成を持つように適宜配合
し、潤滑剤として高級脂肪酸(商品名:ノプコワック
ス)を加えて混合し、これらの混合粉末を7tonf/cm2
圧力で圧粉体に成形し、次いで前記各圧粉体を真空中で
1140〜1200℃の温度にて60分間保持して焼結した後、焼
入れ焼もどし処理を行って本発明合金No.1〜9および比
較合金No.1〜4,10を得た。
また、本発明合金No.10〜18および比較合金No.5〜9
については、同じく第1表に示した成分組成を持つよう
に前記粉末の中から選んで秤量して配合し、潤滑剤を加
えて混合したのち前記と同様にして加圧成形し、1150〜
1250℃の温度にて60分間保持して焼結した後、Cu,Pb,Sn
およびZnの単体あるいはこれらの合金の中から選定して
非酸化性ガス雰囲気中で1.5時間所定の温度にて溶浸さ
せて各合金を製造した。
(評価例) 次いで上記本発明合金No.1〜18および比較合金No.1〜
10をバルブシート形状に加工し、実機を模したバルブ・
バルブシート試験機を用いて摩耗試験を行った。この試
験機は、自動温度調整を行いながらプロパンガスの燃焼
によってバルブおよびバルブシートを加熱し、偏心カム
の駆動によってバルブを開閉してバルブとバルブシート
のたたき摩耗状況を再現するものである。そして、この
場合の試験条件は第2表に示す通りである。
次いで、上記の試験後にバルブシートおよびバルブの
摩耗深さを測定した。これらの測定結果を第1表に合わ
せて示した。
第1表より明らかなように、試験は高温で行われ、摩
耗条件が苛酷なため、比較合金No.1〜10で示したよう
に、成分組成の範囲が本発明からはずれた合金、すなわ
ち、Mo,Wが少ないNo.1、Crが多くかつCu,Pb,SnおよびZn
の合計が少ないNo.2、Siが少なくかつBが多いNo.3、M
o,W,Cが多いNo.4、Cが多くかつBが少ないNo.5、Crが
少ないNo.6、Mo,Wが少ないNo.7、Pが多いNo.8、Siが少
ないNo.9、V,Coが多いNo.10の各合金で製造されたバル
ブシートでは、バルブシートおよび/または相手バルブ
の摩耗が大きく、また一部ではバルブシートにピッチン
グが発生しており、満足のできる良好な特性を示してい
ない。
これに対して、本発明合金No.1〜18で製造したバルブ
シートでは、バルブシートおよびバルブの摩耗が小さ
く、バルブシートにはピッチングがほとんど発生してお
らず、優れた特性を示している。
[発明の効果] 以上説明してきたように、本発明に係る高温耐摩耗性
鉄基結合金は、全体組成が、重量%で、C:0.1〜1.0%、
Cr:2〜10%、Si:0.1〜0.9%、MoおよびWのいずれか1
種または2種:5〜20%、Mn:0.7%以下、P:0.05%以下、
B:0.5〜2.0%、ならびにCu,Pb,SnおよびZnのうちの1種
または2種以上:5〜30%、さらに必要に応じてV,Nb,Ta,
Ti,Zr,Hf,CoおよびNiのうちの1種または2種以上:20%
以下、残部Feおよび不純物からなり、微細な炭化物と硼
化物および/または炭硼化物が均一に分散し、かつ、粒
界および/または空孔中にCu,Pb,SnおよびZnのうちの1
種または2種以上が単体あるいは合金とし均一に残存・
分散した組織を呈するものであるため、マトリックス中
に硬質粒子として微細な複炭化物と複硼化物および/ま
たは複炭硼化物とが均一に分散し、かつ粒界あるいは空
孔中にCu,Pb,SnおよびZnのうちの単体あるいはこれらの
合金が効果的に分散しているものとすることができ、耐
熱性および耐摩耗性ならびに相手材とのなじみ性に著し
く優れた合金となる。したがって、本発明に係る合金を
例えばかなり高温になる内燃機関のバルブシートの素材
に使用した場合に、Cu,Pb,SnおよびZnのうちの単体ある
いはこれらの合金の酸化膜の形成およびこれらによる熱
伝導率の上昇と、前記硬質粒子による耐摩耗性の向上と
によって、優れた耐熱・耐摩耗性を示し、さらには複硼
化物および/または複炭硼化物の優れたなじみ性と、C
u,Pb,SnおよびZnのうちの単体あるいはこれらの合金の
延性によって、相手部材の摩耗をも改善させることがで
きるなど、工業上極めて有益な特性を有するものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤木 章 横浜市神奈川区宝町2番地 日産自動車 株式会社内 (72)発明者 谷本 一郎 横浜市神奈川区宝町2番地 日産自動車 株式会社内 (72)発明者 石井 啓 神奈川県横浜市港南区芹が谷3丁目31− 15 (72)発明者 遠藤 弘之 千葉県我孫子市つくし野3丁目3−208 (72)発明者 池ノ上 寛 千葉県松戸市常盤平3−26−3−102 (72)発明者 鈴木 啓太郎 千葉県我孫子市湖北台7−14−57−303 (56)参考文献 特開 昭58−22359(JP,A) 特開 昭57−76168(JP,A) 渡辺光尚著「新版粉末治金」(昭51. 6.10)(株)技術書院 P.63−74

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】全体組成が、重量%で、C:0.1〜1.0%、C
    r:2〜10%、Si:0.1〜0.9%、MoおよびWのいずれか1種
    または2種:5〜20%、Mn:0.7%以下、P:0.05%以下、B;
    0.5〜2.0%、ならびにCu,Pb,SnおよびZnのうちの1種ま
    たは2種以上:5〜30%、残部Feおよび不純物からなり、
    微細な炭化物と硼化物および/または炭硼化物が均一に
    分散し、かつ、粒界および/または空孔中にCu,Pb,Snお
    よびZnのうちの1種または2種以上が単体あるいは合金
    として均一に残存・分散した組織を呈することを特徴と
    する高温耐摩耗性鉄基焼結合金。
  2. 【請求項2】全体組成が、重量%で、C:0.1〜1.0%、C
    r:2〜10%、Si:0.1〜0.9%、MoおよびWのいずれか1種
    または2種:5〜20%、Mn:0.7%以下、P:0.05%以下、B;
    0.5〜2.0%、ならびにCu,Pb,SnおよびZnのうちの1種ま
    たは2種以上:5〜30%、さらにV,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,Coお
    よびNiのうちの1種または2種以上:20%以下、残部Fe
    および不純物からなり、微細な炭化物と硼化物および/
    または炭硼化物が均一に分散し、かつ、粒界および/ま
    たは空孔中にCu,Pb,SnおよびZnのうちの1種または2種
    以上が単体あるいは合金として均一に残存・分散した組
    織を呈することを特徴とする高温耐摩耗性鉄基焼結合
    金。
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