JP2687125B2 - エンジン用バルブ部品に用いる焼結金属コンパクトおよびその製造方法。 - Google Patents
エンジン用バルブ部品に用いる焼結金属コンパクトおよびその製造方法。Info
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Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
この発明はエンジン用バルブ部品、特に新規で改良さ
れた粉末金属製バルブインサート；およびその製造方法
に関する。 （背景技術） 内燃エンジンに用いられるバルブシート・インサート
の主要件は、耐摩耗性である。良好な耐熱および耐食性
と、耐摩耗性と関連して良好な機械加工性とを組合わせ
た性質を達成するにあたり、排気バルブシート・インサ
ートはコバルト、ニッケルまたはマルテンサイト鉄をベ
ースにした合金鋳造物として製造されている。これらの
合金は一般に、鋳造合金内に耐摩耗性炭化物が存するこ
とから、高クロムおよびニッケル含有量の耐熱オーステ
ナイトスチールより好ましい。 粉末治金学はバルブシート・インサートの製造に適用
されており、その理由は他の手段でなされるより直接的
に端部形状の形成が達成されるからである。ここでは独
特の組成を選択する自由があり、かつ他の通常の成形法
に比較して、良好な空気流動を可能にする幾何学を達成
するための設計上の融通性をも提供している。 （発明の開示） この発明は、バルブシート・インサートのような耐摩
耗性物品の製造に粉末治金学の利点を利用している。こ
の発明は特に、耐熱および耐摩耗性オーステナイト・ス
テンレススチール粉末を独特に、有効にかつ経済的に利
用すること、およびこの種の粉末を自動部品製造におい
て取扱うと共に必要な場合に機械加工性を容易にできる
こと、を特徴としている。 この発明により提供される方法は、軟質粉末鉄金属成
分および粉末炭素と噴霧混合された予備合金化オーステ
ナイト・ステンレススチール粉末からグリーンコンパク
ト（生圧縮緻密化物品）を形成し、かつこのコンパクト
を焼結することから構成される。鉄金属成分は、軟質で
あると共にオーステナイトスチール粉末より容易に圧縮
緻密化されるから、グリーンコンパクトに強度を与えて
いる。これもオーステナイト粉末および拡散炭素を有す
る合金と共に焼結される。 この発明の構成は、バルブシート・インサートのよう
なエンジン用バルブ部品の焼結金属コンパクトであり、
予備合金化されたオーステナイト・ステンレススチール
および軟質鉄金属の散在ミクロ（微細）領域からなり、
このオーステナイト・ステンレススチールのミクロ領域
は炭化物および炭窒化物の凝結体を含有している。 良好な炭素粉末は粉末黒鉛である。耐食性が考慮され
る場合は、軟質鉄金属成分としてマルテンサイト：ステ
ンレススチール粉末を利用することが有利である。焼結
において、鉄金属およびオーステナイトスチール成分は
焼結コンパクト中にミクロ領域を形成し、そこでは軟質
鉄金属がオーステナイトミクロ領域を包囲または架橋し
ている。オーステナイトミクロ領域は部品に対して耐食
性および耐摩耗性を付与しており、その理由はその領域
に包含される（クロム、炭素、窒素からなる炭窒化物お
よびクロムと炭素からなる炭素物の存在によるものであ
る。軟質鉄成分により形成されるミクロ領域は、使用中
の粘着摩耗または損傷を低減させる酸化物を提供してい
る。 （本発明を実施するための最適な形態） 第１および２図のバルブシート・インサートは典型的
には2.54cm（1in.）〜5.1cm（2in.）の内径を有すると
共に、耐摩耗面を提供する単位焼結部片として形成され
ている。インサートを形成するために用いられるグリー
ンコンパクトの全体的な化学組成は以下の通りである： 炭素 1.0〜2.0 クロム 9.0〜16.5 モリブデン ０〜2.0 ニッケル 0.5〜4.0 シリコン ０〜1.8 マンガン 0.05〜5.0 銅 2.0〜5.0 窒素 ０〜0.05 燐 ０〜0.05 硫黄 ０〜0.05 鉄 残り 第３図の顕微鏡写真において、矢印“1"は、炭化物お
よび炭窒化物を含有すると共に、ロックウェルＣ硬度、
43のオーステナイト・ステンレススチールのミクロ領域
を示している。矢印２は、ロックウェルＢ硬度、85の軟
質鉄ミクロ領域を示している。軟質鉄金属はオーステナ
イトミクロ領域を包囲または架橋しているように見え
る。矢印“3"は、ロックウェルＣ硬度;28の遷移鉄金属
ミクロ領域を示している。実施例１はこの種の焼結コン
パクトの形成方法を詳細に説明している。 第４図の顕微鏡写真において、矢印“4"は、炭化物お
よび炭窒化物を包含すると共に、ロックウェルＣ硬度;5
0のオーステナイト・ステンレススチールのミクロ領域
を示しており、矢印“5"は、ロックウェルＣ硬度、30の
軟質鉄金属のミクロ領域を示している。実施例２は、こ
の種の焼結コンパクトの形成方法を詳細に説明してい
る。 第５図の顕微鏡写真においては、矢印“6"は、ロック
ウェルＣ硬度、41のオーステナイト・ステンレススチー
ルのミクロ領域を示しており、矢印“7"はロックウェル
Ｂ硬度、84の軟質鉄金属のミクロ領域を示しており、か
つ矢印“8"はロックウェルＣ硬度、32の遷移鉄金属ミク
ロ領域を示している（この場合、ある程度のマルテンサ
イトスチール物質が形成されているものと信じられ
る）。実施例３は、この種の焼結コンパクトの形成方法
を詳細に説明している。 グリーンコンパクトは通常は自動的に、取扱われると
共に焼結炉へ移送され、そこでコンパクトの焼結が行な
われる。焼結は、コンパクトをそのほとんどの成分の液
化温度より低い温度に加熱することによる、コンパクト
内の隣接面の接合である。 総体的に非常に低量の炭素および他の成分を有する軟
質鉄粉末は、極めて実用的なグリーン強度をもたらすた
めに、噴霧オーステナイト・ステンレススチール粉末と
等しい割合、またはそれより低い割合、たとえば45/55
の小さい割合で利用できる。他方、マルテンサイト・ス
テンレススチール、たとえばA.I.S.Iグレード410は、オ
ーステナイト物質に対して約1.5:1〜約3:1の割合で最良
に利用される。グリーンコンパクトはオーステナイト・
ステンレススチール粉末の約25％〜約55％を包含して、
バルブシート・インサートのような適用例において、適
切な耐摩耗性および耐食性を展開している。 場合により、噴霧オーステナイト・ステンレススチー
ル粉末は、たとえば粘着干渉酸化物を除去し、粉末を軟
化するために、1010℃（1850゜F）〜1093℃（2000゜F）
の温度の解離アンモニアの還元雰囲気中で還元焼なまし
処理される。しかし、この操作は、この発明の目的性能
を達成するために必ずしも必要なわけではない。 コンパクト形成のための粉末混合体は、通常は微細粉
末形態を有する種々の他の金属および非金属成分と混合
することができる。コンパクトの約５重量％までの量の
銅粉末は、見かけ上で強化剤の作用を有しているが；こ
れは主として焼結中のサイズ変化を制御すると共に、部
品の緻密化のために利用される。典型的には硼素鉄とし
て付加される約0.1％までの量の硼素は焼結助剤とされ
得るが、これは高い焼結温度を必要とすることから、こ
の使用は随意的なものである。約0.05％までの量の燐も
焼結助剤である。 黒鉛は、コンパクトを形成する粉末質量に炭素を付加
するための主要な実用手段であり、その理由は焼結は通
常、かなり短時間で行なわれ、かつ鉄成分との相互作用
のためのピーク温度は限られた時間だけであるからであ
る。 通常の逃出潤滑剤が、他の物質の結合重量に基づいて
総体的に約0.5〜1.0％の割合でコンパクトの形成に利用
される。典型的な潤滑剤としてはステアリン酸亜鉛、ワ
ックス、および適切なエチレン・ステアリン酸アミド組
成物が包含されており、これら組成物は焼結により揮発
する。 各硫黄、窒素および酸素の実用的最大量は約0.50％で
ある。一般に、用いられる粉末ステンレススチールは、
９〜16.5％クロム、0.5〜４％ニッケル、ある程度の0.0
5〜4.0％マンガン、いくらかのモリブデン、および少な
くともある程度の許容不純物および鉄に含有される炭素
からなる混合物とされるが、これらのパーセンテージは
総混合体重量に基づくものである。マンガンも鉄合金と
して付加することができる。 通常方法によるコンパクトの形成は、形成されるべき
部品に適合するダイ（小さい寸法変化が生じる場合は、
そのための許容値を有する）中で、約6.2〜9.3ton/cm3
（40〜60ton/in2.）において粉末を圧縮することにより
行なわれる。焼結は低露点（たとえば、−33.3℃（28゜
F）またはそれより低温）温度を有する水素または解離
アンモニア雰囲気中で、1149℃（2100゜F）で約３時間
行なわれることが好ましい。コンパクトは通常、約30分
間を越えてピーク温度に維持されないようにされる。好
ましくはオーステナイト・ステンレススチールの粒子サ
イズ範囲は、100メッシュのふるいより約10％を越えな
い粗粒度で、かつ325メッシュのふるいを通過するもの
の約50％を越えない粒度（ふるいは、合衆国ふるいシリ
ーズによる）にされる。他の金属粉末は通常、同一の総
体的範囲になされ、場合により325メッシュのふるいを
通過する55％またはそれを越える少し微細なものとされ
る。ダイ中への流動特性およびその穴が悪影響を受けな
いか、あるいは混合体または得られたグリーン体の緊密
性および焼結されたものの強度が実質的に低下しない限
り、使用される粉末の粒子サイズ範囲はかなり広範にな
される。 コンパクト形成にあたり、約5.4ton/cm3（35ton/i
n2.）より低圧で行なうことは有用ではない。約9.3〜1
0.8ton/cm3（60〜65ton/in2.）より高い圧力は有用では
あるが、通常は余分の費用をかける程の価値はない。約
1060℃（1940゜F）より低温での焼結は、任意の合理的
時間内で強度を達成するためには極めて実用的ではな
く、また約1121℃（2250゜F）より実質的に高い温度は
同様に、制御することが困難であると共に、炉の悪化を
もたらすことになる。これらの温度は焼結炉のピーク温
度であり、焼結強度を達成するために、可能な限り短時
間（望ましくは25〜40分、好ましくは30〜35分間）に維
持される。もちろん炉温度は、コンパクトが炉内を継続
的に走行される場合は、上昇領域にプラットホームを構
成することができる。場合によっては１時間程度の総焼
結時間を用いることができると共に、４時間を越える時
間は経済性に欠ける。 有利には、焼結されたコンパクトは、特に急速に冷却
されるバルブシート・インサートのような小型部品の場
合は、空冷される。 時には、焼結されたコンパクトを時効硬化（ageharde
ning）により、たとえばこのコンパクトを解離アンモニ
ア雰囲気中に、538℃（1000゜F）で８時間保持すること
により、さらに硬化させることが望まれるが、これはあ
まりに必要ではなく、この発明の良好なバルブシート・
インサートを形成するには、高価な方法と考えられる。
しかし場合によっては、加工硬化がもたらされる前に特
に硬質とされる部品を製造するには、このような熱硬化
操作が有用である。 焼結されたコンパクトは、時効硬化されるか、されな
いかにかかわらず、典型的には研磨により仕上げ処理さ
れるが、必要により要求される許容範囲を達成するため
に別のタイプの機械加工によっても処理される。必要な
場合はこれら焼結された物品は研磨により容易に仕上げ
た処理を行なうことができる。仕上げ処理された物品
は、バルブシート・インサートとして形成されるのに加
えて、ピストンリング、シールリング、ギアおよび他の
耐摩耗性物品として形成することができる。 以下の例はこの発明の実施方法を示しているが、限定
する意味のものではない。この明細書において、すべて
のパーセンテージは重量パーセンテージであり、すべて
の部は重量部であり、またすべての温度は特に指示しな
い限り、゜Fである。実施例に示される粉末組成の明細
は以下の通り表示される： 実施例において、用いられた黒鉛粉末は、サウスウェ
スタンInc.製造のサウスウエスタン（商標）1651グレー
ドのものである。鉄粉末はヘガネス・コーポレーション
により供給されるヘガネス（商標）1000Bか、QMPコーポ
レーションにより供給されるアトメット（商標）28とさ
れた。銅粉末は、SCMコーポレーションにより供給され
るグレードRXH150とされた。 実施例１ 水噴霧されるオーステナイト・ステンレススチール粉
末IIが、同重量の鉄粉末に十分な黒鉛と銅粉末を加えた
ものと混合されて、表１に示すような明細Ｉを有する全
体的混合物が得られた。 エチレン・ステアリン酸アミドからなる型潤滑剤（ロ
ンザ会社の商標、アクラワックスＣ）がこの混合物に混
合された（非潤滑混合物の重量に基づいて0.75％）。 得られた潤滑剤を包含する混合物が、6.2〜6.5ton/cm
3（40〜42ton/in2.）において圧縮されて、約5.1cm（2i
n.）径のバルブシート・インサートを形成するためのグ
リーンコンパクトが形成された。これらグリーン体は11
49℃（2100゜F）に維持される炉内で、３時間焼結され
た（コンパクトは約1/2時間、炉温度に保持された）。
炉雰囲気は、−33.3℃（−28゜F）の露点温度を有する
解離アンモニアであった。 グリーンコンパクトの密度、g/cc 6.2 焼結コンパクトの密度、g/cc 6.11 焼結による理論最大（full）密度の％ 80 焼結硬度、ロックウェルＢ、見かけ値 70 時効硬化＊、ロックウェルＢ、見かけ値 90 最終引張り強度（KSI） 42〜44 ＊時効硬度は、焼結コンパクトを538℃（1000゜F）に８
時間保持することによりなされた。 この物品は、必要あるいは所望により、研磨により仕
上げ処理することができる。しかし、形成されたバルブ
シート・インサートは使用に適すると共に、良好な耐摩
耗性を示した。オーステナイト・ステンレススチール表
面領域は使用により加工硬化する。 実施例２ 水噴霧されるオーステナイト・ステンレススチール粉
末II（30部）がほぼ同一サイズの70部のマルテンサイト
（A.I.S.I.グレード410）・ステンレススチールおよび
粉末黒鉛と混合されて、表１に示すような全体的な混合
組成物IIが得られた。これは次いで、実施例Ｉの混合物
と同様に圧縮および焼結された。これにより以下の特性
を有するコンパクトが得られた： グリーンコンパクトの密度、g/cc 6.2 焼結コンパクトの密度、g/cc 6.14 焼結による理論最大密度の％ 80 焼結硬度、ロックウェルＢ、見かけ値 70 時効硬化＊、ロックウェルＢ、見かけ値 90 最終引張り強度（KSI） 39 ＊時効硬化は、焼結コンパクトを538℃（1000゜F）に８
時間保持することによりなされた。 実施例３ 水噴霧されるオーステナイト・ステンレススチール粉
末Ｉが、等量の鉄粉末と十分な黒鉛および銅粉末とを加
えたものと混合されて、表１に示すような明細IIIを有
する全体的混合物が得られた。 この混合物は実施例１と同様に潤滑処理された。これ
は次いで実施例１の混合物と同様に圧縮および焼結され
た。これにより以下の特性を有するコンパクトが得られ
た： コンパクト欠および焼結作業により、以下の特性を有
する材料が得られた： グリーンコンパクトの密度、g/cc 6.3 焼結コンパクトの密度、g/cc 6.1 焼結による理論最大密度の％ 80 空隙度％ 19 焼結中の径変化 1.75％ 焼結硬化、ロックウェルＢ、見かけ値 74 時効硬化、ロックウェルＢ、見かけ値 25 最終引張り強度、PSI×1000（KSI） 43 427℃（800゜F）、12KSI負荷時のクリープ歪/h 0.15％ ＊時効硬化は、焼結コンパクトを538℃（1000゜F）に８
時間保持することによりなされた。 この発明の多くの修正および変更が、これまでの説明
から当業者にとって可能であろう。 （発明の効果） 本発明によれば、オーステナイト・ステンレススチー
ル粉末を使用して、焼結部品の自動製造を容易にすると
ともに、この粉末よりも圧縮緻密性に富んだ軟質鉄金属
成分と、熱処理後の機械的強度をもたらす粉末炭素を含
有する混合物によりグリーンコンパクトを形成すること
ができ、さらに、このグリーンコンパクトを熱処理する
ことにより、オーステナイト・ステンレススチール成分
は、ミクロ領域を形成し、このミクロ領域が炭化物及び
炭窒化物を含有する軟質鉄金属成分によって包囲または
架橋されるので、耐食性及び耐摩耗性の高い焼結金属コ
ンパクトを作り上げるのができる。 その結果、本発明の焼結金属コンパクトは、耐摩耗性
を有する製品となり、高温下で使用されるエンジン用バ
ルブ部品、特にバルブシート・インサートの利用が広が
る。
れた粉末金属製バルブインサート；およびその製造方法
に関する。 （背景技術） 内燃エンジンに用いられるバルブシート・インサート
の主要件は、耐摩耗性である。良好な耐熱および耐食性
と、耐摩耗性と関連して良好な機械加工性とを組合わせ
た性質を達成するにあたり、排気バルブシート・インサ
ートはコバルト、ニッケルまたはマルテンサイト鉄をベ
ースにした合金鋳造物として製造されている。これらの
合金は一般に、鋳造合金内に耐摩耗性炭化物が存するこ
とから、高クロムおよびニッケル含有量の耐熱オーステ
ナイトスチールより好ましい。 粉末治金学はバルブシート・インサートの製造に適用
されており、その理由は他の手段でなされるより直接的
に端部形状の形成が達成されるからである。ここでは独
特の組成を選択する自由があり、かつ他の通常の成形法
に比較して、良好な空気流動を可能にする幾何学を達成
するための設計上の融通性をも提供している。 （発明の開示） この発明は、バルブシート・インサートのような耐摩
耗性物品の製造に粉末治金学の利点を利用している。こ
の発明は特に、耐熱および耐摩耗性オーステナイト・ス
テンレススチール粉末を独特に、有効にかつ経済的に利
用すること、およびこの種の粉末を自動部品製造におい
て取扱うと共に必要な場合に機械加工性を容易にできる
こと、を特徴としている。 この発明により提供される方法は、軟質粉末鉄金属成
分および粉末炭素と噴霧混合された予備合金化オーステ
ナイト・ステンレススチール粉末からグリーンコンパク
ト（生圧縮緻密化物品）を形成し、かつこのコンパクト
を焼結することから構成される。鉄金属成分は、軟質で
あると共にオーステナイトスチール粉末より容易に圧縮
緻密化されるから、グリーンコンパクトに強度を与えて
いる。これもオーステナイト粉末および拡散炭素を有す
る合金と共に焼結される。 この発明の構成は、バルブシート・インサートのよう
なエンジン用バルブ部品の焼結金属コンパクトであり、
予備合金化されたオーステナイト・ステンレススチール
および軟質鉄金属の散在ミクロ（微細）領域からなり、
このオーステナイト・ステンレススチールのミクロ領域
は炭化物および炭窒化物の凝結体を含有している。 良好な炭素粉末は粉末黒鉛である。耐食性が考慮され
る場合は、軟質鉄金属成分としてマルテンサイト：ステ
ンレススチール粉末を利用することが有利である。焼結
において、鉄金属およびオーステナイトスチール成分は
焼結コンパクト中にミクロ領域を形成し、そこでは軟質
鉄金属がオーステナイトミクロ領域を包囲または架橋し
ている。オーステナイトミクロ領域は部品に対して耐食
性および耐摩耗性を付与しており、その理由はその領域
に包含される（クロム、炭素、窒素からなる炭窒化物お
よびクロムと炭素からなる炭素物の存在によるものであ
る。軟質鉄成分により形成されるミクロ領域は、使用中
の粘着摩耗または損傷を低減させる酸化物を提供してい
る。 （本発明を実施するための最適な形態） 第１および２図のバルブシート・インサートは典型的
には2.54cm（1in.）〜5.1cm（2in.）の内径を有すると
共に、耐摩耗面を提供する単位焼結部片として形成され
ている。インサートを形成するために用いられるグリー
ンコンパクトの全体的な化学組成は以下の通りである： 炭素 1.0〜2.0 クロム 9.0〜16.5 モリブデン ０〜2.0 ニッケル 0.5〜4.0 シリコン ０〜1.8 マンガン 0.05〜5.0 銅 2.0〜5.0 窒素 ０〜0.05 燐 ０〜0.05 硫黄 ０〜0.05 鉄 残り 第３図の顕微鏡写真において、矢印“1"は、炭化物お
よび炭窒化物を含有すると共に、ロックウェルＣ硬度、
43のオーステナイト・ステンレススチールのミクロ領域
を示している。矢印２は、ロックウェルＢ硬度、85の軟
質鉄ミクロ領域を示している。軟質鉄金属はオーステナ
イトミクロ領域を包囲または架橋しているように見え
る。矢印“3"は、ロックウェルＣ硬度;28の遷移鉄金属
ミクロ領域を示している。実施例１はこの種の焼結コン
パクトの形成方法を詳細に説明している。 第４図の顕微鏡写真において、矢印“4"は、炭化物お
よび炭窒化物を包含すると共に、ロックウェルＣ硬度;5
0のオーステナイト・ステンレススチールのミクロ領域
を示しており、矢印“5"は、ロックウェルＣ硬度、30の
軟質鉄金属のミクロ領域を示している。実施例２は、こ
の種の焼結コンパクトの形成方法を詳細に説明してい
る。 第５図の顕微鏡写真においては、矢印“6"は、ロック
ウェルＣ硬度、41のオーステナイト・ステンレススチー
ルのミクロ領域を示しており、矢印“7"はロックウェル
Ｂ硬度、84の軟質鉄金属のミクロ領域を示しており、か
つ矢印“8"はロックウェルＣ硬度、32の遷移鉄金属ミク
ロ領域を示している（この場合、ある程度のマルテンサ
イトスチール物質が形成されているものと信じられ
る）。実施例３は、この種の焼結コンパクトの形成方法
を詳細に説明している。 グリーンコンパクトは通常は自動的に、取扱われると
共に焼結炉へ移送され、そこでコンパクトの焼結が行な
われる。焼結は、コンパクトをそのほとんどの成分の液
化温度より低い温度に加熱することによる、コンパクト
内の隣接面の接合である。 総体的に非常に低量の炭素および他の成分を有する軟
質鉄粉末は、極めて実用的なグリーン強度をもたらすた
めに、噴霧オーステナイト・ステンレススチール粉末と
等しい割合、またはそれより低い割合、たとえば45/55
の小さい割合で利用できる。他方、マルテンサイト・ス
テンレススチール、たとえばA.I.S.Iグレード410は、オ
ーステナイト物質に対して約1.5:1〜約3:1の割合で最良
に利用される。グリーンコンパクトはオーステナイト・
ステンレススチール粉末の約25％〜約55％を包含して、
バルブシート・インサートのような適用例において、適
切な耐摩耗性および耐食性を展開している。 場合により、噴霧オーステナイト・ステンレススチー
ル粉末は、たとえば粘着干渉酸化物を除去し、粉末を軟
化するために、1010℃（1850゜F）〜1093℃（2000゜F）
の温度の解離アンモニアの還元雰囲気中で還元焼なまし
処理される。しかし、この操作は、この発明の目的性能
を達成するために必ずしも必要なわけではない。 コンパクト形成のための粉末混合体は、通常は微細粉
末形態を有する種々の他の金属および非金属成分と混合
することができる。コンパクトの約５重量％までの量の
銅粉末は、見かけ上で強化剤の作用を有しているが；こ
れは主として焼結中のサイズ変化を制御すると共に、部
品の緻密化のために利用される。典型的には硼素鉄とし
て付加される約0.1％までの量の硼素は焼結助剤とされ
得るが、これは高い焼結温度を必要とすることから、こ
の使用は随意的なものである。約0.05％までの量の燐も
焼結助剤である。 黒鉛は、コンパクトを形成する粉末質量に炭素を付加
するための主要な実用手段であり、その理由は焼結は通
常、かなり短時間で行なわれ、かつ鉄成分との相互作用
のためのピーク温度は限られた時間だけであるからであ
る。 通常の逃出潤滑剤が、他の物質の結合重量に基づいて
総体的に約0.5〜1.0％の割合でコンパクトの形成に利用
される。典型的な潤滑剤としてはステアリン酸亜鉛、ワ
ックス、および適切なエチレン・ステアリン酸アミド組
成物が包含されており、これら組成物は焼結により揮発
する。 各硫黄、窒素および酸素の実用的最大量は約0.50％で
ある。一般に、用いられる粉末ステンレススチールは、
９〜16.5％クロム、0.5〜４％ニッケル、ある程度の0.0
5〜4.0％マンガン、いくらかのモリブデン、および少な
くともある程度の許容不純物および鉄に含有される炭素
からなる混合物とされるが、これらのパーセンテージは
総混合体重量に基づくものである。マンガンも鉄合金と
して付加することができる。 通常方法によるコンパクトの形成は、形成されるべき
部品に適合するダイ（小さい寸法変化が生じる場合は、
そのための許容値を有する）中で、約6.2〜9.3ton/cm3
（40〜60ton/in2.）において粉末を圧縮することにより
行なわれる。焼結は低露点（たとえば、−33.3℃（28゜
F）またはそれより低温）温度を有する水素または解離
アンモニア雰囲気中で、1149℃（2100゜F）で約３時間
行なわれることが好ましい。コンパクトは通常、約30分
間を越えてピーク温度に維持されないようにされる。好
ましくはオーステナイト・ステンレススチールの粒子サ
イズ範囲は、100メッシュのふるいより約10％を越えな
い粗粒度で、かつ325メッシュのふるいを通過するもの
の約50％を越えない粒度（ふるいは、合衆国ふるいシリ
ーズによる）にされる。他の金属粉末は通常、同一の総
体的範囲になされ、場合により325メッシュのふるいを
通過する55％またはそれを越える少し微細なものとされ
る。ダイ中への流動特性およびその穴が悪影響を受けな
いか、あるいは混合体または得られたグリーン体の緊密
性および焼結されたものの強度が実質的に低下しない限
り、使用される粉末の粒子サイズ範囲はかなり広範にな
される。 コンパクト形成にあたり、約5.4ton/cm3（35ton/i
n2.）より低圧で行なうことは有用ではない。約9.3〜1
0.8ton/cm3（60〜65ton/in2.）より高い圧力は有用では
あるが、通常は余分の費用をかける程の価値はない。約
1060℃（1940゜F）より低温での焼結は、任意の合理的
時間内で強度を達成するためには極めて実用的ではな
く、また約1121℃（2250゜F）より実質的に高い温度は
同様に、制御することが困難であると共に、炉の悪化を
もたらすことになる。これらの温度は焼結炉のピーク温
度であり、焼結強度を達成するために、可能な限り短時
間（望ましくは25〜40分、好ましくは30〜35分間）に維
持される。もちろん炉温度は、コンパクトが炉内を継続
的に走行される場合は、上昇領域にプラットホームを構
成することができる。場合によっては１時間程度の総焼
結時間を用いることができると共に、４時間を越える時
間は経済性に欠ける。 有利には、焼結されたコンパクトは、特に急速に冷却
されるバルブシート・インサートのような小型部品の場
合は、空冷される。 時には、焼結されたコンパクトを時効硬化（ageharde
ning）により、たとえばこのコンパクトを解離アンモニ
ア雰囲気中に、538℃（1000゜F）で８時間保持すること
により、さらに硬化させることが望まれるが、これはあ
まりに必要ではなく、この発明の良好なバルブシート・
インサートを形成するには、高価な方法と考えられる。
しかし場合によっては、加工硬化がもたらされる前に特
に硬質とされる部品を製造するには、このような熱硬化
操作が有用である。 焼結されたコンパクトは、時効硬化されるか、されな
いかにかかわらず、典型的には研磨により仕上げ処理さ
れるが、必要により要求される許容範囲を達成するため
に別のタイプの機械加工によっても処理される。必要な
場合はこれら焼結された物品は研磨により容易に仕上げ
た処理を行なうことができる。仕上げ処理された物品
は、バルブシート・インサートとして形成されるのに加
えて、ピストンリング、シールリング、ギアおよび他の
耐摩耗性物品として形成することができる。 以下の例はこの発明の実施方法を示しているが、限定
する意味のものではない。この明細書において、すべて
のパーセンテージは重量パーセンテージであり、すべて
の部は重量部であり、またすべての温度は特に指示しな
い限り、゜Fである。実施例に示される粉末組成の明細
は以下の通り表示される： 実施例において、用いられた黒鉛粉末は、サウスウェ
スタンInc.製造のサウスウエスタン（商標）1651グレー
ドのものである。鉄粉末はヘガネス・コーポレーション
により供給されるヘガネス（商標）1000Bか、QMPコーポ
レーションにより供給されるアトメット（商標）28とさ
れた。銅粉末は、SCMコーポレーションにより供給され
るグレードRXH150とされた。 実施例１ 水噴霧されるオーステナイト・ステンレススチール粉
末IIが、同重量の鉄粉末に十分な黒鉛と銅粉末を加えた
ものと混合されて、表１に示すような明細Ｉを有する全
体的混合物が得られた。 エチレン・ステアリン酸アミドからなる型潤滑剤（ロ
ンザ会社の商標、アクラワックスＣ）がこの混合物に混
合された（非潤滑混合物の重量に基づいて0.75％）。 得られた潤滑剤を包含する混合物が、6.2〜6.5ton/cm
3（40〜42ton/in2.）において圧縮されて、約5.1cm（2i
n.）径のバルブシート・インサートを形成するためのグ
リーンコンパクトが形成された。これらグリーン体は11
49℃（2100゜F）に維持される炉内で、３時間焼結され
た（コンパクトは約1/2時間、炉温度に保持された）。
炉雰囲気は、−33.3℃（−28゜F）の露点温度を有する
解離アンモニアであった。 グリーンコンパクトの密度、g/cc 6.2 焼結コンパクトの密度、g/cc 6.11 焼結による理論最大（full）密度の％ 80 焼結硬度、ロックウェルＢ、見かけ値 70 時効硬化＊、ロックウェルＢ、見かけ値 90 最終引張り強度（KSI） 42〜44 ＊時効硬度は、焼結コンパクトを538℃（1000゜F）に８
時間保持することによりなされた。 この物品は、必要あるいは所望により、研磨により仕
上げ処理することができる。しかし、形成されたバルブ
シート・インサートは使用に適すると共に、良好な耐摩
耗性を示した。オーステナイト・ステンレススチール表
面領域は使用により加工硬化する。 実施例２ 水噴霧されるオーステナイト・ステンレススチール粉
末II（30部）がほぼ同一サイズの70部のマルテンサイト
（A.I.S.I.グレード410）・ステンレススチールおよび
粉末黒鉛と混合されて、表１に示すような全体的な混合
組成物IIが得られた。これは次いで、実施例Ｉの混合物
と同様に圧縮および焼結された。これにより以下の特性
を有するコンパクトが得られた： グリーンコンパクトの密度、g/cc 6.2 焼結コンパクトの密度、g/cc 6.14 焼結による理論最大密度の％ 80 焼結硬度、ロックウェルＢ、見かけ値 70 時効硬化＊、ロックウェルＢ、見かけ値 90 最終引張り強度（KSI） 39 ＊時効硬化は、焼結コンパクトを538℃（1000゜F）に８
時間保持することによりなされた。 実施例３ 水噴霧されるオーステナイト・ステンレススチール粉
末Ｉが、等量の鉄粉末と十分な黒鉛および銅粉末とを加
えたものと混合されて、表１に示すような明細IIIを有
する全体的混合物が得られた。 この混合物は実施例１と同様に潤滑処理された。これ
は次いで実施例１の混合物と同様に圧縮および焼結され
た。これにより以下の特性を有するコンパクトが得られ
た： コンパクト欠および焼結作業により、以下の特性を有
する材料が得られた： グリーンコンパクトの密度、g/cc 6.3 焼結コンパクトの密度、g/cc 6.1 焼結による理論最大密度の％ 80 空隙度％ 19 焼結中の径変化 1.75％ 焼結硬化、ロックウェルＢ、見かけ値 74 時効硬化、ロックウェルＢ、見かけ値 25 最終引張り強度、PSI×1000（KSI） 43 427℃（800゜F）、12KSI負荷時のクリープ歪/h 0.15％ ＊時効硬化は、焼結コンパクトを538℃（1000゜F）に８
時間保持することによりなされた。 この発明の多くの修正および変更が、これまでの説明
から当業者にとって可能であろう。 （発明の効果） 本発明によれば、オーステナイト・ステンレススチー
ル粉末を使用して、焼結部品の自動製造を容易にすると
ともに、この粉末よりも圧縮緻密性に富んだ軟質鉄金属
成分と、熱処理後の機械的強度をもたらす粉末炭素を含
有する混合物によりグリーンコンパクトを形成すること
ができ、さらに、このグリーンコンパクトを熱処理する
ことにより、オーステナイト・ステンレススチール成分
は、ミクロ領域を形成し、このミクロ領域が炭化物及び
炭窒化物を含有する軟質鉄金属成分によって包囲または
架橋されるので、耐食性及び耐摩耗性の高い焼結金属コ
ンパクトを作り上げるのができる。 その結果、本発明の焼結金属コンパクトは、耐摩耗性
を有する製品となり、高温下で使用されるエンジン用バ
ルブ部品、特にバルブシート・インサートの利用が広が
る。
【図面の簡単な説明】
第１および２図はこの発明により形成された自動車用エ
ンジンのバルブシート・インサートの立面図および平面
図、第３、４および５図はそれぞれ実施例１、２、およ
び３により形成された本発明のエッチングおよび仕上げ
処理された焼結コンパクト標片の金属組織の各顕微鏡写
真図である。
ンジンのバルブシート・インサートの立面図および平面
図、第３、４および５図はそれぞれ実施例１、２、およ
び３により形成された本発明のエッチングおよび仕上げ
処理された焼結コンパクト標片の金属組織の各顕微鏡写
真図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ジョン ネイル ギルマー
アメリカ合衆国，ミシガン 48018，フ
ァーミングトンヒルズ，ハーグローブ
コート 32944
(72)発明者 ディビッド ルイス ボネスティール
アメリカ合衆国，ミシガン 49083，リ
ッチランド，ウエスト ガル レイク
ドライブ 1245
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．噴霧混合した予備合金化オーステナイト・ステンレ
ススチール粉末と、軟質鉄金属成分と粉末炭素を含有す
る混合物を圧縮成形及び燒結して、予備合金化オーステ
ナイト・ステンレススチール及び軟質鉄金属の散在ミク
ロ領域を包含すると共に、前記オーステナイト・ステン
レススチールのミクロ領域が、炭化物及び炭窒化物を含
有していることを特徴とする、エンジン用バルブ部品に
用いる燒結金属コンパクト。 ２．前記オーステナイト・ステンレススチール粉末の重
量％が約25〜50％である特許請求の範囲第１項に記載の
燒結金属コンパクト。 ３．約０〜５％の銅、2.0％までのモリブデン、及び約
0.05〜５％のマンガンを含有する特許請求の範囲第１項
に記載の燒結金属コンパクト。 ４．時効硬化された特許請求の範囲第１項に記載の燒結
金属コンパクト。 ５．噴霧混合した予備合金化オーステナイト・ステンレ
ススチール粉末と、軟質鉄金属成分と、粉末炭素とを含
有する混合物から、圧縮成形して所定のインサート形状
を有するグリーンコンパクトを形成し、 このグリーンコンパクトを熱処理して燒結金属コンパク
トを形成する各ステップを含み、 前記オーステナイト・ステンレススチール成分は、燒結
コンパクト中にミクロ領域を形成し、かつこのミクロ領
域は、軟質鉄金属成分によって包囲または架橋されて、
炭化物及び炭窒化物を含有するようにしたことを特徴と
するエンジン用バルブ部品に用いる燒結金属コンパクト
の製造方法。 ６．前記グリーンコンパクトが、前記オーステナイト・
ステンレススチール粉末を約25〜50重量％含有してい
る、特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ７．前記粉末炭素が黒鉛である、特許請求の範囲第５項
に記載の方法。 ８．前記軟質鉄金属がマルテンサイト・ステンレススチ
ール粉末である、特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ９．前記グリーンコンパクトの化学組成成分は、 炭素 1.0〜2.0％、クロム 9.0〜16.5％、モリブデン
０〜2.0％、ニッケル 0.5〜4.0％、シリコン ０〜
1.8％、マンガン 0.05〜5.0％、銅 ０〜5.0％、窒素
０〜0.50％、燐 ０〜0.50％、硫黄 ０〜0.50％、鉄
残り、 からなることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
の方法。 １０．前記グリーンコンパクトの化学組成成分は、 炭素 1.0〜2.0％、クロム 9.0〜11.0％、モリブデン
０〜2.0％、ニッケル 0.5〜1.5％、シリコン ０〜
0.2％、マンガン 3.0〜5.0％、銅 2.0〜5.0％、鉄
残り、 からなることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
の方法。 １１．前記焼結コンパクトが時効硬化される、特許請求
の範囲第５項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US924,348 | 1986-10-29 | ||
| US06/924,348 US4724000A (en) | 1986-10-29 | 1986-10-29 | Powdered metal valve seat insert |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63114904A JPS63114904A (ja) | 1988-05-19 |
| JP2687125B2 true JP2687125B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=25450110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62263654A Expired - Lifetime JP2687125B2 (ja) | 1986-10-29 | 1987-10-19 | エンジン用バルブ部品に用いる焼結金属コンパクトおよびその製造方法。 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4724000A (ja) |
| EP (1) | EP0266935B1 (ja) |
| JP (1) | JP2687125B2 (ja) |
| DE (1) | DE3770411D1 (ja) |
Families Citing this family (39)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE457356C (sv) * | 1986-12-30 | 1990-01-15 | Uddeholm Tooling Ab | Verktygsstaal avsett foer kallbearbetning |
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