JP3957234B2

JP3957234B2 - 耐摩耗性鉄基焼結合金材

Info

Publication number: JP3957234B2
Application number: JP18902497A
Authority: JP
Inventors: 輝夫高橋; 新垣内; 博幸佐野
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: JPH1121659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結合金材に係り、とくに内燃機関用のバルブシート等摺動部材に好適な鉄基焼結合金材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バルブシートは、燃焼ガスのシールとバルブを冷却する役割を担ってエンジンのシリンダヘッドに圧入されて使用されてきた。バルブシートは、耐熱性、耐摩耗性、耐食性に加えて、相手材であるバルブを摩耗させない相手攻撃性が要求されている。
【０００３】
従来のバルブシート用焼結合金材としては、例えば、特開昭59-25959号公報には、Ｃ、Ni、Cr、Mo、Coを多量に含み、基地組織中にＣ−Cr−Ｗ−Co−Fe粒子とFe−Mo粒子の硬質粒子が分散し、連続空孔が銅合金にて溶浸されたバルブシート用焼結合金材が開示され、強度および剛性に優れかつ耐摩耗性にすぐれたバルブシートとして使用されてきた。
【０００４】
しかし、最近は自動車エンジンにおいて、長寿命化、高出力化、排出ガス浄化、燃費向上等に対する改善要求が一段と高まり、このため、自動車エンジン用バルブシートに対しても、従来にも増して厳しい使用環境に耐えることが要求され、耐熱性、耐摩耗性をより一層向上させるとともに、高温での耐食性を向上させる必要が生じてきている。
【０００５】
このような問題に対し、例えば、特開昭62-202058 号公報には、Pb合金等を含浸させたFe−Ｃ−Co−Ni系基地組織中にFe−Mo粒子およびFe−Ｗ粒子からなる硬質粒子を分散させた焼結合金が開示させている。また、例えば、特開平6-57387 号公報には、Cr、Ni、Mn、Mo、Ｖのうち１種または２種以上を合計で２〜10％と、Ｃを0.5 〜2.0 ％を含有する鉄基合金素地中に、比重比0.2 〜0.8 、粒子径20〜150 μm のCr、Ｗ、Mo、Fe、Ｃ、CoからなるCo基合金粒子15〜35％と、固体潤滑粒子を分散させたバルブシート用鉄基合金が開示されている。
【０００６】
しかしながら、自動車用エンジンにおける気体燃料の使用あるいは筒内噴射等の新しい方式の採用に伴い、その吸気側においてバルブシートでは、燃料潤滑がなくなり、相手材との金属接触が生じるたため、上記した従来組成のバルブシートでは、摩耗が著しくなり、さらに、バルブシートの基地組織や硬質粒子の種類によっては、相手材を攻撃するという問題もあった。また、排気側のバルブシートにあっても使用条件がますます苛酷となってきており、一層の耐摩耗性向上が要求されている。さらに、潤滑効果を付与する目的で添加されるPbは、人体に有害であるため環境への排出を制限する環境汚染防止対策を必要とし、また、固体潤滑剤は粒径、添加量によっては、焼結材の機械的性質、焼結性を劣化させる傾向を有するなどの問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した問題点を有利に解決し、相手材への攻撃性を減少し、耐摩耗性を向上させ、内燃機関用バルブシート等の摺動部材として好適な耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基地相中に硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金材であって、硬質粒子を含む基地部の組成が、重量％で、Ｃ：0.7 〜1.6 ％、Si：0.1 〜１％、Mn：0.05〜１％、Cr：１〜８％、Mo：１〜10％、Ｖ：0.1 〜２％、Co：１〜20％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記基地部の組織が、前記硬質粒子を除く基地相面積を 100 ％とする面積率で、 40 〜 90 ％のパーライトと７〜 40 ％のベイナイトと３〜 20 ％の Co リッチ高合金相からなる組織であり、前記硬質粒子が粒径10〜150 μm のCr−Mo−Si−Co系金属間化合物粒子およびFe−Si−Mo金属間化合物粒子から選ばれた１種または２種からなり、該硬質粒子を面積率で５〜30％、あるいは重量％で５〜25％分散させ、さらに粒径１〜50μm のCaF₂、MnS およびBNの固体潤滑剤粒子のうち１種または２種以上を合計で、面積率で１〜40％、あるいは重量％で0.1 〜７％分散させたことを特徴とする耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金材である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の鉄基焼結合金材は、鉄基低合金組成からなる基地相と該基地相中に分散した硬質粒子とからなる基地部と、さらに、分散した固体潤滑剤粒子とから構成される。
まず、基地部の組成限定について説明する。
【００１０】
Ｃ：0.7 〜1.6 ％
Ｃは、基地相を強靱化し耐摩耗性を向上させる元素であり、0.7 ％未満では、組織がフェライト化し耐摩耗性を劣化させる。一方、1.6 ％を超えると融点が低下し、過焼結となり、強度が低下する。このため、Ｃは0.7 〜1.6 ％の範囲とした。
【００１１】
Si：0.1 〜１％
Siは、主として硬質粒子中に含まれ、耐摩耗性を向上させる。しかし、0.1 ％未満では、焼結性が低下するとともに硬質粒子量が減少するため、所望の耐摩耗性が得られなくなる。一方、１％を超えると硬質粒子量が増加するとともにSiが過拡散するため、相手材攻撃性が増加する。このため、Siは0.1 〜１％の範囲に限定した。
【００１２】
Mn：0.05〜１％
Mnは、基地相を強化し耐摩耗性を向上させる元素であり、0.05％以上の添加でその効果が認められないが、１％を超える添加では硬さが増加し相手材攻撃性が増加する。このため、Mnは0.05〜１％の範囲に限定した。
Cr：１〜８％
Crは、基地相あるいは硬質粒子中に含まれ、硬さ、耐摩耗性、耐熱性を高める元素であるが、１％未満では硬質粒子量が不足し、硬さが低下し耐摩耗性に悪影響を及ぼし、一方、８％を超えると硬質粒子量が過多となり、硬さが増加しすぎて相手材攻撃性が増加する。このようなことから、Crは１〜８％に限定した。
【００１３】
Mo：１〜10％
Moは、基地相を強化するとともに、硬質粒子に含まれ、耐摩耗性を向上する。
１％未満では、硬質粒子量が不足し、硬さが低下し耐摩耗性が劣化する。一方、10％を超えると、硬質粒子量が過多となり、硬さが増加しすぎて相手材攻撃性が増加する。このようなことから、Moは１〜10％に限定した。
【００１４】
Ｖ：0.1 〜２％
Ｖは、基地相を強化し耐摩耗性を向上する。0.1 ％未満では、硬さの増加が少なく耐摩耗性が劣化する。一方、２％を超えると、硬さが増加しすぎて相手材攻撃性が増加する。このようなことから、Ｖは0.1 〜２％に限定した。
Co：１〜20％
Coは、基地相あるいは硬質粒子中に含まれ、耐摩耗性を向上させる。Coは硬質粒子と基地相との結合を強化したり、基地中に固溶し耐熱性を向上させる効果を有する。しかし、１％未満ではその効果が認められない。一方、20％を超えると硬質粒子量が増加するため、相手材攻撃性が増加する。このため、Coは１〜20％の範囲に限定した。
【００１５】
本発明の焼結合金材の基地部は上記元素以外の残部は実質的にFeからなる。
また、本発明の焼結合金材の基地部に分散する硬質粒子は、Cr−Mo−Si−Co系金属間化合物粒子およびFe−Si−Mo金属間化合物粒子から選ばれた１種または２種からなる。
硬質粒子であるCr−Mo−Si−Co系金属間化合物粒子は、Cr、Mo、Siの総量が20〜50％の範囲で残部が実質的にCoである金属間化合物粉末として添加するのが好ましい。Cr、Mo、Siの総量が20％未満では、基地中へのCoの過拡散が生じやすく、またCr、Mo、Siの総量が50％を超えると、相手材攻撃性が増加する。
【００１６】
硬質粒子であるFe−Si−Mo金属間化合物粒子は、Fe、Siが50〜80％の範囲で残部が実質的にMoからなる金属間化合物粉末として添加するのが好ましい。
本発明では上記した硬質粒子の粒径は10〜150 μm とする。10μm 未満の粒では、焼結時に硬質粒子成分が基地相に拡散し、硬度が低下する。また、150 μm を超える粒では、被削性が低下し、相手材攻撃性が増加する。
【００１７】
上記した硬質粒子を基地相中に、硬質粒子、固体潤滑剤粒子を除いた基地相に対する面積率で５〜30％、あるいは基地相、硬質粒子、固体潤滑剤粒子の合計量に対し重量％で５〜25％分散させる。
硬質粒子が面積率で５％未満、あるいは重量％で５％未満では、硬質粒子量が少なく耐摩耗性が低下する。一方、硬質粒子を面積率で30％超、重量％で25％を超えて分散させると、圧粉性、被削性が低下するとともに相手材への攻撃性が増加する。
【００１８】
本発明の焼結合金材では、基地相、硬質粒子に加えて固体潤滑剤粒子を分散させる。
固体潤滑剤粒子は、粒径１〜50μm のCaF₂、MnS およびBNのうち１種または２種以上を添加できる。固体潤滑剤粒子は、被削性、耐摩耗性を向上させ、相手攻撃性を減少させるために分散させる。
【００１９】
固体潤滑剤粒子は、硬質粒子、固体潤滑剤粒子を除いた基地相に対する面積率で、合計１〜40％、あるいは基地相、硬質粒子、固体潤滑剤粒子の合計量に対し重量％で、合計0.1 〜７％分散させる。
固体潤滑剤粒子量が面積率で１％未満、あるいは重量％で 0.1％未満では、固体潤滑剤粒子量が少なく耐摩耗性が低下するとともに相手材に対する攻撃性が増加する。一方、固体潤滑剤粒子量が面積率で40％を超えると、あるいは重量％で７％を超えると、圧粉性、焼結性、被削性、機械的特性が低下する。
【００２０】
固体潤滑剤粒子は、CaF₂単独では、面積率で10〜40％、あるいは重量％で0.5 〜７％の範囲とするのが好ましく、MnS 単独では面積率で１〜15％、あるいは重量％で0.1 〜５％の範囲、BN単独では面積率で１〜15％、あるいは重量％で0.1 〜３％の範囲とするのが好ましい。
また、固体潤滑剤粒子の粒径が１μm 未満では、その効果が期待できず、一方、50μm を超えると、焼結性、圧粉性に悪影響を及ぼす。このため、固体潤滑剤粒子の粒径は１〜50μm に限定した。
【００２１】
また、基地部の組織は、前記硬質粒子を除く基地相面積を100 ％とする面積率で、40〜90％のパーライトと７〜40％のベイナイトと３〜20％のCoリッチ高合金相からなる組織とする。
基地相の組織のうち、パーライトが40％未満では基地硬さが高くなり相手材への攻撃性が増加する。また、ベイナイト40％を超えると基地硬さが高くなり相手材への攻撃性が増加し、ベイナイト７％未満では基地硬さが低下し耐摩耗性が低下する。また、Coリッチ高合金相が20％を超えると基地硬さが高くなり相手材への攻撃性が増加し、Coリッチ高合金相が３％未満では基地硬さが低下し耐摩耗性が低下する。
【００２２】
本発明の焼結合金材の組織の１例を図１に示す。
ＭＢは、基地部であり、基地相（Ｍ）と基地相中に硬質粒子（Ｈ、この例はCr-Mo-Si-Co 金属間化合物粒子）が分散している。ＳＪは固体潤滑材粒子であり、この例はCaF₂である。基地相の組織は、パーライト（Ｐ) ベイナイト（Ｂ) とCoリッチ高合金相（Ｃ）と硬質粒子からなっている。Coリッチ高合金相は、Co拡散相からなり、硬さHv 500程度の硬さを有し、基地相中に分散して耐摩耗性を向上させる。
【００２３】
本発明の焼結合金材の組織の他の１例を図２に示す。
ＭＢは、基地部であり、基地相（Ｍ）と基地相中に硬質粒子（Ｈ、この例はCr-Mo-Si-Co 金属間化合物粒子）が分散している。ＳＪは固体潤滑剤粒子であり、この例はMnS である。
本発明の焼結合金材を得るには、純鉄粉に、Si、Mn、Cr、Mo、ＶあるいはさらにCoの単粉を混合するか、純鉄にSi、Mn、Cr、Mo、ＶあるいはさらにCoを予合金した高Cr系合金粉あるいは高Cr系合金粉と合金元素単粉との混合粉にＣ粉および硬質粒子粉を上記基地部組成となるように配合し、さらに、固体潤滑剤粉末を上記した範囲内となるように配合し混練する。なお、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛等を配合してもよい。
【００２４】
これら粉末を金型に充填し、成型プレス等により圧縮・成型し圧粉体とする。ついで、圧粉体を焼結させて焼結体を得る。
本発明の焼結合金材は、圧粉体を1080〜1200℃の温度範囲で加熱し、焼結させるのが好ましい。1080℃未満では、焼結拡散が不足し、基地の形成が不十分であり、1200℃を超えると硬質粒子、基地の過拡散が生じ、耐摩耗性が劣化する。
【００２５】
【実施例】
鉄を主体とし、Cr、Mo、Ｖ、Mnを含む高Cr系合金粉にＣ粉と、あるいはCo粉と、硬質粒子粉とを表１に示す基地部組成になるように配合し、さらに表１に示す量の固体潤滑剤を配合し混練し、混合粉とする。これら混合粉を金型に充填し、成形プレスにより圧縮・成形し圧粉体とする。ついで、これら圧粉体を1080℃〜1200℃の還元雰囲気中で15〜70min の焼結を行い焼結体とした。得られた焼結体の基地部の組成、および組織を表１に示す。
【００２６】
これら焼結体からバルブシートを加工し、図３に示す単体リグ摩耗試験機で耐摩耗性を調査した。試験条件は、つぎのとおりである。
試験温度：400 ℃（シート面）
コンタクト数：1.6 ×10⁶
カム回転数：3000rpm
バルブ回転数：20rpm
スプリング荷重：35kgf （セット時）
バルブ材：ＳＵＨ 35
リフト量：７mm
試験結果を表２に示す。
【００２７】
なお、比較例として、表１に示す基地部組成となるように純鉄粉、合金粉あるいは金属単粉、およびＣ粉、硬質粒子粉を混合し、あるいはさらに固体潤滑剤を添加し混練し混合粉とし、本発明例と同じ条件で焼結した。バルブシートの耐摩耗性を本発明例と同様に調査し結果を表２に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【表３】

【００３１】
【表４】

【００３２】
【表５】

本発明例の試験No. １〜11 、 13 、15では、バルブシートの摩耗量が10〜29μm であり、相手材の摩耗量も０〜22μm であり、本発明の範囲を外れる比較例の試験No.16 〜21におけるバルブシートの摩耗量15〜50μm 、相手材の摩耗量３〜45μm にくらべ摩耗量が少なく、耐摩耗性が向上しかつ相手材攻撃性も低下していることがわかる。とくに、基地部の組織が本発明の範囲を外れる比較例の試験No.17 は、ベイナイト、Coリッチ高合金相の量が高く、相手材攻撃性が増加している。また、硬質粒子径が本発明の範囲を低く外れる試験No.18 は、バルブシートの摩耗量が増加している。硬質粒子径が本発明の範囲を高く外れる試験No.19 は、バルブの摩耗量が増加して、相手材攻撃性が増加する。さらに、固体潤滑剤無添加の試験No.16 、No.20 、No.21 はバルブシートの耐摩耗性が劣化している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、厳しい運転状況にも適用できる耐摩耗性に優れた焼結合金材が得られ、自動車用バルブシート等摺動部材に適用でき産業上格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明例の焼結合金材の光学顕微鏡組織を示す写真であり、（ｂ）は（ａ）のスケッチ図である。
【図２】（ａ）は、本発明例の焼結合金材の光学顕微鏡組織を示す写真であり、（ｂ）は（ａ）のスケッチ図である。
【図３】単体リグ摩耗試験機の概略説明図である。

Claims

鉄基合金組成からなる基地相中に硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金材であって、硬質粒子を含む基地部の組成が、重量％で、Ｃ：0.7 〜1.6 ％、Si：0.1 〜１％、Mn：0.05〜１％、Cr：１〜８％、Mo：１〜10％、Ｖ：0.1 〜２％、Co：１〜20％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記基地部の組織が、前記硬質粒子を除く基地面積を 100 ％とする面積率で、 40 〜 90 ％のパーライトと７〜 40 ％のベイナイトと３〜 20 ％の Co リッチ高合金相からなり、前記硬質粒子が粒径10〜150 μm のCr−Mo−Si−Co系金属間化合物粒子およびFe−Si−Mo金属間化合物粒子から選ばれた１種または２種からなり、該硬質粒子を重量％で５〜25％分散させ、さらに粒径１〜50μm のCaF₂、MnS およびBNの固体潤滑剤粒子のうち１種または２種以上を合計で、重量％で0.1 〜７％分散させたことを特徴とする耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金材。