JP4001450B2 - 内燃機関用バルブシートおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば内燃機関等に使用して好適な鉄基焼結バルブシートおよびその製造方法に係り、特に、基地を改善して高温耐摩耗性とともに被削性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車産業は、近年の不況に対処すべく、コスト低減の施策の下、過剰性能を抑制した各部品の最適設計を行っており、内燃機関のバルブシートについても必要な耐摩耗性の確保に加えて、切削性が良好であることおよび安価であることが、より一層厳しく求められている。本出願人も先に、特開平９−１９５０１２号、特開平９−１９５０１３号、特開平９−１９５０１４号、特開平１１−３３５７９９号において、耐摩耗性とともに被削性を向上させた安価な耐摩耗性焼結合金を提案している。
【０００３】
特開平９−１９５０１２号公報で開示の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：０．７３６〜９．６５％、Ｃｕ：０．７３６〜２．８９５％、Ｍｏ：０．２９４〜０．９６５％、Ｃｒ：０．１２〜６．２５％、Ｃ：０．５０８〜２．０％で、（１）マルテンサイトと、（２）ソルバイトおよび／または上部ベイナイトの核を有し、その核を取り囲むベイナイトと、（３）Ｎｉ濃度の高いオーステナイトと、（４）Ｃｒ濃度の高いフェライトで覆われた主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相からなる組織を呈するものであり、Ｎｉ：１〜１０％、Ｃｕ：１〜３％、Ｍｏ：０．４〜１％をＦｅ粉に部分拡散付着させた粉末に、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を３〜２５％、黒鉛粉を０．５〜１．４％を混合した粉末を用いることを骨子としている。
【０００４】
特開平９−１９５０１３号公報で開示の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：０．７３６〜５．７９％、Ｃｒ：０．１２〜６．２５％、Ｍｏ：０．２９４〜０．９６５％、Ｃ：０．５０８〜２．０％で、ベイナイトあるいはベイナイトとソルバイトの混合組織の基地中に、主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＣｒ濃度の高いフェライトとその周囲を更に取り囲むマルテンサイトの相が分散する組織を呈するものであり、Ｎｉ：１〜６％、Ｍｏ：０．４〜１％の合金粉末に、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を３〜２５％、黒鉛粉を０．５〜１．４％を混合した粉末を用いることを骨子としている。
【０００５】
特開平９−１９５０１４号公報で開示の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：０．７３６〜５．７９％、Ｃｒ：０．１２〜６．２５％、Ｍｏ：０．３６８〜１．９３％、Ｃ：０．５０８〜２．０％で、（１）ベイナイトあるいはベイナイトとソルバイトと、（２）マルテンサイトと、（３）オーステナイトの混合組織中に、主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＣｒ濃度の高いフェライトとその周囲を更に取り囲むマルテンサイトの相が分散する組織を呈するものであり、Ｍｏ：０．５〜２％で残部がＦｅの合金粉末にＮｉ：１〜６％を部分拡散付着させた粉末に、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を３〜２５％、黒鉛粉を０．５〜１．４％を混合した粉末を用いることを骨子としている。
【０００６】
特開平１１−３３５７９９号で開示の耐摩耗性焼結合金は、Ｆｅ粉にＮｉ粉を添加することで強化した基地に、前記特開平９−１９５０１２号公報、前記特開平９−１９５０１３号公報および前記特開平９−１９５０１４号公報で用いたＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を硬質相形成のために添加し、成形−焼結した焼結体に場合によって深冷処理を施すことにより組織中のオーステナイト量を適正化することを骨子としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように本出願人も時代の要請に従い、耐摩耗性と被削性が良好であり、かつ安価であるバルブシート用耐摩耗性焼結合金を提供してきたが、近年の景気の低迷により、より一層の性能の最適化および低廉化が望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本出願人は基地組織を最適化することで、硬質相を分散させなくても必要な耐摩耗性が確保できることを見出し、硬質粒子の添加を廃することで、被削性を向上させるとともに価格も抑えたバルブシートの開発に成功した。すなわち、本発明のバルブシートは、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％と、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの面積比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖの範囲内であり、かつ、上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと、上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉとをＦｅに固溶させた合金粉末を用いて焼結されることにより組織にＮｉが均一に分散していることを特徴としている。
以下、本発明の限定理由を作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は質量％を示すものとする。
【０００９】
マルテンサイトは、通常は焼入れ後焼戻したものが用いられるので、硬く強度が高いと一般には考えられている。しかしながら、マルテンサイト組織をバルブシートとして用いる場合には、通常は焼戻しを行わないために強度は他の組織よりも逆に低くなる。また、バルブシートは、通常、バルブガイドとともにエンジンヘッドに組み付けられた後、芯出し調整のため加工されるが、硬質なマルテンサイトは加工性を劣化させるため好ましくない。さらに、マルテンサイトは硬質であるが脆い組織であるため、エンジン運転時において相手材となるバルブを摩耗させるとともに、摩耗した組織が研磨粒子として作用し、相手材とともに自己についても摩耗が促進する。したがって、マルテンサイト単一の組織ではバルブシートとして使用できない。一方、フェライトおよびパーライトは硬さ、強度に乏しく耐摩耗性が低いため、バルブシートとしては不適当である。
【００１０】
以上の理由より、本発明者等が金属組織として着目したのがベイナイトである。本発明者等の検討によれば、ベイナイトはマルテンサイトに次いで硬く強度が高い組織であり、基地硬さが２５０Ｈｖ以上のベイナイトを単一組織としてバルブシートに用いた場合には、自己の耐摩耗性と相手攻撃性の少なさのバランスがとれて好適である。すなわち、基地がベイナイトであっても、基地硬さが２５０Ｈｖを下回ると硬さが不足し、摩耗量が増大することが判明している。
【００１１】
本発明者等は、ベイナイトは単一で用いても良いが、さらに耐摩耗性を向上させるためにはベイナイトの基地組織中にマルテンサイトを５０％まで分散させても良いことを見い出した。５０％以上のマルテンサイトは、上記の性質が強く表れるようになり相手材攻撃性が高まって、耐摩耗性がかえって低下する。また、マルテンサイトが５０％以下であっても基地硬さが８５０Ｈｖより硬いマルテンサイトは、脆弱で相手攻撃性が高いためバルブシートとして不適である。
【００１２】
以上のように、ベイナイト単相のみもしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみの基地で自己の耐摩耗性は十分で、それ以上の硬質相の存在はいたずらにコストの上昇を招く以上に、被削性を悪くし、さらに相手材への攻撃性を高めるため不要である。そして、上記のベイナイト単相もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織は、冷却速度を操作し、恒温変態させて得ることもできるが、このような操作はコスト的に不利で、通常の焼結後の冷却において上記組織が得られることが理想である。そのためには、以下のような成分組成とする。
【００１３】
上記バルブシートの金属組織を得易くするために、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含む。また、Ｃが共析組成量または亜共析組成量であることが望ましい。Ｃが過共析組成量である場合には、セメンタイトが基地中に析出して硬質相として作用し、被削性および強度が低下するとともに相手部品に対する攻撃性が増加する。
【００１４】
また、一層の耐摩耗性の向上を望む場合には、上記バルブシートにおいて、質量比で、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．０９〜１％およびＶ：０．０５〜０．６％のうち少なくとも１種をさらに含むことが望ましい。さらに、一層の被削性の向上を望む場合には、上記バルブシートの金属組織中に、ＭｎＳ粒子、珪酸マグネシウム系鉱物粒子、ＣａＦ２粒子、ＢＮ粒子、ＭｏＳ２粒子およびＦｅＳ粒子のうち少なくとも１種が、質量比で、０．１〜１．５％さらに分散すること、および／または、バルブシートの気孔中にアクリル樹脂、および鉛または鉛合金のいずれかが充填され分散していることが望ましい。
【００１５】
上記成分の限定理由は以下のとおりである。
Ｍｏ：鋼中のＭｏは、図１に示すように、ＣＣＴ（連続冷却変態）線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行させるとともにベイナイト領域を大きくする作用がある。したがって、適量のＭｏを含有することにより、焼結後の炉内冷却速度でベイナイト組織が得易くなる。また、Ｍｏは基地の焼戻し軟化抵抗を高める作用があり、加熱と冷却が繰り返されるバルブシートでは、使用中のへたりを防止する上で有効である。Ｍｏの含有量が０．４％未満であると上記効果が不十分で、基地組織中にパーライトが残留するようになる。また、Ｍｏの含有量が４％を超えると上記効果の向上が乏しくなるほか、Ｍｏ過共析炭化物（硬質相）が析出し易くなり、被削性を低下させるとともに相手材攻撃性が高まる。このＭｏの作用を基地全体に均一に得るためには、ＭｏはＦｅ−Ｍｏ合金粉末の形態で付与することが望ましい。
【００１６】
Ｃ：Ｃは、ＣＣＴ線図のフェライト領域を冷却速度の遅い側に移行させ、焼結後の冷却速度でベイナイト単相の組織を得るため添加する。Ｃは合金粉末に固溶した形態で与えると粉末が硬くなって圧縮性が低下するため、全量を黒鉛粉末の形態で付与する。
基地中のＣ量が０．２％未満であると上記した効果が不十分でフェライトが残留する。また、１．１％を超えると過共析炭化物（硬質相）が析出し、被削性が低下するとともに相手材攻撃性が高まる。より理想的には基地の共析組成になる量のＣ量が望ましい。
【００１７】
基地を強化して耐摩耗性の向上を図るために、下記の元素を追加して添加することができる。
Ｎｉ：Ｎｉは、基地に固溶して強化するとともに焼結後の冷却速度でマルテンサイトを得やすくするため添加する。この効果を得るためにはＮｉの含有量は０．６％以上必要である。一方、Ｎｉの過度の添加はマルテンサイト量を多くするとともに、耐摩耗性の低いオーステナイトが残留するようになるため、上限を５％とする必要がある。
【００１８】
Ｎｉの付与形態として、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させて与えるとＮｉが均一になるためベイナイト単相組織が得やすい。一方、Ｎｉを単味粉あるいは前記Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に部分拡散により付着させた粉末の形態で与えると、基地中にＮｉ濃度の高い部分が偏在することとなり、Ｎｉ濃度の高い部分がマルテンサイトに変態するためベイナイト組織中にマルテンサイトが分散する組織を得易い。ただし単味粉として用いる場合、Ｎｉの拡散が不十分であるとオーステナイトが残留するため焼結時間を長めに設定してＮｉの拡散を十分に行う必要がある。よって、本発明では、ＮｉをＦｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末を用いて焼結する。
【００１９】
Ｃｒ：Ｃｒは、Ｍｏと同様にＣＣＴ線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行するとともにベイナイト領域を拡張する作用がある。そのような作用を得るためにはＣｒの含有量は０．０５％以上必要である。その作用を基地全体で均一に得るためと、Ｃｒは酸化し易いことから、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末、あるいは他の元素と合金化した合金粉末の形態で付与することが好ましい。ただし過度の添加はＣｒ炭化物の析出を引き起こし、相手材攻撃性が高め、被削性を低下させる。よってＣｒ含有量の上限を２％とする必要がある。
【００２０】
Ｃｕ：Ｃｕは、基地に固溶して強化するとともに焼結後の冷却速度でマルテンサイトを得やすくするため０．５％以上添加する。一方、過度の添加は、基地強化の効果向上に乏しくなるとともに基地中に軟質なＣｕ相が析出するため上限を５％とした。
【００２１】
Ｍｎ：Ｍｎは、基地に固溶して強化して耐摩耗性を向上させるとともに焼結後の冷却速度でマルテンサイトを得やすくする作用がある。そのような作用を得るためには、Ｍｎの含有量は０．０９％以上である必要がある。Ｍｎは酸化しやすいのでＦｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末、あるいは他の元素と合金化した合金粉末の形態で付与することが望ましい。一方、Ｍｎの過度の添加は基地強化の効果を逆に滅殺するとともに、Ｍｎ炭化物の析出を引き起こし、これによって相手材攻撃性が高め被削性を低下させる。よって、Ｍｎの含有量は１％以下とする必要がある。
【００２２】
Ｖ：Ｖは、Ｍｏと同様にＣＣＴ線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行するとともにベイナイト領域を拡張する作用がある。そのような作用を得るためにはＶの含有量は０．０５％以上必要である。また、その効果を基地全体で均一に得るためと、Ｖは酸化しやすいことから、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末、あるいは他の元素と合金化した合金粉末の形態で付与することが好ましい。ただし過度の添加はＶ炭化物の析出を引き起こし、相手材攻撃性が高め被削性を低下させる。よって、Ｖの含有量は０．６％以下とする必要がある。
【００２３】
ＭｎＳ、珪酸マグネシウム系鉱物、ＣａＦ２、ＢＮ、ＭｏＳ２およびＦｅＳ：
上記バルブシートの金属組織中にＭｎＳ、珪酸マグネシウム系鉱物、ＣａＦ２、ＢＮ、ＭｏＳ２およびＦｅＳのうちの１種もしくは２種以上の粒子を０．１〜１．５％分散させると好適である。これらは被削性改善成分であり、基地中に分散させることによって切削加工の際に切屑のブレーキングの起点となり、焼結合金の被削性を改善することができる。これら被削性改善成分の含有量は、０．１％未満であるとその効果が不充分であり、１．５質量％を超えて含有するとこれら被削性改善成分が焼結時に粉末どうしの拡散を阻害する結果、焼結合金の強度が低下する。よって、上記被削性改善成分の含有量は０．１〜１．５％とした。
【００２４】
アクリル樹脂、および鉛または鉛合金：
また、上記バルブシートの気孔中に、鉛や鉛合金またはアクリル樹脂を含有させると好適である。これらも被削性改善成分であり、特に、気孔を有する焼結合金を切削すると断続切削となるが、鉛や鉛合金を気孔中に含有させることによって連続切削となり、工具の刃先への衝撃が緩和される。また、鉛や鉛合金は固体潤滑剤としても機能し、アクリル樹脂は切屑のチップブレーキングの起点となる機能がある。
【００２５】
次に、本発明のバルブシートの製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％、Ｃ：０．２〜１．１％、Ｎｉ：０．６〜５％を含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖの範囲内であるバルブシートの製造方法において、
上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉおよび残部Ｆｅならびに不可避不純物からなる合金粉末と、上記Ｃの全量に相当する黒鉛粉末とを混合し、この混合粉末を成形後に焼結して製品とすることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の他のバルブシートの製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％と、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含み、さらに、Ｃｕ：０．５〜５％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．０９〜１％およびＶ：０．０５〜０．６％のうち少なくとも１種以上を含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖであるバルブシートの製造方法において、バルブシートを構成する成分元素のうち少なくとも上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉとを上記Ｆｅに固溶させるとともに、上記ＣｒおよびＭｎのうち少なくともいずれか一方を上記Ｆｅに固溶させた合金粉末と、上記Ｃの全量に相当する黒鉛粉末とを混合し、この混合粉末を成形後に焼結して製品とすることを特徴としている。
【００２７】
ここで、上記製造方法において、ＭｎＳ粉末、珪酸マグネシウム系鉱物粉末、ＣａＦ２粉末、ＢＮ粉末、ＭｏＳ２粉末およびＦｅＳ粉末のうち少なくとも１種をさらに０．１〜１．５％混合することができる。また、上記製造方法において、焼結体の気孔中にアクリル樹脂、および鉛または鉛合金のいずれかを含浸もしくは溶浸することもできる。
【００２８】
【実施例】
表１に示す組成のＦｅ−Ｍｏ系合金粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末、黒鉛粉末を用意し、表１に示す割合で粉末を混合した。この混合粉末を用いて成形圧力６．５ｔｏｎ／ｃｍ２で外径５０ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒状に成形し、アンモニア分解ガス雰囲気中１１８０℃で６０分間焼結して、表２に示す成分組成を有する合金（合金番号１〜５０）を得た。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】
以上の合金の表面をナイタールで腐食してその顕微鏡写真から金属組織中のベイナイトとマルテンサイトの面積割合を画像解析装置（キーエンス社製）を用いて測定し、その結果を表３に示した。また、基地の硬さをマイクロビッカース硬度試験機を用いて測定し、基地硬さの最大値と最小値を表３に示した。また、以上の合金について圧環強さを測定するとともに、簡易摩耗試験を行った。その結果を表３に併せて示した。なお、簡易摩耗試験は、アルミ合金製ハウジングにバルブシート形状に加工した焼結合金を圧入嵌合し、バルブをモータ駆動による偏心カムの回転で上下ピストン運動させることにより、バルブのフェース面とバルブシートのシート面とを繰り返し衝突させる試験である。また、この試験での温度の設定は、バルブの傘をバーナーで加熱することにより行い、簡易的にエンジン室内での使用環境を模した試験とした。今回の試験では、偏心カムの回転数を２７００ｒｐｍ、バルブシート部分の試験温度を２５０℃、繰り返し時間を１５時間に設定し、試験後のバルブシートおよびバルブの摩耗量を測定して評価を行った。
【００３２】
【表３】
【００３３】
（１）Ｍｏの影響
図２はＭｏ量が互いに異なる各合金（合金１〜８）のＭｏ量と基地硬さおよびベイナイト量（ベイナイトとマルテンサイトの混合組織におけるベイナイトの割合）との関係を示したもので、図３は各合金のＭｏ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図２および図３から判るように、Ｍｏの含有量が０．４％になると基地硬さが急増し、バルブシートの摩耗量が急減するとともに圧環強さが増加している。そして、Ｍｏ量の増加に伴って基地硬さも増加し、バルブシート摩耗量が減少するとともに圧環強さが増加してゆく。Ｍｏ量が１．５％以上になるとマルテンサイトの割合が増加し、それに伴って基地硬さは増加するが、圧環強さは低下する。また、Ｍｏ量が３．５％を超えたあたりからバルブの摩耗量が増え始め、４％を超えた合金８ではバルブシートの摩耗も増加している。合金８では、マルテンサイトの割合が５０％を超えるとともにＭｏ過共析炭化物が生成して硬さが８５０Ｈｖを超え、その結果、バルブの摩耗が促進されてバルブシートの摩耗量を増加させている。
【００３５】
（３）Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末中のＮｉ量の影響
図６はＦｅ−Ｍｏ系合金粉末中のＮｉ量を種々設定した各合金（合金１６〜２２）のＮｉ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図７は各合金のＮｉ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図６および図７から判るように、Ｎｉを４％含む合金粉末を使用した合金１７，２０〜２２では、Ｎｉを１％含む粉末を使用したものと比べて基地が硬くバルブシートの摩耗量も少ない。
【００３６】
（４）Ｃｒ量の影響
図８はＣｒ量が互いに異なる各合金（合金１６，２３〜２７）のＣｒ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図９は各合金のＣｒ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図８および図９から判るように、Ｃｒの含有量が０．０５％以上で基地硬さが増加し、バルブおよびバルブシートの摩耗量が減少する。また、圧環強さは高い値で安定している。一方、Ｃｒ量が２％を超える合金２７では、Ｃｒ炭化物の析出によりバルブの摩耗を促進し、その結果、バルブシートの摩耗も増加している。
【００３８】
（６）Ｃ量の影響
図１２はＣ量が互いに異なる各合金（合金３４〜３９）のＣ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図１３は各合金のＣ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図１２および図１３から判るように、Ｃの含有量が０．２％以上で基地硬さが増加し、バルブおよびバルブシートの摩耗量が急減するとともに圧環強さが急増する。一方、Ｃ量が１．１％を超える合金３９では、過共析炭化物が析出するとともにマルテンサイト量が５０％を超えてバルブの摩耗を促進し、その結果、バルブシートの摩耗も増加している。
【００３９】
（７）ＭｎＳ量の影響
図１４はＭｎＳ量が互いに異なる各合金（合金１２，４０〜４４）のＭｎＳ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図１５は各合金のＭｎＳ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図１２および図１３から判るように、ＭｎＳ量が変化しても基地硬さは２５０Ｈｖ以上で変わらず、また、１％程度まではバルブおよびバルブシートの摩耗量は低い値で安定している。
【００４０】
（８）被削性改善成分の影響
図１６は各種被削性改善成分を含有する合金（合金４１，４５〜４８）の基地硬さおよびベイナイト量を示したもので、図１７は各合金の摩耗量および圧環強さを示したものである。図１６および図１７から判るように、被削性改善成分を含んでも基地硬さは２５０Ｈｖ以上であり、バルブおよびバルブシートの摩耗量も低い値で安定している。また、圧環強さも８５０ＭＰａ以上で安定している。
【００４１】
（９）溶浸・含浸の有無の影響
図１８は気孔中に被削性改善成分を溶浸または含浸させた合金（合金１２，４９，５０）の基地硬さおよびベイナイト量を示したもので、図１９は各合金の摩耗量および圧環強さを示したものである。図１８および図１９から判るように、被削性改善成分を含んでも基地硬さは２５０Ｈｖ以上であり、バルブおよびバルブシートの摩耗量も低い値で安定している。また、圧環強さも９００ＭＰａ以上で安定している。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、基地組織を最適化して耐摩耗性を確保したことにより高価な硬質粒子を廃することができ、被削性を向上させるとともに低廉化を達成したもので、安価で高品質なバルブシートを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｍｏを含む合金の連続冷却変態線図である。
【図２】 Ｍｏ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図３】 Ｍｏ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図４】 合金粉末中のＮｉ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図５】 合金粉末中のＮｉ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図６】 Ｃｒ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図７】 Ｃｒ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図８】 Ｃ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図９】 Ｃ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図１０】 ＭｎＳ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図１１】 ＭｎＳ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図１２】 被削性改善成分が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図１３】 被削性改善成分が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図１４】 被削性改善成分の溶浸または含浸の有無が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図１５】 被削性改善成分の溶浸または含浸の有無が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば内燃機関等に使用して好適な鉄基焼結バルブシートおよびその製造方法に係り、特に、基地を改善して高温耐摩耗性とともに被削性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車産業は、近年の不況に対処すべく、コスト低減の施策の下、過剰性能を抑制した各部品の最適設計を行っており、内燃機関のバルブシートについても必要な耐摩耗性の確保に加えて、切削性が良好であることおよび安価であることが、より一層厳しく求められている。本出願人も先に、特開平９−１９５０１２号、特開平９−１９５０１３号、特開平９−１９５０１４号、特開平１１−３３５７９９号において、耐摩耗性とともに被削性を向上させた安価な耐摩耗性焼結合金を提案している。
【０００３】
特開平９−１９５０１２号公報で開示の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：０．７３６〜９．６５％、Ｃｕ：０．７３６〜２．８９５％、Ｍｏ：０．２９４〜０．９６５％、Ｃｒ：０．１２〜６．２５％、Ｃ：０．５０８〜２．０％で、（１）マルテンサイトと、（２）ソルバイトおよび／または上部ベイナイトの核を有し、その核を取り囲むベイナイトと、（３）Ｎｉ濃度の高いオーステナイトと、（４）Ｃｒ濃度の高いフェライトで覆われた主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相からなる組織を呈するものであり、Ｎｉ：１〜１０％、Ｃｕ：１〜３％、Ｍｏ：０．４〜１％をＦｅ粉に部分拡散付着させた粉末に、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を３〜２５％、黒鉛粉を０．５〜１．４％を混合した粉末を用いることを骨子としている。
【０００４】
特開平９−１９５０１３号公報で開示の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：０．７３６〜５．７９％、Ｃｒ：０．１２〜６．２５％、Ｍｏ：０．２９４〜０．９６５％、Ｃ：０．５０８〜２．０％で、ベイナイトあるいはベイナイトとソルバイトの混合組織の基地中に、主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＣｒ濃度の高いフェライトとその周囲を更に取り囲むマルテンサイトの相が分散する組織を呈するものであり、Ｎｉ：１〜６％、Ｍｏ：０．４〜１％の合金粉末に、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を３〜２５％、黒鉛粉を０．５〜１．４％を混合した粉末を用いることを骨子としている。
【０００５】
特開平９−１９５０１４号公報で開示の耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：０．７３６〜５．７９％、Ｃｒ：０．１２〜６．２５％、Ｍｏ：０．３６８〜１．９３％、Ｃ：０．５０８〜２．０％で、（１）ベイナイトあるいはベイナイトとソルバイトと、（２）マルテンサイトと、（３）オーステナイトの混合組織中に、主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＣｒ濃度の高いフェライトとその周囲を更に取り囲むマルテンサイトの相が分散する組織を呈するものであり、Ｍｏ：０．５〜２％で残部がＦｅの合金粉末にＮｉ：１〜６％を部分拡散付着させた粉末に、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を３〜２５％、黒鉛粉を０．５〜１．４％を混合した粉末を用いることを骨子としている。
【０００６】
特開平１１−３３５７９９号で開示の耐摩耗性焼結合金は、Ｆｅ粉にＮｉ粉を添加することで強化した基地に、前記特開平９−１９５０１２号公報、前記特開平９−１９５０１３号公報および前記特開平９−１９５０１４号公報で用いたＦｅ−Ｃｒ系合金粉末を硬質相形成のために添加し、成形−焼結した焼結体に場合によって深冷処理を施すことにより組織中のオーステナイト量を適正化することを骨子としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように本出願人も時代の要請に従い、耐摩耗性と被削性が良好であり、かつ安価であるバルブシート用耐摩耗性焼結合金を提供してきたが、近年の景気の低迷により、より一層の性能の最適化および低廉化が望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本出願人は基地組織を最適化することで、硬質相を分散させなくても必要な耐摩耗性が確保できることを見出し、硬質粒子の添加を廃することで、被削性を向上させるとともに価格も抑えたバルブシートの開発に成功した。すなわち、本発明のバルブシートは、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％と、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの面積比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖの範囲内であり、かつ、上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと、上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉとをＦｅに固溶させた合金粉末を用いて焼結されることにより組織にＮｉが均一に分散していることを特徴としている。
以下、本発明の限定理由を作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は質量％を示すものとする。
【０００９】
マルテンサイトは、通常は焼入れ後焼戻したものが用いられるので、硬く強度が高いと一般には考えられている。しかしながら、マルテンサイト組織をバルブシートとして用いる場合には、通常は焼戻しを行わないために強度は他の組織よりも逆に低くなる。また、バルブシートは、通常、バルブガイドとともにエンジンヘッドに組み付けられた後、芯出し調整のため加工されるが、硬質なマルテンサイトは加工性を劣化させるため好ましくない。さらに、マルテンサイトは硬質であるが脆い組織であるため、エンジン運転時において相手材となるバルブを摩耗させるとともに、摩耗した組織が研磨粒子として作用し、相手材とともに自己についても摩耗が促進する。したがって、マルテンサイト単一の組織ではバルブシートとして使用できない。一方、フェライトおよびパーライトは硬さ、強度に乏しく耐摩耗性が低いため、バルブシートとしては不適当である。
【００１０】
以上の理由より、本発明者等が金属組織として着目したのがベイナイトである。本発明者等の検討によれば、ベイナイトはマルテンサイトに次いで硬く強度が高い組織であり、基地硬さが２５０Ｈｖ以上のベイナイトを単一組織としてバルブシートに用いた場合には、自己の耐摩耗性と相手攻撃性の少なさのバランスがとれて好適である。すなわち、基地がベイナイトであっても、基地硬さが２５０Ｈｖを下回ると硬さが不足し、摩耗量が増大することが判明している。
【００１１】
本発明者等は、ベイナイトは単一で用いても良いが、さらに耐摩耗性を向上させるためにはベイナイトの基地組織中にマルテンサイトを５０％まで分散させても良いことを見い出した。５０％以上のマルテンサイトは、上記の性質が強く表れるようになり相手材攻撃性が高まって、耐摩耗性がかえって低下する。また、マルテンサイトが５０％以下であっても基地硬さが８５０Ｈｖより硬いマルテンサイトは、脆弱で相手攻撃性が高いためバルブシートとして不適である。
【００１２】
以上のように、ベイナイト単相のみもしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみの基地で自己の耐摩耗性は十分で、それ以上の硬質相の存在はいたずらにコストの上昇を招く以上に、被削性を悪くし、さらに相手材への攻撃性を高めるため不要である。そして、上記のベイナイト単相もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合組織は、冷却速度を操作し、恒温変態させて得ることもできるが、このような操作はコスト的に不利で、通常の焼結後の冷却において上記組織が得られることが理想である。そのためには、以下のような成分組成とする。
【００１３】
上記バルブシートの金属組織を得易くするために、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含む。また、Ｃが共析組成量または亜共析組成量であることが望ましい。Ｃが過共析組成量である場合には、セメンタイトが基地中に析出して硬質相として作用し、被削性および強度が低下するとともに相手部品に対する攻撃性が増加する。
【００１４】
また、一層の耐摩耗性の向上を望む場合には、上記バルブシートにおいて、質量比で、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．０９〜１％およびＶ：０．０５〜０．６％のうち少なくとも１種をさらに含むことが望ましい。さらに、一層の被削性の向上を望む場合には、上記バルブシートの金属組織中に、ＭｎＳ粒子、珪酸マグネシウム系鉱物粒子、ＣａＦ２粒子、ＢＮ粒子、ＭｏＳ２粒子およびＦｅＳ粒子のうち少なくとも１種が、質量比で、０．１〜１．５％さらに分散すること、および／または、バルブシートの気孔中にアクリル樹脂、および鉛または鉛合金のいずれかが充填され分散していることが望ましい。
【００１５】
上記成分の限定理由は以下のとおりである。
Ｍｏ：鋼中のＭｏは、図１に示すように、ＣＣＴ（連続冷却変態）線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行させるとともにベイナイト領域を大きくする作用がある。したがって、適量のＭｏを含有することにより、焼結後の炉内冷却速度でベイナイト組織が得易くなる。また、Ｍｏは基地の焼戻し軟化抵抗を高める作用があり、加熱と冷却が繰り返されるバルブシートでは、使用中のへたりを防止する上で有効である。Ｍｏの含有量が０．４％未満であると上記効果が不十分で、基地組織中にパーライトが残留するようになる。また、Ｍｏの含有量が４％を超えると上記効果の向上が乏しくなるほか、Ｍｏ過共析炭化物（硬質相）が析出し易くなり、被削性を低下させるとともに相手材攻撃性が高まる。このＭｏの作用を基地全体に均一に得るためには、ＭｏはＦｅ−Ｍｏ合金粉末の形態で付与することが望ましい。
【００１６】
Ｃ：Ｃは、ＣＣＴ線図のフェライト領域を冷却速度の遅い側に移行させ、焼結後の冷却速度でベイナイト単相の組織を得るため添加する。Ｃは合金粉末に固溶した形態で与えると粉末が硬くなって圧縮性が低下するため、全量を黒鉛粉末の形態で付与する。
基地中のＣ量が０．２％未満であると上記した効果が不十分でフェライトが残留する。また、１．１％を超えると過共析炭化物（硬質相）が析出し、被削性が低下するとともに相手材攻撃性が高まる。より理想的には基地の共析組成になる量のＣ量が望ましい。
【００１７】
基地を強化して耐摩耗性の向上を図るために、下記の元素を追加して添加することができる。
Ｎｉ：Ｎｉは、基地に固溶して強化するとともに焼結後の冷却速度でマルテンサイトを得やすくするため添加する。この効果を得るためにはＮｉの含有量は０．６％以上必要である。一方、Ｎｉの過度の添加はマルテンサイト量を多くするとともに、耐摩耗性の低いオーステナイトが残留するようになるため、上限を５％とする必要がある。
【００１８】
Ｎｉの付与形態として、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させて与えるとＮｉが均一になるためベイナイト単相組織が得やすい。一方、Ｎｉを単味粉あるいは前記Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に部分拡散により付着させた粉末の形態で与えると、基地中にＮｉ濃度の高い部分が偏在することとなり、Ｎｉ濃度の高い部分がマルテンサイトに変態するためベイナイト組織中にマルテンサイトが分散する組織を得易い。ただし単味粉として用いる場合、Ｎｉの拡散が不十分であるとオーステナイトが残留するため焼結時間を長めに設定してＮｉの拡散を十分に行う必要がある。よって、本発明では、ＮｉをＦｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末を用いて焼結する。
【００１９】
Ｃｒ：Ｃｒは、Ｍｏと同様にＣＣＴ線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行するとともにベイナイト領域を拡張する作用がある。そのような作用を得るためにはＣｒの含有量は０．０５％以上必要である。その作用を基地全体で均一に得るためと、Ｃｒは酸化し易いことから、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末、あるいは他の元素と合金化した合金粉末の形態で付与することが好ましい。ただし過度の添加はＣｒ炭化物の析出を引き起こし、相手材攻撃性が高め、被削性を低下させる。よってＣｒ含有量の上限を２％とする必要がある。
【００２０】
Ｃｕ：Ｃｕは、基地に固溶して強化するとともに焼結後の冷却速度でマルテンサイトを得やすくするため０．５％以上添加する。一方、過度の添加は、基地強化の効果向上に乏しくなるとともに基地中に軟質なＣｕ相が析出するため上限を５％とした。
【００２１】
Ｍｎ：Ｍｎは、基地に固溶して強化して耐摩耗性を向上させるとともに焼結後の冷却速度でマルテンサイトを得やすくする作用がある。そのような作用を得るためには、Ｍｎの含有量は０．０９％以上である必要がある。Ｍｎは酸化しやすいのでＦｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末、あるいは他の元素と合金化した合金粉末の形態で付与することが望ましい。一方、Ｍｎの過度の添加は基地強化の効果を逆に滅殺するとともに、Ｍｎ炭化物の析出を引き起こし、これによって相手材攻撃性が高め被削性を低下させる。よって、Ｍｎの含有量は１％以下とする必要がある。
【００２２】
Ｖ：Ｖは、Ｍｏと同様にＣＣＴ線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行するとともにベイナイト領域を拡張する作用がある。そのような作用を得るためにはＶの含有量は０．０５％以上必要である。また、その効果を基地全体で均一に得るためと、Ｖは酸化しやすいことから、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末に固溶させた合金粉末、あるいは他の元素と合金化した合金粉末の形態で付与することが好ましい。ただし過度の添加はＶ炭化物の析出を引き起こし、相手材攻撃性が高め被削性を低下させる。よって、Ｖの含有量は０．６％以下とする必要がある。
【００２３】
ＭｎＳ、珪酸マグネシウム系鉱物、ＣａＦ２、ＢＮ、ＭｏＳ２およびＦｅＳ：
上記バルブシートの金属組織中にＭｎＳ、珪酸マグネシウム系鉱物、ＣａＦ２、ＢＮ、ＭｏＳ２およびＦｅＳのうちの１種もしくは２種以上の粒子を０．１〜１．５％分散させると好適である。これらは被削性改善成分であり、基地中に分散させることによって切削加工の際に切屑のブレーキングの起点となり、焼結合金の被削性を改善することができる。これら被削性改善成分の含有量は、０．１％未満であるとその効果が不充分であり、１．５質量％を超えて含有するとこれら被削性改善成分が焼結時に粉末どうしの拡散を阻害する結果、焼結合金の強度が低下する。よって、上記被削性改善成分の含有量は０．１〜１．５％とした。
【００２４】
アクリル樹脂、および鉛または鉛合金：
また、上記バルブシートの気孔中に、鉛や鉛合金またはアクリル樹脂を含有させると好適である。これらも被削性改善成分であり、特に、気孔を有する焼結合金を切削すると断続切削となるが、鉛や鉛合金を気孔中に含有させることによって連続切削となり、工具の刃先への衝撃が緩和される。また、鉛や鉛合金は固体潤滑剤としても機能し、アクリル樹脂は切屑のチップブレーキングの起点となる機能がある。
【００２５】
次に、本発明のバルブシートの製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％、Ｃ：０．２〜１．１％、Ｎｉ：０．６〜５％を含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖの範囲内であるバルブシートの製造方法において、
上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉおよび残部Ｆｅならびに不可避不純物からなる合金粉末と、上記Ｃの全量に相当する黒鉛粉末とを混合し、この混合粉末を成形後に焼結して製品とすることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の他のバルブシートの製造方法は、質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％と、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含み、さらに、Ｃｕ：０．５〜５％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．０９〜１％およびＶ：０．０５〜０．６％のうち少なくとも１種以上を含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖであるバルブシートの製造方法において、バルブシートを構成する成分元素のうち少なくとも上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉとを上記Ｆｅに固溶させるとともに、上記ＣｒおよびＭｎのうち少なくともいずれか一方を上記Ｆｅに固溶させた合金粉末と、上記Ｃの全量に相当する黒鉛粉末とを混合し、この混合粉末を成形後に焼結して製品とすることを特徴としている。
【００２７】
ここで、上記製造方法において、ＭｎＳ粉末、珪酸マグネシウム系鉱物粉末、ＣａＦ２粉末、ＢＮ粉末、ＭｏＳ２粉末およびＦｅＳ粉末のうち少なくとも１種をさらに０．１〜１．５％混合することができる。また、上記製造方法において、焼結体の気孔中にアクリル樹脂、および鉛または鉛合金のいずれかを含浸もしくは溶浸することもできる。
【００２８】
【実施例】
表１に示す組成のＦｅ−Ｍｏ系合金粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末、黒鉛粉末を用意し、表１に示す割合で粉末を混合した。この混合粉末を用いて成形圧力６．５ｔｏｎ／ｃｍ２で外径５０ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒状に成形し、アンモニア分解ガス雰囲気中１１８０℃で６０分間焼結して、表２に示す成分組成を有する合金（合金番号１〜５０）を得た。
【００２９】
【表１】
【表２】
以上の合金の表面をナイタールで腐食してその顕微鏡写真から金属組織中のベイナイトとマルテンサイトの面積割合を画像解析装置（キーエンス社製）を用いて測定し、その結果を表３に示した。また、基地の硬さをマイクロビッカース硬度試験機を用いて測定し、基地硬さの最大値と最小値を表３に示した。また、以上の合金について圧環強さを測定するとともに、簡易摩耗試験を行った。その結果を表３に併せて示した。なお、簡易摩耗試験は、アルミ合金製ハウジングにバルブシート形状に加工した焼結合金を圧入嵌合し、バルブをモータ駆動による偏心カムの回転で上下ピストン運動させることにより、バルブのフェース面とバルブシートのシート面とを繰り返し衝突させる試験である。また、この試験での温度の設定は、バルブの傘をバーナーで加熱することにより行い、簡易的にエンジン室内での使用環境を模した試験とした。今回の試験では、偏心カムの回転数を２７００ｒｐｍ、バルブシート部分の試験温度を２５０℃、繰り返し時間を１５時間に設定し、試験後のバルブシートおよびバルブの摩耗量を測定して評価を行った。
【００３２】
【表３】
（１）Ｍｏの影響
図２はＭｏ量が互いに異なる各合金（合金１〜８）のＭｏ量と基地硬さおよびベイナイト量（ベイナイトとマルテンサイトの混合組織におけるベイナイトの割合）との関係を示したもので、図３は各合金のＭｏ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図２および図３から判るように、Ｍｏの含有量が０．４％になると基地硬さが急増し、バルブシートの摩耗量が急減するとともに圧環強さが増加している。そして、Ｍｏ量の増加に伴って基地硬さも増加し、バルブシート摩耗量が減少するとともに圧環強さが増加してゆく。Ｍｏ量が１．５％以上になるとマルテンサイトの割合が増加し、それに伴って基地硬さは増加するが、圧環強さは低下する。また、Ｍｏ量が３．５％を超えたあたりからバルブの摩耗量が増え始め、４％を超えた合金８ではバルブシートの摩耗も増加している。合金８では、マルテンサイトの割合が５０％を超えるとともにＭｏ過共析炭化物が生成して硬さが８５０Ｈｖを超え、その結果、バルブの摩耗が促進されてバルブシートの摩耗量を増加させている。
【００３５】
（３）Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末中のＮｉ量の影響
図６はＦｅ−Ｍｏ系合金粉末中のＮｉ量を種々設定した各合金（合金１６〜２２）のＮｉ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図７は各合金のＮｉ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図６および図７から判るように、Ｎｉを４％含む合金粉末を使用した合金１７，２０〜２２では、Ｎｉを１％含む粉末を使用したものと比べて基地が硬くバルブシートの摩耗量も少ない。
【００３６】
（４）Ｃｒ量の影響
図８はＣｒ量が互いに異なる各合金（合金１６，２３〜２７）のＣｒ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図９は各合金のＣｒ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図８および図９から判るように、Ｃｒの含有量が０．０５％以上で基地硬さが増加し、バルブおよびバルブシートの摩耗量が減少する。また、圧環強さは高い値で安定している。一方、Ｃｒ量が２％を超える合金２７では、Ｃｒ炭化物の析出によりバルブの摩耗を促進し、その結果、バルブシートの摩耗も増加している。
【００３８】
（６）Ｃ量の影響
図１２はＣ量が互いに異なる各合金（合金３４〜３９）のＣ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図１３は各合金のＣ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図１２および図１３から判るように、Ｃの含有量が０．２％以上で基地硬さが増加し、バルブおよびバルブシートの摩耗量が急減するとともに圧環強さが急増する。一方、Ｃ量が１．１％を超える合金３９では、過共析炭化物が析出するとともにマルテンサイト量が５０％を超えてバルブの摩耗を促進し、その結果、バルブシートの摩耗も増加している。
【００３９】
（７）ＭｎＳ量の影響
図１４はＭｎＳ量が互いに異なる各合金（合金１２，４０〜４４）のＭｎＳ量と基地硬さおよびベイナイト量との関係を示したもので、図１５は各合金のＭｎＳ量と摩耗量および圧環強さとの関係を示したものである。図１２および図１３から判るように、ＭｎＳ量が変化しても基地硬さは２５０Ｈｖ以上で変わらず、また、１％程度まではバルブおよびバルブシートの摩耗量は低い値で安定している。
【００４０】
（８）被削性改善成分の影響
図１６は各種被削性改善成分を含有する合金（合金４１，４５〜４８）の基地硬さおよびベイナイト量を示したもので、図１７は各合金の摩耗量および圧環強さを示したものである。図１６および図１７から判るように、被削性改善成分を含んでも基地硬さは２５０Ｈｖ以上であり、バルブおよびバルブシートの摩耗量も低い値で安定している。また、圧環強さも８５０ＭＰａ以上で安定している。
【００４１】
（９）溶浸・含浸の有無の影響
図１８は気孔中に被削性改善成分を溶浸または含浸させた合金（合金１２，４９，５０）の基地硬さおよびベイナイト量を示したもので、図１９は各合金の摩耗量および圧環強さを示したものである。図１８および図１９から判るように、被削性改善成分を含んでも基地硬さは２５０Ｈｖ以上であり、バルブおよびバルブシートの摩耗量も低い値で安定している。また、圧環強さも９００ＭＰａ以上で安定している。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、基地組織を最適化して耐摩耗性を確保したことにより高価な硬質粒子を廃することができ、被削性を向上させるとともに低廉化を達成したもので、安価で高品質なバルブシートを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｍｏを含む合金の連続冷却変態線図である。
【図２】 Ｍｏ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図３】 Ｍｏ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図４】 合金粉末中のＮｉ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図５】 合金粉末中のＮｉ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図６】 Ｃｒ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図７】 Ｃｒ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図８】 Ｃ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図９】 Ｃ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図１０】 ＭｎＳ量が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図１１】 ＭｎＳ量が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図１２】 被削性改善成分が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図１３】 被削性改善成分が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
【図１４】 被削性改善成分の溶浸または含浸の有無が基地硬さとベイナイト量に与える影響を示す線図である。
【図１５】 被削性改善成分の溶浸または含浸の有無が摩耗量と圧環強さに与える影響を示す線図である。
Claims (9)
- 質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％と、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの面積比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖの範囲内であり、かつ、上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと、上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉとをＦｅに固溶させた合金粉末を用いて焼結されることにより組織にＮｉが均一に分散していることを特徴とする内燃機関用バルブシート。
- Ｃが共析組成量または亜共析組成量であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブシート。
- 質量比で、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．０９〜１％のうち少なくとも１種をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用バルブシート。
- 金属組織中に、ＭｎＳ粒子、珪酸マグネシウム系鉱物粒子、ＣａＦ２粒子、ＢＮ粒子、ＭｏＳ２粒子およびＦｅＳ粒子のうち少なくとも１種が、質量比で、０．１〜１．５％さらに分散することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用バルブシート。
- 気孔中にアクリル樹脂、および鉛または鉛合金のいずれかが充填され分散していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関用バルブシート。
- 質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％、Ｃ：０．２〜１．１％、Ｎｉ：０．６〜５％を含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖの範囲内であるバルブシートの製造方法において、
上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉおよび残部Ｆｅならびに不可避不純物からなる合金粉末と、上記Ｃの全量に相当する黒鉛粉末とを混合し、この混合粉末を成形後に焼結して製品とすることを特徴とする内燃機関用バルブシートの製造方法。 - 質量比で、Ｍｏ：０．４〜４％と、Ｃ：０．２〜１．１％と、Ｎｉ：０．６〜５％とを含み、さらに、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．０９〜１％のうち少なくとも１種以上を含み、金属組織がベイナイト単相のみ、もしくはベイナイトとマルテンサイトの混合相のみからなる組織を呈するとともに、断面におけるベイナイトとマルテンサイトの比が１００：０〜５０：５０であって、かつ、基地硬さが２５０〜８５０Ｈｖであるバルブシートの製造方法において、
バルブシートを構成する成分元素のうち少なくとも上記Ｍｏの全量に相当する含有量のＭｏと上記Ｎｉの全量に相当する含有量のＮｉとを上記Ｆｅに固溶させるとともに、上記ＣｒおよびＭｎのうち少なくともいずれか一方を上記Ｆｅに固溶させた合金粉末と、上記Ｃの全量に相当する黒鉛粉末とを混合し、この混合粉末を成形後に焼結して製品とすることを特徴とする内燃機関用バルブシートの製造方法。 - ＭｎＳ粉末、珪酸マグネシウム系鉱物粉末、ＣａＦ２粉末、ＢＮ粉末、ＭｏＳ２粉末およびＦｅＳ粉末のうち少なくとも１種を質量比で０．１〜１．５％用いることを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関用バルブシートの製造方法。
- 焼結体の気孔中にアクリル樹脂、および鉛または鉛合金のいずれかを含浸もしくは溶浸することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関用バルブシートの製造方法。
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