JP4223184B2 - 相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗性を有するとともに相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金およびその製造方法に関するものであり、この鉄アルミナイド基燒結合金は、切削により所定の形状に成形する必要がありかつ相手攻撃性が小さい各種摺動部品、特にバルブシートの素材として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鉄アルミナイド基燒結合金は、高硬度のＦｅ₃Ａｌ，ＦｅＡｌ，ＦｅＡｌ₂，Ｆｅ₂Ａｌ₅などの金属間化合物からなるところから耐摩耗性を有することが広く知られており、さらに鉄アルミナイド基燒結合金を構成する原材料のＦｅおよびＡｌは価格が安いところからバルブシートなどの各種摺動部品の素材として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の鉄アルミナイド基燒結合金は高硬度であるために耐摩耗性に優れてはいるが、切削性が悪いところから最終寸法に精密加工するのに時間がかかり過ぎると共にバイトの消耗が激しく、さらにこの従来の鉄アルミナイド基燒結合金を用いてバルブシートなど各種摺動部品を作製しても、得られたバルブシートなど各種摺動部品相手攻撃性が大きくて実用には適さない。
したがって、耐摩耗性を保持しつつ相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金が求められていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、耐摩耗性を保持しつつ相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金を得るべく研究を行った結果、
原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｃ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末を質量％で（以下、％は質量％を示す）Ａｌ粉末：５〜３５％、Ｃ粉末：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して粉末混合物を作り、この粉末混合物を成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体に通電すると同時に加圧する通電プレス成形を施すことにより得られた鉄アルミナイド基燒結合金は、Ａｌ：５〜３５％、Ｃ：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成、並びにＦｅおよびＡｌで構成される鉄アルミナイド相とＦｅおよびＣで構成されるＦｅ−Ｃ相の２相が混在した組織を有し、この２相が混在した組織を有する鉄アルミナイド基燒結合金は耐摩耗性を保持しつつ相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた特性を有する、（ｂ）前記通電は、電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ²、通電時間：０．１〜６０秒の条件で通電することが好ましい、などの知見を得たのである。
【０００５】
この発明は、かかる知見にもとづいて成されたものであって、
（１）Ａｌ：５〜３５％、Ｃ：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鉄アルミナイド基燒結合金であって、この鉄アルミナイド基燒結合金は、ＦｅおよびＡｌで構成される鉄アルミナイド相並びにＦｅおよびＣで構成されるＦｅ−Ｃ相の２相が混在する相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金、
（２）原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｃ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌ粉末：５〜３５％、Ｃ粉末：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して粉末混合物を作り、この粉末混合物を成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体に通電すると同時に加圧する通電プレス成形を施す相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金の製造方法、に特徴を有するものである。
【０００６】
この発明の相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金を作製する際の通電プレス成形における通電条件は、電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ²（一層好ましくは１５〜５０Ａ／ｍｍ²）、通電時間：０．１〜６０秒（一層好ましくは１〜１０秒）である。この条件で通電プレス成形すると、Ａｌ粉末：５〜３５％、Ｃ粉末：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅ粉末からなる配合組成の圧粉体が短時間で焼結可能な温度にまで加熱され焼結される。この焼結時間は極めて短いために焼結中に拡散が十分に進行せず、そのためにＦｅおよびＡｌで構成される鉄アルミナイド相並びにＦｅおよびＣで構成されるＦｅ−Ｃ相の２相が混在するこの発明の鉄アルミナイド基燒結合金の組織が形成されるものと考えられる。
【０００７】
また、ＦｅおよびＡｌで構成される鉄アルミナイド相並びにＦｅおよびＣで構成されるＦｅ−Ｃ相の２相が混在する組織を有するこの発明の鉄アルミナイド基燒結合金をバイトなどの切削工具で切削すると、合金組織は鉄アルミナイド相およびＦｅ−Ｃ相の２相が混在することにより断続的に切断され、発生する切粉も断続的になって切削性が向上するものと考えられる。
さらに、この発明の鉄アルミナイド基燒結合金の組織は、高硬度を有するＦｅおよびＡｌで構成される鉄アルミナイド相によって耐摩耗性が確保され、一方ＦｅおよびＣで構成されるＦｅ−Ｃ相により相手攻撃性を小さくするものと考えられる。
【０００８】
次に、この発明の鉄アルミナイド基燒結合金を前述のごとく限定した理由を説明する。
Ａｌ：
Ａｌは、Ｆｅと反応して鉄アルミナイド相を形成し、硬さを高めて耐摩耗性を向上させる成分であるが、その含有量が５％未満では十分な量の鉄アルミナイド相を形成することが出来ないために耐摩耗性が向上せず、一方、３５％を越えて含有すると鉄アルミナイド相が多くなりすぎて切削工具の摩耗が激しくなり、切削性が低下するので好ましくない。したがって、Ａｌ含有量は５〜３５％に定めた。
Ａｌ含有量の一層好ましい範囲は１０〜２０％である。
【０００９】
Ｃ：
Ｃは鉄アルミナイド基燒結合金の素地中にＦｅ−Ｃ相を生成させて相手攻撃性を減少させる成分であるが、Ｆｅ−Ｃ相を生成させるためにはＣを０．２％以上含有させることが必要である。しかし、０．７％以上添加するとＣ相が析出して一層相手攻撃性は低下するが強度および靭性が少し落ちるところから、この発明の鉄アルミナイド基燒結合金に含まれるＣ量を０．２〜０．７％未満に定めた。Ｃ含有量の一層好ましい範囲は０．３〜０．５％である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施例１
平均粒径：５μｍのＦｅ粉末、平均粒径：２０μｍのＡｌ粉末、平均粒径：１０μｍのＣ粉末を用意し、これら粉末を配合し、得られた配合粉末に対してさらに０．７５％のバインダーを添加し混合し、得られた混合粉末を金型成形してリング状圧粉体を作製し、このリング状圧粉体をＮ₂−２０％Ｈ₂雰囲気中で４００℃、２０分間保持することによりバインダーを除去し、その後、１００ＭＰａの圧力で加圧しながら表１〜２に示される通電条件で通電プレス成形することにより表１〜２に示される成分組成を有する本発明鉄アルミナイド基燒結合金（以下、本発明合金という）１〜１５および比較鉄アルミナイド基燒結合金（以下、比較合金という）１〜３からなる外径：４０ｍｍ、内径：３０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの寸法を有するリング状焼結体を作製した。
【００１１】
得られた本発明合金１〜１５および比較合金１〜３からなるリング状焼結体の表面を研磨し、組織を金属顕微鏡で観察したところ、いずれも鉄アルミナイド相およびＦｅ−Ｃ相が混在した組織を有することが分かった。本発明合金の組織を一層理解しやすくするために本発明合金９の組織の写生図を図１に示した。図１において１はＦｅとＡｌとで構成される金属間化合物からなる鉄アルミナイド相、２はＦｅとＣとで構成するＦｅ−Ｃ相である。Ｆｅ−Ｃ相２は鉄アルミナイド相１からなる素地中に斑状に混在していることが分かる。
【００１２】
さらに平均粒径：５μｍのＦｅ粉末および平均粒径：２０μｍのＡｌ粉末を配合し、得られた配合粉末に対してさらに０．７５％のバインダーを添加し混合し、得られた混合粉末を金型成形してリング状圧粉体を作製し、このリング状圧粉体をＮ₂−２０％Ｈ₂雰囲気中で４００℃、２０分間保持することによりバインダーを除去し、その後、表２に示される条件で長時間通電すると同時に１００ＭＰａの圧力で加圧することにより表２に示される組成の従来鉄アルミナイド基燒結合金（以下、従来合金という）１からなり、外径：４０ｍｍ、内径：３０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの寸法を有するリング状焼結体を作製した。得られた従来合金１からなるリング状焼結体の表面を研磨し、組織を金属顕微鏡で観察したところ、全体が鉄アルミナイド相からなる組織を有し、Ｆｅ−Ｃ相は見られなかった。
【００１３】
このようにして得られた本発明合金１〜１５、比較合金１〜３および従来合金１からなるリング状焼結体をそれぞれ旋盤に固定し、ＣＢＮバイトを用いて、
回転数：１０００ｒｐｍ、
送り：０．０７５ｍｍ／ｒｅｖ、
取り代：０．５ｍｍ １０回×１５０個／１試料、
の条件で切削加工を行ない、切削加工終了時の工具の摩耗量を測定し、その結果を表１〜２に示すことにより切削性を評価した。
【００１４】
実施例２
実施例１において本発明合金１〜１５、比較合金１〜３および従来合金１からなるリング状焼結体を製造した条件と同じ条件で外径：４２ｍｍ、内径：３４．６ｍｍ、厚さ：６．５ｍｍの寸法を有し、図２の断面図に示される当り面４の幅Ｗが１．２０ｍｍであるバルブシート５を作製した。一方、ＳＵＨ３６の材質からなり外径が４０ｍｍの傘部分を有するバルブを用意し、このバルブの傘部分を７００℃に保持した。
【００１５】
前記本発明合金１〜１５、比較合金１〜３および従来合金１からなる当り面４を有するバルブシート５をそれぞれ内部が冷却されている治具に圧入し、前記傘部分を７００℃に保持したバルブを用い、ガソリン燃焼雰囲気中で着座荷重：３０ｋｇ、バルブ着座回数：３０００回／分の条件で１０時間試験を行ない、試験後に摩耗により広がったバルブシートの当り面４´の幅Ｗ´を測定し、当り面の幅の増加量［Ｗ´−Ｗ（＝１．２０ｍｍ）］（以下、当り幅増加量という）を求めてそこ結果を表１〜２に示し、さらにバルブの傘部分の最大摩耗深さを測定し、その結果を表１〜２に示した。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【表２】

【００１８】
表１〜２に示される結果から、以下の事項が分かる。
(ｉ)本発明合金１〜１５は、いずれも従来合金１と比べて切削工具の摩耗が少ないところから切削性に優れている、
(ii)本発明合金１〜１５を用いて作製したバルブシートは従来合金１を用いて作製したバルブシートに比べて、当り幅増加量（Ｗ´−Ｗ）が同等かまたはやや劣るが、本発明合金１〜１５を用いて作製したバルブシートによるバルブの最大摩耗深さは従来合金１を用いて作製したバルブシートによるバルブの最大摩耗深さに比べて格段に少ないところから相手攻撃性が格段に小さい、
(iii) しかし、この発明の条件から外れた含有量の比較合金１〜３は、いずれも切削工具の摩耗量が多いところから切削性が悪く、さらに当り幅増加量が大きいために耐摩耗性が劣る。
【００１９】
【発明の効果】
上述のように、この発明の相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金は、バルブシートなど各種摺動部品の特性を向上させ、自動車の高性能化、高燃費化および低公害化に対処するために開発された新型エンジンの性能向上に寄与することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の鉄アルミナイド基燒結合金の顕微鏡組織の写生図である。
【図２】実施例２で作製したバルブシートの断面説明図である。
【符号の説明】
１ 鉄アルミナイド相、
２ Ｆｅ−Ｃ相、
４ 当り幅
５ バルブシート

Claims (5)

1. 質量％で（以下、％は質量％を示す）Ａｌ：５〜３５％、Ｃ：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鉄アルミナイド基燒結合金であって、
   この鉄アルミナイド基燒結合金は、ＦｅおよびＡｌで構成される鉄アルミナイド相並びにＦｅおよびＣで構成されるＦｅ−Ｃ相の２相が混在することを特徴とする相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金。
2. 請求項１記載の鉄アルミナイド基燒結合金からなることを特徴とする鉄アルミナイド基燒結合金製バルブシート。
3. 原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｃ粉末およびＦｅ粉末を用意し、これら原料粉末をＡｌ粉末：５〜３５％、Ｃ粉末：０．２〜０．７％未満を含有し、残部がＦｅ粉末からなる組成となるように配合し混合して粉末混合物を作り、この粉末混合物を成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体に通電すると同時に加圧する通電プレス成形を施すことを特徴とする相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金の製造方法。
4. 前記通電は、電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ²、通電時間：０．１〜６０秒の条件で通電することを特徴とする請求項３記載の相手攻撃性が小さくかつ切削性に優れた鉄アルミナイド基燒結合金の製造方法。
5. 請求項３または４記載の製造方法で製造することを特徴とする鉄アルミナイド基燒結合金製バルブシートの製造方法。

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