JP6321903B2 - バルブシート用焼結合金、これを利用したバルブシート製造方法およびバルブシート - Google Patents
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Description
バルブシートは、バルブ面と接していた衝撃的な運動を反復して実行するため、損傷しない程度の硬度を有していなければならない。
従来のバルブシート(valve seat)用耐磨耗焼結合金は鉄を主成分とし、炭素0.4〜1.0重量%、ケイ素0.1〜1.0重量%、クロム0.5〜2.0重量%、モリブデン6.0〜10.0重量%、コバルト6.0〜15.0重量%、および鉛6.0〜18.0重量%を含むものが多く、また、その製造工程は下記のとおりである(例えば、引用文献1〜4参照)。
しかし、組成および含有量で製造されたバルブシート用焼結合金は、ツール(tool)過多摩耗およびピッキング問題が発生し、加工性も不良であるため、これに対する改善が必要であった。
は、MnSを添加し、テンパリングを実施して、固体潤滑性を増大させると同時にバルブシートの粗度および表面状態を向上させることができる、バルブシート用焼結合金、これを利用したバルブシート製造方法およびバルブシートを提供することにある。
重量パーセント(%)で、炭素(C)が0.8〜1.2、ニッケル(Ni)が2.0〜4.5、クロム(Cr)が3.0〜5.0、モリブデン(Mo)が16.0〜20.0、コバルト(Co)が9.0〜13.0、バナジウム(V)が0.05〜0.15、硫黄(S)が0.2〜0.8、その他Feおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉末とMnSからなり、
前記MnSは、前記合金粉末100重量部に対して0.5〜2.5重量部であり、
粒子径が12μm以下であり、
重量パーセント(%)でMnが60〜65、Sが35〜40であること、
を特徴とする。 以上
重量パーセント(%)で、炭素(C)が0.8〜1.2、ニッケル(Ni)が2.0〜
4.5、クロム(Cr)が3.0〜5.0、モリブデン(Mo)が16.0〜20.0、
コバルト(Co)が9.0〜13.0、バナジウム(V)が0.05〜0.15、硫黄(
S)が0.2〜0.8、その他にFeおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉
末にMnSをさらに含む原料を混合する段階、
前記混合された原料を成形して1次形状体を実現する段階、
前記成形された1次形状体を予備焼結する段階、
予備焼結された前記1次形状体を加圧して2次形状体を実現する段階、
前記2次形状体を本焼結する段階、および
前記本焼結された2次形状体に対してテンパリングを実施する段階、
を含み、
前記MnSは、前記合金粉末100重量部に対して0.5〜2.5重量部であり、
粒子径が12μm以下であり、
重量パーセント(%)でMnが60〜65、Sが35〜40であること、
を特徴とする。
また、テンパリングを実施した2次形状体にオイルを含浸させる段階をさらに含んでもよく、オイルが含浸した2次形状体に加工およびバレルを実施する段階をさらに含んでもよい。
本発明のバルブシートは、焼結合金によって製造されたことを特徴とする。
また、バルブシートの耐摩耗性を向上させながらもバイト(bite)の摩耗量を増大させることなく、ピッキング現象を防ぐことができる。
本発明の実施形態によれば、重量パーセント(wt%)で、炭素(C):0.8〜1.2、ニッケル(Ni):2.0〜4.5、クロム(Cr):3.0〜5.0、モリブデン(Mo):16.0〜20.0、コバルト(Co):9.0〜13.0、バナジウム(V):0.05〜0.15、硫黄(S):0.2〜0.8、その他にFeおよび不可避不純物からなる合金粉末に硫化マンガン(MnS)を添加してバルブシート用焼結合金を製造する。このとき、硫化マンガンは、焼結合金100重量部に対して1.0〜2.0重量部を含み、硫化マンガンがさらに含まれた焼結合金でバルブシートを製造する。
まず、炭素(C)は鉄(Fe)に固溶し、材料の強度および硬度の向上による耐摩耗性を向上させ、基地(matrix)の強度を向上させる目的で添加するが、含有量が0.8重量部未満であれば、パーライト(Pearlite)と共にフェライト(Ferrite)が過多に形成されるため、基地(matrix)が軟化して強度と耐摩耗性が低下し、1.2重量%を超えれば、パーライトに所要されて残った炭素が網状(network)構造のセメンタイトを形成して基地金属を脆弱にする。したがって、本発明に係る実施形態では、炭素の含有量を0.8〜1.2重量%に限定する。
添加するが、Niの含有量が2.0重量%未満であれば効果が微弱になり、4.5重量%
を超えれば、基地組織がマルテンサイトおよびニッケルが豊富な(Ni−Rich)オー
ステナイト(Austenite)に変化して組織が不安定になり、必要以上に硬度が大
きくなって機械加工性が低下する。したがって、本発明に係る実施形態において、Niの
含有量は2.0〜4.5重量%に限定する。
クロム(Cr)は、基地にCrSで析出されて固体潤滑剤の役割を行うが、その含有量が3.0重量%未満であれば、固体潤滑剤であるCrSの形成が微小となり、耐摩耗性が低下する。この反面、5.0重量%を超えれば、固体潤滑剤であるCrSの形成が過多になり、基地金属を脆弱にする。したがって、本発明に係る実施形態では、Crの含有量を3.0〜5.0重量%に限定する。ただし、成分含有量は、本発明の効果を最適化するための一例に過ぎないため、これに限定されるものではない。
また、硫黄(S)は固体潤滑剤に投入され、Crと結合してCrSで粒子内部に形成される。Sの含有量が0.2重量%未満であれば、固体潤滑剤の析出が微小となってその効果が微弱になり、0.8重量%を超えれば、CrS含有量が過多になって基地(matrix)の強度を低下させる。したがって、本発明に係る実施形態のSの含有量は、0.2〜0.8重量%に限定する。
MnSの含有量が焼結合金(合金粉末)100重量部に対して0.5重量部未満であればその役割が微小となり、その含有量が2.5重量部を超えれば基地の強度が弱まり、バルブシートをヘッドに圧入するときに破壊し易くなる。したがって、本発明に係る実施形態におけるMnSの含有量は、焼結合金(合金粉末)100重量部に対して0.5〜2.5重量部に限定する。
図4は、本発明の実施形態に係るバルブシートの製造工程のフローチャートである。図4に示したとおり、炭素(C):0.8〜1.2、ニッケル(Ni):2.0〜4.5、クロム(Cr):3.0〜5.0、モリブデン(Mo):16.0〜20.0、コバルト(Co):9.0〜13.0、バナジウム(V):0.05〜0.15、硫黄(S):0.2〜0.8、その他にFeおよび不可避不純物からなる合金粉末に硫化マンガン(MnS)を合金粉末100重量部に対して1.0〜2.0重量部を混合する。混合された合金粉末と硫化マンガンを要求される密度および電装を考慮した上で1次成形(S100)を実施して1次形状体を実現する。
この後に予備焼結工程(S110)を経るが、これは、750〜800℃で2.5時間程度焼成する工程である。予備焼結工程は、密度を上げるための再加圧(鍛造)(S120)のために、成形された1次形状体に少量の炭素を拡散させて粘性を向上させる工程である。予備焼結工程の後は、1次形状体を再加圧(S120)して2次形状体を実現すると同時に密度を増大させる。このために面圧10トン(ton)/cm2の圧力で加圧する。
本焼結が完了すれば、2次形状体に残留応力(residual stress)が発生するが、これを除去するために、大気圧状態で一定の温度を維持させるテンパリング(tempering)(S140)を実施する。本発明に係る実施形態におけるテンパリング温度は約180〜220℃であり、テンパリング時間は100〜150分である。テンパリングによって組織間の応力が緩和する。
含有工程が終われば、オイルが含浸した2次形状体をPM工法上で実現することができないサイズおよび形状を機械的に加工する。加工が終われば2次形状体に発生したバー(burr)および異物を除去し、最適の表面状態を維持するようにバレル(Barrel)工程(S150)を経る。バレル工程が完了すれば、製品表面にある欠陥を早期に発見し、顧客に伝達されないように最終点検を実施する。
上記の方法によって製造されたバルブシートに対して摩耗量を測定するテストを実施した。バルブシート10は、シート部12、14、16と非シート部に分けられるが、本発明に係る実施形態ではシート部に重点を置いて実験を実施した。本発明に係る実施形態において、非シート部は、図1において、シート部12、14、16の下端部にバルブ(図示せず)との摩擦が大きくない部分を意味する。
図1は、本発明の実施形態に係るバルブシートの加工順序を示す模式図であり、(a)は補助面の加工前、(b)はA及びB面の加工後、(c)はC面の加工後を示した。
図1で、シート部12、14、16は、それぞれA、B、およびC面を形成する。加工順序は、まず、シート部12(A面)及びシート部14(B面)を加工した後にシート部16(C面)を加工する。
[実験方法]
比較例は、MnSとレジン(Resin)を添加し、テンパリングを実施しないものを使用した。
図2は、本発明の実施形態に係るバルブシートの粗度を示したグラフである。縦軸は表面粗度(Rt)、横軸は測定個数を示した。このときの表面粗度(Rt)は、1つの材質あたり最大1,000個の製品に対して5回の実験を実施したものを平均した値である。
実施例において最大気孔の大きさが比較例に比べて半分以下に減り、100μmよりも大きい気孔数も著しく減少した。
また、比較例では300ホール(hole)未満で加工が可能であったが、実施例によって製造されたバルブシートは1400ホール(hole)以上の加工が可能であり、本発明に係る実施形態では、レジン(resin)を使用せずに加工面のピッキング現象が発生しなかった。したがって、本発明に係る実施形態のバルブシートは、特にバルブと接する部分に適合することができる。
12:シート部(A面)
14:シート部(B面)
16:シート部(C面)
Rt:表面粗度
Claims (8)
- 重量パーセント(%)で、炭素(C)が0.8〜1.2、ニッケル(Ni)が2.0〜4.5、クロム(Cr)が3.0〜5.0、モリブデン(Mo)が16.0〜20.0、コバルト(Co)が9.0〜13.0、バナジウム(V)が0.05〜0.15、硫黄(S)が0.2〜0.8、その他Feおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉末とMnSからなり、
前記MnSは、前記合金粉末100重量部に対して0.5〜2.5重量部であり、
粒子径が12μm以下であり、
重量パーセント(%)でMnが60〜65、Sが35〜40であること、
を特徴とするバルブシート用焼結合金。 - 重量パーセント(%)で、炭素(C)が0.8〜1.2、ニッケル(Ni)が2.0〜
4.5、クロム(Cr)が3.0〜5.0、モリブデン(Mo)が16.0〜20.0、
コバルト(Co)が9.0〜13.0、バナジウム(V)が0.05〜0.15、硫黄(
S)が0.2〜0.8、その他にFeおよび不可避不純物からなるバルブシート用合金粉
末にMnSをさらに含む原料を混合する段階、
前記混合された原料を成形して1次形状体を実現する段階、
前記成形された1次形状体を予備焼結する段階、
予備焼結された前記1次形状体を加圧して2次形状体を実現する段階、
前記2次形状体を本焼結する段階、および
前記本焼結された2次形状体に対してテンパリングを実施する段階、
を含み、
前記MnSは、前記合金粉末100重量部に対して0.5〜2.5重量部であり、
粒子径が12μm以下であり、
重量パーセント(%)でMnが60〜65、Sが35〜40であること、
を特徴とするバルブシート製造方法。 - 前記MnSの含有量は、前記合金粉末100重量部に対して0.5〜2.5重量部であ
ることを特徴とする請求項2に記載のバルブシート製造方法。 - 前記テンパリングの温度は、180〜220℃であることを特徴とする請求項2に記載の
バルブシート製造方法。 - 前記テンパリングの時間は、100〜150分であることを特徴とする請求項2に記載の
バルブシート製造方法。 - 前記テンパリングを実施した前記2次形状体にオイルを含浸させる段階をさらに含むこ
とを特徴とする請求項2乃至5のいずれか一項に記載のバルブシート製造方法。 - 前記オイルが含浸した2次形状体に加工およびバレルを実施する段階をさらに含むこと
を特徴とする請求項6に記載のバルブシート製造方法。 - 請求項1に記載の前記焼結合金によって製造されることを特徴とするバルブシート。
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