JP6427442B2 - Ｆｅ基焼結用硬質粉末およびそれを用いた耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに圧入され、バルブの開閉によるシリンダヘッドの摩耗を防ぐ焼結バルブシートに用いられる、Ｆｅ基焼結用硬質粉末およびそれを用いた耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体に関する。

従来より、内燃機関のバルブシートには、Ｆｅ系粉末を基地とし、ＭｏおよびＮｉ、Ｃｏのようなレアメタルを多く含有する硬質粒子が混合された焼結合金が用いられてきた。この硬質粒子に添加されるＭｏは、主に硬質な炭化物を形成し耐摩耗性を改善するとともに、酸化物を生成しやすいため固体潤滑性を持たせ凝着を抑制する働きをしている。また、ＮｉやＣｏは、硬質粒子のマトリックスをオーステナイト化し、耐摩耗性や凝着性を改善するＭｏの硬質粒子内への固溶量を増加させる意図で添加されている。

例えば、特開２００１−１８１８０７号公報（特許文献１）に開示されているように、質量％で、Ｍｏ：２０〜６０％、Ｃ：０．２〜３％、Ｎｉ：５〜４０％、Ｍｎ：１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含み、残部が不可避不純物とＦｅからなる硬質粒子が提案されている。また、特開２０１１−１９０５２６号公報（特許文献２）に開示されているように、質量％で、Ｍｏ：２０〜４０％、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｎｉ：５〜３０％、Ｍｎ：１〜１０％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｃｏ：５〜３０％、Ｙ：０．０５〜２％、残部が不可避不純物とＦｅからなる焼結合金配合用硬質粒子が提案されている。

特開２００１−１８１８０７号公報 特開２０１１−１９０５２６号公報

上述した、特許文献１や特許文献２に開示されているように、これら硬質粒子は、従来より提案されているとおり、鋳造粉砕法、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法など、汎用の方法で製造される。一方、Ｎｉ、Ｃｏのようなレアメタルは原料コストが高く、価格変動も大きいため、価格や供給の安定化が本業界における課題のひとつであった。しかしながら、硬質粒子において、ＮｉやＣｏの添加量を下げると、硬質粒子のマトリックスがフェライト化することで、摩耗量が増加してしまう課題があった。

上述した問題を解決するために、発明者らは、Ｎｉ、Ｃｏを過度に添加することなく、優れた耐摩耗性を有する硬質粉末について鋭意検討した結果、硬質粉末のマトリックスが十分なオーステナイトでなくても、所定の元素の添加量を最適化することにより、十分な耐摩耗性を得られることを見出し、内燃機関のバルブシートに用いられる、Ｆｅ基焼結用硬質粉末およびそれを用いた耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体を提供する発明に至った。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．５〜２％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：２〜１０％、Ｍｏ：３０〜５０％、Ｃｒ：１５％以下、ＮｉとＣｏのうちの１種または２種の合計：５％未満、ＷとＶとＮｂのうちの１種または２種以上の合計：５％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＦｅ基焼結用硬質粉末。

（２）前記（１）に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体。
（３）前記（１）に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末を５〜５０質量％と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体にある。

上述したように、本発明により、内燃機関のバルブシートに用いられる、Ｆｅ基焼結用硬質粉末およびそれを用いた耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体を提供できる。

図１は、バルブシート耐摩耗試験機の概略を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明における最大の特徴は、Ｍｏ系炭化物による耐摩耗性改善と同時に、積極的にＮｉ、Ｃｏを減じることで硬質粉末のマトリックスのフェライト化を促進し、かつ、このフェライト中にＳｉを固溶させることにより酸化しやすくし、耐摩耗性を改善したことである。さらに、Ｓｉにはフェライトを安定化させる効果も認められる。したがって、本発明における硬質粉末の組成は、Ｍｏ、Ｃ、Ｓｉを必須元素として含むと同時に、オーステナイト化元素であるＮｉとＣｏの合計の上限を厳しく規制することを特徴とする。このように、本発明は硬質粉末のマトリックスを積極的にフェライト化する点において、上述した特許文献１、２と本発明は大きく視点が異なる。

また、本発明における硬質粉末は、必要に応じ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂを添加することができる。製法としては一般的な、鋳造粉砕法、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法といった従来の方法が適用できる。なお、本発明における硬質粉末は、Ｆｅ系粉末や、必要に応じて、黒鉛粉末、その他の純金属あるいは合金粉末といった、従来提案されている各種粉末と混合、焼結することで、バルブシートとして使用でき、硬質粉末の添加量としては従来知られているとおり、５〜５０％程度で使用可能である。

以下、本発明に係る硬質粉末の限定理由を説明する。
Ｃ：０．５〜２％
本発明においてＣは、硬質粉末中にＭｏ系炭化物を生成し耐摩耗性を改善するための必須元素である。しかしながら、過度に添加すると硬質粉末が脆くなり、バルブシート形状への機械加工時に脱落しやすくなる。０．５％未満の添加では耐摩耗性が十分でなく、２％を超えて添加すると脆くなる。好ましくは０．７％〜１．８％、より好ましくは０．８％〜１．５％である。

Ｓｉ：０．５〜２％
本発明においてＳｉは、硬質粉末マトリックスのフェライトを安定化させるとともに酸化しやすくし、耐摩耗性を改善するための必須元素である。また、マトリックスに固溶することで硬質粉末の硬さを増加させる。しかしながら、過度に添加すると硬質粉末が脆くなる。０．５％未満の添加では耐摩耗性が十分でなく、２％を超えて添加すると脆くなる。好ましくは０．７％〜１．８％、より好ましくは０．８％〜１．５％である。また、Ｍｏは炭化物形成元素であるとともに、珪化物も比較的形成しやすい元素であるが、Ｍｏ系珪化物は比較的脆い特徴を有する。したがって、Ｃ添加量とＳｉ添加量の比率において、Ｓｉ添加量の比率が高いと、Ｍｏ系珪化物を生成しやすくなる。したがって、本発明における硬質粉末成分範囲におけるＳｉ／Ｃ比の最大値は４であるが、好ましくは３以下、より好ましくは２以下である。

Ｍｎ：２〜１０％
本発明においてＭｎは焼結時に硬質粉末と基地の密着性を改善する効果を有する元素であり、２％未満の添加では基地との密着性が悪く機械加工時に表面の硬質粉末の脱落面積率が大きく、１０％を超えて添加すると、基地への拡散が大きくなり過ぎて硬質粉末の形状を保てなくなり、かえって密着性が低下する。好ましくは３％〜８％、より好ましくは５％〜７％である。

Ｍｏ：３０〜５０％
本発明においてＭｏは、硬質粉末中にＭｏ系炭化物を生成し耐摩耗性を改善するための必須元素である。しかしながら、過度に添加すると硬質粉末が脆くなり、バルブシート形状への機械加工時に脱落しやすくなる。３０％未満の添加では耐摩耗性が十分でなく、５０％を超えて添加すると脆くなる。好ましくは３４％〜４６％、より好ましくは３８％〜４２％である。

Ｃｒ：１５％以下
本発明においてＣｒは硬質粉末の硬さをわずかに増加させる効果を有する元素であり、必要に応じて添加することができる。しかしながら、１５％を超えて添加すると機械加工時に硬質粉末が脱落しやすくなる。好ましくは１％〜１３％、より好ましくは３％〜１１％である。

ＮｉとＣｏのうちの１種または２種：５％未満
本発明においてＮｉとＣｏは、いずれも硬質粉末マトリックスをオーステナイト化させてしまう元素であるため、その合計量の上限を厳しく制限する必要がある。その合計量が５％未満においてはオーステナイト化の効果が小さいが、５％以上ではオーステナイト化が進み、硬質粉末が酸化しにくくなり、耐摩耗性が低下する。好ましくは３％以下、より好ましくは無添加である。

ＷとＶとＮｂのうちの１種または２種以上：５％以下
本発明においてＷ、Ｖ、Ｎｂは硬質な炭化物を形成する元素であり、必要に応じて添加することができる。しかしながら、その合計量が５％を超えて添加すると炭化物がＣを多く消費し、結果としてＭｏ系炭化物の生成を阻害する。したがって、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの合計量は、好ましくは０．１％〜３％、より好ましくは０．５％〜２％である。なお、本発明に係る硬質粉末は残部Ｆｅであり、このＦｅは本発明の硬質粉末において最も添加量の多いＭｏと比較し、低コスト、低融点である。したがって、原料コストと製造時の溶解性を考慮すると、３５％を超え、６０％未満が好ましく、４５％を超え、５５％未満がより好ましい。

硬質粉末の混合量：５〜５０％
硬質粉末は基本的に混合量が増加するとともに耐摩耗性が向上する。５％未満では添加の効果が小さく、５０％を超えて添加すると金型に充填して加圧成形した際、形状が安定しない。

焼結体の基礎となるＦｅ系粉末
上述した焼結体の基地となるＦｅ系粉末は、例えば内燃機関のバルブシート等の用途に使用する場合には、Ｆｅ９９％以上、残部を不可避的不純物からなる還元鉄粉またはアトマイズ鉄粉を用いるが、特にこの粉末に限定されるものではない。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（硬質粉末の作製）
表１、２に示す成分組成となるよう秤量した原料を用い、ガスアトマイズ法により粉末を作製し、これを２１０μｍ以下に分級し、硬質粉末として用いた。

（焼結体の作製）
上記表１、２に示す組成および混合量の硬質粉末、黒鉛粉末を添加し、残部をＦｅとして混合し、その混合粉を金型に充填して加圧成形したのち、焼結を行って試験片を作製した。なお、Ｆｅは還元鉄粉（１８０μｍ以下）、Ｃは鱗状黒鉛粉（平均粒径２５μｍ）を使用した。

（耐摩耗性の評価）
図１に示すバルブシート耐摩耗試験機を用い焼結合金の耐摩耗性を評価した。この試験機ではプロパンガスバーナー１を加熱源として用い、前記の様に作製した焼結合金からなる試験片であるリング形状のバルブシート２と、バルブ３のバルブフェース４との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブフェース４はＳＵＨ３５材である。バルブシートフェース５の温度を３００℃に制御し、スプリング６によりバルブシートフェース５とバルブフェース４との接触時に２４５Ｎの荷重を付与して３２５０回／分の割合で接触させ、８時間の摩耗試験を行った。比較例３３の摩耗深さを１とした摩耗量比にて、耐摩耗性を評価した。

（硬質粉末脱落の評価）
作製したバルブシートのバルブとの当たり面を実体顕微鏡で撮影し、５ｍｍ²分の視野における脱落した硬質粉末の面積率で評価した。

表１は、種々の成分からなる硬質粉末の添加量を４０％で一定とし、硬質粉末組成による影響を評価し、特性に優れる硬質粉末組成範囲を明らかにしたものである。さらに、表２は、本請求項１内と外の成分を有する硬質粉末の添加量を変化させて評価し、本請求項１内の硬質粉末が優れた特性を示す添加量範囲を明らかにしたものである。表１に示すＮｏ．１〜１５および表２に示すＮｏ．３１〜３４は本発明例であり、表１に示すＮｏ．１６〜２９および表２に示すＮｏ．３０、３５〜４１は比較例である。

表１に示すように、比較例Ｎｏ．１６は硬質粉末の成分組成であるＭｏ，Ｃ，Ｓｉ含有量が低いために、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１７は硬質粉末の成分組成であるＮｉ＋Ｃｏの値が高いために、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１８は硬質粉末の成分組成であるＣｒ含有量が高いために、機械加工時に硬質粉末が脱落し易く脱落面積率が大きい。比較例Ｎｏ．１９は硬質粉末の成分組成であるＭｎ含有量が高いために、機械加工時に硬質粉末が脱落し易く脱落面積率が大きい。

比較例Ｎｏ．２０は硬質粉末の成分組成であるＳｉの含有量が高く、硬質粉末の成分組成であるＭｎ含有量が低いために、耐摩耗性が劣り、かつ脱落面積率が大きい。比較例Ｎｏ．２１、２２は硬質粉末の成分組成であるＭｎ含有量が低いために、脱落面積率が大きい。比較例Ｎｏ．２３は硬質粉末の成分組成であるＣの含有量が低いために、耐摩耗性が悪い。比較例Ｎｏ．２４は硬質粉末の成分組成であるＣの含有量が高いために、粉末が脆くなり脱落面積率が大きい。

比較例Ｎｏ．２５は硬質粉末の成分組成であるＳｉの含有量が高いために、耐摩耗性が悪く、かつ脱落面積率が大きい。比較例Ｎｏ．２６は硬質粉末の成分組成であるＭｎの含有量が高いために、脱落面積率が大きい。比較例Ｎｏ．２７は硬質粉末の成分組成であるＷ＋Ｖ＋Ｎｂの含有量がやや高いために、炭化物がＣを多く消費し、結果としてＭｏ系炭化物の生成を阻害し、機械加工時に硬質粒子が脱落し易く脱落面積率がやや大きくなる。

比較例Ｎｏ．２８は硬質粉末の成分組成であるＭｏ、Ｃｒ，Ｍｎの含有量が高く、Ｗ＋Ｖ＋Ｎｂの含有量がやや高いために、機械加工時に硬質粉末が脱落し易く脱落面積率が大きい。比較例Ｎｏ．２９は硬質粉末の成分組成であるＮｉ、Ｃｏが高く、Ｎｉ＋Ｃｏの値が高いため、マトリックスがオーステナイト化し、酸化が進まないため、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．３４は硬質粉末の混合量が低いために、耐摩耗性が悪い。これに対して、本発明Ｎｏ．１〜１５の硬質粉末はいずれも本発明の条件を満たしていることから、耐摩耗性に優れ、かつ脱落面積率の小さいことが分かる。

次に、表２に示すように、比較例Ｎｏ．３０と３６を比較すると、硬質粉末の混合量が低いため、硬質粉末組成による特性への影響が小さい。また、比較例Ｎｏ．３５と４１は、硬質粉末添加量が高いために、硬質粉末組成によらず加圧成形後の形状が不安定となる。さらに、比較例３７，３８，３９，４０は、本請求項１の硬質粉末組成範囲外であることから、同範囲内の硬質粉末を同量混合した実施例Ｎｏ．３１，３２，３３，３４とそれぞれ比較し、特性が著しく優れており、硬質粉末添加量の適当な範囲であることがわかる。

以上述べたように、本発明はＭｏ系炭化物による耐摩耗性改善と同時に、積極的にＮｉ、Ｃｏを減じることで硬質粉末のマトリックスのフェライト化を促進し、かつ、このフェライト中にＳｉを固溶させることにより酸化しやすくし、耐摩耗性の向上および脱落面積率の減少を図ることを可能とした極めて優れた効果を奏するものである。

１ プロパンガスバーナー
２ バルブシート
３ バルブ
４ バルブフェース
５ バルブシートフェース
６ スプリング


出願人 山陽特殊製鋼株式会社 他１
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．５〜２％、
   Ｓｉ：０．５〜２％、
   Ｍｎ：２〜１０％、
   Ｍｏ：３０〜５０％、
   Ｃｒ：１５％以下、
   ＮｉとＣｏのうちの１種または２種：５％未満、
   ＷとＶとＮｂのうちの１種または２種以上：５％以下、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＦｅ基焼結用硬質粉末。
2. 請求項１に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体。
3. 請求項１に記載のＦｅ基焼結用硬質粉末を５〜５０質量％と焼結体の基地となるＦｅ系粉末とを混合し、焼結してなることを特徴とする耐摩耗性の優れたＦｅ基焼結体。

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